KR101566569B1 - 충전 장치 및 충전 방법 - Google Patents

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이와사키 덴끼 가부시키가이샤
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Abstract

충전시에 충전 전력의 불필요한 소비를 억제하여 충전 효율을 높인다. 복수의 2차 전지(22)가 직렬로 접속된 전지조(24)에 충전 전류(Ic)를 공급하여 충전하는 충전 장치(1)에 있어서, 상기 2차 전지(22)마다 설치된 방전 루트 회로(34)를 갖고, 충전 중에 상기 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)에 기초하여 상기 방전 루트 회로(34)에 상기 2차 전지(22)를 접속하여 방전시키거나, 혹은 상기 방전 루트 회로(34)로부터 상기 2차 전지(22)를 절단하여 방전을 정지시키는 과충전 보호 회로(26)와, 상기 과충전 보호 회로(26)에 의해, 어느 하나의 상기 2차 전지(22)가 방전 루트 회로(34)에 방전을 개시한 경우에는, 방전을 개시한 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 정지할 때까지 상기 충전 전류(Ic)를 감소시켜 충전을 계속하는 충전기 컨트롤러(10)를 구비하는 구성으로 하였다.

Description

충전 장치 및 충전 방법{CHARGING APPARATUS AND CHARGING METHOD}
본 발명은 충전 장치 및 충전 방법에 관한 것으로, 특히 충전 효율을 높이는 기술에 관한 것이다.
직렬로 다단 접속된 2차 전지를 충전하는 충전 장치가 종래부터 알려져 있다.
이러한 종류의 충전 장치에 있어서는, 2차 전지의 전압이 소정 전압에 도달할 때까지 소정의 정전류로 충전하고, 그 후, 전류치를 작게 하여 충전을 행함으로써, 2차 전지의 내부 저항에 의한 영향을 작게 하여, 보다 만충전에 가까운 상태까지 충전하는 것을 가능하게 한, 이른바 다단 정전류 충전 방식이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
또한, 2차 전지에의 과충전을 방지하기 위해 과충전 보호 회로를 구비한 충전 장치가 알려져 있다. 이러한 종류의 과충전 보호 회로는, 2차 전지마다 방전 저항을 포함하는 방전 루트 회로를 병렬로 설치하고, 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 2 참조).
이 과충전 보호 회로를 충전 장치에 설치함으로써, 과충전의 보호 외에도 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 리튬 폴리머 전지 등과 같이 충전시의 내부 저항치 등의 특성을 일치시켜 제조하는 것이 곤란한 2차 전지를 다단으로 직렬로 접속하여 충전을 행하는 경우에, 과충전 보호 회로가 각 2차 전지 사이의 전지 전압을 일정한 상한치에 일치시키도록 균형을 맞추는 밸런스 회로로서 기능하므로, 2차 전지간의 특성의 편차를 보상한 충전이 가능해진다. 또한, 경년(經年) 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 의존하지 않고 전지 전압의 상한치가 일정하게 유지되므로 경년 열화를 보상한 충전이 가능해진다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2003-87991호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 평10-50352호 공보
그러나 충전 장치가 과충전 보호 회로를 구비하는 경우, 예를 들어 상기 특허 문헌 1에 기재된 기술을 사용하여 만충전에 가까운 상태까지 충전을 행하면, 각 2차 전지의 전지 전압이 만충전의 전압에 근접한 것으로부터 순차 방전 루트 회로에 접속되어 방전이 행해진다. 이로 인해, 방전 루트 회로의 방전에 의해 충전 전력이 불필요하게 소비되어, 충전 효율을 저하시키는 등의 문제가 있다. 또한, 방전 루트 회로에서의 방전이 빈번히 행해지면, 방전 루트 회로에서의 방전에 의한 발열에 의해 주변 부품의 열화를 촉진시키는 등의 문제도 발생한다.
이러한 종류의 문제는, 과충전 보호 회로를 구비한 충전 장치에 한정되지 않고, 충전에 의한 발열에 의해 가스의 발생을 수반하는 2차 전지에도 동일하게 발생한다.
즉, 과충전 보호 회로의 방전 루트 회로에의 방전에 의해 충전 전력이 불필요하게 소비되는 것과 마찬가지로, 충전 중에 2차 전지에서 가스가 발생하고 있는 상태에 있어서는, 2차 전지의 내부 저항이 증대되는 등의 이유에 의해 충전 전력이 발열로서 불필요하게 소비되어, 충전 효율을 저하시킨다. 또한, 발열에 의해 주변 부품의 열화를 촉진시키는 등의 문제도 마찬가지로 발생한다.
본 발명은 상술한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 충전시에 충전 전력의 불필요한 소비를 억제하여, 충전 효율을 높일 수 있는 충전 장치 및 충전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치에 있어서, 상기 2차 전지마다 설치된 방전 루트 회로를 갖고, 충전 중에 상기 2차 전지의 전지 전압에 기초하여 상기 방전 루트 회로에 상기 2차 전지를 접속하여 방전시키거나, 혹은 상기 방전 루트 회로로부터 상기 2차 전지를 절단하여 방전을 정지시키는 과충전 보호 회로와, 상기 과충전 보호 회로에 의해, 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 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치에 있어서, 상기 전지조에의 충전 중에, 어느 하나의 상기 2차 전지로부터의 가스의 발생을 검지하는 가스 발생 검지 수단과, 상기 가스 발생 검지 수단에 의해, 상기 가스의 발생이 검지되었을 때에는, 상기 가스의 발생이 정지할 때까지 상기 충전 전류를 감소시켜 충전을 계속하는 충전 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 어느 하나의 충전 장치에 있어서, 상기 충전 제어 수단은, 상기 충전 전류가 소정의 하한 전류치를 하회한 경우에는, 상기 소정의 하한 전류치로 충전 전류를 유지하여 상기 전지조에의 공급을 계속하고, 상기 전지조의 전압이 소정의 충전 완료 전압에 도달하였을 때에 충전을 정지하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 어느 하나의 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.
또한 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 방법에 있어서, 상기 2차 전지마다 설치된 방전 루트 회로를 설치하고, 충전 중에 상기 2차 전지의 전지 전압에 기초하여 상기 방전 루트 회로에 상기 2차 전지를 접속하여 방전시키거나, 혹은 상기 방전 루트 회로로부터 상기 2차 전지를 절단하여 방전을 정지시켜 과충전 보호를 행하고, 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 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 방법에 있어서, 상기 전지조에의 충전 중에, 어느 하나의 상기 2차 전지로부터의 가스의 발생을 검지하였을 때에는, 상기 가스의 발생이 정지할 때까지 상기 충전 전류를 감소시켜 충전을 계속하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 충전 중에 있어서는, 방전 루트 회로에의 방전, 혹은 2차 전지로부터의 가스의 발생을 정지시키도록 충전 전류를 감소시키면서 충전이 행해지므로 방전, 혹은 가스의 발생에 수반되는 충전 전력의 불필요한 소비가 억제되어, 충전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 충전 처리의 흐름도이다.
도 3은 충전 패턴을 나타내는 도면이다.
도 4는 제2 실시 형태에 관한 충전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.
<제1 실시 형태>
도 1은, 본 실시 형태에 관한 충전 장치(1)의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 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 커넥터로, 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 기기다.
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(Ic)를 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(Ic)의 전류치를 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(Ic)를 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(Ic)와, 충전기(8)로부터의 방전에 수반되는 방전 전류(Id)를 검출하여, 충전기 컨트롤러(10)에 출력하는 것이다.
충전기 컨트롤러(10)는, 전류 검출기(12)의 검출 신호에 기초하여 충전 전류(Ic)의 전류치를 가변 제어한다. 또한, 충전기 컨트롤러(10)는, 충전시에 있어서, 미리 설정된 설정 시간마다 전류 검출기(12)의 검출 신호를 도입하여 샘플링하고, 샘플링한 충전 전류(Ic)를 적산하여 충전량(Wc)을 산출하고, 방전시에 있어서는 샘플링한 방전 전류(Id)를 적산하여 방전량(Wd)을 산출한다.
충전기 컨트롤러(10)는, 이와 같이 산출한 충전량(Wc) 및 방전량(Wd)에 기초하여, 축전지부(2)의 현재의 축전량(W)을 산출한다. 즉, 축전지부(2)가 만충전된 상태의 용량을 초기 용량(W0)으로 한 경우, 현재의 축전량(W)은 W＝W0－Wd＋Wc에 의해 구해진다.
표시기(14)는, 충전기 컨트롤러(10)의 제어하에서, 각종 정보를 표시하는 것이며, 예를 들어 축전지부(2)의 현재의 축전량(W)의 산출치를 표시한다.
또한, 충전기 컨트롤러(10)는, 축전지부(2)에의 충전 횟수를 카운트하는 기능을 구비하고, 축전지부(2)가 구비하는 전지조(24)(후술)의 수명을 나타내는 소정의 충전 횟수에 대한 현재의 충전 횟수의 비율을 산출하고, 그 비율을, 전지조(24)의 수명이 어느 정도 다했는지를 나타내는 정보로서 표시기(14)에 표시한다.
차단 스위치(16)는 축전지부(2)의 방전을 정지하기 위한 상시 폐쇄(常閉) 스위치로, 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 개방된다. 이에 의해, 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)로의 전력 공급 등에 수반되는 방전이 정지되어 과방전이 방지된다.
또한, 차단 스위치(16)는 상시 폐쇄 스위치이므로, 통상은 축전지부(2)와 외부 부하(19) 사이가 도통 상태로 유지되어 있다. 이와 같이 축전지부(2)와 외부 부하(19) 사이를 스위치 등에 의해 항상 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 되는 등의 사태가 방지된다.
그러나 축전지부(2)와 외부 부하(19) 사이를 항상 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(Ic)를 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 검출치에 기초하여, 축전지부(2)로 유입되는 충전 전류(Ic)가 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(Ic)가 대략 제로가 되고, 이 상태가 유지되어 축전지부(2)로부터 외부 부하(19)로의 축전력의 공급이 정지 상태로 유지된다.
계속해서 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 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 부극(負極)에 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(Ic)가 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, 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 상기 개방(常開) 접점이며, 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)에 도달한 경우에 폐쇄된다. 이 과충전 보호 전압(Vth1)은, 2차 전지(22)의 종류에 따른 만충전 전압(Vm)보다도 낮은 값으로 설정된 것이며, 2차 전지(22)가 리튬 폴리머 전지인 경우는, 예를 들어 만충전이라고 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(Ic)가 방전 루트 회로(34)에 바이패스되어 2차 전지(22)로의 유입량이 감소하는 것 등에 기인하여, 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)이 점차 저하된다. 그리고 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)보다도 소정의 마진분만큼 낮은 보호 정지 전압(Vth2)까지 내려가면, 스위칭 소자(42)가 개방되어, 방전 루트 회로(34)에의 방전이 정지되고, 충전시에는 다시 충전 상태로 이행한다. 과충전 보호 전압(Vth1)과 보호 정지 전압(Vth2)의 차는, 적어도 스위칭 소자(42)의 채터링을 방지 가능한 정도가 된다.
2차 전지(22)의 방전 중에 있어서는, 그 2차 전지(22)에 유입되는 충전 전류(Ic)가 방전 루트 회로(34)에 바이패스되어, 후단의 2차 전지(22)에 도입된다. 이때 바이패스되는 전류치는, 방전 저항(40)의 저항치에 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(Vb)을, 각각에 설정된 소정 전압과 비교하는 콤퍼레이터 회로를 갖고 구성되어 있다.
과충전 보호용 검출기(44)는, 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)을 검출하고, 이 전지 전압(Vb)과 상기한 과충전 보호 전압(Vth1)을 비교하여, 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)을 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(Vb)이 보호 정지 전압(Vth2)을 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(Ic)를 감소시키는 제어를 행하지만, 이러한 제어에 대해서는 후술한다.
충전 완료 검출기(46)는, 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)을 검출하고, 이 검출 신호를 전지 제어부(38)에 출력한다. 전지 제어부(38)는, 각 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)을 적산하여, 전지조(24)의 전압(Vall)을 산출하고, 신호선(20)을 통해 충전기 컨트롤러(10)에 출력한다. 충전기 컨트롤러(10)는, 전지조(24)의 전압(Vall)이 소정의 충전 완료 전압(Vth3)에 도달한 경우, 축전지부(2)를 포함하는 병렬 회로(9)에 인가하는 전압 α를, 당해 축전지부(2)에 흐르는 충전 전류(Ic)가 대략 제로가 되도록 제어하여 상기 제로 전류 충전 상태로 하여 축전지부(2)에의 충전을 정지한다. 상기 충전 완료 전압(Vth3)은, 2차 전지(22)의 만충전 전압(Vm)을 2차 전지(22)의 수만큼 적산한 값이다.
또한, 어느 하나의 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)이 허용된 전압의 상한치에 도달한 경우에도, 축전지부(2)의 충전이 신속하게 정지되는 구성으로 되어 있다.
방전 차단용 검출기(48)는, 전지조(24)에의 비충전 동안, 즉, 전지조(24)의 축전력이 외부 부하(19)에 제공되고 있는 동안, 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)을 검출하고, 이 전지 전압(Vb)과 방전 차단 전압(Vth4)을 비교하여, 전지 전압(Vb)이 방전 차단 전압(Vth4)을 하회한 경우에, 검지 신호를 전지 제어부(38)에 출력한다. 방전 차단 전압(Vth4)은, 2차 전지(22)가 종지 전압을 초과하여 방전하는 상태, 이른바 과방전 상태에 이르는 것을 방지하는 것으로, 종지 전압을 하회하지 않는 전압으로 설정되어 있다. 예를 들어, 2차 전지(22)가 리튬 폴리머 전지인 경우, 방전 차단 전압(Vth4)은 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.
계속해서, 충전 장치(1)의 충전 제어에 대해 설명한다.
도 2는 충전 장치(1)의 충전 처리를 나타내는 흐름도이고, 도 3은 충전 장치(1)에 의한 충전 패턴을 나타내는 도면이다. 또한, 도 3에는, 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 전류치(Iini)의 충전 전류(Ic)를 축전지부(2)에 공급하여 충전을 개시한다(스텝 S2). 즉, 충전 장치(1)는, 전류 검출기(12)에 의한 검출 신호를 샘플링하면서 충전 전류(Ic)의 전류치가 전류치(Iini)가 되도록 전지조(24)에 인가하는 전압 α를 조정한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 충전 전류(Ic)의 공급이 개시되어 충전이 개시되면(시간 t0), 전지조(24)의 각 2차 전지(22A, 22B)의 전지 전압(Vb)이 충전 초기 전압(V0a, V0b)으로부터 상승을 개시한다.
그리고 예를 들어, 도 3에 나타내는 바와 같이 2차 전지(22A)가 2차 전지(22B)보다도 전지 전압(Vb)이 상승하기 쉬운 특성을 갖는 경우, 2차 전지(22B)의 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)에 도달하는 것보다도 이전에, 2차 전지(22A)의 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)에 도달한다(시간 t1). 이 결과, 2차 전지(22A)의 과충전 보호용 검출기(44)가 2차 전지(22A)에의 과충전을 방지하도록 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 출력되고, 이에 의해 2차 전지(22A)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 충전기 컨트롤러(10)에 검지된다.
충전기 컨트롤러(10)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 어느 하나의 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전을 검지한 경우(스텝 S3 : "예"), 충전 전류(Ic)의 전류치를 순차 감소시킨다(스텝 S4).
이에 의해, 도 3에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(22A)의 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)에 도달한 시간 t1로부터 충전 전류(Ic)의 전류치가 감소된다.
2차 전지(22A)는, 방전 루트 회로(34)에의 방전 및 충전 전류(Ic)의 감소에 수반하여 점차 전지 전압(Vb)을 낮추어, 보호 정지 전압(Vth2)까지 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 2에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전 정지를 검지한 경우(스텝 S5 : "예"), 충전 전류(Ic)의 전류치의 감소를 정지하여 현상의 값으로 고정하고(스텝 S6), 처리 수순을 스텝 S3으로 복귀시켜 충전을 계속한다.
이에 의해, 도 3에 나타내는 바와 같이, 2차 전지(22A)의 전지 전압(Vb)이 보호 정지 전압(Vth2)으로 내려갈 때까지 충전 전류(Ic)가 감소하여, 방전이 정지하였을 때의 전류치로 고정된다. 또한, 충전 전류(Ic)를 감소시킨 경우에는, 이것에 수반하여, 2차 전지(22A) 뿐만 아니라 다른 2차 전지(22B)의 전지 전압(Vb)도 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 정지할 때까지 충전 전류(Ic)를 감소시킨다고 하는 처리가 반복하여 행해진다. 이 반복 횟수는, 2차 전지(22)의 충전시의 전압 상승 특성의 차이나 열화의 정도 등에 따라 변동되며, 항상 정해진 횟수의 반복이 행해지는 것은 아니다.
각 2차 전지(22)가 만충전 상태에 근접하는 충전 종기에 있어서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 충전 전류(Ic)가 작아져, 상기 스텝 S4의 처리에 의해, 충전 전류(Ic)를 감소시켰을 때에 충전 전류(Ic)가 충전 하한 전류치(Ith)를 하회하게 된다(시간 t3). 이 충전 하한 전류치(Ith)는, 각 2차 전지(22)가 만충전 상태에 근접하였을 때에 나타내는 소정의 전류치가 설정된다.
충전기 컨트롤러(10)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 충전 전류(Ic)가 충전 하한 전류치(Ith) 이하가 된 것을 검출하면(스텝 S7 : "예"), 충전 전류(Ic)를 충전 하한 전류치(Ith)로 유지하여 충전을 계속한다(스텝 S8).
이 결과, 각 2차 전지(22)의 충전 상태가 만충전 상태에 근접하게 되고, 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)을 초과하여, 방전 루트 회로(34)에의 방전을 개시하는 2차 전지(22)가 다수가 된다. 이때에는, 충전 전류(Ic)가 매우 작은 값이므로, 방전 루트 회로(34)에 바이패스되는 전류치도 작아 방전 저항(40)에 의한 에너지 손실도 작다. 그리고 방전 루트 회로(34)에 방전 중의 2차 전지(22)라도, 충전 전류(Ic) 중, 방전 루트 회로(34)에 바이패스되지 않은 약간의 전류가 유입되어, 도 3에 나타내는 바와 같이 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)을 초과하여 만충전 전압(Vm)에 도달한다(시간 t4).
이와 같이 하여, 전지조(24)의 전압(Vall)이 상술한 충전 완료 전압(Vth3)에 도달한 경우에는(스텝 S9 : "예"), 충전 개시(시간 t0)로부터 방전량(Wd)의 약 100％가 충전된 것이 된다. 따라서, 충전 장치(1)는 축전지부(2)의 충전 상태를 상기 제로 전류 충전 상태로 하여 축전지부(2)에의 충전을 정지하고(스텝 S10), 충전 처리를 종료한다.
이 제로 전류 충전에 있어서는, 축전지부(2)에 유입되는 충전 전류(Ic)를 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.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면 과충전 보호 회로(26)의 과충전 보호 동작에 의해, 어느 하나의 2차 전지(22)가 방전 루트 회로(34)에 방전을 개시한 경우에, 충전기 컨트롤러(10)는 방전을 개시한 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 정지할 때까지 충전 전류(Ic)를 감소시켜 충전을 계속하는 구성으로 하였다.
이 구성에 의해, 충전 중에 있어서는, 각 2차 전지(22)의 방전 루트 회로(34)에의 방전이 억제되므로, 충전 전력이 방전에 의해 불필요하게 소비되는 일이 없어 충전 효율이 높아진다.
이것에 더하여, 방전 루트 회로(34)에 있어서의 발열도 작아지므로, 주변 부품의 열화도 방지된다.
또한 본 실시 형태에 따르면, 충전기 컨트롤러(10)는 충전 전류(Ic)가 소정의 충전 하한 전류치(Ith)를 하회한 경우, 이 충전 하한 전류치(Ith)로 충전 전류(Ic)를 유지하여 전지조(24)에의 공급을 계속하고, 전지조(24)의 전압(Vall)이 소정의 충전 완료 전압(Vth3)에 도달하였을 때에 충전을 정지하는 구성으로 하였다.
이 구성에 의해, 충전 하한 전류치(Ith)에 충전 전류(Ic)를 유지하여 전지조(24)에의 공급을 계속함으로써, 많은 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)이 과충전 보호 전압(Vth1)을 초과하여, 방전 루트 회로(34)에의 방전을 행하는 상태로 되지만, 충전 전류(Ic)가 비교적 작은 충전 하한 전류치(Ith)이므로, 방전 루트 회로(34)에서 소비되는 에너지도 작은 상태로 억제된다. 그리고 이와 같이 방전 루트 회로(34)에서 소비되는 에너지량이 억제된 상태에서, 각 2차 전지(22)를 만충전 전압(Vm)까지 충전할 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)에의 축전력 공급이 신속하게 개시된다.
또한, 비충전시에는, 충전기(8)가 병렬 회로(9)에 인가하는 전압 α를, 전지조(24)에 유입되는 충전 전류(Ic)를 대략 제로로 유지하는 것으로 제어하므로, 전지조(24)로부터 외부 부하(19)에 전력이 공급되는 일이 없어, 당해 전지조(24)의 불필요한 방전이 방지된다.
또한 본 실시 형태에 따르면, 어느 하나의 2차 전지(22)의 전지 전압(Vb)이 소정의 방전 차단 전압(Vth4)까지 저하된 경우, 전지조(24)로부터 외부 기기에의 축전력의 공급을 차단하여, 전지조(24)에의 충전을 개시하는 구성으로 하였으므로, 각 2차 전지(22)의 과방전을 확실하게 방지할 수 있다.
<제2 실시 형태>
계속해서, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서는, 충전 중에 가스가 발생하는 성질을 갖는 복수의 2차 전지(122)를 직렬로 접속한 전지조(124)에 충전을 행하는 충전 장치(100)에 대해 설명한다.
도 4는 본 실시 형태에 관한 충전 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 동 도면에 있어서, 도 1에 도시한 것에는 동일한 번호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
이 도면에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 충전 장치(100)는, 가스 발생 검지 회로(50)를 구비하고 있다. 이 가스 발생 검지 회로(50)는, 충전 중에, 어느 하나의 2차 전지(122)에서의 가스의 발생을 검지하여 전지 제어부(38)에 출력하는 것이다. 전지 제어부(38)는, 가스의 발생이 검지된 경우, 신호선(20)을 통해 충전기 컨트롤러(10)에 출력한다.
충전기 컨트롤러(10)는, 충전 중에 가스의 발생이 검지될 때마다, 가스의 발생이 정지할 때까지 충전 전류(Ic)를 감소시켜 충전을 계속하게 된다.
또한, 충전 전류(Ic)가 충전 하한 전류치(Ith)를 하회하는 경우에는, 제1 실시 형태에서 설명한 도 2의 스텝 S7 이후와 동일한 처리를 행한다. 즉, 충전기 컨트롤러(10)는, 충전 전류(Ic)가 충전 하한 전류치(Ith) 이하로 된 것을 검출하면(스텝 S7 : "예"), 충전 전류(Ic)를 충전 하한 전류치(Ith)로 유지하여 충전을 계속하고(스텝 S8), 전지조(124)의 전압(Vall)이 상술한 충전 완료 전압(Vth3)에 도달한 경우에는(스텝 S9 : "예"), 축전지부(2)에의 충전 상태를 제로 전류 충전 상태로 하여 충전을 정지하고(스텝 S10), 충전 처리를 종료한다.
이와 같이 본 실시 형태에 따르면, 충전 중에 있어서는, 각 2차 전지(122)에서의 가스의 발생이 억제되므로, 2차 전지(122)의 내부 저항의 상승이 억제되므로, 이 내부 저항의 상승에 수반되는 충전 전력의 불필요한 소비가 억제되게 되어 충전 효율이 높아진다.
또한, 가스 발생 검지 회로(50)는, 가스 센서 등에 의해 가스의 발생의 유무를 직접 검지하는 구성이나, 각 2차 전지(122)의 전지 전압(Vb)을 감시하여, 2차 전지(122)로부터 가스의 발생을 발생시키는 소정의 전압에 전지 전압(Vb)이 도달한 것을 검지함으로써, 가스의 발생을 간접적으로 검지하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 가스 발생 검지 회로(50)가 가스 발생의 유무를 센서 등에 의해 직접 검출하는 구성인 경우에는, 이 가스 발생 검지 회로(50)의 검지 결과에 기초하여, 충전기 컨트롤러(10)가 가스 발생의 정지를 판단하는 구성으로 해도 좋고, 또한 가스의 발생이 정지하는 소정의 전지 전압과 2차 전지(122)의 전지 전압(Vb)을 비교함으로써, 간접적으로 가스의 발생 정지를 검지하는 구성으로 해도 좋다.
또한, 상술한 실시 형태는 어디까지나 본 발명의 일 형태를 나타내는 것이며, 본 발명의 범위 내에서 임의로 변형 및 응용이 가능하다.
예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, 충전 중에 있어서의 과충전 보호 회로(26)에서의 충전 전력의 여분의 소비 및 충전 중에 있어서의 2차 전지(122)에서의 가스 발생에 수반되는 충전 전력의 여분의 소비를 억제하는 구성으로 하였다.
그러나 이것에 한정되지 않고, 전지조가, 충전 전력을 충전 이외에 불필요하게 소비하는 전력 소비 요인이 충전 중에 발생할 수 있는 것이고, 또한 이 전력 소비 요인이 충전 전류를 감소시킴으로써 해소하는 것인 경우에는, 그러한 전지조에의 충전에도, 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.
즉, 충전 중에 전력 소비 요인에 의한 충전 전력의 소비가 발생된 경우에는, 이 소비가 정지할 때까지 충전 전류를 감소시켜 충전을 계속하면 된다.
1, 100 : 충전 장치
2 : 축전지부
4 : 충전기부
8 : 충전기
9 : 병렬 회로
10 : 충전기 컨트롤러(충전 제어 수단)
12 : 전류 검출기
14 : 표시기
19 : 외부 부하
22, 22A, 22B, 122 : 2차 전지
24 : 전지조
26 : 과충전 보호 회로
34 : 방전 루트 회로
38 : 전지 제어부
40 : 방전 저항
42 : 스위칭 소자
44 : 과충전 보호용 검출기
46 : 충전 완료 검출기
48 : 방전 차단용 검출기
50 : 가스 발생 검지 회로
Ic : 충전 전류
Ith : 충전 하한 전류치
Vb : 전지 전압
Vm : 만충전 전압
Vth1 : 과충전 보호 전압
Vth2 : 보호 정지 전압
Vth3 : 충전 완료 전압
Vth4 : 방전 차단 전압

Claims (7)

  1. 복수의 2차 전지가 직렬로 접속된 전지조에 충전 전류를 공급하여 충전하는 충전 장치에 있어서,
    상기 2차 전지마다 설치된 방전 루트 회로와, 상기 2차 전지마다 설치되어 상기 2차 전지의 전지 전압에 기초하여 상기 방전 루트 회로에의 방전 개시와 방전 정지를 행하는 과충전 보호용 검출기를 갖고, 충전 중에 어느 하나의 상기 2차 전지의 전지 전압이, 만충전 전압(Vm)보다도 낮은 전압으로 설정된 소정의 과충전 보호 전압(Vth1)에 도달한 경우에, 당해 2차 전지의 상기 방전 루트 회로에 상기 2차 전지를 접속하여 방전시키고, 상기 전지 전압이 상기 과충전 보호 전압(Vth1) 보다도 낮은 보호 정지 전압(Vth2)까지 내려가면, 상기 방전 루트 회로로부터 상기 2차 전지를 절단하여 방전을 정지시키는 과충전 보호 회로와,
    충전 중에 있어서, 어느 하나의 상기 2차 전지가 그 방전 루트 회로에 방전을 개시할 때마다, 상기 과충전 보호용 검출기에 의해, 방전을 개시한 상기 2차 전지의 상기 방전 루트 회로에의 방전의 정지가 검지될 때까지 상기 충전 전류를 어느 일정한 기울기를 가지고 서서히 감소시키는 처리를 반복하면서 충전을 행하는 충전 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는, 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 충전 제어 수단은,
    상기 충전 전류가 소정의 하한 전류치를 하회한 경우에는, 상기 소정의 하한 전류치로 충전 전류를 유지하여 상기 전지조에의 공급을 계속하고, 상기 전지조의 전압이 소정의 충전 완료 전압에 도달하였을 때에 충전을 정지하는 것을 특징으로 하는, 충전 장치.
  4. 제1항에 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.
  5. 직렬로 접속된 복수의 2차 전지로 이루어지는 전지조와, 상기 2차 전지마다 설치된 방전 루트 회로와, 상기 2차 전지마다 설치되어 상기 2차 전지의 전지 전압에 기초하여 상기 방전 루트 회로에의 방전 개시와 방전 정지를 행하는 과충전 보호용 검출기를 갖는 충전 장치를 위한 충전 방법에 있어서,
    충전 중에, 어느 하나의 상기 2차 전지의 전지 전압이, 만충전 전압(Vm)보다도 낮은 전압으로 설정된 소정의 과충전 보호 전압(Vth1)에 도달한 경우에, 당해 2차 전지의 상기 방전 루트 회로에 상기 2차 전지를 접속하여 방전시키고, 상기 전지 전압이 상기 과충전 보호 전압(Vth1) 보다도 낮은 보호 정지 전압(Vth2)까지 내려가면, 상기 방전 루트 회로로부터 상기 2차 전지를 절단하여 방전을 정지시키는 과충전 보호를 행하고,
    충전 중에 있어서, 어느 하나의 상기 2차 전지가 그 방전 루트 회로에 방전을 개시할 때마다, 상기 과충전 보호용 검출기에 의해, 방전을 개시한 상기 2차 전지의 상기 방전 루트 회로에의 방전의 정지가 검지될 때까지 상기 충전 전류를 어느 일정한 기울기를 가지고 서서히 감소시키는 처리를 반복하면서 충전을 행하는 것을 특징으로 하는, 충전 방법.
  6. 삭제
  7. 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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