(57)【要約】【課題】セルを充電ラインから切り離す動作を行う際、バイパス回路との間で放電状態が発生することを防止するとともに電力損失も可能な限り少なくすることのできる、直列充放電システム及び直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法を提供する。【解決手段】充放電電源１に直列に接続されるセル２と、セル２の上流に設けられるダイオード３と、ダイオード３と並列に接続される第１のスイッチ４と、ダイオード３とセル２との間に直列に接続される第２のスイッチ５と、ダイオード３の上流とセル２の下流とをバイパス回路Ｂと、バイパス回路Ｂに接続される第３のスイッチ６と、第１のスイッチ４ないし第３のスイッチ６の開閉を制御するコントローラ８とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電電源に直列に接続されるセルと、
前記セルの上流に設けられるダイオードと、
前記ダイオードと並列に接続される第１のスイッチと、
前記ダイオードと前記セルとの間に直列に接続される第２のスイッチと、
前記ダイオードの上流と前記セルの下流とをバイパス回路と、
前記バイパス回路に接続される第３のスイッチと、
前記第１のスイッチないし前記第３のスイッチの開閉を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする直列充放電システム。
【請求項２】
前記第１のスイッチは、メカニカルスイッチであり、前記第２のスイッチ及び前記第３のスイッチはスイッチング素子であることを特徴とする請求項１に記載の直列充放電システム。
【請求項３】
第１のスイッチ及び第２のスイッチをＯＮとし、第３のスイッチをＯＦＦとしてセルに充電する工程と、
前記第１のスイッチをＯＦＦする工程と、
前記第３のスイッチをＯＮする工程と、
前記第２のスイッチをＯＦＦし、前記セルを充電工程から切り離す工程と、
を備えることを特徴とする直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルへの充放電を行う直列充放電システム及び直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池の製造工程において、電池の種類によってはその最終工程でセル電池に対して充放電を行う工程が設けられているものもある。この充放電工程は、セル電池（以下、単に「セル」と表わす）に対して充電、放電を繰り返して電池内のショート等、不良の検出等のために設けられている。
【０００３】
ここでセルの充放電方式としては、セル１つに対して充放電用電源を１つ接続する方式（１対１方式）、或いは、複数のセルに対して充放電用電源を１つ接続する方式（直列方式）がある。いずれの方式にもメリット、デメリットが存在するが、特に後者の方式では複数のセルを直列に接続することから、セルの電圧を測定して設定電圧に達したセルを充電ラインから切り離す回路、いわゆるバイパス回路を設ける必要がある。
【０００４】
以下の特許文献１に記載の発明では、セルに直列に接続されたスイッチと、このスイッチと並列なバイパス回路のスイッチの２つを用いてセルの切り離し動作を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３１２４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成及び方法を採用すると、以下のような不都合が生ずる可能性を否定できない。
【０００７】
すなわち、直列方式では、接続される各セルにばらつきがあるため、充電中に設定電圧に到達するまでの時間がセルごとに異なる。従って、セルの切り離し動作を行って、充電中に設定電圧に到達したセルから順次切り離す必要がある。
【０００８】
ところが切り離し動作を行う際、切り離されるセル以外のセルに対してはそのまま充電動作を継続しなければならない。そのため、具体的にはバイパス回路のスイッチをＯＮとしてバイパス回路に電流が流れる経路を確保した上で、切り離されるセルに直列に接続されたスイッチをＯＦＦし、このセルを充電ラインから切り離す必要がある。
【０００９】
但し、このような方法では、バイパス回路のスイッチをＯＮしてから切り離されるセルに直列に接続されたスイッチがＯＦＦされるまでの間、いわゆる閉ループが形成されてしまい、充電中のセル（切り離されるセル）が一瞬放電状態となってしまう。特に特許文献１に記載の構成のようにこれらのスイッチとしてメカニカルスイッチが採用されている場合、メカニカルスイッチの動作速度が遅いことから放電状態が長く継続することになる。
【００１０】
また、この放電状態が発生することを防止するためにダイオード等の整流素子を充電ラインに接続すると、このダイオードによる電力損失が発生してしまいセルへの充電効率が悪化してしまう。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、セルを充電ラインから切り離す動作を行う際、バイパス回路との間で放電状態が発生することを防止するとともに電力損失も可能な限り少なくすることのできる、直列充放電システム及び直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、直列充放電システムにおいて、充放電電源に直列に接続されるセルと、セルの上流に設けられるダイオードと、ダイオードと並列に接続される第１のスイッチと、ダイオードとセルとの間に直列に接続される第２のスイッチと、ダイオードの上流とセルの下流とをバイパス回路と、バイパス回路に接続される第３のスイッチと、第１のスイッチないし第３のスイッチの開閉を制御するコントローラとを備える。
【００１３】
本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法において、第１のスイッチ及び第２のスイッチをＯＮとし、第３のスイッチをＯＦＦとしてセルに充電する工程と、第１のスイッチをＯＦＦする工程と、第３のスイッチをＯＮする工程と、第２のスイッチをＯＦＦし、セルを充電工程から切り離す工程とを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、セルを充電ラインから切り離す動作を行う際、バイパス回路との間で放電状態が発生することを防止するとともに電力損失も可能な限り少なくすることのできる、直列充放電システム及び直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態における直列充放電システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法の手順を示す回路図である。
【図３】本発明の実施の形態における各スイッチの動きを示すタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態における直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法の手順を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態における直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法の手順を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態における直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法の手順を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態における直列充放電システムＳの全体構成を示す模式図である。直列充放電システムＳは図１に示すように、充放電電源１に複数のセル２が直列に接続されている。図１では３つのセル２Ａないし２Ｃが接続されているが、直列に接続されるセル２の個数は自由に設定することができる。なお、以下では複数のセル２Ａないし２Ｃをまとめて適宜「セル２」と表わす。
【００１８】
セル２は、充放電電源１に接続されることによって充電されるが、上述したように規定の電圧に達したセル２は、過充電を避けるためにこの直列充放電システムＳ（充電ライン）から切り離す必要がある。そこで、各セル２はそれぞれバイパス回路を備えるとともに、充電ラインから切り離すための仕組み（機構）を備えている。図１では、セル２とこれら機構をまとめてセルユニットＣＵと表わしている（セルユニットＣＵＡないしセルユニットＣＵＣ）。但し、以下では適宜これらセルユニットＣＵＡないしセルユニットＣＵＣをまとめて「セルユニットＣＵ」と表わす。
【００１９】
図２は直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法の手順を示す回路図である（セルの切り離し方法については後述）。併せて図２は、本発明の実施の形態におけるセルユニットＣＵの構成を示す回路図でもあることから、ここではこの１つのセルユニットＣＵを例に挙げてその構成を説明する。
【００２０】
セルユニットＣＵにおいて、セル２は充放電電源１に直列に接続されている。充放電電源１からの電流は図２に示す実線の矢印の向きに流れセル２が充電される。このセル２に充電を行うラインを便宜上「充電ラインＣＬ」と表わす。
【００２１】
充電ラインＣＬに接続されるセル２の上流にはダイオード３が接続されている。このダイオード３は、後述する各スイッチのＯＮ、ＯＦＦに伴って充電ラインＣＬとバイパス回路Ｂとの間で閉ループが形作られる場合が発生する。そのような状態になった場合にセル２に充電された電気が放電されることを防止するために充電ラインＣＬ上であってセル２の上流に接続されるものである。
【００２２】
充電ラインＣＬには、ダイオード３と並列となるように第１のスイッチ４が接続されている。これは、セル２への充電中、充電ラインＣＬ上のダイオード３による損失の発生を回避するために設けられるものである。なお、本発明の実施の形態においては、第１のスイッチ４はメカニカルスイッチが採用されている。ここでメカニカルスイッチとは、ＦＥＴ等のスイッチング素子ではなく、いわゆる物理的に接点を開閉するスイッチのことである。
【００２３】
第１のスイッチ４にスイッチング素子ではなくメカニカルスイッチが採用されたのは、スイッチング素子にはその構成上、ダイオードが含まれるからである。このダイオードは、充電ラインＣＬにスイッチング素子を適切に接続すると、充電の向きとは逆向きに電流が流れるように接続されることになる。従って、第１のスイッチ４にスイッチング素子を採用すると、後述するバイパス回路Ｂとの間で閉ループが形成されてしまい、せっかく充電したセル２の放電を助長することになる。そのため、第１のスイッチ４にはスイッチング素子ではなくメカニカルスイッチが採用されている。
【００２４】
充電ラインＣＬ上のダイオード３とセル２との間には、第２のスイッチ５が接続されている。この第２のスイッチ５は、セル２を充電する際は常時ＯＮとされているが、セル２の充電が終了した後はＯＦＦとされてセル２に過充電が行われないように制御される。
【００２５】
ダイオード３の上流とセル２の下流とはバイパス回路Ｂが設けられている。上述したように、本発明の実施の形態におけるセル２は充放電電源１に直列に接続されていることから、セル２の充電が終了し、このセル２を充電ラインＣＬから切り離す際には、充放電電源１に接続されているその他のセル２に対する充電が途切れてしまわないようにすることが肝要である。そこで、セルを切り離す場合には、そのセルの下流に接続されているセルへの充電ラインＣＬを確保するためにバイパス回路Ｂを使用する。またバイパス回路Ｂの役割から、バイパス回路Ｂは、ダイオード３の上流とセル２の下流とを接続する（図２参照）。さらに、このバイパス回路Ｂにはその途中にバイパス回路Ｂへの通電を司る第３のスイッチ６が接続されている。
【００２６】
第１のスイッチ４にはコントローラ８からの制御信号が付加されてその開閉（ＯＮ、ＯＦＦ）が制御される。なお、図２（及び図４ないし図６）においてはそのコントローラ８との接続線は省略している。また、第２のスイッチ５ないし第３のスイッチ６のＯＮ、ＯＦＦも同様に、コントローラ８によって制御される。
【００２７】
コントローラ８は、例えば、セルユニットＣＵに設けられている電圧計（図示せず）の値を基にセルが設定電圧に達するか否かを判断し、設定電圧に達すると判断したセルについては切り離し動作を行うように各スイッチの開閉を制御する。コントローラ８による具体的な各スイッチの制御については、以下の直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法において説明する。
【００２８】
第２のスイッチ５及び第３のスイッチ６への制御信号は、図２（及び図４ないし図６）に示されているように、第１のスイッチ４同様、コントローラ８からの信号線を介して付加される。
【００２９】
図３は、本発明の実施の形態における各スイッチの動きを示すタイムチャートである。縦軸には上から第１のスイッチ４（図３においては「ＳＷ１」と表わされている）、第２のスイッチ５（図３においては「ＳＷ２」と表わされている）、第３のスイッチ６（図３においては「ＳＷ３」と表わされている）のＯＮ、及びＯＦＦが示されている。また、横軸は時間軸であり、図３においては便宜上各時間帯をＡないしＤと４つの時間帯に分けて示している。
【００３０】
なお、各時間帯のＡないしＤの幅は実際の制御に掛かる時間を正確に表わしたものではなく、大まかである。但し、時間帯Ｂと時間帯Ｃとはともに非常に短く、時間帯Ａ、時間帯Ｄは時間帯Ｂと時間帯Ｃに比べれば長い時間帯である。
【００３１】
次に、直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法の手順について、図２及び図４ないし図６を利用して説明する。図２に示す回路図は時間帯Ａの場合の回路を示した図面であり、図４の回路図は時間帯Ｂを、図５の回路図は時間帯Ｃを、図６の回路図は時間帯Ｄをそれぞれ表わしている。また、図２及び図４ないし図６では、セル２を充電するための充放電電源１からの電流の流れるラインを太線で示し、併せてその流れる方向を実線の矢印で示している。
【００３２】
上述したように図２は、時間帯Ａの場合の回路を示した図面である。この場合はセル２への充電が行われている状態を示している。そのため、コントローラ８からの指示により、第１のスイッチ４及び第２のスイッチ５はＯＮ、第３のスイッチ６はＯＦＦとされている。第１のスイッチ４がＯＮとされているのは、この第１のスイッチ４をＯＦＦとする制御を行うと、充電ラインＣＬに直列に接続されているダイオード３に電流が流れることになるが、これではダイオード３による損失が発生してしまうからである。そこで、この損失を回避するためにダイオード３と並列に接続されている第１のスイッチ４をＯＮとすることによって、充放電電源１に直列に接続されている各セル２への充電動作を阻害することなくダイオード３の損失も回避することができる。
【００３３】
第２のスイッチ５がＯＮとされているのは、セル２の充電を行うためには充電ラインＣＬに通電されていなければならないためである。一方、充電ラインＣＬに充放電電源１からの電流が流れてセル２に充電が行われている状態であるので、バイパス回路Ｂの利用はない。従って、第３のスイッチ６はＯＦＦとされている。
【００３４】
図３に示す時間帯Ｂは、充電動作を経てセル２の電圧が設定電圧をほぼ等しくなった時間帯であり、図４はこの場合の各スイッチの状態を示している。時間帯Ｂは、ほぼ設定電圧まで充電されたセル２を切り離す動作の前段階が行われる時間帯である。この時間帯では、セル２への充放電電源１からの電流の供給を遮断するために第１のスイッチ４をＯＮからＯＦＦさせる。
【００３５】
このように時間帯Ｂにおいて第１のスイッチ４をＯＦＦしているのは、次の時間帯Ｃにおいて第３のスイッチ６をＯＮした場合に、第１のスイッチ４がＯＮのままでは充電ラインＣＬ及びバイパス回路Ｂとで閉ループを作出してしまい、設定電圧まで充電されたセルが放電を行ってしまうことを防止するためである。そこで、バイパス回路Ｂの第３のスイッチ６をＯＮにする前に第１のスイッチ４をＯＦＦし、第３のスイッチ６がＯＮされた場合でもダイオード３によって充電電流の流れとは逆向きの電流が流れて放電が行われないようにしている。
【００３６】
また、この状態においても第２のスイッチ５はＯＮのままである。これはこの状態ではまだ第３のスイッチ６はＯＦＦの状態であるので、この時間帯Ｂにおいて第２のスイッチ５までＯＦＦしてしまうと、切り離し予定のセルの下流に接続されている他のセル２への充電動作ができなくなってしまうからである。従って、切り離し予定以外のセルへの充電動作を継続させるために充放電電源１からの電流の流路を確保しておかなければならないことから第２のスイッチ５はＯＮのままとなる。
【００３７】
次に図５に示す時間帯Ｃにおける各スイッチの状態である。時間帯Ｃは、ほぼ設定電圧まで充電されたセル２を切り離す動作の後段階が行われる時間帯である。図３に示すタイムチャート及び図５に示す回路図にも示されているように、第１のスイッチ４をＯＦＦ、第２のスイッチ５をＯＮの状態はそのままに、第３のスイッチ６をＯＮさせる。このスイッチ動作により、充放電電源１からの電流は、第２のスイッチ５が接続されている充電ラインＣＬと第３のスイッチ６が接続されているバイパス回路Ｂの両方に流れる。
【００３８】
これは上述したように、切り離し予定のセル２だけを考えれば第２のスイッチ５をＯＦＦさせることによってそのセル２を充電ラインＣＬから切り離すことは可能である。しかしながら、切り離し予定のセルの下流に接続されている未だ設定電圧に達していないセルに対して電流の供給を確保するために、充電ラインＣＬをＯＮ（第２のスイッチ５をＯＮ）したままバイパス回路Ｂも通電可能な状態とするものである。従って、バイパス回路Ｂに接続されている第３のスイッチ６はＯＮとなるようにコントローラ８から制御信号が送信される。
【００３９】
なお、時間帯Ｂ及び時間帯Ｃは非常に短い時間帯である。これは、例えば、第２のスイッチ５及び第３のスイッチ６にメカニカルスイッチを採用するとその動作速度が遅くなってしまう。この切り離し動作を行うための準備を行うのに時間が掛かってしまっては第１のスイッチ４との関係で充電ラインＣＬとバイパス回路Ｂとの間に閉ループが作出されてしまう可能性が発生する。そこで、本発明の実施の形態においては、第１のスイッチ４にはメカニカルスイッチを採用し、第２のスイッチ５及び第３のスイッチ６に動作速度の速いスイッチング素子を採用することで閉ループが作出されることによるセル２からの放電状態が発生することを防止している、
図６に示す時間帯Ｄは、充電動作を経たセル２の切り離し動作が完全に終了し、充放電電源１からの電流はバイパス回路Ｂに流れる時間帯である。図６はこの場合の各スイッチの状態を示している。図３及び図６に示すように、第１のスイッチ４と第２のスイッチ５はともにＯＦＦとされ、第３のスイッチ６のみがＯＮの状態である。コントローラ８によるこのような制御によって、充放電電源１からの電流はバイパス回路Ｂに流れ、このセルユニットＣＵのセルを切り離すことができる。また、切り離されるセルの下流に接続されているセルへの充電動作は、バイパス回路Ｂを介して充放電電源１からの電流が供給されることからこれまで通り充電動作が継続される。
【００４０】
以上説明した通り、充放電電源に直列に接続されるセルと、セルの上流に設けられるダイオードと、ダイオードと並列に接続される第１のスイッチと、ダイオードとセルとの間に直列に接続される第２のスイッチと、ダイオードの上流とセルの下流とをバイパス回路と、バイパス回路に接続される第３のスイッチと、第１のスイッチないし第３のスイッチの開閉を制御するコントローラとを備えることによって、セルを充電ラインから切り離す動作を行う際、バイパス回路との間で放電状態が発生することを防止するとともに電力損失も可能な限り少なくすることのできる、直列充放電システム及び直列充放電システムにおけるセルの切り離し方法を提供することができる。
【００４１】
なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１…充放電電源、２…セル、３…ダイオード、４…第１のスイッチ、５…第２のスイッチ、６…第３のスイッチ、８…コントローラ、Ｂ…バイパス回路、ＣＬ…充電ライン、Ｓ…直列充放電システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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