JP3392214B2 - 電池の充電制御装置及び方法 - Google Patents
電池の充電制御装置及び方法Info
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Description
電池を充電用電源に接続して各電池に均等に充電を行う
ための充電制御に関し、特に、電気二重層コンデンサを
含む二次電池の各単位セル毎の充電を均一化する電池の
充電制御装置及び方法に関する。
電池として利用することが可能となってきている。しか
し、コンデンサでは、電池の単位セルに相当する単位コ
ンデンサの耐電圧が数ボルトと低いため、実用上従来の
電池のセルと同様に複数個を直列に接続したり、それら
からなる組電池を直列に接続することにより所望の使用
電圧を得ている。しかし、電気二重層コンデンサを電池
として使用したときの電圧は、従来の電池と異なり充電
されたエネルギーにより大幅に変化する特性を持ってい
る。電池電圧とエネルギーとの関係は、コンデンサ電圧
をE〔V〕、コンデンサ容量をC〔F〕、充電されたエ
ネルギーをW〔J〕とすると、W=0.5CE2 で示さ
れる。つまり、この電気二重層コンデンサによる新電池
では、過充電されると、コンデンサ端子電圧の上昇とな
って表れて容易に耐電圧を越えてしまい、ついには電池
が劣化にいたる恐れがあるという特性を持っている。特
に、実用に際しては、複数個の電池を直列に接続して使
用することがほとんどであるため、当然のこととして直
列に接続されたままで充電されることになる。ところが
各々のコンデンサの漏洩電流が異なり自己放電による影
響でコンデンサ端子電圧がバラツキを持っているため、
同一の電流で充電されると、あるものはすぐに満充電と
なるにもかかわらず、あるものは全く不十分な充電しか
行われないという現象が発生する。
圧のバラツキをなくす回路の従来例を示す図である。直
列接続されたコンデンサC1、C2の端子電圧のバラツ
キをなくすため従来からある手段としては、図6(a)
に示すように単位コンデンサ各々に漏洩電流以上を流す
抵抗R1、R2を並列に接続し、或いは図6(b)に示
すようにツェナーダイオードCR4、CR5を並列に接
続することによって、過充電防止を行っている。また、
図6(c)に示すように単位コンデンサ各々にシャント
・レギュレータMC1、MC2を取り付けて過充電を防
止するなどの対策も採用されている。
重層コンデンサを電池として使用する場合、コンデンサ
端子電圧のバラツキをなくすための上記従来の対策には
以下に述べるような問題点がある。直列接続されたコン
デンサの漏洩電流のバラツキによりコンデンサ端子電圧
がアンバランスになるのを防ぐ回路として、例えば図6
(a)に示すように抵抗R1、R2を並列に接続した回
路では、確かにコンデンサC1、C2の持つ最大の漏洩
電流値以上の電流が流れるように抵抗R1(=R2)の
値を選定すれば、コンデンサC1、C2の端子電圧が抵
抗R1で均等に分割される。しかし、これらのコンデン
サC1、C2の目的が従来の電解コンデンサを直列接続
して構成される「平滑回路」として使用するものではな
く、エネルギーを蓄積する「電池」として使用するもの
である場合には、蓄積エネルギーを抵抗R1で熱として
自己消費してしまうため、非常に具合の悪いものになっ
てしまう。すなわち、図6(a)に示したような対策で
は、すべての新しい電池から常に最大の漏れ電流を流し
続けるように動作するため、電池としての用途目的に反
することになる。
ナーダイオードを接続した回路では、万一、過充電され
ても電池にはツェナー電圧以上は印加されない設計にな
っており、また、図6(c)に示すように誤差増幅器を
備えたシャント・レギュレータを採用した回路では、同
様に過充電された場合に充電電流をバイパスするように
なっているため、電池の端子電圧を一定値に抑える効果
があるが、いずれの回路もバイパスされた電流は熱とし
て消費される。そのため、発生する熱の処理が大きな問
題になる。特に、発生した熱の大小にかかわらず放熱処
理が困難な用途であるとか、あるいは蓄積される電力量
が大きく放熱のために特別の装置が必要になるような例
えば電力貯蔵や、電気自動車などの用途では、その設計
上熱が大きな問題になる。さらに決定的にこのシャント
・レギュレータ方式の欠点をクローズアップさせたの
が、急速充電の要請であった。
の鉛蓄電池を中心とした化学反応を動作原理とする電池
と異なり物理的なコンデンサであるため、原理的に急速
充電に適している。つまり、充電は大電流で行われるこ
とがその特長を生かした使用方法になる。しかし、その
場合に各電池電圧のバラツキが大きいと、先に満充電に
達した電池のシャント・レギュレータでの発熱は非常に
大きくなり過ぎてしまう。そのため、直列に接続された
電池の一つが満充電された時点で急速充電を停止しなけ
ればならず、急速充電の目的である短時間の充電ができ
なくなってしまい、何らかの対策が必要になっていた。
って、直列接続されたコンデンサに対して発熱を抑えて
急速充電を行うことが可能な電池の充電制御装置及び方
法を提供することを目的とするものである。
列に接続した複数の電気二重層コンデンサを電池として
充電用電源に接続して各電気二重層コンデンサに均等に
充電を行うための電池の充電制御装置であって、スイッ
チング制御される第1のスイッチ手段とトランスの1次
巻線との直列回路を各電気二重層コンデンサと並列に接
続すると共に、前記トランスの2次巻線と同期整流器と
して使用される第2のスイッチ手段とを直列にして調整
端子に接続し、各電気二重層コンデンサの端子電圧と直
列接続された複数の電気二重層コンデンサ全体の端子電
圧の分電圧とを比較し、その誤差をパルス幅変調した出
力により端子電圧の高い電気二重層コンデンサの第1の
スイッチ手段をスイッチング制御して第2のスイッチ手
段を同期整流器として動作させ電気二重層コンデンサか
らトランスを介して調整電流を調整端子に取り出すよう
に構成したことを特徴とするものである。
グ制御される第1のスイッチ手段とトランスの1次巻線
との直列回路を各電気二重層コンデンサと並列に接続す
ると共に、前記トランスの2次巻線と同期整流器として
使用される第2のスイッチ手段とを直列にして調整端子
に接続し、各電気二重層コンデンサの端子電圧と直列接
続された複数の電気二重層コンデンサ全体の端子電圧の
分電圧とを比較し、その誤差をパルス幅変調した出力に
より端子電圧の高い電気二重層コンデンサの第1のスイ
ッチ手段をスイッチング制御して第2のスイッチ手段を
同期整流器として動作させ電気二重層コンデンサからト
ランスを介して調整電流を調整端子に取り出して充電用
電源、他の電気二重層コンデンサ、又は蓄電装置へ回送
することを特徴とするものである。
は、第1のスイッチ手段とトランスの1次巻線との直列
回路を各電池と並列に接続すると共に、前記トランスの
2次巻線と第2のスイッチ手段とを直列にして調整端子
に接続し、第1のスイッチ手段と第2のスイッチ手段の
スイッチング制御により電池の端子電圧を制御して調整
電流を調整端子から取り出すように構成したので、各電
池が同電位になるように電圧の高い電池から充電用電源
等へスイッチング制御によって電流を回送することがで
きる。また、各電池の端子電圧と全電圧の分電圧とを比
較して各電池の端子電圧が均等になるように各スイッチ
手段をスイッチング制御するので、大電流で行われる急
速充電などの前の初期における電池の端子電圧のバラツ
キをなくし、各電池の端子電圧を均等にすることができ
る。さらには、各電池の端子電圧と設定電圧とを比較し
て各電池の端子電圧を設定電圧以下になるように各スイ
ッチ手段をスイッチング制御するので、各々の電池電圧
が設定値以上に充電されないように満充電された電池か
ら充電用電源等へ電流を効率よく回送させることができ
る。
明する。図1は本発明に係る電池の充電制御装置及び方
法の1実施例を説明するための図であり、1、2は充電
用電源端子、3〜6は調整端子、C1、C2は電池、S
W1、SW2はスイッチ装置、T1、T2はトランスを
示す。
電気二重層コンデンサを用いたものであり、これらを直
列接続すると共に、各々にトランスT1の1次巻線n1
とスイッチ装置SW1との直列回路及びトランスT2の
1次巻線n2とスイッチ装置SW2との直列回路を並列
に接続する。そして、トランスT1の2次巻線n3とス
イッチ装置SW3を調整端子3、4に直列に接続し、ト
ランスT2の2次巻線n4とスイッチ装置SW4を調整
端子5、6に直列に接続して、電池C1、C2と並列に
接続したスイッチ装置SW1、SW2をドライブすると
共に、スイッチ装置SW3、SW4を制御してトランス
T1、T2の2次巻線の出力を同期整流して調整端子3
〜6から取り出すことにより、各電池C1、C2の端子
電圧を制御する。
おいて、いま、仮に電池C1の端子電圧が電池C2に比
較して高電位であるとすると、電池C1を電源としてス
イッチ装置SW1をドライブすると共に、スイッチ装置
SW3を制御してトランスT1の2次巻線n3の出力を
同期整流し、調整端子3、4から取り出す。この出力
は、充電用電源や他の電池、蓄電装置等へ回送し、電池
電圧が均等になるとスイッチング動作を停止する。ま
た、逆に電池C2の端子電圧の方が高電位にある場合に
は、電池C2を電源としてスイッチ装置SW2をドライ
ブすると共に、スイッチ装置SW4を制御してトランス
T2の2次巻線n4の出力を同期整流し、調整端子5、
6から取り出す。この出力は、充電用電源や他の電池、
蓄電装置等へ回送し、電池電圧が均等になるとスイッチ
ング動作を停止する。このように、本来、均等に分担す
べき電圧よりも高い電圧の電池の電荷をスイッチング・
トランスで効率よく移送し、均等になるとスイッチング
動作を停止する。この場合、各トランスの2次巻線は絶
縁されているので、各々の電池の位置にかかわりなく、
同一のエネルギー移送先を設定することができる。
このようにして電池の端子電圧を均等にするものであ
り、急速充電の準備のプロセスとして非常に有効であ
る。それは、大電流により急速充電を行う場合、充電前
の各電池電圧を均等にし、全ての電池が同一電位から充
電を開始させると、短時間で高い充電率が得られるから
である。このように直列接続された電池C1、C2の各
電圧を平順化する制御は、充電の前など、必要な時だけ
動作させればよく、しかも、電池C1、C2の端子電圧
の制御は、スイッチ装置でスイッチング制御することに
より行うので、通常の電池のエネルギー消費は極僅かで
すみ高効率で行うことができる。
電時の機能として、自分自身の電池電圧を設定電圧値以
下に制御すること、つまり過充電保護も可能であり、し
かも従来のシャント・レギュレータのように充電のエネ
ルギーを熱として損失しないようにすることも可能であ
る。次に、充電時や、負荷からの電力回生時に電池を過
充電から保護する動作を説明する。
達したとすると、余分な充電電流は、スイッチ装置SW
1をスイッチング制御し、スイッチ装置SW3を制御し
てトランスT1の2次巻線n3の出力を同期整流するこ
とによって、余分な充電電流を充電用電源や他の電池、
蓄電装置等へ回送する。そのため、発熱の少ない、充電
効率のよい充電制御が可能となる。ここで、トランスT
1の1次巻線n1と2次巻線n3の入出力を制御するス
イッチ装置SW1、SW3や、トランスT2の1次巻線
n2と2次巻線n4の入出力を制御するスイッチ装置S
W2、SW4の制御方法は、フォワード型コンバータ
(Buck converter)による方法でもよいし、フライバッ
ク型コンバータ(Buck-boost converter)による方法で
もよい。
整流器として使用するのは、整流効率の向上を目的とし
ているので、整流電流が少ない場合や、整流効率の向上
を特別に望まない場合には、同期整流と同方向のダイオ
ードをスイッチ装置SW3、SW4に代えて使用しても
よい。この場合には、スイッチ装置SW3、SW4を同
期整流器として使用する場合の制御を省略することがで
きるので、装置を簡略化することができる。
電荷を均等にする場合のPWMスイッチング制御方法の
1実施例を説明するための図であり、誤差増幅器MC
3、MC4は、各電池C1、C2の端子電圧と全電圧を
抵抗R1、R2により分圧した電圧とを比較し、その誤
差をパルス幅変調(PWM)した出力によりスイッチ装
置SW1、SW2を制御するものである。ここで、電池
C1=C2の場合、抵抗R1=R2となる。したがっ
て、電池C1の端子電圧が高く、電池C2の端子電圧が
低い場合には、高い電位から低い電位へ電荷を移動する
制御を行うように構成される。すなわち、このとき、誤
差増幅器MC3は、パルス幅変調(PWM)出力により
スイッチ装置SW1をドライブし、トランスT1を介し
て電池C1の電荷をスイッチ装置SW3で同期整流して
調整端子3、4から充電用電源や他の電池、蓄電装置等
へ回送することによって、各電池の電圧を平衡させる。
逆に電池C2の端子電圧が高く、電池C1の端子電圧が
低い場合には、誤差増幅器MC4がパルス幅変調出力に
よりスイッチ装置SW2をドライブし、トランスT2を
介して電池C2の電荷をスイッチ装置SW4で同期整流
して調整端子5、6から充電用電源や他の電池、蓄電装
置等へ回送することによって、各電池の電圧を平衡させ
る。
充電電流を他へ振り向ける機能を持つ本発明の他の実施
応用例を示す図であり、E1,E2は各電池C1、C2
に許容される電池電圧を設定する基準電圧である。誤差
増幅器MC3、MC4は、抵抗R1〜R4で検出される
各電池C1、C2の端子電圧と基準電圧E1,E2とを
比較し、その誤差をパルス幅変調(PWM)した出力に
よりスイッチ装置SW1、SW2を制御するものであ
る。したがって、充電電流I〔A〕で充電され、電池C
1の端子電圧が設定された電圧値である基準電圧E1を
越えると、誤差増幅器MC3は、パルス幅変調出力によ
りスイッチ装置SW1をスイッチング制御して電池C1
に充電される電流をトランスT1を介して充電用電源や
他の電池、蓄電装置等へ回送し、電池C1への過充電を
防止する。なお、充電の完了は、直列接続された電池C
1、C2の合計電圧で検出する従来の方法でもよいし、
各電池C1,C2からの各満充電信号でもよい。
ck-boost converter)またはフライバック型コンバータ
としてトランスを設計した本発明の他の実施例を示す図
であり、トランスT1、T2を図示の極性とし、2次側
の同期整流器として使用されるスイッチ装置は、ダイオ
ードCR3、CR4に置き換えたものである。以下に過
充電を防止する機能について説明する。いま、充電中に
電池C1の端子電圧が設定値以上になったとすると、ス
イッチ装置SW1がパルス幅変調出力によりドライブさ
れる。このとき、トランスT1の1次巻線n1と2次巻
線n3は、図示の極性に設計されているため、スイッチ
装置SW1がオンしてもトランスT1の2次巻線n3に
誘起する電圧の極性は、ダイオードCR3を逆バイアス
する極性となり、トランスT1の2次側には電流が流れ
ない。この間、電池C1の電圧は、トランスT1の1次
巻線n1の持つインダクタンスを励磁して磁束の形で蓄
えられる。したがって、次にスイッチ装置SW1がオフ
になると、2次巻線n3のインダクタンスに誘起する電
圧の極性が反転して、トランスT1に蓄えられた磁束
は、2次巻線n3のインダクタンスを電流源とする電流
となり、ダイオードCR3を順バイアスして調整端子
3、4から充電用電源や他の電池、蓄電装置等へ回送さ
れる。このようにバック・ブースト型コンバータは、ト
ランスの2次側出力が電流特性を持つため、図示のよう
にトランスT1、T2各々の出力を並列に接続すること
ができる。そして、急速充電の前に各電池電圧を均等に
する制御は、分担電圧より高い電池に対し、その電荷を
バック・ブースト型コンバータ型で充電用電源や他の電
池、蓄電装置等へ回送することによって達成することが
でき、充電の完了は、直列接続された電池C1、C2の
合計電圧で検出する従来の方法でもよいし、各電池C
1,C2からの各満充電信号でもよい。
er)あるいはフォワード型コンバータとしてトランスを
設計した本発明の他の実施例を示す図であり、トランス
T1、T2を図示の極性とし、2次出力側にフライホィ
ール・ダイオードCR5、CR6とチョーク・コイルL
1、L2を接続したものである。以下に過充電を防止す
る機能について説明する。いま、充電中に電池C1の端
子電圧が設定値以上になったとすると、スイッチ装置S
W1がパルス幅変調出力によりドライブされる。このと
き、トランスT1の1次巻線n1と2次巻線n3は、図
示の極性に設計されているため、スイッチ装置SW1が
オンすると、トランスT1の2次巻線n3に誘起する電
圧の極性は、ダイオードCR3を順バイアスする極性と
なる。2次側出力は、電池C1の電圧にトランスT1の
巻線比を掛けた電圧源としての特性を持ったものとな
る。そのため、この場合には、トランスT2の2次出力
側とそのまま並列接続はできず、図示のようにフライホ
ィール・ダイオードCR5、CR6とチョーク・コイル
L1、L2が必要になる。急速充電の前に各電池電圧を
均等にする制御は、分担電圧より高い電池に対し、その
電荷をバック・ブースト型コンバータ型で充電用電源や
他の電池、蓄電装置等へ回送することによって達成する
ことができ、充電の完了は、直列接続された電池C1、
C2の合計電圧で検出する従来の方法でもよいし、各電
池C1,C2からの各満充電信号でもよい。
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例の電池C1、C2は、単位電池として説明した
が、それらを組み合わせた組電池でもよく、また複数個
の電池の組み合わせについても、直並列に組み合わせた
種々の構成を含むものであってもよいことはいうまでも
ない。
によれば、直列に接続した複数の電気二重層コンデンサ
を電池として充電用電源に接続して各電気二重層コンデ
ンサに均等に充電を行うための電池の充電制御装置であ
って、スイッチング制御される第1のスイッチ手段とト
ランスの1次巻線との直列回路を各電気二重層コンデン
サと並列に接続すると共に、前記トランスの2次巻線と
同期整流器として使用される第2のスイッチ手段とを直
列にして調整端子に接続し、各電気二重層コンデンサの
端子電圧と直列接続された複数の電気二重層コンデンサ
全体の端子電圧の分電圧とを比較し、その誤差をパルス
幅変調した出力により端子電圧の高い電気二重層コンデ
ンサの第1のスイッチ手段をスイッチング制御して第2
のスイッチ手段を同期整流器として動作させ電気二重層
コンデンサからトランスを介して調整電流を調整端子に
取り出すので、直列接続された各電気二重層コンデンサ
の端子電圧を高い効率で、しかも僅かな損失で均等にす
ることができ、大電流の急速充電の充電効率を上げるこ
とが可能になる。特に、電気二重層コンデンサは、単位
セルを直列に接続した組セルから構成されるが、充電す
る際に、ある単位セルはすでに満充電状態にもかかわら
ず、他の単位セルはまだ十分に充電されていないなどの
現象が発生する。本発明は、このような電気二重層コン
デンサによる電池の充電時における各々の単位セルの充
電状態に差異の発生がなく、部分的な過充電現象のない
制御装置及び方法を提供することができる。
1実施例を説明するための図である。
等にする場合のPWMスイッチング制御方法の1実施例
を説明するための図である。
を未充電の電池へ振り向ける機能を持つ本発明の他の実
施応用例を示す図である。
converter)またはフライバック型コンバータとしてト
ランスを設計した本発明の他の実施例を示す図である。
いはフォワード型コンバータとしてトランスを設計した
本発明の他の実施例を示す図である。
ツキをなくす回路の従来例を示す図である。
2…電池、SW1〜SW4…スイッチ装置、T1、T2
…トランス
Claims (2)
- 【請求項1】 直列に接続した複数の電気二重層コンデ
ンサを電池として充電用電源に接続して各電気二重層コ
ンデンサに均等に充電を行うための電池の充電制御装置
であって、スイッチング制御される第1のスイッチ手段
とトランスの1次巻線との直列回路を各電気二重層コン
デンサと並列に接続すると共に、前記トランスの2次巻
線と同期整流器として使用される第2のスイッチ手段と
を直列にして調整端子に接続し、各電気二重層コンデン
サの端子電圧と直列接続された複数の電気二重層コンデ
ンサ全体の端子電圧の分電圧とを比較し、その誤差をパ
ルス幅変調した出力により端子電圧の高い電気二重層コ
ンデンサの第1のスイッチ手段をスイッチング制御して
第2のスイッチ手段を同期整流器として動作させ電気二
重層コンデンサからトランスを介して調整電流を調整端
子に取り出すように構成したことを特徴とする電池の充
電制御装置。 - 【請求項2】 直列に接続した複数の電気二重層コンデ
ンサを電池として充電用電源に接続して各電気二重層コ
ンデンサに均等に充電を行うための電池の充電制御方法
であって、スイッチング制御される第1のスイッチ手段
とトランスの1次巻線との直列回路を各電気二重層コン
デンサと並列に接続すると共に、前記トランスの2次巻
線と同期整流器として使用される第2のスイッチ手段と
を直列にして調整端子に接続し、各電気二重層コンデン
サの端子電圧と直列接続された複数の電気二重層コンデ
ンサ全体の端子電圧の分電圧とを比較し、その誤差をパ
ルス幅変調した出力により端子電圧の高い電気二重層コ
ンデンサの第1のスイッチ手段をスイッチング制御して
第2のスイッチ手段を同期整流器として動作させ電気二
重層コンデンサからトランスを介して調整電流を調整端
子に取り出して充電用電源、他の電気二重層コンデン
サ、又は蓄電装置へ回送することを特徴とする電池の充
電制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11070794A JP3392214B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 電池の充電制御装置及び方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11070794A JP3392214B2 (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 電池の充電制御装置及び方法 |
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JPH07322515A JPH07322515A (ja) | 1995-12-08 |
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---|---|---|---|---|
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-
1994
- 1994-05-25 JP JP11070794A patent/JP3392214B2/ja not_active Expired - Fee Related
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