(57)【要約】【課題】高精度の電圧測定回路を用いずにセルバランスをとり、過充電のときに安全確実に充電を停止できる充電制御システムを提供する。【解決手段】  各単電池１には、動作電圧が単電池１の充電電圧の４．２Ｖに設定されたシャントレギュレータ７と、単電池１の過充電電圧４．２５Ｖを検出する過充電電圧検出回路８とが並列接続されており、充電器１１は、組電池２を、シャントレギュレータ７の最大通電電流値以上の充電電流１Ａで定電流充電を開始し、何れかのシャントレギュレータ７の通電電流値が０．１Ａ以上になったときに充電電流の電流値を半分として定電流充電を継続し、何れかの過充電電圧検出回路８が過充電電圧を検出したときに充電電流を遮断して充電を終了する。【選択図】図１
2005086878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作電圧が単電池の充電電圧に設定されたシャントレギュレータと単電池の過充電電圧を検出する過充電検出回路とが全単電池に並列接続された組電池を、前記シャントレギュレータの最大通電電流値以下の充電電流で定電流充電し、何れかの前記過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに前記充電電流を遮断することを特徴とする二次電池の充電制御システム。
【請求項２】
動作電圧が単電池の充電電圧に設定されたシャントレギュレータと単電池の過充電電圧を検出する過充電検出回路とが全単電池に並列接続された組電池を、前記シャントレギュレータの最大通電電流値以上の充電電流で定電流充電を開始し、何れかの前記シャントレギュレータの通電電流値が設定値以上になったときに充電電流の電流値を下げて定電流充電を継続し、何れかの前記過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに前記充電電流を遮断することを特徴とする二次電池の充電制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二次電池の充電制御システムに係り、特に、複数個の二次電池を直列に接続した組電池を充電用電源で充電するための充電制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数個の二次電池（単電池）が直列接続された組電池を充電するには、組電池の＋端子と−端子とに充電用電源を接続して所定の充電電圧及び充電電流で各単電池を同時に充電する充電制御システムが用いられてきた。また、最近実用化されているリチウムイオン電池を用いた組電池には、各単電池の電圧を測定しかつセルバランスをとって充電する充電制御システムが用いられている。セルバランス機能が必要な理由は、各単電池間の充電状態が異なってくると、組電池として充放電可能な容量が少なくなり、かつ寿命も短くなるためである。ニッケル水素電池であれば、過充電によりセルバランスをとることが可能であるが、非水系の有機溶媒を電解液としているリチウムイオン電池では過充電状態とすることができないため、各単電池間の充電状態を揃えるセルバランス機能が不可欠である。
【０００３】
このため、リチウムイオン電池の充電では、各単電池と並列にバイパス抵抗を接続してバイパス放電を行って充電状態を揃える、つまりセルバランス動作を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、例えば、図４に示すように、単電池１にバイパス抵抗２及びスイッチング素子３が接続されており、４直列の単電池１毎にバイパス放電を行って充電を行う構成となっている。また、単電池１の電圧は差動増幅器４を用いて組電池の−端子をグランドとする電圧に変換され、変換出力はマルチプレクサ５を通じてマイコン６のＡ／Ｄコンバータ入力に接続される。マイコン６のポート出力はマルチプレクサの入力チャンネルすなわち単電池を選択すると共に、スイッチング素子３の制御出力にもなっている。マイコン６は、システム起動時に単電池１の開放電圧をマルチプレクサを制御しながら切り替えてＡ／Ｄコンバータで測定し、単電池１の開放電圧から計算される残存容量を計算し、４個の単電池の最少の残存容量との差分の容量のみスイッチング素子３を制御してバイパス放電動作を行う。
【０００４】
上述したように、単電池の電圧測定はＡ／Ｄコンバータを用いて測定するが、単電池毎にＡ／Ｄコンバータを設けることはコストの点で難しく、１個のＡ／Ｄコンバータで各単電池の電圧を測定することになる。また、組電池では単電池が直列に接続されているので、Ａ／Ｄコンバータの電源を絶縁して測定入力を切り替えない限り、Ａ／Ｄコンバータで単電池の電圧を直接高精度に測定することができないため、Ａ／Ｄコンバータのグランド端子を組電池の最下位単電池の−端子と接続し、単電池の電圧をグランド端子レベルに変換する電圧検出回路が用いられてきた（例えば、特許文献２参照）。このような電圧検出回路は、分圧回路と差動増幅回路との組み合わせで構成されている。セルバランスをとるためには、単電池の電圧をデジタル値として精度良く測定する必要があるが、例えば、実用化されている自動車用のリチウムイオン電池のモジュールでは、±５０ｍＶ程度の精度で測定している。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９２７３２号公報
【特許文献２】特開２００１−２３１１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術では、±５０ｍＶ程度の電圧検出精度を確保するためには高精度の抵抗や低オフセット電圧のオペアンプが必要なため、回路構成が複雑になると共にコスト高の要因となっていた。また、例えば、エネルギー密度が高く過充電に留意すべきリチウムイオン電池を用いた自動車用組電池等の充電制御を行うには、安全性の観点から過充電を確実に防止する必要がある。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、高精度の電圧測定回路を用いずにセルバランスをとり、過充電のときに安全確実に充電を停止できる充電制御システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、動作電圧が単電池の充電電圧に設定されたシャントレギュレータと単電池の過充電電圧を検出する過充電検出回路とが全単電池に並列接続された組電池を、前記シャントレギュレータの最大通電電流値以下の充電電流で定電流充電し、何れかの前記過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに前記充電電流を遮断することを特徴とする。
【０００９】
第１の態様では、動作電圧が単電池の充電電圧に設定されたシャントレギュレータを単電池に並列接続し、シャントレギュレータの最大通電電流値以下の充電電流で定電流充電する構成としたので、充電が進んで単電池の充電電圧に達するとシャントレギュレータに電流が流れ、単電池は全てシャントレギュレータの動作電圧に揃うため、全単電池のセルバランスをとることができると共に、過充電電圧を検出する過充電検出回路を単電池に並列接続し、何れかの過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに充電電流を遮断する構成としたので、シャントレギュレータが故障して単電池の電圧が上昇しても、充電電流の遮断により充電を終了させ単電池の過充電を防止することができるため、安全性を確保することができる。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、動作電圧が単電池の充電電圧に設定されたシャントレギュレータと単電池の過充電電圧を検出する過充電検出回路とが全単電池に並列接続された組電池を、前記シャントレギュレータの最大通電電流値以上の充電電流で定電流充電を開始し、何れかの前記シャントレギュレータの通電電流値が設定値以上になったときに充電電流の電流値を下げて定電流充電を継続し、何れかの前記過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに前記充電電流を遮断することを特徴とする。
【００１１】
第２の態様では、シャントレギュレータの最大通電電流値以上の充電電流で定電流充電を開始し、何れかのシャントレギュレータの通電電流値が設定値以上になったときに充電電流の電流値を下げて定電流充電を継続する構成としたので、シャントレギュレータの最大通電電流値が小さくてもシャントレギュレータの動作電圧となるまでは充電電流を大きくできるため、短時間で全単電池の充電ができ、かつ、単電池は全てシャントレギュレータの動作電圧に揃うため、全単電池のセルバランスをとることができると共に、過充電電圧を検出する過充電検出回路を単電池に接続し、何れかの過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに充電電流を遮断する構成としたので、シャントレギュレータが故障して単電池の電圧が上昇しても、充電電流の遮断により充電を終了させ単電池の過充電を防止することができるため、安全性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、動作電圧が単電池の充電電圧に設定されたシャントレギュレータを単電池に並列接続し、シャントレギュレータの最大通電電流値以下の充電電流で定電流充電する構成としたので、充電が進んで単電池の充電電圧に達するとシャントレギュレータに電流が流れ、単電池は全てシャントレギュレータの動作電圧に揃うため、全単電池のセルバランスをとることができると共に、過充電電圧を検出する過充電検出回路を単電池に並列接続し、何れかの過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに充電電流を遮断する構成としたので、シャントレギュレータが故障して単電池の電圧が上昇しても、充電電流の遮断により充電を終了させ単電池の過充電を防止することができるため、安全性を確保することができる、という効果を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の第２の態様によれば、シャントレギュレータの最大通電電流値以上の充電電流で定電流充電を開始し、何れかのシャントレギュレータの通電電流値が設定値以上になったときに充電電流の電流値を下げて定電流充電を継続する構成としたので、シャントレギュレータの最大通電電流値が小さくてもシャントレギュレータの動作電圧となるまでは充電電流を大きくできるため、短時間で全単電池の充電ができ、かつ、単電池は全てシャントレギュレータの動作電圧に揃うため、全単電池のセルバランスをとることができると共に、過充電電圧を検出する過充電検出回路を単電池に接続し、何れかの過充電検出回路が過充電電圧を検出したときに充電電流を遮断する構成としたので、シャントレギュレータが故障して単電池の電圧が上昇しても、充電電流の遮断により充電を終了させ単電池の過充電を防止することができるため、安全性を確保することができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明に係る充電制御システムの実施の形態について説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の充電制御システム２０は、４個の単電池１−１〜１−４（以下、これらをまとめて単電池１という。）が直列接続された組電池２の充電を制御するシステムであり、バンドギャップ型の基準電源を内蔵し単電池１の充電電圧に設定されたシャントレギュレータ７、単電池１の過充電電圧を検出する過充電電圧検出回路８及びＯＲ回路９、１０を有する充電状態検出部と、組電池２を充電するための充電器１１とで構成されている。
【００１６】
各単電池１には、シャントレギュレータ７及び過充電電圧検出回路８がそれぞれ並列に接続されている。シャントレギュレータ７は、動作時の通電電流が設定値以上になるとハイレベル信号を出力する端子を有しており、この端子がＯＲ回路９の入力側に接続されている。また、過充電電圧検出回路８は、単電池１の充電電圧より大きい過充電電圧を検出したときにハイレベル信号を出力する端子を有しており、この端子がＯＲ回路１０の入力側に接続されている。
【００１７】
図２に示すように、充電器１１は、充電用電源１２、充電用電源１２から供給される電源を定電圧定電流に変換するＤ／Ｄコンバータ等の定電圧回路１３、逆流防止用ダイオード１４、ＦＥＴ等のスイッチ１５及びマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）１６を有して構成されている。マイコン１６は、演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くＲＡＭ、２つの入力ポート（後述する過充電検出入力ポート及びシャントレギュレータ動作検出入力ポート、図１参照）、信号ラインを介してスイッチ１５に接続されハイレベル信号を出力することでスイッチ１５をオフ状態とするためのスイッチ制御ポート、信号ラインを介して定電圧回路１３に接続されハイレベル信号を出力することで定電圧回路１５の充電電流を低減させる定電圧回路制御ポートを有している。
【００１８】
図１に示すように、充電時に、組電池２の＋端子と−端子は、充電器１１の＋充電端子と−充電端子とにそれぞれ接続される。また、ＯＲ回路９、１０の出力側は、充電器１１（マイコン１６）の過充電検出入力ポート及びシャントレギュレータ動作検出入力ポートに接続される。
【００１９】
なお、本例では、単電池１に電池容量が１Ａｈのリチウムイオン電池を用い、シャントレギュレータ７には設定電圧が単電池１の充電電圧の４．２Ｖ、設定電流が０．１Ａのものを用いた。また、過充電電圧検出回路８の設定電圧を４．２５Ｖとし、充電器１１には最大充電電流が１Ａ、マイコン１６からハイレベル信号を受信する度に、充電電流を半分に下げるものを用いた。
【００２０】
次に、本実施形態の充電制御システム２０の動作についてマイコン１６のＣＰＵを主体として説明する。なお、マイコン１６に電源が投入されると、ＣＰＵは初期設定処理においてスイッチ１５がオン状態となるように信号ラインへの出力をローレベルとし、充電状態検出部が接続されるとオン状態となる図示を省略したスイッチからの信号により充電ルーチンを実行する。
【００２１】
充電状態検出部に充電器１１が接続されると、組電池２はシャントレギュレータ７の最大通電電流より大きな充電電流（１Ａ）で定電流充電が開始される。各単電池１の充電が進み、何れかの単電池１の電圧が４．２Ｖに到達すると、当該単電池１に並列接続されたシャントレギュレータ７に通電電流が流れ始め、シャントレギュレータ７の通電電流が設定電流の０．１Ａとなると、シャントレギュレータ７はＯＲ回路９の入力側にハイレベル信号を出力する。従って、ＯＲ回路９の出力は、何れかのシャントレギュレータ７の通電電流が設定電流（０．１Ａ）以上となったときに、ハイレベルとなる。ＣＰＵはシャントレギュレータ動作検出入力ポートを介してこの信号を受け、定電圧回路１３の充電電流を半分（０．５Ａ）に下げる。
【００２２】
これにより、４．２Ｖに到達した単電池１に並列接続されたシャントレギュレータの通電電流は０．１Ａ未満となる。組電池２は、半分の充電電流で定電流充電が継続され、各単電池１が更に充電される。そして、何れかのシャントレギュレータ７の通電電流が０．１Ａとなると、シャントレギュレータ７はＯＲ回路９の入力側にハイレベル信号を出力する。ＣＰＵは定電圧回路１３の充電電流を更に半分（０．２５Ａ）に下げて、定電流充電を継続する。以下、この動作が繰り返して実行されるが、充電電流がほぼ０となると、図示しないＬＥＤを点灯させ充電の終了を報知して充電ルーチンを終了する。なお、充電電流がほぼ０となったかの判断は、例えば、定電圧回路１３に出力したハイレベル信号の回数をカウントすることにより行うことができる。
【００２３】
一方、ＯＲ回路１０の入力側は過充電電圧検出回路８の出力に接続されている。このため、何れかの過充電電圧検出回路８が過充電電圧として設定された４．２５Ｖを検出すると、過充電電圧検出回路８はＯＲ回路１０の入力側にハイレベル信号を出力する。ＣＰＵはシャントレギュレータ動作検出入力ポートを介してこの信号を受け、スイッチ１５に接続された信号ラインにハイレベル信号を出力して充電ルーチンを終了する。これにより、スイッチ１５はオフ状態となり、充電器１１から組電池２へ供給されていた充電電流は遮断される。この場合、上述したＬＥＤとは異なる色のＬＥＤを点灯させ充電の強制停止を報知するようにしてもよい。
【００２４】
図３に、本実施形態の充電制御システム２０で組電池２を充電した場合の単電池１の充電電圧特性と充電器１１の電流の推移を示す。図３に示すように、単電池１の電圧が４．２Ｖに達してシャントレギュレータ７に通電電流が流れ始め、シャントレギュレータ７の通電電流が０．１Ａとなったことを検出した後に、充電電流が半分となって定電流充電が継続される動作を繰り返している。最終的には、充電器１１の充電電流値が０．１Ａ未満となって全単電池１の電圧がほぼ４．２Ｖに揃えられている。
【００２５】
本実施形態の充電制御システム２０では、シャントレギュレータ７の最大通電電流値以上の充電電流（１Ａ）で定電流充電を開始し、何れかのシャントレギュレータ７の通電電流値が設定値（０．１Ａ）以上になったときに充電器１１の充電電流の電流値を下げて定電流充電を継続するので、シャントレギュレータ７の最大通電電流値が小さくてもシャントレギュレータ７の動作電圧となるまでは充電電流を大きくできるため、短時間で全単電池１の充電ができ、かつ、単電池１は全てシャントレギュレータ７の動作電圧（４．２Ｖ）に揃うため、全単電池１のセルバランスをとることができる。
【００２６】
また、本実施形態の充電制御システム２０では、バンドギャップ型の基準電圧源を内蔵したシャントレギュレータ７を例示したが、このタイプのシャントレギュレータは比較的低コストで±１％の精度を有する。リチウムイオン電池の充電電圧は４．１〜４．２Ｖ程度であり、±１％の精度により±４０ｍＶ程度の精度が得られ、高コストを投じて確保していた従来技術の±５０ｍＶの精度に遜色するものではない。
【００２７】
更に、本実施形態の充電制御システム２０では、単電池１に過充電電圧（４．２５Ｖ）を検出する過充電電圧検出回路８が並列接続されており、何れかの過充電電圧検出回路８が過充電電圧（４．２５Ｖ）を検出したときに充電電流を遮断するので、シャントレギュレータ７が故障して単電池１の電圧が上昇しても、充電電流の遮断により充電を終了させ単電池１の過充電を防止することができる。従って、過充電に留意すべきリチウムイオン電池を用いた自動車用組電池に充電制御システム２０を用いても、安全性を確保することができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、シャントレギュレータ７の最大通電電流値以上の充電電流で定電流充電を開始する例を示したが、シャントレギュレータ７の最大電流値以下の充電電流で定電流充電するようにしてもよい。この構成では、充電が進んでシャントレギュレータ７の設定電圧に達するとシャントレギュレータ７に電流が流れて単電池１の電圧は所定の充電電圧（４．２Ｖ）に抑えられる。よって単電池１は過充電になることはなく、かつ、充電電圧はシャントレギュレータ７の動作電圧となるために、充分な充電時間が経過すれば充電電流はほとんどシャントレギュレータ７に流れて単電池１には流れなくなり、単電池１の電圧は全てシャントレギュレータ７の動作電圧に揃うことになる。従って、単電池１をシャントレギュレータ７の動作電圧の精度の電圧で充電することになる。このようにすれば、本実施形態と比較し、シャントレギュレータ７からの出力端子及びＯＲ回路９が不要となると共に、マイコン１６、定電圧回路１３の構成を簡単にすることができるので、低コスト化、小型化を図ることができる。
【００２９】
また、シャントレギュレータ７の最大通電電流はトランジスタを外付けするだけで大きくできるので、必要に応じてトランジスタを付加するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の充電制御システムは、高精度の電圧測定回路を用いずにセルバランスをとり、過充電のときに安全確実に充電を停止できるため、製造、販売等に寄与し、産業上利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の充電制御システムのブロック回路図である。
【図２】実施形態の充電制御システムの充電器の概略ブロック回路図である。
【図３】実施形態の充電制御システムの単電池の充電電圧特性と充電器の電流の推移を示す特性線図である。
【図４】従来技術の充電制御システムのブロック回路図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  単電池
２  組電池
７  シャントレギュレータ
８  過充電電圧検出回路（過充電検出回路）
２０  充電制御システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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