(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電装置であって、
前記バッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、
前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、
前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、
充放電電流を測定する電流センサと、
前記充放電電流を提供する電源装置と、
制御器とを含み、
前記制御器は、
定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、全バッテリーセルのうち最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセルまたは最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセルの充電スイッチを常に入れて前記一つ以上のバッテリーセルを直列連結し、その両端の電圧が直列連結されたバッテリーセルの数にバッテリーセルの終止電圧を乗じた値になるように前記電源装置の出力電流を制御し、残りのバッテリーセルは、それぞれのバッテリーセルの電圧が前記終止電圧になるように前記充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間との比率を調節してバッテリーセルのバランシングを行うことを特徴とする、バッテリーの充放電装置。
【請求項２】
多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電装置であって、
前記バッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、
前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、
前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、
充放電電流を測定する電流センサと、
前記充放電電流を提供する電源装置と、
制御器とを含み、
前記制御器は、
定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、予め貯蔵されたバッテリーセルの特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作り、前記電源装置の出力電流が充電電流命令値に従うように制御し、前記各バッテリーセルの容量偏差に応じて前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の時比率を調節して各バッテリーセルに終止電圧が印加されるように制御することを特徴とする、バッテリーの充放電装置。
【請求項３】
前記制御器は、
定電圧モード充電で前記多数のバッテリーセルのうち特定のバッテリーセルの時比率が１になっても、当該バッテリーセルの電圧が終止電圧よりも小さい場合に、前記充電電流命令値を段階的に上げることを特徴とする、請求項２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項４】
前記制御器は、
定電流モード充電のときには、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセルは、前記当該バッテリーセルに直列連結された充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記当該バッテリーセルの充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセルは一定の電流で充電し続けることを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項５】
前記制御器は、
前記定電流モード充電で前記多数のバッテリーセルが同一時点で終止電圧に達するようにするために、各バッテリーセルの容量に応じて前記各バッテリーセル別の前記定電流モード充電開始時点を異なるように調節して制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項６】
前記制御器は、
前記定電流モード充電で前記多数のバッテリーセルが同一時点で終止電圧に達するようにするために、各バッテリーセルの容量に応じて各バッテリーセル別の前記充電スイッチと前記バイパススイッチが入る比率を調節して制御することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項７】
前記各バッテリーセルの容量は、
前記定電流モード充電のときに、各バッテリーセルの電圧上昇勾配に基づいて計算することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項８】
前記定電圧モード充電で前記最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセルまたは前記最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセルは、所定の誤差範囲内に入る多数のバッテリーセルになることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項９】
前記定電圧モード充電で前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の比率は、各バッテリーセルの容量に比例することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１０】
前記定電圧モード充電で前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の比率は、各バッテリーセルの電圧に反比例することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１１】
前記制御器は、
多数のバッテリーセルが同時にバイパスしないように、各バッテリーセルのバイパス区間を分散させることを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１２】
前記充電スイッチと前記バイパススイッチは、
能動素子と前記能動素子に対して逆方向に並列に連結されたダイオードを含むスイッチセットであることを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１３】
前記充電スイッチは、
能動素子と前記能動素子に対して逆方向に並列に連結されたダイオードを含むスイッチセット２個が互いに逆方向に直列に連結された両方向スイッチ構造であることを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１４】
前記両方向スイッチ構造の充電スイッチは、各能動素子を独立して駆動する個別駆動回路を備えることを特徴とする、請求項１３に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１５】
前記充電スイッチと前記バイパススイッチは、
前記ダイオードが導通する場合に、前記ダイオードと並列に連結された能動素子をオンにしてダイオードに流れる電流が能動素子に流れるようにし、ダイオードの導通損失を減少させることを特徴とする、請求項１２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１６】
前記充電スイッチと前記バイパススイッチは、
前記ダイオードが導通する場合に、前記ダイオードと並列に連結された能動素子をオンにしてダイオードに流れる電流が能動素子に流れるようにし、ダイオードの導通損失を減少させることを特徴とする、請求項１３に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１７】
前記制御器は、
前記電源装置の出力電流と前記各バッテリーセルの充電スイッチのスイッチングロジックを乗じて前記各バッテリーセルの充電電流を計算することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１８】
前記制御器は、
前記電源装置の出力電流と前記各バッテリーセルの充電スイッチのスイッチングロジックを乗じて充電電流を計算し、この際、繰り返し学習により充電電流を補正することを特徴とする、請求項１７に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項１９】
前記制御器は、
前記各バッテリーセルの充電スイッチ状態による全バッテリーセルの電圧に関する情報を前記電源装置の電流制御器にフィードフォワード反映することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項２０】
前記電源装置は、
出力端にフルブリッジ形態のチョッパを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリーの充放電装置。
【請求項２１】
多数のバッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、充放電電流を測定する電流センサと、前記充放電電流を提供する電源装置とを含むバッテリーの充放電装置を用いて、多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電方法であって、
定電流モード充電のときには、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセルは、前記当該バッテリーセルに直列連結された充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記当該バッテリーセルの充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセルは一定の電流で充電し続けるステップと、
定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、全バッテリーセルのうち最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセルまたは最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセルの充電スイッチを常に入れ、各バッテリーセルの電圧が終止電圧になるように前記電源装置の出力電流を制御し、残りのバッテリーセルはそれぞれのバッテリーセルの電圧が前記終止電圧になるように前記充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の比率を調節するステップとを含み、直列に連結された各バッテリーセルのバランシングを行うことを特徴とする、バッテリーの充放電方法。
【請求項２２】
定電流モード充電のときには、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセルは、前記当該バッテリーセルに直列連結された充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記当該バッテリーセルの充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセルは一定の電流で充電し続けるステップと、
定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、予め貯蔵されたバッテリーセルの特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作り、前記電源装置の出力電流が充電電流命令値に従うように制御し、前記各バッテリーセルの容量偏差に応じて前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の時比率を調節して各バッテリーセルが終止電圧に達するように制御するステップとをさらに含み、直列に連結された各バッテリーセルのバランシングを行うことを特徴とする、請求項２１に記載のバッテリーの充放電方法。
【請求項２３】
前記各バッテリーセルの容量に基づいて、前記各バッテリーセル別の前記定電流モード充電開始時点を異なるように調節して、前記多数のバッテリーセルが同一時点で終止電圧に達するように制御するステップをさらに含み、直列に連結された各バッテリーセルのバランシングを行うことを特徴とする、請求項２１に記載のバッテリーの充放電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリーの充放電装置に関し、特に、多数のバッテリーセルを直列に連結して充放電する装置であって、直列に連結される各バッテリーセルの容量および内部抵抗が完全に一致せず、互いに異なる充放電特性を有する各バッテリーセルが均等に充電され得るようにするバッテリーの充放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、携帯用電子機器から電気自動車、エネルギー貯蔵装置などにおいて多様に使用されており、最近、電気自動車の爆発的な成長によってその需要が急増しており、資源枯渇および化石燃料による地球環境破壊などの問題を解消するために、今後、その需要がさらに増加すると予想される。バッテリーの大容量化に伴い、単位バッテリーセルとしても１００Ａ以上の大容量バッテリーセルが開発普及されている。
【０００３】
二次電池の製造過程について説明すると、二次電池の製造過程は、大きく分けて、電極生成過程、組立過程および活性化（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）過程から構成される。電極生成過程は、二次電池の正極と負極を生成する過程であり、組立過程は、電極とセパレータを積層してから巻いてアルミニウムシートで包装する過程であり、活性化過程は、二次電池を充放電することで、二次電池内部の化学物質を活性化（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）し、二次電池を実際に使用可能にする過程である。かかる過程のうち活性化過程は、最も長い時間がかかる過程である。現在、各二次電池のバッテリーセルを個別に充放電装置を取り付けて活性化する方法を採択しており、二次電池の生産性を高めるために多数の活性化装備を使用しなければならず、各バッテリーセルごとにケーブルが別に連結されなければならないため、広い空間を占めるという問題がある。特に、１００Ａ以上の大容量バッテリーセルの活性化のためには、太いケーブルが連結されなければならないため、空間の問題とコストアップの問題は深刻な状況である。かかる問題を改善するために、多数のバッテリーセルを直列に連結した状態で一つの充放電装置で充放電を行う方式について研究されている。この場合、多数のバッテリーセルを直列に連結して同時に充放電を行うことで、活性化装備のコストと、ケーブルハーネスと空間を著しく減少できるという利点がある。しかし、バッテリーセル間の容量偏差によるバッテリーセル間の充電バランスが取れないという問題がある。この問題を解決するために、各バッテリーセルに抵抗とスイッチから構成された放電回路を取り付けてバッテリーセル間のバランシングを行う方法があるが、これは、抵抗による電力損失と熱が発生するという欠点がある。各バッテリーセルに直列に連結された充電スイッチと、充電スイッチとバッテリーセルを短絡させるバイパススイッチを入れて各バッテリーセルの充電時間とバイパス時間を調節することで、バッテリーセルのバランシングを行う方法も提示されているが、定電圧充電モードで制御が難しいという問題があり、未だに実用化されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明は、多数のバッテリーセルが直列連結されたバッテリーを充電するに際し、抵抗性バッテリーセルバランシング回路を使用せず、且つ定電流充電モードだけでなく定電圧充電モードでもバッテリーセルバランシングの問題を解決することを目的とする。
【０００５】
本発明は、上記のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明は、多数のバッテリーセルが直列連結されたバッテリーを充電するに際し、抵抗性バッテリーセルバランシング回路による無駄なエネルギーの消耗を減少させるための方法として、各バッテリーセルに直列に連結された充電スイッチと、充電スイッチとバッテリーセルを短絡させるバイパススイッチを入れて各バッテリーセルの充電スイッチ時間とバイパススイッチ時間を調節することで、バッテリーセルバランシングを行う方法を使用し、この際、定電流充電モードだけでなく定電圧充電モードでもバッテリーセルバランシングを容易に行う制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記のような目的を達成するために、本発明に係るバッテリーの充放電装置は、多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電装置であって、前記バッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、充放電電流を測定する電流センサと、前記充放電電流を提供する電源装置と、制御器とを含み、前記制御器は、定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、全バッテリーセルのうち最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセルまたは最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセルの充電スイッチを常に入れて前記一つ以上のバッテリーセルを直列連結し、その両端の電圧が直列連結されたバッテリーセルの数にバッテリーセルの終止電圧を乗じた値になるように前記電源装置の出力電流を制御し、残りのバッテリーセルは、それぞれのバッテリーセルの電圧が前記終止電圧になるように前記充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間との比率を調節してバッテリーセルのバランシングを行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電装置であって、前記バッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、充放電電流を測定する電流センサと、前記充放電電流を提供する電源装置と、制御器とを含み、前記制御器は、定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、予め貯蔵されたバッテリーセルの特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作り、前記電源装置の出力電流が充電電流命令値に従うように制御し、前記各バッテリーセルの容量偏差に応じて前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の時比率を調節して各バッテリーセルに終止電圧が印加されるように制御することができる。
【０００８】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、定電圧モード充電で前記多数のバッテリーセルのうち特定のバッテリーセルの時比率が１になっても、当該バッテリーセルの電圧が終止電圧よりも小さい場合に、前記充電電流命令値を段階的に上げることができる。
【０００９】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、定電流モード充電のときには、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセルは、前記当該バッテリーセルに直列連結された充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記当該バッテリーセルの充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセルは一定の電流で充電し続けることができる。
【００１０】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、前記定電流モード充電で前記多数のバッテリーセルが同一時点で終止電圧に逹するようにするために、各バッテリーセルの容量に応じて前記各バッテリーセル別の前記定電流モード充電開始時点を異なるように調節して制御することができる。
【００１１】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、前記定電流モード充電で前記多数のバッテリーセルが同一時点で終止電圧に逹するようにするために、各バッテリーセルの容量に応じて各バッテリーセル別の前記充電スイッチと前記バイパススイッチが入る比率を調節して制御することができる。
【００１２】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記各バッテリーセルの容量は、前記定電流モード充電のときに、各バッテリーセルの電圧上昇勾配に基づいて計算され得る。
【００１３】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記定電圧モード充電で前記最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセルまたは前記最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセルは、所定の誤差範囲内に入る多数のバッテリーセルになることができる。
【００１４】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記定電圧モード充電で前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の比率は、各バッテリーセルの容量に比例することができる。
【００１５】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記定電圧モード充電で前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の比率は、各バッテリーセルの電圧に反比例することができる。
【００１６】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、多数のバッテリーセルが同時にバイパスしないように、各バッテリーセルのバイパス区間を分散させることができる。
【００１７】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記充電スイッチと前記バイパススイッチは、能動素子と前記能動素子に対して逆方向に並列に連結されたダイオードを含むスイッチセットであってもよい。
【００１８】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記充電スイッチは、能動素子と前記能動素子に対して逆方向に並列に連結されたダイオードを含むスイッチセット２個が互いに逆方向に直列に連結された両方向スイッチ構造であってもよい。
【００１９】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記両方向スイッチ構造の充電スイッチは、各能動素子を独立して駆動する個別駆動回路を備えることができる。
【００２０】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記充電スイッチと前記バイパススイッチは、前記ダイオードが導通する場合に、前記ダイオードと並列に連結された能動素子をオンにしてダイオードに流れる電流が能動素子に流れるようにし、ダイオードの導通損失を減少させることができる。
【００２１】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、前記電源装置の出力電流と前記各バッテリーセルの充電スイッチのスイッチングロジックを乗じて前記各バッテリーセルの充電電流を計算することができる。
【００２２】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、前記電源装置の出力電流と前記各バッテリーセルの充電スイッチのスイッチングロジックを乗じて充電電流を計算し、この際、繰り返し学習により充電電流を補正することができる。
【００２３】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記制御器は、前記各バッテリーセルの充電スイッチ状態による全バッテリーセルの電圧に関する情報を前記電源装置の電流制御器にフィードフォワード反映することができる。
【００２４】
上記のような目的を達成するために、本発明に係るバッテリーの充放電装置は、多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電装置であって、前記バッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、充放電電流を測定する電流センサと、前記充放電電流を提供する電源装置と、制御器とを含み、前記制御器は、前記バッテリーセルの放電のときに、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して放電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御し、バッテリーセルの電圧が最低電圧に達した当該バッテリーセルは、前記当該バッテリーセルの充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記一定の電流が当該バッテリーセルのバイパススイッチに流れるようにし、残りのバッテリーセルは前記一定の電流で放電し続け、すべてのバッテリーセルがバイパスすると放電を終了することを特徴とする。
【００２５】
本発明に係るバッテリーの充放電装置は、前記電源装置は、出力端にフルブリッジ形態のチョッパを含むことができる。
【００２６】
上記のような目的を達成するために、本発明に係るバッテリーの充放電方法は、多数のバッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、充放電電流を測定する電流センサと、前記充放電電流を提供する電源装置とを含むバッテリーの充放電装置を用いて、多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電方法であって、定電流モード充電のときには、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセルは、前記当該バッテリーセルに直列連結された充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記当該バッテリーセルの充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセルは一定の電流で充電し続けるステップと、定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、全バッテリーセルのうち最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセルまたは最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセルの充電スイッチを常に入れ、各バッテリーセルの電圧が終止電圧になるように前記電源装置の出力電流を制御し、残りのバッテリーセルはそれぞれのバッテリーセルの電圧が前記終止電圧になるように前記充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の比率を調節するステップとを含み、直列に連結された各バッテリーセルのバランシングを行うことを特徴とする。
【００２７】
本発明に係るバッテリーの充放電方法は、定電流モード充電のときには、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して充電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセルは、前記当該バッテリーセルに直列連結された充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記当該バッテリーセルの充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセルは一定の電流で充電し続けるステップと、定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、前記多数のバッテリーセルを直列に連結し、予め貯蔵されたバッテリーセルの特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作り、前記電源装置の出力電流が充電電流命令値に従うように制御し、前記各バッテリーセルの容量偏差に応じて前記各バッテリーセルの充電スイッチの動作時間とバイパススイッチの動作時間の時比率を調節して各バッテリーセルが終止電圧に達するように制御するステップとを含み、直列に連結された各バッテリーセルのバランシングを行うことができる。
【００２８】
本発明に係るバッテリーの充放電方法は、前記各バッテリーセルの容量に基づいて、前記各バッテリーセル別の前記定電流モード充電開始時点を異なるように調節して、前記多数のバッテリーセルが同一時点で終止電圧に達するように制御することができる。
【００２９】
上記のような目的を達成するために、本発明に係るバッテリーの充放電方法は、多数のバッテリーセルそれぞれに直列連結された充電スイッチと、前記直列連結されたバッテリーセルと前記充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチと、前記バッテリーセルそれぞれの電圧をセンシングする電圧センサと、充放電電流を測定する電流センサと、前記充放電電流を提供する電源装置とを含むバッテリーの充放電装置を用いて、多数のバッテリーセルを直列連結して充放電するバッテリーの充放電方法であって、前記バッテリーセルの放電のときには、前記充電スイッチをすべて入れて前記すべてのバッテリーセルを直列連結し、その両端に前記電源装置を連結して放電し、この際、すべてのバッテリーセルに一定の電流が流れるように前記電源装置の出力電流を制御するステップと、バッテリーセルの電圧が最低電圧に達した当該バッテリーセルは、前記当該バッテリーセルの充電スイッチは切り、バイパススイッチは入れて、前記一定の電流が当該バッテリーセルのバイパススイッチで流れるようにし、残りのバッテリーセルは前記一定の電流で放電し続けるステップとを含み、すべてのバッテリーセルがバイパスすると放電を終了することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
上述のように、本発明に係る多数のバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電装置は、各バッテリーセルごとに別の電源装置を取り付けて充放電する既存の方式とほぼ同一の充放電性能を維持するとともに、コストとサイズを著しく減少させることができ、且つ抵抗のような別のバランシング回路がなく電力損失も最小化することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来のバッテリーのバッテリーセル充放電装置の構成図である。
【図２】バッテリーのバッテリーセルの充放電電圧および電流特性グラフである。
【図３】既存のバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電装置の構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電装置の構成図である。
【図５】バッテリーセルが直列連結されたバッテリーの一般的な充放電特性グラフである。
【図６】本発明に係るバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電特性グラフである。
【図７】本発明に係るバッテリーの充放電装置の電流制御器の構成図である。
【図８】本発明に係るバッテリーの充放電装置の電圧制御器の構成図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係るバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電特性グラフである。
【図１０】本発明に係るバッテリーの充放電装置の充電電流の測定方法を示す図である。
【図１１】（ａ）は、本発明に係るバッテリーの充放電装置のバイパス区間が同時に生じる場合のバッテリー電圧特性である。（ｂ）は、本発明に係るバッテリーの充放電装置のバイパス区間が分散した場合のバッテリー電圧特性である。
【図１２】充電スイッチおよびバイパススイッチの構成図である。
【図１３】逆方向に挿入されたバッテリーセルがある場合のスイッチの構成図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のバッテリーの充放電装置の充電モードでダイオードの導通損失を減少させるためのバッテリーセルの充電スイッチおよびバイパススイッチの駆動方法を示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係るバッテリーの充放電装置の電源装置の構成図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に係るバッテリーの充放電装置の電源装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の好ましい実施形態を添付の図面によって詳細に説明すると、以下のとおりである。以下の詳細な説明は、例示的なものに過ぎず、本発明の好ましい実施形態を図示したものに過ぎない。
【００３３】
図１は従来の二次電池充放電装置を図示した図を示す。個別のバッテリーセルごとにそれぞれ電源装置を備えて充放電を行うと、個別のバッテリーセルによって個別に定電流、定電圧制御が行われて別のバランシング回路が必要ではないが、多数のバッテリーセルを同時に充放電する装置を構成するためには、個別のバッテリーセルごとに備えられる電源装置および連結ケーブルなどによって設置コストが上がり、広い空間を占めるという問題がある。
【００３４】
その代案として、図３のように多数のバッテリーセルを直列に連結して一つの充放電装置で充放電を行う方式が研究されている。この場合、多数のバッテリーセルを直列に連結して同時に充放電を行うことで、装備のコストと空間を著しく減少できるという利点があるが、バッテリーセル間の容量偏差によるバッテリーセル間の充電バランスが取れないだけでなく、これによって一部のバッテリーセルが過充電されるという問題がある。この問題を解決するために、各バッテリーセルに抵抗とスイッチから構成された放電回路を取り付けてバッテリーセル間のバランシングを行う方法があるが、これは、抵抗による電力損失と熱が発生するという欠点がある。
【００３５】
図４は本発明の一実施形態に係るバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電装置の構成図を示す。図４を参照すると、本発明の一実施形態のバッテリーの充放電装置は、多数のバッテリーセル１００が直列連結されたバッテリーを充放電する装置であり、各バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００と、各バッテリーセル１００と充電スイッチ２００の両端を短絡させるバイパススイッチ３００と、各バッテリーセル１００の電圧をセンシングする電圧センサ（図示せず）と、充放電電流を測定する電流センサ６００と、充放電電流を提供する電源装置４００と、制御器５００とを含んで構成される。
【００３６】
電流センサ６００は、電源装置４００の出力電流を測定するセンサであってもよく、各バッテリーセル１００の充放電電流を測定するために各バッテリーセル１００ごとに備えられるセンサであってもよい。
【００３７】
制御器５００は、定電流モード充電のときには、充電スイッチ２００をすべて入れてすべてのバッテリーセル１００を直列連結させるようにスイッチ選択部７００を制御し、その両端に電源装置４００を連結してすべてのバッテリーセル１００を充電し、この際、すべてのバッテリーセル１００に一定の電流が流れるように電源装置４００の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセル１００は、当該バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００は切り、バイパススイッチ３００は入れて、当該バッテリーセル１００の充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセル１００は一定の電流で充電し続けるようにスイッチ選択部７００を制御することができる。
【００３８】
また、制御器５００は、定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、多数のバッテリーセル１００を直列連結し、その両端に電源装置４００を連結して多数のバッテリーセル１００を充電し、この際、全バッテリーセル１００のうち最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセル１００または最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセル１００の充電スイッチ２００を常に入れて前記一つ以上のバッテリーセルを直列連結し、その両端の電圧が直列連結されたバッテリーセル１００の数にバッテリーセル１００の終止電圧を乗じた値になるように、前記電源装置４００の出力電流を制御し、残りのバッテリーセル１００は、それぞれのバッテリーセルの電圧が前記終止電圧になるように、前記充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の比率を調節してバッテリーセルバランシングが行われるようにする。
【００３９】
また、制御器５００は、定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために多数のバッテリーセル１００を直列連結し、予め貯蔵されたバッテリーセル１００の特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作り、前記電源装置４００の出力電流が充電電流命令値に従うように制御し、各バッテリーセル１００の容量偏差に応じて、各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の時比率を調節し、各バッテリーセル１００に終止電圧が印加されるように制御する。
【００４０】
また、制御器５００は、予め貯蔵されたバッテリーセル１００の特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作る定電圧モード充電で多数のバッテリーセル１００のうち特定のバッテリーセル１００の時比率が１になっても、当該バッテリーセル１００の電圧が終止電圧よりも小さい場合に、充電電流命令値を段階的に上げることができる。
【００４１】
ここで、時比率は、充電スイッチ２００の動作時間に対する充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の和の比率で定められる。つまり、時比率が１になると、バッテリーセル１００の充電スイッチ２００が継続的に入り、バイパススイッチ３００は継続的に切る状態を意味する。
【００４２】
制御器５００は、電圧センサ（図示せず）と電流センサ６００から各バッテリーセル１００の電圧と電流を読み込み、電源装置４００を定電流または定電圧で制御することができる。
【００４３】
各バッテリーセル１００の容量は、定電流モード充電のときに、各バッテリーセル１００の電圧上昇勾配に基づいて計算することができる。
【００４４】
また、各バッテリーセル１００の容量は、定電流モード充電のときに、各バッテリーセル１００の電圧が終止電圧になったときの各バッテリーセル１００の電圧上昇勾配と定電流モードの充電電流に基づいて計算することができる。バッテリーセル１００の容量計算について詳細に説明すると、定電流（ＣＣ）モードでは、一定の充電電流がバッテリーに流れる場合、各バッテリーセルの電圧は、バッテリーセル充電電圧と内部抵抗による電圧として現れ、一定の充電電流による内部抵抗電圧は、一定に与えられるため、充電電流による電圧上昇は、バッテリーセル１００内部の容量によって決定され、図２から分かるように、各バッテリーセル１００の容量は、定電流モードでバッテリーセル１００の電圧上昇勾配を計算して求めることができる。
【００４５】
また、定電圧モードで最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセル１００または最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセル１００は、所定の誤差範囲内に入る多数のバッテリーセル１００になることができる。
【００４６】
制御器５００は、一つ以上のバッテリーセル１００が選択される場合に、選択されたバッテリーセル１００の充電スイッチ２００は常に入れ、バイパススイッチ３００は常に切って、選択されたバッテリーセル１００の数に終止電圧を乗じた電圧に基づいて電源装置４００の出力電流を制御することができる。
【００４７】
図５は本発明に係るバッテリーの充放電装置を適用していないバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電特性グラフを示し、図６は本発明に係るバッテリーの充放電装置を適用したバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電特性グラフを示す。
【００４８】
図５および図６では、バッテリーセル１００間の内部容量が異なるバッテリーセル１００を直列連結して充電する場合、本発明を適用していない場合と適用した場合に対して比較している。各バッテリーセル１００の容量はＣ１＜Ｃ２＜Ｃ３の順にＣ３が最も大きいバッテリーセル１００である場合、各バッテリーセルの電圧、電流特性を示す。
【００４９】
本発明に係るバッテリーの充放電装置を適用していないバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電装置は、図５に示されているように、全バッテリーセル１００の電圧に基づいて電源装置４００で一定の電流を供給する定電流モード充電の後、終止電圧辺りで定電圧制御を進める。この際、各バッテリーセル１００の容量差によって電源装置４００の充電電流による各バッテリーセル１００の充電電圧は、差を示す。各バッテリーセル１００の電圧をすべて合算した電圧は、終止電圧に逹するが、各バッテリーセル１００の電圧を見ると、第１バッテリーセル１００の電圧は終止電圧（４．２Ｖ）を超えて過充電が発生し、第３バッテリーセル１００は、終止電圧まで充電が行われていない状態になることが分かる。
【００５０】
したがって、本発明に係るバッテリーの充放電装置を適用したバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電装置は、図６に示されているように、最も容量が大きいバッテリーセル１００として選択された第３バッテリーセル１００に基づいて定電圧制御を実施する。この際、他のバッテリーセル１００の電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が、第３バッテリーセル１００の電圧Ｖｃ３が終止電圧に逹する前に終止電圧に逹するため、他のバッテリーセル１００の充電スイッチ２００を切り、他のバッテリーセル１００のバイパススイッチ３００を入れて他のバッテリーセル１００の充電を止める。
【００５１】
ここで、制御器５００は、選択された第３バッテリーセル１００の充電スイッチ２００は常に入れ、選択された第３バッテリーセル１００のバイパススイッチ３００は常に切った状態で電源装置４００で定電流モード充電を行った後、定電圧モードで制御を行うようにすることができる。選択されたバッテリーセル１００が多数の場合には、選択されたバッテリーセル１００の充電スイッチ２００は常に入れ、バイパススイッチ３００は常に切った状態で電源装置４００の出力電流を制御することができる。
【００５２】
定電流モードで先に終止電圧に逹したバッテリーセル１００は、充電スイッチ２００を切り、バイパススイッチ３００を入れて最も容量が大きいバッテリーセル１００の電圧が定電圧モードになるまでバイパス状態を維持することができる。
【００５３】
定電圧モードで各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の比率は、各バッテリーセル１００の容量に比例することができる。
【００５４】
また、定電圧モードで各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の比率は、各バッテリーセル１００の電圧に反比例することができる。
【００５５】
一方、各バッテリーセル１００間の容量差が存在する場合、容量が小さいバッテリーセルが容量が大きい他のバッテリーセルに比べて定電流モードが先に完了することが生じ得る。この場合、先に定電流モードが完了したバッテリーセルは、他のバッテリーセルの定電流モードが完了するまで、一定の時間待機するという問題がある。
【００５６】
かかる問題点を解決するために、本発明において、制御器５００は、各バッテリーセル１００に対して定電流モードが同じ時点で完了するように調整することができる。より詳細には、制御器５００は、各バッテリーセル１００の容量に基づいて定電流モードの開始時点を異なるように調節することで、各バッテリーセル１００に対して終止電圧に逹する時間が同一になるように制御することができる。例えば、制御器５００は、容量が大きいバッテリーセルに対して容量が小さいバッテリーセルに比べてより早く定電流モードが開始するように制御することで、各バッテリーセルに対する定電流モード終了時点を同一に合わせることができる。
【００５７】
このために、制御器５００は、各バッテリーセル１００に対する容量を予め測定して収集し、収集したバッテリーセル１００の容量に比例して各バッテリーセルに対する定電流モード開始時点を差等的に調節することができる。
【００５８】
定電流モードが同じ時点で完了するようにする他の方法は、定電流モードの充電中に各セルの容量に応じて充電スイッチとバイパススイッチを入れる時比率を異ならせる方法である。すなわち、容量が大きいセルは、時比率を１に近くし、容量の小さいセルは、時比率を小さくすることで、定電流モードが同時に完了するように調節することができる。
【００５９】
図７は本発明に係るバッテリーの充放電装置の電流制御器の構成図を示し、図８は本発明に係るバッテリーの充放電装置の電圧制御器の構成図を示す。
【００６０】
図８の電圧制御器は、内部に図７の電流制御器を含んで構成され得る。
【００６１】
また、図７および図８には図示されていないが、電流制御器は、終止電圧に逹したバッテリーセル１００の充電スイッチ２００が切れ、バイパススイッチ３００が入ると、電源装置４００に連結されたバッテリーの電圧が変わり、これによって電源装置４００の出力電流の変動が発生する。これを補正するために、各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００状態による全バッテリーセルの電圧に関する情報を電源装置４００の出力電流制御器にフィードフォワード反映して制御することができる。
【００６２】
図８ではバッテリーのバッテリーセル１００のうち一つのバッテリーセル１００に対して電圧制御を行うようになっているが、所定の誤差範囲に入るすべてのバッテリーセル１００を選択して制御してもよい。
【００６３】
図９は本発明の他の実施形態に係るバッテリーセルが直列連結されたバッテリーの充放電特性グラフを示す。他の実施形態では、制御器５００は、定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために多数のバッテリーセル１００を直列連結し、予め貯蔵されたバッテリーセル１００の特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作り、電源装置４００の出力電流が電流命令値に従うように制御する。ここで、直列に連結されたバッテリーセル１００の充電電流命令値は、バッテリーセル１００自体の充放電特性プロファイルによって求められ、これは、直列連結されたバッテリーセル１００のバッテリー電圧に基づいて求められる電流になることができる。図９において、Ｉｃは、予め定められたバッテリーセル特性による電流命令値プロファイルを示し、Ｉｃ１、Ｉｃ２、Ｉｃ３は、各バッテリーセル１００の充電電流を示す。
【００６４】
直列連結されたバッテリーセル１００は、定電流モードで一定の充電電流で充電を行い、終止電圧に達したバッテリーセル１００のバイパススイッチ３００が入る。以降、電圧が終止電圧辺りに達すると、予め定められたバッテリーセル１００の特性プロファイルの電流値は、バッテリー電圧に応じて減少する模様を有する。制御器５００は、すべてのバッテリーセル１００が同一または類似する特性を有する場合には、図９のように、各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の時比率を調節し、各バッテリーセルの電圧が終止電圧に達するように制御することができる。しかし、バッテリーセル１００のうち特定のバッテリーセル１００の容量が予め貯蔵されたバッテリーセル特性よりも大きい場合、つまり、多数のバッテリーセル１００のうち特定のバッテリーセル１００の電圧が終止電圧よりも小さく、前記特定のバッテリーセル１００の時比率が１になる場合には、電流命令値プロファイルに付加的な電流命令値を段階的に加えてすべてのバッテリーセル１００の時比率が１以下になるように制御することができる。
【００６５】
図１０は、本発明に係るバッテリーの充放電装置の充電電流の測定方法を示す。図１０から分かるように、電源装置４００の出力電流は、各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００が入る時間の間のみにバッテリーセル充電電流として流れる。すなわち、制御器５００は、電源装置４００の出力電流と各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００のスイッチングロジックを乗じて各バッテリーセル１００の充電電流を計算することができる。
【００６６】
また、制御器５００は、電源装置４００の出力電流と各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００のスイッチングロジックを乗じて各バッテリーセル１００の充電電流を計算し、この際、繰り返し学習により充電電流測定誤差を補正することができる。
【００６７】
図１１の（ａ）、（ｂ）は本発明に係るバッテリーの充放電装置のバイパススイッチ３００の分散駆動が適用されていない波形と適用された波形を示す。直列に連結された多数のバッテリーセル１００を充電する場合、図１１の（ａ）に示されているように、同時にバイパススイッチ３００が入る瞬間が発生すると、電源装置４００に連結されるバッテリーの電圧が急に変化するため、電源装置の出力電流の変化がひどくなり、そのため、電流制御器の動作が不安になるという問題が生じる。したがって、図１１の（ｂ）のように、多数のバッテリーセル１００が同時にバイパスしないように、各バッテリーセル１００のバイパス区間を分散させることから、電源装置４００に連結されるバッテリーの電圧が急に変化しないように制御し、電源装置に安定した出力電流制御を提供することができる。
【００６８】
図１２は充電スイッチ２００およびバイパススイッチ３００の構成図であり、図１３は逆方向に挿入されたバッテリーセル１００がある場合のスイッチの構成図を示す。
【００６９】
本発明に係る充電スイッチ２００とバイパススイッチ３００は、能動素子Ｆｃ１、Ｆｂ１と能動素子に対して逆方向に並列に連結されたダイオードＤｃ１、Ｄｂ１を含むスイッチセットから構成される。ここで、能動素子Ｆｃ１、Ｆｂ１は、外部の制御信号に応じて入ったり切れたりするスイッチの通称であり、ＦＥＴやＩＧＢＴなどになり得る。また、ダイオードは、能動素子の内部ボディーダイオードであり得る。
【００７０】
また、充電スイッチ２００は、バッテリーセル１００の逆挿による誤動作を防止し、バッテリーセル１００の逆挿を検出するために、能動素子と能動素子Ｆｃ１、Ｆｃ１１に対して逆方向に並列に連結されたダイオードＤｃ１、Ｄｃ１１を含むスイッチセット２個が互いに逆方向に直列に連結された両方向スイッチから構成され得る。図１３から分かるように、スイッチセット２個が互いに逆方向に直列に連結されることから、バッテリーセル１００が逆挿される場合にも能動素子がオフになっていると短絡が発生しなくなる。制御器５００でバッテリー充電を開始する前に各バッテリーセル１００の電圧を電圧センサで測定すると、逆挿されたバッテリーセル１００を検出することができ、逆挿されたバッテリーセル１００を排除してからバッテリーを充電するか、バッテリーセル１００をまた正しく挿入してからバッテリを充電することができる。
【００７１】
各バッテリーセル１００に連結された充電スイッチ２００とバイパススイッチ３００の能動素子は、各能動素子を独立して駆動する個別駆動回路を備えて構成される。
【００７２】
また、各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００およびバイパススイッチ３００の駆動回路は、互いに同時に同じ信号で動作しないように、遅延時間をもって互いに反対の信号で動作するように構成され得る。
【００７３】
また、両方向充電スイッチ２００を駆動する駆動回路は、各能動素子を独立して駆動する個別駆動回路を備えることができる。
【００７４】
図１４の（ａ）〜（ｄ）は本発明のバッテリーの充放電装置の充電モードでダイオードの導通損失を減少させるためのバッテリーセル１００の充電スイッチ２００およびバイパススイッチ３００の駆動方法を示す。
【００７５】
充電スイッチ２００とバイパススイッチ３００で能動素子と並列に連結されたダイオードが導通する場合に、ダイオードと並列に連結された能動素子をオンにしてダイオードに流れる電流が能動素子に流れるようにし、ダイオードの導通損失を減少させることができる。詳細に説明すると、以下のとおりである。
【００７６】
バッテリーセル１００を充電する初期充電モードでは、図１４の（ａ）のように、充電電流が充電スイッチ２００の能動素子Ｓｃ１に並列に連結されたダイオードＤｃ１を通じて流れることができる。バイパススイッチ３００の能動素子Ｓｂ１はオフになっており、能動素子に並列に連結されたダイオードＤｂ１は、充電電流に対して逆方向であるため、充電電流が流れなくなる。バッテリーセル１００を充電する電流は、充電スイッチ２００の能動素子に並列に連結されたダイオードを通じてのみ流れる。充電スイッチ２００の能動素子と並列連結されたダイオードが導通する場合に、図１４の（ｂ）のように、能動素子をともにオンにしてダイオードのオンドロップを減少させることができる。充電スイッチ２００を通じて供給される充電電流でバッテリーセル１００の電圧が終止電圧に逹すると、バッテリーセル１００は、充電モードからバイパスモードに切り替えるように動作する。充電モードからバイパスモードに切り替える区間には、図１４の（ｃ）のように、充電スイッチ２００の能動素子をオフにして充電電流が一時的に充電スイッチ２００の能動素子に並列に連結されたダイオードを通じて流れる区間が発生し得る。次に、図１４の（ｄ）のように、バイパススイッチ３００を入れると、バッテリーセル充電電流は、バイパススイッチ３００の能動素子を通じて流れる。
【００７７】
図１５は本発明の一実施形態に係るバッテリーの充放電装置の電源装置４００の構成図を示し、図１６は本発明に他の実施形態に係るバッテリーの充放電装置の電源装置４００の構成図を示す。
【００７８】
本発明の電源装置は、ＤＣ電源に連結されるスイッチと、バッテリーとスイッチとの間に直列に連結されるインダクターから構成され得る。スイッチは、電源の両端に１対で構成されるハーフブリッジ形態と２対で構成されるフルブリッジ形態になり得る。ここで、１対のスイッチは、電源の両端に２個のスイッチを備えて構成される。電源装置４００の一実施形態として、図１５では、出力端にハーフブリッジ形態のチョッパを含んで構成される電源装置４００を示す。図１５のようなハーフブリッジ形態では、バッテリーセル１００が直列連結されたバッテリーの個別のバッテリーセル１００がバイパスモードになってバッテリー電圧が小さくなると、電源装置４００の電流の制御が不安定になる。
【００７９】
電源装置４００の他の実施形態として、図１６では、出力端にフルブリッジ形態のチョッパを含んで構成される電源装置４００を示す。図１６のようなフルブリッジ形態では、バッテリーの両端にＤＣ電圧を両方向に連結するため、安定した電流の制御が保障され得る。
【００８０】
本発明の他の実施形態のバッテリーの充放電装置は、多数のバッテリーセル１００が直列連結されたバッテリーを充放電する装置であって、各バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００と、各バッテリーセル１００と前記充電スイッチ２００の両端を短絡させるバイパススイッチ３００と、各バッテリーセル１００の電圧をセンシングする電圧センサ（図示せず）と、電流を測定する電流センサ６００と、前記充放電電流を提供する電源装置４００と、制御器５００とを含んで構成される。
【００８１】
制御器５００は、バッテリーの放電のときには、充電スイッチ２００をすべて入れてすべてのバッテリーセル１００を直列連結し、その両端に電源装置４００を連結して放電し、この際、すべてのバッテリーセル１００に一定の電流が流れるように電源装置４００の出力電流を制御し、バッテリーセルの電圧が最低電圧に達した当該バッテリーセル１００は、前記当該バッテリーセル１００の充電スイッチ２００は切り、バイパススイッチ３００は入れて、前記一定の電流が当該バッテリーセル１００のバイパススイッチ３００に流れるようにし、残りのバッテリーセル１００は、継続的に前記一定の電流で放電し、すべてのバッテリーセル１００がバイパスすると放電を終了する。
【００８２】
本発明のさらに他の実施形態のバッテリーの充放電装置は、多数のバッテリーセル１００が直列連結されたバッテリーを充放電する装置であって、各バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００と、各バッテリーセル１００と前記充電スイッチ２００の両端を短絡させるバイパススイッチ３００と、各バッテリーセル１００の電圧をセンシングする電圧センサ（図示せず）と、充放電電流を測定する電流センサ６００と、充放電電流を提供する電源装置４００と、制御器５００とを含んで構成される。
【００８３】
バッテリーの充放電方法は、定電流モード充電のときには、前記充電スイッチ２００をすべて入れてすべてのバッテリーセル１００を直列連結し、その両端に電源装置４００を連結してバッテリーセル１００を充電し、この際、すべてのバッテリーセル１００に一定の電流が流れるように電源装置４００の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセル１００は、当該バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００は切り、バイパススイッチ３００は入れて、当該バッテリーセル１００の充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセル１００は、一定の電流で充電し続けるステップと、
定電流モード充電の後に、定電圧モード充電のために、多数のバッテリーセル１００を直列に連結し、その両端に電源装置４００を連結してバッテリーセル１００を充電し、この際、全バッテリーセル１００のうち最も容量が大きい一つ以上のバッテリーセル１００または最も電圧が低い一つ以上のバッテリーセル１００の充電スイッチ２００を常に入れ、各バッテリーセルの電圧が終止電圧になるように電源装置４００の出力電流を制御し、残りのバッテリーセル１００は、それぞれのバッテリーセルの電圧が終止電圧になるように充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の比率を調節するステップとを含み、直列に連結された各バッテリーセル１００のバランシングを行う。
【００８４】
また、バッテリーの充放電方法は、定電流モード充電のときには、充電スイッチ２００をすべて入れてすべてのバッテリーセル１００を直列連結し、その両端に電源装置４００を連結してバッテリーセル１００を充電し、この際、すべてのバッテリーセル１００に一定の電流が流れるように電源装置４００の出力電流を制御し、終止電圧に達したバッテリーセル１００は、当該バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００は切り、バイパススイッチ３００は入れて、当該バッテリーセル１００の充電電流をバイパスさせ、残りのバッテリーセル１００は一定の電流で充電し続けるステップと、定電流モード充電の後に、
定電圧モード充電のために、多数のバッテリーセル１００を直列に連結し、予め貯蔵されたバッテリーセル１００の特性を用いて充電電流命令値プロファイルを作り、電源装置４００の出力電流が電流命令値に従うように制御し、各バッテリーセル１００の容量偏差に応じて各バッテリーセル１００の充電スイッチ２００の動作時間とバイパススイッチ３００の動作時間の時比率を調節し、各バッテリーセル１００が終止電圧に達するように制御するステップとを含み、直列に連結された各バッテリーセル１００のバランシングを行うことができる。
【００８５】
本発明のさらに他の実施形態のバッテリーの充放電装置は、多数のバッテリーセル１００が直列連結されたバッテリーを充放電する装置であって、各バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００と、各バッテリーセル１００と前記充電スイッチ２００の両端を短絡させるバイパススイッチ３００と、各バッテリーセル１００の電圧をセンシングする電圧センサ（図示せず）と、電流を測定する電流センサ６００と、前記充放電電流を提供する電源装置４００と、制御器５００とを含んで構成される。
【００８６】
バッテリーの充放電方法は、バッテリーの放電のときには、充電スイッチ２００をすべて入れてすべてのバッテリーセル１００を直列連結し、その両端に電源装置４００を連結して放電し、この際、すべてのバッテリーセル１００に一定の電流が流れるように電源装置４００の出力電流を制御するステップと、バッテリーの放電のときには、バッテリーセルの電圧が最低電圧に達した当該バッテリーセル１００は、当該バッテリーセル１００の充電スイッチ２００は切り、バイパススイッチ３００は入れて、一定の電流が当該バッテリーセル１００のバイパススイッチ３００に流れるようにし、残りのバッテリーセル１００は前記一定の電流で放電し続けるステップとを含み、すべてのバッテリーセル１００がバイパスすると、放電を終了する。
【００８７】
以上、本明細書と図面には本発明の実施形態について開示されており、特定の用語が使用されているものの、これは単に本発明の記述内容を容易に説明し、発明の理解を助けるための一般的な意味で使用されたものであって、本発明の範囲を限定するためのものではない。ここに開示された実施形態の他にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例が可能であることは、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者にとって自明である。
【符号の説明】
【００８８】
１００、Ｃ１〜Ｃｎ  バッテリーセル
２００、Ｓｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３  充電スイッチ
３００、Ｓｂ１、Ｓｂ２、Ｓｂ３  バイパススイッチ
４００  電源装置
５００  制御器
６００  電流センサ
７００  スイッチ選択部
Ｉｃ１〜Ｉｃｎ  バッテリーセル充電電流
Ｓ１〜Ｓｎ  スイッチ
Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３  バッテリーセルの電圧
Ｉｃ  充電電流
Ｉｃｒｅｆ  充電電流命令値
Ｖｃｍ  最大容量バッテリーセルの電圧
Ｖｃｍｒｅｆ  最大容量バッテリーセルの電圧の命令値
Ｆｃ１、Ｆｃ１１、Ｆｂ１  能動素子
Ｄｃ１、Ｄｃ１１、Ｄｂ１  ダイオード
Ｆｃ１＿ｇ  スイッチングロジック信号
Ｖｂ１  バッテリー電圧
△Ｖ１、△Ｖ２  電圧変化量
ＳＷ１〜ＳＷ４  スイッチ 
ＤＣ  Ｓｏｕｒｃｅ  電源
【要約】      （修正有）【課題】直列に連結される多数のバッテリーセルにおいて、容量および内部抵抗が完全に一致せず、互いに異なる充放電特性を有する各バッテリーセルを、低コスト、低損失、速い充放電で均等に充電するバッテリーの充放電装置及びバッテリーセルバランシングを容易に行う制御方法を提供する。【解決手段】バッテリーの充放電装置は、各バッテリーセル１００に直列連結された充電スイッチ２００と、各バッテリーセルと充電スイッチの両端を短絡させるバイパススイッチ３００と、各バッテリーセルの電圧をセンシングする電圧センサと、充放電電流を測定する電流センサ６００と、充放電電流を提供する電源装置４００と、制御器５００とを含み、多数のバッテリーセルが直列連結された状態で、充電スイッチとバイパススイッチとを適切に操作してバッテリーセル間のバランシングを行う。【選択図】図４【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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