JP2013046433A - セルバランス装置およびバッテリシステム - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ回路に過電流が流れた時、保護を掛けてスイッチ回路が破壊される事を防止できるセルバランス装置及びバッテリシステムを提供する。
【解決手段】セルバランス装置を、直列に接続された複数の蓄電器の接続点または両端が接続される複数の蓄電器接続端子と、電圧保持装置が接続される電圧保持装置接続端子と、複数の蓄電器接続端子と電圧保持装置の間に設けられた複数の第一のスイッチ回路と、同期信号を受信する受信端子と、同期信号を送信する送信端子と、同期信号に基づいて複数の第一のスイッチ回路のオンオフを制御する制御回路と、第一のスイッチ回路に流れる過電流を検出する過電流検出回路で構成した。
こうしてスイッチ回路に過電流が流れた時、過電流を検出してスイッチ回路をオフさせることができ、スイッチ回路が破壊される事を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続された二次電池のセルバランスをとるセルバランス装置及びバッテリシステムに関し、特に、過電流によりセルバランス装置のスイッチ回路が破壊される事を防止できるセルバランス装置およびバッテリシステムに関する。

図５に、従来のセルバランス調整回路の回路図を示す。従来のセルバランス調整回路を備えたセルバランス装置は、基本となる二次電池セル（以下、セルと称する）４０１〜４０６を複数直列接続した組電池の部分と、各セルの接続部分に一方の接点を接続したスイッチ４１１〜４６２を設けている。スイッチ４１１、４２１、４３１、４４１、４５１、４６１の他方の接点は、電圧保持装置であるコンデンサ４０７の一方の電極に接続し、スイッチ４１２、４２２、４３２、４４２、４５２、４６２のセル側でない接点は電圧保持装置４０７の他の電極に接続している。組電池の両端には、負荷回路または充電回路４０８が接続される。

各スイッチの開閉信号は、スイッチ４１１とスイッチ４１２が同時に動作するように接続されている。同様に、スイッチ４２１とスイッチ４２２、スイッチ４３１とスイッチ４３２、スイッチ４４１とスイッチ４４２、スイッチ４５１とスイッチ４５２、スイッチ４６１とスイッチ４６２とがそれぞれ対応した２個を一組としたスイッチとして同時に開閉動作するような信号が接続されるようになっている。また、スイッチ開閉信号は、スイッチ４１１とスイッチ４１２をオンオフ→スイッチ４２１とスイッチ４２２をオンオフ→スイッチ４３１とスイッチ４３２をオンオフ→スイッチ４４１とスイッチ４４２をオンオフ→スイッチ４５１とスイッチ４５２をオンオフ→スイッチ４６１とスイッチ４６２をオンオフと、順次接続のオンオフを行う。スイッチ４６１とスイッチ４６２のオンオフを終了したら、最初のスイッチ４１１とスイッチ４１２のオンオフ動作に戻り、繰り返しスイッチの開閉を継続的に行うような開閉信号をそれぞれのスイッチの制御部に接続している。

次に、動作について説明する。直列接続されて隣接しているセルと電圧保持装置４０７との間に並列接続を形成しながらスイッチの切り替えを一方向に順次走査することにより、直列接続されてすべてのセルと電圧保持装置４０７との間に順次並列接続を形成する。そして、制御対象となる組電池内のすべてのセルとの並列接続の形成を完了した後、最初のセルに戻り同様の切り替え動作を繰り返し行うことでセルバランスを調整している。

スイッチ４１１と４１２は同時に開閉動作をする信号を受ける構成となっており、スイッチ４２１とスイッチ４２２も同時に開閉動作をする構成となっている。以下同様にスイッチ４３１とスイッチ４３２、スイッチ４４１とスイッチ４４２、スイッチ４５１とスイッチ４５２、スイッチ４６１とスイッチ４６２の各スイッチの組み合わせにおいて同時に開閉動作を行っている。スイッチ４１１とスイッチ４１２から開閉が順次進み、スイッチ４６１とスイッチ４６２の開閉が終了した後は、再度スイッチ４１１とスイッチ４１２の開閉を開始し、この動作を順次繰り返していく。すべてのセルにおいてバランス状態が維持されセルの電圧が同じ場合は、電圧保持回路４０７とセルとの間では電荷の受け渡しは発生しない。各スイッチの開閉動作が行われても個々のセルの状態には何も影響を受けることはない。一方、セルのバランスがずれている場合は、バランス調整機能を発揮する。

特開２００１−１７８００８号公報

しかしながら従来の技術では、スイッチに過電流が流れた場合、スイッチを破壊してセルバランス装置の信頼性を低下させるという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、スイッチに過電流が流れた時保護を掛けてスイッチが破壊される事を防止できるセルバランス装置及びバッテリシステムを提供するものである。

従来の課題を解決するために、本発明のセルバランス装置は以下のような構成とした。
直列に接続された複数の蓄電器のセルバランスを調整するバッテリシステムを構成するセルバランス装置であって、直列に接続された複数の蓄電器の接続点または両端が接続される複数の蓄電器接続端子と、電圧保持装置が接続される電圧保持装置接続端子と、複数の蓄電器接続端子と電圧保持装置の間に設けられた複数の第一のスイッチ回路と、同期信号を受信する受信端子と、同期信号を送信する送信端子と、同期信号に基づいて複数の第一のスイッチ回路のオンオフを制御する制御回路と、第一のスイッチ回路に流れる過電流を検出する過電流検出回路と、を備えたことを特徴とするセルバランス装置。

また、直列に接続された複数の蓄電器と、直列に接続された複数の電圧保持装置と、同期信号を出力するクロック発生回路と、直列に接続された複数の蓄電器の接続点または両端が複数の蓄電器接続端子に接続され、直列に接続された複数の電圧保持装置接続点または両端が電圧保持装置接続端子に接続された複数のセルバランス装置と、を備えたことを特徴とするバッテリシステム。

本発明によれば、スイッチ回路に過電流が流れた時、過電流を検出してスイッチ回路をオフさせる構成にすることにより、スイッチ回路が破壊される事を防止できる。

本実施形態のセルバランス装置を備えたバッテリシステムの回路図である。 本実施形態のセルバランス装置の回路図である。 本実施形態のセルバランス装置の信号のタイミングチャートを示した図である。 本実施形態のセルバランス装置の過電流検出回路の回路図である。 従来のセルバランス調整回路を備えたセルバランス装置の回路図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態のセルバランス装置を備えたバッテリシステムの回路図である。図２は、本実施形態のセルバランス装置の回路図である。図４は、本実施形態のセルバランス装置の過電流保護回路の回路図である。

本実施形態のバッテリシステム１０は、クロック発生回路１０２、直列接続されたｎ＋１個の二次電池Ａ１〜Ａｎ＋１、ｎ個のセルバランス装置Ｂ１〜Ｂｎ、ｎ−１個の電圧保持装置（コンデンサ）Ｃ１〜Ｃｎ−１と、充電器１０１や負荷が接続される外部端子と、を備えている（ｎは２以上の整数）。

１番目のセルバランス装置Ｂ１は、スイッチ回路Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１と、制御回路２０１と、過電流検出回路２１１、２２１、２３１と、端子Ｔ１１、Ｔ２１、Ｔ３１、Ｔ４１、Ｔ５１、Ｔ６１で構成されている。他のセルバランス装置Ｂ２〜Ｂｎも同様である。過電流検出回路２３１は、コンパレータ５０３と、定電流回路５０２と、スイッチ回路５０１で構成されている。他の過電流検出回路も同様に構成されている。

セルバランス装置Ｂ１は、端子Ｔ１１が二次電池Ａ１の負極に接続され、端子Ｔ２１が二次電池Ａ１の正極及びセルバランス装置Ｂ２の端子Ｔ１２に接続され、端子Ｔ３１が二次電池Ａ２の正極及びセルバランス装置Ｂ２の端子Ｔ２２に接続され、端子Ｔ４１が電圧保持装置Ｃ１の一方の端子に接続され、端子Ｔ５１がクロック発生回路１０２の出力に接続され、端子Ｔ６１がセルバランス装置Ｂ２の端子Ｔ５２に接続される。セルバランス装置Ｂ２は、端子Ｔ２２がセルバランス装置Ｂ３の端子Ｔ１３に接続され、端子Ｔ３２が二次電池Ａ３の正極及びセルバランス装置Ｂ３の端子Ｔ２３に接続され、端子Ｔ４２が電圧保持装置Ｃ２の一方の端子および電圧保持装置Ｃ１の他方の端子に接続され、端子Ｔ６２がセルバランス装置Ｂ３の端子Ｔ５３に接続される。そして、ｎ−１番目のセルバランス装置Ｂｎ−１までは、セルバランス装置Ｂ２と同様に接続される。セルバランス装置Ｂｎは、端子Ｔ１ｎが二次電池Ａｎの負極に接続され、端子Ｔ２ｎが二次電池Ａｎの正極及びセルバランス装置Ｂｎ−１の端子Ｔ３ｎ−１に接続され、端子Ｔ３ｎが二次電池Ａｎ＋１の正極に接続され、端子Ｔ４ｎが電圧保持装置Ｃｎ−１に接続される。

セルバランス装置Ｂ１は、スイッチ回路Ｓ１１が端子Ｔ１１および端子Ｔ４１に接続され、スイッチ回路Ｓ２１が端子Ｔ２１および端子Ｔ４１に接続され、スイッチ回路Ｓ３１が端子Ｔ３１および端子Ｔ４１に接続される。過電流検出回路２１１の入力はスイッチ回路Ｓ１１の両端に接続され、出力は制御回路２０１に接続される。過電流検出回路２２１の入力はスイッチ回路Ｓ２１の両端に接続され、出力は制御回路２０１に接続される。過電流検出回路２３１の入力はスイッチ回路Ｓ３１の両端に接続され、出力は制御回路２０１に接続される。スイッチ回路Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１は、制御回路２０１の信号によってオンオフ制御される。他のセルバランス装置Ｂ２〜Ｂｎも同様に接続される。

過電流検出回路２３１は、コンパレータ５０３の非反転入力端子に端子Ｔ４１が接続され、反転入力端子にスイッチ回路５０１および定電流回路５０２が接続され、出力端子に制御回路２０１が接続される。スイッチ回路５０１のもう一方は端子Ｔ３１に接続され、定電流回路５０２のもう一方は二次電池Ａ１の負極に接続される。スイッチ回路Ｓ３１、５０１は、制御回路２０１の信号を入力する事で同時にオンオフ制御される。他の過電流検出回路も同様に接続される。

次に、本実施形態のバッテリシステム１０の動作について説明する。図３は、本実施形態のセルバランス装置の信号のタイミングチャートを示した図である。

時刻ｔ０において、バッテリシステム１０の外部端子に充電器１０１が接続されると、クロック発生回路１０２はクロック信号ＣＬＫを出力する。セルバランス装置Ｂ１は、端子Ｔ５１にクロック信号ＣＬＫを受信すると、制御回路２０１がクロック信号ＣＬＫに同期してスイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ３１をオンする信号を発生し、順次出力する。また、制御回路２０１は、クロック信号ＣＬＫを端子Ｔ６１に出力する。次のセルバランス装置Ｂ２は、端子Ｔ５２にセルバランス装置Ｂ１からクロック信号ＣＬＫを受信する。このようにして、クロック信号ＣＬＫは、セルバランス装置Ｂｎまで伝達され、全てのセルバランス装置Ｂ１〜Ｂｎは同期を取ることが出来る。従って、スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１ｎと、スイッチ回路Ｓ２１〜Ｓ２ｎと、スイッチ回路Ｓ３１〜Ｓ３ｎは、同期して順次オンするように制御される。

時刻ｔ１において、スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１ｎがすべてオンし、スイッチ回路Ｓ２１〜Ｓ２ｎとスイッチ回路Ｓ３１〜Ｓ３ｎがすべてオフすると、二次電池Ａ１〜Ａｎ−１は電圧保持装置Ｃ１〜Ｃｎ−１とそれぞれ並列接続される。そして、二次電池Ａ１〜Ａｎ−１と電圧保持装置Ｃ１〜Ｃｎ−１は、それぞれ放電もしくは充電を行う。

時刻ｔ２において、スイッチ回路Ｓ２１〜Ｓ２ｎがすべてオンし、スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１ｎとスイッチ回路Ｓ３１〜Ｓ３ｎがすべてオフすると、二次電池Ａ２〜Ａｎは電圧保持装置Ｃ１〜Ｃｎ−１とそれぞれ並列接続される。そして、二次電池Ａ２〜Ａｎと電圧保持装置Ｃ１〜Ｃｎ−１は、それぞれ放電もしくは充電を行う。

時刻ｔ３において、スイッチ回路Ｓ３１〜Ｓ３ｎがすべてオンし、スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１ｎとスイッチ回路Ｓ２１〜Ｓ２ｎがすべてオフすると、二次電池Ａ３〜Ａｎ＋１は電圧保持装置Ｃ１〜Ｃｎ−１とそれぞれ並列接続される。そして、二次電池Ａ３〜Ａｎ＋１と電圧保持装置Ｃ１〜Ｃｎ−１は、それぞれ放電もしくは充電を行う。

そして、全てのセルバランス装置Ｂ１〜Ｂｎは、３クロックを一周期として同様の動作を繰り返す。
そして、バッテリシステム１０の外部端子から充電器１０１が外されると、クロック発生回路１０２はクロック信号ＣＬＫの出力を停止して、セルバランスの動作を終了する。

このようにして、二次電池Ａ１〜Ａｎ＋１と電圧保持装置Ｃ１〜Ｃｎ−１の間で充放電を繰り返すことで、二次電池Ａ１〜Ａｎ＋１の電圧を平均化し、電圧のばらつきを減少させることができる。そして、バランスを取るべき二次電池数に応じて複数の電圧保持装置を備えた構成としたため、セルバランス装置のバランス能力を高くすることができる（バランスをとる速度を早くできる）。

スイッチ回路Ｓ３１〜Ｓ３ｎが全てオンした状態で端子Ｔ２１と端子Ｔ４１がショートすると、二次電池Ａ２からスイッチ回路Ｓ３１を介して電流が流れる。この時、スイッチ回路５０１も同時にオンし、定電流回路５０２から電流が流れ、スイッチ回路５０１のオン抵抗によりコンパレータ５０３の反転入力端子の電圧が下降して一定電圧を保持する。スイッチ回路Ｓ３１に電流が流れ続け、コンパレータ５０３の非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧を下回ると、コンパレータ５０３はＬｏの信号を出力する。制御回路２０１は、この信号を受けてスイッチ回路Ｓ３１をオフさせる。こうして、二次電池Ａ２からスイッチ回路Ｓ３１を介して過電流が流れる事を止め、スイッチ回路Ｓ３１が破壊される事を防ぐことができる。

スイッチ回路Ｓ３１のオン抵抗ＲｏｎＳ３１とスイッチ回路５０１のオン抵抗Ｒｏｎ５０１はＲｏｎＳ３１÷Ｒｏｎ５０１＝Ｎ（定数）となるように設定する。過電流検出電流をＩｏｃ、定電流回路５０２の電流をＩｒｅｆとすると、Ｉｒｅｆ＝Ｉｏｃ×ＲｏｎＳ３１÷Ｒｏｎ５０１となるように設定する。過電流検出電流Ｉｏｃは、定電流Ｉｒｅｆの電流値と温度特性および、スイッチ回路５０１のオン抵抗と温度特性を調整する事で設定できる。例えば、Ｎが０．００１になるようにオン抵抗Ｒｏｎ５０１を設定すれば、定電流Ｉｒｅｆは過電流検出電流Ｉｏｃの１／１０００でよく、スイッチ回路５０１をＭＯＳトランジスタで構成した場合にスイッチ回路Ｓ３１と比較して小さなものでよい。

スイッチ回路Ｓ３１〜Ｓ３ｎが全てオンした状態で端子Ｔ１１と端子Ｔ４１がショートすると、二次電池Ａ１、Ａ２からスイッチ回路Ｓ３１を介して電流が流れる。この時、スイッチ回路５０１も同時にオンし、定電流回路５０２から電流が流れ、スイッチ回路５０１のオン抵抗によりコンパレータ５０３の反転入力端子の電圧が下降して一定電圧を保持する。スイッチ回路Ｓ３１に電流が流れ続け、コンパレータ５０３の非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧を下回ると、コンパレータ５０３はＬｏの信号を出力する。制御回路２０１は、この信号を受けてスイッチ回路Ｓ３１をオフさせる。こうして、二次電池Ａ１、Ａ２からスイッチ回路Ｓ３１を介して過電流が流れる事を止め、スイッチ回路Ｓ３１が破壊される事を防ぐことができる。以下スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１ｎ、Ｓ２１〜Ｓ２ｎも同様の動作で過電流保護をかける事ができる。スイッチ回路のオン抵抗、定電流回路の電流値の設定方法も同様である。

スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１ｎが全てオンした状態で端子Ｔ２１と端子Ｔ４１がショートすると、二次電池Ａ１からスイッチ回路Ｓ１１を介して電流が流れる。この時、スイッチ回路Ｓ１１はオン抵抗によって両端に電圧が発生し、この電圧を過電流検出回路２１１で検出する事で過電流検出回路２１１の出力端子から制御回路２０１に信号を出力する。制御回路２０１は、この信号を受けてスイッチ回路Ｓ１１をオフさせる。こうして、二次電池Ａ１からスイッチ回路Ｓ１１を介して電流が流れる事を止め、スイッチ回路Ｓ１１が破壊される事を防ぐことができる。

スイッチ回路Ｓ１１〜Ｓ１ｎが全てオンした状態で端子Ｔ３１と端子Ｔ４１がショートすると、二次電池Ａ１、Ａ２からスイッチ回路Ｓ１１を介して電流が流れる。この時、スイッチ回路Ｓ１１はオン抵抗によって両端に電圧が発生し、この電圧を過電流検出回路２１１で検出する事で過電流検出回路２１１の出力端子から制御回路２０１に信号を出力する。制御回路２０１は、この信号を受けてスイッチ回路Ｓ１１をオフさせる。こうして、二次電池Ａ１、Ａ２からスイッチ回路Ｓ１１を介して電流が流れる事を止め、スイッチ回路Ｓ１１が破壊される事を防ぐことができる。以下、他の端子とショートした時も同様に電流を検出してスイッチ回路Ｓ１１が破壊される事を防ぐことができる。また、スイッチ回路Ｓ２１〜Ｓ２ｎがオンしたときやセルバランス装置Ｂ２からＢｎについても同様に、端子間でショートした時の電流を検出し、スイッチ回路が破壊される事を防ぐことができる。

なお、スイッチ回路に流れる電流を検出する回路の方式は上記の構成に限定されるものではない。
また、本実施形態のセルバランス装置は、直列に接続された二次電池Ａ１〜Ａｎ＋１のセルバランスをとるものとして説明したが、二次電池に限らず、蓄電機能を有する蓄電器であれば同様の効果が得られる。

以上に説明したように、本実施形態のセルバランス装置を備えたバッテリシステムによれば、スイッチ回路に流れる過電流を検出してスイッチ回路をオフし、破壊される事を防ぐことができる。

Ａ１〜Ａｎ＋１ 二次電池
Ｂ１〜Ｂｎ セルバランス装置
Ｃ１〜Ｃｎ−１ 電圧保持装置
１０１ 充電器
１０２ クロック発生回路
２０１〜２０ｎ 制御回路
２１１〜２１ｎ、２２１〜２２ｎ、２３１〜２３ｎ 過電流検出回路
５０２ 定電流回路
５０３ コンパレータ

Claims (3)

1. 直列に接続された複数の蓄電器のセルバランスを調整するバッテリシステムを構成するセルバランス装置において、
   前記直列に接続された複数の蓄電器の接続点または両端が接続される複数の蓄電器接続端子と、
   電圧保持装置が接続される電圧保持装置接続端子と、
   前記複数の蓄電器接続端子と前記電圧保持装置の間に設けられた複数の第一のスイッチ回路と、
   同期信号を受信する受信端子と、
   前記同期信号を送信する送信端子と、
   前記同期信号に基づいて複数の前記第一のスイッチ回路のオンオフを制御する制御回路と、
   前記第一のスイッチ回路に流れる過電流を検出する過電流検出回路と、を備えたことを特徴とするセルバランス装置。
2. 前記過電流検出回路は、前記第一のスイッチ回路と同時にオンオフ制御される第二のスイッチ回路と、
   前記第二のスイッチ回路に定電流を流す定電流回路と、
   前記第一のスイッチ回路のオン抵抗と電流に基づく電圧と、前記第二のスイッチ回路のオン抵抗と前記定電流に基づく電圧と、を比較する比較回路と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のセルバランス装置。
3. 直列に接続された複数の蓄電器と、
   直列に接続された複数の電圧保持装置と、
   前記同期信号を出力するクロック発生回路と、
   前記直列に接続された複数の蓄電器の接続点または両端が前記複数の蓄電器接続端子に接続され、前記直列に接続された複数の電圧保持装置接続点または両端が前記電圧保持装置接続端子に接続された複数の請求項１または２のいずれかに記載のセルバランス装置と、を備えたことを特徴とするバッテリシステム。

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