JP2001178008A - セルバランス調整回路、セル電圧異常検出回路、セルバランス調整方法およびセル電圧異常検出方法 - Google Patents

セルバランス調整回路、セル電圧異常検出回路、セルバランス調整方法およびセル電圧異常検出方法

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JP2001178008A
JP2001178008A JP36083299A JP36083299A JP2001178008A JP 2001178008 A JP2001178008 A JP 2001178008A JP 36083299 A JP36083299 A JP 36083299A JP 36083299 A JP36083299 A JP 36083299A JP 2001178008 A JP2001178008 A JP 2001178008A
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cell
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cells
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進吾 川島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】複雑な制御回路や高耐圧な電圧判定回路を使用
せずに，高電圧を発生する組電池のセルのバランスを調
整する。 【解決手段】直列接続したセルＣＥ１〜ＣＥ６の両端か
らスイッチＳ１１〜Ｓ６２により順次切り替えられる電
圧保持装置ＣＤ１により、順番にセルとの接続を取るこ
とを繰り返すことにより、各セルのバランスを容易に調
整できるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セルバランス調整
回路、セル電圧異常検出回路、セルバランス調整方法お
よびセル電圧異常検出方法に係わり、特に、二次電池を
使用した組電池の応用回路において、直列接続されたセ
ル間のバランスを調整する技術に関し、複雑な制御回路
を使用しないことにより、安価な構成によるバランス調
整回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】リチウム電池等の二次電池を使用した組
電池の、従来の充電技術について、図９を参照して説明
する。充電回路から充電されるセル（電池セル）ＣＥ１
〜ＣＥ６のそれぞれにスイッチＳ１〜Ｓ６及び抵抗Ｒ１
〜Ｒ６が接続されている。
【０００３】充電時にセルの電圧を電圧監視制御回路に
より監視して、充電が完了したセルに対しては充電電流
を抵抗にバイパスし、充電が未了のセルについて、充電
を継続できるようにしていた。
【０００４】この場合には、セルのバランス調整は常に
充電時だけとなるため、セルの容量バランスが崩れてい
る場合には、放電時に放電が可能は電力は容量の最も小
さいセルの容量により、制限されることになり、容量の
大きなセルは常に蓄積した電力を放出しきることができ
ない状態になっていた。このため、充電時に不要な電力
を消費するとともに，充電後も、蓄えた電力を十分に放
出できない構成になっていた。
【０００５】この問題を解決するために特開平１１−１
４６５７０号公報や特開平１１−０９８６９８号公報で
は、充電時あるいは放電時に各セルの端子電圧を測定
し、その電圧測定値に基づいて、２つのセルを選定し
て、まず、一方のセルと並列にコンデンサ等の電荷蓄積
素子を接続したのちに、接続を切り替えて、もう一方の
セルとこの電荷蓄積素子を並列に接続することを繰り返
すことによって、選定した二つセルの間での差電圧を減
少させる。
【０００６】次に再度、セルの電圧判定を行いその判定
の基づいて、同様の動作を繰り返し行うことによって、
おのおののセルのバランスを取るようにしている。これ
により電圧判定回路により、選定されたセル間の電圧は
ほぼ等しい状態にすることができるようになり、この動
作を電圧測定を繰り返し行うことにより、複数にまたが
ったセル間の保持電圧が等しく調整される技術が開示さ
れている。
【０００７】以上に説明したように、従来のバランス調
整回路においては、前者に対する問題点である、充電時
の消費電力の問題や、放電時におけるバランス調整がで
きない点などは、コンデンサ等の電荷蓄積素子を用いた
後者の回路により解決されることになった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら電荷蓄積
素子を用いた従来の方式において、充電時と放電時にお
いても、セルのバランスを調整することができるように
なったが、以下に述べるような問題点が残されている。
【０００９】第１の問題点は、並列接続を行うセルを選
定するために、各セルの端子電圧を毎回測定して判定す
ることが必要となるため、判定および制御回路が複雑に
なる欠点がある。特に、使用するバッテリーの直列接続
数が多くなると、測定に必要な回路の耐圧が非常に大き
い状況となる。
【００１０】現在開発中や一部発売が開始されたハイブ
リッド自動車に使用されていうるバッテリーはその出力
電圧が２４０Ｖにもなっており、このセルの電圧を測定
し判定を行う回路を構成するためには、非常に高耐圧の
判定回路が必要になり、必然的に安価な回路構成ができ
ないという問題が発生する。
【００１１】その理由は、ハイブリッド自動車における
駆動エネルギーを得るためには高電圧が必要であり、こ
れに対応できるような高耐圧の電圧判定用のＩＣは非常
に高価な部品となるからである。
【００１２】第２の問題点は、この様な高電圧な状態に
おいて、比較するセル間の電圧差はセル電圧がニッケル
水素電池の場合には１．２Ｖが平均電圧であり、出力電
圧の大きいリチウム二次電池においても、３．６Ｖとな
っており、これに対しての差電圧を検出するということ
は、数ミリボルトの判定制度が必要になることになり、
現在市場に出ているハイブリッド自動車や開発が各社で
推進されている燃料電池車や電気自動車では２４０Ｖや
２８０Ｖの電圧を使用しており、この様な電圧レベルに
おいて、わずか数ミリボルトの電圧を扱うことは非常に
高精度の回路が必要となり、この精度を達成するために
は非常に高価な回路構成になるという問題点が発生す
る。
【００１３】その理由は、小さなセル電圧のセルを数十
から数百個も直列に接続して使用しているために対地電
圧は２４０Ｖもあり、非常に高圧な直流電圧を有してい
る。これに対して、バランスを取らなければならない電
圧値は１．２Ｖあるいは３．６Ｖのセル単位の電圧とな
り、バランス調整にはミリボルト単位の調整が必要にな
る。これは、測定精度が、ゆうにｐｐｍオーダーの精度
を電圧判定回路に要求することになり、高耐圧かつ高精
度の判定回路が必要になるからである。
【００１４】したがって本発明の目的は、直列に接続さ
れた２次電池セルにおいて、その直列にする数が大きく
全体の出力電圧が高い組み電池としたときにも安定にセ
ルのバランスを取ることができる回路を複雑な制御回路
を使用しないことにより、安価に供給することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、基本と
なるセル（電池セル）を複数直列接続した組電池におい
て、直列接続された基本セルの接続部分から、半導体ス
イッチあるいはメカニカルリレー等のスイッチを介し
て、セルと並列に接続されるコンデンサあるいは基本と
なるセルと同構造の二次電池用セル等の電圧保持装置を
有し、直列接続されて隣接しているセルと前記電圧保持
装置との間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替
えを一方向に順次走査して行き、直列接続されてすべて
のセルと前記電圧保持装置との間に順次並列接続を形成
させ、制御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列
接続の形成を完了した後に最初のセルに戻り同様の切り
替え動作を繰り返し行う二次電池用のセルバランス調整
回路にある。
【００１６】または本発明の特徴は、基本となるセル
（電池セル）を複数直列接続した組電池において、直列
接続された基本セルの接続部分から、半導体スイッチあ
るいはメカニカルリレー等のスイッチを介してセルと並
列に接続されるコンデンサあるいは基本となるセルと同
構造の二次電池用セル等の電圧保持装置を有し、直列接
続されて隣接しているセルと前記電圧保持装置との間に
並列接続を形成しながらスイッチの切り替えを一方向に
順次走査して行き、直列接続されてすべてのセルと前記
電圧保持装置との間に順次並列接続を形成させ、制御対
象となる組電池内のすべてのセルとの並列接続の形成を
完了した後に最初のセルに戻り同様の切り替え動作を繰
り返し行う信号を発生するスイッチ制御回路と有する二
次電池用のセルバランス調整回路にある。
【００１７】本発明の他の特徴は、基本となるセル（電
池セル）を複数直列接続した組電池において、直列接続
された基本セルの接続部分から、半導体スイッチあるい
はメカニカルリレー等のスイッチを介して、セルと並列
に接続されるコンデンサあるいは基本となるセルと同構
造の二次電池用セル等の電圧保持装置を有し、直列接続
されて隣接しているセルと前記電圧保持装置との間に並
列接続を形成しながらスイッチの切り替えを一方向に順
次走査して行き、直列接続されてすべてのセルと前記電
圧保持装置との間に順次並列接続を形成させ，制御対象
となる組電池内のすべてのセルとの並列接続の形成を完
了した後に最初のセルに戻り同様の切り替え動作を繰り
返し行う二次電池用のセルバランス調整回路において、
電圧検出・判定装置を有し、前記コンデンサ等の電圧保
持装置と前記電圧検出・判定回路に接続するスイッチと
を有し、セルとの並列接続を切り離し、次のセルとの接
続を行う前に、前記電圧保持装置と前記電圧判定回路と
を接続し、前記電圧保持装置の電圧を判定することによ
り、セル電圧の異常を検出するセル電圧異常検出回路に
ある。
【００１８】あるいは本発明の他の特徴は、基本となる
セル（電池セル）を複数直列接続した組電池において、
直列接続された基本セルの接続部分から、半導体スイッ
チあるいはメカニカルリレー等のスイッチを介して、セ
ルと並列に接続されるコンデンサあるいは基本となるセ
ルと同構造の二次電池用セル等の電圧保持装置を有し、
直列接続されて隣接しているセルと前記電圧保持装置と
の間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替えを一
方向に順次走査して行き、直列接続されてすべてのセル
と前記電圧保持装置との間に順次並列接続を形成させ、
制御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列接続の
形成を完了した後に最初のセルに戻り同様の切り替え動
作を繰り返し行う二次電池用のセルバランス調整回路に
おいて、電圧検出・判定装置を有し、前記コンデンサ等
の電圧保持装置と前記電圧判定回路に接続するスイッチ
とを有し、セルとの並列接続を切り離し、次のセルとの
接続を行う前に、前記電圧保持装置と前記電圧判定回路
とを接続し、前記電圧保持装置の電圧を判定することに
より、セル電圧の異常を検出するセル電圧異常検出回路
において、セルと前記電圧保持装置の接続を行うスイッ
チに比較して、前記電圧保持装置と該電圧判定装置との
間の接続に使用するスイッチの耐圧が高い電圧異常検出
回路にある。
【００１９】本発明の別の特徴は、基本となるセル（電
池セル）を複数直列接続した組電池において，直列接続
された基本セルの接続部分から、半導体スイッチあるい
はメカニカルリレー等のスイッチを介して、セルと並列
に接続されるコンデンサあるいは基本となるセルと同構
造の二次電池用セル等の電圧保持装置を有し、直列接続
されて隣接しているセルと該電圧保持装置との間に並列
接続を形成しながらスイッチの切り替えを一方向に順次
走査して行き、直列接続されてすべてのセルと該電圧保
持装置との間に順次並列接続を形成させ、制御対象とな
る組電池内のすべてのセルとの並列接続の形成を完了し
た後に最初のセルに戻り同様の切り替え動作を繰り返し
行うセルバランス調整方法にある。
【００２０】本発明のさらに別の特徴は、基本となるセ
ル（電池セル）を複数直列接続した組電池において、直
列接続された基本セルの接続部分から、半導体スイッチ
あるいはメカニカルリレー等のスイッチを介して、セル
と並列に接続されるコンデンサあるいは基本となるセル
と同構造の二次電池用セル等の電圧保持装置を有し，直
列接続されて隣接しているセルと前記電圧保持装置との
間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替えを一方
向に順次走査して行き、直列接続されてすべてのセルと
前記電圧保持装置との間に順次並列接続を形成させ、制
御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列接続の形
成を完了した後に最初のセルに戻り同様の切り替え動作
を繰り返し行う二次電池用のセルバランス調整回路にお
いて、電圧検出・判定装置を有し、前記コンデンサ等の
電圧保持装置と前記電圧検出・判定回路に接続するスイ
ッチとを有し、セルとの並列接続を切り離し、次のセル
との接続を行う前に，前記電圧保持装置と前記電圧検出
・判定回路とを接続し，前記電圧保持装置の電圧を判定
することにより、セル電圧の異常を検出するセル電圧異
常検出方法にある。
【００２１】上記した本発明によれば、次に説明するよ
うな作用効果が得られる。
【００２２】先ず、基本となるセル（電池セル）を複数
直列接続した組電池において、直列接続された基本セル
の接続部分からスイッチを介してセルと並列に接続され
る電圧保持装置を有し、直列接続されて隣接しているセ
ルと前記電圧保持装置との間に並列接続を形成すると、
並列接続を形成したセルと電圧保持装置はそれぞれの保
持している電圧とそれぞれ固有の容量よって決定される
一定時間電圧に収束する。このとき容量が同一ならば、
並列接続前のそれぞれの保有していた電圧の平均電圧に
なる。容量が異なる場合にはそれぞれの容量の比によっ
て決まる電圧に収束するがいずれの場合においても、接
続前に示していたそれぞれの電圧の間の電圧に収束する
ことになる。
【００２３】この動作を各セル（電池セル）に対してス
イッチの切り替えを一方向に順次走査して行き、直列接
続されてすべてのセルと前記電圧保持装置との間に順次
並列接続を形成させ、制御対象となる組電池内のすべて
のセルとの並列接続の形成を行う。この走査によって、
走査前の状態に比較して，隣接するセル間の平均の電圧
差は縮小されることになる。走査をいったん完了した後
に最初のセルに戻り同様の切り替え動作を繰り返し行う
ことにより、毎回走査が一巡するたびに平均のセル間電
圧差は縮小してゆく。この走査を高頻度で繰り返すこと
により、各セルの持つ電圧は均一になり，二次電池用セ
ルバランス調整が実現できる。この動作の状況は、図８
に示している。特にセルに対して個別に電圧判定をして
セルを選択することなしに単純に順番に接続を繰り返
し、その回数を増やして行くとセルの個々の電圧ｖｃ１
〜ｖｃ６が０．９２Ｖ付近に漸近していく状況が良く判
明する。
【００２４】また、基本となるセル（電池セル）を複数
直列接続した組電池において、直列接続された基本セル
の接続部分からスイッチを介してセルと並列に接続され
る電圧保持装置を有し、直列接続されて隣接しているセ
ルと該電圧保持装置との間に並列接続を形成しながらス
イッチの切り替えを一方向に順次走査して行き、直列接
続されてすべてのセルと前記電圧保持装置との間に順次
並列接続を形成させ、制御対象となる組電池内のすべて
のセルとの並列接続の形成を完了した後に最初のセルに
戻り同様の切り替え動作を繰り返し行う信号を発生する
スイッチ制御回路と有することにより、複雑な判定を必
要しない制御回路によって容易に二次電池用のセルバラ
ンス調整を可能にすることができる。この場合の制御回
路は単純なシフトレジスタのような判定を必要としない
順序回路で容易に構成できるため安価な回路構成を可能
にする。
【００２５】さらに、基本となるセル（電池セル）を複
数直列接続した組電池において、直列接続された基本セ
ルの接続部分からスイッチを介してセルと並列に接続さ
れる電圧保持装置を有し、直列接続されて隣接している
セルと前記電圧保持装置との間に並列接続を形成しなが
らスイッチの切り替えを一方向に順次走査して行き、直
列接続されてすべてのセルと前記電圧保持装置との間に
順次並列接続を形成させ、制御対象となる組電池内のす
べてのセルとの並列接続の形成を完了した後に最初のセ
ルに戻り同様の切り替え動作を繰り返し行う二次電池用
のセルバランス調整回路において、電圧検出・判定装置
を有し、前記電圧保持装置と前記電圧検出・判定回路に
接続するスイッチとを有し、セルとの並列接続を切り離
し、次のセルとの接続を行う前に，前記電圧保持装置と
前記電圧検出・判定回路とを接続し、前記電圧保持装置
の電圧を判定することにより、電圧検出判定回路の耐圧
を直列接続したセルの合計電圧に関係なく、個々のセル
の保持電圧に比例した電圧を耐圧の低い電圧検出・判定
回路で判定できることになり、高耐圧の電圧比較回路を
用いることなく、安価に構成できるセル固有の電圧付近
の耐圧相当の低耐圧電圧検出・判定回路により、セル電
圧の異常を検出することが可能になる。
【００２６】また、基本となるセル（電池セル）を複数
直列接続した組電池において、直列接続された基本セル
の接続部分からスイッチを介してセルと並列に接続され
る電圧保持装置を有し、直列接続されて隣接しているセ
ルと前記電圧保持装置との間に並列接続を形成しながら
スイッチの切り替えを一方向に順次走査して行き、直列
接続されてすべてのセルと前記電圧保持装置との間に順
次並列接続を形成させ、制御対象となる組電池内のすべ
てのセルとの並列接続の形成を完了した後に最初のセル
に戻り同様の切り替え動作を繰り返し行う二次電池用の
セルバランス調整回路において、電圧検出・判定装置を
有し、前記コンデンサ等の電圧保持装置と前記電圧検出
・判定回路に接続するスイッチとを有し、セルとの並列
接続を切り離し、次のセルとの接続を行う前に、前記電
圧保持装置と前記電圧検出・判定回路とを接続し、前記
電圧保持装置の電圧を判定することにより、セル電圧の
異常を検出するセル電圧異常検出回路において、セルと
前記電圧保持装置の接続を行うスイッチに比較して、前
記電圧保持装置と前記電圧検出・判定装置との間の接続
に使用するスイッチの耐圧が高い構成にすることによっ
て、直列接続した結果生じる高電圧に対しては、高耐圧
のスイッチにより絶縁を確保して、低耐圧の電圧検出・
判定回路の使用を可能として、安価なセル電圧異常検出
回路の実現を可能としている。
【００２７】さらに、基本となるセル（電池セル）を複
数直列接続した組電池において、直列接続された基本セ
ルの接続部分からスイッチを介してセルと並列に接続さ
れる電圧保持装置を有し、直列接続されて隣接している
セルと前記電圧保持装置との間に並列接続を形成しなが
らスイッチの切り替えを一方向に順次走査して行き、直
列接続されてすべてのセルと前記電圧保持装置との間に
順次並列接続を形成させ、制御対象となる組電池内のす
べてのセルとの並列接続の形成を完了した後に最初のセ
ルに戻り同様の切り替え動作を繰り返し行うセルバラン
ス調整方法を使用して、安価なセルバランス調整方法を
実現している。
【００２８】また、基本となるセル（電池セル）を複数
直列接続した組電池において、直列接続された基本セル
の接続部分からスイッチを介してセルと並列に接続され
る電圧保持装置を有し、直列接続されて隣接しているセ
ルと前記電圧保持装置との間に並列接続を形成しながら
スイッチの切り替えを一方向に順次走査して行き、直列
接続されてすべてのセルと該電圧保持装置との間に順次
並列接続を形成させ、制御対象となる組電池内のすべて
のセルとの並列接続の形成を完了した後に最初のセルに
戻り同様の切り替え動作を繰り返し行うことを特徴とす
る二次電池用のセルバランス調整回路において、電圧検
出・判定装置を有し、前記電圧保持装置と前記電圧検出
・判定回路に接続するスイッチとを有し、セルとの並列
接続を切り離し、次のセルとの接続を行う前に、前記電
圧保持装置と前記電圧検出・判定回路とを接続し、前記
電圧保持装置の電圧を判定することにより、セル電圧の
異常を検出するセル電圧異常検出方法を使用して、不要
な高耐圧のスイッチの使用を最小限にすることにより、
安価なセル電圧異常検出方法を実現している。
【００２９】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】まず、本発明の構成を説明する。図１を参
照すると、基本となるセル（電池セル）ＣＥ１〜ＣＥ６
を複数直列接続した組電池の部分と、この各セルの接続
部分に片方の接点を接続したスイッチＳ１１〜Ｓ６２を
設け、さらにスイッチＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１，Ｓ４
１，Ｓ５１，Ｓ６１の他の接点は、コンデンサである電
圧保持装置ＣＤ１の一方の電極に接続し、スイッチＳ１
２，Ｓ２２，Ｓ３２，Ｓ４２，Ｓ５２，Ｓ６２のセル側
でない接点は電圧保持装置の他の電極に接続している。
【００３１】また、各スイッチの開閉信号は、スイッチ
Ｓ１１とスイッチＳ１２が同時に動作するように接続さ
れている。
【００３２】同様に、スイッチＳ２１とスイッチＳ２２
とが、スイッチＳ３１とスイッチＳ３２とが、スイッチ
Ｓ４１とスイッチＳ４２とが、スイッチＳ５１とスイッ
チＳ５２とが、スイッチＳ６１とスイッチＳ６２とが、
それぞれ対応した２個を一組としたスイッチとして同時
に開閉動作するような信号が接続されるようになってい
る。
【００３３】また、スイッチ開閉信号は、スイッチＳ１
１とスイッチＳ１２をオンオフ→スイッチＳ２１とスイ
ッチＳ２２をオンオフ→スイッチＳ３１とスイッチＳ３
２をオンオフ→スイッチＳ４１とスイッチＳ４２をオン
オフ→スイッチＳ５１とスイッチＳ５２をオンオフ→ス
イッチＳ６１とスイッチＳ６２をオンオフと、順次接続
をオンオフを行い、スイッチＳ６１とスイッチＳ６２の
オンオフを終了したら、最初のスイッチＳ１１とスイッ
チＳ１２のオンオフ動作に戻り、繰り返しスイッチの開
閉を継続的に行う破線で示したような開閉信号線をそれ
ぞれのスイッチの制御部に接続している。
【００３４】そして図３に示すように、さらに、電圧保
持装置ＣＤ１とスイッチＳＣ１とスイッチＳＣ２により
接続できる電圧検出・判定回路を追加する構成をとる。
この場合には、図４に示したようなタイミングでスイッ
チを制御する制御回路を設けている。さらに詳細に動作
について説明する。上述したように図１では、基本とな
るセルＣＥ１〜ＣＥ６を複数直列接続した組電池におい
て、直列接続された基本セルの接続部分からスイッチＳ
１１〜Ｓ６１およびＳ１２〜Ｓ６２を介してセルと並列
に接続されるコンデンサ等の電圧保持装置ＣＤ１を有
し、直列接続されて隣接しているセルと該電圧保持装置
との間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替えを
一方向に順次走査することにより、直列接続されてすべ
てのセルと該電圧保持装置との間に順次並列接続を形成
し、制御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列接
続の形成を完了した後に最初のセルに戻り同様の切り替
え動作を繰り返し行うことを特徴とする二次電池用セル
バランス調整回路としている。
【００３５】直列接続されたセルの両端には、負荷ある
いは充放電回路が接続されている場合もあり、無負荷の
状態の場合もある。この図１において先に述べたよう
に、スイッチＳ１１とＳ１２は同時に開閉動作をする信
号を受ける構成となっており、同様に、スイッチＳ２１
とスイッチＳ２２も同時に開閉動作をする構成となって
いる。以下同様にスイッチＳ３１とスイッチＳ３２，ス
イッチＳ４１とスイッチＳ４２，スイッチＳ５１とスイ
ッチＳ５２，スイッチＳ６１とスイッチＳ６２の各スイ
ッチの組み合わせにおいて同時に開閉動作をする構成と
している。図１における破線は、このような開閉信号を
送る概念を示している。
【００３６】図１の回路における、スイッチは、図２に
示すようなタイミングで、順次開閉を行う。図２に示し
たように、スイッチＳ１１とスイッチＳ１２から開閉が
順次進むとした場合に、スイッチＳ６１とスイッチＳ６
２の開閉が終了した後は、また、スイッチＳ１１とスイ
ッチＳ１２の開閉を開始し、以下この動作を順次繰り返
す。すべてのセルにおいて、バランス状態が維持されて
いて、セルの電圧が同じである場合には、電圧保持回路
とセルとの間では電荷の受け渡しは発生しないので、各
スイッチの開閉動作が行われても、個々のセルの状態に
はなにも影響を受けることはない。一方、セルのバラン
スがずれている場合には、本回路はバランス調整機能を
発揮することになり、その動作を以下に説明する。
【００３７】仮に、直列接続されているセルのうちいず
れかが他のセルに対して異なった電圧を保持していた場
合の動作を説明する。
【００３８】ここでは説明の都合上、電圧保持装置の容
量はセルの半分であると仮定する。また、セルＣＥ２以
外のセルの保持電圧および電圧保持装置の端子電圧は１
Ｖで有るとして動作の説明をする。
【００３９】さらに、動作を直感的に理解するためにセ
ルの保持しているエネルギーがセルの端子電圧に比例す
るコンデンサとして説明する。実際のセルでは、電圧と
保持エネルギーの関係は非直線的であるが、動作の理解
の為に簡便な説明にする。実動作としては、内部保持エ
ネルギーと端子電圧は正の相関があるから、動作説明と
しては可能である。
【００４０】仮に図面中のセルＣＥ２が他のセルに対し
て、半分の電圧の０．５Ｖになっていた場合には、セル
ＣＥ２は，上記の動作により、まず、セルＣＥ１の電圧
を保持した電圧保持装置ＣＤ１と接続することにより、
その容量比から端子電圧が計算される。
【００４１】コンデンサにおける蓄積電荷量は、Ｑ＝Ｃ
×Ｖで表されるから、上記の場合における並列接続後の
端子電圧は、セルＣＥ２と電圧保持装置ＣＤ１のそれぞ
れの静電容量をＣｃｅ２，Ｃｃｄ１とし、それぞれの保
持電圧をＶｃｅ２，Ｖｃｄ１とすると、並列接続後の端
子電圧Ｖは、Ｖ＝（Ｖｃｅ２×Ｃｃｅ２＋ Ｖｃｄ１×
Ｃｃｄ１）／（Ｃｃｅ２＋Ｃｃｄ１）となる。
【００４２】この式から、最初の電圧保持装置ＣＤ１と
の接続により、セルＣＥ２の電圧は初期の０．５Ｖから
０．６６７Ｖになる。この影響を受けて、次に電圧保持
装置ＣＤ１に接続されるセルＣＥ３の電圧は、同様に１
Ｖから０．８８９Ｖに減少する。
【００４３】さらにこの影響で、続くセルＣＥ４とセル
ＣＥ５とセルＣＥ６は、一回目の接続後にそれぞれ、１
Ｖ→０．９６３Ｖ，１Ｖ→０．９８８Ｖ，１Ｖ→０．９
９６Ｖに変化する。
【００４４】この動作を継続した状況を図８に示す。す
なわち、２回目が終了した時点では、さらにそれぞれか
らセルＣＥ１の電圧に近づく。１０回が終了した時点で
は、セル電圧の差は、２６ｍＶまで減少する。さらに１
５回以降では、セル電圧の差は±１ｍＶまで減少する。
この図８からもわかるように、１０回程度の接続により
セルのバランスずれは１／２０程度まで減少している。
【００４５】この様に、接続順に対して固定的な順番で
接続を繰り返すことにより、バランスが急速に回復して
いくことがわかる。この動作は、通常のセルがアンバラ
ンスな状態になる原因である自己放電等による場合に発
生する電圧変動に比較して、十分短い時間でバランスが
取れることを示していることになり、バランス調整回路
として十分な機能を持っていることがわかる。
【００４６】またこの動作は、単純にセルを電圧保持装
置に順次接続して行くだけの動作であるから、基本的
に、充電時でも、放電（負荷駆動）時でも、あるいは、
上記の説明に用いたような直列接続された複数のセル両
端が無負荷で開放されている状態においてもバランス調
整動作を行うことができることになる。
【００４７】また、セル間の電圧差が縮小され、均一に
なることにより、スイッチを介して電流が流れることは
なくなるので、調整が完了した後に動作を継続していて
もほとんど電力消費は発生しない。
【００４８】電圧保持装置ＣＤ１の保持する電圧はセル
単体の保持電圧であるから、ニッケル水素電池の場合に
は、約１．２Ｖ前後であり、リチウムイオン電池の場合
には約３．６Ｖ前後であり、電圧保持装置自身は単体の
セル電圧程度の電圧を保持するだけであるから直列接続
されたセル全体の発生電圧に比較して非常に低い耐圧の
もので電圧保持装置は実現できることがわかる。
【００４９】また、図３に示したように、各セルと電圧
保持装置との間に設けるスイッチＳ１１〜スイッチＳ６
２に対して，独立に動作するセル電圧検出・判定回路と
電圧保持装置との間に設けたスイッチＳＣ１およびスイ
ッチＳＣ２を設けることにより、スイッチＳ１１〜スイ
ッチＳ６２がすべて開いた状態の時には、電圧保持装置
は、直前に接続されていたセルの電圧を保持しているか
ら、スイッチＳＣ１とスイッチＳＣ２を閉じることによ
り、直列に接続された結果生じるセルの対地電圧に無関
係に、独立にセル電圧を低耐圧な電圧判定回路を使用し
て判定することができる。
【００５０】具体的には、数個の直列接続を想定する
と、その両端の電圧は数Ｖから１０数Ｖの範囲になるか
ら、一般的に手に入る集積回路の耐圧である２０Ｖ前後
の電圧で十分にまかなうことができる。
【００５１】また、スイッチをリレーで構成すれば、リ
レーの駆動電圧で制御回路の耐圧を決めることになり、
さらに低い電圧の５Ｖ程度の耐圧でも、十分に対応がで
きる。また、電圧判定回路も、同じようの５Ｖの耐圧で
構成できることになる。
【００５２】次に本発明の第２の実施の形態について図
５を参照して説明する。構成は同図に示すように、基本
となるセルＣＥ１〜ＣＥ６を複数直列接続した組電池の
部分と，この各セルの接続部分に片方の接点を接続した
一動作で連動して切り替えが実現される。
【００５３】すなわち、ロータリースイッチ接点部ａ１
〜ｆ１を有するロータリースイッチＲＳ１とロータリー
スイッチ接点部ａ２〜ｆ２を有するロータリースイッチ
ＲＳ２を設け、それぞれのロータリースイッチの共通接
点はＣＤ１の両端の電極に接続している。
【００５４】この例では、電動スクータや電動自動車の
ように機械的な回転を負荷となる構造の部分で発生して
いる場合に、負荷を回転させるのと同時に適当なギアの
組み合わせなどの回転伝達による方法で、機械的に上記
のロータリースイッチを回転させる構造となるようにし
ておくと、走行を開始することにより、ロータリースイ
ッチの接点が順次切り替わってゆき、走行を継続するこ
とにより自動的にセルのバランスが回復するようにな
る。必要なロータリースイッチの接点はタイヤの回転部
やモータ部分等の適当な回転部分に設置すればよいの
で、非常に簡単な構造でバランス調整回路が実現される
ことになる。また、電動アシスト自転車の場合において
も、タイヤに接点を設けてタイヤの回転にあわせて回転
したとしても、十分な効果が期待できる方式である。
【００５５】さらに、本発明の第３の実施の形態につい
て説明する。ここでは、自動車等の大電力を要する高圧
の電池パックを想定しており、構造としては、図６に示
したような数個のセルを直列接続した構造の電池モジュ
ール単位構造として作り、このモジュールをさらに、図
７に示したように、複数直列接続して、高電圧の電池パ
ックとする場合の実施例である。
【００５６】単位モジュールは、図６に示したように、
複数の直列の接続されたセルＣＥ１〜ＣＥ６と、そのセ
ル間の接続部分から、電圧保持装置ＣＤ１との接続を行
うスイッチＳ１１〜Ｓ６２を有し、さらにモジュール外
部との接続のためにスイッチＳＣ３およびスイッチＳＣ
４を介して、モジュールの外部端子Ｔ３，Ｔ４に接続さ
れる。
【００５７】また、直列接続されたセルの両端からは，
それぞれモジュール外部との接続用の外部端子Ｔ１，Ｔ
２に直接接続がなされている。
【００５８】さらに、各スイッチ制御は，スイッチＳ１
１〜Ｓ６２を順番に切り替えていく制御と、信号入力端
子Ｃ１から外部からの制御要求により、順次走査を一時
停止して、外部と電圧保持装置ＣＤ１を接続をおこなう
ためのスイッチＳＣ３とＳＣ４を制御する信号を発生す
るスイッチ制御回路からなっている。
【００５９】さらにモジュール外部に対して、要求信号
を発する出力端子Ｃ２を有している。また、内部には制
御回路への直流的な電圧をカットするためのコンデンサ
Ｃｉｎを含んでいる。このコンデンサは使用電圧によっ
て必要になるもので必須な構成部品ではないことは説明
の必要が無い。
【００６０】さらに、この図６に示したモジュールは，
図７に示すように、直列に接続されて、高圧の電圧を発
生する電池パックを構成する。モジュール内では、スイ
ッチＳ１１〜Ｓ６２が順次開閉動作を行っているので、
セル電圧は均一になっている。この電圧をそれぞれモジ
ュール内のスイッチＴ３およびスイッチＴ４を隣接する
モジュール間で同時にオンするようにする動作を繰り返
すことによって、モジュール内でセル電圧が均一になっ
た状況と同様の作用でモジュール間でのセル電圧も均一
になる。
【００６１】この場合、隣接する直列接続されたモジュ
ールの間で電圧の受け渡しを行うので、大きな電圧差は
生じることがなく，おのおののモジュール内の制御回路
の耐圧を大きく取る必要は無く、低耐圧の制御回路がそ
のまま使用できることになる。隣接するモジュール間で
の電圧の均質化をモジュール内で行った場合と同じよう
にモジュール間で順次行えば、最終的に電池パック全体
にわたりセル単位でのバランスの調整か行えることにな
る。
【００６２】この様な方式で調整を行えば、電池パック
の発生する高電圧に影響されずにセルのバランスを取る
ことができるので、耐圧の低い制御回路のみで電池パッ
ク内のセルバランス調整が可能となる。また、図７に示
すように、モジュール間で受け渡す電圧を別系列のモジ
ュール内のスイッチに比較して絶縁耐圧の高いスイッチ
Ｈｓ１〜Ｈｓ４により、電圧判定回路に電圧を受け渡せ
ばセル単位での電圧監視が低耐圧の電圧判定回路で実現
できることになる。
【００６３】電池パックの電圧は電気自動車やハイブリ
ッド自動車や燃料電池自動車での要求からは２４０Ｖ程
度が標準的に言われているから、この様な方法で低耐圧
の回路で判定が可能になることは全体の価格低減に非常
に大きな効果をもたらすことになる。この際の絶縁耐圧
の高いスイッチＨｓ１〜Ｈｓ４は電池パックの電圧に対
応できる耐圧が必要なことはいうまでも無いが、これは
通常のメカニカルリレー等の耐圧から考えると特に高耐
圧に属するものでないから、そのようなメカニカルリレ
ー等をこのスイッチに使用すれば、大きな価格への影響
は少なく全体システムとして安価な電池システムの供給
が実現されることになる。もちろん高耐圧の半導体スイ
ッチで構成しても良いことは言うまでもない。
【００６４】以上の説明では、直列にするモジュール内
や他の説明の図において、直列接続のセルの数を６個に
して説明しているが、この数は複数であればいかなるも
のであってもいいことは明白である。実際にはモジュー
ルを構成した範囲内で安価な集積回路が構成できる程度
の電圧に設定して、特別な高耐圧の回路を構成する必要
の無いようにしておくことが現実的であると考える。ま
た、電圧保持装置は、使用する基本となるセル（二次電
池用セル）と同じ構造のものを電圧保持用のセル（電池
セル）としてもよいし、空気二重層コンデンサのような
コンデンサであっても実現できる。また、スイッチは半
導体スイッチでも、機械的なスイッチでも実現できるこ
とは明白である。
【００６５】
【発明の効果】第１の効果は、セルと電圧保持装置の接
続を順次繰り返して実施することにより、非常に簡単な
制御回路により、セルバランスを調整することが可能に
なることである。この方法によれば、高精度な電圧判定
回路やスイッチ選定のアルゴリズムは必要でなく安価な
セルバランス調整回路が容易に実現できる。
【００６６】その理由は、順次繰り返して接続を行うこ
とにより、すべてのセルのばらつきは中心に収束するか
らであり、しかも、で案圧判定回路も耐圧が低い状態で
実現できるから、安価な集積回路を実現することができ
るため、さらに価格を引き下げることができるからであ
る。
【００６７】第２の効果は、バランス調整が取れた状態
では、セルと電圧保持回路の電圧は等しくなっているか
ら、連続でスイッチを動作させておいても、スイッチを
流れる電流は発生しないため、電力消費が極めて少ない
回路を実現できることである。また、この調整動作は、
充電状態でも、放電（負荷駆動）状態でおいても使用す
ることが可能であり、さらに無負荷状態のいずれの状態
でも動作を行うことができるため、常時動作をさせてお
くことも可能になり、常にバランスの取れた状態が継続
的に実現できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図２】第１の実施の形態におけるスイッチの開閉タイ
ミングを示す図である。
【図３】第１の実施の形態にセル電圧検出・判定回路を
追加した回路図である。
【図４】図３の回路におけるスイッチの開閉タイミング
を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態において、ロータリ
ースイッチを使用した場合を示す回路図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に使用するモジュー
ルを示す回路図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態の全体の回路を示す
ブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態によるバランス調子状況を
グラフにして示す図である。
【図９】従来技術のバランス調整方式を示す回路図であ
る。
【符号の説明】 ＣＥ１〜ＣＥ６ セル（電池セル） Ｓ１１〜Ｓ６２ スイッチ ＣＤ１ 電圧保持装置 ＳＣ１〜ＳＣ４ スイッチ ＲＳ１，ＲＳ２ ロータリースイッチ ａ１〜ｆ１，ａ２〜ｆ２ ロータリースイッチ接点部 Ｔ１〜Ｔ４ モジュールの外部接続端子 Ｃ１，Ｃ２ モジュールの制御信号入出力端子 Ｈｓ１〜Ｈｓ４ スイッチ ｖｃ１〜ｖｃ６ セルＣＥ１〜ＣＥ６のそれぞれの保
持電圧を示すグラフ中の表示記号 Ｓ１〜Ｓ６ スイッチ Ｒ１〜Ｒ６ 抵抗

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基本となるセルを複数直列接続した組電
    池において、直列接続された基本セルの接続部分からス
    イッチを介してセルと並列に接続される電圧保持装置を
    有し、直列接続されて隣接しているセルと前記電圧保持
    装置との間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替
    えを一方向に順次走査して行き、直列接続されてすべて
    のセルと前記電圧保持装置との間に順次並列接続を形成
    させ、制御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列
    接続の形成を完了した後に最初のセルに戻り同様の切り
    替え動作を繰り返し行うことを特徴とする二次電池用の
    セルバランス調整回路。
  2. 【請求項２】 基本となるセルを複数直列接続した組電
    池において、直列接続された基本セルの接続部分からス
    イッチを介してセルと並列に接続される電圧保持装置を
    有し、直列接続されて隣接しているセルと前記電圧保持
    装置との間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替
    えを一方向に順次走査して行き、直列接続されてすべて
    のセルと前記電圧保持装置との間に順次並列接続を形成
    させ、制御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列
    接続の形成を完了した後に最初のセルに戻り同様の切り
    替え動作を繰り返し行う信号を発生するスイッチ制御回
    路と有することを特徴とする二次電池用のセルバランス
    調整回路。
  3. 【請求項３】 前記電圧保持装置はコンデンサあるいは
    基本となるセルと同構造の二次電池用セルであり、また
    前記スイッチは半導体スイッチあるいはメカニカルリレ
    ーであることを特徴とする請求項１または請求項２記載
    のセルバランス調整回路。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のバランス調整回路におい
    て，電圧検出・判定装置を有し、前記電圧保持装置と前
    記電圧判定回路に接続するスイッチとを有し、セルとの
    並列接続を切り離し、次のセルとの接続を行う前に、前
    記電圧保持装置と前記電圧判定回路とを接続し、前記電
    圧保持装置の電圧を判定することにより、セル電圧の異
    常を検出することを特徴とするセル電圧異常検出回路。
  5. 【請求項５】 前記電圧保持装置はコンデンサあるいは
    基本となるセルと同構造の二次電池用セルであり、また
    前記スイッチは半導体スイッチあるいはメカニカルリレ
    ーであることを特徴とする請求項４記載のセル電圧異常
    検出回路。
  6. 【請求項６】 請求項４記載のセル電圧異常検出回路に
    おいて、セルと前記電圧保持装置の接続を行うスイッチ
    に比較して、前記電圧保持装置と前記電圧検出・判定装
    置との間の接続に使用するスイッチの耐圧が高いことを
    特徴とするセル電圧異常検出回路。
  7. 【請求項７】 基本となるセルを複数直列接続した組電
    池において、直列接続された基本セルの接続部分からス
    イッチを介してセルと並列に接続される電圧保持装置を
    有し、直列接続されて隣接しているセルと前記電圧保持
    装置との間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替
    えを一方向に順次走査して行き、直列接続されてすべて
    のセルと前記電圧保持装置との間に順次並列接続を形成
    させ、制御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列
    接続の形成を完了した後に最初のセルに戻り同様の切り
    替え動作を繰り返し行うことを特徴とするセルバランス
    調整方法。
  8. 【請求項８】 前記電圧保持装置はコンデンサあるいは
    基本となるセルと同構造の二次電池用セルであり、また
    前記スイッチは半導体スイッチあるいはメカニカルリレ
    ーであることを特徴とする請求項７記載のセルバランス
    調整方法。
  9. 【請求項９】 請求項１記載のバランス調整回路におい
    て、電圧検出・判定装置を有し、電圧保持装置と前記該
    電圧検出・判定回路に接続するスイッチとを有し、セル
    との並列接続を切り離し、次のセルとの接続を行う前
    に、前記電圧保持装置と前記電圧検出・判定回路とを接
    続し，前記電圧保持装置の電圧を判定することにより前
    記セルの電圧の異常を検出することを特徴とするセル電
    圧異常検出方法。
  10. 【請求項１０】 前記電圧保持装置はコンデンサあるい
    は基本となるセルと同構造の二次電池用セルであり、ま
    た前記スイッチは半導体スイッチあるいはメカニカルリ
    レーであることを特徴とする請求項９記載のセル電圧異
    常検出方法。
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