JP3869585B2 - 複数の二次電池の放電方法と組電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の二次電池を効率よく放電できる放電方法と、この放電方法で放電する放電制御回路を内蔵する組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組電池は、複数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高くできる。この組電池が負荷に電力を供給するとき、全ての二次電池に同じ電流が流れる。このため、電池の容量がアンバランスであると、小容量の電池の残存容量が大容量の電池の残存容量よりも小さくなる。このため、大容量の電池が完全に放電されるときには、小容量の電池は過放電となってしまう。この弊害は、小容量の電池が完全に放電されたときに組電池の放電を停止させることで解消できる。しかしながら、この状態で組電池の放電を停止させると、組電池全体から出力できるトータル電力が、最も小さい容量の電池で制限される。
【０００３】
全ての二次電池の容量がアンバランスにならないように、組電池を充放電できるならこのような弊害を発生しない。しかしながら、複数の二次電池を直列に接続して、全ての電池の容量を常に同じにすることは、実際には到底に不可能である。充放電を繰り返すにしたがって、直列に接続している複数の電池は容量がアンバランスになる傾向がある。
【０００４】
組電池における各々の電池のアンバランスは、直列に接続している電池の数が増加するにしたがって問題となる。たとえば、１００個の二次電池を直列に接続している組電池は、全ての二次電池の容量を同じ状態にして、繰り返し充放電させることは極めて難しい。この組電池は、わずかにひとつの電池の容量が少なくなっても、組電池としての電気的な性能が著しく低下してしまう。それは、前述のように最も容量が小さくなった電池が過放電しないように放電を停止させると、組電池から出力できる電力が相当に小さくなり、組電池の出力を大きくするために、最も小さい容量の電池が過放電になるまで放電させると、この電池の性能が急激に悪化して組電池としての性能を低下させるからである。
【０００５】
この欠点を解消する組電池として、直列に接続している電池とは別に補助電池を設けている組電池が開発されている。この組電池は、放電しながら個々の電池の残存容量を検出し、最も残存容量が少なくなった小容量二次電池に補助電池から電力を供給しながら放電させる。残存容量が少なくなった小容量二次電池は、補助電池から電力が供給されるので、過放電になるのが防止される。したがって、小容量二次電池の過放電を防止しながら、組電池のトータル出力を大きくできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
補助電池を備える組電池は、小容量二次電池の過放電を防止できるが、常に使用されない補助電池を内蔵させる必要がある。このため、組電池が大きくなると共に、製造コストも高くなり、さらに、補助電池は常に使用されないので、補助電池を効率よく使用できない欠点もある。さらに、補助電池の容量が小さくなると、小容量二次電池の過放電を防止できなくなる欠点もある。補助電池は、組電池を構成している電池よりも常に長寿命であるとは限らない。
【０００７】
さらに、補助電池の容量をどの程度にするかも極めて難しい。補助電池は、複数の二次電池の容量のアンバランスを補償して小容量二次電池の過放電を防止するための電池であるから、アンバランスが大きくなると補助電池の容量を大きくする必要がある。ただ、個々の電池のアンバランスは決して一定ではなく、組電池によって大幅に変動する。アンバランスを確実に補償するために、補助電池の容量を大きくすると、小容量二次電池の過放電を効果的に防止できるが、補助電池の利用効率が悪くなる。反対に補助電池の容量を小さくすると補助電池が小容量二次電池の過放電を確実に防止できなくなる。
【０００８】
本発明は、従来の組電池が有するこのような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、補助電池を使用することなく小容量二次電池の過放電を防止して組電池のトータル出力を大きくできる複数の二次電池の放電方法とこの放電方法で放電させる組電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の放電方法は、複数の二次電池１を直列に接続して放電する方法であって、放電している各々の二次電池１の残存容量を検出して、残存容量が少ないと判定された小容量二次電池に、直列接続している複数の二次電池１から出力される電圧を降圧した電池電圧を供給しながら放電させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２の放電方法は、各々の二次電池１の電圧を検出して残存容量を検出する。この方法は、電圧が低下した二次電池１の残存容量が少ないと判定して、小容量二次電池を識別する。
【００１１】
本発明の請求項３の放電方法は、直列に接続している二次電池１を単独で順番に満充電する。この方法で充電される複数の二次電池１は、過充電されることなく満充電される。
【００１２】
本発明の請求項４の放電方法は、直列に接続している二次電池１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２で電池電圧に変換して小容量二次電池に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、小容量二次電池を充電できる電池電圧から、小容量二次電池の放電電流を減少させる電池電圧に降圧して、出力を小容量二次電池に供給する。
【００１３】
本発明の請求項５の放電方法は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を、小容量二次電池の残存容量によって変化させる。
【００１４】
本発明の請求項６の組電池は、直列に接続している複数の二次電池１と、二次電池１の放電状態を制御する放電制御回路３とを内蔵している。この組電池は、直列に接続している複数の二次電池１を放電させて負荷４に電力を供給する。さらに、この組電池は、各々の二次電池１の残存容量を検出して小容量二次電池を識別する残存容量検出回路５と、直列接続している複数の二次電池１の出力電圧を電池電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力を小容量二次電池に供給するスイッチング回路６とを備える放電制御回路３を有する。この組電池は、残存容量検出回路５でもって、残存容量が少ないと識別された小容量二次電池に、複数の二次電池１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２で電池電圧に変換して供給しながら放電させる。
【００１５】
本発明の請求項７の組電池は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を、小容量二次電池の残存容量によって変化させる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項８の組電池は、直列接続している複数の二次電池１を単独で順番に満充電する充電回路を放電制御回路３に内蔵させている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための放電方法と組電池を例示するものであって、本発明は放電方法と組電池を以下のものに特定しない。
【００１８】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１９】
図１に示す組電池は、直列に接続している複数の二次電池１と、二次電池１の放電状態を制御する放電制御回路３とを内蔵している。組電池は、直列に接続している複数の二次電池１を放電させて負荷４に電力を供給する。二次電池１はリチウムイオン二次電池である。ただ、二次電池１は、ニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池、あるいはその他の二次電池とすることもできる。組電池は、用途によって内蔵している二次電池の数が異なる。組電池は自動車を走行させるモーターを駆動する用途に使用され、あるいはパソコン用の電源に使用される。自動車のモーターを駆動する組電池は、１００〜３００個の二次電池を直列に接続している。
【００２０】
放電制御回路３は、各々の二次電池１の残存容量を検出して小容量二次電池１を識別する残存容量検出回路５と、直列接続している複数の二次電池１の出力電圧を電池電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力を小容量二次電池１に供給するスイッチング回路６とを備える。
【００２１】
残存容量検出回路５は、各々の二次電池１の電圧を検出して残存容量を検出する。残存容量検出回路５は、個々の二次電池１の電圧を順番に検出し、電圧が低下した電池は残存容量が少なくなったと判定して、小容量二次電池１と識別する。電池の電圧で残存容量を検出する残存容量検出回路５は、検出回路を簡単にできる。ただ、残存容量検出回路５は、電池の電圧に加えて、充電電流および放電電流の積算からも残存容量を検出することができる。
【００２２】
残存容量検出回路５は、残存容量が最も少なくなった二次電池１、あるいは残存容量が設定容量よりも小さくなった二次電池１を小容量二次電池１と識別する。電圧で残存容量を検出する残存容量検出回路５は、電圧が最も低下した二次電池１を小容量二次電池１とし、あるいは電圧が設定電圧よりも低くなった二次電池１を小容量二次電池１とする。残存容量検出回路５は、各々の二次電池１に接続されており、各々の二次電池１の電圧を順番に切り換えて検出して残存容量を検出する。
【００２３】
残存容量検出回路５はスイッチング回路６を制御して、小容量二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から出力される電池電圧を供給する。残存容量検出回路５は、小容量二次電池１をＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力側に接続して、その他の二次電池１はＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力側から切り離すようにスイッチング回路６を制御する。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、直列接続している複数の二次電池１の出力電圧をスイッチングして交流に変換し、交流電圧をトランスで降圧し、その後に交流を整流して直流に変換し出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、出力する電池電圧を一定の電圧とし、あるいは、小容量二次電池１の残存容量で変化させる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、放電状態にある小容量二次電池１を充電できる電圧、あるいは充電できないが小容量二次電池１の放電電流を少なくあるいは０にできる電圧に設定される。小容量二次電池の残存容量で出力電圧を変化させるＤＣ／ＤＣコンバータは、小容量二次電池の残存容量が小さくなると出力電圧を高くし、残存容量が大きくなると出力電圧を低くする。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧が、小容量二次電池１を充電できる電圧である組電池は、小容量二次電池１を充電しながら他の二次電池１を放電させるので、充電中の二次電池の残存容量を短時間で他の二次電池１と同じにできる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を、小容量二次電池１を充電はできないが、放電電流を減少させ、あるいは０にする組電池は、小容量二次電池１の過放電を防止しながら全体の二次電池１を放電できる。とくに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を、小容量二次電池１の放電電流を０にするように設定している組電池は、完全に放電された二次電池１を小容量二次電池１と識別して、この小容量二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を供給することにより、小容量二次電池１の過放電を防止しながら組電池を放電できる。
【００２６】
多数の二次電池１を直列に設定している組電池は、完全に放電されるまでに複数の二次電池１を小容量二次電池１と識別し、小容量二次電池１と識別した二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を供給することもできる。この組電池は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を、小容量二次電池１の放電電流を０にするよりも大きく設定する。この組電池のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、小容量二次電池１を充電できる電圧ないしは放電電流を少なくできる電圧に設定する。この組電池は、好ましくは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を、小容量二次電池１を充電できる電圧に設定する。小容量二次電池１と識別された二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電力を供給して、短時間で小容量二次電池１を他の二次電池１にバランスした残存容量にできるからである。この組電池は、いずれかの二次電池１の残存容量が少なくなって小容量二次電池１と識別されて、この小容量二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を供給して残存容量をバランスさせた後、他の二次電池１の残存容量が少なくなって小容量二次電池１と識別されると、この小容量二次電池１にさらにＤＣ／ＤＣコンバータ２から電力を供給して残存容量をバランスできる。このため、組電池を完全に放電させるまでに、複数の二次電池１を小容量二次電池１と判別し、判別した小容量二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電力を供給しながら残存容量をバランスさせながら放電できる。
【００２７】
スイッチング回路６は、個々の二次電池１を独立してＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力側に接続するために、各々の二次電池１の＋−の電極端子を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の＋−の出力端子に独立して接続している。このスイッチング回路６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２と二次電池１との間にスイッチング素子を接続している。スイッチング素子はＦＥＴであるがトランジスターとすることもできる。さらに、この図のスイッチング回路６は、スイッチング素子と直列に保護抵抗を接続している。
【００２８】
スイッチング回路６は、二次電池１の＋−の電極端子に接続していスイッチング素子を一対として、残存容量検出回路５でオンオフに制御される。残存容量検出回路５は、いずれか一対のスイッチング素子をオンに切り換えるとき、その他のスイッチング素子をオフとする。ＤＣ／ＤＣコンバータ２がいずれかひとつの小容量二次電池１に電池電圧を供給するためである。
【００２９】
図１に示す組電池は、以下の状態で充放電される。
▲１▼ 組電池を満充電する。組電池は、直列に接続している二次電池１を単独で順番に満充電し、あるいは直列に接続する状態で満充電する。各々の二次電池１を単独で順番に満充電する方法は、各々の二次電池１を過充電することなく満充電できる特長がある。図の組電池はＤＣ／ＤＣコンバータ２に電源７を接続している。電源７から供給される充電電圧を、各々の二次電池１に供給して順番に満充電し、あるいは、直列に接続している二次電池１を一緒に満充電する。電源７は、自動車用の組電池においては発電機であり、家庭用のパソコン等においてはＡＣアダプター等である。
【００３０】
各々の二次電池１を単独で順番に充電する組電池は、スイッチング回路６のスイッチング素子を利用して充電できる。全ての二次電池１を直列に接続して一緒に充電する組電池は、スイッチング回路６のスイッチング素子をオフとし、電源７から供給される電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２から二次電池１に供給して充電する。このとき、図に示す組電池は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を二次電池１に直列に接続する充電スイッチ８をオンにする。
【００３１】
▲２▼ 組電池を放電させるとき、負荷４と組電池との間に接続している放電スイッチ９がオンに切り換えられる。このとき、組電池に内蔵される全ての二次電池１は直列に接続された状態で負荷４に電力を供給する。組電池の充電電圧は二次電池１の個数×電池電圧となる。
【００３２】
▲３▼ 二次電池１を放電させているとき、放電制御回路３の残存容量検出回路５は、各々の二次電池１の電圧を検出して残存容量を検出し、残存容量が最少となり、あるいは設定容量よりも小さくなった二次電池１を小容量二次電池１と判定し、この小容量二次電池１の＋−の電極端子に接続しているスイッチング素子をオンに切り換えて、その他のスイッチング素子をオフに保持する。
【００３３】
残存容量検出回路５は、放電を開始した直後から二次電池１の残存容量を検出して、残存容量の最も少ない二次電池１を小容量二次電池１と識別し、あるいは、残存容量が設定容量よりも小さくなった二次電池１を小容量二次電池１と識別する。
【００３４】
放電を開始した直後から小容量二次電池を１識別して、この小容量二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を供給する放電方法は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力を小さくして、小容量二次電池１の過放電を防止できる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２が長い時間にわたって小容量二次電池１に電力を供給できるからである。
【００３５】
二次電池１の残存容量が設定容量よりも小さくなった二次電池１を小容量二次電池１と判定して、この小容量二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を供給する方法は、満充電された組電池の放電を開始した直後には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を出力する必要がない。組電池が放電されて、いずれかの二次電池１の残存容量が設定容量よりも少なくなり、この状態が続くと小容量二次電池１と判定された二次電池１が過放電になると判定されたときに、小容量二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を供給して、この小容量二次電池１を充電しあるいは放電を少なくする。
【００３６】
いずれの放電方法も、小容量二次電池１と判定された二次電池１にＤＣ／ＤＣコンバータ２から電池電圧を供給して、小容量二次電池１と判定された二次電池１の残存容量が他の二次電池１よりも大きくなり、あるいは残存容量が設定容量よりも大きくなると、この二次電池１に接続しているスイッチング素子をオフに切り換えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２からの電力供給を停止する。
【００３７】
▲４▼ その後、各々の二次電池１の残存容量を検出して、残存容量が最少となり、あるいは設定容量よりも小さくなると、▲３▼の工程を繰り返して、小容量二次電池１をＤＣ／ＤＣコンバータ２に接続し、小容量二次電池１が過放電になるのを防止しながら組電池を放電させる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の放電方法とこの放電方法で二次電池を放電させる組電池は、補助電池を使用しないにもかかわらず、いずれかの二次電池が過放電になるのを防止しながら、トータル出力を大きくできる極めて優れた特長がある。それは、本発明の放電方法と組電池が、過放電になる可能性のある容量の小さい二次電池を小容量二次電池と判定し、この小容量二次電池に他の二次電池から電力を供給して放電させるからである。
【００３９】
多数の二次電池を直列に接続して、いずれの二次電池も過放電させることなく放電できる放電方法と組電池は、単にトータルの出力電力を大きくできることに止まらず、多数の二次電池の寿命を延長して、各々の二次電池を理想的な状態でバランスよく放電できる極めて優れた特長がある。このことは、直列に接続する電池数が多い組電池、たとえば、自動車用の組電池においては極めて大切なことである。それは、多数の二次電池を直列に接続している組電池は、電池の個数に比例していずれかの二次電池が劣化する確率が高くなり、しかもこの状態になると組電池全体を使用できなくなるからである。さらにまた、多数の二次電池を直列に接続している組電池は、全体のコストが極めて高くなるので長寿命に使用できることが大切である。にもかかわらず、この種の組電池は、いずれかの二次電池が劣化して使用できなくなると、他の多数の二次電池が正常に使用できる状態で使用できなくなってしまう。このため、多数の二次電池を直列に接続している組電池は、各々の二次電池をいかにして理想的な状態で放電できるかが極めて大切である。
【００４０】
さらにまた、本発明の放電方法と組電池は、補助電池でもって劣化した二次電池の過放電を防止するのではない。劣化した二次電池の過放電を、劣化していない他の二次電池で防止している。このため、補助電池を装備させる必要がなく、したがって、補助電池の充放電管理を皆無として、さらに全ての二次電池を理想的な状態でバランスして放電できる特長が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放電方法に使用される組電池のブロック図
【符号の説明】
１…二次電池
２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３…放電制御回路
４…負荷
５…残存容量検出回路
６…スイッチング回路
７…電源
８…充電スイッチ
９…放電スイッチ

Claims (8)

1. 複数の二次電池(1)を直列に接続して放電する方法において、
   放電している各々の二次電池(1)の残存容量を検出し、残存容量が少ないと判定された小容量二次電池に、直列接続している複数の二次電池(1)から出力される電圧を降圧した電池電圧を供給しながら、直列に接続している複数の二次電池(1)を放電させることを特徴とする二次電池の放電方法。
2. 各々の二次電池(1)の電圧を検出して残存容量を検出する請求項１に記載される複数の二次電池の放電方法。
3. 直列に接続している二次電池(1)を単独で順番に満充電する請求項１に記載される複数の二次電池の放電方法。
4. 直列に接続している二次電池(1)の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ(2)で電池電圧に変換する請求項１に記載される複数の二次電池の放電方法。
5. ＤＣ／ＤＣコンバータ(2)の出力電圧を、小容量二次電池の残存容量によって変化させる請求項４に記載される複数の二次電池の放電方法。
6. 直列に接続している複数の二次電池(1)と、二次電池(1)の放電状態を制御する放電制御回路(3)とを内蔵しており、直列に接続している複数の二次電池(1)を放電させて負荷(4)に電力を供給するようにしてなる組電池において、
   放電制御回路(3)が、各々の二次電池(1)の残存容量を検出して小容量二次電池を識別する残存容量検出回路(5)と、直列接続している複数の二次電池(1)の出力電圧を電池電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ(2)と、ＤＣ／ＤＣコンバータ(2)の出力を小容量二次電池に供給するスイッチング回路(6)とを備え、
   残存容量検出回路(5)が残存容量が少ないと識別された小容量二次電池に、直列接続している複数の二次電池(1)の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ(2)で電池電圧に変換して供給しながら放電させるようにしてなることを特長とする組電池。
7. ＤＣ／ＤＣコンバータ(2)が、小容量二次電池の残存容量によって出力電圧を変化させる請求項６に記載される組電池。
8. 放電制御回路(3)が、直列接続している複数の二次電池(1)を単独で順番に満充電する充電回路を内蔵している請求項６に記載される組電池。

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