JP2000184611A

JP2000184611A - 蓄電装置及びその制御装置

Info

Publication number: JP2000184611A
Application number: JP10358666A
Authority: JP
Inventors: Takuya Kinoshita; 拓哉木下; Hideki Miyazaki; 英樹宮崎; Akihiko Emori; 昭彦江守
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-06-30
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: JP3498606B2

Abstract

(57)【要約】【課題】二次電池などの蓄電器の電圧検出精度を向上す
る。【解決手段】蓄電装置において、蓄電器（１０１ａ）に
接続される第１のスイッチ手段（１０３ａ）と、第１の
スイッチ手段を介して蓄電器に接続される第１の電気エ
ネルギー蓄積手段（１１１）と、第１の電気エネルギー
蓄積手段に接続される第２のスイッチ手段（１０５）
と、入力端子が第２のスイッチ手段を介して第１の電気
エネルギー蓄積手段に接続される電圧検出手段（１１
０）と、を備える。【効果】回路の抵抗成分の影響が小さく、電圧検出精度
が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池などの蓄
電器を有する蓄電手段を備える蓄電装置及びその制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車などのクリーンエネルギー
源として、各種の二次電池やキャパシタなどの電気エネ
ルギー蓄積手段（以下、単に蓄電器と記す）が広く利用
されるようになっている。

【０００３】ところで、この蓄電器は一個当たりの電圧
や電力容量の増大が困難な場合があり、複数個の蓄電器
を直列又は並列に接続して使用することが多い。

【０００４】複数個の蓄電器を直列に接続する場合、各
蓄電器に電力容量や初期電圧，温度などのばらつきが存
在していると、各蓄電器に均一に電圧を分担させること
が困難になる。

【０００５】特に、電解液として有機溶媒が使用されて
いるリチウム二次電池や、電気二重層キャパシタなどを
直列接続して用いた場合は、蓄電器の端子電圧のばらつ
きが過充電や過放電を引き起こし、蓄電器の性能劣化や
寿命の低下を招く。

【０００６】リチウム二次電池の場合は、二次電池の過
充電や過放電を検出して充電或いは放電を停止させる保
護機能が備えられている。こうした保護機能を具備する
リチウム二次電池を多数個、直列に接続すると初期電圧
が高い二次電池の電圧が過充電の保護レベルに達した時
点で充電が停止し安全性は確保されるが、初期電圧が低
い残りの二次電池は十分に充電されないまま、途中で充
電が停止されてしまう。

【０００７】同様に、放電時は初期電圧が低い二次電池
の電圧が過放電レベルに達した時点で放電が停止され、
初期電圧が高い残りの二次電池は蓄積した電気量を残し
たまま放電が停止される。

【０００８】このように、過充電，過放電のような保護
機能を具備する蓄電器を直列に接続すると、複数個の蓄
電器全体で得られるであろう電力容量の一部しか利用で
きないことになり、電力利用率が低下してしまうことに
なる。こうした問題を避ける為には、直列に接続された
各蓄電器の初期電圧を正確に検出し、少数の蓄電器の初
期電圧が残りの蓄電器と異なる場合には、電圧を均一化
する対策が必要である。

【０００９】また、近年、電気自動車向けにリチウム二
次電池，ニッケル水素型二次電池，電気二重層キャパシ
タなどが蓄電器として用いられる動向にあるが、いずれ
の例においても蓄電器に蓄積された電気量を正確に計測
することが望まれている。蓄積された電気量の計測（以
後、残量計測と呼ぶ）においては蓄電器の電圧を計測
し、電圧とＳＯＣ(State Of Charge、満充電を１００％
とする残容量の％表示）から残量を推定する。この推定
においては蓄電器の温度、或いは寿命による内部抵抗の
変化等を考慮した精度の良い計算を行う。このような残
量計測においては、まず蓄電器の電圧を精度良く検出す
ることが必要であり、数十ｍＶの精度が要求される。

【００１０】直列に接続された蓄電器の電圧を検出する
方法の一例が、特開平10−191573号公報に記載されてい
る。この従来技術によるバッテリー充電装置において
は、二次電池群は複数個（この例では３個）の二次電池
を直列接続して構成されている。二次電池のそれぞれに
放電回路が並列に接続されている。２個１組で３組の入
力端子から１組を選び出力端子と接続する切替回路が設
けられ、３組の入力端子は各二次電池と並列に接続され
ている。差動増幅器の入力端子が切替回路の出力端子に
接続されており、差動増幅器の出力端子は１００７のマ
イクロコントローラのアナログ入力端子に接続されてい
る。

【００１１】この従来例では、マイクロコントローラが
信号を出し、切替回路で二次電池の＋端子と−端子の組
を選択する。切替回路を経由して差動増幅器に伝えられ
た二次電池の電圧は、差動増幅器の出力からマイクロコ
ントローラに伝達される。マイクロコントローラは続い
て切替回路に信号を出し、次の二次電池を選択する。同
様な動作で順次、切替回路で選択して二次電池の電圧を
マイクロコントローラで読み込んで保持する。マイクロ
コントローラは最高端子電圧を持つ二次電池に対応する
放電回路のスイッチをオンにして放電させ、その二次電
池の電圧を他の二次電池に揃えるよう制御する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、差
動増幅器の内部に具備される複数の抵抗にばらつきがあ
る。この抵抗ばらつきが±１％程度であっても、高いレ
ベルの二次電池程、電圧検出誤差が大きくなり、最悪で
数百ｍＶの誤差が発生する。リチウム二次電池を例にす
ると、使用可能な電圧範囲は２.７Ｖから４.２Ｖの範囲
であるが、この範囲において電圧とＳＯＣの関係は線形
ではない。ＳＯＣが７０〜１００％の範囲において数百
ｍＶの電圧誤差があると、残量は数十％の誤差になって
計測される。そこで、電圧誤差は数十ｍＶ程度が望まし
い。ニッケル水素電池においても同様である。抵抗ばら
つきを±０.１％以下に保証した差動増幅器も市販され
ているが、非常に高価である。

【００１３】また、二次電池には内部インピーダンスが
あり、リチウム二次電池の場合、内部インピーダンスは
数ｋＨｚまでの低周波においては容量性、それ以上の周
波数になると誘導性の特性を持つ。このため、二次電池
に流れる充電或いは放電電流が時間的に変化する（電流
リプルと呼ぶ）かサージ電流のような外乱を含むと、電
池の電圧は電流の高周波成分の影響で過渡的な振動成分
を含むことになる。電池の電圧検出においてはこうした
過渡的振動成分を除いた値を検出することが求められ
る。実際の用途において直流の電池電圧を正確に検出す
るには、振動成分を除去するためのフィルタが必要であ
る。フィルタを備える際には、どの程度の減衰特性のフ
ィルタが適当かという選定に注意する必要がある。蓄電
器における電圧検出の目的は残量の計測、過充電・過放
電の保護、そして直列電池の電圧アンバランス補償であ
るが、いずれも充放電電流に対する電圧の変化は遅く、
秒単位で電圧を計測しても十分である（前述の過渡的振
動成分は計測しない）。そこで、減衰特性が秒のオーダ
ーのフィルタが考えられるが、これではフィルタの体積
が大きくなってしまう。

【００１４】また、電圧検出手段は常時、二次電池の電
圧を検出する為、検出回路はなるべく消費電力が少ない
ことが望ましい。差動増幅回路の消費電力仕様は様々で
あるが、アナログ回路である為バイアス電流は必要であ
り、消費電力の低減にも限度がある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を考慮し、本
発明による蓄電装置及びその制御装置においては、蓄電
器の電圧を検出するために、蓄電器により充電された電
気エネルギー蓄積手段の電圧を検出する。

【００１６】このような、本発明による蓄電装置及びそ
の制御装置の主要な構成は、蓄電器に接続される第１の
スイッチ手段と、第１のスイッチ手段を介して蓄電器に
接続される第１の電気エネルギー蓄積手段と、第１の電
気エネルギー蓄積手段に接続される第２のスイッチ手段
と、入力端子が第２のスイッチ手段を介して第１の電気
エネルギー蓄積手段に接続される電圧検出手段である。

【００１７】本構成の好ましい動作形態は、第１のスイ
ッチ手段と第２のスイッチ手段を相補的にオン・オフす
ることである。第１のスイッチ手段がオンかつ第２のス
イッチ手段がオフの場合に蓄電器により第１の電気エネ
ルギー蓄積手段が充電され、第１のスイッチ手段がオフ
かつ第２のスイッチ手段がオンの場合に電圧検出手段に
よって電圧が検出される。電気エネルギー蓄積手段の充
電電圧を検出するので、回路中の抵抗成分による検出電
圧値への影響が小さい。従って、電圧の検出精度が向上
し、これにより蓄電装置及びその制御装置の信頼性が向
上する。

【００１８】なお、蓄電器及び電気エネルギー蓄積手段
としては、二次電池，キャパシタ，コンデンサなど各種
のものがある。また、スイッチ手段としては、半導体ス
イッチング素子が好ましいが、回路の開閉機能を有する
他の回路素子や回路部品でも良い。また、電圧検出手段
は、電圧検出のみならず、検出電圧を用いて蓄電装置の
各部を制御する機能を兼ね備えていてもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例について図面
を用いて詳細に説明する。

【００２０】図１は、本発明の第１の実施例を示す図で
ある。図に於いて、１０１ａ〜101cは単位蓄電器であ
り、１０２は単位蓄電器を３個直列に接続した蓄電手段
を示す。１０９は直列接続された蓄電器列の最高電位で
あり、以後、Ｅ⁺端子と呼ぶ。同様に、１０８は蓄電器
列の最低電位であり、以後、Ｅ^-端子と呼ぶ。Ｅ⁺端子
に正極が接続された単位蓄電器１０１ａはその正極と負
極に各々スイッチ手段１０３ａを備えており、スイッチ
手段１０３ａがオンすると単位蓄電器１０１ａはキャパ
シタ１１１と並列に接続される。尚、単位蓄電器１０１
ａの正極と負極にそれぞれ設けられたスイッチ手段１０
３ａはオン・オフの切り替わりタイミングが等しい。こ
こで単位蓄電器とは、電圧を検出する単位を意味し、一
個の蓄電器である場合のみならず、蓄電器が直列または
並列あるいは直並列に接続される場合も含む。

【００２１】同様に単位蓄電器１０１ａの負極に直列接
続された単位蓄電器１０１ｂも正極と負極に各々スイッ
チ手段１０３ｂを備えており、スイッチ手段１０３ｂが
オンすると単位蓄電器１０１ｂもキャパシタ１１１と並
列に接続される。ここで、スイッチ手段１０３ａと１０
３ｂはドライバ１０７からの制御信号に応じて、101aと
１０１ｂのいずれかをキャパシタ１１１に並列に接続す
る。そこで、両スイッチ手段を総称して、以後、選択ス
イッチと呼ぶことにする。キャパシタ１１１はフローテ
ィング状態（基準電位が固定されておらず、浮動電位で
あること）にあり、１０３ａと１０３ｂのいずれかのス
イッチ手段がオンすると、キャパシタ１１１は単位蓄電
器１０１ａと１０１ｂのいずれかの負極を基準とする電
圧に充電される。

【００２２】Ｅ^-端子に負極が接続された単位蓄電器１
０１ｃにも、正極と負極をキャパシタ１１１と接続する
スイッチ手段を設けるが、図１では構成が煩雑になるた
め、図示を省略した。

【００２３】次に、キャパシタ１１１の正極及び負極端
子は、ドライバ１０７からの制御信号によって駆動する
スイッチ手段１０３，１０５の内、スイッチ手段１０３
により単位蓄電器から切り離され、スイッチ手段１０５
により電圧検出手段１１０に接続される。ここで、キャ
パシタ１１１の負極は電圧検出手段１１０が基準電位と
する端子１０８に接続される。スイッチ手段１０５でキ
ャパシタ１１１を電圧検出手段１１０に接続した際に
は、電圧が過渡的な振動を招く場合がある。そこで、図
１の実施例では電圧検出手段１１０とスイッチ手段１０
５の間にキャパシタ１０４を設けており、このキャパシ
タで振動成分を取り除く。ここで１０４はキャパシタの
他、二次電池等の電気エネルギー蓄積手段でもよい。
尚、振動成分が発生しない場合においてはキャパシタ１
０４を設ける必要はない。また、電圧検出手段の入力に
耐電圧を越えるサージ電圧が入る恐れがある場合には、
キャパシタ１０４と並列に電圧クランプ手段を備えるこ
とが望ましい。この構成は後の図６に示す。また、電圧
検出手段１１０は、キャパシタ１０４の電圧が降下する
前に電圧検出を終了する必要があるので、入力バイアス
電流と入力オフセット電圧が小さいＪＦＥＴ入力の演算
増幅器を用いた電圧フォロア型Ａ／Ｄ変換器が望まし
い。

【００２４】ドライバ１０７は、電圧検出手段１１０と
同じく端子１０８の電位を基準電位とする。ドライバ１
０７は電圧検出手段１１０から入力される制御信号に応
じて選択スイッチ１０３ａ、或いは１０３ｂの一方とス
イッチ手段１０５を交互にオン・オフする。即ち、選択
スイッチ１０３とスイッチ手段１０５は相補的な動作を
行う。また、選択スイッチの１０３ａと１０３ｂのいず
れを選択するかについても、電圧検出手段１１０からド
ライバ１０７に指令が与えられる。図１の実施例に関す
る詳細な動作は、次の図２を用いて説明する。

【００２５】図２にはスイッチ手段の制御信号を図の下
段に、図１の１０６の範囲の入出力電圧を図の上段に模
式的に示した。まず、モード１ではドライバ１０７から
の制御信号によって選択スイッチ１０３ａがオン、スイ
ッチ手段１０５がオフになり、単位蓄電器１０１ａとキ
ャパシタ１１１が並列に接続される。ここで、キャパシ
タ１１１の電圧はモード１の開始時刻における電圧と単
位蓄電器１０１ａの電圧の差に応じて、指数関数的に増
加する。

【００２６】次にモード２ではドライバ１０７からの制
御信号により全ての選択スイッチ１０３がオフ、スイッ
チ手段１０５がオンになり、キャパシタ１１１と１０４
が並列に接続され、キャパシタ１１１の電荷がキャパシ
タ１０４に移る。この場合も、キャパシタ１０４の電圧
はモード２の開始時刻における１０４の電圧とキャパシ
タ１１１の電圧の差に応じて、指数関数的に増加する。
以後、スイッチ手段１０３ａと１０５の相補的なオン・
オフを繰り返すことにより、従ってモード１とモード２
を交互に繰り返すことにより、キャパシタ１０４の端子
間電圧は単位蓄電器１０１ａの電圧に近づいていく。モ
ード２の開始時刻と終了時刻におけるキャパシタ１０４
の電位差をΔＶとすると、モード１とモード２を繰り返
す動作はΔＶが数十ｍＶの基準値以下に収束するまで続
ける。電圧検出終了時点ではキャパシタ１０４，１１１
と単位蓄電器１０１ａの電圧がほとんど一致しているの
で、電圧検出回路から蓄電器１０１ａまでの電流経路に
ほとんど電流が流れないので、電流経路上の抵抗成分の
影響を受けずに高精度の電圧検出を行う事が出来る。

【００２７】単位蓄電器１０１ａに対するキャパシタ１
０４の電圧が上記収束判定条件を満足すると、電圧検出
手段１１０からの指令によって、ドライバ手段１０７は
モード１としてスイッチ手段１０３ｂをオンする。即
ち、電圧検出すべき単位蓄電器を１０１ａから１０１ｂ
に移行させる。ここで、キャパシタ１１１に蓄積された
電圧はモード１における初期電圧として使用され、損失
にはならない。同様に、キャパシタ１０４の電圧も１０
１ｂの検出に移行した際にはモード２の初期値となる。
仮にキャパシタ１１１の電圧が単位蓄電器１０１ｂの電
圧よりも高い場合には、キャパシタ１１１から１０１ｂ
に放電する形になる。この為、前述したΔＶはその絶対
値が基準値以下になることを収束判定条件と選ぶことが
望ましい。

【００２８】なお、電圧検出手段１１０は、例えばコン
パレータのような比較手段を備え、この比較手段によっ
て、△Ｖの検出値をその基準値と比較し、収束判定条件
が満足されたか否かを判定する。さらに、電圧検出手段
１１０は、収束判定条件の判定結果に基づいて、スイッ
チ１０３ａ及び１０３ｂの切り替えとオン・オフ、並び
にスイッチ１０５のオン・オフを行う駆動信号を出力す
るように、ドライバ１０７へ指令信号を与える。なお、
本実施例では、電圧検出手段１１０は電圧変化分△Ｖを
検出するが、スイッチ１０５が閉じている時のキャパシ
タ１０４の両端の電圧値を検出し、その基準値と比較し
てもよい。

【００２９】次に、エネルギーの移動と消費について、
最も簡単な例として、キャパシタ１０４が１１１に比べ
て無視できるくらい小さい場合を考える。モード２で
は、電圧検出手段１１０の入力抵抗が十分大きく、キャ
パシタ１０４が十分小さいので、エネルギーの移動はな
いものとする。モード１では、蓄電器１０１ａの電圧を
Ｅ，キャパシタ１１１の初期電圧をＶ０，終電圧をＶ，
キャパシタ１１１の容量をＣとすると、０.５Ｃ(Ｖ²−
Ｖ０²）のエネルギーが単位蓄電器１０１ａからキャパ
シタ１１１に移動し、蓄電器１０１ａからＣ（Ｖ−Ｖ
０）の電荷とＥＣ（Ｖ−Ｖ０）のエネルギーが図１の１
０６の範囲に供給される。両者の関係から、スイッチ１
０３のオン抵抗と配線等の抵抗により０.５Ｃ(２ＥＶ−
２ＥＶ０−Ｖ²＋Ｖ０²）のエネルギーが消費される。抵
抗の大小に係らずエネルギーの消費量は変わらないが、
配線等の抵抗が小さいと蓄電器１０１ａから瞬間的に大
電流を取り出すことが起こりうる。しかし、実際の連続
的な使用ではキャパシタ111は蓄電器１０１と非常に近
い電圧を常に保持しているので、Ｖ−Ｖ０は非常に小さ
い値になるため、長時間スイッチ１０３をすべてオフに
した後に、初めてスイッチ１０３のどれかをオンする時
のみ大きな電流が流れる可能性がある。このような場合
には蓄電器１０１ａとキャパシタ１１１の間の電流経路
に抵抗を設けると電流が制限される。また、この抵抗を
設ける事により、後述するフィルタ機能を向上させる事
が出来る。Ｃとスイッチ１０３ａの特性、定格電流から
スイッチ１０３ａが破壊する恐れがない場合には前記の
ような抵抗を設ける必要はない。また、蓄電器１０１ａ
の電圧を変化させず、エネルギーの損失を抑える為に
は、蓄電器１０１ａに対してキャパシタ１１１と１０４
の容量を十分に小さくすることが望ましい。また、通常
電圧検出回路の保護用キャパシタ１０４の容量は十分小
さく、スイッチ１０５を破壊するようなエネルギーを蓄
積、放出することはないが、キャパシタ１０４の容量を
大きくする場合にはキャパシタ１１１と１０４の間の電
流経路に抵抗を設ける必要がある。

【００３０】図２には単位蓄電器１０１ａの電圧に高周
波の外乱（ノイズ）が重畳した場合を図示した。この場
合、モード１では、選択スイッチなどの抵抗成分とキャ
パシタ１１１によって分圧され、ノイズの周波数が高い
程キャパシタ１１１の端子間電圧へのノイズの影響は小
さい。また、モード２では、選択スイッチ１０３がオフ
している為、ノイズの影響は受けない。モード１，２を
繰り返す間にノイズが減衰し、ΔＶが基準値以下に収束
すればそこで電圧検出を終了する。ΔＶが仮に基準値以
上の電圧αで振動する場合、即ち±αとなる場合は電圧
検出手段１１０でこの状態を検出し、平均化することが
望ましい。このためには、電圧検出手段１１０はＡ／Ｄ
コンバータと共に演算機能を備えるマイクロプロセッサ
が望ましい。

【００３１】図３には、図１の実施例の動作波形例を示
し、本実施例における低域通過フィルタ的効果について
説明する。図２に示した通り、モードを重ねる毎にキャ
パシタ１０４の電圧は接続される単位蓄電器の電圧まで
指数関数的に増加する。この図３の波形は、ローパスフ
ィルタのステップ応答をディジタルでサンプルホールド
した場合と同等であるので、ステップ応答とフィルタ効
果の対応関係から、本実施例はディジタルローパスフィ
ルタと同様の効果を持つ。フィルタ効果を強化したい場
合、キャパシタ１１１を１０４に比べて容量を小さく
する、抵抗成分を大きくする、スイッチタイミング
を遅くする、などのいずれかあるいは複数の対策をとる
と、応答が低周波化し、ローパスフィルタとしての性能
が向上してノイズのピーク電圧を抑える事が出来る。反
対に、入力電圧のノイズが小さく、フィルタ効果よりも
応答速度を要求される時は上記，，と逆の対策を
とると良い。また、キャパシタ１０４を用いない場合、
本実施例のフィルタ効果は、キャパシタ１１１と抵抗成
分で構成されるＲＣフィルタの効果となる。

【００３２】単位蓄電器１０１をリチウム二次電池とす
ると、その平均電圧は３.６Ｖであり、Ｅ⁺端子１０９
の電位は、Ｅ^-端子１０５を基準として１０.８Ｖとな
る。また、電圧検出回路を電源電圧定格が一般的な５Ｖ
のＡ／Ｄ変換器とＭＣＵ（マイコン）で構成する場合、
電圧検出回路の素子耐圧の点から、Ｅ⁺端子１０９の電
圧を直接Ａ／Ｄ変換器に印加することは出来ない。しか
しながら、図１の回路構成によれば単位蓄電器１０１ａ
の電圧を一旦、フローティング状態にあるキャパシタ１
１１に転送し、その後、スイッチ１０５によりＥ^-端子
１０８を基準電位とするキャパシタ１０４の電圧に変換
する為、Ａ／Ｄ変換器の素子耐圧以下の電圧になる。即
ち、本発明は蓄電器の電圧を電位レベル変換する機能を
持ち、この点から図１の１０６の範囲を以後、電位レベ
ル変換手段と呼ぶ。

【００３３】以上をまとめると、キャパシタ１１１に、
あるいはキャパシタ１０４とキャパシタ１１１に単位蓄
電器１０１とほぼ等しい電圧を保持することにより、単
位蓄電器１０１内部や各スイッチに流れる電流が０に近
づく為、単位蓄電器１０１の内部インダクタンスや各ス
イッチのオン抵抗、抵抗成分などの影響を受けずに電位
レベル変換をしながら、精度良く電圧検出回路に単位蓄
電器１０１の端子間電圧を送る事が出来る。

【００３４】また、本実施例は従来技術のような差動増
幅器を用いない為、その消費電流を削減できると共に低
コスト化することができる。

【００３５】この様に、本実施例によれば、回路数が少
なく安価で小型、低消費電力で、かつ検出精度、ノイズ
耐性が高く信頼性の高い蓄電制御装置を実現することが
できる。

【００３６】図４は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。フィルタ効果を単一の畜電器制御を行う際に得たい
時には、選択スイッチ１０３とスイッチ手段１０５は一
つだけ用いれば良く、キャパシタ１１１，１０４のスイ
ッチが接続されていない端子は蓄電器１０１の端子に直
接接続することができる。なお、前実施例と同様に、キ
ャパシタ１１１が浮動電位状態であっても良い。

【００３７】図５は、本発明の第３の実施例を示す図で
ある。４個の単位蓄電器１０１に対して図１と同様な選
択スイッチ１０３を設ける。選択スイッチ１０３は、マ
ルチプレクサＭＵＸからなり、図１における選択スイッ
チ１０３ａのように各単位蓄電器の正極と負極をキャパ
シタ１１１に接続する働きを持つ。また、選択スイッチ
１０３は図１と同様にドライバ１０７により制御され
る。マルチプレクサは４又は８チャンネル等が市販され
ており、図５の実施例においては８個の単位蓄電器を直
列に接続して、上下４個毎の単位蓄電器に対して、それ
ぞれキャパシタ１１１とスイッチ１０５、並びに４チャ
ンネルのマルチプレクサを選択スイッチ１０３として接
続している。

【００３８】ここで、マルチプレクサ内部のスイッチ手
段の素子耐圧が単位蓄電器８ヶ分の直列電圧より小さい
場合、図５に示すように単位蓄電器４ヶ毎にキャパシタ
111を１ヶ用い、各マルチプレクサの基準電圧をそれぞ
れの担当する単位蓄電器の最下電圧にする。これらと同
時に、電圧検出回路の基準電圧をＥ^-端子ではなく、蓄
電器列１０２の中心の端子とすることで、マルチプレク
サに印加される電圧が単位蓄電器４ヶ分でありながら８
ヶの単位蓄電器の電圧を検出することが出来る。

【００３９】図６は、本発明の第４の実施例を示す図で
ある。図において、１０１は図１の実施例と同じ単位蓄
電器であり、図１と同様に各単位蓄電器の正極及び負極
をキャパシタ１１１に接続する選択スイッチ１０３（マ
ルチプレクサＭＵＸ）を備える。MOSFET607 は図１にお
いて１０５で示したスイッチ手段を具体的な半導体スイ
ッチ素子で置き換えたものであり、基本的な機能は図１
と同じである。キャパシタ１０４も図１と同様な働きを
する。ここで、キャパシタ１０４に並列に接続したツエ
ナーダイオード６０３は、キャパシタ１０４の電圧が次
段のＡ／Ｄコンバータ６１０の素子耐圧以下になるよう
に電圧を制限する。Ａ／Ｄコンバータ６１０及びマイク
ロコンピュ−タ（ＭＣＵ）６０４は図１における電圧検
出手段１１０に相当する。図１のドライバ１０７は図６
においてはＭＣＵ（マイクロコンピュータ）６０４に内
蔵されている。ここで、６１２はクロック発生手段を、
６０９はメモリ手段をそれぞれ表しており、本来はMCU6
04に内蔵される機能であるが、図６の実施例ではそれぞ
れの働きが理解しやすいようにＭＣＵの外部に図示し
た。クロック発生手段６１２はＡ／Ｄコンバータ６１
０，MCU604、及びメモリ手段６０９にディジタル処理の
基本タイミングとなるクロック信号を供給する。

【００４０】単位蓄電器の電圧は、キャパシタ１１１及
び１０４を経由してＡ／Ｄコンバータ６１０に伝達さ
れ、ここでアナログ電圧値をディジタルに変換する。そ
してＡ／Ｄコンバータ６１０からディジタル化された電
圧値がMCU604に入力され、前述したようにキャパシタ１
０４のモード２における電圧変化分ΔＶの絶対値が基準
値以下に収束するかどうかを判断する。MCU604はまた、
選択スイッチ１０３とMOSFET607 に制御信号を伝え、前
述のモード１とモード２の動作を繰り返し行うと共に、
ΔＶが基準値以下に収束したならば選択スイッチ１０３
で他の単位蓄電器を選択し、モード１，モード２の動作
を繰り返す。MCU604はＡ／Ｄコンバータを通して蓄電器
の電圧を逐次読み込むと共に、通信Ｉ／Ｆ（インターフ
ェース）を通して各蓄電器の電圧情報を図示していない
上位のコントローラへ送っている。

【００４１】各単位蓄電器の正極と負極間には、電流バ
イパス用FET608と抵抗手段６０６をとの直列接続回路を
備えたバイパス回路６０１が並列に接続される。各FET6
08は、MCU604から出力されるゲート信号によって、オン
・オフされる。図６では、便宜上、MCU604から各FET608
へのゲート信号線を１本の線で表しているが、実際には
各ＦＥＴ毎に独立したゲート信号が与えられる。MCU604
は、検出した各単位蓄電器の電圧に応じて、各蓄電器毎
にそれに並列に接続されているバイパス回路のFET608に
対するゲート信号のオン・オフのdutyを設定し、充放電
電流を調整する。なお、FET608のオン・オフdutyを設定
するために、検出電圧を用いる代わりに、ＭＣＵにおい
て検出電圧から単位蓄電器の蓄積電気量を演算し、蓄積
電気量の演算値を用いてもよい。一般に、単位蓄電器１
０１にはできるだけ多くのエネルギーを貯えたいが、満
充電電圧には制限があるので、すべての単位蓄電器を高
精度で満充電電圧まで充電したいという要求がある。そ
こで、蓄電器を充電しながらその電圧を検出し、電圧の
高い単位蓄電器１０１に対しては並列に接続された電流
バイパス回路６０１のFET608をオンにして充電電流をバ
イパスして充電速度を遅くする。初期に電圧の高い単位
蓄電器がこの電流バイパスによって他の単位蓄電器と電
圧が揃ったら再び電流バイパス用FET608をオフにする。

【００４２】従来方式では、バイパス抵抗手段に電流を
流し、余分なエネルギーを全て捨てている。しかしなが
ら、本実施例の回路構成は、単位蓄電器１０１の電圧を
平均化する作用を持っている。即ち、キャパシタ１１１
と１０４が電圧の高い単位蓄電器から電圧の低い単位蓄
電器の検出に切り替えられた場合、キャパシタは前の単
位蓄電器１０１の高い電圧を保持しており、キャパシタ
１１１から電圧の低い単位蓄電器に電荷を転送する。ま
た、その逆に低い電圧から高い電圧の単位蓄電器に切り
替えた場合、電圧の高い単位蓄電器からキャパシタ１１
１と１０４にエネルギーを移す事になる。この結果、単
位蓄電器１０１の充電電圧を平均化することができる。

【００４３】エネルギーの面から見ると、電荷を移す過
程で電圧が降下する為、電圧の高い単位蓄電器１０１か
ら取り出すエネルギーのうち、単位蓄電器１０１からキ
ャパシタに電荷を移す過程とキャパシタ１１１から単位
蓄電器１０１に電荷を移す過程においてエネルギーがキ
ャパシタ１１１と蓄電器１０１の間の抵抗成分で消費さ
れる。キャパシタ１０４が１１１に比べて十分小さい場
合、電圧の高い蓄電器の電圧をＶｈ、電圧の低い蓄電器
の電圧をＶｌとすると、蓄電器間を移動したエネルギー
と抵抗成分で消費されるエネルギーの比はＶｌ：Ｖｈ−
Ｖｌであり、蓄電器間の電圧バラツキが小さいほど高効
率で電圧バラツキを補正することが出来る。蓄電器１０
１を使用している間、常に蓄電器１０１の電圧を監視し
ながら電圧バラツキを補正することで、本方式を用いれ
ば常に蓄電器の電圧を高効率で平均化することが出来
る。

【００４４】図７は、本発明の第５の実施例を示す図で
ある。図に於いて、７０１は商用交流電源、７０２は太
陽光発電装置、７０３は負荷装置、７０４は充放電制御
変換器、７０５は切替器である。

【００４５】複数の単位蓄電器１０１が直列接続され、
個々の電池はバイパス回路６０１と選択スイッチ１０３
の入力端子に並列接続されている。選択スイッチ１０３
の出力端子にはキャパシタ１１１が接続されている。キ
ャパシタ１０４とマイクロコンピュ−タ６０４のＡ／Ｄ
コンバータ入力端子は並列に接続され、キャパシタ１１
１との接続がFET607によって制御されている。また、蓄
電器列の両端に充放電制御変換器７０４が接続され、蓄
電器回路７０６内のＭＣＵと充放電制御変換器７０４内
のＭＣＵが相互に接続されている。更に、太陽光発電装
置７０２，負荷装置７０３，充放電制御変換器７０４
は、それぞれ切替器７０５を介して共通の商用交流電源
７０１に接続されている。同時に、太陽光発電装置７０
２，負荷装置７０３，充放電制御変換器７０４、切替器
７０５は双方向の信号系で結ばれている。

【００４６】太陽光発電装置７０２は太陽電池により、
太陽光を直流電力に変換し、インバータ装置により交流
電力を出力する装置である。また、負荷装置７０３は、
エアコン，冷蔵庫，電子レンジ，照明などの家電品や、
モータ，コンピュータ，医療機器などの電気機器であ
る。そして、充放電制御変換器７０４は交流電力を直流
電力に変換、または、直流電力を交流電力に変換する充
放電器である。また、これら充放電の制御や上述の太陽
光発電装置７０２，負荷装置７０３などの機器を制御す
る制御器を兼ねる。

【００４７】ここで、これらの機器は装置内に切替器７
０５を有することもある。また、本発明の蓄電装置は図
示した構成以外の充放電制御変換器７０４や、その他の
機器の接続形態をとることも可能である。

【００４８】本構成によれば、負荷装置７０３が必要と
する電力を商用交流電源７０１や太陽光発電装置７０２
で賄い切れない時、充放電制御変換器７０４を介して単
位蓄電器１０１から電力を供給する。そして、商用交流
電源７０１や太陽光発電装置７０２からの電力供給が過
剰となっている時に、充放電制御変換器７０４を介して
蓄電器列１０１に蓄電する。

【００４９】これらの動作の中で、蓄電器列１０１の端
子間電圧が放電停止や充電停止レベルに達すると、蓄電
器回路７０６はその信号を充放電制御変換器７０４に送
り、充放電制御変換器７０４は充放電等を停止する。こ
れらの構成では、商用交流電源７０１の契約電力や消費
電力、太陽光発電装置７０２の発電定格を下げることが
可能となり、設備費やランニングコストの削減が図られ
る。また、消費電力がある時間帯に集中している時に、
蓄電器列１０１から商用交流電源７０１に電力を供給
し、消費電力が少ない時に、蓄電装置に蓄電すること
で、消費電力の集中を緩和し、消費電力の平準化を図る
ことが可能となる。

【００５０】更に、充放電制御変換器７０４は負荷装置
７０３の電力消費を監視し、負荷装置７０３を制御する
ため、省エネや電力の有効利用が達成できる。

【００５１】図８は、本発明の第６の実施例を示す図で
ある。図７の第４の実施例の太陽光発電装置７０２と負
荷装置７０３に代わってモーター８０１と、モーター８
０１によって駆動されるタイヤ８０２を備えた電気自動
車の駆動装置に電力を供給する回路である。

【００５２】この使用形態の場合、移動中は外部から蓄
電器１０１に代わる電力供給手段がないので、走行距離
を長くする為には蓄電器から出来るだけ多くの電力を取
り出すことが望まれる。

【００５３】また、アクセルがオンの間蓄電器には数秒
間の放電電流が流れ、ブレーキがオンの間、モーターで
発電して充電電流が数秒間流れる。しかも車の運動エネ
ルギーに相当する電力が蓄電器に常に出入りし、その電
流はモーターの回転数や、インバーターが動作するクロ
ック周波数の整数倍に相当する周波数のノイズが蓄電器
の電圧に重畳する。また、蓄電器の特性上充電時は電圧
が上がり、放電時は電圧が下がる傾向にある。しかも電
流に対する電圧の応答は早い成分と遅い成分が入ってお
り、電流が流れていない時の蓄電器の電圧を、充放電し
ながら検出するには多くの情報が必要となり、マイコン
による演算が必須となる。

【００５４】従来方式の蓄電器制御装置を用い、蓄電器
としてＬｉ二次電池を用いると、蓄電器から取り出せる
エネルギーについては、充電時は問題なく全ての電池を
満充電まで充電できるが、放電時に電池電圧のバラツキ
が発生すると、最も電圧の低い電池が放電禁止電圧に達
した時点で電池保護の為、全ての電池からエネルギーを
取り出せなくなる。

【００５５】また、ノイズ対策としては高周波のノイズ
のみを小型のＬＣフィルタで取除き、数回から数十回の
電圧検出結果をマイコンで平均化して低周波のノイズを
除去し、真の電圧検出結果としている。

【００５６】本方式を用いれば逐次電池電圧のバラツキ
を高効率で補正しながら電池電圧を測定しており、全て
の電池が一斉に放電禁止電圧に達する為、電池に貯えら
れたエネルギーを残さず使い切ることができ、従来方式
よりも走行距離が長くなる。また、ノイズ対策としては
本方式は前述したようにフィルタ効果を有しており、従
来マイコンで除去していた低周波のノイズまで除去でき
るので、マイコンの演算負荷を軽減する事が出来る。

【００５７】図９は本発明の第７の実施例を示す図であ
る。図では本発明による蓄電器制御装置を半導体集積回
路で実現した時の一部のP−MOSFET906とキャパシタ１１
１の断面が示されている。

【００５８】同一のｎ型基板上にP−MOSFET906とキャパ
シタ１１１が形成されている。P−MOSFET906 はソース
電極９０２とその下に形成されたｐ層、ゲート電極９０
３とその下に形成された絶縁体の酸化膜（ＳｉＯ₂）９
０１，ドレイン電極９０４とその下に形成されたｐ層
と、両ｐ層とゲート酸化膜を浮かべるように作られたｎ
層により構成されている。キャパシタ１１１は酸化膜９
０１を絶縁体、ドレイン電極９０４から伸びたアルミ配
線と電極端子９０５に接続されたｎ⁺層を電極とした構
成である。

【００５９】キャパシタ１１１の酸化膜９０１はP−MOS
FET のゲート酸化膜９０１よりも薄く積層されている。
キャパシタ１１１の容量ＣはＴｏｘを酸化膜厚、εを誘
電率、Ｓを面積とすると、Ｃ＝εＳ／Ｔｏｘであるので
ＣをP−MOSFET の寄生容量よりも大きくできる。

【００６０】このように、本実施例によれば蓄電器制御
装置のマイコンを含む全ての部品を１チップのＩＣに組
み込む事ができるので、信頼性が高く、占有体積の小さ
い蓄電器制御装置を、安価に提供する事ができる。

【００６１】図１０は、本発明による第８の実施例であ
る蓄電装置を示す。図１の実施例との違いは、図１にお
ける、スイッチ手段１０５と電圧検出回路１１０との間
において電圧検出回路に接続されている電気エネルギー
蓄積手段すなわちキャパシタ１０４を、含まないことで
ある。本相違点、及びスイッチ手段１０５を閉じてキャ
パシタ１１１を電圧検出手段１１０に接続した時の電圧
振動成分除去機能が若干低下する点以外は、蓄電装置の
構成及び動作は図１の実施例と同様である。すなわち、
本実施例の動作においては、図２で示したモード２の開
始時刻と終了時刻におけるキャパシタ１１１の電位差△
Ｖがあらかじめ設定された基準値以下に収束した時に、
電圧検出手段１１０により、キャパシタ１１１の電圧が
単位蓄電器の電圧として検出される。但し、本実施例
は、回路構成が簡単になり、図９の実施例のように蓄電
器制御装置を半導体集積回路で構成する場合には半導体
チップのサイズを低減できるという利点を有する。な
お、図４に示した単位蓄電器が１個の実施例において
も、本実施例と同様にキャパシタ１０４を含まない構成
とすることができる。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、蓄電器の電圧検出精度
が向上したり、蓄電装置及びその制御装置の信頼性が向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。

【図２】図１に示した回路の入出力電圧とスイッチタイ
ミングの模式図である。

【図３】図１に示した回路の入出力電圧とスイッチタイ
ミングの例を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す図である。

【図６】本発明の第４の実施例を示す図である。

【図７】本発明の第５の実施例を示す図である。

【図８】本発明の第６の実施例を示す図である。

【図９】本発明の第７の実施例を示す図である。

【図１０】本発明の第８の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０１…単位蓄電器、１０２…蓄電器列、１０３…選択
スイッチ、１０４…キャパシタ、１０５…スイッチ手
段、１０６…電位レベル変換手段、１０７…ドライバ、
１０８…Ｅ^-端子、１０９…Ｅ⁺端子、１１１…キャパ
シタ、６０１…バイパス回路、６０２…蓄電器監視装
置、６０３…ツェナーダイオード、６０４…ＭＣＵ（マ
イコン）、６０５…充電装置、６０６…抵抗手段、６０
７，６０７ａ，６０７ｂ…MOSFET、６０８…電流バイパ
ス用ＦＥＴ、７０１…商用交流電源、７０２…太陽光発
電装置、７０３…負荷装置、７０４…充放電制御変換
器、７０５…切替器、７０６…蓄電器回路、８０１…モ
ーター、８０２…タイヤ、９０１…酸化膜、９０２…ソ
ース電極、９０３…ゲート電極、９０４…ドレイン電
極、９０５…電極端子、１００１…二次電池群、１００
２〜１００４…放電回路、１００５…切替回路、１００
６…差動増幅器、１００７…マイクロコントローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者江守昭彦茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 5G003 AA01 AA06 AA07 BA03 CA11 CC02 DA07 EA09 FA04 GA01 GB06 GC05 5G065 AA01 AA05 EA02 EA10 GA09 HA16 LA01 MA09 MA10 NA01 NA05 NA07 PA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄電器を有する蓄電手段と、前記蓄電器に接続される第１のスイッチ手段と、前記第１のスイッチ手段を介して前記蓄電器に接続され
る第１の電気エネルギー蓄積手段と、前記第１の電気エネルギー蓄積手段に接続される第２の
スイッチ手段と、入力端子が前記第２のスイッチ手段を介して前記第１の
電気エネルギー蓄積手段に接続される電圧検出手段と、
を備えることを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】請求項１において、さらに、前記第２のス
イッチ手段と前記電圧検出手段との間において、前記電
圧検出手段に並列に接続される第２の電気エネルギー蓄
積手段を有することを特徴とする蓄電装置。
【請求項３】請求項１または請求項２において、前記第
１のスイッチ手段と前記第２のスイッチ手段とが相補的
にオン・オフされることを特徴とする蓄電装置。
【請求項４】請求項３において、前記電圧検出手段は、
前記第１のスイッチ手段がオフされかつ前記第２の手段
がオンされるときに、前記入力端子に入力される電圧を
検出することを特徴とする蓄電装置。
【請求項５】請求項１または請求項２において、前記蓄
電器は、前記第１のスイッチ手段を介して、浮動電位状
態の前記第１の電気エネルギー蓄積手段に接続されるこ
とを特徴とする蓄電装置。
【請求項６】請求項５において、前記第１の電気エネル
ギー蓄積手段は、前記第２のスイッチ手段を介して、前
記電圧検出手段の入力と前記電圧検出手段の基準電位と
の間に並列に接続されることを特徴とする蓄電装置。
【請求項７】請求項５において、前記第１の電気エネル
ギー蓄積手段は、前記第１のスイッチ手段によって、前
記蓄電手段が備える直列接続された複数の蓄電器の内か
ら選択的に前記蓄電器に接続されることを特徴とする蓄
電装置。
【請求項８】請求項７において、前記第１の電気エネル
ギー蓄積手段は、前記第２のスイッチ手段を介して、前
記電圧検出手段の入力と前記電圧検出手段の基準電位と
の間で、前記電圧検出手段と並列に接続されることを特
徴とする蓄電装置。
【請求項９】請求項７において、さらに、前記複数の蓄電器の各々に、スイッチング素子
を備えるバイパス回路を並列に接続し、前記電圧検出手段は、前記第１のスイッチ手段がオフさ
れかつ前記第２の手段がオンされるときに、前記入力端
子に入力される電圧を検出し、前記電圧検出手段は、検出された前記電圧に応じて、前
記スイッチング素子のオン・オフを制御することを特徴
とする蓄電装置。
【請求項１０】蓄電器を有する蓄電手段と、前記蓄電器に接続される第１のスイッチ手段と、前記第１のスイッチ手段を介して前記蓄電器に接続され
る第１の電気エネルギー蓄積手段と、前記第１の電気エネルギー蓄積手段に接続される第２の
スイッチ手段と、を有する部分を複数備え、入力端子が前記複数の部分の各々における前記第２のス
イッチ手段を介して前記第１の電気エネルギー蓄積手段
に接続される電圧検出手段と、前記複数の部分の各々における前記第２のスイッチ手段
と前記電圧検出手段との間において、前記電圧検出手段
に並列に接続される第２の電気エネルギー蓄積手段と、
を備えることを特徴とする蓄電装置。
【請求項１１】蓄電手段が有する蓄電器に接続される第
１のスイッチ手段と、前記第１のスイッチ手段を介して前記蓄電器に接続され
る第１の電気エネルギー蓄積手段と、前記第１の電気エネルギー蓄積手段に接続される第２の
スイッチ手段と、入力端子が前記第２のスイッチ手段を介して前記第１の
電気エネルギー蓄積手段に接続される電圧検出手段と、
を備えることを特徴とする蓄電装置の制御装置。