JP2009027839A - セルコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】電圧検出線が短絡しても安全性の高いセルコントローラを提供する。
【解決手段】セルコントローラ１０は、電圧検出線を介して電池群を構成する各単電池１の電圧を検出する単電池電圧検出部７と、容量調整用抵抗２とスイッチング素子６とスイッチング素子６のオンオフを制御するバイパス制御部８を有し単電池１の容量を調整する容量調整回路と、を備えている。検出線には抵抗２が直列に挿入されており、電圧検出部７は抵抗２を介して単電池１の電圧を検出するとともに、バイパス制御部８は容量調整時に調整対象の単電池１に対応するスイッチング素子６をオン状態として、調整対象の単電池１の正負極から導出された検出線のそれぞれに挿入された抵抗２が直列に接続され、かつ、該直列に接続された抵抗２が調整対象の単電池に並列接続されるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はセルコントローラに係り、特に、電池群を構成する各単電池の電圧を電圧検出線を介して検出する単電池電圧検出手段と、容量調整用の抵抗とスイッチング素子とスイッチング素子のオンオフを制御する制御部とを有し各単電池の容量を調整する容量調整手段とを備えたセルコントローラに関する。
に関する。

従来、電池群（組電池）の充電制御システムとして、電池群の＋端子と−端子に充放電用装置を接続して制御する充放電制御システムが用いられてきた。また、最近実用化されているリチウムイオン電池では、電池群を構成する各単電池の電圧を測定し、かつ、各単電池の容量調整を行う（セルバランスをとる）セルコントローラが用いられている。容量調整が必要な理由は、単電池間の充電状態が異なってくると、電池群として充放電可能な容量が少なくなり、かつ、寿命も短くなるためである。ニッケル水素電池であれば、電池群を構成する各単電池を過充電状態とすることでセルバランスをとることが可能であるが、非水系の有機溶媒を電解液としているリチウムイオン電池では、過充電状態とすることが電池の安全上で問題となるため、各単電池の電圧を測定する機能と、単電池間の充電状態を揃える容量調整機能が不可欠となる。

このような技術として、電池群を構成する各単電池の電圧を電圧検出線を介して検出する単電池電圧検出回路と、容量調整用の抵抗とスイッチング素子とスイッチング素子のオンオフを制御する制御部とを有し各単電池の容量を調整する容量調整回路とを備えたセルコントローラが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図２はその構成例を示したものである。この例は４直列の単電池の容量調整を行う方式で、単電池１に容量調整用抵抗２と集積回路５に内蔵されたＦＥＴ６を接続する構成となっている。また、単電池１の電圧は抵抗３、コンデンサ４のＲＣフィルタを経由して単電池電圧検出部７の入力となっている。このＲＣフィルタはノイズ対策用のもので、特に、エンジンのスパークノイズ、インバータノイズが多くなるハイブリッド車等では必要不可欠なものであり、場合によってはさらに特性の良好なＬＣフィルタが用いられる場合もある。バイパス制御部８はＦＥＴ６のオンオフを制御して各単電池１の容量調整を行う。なお、容量調整は、図示しない上位のコントローラが集積回路の単電池電圧データを受けとって、集積回路５に制御指令を出すことで行われる。

特開２００５−３４８４５７号公報

ところが、従来のセルコントローラでは、電圧検出線同士が短絡した場合、大電流が流れ、発熱、発煙、発火等を招くおそれがある。この解決策としては、電圧検出線の単電池側にヒューズを挿入する方法があるが、全ての電圧検出線にヒューズを入れる必要があるためコスト高となってしまう、という欠点を有していた。また、特許文献１の技術では、単電池電圧検出回路および容量調整用抵抗を除く容量調整回路の構成素子を集積回路に集積し小型化が図られているが、集積回路の端子数が多という課題を有していた。集積回路の端子数が多いと、そのパッケージも大きくなるため、コスト高となってしまう。

本発明は上記事案に鑑み、コストを上げることなく電圧検出線が短絡しても安全性の高いセルコントローラを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電池群を構成する各単電池の電圧を電圧検出線を介して検出する単電池電圧検出手段と、容量調整用の抵抗とスイッチング素子と前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部とを有し前記各単電池の容量を調整する容量調整手段とを備えたセルコントローラにおいて、前記電圧検出線には前記抵抗が直列に挿入されており、前記単電池電圧検出手段は前記抵抗を介して前記各単電池の電圧を検出するとともに、前記制御部は容量調整時に調整対象の単電池に対応する前記スイッチング素子をオン状態として、前記調整対象の単電池の正負極から導出された前記電圧検出線のそれぞれに挿入された抵抗が直列に接続され、かつ、該直列に接続された抵抗が前記調整対象の単電池に並列接続されるように制御することを特徴とする。

本発明では、電圧検出線に容量調整用抵抗が直列に挿入されており、各単電池の正負極が電圧検出線を経由して単電池電圧検出手段やスイッチング素子等の制御回路に接続されるので、電圧検出線同士が短絡しても流れる電流が制限され、セルコントローラの安全性を高めることができるとともに、本来各単電池の容量調整に用いられる抵抗を安全対策用にも使用したので、コスト上昇を防止することができる。特に、単電池電圧検出手段、並びに、容量調整手段のうちスイッチング素子および制御部を集積回路内に収容するような態様では、単電池電圧検出手段に接続するための電圧検出端子と、スイッチング素子、例えばＦＥＴのドレイン、ソース等の容量調整用抵抗への通電端子とを共用として端子数を減らし集積回路のコストを低減させることができる。

本発明において、単電池電圧検出手段による単電池電圧検出時に、制御部が、電圧検出対象の単電池と該電圧検出対象の単電池の上位および下位の単電池に対応するスイッチング素子をオフ状態に制御するようにすれば、単電池電圧検出時にバイパス電流は流れないため、容量調整用抵抗による電圧降下がなく、単電池電圧を正確に測定できる。また、制御部が、一定時間毎に、電圧検出対象の単電池を切り替えるように制御するようにすれば、例えば、発振回路等の簡単な回路で、単電池電圧検出時のみ容量調整用抵抗によるバイパス放電を停止して単電池電圧を検出する動作を実現することができる。さらに、制御部が、電池群を構成する各単電池の上位、下位間で隣り合う単電池の容量調整を同時に行わないように制御するようにすれば、バイパス電流の通電を正常に行うことができる。すなわち、仮に、隣り合う単電池のバイパス放電を同時に行なうと、共有する電圧検出線に接続された容量調整用抵抗に電流が流れないため、電圧降下が発生せず想定より大きなバイパス電流が通電されてしまい、単電池の容量調整動作が正常に機能しなくなる。このとき、制御を簡単にするために、制御部は、一定時間毎に、容量調整対象の単電池が、上位または下位側から奇数番目の単電池と偶数番目の単電池とに切り替わるように制御するようにしてもよい。また、上述したように、単電池電圧検出手段、並びに、容量調整手段のうちスイッチング素子および制御部を集積回路内に収容することが望ましい。この態様では、抵抗の全部または一部を、電池群を構成する単電池の近傍に配置することがより好ましい。

本発明によれば、電圧検出線に容量調整用抵抗が直列に挿入されており、各単電池の正負極が電圧検出線を経由して単電池電圧検出回路やスイッチング素子等の制御回路に接続されるので、電圧検出線同士が短絡しても流れる電流が制限され、セルコントローラの安全性を高めることができるとともに、本来各単電池の容量調整に用いられる抵抗を安全対策に使用したので、コスト上昇を防止することができる、という効果を得ることができる。

次に、図面を参照して、本発明に係るセルコントローラの実施の形態について説明する。

（構成）
図１に示すように、本実施形態のセルコントローラ１０は、電池群を構成する各単電池１−１、１−２、１−３、１−４の電圧を電圧検出線を介して検出する単電池電圧検出部７と、容量調整用抵抗２−１、２−２、２−３、２−４、２−５、容量調整用抵抗２へのバイパス電流を通電するＦＥＴ６−１、６−２、６−３、６−４およびＦＥＴ６のオン、オフを制御するバイパス制御部８を有し各単電池１の容量を調整する容量調整回路とを備えている。

単電池電圧検出部７、並びに、バイパス制御部８およびＦＥＴ６（容量調整用抵抗２を除く容量調整回路）は、集積回路５内に収容されている。集積回路５はセルコントローラ１０の主体となる制御基板９に実装されている。

本実施形態では、電池群に４直列に接続された単電池１が用いられており、単電池１の最上位および最下位から導出された電圧検出線が制御基板９に実装された集積回路５の端子に接続されており、集積回路５の動作電源となるが、集積回路５の作動電源は電池群以外の外部（例えば、セルコントローラを制御する上位のコントローラ側）から供給されるものでもよい。

容量調整用抵抗２は電圧検出線に直列に挿入されている。すなわち、単電池１の正負極から導出された電圧検出線はそれぞれ容量調整用抵抗２を介して集積回路５の端子に接続されており、集積回路５の内部では、端子から、単電池電圧検出部７に接続されているとともに、ＦＥＴ６のドレイン（容量調整用抵抗２を介して正極から導出された電圧検出線）またはソース（容量調整用抵抗２を介して負極から導出された電圧検出線）に接続されている。ＦＥＴ６のゲートはバイパス制御部８に接続されており、バイパス制御部８によってＦＥＴ６はオン、オフが制御される。

容量調整用抵抗２が接続された端子間には並列にコンデンサ４−１、４−２、４−３、４−４が接続されており、コンデンサ４は容量調整用抵抗２とともに単電池電圧検出部７に対するＲＣフィルタを形成している。また、従来のセルコントローラでは単電池電圧検出部へのノイズ削減のためにＲＣフィルタが挿入されていたが（図２参照）、本実施形態においても、容量調整用抵抗２がＲＣフィルタのＲを兼ねているため、適切なＣの容量を選定すれば従来と同様な周波数特性が得られる。さらに、本実施形態では、容量調整用抵抗２−１、２−５は制御基板９に実装されており、容量調整用抵抗２−２、２−３、２−４は単電池１の近傍に配置され制御基板９に接続されている。

（動作）
次に、本実施形態のセルコントローラ１０の動作について説明する。なお、制御主体は、集積回路５内に実装された図示しないＣＰＵであってもよいし、上位のコントローラが制御してもよい。

まず、単電池電圧検出部７による単電池電圧検出時には、バイパス制御部８は、電圧検出対象の単電池１と、該電圧検出対象の単電池１の上位および下位の単電池に対応するＦＥＴ６をオフ状態に制御する。これは、容量調整用抵抗２に流れるバイパス電流をオフとして、単電池電圧検出部７がバイパス電流による電圧降下がない状態で正確に電圧を検出するためである。この動作を単電池１−１、１−２、１−３、１−４と一定時間毎に順番に繰り返すことによって、定期的にバイパス電流をオフとした状態での正確な単電池電圧の検出が可能となる。

また、電圧検出は適当な時間間隔で実施できればよいため、電圧検出を行ってない時間に各単電池１の容量調整を行うことで、セルバランス動作を実施することができる。バイパス制御部８は容量調整時に容量調整対象の単電池１に対応するＦＥＴ６をオン状態として、調整対象の単電池１の正負極から導出された電圧検出線のそれぞれに挿入された容量調整用抵抗２が直列に接続され、かつ、該直列に接続された容量調整用抵抗が容量調整対象の単電池１に並列接続されるように制御する。

図３に、この場合の各部の動作シーケンスを示す。図３の中でバイパス制御と記載された時間でＦＥＴ６をオン状態（容量調整が必要ない場合はオフ状態に維持）とする制御を行えば、電圧検出動作を行いながら各単電池１の容量調整動作を行なうことができる。

各単電池１の上位、下位間で隣り合う単電池の容量調整を同時に行わないように制御するためには、制御側で隣り合う単電池１のバイパスを同時にオンしないように制御すればよい。あるいは、容量調整対象の単電池を一定時間毎に上位または下位側から奇数番目と偶数番目の単電池に切り替えるように制御してもよい。図４に、この場合の各部の動作シーケンスを示す。この例では、全単電池１の電圧検出動作毎に、バイパス制御対象を奇数番目と偶数番目の単電池に切り替えて制御している。

（効果等）
次に、本実施形態のセルコントローラ１０の効果等について説明する。

本実施形態のセルコントローラ１０では、電圧検出線に容量調整用抵抗２が直列に挿入されており、各単電池１の正負極が電圧検出線を経由して集積回路５に接続されているので、電圧検出線同士が短絡しても流れる電流が制限され、セルコントローラ１０の安全性を高めることができるとともに、本来各単電池１の容量調整に用いられる抵抗を安全対策用にも使用したので、コスト上昇を防止することができる。

また、本実施形態のセルコントローラ１０では、制御基板９の外部の単電池１の近傍に容量調整用抵抗２−２、２−３、２−４が配置されている。このため、電圧検出線間の短絡が起きた場合でも抵抗で電流が制限され、発煙・発火等の状態に至ることを防止することができる。さらに、単電池１に対する容量調整を２つの容量調整用抵抗で行うようにしたので、各容量調整用抵抗２の発熱を抑えることができる。また、図１と図２とを比較すると明らかなように、容量調整用抵抗２を含めた抵抗の数を少なくすることができる。

また、単電池電圧検出部７、並びに、バイパス制御部８およびＦＥＴ６を集積回路５に収容したので、単電池電圧検出回路に接続するための端子と、ＦＥＴ６のドレイン、ソース等の容量調整用抵抗２への通電端子とを共用として端子数を減らし集積回路のコストを低減させることができる。図２の従来例では端子数が９個であったのに対し、本実施形態では図１に示すように７個とすることができる。

なお、本実施形態では、容量調整用抵抗２−１、２−５を制御基板９に実装した例を示したが、本発明はこれに限らず、容量調整用抵抗２−１、２−５を、容量調整用抵抗２−２、２−３、２−４と同様に、制御基板９の外部の単電池１の近傍に配置するようにしてもよい。

本発明はコストを上げることなく電圧検出線が短絡しても安全性の高いセルコントローラを提供するものであるため、セルコントローラの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な実施形態のセルコントローラのブロック回路図である。 従来のセルコントローラのブロック回路図である。 実施形態のセルコントローラの動作シーケンスを示すタイミングチャートである。 実施形態のセルコントローラの別の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 単電池
２ 容量調整用抵抗
５ 集積回路
６ ＦＥＴ（スイッチング素子）
７ 単電池電圧検出部（単電池電圧検出手段）
８ バイパス制御部（制御部）
１０ セルコントローラ

Claims (7)

1. 電池群を構成する各単電池の電圧を電圧検出線を介して検出する単電池電圧検出手段と、容量調整用の抵抗とスイッチング素子と前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御部とを有し前記各単電池の容量を調整する容量調整手段とを備えたセルコントローラにおいて、前記電圧検出線には前記抵抗が直列に挿入されており、前記単電池電圧検出手段は前記抵抗を介して前記各単電池の電圧を検出するとともに、前記制御部は容量調整時に調整対象の単電池に対応する前記スイッチング素子をオン状態として、前記調整対象の単電池の正負極から導出された前記電圧検出線のそれぞれに挿入された抵抗が直列に接続され、かつ、該直列に接続された抵抗が前記調整対象の単電池に並列接続されるように制御することを特徴とするセルコントローラ。
2. 前記単電池電圧検出手段による単電池電圧検出時に、前記制御部は、電圧検出対象の単電池と該電圧検出対象の単電池の上位および下位の単電池に対応するスイッチング素子をオフ状態に制御することを特徴とする請求項１に記載のセルコントローラ。
3. 前記制御部は、一定時間毎に、前記電圧検出対象の単電池を切り替えるように制御することを特徴とする請求項２に記載のセルコントローラ。
4. 前記制御部は、前記電池群を構成する各単電池の上位、下位間で隣り合う単電池の容量調整を同時に行わないように制御することを特徴とする請求項３に記載のセルコントローラ。
5. 前記制御部は、一定時間毎に、前記調整対象の単電池が、上位または下位側から奇数番目の単電池と偶数番目の単電池とに切り替わるように制御することを特徴とする請求項４に記載のセルコントローラ。
6. 前記単電池電圧検出手段、並びに、前記容量調整手段のうち前記スイッチング素子および前記制御部を集積回路内に収容したことを特徴とする請求項５に記載のセルコントローラ。
7. 前記抵抗の全部または一部を、前記電池群を構成する単電池の近傍に配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセルコントローラ。

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