JP4065232B2 - 電池の充電方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いに直列に接続されてなる電池を充電する方法に関し、とくに、各々の電池の電圧をバランスさせながら充電する方法に関する。

複数の電池を直列に接続しているパック電池は、種々の用途に使用される。とくに、このタイプのパック電池は、直列に接続する電池の個数を増加して出力電圧を高くできるので、高出力が要求される用途に適している。ただ、多数の電池を直列に接続して充電させると、全ての電池に同じ電流が流れるにもかかわらず、次第に各々の電池にアンバランスが生じる。それは、全ての電池の電気特性あるいは充放電時の環境（たとえば、温度のバラツキ）を均一に揃えることができないからである。直列接続時において容量が小さくなった電池は、他の電池に比べて過充電されたり、あるいは過放電される傾向が強くなる。直列接続した組電池トータルでは、見かけの容量の減少につながってしまう。

この欠点を解消するために、直列に接続している電池に放電回路を接続し、放電回路で電池の電圧バランスを揃える方法が開発されている。（特許文献１参照）
特開平５−４９１８１号公報

以上の公報に記載される電圧バランス回路を含む充電回路は、図１に示すように、パック電池２５の＋−の電池出力端子２６に、別途用意される電源（図示せず）より電力が供給されており、直列に接続している電池２１と並列に放電回路２２を接続している。放電回路２２は、放電抵抗２７とスイッチング素子２８とを直列に接続している。放電回路２２は、スイッチング素子２８をオンに切り換えて、接続している電池２１を放電抵抗２７で放電させる。スイッチング素子２８は、電池電圧を設定電圧に比較するコンパレータ２３の出力でオンオフに制御される。コンパレータ２３は、スイッチング素子２８のチャタリングを防止するために、ヒステリシスを持たせている。すなわち、スイッチング素子２８をオンに切り換える第１設定電圧よりも、オフに切り換える第２設定電圧を相当に低くしている。

この電圧バランス回路を含む充電回路は、電池２１が充電されて、いずれかの電池２１の電圧が第１設定電圧よりも高くなると、この電池２１を接続しているコンパレータ２３がスイッチング素子２８をオンに切り換える。電圧が第１設定電圧よりも高くならない電池２１に接続しているコンパレータ２３は、スイッチング素子２８をオンに切り換えないでオフの状態となる。いずれかのスイッチング素子２８がオンに切り換えられると、充電が停止される。この状態になると、オンに切り換えられたスイッチング素子２８が、放電抵抗２７を介して電池２１を放電させる。スイッチング素子２８がオンに切り換えられない放電回路２２は、これを接続している電池２１を放電しない。スイッチング素子２８と放電抵抗２７とで放電される電池２１は、電圧が次第に低下して、放電を停止する第２設定電圧よりも低くなると、スイッチング素子２８がオンからオフに切り換えられて放電が停止される。放電が停止されると、ふたたび充電が再開されて、直列に接続している全ての電池２１が充電される。

以上の動作を繰り返して、各々の電池の電圧をバランスさせながら全ての電池を満充電する。しかしながら、以上の方法で電池を充電すると、全ての電池電圧を均一に揃えることができない欠点がある。それは、コンパレータにヒステリシスを設けているからである。すなわち、充電しているときに、電池の電圧が第１設定電圧よりも高くなった電池は、放電されて第２設定電圧まで低下されて一定の電圧になるが、電圧が第１設定電圧よりも高くならず、第２設定電圧よりも高い電池は放電されないので、第２設定電圧と第１設定電圧との間の電圧となるからである。すなわち、放電回路で放電された電池の電圧は一定の電圧に揃えられるが、放電回路で放電されない電池の電圧は、第２設定電圧と第１設定電圧との間にあって、揃えられないので、結局、最大ヒステリシス分だけの差が残り、全ての電池の電圧をバランスよく揃えることができない欠点がある。

本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、全ての電池の電圧を均一に揃えて理想的な状態にバランスできる電池の充電方法を提供することにある。

本発明の電池の充電方法は、複数の二次電池１を直列に接続して充電する充電方法であって、各々の電池電圧を検出し、設定電圧を越える電池１を放電して、複数の電池１をセルバランスさせながら充電する。この充電方法は、充電している各々の電池１の電圧を検出して、いずれかの電池１の電圧が設定電圧を越えると、その後、設定された一定時間充電した後、設定電圧を越えない電池１を放電することなく、設定電圧を越えた電池１のみを電池電圧が設定電圧に低下するまで放電して、各々の電池１の電圧をバランスさせながら充電する。

さらに、本発明の充電方法は、各々の電池電圧を検出して、いずれかの電池の電圧が遅延時間を経過してもなお設定電圧を越えると、設定した一定時間電池充電した後、設定電圧を越えない電池を放電することなく、設定電圧を越えた電池１のみを電池電圧が設定電圧に低下するまで放電して、各々の電池１の電圧をバランスさせることができる。

さらに、本発明の充電方法は、設定電圧を越える電池１を放電するときに、全ての電池１の充電を停止することができる。電池１は、リチウムイオン電池とすることができる。

さらに、本発明の充電方法は、全ての電池１と並列に、放電抵抗７とスイッチング素子８とを直列に接続している放電回路２を接続し、いずれかの電池１の電圧が設定電圧を越えると、この電池１に並列に接続している放電回路２のスイッチング素子８をオンにして、充電電流の一部をバイパスすることができる。
また、全ての電池１と並列に、電圧比較部３を接続し、いずれかの電池１の電圧が設定電圧を越えると、この電池１に並列に接続している電圧比較部３が、信号を制御部４に出力し、該信号が入力されると制御部４のタイマーにてカウントされる設定された一定時間、充電する。

本発明の電池の充電方法は、各々の電池の電圧を均一に揃えて、理想的な状態にバランスさせて充電できる特長がある。それは、本発明の充電方法が、従来の方法のように、電圧にヒステリシスを持たせるのではなくて、電圧が設定電圧を越えた電池を一定時間充電した後、放電し、放電している電池の電圧が設定電圧まで低下すると放電を停止させて電圧をバランスさせるからである。この方法で充電される各々の電池は、電圧を設定電圧に集束するようにして充電されるので、電圧のアンバランスを解消しながら満充電される。

とくに、本発明の請求項２の充電方法は、いずれかの電池電圧が設定電圧を越えたかどうかを検出するために遅延時間を設けており、この遅延時間を経過してもなお設定電圧を越えると、その電池の電圧が設定電圧を越えたと判定するので、短時間の電圧上昇による検出誤差を有効に防止して、電圧上昇を正確に検出できる特長がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための充電方法を例示するものであって、本発明は充電方法を以下の方法に特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２は、本発明の充電方法に使用する電圧バランス回路を含む充電回路を示す。この電圧バランス回路を含む充電回路は、パック電池１５に内蔵されている。この電圧バランス回路を含む充電回路は、複数の二次電池１を直列に接続して充電する。二次電池１はリチウムイオン電池である。ただ、二次電池は、リチウムイオン電池に代わって、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の充電できる全ての電池とすることができる。

パック電池１５は、＋−の電池出力端子１６にて、充電電源部６の＋−の充電端子１７に電気接触し、着脱自在に充電電源部６に装着される。また、着脱自在のパック電池に代わって、電気機器（図示せず）に内蔵するパック電池として、電気機器に電力供給時には、充電電源部より電気的に切り離し、電気機器に電力を供給できるようにすることもできる。

この図の電圧バランス回路を含む充電回路は、各々の二次電池１と並列に接続している放電回路２と、この放電回路２をオンオフに制御する電圧比較部３と、電圧比較部３の出力で充電制御スイッチ５をオンオフに制御する制御部４と、制御部４でオンオフに切り換えられて電池１の充放電を制御する充電制御スイッチ５と、この充電制御スイッチ５を介して電池１に接続している充電電源部６とを備える。

放電回路２は、放電抵抗７とスイッチング素子８を直列に接続している。この放電回路２は、スイッチング素子８をオンに切り換えて、電池１を放電する。スイッチング素子８がオフの状態では電池１を放電しない。放電回路２は、放電抵抗７の抵抗値で電池１を放電する電流を特定する。電池１を放電する電流は、電池１を充電する電流よりも小さくする。放電抵抗７が電池１を放電する電流が、電池１を充電する電流よりも小さいと、電池１を充電しながら放電回路２のスイッチング素子８をオンにしてトータルで充電できる。放電回路２は、電圧比較部３から入力される信号で、スイッチング素子８をオンオフに切り換えて、電池１を放電し、あるいは放電を停止する。放電回路２は、電圧比較部３から電圧上昇信号が入力されると、スイッチング素子８をオンに切り換えて電池１を放電する。また、放電回路２は、電圧比較部３から電圧低下信号が入力されると、スイッチング素子８をオフに切り換えて電池１の放電を停止する。

電圧比較部３は、電池電圧を設定電圧に比較する比較回路（図示せず）と、比較回路が雑音等で誤検出してスイッチング素子８をチャタリングさせるのを防止する遅延回路（図示せず）とを備える。比較回路は、電池電圧を設定電圧に比較するコンパレータである。コンパレータは、一方の入力側に基準電圧を接続し、他方の入力側に電池電圧を入力する。基準電圧をプラス側入力端子に、電池電圧をマイナス側入力端子に入力するコンパレータは、電池電圧が設定電圧よりも高くなると”Ｌｏｗ”を電圧上昇信号として出力し、設定電圧よりも低くなると”Ｈｉｇｈ”を電圧低下信号として出力する。基準電圧と電池電圧を反対の入力側に入力すると、出力の”Ｌｏｗ”と”Ｈｉｇｈ”は反転される。コンパレータに接続される基準電圧は設定電圧となる。図３は、リチウムイオン電池１を充電する電圧特性を示し、設定電圧を一つの例として４．２３Ｖに設定している。電圧上昇信号を”Ｌｏｗ”とする電圧比較部３は、電池１の電圧が設定電圧よりも高いときに、”Ｌｏｗ”を出力し、電池１の電圧が設定電圧よりも低いと”Ｈｉｇｈ”を出力する。

電圧比較部３の比較回路は、遅延回路の遅延時間よりも長く、すなわち遅延回路で設定された遅延時間を経てもなお電池電圧が設定電圧よりも高くなるときに限って、電圧上昇信号を出力する。電池電圧が設定電圧を越える時間が、遅延回路の遅延時間より短いと、電圧上昇信号を出力しない。遅延回路を備える電圧比較部３は、電池電圧の上昇を正確に検出できる。それは、検出電圧が、雑音等の影響で一時的に高くなっても、電池電圧が設定電圧よりも高くなったとは判定しないからである。したがって、電圧比較部３の遅延回路の遅延時間は、雑音等で誤動作してスイッチング素子８がチャタリングするのを防止する時間に設定される。遅延回路の遅延時間は短いので、図３の電圧特性を示すグラフは、遅延時間を記載していない。

制御部４は、電圧比較部３から入力される信号で充電制御スイッチ５をオンオフに制御する。この制御部４は、入力回路９を介して電圧比較部３に接続される。入力回路９は、各々の電圧比較部３に接続している入力ＦＥＴ１０と、全ての入力ＦＥＴ１０の出力側を接続しているバッファＦＥＴ１１とを備える。入力ＦＥＴ１０は、入力側であるゲートを電圧比較部３の出力側に、出力側であるドレインをダイオードと抵抗を介してバッファＦＥＴ１１の入力側であるゲートに接続している。この入力回路９は、いずれかの電圧比較部３が、電圧上昇信号である”Ｌｏｗ”を出力すると、バッファＦＥＴ１１のゲートが”Ｈｉｇｈ”となり、バッファＦＥＴ１１はオン状態にとなる。バッファＦＥＴ１１がオフからオンに切り換えられると、制御部４に電圧上昇信号として”Ｌｏｗ”信号が入力される。図２の入力回路９は、電池電圧が設定電圧よりも高くなって、電圧比較部３が”Ｌｏｗ”の電圧上昇信号を出力すると、制御部４には”Ｌｏｗ”を入力しているが、制御部と電圧比較部との間に反転回路を設けて、電圧比較部が”Ｌｏｗ”の電圧上昇信号を出力するときに、制御部に”Ｈｉｇｈ”が入力されるように設計することもできる。

制御部４は、タイマー（図示せず）を備えている。制御部４は、電圧比較部３から電圧上昇信号が入力されても、直ちに充電制御スイッチ５をオンからオフに切り換えて充電を停止しない。電圧比較部３から入力される電圧上昇信号は、タイマーのカウントを開始させる。タイマーがカウントアップすると、制御部４は充電制御スイッチ５をオンからオフに切り換えて、電池１の充電を停止する。その後、電圧比較部３から電圧低下信号が入力されると、制御部４は充電制御スイッチ５をオフからオンに切り換えて、充電を開始する。電圧低下信号は、直ちに充電制御スイッチ５をオフからオンに切り換える。

タイマーは、図３に示すように、一定の充電時間（Ｔ）を記憶している。この充電時間（Ｔ）は、充電電流にも依存している。充電電流が大きいと、過充電にならないように、充電電流、電池並列数、電池容量との兼ね合いで決定する。

充電制御スイッチ５は、制御部４から入力される信号でオンオフに制御されるＦＥＴである。ただ、この充電制御スイッチには、他の半導体スイッチング素子も使用できる。図の充電制御スイッチ５は、直流制御ＦＥＴ１２を介して制御部４に接続している。この回路は、制御部４が”Ｈｉｇｈ”を出力するとき直流制御ＦＥＴ１２がオンとなる。直流制御ＦＥＴ１２がオンになると、充電制御スイッチ５のＦＥＴは、ゲートをアースに接続してオン状態となる。制御部４が”Ｌｏｗ”を出力すると、充電制御スイッチ５はオフ状態になる。

充電電源部６は、入力される交流の商用電源を、互いに直列に接続している電池１を充電できる電圧と電流として出力する電源である。

以上の電圧バランス回路を含む充電回路は、以下のようにして直列に接続している電池１を充電する。以下の工程で充電される電池１の電圧は、図３に示すように変化する。ただし、この図はふたつの電池Ａ、Ｂの電圧が変化する特性を示している。また、ふたつの電池Ａ、Ｂは、あらかじめ電圧差（電池Ａの電圧＞電池Ｂの電圧）がある状態を想定している。
(1) 充電制御スイッチ５をオンにして充電を開始する。直列接続された電池Ａと電池Ｂは充電されて、電池電圧が上昇する。
(2) 電池Ａの電圧が遅延時間を経過してもなお設定電圧である４．２３Ｖを越えると、電池Ａを制御している電圧比較部３が、電圧上昇信号として”Ｌｏｗ”を出力する。電圧比較部３から出力される電圧上昇信号は、放電回路２と入力回路９に入力される。
(3) 放電回路２に入力される電圧上昇信号は、電池Ａに並列接続されたスイッチング素子８をオンに切り換える。オン状態になったスイッチング素子８は、電圧が設定電圧よりも高くなった電池Ａに、放電抵抗７を並列に接続する。この状態で、電池Ａは充電しているので、放電抵抗７が充電電流をバイパスする。すなわち、電池Ａの充電電流は、放電抵抗７に流れる電流に相当して少なくなる。放電抵抗７に流れる電流は、充電電流よりも小さいので、電池Ａは充電電流が減少して充電される。このとき、電圧が設定電圧を越えない電池Ｂは、放電抵抗７が並列に接続されず、全ての充電電流が流れて充電される。したがって、設定電圧を越えた電池Ａは、設定電圧を越えない電池Ｂよりも少ない電流で充電される。
(4) 電圧上昇信号が入力された入力回路９は、電圧上昇信号として”Ｌｏｗ”を制御部４に出力する。電圧上昇信号が入力された制御部４は、タイマーがカウントを開始し、このタイマーがカウントアップするまで、一定の充電時間（Ｔ）は充電を継続する。タイマーがカウントアップすると、充電制御スイッチ５をオンからオフに切り換えて充電を停止する。
この状態で、設定電圧を越えた電池Ａは、放電回路２がオン状態にあるので、放電されて電圧が次第に低下する。設定電圧を越えない電池Ｂは、充電も放電もされなくなって電圧が変化しなくなる。すなわち、電池Ａの電圧のみ減少する。

(5) 放電されている電池Ａの電圧が次第に低下して設定電圧を下回ると、電圧比較部３は、電圧低下信号として”Ｈｉｇｈ”を出力する。
(6) 電圧比較部３から電圧低下信号が出力されると、放電回路２のスイッチング素子８がオンからオフに切り換えられて放電が停止される。
さらに、この電圧低下信号は、入力回路９を介して制御部４に入力される。電圧低下信号が入力された制御部４は、充電制御スイッチ５をオフからオンに切り換えて充電を再開する。

その後、(2)〜(6)の工程を繰り返すと、全ての電池電圧は設定電圧に接近して満充電される。全ての電池１が満充電されると、充電電源部６の出力をオフにして充電を終了する。

以上のように充電を行う制御部４のフローチャートを図４に示し、その説明を次に示す。
［ｎ＝１のステップ］
電圧比較部３にて、いずれかの電池が設定電圧に達したかどうかを判定する。
［ｎ＝２のステップ］
設定電圧に達している時間をタイマー動作してカウントする。
［ｎ＝３のステップ］
カウントしたタイマーが一定の充電時間（Ｔ）に達したか判定する。
［ｎ＝４のステップ］
充電制御スイッチ５をオフにする。
［ｎ＝５のステップ］
タイマーをリセットする。
［ｎ＝６のステップ］
充電制御スイッチ５をオンにする。

以上の充電方法では、いずれかの電池の電圧が設定電圧を越えると、一定時間充電した後（充電量Ｘ）、充電を停止して、設定電圧を越えた電池のみ設定電圧を下回るまで放電させる（放電量Ｙ）。したがって、設定電圧を越えない電圧の低い電池は充電量Ｘ増加し、設定電圧を越えた電池の充電量はゼロ（充電量Ｘ＝放電量Ｙ）となるために、最終的には、全ての電池が設定電圧値に揃うことになり、各々の電池のバランスを取りながら充電することができる。

従来の充電方法に使用する電圧バランス回路を含む充電回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施例にかかる充電方法に使用する電圧バランス回路を含む充電回路の一例を示す回路図である。 本発明の一実施例にかかる充電方法で充電される電池の電圧特性を示すグラフである。 本発明の一実施例にかかる充電方法で電池を充電するフローチャートである。

符号の説明

１…電池
２…放電回路
３…電圧比較部
４…制御部
５…充電制御スイッチ
６…充電電源部
７…放電抵抗
８…スイッチング素子
９…入力回路
１０…入力ＦＥＴ
１１…バッファＦＥＴ
１２…直流制御ＦＥＴ
１５…パック電池
１６…電池出力端子
１７…充電端子
２１…電池
２２…放電回路
２３…コンパレータ
２５…パック電池
２６…電池出力端子
２７…放電抵抗
２８…スイッチング素子

Claims (6)

1. 複数の二次電池(1)を直列に接続して充電する充電方法であって、各々の電池電圧を検出し、設定電圧を越える電池(1)を放電して、複数の電池(1)をセルバランスさせながら充電する電池の充電方法において、
   充電している各々の電池(1)の電圧を検出して、いずれかの電池(1)の電圧が設定電圧を越えると、その後、設定された一定時間充電した後、設定電圧を越えない電池(1)を放電することなく、設定電圧を越えた電池(1)のみを電池電圧が設定電圧に低下するまで放電して、各々の電池(1)の電圧をバランスさせながら充電することを特徴とする電池の充電方法。
2. いずれかの電池電圧が遅延時間を経過してもなお設定電圧を越えると、その後、設定された一定時間充電した後、設定電圧を越えない電池(1)を放電することなく、設定電圧を越えた電池(1)のみを電池電圧が設定電圧に低下するまで放電して、各々の電池(1)の電圧をバランスさせながら充電する請求項１に記載される電池の充電方法。
3. 設定電圧を越える電池(1)を放電するときに、全ての電池(1)の充電を停止する請求項１または２に記載される電池の充電方法。
4. 電池(1)がリチウムイオン電池である請求項１または２に記載される電池の充電方法。
5. 全ての電池(1)と並列に、放電抵抗(7)とスイッチング素子(8)とを直列に接続している放電回路(2)を接続し、いずれかの電池(1)の電圧が設定電圧を越えると、この電池(1)に並列に接続している放電回路(2)のスイッチング素子(8)をオンにして、充電電流の一部をバイパスする請求項１または２に記載される電池の充電方法。
6. 全ての電池(1)と並列に、電圧比較部(3)を接続し、いずれかの電池(1)の電圧が設定電圧を越えると、この電池(1)に並列に接続している電圧比較部(3)が、信号を制御部(4)に出力し、該信号が入力されると制御部(4)のタイマーにてカウントされる設定された一定時間、充電する請求項１の電池の充電方法。

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