JP2011130551A - 電源装置及びこれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの影響を受けることなく、電池セルのセル電圧が異常に高くなる事態を回避する。
【解決手段】充電可能な電池セル２を複数、直列に接続してなる組電池１０と、各々の電池セル２と並列に接続され、電池セル２のセル電圧が設定電圧よりも高くなると強制的に放電するための強制放電回路２０とを備え、強制放電回路２０がアナログ回路で構成されており、セル電圧が設定電圧よりも高くなると、強制放電回路２０が放電するよう構成する。これによって、ソフトウェアによる制御でなく、アナログ回路で物理的に強制放電回路２０を構成して、ノイズや誤動作によらず安定して動作させることができ、保護回路の信頼性を高めた電源装置を構築できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、多数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高くした、車両用等に使用される電源装置及びこれを備える車両に関する。

車両用などに使用される大出力の電源装置は、多数の電池セル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セル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、全ての電池セルが全く同じ特性であれば、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、全く同じ特性の電池セルは製造できない。電池セルのアンバランスは、充放電を繰り返すときに、電圧や残容量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、特定の電池セルを過充電し、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、各々の電池セルの電圧を検出して電圧差を均等化する電源装置が開発されている（特許文献１参照）。

特開２００７−３００７０１号公報

特許文献１に記載される電源装置３００は、図１３に示すように、電池セル３０２の電圧を検出し、この電圧差を比較して電圧の高い電池セル３０２を放電して電圧差を均等化する。この電源装置は、各々の電池セル３０２のセル電圧をマルチプレクサ３４４で切り換えて順番に検出する。検出するセル電圧が比較され、電圧が高いと判定される電池セル３０２と並列に制御している放電回路３２０の、スイッチング素子３２３をＯＮに切り換えて放電する。均等化回路３４０は、多数のセル電圧を検出し、検出する電圧から電圧の高い電池セル３０２を特定するためにマイクロコンピュータ３２６を備えている。マイクロコンピュータ３２６で演算処理するために、電池セル３０２の検出電圧は、Ａ／Ｄコンバータ３２７でデジタル信号に変換される。マイクロコンピュータ３２６は、デジタル信号として入力されるセル電圧を演算し、電池セル３０２の電圧差が大きい電池セル３０２を特定して、この電池セル３０２に接続しているスイッチング素子３２３をＯＮに切り換えて、放電抵抗３２４で放電する。

マイクロコンピュータ３２６は記憶しているファームウエアに従って、セル電圧を演算処理する。この均等化回路３４０は、正常に動作して電池セル３０２の電圧差を均等化できる。しかしながら、ファームウエアで動作するマイクロコンピュータは、外部から入力される雑音やその他のノイズが原因で暴走して正常に動作できなくなることがある。また、均等化回路は複雑な入力回路やデジタル回路で構成されることから、誤動作によって正常に動作しなくなることがある。均等化回路が正常に動作しなくなると、電池セルの電圧差を均等化できなくなる。電池セルの均等化が正常にできないと、特定の電池セルの電圧が異常に高くなって、安全に充電できなくなる弊害が発生する。

特に電源装置は、電池セルの過充電を検出する過充電保護回路を備えているものが多い。このような過充電保護回路は、電池セルの異常電圧を検出した場合、コンタクタをオープンするなどして電流を遮断したり、電池セルに内蔵したＣＩＤ（Current Interrupt Device）によって電流を遮断する。しかしながら、これらの方法はいずれも回路を遮断するのみであるため、過充電によって電池セルに電力エネルギーが蓄積された状況が継続するという問題があった。これを回避するために、上述した均等化回路を利用して電池セルに蓄積された電力エネルギーを放電することが考えられる。しかしながら、上述の通り均等化回路を動作させるファームウェアが何らかの原因によって正常動作が阻害される可能性があり、信頼性が低下する。このため、より信頼性の高い保護機能の実現が求められていた。

本発明は、さらにこのような問題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、電池セルのセル電圧が異常に高くなるのを確実に防止して、安全に充電できる電源装置及びこれを備える車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、第１の側面に係る電源装置によれば、充電可能な電池セルを複数、直列に接続してなる組電池と、各々の電池セルと並列に接続され、電池セルのセル電圧が設定電圧よりも高くなると強制的に放電するための強制放電回路と、を備える電源装置であって、前記強制放電回路がアナログ回路で構成されており、前記セル電圧が設定電圧よりも高くなると、前記強制放電回路が放電するよう構成することができる。これによって、ソフトウェアによる制御でなく、アナログ回路で物理的に強制放電回路を構成して、ノイズや誤動作によらず安定して動作させることができ、保護回路の信頼性を高めた電源装置を構築できる。

また、第２の側面に係る電源装置によれば、前記強制放電回路が、放電スイッチと放電抵抗とを直列に接続した直列接続回路と、前記セル電圧を検出して、該セル電圧が予め設定された設定電圧を超えると、前記直列接続回路の放電スイッチをＯＮに切り換える制御回路とを備え、前記直列接続回路は電池セルと並列に接続されており、前記直列接続回路と並列に接続されたセル電圧が設定電圧を超えると、前記制御回路が前記放電スイッチをＯＮに切り換えて、設定電圧を超えた電池セルを強制放電するように構成することができる。これにより、制御回路でセル電圧を監視して、直列接続回路で電池セルを放電でき、確実な動作が見込まれる。

さらに、第３の側面に係る電源装置によれば、前記制御回路が、前記セル電圧を基準電圧に比較する比較回路を備え、前記セル電圧が設定電圧を超えると、前記比較回路が前記放電スイッチをＯＮに切り換えることができる。これにより、比較回路で電池セルの電圧異常を確実に監視できる。

さらにまた、第４の側面に係る電源装置によれば、前記比較回路が、所定の規定電圧に規定する判定素子を備えており、前記判定素子の基準電圧と前記セル電圧に関する電圧とを比較し、該電圧が前記判定素子の基準電圧を超えると、前記比較回路が放電スイッチをＯＮに切り換える信号を出力するよう構成できる。これにより、判定素子で比較回路を容易に実現できる。

さらにまた、第５の側面に係る電源装置によれば、前記セル電圧に関する電圧を、前記セル電圧を分圧抵抗で分圧した電圧とすることができる。

さらにまた、第６の側面に係る電源装置によれば、前記判定素子をシャントレギュレータ又はツェナーダイオードとすることができる。これにより、シャントレギュレータやツェナーダイオードのようなディスクリート素子でもってセル電圧を所定の電圧値に容易に規定できる。

さらにまた、第７の側面に係る電源装置によれば、前記判定素子が、第一入力と第二入力を備える差動アンプと、前記差動アンプの第一入力に接続してなる基準電源とを備えており、前記差動アンプは第二入力に前記セル電圧を入力しており、前記セル電圧に関する電圧が設定電圧を超えると、前記差動アンプが前記放電スイッチをＯＮに切り換える信号を出力するよう構成できる。これにより、差動アンプを用いて容易にセル電圧を規定できる。

さらにまた、第８の側面に係る電源装置によれば、さらに、前記強制放電回路における強制放電の動作状態を出力する強制放電通知部を備えることができる。これによって、放電スイッチの動作状態を外部に出力できるので、電池セルの電圧異常を電源装置側で把握したり、外部機器に通知したりすることができる。

さらにまた、第９の側面に係る電源装置によれば、前記強制放電通知部がフォトカプラで構成され、前記フォトカプラの発光ダイオードが、前記放電スイッチと直列に接続されており、前記放電スイッチがＯＮに切り換えられると、前記フォトカプラがＯＮ信号を出力するよう構成できる。これによって、放電スイッチのＯＮ信号をフォトカプラで電気的に絶縁した状態で外部に出力できる。

さらにまた、第１０の側面に係る電源装置によれば、前記セル電圧が設定電圧よりも高くなると、前記強制放電回路が放電を開始し、前記セル電圧が低下し、前記設定電圧よりも低く設定された第二設定電圧よりも低くなると、前記強制放電回路が放電を停止するよう構成できる。これにより、電池セルの電圧異常時に強制放電回路で強制的に放電して、安全な電圧にまで低下すると強制放電を停止して、システムを復旧させることができる。

さらにまた、第１１の側面に係る電源装置によれば、前記電池セルが、電池の電圧が設定電圧よりも高くなると電流を遮断する電流遮断部を備えており、前記電流遮断部が電流を遮断する電圧よりも、前記強制放電回路の放電スイッチがＯＮに切り換えられる設定電圧を低く設定できる。これにより、ＣＩＤなどの電流遮断部が作動するよりも前に、復旧可能な強制放電回路を作動させて、正常な電圧に復帰する場合は動作を継続でき、持続的な利用が可能となる。

さらにまた、第１２の側面に係る電源装置によれば、各々の電池セルの電圧差を検出して電池セルの電圧差を均等化する均等化回路を備えており、前記均等化回路が、前記直列接続回路の放電スイッチを制御して電池セルの電圧差を均等化することができる。これにより、均等化回路と強制放電回路とを共通化して、電池セルの均等化と電圧上昇時の強制放電のための回路を兼用できる利点が得られる。

さらにまた、第１３の側面に係る電源装置によれば、前記強制放電回路をディスクリート素子で構成されたアナログ回路とすることができる。これにより、ソフトウェア的な動作によらない、ノイズ耐性などに優れたロバスト性の高い電源装置を構築できる。

さらにまた、第１４の側面に係る電源装置を備える車両は、上記の電源装置を備えることができる。

本発明の一実施の形態に係る電源装置を示すブロック図である。 強制放電回路を示す回路図である。 図２に示す強制放電回路の動作状態を示すグラフである。 変形例に係る強制放電回路を示す回路図である。 他の変形例に係る強制放電回路を示す回路図である。 強制放電通知部を備える強制放電回路を示す回路図である。 図６の強制放電通知部を備えた電源装置を示すブロック図である。 複数の電池セルの強制放電回路に均等化回路を接続したブロック図である。 電池セルの直列接続回路に均等化回路を接続した強制放電回路を示す回路図である。 均等化回路を備える電源装置を示すブロック図である。 エンジンとモータの走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 各電池セルの電圧を検出して電圧差を均等化する電源装置を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置及びこれを備える車両を例示するものであって、本発明は電源装置及びこれを備える車両を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。

図１〜図１０に基づいて、本発明の一実施の形態に係る電源装置として、車載用の電源装置に適用した例を説明する。これらの図において、図１は車両用電源装置のブロック図を、図２は強制放電回路の回路図を、図３は図２の強制放電回路の動作状態を示すグラフを、図４は変形例に係る強制放電回路を、図５は他の変形例に係る強制放電回路を、図６は強制放電通知部を備える強制放電回路を、図７は図６の強制放電通知部を備えた電源装置のブロック図を、図８は複数の電池セルの強制放電回路に均等化回路を接続したブロック図を、図９は電池セルの直列接続回路に均等化回路を接続した強制放電回路を、図１０は均等化回路を備える電源装置を示すブロック図を、それぞれ示している。これらの図に示す電源装置１００は、主として、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーや、モータのみで走行する電気自動車等の電動車両の電源に最適である。ただ、本発明の電源装置は、ハイブリッドカーや電気自動車以外の車両に使用し、また電動車両以外の大出力が要求される用途にも使用できる。

図１の車両用の電源装置１００は、ハイブリッドカー、燃料電池車、電気自動車等の車両に搭載されて、車両側負荷５０として接続されるモータ５２を駆動して車両を走行させる。車両側負荷５０は、図１に示すように、入力側にＤＣ／ＡＣインバータ５１を、出力側にモータ５２と発電機５３を接続している。ＤＣ／ＡＣインバータ５１は、走行用バッテリ１の直流を３相の交流に変換して、モータ５２への供給電力をコントロールする。また、発電機５３の出力を直流に変換して電源装置１００の走行用バッテリ１を充電する。

なお、車両側負荷には、ＤＣ／ＡＣインバータの入力側に昇降圧コンバータを接続して、電源装置の出力電圧を昇圧してモータに供給するものもある。この車両側負荷は、昇降圧コンバータで電源装置の出力電圧を昇圧して、ＤＣ／ＡＣインバータを介してモータに供給し、さらに発電機の出力をＤＣ／ＡＣインバータで直流に変換し、さらに昇降圧コンバータで降圧して走行用バッテリを充電する。

図１に示す車両用の電源装置１００は、車両側負荷５０のモータ５２に電力を供給する組電池１０と、組電池１０の電流を検出する電流検出回路３と、電池セル２の電圧を検出するセル電圧検出回路４と、このセル電圧検出回路４で検出される検出電圧と電流検出回路３で検出される検出電流から電池セル２の電流、電圧を監視し、充放電の許可を含めた制御を行う制御部８と、制御部８によって開閉を制御されるコンタクタ１１とを備える。
（コンタクタ１１）

コンタクタ１１は、組電池１０の正負の出力側に接続される。このコンタクタ１１は、車両を走行させるときにＯＮ、すなわち車両のイグニッションスイッチのＯＮ状態でＯＮに切り換えられ、車両を走行させない状態でＯＦＦに切り換えられる。なお図１の電源装置１００は、組電池１０の正負の出力側にコンタクタ１１を接続しているが、コンタクタは、正負の一方にのみ設けてもよい。
（組電池１０）

組電池１０は、ＤＣ／ＡＣインバータ５１を介して車両を走行させるモータ５２を駆動する。モータ５２に大電力を供給できるように、組電池１０は複数の電池セル２を直列に接続して出力電圧を高くしている。電池セル２は、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池が使用される。ただ、電池には、ニッケルカドミウム二次電池等の充電できる全ての電池を使用できる。
（ＣＩＤ９）

図１に示す電池セル２は、異常時に電流を遮断する電流遮断手段としてＣＩＤ９を備えている。ＣＩＤ９はカレントインタラプトデバイスと呼ばれ、電池セル２が過電流放電状態又は過電流充電状態などの異常な状態になると、電池内圧の異常な上昇で動作して電流を遮断し、電池セル２を使用不能とする。図１の例では説明のためＣＩＤ９を電池セル２の外部に図示しているが、一般にはＣＩＤは電池セルに内蔵される。ただ、ＣＩＤ等の電流遮断手段を、電池セルに外付けで接続する別部材とすることもできる。
（強制放電回路２０）

図１の電源装置１００は、電池セル２のセル電圧が設定電圧よりも高くなったことをハードウェア的に検出して、強制的に放電を行う強制放電回路２０を備えている。強制放電回路２０は、電池セル２毎に設けられ、それぞれ並列に接続される。図２に、強制放電回路２０の一例を示す。この図に示す強制放電回路２０は、強制的に電池セル２の放電を行う直列接続回路２２と、直列接続回路２２に対して放電の開始、終了を指示する制御回路２１とで構成される。
（直列接続回路２２）

直列接続回路２２は、放電スイッチ２３と放電抵抗２４とを直列に接続している。放電抵抗２４は、例えば３０Ω〜５０Ω、好ましくは４０Ω程度の抵抗器が利用できる。放電スイッチ２３は、図２の回路例では２つのトランジスタＴｒ_p、Ｔｒ_nと抵抗器で構成される。具体的にはＰＮＰトランジスタＴｒ_pのエミッタ側に放電抵抗２４の一端を、ベース側をＮＰＮトランジスタＴｒ_nのコレクタ側に、コレクタ側をＮＰＮトランジスタＴｒ_nのベース側に、それぞれ接続している。一方ＮＰＮトランジスタＴｒ_nのベース側はベース抵抗Ｒ_Bの一端を接続している。この直列接続回路２２は、放電抵抗２４の他端を電池セル２の正極側に、ベース抵抗Ｒ_Bの他端を負極側に接続し、さらにＰＮＰトランジスタＴｒ_pのベースとＮＰＮトランジスタＴｒ_nのコレクタとの間のノードを、制御回路２１の制御信号を入力する入力端子としている。この直列接続回路２２自体は、電池セル２の正負極と並列に接続されており、直列接続回路２２の入力端子に制御回路２１から制御信号を入力して電池セル２の強制放電をＯＮ／ＯＦＦできる。すなわち、制御信号を入力して放電スイッチ２３を構成するＰＮＰトランジスタＴｒ_pをＯＮにすることで放電抵抗２４に通電して、電池セル２を放電できる。
（制御回路２１）

一方、制御回路２１は、セル電圧を検出して、このセル電圧が予め設定された設定電圧を超えると、直列接続回路２２の放電スイッチ２３をＯＮに切り換える。この制御回路２１は、セル電圧を基準電圧に比較する比較回路２５を備えている。比較回路２５は、セル電圧が設定電圧を超えると、直列接続回路２２を作動させる。すなわち、放電スイッチ２３をＯＮに切り換えて電池セル２の放電を開始する。
（比較回路２５）

比較回路２５は、所定の規定電圧を検出するための判定素子と、分圧抵抗Ｒ₁、Ｒ₂で構成される。判定素子は、分圧抵抗Ｒ₁、Ｒ₂の間のノードの電圧すなわち分圧Ｖ₁を基準電圧として入力しており、この基準電圧が所定の第一既定値を上回ると、出力電圧Ｖ₂を低下させる。すなわち、基準電圧と比較される分圧は、セル電圧と関連付けられた電圧（セル電圧に関する電圧）である。なお本実施の形態によれば、比較回路２５の分圧抵抗Ｒ₁、Ｒ₂により僅かな電流が電池セルから放電されるため、正常時にも関わらず電池セルを常時放電させることとなる。このため放電電流がシステム動作に影響しないよう、これらの分圧抵抗Ｒ₁、Ｒ₂の抵抗値を高抵抗に設定して放電電流を抑制する。

この判定素子には、好ましくはシャントレギュレータＳＲが利用される。シャントレギュレータＳＲは、分圧抵抗Ｒ₁、Ｒ₂を介してセル電圧の変動を検出し、規定の電圧値以上では出力電圧Ｖ₂を低下させるような動作をする。またシャントレギュレータＳＲの出力側には、保護抵抗Ｒ₃が接続される。

図２に示す強制放電回路２０の動作を、図３のグラフに基づいて説明する。電池セル２のセル電圧が設定電圧Ｖ_hを超えると、分圧抵抗Ｒ₁、Ｒ₂で分圧されたＶ₁が第一既定値を超えるように、予め分圧抵抗Ｒ₁、Ｒ₂が選択される。これにより、電池セル２のセル電圧が設定電圧Ｖ_hを超えると、比較回路２５のシャントレギュレータＳＲが、分圧Ｖ₁が第一既定値を超えたことを検出し、強制放電回路２０に放電開始トリガを送る。ここでは、シャントレギュレータＳＲが保護抵抗Ｒ₃を介して通電状態となって出力電圧Ｖ₂をＬｏｗとし、ＰＮＰトランジスタＴｒ_pをＯＮにすることで、放電抵抗２４の通電が開始される。これにより電池セル２が放電抵抗２４、ＰＮＰトランジスタＴｒ_p、ベース抵抗Ｒ_Bを介して強制的に放電されて、セル電圧を低下させるように作動する。一方、ベース抵抗Ｒ_Bの通電によってＮＰＮトランジスタＴｒ_nのベース電圧が上昇してＯＮ状態となり、出力電圧Ｖ₂の電位を下げる方向に作用する。この結果、正帰還状態となって電池セル２の放電が一層促進される。

この強制放電回路２０は、電池セル２のセル電圧が低下して、設定電圧Ｖ_h以下となっても、強制放電を直ちには停止せず、放電を継続する。そして電池セル２のセル電圧がさらに低下して、設定電圧Ｖ_hよりも低い第二設定電圧Ｖ_lに達したとき、強制放電を停止する。すなわち、判定素子は分圧Ｖ₁が設定電圧Ｖ_hに対応する分圧（第一既定値）以上になると制御信号をＯＮとし、第二設定電圧Ｖ_lに対応する分圧（第二既定値）以下になるとＯＦＦするように設定される。図３の例では、セル電池２として例えばリチウムイオン二次電池を使用する場合、設定電圧Ｖ_hを４．５Ｖ〜５．０Ｖ、第二設定電圧Ｖ_lを２．０Ｖ〜３．０Ｖに設定できる。

このように、一旦強制放電が開始されても、強制放電の結果、安全な電圧にまでセル電圧が低下して正常使用可能な状態に復帰すれば、システムを復旧させて動作を継続可能とすることで、より実用性を高めた電源装置を構築できる。さらに、このような復旧可能な強制放電回路２０は、復旧不可能な程に異常な電圧にセル温度が上昇した際に作動させる電流遮断部よりも、動作電圧を低く設定することで、電池セル２のセル電圧がどの程度通常電圧よりも上昇したか、その程度に応じて制御を変更し、安全性と実用性に配慮した区分けが可能となる。すなわち、ＣＩＤ９のような、一旦作動すると復旧不可能で動作を停止する強制放電回路２０を動作させるセル電圧よりも、低い電圧で強制放電回路２０を作動させることで、程度が比較的軽いフェイラーについては、復旧の見込みありと判定して、再度復旧可能な強制放電回路２０による強制放電を試み、これによってもセル電圧が低下せず、逆により高いセル電圧に至る場合には、電流遮断部により強制的に電流を遮断し、動作そのものを停止させることで安全を確保する。このような二段構えの保護によって、持続的な利用の要求と、安全性確保の要求に対応させることができる。

なお、判定素子はシャントレギュレータに限られず、ツェナーダイオードＺＤで構成してもよい。この場合は、図４に示すような比較回路２５Ｂを備えた強制放電回路２０Ｂとなる。あるいは、図５に示す強制放電回路２０Ｃのように、比較回路２５Ｃの判定素子を差動アンプＯＰで構成してもよい。図５の回路例では、差動アンプＯＰの第一入力（図５の例では−側）に基準電源を接続し、第二入力（図５の例では＋側）にセル電圧の分圧Ｖ₁を入力し、分圧Ｖ₁が設定電圧を超えると、差動アンプＯＰに接続されたトランジスタのベース電位を上昇させてコレクタ電流が増し、放電スイッチ２３をＯＮに切り換える信号を出力する。

上記のように、強制放電回路はアナログ回路で構成され、また以上の動作は、すべてハードウェア的に行われる。いいかえると、ソフトウェア的な動作を介在させていないことで、ノイズ耐性を高めた安定動作が得られる。またアナログ回路を構成する回路素子は、ディスクリート素子で構成することが好ましく、これにより回路のロバスト性が向上する。
（強制放電通知部３０）

さらに、強制放電回路は、強制放電の動作状態を出力する強制放電通知部３０を備えることもできる。このような例を変形例として図６及び図７に示す。強制放電通知部３０は、電池セル２の強制放電の発生を外部に出力するよう、放電スイッチ２３と接続されている。ここでは強制放電通知部３０はフォトカプラで構成され、入力側の発光ダイオードを放電スイッチ２３のＰＮＰトランジスタＴｒ_pと直列に接続し、出力側のトランジスタのコレクタ側を出力側に、エミッタ側をアース側に、それぞれ接続している。これにより、放電スイッチ２３がＯＮに切り換えられると、フォトカプラがＯＮ信号を出力し、電池セル２の電圧異常を外部に通知できる。なお図６に示す例では、強制放電通知部３０は放電スイッチ２３であるＰＮＰトランジスタＴｒ_pのコレクタ側とベース抵抗Ｒ_Bとの間に接続されているが、エミッタ側と放電抵抗との間に接続してもよいことはいうまでもない。

図７に示す電源装置１００Ｄにおいては、各電池セル２に強制放電通知部３０を設けると共に、各強制放電通知部３０の出力信号を、それぞれ制御部８に接続している。この電源装置１００Ｄによれば、電池セル２に強制放電が発生したこと、すなわちいずれかの電池セル２で電圧の異常な上昇が生じたことを、制御部８で検知することができる。制御部８はこの情報に従って、充放電電流の制限やサービスコールを促すなど、必要な処置を施すことができる。
（均等化回路４０）

さらに、強制放電回路の一部を、複数の電池セル間のアンバランスを解消する均等化回路に兼用することもできる。このような変形例を、図８、図９及び図１０に示す。これらの図において、図８は複数の電池セルの強制放電回路２０に均等化回路４０を接続したブロック図を、図９は各電池セルの直列接続回路２２に均等化回路４０を接続した強制放電回路２０の回路例を、図１０は均等化回路４０を備える電源装置１００Ｅのブロック図を、それぞれ示している。図９に示す例では、均等化回路４０の出力端子は、制御回路２１の制御出力端子と同じノードに接続されており、均等化回路４０も直列接続回路２２の放電スイッチ２３を制御して、均等化のための電池セル２の強制放電を行う。

均等化回路４０は、直列に接続された電池セル２のセル電圧を均等化するバランシングによって、アンバランスを解消する。均等化回路４０は、一つの電池セル２の電圧をセル電圧として検出して、各々の電池セル２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。電池セル２をリチウムイオン二次電池とする電源装置は、セル電圧を一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１０に示す電源装置１００Ｅは、複数の電池セル２を直列に接続して組電池１０とし、この組電池１０を構成する電池セル２の電圧を均等化する均等化回路４０を有する。この均等化回路４０は、電圧が高い電池セル２を放電抵抗２４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方式を採用することもできる。

図９及び図１０の均等化回路４０は、放電抵抗２４と放電スイッチ２３の直列接続回路２２と、各々のセル電圧を検出するセル電圧検出回路４と、このセル電圧検出回路４で検出されるセル電圧で放電スイッチ２３をＯＮ／ＯＦＦに制御するセル制御回路４１とを備える。放電抵抗２４と放電スイッチ２３の直列接続回路２２は、組電池１０の各々の電池セル２と並列に接続している。この均等化回路４０は、電池セル２のセル電圧が高くなるときに、セル制御回路４１で放電スイッチ２３をＯＮに切り変えて、放電抵抗２４で電池セル２を放電させて電池セル２の電圧を低下させる。

セル電圧検出回路４は、各々の電池セル２のセル電圧を検出する差動アンプ４２を有する。差動アンプ４２は、組電池１０から電力を供給される。組電池１０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４２に供給することができる。この回路構成によると、組電池１０の電圧が高くても、差動アンプ４２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４は、各々の電池セル２のセル電圧を検出するために、各々の電池セル２に差動アンプ４２の入力端子４３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、一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４２の出力信号は、マルチプレクサ４４を介してセル制御回路４１に入力される。マルチプレクサ４４は、差動アンプ４２の出力を順番に切り変えて、セル制御回路４１に入力する。

セル制御回路４１は、マルチプレクサ４４から入力される各々の電池セル２のセル電圧を比較して、全ての電池セル２のセル電圧を均等化するように放電スイッチ２３を制御する。このセル制御回路４１は、高すぎる電池セル２に接続している直列接続回路２２の放電スイッチ２３をＯＮに切り変えて放電させる。電池セル２は放電するに従って電圧が低下する。放電スイッチ２３は、電池セル２の電圧が他の電池セル２とバランスするまで低下すると、ＯＮからＯＦＦに切り変えられる。放電スイッチ２３がＯＦＦになると、電池セル２の放電は停止される。このように、セル制御回路４１は、高いセル電圧の電池セル２を放電して、全ての電池セル２のセル電圧をバランスさせる。

なお上記の例では、一の組電池１０に対して均等化回路４０を設けた例を説明したが、例えば複数の組電池をさらに直列に接続し、各組電池にそれぞれ均等化回路を設け、組電池全体でのアンバランスを解消するよう構成してもよい。

以上のようにして、各々の電池セルの電圧差を検出して電池セルの電圧差を均等化する均等化回路が、強制放電回路の放電スイッチを制御して放電抵抗に通電させ、電池セルの電圧差を均等化する。これにより、均等化回路と強制放電回路とで電池セルの強制放電のための部材を共通化して、回路構成を簡素化できる。

以上の車両用の電源装置は、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両に搭載されて、これらの車両の電源として使用される。

図１１に、エンジン５５とモータ５２の両方で走行するハイブリッドカーに車両用の電源装置１００Ｂを搭載する例を示す。この図に示す車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン５５及び走行用のモータ５２と、モータ５２に電力を供給する車両用の電源装置１００Ｂと、車両用の電源装置１００Ｂの電池を充電する発電機５３とを備えている。車両用の電源装置１００Ｂは、ＤＣ／ＡＣインバータ５１を介してモータ５２と発電機５３に接続している。車両ＨＶは、車両用の電源装置１００Ｂの電池を充放電しながらモータ５２とエンジン５５の両方で走行する。モータ５２は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ５２は、車両用の電源装置１００Ｂから電力が供給されて駆動する。発電機５３は、エンジン５５で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、車両用の電源装置１００Ｂの電池を充電する。

また、図１２に、モータ５２のみで走行する電気自動車に車両用の電源装置１００Ｃを搭載する例を示す。この図に示す車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ５２と、このモータ５２に電力を供給する車両用の電源装置１００Ｃと、この車両用の電源装置１００Ｃの電池を充電する発電機５３とを備えている。モータ５２は、車両用の電源装置１００Ｃから電力が供給されて駆動する。発電機５３は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、車両用の電源装置１００Ｃの電池を充電する。

本発明に係る電源装置及びこれを備える車両は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。

１００、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ…電源装置
２、３０２…電池セル
３…電流検出回路
４…セル電圧検出回路
８…制御部
９…ＣＩＤ
１０…組電池
１１…コンタクタ
２０、２０Ｂ、２０Ｃ…強制放電回路
２１…制御回路
２２…直列接続回路
２３…放電スイッチ
２４…放電抵抗
２５、２５Ｂ、２５Ｃ…比較回路
３０…強制放電通知部
４０…均等化回路
４１…セル制御回路
４２…差動アンプ
４３…入力端子
４４、３４４…マルチプレクサ
５０…車両側負荷
５１…ＤＣ／ＡＣインバータ
５２…モータ
５３…発電機
５５…エンジン
３００…電源装置
３０２…電池セル
３２０…放電回路
３２３…スイッチング素子
３２４…放電抵抗
３２６…マイクロコンピュータ
３２７…Ａ／Ｄコンバータ
３４０…均等化回路
Ｔｒ_p…ＰＮＰトランジスタ
Ｔｒ_n…ＮＰＮトランジスタ
Ｒ_B…ベース抵抗
Ｒ₁、Ｒ₂…分圧抵抗
Ｒ₃…保護抵抗
Ｖ₁、Ｖ₂…分圧
ＳＲ…シャントレギュレータ
ＺＤ…ツェナーダイオード
ＯＰ…差動アンプ
ＥＶ、ＨＶ…車両

Claims (14)

1. 充電可能な電池セルを複数、直列に接続してなる組電池と、
   各々の電池セルと並列に接続され、電池セルのセル電圧が設定電圧よりも高くなると強制的に放電するための強制放電回路と、
   を備える電源装置であって、
   前記強制放電回路がアナログ回路で構成されており、
   前記セル電圧が設定電圧よりも高くなると、前記強制放電回路が放電するよう構成してなることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記強制放電回路が、
   放電スイッチと放電抵抗とを直列に接続した直列接続回路と、
   前記セル電圧を検出して、該セル電圧が予め設定された設定電圧を超えると、前記直列接続回路の放電スイッチをＯＮに切り換える制御回路と、
   を備え、
   前記直列接続回路は電池セルと並列に接続されており、
   前記直列接続回路と並列に接続されたセル電圧が設定電圧を超えると、前記制御回路が前記放電スイッチをＯＮに切り換えて、設定電圧を超えた電池セルを強制放電するように構成してなることを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置であって、
   前記制御回路が、前記セル電圧を基準電圧に比較する比較回路を備え、
   前記セル電圧が設定電圧を超えると、前記比較回路が前記放電スイッチをＯＮに切り換えることを特徴とする電源装置。
4. 請求項３に記載の電源装置であって、
   前記比較回路が、所定の規定電圧に規定する判定素子を備えており、
   前記判定素子の基準電圧と前記セル電圧に関する電圧を比較し、該電圧が前記判定素子の基準電圧を超えると、前記比較回路が放電スイッチをＯＮに切り換える信号を出力するよう構成してなることを特徴とする電源装置。
5. 請求項４に記載の電源装置であって、
   前記セル電圧に関する電圧が、前記セル電圧を分圧抵抗で分圧した電圧であることを特徴とする電源装置。
6. 請求項４又は５に記載の電源装置であって、
   前記判定素子がシャントレギュレータ又はツェナーダイオードであることを特徴とする電源装置。
7. 請求項４に記載の電源装置であって、
   前記判定素子が、
   第一入力と第二入力を備える差動アンプと、
   前記差動アンプの第一入力に接続してなる基準電源と、
   を備えており、
   前記差動アンプは第二入力に前記セル電圧に関する電圧を入力しており、
   前記セル電圧に関する電圧が設定電圧を超えると、前記差動アンプが前記放電スイッチをＯＮに切り換える信号を出力するよう構成してなることを特徴とする電源装置。
8. 請求項１から７のいずれか一に記載の電源装置であって、さらに、
   前記強制放電回路における強制放電の動作状態を出力する強制放電通知部を備えることを特徴とする電源装置。
9. 請求項８に記載の電源装置であって、
   前記強制放電通知部がフォトカプラで構成され、
   前記フォトカプラの発光ダイオードが、前記放電スイッチと直列に接続されており、
   前記放電スイッチがＯＮに切り換えられると、前記フォトカプラがＯＮ信号を出力するよう構成してなることを特徴とする電源装置。
10. 請求項１から９のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記セル電圧が設定電圧よりも高くなると、前記強制放電回路が放電を開始し、
    前記セル電圧が低下し、前記設定電圧よりも低く設定された第二設定電圧よりも低くなると、前記強制放電回路が放電を停止するよう構成してなることを特徴とする電源装置。
11. 請求項１０に記載の電源装置であって、
    前記電池セルが、電池の電圧が設定電圧よりも高くなると電流を遮断する電流遮断部を備えており、
    前記電流遮断部が電流を遮断する電圧よりも、前記強制放電回路の放電スイッチがＯＮに切り換えられる設定電圧を低く設定してなることを特徴とする電源装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一に記載の電源装置であって、
    各々の電池セルの電圧差を検出して電池セルの電圧差を均等化する均等化回路を備えており、
    前記均等化回路が、前記直列接続回路の放電スイッチを制御して電池セルの電圧差を均等化することを特徴とする電源装置。
13. 請求項１から１２のいずれか一に記載の電源装置であって、
    前記強制放電回路がディスクリート素子で構成されたアナログ回路であることを特徴とする電源装置。
14. 請求項１から１３のいずれか一に記載の電源装置を備える車両。

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