JP2013150440A

JP2013150440A - 充電装置および電源装置

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Publication number: JP2013150440A
Application number: JP2012008684A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Akita; 哲男秋田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-19
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Abstract

【課題】複数の電池を充電する構成において、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ充電時間の短縮を図ることが可能な充電装置および電源装置を提供する。
【解決手段】充電装置５１は、直列接続された複数の電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を充電する。充電装置５１は、電池に対応して設けられ、対応の電池を充電するための充電電流の一部または全部を他の回路へ流す分流動作を行うための複数の分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４と、電池の電圧に基づいて、対応の分流回路の分流動作を制御するための制御部１９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電装置および電源装置に関し、特に、直列接続された複数の電池を充電する充電装置、および当該充電装置を備えた電源装置に関する。

繰り返しの充電が可能な二次電池を用いて電力を蓄え、必要なときに当該二次電池から系統に電力を供給する電力貯蔵システムが開発されている（たとえば、三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月（非特許文献１）参照）。

このような電力貯蔵システムは、電力需要の変動を緩和して発電設備の利用率を高める用途の他、太陽光発電および風力発電のように発電量の変動が大きい発電方式を採用する発電設備を補完する用途にも適用可能である（たとえば、電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」（非特許文献２）参照）。

このような用途で用いられる電源装置は、たとえば複数の電池の集合体を備える。二次電池がたとえばリチウムイオン電池である場合には、１つの電池の電圧はたとえば３Ｖ〜４Ｖ程度であるので、複数の電池を直列に接続する。この直列接続された電池を充電しておくことにより、必要なときに電力を供給することができる。すなわち、充電時には電池の直列体に電流が流れ込んで電力が蓄えられ、放電時には電池の直列体から電流が流れ出て、電力が負荷に供給される。

ところで、直列体の各電池の充電時において、いずれか１つの電池が満充電の状態になると、充電を停止しなければならない。すなわち、他の電池が満充電の状態に達していなくても、当該他の電池をさらに充電することはできない。

また、直列体の各電池を放電して負荷に電力を供給する場合には、残量が最も少ない電池が放電限界に達すると、他の電池の残量は十分であっても、放電を継続することはできない。

このように、電池の直列体を用いる電源装置では、各電池の特性のばらつきにより、充放電性能がいずれかの電池の特性に拘束されるため、各電池を十分に充電することができず、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができない、という問題点がある。

このような問題点を解決するために、たとえば、特開平５−４９１８１号公報（特許文献１）には、以下のような構成が開示されている。すなわち、直列接続した２次電池と、上記各２次電池の正極と負極間に接続したヒステリシス特性を有する過充電検出回路および過放電検出回路と、上記各２次電池正負極間に接続され、上記過充電検出回路または過放電検出回路の出力レベルで制御される放電回路と、上記過充電検出回路の出力レベルに応じて充電電流を遮断する回路と、上記過放電検出回路の出力レベルに応じて放電電流を遮断する回路と、放電負荷または充電電源端子とを備え、上記２次電池の過充電および過放電を防止し且つ過充放電の電池容量バランスを取る。

三菱重工技報Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．５、「リチウムイオン電池電力貯蔵システムの開発」、２００４年９月電気設備学会誌、平成１７年１０月、「レドックスフロー電池の風力発電出力平滑化用途への適用」

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、いずれかの電池の過充電を検出すると複数の電池全体の充電を停止し、過充電された電池の放電を行う構成であるため、充電効率が悪く、また、充電時間が長くなってしまう。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、複数の電池を充電する構成において、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ充電時間の短縮を図ることが可能な充電装置および電源装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる充電装置は、直列接続された複数の電池を充電するための充電装置であって、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池を充電するための充電電流の一部または全部を他の回路へ流す分流動作を行うための複数の分流回路と、上記電池の電圧に基づいて、対応の上記分流回路の上記分流動作を制御するための制御部とを備える。

このような構成により、各電池の特性にばらつきがある場合でも、特定の電池の特性に拘束されて充電を停止しなければならなくなることを防ぐことができる。すなわち、各電池を十分に充電し、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができる。また、電池の電圧に基づいて、当該電池の充電電流の分流を制御する構成により、複数の電池全体の充電を停止することなく、充電速度を電池ごとに制御することができるため、充電効率を向上させ、かつ充電時間を短縮することができる。したがって、複数の電池を充電する構成において、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ充電時間の短縮を図ることができる。

好ましくは、上記制御部は、上記電池の電圧が、所定の充電目標値より小さい所定の開始閾値以上になると、対応の上記分流回路の上記分流動作を開始する。

このような構成により、電池が過充電状態になる前に、充電速度を電池ごとに抑制することができるため、各電池の充電動作を最適化し、充電効率を向上させることができる。

より好ましくは、上記制御部は、上記複数の電池のうち、電圧が最大となる電池以外の他の電池について、上記最大の電圧と上記他の電池の電圧との差が所定の電圧差閾値以上である場合には、上記他の電池の電圧が上記開始閾値以上になっても対応の上記分流回路の上記分流動作を開始せず、上記差が上記電圧差閾値未満になると、上記他の電池に対応する上記分流回路の上記分流動作を開始する。

このような構成により、電池の電圧が開始閾値を超えた後の最適なタイミングで分流動作を開始するため、充電電流が電池の充電に用いられずに消費される量および時間を低減することができる。

より好ましくは、上記分流動作においては、上記充電電流が、上記電池と、対応の上記分流回路によって形成された分流経路とに分岐して流れ、上記制御部は、上記複数の電池の電圧が、上記充電目標値に達して上記充電電流の供給が停止された後、上記電池の電圧が、上記充電目標値より小さい所定の解除閾値未満になると、対応の上記分流回路の上記分流経路を遮断する。

このように、共通の解除閾値を用いて分流経路を遮断する構成により、充電電流の供給停止時に各電池の電圧がばらついていても、各電池の電圧を一致させることができるため、たとえば充放電動作に伴う各電池の劣化度合いを均一にすることができる。

好ましくは、上記制御部は、上記複数の電池の電圧の最大値および最小値の差が所定の開始閾値以上になると、電圧が最大となる上記電池に対応する上記分流回路の上記分流動作を開始する。

このような構成により、各電池の電圧のばらつきを抑えながら充電を行うことができるため、各電池の充電動作を最適化し、充電効率を向上させることができる。

より好ましくは、上記制御部は、上記差が所定の解除閾値未満になると、電圧が最大となる上記電池に対応する上記分流回路の上記分流動作を停止する。

このような構成により、各電池の電圧のばらつきをある程度の範囲で抑えながら、充電電流が電池の充電に用いられずに消費される量および時間を低減することができる。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる充電装置は、直列接続された複数の電池と、上記複数の電池を充電するための充電装置とを備える電源装置であって、上記電源装置は、上記電池に対応して設けられ、対応の上記電池を充電するための充電電流の一部または全部を他の回路へ流す分流動作を行うための複数の分流回路と、上記電池の電圧に基づいて、対応の上記分流回路の上記分流動作を制御するための制御部とを含む。

本発明によれば、複数の電池を充電する構成において、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ充電時間の短縮を図ることができる。

本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および充電動作における接続例を示す図である。本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および放電動作における接続例を示す図である。本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る充電装置を用いた測定系を示す図である。本発明の実施の形態に係る充電装置の動作の測定結果を示す図である。本発明の実施の形態に係る充電装置の動作の測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および充電動作における接続例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態に係る電源装置の構成、および放電動作における接続例を示す図である。

図１および図２を参照して、電源装置１０１は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４と、充電装置５１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換回路）５２とを備える。充電装置５１は、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４と、電圧測定部ＭＶ１〜ＭＶ４と、制御部１９とを含む。分流回路ＳＨ１は、抵抗Ｒ１と、トランジスタＴＲ１とを含む。分流回路ＳＨ２は、抵抗Ｒ２と、トランジスタＴＲ２とを含む。分流回路ＳＨ３は、抵抗Ｒ３と、トランジスタＴＲ３とを含む。分流回路ＳＨ４は、抵抗Ｒ４と、トランジスタＴＲ４とを含む。トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）またはバイポーラトランジスタである。また、トランジスタに限らず、何らかのスイッチ素子を用いることが可能である。以下、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の各々を電池ＢＡＴと称する場合がある。また、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４の各々を分流回路ＳＨと称する場合がある。また、電圧測定部ＭＶ１〜ＭＶ４の各々を電圧測定部ＭＶと称する場合がある。また、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４の各々をトランジスタＴＲと称する場合がある。また、抵抗Ｒ１〜抵抗Ｒ４の各々を抵抗Ｒと称する場合がある。

電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４としては、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、およびその他各種の充電可能な電池を用いることができる。

図１において、交流電源２０１は、たとえば振幅が１００Ｖ、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧を電源装置１０１に供給する。

そして、電源装置１０１は、交流電源２０１から供給される交流電圧に基づいて電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を充電する。

図２において、電源装置１０１は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を放電することにより、たとえば振幅が１００Ｖ、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧を負荷２０２に供給する。

より詳細には、電源装置１０１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、直列接続された電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の両端間に接続されている。

充電動作において、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、交流電源２０１から受けた交流電圧を直流電圧に変換し、直列接続された電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の両端へ出力する。また、放電動作において、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、直列接続された電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の両端から受けた直流電圧を交流電圧に変換して負荷２０２へ出力する。

分流回路ＳＨ１において、抵抗Ｒ１の第１端が電池ＢＡＴ１の第１端に接続され、第２端がトランジスタＴＲ１のドレインに接続されている。トランジスタＴＲ１のソースが、電池ＢＡＴ１の第２端に接続されている。トランジスタＴＲ１のゲートは、制御部１９からの制御信号を受ける。分流回路ＳＨ２において、抵抗Ｒ２の第１端が電池ＢＡＴ１の第２端および電池ＢＡＴ２の第１端に接続され、第２端がトランジスタＴＲ２のドレインに接続されている。トランジスタＴＲ２のソースが、電池ＢＡＴ２の第２端に接続されている。トランジスタＴＲ２のゲートは、制御部１９からの制御信号を受ける。分流回路ＳＨ３において、抵抗Ｒ３の第１端が電池ＢＡＴ２の第２端および電池ＢＡＴ３の第１端に接続され、第２端がトランジスタＴＲ３のドレインに接続されている。トランジスタＴＲ３のソースが、電池ＢＡＴ３の第２端に接続されている。トランジスタＴＲ３のゲートは、制御部１９からの制御信号を受ける。分流回路ＳＨ４において、抵抗Ｒ４の第１端が電池ＢＡＴ３の第２端および電池ＢＡＴ４の第１端に接続され、第２端がトランジスタＴＲ４のドレインに接続されている。トランジスタＴＲ４のソースが、電池ＢＡＴ４の第２端に接続されている。トランジスタＴＲ４のゲートは、制御部１９からの制御信号を受ける。

充電動作において、直列接続された電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の両端において受けた直流電圧の分圧電圧、すなわちＡＣ／ＤＣコンバータ５２の出力電圧の分圧電圧が各電池ＢＡＴに与えられる。また、放電動作において、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の出力電圧の合成電圧がＡＣ／ＤＣコンバータ５２へ出力される。

電圧測定部ＭＶは、電池ＢＡＴに対応して設けられ、対応の電池ＢＡＴの電圧を測定する。より詳細には、電圧測定部ＭＶ１〜ＭＶ４は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の両端電圧をそれぞれ測定し、測定結果を制御部１９へ出力する。

制御部１９は、電圧測定部ＭＶ１〜ＭＶ４の測定結果に基づいて、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４のゲートへ制御信号をそれぞれ出力することにより、トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４のオンおよびオフを制御する。

充電装置５１は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧を測定し、バイパス抵抗である抵抗Ｒ１〜Ｒ４およびバイパスＦＥＴであるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４を用いて、セルバランス、すなわち各電池の電圧のバランスを調整する。

より詳細には、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４は、それぞれ電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４に対応して設けられ、対応の電池ＢＡＴを充電するための充電電流の一部または全部を他の回路、具体的には抵抗ＲおよびトランジスタＴＲへ流す分流動作を行う。この分流動作においては、上記充電電流が、電池ＢＡＴと、対応の分流回路ＳＨによって形成された分流経路とに分岐して流れる。

制御部１９は、電池ＢＡＴの電圧に基づいて、対応の分流回路ＳＨの分流動作を制御する。すなわち、制御部１９は、各電池ＢＡＴの電圧と所定の閾値との大小関係、または各電池ＢＡＴの電圧差に基づいて、分流回路ＳＨの分流動作を制御する。

次に、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作について説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。図３において、たとえば、電圧Ｖ１は４．２Ｖであり、電圧Ｖ２は４．１５Ｖであり、電圧Ｖ３は４．１Ｖである。

制御部１９は、電池ＢＡＴの電圧が、たとえば電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の共通の充電目標値より小さい所定の開始閾値以上になると、対応の分流回路ＳＨの分流動作を開始する。

そして、制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧が、充電目標値に達して充電電流の供給が停止された後、電池ＢＡＴの電圧が、充電目標値より小さい所定の解除閾値未満になると、対応の分流回路ＳＨの分流経路を遮断する。

具体的には、図３を参照して、タイミングｔ１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から供給される電力に基づき、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の充電が開始される。ここでは、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の初期電圧が異なるものと仮定する。制御部１９は、電圧測定部ＭＶ１〜ＭＶ４の測定結果を監視する。このとき、制御部１９は、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４をオフしている。

次に、タイミングｔ２において、制御部１９は、電池ＢＡＴ４の電圧が開始閾値Ｔｈｄすなわち電圧Ｖ２に達すると、分流回路ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ４をオンする。これにより、電池ＢＡＴ４の充電電流が抵抗Ｒ４および電池ＢＡＴ４に分流され、電池ＢＡＴ４の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ４の電圧上昇が緩やかになる。

次に、タイミングｔ３において、制御部１９は、電池ＢＡＴ３の電圧が開始閾値Ｔｈｄに達すると、分流回路ＳＨ３におけるトランジスタＴＲ３をオンする。これにより、電池ＢＡＴ３の充電電流が抵抗Ｒ３および電池ＢＡＴ３に分流され、電池ＢＡＴ３の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ３の電圧上昇が緩やかになる。

次に、タイミングｔ４において、制御部１９は、電池ＢＡＴ２の電圧が開始閾値Ｔｈｄに達すると、分流回路ＳＨ２におけるトランジスタＴＲ２をオンする。これにより、電池ＢＡＴ２の充電電流が抵抗Ｒ２および電池ＢＡＴ２に分流され、電池ＢＡＴ２の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ２の電圧上昇が緩やかになる。

次に、タイミングｔ５において、制御部１９は、電池ＢＡＴ１の電圧が開始閾値Ｔｈｄに達すると、分流回路ＳＨ１におけるトランジスタＴＲ１をオンする。これにより、電池ＢＡＴ１の充電電流が抵抗Ｒ１および電池ＢＡＴ１に分流され、電池ＢＡＴ１の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ１の電圧上昇が緩やかになる。

次に、タイミングｔ６において、電池ＢＡＴ４の電圧が目標値Ｖ１に達すると、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２からの電力供給が停止され、充電動作が終了する。このとき、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧差はごく僅かである。この目標値Ｖ１への到達の検出および充電停止制御は、電源装置１０１において行ってもよいし、他の装置が行ってもよい。

次に、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の放電電流がそれぞれ分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４における抵抗Ｒ１〜Ｒ４を通して流れることによって電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧が低下し、タイミングｔ７において、電池ＢＡＴ１の電圧が解除閾値Ｔｈｃすなわち電圧Ｖ３に達すると、制御部１９は、分流回路ＳＨ１におけるトランジスタＴＲ１をオフする。これにより、分流回路ＳＨ１における分流経路が遮断され、電池ＢＡＴ１の電圧下降が停止し、電池ＢＡＴ１の電圧はＶ３を維持する。

次に、タイミングｔ８において、電池ＢＡＴ２の電圧が解除閾値Ｔｈｃすなわち電圧Ｖ３に達すると、制御部１９は、分流回路ＳＨ２におけるトランジスタＴＲ２をオフする。これにより、分流回路ＳＨ２における分流経路が遮断され、電池ＢＡＴ２の電圧下降が停止し、電池ＢＡＴ２の電圧はＶ３を維持する。

次に、タイミングｔ９において、電池ＢＡＴ３の電圧が解除閾値Ｔｈｃすなわち電圧Ｖ３に達すると、制御部１９は、分流回路ＳＨ３におけるトランジスタＴＲ３をオフする。これにより、分流回路ＳＨ３における分流経路が遮断され、電池ＢＡＴ３の電圧下降が停止し、電池ＢＡＴ３の電圧はＶ３を維持する。

次に、タイミングｔ１０において、電池ＢＡＴ４の電圧が解除閾値Ｔｈｃすなわち電圧Ｖ４に達すると、制御部１９は、分流回路ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ４をオフする。これにより、分流回路ＳＨ４における分流経路が遮断され、電池ＢＡＴ４の電圧下降が停止し、電池ＢＡＴ４の電圧はＶ３を維持する。

このように、いずれの電池ＢＡＴが開始閾値Ｔｈｄに達しても、対応の分流回路ＳＨにおけるトランジスタＴＲをオンして当該電池ＢＡＴの充電速度を抑制することにより、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧バランスが整えられる。また、共通の解除閾値を用いて分流動作を解除する構成により、充電電流の供給停止時に電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧がばらついていても、各電池の電圧を一致させることができる。

図４は、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。

制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧の最大値および最小値の差が所定の開始閾値以上になると、電圧が最大となる電池ＢＡＴに対応する分流回路ＳＨの分流動作を開始する。

そして、制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧の最大値および最小値の差が所定の解除閾値未満になると、電圧が最大となる電池ＢＡＴに対応する分流回路ＳＨの分流経路を遮断し、分流動作を停止する。

より詳細には、制御部１９は、各電池ＢＡＴの電圧差、すなわち（最大値−最小値）が所定の開始閾値すなわち電圧ΔＶａ以上になると、電圧が最大となる電池ＢＡＴに対応する分流回路ＳＨにおけるトランジスタＴＲをオンし、当該電池ＢＡＴの充電電流の分流動作を開始する。さらに、制御部１９は、電圧差が所定の解除閾値すなわち電圧ΔＶｂ以下になると、上記トランジスタＴＲをオフして当該電池ＢＡＴの充電電流の分流経路を遮断し、分流動作を停止する。

具体的には、図４を参照して、タイミングｔ１１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から供給される電力に基づき、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の充電が開始される。ここでは、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の初期電圧が異なり、かつ充電速度が異なるものと仮定する。制御部１９は、電圧測定部ＭＶ１〜ＭＶ４の測定結果を監視する。このとき、制御部１９は、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４をオフしている。

次に、タイミングｔ１２において、制御部１９は、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電圧が最小である電池ＢＡＴ１の電圧との差Ｖｄｆが開始閾値ΔＶａ以上になると、分流回路ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ４をオンする。これにより、電池ＢＡＴ４の充電電流が抵抗Ｒ４および電池ＢＡＴ４に分流され、電池ＢＡＴ４の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ４の電圧上昇が緩やかになる。

次に、タイミングｔ１３において、制御部１９は、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電圧が最小である電池ＢＡＴ１の電圧との差Ｖｄｆが解除閾値ΔＶｂ以下になると、分流回路ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ４をオフする。これにより、分流回路ＳＨ４における分流経路が遮断され、電池ＢＡＴ４の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ４の電圧上昇の傾きが元に戻る。

ここで、図３に示す充電動作では、開始閾値Ｔｈｄを超えたすべての電池ＢＡＴの充電電流を分流することから、充電に用いられずに消費する電力が比較的大きくなる。

また、図４に示す充電動作では、各電池ＢＡＴの電圧のばらつきが生じるたびに充電電流を分流することから、電力を充電に用いずに消費する時間が長くなる。

これらの課題を解決するために、充電装置５１は、以下に示すような充電動作を行ってもよい。すなわち、電池ＢＡＴの電圧が開始閾値Ｔｈｄ以上になっても、他の電池ＢＡＴとの電圧差が大きい場合には対応の分流回路ＳＨにおけるトランジスタＴＲをオンせず、当該電圧差が小さくなると対応の分流回路ＳＨにおけるトランジスタＴＲをオフし、充電電流の分流を行う。

図５は、本発明の実施の形態に係る電源装置による充電動作の一例を示す図である。図５において、たとえば、電圧Ｖ１は４．２Ｖであり、電圧Ｖ２は４．１５Ｖであり、電圧Ｖ３は４．１Ｖである。

制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４のうち、電圧が最大となる電池以外の他の電池について、上記最大の電圧と上記他の電池の電圧との差が所定の電圧差閾値以上である場合には、上記他の電池の電圧が開始閾値以上になっても対応の分流回路ＳＨの分流動作を開始せず、上記差が電圧差閾値未満になると、上記他の電池に対応する分流回路ＳＨの分流動作を開始する。

具体的には、図５を参照して、タイミングｔ２１において、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２から供給される電力に基づき、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の充電が開始される。ここでは、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の初期電圧が異なるものと仮定する。制御部１９は、電圧測定部ＭＶ１〜ＭＶ４の測定結果を監視する。このとき、制御部１９は、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４をオフしている。

次に、タイミングｔ２２において、制御部１９は、電池ＢＡＴ４の電圧が開始閾値Ｔｈｄすなわち電圧Ｖ２に達すると、分流回路ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ４をオンする。これにより、電池ＢＡＴ４の充電電流が抵抗Ｒ４および電池ＢＡＴ４に分流され、電池ＢＡＴ４の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ４の電圧上昇が緩やかになる。

次に、タイミングｔ２３において、制御部１９は、電池ＢＡＴ３の電圧が開始閾値Ｔｈｄに達したが、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電池ＢＡＴ３の電圧との差が電圧差閾値Ｔｈｓ以上であるため、分流回路ＳＨ３におけるトランジスタＴＲ３のオフ状態を維持する。

次に、タイミングｔ２４において、制御部１９は、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電池ＢＡＴ３の電圧との差が電圧差閾値Ｔｈｓ未満になると、分流回路ＳＨ３におけるトランジスタＴＲ３をオンする。これにより、電池ＢＡＴ３の充電電流が抵抗Ｒ３および電池ＢＡＴ３に分流され、電池ＢＡＴ３の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ３の電圧上昇が緩やかになり、たとえば電池ＢＡＴ４と同じになる。ここでは、電圧差閾値Ｔｈｓがゼロまたはゼロに近い値に設定されており、電圧ＢＡＴ３の電圧は、電圧ＢＡＴ４の電圧と略一致して上昇することになる。

次に、タイミングｔ２５において、制御部１９は、電池ＢＡＴ２の電圧が開始閾値Ｔｈｄに達したが、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電池ＢＡＴ２の電圧との差が電圧差閾値Ｔｈｓ以上であるため、分流回路ＳＨ２におけるトランジスタＴＲ２のオフ状態を維持する。

次に、タイミングｔ２６において、制御部１９は、電池ＢＡＴ１の電圧が開始閾値Ｔｈｄに達したが、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電池ＢＡＴ１の電圧との差が電圧差閾値Ｔｈｓ以上であるため、分流回路ＳＨ１におけるトランジスタＴＲ１のオフ状態を維持する。

次に、タイミングｔ２７において、制御部１９は、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電池ＢＡＴ２の電圧との差が電圧差閾値Ｔｈｓ未満になると、分流回路ＳＨ２におけるトランジスタＴＲ２をオンする。これにより、電池ＢＡＴ２の充電電流が抵抗Ｒ２および電池ＢＡＴ２に分流され、電池ＢＡＴ２の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ２の電圧上昇が緩やかになり、たとえば電池ＢＡＴ４と同じになる。電圧ＢＡＴ２の電圧は、電圧ＢＡＴ３と同様に、電圧ＢＡＴ４の電圧と略一致して上昇することになる。

次に、タイミングｔ２８において、制御部１９は、電圧が最大である電池ＢＡＴ４の電圧と、電池ＢＡＴ１の電圧との差が電圧差閾値Ｔｈｓ未満になると、分流回路ＳＨ１におけるトランジスタＴＲ１をオンする。これにより、電池ＢＡＴ１の充電電流が抵抗Ｒ１および電池ＢＡＴ１に分流され、電池ＢＡＴ１の充電速度、すなわち電池ＢＡＴ１の電圧上昇が緩やかになり、たとえば電池ＢＡＴ４と同じになる。電圧ＢＡＴ１の電圧は、電圧ＢＡＴ２および電圧ＢＡＴ３と同様に、電圧ＢＡＴ４の電圧と略一致して上昇することになる。

次に、タイミングｔ２９において、たとえば電池ＢＡＴ４の電圧が目標値Ｖ１に達すると、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２からの電力供給が停止され、充電動作が終了する。このとき、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧差は、電圧差閾値Ｔｈｓに応じた値、たとえばゼロまたはゼロに近い値である。この目標値Ｖ１への到達の検出および充電停止制御は、電源装置１０１において行ってもよいし、他の装置が行ってもよい。

次に、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の放電電流がそれぞれ分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４における抵抗Ｒ１〜Ｒ４を通して流れることによって電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧が低下し、タイミングｔ３０において、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧が解除閾値Ｔｈｃすなわち電圧Ｖ３に達すると、制御部１９は、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４をオフする。これにより、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４における分流経路が遮断され、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧下降が停止し、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧はＶ３を維持する。

このように、図５に示す例では、電池ＢＡＴの電圧が開始閾値Ｔｈｄを超えた後に所定条件を満たすと分流動作を開始するため、充電電流が電池ＢＡＴの充電に用いられずに消費される量および時間を低減することができる。

また、電池ＢＡＴが開始閾値Ｔｈｄに達し、かつ最大電圧との差が電圧差閾値Ｔｈｓ未満になると、対応の分流回路ＳＨにおけるトランジスタＴＲをオンして当該電池ＢＡＴの充電速度を抑制することにより、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧バランスが整えられる。また、共通の解除閾値を用いて分流動作を解除する構成により、充電電流の供給停止時に電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧がばらついていても、各電池の電圧を一致させることができる。

なお、図３および図５において、解除閾値Ｔｈｃは、目標値Ｖ１よりも小さければ、開始閾値Ｔｈｄより大きい値を設定してもよい。

また、図３および図５において、解除閾値Ｔｈｃを設けない構成であってもよい。この場合、制御部１９は、電池ＢＡＴ４の電圧が目標値Ｖ１に達したタイミングｔ６またはｔ２９において、分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４をオフして分流経路を遮断し、分流動作を停止する。この場合、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を電圧Ｖ３まで下降させないことから、充電効率は良くなる。

＜測定評価結果＞
本願発明者は、本発明の実施の形態に係る充電装置の動作について実測による評価を行った。以下、本測定の内容および結果について詳細に説明する。

図６は、本発明の実施の形態に係る充電装置を用いた測定系を示す図である。

図６を参照して、この測定系では、電源装置１０１に充放電電源装置を接続し、かつデータロガーを接続した。

充放電電源装置は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４に充電電流の供給を行う動作、および電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の負荷となり、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を放電させる動作を行う。

具体的には、充放電電源装置は、製造元が松定プレシジョン株式会社であり、型番はＥＣＤ１８−２である。充放電電源装置は、定電流かつ定電圧で電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を充電し、設定電流は１．５Ａであり、設定電圧は１６．８Ｖである。また、充放電電源装置は、定電流で電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４を放電し、設定電流は１．５Ａである。

電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４は、製造元が三洋電機株式会社であり、型番はＵＲ１８６５０Ａである。電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の公称容量は最小２１５０ｍＡｈであり、公称電圧は３．６Ｖであり、充電電圧は４．２Ｖであり、充電電流は標準で１５０５ｍＡであり、充電時間は３時間である。

また、制御部１９として、ＩＣ（Integrated Circuit）およびマイコンを用い、当該ＩＣの製造元はリニアテクノロジー社であり、型番はＬＴＣ６８０３−４である。

また、データロガーは、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧１〜４、および放電電流を、１秒ごとに記録する。

また、この測定系の周囲温度は常温であり、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧の制限値は、上限値が４．２Ｖであり、下限値が３．０Ｖである。

図７および図８は、本発明の実施の形態に係る充電装置の動作の測定結果を示す図である。

図７および図８を参照して、Ｐｌａｎ１は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の特性にばらつきがなく、図３〜図５に示す充電動作を行わない場合、すなわち分流回路ＳＨ１〜ＳＨ４におけるトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４を常にオフする場合である。Ｐｌａｎ２は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の特性にばらつきがあり、図３〜図５に示す充電動作を行わない場合である。Ｐｌａｎ３は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の特性にばらつきがあり、図３に示す充電動作を行う場合である。Ｐｌａｎ４は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の特性にばらつきがあり、図４に示す充電動作を行う場合である。Ｐｌａｎ５は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の特性にばらつきがあり、図５に示す充電動作を行う場合である。

電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の特性にばらつきのないＰｌａｎ１では、放電平均が３０．０９［Ｗｈ］となり、放電平均すなわち１時間あたりの放電電力量が最も大きい。

また、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の特性にばらつきのあるＰｌａｎ２〜Ｐｌａｎ５では、放電平均がそれぞれ２３．８１［Ｗｈ］、２６．８０［Ｗｈ］、２７．６３［Ｗｈ］および２８．０８［Ｗｈ］となった。Ｐｌａｎ３〜Ｐｌａｎ５では、分流回路ＳＨによる充電電流の分流を行わないＰｌａｎ２に対して、放電平均がそれぞれ１１．２％、１３．８％および１５．２％上昇している。

以上のように、本測定から、本発明の実施の形態に係る充電装置による充電動作により、電源装置１０１全体として電力容量が増加し、性能が向上していることが確認された。

ところで、電池の直列体を用いる電源装置では、各電池の特性のばらつきにより、充放電性能がいずれかの電池の特性に拘束されるため、各電池を十分に充電することができず、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができない、という問題点がある。

また、特許文献１に記載の構成では、いずれかの電池の過充電を検出すると複数の電池全体の充電を停止し、過充電された電池の放電を行う構成であるため、充電効率が悪く、また、充電時間が長くなってしまう。特に、直列接続される電池の数が増えるほど、各電池の電圧のばらつきを抑制することが困難となる。

これに対して、本発明の実施の形態に係る充電装置では、分流回路ＳＨは、電池ＢＡＴに対応して設けられ、対応の電池ＢＡＴを充電するための充電電流の一部または全部を他の回路、具体的には抵抗ＲおよびトランジスタＴＲへ流す分流動作を行う。そして、制御部１９は、電池ＢＡＴの電圧に基づいて、対応の分流回路ＳＨの分流動作を制御する。

このような構成により、各電池の特性にばらつきがある場合でも、特定の電池の特性に拘束されて充電を停止しなければならなくなることを防ぐことができる。すなわち、各電池を十分に充電し、また、放電時において、各電池に蓄えられた電力を有効活用することができる。

また、電池の電圧に基づいて、当該電池の充電電流の分流を制御する構成により、複数の電池全体の充電を停止することなく、充電速度を電池ごとに制御することができるため、充電効率を向上させ、かつ充電時間を短縮することができる。

したがって、本発明の実施の形態に係る充電装置では、複数の電池を充電する構成において、各電池の特性のばらつきによる充電時の効率低下を抑制し、かつ充電時間の短縮を図ることができる。

また、本発明の実施の形態に係る充電装置では、制御部１９は、電池ＢＡＴの電圧が、所定の充電目標値より小さい所定の開始閾値以上になると、対応の分流回路ＳＨの分流動作を開始する。

また、本発明の実施の形態に係る充電装置では、制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４のうち、電圧が最大となる電池以外の他の電池について、最大の電圧と上記他の電池の電圧との差が所定の電圧差閾値以上である場合には、上記他の電池の電圧が開始閾値以上になっても対応の分流回路ＳＨの分流動作を開始せず、最大の電圧と上記他の電池の電圧との差が電圧差閾値未満になると、上記他の電池に対応する分流回路ＳＨの分流動作を開始する。

また、本発明の実施の形態に係る充電装置では、制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧が、上記充電目標値に達して充電電流の供給が停止された後、電池ＢＡＴの電圧が、上記充電目標値より小さい所定の解除閾値未満になると、対応の分流回路ＳＨの分流経路を遮断する。

また、本発明の実施の形態に係る充電装置では、制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧の最大値および最小値の差が所定の開始閾値以上になると、電圧が最大となる電池ＢＡＴに対応する分流回路ＳＨの分流動作を開始する。

また、本発明の実施の形態に係る充電装置では、制御部１９は、電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４の電圧の最大値および最小値の差が所定の解除閾値未満になると、電圧が最大となる電池ＢＡＴに対応する分流回路ＳＨの分流経路を遮断し、分流動作を停止する。

なお、本発明の実施の形態に係る充電装置において、分流回路ＳＨは、分流動作において、充電電流の一部を抵抗Ｒ１〜Ｒ４を通して流す構成であってもよいし、充電電流の全部を抵抗Ｒ１〜Ｒ４を通して流す構成であってもよい。また、分流回路ＳＨは、直列接続された抵抗ＲおよびトランジスタＴＲの組を複数含み、これらの組が並列接続された構成であってもよい。この場合、各組のトランジスタＴＲのオンおよびオフの組み合わせにより、分流比を選択することが可能となる。

また、本発明の実施の形態に係る充電装置では、電池ＢＡＴの電圧は正電圧であるとしたが、これに限定するものではなく、電池ＢＡＴの電圧は負電圧であってもよい。すなわち、本発明の実施の形態において、電池ＢＡＴ等の電圧の大小は、絶対値の大小を意味する。

また、本発明の実施の形態に係る充電装置は、電圧測定部ＭＶを備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。充電装置５１の外部に電圧測定部ＭＶが設けられる構成であってもよい。

また、本発明の実施の形態に係る電源装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。ＡＣ／ＤＣコンバータ５２を備えない構成であっても、外部から供給される直流電圧に基づいて各電池ＢＡＴを充電し、かつ各電池ＢＡＴを放電して直流電圧を外部に供給することが可能である。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ＢＡＴ１〜ＢＡＴ４電池
１９制御部
５１充電装置
５２ＡＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換回路）
ＳＨ１〜ＳＨ４分流回路
ＭＶ１〜ＭＶ４電圧測定部
Ｒ１〜Ｒ４抵抗
ＴＲ１〜ＴＲ４トランジスタ
１０１電源装置

Claims

直列接続された複数の電池を充電するための充電装置であって、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池を充電するための充電電流の一部または全部を他の回路へ流す分流動作を行うための複数の分流回路と、
前記電池の電圧に基づいて、対応の前記分流回路の前記分流動作を制御するための制御部とを備える、充電装置。
前記制御部は、前記電池の電圧が、所定の充電目標値より小さい所定の開始閾値以上になると、対応の前記分流回路の前記分流動作を開始する、請求項１に記載の充電装置。
前記制御部は、前記複数の電池のうち、電圧が最大となる電池以外の他の電池について、前記最大の電圧と前記他の電池の電圧との差が所定の電圧差閾値以上である場合には、前記他の電池の電圧が前記開始閾値以上になっても対応の前記分流回路の前記分流動作を開始せず、前記差が前記電圧差閾値未満になると、前記他の電池に対応する前記分流回路の前記分流動作を開始する、請求項２に記載の充電装置。
前記分流動作においては、前記充電電流が、前記電池と、対応の前記分流回路によって形成された分流経路とに分岐して流れ、
前記制御部は、前記複数の電池の電圧が、前記充電目標値に達して前記充電電流の供給が停止された後、前記電池の電圧が、前記充電目標値より小さい所定の解除閾値未満になると、対応の前記分流回路の前記分流経路を遮断する、請求項２または請求項３に記載の充電装置。
前記制御部は、前記複数の電池の電圧の最大値および最小値の差が所定の開始閾値以上になると、電圧が最大となる前記電池に対応する前記分流回路の前記分流動作を開始する、請求項１に記載の充電装置。
前記制御部は、前記差が所定の解除閾値未満になると、電圧が最大となる前記電池に対応する前記分流回路の前記分流動作を停止する、請求項５に記載の充電装置。
直列接続された複数の電池と、
前記複数の電池を充電するための充電装置とを備える電源装置であって、
前記電源装置は、
前記電池に対応して設けられ、対応の前記電池を充電するための充電電流の一部または全部を他の回路へ流す分流動作を行うための複数の分流回路と、
前記電池の電圧に基づいて、対応の前記分流回路の前記分流動作を制御するための制御部とを含む、電源装置。