JP3829441B2 - ２次電池の制御装置、２次電池の制御装置を備えた電池パック及び２次電池の制御方法 - Google Patents
２次電池の制御装置、２次電池の制御装置を備えた電池パック及び２次電池の制御方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次電池の制御装置、２次電池の制御装置を備えた電池パック及び２次電池の制御方法の改良、特に２次電池の充電容量及び放電容量を向上させる２次電池の制御装置、２次電池の制御装置を備えた電池パック及び２次電池の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯式パーソナルコンピュータ、携帯電話、ビデオカメラ等には、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の充電式の電池（２次電池）が用いられている。２次電池とは、放電後に外部からエネルギーを供給することにより再生できる電池のことをいう。
２次電池は、ケースに収容されている場合があり、そのケースの中には複数個の２次電池が例えば直列に接続されている。このケースの外周面には外部端子が設けられており、外部端子に充電装置、あるいは携帯電話等の電子機器が接続することにより、２次電池は充電あるいは放電を行う。
【０００３】
図５は、従来の電池パック１０のシステム図を示している。図５の電池パック１は、２次電池２、保護部３、スイッチ手段４、抵抗器５、外部端子６等を有している。
２次電池２は例えば２個の２次電池セル２ａ、２ｂからなっており、２次電池セル２ａ、２ｂは直列に配置されている。２次電池セル２ａ、２ｂには外部端子６が接続されていて、２次電池セル２ａ、２ｂの間には抵抗器５を介して保護部３が接続されている。スイッチ手段４はスイッチ素子４ａ、４ｂからなっており、２次電池セル２ａ、２ｂにそれぞれ並列に接続されている。スイッチ手段８は、スイッチ素子８ａ、８ｂで構成されている。スイッチ手段８は外部端子６と２次電池セル２ａ、２ｂとの間に設けられており、保護部３によりスイッチング動作を制御されている。保護部３は、過充電保護部３ａと過放電保護部３ｂとからなっており、２次電池セル２ａ、２ｂが過剰の充電もしくは放電が行われないようにしている。
【０００４】
この電池パック１の充電は、外部端子６に対して充電電圧Ｖｃを印加し、２次電池セル２ａ、２ｂに対して充電電圧Ｖｃを供給することにより行われる。このとき、過充電保護部３ａは２次電池セル２ａ、２ｂのそれぞれの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定している。そして、２次電池セル２ａ、２ｂの充電が終了したことを過充電保護部３ａが判断すると、過充電保護部３ａはスイッチ素子８ａを開いて、２次電池セル２ａ、２ｂに対して充電電圧Ｖｃの供給を停止する。
【０００５】
２次電池セル２ａ、２ｂに充電が終了したことの判断するために、過充電保護部３ａには２次電池セル２ａ、２ｂが基準電圧Ｖｒに達したとき充電を停止するように設定されている。２次電池セル２ａ、２ｂの電池容量に差異がある場合（２ａ＞２ｂ）、電池容量の小さい２次電池セル２ｂはより早く充電を終了する。このため、２次電池セル２ｂの電池電圧Ｖ２が過充電保護部３ａの基準電圧Ｔｒに到達したとき充電が終了し、２次電池セル２ａは完全に充電が行われない。従って、充電時に２次電池セルの電池電圧を放電して、各電池電圧の平準化を図る必要がある。
【０００６】
そこで、２次電池セル２ａが過充電保護部３ａの基準電圧Ｖｒを上回ったとき、過充電保護部３ａがスイッチ素子４ａを閉じる。これにより、２次電池セル２ｂの電池電圧が抵抗器５により基準電圧Ｖｒ以下まで放電され、２次電池セル２ａと２次電池セル２ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２の平準化を行う。その後、スイッチ素子４ａが開かれて、充電が再開される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来、過充電保護部３ａは電池電圧Ｖ１、Ｖ２が基準電圧Ｖｒまで達しないと、過充電保護機能が作動しなかった。すなわち、充電時に２次電池セル２ｂの電池電圧Ｖ２が過充電保護部３ａの基準電圧Ｖｒに到達したときに充電が終了してしまい、２次電池セル２ａには十分な充電ができず、２次電池セル２ａの電池容量が効率的に利用できないという問題がある。
【０００８】
また放電時において、２次電池セル２ａ、２ｂの電池容量に差異がある場合、電池容量の一番小さいセルの電池電圧が過放電保護部３ｂの基準電圧Ｖｒに到達したときに放電が終了していた。すなわち、従来において、充電時における２次電池セル２ａ、２ｂの平準化を行う機能を有するものはあったが、２次電池セルの放電時に２次電池セル２ａ、２ｂの平準化を行う機能を有するするものはなかった。これにより、電池容量の大きい２次電池セルに充電されている電池電圧が完全に使い切ることができず、放電効率が悪いという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は上記課題を解消し、２次電池を効率よく充電あるいは放電させる２次電池の制御装置及びそれを用いた電池パックを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を達成するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、直列に接続された複数の２次電池セルと、各２次電池セルに充電電圧を供給し、または各２次電池セルから放電電圧が供給される外部端子と、外部端子から供給される充電電圧及び外部端子に供給する放電電圧を制御する保護部とを有する２次電池の制御装置において、各２次電池セルにそれぞれ並列に接続されている複数のスイッチ素子からなるスイッチ手段と、各２次電池セルの電池電圧を測定し、その測定値に基づいてスイッチ手段のスイッチング動作を制御するバランス検出部と、スイッチ素子とスイッチ素子の間に設けられており、各スイッチ素子のスイッチング動作により、各２次電池セルと並列に接続される蓄電部とを有し、上記バランス検出部には、平準基準電圧値が設定されており、複数の２次電池セルの中で、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルを検出し、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルの電位差と平準基準電圧値を比較し、その電位差が平準基準電圧値より大きい場合、最も電池電圧の高い２次電池セルに蓄電部を接続して、蓄電部に充電を行い、
最も電池電圧の高い２次電池セルから最も電池電圧の低い２次電池セルに蓄電部の接続を切り替えて、蓄電部から最も電池電圧の低い２次電池セルに充電を行い、その電位差が平準基準電圧値より小さくなるまで、蓄電部の接続の切り替えを繰り返すようにしたものである。
【００１１】
本発明では、各２次電池の電池電圧をバランス検出部が測定し、各２次電池の電圧差を計算する。その電圧差の値に基づいてバランス検出手段がスイッチ手段のスイッチング動作を制御する。スイッチ手段の動作により、蓄電部が各２次電池セルと並列に接続されて、各２次電池セルは蓄電池に対して電池電圧の放電、もしくは充電を行う。これにより、それぞれの２次電池セルの電池電圧を平準化を行う。
これにより、２次電池が充電もしくは放電をするに際し、各２次電池セルの電池電圧をほぼ同じに保てるので、効率よく充電もしくは放電ができる。また、２次電池の平準化を効率よく行うことができる。
【００１２】
また、本発明は、直列に接続されている複数の２次電池セルに対して充電電圧を供給し、または各２次電池セルに蓄えられている電力を外部に放電する２次電池の制御方法において、複数の２次電池セルの中で、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルを検出し、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルの電位差と平準基準電圧値を比較し、その電位差が平準基準電圧値より大きい場合、最も電池電圧の高い２次電池セルに蓄電部を接続して、蓄電部に充電を行い、最も電池電圧の高い２次電池セルから最も電池電圧の低い２次電池セルに蓄電部の接続を切り替えて、蓄電部から最も電池電圧の低い２次電池セルに充電を行い、その電位差が平準基準電圧値より小さくなるまで、蓄電部の接続の切り替えを繰り返すようにしたものである。
【００１３】
本発明では、蓄電部を用いて最も電池電圧が高い２次電池セルから最も電池電圧が低い２次電池セルに対して充電を行う。これにより、２次電池が充電もしくは放電をするに際し、各２次電池セルの電池電圧をほぼ同じに保てるので、効率よく充電もしくは放電ができる。また、２次電池の平準化を効率よく行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００１５】
図１には本発明の２次電池の制御装置を備えた電池パックの実施形態の概念図を示しており、図１を参照して電池パック１０について詳しく説明する。図１の電池パック１０は、２次電池１１、外部端子１２、制御装置１３等を有している。
２次電池１１は例えば２個の２次電池セル１１ａ、１１ｂからなっており、２次電池セル１１ａ、１１ｂは直列に配置されている。２次電池セル１１ａ、１１ｂは、例えばリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等からなっており、２次電池１１は外部端子１２と接続されている。
外部端子１２に充電装置が接続されると、２次電池セル１１ａ、１１ｂに充電電圧Ｖｃが供給され、外部端子１２に電子機器等が接続されると、２次電池セル１１ａ、１１ｂが電子機器に対して放電電圧Ｖｄを供給する。
【００１６】
２次電池セル１１ａ、１１ｂと外部端子１２の間には制御装置１３が配置されている。制御装置１３は、保護部１４、バランス検出部１５、スイッチ手段１６、蓄電部であるコンデンサ１７等を有している。
保護部１４は過充電保護部１４ａと過放電保護部１４ｂとからなっている。過充電保護部１４ａはスイッチ素子１８ａに接続されており、そのスイッチング動作を制御している。また、過放電保護部１４ｂはスイッチ素子１８ｂに接続されており、そのスイッチング動作を制御している。過充電保護部１４ａには上限基準電圧Ｖｒ１が設定されており、過放電保護部１４ｂには下限基準電圧Ｖｒ２が設定されている。
過充電保護部１４ａは、電池電圧Ｖ１、Ｖ２が上限基準電圧Ｖｒ１より高くなると、充電を終了するために、スイッチ素子１８ａを開いて充電を停止する。また、過放電保護部１４ｂは電池電圧Ｖ１、Ｖ２が下限基準電圧Ｖｒ２より低くなると、スイッチ素子１８ｂを開いて放電を停止する。
【００１７】
次に、バランス検出部１５について詳しく説明する。
バランス検出部１５は、２次電池セル１１ａ、１１ｂの両端にそれぞれ接続されている。また、バランス検出部１５は後述するスイッチ手段１６と接続されており、そのスイッチング動作を制御している。また、バランス検出部１５には、平準基準電圧Ｖｒ３が設定されている。
バランス検出部１５は各２次電池セル１１ａ、１１ｂのそれぞれの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定し、その電圧差ΔＶを検出する。そして、その電位差ΔＶと平準基準電圧Ｖｒ３とを比較し、その結果に応じてスイッチ手段１６のスイッチングを制御する。
【００１８】
バランス検出部１５の両端にはスイッチ手段１６が並列に接続されている。スイッチ手段１６は複数のスイッチ素子１６ａ、１６ｂで構成されており、例えば、電磁リレー、電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）、フォトＭＯＳリレーからなっている。スイッチ素子１６ａ、１６ｂは２次電池セル１１ａ、１１ｂの両端にそれぞれ接続されている。スイッチ素子１６ａ、１６ｂの間にはコンデンサ１７が設けられている。コンデンサ１７は、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、電気２重層コンデンサ等からなっている。また、コンデンサ１７の代わりに、２次電池を使用してもよい。
スイッチ素子１６ａ、１６ｂが端子ａに接続されると、コンデンサ１７は２次電池セル１１ａと並列に接続され、端子ｂに接続されると、コンデンサ１７は２次電池セル１１ｂと並列に接続される。
【００１９】
次に、図１乃至図４を参照して、２次電池セル１１ａ、１１ｂが充電される過程について詳しく説明する。
外部端子１２に充電電圧Ｖｃが外部から供給され、２次電池セル１１ａ、１１ｂに充電電圧Ｖｃが印加される。このとき、保護部１４はスイッチ手段１８を閉じた状態に保っている。そして、２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２はバランス検出部１５により測定されている。そして、２次電池セル１１ａ、１１ｂの充電が終了すると、過充電保護部１４ａがスイッチ素子１８ａを開いて、充電を停止する。２次電池セル１１ａ、１１ｂに過剰の充電あるいは放電を防止し、２次電池セル１１ａ、１１ｂの劣化による放電容量の減少、内部ショートを防ぐことができる。
【００２０】
ここで、２次電池セル１１ａと１１ｂのそれぞれの電池容量Ｃ１、Ｃ２に差異がある場合（Ｃ１＜Ｃ２）、２次電池セル１１ａの電池電圧Ｖ１は２次電池セル１１ｂの電池電圧Ｖ２より高くなる。そして、バランス検出部１５はこの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を比較して、その電圧差ΔＶを測定する。そして、バランス検出部１５は電圧差ΔＶと平準基準電圧Ｖｒ３を比較する。電圧差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より小さいとき（ΔＶ＜Ｖｒ３）、バランス検出部１５はスイッチ手段１６を作動させずに、端子ａ、ｂのいずれにも接続しない状態を保つ。これにより、２次電池セル１１ａ、１１ｂには通常の充電電圧Ｖｃが供給され、充電が行われる。
【００２１】
これに対し、電位差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より大きくなったとき（ΔＶ＞Ｖｒ３）、バランス検出部１５がスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ａに接続させ、図２に示すように、コンデンサ１７を２次電池セル１１ａと並列に接続させる。すると、コンデンサ１７の電圧Ｖ３は、電池電圧Ｖ１と同じになり（Ｖ３＝Ｖ１）、コンデンサ１７には電荷Ｑが蓄えられる。このとき、２次電池２次電池セル１１ａはコンデンサ１７に対して放電している状態となる。これにより、２次電池セル１１ａの電池電圧Ｖ１を下げることができる。
【００２２】
次に、Ｖ３＝Ｖ１となったとき、バランス検出部１５はスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ｂに接続させる。すると、図３に示すように、コンデンサ１７が２次電池セル１１ｂと並列に接続される状態となる。そして、コンデンサ１７の電圧Ｖ３は、電池電圧Ｖ２と同じになる（Ｖ３＝Ｖ２）。このとき、コンデンサ１７の電圧Ｖ３は電圧Ｖ１からＶ２に下がるため、２次電池セル１１ｂはコンデンサ１７によって充電されている状態となる。これにより、２次電池セル１１ｂの電池電圧Ｖ２を上げることができる。
【００２３】
そして、バランス検出部１５は、図４に示すように、端子ｂから端子ａに接続を切り替えるようにスイッチ手段１６を制御する。コンデンサ１７はＶ２からＶ１に電位が高くなることにより、２次電池セル１１ａから充電され、一方２次電池セル１１ａはコンデンサ１７に対して放電を行う。
バランス検出部１５がスイッチ素子１６ａ、１６ｂのスイッチング動作を繰り返すことにより、２次電池セル１１ａは放電され、電池電圧Ｖ１は低くなっていき、２次電池セル１１ｂは充電され、電池電圧Ｖ２は高くなっていく。電池電圧Ｖ１とＶ２の電圧差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より低くなるまで、スイッチング動作を続け、バランス検出部１５はスイッチング動作を停止する。
【００２４】
これにより、２次電池セル１１ａ、１１ｂの平準化を図ることができ、２次電池セル１１ａよりも電池容量の大きい２次電池セル１１ｂにも十分に充電がされ、電池容量を効率的に使用することができる。また、最も電池電圧の高い２次電池セルの電池電圧を下げながら、最も電池電圧の低い２次電池セルの電池電圧を上げることにより、各２次電池セルの電池電圧の平準化を効率よくさらに短時間で行うことができる。また、片方の電池セルのみ過電圧充電されることがなくなる。
【００２５】
次に、２次電池１１が外部に対して放電する過程について詳しく説明する。
外部端子１２に携帯型パソコン、携帯電話等の外部端子が接続されると、２次電池セル１１ａ、１１ｂは外部端子１２に対して放電電圧Ｖｄを供給する。このとき保護部１４は、スイッチ素子１８ａ、１８ｂを閉じた状態に保持させるとともに、各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定する。また、バランス検出部１５も各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定している。
【００２６】
２次電池セル１１ａ、１１ｂが放電している途中に、各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池容量の違いから電池電圧Ｖ１、Ｖ２に差異が生じた場合、バランス検出部１５がその電圧差ΔＶを測定する。電圧差ΔＶがバランス検出部１５に設定されている平準基準電圧Ｖｒ３より大きいとき、バランス検出部１５により、スイッチ手段１６のスイッチング動作が開始される。
【００２７】
ここで、放電しているときの電池電圧がＶ１＜Ｖ２の関係であるとする。このとき、バランス検出部１５はスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ｂに接続させて、２次電池セル１１ｂとコンデンサ１７とを並列に接続する。これにより、コンデンサ１７には電池電圧Ｖ２と同じ電圧が印加され、コンデンサ１７には電荷が蓄えられる。このとき、２次電池セル１１ｂはコンデンサ１７に対して放電することになる。
【００２８】
次に、バランス検出部１５はスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ａに接続させ、２次電池セル１１ａとコンデンサ１７とが並列に接続される。そして、２次電池セル１１ａとコンデンサ１７のそれぞれの電圧Ｖ１、Ｖ３は等しくなるが、コンデンサ１７には２次電池セル１１ａから放電された電荷が蓄えられている。このため、２次電池セル１１ａはコンデンサ１７から充電されることになる。
【００２９】
そして、バランス検出部１５は２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧の電圧差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より低くなるまで、スイッチング動作を続ける。そして、電池電圧Ｖ１とＶ２がほぼ等しくなったらバランス検出部１５はスイッチング動作を停止する。
過放電保護部１４ｂは、各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定しており、電池電圧Ｖ１、Ｖ２が下限基準電圧Ｖｒ２より低くなったとき、スイッチ素子１８ｂを開いて放電を停止する。
【００３０】
従来、放電時において、電池電圧が低い２次電池セルの放電が終了してしまった場合、他の２次電池セルが放電可能な状態であっても、放電が停止されてしまったが、上記実施の形態によると、放電中に各２次電池セルの電池電圧が平準化されているので、各２次電池セルがほぼ同時に放電停止の状態となる。放電時においても各２次電池セルの平準化を行うことにより、効率よく２次電池セルに蓄えられた電力を放電することができる。
【００３１】
また、コンデンサ１７は電池電圧の高い２次電池セルから放電させ、電池電圧の低い２次電池セルに充電し電池電圧を上げることで、各２次電池セルの電池電圧の平準化の時間を短縮することができる。さらに、各２次電池セルの電池電圧を平準化する際に、各２次電池セルの充電動作を停止しないため、充電時間の短縮を図ることができる。
【００３２】
そして、制御装置１３が電池パック１０に組み込まれてさえいれば、通常の充電器で充電を行うことができるため、新たに充電器を買い換える必要がない。すなわち、上記実施の形態においては充電電圧自体の変更もしくは切り替え等の動作を行わずに各２次電池セルの平準化を行うことができるので、充電器側に充電電圧の変更等するための回路を組み込む必要がない。これに伴い、各２次電池セルの電圧を充電器側に送る必要がないため、電圧差測定用の外部端子を設ける必要がなくなる。
【００３３】
上記各実施の形態によれば、各２次電池セルの電池電圧の平準化が充電時または放電時のいずれの状態においても電池電圧のバランスが崩れればいつでも補正され、無駄のない充電、放電を行うことができる。従って、電池容量の異なる２次電池セルが複数直列接続されている構成であっても、その中の一番小さな電池容量が充電容量、放電容量を決定することがなく、各２次電池セルの持つ電池容量が平準化され電池パック全体の電池容量を向上させることができる。
また、充電時に各２次電池セル間の容量が異なっても、電池電圧のバランスが崩れて、過電圧充電されることがないため、２次電池セルを劣化させることがなくなる。
【００３４】
ところで、本発明は、上記実施の形態に限定されない。
上記各実施の形態において、２個の２次電池セルを有する電池パックを例にして説明しているが、３個以上の２次電池セルが直列に配置されている電池パックにおいても、２次電池の制御装置を用いることができる。
また、２次電池の制御装置１３は、電池パック１０に収容されているが、外部端子に接続される充電装置、もしくは電子機器に収容させてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２次電池を効率よく充電あるいは放電させる２次電池の制御装置及びそれを用いた電池パックを提供することを目的としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２次電池の制御装置を用いた電池パックの好ましい実施の形態を示す概略図。
【図２】図１のスイッチ手段１６が端子ａに接続された場合の回路図。
【図３】図１のスイッチ手段１６が端子ｂに接続された場合の回路図。
【図４】図１のスイッチ手段１６が端子ａに接続された場合の回路図。
【図５】従来の２次電池の制御装置を有する電池パックを示すシステム図。
【符号の説明】
１０・・・電池パック、１１ａ、１１ｂ・・・２次電池セル、１２・・・外部端子、１３・・・制御装置、１４・・・保護部、１５・・・バランス検出部、１６・・・スイッチ手段、１７・・・コンデンサ（蓄電部）、１８・・・スイッチ手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次電池の制御装置、２次電池の制御装置を備えた電池パック及び２次電池の制御方法の改良、特に２次電池の充電容量及び放電容量を向上させる２次電池の制御装置、２次電池の制御装置を備えた電池パック及び２次電池の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯式パーソナルコンピュータ、携帯電話、ビデオカメラ等には、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の充電式の電池（２次電池）が用いられている。２次電池とは、放電後に外部からエネルギーを供給することにより再生できる電池のことをいう。
２次電池は、ケースに収容されている場合があり、そのケースの中には複数個の２次電池が例えば直列に接続されている。このケースの外周面には外部端子が設けられており、外部端子に充電装置、あるいは携帯電話等の電子機器が接続することにより、２次電池は充電あるいは放電を行う。
【０００３】
図５は、従来の電池パック１０のシステム図を示している。図５の電池パック１は、２次電池２、保護部３、スイッチ手段４、抵抗器５、外部端子６等を有している。
２次電池２は例えば２個の２次電池セル２ａ、２ｂからなっており、２次電池セル２ａ、２ｂは直列に配置されている。２次電池セル２ａ、２ｂには外部端子６が接続されていて、２次電池セル２ａ、２ｂの間には抵抗器５を介して保護部３が接続されている。スイッチ手段４はスイッチ素子４ａ、４ｂからなっており、２次電池セル２ａ、２ｂにそれぞれ並列に接続されている。スイッチ手段８は、スイッチ素子８ａ、８ｂで構成されている。スイッチ手段８は外部端子６と２次電池セル２ａ、２ｂとの間に設けられており、保護部３によりスイッチング動作を制御されている。保護部３は、過充電保護部３ａと過放電保護部３ｂとからなっており、２次電池セル２ａ、２ｂが過剰の充電もしくは放電が行われないようにしている。
【０００４】
この電池パック１の充電は、外部端子６に対して充電電圧Ｖｃを印加し、２次電池セル２ａ、２ｂに対して充電電圧Ｖｃを供給することにより行われる。このとき、過充電保護部３ａは２次電池セル２ａ、２ｂのそれぞれの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定している。そして、２次電池セル２ａ、２ｂの充電が終了したことを過充電保護部３ａが判断すると、過充電保護部３ａはスイッチ素子８ａを開いて、２次電池セル２ａ、２ｂに対して充電電圧Ｖｃの供給を停止する。
【０００５】
２次電池セル２ａ、２ｂに充電が終了したことの判断するために、過充電保護部３ａには２次電池セル２ａ、２ｂが基準電圧Ｖｒに達したとき充電を停止するように設定されている。２次電池セル２ａ、２ｂの電池容量に差異がある場合（２ａ＞２ｂ）、電池容量の小さい２次電池セル２ｂはより早く充電を終了する。このため、２次電池セル２ｂの電池電圧Ｖ２が過充電保護部３ａの基準電圧Ｔｒに到達したとき充電が終了し、２次電池セル２ａは完全に充電が行われない。従って、充電時に２次電池セルの電池電圧を放電して、各電池電圧の平準化を図る必要がある。
【０００６】
そこで、２次電池セル２ａが過充電保護部３ａの基準電圧Ｖｒを上回ったとき、過充電保護部３ａがスイッチ素子４ａを閉じる。これにより、２次電池セル２ｂの電池電圧が抵抗器５により基準電圧Ｖｒ以下まで放電され、２次電池セル２ａと２次電池セル２ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２の平準化を行う。その後、スイッチ素子４ａが開かれて、充電が再開される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来、過充電保護部３ａは電池電圧Ｖ１、Ｖ２が基準電圧Ｖｒまで達しないと、過充電保護機能が作動しなかった。すなわち、充電時に２次電池セル２ｂの電池電圧Ｖ２が過充電保護部３ａの基準電圧Ｖｒに到達したときに充電が終了してしまい、２次電池セル２ａには十分な充電ができず、２次電池セル２ａの電池容量が効率的に利用できないという問題がある。
【０００８】
また放電時において、２次電池セル２ａ、２ｂの電池容量に差異がある場合、電池容量の一番小さいセルの電池電圧が過放電保護部３ｂの基準電圧Ｖｒに到達したときに放電が終了していた。すなわち、従来において、充電時における２次電池セル２ａ、２ｂの平準化を行う機能を有するものはあったが、２次電池セルの放電時に２次電池セル２ａ、２ｂの平準化を行う機能を有するするものはなかった。これにより、電池容量の大きい２次電池セルに充電されている電池電圧が完全に使い切ることができず、放電効率が悪いという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は上記課題を解消し、２次電池を効率よく充電あるいは放電させる２次電池の制御装置及びそれを用いた電池パックを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を達成するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、直列に接続された複数の２次電池セルと、各２次電池セルに充電電圧を供給し、または各２次電池セルから放電電圧が供給される外部端子と、外部端子から供給される充電電圧及び外部端子に供給する放電電圧を制御する保護部とを有する２次電池の制御装置において、各２次電池セルにそれぞれ並列に接続されている複数のスイッチ素子からなるスイッチ手段と、各２次電池セルの電池電圧を測定し、その測定値に基づいてスイッチ手段のスイッチング動作を制御するバランス検出部と、スイッチ素子とスイッチ素子の間に設けられており、各スイッチ素子のスイッチング動作により、各２次電池セルと並列に接続される蓄電部とを有し、上記バランス検出部には、平準基準電圧値が設定されており、複数の２次電池セルの中で、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルを検出し、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルの電位差と平準基準電圧値を比較し、その電位差が平準基準電圧値より大きい場合、最も電池電圧の高い２次電池セルに蓄電部を接続して、蓄電部に充電を行い、
最も電池電圧の高い２次電池セルから最も電池電圧の低い２次電池セルに蓄電部の接続を切り替えて、蓄電部から最も電池電圧の低い２次電池セルに充電を行い、その電位差が平準基準電圧値より小さくなるまで、蓄電部の接続の切り替えを繰り返すようにしたものである。
【００１１】
本発明では、各２次電池の電池電圧をバランス検出部が測定し、各２次電池の電圧差を計算する。その電圧差の値に基づいてバランス検出手段がスイッチ手段のスイッチング動作を制御する。スイッチ手段の動作により、蓄電部が各２次電池セルと並列に接続されて、各２次電池セルは蓄電池に対して電池電圧の放電、もしくは充電を行う。これにより、それぞれの２次電池セルの電池電圧を平準化を行う。
これにより、２次電池が充電もしくは放電をするに際し、各２次電池セルの電池電圧をほぼ同じに保てるので、効率よく充電もしくは放電ができる。また、２次電池の平準化を効率よく行うことができる。
【００１２】
また、本発明は、直列に接続されている複数の２次電池セルに対して充電電圧を供給し、または各２次電池セルに蓄えられている電力を外部に放電する２次電池の制御方法において、複数の２次電池セルの中で、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルを検出し、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルの電位差と平準基準電圧値を比較し、その電位差が平準基準電圧値より大きい場合、最も電池電圧の高い２次電池セルに蓄電部を接続して、蓄電部に充電を行い、最も電池電圧の高い２次電池セルから最も電池電圧の低い２次電池セルに蓄電部の接続を切り替えて、蓄電部から最も電池電圧の低い２次電池セルに充電を行い、その電位差が平準基準電圧値より小さくなるまで、蓄電部の接続の切り替えを繰り返すようにしたものである。
【００１３】
本発明では、蓄電部を用いて最も電池電圧が高い２次電池セルから最も電池電圧が低い２次電池セルに対して充電を行う。これにより、２次電池が充電もしくは放電をするに際し、各２次電池セルの電池電圧をほぼ同じに保てるので、効率よく充電もしくは放電ができる。また、２次電池の平準化を効率よく行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００１５】
図１には本発明の２次電池の制御装置を備えた電池パックの実施形態の概念図を示しており、図１を参照して電池パック１０について詳しく説明する。図１の電池パック１０は、２次電池１１、外部端子１２、制御装置１３等を有している。
２次電池１１は例えば２個の２次電池セル１１ａ、１１ｂからなっており、２次電池セル１１ａ、１１ｂは直列に配置されている。２次電池セル１１ａ、１１ｂは、例えばリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等からなっており、２次電池１１は外部端子１２と接続されている。
外部端子１２に充電装置が接続されると、２次電池セル１１ａ、１１ｂに充電電圧Ｖｃが供給され、外部端子１２に電子機器等が接続されると、２次電池セル１１ａ、１１ｂが電子機器に対して放電電圧Ｖｄを供給する。
【００１６】
２次電池セル１１ａ、１１ｂと外部端子１２の間には制御装置１３が配置されている。制御装置１３は、保護部１４、バランス検出部１５、スイッチ手段１６、蓄電部であるコンデンサ１７等を有している。
保護部１４は過充電保護部１４ａと過放電保護部１４ｂとからなっている。過充電保護部１４ａはスイッチ素子１８ａに接続されており、そのスイッチング動作を制御している。また、過放電保護部１４ｂはスイッチ素子１８ｂに接続されており、そのスイッチング動作を制御している。過充電保護部１４ａには上限基準電圧Ｖｒ１が設定されており、過放電保護部１４ｂには下限基準電圧Ｖｒ２が設定されている。
過充電保護部１４ａは、電池電圧Ｖ１、Ｖ２が上限基準電圧Ｖｒ１より高くなると、充電を終了するために、スイッチ素子１８ａを開いて充電を停止する。また、過放電保護部１４ｂは電池電圧Ｖ１、Ｖ２が下限基準電圧Ｖｒ２より低くなると、スイッチ素子１８ｂを開いて放電を停止する。
【００１７】
次に、バランス検出部１５について詳しく説明する。
バランス検出部１５は、２次電池セル１１ａ、１１ｂの両端にそれぞれ接続されている。また、バランス検出部１５は後述するスイッチ手段１６と接続されており、そのスイッチング動作を制御している。また、バランス検出部１５には、平準基準電圧Ｖｒ３が設定されている。
バランス検出部１５は各２次電池セル１１ａ、１１ｂのそれぞれの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定し、その電圧差ΔＶを検出する。そして、その電位差ΔＶと平準基準電圧Ｖｒ３とを比較し、その結果に応じてスイッチ手段１６のスイッチングを制御する。
【００１８】
バランス検出部１５の両端にはスイッチ手段１６が並列に接続されている。スイッチ手段１６は複数のスイッチ素子１６ａ、１６ｂで構成されており、例えば、電磁リレー、電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）、フォトＭＯＳリレーからなっている。スイッチ素子１６ａ、１６ｂは２次電池セル１１ａ、１１ｂの両端にそれぞれ接続されている。スイッチ素子１６ａ、１６ｂの間にはコンデンサ１７が設けられている。コンデンサ１７は、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、電気２重層コンデンサ等からなっている。また、コンデンサ１７の代わりに、２次電池を使用してもよい。
スイッチ素子１６ａ、１６ｂが端子ａに接続されると、コンデンサ１７は２次電池セル１１ａと並列に接続され、端子ｂに接続されると、コンデンサ１７は２次電池セル１１ｂと並列に接続される。
【００１９】
次に、図１乃至図４を参照して、２次電池セル１１ａ、１１ｂが充電される過程について詳しく説明する。
外部端子１２に充電電圧Ｖｃが外部から供給され、２次電池セル１１ａ、１１ｂに充電電圧Ｖｃが印加される。このとき、保護部１４はスイッチ手段１８を閉じた状態に保っている。そして、２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２はバランス検出部１５により測定されている。そして、２次電池セル１１ａ、１１ｂの充電が終了すると、過充電保護部１４ａがスイッチ素子１８ａを開いて、充電を停止する。２次電池セル１１ａ、１１ｂに過剰の充電あるいは放電を防止し、２次電池セル１１ａ、１１ｂの劣化による放電容量の減少、内部ショートを防ぐことができる。
【００２０】
ここで、２次電池セル１１ａと１１ｂのそれぞれの電池容量Ｃ１、Ｃ２に差異がある場合（Ｃ１＜Ｃ２）、２次電池セル１１ａの電池電圧Ｖ１は２次電池セル１１ｂの電池電圧Ｖ２より高くなる。そして、バランス検出部１５はこの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を比較して、その電圧差ΔＶを測定する。そして、バランス検出部１５は電圧差ΔＶと平準基準電圧Ｖｒ３を比較する。電圧差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より小さいとき（ΔＶ＜Ｖｒ３）、バランス検出部１５はスイッチ手段１６を作動させずに、端子ａ、ｂのいずれにも接続しない状態を保つ。これにより、２次電池セル１１ａ、１１ｂには通常の充電電圧Ｖｃが供給され、充電が行われる。
【００２１】
これに対し、電位差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より大きくなったとき（ΔＶ＞Ｖｒ３）、バランス検出部１５がスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ａに接続させ、図２に示すように、コンデンサ１７を２次電池セル１１ａと並列に接続させる。すると、コンデンサ１７の電圧Ｖ３は、電池電圧Ｖ１と同じになり（Ｖ３＝Ｖ１）、コンデンサ１７には電荷Ｑが蓄えられる。このとき、２次電池２次電池セル１１ａはコンデンサ１７に対して放電している状態となる。これにより、２次電池セル１１ａの電池電圧Ｖ１を下げることができる。
【００２２】
次に、Ｖ３＝Ｖ１となったとき、バランス検出部１５はスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ｂに接続させる。すると、図３に示すように、コンデンサ１７が２次電池セル１１ｂと並列に接続される状態となる。そして、コンデンサ１７の電圧Ｖ３は、電池電圧Ｖ２と同じになる（Ｖ３＝Ｖ２）。このとき、コンデンサ１７の電圧Ｖ３は電圧Ｖ１からＶ２に下がるため、２次電池セル１１ｂはコンデンサ１７によって充電されている状態となる。これにより、２次電池セル１１ｂの電池電圧Ｖ２を上げることができる。
【００２３】
そして、バランス検出部１５は、図４に示すように、端子ｂから端子ａに接続を切り替えるようにスイッチ手段１６を制御する。コンデンサ１７はＶ２からＶ１に電位が高くなることにより、２次電池セル１１ａから充電され、一方２次電池セル１１ａはコンデンサ１７に対して放電を行う。
バランス検出部１５がスイッチ素子１６ａ、１６ｂのスイッチング動作を繰り返すことにより、２次電池セル１１ａは放電され、電池電圧Ｖ１は低くなっていき、２次電池セル１１ｂは充電され、電池電圧Ｖ２は高くなっていく。電池電圧Ｖ１とＶ２の電圧差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より低くなるまで、スイッチング動作を続け、バランス検出部１５はスイッチング動作を停止する。
【００２４】
これにより、２次電池セル１１ａ、１１ｂの平準化を図ることができ、２次電池セル１１ａよりも電池容量の大きい２次電池セル１１ｂにも十分に充電がされ、電池容量を効率的に使用することができる。また、最も電池電圧の高い２次電池セルの電池電圧を下げながら、最も電池電圧の低い２次電池セルの電池電圧を上げることにより、各２次電池セルの電池電圧の平準化を効率よくさらに短時間で行うことができる。また、片方の電池セルのみ過電圧充電されることがなくなる。
【００２５】
次に、２次電池１１が外部に対して放電する過程について詳しく説明する。
外部端子１２に携帯型パソコン、携帯電話等の外部端子が接続されると、２次電池セル１１ａ、１１ｂは外部端子１２に対して放電電圧Ｖｄを供給する。このとき保護部１４は、スイッチ素子１８ａ、１８ｂを閉じた状態に保持させるとともに、各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定する。また、バランス検出部１５も各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定している。
【００２６】
２次電池セル１１ａ、１１ｂが放電している途中に、各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池容量の違いから電池電圧Ｖ１、Ｖ２に差異が生じた場合、バランス検出部１５がその電圧差ΔＶを測定する。電圧差ΔＶがバランス検出部１５に設定されている平準基準電圧Ｖｒ３より大きいとき、バランス検出部１５により、スイッチ手段１６のスイッチング動作が開始される。
【００２７】
ここで、放電しているときの電池電圧がＶ１＜Ｖ２の関係であるとする。このとき、バランス検出部１５はスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ｂに接続させて、２次電池セル１１ｂとコンデンサ１７とを並列に接続する。これにより、コンデンサ１７には電池電圧Ｖ２と同じ電圧が印加され、コンデンサ１７には電荷が蓄えられる。このとき、２次電池セル１１ｂはコンデンサ１７に対して放電することになる。
【００２８】
次に、バランス検出部１５はスイッチ素子１６ａ、１６ｂを端子ａに接続させ、２次電池セル１１ａとコンデンサ１７とが並列に接続される。そして、２次電池セル１１ａとコンデンサ１７のそれぞれの電圧Ｖ１、Ｖ３は等しくなるが、コンデンサ１７には２次電池セル１１ａから放電された電荷が蓄えられている。このため、２次電池セル１１ａはコンデンサ１７から充電されることになる。
【００２９】
そして、バランス検出部１５は２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧の電圧差ΔＶが平準基準電圧Ｖｒ３より低くなるまで、スイッチング動作を続ける。そして、電池電圧Ｖ１とＶ２がほぼ等しくなったらバランス検出部１５はスイッチング動作を停止する。
過放電保護部１４ｂは、各２次電池セル１１ａ、１１ｂの電池電圧Ｖ１、Ｖ２を測定しており、電池電圧Ｖ１、Ｖ２が下限基準電圧Ｖｒ２より低くなったとき、スイッチ素子１８ｂを開いて放電を停止する。
【００３０】
従来、放電時において、電池電圧が低い２次電池セルの放電が終了してしまった場合、他の２次電池セルが放電可能な状態であっても、放電が停止されてしまったが、上記実施の形態によると、放電中に各２次電池セルの電池電圧が平準化されているので、各２次電池セルがほぼ同時に放電停止の状態となる。放電時においても各２次電池セルの平準化を行うことにより、効率よく２次電池セルに蓄えられた電力を放電することができる。
【００３１】
また、コンデンサ１７は電池電圧の高い２次電池セルから放電させ、電池電圧の低い２次電池セルに充電し電池電圧を上げることで、各２次電池セルの電池電圧の平準化の時間を短縮することができる。さらに、各２次電池セルの電池電圧を平準化する際に、各２次電池セルの充電動作を停止しないため、充電時間の短縮を図ることができる。
【００３２】
そして、制御装置１３が電池パック１０に組み込まれてさえいれば、通常の充電器で充電を行うことができるため、新たに充電器を買い換える必要がない。すなわち、上記実施の形態においては充電電圧自体の変更もしくは切り替え等の動作を行わずに各２次電池セルの平準化を行うことができるので、充電器側に充電電圧の変更等するための回路を組み込む必要がない。これに伴い、各２次電池セルの電圧を充電器側に送る必要がないため、電圧差測定用の外部端子を設ける必要がなくなる。
【００３３】
上記各実施の形態によれば、各２次電池セルの電池電圧の平準化が充電時または放電時のいずれの状態においても電池電圧のバランスが崩れればいつでも補正され、無駄のない充電、放電を行うことができる。従って、電池容量の異なる２次電池セルが複数直列接続されている構成であっても、その中の一番小さな電池容量が充電容量、放電容量を決定することがなく、各２次電池セルの持つ電池容量が平準化され電池パック全体の電池容量を向上させることができる。
また、充電時に各２次電池セル間の容量が異なっても、電池電圧のバランスが崩れて、過電圧充電されることがないため、２次電池セルを劣化させることがなくなる。
【００３４】
ところで、本発明は、上記実施の形態に限定されない。
上記各実施の形態において、２個の２次電池セルを有する電池パックを例にして説明しているが、３個以上の２次電池セルが直列に配置されている電池パックにおいても、２次電池の制御装置を用いることができる。
また、２次電池の制御装置１３は、電池パック１０に収容されているが、外部端子に接続される充電装置、もしくは電子機器に収容させてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２次電池を効率よく充電あるいは放電させる２次電池の制御装置及びそれを用いた電池パックを提供することを目的としている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の２次電池の制御装置を用いた電池パックの好ましい実施の形態を示す概略図。
【図２】図１のスイッチ手段１６が端子ａに接続された場合の回路図。
【図３】図１のスイッチ手段１６が端子ｂに接続された場合の回路図。
【図４】図１のスイッチ手段１６が端子ａに接続された場合の回路図。
【図５】従来の２次電池の制御装置を有する電池パックを示すシステム図。
【符号の説明】
１０・・・電池パック、１１ａ、１１ｂ・・・２次電池セル、１２・・・外部端子、１３・・・制御装置、１４・・・保護部、１５・・・バランス検出部、１６・・・スイッチ手段、１７・・・コンデンサ（蓄電部）、１８・・・スイッチ手段。
Claims (3)
- 直列に接続された複数の２次電池セルと、各２次電池セルに充電電圧を供給し、または各２次電池セルから放電電圧が供給される外部端子と、外部端子から供給される充電電圧及び外部端子に供給する放電電圧を制御する保護部とを有する２次電池の制御装置において、
各２次電池セルにそれぞれ並列に接続されている複数のスイッチ素子からなるスイッチ手段と、
各２次電池セルの電池電圧を測定し、その測定値に基づいてスイッチ手段のスイッチング動作を制御するバランス検出部と、
スイッチ素子とスイッチ素子の間に設けられており、各スイッチ素子のスイッチング動作により、各２次電池セルと並列に接続される蓄電部とを有し、
上記バランス検出部には、平準基準電圧値が設定されており、複数の２次電池セルの中で、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルを検出し、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルの電位差と平準基準電圧値を比較し、その電位差が平準基準電圧値より大きい場合、最も電池電圧の高い２次電池セルに蓄電部を接続して、蓄電部に充電を行い、
最も電池電圧の高い２次電池セルから最も電池電圧の低い２次電池セルに蓄電部の接続を切り替えて、蓄電部から最も電池電圧の低い２次電池セルに充電を行い、その電位差が平準基準電圧値より小さくなるまで、蓄電部の接続の切り替えを繰り返すことを特徴とする２次電池の制御装置。 - 直列に接続された複数の２次電池セルと、各２次電池セルに充電電圧を供給し、または各２次電池セルから放電電圧が供給される外部端子と、外部端子から供給される充電電圧及び外部端子に供給する放電電圧を制御する保護部とを有する２次電池の制御装置を備えた電池パックにおいて、
各２次電池セルにそれぞれ並列に接続されている複数のスイッチ素子からなるスイッチ手段と、
スイッチ手段のスイッチング動作を制御するとともに各２次電池セルの電池電圧を測定するバランス検出部と、
スイッチ素子とスイッチ素子の間に設けられ、各スイッチ素子のスイッチング動作により、各２次電池セルと並列に接続される蓄電部とを有し、
上記バランス検出部には、平準基準電圧値が設定されており、複数の２次電池セルの中で、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルを検出し、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルの電位差と平準基準電圧値を比較し、その電位差が平準基準電圧値より大きい場合、最も電池電圧の高い２次電池セルに蓄電部を接続して、蓄電部に放電を行い、
最も電池電圧の高い２次電池セルから最も電池電圧の低い２次電池セルに蓄電部の接続を切り替えて、蓄電部から最も電池電圧の低い２次電池セルに充電を行い、その電位差が平準基準電圧値より小さくなるまで、蓄電部の接続の切り替えを繰り返すことを特徴とする２次電池の制御装置を備えた電池パック。 - 直列に接続されている複数の２次電池セルに対して充電電圧を供給し、または各２次電池セルに蓄えられている電力を外部に放電する２次電池の制御方法において、
複数の２次電池セルの中で、電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルを検出し、
電池電圧の最も高い２次電池セルと最も低い２次電池セルの電位差と平準基準電圧値を比較し、
その電位差が平準基準電圧値より大きい場合、最も電池電圧の高い２次電池セルに蓄電部を接続して、蓄電部に充電を行い、
最も電池電圧の高い２次電池セルから最も電池電圧の低い２次電池セルに蓄電部の接続を切り替えて、蓄電部から最も電池電圧の低い２次電池セルに充電を行い、
その電位差が平準基準電圧値より小さくなるまで、蓄電部の接続の切り替えを繰り返すことを特徴とする２次電池の制御方法。
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