JPH07255134A - 2次電池の直列接続回路 - Google Patents
2次電池の直列接続回路Info
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- JPH07255134A JPH07255134A JP6067888A JP6788894A JPH07255134A JP H07255134 A JPH07255134 A JP H07255134A JP 6067888 A JP6067888 A JP 6067888A JP 6788894 A JP6788894 A JP 6788894A JP H07255134 A JPH07255134 A JP H07255134A
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Abstract
効率を向上させる。 【構成】 充電信号スイッチ8がONになり充電を開始
する前に、直列接続の組電池を構成する2次電池1a〜
1nの各電圧を、電圧検出器4a〜4nによって検知
し、各電池のDODのバラツキを検出する。コントロ−
ラ5は、検知電圧が放電終止電圧以上の電池の放電用ト
ランジスタ3a等をONにして、放電抵抗2a等を介し
放電終止電圧まで放電させて、各電池のDODを揃え
る。この後コンタクタ6をONにして、充電器7より充
電電圧・電流を組電池に印加して充電を開始し、電池の
いずれか1つが満充電に達したら充電を完了させる。こ
れにより使用できるエネルギ−量の減少と、過充電によ
る電池寿命の短縮が防止される。
Description
池等の非水溶媒系2次電池による組電池に関し、特に非
水溶媒系2次電池等を直列接続した組電池の過充電・過
放電を防止する2次電池の直列接続回路に関する。
次電池の過充電・過放電を防止する装置としては、特開
平4−331425号、あるいは特開昭61−2061
79号に開示されているものがある。図10は従来の過
充電・過放電防止装置の構成図であり、2個のリチウム
イオン2次電池21a、21bを直列接続した組電池の
例を示している。一般的に、リチウムイオン電池は自己
放電が小さく充電効率が高いなどの利点を有するが、正
極、負極の活物質、有機電解液間の化学反応によって決
まる設計電圧(または充電終止電圧等の設定電圧)があ
り、設計電圧を超えて充電することを過充電と呼び、過
充電を行うと負極上でのLi金属の析出や、正極活物質
の分解により生ずるコバルトイオンによるCo金属、あ
るいはコバルト化合物の析出、有機電解液の分解が生
じ、正負極のショ−トや著しい電池性能の劣化を招くの
で過充電は避けなければならないとされている。
(または放電終止電圧)以下まで放電することを過放電
と呼び、過放電では銅Cuがイオン化して電解液中に溶
出することにより、集電機能が低下して極活物質の脱落
が生じ、過充電の場合と比較すればダメ−ジは小さいも
のの、溶出した銅イオンによる正負極のショ−ト、電池
容量の低下などを招くので、過放電も避けなければなら
ない。このような過充電・過放電を避けるために、図1
0の回路では、共通端子30と充電端子31間に充電用
電源を接続して、スイッチ手段23をONしてリチウム
イオン電池21a、21bを充電する際、電圧検出器2
4a、24bにより各電池電圧をチェックしていずれか
一方の電池が設定電圧を超えると、FETやSSRで構
成するスイッチ手段23をOFFし、充電電流を遮断す
ることにより過充電を避けるようにしている。一方、放
電時はスイッチ手段25をONして、電圧検出器26に
より放電電圧をチェックし、溶解電圧以下になったらス
イッチ手段25をOFFして過放電を避けるようにして
いる。
続回路の構成図であり、リチウムを負極として、正極に
活性炭または2硫化チタン・マンガン酸化物などを用い
たリチウム2次電池41a、41b、…、41nを複数
個直列に接続して使用する場合に、各電池に充電電圧が
均等に配分されず充電特性にバラツキが生じて電池性能
が劣化する問題を避けるため、各電池に並列に定電圧回
路(ツェナ−ダイオ−ド等)ZDa、ZDb、…、ZD
nを接続して、これら定電圧回路による電圧検出により
バラツキを抑止しようとするものである。
に示すリチウムイオン2次電池の従来例においては、放
電時は総電圧が溶解電圧以下になったら放電を停止し、
充電時は各電池のいずれか1個でも満充電に達したら充
電を終了するという構成であって、温度分布の不均一等
の原因による各電池の充・放電効率の違いで発生するD
OD(Depthof discharge:放電深度
%表示)のバラツキ増加を抑える機能が用意されていな
い。
明図に示すように、2個のリチウムイオン2次電池A、
Bを直列に組電池状態で使用する場合は、低い方の電池
容量によって使用できる容量が規定されてしまうため
に、DODのバラツキによって第1回目の充電時、電池
Aが100Ah、電池Bが99Ahであって使い切るも
のとすれば、電池A、Bとも使用容量は99Ahである
から、放電作動の際に電池Aは1Ah分無駄になり、第
10回目では9.5Ah分を無駄にしていることにな
り、このようにDODのバラツキの増加によって、組電
池として使用できるエネルギ−量が減ってしまうという
問題がある。
る容量劣化度(寿命)が大きく、図13の過充電サイク
ル特性図に示すように、定電流・定電圧充電を行った場
合、定電圧の設定値が4.2Vから4.3Vへ0.1V
増加しただけで、100サイクル目の容量劣化率が2.
5%から10%台に増加し、設定電圧0.1V(4.2
Vに対して2.4%)の誤差によって寿命が1/4に低
下してしまい、DODのバラツキ増加によって電池寿命
が著しく短縮されるという問題がある。それに対し、過
放電による容量劣化の程度は小さく、図14の過放電サ
イクル特性図に示すように、放電終止電圧(溶解電圧)
が2.5Vから1.0Vになっても、100サイクル目
の容量劣化率は2.5%から6%の増加に止まり、放電
終止電圧1.5V(2.5Vに対して60%)の誤差で
も寿命が1/2に低下するに止まる。
池41a、41b、…、41nに並列に接続した定電圧
回路によって電圧検出しているので、例えば図15の
(a)ように3個のリチウム2次電池E、F、Gを直列
接続して定電圧回路としてツェナ−ダイオ−ドによって
電圧検出する際、どうしてもツェナ−ダイオ−ドと周辺
のバラツキ等により電圧検出レベルに誤差が発生する。
出してしまうものとすれば、図15の(b)に示すよう
に、満充電時の実際電圧は4.3Vになり、電池Fは正
確な場合で実際電圧は4.2V、そして電池Gは0.1
V高く検出してしまうものとして実際の充電電圧は4.
1Vになるとすると、この状態で満充電したリチウム2
次電池E(110Ah)、F(100Ah)、G(90
Ah)を直列組電池として使用する際は、最低の電池G
の電池容量90Ahが使用容量となり、電池Fの実際の
容量100Ahに対して90%の容量分しか使用できな
いことになる。また、この場合には、電池Eが過充電状
態になるので真っ先に寿命が短くなる。すなわち、電圧
検出のバラツキによって組電池として使用できるエネル
ギ−量が減り、電池寿命が短縮されるという問題があ
る。
のであり、DODおよび電圧検出等のバラツキを補正し
て、組電池として使用できるエネルギ−量の減少を防止
し、過充電によって電池寿命が短縮される確率を低下さ
せるようにした2次電池の直列接続回路を提供すること
を目的とする。
の本発明は、DODに応じて端子電圧が変化する2次電
池を複数個直列に接続して構成する組電池において、
前記各2次電池の端子電圧より各2次電池のDODを検
出する電圧検出手段と、前記各2次電池を独立に放電さ
せる放電スイッチ回路と、前記組電池の両端に接続され
て組電池を充電する充電手段と、前記電圧検出手段によ
り検出した各2次電池のDODに対応して前記放電スイ
ッチ回路を介して各2次電池を独立に放電させる制御手
段とを備えるものとした。
検出手段と放電スイッチ回路のかわりに各2次電池を並
列接続に切り替え可能の直並列切替スイッチを有し、制
御手段が充電直前に前記直並列切替スイッチにより各2
次電池の直列接続を並列接続に切り替えてDODを揃え
た後に、再び直列接続に戻すように構成されたものとし
た。
した各2次電池のDODに対応して各2次電池を独立に
放電させる制御手段を有するから、各電池のDODを揃
えることができ、DODの差の増大による使用可能エネ
ルギ−量の低減が防止される。上記各2次電池の独立放
電によるDOD揃えは、組電池の充電直前に行ない、そ
の後に充電を開始させるようにすることができる。
においても、各2次電池のDODバラツキが設定値を超
える場合に各電池を独立に放電させD0Dを揃えること
もでき、組電池の充電・放電時におけるDODのバラツ
キを抑えることができる。また、DODを揃えるにあた
っては、最も低電圧の2次電池に合わせて他の各2次電
池を放電させDODを揃えるようにすることもできる。
さらに、DODは80%より100%の範囲で揃えるよ
うにすると、調整が容易である。なお、充電手段は、2
次電池のいずれか1個が満充電に達した後、定電圧充電
に切り替えるようにすることができる。
により各2次電池の直列接続を並列接続に切り替えるこ
とにより各2次電池のDODが揃うので、その後再び直
列接続に戻して充電を行なうことができる。
る。図1は、本発明の第1の実施例に係る2次電池の直
列接続回路の構成図である。複数(n個)の2次電池1
a、1b、…、1nを直列接続して組電池状態とし、直
列接続の放電抵抗2aおよび放電用トランジスタ3a、
放電抵抗2bおよび放電用トランジスタ3b、そして放
電抵抗2nおよび放電用トランジスタ3nの各放電スイ
ッチ回路(バイパス回路)を、2次電池1a、1b、
…、1nのそれぞれに並列に接続している。
ぞれに並列に接続して、各電池の電圧を検知する電圧検
出器4a、4b、…、4nと、各電圧検出器の電圧検出
値を入力してDODを検出し、放電用トランジスタ3
a、3b、…、3nをON/OFFして各2次電池1
a、1b、…、1nを独立に放電させる制御用のコント
ロ−ラ5と、充電時に組電池に充電電圧・電流を印加す
るための充電器7と、コントロ−ラ5の制御信号により
充電器7の出力をON/OFFするコンタクタ6と、充
電動作開始用の充電信号スイッチ8とで構成されてい
る。
ャ−トである。まず、ステップ101において、コント
ロ−ラ5で、充電シ−ケンス(充電動作)をスタ−トさ
せる充電信号スイッチ8の状態をチェックし、充電動作
を開始するか否かを判断する。なお、一般に充電器は電
池とは別置きなので、充電器と電池を接続するコネクタ
の接続動作に同期して、スイッチ8をON/OFFさせ
てもよい。そして、充電信号スイッチ8がONの場合は
ステップ102へ進み、電圧検出器4a、4b、…、4
nにより検出される各2次電池1a、1b、…、1nの
電圧をチェックする。これにより、各電池のDODが検
出される。(電圧検出手段の動作に相当)
電圧と放電電流をパラメータとする特性図により求めら
れる。2次電池1aを例にとれば、放電用トランジスタ
3aがONしているときの当該放電スイッチ回路の放電
抵抗2bの抵抗値をR、電圧検出器4aで検出した2次
電池1aの電圧をVとして、放電スイッチ回路を流れる
放電電流値Iは、 I=V/R で求められ、これらIとVに基づいて上記特性図から読
み取ることができる。
異なり、電池の製造上のばらつきや劣化によって内部抵
抗は一定ではないので、負荷への放電の際、負荷電流と
電池電圧から個々の内部抵抗を求めておき、補正するよ
うにすればよい。ただし、適用対象によって、各2次電
池の内部抵抗を同一とみなし、放電用トランジスタがO
Nの状態でDOD100%になる電圧を固定的に設定
し、その電圧に達したらDOD100%とするものとし
て、設定作業を簡単なものとすることもできる。
b、…、1nの中で、DODが小さく電圧が予め設定さ
れた放電終止電圧以上の電池例えば1aに関して、コン
トロ−ラ5より制御信号が送出され、その電池の放電用
トランジスタ3aをONさせて放電抵抗2aとの放電ス
イッチ回路を介して独立に放電させる。一方、DODが
大きく電圧が予め設定された放電終止電圧以下の電池
は、ONして放電させると過放電になるので、これを避
けるためその電池の放電用トランジスタはOFFのまま
とする。そしてステップ104において、各電池の電圧
が放電終止電圧になってDODが揃ったかどうかがチェ
ックされる。各電池のDODがまだ不揃いの場合(すな
わち、放電終止電圧になっていないとき)は、ステップ
102以降の処理を繰り返し、DODが揃ったら次のス
テップ105へ進む。このとき、放電用トランジスタ3
a、3b、…、3nはすべてOFFになる。(放電手段
の動作に相当)
える上記独立放電処理の完了により、コントロ−ラ5か
らの制御信号によりコンタクタ6がONされ、充電器7
より2次電池1a、1b、…、1nへ充電電圧・電流を
印加して充電が開始される。そしてステップ106で、
コントロ−ラ5での各電圧検出器4a、4b、…、4n
の電圧検出により、各2次電池1a、1b、…、1nの
中で、その正極、負極の活物質、有機電解液間の化学反
応等によって決まる設計電圧(または充電終止電圧等の
設定電圧)に達した電池があるかがチェックされる。設
定電圧に達したものがない間はこのチェックが繰り返さ
れ、設定電圧に達した電池が発生したらステップ107
へ進む。ステップ107では、コンタクタ6を0FFし
て充電を終了する。(充電手段の動作に相当)
は、放電後(電池使用後)に各2次電池の独立放電によ
りDODを揃えるようにしたので、検出器等の誤差をあ
る程度見込んでも、図10、図12の従来例の場合のよ
うにDODの差が広がり、使用できるエネルギ−量が減
って行くような事態が防止される。
池に接続されたツェナーダイオードにより印加電圧が制
限され、所定電圧になった以降DODの大きさの順で充
電電流が減少するのでDODを揃える方向に進む。しか
し、図5に示されるように、充電時よりも放電時の方が
内部抵抗が大きくなるので、同じ電流であれば、V=I
・RによりDODの変化に対する電圧の変化は放電時の
方が大きい。このため、同じ精度の電圧検出器を用いて
も上記従来例によるよりはDODの不揃いを小さく収め
ることができる。また、温度ドリフトなどによって電圧
検出器のゼロ点がずれたりして、図4に示すような電圧
検出レベルに誤差があるような場合にも、図3の放電特
性図に示されるように、DODが大になるにしたがって
電圧低下の傾きが大きくなるため、このDOD大の領域
で合わせることによりDODの不揃いを容易に小さくで
きる。
プ103、104の処理において、各2次電池1a、1
b、…、1nのDODを揃えるための放電を、放電終止
電圧まで全ての電池を放電させるかわりに、放電後(使
用後)の最低電圧の電池を基準にして各電池をそれに合
わせて放電させ揃えるようにすれば、充電時間の短縮と
充電に要するエネルギ−量の節約が可能になる。
の実施例の図2に示したステップ106、107におけ
る充電処理において、各2次電池1a、1b、…、1n
中いずれか1個の電池が設定電圧(充電終止電圧)に達
した場合、直ちに充電を終了するのにかわって、それ以
降も充電器7の出力電圧をホ−ルドして、定電圧充電に
切り替え充電電流を徐々に小さくすることで続行するよ
うにすれば、過電圧による過充電が防止でき、よりスム
−スに全ての電池の満充電を実施できる。
第1の実施例の図2に示したステップ103、104の
処理で放電終止電圧まで放電させるかわりに、DODを
合わせるための放電をDOD80%〜100%の範囲で
実施することもできる。図5は本実施例による2次電池
のDODと内部抵抗の特性曲線を示す図である。放電時
の内部抵抗はDOD80%から急変するので、この間D
ODの変化に対する放電時の電圧変化が大きくなるの
で、この範囲では電圧検出器の誤差に対してDODの調
整誤差が小さくなるという利点がある。
る2次電池の直列接続回路の構成図である。上述の各実
施例では、放電用のスイッチ回路を介し、独立に放電さ
せることで各2次電池のDODを揃えるようにしていた
が、代わりに充電前に各2次電池1a、1b、…、1n
を、直列接続から並列接続に切り替えることによってD
ODを揃えるようにしたものである。
チウムイオン2次電池1a、1b、…、1nの組電池
を、充電に際して、図6の(b)に示すように、各直並
列切替スイッチSa、Sb、…、Snによって、各電池
1a、1b、…、1nを並列接続に切り替える。リチウ
ムイオン2次電池にはコンデンサ類似の特性があって、
DODの異なる電池を複数並列接続するとDODが揃っ
てくる。(鉛バッテリ−に比較してDODが良く揃う)
こうして並列接続に切り替えてDODを揃えた後、再
度、直並列切替スイッチSa、Sb、…、Snによって
(a)の直列接続に戻し、充電を開始する。図7は、図
6の直並列各回路において、並列接続時の過電流対策用
に各抵抗Ra、Rb、…、Rnを挿入した回路例であ
る。これら図6、図7の実施例の場合は、放電終止電圧
以下か否かを検出してトランジスタのON/OFF制御
を行なうことや放電後の電圧検出を行なう分だけ、制御
を簡略化できる利点がある。
る2次電池の直列接続回路の構成図である。これは、前
述の実施例においては充電する前の前処理としてDOD
を揃えていたのに対し、コントローラ5’が2次電池の
使用中の放電の間にDODを揃えながら電池を使用する
ように制御するものである。この実施例では、3個の2
次電池1a、1b、1cが直列接続されているものとす
る。その他の構成は図1と同じである。
−チャ−トである。まずステップ201では、コントロ
ーラ5’において、2次電池1a、1b、1cの検出電
圧V1、V2、V3の中で最も低いVminのものを求
める。ステップ202で、Vminの電池例えば2次電
池1bと他の電池の電圧差をそれぞれ求める。そしてス
テップ203では、電圧の差が設定値以上の電池の放電
スイッチ回路(パイパス回路)の放電用トランジスタ3
aまたは3cをONして独立に放電させ、DODのバラ
ツキを抑える。以上の動作が常時繰り返される。この場
合は使用中(負荷への放電中)も常にDODを揃えてい
るので、充電時に行う前処理としてのDOD揃えが省略
できる。
はリチウムイオン2次電池いずれについても適用できる
ものであるが、これらに限定されるものではなく、その
他の非水溶媒系2次電池、ポリマ−系リチウム2次電池
等、抵抗(電池の内部抵抗)およびコンデンサの直列回
路と、電圧、電流、時間の関係において等価の特性を示
す電池にも適用できることはもちろんである。
充電を開始する前に、各2次電池に接続して電池を独立
に放電させるための放電スイッチ回路により、個別に放
電を行って各電池のDODを揃えた後に、充電を開始す
るように構成したので、DODのバラツキにより組電池
として使用できるエネルギ−量の減少を防止し、電圧検
出器のバラツキによる過充電によって電池寿命が短縮さ
れる確率を低下させる効果がある。また、電池を使用中
も各電池の電圧をチェックして、その差が設定値を超え
る電池は放電スイッチ回路により放電を行って、常にD
ODを揃えて作動するようにしたときには、充電直前に
DODを揃える必要が無くなり、その分充電のための総
時間が短縮されるという効果もある。さらに各2次電池
を並列接続に切り替え可能の直並列切替スイッチを用い
て、充電直前に直並列切替スイッチにより各2次電池の
直列接続を並列接続に切り替えるようにしたときには、
各電池別の電圧検出手段や放電スイッチ回路なしで各電
池のDODを揃えることができる。
続回路の構成図である。
る。
性図である。
の特性曲線を示す図である。
構成図である。
ある。
る。
成図である。
ある。
図である。
図である。
図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 DODに応じて端子電圧が変化する2次
電池を複数個直列に接続して構成する組電池において、 前記各2次電池の端子電圧より各2次電池のDODを検
出する電圧検出手段と、前記各2次電池を独立に放電さ
せる放電スイッチ回路と、前記組電池の両端に接続され
て組電池を充電する充電手段と、前記電圧検出手段によ
り検出した各2次電池のDODに対応して前記放電スイ
ッチ回路を介して各2次電池を独立に放電させる制御手
段とを備えたことを特徴とする2次電池の直列接続回
路。 - 【請求項2】 前記制御手段は、充電直前に前記放電に
より各2次電池のDODを揃えた後に、前記充電手段に
よる充電を開始させるものであることを特徴とする請求
項1記載の2次電池の直列接続回路。 - 【請求項3】 前記制御手段は、最も低電圧の2次電池
に合わせて各2次電池を放電させDODを揃えるもので
あることを特徴とする請求項1または2記載の2次電池
の直列接続回路。 - 【請求項4】 前記制御手段は、各2次電池のDODを
揃える独立放電をDOD80%より100%の範囲で実
施するものであることを特徴とする請求項1、2、また
は3記載の2次電池の直列接続回路。 - 【請求項5】 前記制御手段は、前記組電池の負荷への
放電作動中において各2次電池のDODバラツキが設定
値を超える場合に各2次電池を独立放電させ、DODを
揃えるものであることを特徴とする請求項1に記載の2
次電池の直列接続回路。 - 【請求項6】 前記充電手段は、前記2次電池のいずれ
か1個が満充電に達した後は定電圧充電に切り替えるも
のであることを特徴とする請求項1、2、3、4または
5記載の2次電池の直列接続回路。 - 【請求項7】 DODに応じて端子電圧が変化する2次
電池を複数個直列に接続して構成する組電池において、
前記各2次電池を並列接続に切り替え可能の直並列切替
スイッチと、前記組電池の両端に接続されて組電池を充
電する充電手段と、充電直前に前記直並列切替スイッチ
により各2次電池の直列接続を並列接続に切り替えてD
ODを揃えた後に、再び直列接続に戻す制御手段とを備
えたことを特徴とする2次電池の直列接続回路。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP06788894A JP3389670B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | 2次電池の直列接続回路 |
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ID=13357892
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JP06788894A Expired - Lifetime JP3389670B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | 2次電池の直列接続回路 |
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