JP3389670B2 - ２次電池の直列接続回路 - Google Patents
２次電池の直列接続回路Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、リチウムイオン２次電
池等の非水溶媒系２次電池による組電池に関し、特に非
水溶媒系２次電池等を直列接続した組電池の過充電・過
放電を防止する２次電池の直列接続回路に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来のリチュウム電池等の非水溶媒系２
次電池の過充電・過放電を防止する装置としては、特開
平４−３３１４２５号、あるいは特開昭６１−２０６１
７９号に開示されているものがある。図１０は従来の過
充電・過放電防止装置の構成図であり、２個のリチウム
イオン２次電池２１ａ、２１ｂを直列接続した組電池の
例を示している。一般的に、リチウムイオン電池は自己
放電が小さく充電効率が高いなどの利点を有するが、正
極、負極の活物質、有機電解液間の化学反応によって決
まる設計電圧（または充電終止電圧等の設定電圧）があ
り、設計電圧を超えて充電することを過充電と呼び、過
充電を行うと負極上でのＬｉ金属の析出や、正極活物質
の分解により生ずるコバルトイオンによるＣｏ金属、あ
るいはコバルト化合物の析出、有機電解液の分解が生
じ、正負極のショ−トや著しい電池性能の劣化を招くの
で過充電は避けなければならないとされている。 【０００３】放電の場合も極集電体（Ｃｕ）の溶解電圧
（または放電終止電圧）以下まで放電することを過放電
と呼び、過放電では銅Ｃｕがイオン化して電解液中に溶
出することにより、集電機能が低下して極活物質の脱落
が生じ、過充電の場合と比較すればダメ−ジは小さいも
のの、溶出した銅イオンによる正負極のショ−ト、電池
容量の低下などを招くので、過放電も避けなければなら
ない。このような過充電・過放電を避けるために、図１
０の回路では、共通端子３０と充電端子３１間に充電用
電源を接続して、スイッチ手段２３をＯＮしてリチウム
イオン電池２１ａ、２１ｂを充電する際、電圧検出器２
４ａ、２４ｂにより各電池電圧をチェックしていずれか
一方の電池が設定電圧を超えると、ＦＥＴやＳＳＲで構
成するスイッチ手段２３をＯＦＦし、充電電流を遮断す
ることにより過充電を避けるようにしている。一方、放
電時はスイッチ手段２５をＯＮして、電圧検出器２６に
より放電電圧をチェックし、溶解電圧以下になったらス
イッチ手段２５をＯＦＦして過放電を避けるようにして
いる。 【０００４】図１１は従来のリチウム２次電池の直列接
続回路の構成図であり、リチウムを負極として、正極に
活性炭または２硫化チタン・マンガン酸化物などを用い
たリチウム２次電池４１ａ、４１ｂ、…、４１ｎを複数
個直列に接続して使用する場合に、各電池に充電電圧が
均等に配分されず充電特性にバラツキが生じて電池性能
が劣化する問題を避けるため、各電池に並列に定電圧回
路（ツェナ−ダイオ−ド等）ＺＤａ、ＺＤｂ、…、ＺＤ
ｎを接続して、これら定電圧回路による電圧検出により
バラツキを抑止しようとするものである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示すリチウムイオン２次電池の従来例においては、放
電時は総電圧が溶解電圧以下になったら放電を停止し、
充電時は各電池のいずれか１個でも満充電に達したら充
電を終了するという構成であって、温度分布の不均一等
の原因による各電池の充・放電効率の違いで発生するＤ
ＯＤ（Ｄｅｐｔｈｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：放電深度
％表示）のバラツキ増加を抑える機能が用意されていな
い。 【０００６】従って、図１２の組電池の充・放電効率説
明図に示すように、２個のリチウムイオン２次電池Ａ、
Ｂを直列に組電池状態で使用する場合は、低い方の電池
容量によって使用できる容量が規定されてしまうため
に、ＤＯＤのバラツキによって第１回目の充電時、電池
Ａが１００Ａｈ、電池Ｂが９９Ａｈであって使い切るも
のとすれば、電池Ａ、Ｂとも使用容量は９９Ａｈである
から、放電作動の際に電池Ａは１Ａｈ分無駄になり、第
１０回目では９．５Ａｈ分を無駄にしていることにな
り、このようにＤＯＤのバラツキの増加によって、組電
池として使用できるエネルギ−量が減ってしまうという
問題がある。 【０００７】またリチウムイオン２次電池は過充電によ
る容量劣化度（寿命）が大きく、図１３の過充電サイク
ル特性図に示すように、定電流・定電圧充電を行った場
合、定電圧の設定値が４．２Ｖから４．３Ｖへ０．１Ｖ
増加しただけで、１００サイクル目の容量劣化率が２．
５％から１０％台に増加し、設定電圧０．１Ｖ（４．２
Ｖに対して２．４％）の誤差によって寿命が１／４に低
下してしまい、ＤＯＤのバラツキ増加によって電池寿命
が著しく短縮されるという問題がある。それに対し、過
放電による容量劣化の程度は小さく、図１４の過放電サ
イクル特性図に示すように、放電終止電圧（溶解電圧）
が２．５Ｖから１．０Ｖになっても、１００サイクル目
の容量劣化率は２．５％から６％の増加に止まり、放電
終止電圧１．５Ｖ（２．５Ｖに対して６０％）の誤差で
も寿命が１／２に低下するに止まる。 【０００８】図１１のリチウム２次電池の場合も、各電
池４１ａ、４１ｂ、…、４１ｎに並列に接続した定電圧
回路によって電圧検出しているので、例えば図１５の
（ａ）ように３個のリチウム２次電池Ｅ、Ｆ、Ｇを直列
接続して定電圧回路としてツェナ−ダイオ−ドによって
電圧検出する際、どうしてもツェナ−ダイオ−ドと周辺
のバラツキ等により電圧検出レベルに誤差が発生する。 【０００９】いま誤差により、電池Ｅは０．１Ｖ低く検
出してしまうものとすれば、図１５の（ｂ）に示すよう
に、満充電時の実際電圧は４．３Ｖになり、電池Ｆは正
確な場合で実際電圧は４．２Ｖ、そして電池Ｇは０．１
Ｖ高く検出してしまうものとして実際の充電電圧は４．
１Ｖになるとすると、この状態で満充電したリチウム２
次電池Ｅ（１１０Ａｈ）、Ｆ（１００Ａｈ）、Ｇ（９０
Ａｈ）を直列組電池として使用する際は、最低の電池Ｇ
の電池容量９０Ａｈが使用容量となり、電池Ｆの実際の
容量１００Ａｈに対して９０％の容量分しか使用できな
いことになる。また、この場合には、電池Ｅが過充電状
態になるので真っ先に寿命が短くなる。すなわち、電圧
検出のバラツキによって組電池として使用できるエネル
ギ−量が減り、電池寿命が短縮されるという問題があ
る。 【００１０】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
のであり、ＤＯＤおよび電圧検出等のバラツキを補正し
て、組電池として使用できるエネルギ−量の減少を防止
し、過充電によって電池寿命が短縮される確率を低下さ
せるようにした２次電池の直列接続回路を提供すること
を目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】このため本発明は、ＤＯ
Ｄに応じて端子電圧が変化する２次電池を複数個直列に
接続して構成する組電池において、各２次電池を並列接
続に切り替え可能の直並列切替スイッチと、直並列切替
スイッチにより各２次電池の直列接続を並列接続に切り
替えてＤＯＤを揃えてから直列接続に戻す制御手段と、
組電池の両端に接続されて組電池を充電する充電手段と
を備え、制御手段により直列接続に戻した後、充電手段
による充電を開始するように構成されたものとした。 【００１２】 【作用】本発明では、直並列切替スイッチにより各２次
電池の直列接続を並列接続に切り替えることにより各２
次電池のＤＯＤが揃うので、その後再び直列接続に戻し
て充電を行なうことができる。 【００１３】 【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例に係る２次電池の直
列接続回路の構成図である。複数（ｎ個）の２次電池１
ａ、１ｂ、…、１ｎを直列接続して組電池状態とし、直
列接続の放電抵抗２ａおよび放電用トランジスタ３ａ、
放電抵抗２ｂおよび放電用トランジスタ３ｂ、そして放
電抵抗２ｎおよび放電用トランジスタ３ｎの各放電スイ
ッチ回路（バイパス回路）を、２次電池１ａ、１ｂ、
…、１ｎのそれぞれに並列に接続している。 【００１４】同じく２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎそれ
ぞれに並列に接続して、各電池の電圧を検知する電圧検
出器４ａ、４ｂ、…、４ｎと、各電圧検出器の電圧検出
値を入力してＤＯＤを検出し、放電用トランジスタ３
ａ、３ｂ、…、３ｎをＯＮ／ＯＦＦして各２次電池１
ａ、１ｂ、…、１ｎを独立に放電させる制御用のコント
ロ−ラ５と、充電時に組電池に充電電圧・電流を印加す
るための充電器７と、コントロ−ラ５の制御信号により
充電器７の出力をＯＮ／ＯＦＦするコンタクタ６と、充
電動作開始用の充電信号スイッチ８とで構成されてい
る。 【００１５】図２は図１に示す実施例の動作のフロ−チ
ャ−トである。まず、ステップ１０１において、コント
ロ−ラ５で、充電シ−ケンス（充電動作）をスタ−トさ
せる充電信号スイッチ８の状態をチェックし、充電動作
を開始するか否かを判断する。なお、一般に充電器は電
池とは別置きなので、充電器と電池を接続するコネクタ
の接続動作に同期して、スイッチ８をＯＮ／ＯＦＦさせ
てもよい。そして、充電信号スイッチ８がＯＮの場合は
ステップ１０２へ進み、電圧検出器４ａ、４ｂ、…、４
ｎにより検出される各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎの
電圧をチェックする。これにより、各電池のＤＯＤが検
出される。（電圧検出手段の動作に相当） 【００１６】すなわち、ＤＯＤは図３に示すような電池
電圧と放電電流をパラメータとする特性図により求めら
れる。２次電池１ａを例にとれば、放電用トランジスタ
３ａがＯＮしているときの当該放電スイッチ回路の放電
抵抗２ａの抵抗値をＲ、電圧検出器４ａで検出した２次
電池１ａの電圧をＶとして、放電スイッチ回路を流れる
放電電流値Ｉは、 Ｉ＝Ｖ／Ｒ で求められ、これらＩとＶに基づいて上記特性図から読
み取ることができる。 【００１７】なお、特性は各２次電池の内部抵抗により
異なり、電池の製造上のばらつきや劣化によって内部抵
抗は一定ではないので、負荷への放電の際、負荷電流と
電池電圧から個々の内部抵抗を求めておき、補正するよ
うにすればよい。ただし、適用対象によって、各２次電
池の内部抵抗を同一とみなし、放電用トランジスタがＯ
Ｎの状態でＤＯＤ１００％になる電圧を固定的に設定
し、その電圧に達したらＤＯＤ１００％とするものとし
て、設定作業を簡単なものとすることもできる。 【００１８】ステップ１０３では、各２次電池１ａ、１
ｂ、…、１ｎの中で、ＤＯＤが小さく電圧が予め設定さ
れた放電終止電圧以上の電池例えば１ａに関して、コン
トロ−ラ５より制御信号が送出され、その電池の放電用
トランジスタ３ａをＯＮさせて放電抵抗２ａとの放電ス
イッチ回路を介して独立に放電させる。一方、ＤＯＤが
大きく電圧が予め設定された放電終止電圧以下の電池
は、ＯＮして放電させると過放電になるので、これを避
けるためその電池の放電用トランジスタはＯＦＦのまま
とする。そしてステップ１０４において、各電池の電圧
が放電終止電圧になってＤＯＤが揃ったかどうかがチェ
ックされる。各電池のＤＯＤがまだ不揃いの場合（すな
わち、放電終止電圧になっていないとき）は、ステップ
１０２以降の処理を繰り返し、ＤＯＤが揃ったら次のス
テップ１０５へ進む。このとき、放電用トランジスタ３
ａ、３ｂ、…、３ｎはすべてＯＦＦになる。（放電手段
の動作に相当） 【００１９】ステップ１０５では、各電池のＤＯＤを揃
える上記独立放電処理の完了により、コントロ−ラ５か
らの制御信号によりコンタクタ６がＯＮされ、充電器７
より２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎへ充電電圧・電流を
印加して充電が開始される。そしてステップ１０６で、
コントロ−ラ５での各電圧検出器４ａ、４ｂ、…、４ｎ
の電圧検出により、各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎの
中で、その正極、負極の活物質、有機電解液間の化学反
応等によって決まる設計電圧（または充電終止電圧等の
設定電圧）に達した電池があるかがチェックされる。設
定電圧に達したものがない間はこのチェックが繰り返さ
れ、設定電圧に達した電池が発生したらステップ１０７
へ進む。ステップ１０７では、コンタクタ６を０ＦＦし
て充電を終了する。（充電手段の動作に相当） 【００２０】以上のように構成された本実施例において
は、放電後（電池使用後）に各２次電池の独立放電によ
りＤＯＤを揃えるようにしたので、検出器等の誤差をあ
る程度見込んでも、図１０、図１２の従来例の場合のよ
うにＤＯＤの差が広がり、使用できるエネルギ−量が減
って行くような事態が防止される。 【００２１】なお、図１１、図１５の従来例でも、各電
池に接続されたツェナーダイオードにより印加電圧が制
限され、所定電圧になった以降ＤＯＤの大きさの順で充
電電流が減少するのでＤＯＤを揃える方向に進む。しか
し、図５に示されるように、充電時よりも放電時の方が
内部抵抗が大きくなるので、同じ電流であれば、Ｖ＝Ｉ
・ＲによりＤＯＤの変化に対する電圧の変化は放電時の
方が大きい。このため、同じ精度の電圧検出器を用いて
も上記従来例によるよりはＤＯＤの不揃いを小さく収め
ることができる。また、温度ドリフトなどによって電圧
検出器のゼロ点がずれたりして、図４に示すような電圧
検出レベルに誤差があるような場合にも、図３の放電特
性図に示されるように、ＤＯＤが大になるにしたがって
電圧低下の傾きが大きくなるため、このＤＯＤ大の領域
で合わせることによりＤＯＤの不揃いを容易に小さくで
きる。 【００２２】なお、第２の実施例として、図２のステッ
プ１０３、１０４の処理において、各２次電池１ａ、１
ｂ、…、１ｎのＤＯＤを揃えるための放電を、放電終止
電圧まで全ての電池を放電させるかわりに、放電後（使
用後）の最低電圧の電池を基準にして各電池をそれに合
わせて放電させ揃えるようにすれば、充電時間の短縮と
充電に要するエネルギ−量の節約が可能になる。 【００２３】さらに本発明の第３の実施例として、第１
の実施例の図２に示したステップ１０６、１０７におけ
る充電処理において、各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎ
中いずれか１個の電池が設定電圧（充電終止電圧）に達
した場合、直ちに充電を終了するのにかわって、それ以
降も充電器７の出力電圧をホ−ルドして、定電圧充電に
切り替え充電電流を徐々に小さくすることで続行するよ
うにすれば、過電圧による過充電が防止でき、よりスム
−スに全ての電池の満充電を実施できる。 【００２４】つぎに本発明の第４の実施例として、先の
第１の実施例の図２に示したステップ１０３、１０４の
処理で放電終止電圧まで放電させるかわりに、ＤＯＤを
合わせるための放電をＤＯＤ８０％〜１００％の範囲で
実施することもできる。図５は本実施例による２次電池
のＤＯＤと内部抵抗の特性曲線を示す図である。放電時
の内部抵抗はＤＯＤ８０％から急変するので、この間Ｄ
ＯＤの変化に対する放電時の電圧変化が大きくなるの
で、この範囲では電圧検出器の誤差に対してＤＯＤの調
整誤差が小さくなるという利点がある。 【００２５】つぎに図６は、本発明の第５の実施例に係
る２次電池の直列接続回路の構成図である。上述の各実
施例では、放電用のスイッチ回路を介し、独立に放電さ
せることで各２次電池のＤＯＤを揃えるようにしていた
が、代わりに充電前に各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎ
を、直列接続から並列接続に切り替えることによってＤ
ＯＤを揃えるようにしたものである。 【００２６】図６の（ａ）のような通常の直列接続のリ
チウムイオン２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎの組電池
を、充電に際して、図６の（ｂ）に示すように、各直並
列切替スイッチＳａ、Ｓｂ、…、Ｓｎによって、各電池
１ａ、１ｂ、…、１ｎを並列接続に切り替える。リチウ
ムイオン２次電池にはコンデンサ類似の特性があって、
ＤＯＤの異なる電池を複数並列接続するとＤＯＤが揃っ
てくる。（鉛バッテリ−に比較してＤＯＤが良く揃う） こうして並列接続に切り替えてＤＯＤを揃えた後、再
度、直並列切替スイッチＳａ、Ｓｂ、…、Ｓｎによって
（ａ）の直列接続に戻し、充電を開始する。図７は、図
６の直並列各回路において、並列接続時の過電流対策用
に各抵抗Ｒａ、Ｒｂ、…、Ｒｎを挿入した回路例であ
る。これら図６、図７の実施例の場合は、放電終止電圧
以下か否かを検出してトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ制御
を行なうことや放電後の電圧検出を行なう分だけ、制御
を簡略化できる利点がある。 【００２７】つぎに図８は、本発明の第６の実施例に係
る２次電池の直列接続回路の構成図である。これは、前
述の実施例においては充電する前の前処理としてＤＯＤ
を揃えていたのに対し、コントローラ５’が２次電池の
使用中の放電の間にＤＯＤを揃えながら電池を使用する
ように制御するものである。この実施例では、３個の２
次電池１ａ、１ｂ、１ｃが直列接続されているものとす
る。その他の構成は図１と同じである。 【００２８】図９はこの実施例における動作を示すフロ
−チャ−トである。まずステップ２０１では、コントロ
ーラ５’において、２次電池１ａ、１ｂ、１ｃの検出電
圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の中で最も低いＶｍｉｎのものを求
める。ステップ２０２で、Ｖｍｉｎの電池例えば２次電
池１ｂと他の電池の電圧差をそれぞれ求める。そしてス
テップ２０３では、電圧の差が設定値以上の電池の放電
スイッチ回路（パイパス回路）の放電用トランジスタ３
ａまたは３ｃをＯＮして独立に放電させ、ＤＯＤのバラ
ツキを抑える。以上の動作が常時繰り返される。この場
合は使用中（負荷への放電中）も常にＤＯＤを揃えてい
るので、充電時に行う前処理としてのＤＯＤ揃えが省略
できる。 【００２９】なお、各実施例はリチウム２次電池あるい
はリチウムイオン２次電池いずれについても適用できる
ものであるが、これらに限定されるものではなく、その
他の非水溶媒系２次電池、ポリマ−系リチウム２次電池
等、抵抗（電池の内部抵抗）およびコンデンサの直列回
路と、電圧、電流、時間の関係において等価の特性を示
す電池にも適用できることはもちろんである。 【００３０】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各２次電池を並列接続に切り替え可能の直並列切替スイ
ッチを用いて、充電直前に直並列切替スイッチにより各
２次電池の直列接続を並列接続に切り替えるようにした
ので、放電スイッチ回路なしで各電池のＤＯＤを揃える
ことができ、このあと直列接続に戻してから充電を開始
することにより、ＤＯＤのバラツキにより組電池として
使用できるエネルギ−量の減少を防止し、また過充電に
よって電池寿命が短縮される確率を低下させる効果があ
る。
池等の非水溶媒系２次電池による組電池に関し、特に非
水溶媒系２次電池等を直列接続した組電池の過充電・過
放電を防止する２次電池の直列接続回路に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来のリチュウム電池等の非水溶媒系２
次電池の過充電・過放電を防止する装置としては、特開
平４−３３１４２５号、あるいは特開昭６１−２０６１
７９号に開示されているものがある。図１０は従来の過
充電・過放電防止装置の構成図であり、２個のリチウム
イオン２次電池２１ａ、２１ｂを直列接続した組電池の
例を示している。一般的に、リチウムイオン電池は自己
放電が小さく充電効率が高いなどの利点を有するが、正
極、負極の活物質、有機電解液間の化学反応によって決
まる設計電圧（または充電終止電圧等の設定電圧）があ
り、設計電圧を超えて充電することを過充電と呼び、過
充電を行うと負極上でのＬｉ金属の析出や、正極活物質
の分解により生ずるコバルトイオンによるＣｏ金属、あ
るいはコバルト化合物の析出、有機電解液の分解が生
じ、正負極のショ−トや著しい電池性能の劣化を招くの
で過充電は避けなければならないとされている。 【０００３】放電の場合も極集電体（Ｃｕ）の溶解電圧
（または放電終止電圧）以下まで放電することを過放電
と呼び、過放電では銅Ｃｕがイオン化して電解液中に溶
出することにより、集電機能が低下して極活物質の脱落
が生じ、過充電の場合と比較すればダメ−ジは小さいも
のの、溶出した銅イオンによる正負極のショ−ト、電池
容量の低下などを招くので、過放電も避けなければなら
ない。このような過充電・過放電を避けるために、図１
０の回路では、共通端子３０と充電端子３１間に充電用
電源を接続して、スイッチ手段２３をＯＮしてリチウム
イオン電池２１ａ、２１ｂを充電する際、電圧検出器２
４ａ、２４ｂにより各電池電圧をチェックしていずれか
一方の電池が設定電圧を超えると、ＦＥＴやＳＳＲで構
成するスイッチ手段２３をＯＦＦし、充電電流を遮断す
ることにより過充電を避けるようにしている。一方、放
電時はスイッチ手段２５をＯＮして、電圧検出器２６に
より放電電圧をチェックし、溶解電圧以下になったらス
イッチ手段２５をＯＦＦして過放電を避けるようにして
いる。 【０００４】図１１は従来のリチウム２次電池の直列接
続回路の構成図であり、リチウムを負極として、正極に
活性炭または２硫化チタン・マンガン酸化物などを用い
たリチウム２次電池４１ａ、４１ｂ、…、４１ｎを複数
個直列に接続して使用する場合に、各電池に充電電圧が
均等に配分されず充電特性にバラツキが生じて電池性能
が劣化する問題を避けるため、各電池に並列に定電圧回
路（ツェナ−ダイオ−ド等）ＺＤａ、ＺＤｂ、…、ＺＤ
ｎを接続して、これら定電圧回路による電圧検出により
バラツキを抑止しようとするものである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示すリチウムイオン２次電池の従来例においては、放
電時は総電圧が溶解電圧以下になったら放電を停止し、
充電時は各電池のいずれか１個でも満充電に達したら充
電を終了するという構成であって、温度分布の不均一等
の原因による各電池の充・放電効率の違いで発生するＤ
ＯＤ（Ｄｅｐｔｈｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：放電深度
％表示）のバラツキ増加を抑える機能が用意されていな
い。 【０００６】従って、図１２の組電池の充・放電効率説
明図に示すように、２個のリチウムイオン２次電池Ａ、
Ｂを直列に組電池状態で使用する場合は、低い方の電池
容量によって使用できる容量が規定されてしまうため
に、ＤＯＤのバラツキによって第１回目の充電時、電池
Ａが１００Ａｈ、電池Ｂが９９Ａｈであって使い切るも
のとすれば、電池Ａ、Ｂとも使用容量は９９Ａｈである
から、放電作動の際に電池Ａは１Ａｈ分無駄になり、第
１０回目では９．５Ａｈ分を無駄にしていることにな
り、このようにＤＯＤのバラツキの増加によって、組電
池として使用できるエネルギ−量が減ってしまうという
問題がある。 【０００７】またリチウムイオン２次電池は過充電によ
る容量劣化度（寿命）が大きく、図１３の過充電サイク
ル特性図に示すように、定電流・定電圧充電を行った場
合、定電圧の設定値が４．２Ｖから４．３Ｖへ０．１Ｖ
増加しただけで、１００サイクル目の容量劣化率が２．
５％から１０％台に増加し、設定電圧０．１Ｖ（４．２
Ｖに対して２．４％）の誤差によって寿命が１／４に低
下してしまい、ＤＯＤのバラツキ増加によって電池寿命
が著しく短縮されるという問題がある。それに対し、過
放電による容量劣化の程度は小さく、図１４の過放電サ
イクル特性図に示すように、放電終止電圧（溶解電圧）
が２．５Ｖから１．０Ｖになっても、１００サイクル目
の容量劣化率は２．５％から６％の増加に止まり、放電
終止電圧１．５Ｖ（２．５Ｖに対して６０％）の誤差で
も寿命が１／２に低下するに止まる。 【０００８】図１１のリチウム２次電池の場合も、各電
池４１ａ、４１ｂ、…、４１ｎに並列に接続した定電圧
回路によって電圧検出しているので、例えば図１５の
（ａ）ように３個のリチウム２次電池Ｅ、Ｆ、Ｇを直列
接続して定電圧回路としてツェナ−ダイオ−ドによって
電圧検出する際、どうしてもツェナ−ダイオ−ドと周辺
のバラツキ等により電圧検出レベルに誤差が発生する。 【０００９】いま誤差により、電池Ｅは０．１Ｖ低く検
出してしまうものとすれば、図１５の（ｂ）に示すよう
に、満充電時の実際電圧は４．３Ｖになり、電池Ｆは正
確な場合で実際電圧は４．２Ｖ、そして電池Ｇは０．１
Ｖ高く検出してしまうものとして実際の充電電圧は４．
１Ｖになるとすると、この状態で満充電したリチウム２
次電池Ｅ（１１０Ａｈ）、Ｆ（１００Ａｈ）、Ｇ（９０
Ａｈ）を直列組電池として使用する際は、最低の電池Ｇ
の電池容量９０Ａｈが使用容量となり、電池Ｆの実際の
容量１００Ａｈに対して９０％の容量分しか使用できな
いことになる。また、この場合には、電池Ｅが過充電状
態になるので真っ先に寿命が短くなる。すなわち、電圧
検出のバラツキによって組電池として使用できるエネル
ギ−量が減り、電池寿命が短縮されるという問題があ
る。 【００１０】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
のであり、ＤＯＤおよび電圧検出等のバラツキを補正し
て、組電池として使用できるエネルギ−量の減少を防止
し、過充電によって電池寿命が短縮される確率を低下さ
せるようにした２次電池の直列接続回路を提供すること
を目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】このため本発明は、ＤＯ
Ｄに応じて端子電圧が変化する２次電池を複数個直列に
接続して構成する組電池において、各２次電池を並列接
続に切り替え可能の直並列切替スイッチと、直並列切替
スイッチにより各２次電池の直列接続を並列接続に切り
替えてＤＯＤを揃えてから直列接続に戻す制御手段と、
組電池の両端に接続されて組電池を充電する充電手段と
を備え、制御手段により直列接続に戻した後、充電手段
による充電を開始するように構成されたものとした。 【００１２】 【作用】本発明では、直並列切替スイッチにより各２次
電池の直列接続を並列接続に切り替えることにより各２
次電池のＤＯＤが揃うので、その後再び直列接続に戻し
て充電を行なうことができる。 【００１３】 【実施例】以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例に係る２次電池の直
列接続回路の構成図である。複数（ｎ個）の２次電池１
ａ、１ｂ、…、１ｎを直列接続して組電池状態とし、直
列接続の放電抵抗２ａおよび放電用トランジスタ３ａ、
放電抵抗２ｂおよび放電用トランジスタ３ｂ、そして放
電抵抗２ｎおよび放電用トランジスタ３ｎの各放電スイ
ッチ回路（バイパス回路）を、２次電池１ａ、１ｂ、
…、１ｎのそれぞれに並列に接続している。 【００１４】同じく２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎそれ
ぞれに並列に接続して、各電池の電圧を検知する電圧検
出器４ａ、４ｂ、…、４ｎと、各電圧検出器の電圧検出
値を入力してＤＯＤを検出し、放電用トランジスタ３
ａ、３ｂ、…、３ｎをＯＮ／ＯＦＦして各２次電池１
ａ、１ｂ、…、１ｎを独立に放電させる制御用のコント
ロ−ラ５と、充電時に組電池に充電電圧・電流を印加す
るための充電器７と、コントロ−ラ５の制御信号により
充電器７の出力をＯＮ／ＯＦＦするコンタクタ６と、充
電動作開始用の充電信号スイッチ８とで構成されてい
る。 【００１５】図２は図１に示す実施例の動作のフロ−チ
ャ−トである。まず、ステップ１０１において、コント
ロ−ラ５で、充電シ−ケンス（充電動作）をスタ−トさ
せる充電信号スイッチ８の状態をチェックし、充電動作
を開始するか否かを判断する。なお、一般に充電器は電
池とは別置きなので、充電器と電池を接続するコネクタ
の接続動作に同期して、スイッチ８をＯＮ／ＯＦＦさせ
てもよい。そして、充電信号スイッチ８がＯＮの場合は
ステップ１０２へ進み、電圧検出器４ａ、４ｂ、…、４
ｎにより検出される各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎの
電圧をチェックする。これにより、各電池のＤＯＤが検
出される。（電圧検出手段の動作に相当） 【００１６】すなわち、ＤＯＤは図３に示すような電池
電圧と放電電流をパラメータとする特性図により求めら
れる。２次電池１ａを例にとれば、放電用トランジスタ
３ａがＯＮしているときの当該放電スイッチ回路の放電
抵抗２ａの抵抗値をＲ、電圧検出器４ａで検出した２次
電池１ａの電圧をＶとして、放電スイッチ回路を流れる
放電電流値Ｉは、 Ｉ＝Ｖ／Ｒ で求められ、これらＩとＶに基づいて上記特性図から読
み取ることができる。 【００１７】なお、特性は各２次電池の内部抵抗により
異なり、電池の製造上のばらつきや劣化によって内部抵
抗は一定ではないので、負荷への放電の際、負荷電流と
電池電圧から個々の内部抵抗を求めておき、補正するよ
うにすればよい。ただし、適用対象によって、各２次電
池の内部抵抗を同一とみなし、放電用トランジスタがＯ
Ｎの状態でＤＯＤ１００％になる電圧を固定的に設定
し、その電圧に達したらＤＯＤ１００％とするものとし
て、設定作業を簡単なものとすることもできる。 【００１８】ステップ１０３では、各２次電池１ａ、１
ｂ、…、１ｎの中で、ＤＯＤが小さく電圧が予め設定さ
れた放電終止電圧以上の電池例えば１ａに関して、コン
トロ−ラ５より制御信号が送出され、その電池の放電用
トランジスタ３ａをＯＮさせて放電抵抗２ａとの放電ス
イッチ回路を介して独立に放電させる。一方、ＤＯＤが
大きく電圧が予め設定された放電終止電圧以下の電池
は、ＯＮして放電させると過放電になるので、これを避
けるためその電池の放電用トランジスタはＯＦＦのまま
とする。そしてステップ１０４において、各電池の電圧
が放電終止電圧になってＤＯＤが揃ったかどうかがチェ
ックされる。各電池のＤＯＤがまだ不揃いの場合（すな
わち、放電終止電圧になっていないとき）は、ステップ
１０２以降の処理を繰り返し、ＤＯＤが揃ったら次のス
テップ１０５へ進む。このとき、放電用トランジスタ３
ａ、３ｂ、…、３ｎはすべてＯＦＦになる。（放電手段
の動作に相当） 【００１９】ステップ１０５では、各電池のＤＯＤを揃
える上記独立放電処理の完了により、コントロ−ラ５か
らの制御信号によりコンタクタ６がＯＮされ、充電器７
より２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎへ充電電圧・電流を
印加して充電が開始される。そしてステップ１０６で、
コントロ−ラ５での各電圧検出器４ａ、４ｂ、…、４ｎ
の電圧検出により、各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎの
中で、その正極、負極の活物質、有機電解液間の化学反
応等によって決まる設計電圧（または充電終止電圧等の
設定電圧）に達した電池があるかがチェックされる。設
定電圧に達したものがない間はこのチェックが繰り返さ
れ、設定電圧に達した電池が発生したらステップ１０７
へ進む。ステップ１０７では、コンタクタ６を０ＦＦし
て充電を終了する。（充電手段の動作に相当） 【００２０】以上のように構成された本実施例において
は、放電後（電池使用後）に各２次電池の独立放電によ
りＤＯＤを揃えるようにしたので、検出器等の誤差をあ
る程度見込んでも、図１０、図１２の従来例の場合のよ
うにＤＯＤの差が広がり、使用できるエネルギ−量が減
って行くような事態が防止される。 【００２１】なお、図１１、図１５の従来例でも、各電
池に接続されたツェナーダイオードにより印加電圧が制
限され、所定電圧になった以降ＤＯＤの大きさの順で充
電電流が減少するのでＤＯＤを揃える方向に進む。しか
し、図５に示されるように、充電時よりも放電時の方が
内部抵抗が大きくなるので、同じ電流であれば、Ｖ＝Ｉ
・ＲによりＤＯＤの変化に対する電圧の変化は放電時の
方が大きい。このため、同じ精度の電圧検出器を用いて
も上記従来例によるよりはＤＯＤの不揃いを小さく収め
ることができる。また、温度ドリフトなどによって電圧
検出器のゼロ点がずれたりして、図４に示すような電圧
検出レベルに誤差があるような場合にも、図３の放電特
性図に示されるように、ＤＯＤが大になるにしたがって
電圧低下の傾きが大きくなるため、このＤＯＤ大の領域
で合わせることによりＤＯＤの不揃いを容易に小さくで
きる。 【００２２】なお、第２の実施例として、図２のステッ
プ１０３、１０４の処理において、各２次電池１ａ、１
ｂ、…、１ｎのＤＯＤを揃えるための放電を、放電終止
電圧まで全ての電池を放電させるかわりに、放電後（使
用後）の最低電圧の電池を基準にして各電池をそれに合
わせて放電させ揃えるようにすれば、充電時間の短縮と
充電に要するエネルギ−量の節約が可能になる。 【００２３】さらに本発明の第３の実施例として、第１
の実施例の図２に示したステップ１０６、１０７におけ
る充電処理において、各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎ
中いずれか１個の電池が設定電圧（充電終止電圧）に達
した場合、直ちに充電を終了するのにかわって、それ以
降も充電器７の出力電圧をホ−ルドして、定電圧充電に
切り替え充電電流を徐々に小さくすることで続行するよ
うにすれば、過電圧による過充電が防止でき、よりスム
−スに全ての電池の満充電を実施できる。 【００２４】つぎに本発明の第４の実施例として、先の
第１の実施例の図２に示したステップ１０３、１０４の
処理で放電終止電圧まで放電させるかわりに、ＤＯＤを
合わせるための放電をＤＯＤ８０％〜１００％の範囲で
実施することもできる。図５は本実施例による２次電池
のＤＯＤと内部抵抗の特性曲線を示す図である。放電時
の内部抵抗はＤＯＤ８０％から急変するので、この間Ｄ
ＯＤの変化に対する放電時の電圧変化が大きくなるの
で、この範囲では電圧検出器の誤差に対してＤＯＤの調
整誤差が小さくなるという利点がある。 【００２５】つぎに図６は、本発明の第５の実施例に係
る２次電池の直列接続回路の構成図である。上述の各実
施例では、放電用のスイッチ回路を介し、独立に放電さ
せることで各２次電池のＤＯＤを揃えるようにしていた
が、代わりに充電前に各２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎ
を、直列接続から並列接続に切り替えることによってＤ
ＯＤを揃えるようにしたものである。 【００２６】図６の（ａ）のような通常の直列接続のリ
チウムイオン２次電池１ａ、１ｂ、…、１ｎの組電池
を、充電に際して、図６の（ｂ）に示すように、各直並
列切替スイッチＳａ、Ｓｂ、…、Ｓｎによって、各電池
１ａ、１ｂ、…、１ｎを並列接続に切り替える。リチウ
ムイオン２次電池にはコンデンサ類似の特性があって、
ＤＯＤの異なる電池を複数並列接続するとＤＯＤが揃っ
てくる。（鉛バッテリ−に比較してＤＯＤが良く揃う） こうして並列接続に切り替えてＤＯＤを揃えた後、再
度、直並列切替スイッチＳａ、Ｓｂ、…、Ｓｎによって
（ａ）の直列接続に戻し、充電を開始する。図７は、図
６の直並列各回路において、並列接続時の過電流対策用
に各抵抗Ｒａ、Ｒｂ、…、Ｒｎを挿入した回路例であ
る。これら図６、図７の実施例の場合は、放電終止電圧
以下か否かを検出してトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ制御
を行なうことや放電後の電圧検出を行なう分だけ、制御
を簡略化できる利点がある。 【００２７】つぎに図８は、本発明の第６の実施例に係
る２次電池の直列接続回路の構成図である。これは、前
述の実施例においては充電する前の前処理としてＤＯＤ
を揃えていたのに対し、コントローラ５’が２次電池の
使用中の放電の間にＤＯＤを揃えながら電池を使用する
ように制御するものである。この実施例では、３個の２
次電池１ａ、１ｂ、１ｃが直列接続されているものとす
る。その他の構成は図１と同じである。 【００２８】図９はこの実施例における動作を示すフロ
−チャ−トである。まずステップ２０１では、コントロ
ーラ５’において、２次電池１ａ、１ｂ、１ｃの検出電
圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の中で最も低いＶｍｉｎのものを求
める。ステップ２０２で、Ｖｍｉｎの電池例えば２次電
池１ｂと他の電池の電圧差をそれぞれ求める。そしてス
テップ２０３では、電圧の差が設定値以上の電池の放電
スイッチ回路（パイパス回路）の放電用トランジスタ３
ａまたは３ｃをＯＮして独立に放電させ、ＤＯＤのバラ
ツキを抑える。以上の動作が常時繰り返される。この場
合は使用中（負荷への放電中）も常にＤＯＤを揃えてい
るので、充電時に行う前処理としてのＤＯＤ揃えが省略
できる。 【００２９】なお、各実施例はリチウム２次電池あるい
はリチウムイオン２次電池いずれについても適用できる
ものであるが、これらに限定されるものではなく、その
他の非水溶媒系２次電池、ポリマ−系リチウム２次電池
等、抵抗（電池の内部抵抗）およびコンデンサの直列回
路と、電圧、電流、時間の関係において等価の特性を示
す電池にも適用できることはもちろんである。 【００３０】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各２次電池を並列接続に切り替え可能の直並列切替スイ
ッチを用いて、充電直前に直並列切替スイッチにより各
２次電池の直列接続を並列接続に切り替えるようにした
ので、放電スイッチ回路なしで各電池のＤＯＤを揃える
ことができ、このあと直列接続に戻してから充電を開始
することにより、ＤＯＤのバラツキにより組電池として
使用できるエネルギ−量の減少を防止し、また過充電に
よって電池寿命が短縮される確率を低下させる効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る２次電池の直列接
続回路の構成図である。 【図２】図１に示す実施例の動作のフロ−チャ−トであ
る。 【図３】放電時のＤＯＤと電池電圧の関係を示す放電特
性図である。 【図４】電圧検出レベルの誤差例を示す説明図である。 【図５】本発明の第４の実施例に係るＤＯＤと内部抵抗
の特性曲線を示す図である。 【図６】第５の実施例に係る２次電池の直列接続回路の
構成図である。 【図７】第５の実施例の変形例を示す図である。 【図８】本発明の第６の実施例を示す図である。 【図９】第６の実施例における動作のフロ−チャ−トで
ある。 【図１０】従来の過充電・過放電防止装置の構成図であ
る。 【図１１】従来のリチウム２次電池の直列接続回路の構
成図である。 【図１２】図１０に示す組電池の充放電効率の説明図で
ある。 【図１３】従来の電池の過充電サイクル特性曲線を示す
図である。 【図１４】従来の電池の過放電サイクル特性曲線を示す
図である。 【図１５】図１１に示す組電池の電圧検出レベルの説明
図である。 【符号の説明】 １ａ、１ｂ、…、１ｎ ２次電池 ２ａ、２ｂ、…、２ｎ 放電抵抗 ３ａ、３ｂ、…、３ｎ 放電用トランジスタ ４ａ、４ｂ、…、４ｎ 電圧検出器 ５、５’ コントロ−ラ ６ コンタクタ ７ 充電器 ８ 充電信号スイッチ Ｓａ、Ｓｂ、…、Ｓｎ 直並列切替スイッチ Ｒａ、Ｒｂ、…、Ｒｎ 抵抗
続回路の構成図である。 【図２】図１に示す実施例の動作のフロ−チャ−トであ
る。 【図３】放電時のＤＯＤと電池電圧の関係を示す放電特
性図である。 【図４】電圧検出レベルの誤差例を示す説明図である。 【図５】本発明の第４の実施例に係るＤＯＤと内部抵抗
の特性曲線を示す図である。 【図６】第５の実施例に係る２次電池の直列接続回路の
構成図である。 【図７】第５の実施例の変形例を示す図である。 【図８】本発明の第６の実施例を示す図である。 【図９】第６の実施例における動作のフロ−チャ−トで
ある。 【図１０】従来の過充電・過放電防止装置の構成図であ
る。 【図１１】従来のリチウム２次電池の直列接続回路の構
成図である。 【図１２】図１０に示す組電池の充放電効率の説明図で
ある。 【図１３】従来の電池の過充電サイクル特性曲線を示す
図である。 【図１４】従来の電池の過放電サイクル特性曲線を示す
図である。 【図１５】図１１に示す組電池の電圧検出レベルの説明
図である。 【符号の説明】 １ａ、１ｂ、…、１ｎ ２次電池 ２ａ、２ｂ、…、２ｎ 放電抵抗 ３ａ、３ｂ、…、３ｎ 放電用トランジスタ ４ａ、４ｂ、…、４ｎ 電圧検出器 ５、５’ コントロ−ラ ６ コンタクタ ７ 充電器 ８ 充電信号スイッチ Ｓａ、Ｓｂ、…、Ｓｎ 直並列切替スイッチ Ｒａ、Ｒｂ、…、Ｒｎ 抵抗
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ＤＯＤに応じて端子電圧が変化する２次
電池を複数個直列に接続して構成する組電池において、 前記各２次電池を並列接続に切り替え可能の直並列切替
スイッチと、 前記直並列切替スイッチにより各２次電池の直列接続を
並列接続に切り替えてＤＯＤを揃えてから直列接続に戻
す制御手段と、 前記組電池の両端に接続されて組電池を充電する充電手
段とを備え、 前記制御手段により直列接続に戻した後、前記充電手段
による充電を開始する ことを特徴とする２次電池の直列
接続回路。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06788894A JP3389670B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | ２次電池の直列接続回路 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06788894A JP3389670B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | ２次電池の直列接続回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07255134A JPH07255134A (ja) | 1995-10-03 |
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Family
ID=13357892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06788894A Expired - Lifetime JP3389670B2 (ja) | 1994-03-11 | 1994-03-11 | ２次電池の直列接続回路 |
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