JP2014090608A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多直列電池セルより構成される集合電池を用いる電源装置に関し、多直列電池セルの各電池セルの消費電流量のアンバランスを抑制しつつ、多直列電池セル全体の出力電圧より低い電圧を給電する電源回路に対して、該電源回路の最大入力電圧を、多直列電池セル全体の出力電圧より低下させる。
【解決手段】多直列電池セルの一部の電池セルである第１の電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）を用い、該第１の電池セルの出力電圧から給電電圧を生成する電源回路３−２と、多直列電池セルのうちの、電源回路に使用しない第２の電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）の電流を消費し、該第２の電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）に並列に接続された可変負荷抵抗１−１と、該第２の電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）に対して、電源回路３−２の入力電流積算量と同量の電流積算量を消費させるよう、可変負荷抵抗１−１の抵抗値を変化させるＣＰＵ１−２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、多直列電池セルより構成される集合電池を用いる電源装置に関する。

充電可能な多直列電池セルを用いる自動車用などでは、異なる電圧を供給する電源装置が要求される場合がある。異なる電圧を供給する電源装置の例を図３に示す。図３は、ｎ個の多直列電池セルより構成される集合電池を使用して、該ｎ個の多直列電池セル全体の電圧Ｖ１より低い給電電圧Ｖ３を生成する電源装置を示している。

図３の（ａ）は、ｎ個の多直列電池セル全体の電圧Ｖ１を、該電圧Ｖ１より低い給電電圧Ｖ３に変換して出力する電源回路３−１を用いる例を示している。電源回路３−１は、ｎ個の多直列電池セルから出力される高電圧Ｖ１から、ＤＣ−ＤＣコンバータ等により電圧を変換して低電圧Ｖ３の給電電圧を生成する。

図３の（ｂ）は、ｎ個の多直列電池セルの途中の電池セルから、給電電圧Ｖ３近傍の出力電圧Ｖ２を取り出し、該電圧Ｖ２を給電電圧Ｖ３に変換して出力する電源回路３−２を用いる例を示している。図３の（ｂ）の電源回路３−２は、ｎ個の多直列電池セルのうち、ｋ個（ｋ＜ｎ）の多直列電池セルを用い、該ｋ個の多直列電池セルから出力される電圧Ｖ２を給電電圧Ｖ３に変換又は調節して出力する。

自動車に用いられ、異なる電圧を給電する電源装置については、例えば下記の特許文献１等に記載されている。特許文献１には、互いに異なる電源系システムに対応した電気エネルギを供給する車両用電源を備え、該車両用電源に、設定電圧毎の電気エネルギを中間電圧として取り出す複数の出力手段を配設し、この出力手段に、同時に消費される電力がほぼ均等となるように分割された一電源系システムをそれぞれ接続した自動車用電源システムが開示されている。

特開２００３−９５０３９号公報

異なる電圧を供給する電源装置として、図３の（ａ）に示すような、ｎ個の多直列電池セルの高電圧Ｖ１から低電圧の給電電圧Ｖ３を生成する電源回路３−１を用いる場合、ｎ個の多直列電池セルの電圧Ｖ１が給電電圧Ｖ３に対して格段に高い場合があり、その場合、電源回路３−１の最大入力電圧は、給電電圧Ｖ３に対して極めて高い電圧となる。その結果、電源回路３−１の部品等の構成要素には、高電圧に対する耐圧性が要求され、また、大きな熱損失が生じ、部品点数の増加、回路の大型化を招くなどの課題を生じる。

一方、図３の（ｂ）に示すような、ｎ個の多直列電池セルの途中の電池セルから出力される電圧Ｖ２から給電電圧Ｖ３を生成する電源回路３−２を用いる場合、ｎ個の多直列電池セルのうち、電源回路３−２に使用される一番目からｋ番目までの多直列電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）と、電源回路３−２に使用されないｋ＋１番目からｎ番目までの多直列電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）とで、電流消費量にアンバランスを生じる。その結果、過充電又は過放電に対する保護の制約条件から、ｎ個の多直列電池セル全体としての使用可能領域が狭くなってしまうという課題を生じる。

上記課題に鑑み、本発明では、多直列電池セルを構成する各電池セルの消費電流量のアンバランスを抑制しつつ、該多直列電池セル全体の出力電圧より低い電圧を給電する電源回路に対して、該電源回路の最大入力電圧を、多直列電池セル全体の出力電圧より低下させることができる電源装置を提供する。

上記課題を解決する電源装置は、多直列電池セルから構成される集合電池のうちの一部の電池セルである第１の電池セルを用い、該第１の電池セルの出力電圧から給電電圧を生成する電源回路と、前記多直列電池セルのうちの、前記電源回路に使用しない第２の電池セルの電流を消費し、該第２の電池セルに並列に接続された可変負荷抵抗と、前記第２の電池セルに対して、前記電源回路の入力電流積算量と同量の電流積算量を消費させるよう、前記可変負荷抵抗の抵抗値を変化させるＣＰＵと、を備えたものである。

また、前記可変負荷抵抗に代えて、スイッチと負荷抵抗との直列回路を用い、前記第２の電池セルに対して、前記電源回路の入力電流積算量と同量の電流積算量を消費させるよう、前記スイッチの導通・非導通を制御するＣＰＵを備えたものである。

また、前記可変負荷抵抗又はスイッチと負荷抵抗との直列回路に代えて、前記多直列電池セルを構成する各電池セルのそれぞれに並列接続され、該各電池セルの電流を消費する、バイパス抵抗とバイパススイッチとの直列回路と、前記電源回路に使用する前記一部の電池セルの残存容量と、前記電源回路に使用しない電池セルの残存容量が揃うよう、前記バイパススイッチのオン・オフを制御し、各電池セルの電流の消費量を制御するコントローラと、を備えたものである。

本発明によれば、多直列電池セルの一部の電池セルの出力電圧から給電電圧を生成する電源回路を備え、該電源回路に使用される電池セルの消費電流量と同量の電流積算量を、該電源回路に用いられない電池セルで消費させるよう制御することにより、多直列電池セルを構成する各電池セルの消費電流量のアンバランスを抑制しつつ、該多直列電池セル全体の出力電圧より低い電圧を給電する電源回路に対して、該電源回路の最大入力電圧を低下させることが可能となり、該電源回路の小型化・低コスト化を図ることが可能となる。

本発明に係る電源装置の第１及び第２の実施形態を示す図である。 本発明に係る電源装置の第３の実施形態を示す図である。 異なる電圧を供給する電源装置の例を示す図である。

以下、本発明に係る電源装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る電源装置の第１及び第２の実施形態を示し、図２は、該電源装置の第３の第２の実施形態を示す。

本発明に係る電源装置は、ｎ個の多直列電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）から構成される集合電池のうちの一部の電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）（ｋ＜ｎ）を用い、該一部の電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）の出力電圧Ｖ２から給電電圧Ｖ３を生成する電源回路３−２を備える。

図１の（ａ）に示す第１の実施形態では、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）の電流を消費する可変負荷抵抗１−１を、該電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）に並列に接続する。そして、電源回路３−２の入力電流積算量（セル＃１〜セル＃ｋの消費電流量）を、電流センサ１−３を用いて測定し、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）に対して、電源回路３−２の入力電流積算量と同量の電流積算量を消費するよう、ＣＰＵ１−２により可変負荷抵抗１−１の抵抗値を変化させる。

こうすることにより、電源回路３−２に使用する電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）と、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）との、消費電流量のアンバランスを抑制しつつ、ｎ個の多直列電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）のうちの一部の電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）の出力電圧Ｖ２から給電電圧Ｖ３を生成することにより、電源回路３−２の最大入力電圧を低下させることができる。

図１の（ａ）の第１の実施形態では、消費電流量のアンバランスの抑制を、ＣＰＵ１−２による可変負荷抵抗１−１の制御により行うものであったが、図１の（ｂ）に示す第２の実施形態として、消費電流量のアンバランスの抑制を、ＣＰＵ１−２による放電回路のスイッチ１−４の導通・非導通の制御により行う実施形態とすることができる。

即ち、図１の（ａ）の第１の実施形態で用いた可変負荷抵抗１−１に代えて、第２の実施形態では、図１の（ｂ）に示すように、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）から電流を放電させる放電回路を、スイッチ１−４と負荷抵抗１−５との直列回路により構成する。そして、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）が、電源回路３−２の入力電流積算量と同量の電流積算量を放電するように、ＣＰＵ１−２によりスイッチ１−４の導通・非導通（オン・オフ）を制御する。

こうすることにより、第１の実施形態と同様に、電源回路３−２に使用する電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）と、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）との、消費電流量のアンバランスを抑制しつつ、ｎ個の多直列電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）のうちの一部の電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）の出力電圧Ｖ２から給電電圧Ｖ３を生成することにより、電源回路３−２の最大入力電圧を低下させることができる。

なお、上述の第１及び第２の実施形態では、ｎ個の多直列電池セルを構成する各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）の消費電流量のアンバランスを検出するために、電源回路３−２の入力電流積算量（セル＃１〜セル＃ｋの消費電流量）を電流センサ１−３を用いて測定する構成としたが、このような構成に代えて、ｎ個の多直列の各電池セルの電圧又は複数個の多直列電池セルの電圧を測定し、各電池セルの電圧が均等になるように、ＣＰＵ１−２が可変負荷抵抗１−１の抵抗値を制御し、又はスイッチ１−４の導通・非導通（オン・オフ）を制御する構成としてもよい。

例えば、電源回路３−２に使用する多直列電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）の出力電圧Ｖ２を測定し、ｎ個の多直列電池セル全体の出力電圧Ｖ１から該出力電圧Ｖ２を減算して、電源回路３−２に使用しない多直列電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）の電圧（＝Ｖ１−Ｖ２）を算定し、各多直列電池セルの１個当たりの電池セルの電圧が均等になるよう、ＣＰＵ１−２により可変負荷抵抗１−１又はスイッチ１−４を制御する構成としてもよい。

更に、第３の実施形態として、図２に示すように、パッシブセルバランス機能を有する電圧監視ＩＣ２−１０により、各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）の電圧を測定し、パッシブセルバランス機能を用いて、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）の電流を放電させる構成としても良い。

パッシブセルバランス機能は、多直列電池セルを構成する各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）のそれぞれに並列接続された、バイパス抵抗２−１１とバイパススイッチ２−１２との直列回路に対して、コントローラ２−１３によりバイパススイッチ２−１２のオン・オフを制御して、各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）の放電電流を制御し、各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）の残存容量を揃える機能である。

パッシブセルバランス機能を有する電圧監視ＩＣ２−１０内のコントローラ２−１３は、ＣＰＵ１−２からの指令により、各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）の電圧を測定し、各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）の残存容量を揃えるためのバイパススイッチ２−１２のオン時間を算出し、算出したオン時間の間、バイパススイッチ２−１２をオン状態とし、バイパス抵抗２−１１を介して各電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）から電流を放電させて残存容量を揃える。

より好ましくは、電源回路３−２に使用する電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）の残存容量と、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）の残存容量が揃うように、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）に並列接続されたバイパススイッチ２−１２のオン状態にして、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）から電流を放電させる。

こうすることにより、第１及び第２の実施形態と同様に、電源回路３−２に使用する電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）と、電源回路３−２に使用しない電池セル（セル＃ｋ＋１〜セル＃ｎ）との、消費電流量のアンバランスを抑制しつつ、ｎ個の多直列電池セル（セル＃１〜セル＃ｎ）のうちの一部の電池セル（セル＃１〜セル＃ｋ）の出力電圧Ｖ２から給電電圧Ｖ３を生成することにより、電源回路３−２の最大入力電圧を低下させることができる。

以上、本発明に係る電源装置の実施形態について説明したが、本発明に係る電源装置は、以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を採ることができる。

１−１ 可変負荷抵抗
１−２ ＣＰＵ
１−３ 電流センサ
１−４ スイッチ
１−５ 負荷抵抗
２−１０ 電圧監視ＩＣ
２−１１ バイパス抵抗
２−１２ バイパススイッチ
２−１３ コントローラ
３−１ 電源回路
３−２ 電源回路

Claims (3)

1. 多直列電池セルから構成される集合電池のうちの一部の電池セルである第１の電池セルを用い、該第１の電池セルの出力電圧から給電電圧を生成する電源回路と、
   前記多直列電池セルのうちの、前記電源回路に使用しない第２の電池セルの電流を消費し、該第２の電池セルに並列に接続された可変負荷抵抗と、
   前記第２の電池セルに対して、前記電源回路の入力電流積算量と同量の電流積算量を消費させるよう、前記可変負荷抵抗の抵抗値を変化させるＣＰＵと、
   を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 多直列電池セルから構成される集合電池のうちの一部の電池セルである第１の電池セルを用い、該第１の電池セルの出力電圧から給電電圧を生成する電源回路と、
   前記多直列電池セルのうちの、前記電源回路に使用しない第２の電池セルの電流を消費し、該第２の電池セルに並列に接続された、スイッチと負荷抵抗との直列回路と、
   前記第２の電池セルに対して、前記電源回路の入力電流積算量と同量の電流積算量を消費させるよう、前記スイッチの導通・非導通を制御するＣＰＵと、
   を備えたことを特徴とする電源装置。
3. 多直列電池セルから構成される集合電池のうちの一部の電池セルを用い、該一部の電池セルの出力電圧から給電電圧を生成する電源回路と、
   前記多直列電池セルを構成する各電池セルのそれぞれに並列接続され、該各電池セルの電流を消費する、バイパス抵抗とバイパススイッチとの直列回路と、
   前記電源回路に使用する前記一部の電池セルの残存容量と、前記電源回路に使用しない電池セルの残存容量が揃うよう、前記バイパススイッチのオン・オフを制御し、各電池セルの電流の消費量を制御するコントローラと、
   を備えたことを特徴とする電源装置。

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