JP2011010446A - 充電監視装置、充電監視システム、および充電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】充放電手段の過充電を防止する充電監視装置、充放電システム、および充電モジュールにおいて、発熱を抑制すること。
【解決手段】充電監視装置３は、単電池２１の電圧を検出するセル電圧検出部３１と、充放電手段の入力端子に供給される電力の少なくとも一部を回生電力として出力する回生部３３と、回生部３３を制御する制御部３２と、を備える。制御部３２は、セル電圧検出部３１により検出された電圧が所定値以上の場合には、単電池２１に流れようとする電流を回生部３３によりバイパスさせ、定電圧化して回生電力として出力させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、充電監視装置、充電監視システム、および充電モジュールに関する。

従来より、リチウムイオン電池といった二次電池を複数直列に接続した組電池がある。二次電池は、充電により電圧が所定値以上になると、いわゆる過充電となり、電池特性が劣化するおそれがある。そこで、二次電池の過充電を防止する保護回路が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

図４は、従来例に係る保護回路１００の構成を示す回路図である。保護回路１００は、複数の二次電池１１１が直列に接続された組電池１１０と対に設けられる。複数の二次電池１１１のそれぞれは、充電回路１２０から供給される電流により充電される。

保護回路１００は、複数の二次電池１１１に対応して設けられた複数のスイッチ素子１０１および複数の抵抗Ｒと、複数のスイッチ素子１０１を制御する制御部１０２と、を備える。

複数のスイッチ素子１０１のそれぞれは、制御部１０２から送信される制御信号に応じてオンオフする。スイッチ素子１０１の一端は、対応する二次電池１１１の正極側に接続され、スイッチ素子１０１の他端は、対応する二次電池１１１の負極側に抵抗Ｒを介して接続される。

以上の保護回路１００は、以下のように動作する。

制御部１０２により、複数の二次電池１１１のそれぞれの電圧を検出する。そして、複数のスイッチ素子１０１のうち、検出した電圧が所定値未満である二次電池１１１に対応するものには、制御信号を供給して、このスイッチ素子１０１をオフ状態にする。すると、充電回路１２０から出力された電流は、二次電池１１１に流れることとなる。これによれば、二次電池１１１が充電される。

一方、複数のスイッチ素子１０１のうち、検出した電圧が所定値以上である二次電池１１１に対応するものには、制御信号を供給して、このスイッチ素子１０１をオン状態にする。すると、充電回路１２０から出力された電流の少なくとも一部は、オン状態のスイッチ素子１０１および抵抗Ｒを流れ、これらオン状態のスイッチ素子１０１および抵抗Ｒにバイパスされることとなる。これによれば、二次電池１１１に流れる電流が減少するので、二次電池１１１の過充電が防止される。

特開平８−１９１８８号公報 特開２０００−３５７５４０号公報

ところで、上述の保護回路１００では、スイッチ素子１０１をオン状態にして二次電池１１１に流れる電流を減少させる際には、抵抗Ｒは、電流が流れることにより発熱する。抵抗Ｒが発熱すると、この抵抗Ｒの近傍に配置された素子や機器の温度が上昇し、これら素子や機器の特性が変化したり、信頼性が低下したりするおそれがあるので、保護回路１００を二次電池１１１の近くに配置するのは困難であった。

上述の課題を鑑み、本発明は、リチウムイオン電池といった充放電手段を監視して、充放電手段の過充電を防止する充電監視装置、充電監視システム、および充電モジュールにおいて、発熱を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
（１）本発明は、入力端子に供給される電力により充電される充放電手段を監視する充電監視装置であって、前記充放電手段の電圧を検出する電圧検出手段と、前記入力端子に供給される電力の少なくとも一部を回生電力として出力する回生手段と、前記回生手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電圧検出手段により検出された電圧が予め定めた所定値以上の場合には、前記入力端子に供給される電力の少なくとも一部を前記回生手段により回生電力として出力させ、前記電圧検出手段により検出された電圧が前記所定値未満の場合には、前記入力端子に供給される電力の少なくとも一部を前記回生手段により回生電力として出力させるのを停止することを特徴とする充電監視装置を提案している。

この発明によれば、充電監視装置に、充放電手段の電圧を検出する電圧検出手段と、充放電手段の入力端子に供給される電力の少なくとも一部を回生電力として出力する回生手段と、回生手段を制御する制御手段と、を設けた。そして、制御手段により、電圧検出手段により検出された電圧が所定値以上の場合には、入力端子に供給される電力の少なくとも一部を回生手段により回生電力として出力させ、電圧検出手段により検出された電圧が所定値未満の場合には、入力端子に供給される電力の少なくとも一部を回生手段により回生電力として出力させるのを停止することとした。

このため、充放電手段の電圧が所定値未満の場合には、充放電手段に電流が流れるので、充放電手段を充電できる。一方、充放電手段の電圧が所定値以上の場合には、充放電手段に流れる電流が減少するので、充放電手段の過充電を防止できる。

また、充放電手段に流れる電流を減少させる際に発熱する抵抗が、上述の従来例のように設けられてはいないため、充電監視装置における発熱を抑制できる。これによれば、充電監視装置の近傍に配置された素子や機器の温度が充電監視装置の発熱により上昇するのを抑制できるので、これら素子や機器の特性が変化したり信頼性が低下したりするのを抑制できる。このため、充電監視装置を充放電手段の近くに配置できる。

また、充電監視装置は、充放電手段の電圧が所定値以上の場合には、充放電手段の入力端子に供給される電力の少なくとも一部を回生電力として出力するので、この回生電力を用いて、充放電手段の周辺に設けられた他の電子機器を駆動することができる。

なお、従来では、制御手段を駆動するのに必要な電圧は、１つの充放電手段の電圧より高かったため、複数の充放電手段が直列に接続されたものの電圧で、制御手段を駆動していた。このため、制御手段を備える充電監視装置による充放電手段の監視は、充放電手段が複数直列に接続されている場合でしか行うことができなかった。ところが、近年では、制御手段を駆動するのに必要な電圧の低電圧化が進んでおり、１つの充放電手段の電圧で、制御手段を駆動できる。このため、制御手段を備える充電監視装置による充放電手段の監視は、充放電手段が複数直列に接続されている場合だけでなく、充放電手段が１つ設けられている場合でも、行うことができる。

（２）本発明は、（１）の充電監視装置が１つ以上設けられた充電監視システムであって、前記充放電手段が複数直列に接続される場合には、当該複数の充放電手段と同数の充電監視装置が設けられ、前記複数の充電監視装置のそれぞれは、前記複数の充放電手段のうち対応するものを監視することを特徴とする充電監視システムを提案している。

この発明によれば、充電監視システムに、直列に接続された複数の充放電手段と同数の充電監視装置を設け、複数の充電監視装置のそれぞれにより、複数の充放電手段のうち対応するものを監視することとした。

このため、複数の充放電手段のそれぞれに、充電監視装置が１つずつ割り当てられることとなる。したがって、１または複数直列に接続された充放電手段に対して、新たに充放電手段を増設する場合には、増設する充放電手段の数だけ充電監視装置を設ければよい。よって、充放電手段の増設に柔軟に対応できるので、充電監視システムにおける保守性を向上できる。

また、上述のように、複数の充放電手段のそれぞれに充電監視装置が１つずつ割り当てられることとなるので、各充放電手段を、電圧が所定値になるまで充電できる。これによれば、充放電手段ごとに電圧にばらつきが生じるのを抑制できる。

（３）本発明は、（１）の充放電手段および充電監視装置を備える充電モジュールであって、前記充電監視装置は、前記充放電手段に内蔵されることを特徴とする充電モジュールを提案している。

この発明によれば、充放電手段および充電監視装置を備える充電モジュールにおいて、充電監視装置を充放電手段に内蔵することとした。

このため、充放電手段と充電監視装置との電気的な接続部が露出しないので、この接続部に作業者が触れるのを防止できる。これによれば、充電モジュールの保守性を向上できる。

（４）本発明は、（１）の充放電手段および充電監視装置を備える充電モジュールであって、前記充放電手段および前記充電監視装置を内部に収容可能な収容手段を備え、前記充放電手段および前記充電監視装置は、前記収容手段の内部に収容されることを特徴とする充電モジュールを提案している。

この発明によれば、収容手段の内部に、充放電手段および充電監視装置を収容することとした。

このため、充放電手段と充電監視装置との電気的な接続部が露出しないので、この接続部に作業者が触れるのを防止できる。これによれば、充電モジュールの保守性を向上できる。

本発明によれば、発熱を抑制しつつ充放電手段の過充電を防止できる。

本発明の第１実施形態に係る充電システムの回路図である。 前記充電システムが備える充電監視装置の回路図である。 本発明の第２実施形態に係る充電モジュールの斜視図である。 従来例に係る保護回路の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素などとの置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下の実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る充電システム１の回路図である。充電システム１は、複数の単電池２１が直列に接続された組電池２と、複数の単電池２１に対応して設けられた複数の充電監視装置３と、複数の単電池２１のそれぞれを充電する充電回路４と、を備える。

充電監視装置３は、リチウムイオン電池で構成される単電池２１の正極および負極と、出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２と、に接続されている。この充電監視装置３は、通常時には出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２とは絶縁されており、単電池２１の電圧が所定の閾値以上になると、出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２から回生電力を出力する。

以上の充電システム１は、以下のように動作する。充電回路４による充電が開始されると、直列に接続された複数の単電池２１のそれぞれに電流が流れ、この電流により単電池２１が充電される。その結果、複数の単電池２１のそれぞれの電圧は、上昇する。

複数の充電監視装置３のそれぞれは、接続されている単電池２１の電圧が所定の閾値以上になると、この単電池２１に流れようとする電流をバイパスさせて、単電池２１に流れる電流を減少させる。これにより、単電池２１の過充電を防止できる。充電監視装置３にバイパスされた電流は、接続されている単電池２１の負極側に出力されるとともに、定電圧化されて回生電力として出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２から出力される。このため、出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２に電子機器を接続することで、この電子機器を駆動できる。

図２は、充電監視装置３の回路図である。充電監視装置３は、セル電圧検出部３１、制御部３２、および回生部３３を備える。

セル電圧検出部３１は、単電池２１の正極および負極と、制御部３２と、に接続され、単電池２１の電圧を検出し、検出結果を制御部３２に送信する。

回生部３３は、単電池２１の正極および負極と、制御部３２と、出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２と、に接続される。この回生部３３は、制御部３２から送信される制御信号に応じて、単電池２１に流れようとする電流をバイパスさせ、定電圧化して回生電力として出力する。

制御部３２は、マイコン等で構成され、１つの単電池２１の電圧で駆動される。この制御部３２は、セル電圧検出部３１による検出結果、すなわち単電池２１の電圧に応じて、回生部３３を制御する。具体的には、単電池２１の電圧が所定の閾値以上の場合には、回生部３３に制御信号を供給して、単電池２１に流れようとする電流を回生部３３によりバイパスさせて、回生電力として出力させる。一方、単電池２１の電圧が所定の閾値未満の場合には、回生部３３に制御信号を供給して、単電池２１に流れようとする電流を回生部３３によりバイパスさせるのを停止させて、回生電力として出力させるのを停止する。

以上の充電システム１によれば、以下の効果を奏することができる。

セル電圧検出部３１により、接続されている単電池２１の電圧を検出する。そして、セル電圧検出部３１による検出結果が所定の閾値未満の場合には、制御部３２により、単電池２１に流れようとする電流を回生部３３によりバイパスさせるのを停止して、単電池２１に電流を流す。これによれば、単電池２１を充電できる。

一方、セル電圧検出部３１による検出結果が所定の閾値以上の場合には、制御部３２により、単電池２１に流れようとする電流を回生部３３によりバイパスさせて、単電池２１に流れ込もうとする電流の少なくとも一部を回生部３３に流す。回生部３３は、自身に流れる電流を、単電池２１の負極側に出力するとともに、回生電力として出力する。以上によれば、単電池２１に流れる電流が減少するので、単電池２１の過充電を防止できる。

また、単電池２１に流れる電流を減少させる際に発熱する抵抗が、上述の従来例のように設けられてはいないため、充電監視装置３における発熱を抑制できる。これによれば、充電監視装置３の近傍に配置された素子や機器の温度が充電監視装置３の発熱により上昇するのを抑制できるので、これら素子や機器の特性が変化したり信頼性が低下したりするのを抑制できる。このため、充電監視装置３を単電池２１の近くに配置できる。

また、単電池２１の電圧が所定の閾値以上の場合には、単電池２１に流れようとする電流が定電圧化されて回生電力として出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２から出力されるので、これら出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２に電子機器を接続することで、この電子機器を接続できる。

また、複数の単電池２１のそれぞれに、充電監視装置３が１つずつ割り当てられる。このため、組電池２に単電池２１を新たに増設する場合、増設する単電池２１と同数の充電監視装置３を充電システム１に設ければよい。したがって、単電池２１の増設に柔軟に対応できるので、充電システム１の保守性を向上できる。

また、上述のように、複数の単電池２１のそれぞれに充電監視装置３が１つずつ割り当てられるため、複数の単電池２１のそれぞれを、電圧が所定の閾値になるまで充電できる。これによれば、単電池２１ごとに電圧にばらつきが生じるのを抑制できる。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る充電モジュール５の斜視図である。充電モジュール５は、本発明の第１実施形態に係る１つの単電池２１と、この単電池２１に接続された１つの充電監視装置３と、を備える。

単電池２１は、略直方体状に形成され、充電監視装置３を内蔵する。接点２１１には、単電池２１の正極が接続され、接点２１２には、単電池２１の負極が接続される。また、接点２１３、２１４のそれぞれには、回生部３３の２つの出力端（図１の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２のそれぞれとの接点）が接続される。

以上の充電モジュール５によれば、発熱を抑制しつつ単電池２１の過充電を防止できるとともに、以下の効果を奏することができる。

充電監視装置３が単電池２１に内蔵されるため、これら充電監視装置３と単電池２１との電気的な接続部が露出しない。これによれば、充電モジュール５の保守作業などを行う作業者が、この接続部に触れるのを防止できるので、充電モジュール５の保守性を向上できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、上述の第１実施形態では、単電池２１をリチウムイオン電池で構成したが、これに限らず、例えば、リチウムイオン電池以外の二次電池やリチウムイオンキャパシタなどで構成してもよい。

また、例えば、上述の第１実施形態において、制御部３２に、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）といった記憶手段を接続してもよい。これによれば、単電池２１に流れようとする電流を回生部３３によりバイパスさせたりさせなかったりするための所定の閾値をこの記憶手段に記憶させ、この所定の閾値を単電池２１の特性や利用環境などに応じて設定することで、様々な状況に対応させることができ、利便性を向上できる。

また、例えば、上述の第１実施形態において、単電池２１の温度を測定する温度センサを設けてもよい。これによれば、温度センサにより単電池２１の温度を測定し、測定結果を充電監視装置に接続されている機器に送信できる。さらに、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）といった発光素子を設けた場合には、温度センサにより単電池２１の温度を測定し、測定結果が所定値以上であれば発光素子を発光させることで、単電池２１の過度な発熱を報知できる。

また、例えば、上述の第２実施形態では、充電監視装置３が単電池２１に内蔵されるものとしたが、これに限らず、例えば、充電監視装置３および単電池２１を内部に収容可能な筐体を設け、充電監視装置３および単電池２１を筐体の内部に収容してもよい。これによれば、充電監視装置３が単電池２１に内蔵される場合と同様の効果を奏することができる。

１；充電システム
２、１１０；組電池
３；充電監視装置
４、１２０；充電回路
５；充電モジュール
２１、１１１；単電池
３１；セル電圧検出部
３２、１０２；制御部
３３；回生部
１０１；スイッチ素子

Claims (4)

1. 入力端子に供給される電力により充電される充放電手段を監視する充電監視装置であって、
   前記充放電手段の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記入力端子に供給される電力の少なくとも一部を回生電力として出力する回生手段と、
   前記回生手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記電圧検出手段により検出された電圧が予め定めた所定値以上の場合には、前記入力端子に供給される電力の少なくとも一部を前記回生手段により回生電力として出力させ、
   前記電圧検出手段により検出された電圧が前記所定値未満の場合には、前記入力端子に供給される電力の少なくとも一部を前記回生手段により回生電力として出力させるのを停止することを特徴とする充電監視装置。
2. 請求項１に記載の充電監視装置が１つ以上設けられた充電監視システムであって、
   前記充放電手段が複数直列に接続される場合には、当該複数の充放電手段と同数の充電監視装置が設けられ、
   前記複数の充電監視装置のそれぞれは、前記複数の充放電手段のうち対応するものを監視することを特徴とする充電監視システム。
3. 請求項１に記載の充放電手段および充電監視装置を備える充電モジュールであって、
   前記充電監視装置は、前記充放電手段に内蔵されることを特徴とする充電モジュール。
4. 請求項１に記載の充放電手段および充電監視装置を備える充電モジュールであって、
   前記充放電手段および前記充電監視装置を内部に収容可能な収容手段を備え、
   前記充放電手段および前記充電監視装置は、前記収容手段の内部に収容されることを特徴とする充電モジュール。

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