JP3736205B2 - バッテリ蓄電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば低高度衛星用電源装置及び電気自動車用電源装置等に使用されるバッテリ蓄電装置に関するものである。
なおここでは説明の便宜上、低高度衛星用電源装置について説明する。
【０００２】
図６は、従来のNiCd（ニッケルカドミウム）バッテリ等の蓄電池を使用した低高度衛星用電源装置の構成図であり、図６において、１は太陽電池、２は太陽電池１で発生した余剰電力を消費するシャント装置、３は太陽電池１の電流をシャント装置２を介して入力し、充電制御器４ａと負荷６へ電流を供給するとともに太陽電池１の発生電力が低下した場合には、蓄電池５の放電により負荷６へ電流を供給するように充電制御器４ａを制御する電力制御器である。充電制御器４ａは、電力制御器３の出力を受けて、蓄電池５へ電流を供給して充電させ、また太陽電池１の発生電力が低下した場合の信号で蓄電池５を放電させるための充電制御器である。７は逆流防止ダイオードである。
【０００３】
従来の低高度衛星用電源装置の動作を以下に説明する。
太陽電池１からの電流は逆流防止ダイオード７、シャント装置２を介して電力制御器３に入力される。電力制御器３は日照時において得られる太陽電池１からの電流を負荷６と充電制御器４ａに供給する。充電制御器４ａでは電力制御器３からの電力により図７（ｃ）に示す一定の電流Ｉ0を生成し、この電流Ｉ0を蓄電池５に供給して、蓄電池５を充電する。蓄電池５の電圧は充電の進行に伴い図７（ｂ）に示すように上昇する。蓄電池５の電圧が図７（ａ）に示すように予め設定してある温度補償された電圧値（これをＶ−Ｔカーブと呼び、要求により１本からｎ本設定する）に達したことを充電制御器４ａで検出すると充電制御器４はそれまでの定電流充電から定電圧充電へ移行する。これにより充電電流は図７（ｃ）に示すようにテーパ状に減少し、蓄電池５への過充電を防止する。
一方、日陰時において太陽電池１の発生電力が低下した場合、上記充電制御器４ａは電力制御器３の出力により蓄電池５を放電し、負荷６へ電力を供給する。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】
従来の低高度衛星用電源装置における蓄電池の充電は、上記のように行われているが、上記のような定電圧／定電流充電はｎ個の蓄電池セルを直列に縦続接続した蓄電池全体に対して行われるため、蓄電池を構成する各セルの充電特性のアンバランスにより蓄電池内の特定のセルが過充電されるという問題点があった。特にLi（リチウム）系電極で構成されるLi-Ion（リチウム・イオン）セルは、エネルギー密度、充電電圧、放電電圧等がNiCdセルに比べて高く、蓄電池への使用が期待されているが、 Li-Ionセルの場合、規定電圧を越えて過充電状態になると電極劣化が促進され、寿命が短くなってしまう問題点がある。例えば、温度Ｔｏ°Ｃの時のＶ−Ｔカーブにおける定電圧動作電圧は、ｎ個のセル電圧の和を蓄電池電圧として検出し、設定電圧と比較動作するが、ｍ個目のセル電圧が他のセル電圧よりもセルの内部抵抗の関係で高くなっている場合、セルの上限電圧を超えてしまい、その結果当該セルを劣化させてしまうことがあった。
【０００５】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、蓄電池を構成する個々のセルが過充電とならず適切な充電量が確保できるバッテリ蓄電装置を得ることを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明によるバッテリ蓄電装置は、蓄電池セルが縦続接続された蓄電池と、電源出力から上記蓄電池を充電するための異なる複数の充電電流を生成し、異なる規定電圧値になるまで上記蓄電池に異なる複数の充電電流を供給する手段を有する充電電流生成手段とを備えたものである。
【０００７】
第２の発明によるバッテリ蓄電装置は、第１の発明において充電電流生成手段に、異なる複数の充電電流を生成し、かつ上記充電電流は、最初高いレベルで供給した後、低いレベルで供給するように充電電流を変化させる手段を設けたものである。
【０００８】
第３の発明によるバッテリ蓄電装置は、第１、第２の発明において充電電流生成手段に、各蓄電池セルの電圧のいずれかが規定の電圧に達したとき充電電流を高いレベルから低いレベルに変化させる手段を設けたものである。
【０００９】
第４の発明によるバッテリ蓄電装置は、第１〜第３の発明において 各蓄電池セルにそれぞれシャント回路を接続し、蓄電池への最低レベルの充電電流供給状態でいずれかの蓄電池セルの電圧が規定の電圧に達した場合、当該蓄電池セルに流れる充電電流を当該蓄電池セルに接続されたシャント回路へバイパスするようにしたものである。
【００１０】
第５の発明によるバッテリ蓄電装置は、第１〜第４の発明において 電源と蓄電池との間に設けられ、通常はＯＮし、かつ上記蓄電池セルの電圧のいずれかが規定電圧に達したとき、上記充電電流生成手段によりＯＦＦされ、放電によりＯＮに復帰するスイッチを設けたものである。
【００１１】
第６の発明によるバッテリ蓄電装置は、第１〜第５の発明において上記充電電流生成手段に、上記蓄電池セル全体の電圧を検出し、その検出した電圧が規定電圧に達したときに定電圧充電制御に移行する手段を設けたものである。
【００１２】
第７の発明によるバッテリ蓄電装置は、第１〜第６の発明において上記充電電流生成手段に、上記複数の蓄電池セル電圧がアンバランスになったとき定電圧充電制御を解除し、低レベルの充電電流で規定電圧に達するまで充電する手段を設けたものである。
【００１３】
第８の発明によるバッテリ蓄電装置は、第１〜第７の発明において上記蓄電池セルとしてLi（リチウム）系電極で構成されるLi-Ion（リチウムイオン）蓄電池セルを用いたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。図１において、１、２、３、５、６、７は図６と同様である。４ｂは充電用太陽電池９の出力に基づき複数の充電電流を生成し、蓄電池セルが縦続接続された蓄電池５へ異なる複数の充電電流を供給する充電制御器、８は充電用太陽電池９と蓄電池５との間に接続され逆流防止ダイオード、１０は蓄電池５と逆流防止ダイオード８との間に接続されたスイッチで、充電開始時はＯＮの状態であり、充電用太陽電池９から直接蓄電池５へ充電が行われる。１１は制御用ダイオードである。
なお、充電制御器４ｂは、充電用太陽電池９の出力に基づく充電電流Ｉ１よりレベルの低い充電電流Ｉ２、Ｉ３（Ｉ２＞Ｉ３）を生成する電流制御部を有している。
１２は各蓄電池セルにそれぞれ対応して設けられ、各蓄電池セルの電圧を検出し、かつ当該検出した蓄電池セルの電圧が規定電圧に達した場合、所定の信号を出力する複数のセル電圧検出器、１３は上記複数のセル電圧検出器１２の出力端に接続され、セル電圧検出器１２からの所定信号を上記充電制御器４ｂへ出力するＯＲ回路である。
【００１５】
次にこの発明の動作を以下に説明する。
充電用太陽電池９からの充電電流Ｉ１（例えば３０Ａ）が図２（ａ）のＩ１に示すようにスイッチ１０を介して蓄電池５に供給されると、蓄電池５の各蓄電池セルが充電されて各蓄電池セルの電圧が図２（ｂ）のアに示すように上昇する。セル電圧検出器１２は蓄電池セルの電圧をそれぞれ検出するが、複数の蓄電池セルのいずれかのセル電圧が規定電圧（例えば３．９８Ｖ）に達したとき当該セル電圧を検出しているセル電圧検出器１２から例えばＨｉｇｈレベルの信号をＯＲ回路１３へ出力する。充電制御器４ｂは上記セル電圧検出器１２から出力されたＨｉｇｈレベルの信号をＯＲ回路１３を介して入力したときＯＮ状態のスイッチ１０をＯＦＦに切替える信号を制御用ダイオード１１を介してスイッチ１０へ出力し、スイッチ１０をＯＦＦとする。また充電制御器４ｂは、全体の蓄電池セル電圧が規定電圧（例えば３．９５Ｖ×蓄電池セル数）に達したときスイッチ１０をＯＦＦにして定電圧充電に移行させるようになっている。
さらに充電制御器４ｂは、上記充電用太陽電池９からの出力に基づき充電電流Ｉ１より低いレベルの充電電流Ｉ２、Ｉ３（ Ｉ２＞Ｉ３）を生成する機能（充電電流Ｉ１を充電電流Ｉ２、Ｉ３に切替える機能）を有し、スイッチ１０のＯＦＦと同時に例えば５Ａの充電電流Ｉ２（図２（ａ）のＩ２参照）を蓄電池５に供給し、各蓄電池セルを充電する。この時、各蓄電池セルの充電電圧は、図２（ｂ）のイに示すように初めは減少するが、やがて上昇する。Ｉ２の充電電流により各蓄電池セルが充電され、複数の蓄電池セルのうちいずれかのセル電圧が規定電圧（例えば３．９８Ｖ）に達した場合、これをセル電圧検出器１２により検出され、その信号がＯＲ回路１３を介して充電制御器４ｂに入力される。充電制御器４ｂはセル電圧検出器１２からの信号を受けて上記Ｉ２をＩ３の充電電流に切替えて蓄電池５へ図２（ａ）に示すＩ３の充電電流（例えば１Ａ）を供給し、各蓄電池セルを充電する（図２（ｂ）のウ参照）。
なお、充電制御器４ｂは、蓄電池５の放電時にスイッチ１０をＯＮに復帰させる信号を制御用ダイオード１１を介してスイッチ１０へ出力するようになっている。
【００１６】
以上のように この発明は、蓄電池に異なる複数の充電電流を供給し、当該充電電流は、最初高いレベルで供給した後、次に低いレベルで供給するようにした多段充電機能を設けたので、充電制御器は充電用太陽電池の電力より低いレベルの充電電流を制御すればよく充電効率が向上するとともに、小型、軽量化できるという効果がある。
また、さらに低レベルの充電電流を設定することにより木目細かく充電制御できる。
【００１７】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。この実施の形態２は、上記実施の形態２の構成のものにシャント回路１４を各蓄電池セルに並列に接続し、蓄電池セルの電圧が規定電圧に達した場合、充電電流を規定電圧に達した蓄電池セルに並列接続したシャント回路１４にバイパスさせて当該蓄電池セルの電圧上昇を抑えるように構成したところに特徴を有する。
充電電流Ｉ３により充電されている場合においてセル電圧検出器１２は蓄電池セルの電圧が規定電圧に達していない場合Ｌｏｗレベルの信号を出力する。シャント回路１４はこのＬｏｗレベルの信号が出力されている場合はＯＦＦ状態となっていて蓄電池セルに充電電流Ｉ３が流れる。一方セル電圧検出器１２は蓄電池セルの電圧が規定電圧に達した場合Ｈｉｇｈレベルの信号を出力する。シャント回路１４はこのＨｉｇｈレベルの信号によりＯＮとなる。これにより充電電流は規定電圧に達した蓄電池セルに並列接続されたシャント回路１４にバイパスされて消費するため、当該蓄電池セルに充電電流Ｉ３が流れなくなり電圧上昇を抑制することができる。
【００１８】
以上のように この発明は、各蓄電池セル毎に上限電圧制御ができるので、蓄電池セルのサイクル寿命劣化を最小に抑えることができる。
【００１９】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。この実施の形態３では、基本的には実施の形態２と同じであるが、実施の形態２と異なるところはＯＲ回路１９の出力に基づきスイッチ１０をオフする信号を出力する信号ダイオード１９と、充電電流Ｉ３により充電されている場合において蓄電池全体の電圧をモニターし、当該電圧が規定電圧（充電電流を切替えるための規定電圧より低く設定する）に達した場合は、定電流充電から定電圧充電に移行（切替え）させる機能を有する充電制御器４ｃを設けたものである。
なお定電圧充電は各蓄電池セル電圧がバランスしているときに生じ、バッテリ動作として理想的な状態である。
【００２０】
以上のように この発明は、充電電流Ｉ１により充電されている場合の蓄電池全体の電圧をモニターし、当該電圧が規定の電圧（例えば３．９５Ｖ×蓄電池数）に達したとき、定電流充電から定電圧充電へ切替える機能を充電制御器に持たせ、この機能を多段充電と併用することにより蓄電池セルの電圧特性がバランスしているときにできるだけシャント回路を動作させないで充電制御するようにしたので
規定電圧を低く抑えることができ、蓄電池セルのサイクル寿命劣化を低く抑えることができる。。
【００２１】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。この実施の形態４では、基本的には実施の形態３と同じであるが、実施の形態３と異なるところは定電流充電から定電圧充電に移行した後、各蓄電池セル電圧にアンバランスが生じた場合、定電圧充電制御を解除し、各蓄電池セル電圧を強制的にシャント回路１２が動作するまで（シャント電圧まで）充電電流Ｉ３で充電させて各蓄電池セル電圧のバランスをとる機能を有する充電制御器４ｄを設けたものである。
なお上記各蓄電池セルの電圧はセル電圧検出器１２により検出され、ＯＲ回路１３を介して充電制御器４ｄに入力され、充電制御器４ｄにおいて各蓄電池セル電圧にアンバランス（規定電圧に対する各蓄電池セル相互間の電圧のばらつき）の有無を検出するようになっているが、各蓄電池セルの電圧を地上局側でモニターし、上記アンバランスが生じた場合に上記充電制御器４ｄに対し定電圧充電制御を解除し、各蓄電池セル電圧を強制的にシャント回路１２が動作するまで充電電流Ｉ３で充電させるためのコマンドを発生するようにしても良い。
【００２２】
以上のように、この発明は、定電流充電から定電圧充電に移行した後、各蓄電池セル電圧にアンバランスが生じた場合、定電圧充電制御を解除し、各蓄電池セルを充電電流Ｉ３によりシャント動作電圧まで充電することにより、充電のサイクルの進行に伴って生じる各蓄電池セル電圧のアンバランスを是正することができる。
【００２３】
なお上記各実施の形態は、低高度衛星用電源装置を例に上げて説明したが、この発明は、他の衛星、電気自動車、地上用太陽発電などにも適用できるものである。
【００２４】
【発明の効果】
この発明によれば、異なる充電電流により縦続接続された複数の蓄電池セルを充電（多段充電）することにより蓄電池セルの過充電を抑制することができる。
【００２５】
またこの発明は、蓄電池への最低レベルの充電電流供給状態でいずれかの蓄電池セルの電圧が規定の電圧に達した場合、当該蓄電池セルに流れる充電電流を当該蓄電池セルに接続されたシャント回路へバイパスするようにしたので、蓄電池セルの過充電を抑制することができる。
【００２６】
この発明は、各蓄電池セルの電圧がバランスしている状態における蓄電池全体の電圧をモニターし、当該電圧が規定電圧に達した場合は、定電流充電から定電圧充電に切替えるようにしたので、サイクル寿命劣化を抑える上でバッテリ動作を理想的な状態にすることができる。
【００２７】
またこの発明は、定電流充電から定電圧充電に移行した後、各蓄電池セル電圧にアンバランスが生じた場合、定電圧充電制御を解除し、各蓄電池セルをシャント動作電圧まで充電することにより、各蓄電池セル電圧のアンバランスを是正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１を示す低高度衛星用電源装置の電流、電圧特性を説明するための図である。
【図３】 この発明の実施の形態２を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態３を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態４を示す低高度衛星用電源装置の構成図である。
【図６】 従来の低高度衛星用電源装置の構成図である。
【図７】 従来の低高度衛星用電源装置の電流、電圧特性を説明するための図である。
【符号の説明】
４ 充電制御器 ５ 蓄電池 ９ 充電用太陽電池 １０ スイッチ １１ 制御用ダイオード １２ セル電圧検出器 １３ ＯＲ回路 １４シャント回路 １６ 信号用ダイオード。

Claims (6)

1. 複数の蓄電池セルが縦続接続された蓄電池と、
   電源の出力電流に基づいて上記蓄電池を充電するための充電電流を生成する充電制御手段と、
   上記電源と蓄電池の間に接続されたスイッチと、を備え、
   上記充電制御手段は、
   上記スイッチの接続がＯＮ状態にて、上記各蓄電池セルの電圧のいずれかが規定電圧に達したときに上記スイッチの接続をＯＦＦ状態とした後、
   上記いずれかの蓄電池セルの電圧が規定電圧に達した場合、生成する充電電流を高いレベルから低いレベルに変化させて上記蓄電池に供給し、
   上記蓄電池全体の電圧が規定電圧に達したときに上記蓄電池を定電圧充電制御する、
   ことを特徴とするバッテリ蓄電装置。
2. 各電池セルにそれぞれ接続され、上記蓄電池への充電電流供給状態でいずれかの蓄電池セルの電圧がシャント電圧に達した場合、当該蓄電池セルに流れる充電電流をそれぞれバイパスするシャント回路を備えたことを特徴とする請求項１記載のバッテリ蓄電装置。
3. 上記充電制御手段は、上記各蓄電池セルの電圧のモニタ結果に基づいて当該各蓄電池セルのセル電圧がアンバランスになったときに上記定電圧充電制御を解除し、上記低いレベルの充電電流で全ての蓄電池セルがシャント電圧に達するまで充電電流を供給することを特徴とする請求項２に記載のバッテリ蓄電装置。
4. 上記電源を構成する主電源で発生した電力を上記蓄電池に供給するとともに、当該主電源の発生電力が低下した場合には上記蓄電池を放電させるように上記充電制御手段を制御する電力制御手段を更に備え、
   上記充電制御手段は、上記電源を構成する充電用電源の出力に基づいて当該充電用電源の電力より低いレベルの充電電流を生成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のバッテリ蓄電装置。
5. 複数の蓄電池セルが縦続接続された蓄電池と、
   電源出力から上記蓄電池を充電するための充電電流を生成する充電制御手段と、
   上記各蓄電池セルにそれぞれ接続され、いずれかの蓄電池セルの電圧がシャント電圧に達した場合、当該蓄電池セルに流れる充電電流をそれぞれバイパスするシャント回路と、を備え、
   上記充電制御手段は、
   上記いずれかの蓄電池セルの電圧が規定電圧に達した場合、充電電流を高いレベルから低いレベルに変化させるとともに、
   当該低いレベルの充電電流にて充電されている場合に、上記蓄電池全体の電圧が規定電圧に達したときに上記蓄電池を定電圧充電制御し、
   上記各蓄電池セルの電圧のモニタ結果に基づいて当該各蓄電池セルのセル電圧がアンバランスになったときに上記定電圧充電制御を解除し、上記低いレベルの充電電流で全ての蓄電池セル電圧がシャント電圧に達するまで充電電流を供給する、
   ことを特徴とするバッテリ蓄電装置。
6. 上記蓄電池セルはLi（リチウム）系電極で構成されるLi-Ion
   （リチウムイオン）蓄電池セルを用いたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載のバッテリ蓄電装置。

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