專利名稱：充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二次電池的充電裝置，該充電裝置可以對電池組中的每個二次電池進(jìn)行均衡充電，該電池組具有多個串聯(lián)連接的二次電池。
背景技術(shù)：
對于通信設(shè)備開始使用備用電源等的各種應(yīng)用中，將多個二次電池串聯(lián)連接，用作電池組。然而，即使是剛生產(chǎn)出的二次電池，單個電池的特性也存在差異。這種差異將隨著使用壽命的延長和電池惡化的加深而增加，并且將表現(xiàn)為電壓不一致或類似情況。
近幾年來，在電源系統(tǒng)中，對小型且輕便蓄電池的需求日益增長，并且趨于使用高能量密度的鋰離子電池。這些被使用的鋰離子二次電池具有以下設(shè)置每個鋰離子電池的充電電壓是4.1V到4.2V，放電截止電壓為2.9V到3.0V。這是因為在高電壓充電和低電壓放電時，形成二次電池的電極材料和電解質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，而使二次電池的性能下降。因此，需要嚴(yán)格設(shè)置鋰離子二次電池的放電截止電壓和充電截止電壓。然而，使用鋰離子二次電池，觀察到的現(xiàn)象是當(dāng)構(gòu)成的是串聯(lián)的電池組時，各個電池的端子電壓易于出現(xiàn)差異，并且一旦出現(xiàn)差異，那么這些電壓差異將逐漸增加。由于這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以這將極大地影響每個電池的壽命和電池組的放電性能。
另一方面，當(dāng)電池組裝入電源系統(tǒng)并應(yīng)用時，需要保持電池組的容量，考慮二次電池的特性和電源系統(tǒng)的構(gòu)造，采用了各種各樣的充電方法。在通訊中使用的直流電源中，主要使用鉛蓄電池，并在涓流充電期間采用恒流恒壓充電方法。在這種方法中，負(fù)載和蓄電池與整流器輸出并聯(lián)連接。因此，在商業(yè)電源斷電或者整流器故障時，有可能瞬間切換蓄電池進(jìn)行放電。此外，當(dāng)電源斷電恢復(fù)時，具有的優(yōu)勢是在對蓄電池進(jìn)行充電時，可以為負(fù)載提供電源，這樣可以通過調(diào)節(jié)整流器的輸出電壓來保持蓄電池的容量。
這種恒流恒壓充電方法也適用于鋰離子二次電池的充電，并且從充電方法的立場來看，也可以考慮將這種電池用于通訊裝置。然而，當(dāng)鋰離子二次電池串聯(lián)連接使用時，如果所有電池的容量或者內(nèi)阻總是完全相同，那么可以對其進(jìn)行良好地均衡充電。然而，實際上，電池的容量或者內(nèi)阻存在微小的差異。并且，即使最初的內(nèi)部特性相同，但是隨著時間的流逝，通過涓流充電或者浮充將改變電池的內(nèi)部特性。因此，在普通二次電池的充電中，一直采用這種方法，設(shè)置測量電池電壓的單個裝置，例如，當(dāng)電池電壓超過規(guī)定值時將發(fā)出警告信號，禁止充電或者放電。然而，使用這種方法具有一個很大的缺點——其限制了充電的進(jìn)行，從而不能發(fā)揮電池的全部性能。
此外，在利用恒流恒壓方法維持的電池組中，可以安裝限制每個電池組的電池電壓的部分。然而，僅僅通過電池電壓抑制部分的簡單安裝，當(dāng)放電后進(jìn)行恢復(fù)充電時，如果各個電池的內(nèi)部狀態(tài)存在差異，那么每個電池的充電狀態(tài)也會存在差異。結(jié)果，在恒定的充電電流流入的情況下，就會存現(xiàn)這樣的問題，例如，即使某一電池組的充電已經(jīng)完成，但其它電池組仍然正在進(jìn)行充電，那么用于電壓抑制的旁路電流是一個很高的值，并且部件的尺寸大，價格高。因此，這種方法達(dá)不到實際應(yīng)用的階段。
本申請作為電池組的充電設(shè)備以前就已經(jīng)在首次公開號為No.2003-157908的日本未審查專利申請的說明書中提出過。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在考慮前面所述的情況下提出的。其目的就是提供一種二次電池的充電設(shè)備，在具有多個二次電池串聯(lián)連接的電池組中，能夠限制各個二次電池之間的電壓差異，進(jìn)而對其進(jìn)行良好地均衡充電。
為了解決前面所述的問題，提出了本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供的充電設(shè)備包括電池組，其具有多個串聯(lián)連接的二次電池；充電電源，其用于將充電電流供給具有所述多個串聯(lián)連接的二次電池的電池組的兩端；多個充電控制器，與所述多個二次電池中的各個二次電池的兩端連接，其中，所述充電電源包括充電電流輸出單元，其將充電電流輸出到所述電池組；和控制單元，其根據(jù)來自所述充電控制器的旁路電流的通知，控制所述充電電流輸出單元的電流，并且所述多個充電控制器中的每一個充電控制器包括電流控制單元，其用于當(dāng)所述二次電池的端子電壓達(dá)到預(yù)置的電壓值時，對流入所述二次電池的電流進(jìn)行旁路；和通知單元，其用于向所述充電電源單元的控制單元通知所述旁路電流。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，在前面所述的充電裝置中，所述充電電流輸出單元是基于恒流充電技術(shù)的電源。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，在前面所述的充電裝置中，所述控制單元控制所述充電電流輸出單元的輸出電流，從而通知自所述多個充電控制器的多個旁路電流中的最小電流近似為0。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，在前面所述的充電裝置中，所述控制單元控制所述充電電流輸出單元的輸出電流，從而當(dāng)通知自所述多個充電控制器的多個旁路電流等于或者大于預(yù)置的閾值旁路電流值時，所述多個旁路電流變成等于或者小于所述閾值旁路電流值。
根據(jù)本發(fā)明的第五個方面，在前面所述的充電裝置中，所述通知單元向所述充電電源單元的所述控制單元通知所述二次電池的兩端電壓以及所述旁路電流，并且，當(dāng)所述二次電池的所述兩端電壓小于預(yù)置值時，所述控制單元增加所述充電電流輸出單元的輸出電流。
根據(jù)本發(fā)明的第六個方面，在前面所述的充電裝置中，所述電流控制單元對所述二次電池進(jìn)行放電，從而當(dāng)開始充電時所述二次電池的所述兩端電壓大于所述規(guī)定電壓時，所述二次電池的兩端電壓低于所述規(guī)定電壓。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的充電裝置的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖2是表示圖1中充電電源單元100的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖3是表示圖1中充電控制器200-1，200-2，…，和200-N的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖4是表示使用圖1所示充電裝置的直流電源電路結(jié)構(gòu)的實例的框圖。
圖5是表示使用圖1所示充電裝置的交流電源電路結(jié)構(gòu)的實例的框圖。
圖6A-B是表示圖1中二次電池50-1，50-2，…，和50-N的端子電壓的曲線圖。
圖7A-B是表示圖1中二次電池50-1，50-2，…，和50-N的旁路電流的曲線圖。
具體實施例方式
下文將參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。然而，本發(fā)明并不限于下列任何的實施方式，例如這些實施方式的組成元件可以適當(dāng)?shù)亟M合。
下面參考附圖描述本發(fā)明的一個實施方式。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的充電裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是圖1中充電電源單元100的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是示出圖1中記載的充電控制器200-1，200-2，…，和200-N的結(jié)構(gòu)框圖。圖4和圖5分別是采用本實施方式的充電裝置的電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖4是用于通信的一般電源系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)給負(fù)載提供直流電，圖5是電源系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)為交流輸入工作的設(shè)備不間斷地提供交流電。具體來說，作為圖5中的電源系統(tǒng)，有UPS。
圖4中，多個單個的二次電池50-1，50-2，…，和50-N串聯(lián)連接而成的電池組500與負(fù)載60在直流電源裝置70的輸出側(cè)并聯(lián)連接，進(jìn)而即使在發(fā)生斷電的時候也能給負(fù)載60不間斷地供電。作為對二次電池50-1，50-2，…，和50-N充電的充電裝置，充電電源單元100連接到電池組500。這種情況下，正極充電線105與電池組500的正極端子10連接，而負(fù)極充電線106與電池組500的負(fù)極端子11連接。充電控制器200-1，200-2，…，和200-N分別與每個二次電池50連接，各個充電控制器200的輸出都通過通信線路110與充電電源單元100連接。
圖5是用于提供交流電的電源系統(tǒng)，其中根據(jù)本發(fā)明的實施方式具有充電裝置的電池組500經(jīng)由直流開關(guān)91與供電系統(tǒng)連接。在商用電源斷電或類似時刻，該電池組500進(jìn)行蓄電池放電，并在利用逆變器92轉(zhuǎn)換成交流之后對負(fù)載60進(jìn)行不間斷供電。
下文將參考圖2到圖4描述根據(jù)本發(fā)明的充電裝置的操作。
充電操作的啟動順序為了開始充電操作，需要所有二次電池50-1，50-2，…，和50-N的電池電壓在低于充電截止電壓的電壓值。通過將充電電源單元100的微控制器101的初始化信號傳送到各個充電控制器200的相應(yīng)微控制器201，可以實現(xiàn)這種狀態(tài)。接收這些信號的各個微控制器201首先將控制停止信號214設(shè)置成停止?fàn)顟B(tài)，并將控制開關(guān)204設(shè)置為打開狀態(tài)。由此，晶體管205導(dǎo)通。這種狀態(tài)下，利用裝在微控制器201中的AD轉(zhuǎn)換器(附圖中未示出)，經(jīng)由電池電壓檢測放大器202，微控制器201將正極輸入端208和負(fù)極輸入端209之間的差分電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，并將其送到微控制器101中。接收這個電壓信息的微控制器101從多個電壓信息中選取最大電壓和最小電壓，估算該最大電壓和最小電壓之間的差值，如果等于或低于規(guī)定電壓差分閾值(例如10mV)則跳過下面將要描述的電池電壓均等過程而開始第二階段的充電操作。
電池電壓均等過程在前述最大電壓和最小電壓之間的差分電壓等于或高于前述電壓差分閾值的情況下，微控制器101將最小電壓值VS1和均等化信號傳送到所有的充電控制器200-1，200-2，…，和200-N。接收這些均等化信號的各個充電控制器200-1，200-2，…，和200-N對正極輸入端208和負(fù)極輸入端209之間的電壓進(jìn)行測量，并將測得的電壓值VM1輸入到微控制器201內(nèi)部的寄存器VC1(附圖中未示出)中。這個寄存器VC1中的值通過DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓，并從端子211中輸出到誤差放大器203的負(fù)極輸入端。這時，由于與測得電壓一致的電壓被施加到誤差放大器203的正極輸入端上，所以誤差放大器203的輸出電壓一般為零。此時，控制停止信號214變?yōu)椴僮鳡顟B(tài)，控制開關(guān)204設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)。這種情況下，誤差放大器203的輸出大約為零，幾乎沒有電流流入電流旁路晶體管205中。
下一步，微控制器201極微地降低寄存器VC1中的值，通過電流放大器206放大在分流電阻207上產(chǎn)生的電壓，并利用裝在微控制器201中的AD轉(zhuǎn)換器完成到數(shù)字信息的轉(zhuǎn)換，連續(xù)測量流到分流電阻207上的電流。隨后對寄存器VC1進(jìn)行控制，這樣該電流不會超過規(guī)定的最大旁路電流。在這個運行條件下，充電控制器200與之連接的二次電池50處于放電狀態(tài)，電池電壓降低。當(dāng)寄存器VC1顯示出的電壓值達(dá)到了微控制器101輸出的設(shè)定值VS1時，寄存器VC1中的值的減少會暫停，當(dāng)流到分流電阻207上的電流等于或低于規(guī)定值時，均等終止信號會送到微控制器101中。
第二階段充電操作在均等終止信號已經(jīng)從全部的充電控制器200中輸出并送到微控制器101中之后，微控制器101給各個充電控制器200-1，200-2，…，和200-N發(fā)出充電截止電壓和充電開始信號。接著，將規(guī)定的電流值設(shè)定為恒流源102。接收該充電截止電壓和充電開始信號的各個充電控制器200的各個微控制器201，在裝在微控制201內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換器中，設(shè)定該充電截止電壓作為旁路開始電壓。該DA轉(zhuǎn)換器將充電截止電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓，將其輸出到誤差放大器203中。接下來，微控制器201將控制停止信號214設(shè)定為操作狀態(tài)，將控制開關(guān)204設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)。由此，充電控制操作開始了。
也就是說，當(dāng)二次電池50的電池電壓達(dá)到充電截止電壓時，通過晶體管205和電阻207旁路任何會增加電池電壓的過剩電壓可以防止電池電壓過度升高。另外，當(dāng)旁路電流開始流到與各個二次電池50連接的全部充電控制器200中時，從充電電源電源100中輸出的充電電流會減少這些旁路電流的最小值的量。另外，當(dāng)對二次電池50的充電接近滿充時，流到二次電池50中的電流以及充電控制器200中的旁路電流都接近于零，但是在電池電壓是通過自放電或者類似方式而降低的情況下，提供充電電流的恒流源102的設(shè)定值會再次升高，前述旁路操作會再次執(zhí)行。由此，可以將各個二次電池50固定保持在滿充狀態(tài)。
下面參考圖6A和6B描述充電控制操作。當(dāng)沒有采用充電控制器200而進(jìn)行給電池組500充電時，圖6A中示出的電池電壓會出現(xiàn)差異。另一方面，作為采用充電控制器200的結(jié)果，執(zhí)行操作，這樣在二次電池50的電壓接近充電截止電壓時，流到二次電池50中的部分電流從充電控制器200的正極輸入端208流到負(fù)極輸入端209(操作使得流到二次電池50的電流減小)，由此二次電池的電池組電壓會大致恒定，如圖6B所示。這種情況下，采用了帶有鋰離子二次電池的電池組500，其中鋰離子二次電池的單個電池容量為1000mAh，在充電電源單元100輸出的恒定電流值為1A，充電截止電壓為4.1V，旁路電流為最大值0.5A的情況下執(zhí)行操作。
這種方式，當(dāng)接近充電截止電壓時，已經(jīng)以恒定電流充電至此的二次電池50進(jìn)入到下列模式由于流入二次電池50的電流衰減而使得充電是以恒定電壓進(jìn)行。當(dāng)充電繼續(xù)處于這種狀態(tài)而沒有改變時，流到充電控制器200中的旁路電流會增加，恒流電源102輸出的大部分電流作為旁路電流。當(dāng)發(fā)生這種情況時，流到充電控制器200中的旁路電流會有效地減少。這個情況將參考圖7進(jìn)行描述。
如圖6A所示，在將具有端子電壓的二次電池50串聯(lián)連接的情況下，旁路到各自充電控制器200的電流值如圖7A所示，各個充電控制器200與相應(yīng)的二次電池50相連。也就是說，每個單電池的旁路電流值是二次電池50-1為值I，50-2為A+I，…，和50-N為G+I；端子電壓越高則旁路電流越大。與這些各自二次電池50連接的多個充電控制器200中的旁路電流值是通過通訊線路110收集到微控制器101中的。微控制器101檢測流到多個充電控制器200中的旁路電流的最小電流值I，在恒流電源102的輸出電流設(shè)定值上減去最小電流部分I，并對其設(shè)定。
通過這種手段，在恒流電源102的輸出電流減少前述最小電流值I，流到每個單電池中的旁路電流會減少為二次電池50-1為零值，50-2為A，…，和50-N為G，如圖7B所示。此時，流到與具有最小旁路電流的充電控制器200連接的二次電池50中的充電電流為全部單電池中的最大值，由于這個電流是給電池組500充電實際需要的電流，所以它自動設(shè)定為給根據(jù)本實施例的充電裝置充電所需的電流。這樣，本充電裝置能夠自動降低充電電流并確保充電所需的充電電流。
在形成電池組500的各個二次電池50的電池容量大致相等的情況下，恒流充電大致同時結(jié)束，在恒壓運行期間流到全部充電控制器200中的旁路電流會相等，通過從恒流源102的輸出電流中減去最小電流部分，流到充電控制器200中的旁路電流是大致接近于零的值。另一方面，當(dāng)具有很小電池容量的二次電池50組合到電池組500中時，二次電池50的恒流充電會較早地結(jié)束，不久流到與二次電池連接的充電控制器200的旁路電流就會逐漸增加，直到其它二次電池50的恒流充電結(jié)束。這種情況下，在超過了閾值旁路電流值時，利用充電控制器200的保護功能可以安全地持續(xù)進(jìn)行充電，本發(fā)明的充電裝置具有這種保護功能。也就是說，在前述情況下，采用本發(fā)明的裝置，在檢測到電流量超過了充電控制器200中存在的閾值旁路電流值的問題時，無論先前的旁路電流最小值如何，可以從充電電源單元100的輸出電流中減去超過閾值值那部分電流。由此，充電控制器200受到保護，可以確保應(yīng)用本發(fā)明的蓄電池系統(tǒng)的安全性。這種情況下，由于減少了充電電流會延長充電時間，但是通過將構(gòu)成電池組500的各個二次電池50的電池電壓限定到規(guī)定充電截止電壓，可以繼續(xù)對整個電池組500充電。
利用浮充或者涓流充電方法對二次電池進(jìn)行維持，適于維持電池的電池電壓加在電池的正極和負(fù)極，使保持電池容量所需的浮充(涓流)充電電流流動起來。這種浮充(涓流)充電電流根據(jù)電池的溫度和它們的使用年數(shù)逐漸改變，但是使用前面所述種類的規(guī)定電壓進(jìn)行性能維護，會使得所需的充電電流恒定并且穩(wěn)定。
本充電裝置的情況與施加在電池正極和負(fù)極之間的規(guī)定電壓不同。然而，有可能通過與各個二次電池50連接的充電控制器200的功能得到一個與前面所述相同的效果。這是因為本充電裝置將充電電源單元100的充電電流的最小值設(shè)置為大于浮充方法中所有條件下的電流值，并且當(dāng)根據(jù)每個電池50的狀態(tài)供給電池自身需要的充電電流時，過剩電流會流入旁路電路。利用這種方式，甚至使用本充電裝置，在通過傳統(tǒng)的浮充(涓流)充電裝置維持時，有可能對每個二次電池50提供通過傳統(tǒng)的浮充(涓流)充電裝置維持時供給電池組中的每個二次電池的充電電流。
盡管前面所述的是適合鋰離子二次電池的實施方式，但是本發(fā)明也適用于電池組中其它種類的二次電池，例如密封的鉛蓄電池。在使用其它電池的情況下，設(shè)定的充電截止電壓值可以根據(jù)應(yīng)用的蓄電池的特性進(jìn)行調(diào)整。并且，也可以參照二次電池的容量和充電控制器的容量對旁路電流進(jìn)行設(shè)置。
本發(fā)明是構(gòu)建在與二次電池的電池組的兩端連接使用的充電電源單元與分別與構(gòu)成電池組的每個二次電池連接的充電控制部的基礎(chǔ)上。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)二次電池的端子電壓達(dá)到預(yù)置的電壓值時，充電控制器對流入二次電池的電流進(jìn)行旁路，充電電源單元檢測流入多個充電控制器的的旁路電流，并根據(jù)檢測電流控制充電電流，這樣可以輕易地消除二次電池之間的不平衡。此外，根據(jù)本發(fā)明，由于對前面所述的充電電流輸出單元的輸出電流進(jìn)行控制，以使旁路電流中的最小電流近似為0，有可能實現(xiàn)更小型的的充電控制器，進(jìn)而極大地促進(jìn)各種類型電源的小型化。
權(quán)利要求
1.一種充電裝置，包括電池組，其具有多個串聯(lián)連接的二次電池；充電電源，其用于將充電電流供給具有所述多個串聯(lián)連接的二次電池的電池組的兩端；多個充電控制器，與所述多個二次電池中的各個二次電池的兩端連接，其中，所述充電電源包括充電電流輸出單元，其將充電電流輸出到所述電池組；和控制單元，其根據(jù)來自所述充電控制器的旁路電流的通知，控制所述充電電流輸出單元的電流，并且所述多個充電控制器中的每一個充電控制器包括電流控制單元，其用于當(dāng)所述二次電池的端子電壓達(dá)到預(yù)置的電壓值時，對流入所述二次電池的電流進(jìn)行旁路；和通知單元，其用于向所述充電電源單元的控制單元通知所述旁路電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中，所述充電電流輸出單元是基于恒流充電技術(shù)的電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中，所述控制單元控制所述充電電流輸出單元的輸出電流，從而通知自所述多個充電控制器的多個旁路電流中的最小電流近似為0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中，所述控制單元控制所述充電電流輸出單元的輸出電流，從而當(dāng)通知自所述多個充電控制器的多個旁路電流等于或者大于預(yù)置的閾值旁路電流值時，所述多個旁路電流變成等于或者小于所述閾值旁路電流值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中，所述通知單元向所述充電電源單元的所述控制單元通知所述二次電池的兩端電壓以及所述旁路電流，并且，當(dāng)所述二次電池的所述兩端電壓小于預(yù)置值時，所述控制單元增加所述充電電流輸出單元的輸出電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電裝置，其中，所述電流控制單元對所述二次電池進(jìn)行放電，從而當(dāng)開始充電時所述二次電池的所述兩端電壓大于所述規(guī)定電壓時，所述二次電池的兩端電壓低于所述規(guī)定電壓。
全文摘要
本發(fā)明的充電器包括由多個二次電池串聯(lián)構(gòu)成的電池組；用于向由多個二次電池串聯(lián)構(gòu)成的電池組兩端提供充電電流的充電電源單元；以及與多個二次電池的每個二次電池兩端連接的多個充電控制單元。充電電源單元包括向電池組輸出充電電流的充電電流輸出單元和用于根據(jù)充電控制單元的旁路電流通知來控制充電電流輸出單元電流的控制裝置。多個充電控制單元的每個充電控制單元包括電流控制裝置，當(dāng)二次電池的端子電壓達(dá)到預(yù)定電壓值時，對流入二次電池的電流進(jìn)行旁路；和通知裝置，將旁路電流通知給充電電源單元的控制裝置。
文檔編號H02J7/02GK1906824SQ20048003168
公開日2007年1月31日 申請日期2004年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月29日
發(fā)明者高木晉也, 松島敏雄, 塚本一男, 須藤卓也 申請人:株式會社Ntt設(shè)施, 歐利生電氣株式會社