JP2007300701A

JP2007300701A - 車両用の電源装置

Info

Publication number: JP2007300701A
Application number: JP2006124219A
Authority: JP
Inventors: Junya Yano; 準也矢野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】電圧検出回路の入力側における電源マイナス側に対する電圧を低くしながら、全ての電池のアンバランスを効果的に解消する。
【解決手段】車両用の電源装置は、複数の電池１１を直列に接続してなる直列電池群１２の各電池１１のアンバランスを解消する均等化回路２０を有する複数の電源ブロック１０を備え、各々の電源ブロック１０の電池１１のアンバランスを均等化回路２０で解消する。電源装置は、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２と並列に接続しているブロック放電回路３１と、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２の電圧を検出してブロック放電回路３１を制御するブロック制御回路３４を備える。ブロック制御回路３４は、電圧の高い直列電池群１２に接続しているブロック放電回路３１で直列電池群１２を放電するように制御して、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２の電圧を均等化する。
【選択図】図３

Description

本発明は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている車両用の電源装置に関する。

車両用の電源装置は、出力を大きくするために、多数の電池を直列に接続して電圧を高くしている。この電源装置は、直列に接続している電池を同じ充電電流で充電し、また同じ電流で放電する。したがって、全ての電池の電気特性が全く同じであれば、電池電圧や残容量にアンバランスは発生しない。しかしながら、現実には、全く同じ電気特性の電池は製造できない。電池の電気特性のアンバランスは、充放電を繰り返すときに、電圧のアンバランスとなる。さらに、電池電圧のアンバランスは、特定の電池を過充電し、あるいは過放電させる原因となる。この弊害を防止するために、各々の電池の電圧を検出しながら、充放電をコントロールする電源装置が開発されている。（特許文献１参照）

この電源装置は、各々の電池の過充電と過放電を防止しながら、言い換えると、電池を保護しながら充放電するために、各々の電池の電圧を電圧検出回路で検出する。この電源装置は、電圧検出回路で検出した電圧で、電池の充放電を制御する。電池電圧が高くなると過充電する傾向が強くなり、反対に電池電圧が低くなると過放電する傾向が強くなるからである。図１は、特許文献に記載される電源装置の回路図を示している。この回路図の電源装置は、直列に接続している電池８１の接続点８４の電圧を検出し、接続点８４の電圧から各々の電池電圧を検出している。接続点８４の電圧は、電池８１の直列個数に比例して高くなる。測定点８４の電圧を低下するために、電圧分圧抵抗８３を介して、測定点８４を電圧検出回路８２の入力側のアンプ（図示せず）に入力している。入力側のアンプは、最大測定電圧に制限を受ける。接続点８４の電圧をアンプの最大測定電圧より低くするために、電圧分圧抵抗８３を接続している。ただ、電圧分圧抵抗８３は、電池８１にアンバランスな放電電流を流す原因となる。図１において、下段に接続される電池８１は、上段に接続される電池８１に比較して、電圧分圧抵抗８３による放電電流が大きくなる。このため、時間が経過するにしたがって、上段と下段の電池８１の電圧がアンバランスになる。このため、電圧分圧抵抗８３による電池のアンバランスを解消するための回路を必要とする。

各々の電池のアンバランスな放電は、図２に示す電圧検出回路９２によって解消できる。この電源装置は、電圧分圧抵抗を必要としない。電圧検出回路９２の入力側に接続している差動アンプ９３に、各々の電池９１の両端の電圧を切り変えて入力するからである。この電圧検出回路９２は、差動アンプ９３の入力端子９４間の電圧を電池電圧とする。したがって、電池９１の電圧を直接に入力端子９４に入力できる。ただ、差動アンプ９３の入力端子９４に入力される電源マイナス側に対する電圧は、電池９１の直列個数に比例して高くなる。たとえば、図２において最も上段に接続している電池９１の電圧を検出する差動アンプ９３は、入力端子９４の電源マイナス側に対する電圧が、電池９１の個数と電池電圧の積となって最も高くなる。入力側に接続している差動アンプ９３は、一対の入力端子９４間の電圧が電池電圧となっても、電源マイナス側に対する相対電圧の大きさに制限を受ける。入力端子９４の電源マイナス側に対する最大電圧は、直列に接続する電池９１の個数に比例して高くなる。したがって、この回路構成の電源装置は、多数の電池９１を直列に接続する場合、図２に示すように、全ての電池９１を複数の電源ブロック９５に分離し、各々の電源ブロック９５の電池電圧を専用の電圧検出回路９２で測定して、差動アンプ９３の入力端子９４に入力される電源マイナス側に対する電圧を低くしている。

図２に示す電圧検出回路９２は、電圧分圧抵抗を必要としないので、電圧分圧抵抗に起因する電池のアンバランスな放電を解消できる。さらに、図２の電源装置は、各々の電池９１のアンバランスを解消するために、各々の電池９１の均等化回路９６を接続している。均等化回路９６は、放電抵抗９７とスイッチング素子９８の直列接続回路である。この均等化回路９６は、スイッチング素子９８をオンに切り変えて、放電抵抗９７で電圧の高い電池を放電する。スイッチング素子９８は電圧検出回路９２で制御される。電圧検出回路９２は、各々の電池電圧を検出して、電圧の高い電池を放電して電池９１のアンバランスを解消する。

この電源装置は、均等化回路９６で電圧の高い電池９１を放電してアンバランスを解消する。この電源装置は、電源ブロック９５に含まれる電池９１のアンバランスを解消できても、各々の電源ブロック９５間の電池９１のアンバランスを解消できない。このため、図に示すように、全ての電池を２組の電源ブロック９５に分割する電源装置にあっては、第１の電源ブロック９５Ａと第２の電源ブロック９５Ｂの電池９１のアンバランスを解消できない欠点がある。
特開２００２−３４３４４５号公報

本発明は、さらにこの欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、全ての電池を複数の電源ブロックに分割することで、電圧検出回路の入力側における電源マイナス側に対する電圧を低くしながら、全ての電池のアンバランスを効果的に解消できる車両用の電源装置を提供することにある。

本発明の車両用の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
車両用の電源装置は、複数の電池１１を直列に接続して直列電池群１２とすると共に、この直列電池群１２を構成する電池１１のアンバランスを解消する均等化回路２０を有する複数の電源ブロック１０を備え、各々の電源ブロック１０の電池１１のアンバランスを均等化回路２０で解消する。電源装置は、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２と並列に接続しているブロック放電回路３１と、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２の電圧を検出してブロック放電回路３１を制御するブロック制御回路３４、５４を備えている。ブロック制御回路３４、５４は、電圧の高い直列電池群１２に接続しているブロック放電回路３１で直列電池群１２を放電するように制御して、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２の電圧を均等化する。

本発明の車両用の電源装置は、ブロック放電回路３１を、放電抵抗２２とスイッチング素子２３の直列接続回路２１とすることができる。このブロック制御回路３４、５４は、スイッチング素子２３をオンオフに制御して、直列電池群１２の電圧を均等化することができる。さらに、本発明の車両用の電源装置は、電池１１をリチウムイオン二次電池とすることができる。

さらに、本発明の車両用の電源装置は、均等化回路２０が、放電抵抗２２とスイッチング素子２３の直列接続回路２１と、各々の電池１１のセル電圧を検出するセル電圧検出回路２５と、このセル電圧検出回路２５で検出されるセル電圧でスイッチング素子２３をオンオフに制御するセル制御回路２４、４４とを備えることができる。

本発明の電源装置は、全ての電池を複数の電源ブロックに分割して、各々の電源ブロックの電圧を電圧検出回路で検出する。したがって、電圧検出回路は１組の電源ブロックの電池電圧のみを検出する。１組の電源ブロックは、電源装置全体に比較して、直列に接続している電池の個数が少ない。このため、電圧検出回路の入力側が電源マイナス側に対して高電圧となることがない。入力側の電源マイナス側に対する電圧が、電池を直列に接続している個数に比例して大きくなるからである。

さらに、本発明の電源装置は、電圧検出回路の入力側の電源マイナス側に対する電圧を低くするにも関わらず、全ての電池のアンバランスを確実に解消できる特徴がある。それは、各々の電源ブロックに含まれる電池のアンバランスを均等化回路で解消することに加えて、各々の電源ブロックの直列電池群にブロック放電回路を並列に接続し、さらに各々の電源ブロックの直列電池群の電圧差を検出してブロック放電回路を制御するブロック制御回路を設け、このブロック制御回路で直列電池群の電圧差を検出し、高電圧の直列電池群に接続しているブロック放電回路が直列電池群を放電するように制御して、各々の電源ブロックの直列電池群の電圧差を均等化するからである。とくに、本発明の電源装置は、ブロック制御回路でもって、直列電池群と並列に接続しているブロック放電回路を制御するので、個々の電池のアンバランスが解消された直列電池群は、ブロック放電回路で均等にバランスされる。このため、本発明の車両用の電源装置は、全ての電池のアンバランスを解消して充放電でき、電池のアンバランスによって特定の電池が劣化するのを有効に防止できる特徴がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図３と図４に示す車両用の電源装置は、複数の電池１１を直列に接続して直列電池群１２とし、この直列電池群１２を構成する電池１１の電圧を均等化する均等化回路２０を有する複数の電源ブロック１０を備える。複数の電源ブロック１０（図において２組の電源ブロック）は、直列電池群１２を直列に接続している。各々の電源ブロック１０は、電池１１のアンバランスを解消するために、均等化回路２０を備える。

均等化回路２０は、電池１１のセル電圧を均等化してアンバランスを解消する。直列に接続している電池１１は、リチウムイオン二次電池である。ただし、電池は、ニッケル−水素電池やニッケルカドミウム電池も使用できる。均等化回路２０は、ひとつの電池１１の電圧をセル電圧として検出して、各々の電池１１のセル電圧のアンバランスを解消するのを理想とする。ただし、本発明の電源装置は、複数の電池を直列に接続して電池モジュールとし、電池モジュールの電圧をセル電圧として、電池モジュールの電圧のアンバランスを解消することもできる。電池１１をリチウムイオン二次電池とする電源装置は、セル電圧をひとつの電池電圧とする。電池をニッケル−水素電池やニッケルカドミウム電池とする電源装置は、複数の電池を直列に接続している電池モジュールの電圧をセル電圧として、電池モジュールの電圧のアンバランスを解消する。

図の均等化回路２０は、電圧が高い電池１１を放電抵抗２２で放電して、アンバランスを解消する。ただし、本発明は、均等化回路を、放電抵抗で電池を放電する回路には特定しない。たとえば、均等化回路は、電圧の高い電池をコンデンサや電池等の蓄電器に放電して蓄電器に蓄電し、この蓄電器の電荷を電圧の低い電池に放電して、電池の電圧差を解消することもできる。

図３と図４の均等化回路２０は、放電抵抗２２とスイッチング素子２３の直列接続回路２１と、各々のセル電圧を検出するセル電圧検出回路２５と、このセル電圧検出回路２５で検出されるセル電圧でスイッチング素子２３をオンオフに制御するセル制御回路２４、４４とを備える。放電抵抗２２とスイッチング素子２３の直列接続回路２１は、電源ブロック１０の各々の電池１１と並列に接続している。この均等化回路２０は、電池１１のセル電圧が高くなるときに、セル制御回路２４、４４でスイッチング素子２３をオンに切り変えて、放電抵抗２２で電池１１を放電させて電池１１の電圧を低下させる。

セル電圧検出回路２５は、各々の電池１１のセル電圧を検出する差動アンプ２７を有する。差動アンプ２７は、電源ブロック１０の直列電池群１２から電力を供給される。直列電池群１２の電圧は、たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）で降圧して、差動アンプ２７に供給することができる。この回路構成によると、直列電池群１２の電圧が高くても、差動アンプ２７に最適電圧として供給できる。ただ、差動アンプの電源は、車載用バッテリから供給することもできる。図のセル電圧検出回路２５は、各々の電池１１のセル電圧を検出するために、各々の電池１１に差動アンプ２７の入力端子２８を接続している。ただし、差動アンプの入力側に、接続する電池を切り変える切変回路（図示せず）を設けて、ひとつの差動アンプで複数のセル電圧を検出することもできる。差動アンプ２７の出力信号は、マルチプレクサ２９を介してセル制御回路２４、４４に入力される。マルチプレクサ２９は、差動アンプ２７の出力を順番に切り変えて、セル制御回路２４、４４に入力する。

セル制御回路２４、４４は、マルチプレクサ２９から入力される各々の電池１１のセル電圧を比較して、全ての電池１１のセル電圧を均等化するようにスイッチング素子２３を制御する。このセル制御回路２４、４４は、高すぎる電池１１に接続している直列接続回路２１のスイッチング素子２３をオンに切り変えて放電させる。電池１１は放電するにしたがって電圧が低下する。スイッチング素子２３は、電池１１の電圧が他の電池１１とバランスするまで低下すると、オンからオフに切り変えられる。スイッチング素子２３がオフになると、電池１１の放電は停止される。このように、セル制御回路２４、４４は、高いセル電圧の電池１１を放電して、全ての電池１１のセル電圧をバランスさせる。

図３と図４の電源装置は、２組の電源ブロック１０を備えるので、各々の電源ブロック１０は、均等化回路２０で電池１１の電圧をバランスさせる。各々の電源ブロック１０に含まれる電池１１のアンバランスは均等化回路２０で解消されるが、第１の電源ブロック１０Ａの電池１１と第２の電源ブロック１０Ｂの電池１１は、アンバランスが解消されない。

図の電源装置は、第１の電源ブロック１０Ａの電池１１と第２の電源ブロック１０Ｂの電池１１のアンバランスを解消するために、ブロック制御回路３４、５４と、ブロック放電回路３１とを備える。ブロック制御回路３４、５４は、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２の電圧差を検出してブロック放電回路３１を制御する。ブロック放電回路３１は、各々の電源ブロック１０の直列電池群１２と並列に接続されて、電圧の高い直列電池群１２を放電して電圧を低下させる。

ブロック放電回路３１は、ブロック放電抵抗３２とブロックスイッチング素子３３の直列接続回路である。このブロック放電回路３１は、ブロックスイッチング素子３３をオンに制御する状態で、直列電池群１２を放電する。直列電池群１２の放電電流はブロック放電抵抗３２の電気抵抗で特定される。この電気抵抗を小さくして直列電池群１２の放電電流を大きく、反対に電気抵抗を大きくして放電電流を小さくできる。図３と図４に示す電源装置は、均等化回路２０の放電抵抗２２とは別に、直列電池群１２を放電するブロック放電抵抗３２を直列電池群１２と並列に接続しているので、直列電池群１２の電圧を均等化するための放電電流と、電源ブロック１０の各々の電池電圧を均等化するための放電電流を最適電流にできる。たとえば、各々の電池１１のアンバランスを解消するための放電電流に比較して、各々の直列電池群１２のアンバランスを解消する放電電流を小さくして、ブロック放電抵抗３２の過熱を防止できる。ブロック放電抵抗３２は両端の供給電圧が大きいので、電池１１のアンバランスを解消するのと同じ電流で放電させると、ジュール熱による発熱が大きくなる。ジュール熱による発熱が、電流と電圧の積に比例するからである。直列電池群１２のアンバランスを解消する放電電流を小さくして、発熱量を少なくし、ブロック放電抵抗３２の過熱を防止できる。

ブロックスイッチング素子３３は、ＦＥＴやトランジスタ等の半導体スイッチング素子である。ただ、リレーなどのスイッチも使用できる。

ブロック制御回路３４、５４は、直列電池群１２のブロック電圧を検出するブロック電圧検出部３５、５５と、このブロック電圧検出部３５、５５で検出された直列電池群１２の電圧で、ブロックスイッチング素子３３をオンオフに制御するブロック制御部３６、５６とを備える。ブロック制御回路３４、５４は、車載用バッテリ４０から、１２Ｖ又は２４Ｖの電源を供給して動作させている。

図３の電源装置は、均等化回路２０のセル電圧検出回路２５をブロック電圧検出部３５に併用する。この電源装置は、直列電池群１２の正負両端を差動アンプ２７の入力端子２８に接続している。差動アンプ２７の出力は、マルチプレクサ２９に接続している。マルチプレクサ２９の出力は、セル制御回路２４に入力される。セル制御回路２４は、マルチプレクサ２９と差動アンプ２７を介して直列電池群１２の電圧を検出する。図３の電源装置は、均等化回路２０のセル電圧検出回路２５が検出する各々の電池電圧を加算して、直列電池群１２のブロック電圧を検出することができる。このブロック電圧検出部３５は、セル電圧検出回路２５で検出される各々の電池１１の電圧を加算する加算回路３９を、セル制御回路２４に備えている。

図４の電源装置は、直列電池群１２のブロック電圧を検出するブロック電圧検出部５５を、均等化回路２０のセル電圧検出回路２５と別に設けている。

図３と図４の電源装置は、図５に示す以下のステップで全ての電池１１の電圧のアンバランスを解消する。
［ｎ＝１のステップ］
このステップで、各々の電源ブロック１０のセル電圧を検出すると共に、直列電池群１２のブロック電圧も検出する。
［ｎ＝２、３のステップ］
このステップで、均等化回路２０は、セル電圧の高い電池１１を放電して、電池１１のセル電圧のアンバランスを解消して、セル電圧を均等化する。
［ｎ＝４、５のステップ］
このステップで、ブロック制御回路３４、５４がブロック放電回路３１を制御して、電源ブロック１０の直列電池群１２の電圧差を均等化する。

従来の車両用の電源装置の一例を示す回路図である。従来の車両用の電源装置の他の一例を示す回路図である。本発明の一実施例にかかる車両用の電源装置の回路図である。本発明の他の実施例にかかる車両用の電源装置の回路図である。本発明の車両用の電源装置が電池電圧のアンバランスを解消するフローチャートである。

符号の説明

１０…電源ブロック１０Ａ…第１の電源ブロック
１０Ｂ…第２の電源ブロック
１１…電池
１２…直列電池群
２０…均等化回路
２１…直列接続回路
２２…放電抵抗
２３…スイッチング素子
２４…セル制御回路
２５…セル電圧検出回路
２７…差動アンプ
２８…入力端子
２９…マルチプレクサ
３１…ブロック放電回路
３２…放電抵抗
３３…スイッチング素子
３４…ブロック制御回路
３５…ブロック電圧検出部
３６…ブロック制御部
３９…加算回路
４０…車載用バッテリ
４４…セル制御回路
５４…ブロック制御回路
５５…ブロック電圧検出部
５６…ブロック制御部
８１…電池
８２…電圧検出回路
８３…電圧分圧回路
８４…接続点
９１…電池
９２…電圧検出回路
９３…差動アンプ
９４…入力端子
９５…電源ブロック９５Ａ…第１の電源ブロック
９５Ｂ…第２の電源ブロック
９６…均等化回路
９７…放電抵抗
９８…スイッチング素子

Claims

複数の電池(11)を直列に接続して直列電池群(12)とし、この直列電池群(12)を構成する電池(11)のアンバランスを解消する均等化回路(20)を有する複数の電源ブロック(10)を備え、各々の電源ブロック(10)は、均等化回路(20)で電池(11)のアンバランスを解消するようにしてなる車両用の電源装置であって、
各々の電源ブロック(10)の直列電池群(12)と並列に接続しているブロック放電回路(31)と、各々の電源ブロック(10)の直列電池群(12)の電圧を検出してブロック放電回路(31)を制御するブロック制御回路(34)、(54)を備えており、
ブロック制御回路(34)、(54)が、電圧の高い直列電池群(12)に接続しているブロック放電回路(31)で直列電池群(12)を放電するように制御して、各々の電源ブロック(10)の直列電池群(12)の電圧を均等化するようにしてなる車両用の電源装置。
ブロック放電回路(31)が放電抵抗(32)とスイッチング素子(33)の直列接続回路で、ブロック制御回路(34)、(54)がスイッチング素子(33)をオンオフに制御して、直列電池群(12)の電圧を均等化する請求項１に記載される車両用の電源装置。
電池(11)がリチウムイオン二次電池である請求項１に記載される車両用の電源装置。
均等化回路(20)が放電抵抗(22)とスイッチング素子(23)の直列接続回路(21)と、各々の電池(11)のセル電圧を検出するセル電圧検出回路(25)と、このセル電圧検出回路(25)で検出されるセル電圧でスイッチング素子(23)をオンオフに制御するセル制御回路(24)、(44)とを備える請求項１に記載される車両用の電源装置。