JPH10257682A - 組電池の運転方法及び組電池の充放電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直列接続された単位二次電池の電気エネルギ
ーを有効利用できるようにする。 【解決手段】 各セル１１毎に一次巻線１３及びこれに
流れる電流をスイッチングするＦＥＴ１２が設けられ、
その一次巻線と磁気結合するように二次巻線２１が設け
られている。セル１１が満充電に近付いて端子電圧が上
昇すると、これが電圧制御回路１４によって検出されて
ＦＥＴ１２がスイッチング動作し、二次巻線２１に誘導
される起電力を整流してセル１１が充電される。これに
より、各セル１１間で電磁結合を介して電気エネルギー
の授受を行うことができ、各セル１１の容量を平準化さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複数の単位電池を直
列接続してなる組電池の運転方法及びその充放電回路の
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば電気自動車に組み込まれる動力用
電池は複数個の単位二次電池を直列接続して高電圧を確
保するようになっている。このような組電池を充電する
場合、各単位二次電池の容量や内部インピーダンスのば
らつきによって各電池の充電状態がばらつくことを避け
得ない。ところが、各単位二次電池は直列接続している
から、各電池には同一の大きさの充電電流が流れ、充電
状態のばらつきが端子電圧のばらつきとして現れ、一部
の電池の過充電状態を招いてしまう。

【０００３】このような一部の二次電池の過充電を防止
するための一例として、従来より図４に示すようなシャ
ントレギュレータ方式が採用されている。これは、各単
位二次電池１と並列にトランジスタ２を接続して電流ｉ
をトランジスタ２にバイパスさせ得るようにし、電池１
の充電が進んでその端子電圧が上昇すると、これを検出
してバイパス電流ｉb を増大させることにより電池１へ
の充電電流ｉc を絞ってその過充電を防止しようとする
ものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成では、各単位二次電池１においてトランジスタ２に流
れ込むバイパス電流ｉb と端子電圧ｖc との積が損失と
なるため、充電効率が悪いという欠点がある。また、充
電効率が悪いだけでなく、ある単位二次電池１で満充電
となってトランジスタ２にバイパス電流ｉb が流れたと
しても、未充電の他の単位二次電池１の充電電流ｉc は
電流ｉよりも増大させることができないから（ｉc ≦
ｉ）、全体の充電完了は充電不足の単位二次電池１の充
電完了を待つしかなく、充電時間の短縮化を図ることが
できない。

【０００５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、直列接続された各単位二次電池のエネ
ルギーを有効利用できて効率向上を図ることができ、特
に、充電時に適用した場合には、充電時間の短縮化を図
ることができる組電池の運転方法及びその充放電回路を
提供するところにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、複数
の単位電池を直列接続してなる組電池の運転方法であっ
て、各単位電池間で電磁結合を介して電気エネルギーの
授受を行うことにより各単位電池間の容量を平準化させ
るところに特徴を有する。

【０００７】また、請求項２の発明は、複数の単位二次
電池を直列接続して充放電させる組電池の充放電回路に
おいて、各単位二次電池毎に設けられた一次巻線及びこ
れに流れる単位二次電池の放電電流をスイッチングする
スイッチング素子と、前記一次巻線と磁気結合するよう
に設けられた二次巻線と、この二次巻線に誘導される起
電力を整流して単位二次電池を充電する整流回路と、各
単位二次電池の充電状態を検出してそれに応じてスイッ
チング素子を作動させることにより各単位二次電池の容
量を平準化する電圧制御回路とを設けたところに特徴を
有する。

【０００８】

【発明の作用及び効果】請求項１の発明によれば、各単
位電池毎に充電されている電気エネルギーにばらつきが
あっても、電磁結合を介して電気エネルギーの授受を行
って直列接続されている各単位電池の容量を平準化する
ことができる。この結果、一部の単位電池の過充電や過
放電を防止して各単位電池の電気エネルギーを有効利用
することができる。

【０００９】請求項２の発明によれば、各単位二次電池
の充電状態に応じて一次巻線に流れる放電電流がスイッ
チング素子によってスイッチングされる。この結果、磁
気結合している二次巻線に誘導起電力が発生し、これが
整流回路によって整流されて単位二次電池が充電され
る。この結果、直列接続された各単位二次電池の容量が
平準化されて一部の単位電池の過充電や過放電を防止し
て各単位電池の電気エネルギーを有効利用することがで
きる。また、特に充電時においては、仮に直列接続され
ている単位二次電池群のうち一部のものが満充電に近く
なると、これが電圧制御回路により検出されてスイッチ
ング素子が動作して対応する一次巻線に放電電流が流れ
る。そして、これに磁気結合している二次巻線に起電力
が誘導されて他の単位二次電池を充電する充電電流が流
れる。この充電電流は、各単位二次電池を直列に流れる
本来の充電電流に加わることになるから、充電が遅れて
いる単位二次電池についてはより大きな電流で充電され
ることになり、短時間充電が可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】

＜第１実施形態＞以下、本発明の第１実施形態について
図１を参照して説明する。この実施形態では単位二次電
池としてリチウムイオン電池のセル１１を３個直列接続
した組電池を例示してある。各セル１１の正負両端子は
スイッチング素子としてのＦＥＴ１２を通して一次巻線
１３に接続されている。ＦＥＴ１２はセル１１の端子電
圧を検出する電圧制御回路１４によってＰＷＭ制御によ
るオンオフ動作が制御されるようになっており、その端
子電圧が所定値を越えるとセル１１からの放電電流を所
定周期でスイッチングしながら一次巻線１３に流す。こ
れらのＦＥＴ１２、一次巻線１３及び電圧制御回路１４
は各セル１１毎に設けられており、各一次巻線１３は共
通のコア３０に巻回されている。

【００１１】一方、このコア３０にはやはり各セル１１
毎に１個、計３個の二次巻線２１が巻回されており、各
一次巻線１３と磁気結合した状態にある。二次巻線２１
にはそれぞれダイオード２２及び平滑コンデンサ２３か
らなる整流回路２４が設けられ、ＦＥＴ２５を通して各
セル１１に接続されている。なお、このＦＥＴ２５は同
一のセル１１に接続されたＦＥＴ１２がスイッチング動
作を行うときにオフ状態にされる。

【００１２】上記構成の組電池の充電を行うには、端子
１５，１６に充電用電源を接続して充電電流を流し込
む。充電電流ｉは各セル１１を直列に流れて各セル１１
の充電が進行する。ところが、各セル１１の残容量や内
部インピーダンスのばらつきによって各セル１１の充電
状態がばらつき、その端子電圧は同様には上昇しない。
ここで、一部のセル１１が満充電に近付いてその端子電
圧が所定値を越えたとすると、これが電圧制御回路１４
によって検出され、ＦＥＴ１２がスイッチング動作を開
始する。このため、そのセル１１から対応する一次巻線
１３に放電電流が断続的に流れ、各二次巻線２１に起電
力が誘導される。このとき、そのセル１１に接続されて
いるＦＥＴ２５はオフ状態にあるから、二次巻線２１に
誘導された起電力によって同一セル１１に電流が環流す
ることはない。そして、満充電に至っていない他のセル
１１については、ＦＥＴ２５がオン状態にあるから、二
次巻線２１に誘導された起電力によって整流回路２４で
整流されてそれらのセル１１に充電電流が流れ、その充
電が促進されて端子電圧が平準化される。

【００１３】このことは、満充電に至ったセル１１の電
気エネルギーを磁気結合を介して他のセル１１に移動さ
せていることを意味する。すなわち、端子１５，１６間
に直列に流れる電流をｉ，満充電に近付いたセル１１の
一次巻線１３に流れる放電電流をｉp ，二次巻線２１か
らセル１１に流れ込む電流をｉs とすると、満充電に近
くなったセル１１に流れる充電電流ｉcaは、ｉca＝ｉ−
ｉp となって本来の値（ｉ）より少なくなり、過充電状
態に至ることが防止される。一方、未充電のセル１１に
ついては、端子１５，１６間の電流ｉに二次巻線２１か
らの電流ｉs が加わった値となる。すなわち、そのセル
１１の充電電流ｉcbは、ｉcb＝ｉ＋ｉs となって本来の
値（ｉ）よりも大きくなり、未充電のセル１１の充電が
一層促進される。

【００１４】このように本実施形態では、満充電に至っ
たセル１１の電気エネルギーを磁気結合を介して他のセ
ル１１に移動させてその充電に寄与させることができる
から、満充電に至ったセルについて単に電流をバイパス
させてロスとしていた従来のシャントレギュレータ方式
に比べ，損失を大幅に減らすことができる。しかも、一
部のセル１１が満充電に近付くと、そこに投入される電
気エネルギーを減らして他の未充電のセル１１の充電に
利用するから、未充電のセル１１の充電が促進され、組
電池全体として充電完了が速まり、短時間充電が可能と
なる。

【００１５】なお、組電池の放電時には、各セル１１の
内部インピーダンスのばらつきによって端子電圧の低下
度合いは必ずしも均等ではないが、そのばらつきが所定
値に達すると、電圧が高いセル１１に対応するＦＥＴ１
２のスイッチング動作が開始され、電圧の低いセル１１
に充電電流が流れ、結局、各セル１１の端子電圧が平準
化される。

【００１６】＜第２実施形態＞図２は本発明の第２実施
形態を示す。前記第１実施形態との相違はセル１１の直
列数を４とし、隣接する２つのセル１１について磁気結
合させるようにしたところにある。その他は前記第１実
施形態と同様であり、重複する説明を省略する。なお、
同図において電圧制御回路も前記第１実施例と同様の構
成でＦＥＴ１２，２５を制御するようになっているが、
図面の簡略化のために省略してある。

【００１７】この実施形態において、例えば図中の最上
段のセル１１が満充電に近付くと、そのセル１１に対応
するＦＥＴ１２がスイッチング動作を行い、最上段の一
次巻線１３に電流が流れる。すると、第２段のセル１１
に対応する二次巻線２１に起電力が誘導され、整流回路
２４によって整流されて第２段のセル１１が充電され
る。なお、このとき、第２段のセル１１もやはり満充電
に近い場合には、第２段の左側のＦＥＴ１２がスイッチ
ング動作を行うから、二次巻線２１に誘導された起電力
によって第２段の左側の一次巻線１３が励磁され、これ
と磁気結合する第３段左側の二次巻線２１に起電力を生
じさせて第２段目を飛び越えて第３段目のセル１１が充
電されることになる

【００１８】このように本実施形態によれば、隣り合う
セル１１同士について磁気結合を介して電気エネルギー
の授受を行うことができ、どの位置にある未充電のセル
１１に対してもエネルギーを移動させることができるか
ら、前記第１実施例と同様に充電時の損失を大幅に減ら
すことができ、しかも、組電池全体の短時間充電が可能
となるという効果が得られる。特に、本実施形態のよう
に２つのセル１１について磁気結合させるようにすれ
ば、第１実施形態のものに比べてコア３０の小型化を図
ることができ、また一次巻線１３及び二次巻線２１を２
つづつ備えたトランスを複数個使用すればよいから、ど
のような直列数の組電池にも共通のトランスを使用でき
て部品種類数を削減できるという効果が得られる。

【００１９】＜第３実施形態＞図３は本発明の第３実施
形態を示す。この実施形態では単位二次電池としてリチ
ウムイオン電池のセル１１を４個直列接続した組電池を
例示してある。第１実施形態と同様に、各セル１１の正
負両端子はスイッチング素子としてのＦＥＴ１２を通し
て一次巻線１３に接続されている。ＦＥＴ１２はセル１
１の端子電圧を検出する電圧制御回路１４によってオン
オフ動作が制御されるようになっており、その端子電圧
が所定値を越えるとセル１１からの放電電流を所定周期
でスイッチングしながら一次巻線１３に流す。これらの
ＦＥＴ１２、一次巻線１３及び電圧制御回路１４は各セ
ル１１毎に設けられており、各一次巻線１３は共通のコ
ア３０に巻回されている。

【００２０】一方、このコア３０には１個の二次巻線２
１が巻回されており、各一次巻線１３と磁気結合した状
態にある。二次巻線２１にはダイオード２２及び平滑コ
ンデンサ２３からなる整流回路２４が設けられ、その出
力が直列接続した４個のセル１１の端子１５，１６間に
接続されている。

【００２１】この実施形態で組電池の充電を行う際に、
一部のセル１１が満充電に近付くと、これが電圧制御回
路１４により検出され、ＦＥＴ１２のスイッチング動作
が開始される。すると、二次巻線２１に起電力が誘導さ
れ、これが整流回路２４によって整流されて端子１５に
流れ込む充電電流に重畳される。従って、未充電のセル
１１についてはやはり充電電流が増大することになり、
前記各実施形態と同様に、投入された電気エネルギーを
無駄なく充電に利用できるとともに、迅速充電が可能に
なる。

【００２２】＜他の実施形態＞

【００２３】本発明は上記記述及び図面によって説明し
た実施の形態に限定されるものではなく、例えば次のよ
うな実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さら
に、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更し
て実施することができる。

【００２４】（１）前記各実施形態では整流回路２４に
ＦＥＴ２５を直列に介在させるようにしたが、これは例
えば一次と二次の巻数比を調整したり、ＦＥＴ１２のデ
ューティー比を調整したりして整流回路２４の出力電圧
を適切な値に設定することで省略することができる。

【００２５】（２）過充電の防止のためにタイマによっ
て充電時間の制限を行ったり、各セルの端子電圧が限界
値に達したときに充電を中止するようにしてもよい。

【００２６】（３）過放電の防止のために、一部のセル
が過放電検出電圧に達したときに磁気結合を介して他の
セルから電気エネルギーを受けて充電するようにしても
よい。

【００２７】（４）上記各実施形態では単位二次電池が
リチウムイオン電池のセルである場合を示したが、これ
に限らず、鉛蓄電池やニッケルカドミウム二次電池等の
各種の二次電池であってもよく、また、各単位二次電池
が複数のセルを組み合わせてなる電池モジュールであっ
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図

【図２】第２実施形態を示す回路図

【図３】第３実施形態を示す回路図

【図４】従来の二次電池充電回路を示す回路図

【符号の説明】

１１…セル（単位二次電池） １２…ＦＥＴ（スイッチング素子） １３…一次巻線 ２１…二次巻線 ２４…整流回路 ３０…コア

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の単位電池を直列接続してなる組電
   池の運転方法であって、各単位電池間で電磁結合を介し
   て電気エネルギーの授受を行うことにより各単位電池間
   の容量を平準化させることを特徴とする組電池の運転方
   法。
2. 【請求項２】 複数の単位二次電池を直列接続して充放
   電させる組電池の充放電回路において、前記各単位二次
   電池毎に設けられた一次巻線及びこれに流れる前記単位
   二次電池の放電電流をスイッチングするスイッチング素
   子と、前記一次巻線と磁気結合するように設けられた二
   次巻線と、この二次巻線に誘導される起電力を整流して
   前記単位二次電池を充電する整流回路と、前記単位二次
   電池の充電状態を検出してそれに応じて前記スイッチン
   グ素子を作動させることにより各単位二次電池の容量を
   平準化する電圧制御回路とを設けたことを特徴とする組
   電池の充放電回路。