(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流負荷に電力を供給する直流電源の出力に、前記直流負荷と並列に、複数のリチウムイオン二次電池が直列接続されてなる組電池が接続されて使用される前記各リチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電装置であって、
前記組電池の端子間に接続され、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池に充電電流を流して充電を行う充電手段と、
該充電手段の前記直流電源の正極性端子側と、前記直流電源の正極性端子側との間に、該直流負荷及び直流電源に対して前記組電池及び前記充電手段からの放電を許容する極性となるように接続されるダイオードと、
前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間毎に接続され、入力される制御信号に基づいて該接続されたリチウムイオン二次電池の端子間を短絡するバイパス手段と、
前記電圧検出手段の検出出力を取り込み、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池のうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡するように前記バイパス手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電装置。
【請求項２】
前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池を充電し、かつ前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出すると共に、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池のうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡して充電電流をバイパスし、前記組電池を構成する全てのリチウムイオン二次電池が充電完了電圧に達した後に前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池に対してトリクル充電を行うことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池の充電装置。
【請求項３】
前記バイパス手段は、
前記リチウムイオン二次電池に直列に接続され、ダイオードと第１のスイッチ素子とが並列接続された回路と、
該回路及び前記リチウムイオン二次電池の直列接続に対して並列に接続された第２のスイッチ素子と
から構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリチウムイオン二次電池の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個のリチウムイオン二次電池が直列状態に接続された組電池において各単電池の充電をバランス良く実行させるリチウムイオン二次電池の充電方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に携帯電話機やコードレス電話機などの移動無線通信機をはじめ、ビデオカメラやノート型パソコンなどでは、体積エネルギー密度および重量エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池が多く使われている。このリチウムイオン二次電池は、通常、単セル（単電池）を複数個、直列接続して上記の電子機器の電源として使用される。
【０００３】
従来、リチウムイオン二次電他の充電は、単セル当たり４．１Ｖまたは４．２Ｖという一定値に充電電圧を設定し、電池電圧がこれらの充電完了電圧に到達するまでは一定電流値で充電し、充電完了電圧に達した以後は、定電圧充電に移行する定電流・定電圧充電方式が採用されている。
一方、直列接続されたリチウムイオン二次電池の充電は、例えば単セル当たりの充電完了電圧を４．１Ｖとするとセルがｎ個、直列接続された組電池はｎ×４．１Ｖになるまで定電流充電をすることになる（図３参照）。
【０００４】
しかし、上述した定電流・定電圧充電方式では、各セルの端子電圧を個別に監視していないので、充電時に各セルの端子電圧にばらつきがあると、任意のセルが充電完了電圧に達しても他の電池が充電完了電圧に達していないために充電が継続して行われ、一番初めに充電完了電圧に到達したセルは過充電になってしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池をトリクル充電方式で使用する場合、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ばらつきが存在する。更に、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、電池の容量および内部抵抗も変化する。その結果、各電池のバランスが崩れ、特定の電池が過充電状態になることもある。
【０００６】
一方、他の電池は満充電に達しない状態で充電が終わってしまうので、電池の保有している能力を十分に取り出すことができなくなる。このように従来の充電方式では、各電池を確実に満充電状態まで充電することができない場合がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池についてトリクル充電方式で待機している組電池の充電を、安価かつ効率的に行うことを可能とするリチウムイオン二次電池の充電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、直流負荷に電力を供給する直流電源の出力に、前記直流負荷と並列に、複数のリチウムイオン二次電池が直列接続されてなる組電池が接続されて使用される前記各リチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電方法であって、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池を充電し、かつ前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出すると共に、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池のうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡して充電電流をバイパスし、前記組電池を構成する全てのリチウムイオン二次電池が充電完了電圧に達した後に前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池に対してトリクル充電を行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、直流負荷に電力を供給する直流電源の出力に、前記直流負荷と並列に、複数のリチウムイオン二次電池が直列接続されてなる組電池が接続されて使用される前記各リチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電装置であって、前記組電池の端子間に接続され前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池を充電する充電手段と、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間に接続され、入力される制御信号に基づいて該接続されたリチウムイオン二次電池の端子間を短絡するバイパス手段と、前記電圧検出手段の検出出力を取り込み、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池のうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡するように前記バイパス手段を制御する制御手段と、前記組電池の正極性端子側と、直流負荷及び直流電源との間に、該直流負荷及び直流電源に対して前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の放電を許容する極性となるように接続されるダイオードとを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池の充電装置において、前記制御手段は、前記組電池を構成する全てのリチウムイオン二次電池が充電完了電圧に達した後に前記バイパス手段を非動作状態にすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置の構成を図１に示す。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置は、直流負荷に電力を供給する直流電源の出力に、前記直流負荷と並列に、複数のリチウムイオン二次電池が直列接続されてなる組電池が接続されて使用される前記各リチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電方法であって、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池を充電し、かつ前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出すると共に、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池のうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡して充電電流をバイパスし、前記組電池を構成する全てのリチウムイオン二次電池が充電完了電圧に達した後に前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池に対してトリクル充電を行うことを特徴とするリチウムイオン二次電池の充電方法を実施するための装置である。
【００１１】
図１において、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置は、直流負荷２に電力を供給する直流電源３の出力に、直流負荷２と並列に、複数のリチウムイオン二次電池（セル）１−１、１−２、１−３、…、１−ｎが直列接続されてなる組電池が接続されて使用される各リチウムイオン二次電池の充電を行うリチウムイオン二次電池の充電装置である。
【００１２】
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置は、上記組電池の端子間に接続され上記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎを充電するリチウムイオン二次電池専用充電器（以下、単に充電器と記す。）５と、各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎの端子間電圧を検出する電圧プローブ６−１、６−２、６−３、…、６−ｎと、各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎの端子間に接続され、入力される制御信号に基づいて該接続されたリチウムイオン二次電池の端子間を短絡するバイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎと、電圧プローブ６−１、６−２、６−３、…、６−ｎの検出出力を取り込み、各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎのうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡するようにバイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎを制御する制御部７と、上記組電池の正極性端子側と、直流負荷２及び直流電源３との間に、該直流負荷２及び直流電源３に対して上記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎの放電を許容する極性となるように接続されるダイオード１０とを有している。
【００１３】
また、各バイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎは、各リチウムイオン二次電池の両端間に接続される第１のＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）と第２のＩＧＢＴとの直列回路と、第１のＩＧＢＴのエミッタ−コレクタ間に図１に示す極性で接続されるダイオードとから構成されている。例えば、バイパス回路４−１は、ＩＧＢＴ：Ｐ１とＩＧＢＴ：Ｑ１の直列回路と、ＩＧＢＴ：Ｐ１のエミッタ−コレクタ間に接続されるダイオードＤ１とからなる。
ここで、リチウムイオン二次電池１−１の正極にはＩＧＢＴ：Ｐ１のコレクタが接続され、ＩＧＢＴ：Ｐ１のエミッタはＩＧＢＴ：Ｑ１のコレクタに、ＩＧＢＴ：Ｑ１のエミッタはリチウムイオン二次電池１−１の負極に、それぞれ接続されている。
【００１４】
直流電源３は交流の商用電力（図では省略）を直流電力に変換して直流負荷２に供給している。
一方、停電時に無瞬断で直流負荷２に電力を供給できるように直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎからなる組電池が、バイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎ、ダイオード１０を介して直流負荷２の両端間に接続されている。
【００１５】
また、各セル（リチウムイオン二次電池）の端子電圧を検出する電圧プローブ６−１、６−２、６−３、…、６−ｎが制御部７に接続されている。
さらに、制御部７はバイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎに対して充電電流のバイパスの実行、または停止を指示する制御信号を供給するためのＩＧＢＴ制御線８−１、８−２、８−３、…、８−ｎを介してバイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎに接続されており、制御部７は充電制御を行うための制御信号を出力する充電制御線９を介して充電器５に接続されている。
【００１６】
制御部７は、電圧プローブ６−１、６−２、６−３、…、６−ｎの検出出力を取り込み、各リチウムイオン二次電池のいずれかの電池電圧、すなわち端子間電圧が予め設定した状態を検出すると、該検出されたリチウムイオン二次電池に対応するＩＧＢＴ制御線８−１、８−２、８−３、…、８−ｎのいずれかを介して充電電流をバイパスさせるための制御信号を出力し、該当するバイパス回路４（４−１、４−２、４−３、…、４−ｎのいずれか）のＩＧＢＴを動作させ充電完了電圧に達したに対する充電電流をバイパスさせる機能を有している。
【００１７】
次に、上記構成からなる本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置の動作を図２及び図５を参照して説明する。
放電が終了した組電池の充電は、制御部７の制御下にバイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎにおけるすべてのＩＧＢＴをＯＦＦした状態で充電器５により行われる。充電は、定電流−定電圧制御で行われ、単セル当たりの充電完了電圧を４．１Ｖとすると単セル（リチウムイオン二次電池）がｎ個直列接続された組電池の充電完了電圧はｎ×４．１Ｖであり、この電圧まで定電流で充電を行うことになる。
【００１８】
充電を行った際に、各リチウムイオン二次電池（セル）１−１、１−２、１−３、…、１−ｎの端子電圧が同じ充電時間で４．１Ｖになるのが理想だが、実際には、各電池の内部特性か容量にアンバランスが生じるため、例えば図４に示すように従来の充電方法ではセル１−ｎの充電電圧Ｖ1-nだけが時刻ｔ0において充電完了電圧の４．１Ｖになり、他のセルは充電完了電圧に到達しない。このように、セル１−ｎが充電完了電圧に達した後にも継続して充電すると、既に充電完了電圧に達したセル１−ｎが過充電となり危険である。
【００１９】
本発明では、制御部７は、電圧プローブ６−１、６−２、６−３、…、６−ｎの検出出力を取り込み、各リチウムイオン二次電池のいずれかの電池電圧、すなわち端子間電圧が予め設定した充電完了電圧に達した場合には、該端子間電圧が充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対応するＩＧＢＴ制御線８−１、８−２、８−３、…、８−ｎのいずれかを介して充電電流をバイパスさせるための制御信号を上記充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対応するバイパス回路に出力する。
【００２０】
例えば、制御部７により図２に示すような順番で各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎに付加したＩＧＢＴ：Ｐ１,Ｐ２,Ｐ３,…，Ｐｎ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，…，Ｑｎを制御して充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池の端子間に設けられたバイパス回路４（４−１、４−２、４−３、…、４−ｎのいずれか）に充電電流をバイパスさせることにより図５に示すように、既に充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池の過充電を防止し、各リチウムイオン二次電池の充電電圧を均一化することができる。
【００２１】
図５の例で説明すると時刻ｔ0で制御部７は、最初に充電完了電圧に到達したセル１−ｎの端子間に設けられたバイパス回路４−ｎにおけるＩＧＢＴ：ＱｎをＯＮにして充電電流をバイパスさせる。この動作を充電完了電圧に到達したセルから順番に行い、全セルについて完了するまで継続して行う。各セルが充電完了電圧に達した後は、バイパス回路４−１、４−２、４−３、…、４−ｎにおけるすべてのＩＧＢＴをＱＦＦにし、制御部７から充電制御線９を介して制御信号を受けた充電器５は、直ちに組電池トリクル充電に移行することにより、全セルを満充電状態で非常時の電池放電に備えることができる。
【００２２】
また、本発明の実施形態では、ダイオード１０がリチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎからなる組電池の正極性端子側と、直流負荷２及び直流電源３との間に直流負荷２及び直流電源３に対して各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎの放電を許容する極性となるように接続されているので、直流電源３からの充電を防止した上で、各リチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎに対して充電器５により充電を行うことができる。
なお、電池の充電中に、直流負荷２の消費電力に増加があった場合にはリチウムイオン二次電池１−１、１−２、１−３、…、１−ｎからなる組電池もしくは充電器５から直流負荷２に対して電力供給を行うこともできる。
【００２３】
本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置によれば、直列接続された複数個の各リチウムイオン二次電池（セル）の電池電圧を検出し、いずれか一つのセルが充電完了電圧に到達するまで充電し、いずれか一つのセルが充電完了電圧に到連した後は、充電完了したセルに対応して設けられたバイパス回路を構成するＩＧＢＴを制御して充電電流をバイパスし、その他のセルが充電完了電圧に到達するまで順番に一セルずつ充電していくことにより、セル間の端子電圧のアンバランスを容易に解消できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池を充電し、かつ前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池の端子間電圧を検出すると共に、前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池のうち予め設定された充電完了電圧に達したリチウムイオン二次電池に対して順次、該リチウムイオン二次電池の両端間を短絡して充電電流をバイパスし、前記組電池を構成する全てのリチウムイオン二次電池が充電完了電圧に達した後に前記組電池を構成する各リチウムイオン二次電池に対してトリクル充電を行うようにしたので、直列接続された複数個のリチウムイオン二次電池についてトリクル充電方式で待機している組電池の充電を、安価かつ効率的に行うことを可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置の構成を示すブロック図。
【図２】  図１に示した本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置におけるバイパス回路を構成するＩＧＢＴの開閉タイミングを示す説明図。
【図３】  従来のリチウムイオン二次電池の組電池充電時の電圧、電流特性を示す説明図。
【図４】  従来のリチウムイオン二次電池の単電池充電時の電圧、電流特性を示す説明図。
【図５】  本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の充電装置におけるリチウムイオン二次電池の単電池充電時の電圧、電流特性を示す説明図。
【符号の説明】
１−１、１−２、１−３、…、１−ｎ…リチウムイオン二次電池
２…直流負荷
３…直流電源
４−１、４−２、４−３、…、４−ｎ…バイパス回路
５…リチウムイオン二次電池専用充電器
６−１、６−２、６−３、…、６−ｎ…電圧プローブ
７…制御部
８−１、８−２、８−３、…、８−ｎ…ＩＧＢＴ制御線
９…充電制御線
１０…ダイオード
【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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