(57)【要約】【課題】電池セルの電圧測定を行う電圧調整回路５側に流れる電流を少なくし、電圧調整回路が小型化された電池充電装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の電池充電装置は、複数の電池セルが直列に接続されて構成されている組電池と、前記電池セル毎に並列に接続され、電池セルのセル電圧を測定し、またバイパス状態において、この電池セルに充電電流を流さずバイパスさせる電圧調整回路と、前記組電池に流れる電流を測定する電流センサと、前記各電池セルのセル電圧の加算値が所定の電圧値となり、かつ前記電流センサの測定する電流が所定の電流値となったことを検出すると、所定の電池セルに対応した電圧調整回路をバイパス状態とし、この電池セルに充電電流が流れないようにする制御部とを有する。【選択図】  図１
2005020866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが直列に接続されて構成されている組電池と、
前記電池セル毎に並列に接続され、電池セルのセル電圧を測定し、またバイパス状態において、この電池セルに充電電流を流さずバイパスさせる電圧調整回路と、
前記組電池に流れる電流を測定する電流センサと、
前記各電池セルのセル電圧の加算値が所定の電圧値となり、かつ前記電流センサの測定する電流が所定の電流値となったことを検出すると、所定の電池セルに対応した電圧調整回路をバイパス状態とし、この電池セルに充電電流が流れないようにする制御部と
を有することを特徴とする電池充電装置。
【請求項２】
前記制御部が、充電完了電圧に達した電池セルを、前記電圧調整回路の測定したセル電圧により検出することを特徴とする請求項１記載の電池充電装置。
【請求項３】
前記制御部が、各電池セルのセル電圧の加算値が所定の電圧値となり、かつ前記電流センサの測定する電流が所定の電流値となったことを検出すると、充電完了電圧に達した電池セルに対応する前記電圧調整回路をバイパス状態とする請求項１または請求項２に記載の電池充電装置。
【請求項４】
前記所定の電圧値が前記充電完了電圧に対して、直列に接続されている電池セルの数を乗じたものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電池充電装置。
【請求項５】
前記組電池の電池セルに対して充電電流を供給する電源との間に、この電源と組電池とを切り離す電池切り離しスイッチが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電池充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列接続された複数の電池に対して充電を行う電池充電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯機器の電源や通信用電源のバックアップ用として、現在、多種多様の電池が数多く使用されている。
そして、二次電池、すなわち繰り返し充放電可能な電池は、新たな用途に適合する様に電池の特性改善や新型電池の開発検討が進められている。開発した電池が本来の性能を発揮するためには、使用環境条件，充電条件及び放電条件などの適正な制御が必要である。
特に、充電条件は、放電後の電池にダメージを与えずに、元の容量まで、如何に回復させるかが課題である。
このため、充電完了時の検出方法，過充電時の対策などを含めて、電池の種類および用途別にそれぞれ適した充電方法の検討が行われている（特許文献１）。
【０００３】
ここで、電池を直列接続して放電または充電を行う場合、全ての電池の容量あるいは内部抵抗が常に同じであればバランス良く放電及び充電できる。
しかしながら、実際には、電池の容量あるいは内部抵抗には若干のバラツキが存在する。
さらに、初期において同じ内部抵抗であったとしてもトリクル充電又はフロート充電により、時間が経過していくと電池の内部特性が変化し、電池の容量も変化する。その結果、各電池のバランスが崩れ、セル電圧にバラツキが生じ、電池の寿命や性能を低下させることになる。
【０００４】
そのため、従来、電池セル（組電池１を構成する電池単位）１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，…，１ｎ毎の、セル電圧のバラツキを抑制するために、図５に示すようなシャントレギュレータを用いた電圧調整回路５を各電池セル毎に並列に取付けている。
この電圧調整回路５は、充電時において、各電池セル毎にセル電圧の監視を行い、端子電圧が充電完了電圧になった際に、バイパス状態として充電電流を対応する電池セルに流さずにバイパスさせることにより、今以上の充電処理を行わずに、各セルの端子電圧の上昇を抑えるものである。
【０００５】
この電圧調整回路５の動作を図６に示す。
図６は定電流定電圧充電時の充電特性であり、充電によって、いずれか一つのセルが充電完了電圧に到達すると、その電池に並列に接続されている電圧調整回路５がこれを検知する。図６において、横軸が時間であり、縦軸が充電電流である。
【０００６】
これにより、電圧調整回路５は、バイパス状態となった場合、対応する電池セルに充電電流を流さずにバイパスさせる。
そして、その他の電池が充電完了電圧に到達すると、その電池の電圧調整回路５がこれを検知し、バイパス状態となり、これ以上の充電が行われないようにし、セル電圧の上昇を抑え、セル間の端子電圧のアンバランスも解消して、充電処理を行うものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１８７５８８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の充電回路においては、各セルに単純に電圧調整回路５を設け、セル電圧の検出によって、対応する電池セルに対して充電電流をバイパスさせる方式を用いている。
ここで、ＣＣＣＶ（定電流−定電圧充電）充電において、組電池１全体の電圧が所定の電圧（充電器の充電モードが、定電流から定電圧モードに切り換わる電圧）に到達する時点の近辺から、バイパス回路１０によるバイパス動作が開始される。
【０００９】
この結果、上記従来の電池充電装置において、充電モードが切り換わる時間近辺の大きな電流が電圧調整回路５側に流れることになる。
そのため、この電池充電装置には、発熱を防ぐのに大きな放熱器が必要となるため、電圧調整回路の大型化という大きな問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、上記電圧調整回路５側に流れる電流を少なくし、余分な回路を付加する必要を無くして、電圧調整回路５が小型化され、全体に小型の電池充電装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電池充電装置は、複数の電池セルが直列に接続されて構成されている組電池と、前記電池セル毎に並列に接続され、電池セルのセル電圧を測定し、またバイパス状態において、この電池セルに充電電流を流さずバイパスさせる電圧調整回路と、前記組電池に流れる電流を測定する電流センサと、前記各電池セルのセル電圧の加算値が所定の電圧値となり、かつ前記電流センサの測定する電流が所定の電流値となったことを検出すると、所定の電池セルに対応した電圧調整回路をバイパス状態とし、この電池セルに充電電流が流れないようにする制御部とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の電池充電装置は、前記制御部が、充電完了電圧に達した電池セルを、前記電圧調整回路の測定したセル電圧により検出することを特徴とする。
【００１２】
本発明の電池充電装置は、前記制御部が、各電池セルのセル電圧の加算値が所定の電圧値となり、かつ前記電流センサの測定する電流が所定の電流値となったことを検出すると、充電完了電圧に達した電池セルに対応する前記電圧調整回路をバイパス状態とすることを特徴とする。
【００１３】
本発明の電池充電装置は、前記所定の電圧値が前記充電完了電圧に対して、直列に接続されている電池セルの数を乗じたものであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の電池充電装置は、前記組電池の電池セルに対して充電電流を供給する電源との間に、この電源と組電池とを切り離す電池切り離しスイッチが設けられていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、直列接続された電池セルの電圧調整回路５に関するものであり、回復充電時の充電電流をモニターして、充電電流をバイパスさせる大きさを０．０５〜０．１ＣＡにすることにより、電圧調整回路５側に流れる電流を小さくし、電圧調整回路５の小型化を実現するものである。
以下、本発明の一実施形態による電池充電装置を図面を参照して説明する。
【００１６】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態による電池充電装置の一構成例を示したブロック図である。
図１に示すように、組電池１は、停電時に無瞬断で負荷４に電力を供給できるように直列接続された複数個の二次電池（電池セル）１ａ〜１ｎにより構成されている。
各２次電池１ａ〜１ｎには、並列に、電圧調整回路５が接続されている。
電圧調整回路５は、バイパス状態において、接続されている二次電池に充電電流が流れないように他の二次電池への充電電流をバイパスして確保し、一方、非パイパス状態において、接続されている二次電池に、充電電流が流れるようにする。
【００１７】
また、電圧調整回路５は、シャントレギュレータを用いて構成され、各二次電池毎に設けられており、各二次電池毎の端子電圧を測定し、測定した端子電圧値を制御部３へ出力する。
直流電源部２は、組電池１の直列に接続された二次電池１ａ〜１ｎを充電するための充電手段であり、かつ、負荷４に直流電源を供給する。
【００１８】
電流センサ８は、直流電源部２からの組電池１に対する充電電流を測定するため、直流電源部２と組電池１との間に介挿されており、測定した充電電流の電流値を、制御部３に出力する。
電池切離しスイッチ７は、組電池１と直流電源部２とを接続とするか、非接続とするか、すなわち、オン状態のとき、組電池１と直流電源２（及び負荷４）とを接続し、オフ状態のとき、組電池１と直流電源２（及び負荷４）とを切り離した状態とする。
【００１９】
ここで、制御部３は、各電池セルを対応する電圧調整回路５からの電圧値により監視し、任意の電池セルがあらかじめ設定された過充電検出電圧または過放電検出電圧に到達した場合、電池セルの性能を劣化させ、組電池１の機能を損ねるので、電池組電池１全体の充電または放電を停止させるため、上記電池切離しスイッチ７を、オン状態からオフ状態へ遷移させる。
【００２０】
次に、図２を用いて、直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池から構成された組電池１を充電する場合を一つの例として、本発明による充電装置の動作例を説明する。図２は、本発明の二次電池の組電池充電時の電圧、電流特性を示す図であり、横軸が時間を示し、縦軸が充電電流を示している。
図２に示すように、例えば、充電が定電流―定電圧制御（ＣＣＣＶ）により行われているとする。
このとき、制御部３は、各電池セル（１ａ〜１ｎ）の電圧調整回路５からの電圧値（Ｖ１ａ〜Ｖ１ｎ）により、いずれか一つの電池セル（例えば、電池セル１ｎ）が充電完了電圧（図２では例として４．１Ｖ）に到達しても（時刻ｔ１）、電圧調整回路５を非バイパス状態のままとし、バイパス状態とする制御を行わない（充電電流の定電流制御が継続される）。
【００２１】
そして、時刻ｔ２において、組電池１の全体の電圧値、すなわち、単セル当たりの充電完了電圧を４．１Ｖとするとｎ個直列接続された組電池の充電完了電圧がｎ×４．１Ｖに達すると、定電圧充電に移行される。
制御部３は、電圧調整回路５から組電池１の各電池セル（１ａ〜１ｎ）の電圧値を加算して、加算結果（総電圧）が予め設定された所定の電圧値であるｎ×４．１Ｖ以上か否かの検出を行う。
【００２２】
この結果、制御部３は、加算結果が所定の電圧値以上であることを検出すると、定電流充電から定電圧充電へと、充電方法を遷移させる。
すなわち、制御部３は、単位電池セル当たりの充電完了電圧を４．１Ｖとすると、ｎ個直列接続された組電池の充電完了電圧がｎ×４．１Ｖになるまで定電流充電を行い、組電池１の所定の電圧値であるｎ×４．１Ｖに到達後、定電圧充電に移行する。
【００２３】
ここで、各電池セルの内部特性により、蓄電の容量及び蓄電の速度にアンバランスが生じるため、電池セル毎の電圧にバラツキが生じる恐れがある。
そこで、本発明の電池充電装置においては、電流センサ８でモニターした充電電流が、所定の電流値、例えば０．１ＣＡ以下に減衰した時に、充電完了電圧に到達した電池セルに対応する電圧調整回路５を動作させる。
ここで、所定の電流値は、電圧調整回路５に流れて発熱しても、十分放熱できる規格の電流値として設定する。
【００２４】
すなわち、時刻ｔ３において、制御部３は、所定の電流値以下となったことを検出すると、充電完了電圧に到達した電池セルを検出して、この検出された電池セルに対応する電圧調整回路５をバイパス状態とし、充電完了電圧に達した電池セルに対して、充電電流をバイパスさせる。
【００２５】
そして、この動作により、充電完了電圧４．１Ｖよりも端子電圧が大きくなった電池セル（例として、電池セル１ｎが４．１２Ｖであると）は、一種の放電により、時間の経過とともに充電完了電圧４．１Ｖになる。
さらに、その他の充電完了電圧（４．１Ｖ）に到達していない電池セルについては、充電に必要な定電流をそのまま流すことができ、充電の進行に全く影響させることなく、充電完了電圧（４．１Ｖ）に到達させることができる。
【００２６】
したがって、本発明の電池充電装置によれば、直列接続された複数個の二次電池の充電において、充電電流をモニターしながら、電圧調整回路５にバイパスする電流を小さくすることにより、電圧調整回路に大電流が流れ込むことが無くなり、特別な回路を負荷する必要がなくなるため、安価で小型の電圧調整回路５を容易に実現できる。
また、本発明の電池充電装置によれば、定電流モードから定電圧モードへ移行させる所定の電圧値と、電圧調整回路５をバイパス状態とする所定の電流値との調整を行うだけで、どのような二次電池にも適用できる。
【００２７】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態を図３を用いて説明する。図３は第２の実施形態の構成例を示すブロック図である。
第１の実施形態と同様な構成については、同一の符号を付してこの構成の説明を省略する。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、組電池１の充電を直流電源部２で行わずに、充電専用の電池専用充電装置により行うことである。
【００２８】
このため、電池切離しスイッチ７は、過放電検出電圧に到達したときのみオフ状態となり、組電池１と、直流電源部２（及び負荷４）とを切り離す。
また、電池専用充電装置２０の電圧値が、直流電源部２の電圧値より低下したとき、直流電源部２から電池専用充電装置２０に電流が流れ込まないように、電池専用充電装置２０から直流電源部２を電流の順方向としてダイオードが設けられている。
他の構成は第１の実施形態と同様であり、充電における動作も同様であるため説明を省略する。
【００２９】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態を図４を用いて説明する。図４は第３の実施形態の構成例を示すブロック図である。
第１の実施形態と同様な構成については、同一の符号を付してこの構成の説明を省略する。
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、負荷が交流電圧により駆動されている点である。
【００３０】
このため、交流電源部１００（及び負荷４）と、電池切離しスイッチ７との間にはＤＣ／ＡＣインバータ５０が介挿されている。
また、組電池１への充電は、第２の実施形態と同様に、電池専用充電装置２０が用いられている。
他の構成は第１の実施形態と同様であり、充電における動作も同様であるため説明を省略する。
【００３１】
また、図５における制御部３を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより施工管理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可般媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合に、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【００３２】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による電池充電装置によれば、直列接続された複数個の二次電池の充電において、充電電流をモニターしながら、電圧調整回路にバイパスする電流を小さくすることにより、安価で小型の電圧調整回路を容易に実現できる。
また、本発明による電池充電装置によれば、定電流充電から定電圧充電へ移行させる所定の電圧値と、電圧調整回路をバイパス状態とする所定の電流値との調整を行うだけで、どのような二次電池にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の直列接続された電池の電圧調整回路の一例を示すブロック図である。
【図２】本発明による電池充電装置の二次電池の組電池充電時の電圧、電流特性を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の直列接続された電池の電圧調整回路の一例を示すブロック図である（負荷４と組電池１との電源供給に別々の直流電源を適用）。
【図４】本発明の第３の実施形態の直列接続された電池の電圧調整回路の一例を示すブロック図である（トリクル充電で維持されるバックアップ電池に適用）。
【図５】従来例により直列接続された電池の電圧調整回路を示すブロック図である。
【図６】従来の二次電池の組電池充電時の電圧、電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１…二次電池の組電池
１ａ〜１ｎ…二次電池
２…直流電源部
３…制御部
４…負荷
５…電圧調整回路
６…通信ケーブル
７…電池切離しスイッチ
８…電流センサ
２０…電池専用充電装置
【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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