JP2010281805A

JP2010281805A - 電池電圧検出回路

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Publication number: JP2010281805A
Application number: JP2009149149A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Uzuka; 光男宇塚; Takeyoshi Watanabe; 健芳渡辺
Original assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Current assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】リチウムイオンなどの電池セルを組電池として使用する場合、各電池セルの端子電圧を監視する必要がある。電圧検出回路として、汎用の半導体素子およびＩＣを使用することが可能で、高精度の抵抗の使用数を最低限とした回路を提供する。
【解決手段】組電池１の正または負極の基準電位に置いた１個の可変定電流電源２の出力電流を、電流切換器３により各電池セル電位に切換供給し、各電池セルＢ１〜Ｂｎごとに前記出力電流を抵抗Ｒ４−２〜Ｒ４−ｎにより変換した電圧と、各電池セルの端子電圧との大小比較を行い、その結果を前記基準電位において検知する。また、大小比較結果を監視しながら、前記出力電流を変化させ、前記比較結果の大小が反転した時点の出力電流から該電池セルの端子電圧を検知する。汎用ＩＣであるＯＰアンプおよびコンパレータを使用し、高精度の抵抗の使用数を最低限とした回路構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルをたがいに直列に接続した組電池において、各電池セル電圧を検出、監視し、組電池の充放電管理などに利用する技術に関する。

従来より、特許文献１に記載されているような、各電池セルごとに差動増幅器を備える検出回路が知られている。

特開２００３−３４６９１６号広報

上記の特許文献１に記載されている検出回路は、電源耐電圧の高い差動増幅回路が必要である場合には、汎用のＩＣＯＰアンプを使うことができないことや、多数の高精度の抵抗が必要であり、コスト高や収容するリチウムイオンなどの電池パックが大型化するなどの問題があった。

また、前記差動増幅回路の電圧利得を小さく設計し、該差動増幅回路の各端子に印加される電圧を下げ、耐電圧の低い汎用のＩＣＯＰアンプが使用できるようにすると、検出すべき電池セル端子電圧も同じ利得で減少し、検出精度が低下してしまうという問題もあった。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、組電池を構成する、たがいに直列に接続された複数の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電池電圧検出回路において、前記各電池セルは一つまたは複数の最小単位電池セルからなるものとし、前記組電池の正または負極端子から、前記電池セルの正または負極端子へ流す出力電流値を任意に変化させることのできる可変定電流源と、前記可変定電流源出力と複数の検出対象電池セルの間にあって、前記複数の検出対象電池セルのいずれか一つを選択し、選択された電池セルのみに前記可変定電流源出力電流を流すことのできる電流切換器と、前記電流切換器からの電流を電圧に変換する、前記複数の電池セルごとに置かれた電圧変換手段により発生させた電圧と、電池セル端子電圧との大小を、前記複数の電池セルごとに置かれた電圧比較手段により比較し、前記電圧比較手段の比較結果出力を前記組電池の正または負極端子へ出力することのできる電圧比較器と、前記電流切換器により選択された一つの電池セルに対応する、前記電圧比較器の出力のみを選択し出力することのできる信号出力器と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の電池電圧検出回路において、前記可変定電流源を複数有し、前記電流切換器は複数の前記可変定電流源からの複数の出力電流を前記複数の検出対象電池セルへ流し、前記信号出力器は前記複数の可変定電流源から電流が供給された前記複数の検出対象電池セルに対応する、前記電圧比較器の複数の出力を選択し出力することのできることを特徴とする。

請求項１の発明では、複数の電池セル端子電圧を測定するのに必要な基準電源は、一つの可変定電流源のみであり、前記可変定電流源の出力電流を変化させるとともに、出力切換器の２値変化する出力信号を監視し、該出力信号が変化した瞬間の前記可変定電流源の出力電流値から対象電池セルの端子電圧を求めることができる。
前記出力切換器の複数の出力のうち、検出中の電池セルに対応する１出力のみが有効となる。

前記可変定電流源の出力電流の時間に対する変化速度を下げることにより、より検出精度を高めることができることから、同一の検出対象電池セルに対して複数回の検出を行い、順次電流変化幅と変化速度を減少させることにより、必要とする検出精度を最小の検出時間で得ることができる。

上記の電圧検出を、対象電池セルを変えて順次行えば、対象とする各電池セルの電圧検出を行うことができる。

また、電池セル端子電圧の検出精度に関わる高精度を要求される抵抗の使用数は、検出対象電池セル１個あたり１本および前記可変定電流源の１本のみでよい。

前記抵抗の端子電圧と電池セル端子電圧の電圧比較手段に供給する電源として、電池セル２個分の電圧を供給することができるので、電池セル電圧が１０数Ｖ程度以下であれば、前記電圧比較手段として、汎用ＩＣコンパレータまたは汎用ＩＣＯＰアンプが使用できる。

請求項２の発明では、複数の可変定電流源を設置し、かつ出力切換器に複数の信号出力を設けることにより、複数の対象電池セルの電圧検出を併行して行うことができる。
これにより、前記電圧検出時間をさらに短縮できる。

本発明の請求項１の一実施例である。本発明の請求項２の一実施例である。

本発明による電池電圧検出回路の好適実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。

図１は本発明の請求項１の一実施例を示す。
図１の１は組電池であり、Ｂ１〜Ｂｎは組電池を構成する電池セルである。
ｎは組電池を構成する電池セルの個数であり、図１においては電池セルＢ５〜Ｂｎ−１の記載を省略している。各電池セルごとに対応して置かれる他の構成品も同様に省略している。

図１の動作モードとして、各電池セル電圧を検出し組電池の充放電を管理する管理モードと、該組電池の充放電を行わない停止モードの２モードを定義する。以下においては断りのない限り、動作モードは管理モードであるとする。

２は可変定電流源であり、その出力電流Ｉｏは、Ｉｏ＝Ｖｒ／Ｒ２であるから、可変基準電圧Ｖｒを変化することにより、出力電流Ｉｏを任意に変化させることができる。

Ｕ２はＯＰアンプであり、Ｕ２へ電池セルＢ１の端子電圧Ｖ１を供給することができるほか、図１に記載されていない他の回路用に設けられる電源を供給してもよい。いずれの場合もＵ２として汎用のＩＣＯＰアンプを使用することができる可能性が高い。

３は電流切換器であり、Ｑ３１−２〜Ｑ３１−ｎはＮｃｈ．ＭＯＳＦＥＴである。ＮＰＮトタンジスタＱ３−２〜Ｑ３−ｎの各ベース端子に外部から与えるトタンジスタ駆動信号Ｓ３−２〜Ｓ３−ｎにより、これらのＮＰＮトタンジスタのオン、オフを任意に制御することができ、その結果前記各Ｎｃｈ．ＭＯＳＦＥＴの通電動作状態を任意に制御することができる。図１においては、Ｎｃｈ．ＭＯＳＦＥＴＱ３１−２〜Ｑ３１−ｎのうちいずれか１個のみに前記可変定電流源の出力電流Ｉｏを流すように制御が行われるものとする。

４は電圧比較器であり、抵抗Ｒ４−２〜Ｒ４−ｎはすべて同じ抵抗値である。これらの抵抗のうち、電流切換器により選択された電池セルに対応する、１本のみに電流切換器の出力電流Ｉｏが流れる。

Ｕ４−２〜Ｕ４−ｎは電圧比較用のコンパレータである。これらのコンパレータに対する動作電源は図１に示すように隣接する電池セル２個分を供給するので、電池セル端子電圧が１０数Ｖ程度以下であれば、コンパレータとして汎用のＩＣコンパレータまたは汎用のＩＣＯＰオペアンプを使うことができる。

ここで、検出対象電池セルとしてＢ３が選択されており、その端子電圧Ｖ３を検出するために抵抗Ｒ４−３のみに出力電流Ｉｏが流れている場合について説明する。検出対象が他の電池セルの場合も同様に考えることができる。

抵抗Ｒ４−３の端子電圧は（Ｒ４−３）×Ｉｏである。
コンパレータＵ４−３は、抵抗Ｒ４−３の端子電圧と電池セルＢ３の端子電圧Ｖ３を比較する。Ｑ４−２〜Ｑ４−ｎはＰＮＰトタンジスタである。
抵抗Ｒ４−３の一端は電池セルＢ３の正極端子に、他端はコンパレータＵ４−３のマイナス端子にそれぞれ接続され、電池セルＢ３の負極端子はコンパレータＵ４−３のプラス端子に接続されているので
（Ｒ４−３の端子電圧）＜Ｖ３の場合：Ｕ４−３の出力はロー、Ｑ４−３はオフ
（Ｒ４−３の端子電圧）＞Ｖ３の場合：Ｕ４−３の出力はハイ、Ｑ４−３はオン
となる。
ノイズの影響を低減させるなどのために、前記コンパレータＵ４−２〜Ｕ４−ｎにヒステリシスを設けることができる。

５は信号出力器であり、Ｑ５−２〜Ｑ５−ｎ、Ｑ５１−２〜Ｑ５１−ｎはＮＰＮトタンジスタである。
ＮＰＮトタンジスタＱ５−２〜Ｑ５−ｎの各ベース端子に外部から与えるトタンジスタ駆動信号Ｓ５−２〜Ｓ５−ｎにより、これらのＮＰＮトタンジスタＱ５−２〜Ｑ５−ｎのオン、オフを任意に制御することができ、その結果、電圧比較器４の出力による、ＮＰＮトタンジスタＱ５１−２〜Ｑ５１−ｎのオン、オフ動作制御の可否も任意に選択することができる。
図１においては、ＮＰＮトタンジスタＱ５１−２〜Ｑ５１−ｎのうち、電流切換器３により選択された電池セルに対応するいずれか１個のみが、電圧比較器４によるオン、オフ動作制御可となるように選択されているものとする。ＮＰＮトタンジスタＱ５１−２〜Ｑ５１−ｎのコレクタ端子はすべて短絡され出力信号Ｓｏとして、外部に供給される。

ここで、検出対象電池セルとしてＢ３が選択されており、トタンジスタ駆動信号Ｓ５−２〜Ｓ５−ｎにより、ＮＰＮトタンジスタＱ５１−２〜Ｑ５１−ｎのうちのＢ３に対応するＱ５１−３のみが、オン、オフ動作可能となるように選択され、Ｑ５１−２〜Ｑ５１−ｎのうちのＱ５１−３以外は常時オフとなっている場合について説明する。検出対象が他の電池セルの場合も同様に考えることができる。

電圧比較器４のＮＰＮトタンジスタＱ４−３のオン、オフに対応する、信号出力器５のＮＰＮトタンジスタＱ５１−３および信号出力Ｓｏの状態は下記のとおり。
Ｑ４−３オン：Ｑ５１−３オン、Ｓｏローレベル
Ｑ４−３オフ：Ｑ５１−３オフ、Ｓｏハイインピーダンス

図１の電池電圧検出は次のように行う。
（１）各電池セルＢ２〜Ｂｎ端子電圧の想定される変動範囲から、可変定電流源２の出力電流Ｉｏの変化範囲を決める。
（２）トタンジスタ駆動信号Ｓ３−２〜Ｓ３−ｎにより１個の検出対象電池セルを選択し、トタンジスタ駆動信号Ｓ５−２〜Ｓ５−ｎにより、ＮＰＮトタンジスタＱ５１−２〜Ｑ５１−ｎのうちの検出対象電池セルに対応するＮＰＮトタンジスタ動作を有効にする。
（３）出力信号Ｓｏを監視しながら、上記（１）で定めた、Ｉｏの下限値から上限値または上限値から下限値に向かってＩｏを変化させ、出力信号Ｓｏの状態変化時点におけるＩｏの値から検出対象電池セルの端子電圧を求める。
（４）検出対象電池セルを順次変えて上記検出を繰り返し、対象となるすべての電池セルについて検出を行う。
（５）より高い検出精度が必要な場合は、（３）により得られたＩｏの値をもとに、Ｉｏの変化範囲を狭め、また、Ｉｏ変化時間を増大させ（３）を行う。

以上は管理モードにおける動作であるが、停止モードにおいては以下のように設定する。
（１）可変定電流源出力電流Ｉｏを０に設定する。
（２）トタンジスタ駆動信号Ｓ３−２〜Ｓ３−ｎにより、ＮＰＮトタンジスタＱ３−２〜Ｑ３−ｎをすべてオフとする。
（３）トタンジスタ駆動信号Ｓ５−２〜Ｓ５−ｎにより、ＮＰＮトタンジスタＱ５−２〜Ｑ５−ｎをすべてオフとする。
以上の結果、すべてのＮＰＮトタンジスタおよびすべてのＮｃｈ．ＭＯＳＦＥＴの電流は０となり、使用する汎用ＩＣＯＰオペアンプおよび汎用ＩＣコンパレータとして、マイクロパワータイプを選べば、停止モードにおける組電池から本検出回路が消費する電流を極めて小さくできる。

組電池の負極端の電池セルＢ１の端子電圧検出については、別途前記負極端子電位を基準とする電圧測定手段を必要とする。

また、図１と異なり、前記組電池正極端子電位を基準とする方式も可能である。

図２は本発明の請求項２の一実施例を示す。
図２の図１に対して異なる点は以下のとおりである。
（１）可変定電流源２−２〜２−ｎが、検出対象電池セルＢ２〜Ｂｎと同数設置されている。
（２）可変定電流源の出力電流Ｉｏ−２〜Ｉｏ−ｎを切り換える必要がないため、電流切換器は設置されていない。
（３）出力信号Ｓｏ−２〜Ｓｏ−ｎを切り換える必要がないため、トタンジスタ駆動信号Ｓ５−２〜Ｓ５−ｎおよびＮＰＮトタンジスタＱ５−２〜Ｑ５−ｎは設置されていない。

図２においては、すべての検出対象電池セルに対して検出操作を同時に行うため、対象電池セル切換機能はないが、それに伴い検出時間は短縮される。
図２においては、可変定電流源２−２〜２−ｎの可変基準電圧Ｖｒ−２〜Ｖｒ−ｎは各可変定電流源ごとに個別に設けているが、可変基準電圧を１個のみ設けこれをすべての可変定電流源に共通に与えることもできる。この場合はすべての可変定電流源の出力電流は同じ値となり、信号出力器のすべての出力信号Ｓｏ−２〜Ｓｏ−ｎを、可変基準電圧を個別に設ける場合と同様に監視する。
なお、上記とは異なり、各電池セル端子電圧の合否判定を行うだけであれば、出力信号Ｓｏ−２〜Ｓｏ−ｎをすべて短絡し、いずれかの電池セル端子電圧検出を行うようにしてもよい。

図２においては、可変定電流源２−２〜２−ｎの出力電流Ｉｏ−２〜Ｉｏ−ｎをすべて０にすることにより停止モードとなる。
図２における各ブロックの基本動作は図１と同様である。

複数のリチウムイオンなどの電池セルをたがいに直列に接続した組電池を構成し使用する場合、放電時は各電池セル端子電圧を監視し、いずれかの端子電圧が規定下限値に達すると、放電を停止させる必要がある。また、この組電池を充電する場合も、各電池セル端子電圧を監視し、これらの端子電圧の均一性を保持し、さらに、いずれかの端子電圧が規定上限値に達すると、充電を停止させなければならない。
本発明は、このような充放電管理のためのセル端子電圧監視の目的に好適に利用可能である。

本発明による電池電圧検出回路は、必要とする高精度抵抗の数が最小限ですみ、半導体は汎用製品が使用可能であり、特殊な部品がなく、部品点数も最小限であるのでローコスト化、小型化が可能である。

１：組電池
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４・・・Ｂｎ：電池セル
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４・・・Ｖｎ：各電池セル端子電圧
２、２−２、２−３、２−４・・・２−ｎ：可変定電流源
Ｖｒ、Ｖｒ−２、Ｖｒ−３、Ｖｒ−４・・・Ｖｒ−ｎ：可変基準電圧
Ｕ２、Ｕ２−２、Ｕ２−３、Ｕ２−４・・・Ｕ２−ｎ：ＯＰアンプ
Ｒ２、Ｒ２−２、Ｒ２−３、Ｒ２−４・・・Ｒ２−ｎ：抵抗
Ｑ２、Ｑ２−２、Ｑ２−３、Ｑ２−４・・・Ｑ２−ｎ：Ｎｃｈ．ＭＯＳＦＥＴ
Ｉｏ、Ｉｏ−２、Ｉｏ−３、Ｉｏ−４・・・Ｉｏ−ｎ：可変定電流源出力電流
３：電流切換器
Ｑ３−２、Ｑ３−３、Ｑ３−４・・・Ｑ３−ｎ：ＮＰＮトタンジスタ
Ｓ３−２、Ｓ３−３、Ｓ３−４・・・Ｓ３−ｎ：トタンジスタ駆動信号
Ｑ３１−２、Ｑ３１−３、Ｑ３１−４・・・Ｑ３１−ｎ：Ｎｃｈ．ＭＯＳＦＥＴ
４：電圧比較器
Ｒ４−２、Ｒ４−３、Ｒ４−４、Ｒ４−５・・・Ｒ４−ｎ：抵抗
Ｕ４−２、Ｕ４−３、Ｕ４−４、Ｕ４−５・・・Ｕ４−ｎ：コンパレータ
Ｑ４−２、Ｑ４−３、Ｑ４−４・・・Ｑ４−ｎ：ＰＮＰトタンジスタ
５：信号出力器
Ｑ５−２、Ｑ５−３、Ｑ５−４・・・Ｑ５−ｎ：ＮＰＮトタンジスタ
Ｑ５１−２、Ｑ５１−３、Ｑ５１−４・・・Ｑ５１−ｎ：ＮＰＮトタンジスタ
Ｓ５−２、Ｓ５−３、Ｓ５−４・・・Ｓ５−ｎ：トタンジスタ駆動信号
Ｓｏ、Ｓｏ−２、Ｓｏ−３、Ｓｏ−４・・・Ｓｏ−ｎ：出力信号

Claims

組電池を構成する、たがいに直列に接続された複数の電池セルそれぞれの端子電圧を検出する電池電圧検出回路において、前記各電池セルは一つまたは複数の最小単位電池セルからなるものとし、
前記組電池の正または負極端子から、前記電池セルの正または負極端子へ流す出力電流値を任意に変化させることのできる可変定電流源と、前記可変定電流源出力と複数の検出対象電池セルの間にあって、前記複数の検出対象電池セルのいずれか一つを選択し、選択された電池セルのみに前記可変定電流源出力電流を流すことのできる電流切換器と、前記電流切換器からの電流を電圧に変換する、前記複数の電池セルごとに置かれた電圧変換手段により発生させた電圧と、電池セル端子電圧との大小を、前記複数の電池セルごとに置かれた電圧比較手段により比較し、前記電圧比較手段の比較結果出力を前記組電池の正または負極端子へ出力することのできる電圧比較器と、前記電流切換器により選択された一つの電池セルに対応する、前記電圧比較器の出力のみを選択し出力することのできる信号出力器と、を備えることを特徴とする電池電圧検出回路。
請求項１に記載の電池電圧検出回路において、前記可変定電流源を複数有し、前記電流切換器は複数の前記可変定電流源からの複数の出力電流を前記複数の検出対象電池セルへ流し、前記信号出力器は前記複数の可変定電流源から電流が供給された前記複数の検出対象電池セルに対応する、前記電圧比較器の複数の出力を選択し出力することのできることを特徴とする電池電圧検出回路。