KR101526646B1 - 충전 장치 - Google Patents

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아끼또시 가또오
요시히로 혼다
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이와사키 덴끼 가부시키가이샤
도꾜 세에류우끼 가부시끼가이샤
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Abstract

방전 루트 회로에서의 방전을 억제하여 에너지 효율을 높인다. 복수의 2차 전지(22)가 직렬로 접속된 전지조(24)에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치(1)에 있어서, 충전 중에 상기 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 소정 전압을 초과한 경우에, 상기 2차 전지(22)에 공급되는 충전 전류 Ic를 방전하는 방전 루트 회로(34)를, 상기 2차 전지(22)마다 구비하는 동시에, 충전 완료 후에, 상기 2차 전지(22) 각각으로부터 상기 방전 루트 회로(34)를 절단하는 절단 회로(37)를 구비하는 구성으로 하였다.

Description

충전 장치{CHARGING DEVICE}
본 발명은, 2차 전지의 충전 장치에 관한 것이다.
직렬로 다단 접속된 2차 전지를 충전하는 충전 장치가 종래부터 알려져 있다.
이러한 종류의 충전 장치에 있어서는, 2차 전지에의 과충전을 방지하기 위해 과충전 보호 회로를 구비한 것이 알려져 있다. 이 과충전 보호 회로는, 2차 전지마다 방전 저항을 포함하는 방전 루트 회로를 병렬로 설치하여, 어느 하나의 2차 전지의 과충전을 검출한 경우, 과충전이 검출된 2차 전지를 방전 루트 회로에 접속하여 강제적으로 방전시키고, 또한 이 2차 전지에 유입되는 충전 전류를 방전 루트 회로에 바이패스시키고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
이 과충전 보호 회로를 충전 장치에 설치함으로써, 과충전의 보호 외에도 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 리튬 폴리머 전지 등과 같이 충전시의 내부 저항값 등의 특성을 맞추어 제조하는 것이 곤란한 2차 전지를 다단으로 직렬로 접속하여 충전을 행하는 경우에, 과충전 보호 회로가 각 2차 전지간의 전지 전압을 일정한 상한값으로 되도록 균형을 맞추는 밸런스 회로로서 기능하므로, 2차 전지간의 특성의 편차를 보상한 충전이 가능해진다. 또한, 경년 열화에 의해 충전시의 전지 전압(내부 저항)이 크게 변화되는 2차 전지의 충전에 대해서도, 사용 개시시의 충전시와, 어느 정도 경년 열화되었을 때의 충전시에서 2차 전지의 내부 저항에 상관없이 전지 전압의 상한값이 일정하게 유지되므로 경년 열화를 보상한 충전이 가능해진다.
일본 특허 출원 공개 평10-50352호 공보
그러나 충전 완료 후에는, 2차 전지의 축전 전력이 방전 루트 회로의 방전 저항을 통해 축전 전력이 소비된다. 이러한 축전 전력의 소비에 의해 2차 전지 각각이 소정의 충전량을 유지할 수 없으므로 정기적으로 충전을 행할 필요가 있어, 2차 전지의 에너지 효율을 저하시킨다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 상술한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 방전 루트 회로에서의 방전을 억제하여 에너지 효율을 높일 수 있는 충전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치에 있어서, 충전 중에 상기 2차 전지의 전지 전압이 소정 전압을 초과한 경우에, 상기 2차 전지에 공급되는 충전 전류를 방전하는 방전 루트 회로를, 상기 2차 전지마다 구비하는 동시에, 충전 완료 후에, 상기 2차 전지 각각으로부터 상기 방전 루트 회로를 절단하는 절단 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기한 충전 장치에 있어서, 어느 하나의 상기 2차 전지가 방전 루트 회로에 방전을 개시한 경우에는, 방전을 개시한 2차 전지의 방전 루트 회로에의 방전이 정지할 때까지 상기 충전 전류를 감소시켜 충전을 계속하는 충전 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해, 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치에 있어서, 상기 2차 전지의 전지 전압을 검출하기 위한 전압 검출용 저항기와, 상기 2차 전지마다 설치되고, 충전 중에 상기 2차 전지의 전지 전압이 소정 전압을 초과한 경우에, 상기 2차 전지에 공급되는 충전 전류를 방전하는 방전 루트 회로와, 어느 하나의 상기 2차 전지가 방전 루트 회로에 방전을 개시한 경우에는, 방전을 개시한 2차 전지의 방전 루트 회로에의 방전이 정지할 때까지 상기 충전 전류를 감소시켜 충전을 계속하는 충전 제어 수단을 구비하고, 상기 전압 검출용 저항기는, 직렬로 접속된 복수의 저항 소자를 갖고, 각 저항 소자를 개별로 단락하는 단락기를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기한 충전 장치에 있어서, 상기 전지조 및 외부 부하가 병렬 접속된 병렬 회로에 외부 전력을 공급하고, 상기 전지조의 충전 및 상기 외부 부하에의 전력 공급을 행하는 충전기를 구비하고, 비충전시에는, 상기 전지조 및 상기 외부 부하를 도통시킨 상태로 유지하면서, 상기 충전기가 상기 병렬 회로에 인가하는 전압을, 상기 전지조에 유입되는 충전 전류를 대략 제로로 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 충전 완료시에, 2차 전지마다 설치한 모든 방전 루트 회로를 2차 전지로부터 절단하므로, 충전 완료 후에, 충전된 전력이 방전 루트 회로에서 방전되는 일이 없어, 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 전압 검출용 저항기의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 충전 처리의 흐름도이다.
도 4는 충전 패턴을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 충전 장치(1)의 구성을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 충전 장치(1)는, 전력을 축적하는 축전지부(2)와, 이 축전지부(2)에 전력을 공급하여 충전하는 충전기부(4)를 구비하고 있다.
충전기부(4)는, 외부 전원 커넥터(6)와, 충전기(8)와, 충전기 컨트롤러(10)와, 전류 검출기(12)와, 표시기(14)와, 차단 스위치(16)를 갖고 있다.
외부 전원 커넥터(6)는, 상용 전원 등의 외부 전원(18)이 접속되는 커넥터이며, 외부 전원(18)의 전력이 충전기(8)에 입력되고 있다.
충전기(8)는, 외부 전원(18)의 전력을 축전지부(2) 및 외부 부하(19)에 공급하여, 축전지부(2)의 충전 및 외부 부하(19)의 구동을 행하는 것이다. 이 외부 부하(19)는, 외부 전원(18)의 정전시에 축전지부(2)의 축전력을 공급하는 대상의 기기이다.
더욱 상세하게 서술하면, 충전기(8)에는, 축전지부(2) 및 외부 부하(19)가 병렬로 접속되어 있고, 이들 축전지부(2) 및 외부 부하(19)에 의해 병렬 회로(9)가 구성되어 있다. 그리고 충전기(8)는, 이 병렬 회로(9)에 전압 α를 인가함으로써, 축전지부(2)에 직류의 충전 전류 Ic를 공급하고, 또한 외부 부하(19)에 전력을 공급한다.
외부 전원(18)에 정전이 발생하면, 축전지부(2) 및 외부 부하(19)로 이루어지는 병렬 회로(9)로부터 보아 충전기(8)가 하이 임피던스 상태로 되므로, 축전지부(2) 및 외부 부하(19)가 자동적으로 직렬로 접속되어, 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)에 축전력이 공급된다.
충전기 컨트롤러(10)는, 충전 중에 있어서는 충전 전류 Ic의 전류값을 가변 제어하는 것이며, 신호선(20)을 통해 축전지부(2)와 접속되어 있다. 충전기 컨트롤러(10)는, 이 신호선(20)을 통해 축전지부(2)로부터 수신한 신호에 기초하여 충전 전류 Ic를 제어한다.
전류 검출기(12)는, 충전기(8)와 축전지부(2)를 접속한 직렬 회로 상에 개재 삽입되고, 이 축전지부(2)로부터 충전기(8)를 향하는 충전 전류 Ic를 검출하여, 충전기 컨트롤러(10)에 출력하는 것이다.
충전기 컨트롤러(10)는, 전류 검출기(12)의 검출 신호에 기초하여 충전 전류 Ic의 전류값을 가변 제어한다.
표시기(14)는, 충전기 컨트롤러(10)의 제어하에서, 예를 들어 충전 상태 등의 각종 정보를 표시한다.
차단 스위치(16)는, 축전지부(2)의 방전을 정지하기 위한 상폐(常閉) 스위치이며, 충전기(8)와 축전지부(2)를 접속한 직렬 회로 상에 개재 삽입되고, 충전기 컨트롤러(10)의 제어하에서, 축전지부(2)가 외부 부하(19)에 전력을 공급하고 있을 때에, 당해 축전지부(2)의 과방전을 방지하기 위해 개방한다. 이에 의해, 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)로의 전력 공급 등에 수반되는 방전이 정지되어 과방전이 방지된다.
또한, 차단 스위치(16)는 상폐 스위치이므로, 통상은 축전지부(2)와 외부 부하(19) 사이가 도통 상태로 유지되어 있다. 이와 같이 축전지부(2)와 외부 부하(19) 사이를 스위치 등으로 상시 차단하지 않고 도통 상태로 유지하는 구성으로 하고 있으므로, 외부 전원(18)에 정전이 발생하였다고 해도, 당해 스위치에의 전력 공급이 정지하여 작동하지 않아 축전지부(2)와 외부 부하(19) 사이가 차단된 상태로 된다고 하는 사태가 방지된다.
그러나 축전지부(2)와 외부 부하(19) 사이를 상시 도통 상태로 유지하면, 축전지부(2)의 비충전시에는, 당해 축전지부(2)의 축전력이 외부 부하(19)에 공급되어 버린다. 따라서, 충전 장치(1)는, 비충전시에는, 축전지부(2)에 유입되는 충전 전류 Ic를 대략 제로로 유지하는 제로 전류 충전을 행함으로써, 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)에 전력이 공급되어 불필요하게 방전되는 것을 방지한다.
구체적으로는, 비충전시에 있어서, 충전기 컨트롤러(10)는, 전류 검출기(12)의 검출값에 기초하여, 축전지부(2)에 유입되는 충전 전류 Ic가 대략 제로로 유지되도록, 병렬 회로(9)에 인가하는 전압 α를 피드백 제어한다. 이 결과, 전압 α와 축전지부(2)의 전압의 차압이 대략 동등해져 축전지부(2)에의 충전 전류 Ic가 대략 제로로 되고, 이 상태가 유지되어 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)로의 축전력의 공급이 정지 상태로 유지된다.
이어서 축전지부(2)의 구성에 대해 상세하게 서술한다.
축전지부(2)는, n개(n≥2)의 2차 전지(셀)(22)를 직렬로 접속하여 이루어지는 전지조(24)와, 과충전 보호 회로(밸런스 회로)(26)를 갖는다. 2차 전지(22)는, 예를 들어 리튬 이온 전지의 일례인 리튬 폴리머 전지이다. 이 밖에도, 니켈 수소 전지, 니켈 카드뮴 전지 등의 임의의 밀폐형의 2차 전지를 사용하는 것이 가능하다. 단, 전지조(24)를 구성하는 2차 전지(22)는 모두 동일종의 2차 전지로 한다.
축전지부(2)에는, 전지조(24)의 양극(陽極)에 전기적으로 접속되는 양극 단자(30) 및 전지조(24)의 부극에 전기적으로 접속되는 음극 단자(32)가 설치되어 있고, 이들 양극 단자(30) 및 음극 단자(32)가 상기 충전기부(4)에 전기적으로 접속되어 있다. 충전시에는, 충전기부(4)로부터 양극 단자(30)를 통해 전지조(24)에 충전 전류 Ic가 공급되어 전지조(24)의 충전이 행해진다.
과충전 보호 회로(26)는, 2차 전지(22) 사이의 전압 밸런스를 맞춤으로써 2차 전지(22)에의 과충전을 보호하는 것이며, 2차 전지(22)마다 병렬로 설치된 방전 루트 회로(34)와, 2차 전지(22)마다 설치된 검출기군(36)과, 절단 회로(37)와, 전지 제어부(38)를 구비하고 있다.
방전 루트 회로(34)는, 경로 중에 방전 저항(밸런스 저항)(40) 및 스위칭 소자(42)를 직렬로 접속한 회로이다. 스위칭 소자(42)는 상개(常開) 접점이고, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1에 도달한 경우에 폐쇄된다. 이 과충전 보호 전압 Vth1은, 2차 전지(22)의 종류에 따른 만충전 전압 Vm보다도 낮은 값(예를 들어, 만충전 전압 Vm의 90％의 값)으로 설정된 것이며, 2차 전지(22)가 리튬 폴리머 전지인 경우는 예를 들어 만충전이라 간주되는 4.2V를 초과하지 않는 값이다.
스위칭 소자(42)가 폐쇄된 경우, 방전 루트 회로(34)가 2차 전지(22)에 전기적으로 접속되고, 당해 2차 전지(22)는 방전 루트 회로(34)에 방전을 개시한다. 방전 루트 회로(34)에의 방전 중에 있어서는, 방전에 의한 에너지 방출이나, 충전 전류 Ic가 방전 루트 회로(34)에 바이패스되어 2차 전지(22)에의 유입량이 감소되는 것 등에 요인하여, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 점차 저하된다. 그리고 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1보다도 소정의 마진만큼 낮은 보호 정지 전압 Vth2까지 낮아지면, 스위칭 소자(42)가 개방되어, 방전 루트 회로(34)에의 방전이 정지되고, 충전시에는 다시 충전 상태로 이행한다. 과충전 보호 전압 Vth1과 보호 정지 전압 Vth2의 차는, 적어도 스위칭 소자(42)의 채터링을 방지 가능한 정도로 된다.
2차 전지(22)의 방전 중에 있어서는, 그 2차 전지(22)에 유입되는 충전 전류 Ic가 방전 루트 회로(34)에 바이패스되어, 후단의 2차 전지(22)에 도입된다. 이때 바이패스되는 전류값은, 방전 저항(40)의 저항값에 의해 결정된다.
검출기군(36)은, 과충전 보호용 검출기(44), 충전 완료 검출기(46) 및 방전 차단용 검출기(48)를 구비하고 있다. 이들 과충전 보호용 검출기(44), 충전 완료 검출기(46) 및 방전 차단용 검출기(48)는, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb를, 각각에 설정된 소정 전압과 비교하는 콤퍼레이터 회로를 갖고 구성되어 있다.
과충전 보호용 검출기(44)는, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb를 검출하고, 이 전지 전압 Vb와 상기한 과충전 보호 전압 Vth1을 비교하여, 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1을 초과한 경우에, 스위칭 소자(42)를 폐쇄하여, 2차 전지(22)를 방전 루트 회로(34)에 방전시킨다. 또한, 과충전 보호용 검출기(44)는, 전지 전압 Vb가 보호 정지 전압 Vth2를 하회한 경우에, 스위칭 소자(42)를 개방하여 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전을 정지한다.
또한 과충전 보호용 검출기(44)는, 스위칭 소자(42)를 개폐할 때마다, 스위칭 소자(42)의 개폐 상태, 즉, 방전의 개시/정지를 나타내는 개폐 신호를 전지 제어부(38)에 출력한다. 전지 제어부(38)는, 이러한 개폐 신호가 입력되면, 충전기부(4)의 충전기 컨트롤러(10)에 신호선(20)을 통해 개폐 신호를 출력하고, 이에 의해 충전기 컨트롤러(10)가 방전 루트 회로(34)에의 방전의 유무를 검지 가능해진다.
충전기 컨트롤러(10)는, 충전시에 있어서, 개폐 신호에 기초하여, 어느 하나의 2차 전지(22)가 방전 루트 회로(34)에 방전을 개시한 것을 검지한 경우, 당해 방전 루트 회로(34)에의 방전이 정지될 때까지 충전 전류 Ic를 감소시키는 제어를 행하지만, 이러한 제어에 대해서는 후술한다.
충전 완료 검출기(46)는, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb를 검출하고, 이 전지 전압 Vb를 만충전 전압 Vm과 비교하여, 전지 전압 Vb가 만충전 전압 Vm에 도달한 경우에, 만충전 완료 신호를 전지 제어부(38)에 출력한다. 전지 제어부(38)는, 각 2차 전지(22)로부터 만충전 완료 신호를 받은 경우에 신호선(20)을 통해 충전 완료 신호를 충전기 컨트롤러(10)에 출력한다. 충전기 컨트롤러(10)는, 충전 완료 신호를 받은 경우, 축전지부(2)를 포함하는 병렬 회로(9)에 인가하는 전압 α를, 당해 축전지부(2)에 흐르는 충전 전류 Ic가 대략 제로로 되도록 제어하여 상기 제로 전류 충전 상태로 하여 축전지부(2)에의 충전을 정지한다.
또한, 본 구성에서는, 모든 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 만충전 전압 Vm에 도달할 때까지 충전이 계속되지만, 어느 하나의 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 허용된 전압의 상한값(만충전 전압 Vm보다도 높은 규정의 값)에 도달한 경우에는, 2차 전지(22)에의 과충전을 방지하기 위해 축전지부(2)의 충전이 신속하게 정지되는 구성으로 되어 있다.
방전 차단용 검출기(48)는, 전지조(24)의 축전력이 외부 부하(19)에 제공되고 있는 동안, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb를 검출하고, 이 전지 전압 Vb와 방전 차단 전압 Vth3을 비교하여, 전지 전압 Vb가 방전 차단 전압 Vth3을 하회한 경우에, 검지 신호를 전지 제어부(38)에 출력한다. 방전 차단 전압 Vth3은, 2차 전지(22)가 종지 전압을 초과하여 방전하는 상태, 이른바 과방전 상태에 이르는 것을 방지하는 것이며, 종지 전압을 하회하지 않는 전압으로 설정되어 있다. 예를 들어, 2차 전지(22)가 리튬 폴리머 전지인 경우, 방전 차단 전압 Vth3은 약 3V로 설정된다.
전지 제어부(38)는, 어느 하나의 방전 차단용 검출기(48)로부터 검출 신호를 받은 경우, 방전을 차단해야 하는 것을 나타내는 차단 신호를, 신호선(20)을 통해 충전기 컨트롤러(10)에 출력한다. 충전기 컨트롤러(10)는, 전지 제어부(38)로부터 차단 신호를 수취한 경우, 상기 차단 스위치(16)를 개방한다. 이에 의해, 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)에의 전력 공급 등에 의한 방전이 정지된다.
또한, 이 충전 장치(1)는, 전지조(24)의 전지 온도를 검출하는 서미스터 등의 온도 검출 센서를 갖고, 충전시에, 전지조(24)의 온도가 소정 온도(예를 들어, 리튬 폴리머 전지에 있어서는 60도)를 초과한 경우에, 충전을 정지하도록 구성되어 있다.
절단 회로(37)는, 전지조(24)에의 충전 완료시에, 2차 전지(22)마다 설치한 모든 방전 루트 회로(34)를 2차 전지(22)로부터 전기적으로 절단하는 회로이다. 구체적으로는, 충전기 컨트롤러(10)가 축전지부(2)에의 충전을 정지하는 것에 수반하여, 당해 충전기 컨트롤러(10)로부터 절단 신호가 모든 절단 회로(37)에 입력된다. 절단 회로(37)는, 각각 절단 신호의 입력에 수반하여, 스위칭 소자(42)를 개방시켜 방전 루트 회로(34)를 2차 전지(22)로부터 전기적으로 절단한다.
여기서, 본 구성에서는, 충전 중에 있어서는, 2차 전지(22)마다 전지 전압 Vb와, 과충전 보호 전압 Vth1을 비교하면서 충전 전류 Ic를 제어하고, 또한 모든 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 만충전 전압 Vm에 도달할 때까지 충전을 계속한다고 하는 것과 같이, 전지 전압 Vb에 기초하여 충전이 제어되고 있다.
따라서, 전지 전압 Vb의 검출 정밀도가 나쁘면, 방전 루트 회로(34)에의 방전에 맞춘 후술하는 충전 전류 Ic의 가변 제어를 정확하게 행할 수 없어, 각 2차 전지(22)를 만충전 전압 Vm까지 충전할 수 없는 경우가 있다. 또한, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 과소로 검출되었다고 하면, 만충전 전압 Vm을 초과하여 충전이 계속되게 되어 안전성의 면에서 바람직하지 않다. 만충전 전압 Vm을 초과한 충전을 방지하기 위해서는, 만충전 전압 Vm보다도 낮은 값에서 충전을 정지시키면 되지만, 그렇게 하면 2차 전지(22)에의 충전량의 저하를 초래한다.
따라서 본 실시 형태에서는, 다음과 같이 하여 이러한 문제를 해결하고 있다.
도 2는 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb를 검출하기 위한 전압 검출용 저항기(61)의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 전압 검출용 저항기(61)는, 2차 전지(22)에 병렬로 접속되어 있고, 복수개의 고정 저항 소자(63)(도시예에서는 14개)가 직렬로 접속되어 구성되어 있다. 충전시에는, 이 전압 검출용 저항기(61)의 양단부의 노드(Na, Nb) 사이에는, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb에 상당하는 전위차가 발생하고, 이 전위가 충전 완료 검출기(46)의 콤퍼레이터 회로에 입력되어, 리퍼런스 전압으로서의 만충전 전압 Vm과 비교된다.
전압 검출용 저항기(61)는, 또한 고정 저항 소자(63)의 몇 개에 단락기(64)를 구비하고 있다. 단락기(64)는, 고정 저항 소자(63)의 양단부로부터 인출한 단자를 구비하고, 이들 단자끼리를 예를 들어 땜납 등으로 단락시킴으로써 고정 저항 소자(63)를 개별로 단락 가능하게 한다. 이에 의해 전압 검출용 저항기(61)에 있어서는, 적절한 수의 고정 저항 소자(63)를 개별로 단락시킴으로써 저항값이 조정 가능해진다.
일반적으로, 고정 저항 소자(63)는, 제조 로트나 온도 등에서 저항값에 다소의 편차가 발생하고 있으므로, 소정 개수의 고정 저항 소자(63)를 직렬 접속하였다고 해도, 원하는 저항값이 얻어지지 않는다. 이에 대해 본 실시 형태에 따르면, 단락기(64)를 적절하게 단락시켜 전압 검출용 저항기(61)를 원하는 저항값으로 조정할 수 있다. 이에 의해, 각 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 정확하게 검출되므로, 모든 2차 전지(22)를 만충전 전압 Vm에 정확하게 맞추어 충전을 종료할 수 있다.
또한 전압 검출용 저항기(61)의 가변 가능한 최소의 저항값[고정 저항 소자(63)의 1개당의 저항값]은, 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb로서 허용되는 상한값과, 만충전 전압 Vm의 전위차의 약 10분의 1 정도의 전압값으로 당해 전지 전압 Vb를 조정 가능하게 하는 저항값으로 설정되어 있다. 이에 의해, 전지 전압 Vb가 만충전 전압 Vm을 초과하여 상한값에 도달하는 것이 방지된다.
또한, 전압 검출용 저항기(61)에는, 가변 저항(70)이나 용량(71), 고정 저항 소자(72)가 적절하게 병렬로 설치되어 있다. 특히 가변 저항(70)을 설치함으로써, 정밀도를 높일 수 있다.
이어서, 충전 장치(1)의 충전 제어에 대해 설명한다.
도 3은 충전 장치(1)의 충전 처리를 나타내는 흐름도이고, 도 4는 충전 장치(1)에 의한 충전 패턴을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4에는, 충전시의 전지 전압의 상승 특성이 다른 2개의 2차 전지(22A, 22B)에 대한 충전 패턴을 나타내고 있다.
충전 장치(1)는, 충전을 행하는 경우, 우선 충전 개시 조건이 만족되었는지 여부를 판단한다(스텝 S1). 충전 개시 조건에는, 예를 들어 전지조(24)가 만충전 상태가 아니게 되었을 때나, 과방전 방지를 위해 차단 스위치(16)가 개방되었을 때, 전회의 충전 종료로부터 일정 기간이 경과하였을 때 등의 각종 조건이 설정되어 있다.
충전 개시 조건이 만족된 경우(스텝 S1 : "예"), 충전 장치(1)는, 전류값 Iini의 충전 전류 Ic를 축전지부(2)에 공급하여 충전을 개시한다(스텝 S2). 즉, 충전 장치(1)는, 전류 검출기(12)에 의한 검출 신호를 샘플링하면서 충전 전류 Ic의 전류값이 전류값 Iini로 되도록 전지조(24)에 인가하는 전압 α를 조정한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 충전 전류 Ic의 공급이 개시되어 충전이 시작되면(시간 t0), 전지조(24)의 각 2차 전지(22A, 22B)의 전지 전압 Vb가 충전 초기 전압 V0a, V0b로부터 상승을 개시한다.
그리고, 예를 들어 도 4에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(22A)가 2차 전지(22B)보다도 전지 전압 Vb가 상승하기 쉬운 특성을 갖는 경우, 2차 전지(22B)의 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1에 도달하는 것보다도 이전에, 2차 전지(22A)의 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1에 도달한다(시간 t1). 이 결과, 2차 전지(22A)의 과충전 보호용 검출기(44)가 2차 전지(22A)에의 과충전을 방지하기 위해 스위칭 소자(42)를 폐쇄하고, 2차 전지(22A)를 방전 루트 회로(34)에 접속하여 방전을 개시시킨다. 과충전 보호용 검출기(44)가 스위칭 소자(42)를 폐쇄한 경우, 개폐 신호가 충전기 컨트롤러(10)에 출력되어, 이에 의해 2차 전지(22A)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 충전기 컨트롤러(10)에 검지된다.
충전기 컨트롤러(10)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 어느 하나의 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전을 검지한 경우(스텝 S3 : "예"), 충전 전류 Ic의 전류값을 순차 감소시킨다(스텝 S4).
이에 의해, 도 4에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(22A)의 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1에 도달한 시간 t1로부터 충전 전류 Ic의 전류값이 감소된다.
2차 전지(22A)는, 방전 루트 회로(34)에의 방전 및 충전 전류 Ic의 감소에 수반하여 점차 전지 전압 Vb를 낮추어, 보호 정지 전압 Vth2까지 낮아지면(시간 t2), 2차 전지(22A)의 과충전 보호용 검출기(44)가 스위칭 소자(42)를 개방하여, 2차 전지(22A)의 방전 루트 회로(34)에의 방전을 정지한다. 이 방전 루트 회로(34)에의 방전 정지는, 개폐 신호의 충전기 컨트롤러(10)에의 출력에 의해, 충전기 컨트롤러(10)에 검지된다.
충전기 컨트롤러(10)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전 정지를 검지한 경우(스텝 S5 : "예"), 충전 전류 Ic의 전류값의 감소를 정지하여 현상의 값으로 고정하고(스텝 S6), 처리 수순을 스텝 S3으로 복귀시켜 충전을 계속한다.
이에 의해, 도 4에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(22A)의 전지 전압 Vb가 보호 정지 전압 Vth2로 낮아질 때까지 충전 전류 Ic가 감소하고, 방전이 정지하였을 때의 전류값으로 고정된다. 또한, 충전 전류 Ic를 감소시킨 경우에는, 이것에 수반하여, 2차 전지(22A)뿐만 아니라 다른 2차 전지(22B)의 전지 전압 Vb도 저하된다.
그리고 이후, 어느 하나의 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 검지될 때마다, 그 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 정지될 때까지 충전 전류 Ic를 감소시킨다고 하는 처리가 반복하여 행해진다. 이 반복 횟수는, 2차 전지(22)의 충전시의 전압 상승 특성의 차이나 열화의 정도 등에 의해 변동되고, 항상 정해진 횟수의 반복이 행해지는 것은 아니다.
각 2차 전지(22)가 만충전 상태에 근접하는 충전 종기에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 충전 전류 Ic가 작아져, 상기 스텝 S4의 처리에 의해, 충전 전류 Ic를 감소시켰을 때에 충전 전류 Ic가 충전 하한 전류값 Ith를 하회하게 된다(시간 t3). 이 충전 하한 전류값 Ith는, 각 2차 전지(22)가 만충전 상태에 근접하였을 때에 나타내는 소정의 전류값이 설정된다.
충전기 컨트롤러(10)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 충전 전류 Ic가 충전 하한 전류값 Ith 이하로 된 것을 검출하면(스텝 S7 : "예"), 충전 전류 Ic를 충전 하한 전류값 Ith로 유지하여 충전을 계속한다(스텝 S8).
이 결과, 각 2차 전지(22)의 충전 상태가 만충전 상태에 가까워지고, 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1을 초과하여, 방전 루트 회로(34)에의 방전을 개시하는 2차 전지(22)가 다수로 된다. 이때에는, 충전 전류 Ic가 매우 작은 값이므로, 방전 루트 회로(34)에 바이패스되는 전류값도 작아 방전 저항(40)에서의 에너지 손실도 작다. 그리고 방전 루트 회로(34)에 방전 중인 2차 전지(22)라도, 충전 전류 Ic 중, 방전 루트 회로(34)에 바이패스되지 않은 약간의 전류가 유입되어, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전지 전압 Vb가 과충전 보호 전압 Vth1을 초과하여 만충전 전압 Vm에 도달한다(시간 t4).
이와 같이 하여, 모든 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb가 만충전 전압 Vm에 도달한 경우에는(스텝 S9 : "예"), 충전 개시(시간 t0)로부터 방전량 Wd의 약 100％가 충전된 것으로 된다.
이와 같이 하여 충전이 완료된 후, 방전 루트 회로(34)에서의 불필요한 방전을 방지하기 위해, 충전기 컨트롤러(10)는, 전지 제어부(38)를 통해 모든 절단 회로(37)에 절단 신호를 입력하고 스위칭 소자(42)를 개방시켜 모든 방전 루트 회로(34)를 2차 전지(22)로부터 전기적으로 절단한다(스텝 S10). 그리고 충전 장치(1)는, 축전지부(2)의 충전 상태를 상기 제로 전류 충전 상태로 하여 축전지부(2)에의 충전을 정지한다(스텝 S11).
이 제로 전류 충전에 있어서는, 축전지부(2)에 유입되는 충전 전류 Ic를 대략 제로로 유지하도록, 충전기(8)의 전압 α가 피드백 제어된다. 이에 의해, 축전지부(2)에의 충전이 정지 상태로 되는 동시에, 축전지부(2)와 외부 부하(19)를 도통 상태로 유지하면서 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)로의 축전력의 공급을 정지한 상태로 유지한다.
또한, 스텝 S10 및 S11의 각각의 처리는, 순서를 반대로 해도 된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 전지조(24)에의 충전 완료시에, 2차 전지(22)마다 설치한 모든 방전 루트 회로(34)를 2차 전지(22)로부터 전기적으로 절단하는 절단 회로(37)를 구비하는 구성으로 하였다. 이에 의해, 충전 장치(1)가 방전 루트 회로(34)를 구비한 경우라도, 충전 완료 후에, 충전된 전력이 방전 루트 회로(34)에서 방전되는 일이 없어, 에너지 효율을 높일 수 있다.
특히 본 실시 형태에 따르면, 어느 하나의 2차 전지(22)가 방전 루트 회로(34)에 방전을 개시한 경우에는, 방전을 개시한 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 정지될 때까지 충전 전류 Ic를 감소시켜 충전을 계속함으로써, 각 2차 전지(22)를 만충전 전압 Vm까지 충전하는 구성으로 하였으므로, 방전 루트 회로(34)에서의 방전을 억제하여, 만충전 상태를 유지할 수 있다.
또한, 만충전 전압 Vm은, 종래의 충전 장치에 설정되어 있는 충전 완료 전압보다도 높기 때문에, 만충전 상태에서는, 방전 루트 회로(34)에 흐르는 전류도 비교적 커져 발열의 문제가 발생한다. 이에 대해, 본 실시 형태에 따르면, 방전 루트 회로(34)가 2차 전지(22)로부터 절단되므로, 이러한 문제가 발생할 일이 없다.
또한 본 실시 형태에 따르면, 전압 검출용 저항기(61)가, 직렬로 접속된 복수의 고정 저항 소자(63)를 갖고, 각 고정 저항 소자(63)를 개별로 단락하는 단락기(64)를 구비하는 구성으로 하였다. 이로 인해, 각 2차 전지(22)의 전지 전압 Vb를 정확하게 검출할 수 있어, 모든 2차 전지(22)를 만충전 상태에 정확하게 맞추어 충전을 완료할 수 있다.
또한 본 실시 형태에 따르면, 전지조(24) 및 외부 부하(19)로 병렬 회로(9)를 구성하여 충전기(8)에 접속하는 구성으로 하였으므로, 비충전 동안, 전지조(24) 및 외부 부하(19)가 도통된 상태로 유지된다. 이로 인해, 충전기(8)에 공급되는 외부 전원(18)이 정전되거나 한 경우에는, 전지조(24) 및 외부 부하(19)가 자동적으로 직렬 회로를 구성하여, 전지조(24)로부터 외부 부하(19)로의 축전력 공급이 신속하게 개시된다.
또한, 비충전시에는, 충전기(8)가 병렬 회로(9)에 인가하는 전압 α를, 전지조(24)에 유입되는 충전 전류 Ic를 대략 제로로 유지하도록 제어하므로, 전지조(24)로부터 외부 부하(19)로 전력이 공급되는 일이 없어, 당해 전지조(24)의 불필요한 방전이 방지된다.
또한, 상술한 실시 형태는, 어디까지나 본 발명의 일 형태를 나타내는 것이며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 임의로 변형 및 응용이 가능한 것은 물론이다.
1 : 충전 장치
2 : 축전지부
4 : 충전기부
8 : 충전기
9 : 병렬 회로
10 : 충전기 컨트롤러
12 : 전류 검출기
18 : 외부 전원
19 : 외부 부하
22, 22A, 22B : 2차 전지
24 : 전지조
26 : 과충전 보호 회로
34 : 방전 루트 회로
37 : 절단 회로(절단 수단)
38 : 전지 제어부
40 : 방전 저항
42 : 스위칭 소자
61 : 전압 검출용 저항기
63 : 고정 저항 소자
64 : 단락기
Ic : 충전 전류
Vb : 전지 전압
Vm : 만충전 전압
Vth1 : 과충전 보호 전압

Claims (4)

  1. 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치에 있어서,
    상기 2차 전지마다 구비되어, 충전 중에 상기 2차 전지의 전지 전압이 소정 전압을 초과한 경우에, 상기 2차 전지에 공급되는 충전 전류를 방전하는 방전 루트 회로와,
    충전 완료 후에, 상기 2차 전지 각각으로부터 상기 방전 루트 회로를 절단하는 절단 수단과,
    어느 하나의 상기 2차 전지의 전지 전압이 상기 소정 전압을 초과하여 상기 2차 전지의 방전 루트 회로를 통해 방전하는 것을 개시한 경우에는, 2차 전지로부 방전 루트 회로로의 방전이 정지할 때까지, 전지 전압이 상기 소정 전압을 초과하는 2차 전지와 전지 전압이 상기 소정 전압을 초과하지 않는 2차 전지를 포함하는 모든 2차 전지에 공급되는 충전 전류를 감소시키고, 충전을 계속하는 충전 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는, 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치에 있어서,
    상기 2차 전지의 전지 전압을 검출하기 위한 전압 검출용 저항기와,
    상기 2차 전지마다 구비되어, 충전 중에 상기 2차 전지의 전지 전압이 소정 전압을 초과한 경우에, 상기 2차 전지에 공급되는 충전 전류를 방전하는 방전 루트 회로와,
    어느 하나의 상기 2차 전지의 전지 전압이 상기 소정 전압을 초과하여 상기 2차 전지의 방전 루트 회로를 통해 방전하는 것을 개시한 경우에는, 2차 전지로부 방전 루트 회로로의 방전이 정지할 때까지, 전지 전압이 상기 소정 전압을 초과하는 2차 전지와 전지 전압이 상기 소정 전압을 초과하지 않는 2차 전지를 포함하는 모든 2차 전지에 공급되는 충전 전류를 감소시키고, 충전을 계속하는 충전 제어 수단과,
    충전 완료 후에, 상기 2차 전지 각각으로부터 상기 방전 루트 회로를 절단하는 절단 수단을 구비하고,
    상기 전압 검출용 저항기는, 직렬로 접속된 복수의 저항 소자를 갖고, 각 저항 소자를 개별로 단락하는 단락기를 구비한 것을 특징으로 하는, 충전 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 전지조 및 외부 부하가 병렬 접속된 병렬 회로에 외부 전력을 공급하고, 상기 전지조의 충전 및 상기 외부 부하에의 전력 공급을 행하는 충전기를 구비하고,
    비충전시에는, 상기 전지조 및 상기 외부 부하를 도통시킨 상태로 유지하면서, 상기 충전기가 상기 병렬 회로에 인가하는 전압을, 상기 전지조에 유입되는 충전 전류를 제로로 유지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 충전 장치.
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