JP2014121139A - シャント回路、充電システム、及び集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】過充電を回避可能なシャント回路、充電システム、及び集積回路を提供すること。
【解決手段】シャント回路Ｓ１は、シャント抵抗Ｒ_shuntと、シャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣに並列接続されるトランジスタ４と、セルＣに供給されるバッテリ電圧Ｖ_batと所定の検出電圧Ｖ_chgとを比較する第１オペアンプ２と、バッテリ電圧Ｖ_batが検出電圧Ｖ_chgに達すると、充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shuntを分流させるためのトランジスタ４を駆動する第２オペアンプ３とを備え、段階的に検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、シャント回路、充電システム、及び集積回路に関する。

従来、直列接続された複数のセル（リチウムイオン電池セル等）を一括充電することで、充電器のリソース削減が図られている。このような充電方式では、セルバランスの不整合により過充電されてしまうセルが発生する。このため、過充電を回避する手段としてシャント抵抗方式が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２０１２−１４７５８７号公報 特開２０１２−２２８００２号公報

しかしながら、従来のシャント抵抗方式では、単にスイッチをオンしてシャント電流を流す構成であるため、過充電を避けられないケースが発生する。例えば、セルが経時変化により劣化している場合は、セルに供給されるバッテリ電圧の上昇を十分に抑えることができず、過充電されてしまうセルが生じる。特にリチウムイオン電池セルは過充電に対して寿命特性が低下する特性があるため、過充電を回避することが求められている。

本発明の目的は、過充電を回避可能なシャント回路、充電システム、及び集積回路を提供することにある。

本発明の一態様によれば、シャント抵抗と、前記シャント抵抗を介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタと、前記蓄電素子に供給されるバッテリ電圧と所定の検出電圧とを比較する第１オペアンプと、前記バッテリ電圧が前記検出電圧に達すると、充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する第２オペアンプとを備え、段階的に前記検出電圧の電圧値を上昇させるとともに、前記バッテリ電圧が各検出電圧に達する度に前記シャント電流の電流値を上昇させるシャント回路が提供される。

また、本発明の他の態様によれば、シャント抵抗と、前記シャント抵抗を介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタと、前記蓄電素子に供給されるバッテリ電圧が所定の検出電圧に達すると、充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する第２オペアンプとを備え、前記バッテリ電圧が各検出電圧に達する度に前記シャント電流の電流値を上昇させるシャント回路が提供される。

また、本発明の他の態様によれば、充電電流を生成する充電部と、前記充電部に直列接続された複数の蓄電素子と、前記複数の蓄電素子それぞれに並列接続され、前記蓄電素子に供給されるバッテリ電圧が所定の検出電圧に達すると、前記充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する複数のシャント回路とを備え、前記シャント回路は、段階的に前記検出電圧の電圧値を上昇させるとともに、前記バッテリ電圧が各検出電圧に達する度に前記シャント電流の電流値を上昇させる充電システムが提供される。

また、本発明の他の態様によれば、上記いずれかのシャント回路を搭載した集積回路が提供される。

本発明によれば、過充電を回避可能なシャント回路、充電システム、及び集積回路を提供することができる。

基本技術に係るシャント回路の模式的回路ブロック構成図。 基本技術に係るシャント回路を備えた充電システムの模式的回路ブロック構成図。 基本技術に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成図。 基本技術に係る充電システムにおける波形例を模式的に示すグラフであって、（ａ）バッテリ電圧の波形例、（ｂ）バッテリ電流の波形例、（ｃ）シャント電流の波形例。 第１の実施の形態に係るシャント回路の模式的回路ブロック構成図。 第１の実施の形態に係るシャント回路を備えた充電システムの模式的回路ブロック構成図。 第１の実施の形態に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成図。 第１の実施の形態に係る充電システムにおける波形例を模式的に示すグラフであって、（ａ）バッテリ電圧の波形例、（ｂ）バッテリ電流の波形例、（ｃ）シャント電流の波形例。 第２の実施の形態に係るシャント回路の模式的回路ブロック構成図。 第２の実施の形態に係るシャント回路を説明するための図であって、（ａ）第１オペアンプ周辺の模式的回路ブロック構成図、（ｂ）第２オペアンプ周辺の模式的回路ブロック構成図。 第２の実施の形態に係るシャント回路を備えた充電システムの模式的回路ブロック構成図。 第２の実施の形態に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成図。 第３の実施の形態に係るシャント回路の模式的回路ブロック構成図。 第３の実施の形態に係るシャント回路を備えた充電システムの模式的回路ブロック構成図。 第３の実施の形態に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成図。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[基本技術]
（シャント回路）
基本技術に係るシャント回路Ｓ０は、図１に示すように、セルＣに並列接続され、基準電圧発生部１０１と、オペアンプ１０２と、トランジスタ１０３と、抵抗Ｒ₁₀₁，Ｒ₁₀₂と、シャント抵抗Ｒ_shuntとを備える。セルＣは、リチウムイオン電池セル、電気２重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル、ＳＣｉＢ（登録商標）セル等の蓄電素子であり、所定の充電特性及び放電負荷特性で充放電する。

オペアンプ１０２は、セルＣに供給されるバッテリ電圧Ｖ_batが基準電圧Ｖ_refに達すると、トランジスタ１０３を駆動して充電電流Ｉ_chgから余剰となるシャント電流Ｉ_shuntを分流させる。これにより、セルＣに流れるバッテリ電流Ｉ_batを抑え、バッテリ電圧Ｖ_batの上昇を抑えることができる。

図１に示す点線２０は、集積回路（ＬＳＩ：Large Scale Integration）に搭載可能な範囲を示す。もちろん、シャント抵抗Ｒ_shuntをＬＳＩに搭載することも可能である。

（充電システム）
基本技術に係る充電システムは、図２に示すように、充電電流Ｉ_chgを生成する充電部１０と、充電部１０に直列接続された複数のセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nと、複数のセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nそれぞれに並列接続された複数のシャント回路Ｓ０＿１，Ｓ０＿２，Ｓ０＿３，…，Ｓ０＿ｎ−２，Ｓ０＿ｎ−１，Ｓ０＿ｎとを備える。

セルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nがリチウムイオン電池セルである場合は、例えば５セル〜１６セル程度のセルが縦積みで直列接続される。また、それと同数のシャント回路Ｓ０＿１，Ｓ０＿２，Ｓ０＿３，…，Ｓ０＿ｎ−２，Ｓ０＿ｎ−１，Ｓ０＿ｎがセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nそれぞれに並列接続される。

各セルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nには、バッテリ電流Ｉ_batの電流時間積に比例して一様に充電エネルギーが貯えられる。そのため、最もセル容量の小さいものが最初に満充電電圧に達するが、全てのセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nが満充電電圧に達するまで充電は継続される。

そこで、各セルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nにバイパス経路を設け、バッテリ電圧Ｖ_batの高いセルへの充電電流Ｉ_chgはバイパスし、バッテリ電圧Ｖ_batの低いセルのみ充電することで、セル電圧を均一化する。例えば、セルＣ₁が最初に満充電電圧に達した場合は、シャント回路Ｓ０＿１が充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shuntを分流させ、セルＣ₁の過充電を回避する。その他のシャント回路Ｓ０＿２，…，Ｓ０＿ｎについても同様である。

基本技術に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成は、図３に示すように表される。図３に示すように、オペアンプ１０２の非反転入力端子は抵抗Ｒ₁₀₁，Ｒ₁₀₂を介してセルＣ₁の両端子に接続され、反転入力端子は基準電圧発生部１０１を介してセルＣ₁のマイナス端子に接続される。トランジスタ１０３のドレインはシャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣ₁のプラス端子に接続され、ソースはセルＣ₁のマイナス端子に接続され、ゲートはオペアンプ１０２の出力端子に接続される。

（波形例）
基本技術に係る充電システムにおける波形例を模式的に示すグラフは、図４に示すように表される。すなわち、図４（ａ）はバッテリ電圧Ｖ_batの波形例、図４（ｂ）はバッテリ電流Ｉ_batの波形例、図４（ｃ）はシャント電流の波形例を表す。

まず、図４（ｂ）に示すように、充電部１０により生成された充電電流Ｉ_chgがセルＣ₁に流れると、図４（ａ）に示すように、充電時間に比例してバッテリ電圧Ｖ_batが上昇する。オペアンプ１０２は、バッテリ電圧Ｖ_batと基準電圧Ｖ_refとを比較している。そして、時間ｔ₁が経過してバッテリ電圧Ｖ_batが基準電圧Ｖ_refに達すると、トランジスタ１０３を駆動する。これにより、図４（ｃ）に示すように、シャント抵抗Ｒ_shuntを通じてシャント電流Ｉ_shunt1が流れ出す。シャント電流Ｉ_shuntは（１）式で表される。

Ｉ_shunt＝Ｖ_bat／Ｒ_shunt （１）
シャント電流Ｉ_shunt1が流れ出すと、図４（ｂ）に示すように、バッテリ電流Ｉ_batは、充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shunt1を差し引いた値Ｉ_bat1となる。これにより、図４（ａ）に示すように、時間ｔ₁以降はバッテリ電圧Ｖ_batの上昇を抑えることができる。ここでは、セルＣ₁に着目して説明したが、その他のセルＣ₂，…，Ｃ_nについても同様である。ただし、セルバランスが異なれば、バッテリ電圧Ｖ_batの傾きは異なる。

［第１の実施の形態］
次に、第１の実施の形態について説明する。基本技術と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

（シャント回路）
第１の実施の形態に係るシャント回路Ｓ１の模式的回路ブロック構成は、図５に示すように表される。このシャント回路Ｓ１は、シャント抵抗Ｒ_shuntと、シャント抵抗Ｒ_shuntを介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタ４と、蓄電素子に供給されるバッテリ電圧Ｖ_batと所定の検出電圧Ｖ_chgとを比較する第１オペアンプ２と、バッテリ電圧Ｖ_batが検出電圧Ｖ_chgに達すると、トランジスタ４を駆動して充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shuntを分流させる第２オペアンプ３とを備える。そして、段階的に検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる。

具体的には、第１オペアンプ２の入力端子に接続された第１センス抵抗Ｒ₃，Ｒ₄と、第２オペアンプ３の入力端子に接続された第２センス抵抗Ｒ₁，Ｒ₂とを備える。そして、第１センス抵抗Ｒ₃，Ｒ₄の抵抗値を変更することにより検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、第２センス抵抗Ｒ₁，Ｒ₂の抵抗値を変更することによりシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させてもよい。

また、シャント電流Ｉ_shuntの電流値をＩ_shunt、シャント抵抗Ｒ_shuntの抵抗値をＲ_shunt、バッテリ電圧Ｖ_batの電圧値をＶ_bat、第２センス抵抗Ｒ₁，Ｒ₂の抵抗値をＲ₁，Ｒ₂とした場合、第２センス抵抗Ｒ₁の抵抗値Ｒ₁が変更されることにより、シャント電流Ｉ_shuntの電流値Ｉ_shuntがＩ_shunt＝{〔Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）〕Ｖ_bat}／Ｒ_shuntに従って上昇してもよい。

また、検出電圧Ｖ_chgの電圧値をＶ_chg、第１オペアンプ２に供給される基準電圧Ｖ_refの電圧値をＶ_ref、第１センス抵抗Ｒ₃，Ｒ₄の抵抗値をＲ₃，Ｒ₄とした場合、第１センス抵抗Ｒ₃の抵抗値Ｒ₃が変更されることにより、検出電圧Ｖ_chgの電圧値Ｖ_chgがＶ_chg＝〔（Ｒ₃＋Ｒ₄）／Ｒ₄〕Ｖ_refに従って上昇してもよい。

また、トランジスタ４のソース側にシャント抵抗Ｒ_shuntが接続されてもよい。

また、蓄電素子は、リチウムイオン電池セル、電気２重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル、ＳＣｉＢセルのいずれかであってもよい。

また、このようなシャント回路を集積回路（ＬＳＩ）に搭載してもよい。

第１の実施の形態に係るシャント回路Ｓ１は、図５に示すように、基準電圧発生部１と、第１オペアンプ２と、第２オペアンプ３と、トランジスタ４と、抵抗Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄と、シャント抵抗Ｒ_shuntとを備える。シャント抵抗Ｒ_shuntがシャントラインに設けられているのに対して、抵抗Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄はセンスラインに設けられている。以下の説明では、抵抗Ｒ₃，Ｒ₄を「第１センス抵抗」といい、抵抗Ｒ₃，Ｒ₄を「第２センス抵抗」という場合がある。また、抵抗Ｒ₁，Ｒ₃は可変抵抗であるが、以下の説明では、単に抵抗という場合がある。

第１オペアンプ２は、バッテリ電圧Ｖ_batと検出電圧Ｖ_chgとを比較する。検出電圧Ｖ_chgは満充電電圧付近の電圧であり、基準電圧Ｖ_refに基づいて算出される（後述する）。第２オペアンプ３は、バッテリ電圧Ｖ_batが検出電圧Ｖ_chgに達すると、トランジスタ４を駆動して充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shuntを分流させる。

ここで、第１の実施の形態では、段階的に検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる。これにより、基本技術に比べて更にバッテリ電流Ｉ_batを抑え、バッテリ電圧Ｖ_batの上昇を抑えることができる。そのため、セルＣが経時変化により劣化している場合でも過充電を回避可能である。

図５に示す点線２１は、ＬＳＩに搭載可能な範囲を示す。もちろん、シャント抵抗Ｒ_shuntをＬＳＩに搭載することも可能である。

（充電システム）
第１の実施の形態に係る充電システムは、図６に示すように、充電電流Ｉ_chgを生成する充電部１０と、充電部１０に直列接続された複数のセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nと、複数のセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nそれぞれに並列接続され、バッテリ電圧Ｖ_batが所定の検出電圧Ｖ_chgに達すると、充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shuntを分流させる複数のシャント回路Ｓ１＿１，Ｓ１＿２，Ｓ１＿３，…，Ｓ１＿ｎ−２，Ｓ１＿ｎ−１，Ｓ１＿ｎとを備える。そして、シャント回路Ｓ１＿１，Ｓ１＿２，Ｓ１＿３，…，Ｓ１＿ｎ−２，Ｓ１＿ｎ−１，Ｓ１＿ｎは、段階的に検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる。

第１の実施の形態に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成は、図７に示すように表される。図７に示すように、第１オペアンプ２の非反転入力端子は抵抗Ｒ₃，Ｒ₄を介してセルＣ₁の両端子に接続され、反転入力端子は基準電圧発生部１を介してセルＣ₁のマイナス端子に接続される。第２オペアンプ３の非反転入力端子は抵抗Ｒ₁，Ｒ₂を介してセルＣ₁の両端子に接続され、反転入力端子はシャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣ₁のマイナス端子に接続される。トランジスタ４のドレインはセルＣ₁のプラス端子に接続され、ソースはシャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣ₁のマイナス端子に接続され、ゲートは第２オペアンプ３の出力端子に接続される。

（波形例）
第１の実施の形態に係る充電システムにおける波形例を模式的に示すグラフは、図８に示すように表される。すなわち、図８（ａ）はバッテリ電圧Ｖ_batの波形例、図８（ｂ）はバッテリ電流Ｉ_batの波形例、図８（ｃ）はシャント電流Ｉ_shuntの波形例を表す。

まず、第１オペアンプ２は、図８（ａ）に示すように、時間ｔ₁が経過してバッテリ電圧Ｖ_batが検出電圧Ｖ_chg1に達すると、その検出信号を第２オペアンプ３に転送する。このとき、抵抗Ｒ₃の抵抗値を大きくすることにより、検出電圧Ｖ_chgの電圧値をＶ_chg1からＶ_chg2に上昇させる。バッテリ電圧Ｖ_batと基準電圧Ｖ_refは（２）式に示す関係となるため、検出電圧Ｖ_chgは（３）式で表される。

Ｖ_bat〔Ｒ₄／（Ｒ₃＋Ｒ₄）〕＝Ｖ_ref （２）
Ｖ_chg＝〔（Ｒ₃＋Ｒ₄）／Ｒ₄〕Ｖ_ref （３）
検出信号を受けた第２オペアンプ３は、トランジスタ４を駆動する。これにより、図８（ｃ）に示すように、シャント抵抗Ｒ_shuntを通じてシャント電流Ｉ_shunt1が流れ出す。シャント電流Ｉ_shunt1が流れ出すと、図８（ｂ）に示すように、バッテリ電流Ｉ_batは、充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shunt1を差し引いた値Ｉ_bat1となる。これにより、図８（ａ）に示すように、時間ｔ₁以降はバッテリ電圧Ｖ_batの上昇を抑えることができる。

ここで、第１の実施の形態では、図８（ａ）に示すように、時間ｔ₂が経過してバッテリ電圧Ｖ_batが検出電圧Ｖ_chg2に達すると、抵抗Ｒ₃の抵抗値を更に大きくすることにより、検出電圧Ｖ_chgの電圧値をＶ_chg2からＶ_chg3（図示せず）に上昇させる。また、このとき、抵抗Ｒ₁の抵抗値を小さくすることにより、図８（ｃ）に示すように、シャント電流Ｉ_shuntの電流値をＩ_shunt2まで上昇させる。シャント電流Ｉ_shuntは（４）式で表される。

Ｉ_shunt＝{〔Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）〕Ｖ_bat}／Ｒ_shunt （４）
シャント電流Ｉ_shunt2が流れ出すと、図８（ｂ）に示すように、バッテリ電流Ｉ_batは、充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shunt2を差し引いた値Ｉ_bat2となる。これにより、図８（ａ）に示すように、時間ｔ₂以降はバッテリ電圧Ｖ_batの上昇を更に抑えることができる。

以降も同様に抵抗Ｒ₃の抵抗値を変更し、それに併せて抵抗Ｒ₁の抵抗値を変更する。このステップを必要なステップ数だけ繰り返す。必要なステップ数とは、全てのセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nがバランスよく満充電電圧に達するステップ数である。これにより、なるべくロスの少ない充電方式を実現することができる。

以上のように、第１の実施の形態では、シャント電流Ｉ_shuntをバッテリ電圧Ｖ_batに応じて最適な値に調整可能である。すなわち、段階的に検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させるようにしている。これにより、基本技術に比べて更にバッテリ電流Ｉ_batを抑え、バッテリ電圧Ｖ_batの上昇を抑えることができる。そのため、セルＣが経時変化により劣化している場合でも過充電を回避可能である。しかも、シャントラインのシャント抵抗Ｒ_shuntを調整する必要がなく、センスラインの抵抗Ｒ₁，Ｒ₃を調整すればよいため、調整が容易である。

［第２の実施の形態］
以下、第２の実施の形態を第１の実施の形態と異なる点のみ説明する。

（シャント回路）
第２の実施の形態に係るシャント回路Ｓ２は、第１センス抵抗Ｒ₃，Ｒ₄と第２センス抵抗Ｒ₁，Ｒ₂とを共通の抵抗Ｒ₃₁，Ｒ₃₂，Ｒ₃₃，Ｒ₃₄，Ｒ₃₅により構成したものである。

第２の実施の形態に係るシャント回路Ｓ２は、図９に示すように、基準電圧発生部１と、第１オペアンプ２と、第２オペアンプ３と、トランジスタ４と、抵抗Ｒ₃₁，Ｒ₃₂，Ｒ₃₃，Ｒ₃₄，Ｒ₃₅と、シャント抵抗Ｒ_shuntと、スイッチＳ３１〜Ｓ３８とを備える。抵抗Ｒ₃₁，Ｒ₃₂，Ｒ₃₃，Ｒ₃₄，Ｒ₃₅は直列接続され、必要に応じてスイッチＳ３１〜Ｓ３８を切り替える。これにより、以下に説明するように、第１の実施の形態に係るシャント回路Ｓ１における可変抵抗Ｒ₁，Ｒ₃と同様の可変抵抗を簡単な構成で実現することができる。

例えば、図１０（ａ）に示すように、第１オペアンプ２と抵抗Ｒ₁₁，Ｒ₁₂，Ｒ₁₃，Ｒ₁₄，Ｒ₁₅（第１センス抵抗）との間にスイッチＳ１１〜Ｓ１４が設けられているとする。スイッチＳ１１〜Ｓ１４の一方端は第１オペアンプ２の非反転入力端子に接続される。スイッチＳ１１の他方端は抵抗Ｒ₁₁，Ｒ₁₂間に接続され、スイッチＳ１２の他方端は抵抗Ｒ₁₂，Ｒ₁₃間に接続され、スイッチＳ１３の他方端は抵抗Ｒ₁₃，Ｒ₁₄間に接続され、スイッチＳ１４の他方端は抵抗Ｒ₁₄，Ｒ₁₅間に接続される。この場合、スイッチＳ１１〜Ｓ１４を切り替えることにより、第１センス抵抗の抵抗値を変更することができる。

すなわち、スイッチＳＷ１１をオンにし、その他のスイッチＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４をオフにした場合は、抵抗Ｒ₁₁が抵抗Ｒ₃に相当し、抵抗Ｒ₁₂，Ｒ₁₃，Ｒ₁₄，Ｒ₁₅が抵抗Ｒ₄に相当する。また、スイッチＳＷ１２をオンにし、その他のスイッチＳＷ１１，ＳＷ１３，ＳＷ１４をオフにした場合は、抵抗Ｒ₁₁，Ｒ₁₂が抵抗Ｒ₃に相当し、抵抗Ｒ₁₃，Ｒ₁₄，Ｒ₁₅が抵抗Ｒ₄に相当する。また、スイッチＳＷ１３をオンにし、その他のスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１４をオフにした場合は、抵抗Ｒ₁₁，Ｒ₁₂，Ｒ₁₃が抵抗Ｒ₃に相当し、抵抗Ｒ₁₄，Ｒ₁₅が抵抗Ｒ₄に相当する。また、スイッチＳＷ１４をオンにし、その他のスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３をオフにした場合は、抵抗Ｒ₁₁，Ｒ₁₂，Ｒ₁₃，Ｒ₁₄が抵抗Ｒ₃に相当し、抵抗Ｒ₁₅が抵抗Ｒ₄に相当する。

同様に、図１０（ｂ）に示すように、第２オペアンプ３と抵抗Ｒ₂₁，Ｒ₂₂，Ｒ₂₃，Ｒ₂₄，Ｒ₂₅（第２センス抵抗）との間にスイッチＳ２１〜Ｓ２４が設けられているとする。スイッチＳ２１〜Ｓ２４の一方端は第２オペアンプ３の非反転入力端子に接続される。スイッチＳ２１の他方端は抵抗Ｒ₂₁，Ｒ₂₂間に接続され、スイッチＳ２２の他方端は抵抗Ｒ₂₂，Ｒ₂₃間に接続され、スイッチＳ２３の他方端は抵抗Ｒ₂₃，Ｒ₂₄間に接続され、スイッチＳ２４の他方端は抵抗Ｒ₂₄，Ｒ₂₅間に接続される。この場合、スイッチＳ２１〜Ｓ２４を切り替えることにより、第２センス抵抗の抵抗値を変更することができる。

すなわち、スイッチＳＷ２１をオンにし、その他のスイッチＳＷ２２，ＳＷ２３，ＳＷ２４をオフにした場合は、抵抗Ｒ₂₁が抵抗Ｒ₁に相当し、抵抗Ｒ₂₂，Ｒ₂₃，Ｒ₂₄，Ｒ₂₅が抵抗Ｒ₂に相当する。また、スイッチＳＷ２２をオンにし、その他のスイッチＳＷ２１，ＳＷ２３，ＳＷ２４をオフにした場合は、抵抗Ｒ₂₁，Ｒ₂₂が抵抗Ｒ₁に相当し、抵抗Ｒ₂₃，Ｒ₂₄，Ｒ₂₅が抵抗Ｒ₂に相当する。また、スイッチＳＷ２３をオンにし、その他のスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２４をオフにした場合は、抵抗Ｒ₂₁，Ｒ₂₂，Ｒ₂₃が抵抗Ｒ₁に相当し、抵抗Ｒ₂₄，Ｒ₂₅が抵抗Ｒ₂に相当する。また、スイッチＳＷ２４をオンにし、その他のスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２３をオフにした場合は、抵抗Ｒ₂₁，Ｒ₂₂，Ｒ₂₃，Ｒ₂₄が抵抗Ｒ₁に相当し、抵抗Ｒ₂₅が抵抗Ｒ₂に相当する。

ここで、抵抗Ｒ₁₁とＲ₂₁、抵抗Ｒ₁₂とＲ₂₂、抵抗Ｒ₁₃とＲ₂₃、抵抗Ｒ₁₄とＲ₂₄、抵抗Ｒ₁₅とＲ₂₅をそれぞれ共通の抵抗Ｒ₃₁，Ｒ₃₂，Ｒ₃₃，Ｒ₃₄，Ｒ₃₅により構成したものが図９に示すシャント回路Ｓ２である。このシャント回路Ｓ２では、必要に応じてスイッチＳ３１〜Ｓ３８を切り替えるという簡単な構成で、第１の実施の形態に係るシャント回路Ｓ１における可変抵抗Ｒ₁，Ｒ₃と同様の可変抵抗を実現することができる。

図９に示す点線２２は、ＬＳＩに搭載可能な範囲を示す。もちろん、シャント抵抗Ｒ_shuntをＬＳＩに搭載することも可能である。

（充電システム）
第２の実施の形態に係る充電システムは、図１１に示すように、充電電流Ｉ_chgを生成する充電部１０と、充電部１０に直列接続された複数のセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nと、複数のセルＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_nそれぞれに並列接続された複数のシャント回路Ｓ２＿１，Ｓ２＿２，Ｓ２＿３，…，Ｓ２＿ｎ−２，Ｓ２＿ｎ−１，Ｓ２＿ｎとを備える。シャント回路Ｓ２＿１，Ｓ２＿２，Ｓ２＿３，…，Ｓ２＿ｎ−２，Ｓ２＿ｎ−１，Ｓ２＿ｎの内部構成が異なる点を除けば第１の実施の形態と同様である。

第２の実施の形態に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成は、図１２に示すように表される。図１２に示すように、第１オペアンプ２の非反転入力端子はスイッチＳ３５〜Ｓ３８の一方端に接続され、反転入力端子は基準電圧発生部１を介してセルＣ₁のマイナス端子に接続される。第２オペアンプ３の非反転入力端子はスイッチＳ３１〜Ｓ３４の一方端に接続され、反転入力端子はシャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣ₁のマイナス端子に接続される。抵抗Ｒ₃₁，Ｒ₃₂間にスイッチ３１及びスイッチ３５の他方端が接続され、抵抗Ｒ₃₂，Ｒ₃₃間にスイッチ３２及びスイッチ３６の他方端が接続され、抵抗Ｒ₃₃，Ｒ₃₄間にスイッチ３３及びスイッチ３７の他方端が接続され、抵抗Ｒ₃₄，Ｒ₃₅間にスイッチ３４及びスイッチ３８の他方端が接続される。トランジスタ４のドレインはセルＣ₁のプラス端子に接続され、ソースはシャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣ₁のマイナス端子に接続され、ゲートは第２オペアンプ３の出力端子に接続される。

これにより、必要に応じてスイッチＳ３１〜Ｓ３８を切り替えるという簡単な構成で、第１の実施の形態に係るシャント回路Ｓ１における可変抵抗Ｒ₁，Ｒ₃と同様の可変抵抗を実現することができる。段階的に検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる点は第１の実施の形態と同様である。

以上のように、第２の実施の形態では、第１センス抵抗と第２センス抵抗とを共通の抵抗Ｒ₃₁，Ｒ₃₂，Ｒ₃₃，Ｒ₃₄，Ｒ₃₅により構成し、シャント回路Ｓ１を簡略化している。このような構成によれば、第１センス抵抗及び第２センス抵抗による電流を減らすことができる。

なお、ここでは、５つの抵抗Ｒ₃₁，Ｒ₃₂，Ｒ₃₃，Ｒ₃₄，Ｒ₃₅を直列に接続した構成を例示しているが、もちろん、抵抗の数はこれに限定されるものではない。抵抗の数が多いほど、精密な制御が可能である。

［第３の実施の形態］
以下、第３の実施の形態を第１又は第２の実施の形態と異なる点のみ説明する。

（シャント回路）
第３の実施の形態に係るシャント回路Ｓ３は、シャント抵抗Ｒ_shuntと、シャント抵抗Ｒ_shuntを介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタ４と、蓄電素子に供給されるバッテリ電圧Ｖ_batが所定の検出電圧Ｖ_chgに達すると、トランジスタ４を駆動して充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_shuntを分流させる第２オペアンプ３とを備える。そして、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる。

具体的には、第２オペアンプ３の入力端子に接続された第２センス抵抗Ｒ₁，Ｒ₂を備える。そして、第２センス抵抗Ｒ₁，Ｒ₂の抵抗値を変更することによりシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させてもよい。

第３の実施の形態に係るシャント回路Ｓ３は、図１３に示すように、第２オペアンプ３と、トランジスタ４と、抵抗Ｒ₁，Ｒ₂と、シャント抵抗Ｒ_shuntと、スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２とを備える。スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２をオンにすると、シャント回路Ｓ３がＡＤコンバータ５に接続され、シャント回路Ｓ３がマイコン６により制御される。

図１３に示す点線２３は、ＬＳＩに搭載可能な範囲を示す。もちろん、シャント抵抗Ｒ_shuntをＬＳＩに搭載することも可能である。更に、ＡＤコンバータ５及びマイコン６を搭載し、電池監視ＬＳＩとして提供することも可能である。

（充電システム）
第３の実施の形態に係る充電システムは、図１４に示すように、シャント回路Ｓ３＿１，Ｓ３＿２，Ｓ３＿３，…，Ｓ３＿ｎ−２，Ｓ３＿ｎ−１，Ｓ３＿ｎにＡＤコンバータ５が接続され、ＡＤコンバータ５にマイコン６が接続される。これにより、シャント回路Ｓ３＿１，Ｓ３＿２，Ｓ３＿３，…，Ｓ３＿ｎ−２，Ｓ３＿ｎ−１，Ｓ３＿ｎに接続されるＡＤコンバータ５によりバッテリ電圧Ｖ_batを監視し、その監視結果に基づいてシャント電流Ｉ_shuntの電流値をマイコン６により制御して上昇させる。

第３の実施の形態に係る充電システムのシャント回路部分の詳細な模式的回路ブロック構成は、図１５に示すように表される。図１５に示すように、第２オペアンプ３の非反転入力端子は抵抗Ｒ₁，Ｒ₂を介してセルＣ₁の両端子に接続され、反転入力端子はシャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣ₁のマイナス端子に接続される。トランジスタ４のドレインはセルＣ₁のプラス端子に接続され、ソースはシャント抵抗Ｒ_shuntを介してセルＣ₁のマイナス端子に接続され、ゲートは第２オペアンプ３の出力端子に接続される。ＡＤコンバータ５は、スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２を介してセルＣ₁の両端子に接続される。

段階的に検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させるとともに、バッテリ電圧Ｖ_batが各検出電圧Ｖ_chgに達する度にシャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる点は第１の実施の形態と同様である。すなわち、スイッチＳＷ４１，ＳＷ４２をオンにすると、ＡＤコンバータ５は、バッテリ電圧Ｖ_batを監視する。そして、バッテリ電圧Ｖ_batが検出電圧Ｖ_chgに達すると、その検出信号をマイコン６に転送する。また、このとき、検出電圧Ｖ_chgの電圧値を上昇させる。検出信号を受けたマイコン６は、トランジスタ４を駆動する。これにより、シャント抵抗Ｒ_shuntを通じてシャント電流Ｉ_shuntが流れ出す。その後、バッテリ電圧Ｖ_batが次の検出電圧Ｖ_chgに達すると、ＡＤコンバータ５は、検出電圧Ｖ_chgの電圧値を更に上昇させる。また、このとき、マイコン６は、抵抗Ｒ₁の抵抗値を小さくすることにより、シャント電流Ｉ_shuntの電流値を上昇させる。以降も同様のステップを必要なステップ数だけ繰り返す。

以上のように、第３の実施の形態では、シャント回路Ｓ３＿１，Ｓ３＿２，Ｓ３＿３，…，Ｓ３＿ｎ−２，Ｓ３＿ｎ−１，Ｓ３＿ｎに接続されるＡＤコンバータ５によりバッテリ電圧Ｖ_batを監視し、その監視結果に基づいてシャント電流Ｉ_shuntの電流値をマイコン６により制御して上昇させる。これにより、シャント回路Ｓ３の小型化を図ることが可能であるとともに、高度な制御を行うことが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、過充電を回避可能なシャント回路、充電システム、及び集積回路を提供することができる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。

本発明に係るシャント回路、充電システム、及び集積回路は、自動車、産業機器、発電装置、携帯機器、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）、電動工具等、蓄電素子を使用する様々な装置に利用することができる。

また、蓄電素子としては、リチウムイオン電池セル、電気２重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル、ＳＣｉＢセル等を使用することが可能である。

２…第１オペアンプ
３…第２オペアンプ
４…トランジスタ
５…ＡＤコンバータ
６…マイコン
１０…充電部
Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，…，Ｃ_n-2，Ｃ_n-1，Ｃ_n…セル（蓄電素子）
Ｖ_bat…バッテリ電圧
Ｖ_chg…検出電圧
Ｖ_ref…基準電圧
Ｉ_chg…充電電流
Ｉ_shunt…シャント電流
Ｓ１＿１〜Ｓ１＿ｎ，Ｓ２＿１〜Ｓ２＿ｎ，Ｓ３＿１〜Ｓ３＿ｎ…シャント回路
Ｒ₃，Ｒ₄…第１センス抵抗
Ｒ₁，Ｒ₂…第２センス抵抗
Ｒ_shunt…シャント抵抗

Claims (21)

1. シャント抵抗と、
   前記シャント抵抗を介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタと、
   前記蓄電素子に供給されるバッテリ電圧と所定の検出電圧とを比較する第１オペアンプと、
   前記バッテリ電圧が前記検出電圧に達すると、充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する第２オペアンプと
   を備え、段階的に前記検出電圧の電圧値を上昇させるとともに、前記バッテリ電圧が各検出電圧に達する度に前記シャント電流の電流値を上昇させることを特徴とするシャント回路。
2. 前記第１オペアンプの入力端子に接続された第１センス抵抗と、
   前記第２オペアンプの入力端子に接続された第２センス抵抗と
   を備え、前記第１センス抵抗の抵抗値を変更することにより前記検出電圧の電圧値を上昇させるとともに、前記第２センス抵抗の抵抗値を変更することにより前記シャント電流の電流値を上昇させることを特徴とする請求項１に記載のシャント回路。
3. 前記シャント電流の電流値をＩ_shunt、前記シャント抵抗の抵抗値をＲ_shunt、前記バッテリ電圧の電圧値をＶ_bat、前記第２センス抵抗の抵抗値をＲ₁，Ｒ₂とした場合、前記第２センス抵抗の抵抗値Ｒ₁が変更されることにより、前記シャント電流の電流値Ｉ_shuntがＩ_shunt＝{〔Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）〕Ｖ_bat}／Ｒ_shuntに従って上昇することを特徴とする請求項２に記載のシャント回路。
4. 前記検出電圧の電圧値をＶ_chg、前記第１オペアンプに供給される基準電圧の電圧値をＶ_ref、前記第１センス抵抗の抵抗値をＲ₃，Ｒ₄とした場合、前記第１センス抵抗の抵抗値Ｒ₃が変更されることにより、前記検出電圧の電圧値Ｖ_chgがＶ_chg＝〔（Ｒ₃＋Ｒ₄）／Ｒ₄〕Ｖ_refに従って上昇することを特徴とする請求項２又は３に記載のシャント回路。
5. 前記トランジスタのソース側に前記シャント抵抗が接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシャント回路。
6. 前記第１センス抵抗と前記第２センス抵抗とを共通の抵抗により構成したことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のシャント回路。
7. シャント抵抗と、
   前記シャント抵抗を介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタと、
   前記蓄電素子に供給されるバッテリ電圧が所定の検出電圧に達すると、充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する第２オペアンプと
   を備え、前記バッテリ電圧が各検出電圧に達する度に前記シャント電流の電流値を上昇させることを特徴とするシャント回路。
8. 前記第２オペアンプの入力端子に接続された第２センス抵抗を備え、
   前記第２センス抵抗の抵抗値を変更することにより前記シャント電流の電流値を上昇させることを特徴とする請求項７に記載のシャント回路。
9. 前記トランジスタのソース側に前記シャント抵抗が接続されることを特徴とする請求項７又は８に記載のシャント回路。
10. 前記蓄電素子は、リチウムイオン電池セル、電気２重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル、ＳＣｉＢセルのいずれかであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のシャント回路。
11. 充電電流を生成する充電部と、
    前記充電部に直列接続された複数の蓄電素子と、
    前記複数の蓄電素子それぞれに並列接続され、前記蓄電素子に供給されるバッテリ電圧が所定の検出電圧に達すると、前記充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する複数のシャント回路と
    を備え、前記シャント回路は、段階的に前記検出電圧の電圧値を上昇させるとともに、前記バッテリ電圧が各検出電圧に達する度に前記シャント電流の電流値を上昇させることを特徴とする充電システム。
12. 前記シャント回路は、
    シャント抵抗と、
    前記シャント抵抗を介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタと、
    前記バッテリ電圧と前記検出電圧とを比較する第１オペアンプと、
    前記バッテリ電圧が前記検出電圧に達すると、充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する第２オペアンプと、
    前記第１オペアンプの入力端子に接続された第１センス抵抗と、
    前記第２オペアンプの入力端子に接続された第２センス抵抗と
    を備え、前記第１センス抵抗の抵抗値を変更することにより前記検出電圧の電圧値を上昇させるとともに、前記第２センス抵抗の抵抗値を変更することにより前記シャント電流の電流値を上昇させることを特徴とする請求項１１に記載の充電システム。
13. 前記シャント電流の電流値をＩ_shunt、前記シャント抵抗の抵抗値をＲ_shunt、前記バッテリ電圧の電圧値をＶ_bat、前記第２センス抵抗の抵抗値をＲ₁，Ｒ₂とした場合、前記第２センス抵抗の抵抗値Ｒ₁が変更されることにより、前記シャント電流の電流値Ｉ_shuntがＩ_shunt＝{〔Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）〕Ｖ_bat}／Ｒ_shuntに従って上昇することを特徴とする請求項１２に記載の充電システム。
14. 前記検出電圧の電圧値をＶ_chg、前記第１オペアンプに供給される基準電圧の電圧値をＶ_ref、前記第１センス抵抗の抵抗値をＲ₃，Ｒ₄とした場合、前記第１センス抵抗の抵抗値Ｒ₃が変更されることにより、前記検出電圧の電圧値Ｖ_chgがＶ_chg＝〔（Ｒ₃＋Ｒ₄）／Ｒ₄〕Ｖ_refに従って上昇することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の充電システム。
15. 前記トランジスタのソース側に前記シャント抵抗が接続されることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の充電システム。
16. 前記第１センス抵抗と前記第２センス抵抗とを共通の抵抗により構成したことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の充電システム。
17. 前記シャント回路は、
    シャント抵抗と、
    前記シャント抵抗を介して蓄電素子に並列接続されるトランジスタと、
    前記バッテリ電圧が前記検出電圧に達すると、充電電流からシャント電流を分流させるための前記トランジスタを駆動する第２オペアンプと
    前記第２オペアンプの入力端子に接続された第２センス抵抗と
    を備え、前記第２センス抵抗の抵抗値を変更することにより前記シャント電流の電流値を上昇させることを特徴とする請求項１１に記載の充電システム。
18. 前記シャント回路に接続されるＡＤコンバータにより前記バッテリ電圧を監視し、その監視結果に基づいて前記シャント電流の電流値をマイコンにより制御して上昇させることを特徴とする請求項１７に記載の充電システム。
19. 前記トランジスタのソース側に前記シャント抵抗が接続されることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の充電システム。
20. 前記蓄電素子は、リチウムイオン電池セル、電気２重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル、ＳＣｉＢセルのいずれかであることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の充電システム。
21. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシャント回路を搭載した集積回路。

Images