JP2007318950A - 二次電池のセル電圧バランス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成の複雑化や大型化を可及的に回避しながら、単電池の電圧を均等化できる二次電池のセル電圧バランス装置を提供する。
【解決手段】複数の単電池１ａを直列接続して構成された組電池１に対して、直列接続された抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対を各単電池１ａと並列に接続して、スイッチ装置３ｂを開閉することにより各単電池１ａの電池電圧を均等化する二次電池のセル電圧バランス装置において、単電池１ａの電圧が、充電目標電圧よりも低い電圧値のバランス動作開始電圧まで上昇するに伴って、スイッチ装置３ｂを開き状態から閉じ状態に切換え、複数の単電池１ａの全てについて、スイッチ装置３ｂが開き状態から閉じ状態に切換えられた状態となった後に、抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対の両端に生じる電圧によって単電池１ａが充電される状態が維持されるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単電池（セル）を直列接続して構成された組電池に対して、直列接続された抵抗及びスイッチ装置の対を各単電池と並列に接続して、前記スイッチ装置を開閉することにより各単電池の電池電圧を均等化する二次電池のセル電圧バランス装置に関する。

かかる二次電池のセル電圧バランス装置は、組電池を構成する各単電池の特性ばらつきによって、同時に充電を行っても充電の進行の程度及び劣化の程度が異なって電池電圧や内部抵抗などの電池特性が単電池間でばらついてしまう場合が少なくない。
このような単電池間の電圧のばらつきを修正するために、下記特許文献１にも記載されているような、各単電池の電圧を均等化する装置が考えられている。
各単電池の電圧を均等化するための回路構成としては種々のものが考えられるが、下記特許文献１にも記載のような直列接続された抵抗とスイッチ装置との対を各単電池と並列に接続する回路構成をとるものが良く知られている。
単電池と並列に接続する抵抗及びスイッチ装置の対の使用形態としては、下記特許文献１に記載のように、各単電池間のばらつきが大きくなったときに、電圧の高い単電池について、スイッチ装置を閉じ状態に切換えて、抵抗及びスイッチ装置の対を通して充電電流をバイパスさせると共にその単電池を放電させる、という手法が考えられている。
又、この手法の変形として、単電池の電圧が充電目標電圧に達したときに、その単電池について、スイッチ装置を閉じ状態に切換えて、抵抗及びスイッチ装置の対を通して充電電流をバイパスさせると共にその単電池を放電させる、という手法も考えられる。
更には、各単電池の電圧をより高精度に均等化する手法としては、各単電池の電圧や電流等の測定情報からをマイクロプロセッサが各単電池の充電状態を常時監視して、スイッチ装置の開閉を細かく制御することで、各単電池の電圧のばらつきが大きくならないようにする技術も考えられている。
特開平１０−０５０３５２号公報

しかしながら、単電池の電圧が充電目標電圧に達したときに、単電池と並列に接続された抵抗及びスイッチ装置の対に充電電流や単電池の放電電流を逃がす手法では、スイッチ装置を開き状態から閉じ状態に切換えても、単電池の内部で充電反応が進行して単電池の電圧が充電目標電圧を大幅に上回って上昇してしまう場合がある。
各単電池間のばらつきが大きくなったときに、電圧の高い単電池についてスイッチ装置を閉じ状態に切換える手法でも、ばらつきが大きくなったときの電圧が充電目標電圧に接近していれば同様の状況となってしまう。
又、充電電流や単電池の放電電流を逃がす抵抗に大電流が流れるので、その大電流に耐え得る抵抗やスイッチ装置を使用する必要があり、バランス装置が大型化してしまうと共に、抵抗で発生する発熱の対策も必要となって、より一層装置構成の大型化を招いてしまう。
更に、マイクロプロセッサにてスイッチ装置の開閉を制御する構成では、ハードウェア及びソフトウェアの両面において高い信頼性を確保するためには、装置の開発コスト及び製造コストを増大させてしまうことになる。
特に、航空機のように極めて高い信頼性が要求される用途ではマイクロプロセッサのような複雑な部品の使用が制限され、単電池の電圧の均等化のためにマイクロプロセッサを使用することを認められないというようなこともある。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、装置構成の複雑化や大型化を可及的に回避しながら、単電池の電圧を均等化できる二次電池のセル電圧バランス装置を提供するする点にある。

本出願の第１の発明は、複数の単電池を直列接続して構成された組電池に対して、直列接続された抵抗及びスイッチ装置の対を各単電池と並列に接続して、前記スイッチ装置を開閉することにより各単電池の電池電圧を均等化する二次電池のセル電圧バランス装置において、前記単電池毎に、前記単電池の電圧が、充電目標電圧よりも低い電圧値に設定されているバランス動作開始電圧まで上昇するに伴って、前記単電池と並列に接続されている前記スイッチ装置を開き状態から閉じ状態に切換える切換え回路が設けられ、前記複数の単電池の全てについて、並列に接続された前記スイッチ装置が開き状態から閉じ状態に切換えられた状態となった後に、前記抵抗及び前記スイッチ装置の対の両端に生じる電圧によって前記単電池が充電される状態が維持されるように構成されている。

すなわち、各単電池と並列に接続される抵抗及びスイッチ装置の対におけるスイッチ装置の開閉制御について、例えば満充電に相当する充電目標電圧に到達した時点でスイッチ装置を開き状態から閉じ状態に切換えるのではなく、その充電目標電圧よりも低い電圧値に設定されているバランス動作開始電圧まで上昇するに伴って、スイッチ装置を開き状態から閉じ状態に切換える。
二次電池は、充電電流を十分に小さくしても、内部で化学反応が継続して電池電圧が上昇してしまう傾向がある。従って、充電目標電圧に到達した時点でスイッチ装置を開き状態から閉じ状態に切換えたのでは、単電池の電圧が充電目標電圧を大きく上回る電圧まで上昇してしまうが、その充電目標電圧よりも低いバランス動作開始電圧に達するに伴ってスイッチ装置を開き状態から閉じ状態に切換えることで、単電池の電池電圧が充電目標電圧を大きく上回るような事態を回避できる。

更に、各単電池間の電池電圧のバランス動作としての観点から見ると、前記バランス動作開始電圧に達した後の単電池は電圧上昇の速度が低下するのに対して、前記バランス動作開始電圧に到達していない単電池は依然として高速に電圧が上昇しており、両者の間の電圧差が急速に縮まっていく。

更に又、各単電池に対応するスイッチ装置が全て開き状態から閉じ状態に切換えられて、各単電池が全て充電目標電圧に接近した状態においては、各単電池が前記抵抗及びスイッチ装置の対の両端に生じる電圧によって充電される。
この状態で充電が進行するときに、前記抵抗及びスイッチ装置の対の両端に生じる電圧を検討すると、各単電池に充電電流が流れているため、単電池の内部インピーダンスもその電圧に影響を与えるものであるが、ここまで各単電池の充電が進行した状態では、各単電池に流れる充電電流はかなり小さくなっており、抵抗及びスイッチ装置の対と単電池との１組の並列接続のインピーダンスは、単電池の内部インピーダンスの寄与が小さくなり、実用上、抵抗及びスイッチ装置の対の側の抵抗値で決まることになる。
従って、抵抗及びスイッチ装置の対の抵抗値を各単電池間で揃えておけば、各単電池の内部インピーダンスに多少のばらつきがあっても、各単電池に充電のために印加される電圧（前記抵抗及びスイッチ装置の対の両端の電圧）は、各単電池間で均一性が高いものとなっており、それによって充電される各単電池の電圧ばらつきを高い精度で抑制できるものとなっている。
しかも、以上のような高精度の電圧ばらつきの抑制動作は、適切な回路部品の選定と、前記バランス動作開始電圧に達したか否かによるスイッチ装置の開閉の切換えだけの制御で実現できる。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記抵抗は、その抵抗と対をなす前記スイッチ装置が閉じ状態となったときに、その抵抗及びスイッチ装置の対と並列に接続されている前記単電池にも、その単電池の充電に寄与し得る電流が流れる抵抗値に設定されて構成されている。
すなわち、開き状態から閉じ状態へ切換えられたスイッチ装置に対応する単電池に充電電流が流れる状態が維持されるために、その電流の分だけ抵抗及びスイッチ装置の対に流れる電流が減少することになり、抵抗やスイッチ装置を小型化でき、又、それらの発熱を低減できる。

又、本出願の第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加えて、前記切換え回路は、前記単電池の電圧と前記バランス動作電圧とを比較する比較回路を備え、前記比較回路の出力によって前記スイッチ装置の開閉を切換えるように構成されている。
すなわち、各セル毎のスイッチ装置のオン抵抗，放電抵抗のばらつきが少なければ比較回路の出力でスイッチ装置の開閉を切換えるだけの制御構成で、各単電池の電圧ばらつきを高精度に抑制できる。

上記第１の発明によれば、適切な回路部品の選定と、前記バランス動作開始電圧に達したか否かによるスイッチ装置の開閉の切換えだけの制御で、上述のような高精度の電圧ばらつきの抑制動作を実現でき、装置構成の複雑化や大型化を可及的に回避しながら、単電池の電圧を均等化できる二次電池のセル電圧バランス装置を提供できるに至った。
又、上記第２の発明によれば、抵抗やスイッチ装置を小型化でき、又、それらの発熱を低減できるので、装置構成の一層の簡素化を図ることができる。
又、上記第３の発明によれば、比較回路の出力でスイッチ装置の開閉を切換えるだけの制御構成で、各単電池の電圧ばらつきを高精度に抑制できるものとなった。

以下、本発明の二次電池のセル電圧バランス装置の実施の形態を、二次電池の一例であるリチウムイオン電池の充電装置の一部として備える場合について、図面に基づいて説明する。
本実施の形態において充電の対象となるリチウムイオン電池１は、図１に示すように、複数の単電池１ａを直列接続して組電池として構成されたものであり、そのリチウムイオン電池１を充電する充電装置ＢＣは、リチウムイオン電池１へ充電電流を供給する充電電源２と、セル電圧バランス装置３とを備えて構成されている。
本実施の形態の充電装置ＢＣは、充電対象のリチウムイオン電池１と共に航空機に搭載される場合を想定しており、リチウムイオン電池１を構成する単電池１ａの個数は図１に示すものよりも多いが、説明の便宜上単電池１ａの個数が４個であるとして説明する。
尚、本実施の形態では、図面等において単電池１ａを適宜に「セル」と表現する場合がある。

セル電圧バランス装置３は、各単電池１ａの夫々に対応して、直列接続された抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対と、比較回路３ｃとを備えて構成されている。
スイッチ装置３ｂは、ＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタにて構成されている。
抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対は、各単電池１ａと並列に接続されており、比較回路３ｃは、各単電池１ａの両端電圧が入力されて、スイッチ装置３ｂの開閉を切換え制御する信号をスイッチ装置３ｂへ出力するように接続されている。
このスイッチ装置３ｂを開閉することによって各単電池１ａの電池電圧を均等化する。

スイッチ装置３ｂが開き状態（ＯＦＦ状態）では、直列接続された抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対には電流が流れず、充電電源２から供給される充電電流は全て単電池１ａ側を流れる。
一方、スイッチ装置３ｂが閉じ状態（ＯＮ状態）となったときは、充電電源２から供給される電流は、抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対の側にも流れる。
スイッチ装置３ｂが閉じ状態であるとき、抵抗３ａの抵抗値が小さいと、対応する単電池１ａは抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂを通して放電することになるが、本実施の形態では、抵抗３ａの抵抗値を単電池１ａの内部抵抗に比べてある程度大きい値に設定して、その抵抗３ａと対をなすスイッチ装置３ｂが閉じ状態となったときに、その抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対と並列に接続されている単電池１ａにも、充電電源２から供給される電流が流れて、その単電池１ａの充電に寄与し得るようにしている。

比較回路３ｃは、スイッチ装置３ｂを開き状態と閉じ状態とに切換える切換え回路ＳＣとして備えられ、単電池１ａの電圧をバランス動作開始電圧として設定している電圧と比較して、単電池１ａの電圧が前記バランス動作開始電圧を超えたときに、スイッチ装置３ｂを開き状態から閉じ状態に切換え、その後、充電電源２側から解除信号を受け取るまでその閉じ状態を維持させる。このために、比較回路３ｃは、コンパレータと比較出力のホールド回路とから構成されている。尚、スイッチ装置３ｂを閉じ状態に切換えたときの単電池１ａの電圧低下が小さいときは、上記ホールド回路は不要である。
前記バランス動作開始電圧は、例えば満充電に相当する電圧として設定されている充電目標電圧（例えば、４．２Ｖ）よりも低い電圧値に設定されており、具体的には、前記充電目標電圧の９５％〜９７％程度に設定されている。
詳しくは後述するが、各単電池１ａ毎に備えられている抵抗３ａの抵抗値及びスイッチ装置３ｂのＯＮ抵抗は、夫々、抵抗値の揃ったものを選別して使用している。

次ぎに、充電電源２によってリチウムイオン電池１を充電する場合の、セル電圧バランス装置３の動作について説明する。
リチウムイオン電池１を構成する各単電池１ａは、同じ条件で充電を行っても、各単電池１ａ間の特性ばらつきにより、充電の進行速度が単電池１ａ間で異なってくる。
セル電圧バランス装置３は、このようなばらつきを補正して、最終的には、各単電池１ａがいずれも充電目標電圧（例えば、４．２Ｖ）に精度良く充電されるように動作する。

充電の進行度合いに応じた充電制御の過程を、スイッチ装置３ｂの開閉の切換え状態と、電流が流れているか否かを示す図３を参照して説明する。
図３においては、スイッチ装置３ｂの開閉の状態を「（ＯＦＦ）」（開き状態）又は「（ＯＮ）」（閉じ状態）として示し、単電池１ａあるいは抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの側脇に矢印を付すか否かによって、電流が流れているか否かを示している。
又、各単電池１ａは、説明の便宜上、「＃１」〜「＃４」と番号付けをして区別している。

充電初期においては、上述のように、各スイッチ装置３ｂは全て開き状態であり（図３（ａ）参照）、充電電源２から供給される充電電流は、直列接続の単電池１ａの側のみに流れる。
この充電電流によって各単電池１ａが充電され、各単電池１ａの電圧は上昇して行くが、各単電池１ａ間の特性ばらつきによって、各単電池１ａの電圧もばらつく。
図２は、各単電池１ａの電圧のばらつきを示すもので、「＃１」〜「＃４」の各単電池１ａの電圧を棒グラフの形式で示している。
図２中において、「Ｖｔ」は前記充電目標電圧を示しており、「Ｖｂ」は前記バランス動作開始電圧を示している。

図２（ａ）に示す状態まで充電が進行すると、「＃１」及び「＃４」の単電池１ａは、前記バランス動作開始電圧（「Ｖｂ」）まで上昇して、それに伴って、それらの単電池１ａに対応するスイッチ装置３ｂは開き状態から閉じ状態に切換えられている。
その状態を示す図３（ｂ）のように、「＃１」及び「＃４」の単電池１ａについては、充電電流が単電池１ａと抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対とに分流され、「＃２」及び「＃３」の単電池１ａについては、充電電流が全て単電池１ａを流れる。
従って、「＃１」及び「＃４」の単電池１ａについては、充電の進行速度が低下し、「＃２」及び「＃３」の単電池１ａについては、充電の進行速度は低下しないため、充電の進行が送れていた「＃２」及び「＃３」の単電池１ａが、充電が先行していた「＃１」及び「＃４」の単電池１ａに追いついていく格好となる。

「＃１」及び「＃４」の単電池１ａは、スイッチ装置３ｂが開き状態から閉じ状態に切換えられる前の充電状態の影響で充電反応が進行し、スイッチ装置３ｂが開き状態から閉じ状態に切換えられた後の充電電流による電圧上昇よりも大きく電圧上昇する場合もあるが、上述のように、前記バランス動作開始電圧が前記充電目標電圧よりも低く設定されているために、前記充電目標電圧を大きく超えて電圧上昇してしまうようなことはない。

このような状態で更に充電が進行して、図２（ｂ）に示すように、「＃２」及び「＃３」の単電池１ａについても電池電圧が前記バランス動作開始電圧（「Ｖｂ」）を超えると、それらに対応するスイッチ装置３ｂも開き状態から閉じ状態へ切換えられる。
このように、組電池であるリチウムイオン電池１を構成する複数の単電池１ａの全てについて、並列に接続されたスイッチ装置が開き状態から閉じ状態に切換えられた状態となった後においては、図３（ｃ）に示すように、全ての単電池１ａについて、充電電流が単電池１ａと抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対とに分流され、各単電池１ａが、夫々が対応する抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対の両端に生じる電圧によって充電される関係となり、その状態が維持される。

この時点では、充電の進行によって単電池１ａ側に流れる電流は減少してきており、単電池１ａの内部インピーダンスが、抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対と単電池１ａとの並列接続のインピーダンスに影響する割合が小さくなってきている。
そのため、各単電池１ａ間で内部インピーダンスが多少ばらついても、抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対と単電池１ａとの並列接続のインピーダンスはそれほど変化せず、図３（ｃ）中において「Ｖｃ１」〜「Ｖｃ４」で示す各並列接続の電圧（換言すると、抵抗３ａ及びスイッチ装置３ｂの対の両端電圧）は、かなり精度良く一致した電圧になり、充電が更に進行することで、更に一致して行くことになる。
従って、各単電池１ａは、精度良く均一化された電圧で充電されていくことになる。
最終的には、充電電源２側が、上記の「Ｖｃ１」〜「Ｖｃ４」が前記充電目標電圧となるように充電制御を行い、フロート充電の場合はその状態が維持される。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、スイッチ装置３ｂが開き状態から閉じ状態に切換えられたときに、対応する単電池１ａに充電電流が流れる状態が維持される場合を例示しているが、単電池１ａの電圧が前記バランス動作開始電圧まで上昇してスイッチ装置３ｂが開き状態から閉じ状態へ切換えられたときに、対応する単電池１ａが放電して、単電池１ａ間の電圧バランスをより迅速に調整するように構成しても良い。
この場合、比較回路３ｃは、スイッチ装置３ｂを閉じ状態から開き状態に切換えるためのバランス動作停止電圧を前記バランス動作開始電圧よりも低い電圧に設定しておくことが望ましく、単電池１ａの電圧が放電やスイッチ装置３ｂの開閉によるインピーダンスの変化によって前記バランス動作停止電圧まで下降すると、スイッチ装置３ｂを閉じ状態から開き状態に切換えて充電を再開し、それに伴って電圧が上昇して前記バランス動作開始電圧まで上昇すると再びスイッチ装置３ｂを開き状態から閉じ状態に切換える、という操作を行って、充電の進行が遅れている他の単電池１ａの電圧上昇を待つ。

（２）上記実施の形態では、スイッチ装置３ｂとしてＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタを例示しているが、バイポーラ型のトランジスタで構成しても良いし、あるいは、機械式リレーによって構成しても良い。
（３）上記実施の形態では、充電の対象となる二次電池としてリチウムイオン電池１を例示しているが、ニッカド電池等の他の二次電池の充電においても本発明を適用できる。

本発明の実施の形態にかかる充電回路の概略構成図 本発明の実施の形態にかかる充電の進行に伴う各単電池の電圧変化を示す図 本発明の実施の形態にかかる充電の進行に伴う回路の動作状態の変化を示す図

符号の説明

１ａ 単電池
３ａ 抵抗
３ｂ スイッチ装置
３ｃ 比較回路
ＳＣ 切換え回路

Claims (3)

1. 複数の単電池を直列接続して構成された組電池に対して、直列接続された抵抗及びスイッチ装置の対を各単電池と並列に接続して、前記スイッチ装置を開閉することにより各単電池の電池電圧を均等化する二次電池のセル電圧バランス装置であって、
   前記単電池毎に、前記単電池の電圧が、充電目標電圧よりも低い電圧値に設定されているバランス動作開始電圧まで上昇するに伴って、前記単電池と並列に接続されている前記スイッチ装置を開き状態から閉じ状態に切換える切換え回路が設けられ、
   前記複数の単電池の全てについて、並列に接続された前記スイッチ装置が開き状態から閉じ状態に切換えられた状態となった後に、前記抵抗及び前記スイッチ装置の対の両端に生じる電圧によって前記単電池が充電される状態が維持されるように構成されている二次電池のセル電圧バランス装置。
2. 前記抵抗は、その抵抗と対をなす前記スイッチ装置が閉じ状態となったときに、その抵抗及びスイッチ装置の対と並列に接続されている前記単電池にも、その単電池の充電に寄与し得る電流が流れる抵抗値に設定されて構成されている請求項１記載の二次電池のセル電圧バランス装置。
3. 前記切換え回路は、前記単電池の電圧と前記バランス動作電圧とを比較する比較回路を備え、
   前記比較回路の出力によって前記スイッチ装置の開閉を切換えるように構成されている請求項１又は２記載の二次電池のセル電圧バランス装置。

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