(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位二次電池を直列に接続して成る組電池に、各単位二次電池の電圧を検出する手段と、各単位二次電池に並列の開閉自在な分流回路とを備える充電装置を用いて充電する方法において、
各分流回路を対応する単位二次電池の検出電圧が満充電に相当する第１設定電圧を上回っている間閉成すると共に、
組電池に定電流で充電する充電工程を、何れかの単位二次電池の検出電圧が過充電にならない範囲で第１設定電圧よりも高く設定した第２設定電圧に達したときを停止時期、第２設定電圧に達した単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧に低下したときを再開時期として繰返し行い、
充電工程中に全ての単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧以上になった充電工程の回数が所定数になったところで、組電池の充電を終了する、
ことを特徴とする組電池の充電方法。
【請求項２】
前記所定数を２以上とすることを特徴とする請求項１に記載の組電池の充電方法。
【請求項３】
２回目以降の充電工程での充電電流を１回目の充電工程での充電電流よりも低くすることを特徴とする請求項２に記載の組電池の充電方法。
【請求項４】
各単位二次電池の温度を検出し、何れかの単位二次電池の検出温度が過熱設定温度以上になったとき前記充電工程を中止することを特徴とする請求項１又は２に記載の組電池の充電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の単位二次電池を直列に接続して成る組電池の充電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の組電池は、大容量出力が要求される電気自動車用の電源として用いられている。そして、最近は、小形軽量化のためエネルギー密度の高いリチウムイオン電池を単位二次電池とする組電池が用いられるようになっている。ここで、Ｎｉ−Ｃｄ電池やＮｉ−ＭＨ電池では、満充電時に電圧降下するため、過充電に対する特別の対策は不要であるが、リチウムイオン電池では満充電時に電圧降下する現象が無く、そのため、リチウムイオン電池を単位二次電池とする組電池の充電に際しては、各単位二次電池が過充電にならないように管理することが必要になる。
【０００３】
ところで、組電池では、その製造時に各単位二次電池の容量のばらつきを生じたり、種々の放電状態での使用や、経時劣化等によって個々の単位二次電池の容量のばらつきを生ずることがある。そして、各単位二次電池の容量のばらつきを生じている組電池に単純に充電すると、各単位二次電池の容量（電圧）が当初のばらつきを保ったまま上昇することになり、当初の容量が小さかった単位二次電池が満充電されたときには、当初の容量が大きかった単位二次電池が過充電になってしまう。
【０００４】
かかる不具合を解消した組電池の充電方法として、従来、特開平８−２１３０５５号公報に記載のものが知られている。このものでは、各単位二次電池の電圧を検出する手段と、各単位二次電池に並列の開閉自在な分流回路とを備える充電装置を用い、組電池を構成する全ての単位二次電池の電圧を比較して、各時点で電圧の最も低い単位二次電池を除く他の単位二次電池の分流回路を閉成することにより当該他の単位二次電池に流れる充電電流を減少させながら、各単位二次電池の検出電圧が略満充電電圧に達するまで定電流充電を行い、その後単位二次電池の満充電電圧に単位二次電池の個数を乗算した組電池の満充電電圧に相当する電圧で定電圧充電を行うようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のものでは、定電流充電時に電圧の最も低い単位二次電池の電圧上昇速度が他の単位二次電池の電圧上昇速度より大きくなって、単位二次電池相互の電圧のばらつきが減少するが、電気自動車用の組電池の単位二次電池の個数は数１０個となって、電圧の最も低い単位二次電池以外の他の単位二次電池の電圧も個々の単位二次電池でばらつくため、全ての単位二次電池の電圧を均等化するには、各単位二次電池の分流回路に分流する電流を電圧の最も低い単位二次電池と他の各単位二次電池との電圧差に応じて細かく制御することが必要になり、そのため制御系が複雑になってコストが高くなる。
【０００６】
また、全ての単位二次電池の電圧を均等化するといっても多少のばらつきは残る。そして、定電圧充電では、電圧が満充電電圧より低い単位二次電池が有ると、何れかの単位二次電池の電圧が満充電電圧よりも高くなるため、単位二次電池の過充電を生ずる可能性がある。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、全ての単位二次電池に均等に満充電し得るようにし、且つ、過充電も確実に防止できるようにした低コストの充電方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、本発明は、複数の単位二次電池を直列に接続して成る組電池に、各単位二次電池の電圧を検出する手段と、各単位二次電池に並列の開閉自在な分流回路とを備える充電装置を用いて充電する方法において、各分流回路を対応する単位二次電池の検出電圧が満充電に相当する第１設定電圧を上回っている間閉成すると共に、組電池に定電流で充電する充電工程を、何れかの単位二次電池の検出電圧が過充電にならない範囲で第１設定電圧よりも高く設定した第２設定電圧に達したときを停止時期、第２設定電圧に達した単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧に低下したときを再開時期として繰返し行い、充電工程中に全ての単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧以上になった充電工程の回数が所定数になったところで、組電池の充電を終了するようにしている。
【０００９】
本発明によれば、充電工程中に何れかの単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧を上回ると、当該単位二次電池に流れていた充電電流の一部が分流回路に分流され、電圧上昇速度が他の単位二次電池に比し低下して、単位二次電池相互の電圧差が次第に減少する。また、何れかの単位二次電池の検出電圧が第２設定電圧に達して充電工程が停止されると、当該単位二次電池の電圧が分流回路を介しての放電で低下し、この電圧が第１設定電圧まで低下したところで充電工程が再開される。そして、充電工程を繰返すことにより、何回目かの充電工程中に全ての単位二次電池が第１設定電圧以上に充電され、この充電工程の停止後、各単位二次電池を各分流回路を介して電圧が第１設定電圧に低下するまで放電することにより、全ての単位二次電池が第１設定電圧で均等に満充電された状態になる。また、充電工程は何れかの単位二次電池の検出電圧が第２設定電圧に達したところで停止されるから、何れの単位二次電池も過充電されることはない。
【００１０】
ところで、単位二次電池の検出電圧は、単位二次電池の内部抵抗に単位二次電池に流れる充電電流を乗算した内部抵抗分の電圧を電池本来の電圧に上乗せした値になる。そして、何回目かの充電工程中に初めて全ての単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧以上になった場合には、検出電圧が第１設定電圧ぎりぎりの単位二次電池が存在して、充電工程の停止後の内部抵抗分の電圧降下により検出電圧が第１設定電圧を下回ってしまうことがある。一方、その次の充電工程では全ての単位二次電池の検出電圧が余裕を持って第１設定電圧を上回るようになり、充電工程の停止後に検出電圧が第１設定電圧を下回るような単位二次電池は存在しなくなる。従って、充電工程中に全ての単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧以上になった充電工程の回数が２以上になったところで、組電池の充電を終了することが望ましい。また、充電時間を短くするには、充電電流を高くすべきであるが、これでは単位二次電池の検出電圧に含まれる内部抵抗分の電圧による誤差が大きくなる。この場合、２回目以降の充電工程での充電電流を１回目の充電工程での充電電流よりも低くすれば、全ての単位二次電池の検出電圧が第１設定電圧以上になった充電工程の数が２以上になったとき、その充電工程では必ず充電電流が低くなっており、そのため、内部抵抗分の電圧による検出誤差が小さくなり、組電池の充電完了時期を適正に判別できる。
【００１１】
また、単位二次電池の異常で充電中にその発火や破損を生ずることを防止するため、各単位二次電池の温度を検出し、何れかの単位二次電池の検出温度が過熱設定温度以上になったとき前記充電工程を中止することが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、リチウムイオン電池から成る単位二次電池１の複数個を直列に接続して構成した組電池２に充電する充電装置を示している。尚、図１では図面簡略化のため単位二次電池１を３個しか示していないが、実際には数１０個の単位二次電池１を直列接続して組電池２を構成する。
【００１３】
充電装置は、組電池２に接続される充電器３と、組電池２の各単位二次電池１に並列に接続される複数の分流回路４と、各単位二次電池１の電圧Ｖｅを検出する複数の電圧検出器５と、各単位二次電池１の温度Ｔを検出する複数の温度検出器６と、組電池２に流れる電流Ｉを検出する電流検出器７と、コントローラ８とで構成されている。
【００１４】
充電器３は、比較的高い電流Ｉａ（例えば１．０Ｃ相当電流）を発生する高電流発生部３０と、比較的低い電流Ｉｂ（例えば０．２Ｃ相当電流）を発生する低電流発生部３１と、高電流発生部３０と低電流発生部３１とを切替える、コントローラ８で制御される切替部３２と、充電とその停止とを行う、コントローラ８で制御される充電スイッチ３３とを備えている。また、各分流回路４には、所定の抵抗値（例えば３４Ω）の抵抗器４０と、コントローラ８で制御される分流スイッチ４１とが直列に介入されている。コントローラ８には、各電圧検出器５と各温度検出器６と電流検出器７とからの信号が入力されており、これら信号に基づいて切替部３２と充電スイッチ３３と分流スイッチ４１とを制御する。
【００１５】
この制御の詳細は図２に示す通りであり、先ず、Ｓ１のステップで切替部３２を高電流発生部３０側に切替えて充電スイッチ３３をオンすることにより高電流Ｉａでの定電流充電を開始する。次に、異常診断のためのＳ２のステップに進み、全ての単位二次電池１の検出温度Ｔが過熱設定温度ＹＴ未満であるか否かを判別すると共に、電流検出器７で検出した充電電流Ｉが規格値ＹＩ内であるか否かを判別し、何れかの単位二次電池１の検出温度ＴがＴ≧ＹＴになったときや、Ｉ＞ＹＩになったときは、Ｓ３のステップでアラーム信号を出力して充電を中止する。
【００１６】
異常がなければ、Ｓ４のステップに進み、各電圧検出器５で検出した各単位二次電池１の検出電圧Ｖｅと満充電に相当する第１設定電圧ＹＶ１（例えば、４．１２Ｖ）とを比較して、Ｖｅ＞ＹＶ１になった単位二次電池１が有るか否かを判別し、Ｖｅ＞ＹＶ１の単位二次電池１が有れば、Ｓ５のステップでこの単位二次電池１に並列の分流回路４をこれに介入した分流スイッチ４１をオンして閉成する。これによれば、充電電流の一部が分流回路４に分流されて、Ｖｅ＞ＹＶ１の単位二次電池２の電圧上昇速度が他の単位二次電池２の電圧上昇速度に比して低くなり、単位二次電池２相互の電圧（容量）のばらつきが減少する。
【００１７】
次に、Ｓ６のステップに進み、過充電にならない範囲で第１設定電圧ＹＶ１より高く設定した第２設定電圧ＹＶ２（例えば４．２Ｖ）と各単位二次電池１の検出電圧Ｖｅとを比較して、ＶｅがＹＶ２に到達した単位二次電池１が有るか否かを判別し、このような単位二次電池１が有れば、Ｓ７のステップで全ての単位二次電池１の検出電圧Ｖｅが第１設定電圧ＹＶ１以上になっているか否かを判別し、判別結果が「ＮＯ」であれば、Ｓ８のステップで充電スイッチ３３をオフして充電を停止する。ここで、充電停止後もＶｅ＞ＹＶ１の単位二次電池１に並列の分流回路４の分流スイッチ４１はオンされており、分流回路４を介しての単位二次電池１の放電でＶｅは徐々に低下する。そして、Ｓ９のステップでＶｅがＹＶ１に低下したと判別されたとき、Ｓ１０のステップで分流スイッチ４１をオフして放電を停止する。
【００１８】
また、充電停止後、Ｓ１１のステップでＶｅがＹＶ２に到着した単位二次電池１のＶｅがＹＶ１に低下したと判別されたとき、Ｓ１２のステップで切替部３２を低電流発生部３１側に切替えると共に充電スイッチ３３をオンすることにより低電流Ｉｂでの定電流充電を開始し、Ｓ２以下のステップに戻って上記と同様の制御を行う。かくて、何れかの単位二次電池１のＶｅがＹＶ２に達したときを停止時期、ＶｅがＹＶ２に達した単位二次電池１のＶｅがＹＶ１に低下したときを再開時期として、組電池２に定電流で充電する充電工程が繰返し行われる。そして、１回目の充電工程では、充電時間を短くするため、高電流Ｉａでの充電が行われるが、２回目以降の充電工程では低電流Ｉｂでの充電が行われ、単位二次電池１の検出電圧Ｖｅに含まれる内部抵抗分の電圧（＝内部抵抗×充電電流）による検出誤差が小さくなる。
【００１９】
上記の如く充電工程を繰返すと、単位二次電池１相互の電圧差（容量差）が次第に減少し、何回目かの充電工程中に全ての単位二次電池１のＶｅがＹＶ１以上になって、Ｓ７のステップで「ＹＥＳ」と判定される。このときは、Ｓ１３のステップでフラグＦが「１」にセットされているか否かを判別する。フラグＦは当初「０」にリセットされており、Ｓ７のステップでの判定結果が初めて「ＹＥＳ」になったときは、Ｓ１３のステップで「ＮＯ」と判定され、この場合はＳ１４のステップでフラグＦを「１」にセットしてからＳ８のステップに戻る。そして、次の充電工程中に再び全ての単位二次電池１のＶｅがＹＶ１以上になって、Ｓ７のステップからＳ１３のステップに進むと、Ｆ＝１と判別される。このときは、Ｓ１５のステップに進んで充電スイッチ３３をオフすると共に、Ｓ１６のステップで各単位二次電池１のＶｅがＹＶ１に低下したか否かを判別し、Ｓ１７のステップでＶｅがＹＶ１に低下した単位二次電池１に並列の分流回路４の分流スイッチ４１をオフし、全ての分流スイッチ４１がオフされたときに組電池の充電作業を完了する。
【００２０】
かくて、充電工程中に全ての単位二次電池１のＶｅがＹＶ１以上になった充電工程の回数が２になったところで、組電池２の充電が終了する。ここで、充電工程中に初めて全ての単位二次電池１のＶｅがＹＶ１以上になった場合には、ＶｅがＹＶ１ぎりぎりの単位二次電池１が存在して、充電工程の停止後の単位二次電池１の内部抵抗分の電圧降下によりＶｅがＹＶ１を下回ってしまうことがあるが、次の充電工程中に再び全ての単位二次電池１のＶｅがＹＶ１以上になった場合は、全ての単位二次電池１のＶｅが余裕を持ってＹＶ１を上回り、また、Ｖｅに含まれる単位二次電池１の内部抵抗分の電圧誤差が低電流Ｉｂでの充電で小さくなるため、充電工程の停止でＶｅがＹＶ１を下回ってしまうようなことはない。そして、充電工程停止後、ＶｅがＹＶ１に低下するまで各分流回路４を介して各単位二次電池１の放電を行うことにより、全ての単位二次電池１がＹＶ１の電圧で均等に満充電された状態になる。
【００２１】
また、充電工程は何れかの単位二次電池１のＶｅがＹＶ２に達したところで停止されるから、何れの単位二次電池１も過充電されることはない。更に、各分流回路４についての制御は、各単位二次電池１のＶｅとＹＶ１との比較による分流スイッチ４１のオンオフ制御を行うだけで良く、各単位二次電池の電圧と最低電圧の単位二次電池の電圧との偏差に応じた分流電流の制御が必要となる従来例のものに比し、制御が簡単になる。
【００２２】
尚、上記実施形態では、充電工程中に全ての単位二次電池１のＶｅがＹＶ１以上になった充電工程の回数が２になったところで、組電池の充電を終了するようにしたが、この回数は２に限るものではなく、例えば３或いはその以上に設定しても良い。但し、この回数を３以上に設定すると、充電終了までにかかる時間が長くなるため、この回数は２に設定することが望ましい。また、本発明は、リチウムイオン電池以外の電池を単位二次電池とする組電池の充電にも適用できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、全ての単位二次電池を均等に満充電できると共に、過充電も確実に防止でき、更に、制御も簡単でコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法の実施に用いる充電装置の一例を示すブロック回路図
【図２】  組電池の充電制御プログラムを示すフローチャート
【符号の説明】
１  単位二次電池          ２  組電池
３  充電器              ３０  高電流発生部
３１  低電流発生部        ３２  切替部
３３  充電スイッチ          ４  分流回路
４１  分流スイッチ          ５  電圧検出器
６  温度検出器            ８  コントローラ
【図１】
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【図２】
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