JP2015133766A - 電源装置及びこの電源装置を備える車両 - Google Patents

電源装置及びこの電源装置を備える車両 Download PDF

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Abstract

【課題】均等化回路の回路構成を簡単にしながら、各電池セルを均等化する。リードラインの配線を簡単にしながら、電池セルを均等化する。【解決手段】電源装置は、複数の電池セル１を直列に接続してなる直列電池群１０と、この直列電池群１０を構成する複数の電池セル１を均等化する均等化回路３を備えている。直列電池群１０は、複数の電池セル１を接続してなる複数のセルブロック２を直列に接続している。均等化回路３は、直列電池群１０を構成する複数のセルブロック２同士を均等化するメイン均等化回路４と、セルブロック２を構成する複数の電池セル１同士を均等化する隣接均等化回路５とを備えている。メイン均等化回路４と隣接均等化回路５は、それぞれ独立して均等化する異なる回路構成としている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高くしている電源装置に関し、とくに、各電池セルのアンバランスを解消する均等化回路を備える電源装置とこの電源装置を備える車両に関する。
最近、複数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高くしている電源装置が知られてきている。この電源装置は、全ての電池セルが同じ電流で充電され、また放電されるので、電池セルが全く同じ電気特性であれば、充放電される電池セルに電圧差は発生しない。しかしながら、現実には全ての電池セルの電気特性は完全に同じではなく、電気特性の違いによって、充放電を繰り返すにしたがって、各電池セルの充電量にアンバランスが発生する。電池セル間のアンバランスは、電池システムとしての利用域を本来持っている容量から狭めてしまう。もしくは特定の電池セルを過充電し、あるいは過放電する原因となって、その特定の電池セルの劣化を促進する弊害となる。この弊害を防止するために、電源装置は、各々の電池セルの電圧を検出して、電圧の高い電池セルを放電して、電池セルのアンバランスを解消している。（特許文献１参照）
特許文献１に記載される電源装置は、各電池セルの正負の電極をリードラインを介して均等化回路に接続する。均等化回路は、各々のリードラインを介して各電池セルの電圧を検出し、各電池セルの電圧の差に基づき充放電させることで、電池セルのアンバランスを解消する。
特開２０１１−２１１８０８号公報
以上の電源装置では、全ての電池セルの正負の電極をリードラインを介して均等化回路に接続している。そして、全ての電池セルの電圧を検出して検出電圧から電池セルの最低電圧を検出し、充電量の高い電池セルから充電量の低い電池セルを充電するようにして電池セルを均等化している。この電源装置は、均等化回路で全ての電池セルの電圧を検出し、検出電圧から最低電圧を判定し、全ての電池セルの充電量が略等しくなるように均等化回路をコントロールするので、均等化回路の回路構成が複雑になる。とくに、電池セルの数が多くなるにしたがって、均等化回路がより複雑になる欠点がある。また、全ての電池セルの正負の電極をリードラインでもって均等化回路に接続するので、リードラインの数が多くてリードラインの配線も複雑となり、組電池の構成を複雑にしてしまう問題がある。
本発明は、以上の課題を解決することを目的に開発されたものである。本発明の目的は、均等化回路の回路構成を簡単にしながら、各電池セルを均等化できる電源装置とこの電源装置を備える車両を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、リードラインの配線を簡単にしながら、電池セルを均等化できる電源装置とこの電源装置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
本発明の電源装置は、複数の電池セル１を直列に接続してなる直列電池群１０と、この直列電池群１０を構成する複数の電池セル１を均等化する均等化回路３を備えている。直列電池群１０は、複数の電池セル１を接続してなる複数のセルブロック２、２０を直列に接続している。均等化回路３は、直列電池群１０を構成する複数のセルブロック２、２０同士を均等化するメイン均等化回路４と、セルブロック２、２０を構成する複数の電池セル１同士を均等化する隣接均等化回路５とを備えている。メイン均等化回路４と隣接均等化回路５は、それぞれ独立して均等化する異なる回路構成としている。
以上の電源装置は、複数のセルブロックからなる直列電池群を均等化する均等化回路の回路構成を簡単にしながら、全ての電池セルを均等化できる特徴がある。それは、直列に接続している電池セルでセルブロックを構成し、複数のセルブロックを直列に接続して直列電池群とし、各セルブロックを構成する複数の電池セル同士を隣接均等化回路で独立して均等化し、直列電池群を構成する複数のセルブロック同士をメイン均等化回路で独立して均等化するからである。
また、以上の電源装置は、メイン均等化回路に接続するリードラインの数を少なくするなどして、リードラインの配線を簡単にしながら、全ての電池セルを均等化できる特徴も実現する。それは、以上の電源装置が、各電池セルの正負の電極をメイン均等化回路に接続することなく、複数の電池セルを直列に接続しているセルブロックの両端をリードラインでメイン均等化回路に接続するからである。
本発明の電源装置は、セルブロック２、２０及びセルブロック２、２０を構成してなる複数の電池セル１同士を均等化する隣接均等化回路５とで電池ブロック９、２９を構成して、メイン均等化回路４が、複数の電池ブロック９、２９同士を均等化することができる。
以上の電源装置は、電池ブロックを構成する複数の電池セルを隣接均等化回路で均等化するので、メイン均等化回路は、あたかも各電池ブロックをひとつの電池セルとして均等化すればよく、メイン均等化回路は細かい電圧検出や検出する電圧に基づく均等化のための制御を簡単にできる特徴がある。
本発明の電源装置は、メイン均等化回路４と隣接均等化回路５とを、リードライン６を介して電池セル１に接続すると共に、隣接均等化回路５をセルブロック２、２０に接続するリードライン６Ｂを、メイン均等化回路４を電池セル１に接続するリードライン６Ａよりも短くすることができる。
以上の電源装置は、隣接均等化回路を電池セルに接続するリードラインを短くすることで配線を簡単にでき、さらに隣接均等化回路に接続するリードラインの断線などの故障を少なくして、各電池セルの均等化の信頼性を高くできる特徴がある。また、隣接均等化回路を電池セルに接近して配置することも可能になる。その場合、電池セルと隣接均等化回路をまとめて扱うことも可能となる。
本発明の電源装置は、メイン均等化回路４が、デジタル処理して複数のセルブロック２、２０同士を均等化するデジタル回路を備えて、隣接均等化回路５が、アナログ処理して複数の電池セル１同士を均等化するアナログ回路を備えることができる。
以上の電源装置は、隣接均等化回路をアナログ回路として、セルブロックを構成する複数の電池セルを該隣接均等化回路で均等化し、さらに複数のセルブロックをデジタル処理して均等化するメイン均等化回路で均等化できる特徴がある。また、メイン均等化回路が扱う管理点数はセルブロック単位となるため、管理点数削減により処理負荷を低減させることができるため、全ての電池セルを個別管理する装置と比較して、より安価な装置で構成が可能となる。一方、隣接均等化回路は主に均等化を行うだけでいいので、回路構成を簡単にしてコンパクト化が可能となる。
本発明の電源装置は、メイン均等化回路４が、各セルブロック２、２０を放電して均等化する放電回路１１と、この放電回路１１の放電状態を制御するマイコン１６を備える制御回路１２と、この制御回路１２に各セルブロック２、２０の電圧を入力するブロック電圧検出回路１３とを備えて、制御回路１２が、ブロック電圧検出回路１３で検出されるセルブロック２、２０の電圧をデジタル処理して放電回路１１を制御して複数のセルブロック２、２０同士を均等化することができる。
以上の電源装置は、各セルブロックの電圧をブロック電圧検出回路で検出し、検出電圧をマイコンでデジタル処理して放電回路をコントロールしてセルブロック同士を均等化するので、均等化の条件、たとえば、均等化するセルブロックの許容される電圧偏差や、セルブロックの放電電流などをマイコンで最適値に調整しながら、各セルブロックを好ましい状態で均等化できる特徴がある。なお、複数のセルブロック同士を均等化できれば、各セルブロックを構成する複数の電池セル同士の均等化を別の手段で行っても、電池セル全体の均等化が達成できる。
本発明の電源装置は、セルブロック２をふたつの電池セル１で構成すると共に、隣接均等化回路５が、各電池セル１に接続してなる放電抵抗２４と放電スイッチ２５とからなる放電回路２１と、ふたつの電池セル１の電圧差を検出して放電回路２１を制御する電圧比較器２３、３３とを備えて、電圧比較器２３、３３が、各電池セル１の電圧差を検出して、電圧が高い方の電池セル１に接続してなる放電スイッチ２５をオン状態に制御し、電圧が低い方の電池セル１に接続してなる放電スイッチ２５をオフ状態に制御して、放電抵抗２４において放電させることでふたつの電池セル１を均等化することができる。
以上の電源装置は、隣接均等化回路を簡単な回路構成としながら、電池セルの電圧差で放電スイッチをオンオフに切り換えてふたつの電池セルを安定して均等化できる。こうした構成は、例えばＩＣや電子素子を用いたハードウェアで簡単に構成できる。このため、電池セルのそばに配置しても邪魔にならない。
本発明の電源装置は、セルブロック２０を複数の電池セル１で構成すると共に、隣接均等化回路５が、各電池セル１に接続してなる放電抵抗２４と放電スイッチ２５とからなる放電回路２１と、各電池セル１の最低電圧を検出する最低電圧検出回路４３と、この最低電圧検出回路４３で検出される最低電圧を各電池セル１の電圧に比較して、最低電圧よりも電圧が高い電池セル１に接続している放電回路２１の放電スイッチ２５をオンに制御する放電セル判定回路４４とを備えて、セル電圧が最低電圧よりも高い電池セル１の放電回路２１を放電状態として、セルブロック２０を構成する複数の電池セル１同士を均等化することができる。
以上の電源装置は、セルブロックを構成する複数の電池セルの最低電圧を検出し、この最低電圧よりも電圧が高い電池セルに接続している放電回路で放電することで、複数の電池セルを安定して均等化できる特徴が実現される。
本発明の車両は、上記のいずれかに記載の電源装置を備えてなる車両であって、電源装置１００と、この電源装置１００から電力供給される走行用のモータ９３と、電源装置１００及びモータ９３を搭載してなる車両本体９０と、モータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。
以上の車両では、電源装置の直列電池群を構成する電池セルを均等化しながら、均等化回路を簡単にできると共に、配線を簡略できる特徴がある。
本発明の一実施の形態にかかる電源装置のブロック図である。 隣接均等化回路の一例を示す回路図である。 隣接均等化回路の他の一例を示す回路図である。 本発明の他の実施の形態にかかる電源装置のブロック図である。 隣接均等化回路の他の一例を示すブロック図である。 最低電圧検出回路の一例を示すブロック図である。 エンジンとモータで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。
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の電源装置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の電源装置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に、本発明の一実施の形態に係る電源装置１００の構成を示す。このブロック図に示す電源装置１００は、複数の電池セル１を直列に接続している直列電池群１０と、この直列電池群１０を構成する複数の電池セル１を均等化する均等化回路３とを備えている。
（直列電池群１０）
直列電池群１０は、複数のセルブロック２を直列に接続している。各セルブロック２は、複数の電池セル１を直列に接続している。電池セル１は、リチウムイオン電池又はリチウムポリマー電池からなる非水電解質二次電池である。ただ、電池セルは、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の充電できる全ての二次電池も使用できる。電池セル１を非水電解質電池とするセルブロック２は、電池セル１をひとつの二次電池で構成する。電池セルをニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とするセルブロックは、複数の二次電池を直列に接続して電池セルとしている。
（均等化回路３）
均等化回路３は、メイン均等化回路４と隣接均等化回路５とを備える。メイン均等化回路４は、直列電池群１０を構成する複数のセルブロック２同士を均等化して、セルブロック２のアンバランスを解消する。隣接均等化回路５は、セルブロック２を構成する複数の電池セル１同士を均等化して、電池セル１のアンバランスを解消する。メイン均等化回路４と隣接均等化回路５は、それぞれ独立して均等化する異なる回路構成としている。すなわち、メイン均等化回路４は、複数のセルブロック２同士を独立して均等化し、隣接均等化回路５は、複数の電池セル１同士を独立して均等化する回路構成としている。
この均等化回路３は、各セルブロック２を構成する複数の電池セル１同士を隣接均等化回路５で均等化するので、隣接均等化回路５を、各セルブロック２の電池セル１同士を独立して均等化する簡単な回路構成として、複数の電池セル１を均等化できる。また、均等化回路３は、直列電池群１０を構成する複数のセルブロック２同士をメイン均等化回路４で均等化するので、メイン均等化回路４を、セルブロック２単位で管理しながら独立して均等化する簡単な回路構成として、複数のセルブロック２を均等化できる。したがって、この均等化回路３は、全体の回路構成を簡単にしながら、直列電池群１０を構成する全ての電池セル１を均等化できる。
メイン均等化回路４と隣接均等化回路５は、リードライン６を介して電池セル１に接続される。リードライン６は、一端を電池セル１の正負の電極に接続して、他端を均等化回路３に接続している。メイン均等化回路４は、リードライン６Ａを介してセルブロック２の正負の端子に接続されている。隣接均等化回路５は、リードライン６Ｂを介して各電池セル１の正負の端子に接続されている。このように、セルブロック２を複数の電池セル１で構成し、各セルブロック２の正負の端子をリードライン６Ａを介してメイン均等化回路４に接続する構造は、全ての電池セルの正負の電極をメイン均等化回路に接続することなく、複数の電池セル１を直列に接続しているセルブロック２の両端のみをリードライン６Ａでメイン均等化回路４に接続するので、メイン均等化回路４に接続するリードライン６Ａの数を少なくして、リードライン６Ａの配線を簡単にできる。
異なる回路構成とするメイン均等化回路４と隣接均等化回路５は、メイン均等化回路４を、デジタル処理して複数のセルブロック２同士を均等化するデジタル回路で実現し、隣接均等化回路５を、アナログ処理してリアルタイムに複数の電池セル１同士を均等化するアナログ回路とする。デジタル処理して複数のセルブロック２を均等化するメイン均等化回路４はマイコンを備え、マイコンでデジタル処理して複数のセルブロック２を均等化する。ただ、隣接均等化回路は、デジタル処理して複数の電池セルを均等化するデジタル回路とすることもできる。
さらに、隣接均等化回路５は、メイン均等化回路４よりも電池セル１に接近して配置されている。隣接均等化回路５をセルブロック２に接続するリードライン６Ｂは、メイン均等化回路４を電池セル１に接続するリードライン６Ａよりも短くし、あるいは、隣接均等化回路５を電池セル１の電極端子に直接に接続している。このように、隣接均等化回路５をセルブロック２に接続するリードライン６Ｂを短くすることで、リードライン６Ｂの配線を簡単にできると共に、隣接均等化回路５に接続するリードライン６Ｂの断線などの故障を少なくして、各電池セル１の均等化の信頼性を高くできる。
（メイン均等化回路４）
メイン均等化回路４は、放電回路１１と制御回路１２とブロック電圧検出回路１３とを備える。放電回路１１は、各セルブロック２を放電して均等化する。制御回路１２は、放電回路１１の放電状態を制御するマイコン１６を備える。ブロック電圧検出回路１３は、制御回路１２に各セルブロック２の電圧を入力する。放電回路１１とブロックル電圧検出回路１３は、リードライン６Ａを介して各セルブロック２の正負の端子に接続している。
放電回路１１は、放電抵抗１４と放電スイッチ１５との直列回路である。放電スイッチ１５は、制御回路１２でオンオフに切り換えられる。放電回路１１は、放電スイッチ１５のオン状態でセルブロック２を放電し、放電スイッチ１５のオフ状態でセルブロック２を放電しない状態に制御される。
制御回路１２は、ブロック電圧検出回路１３で検出される各セルブロック２の電圧を均等化するように放電スイッチ１５を制御する。すなわち、制御回路１２は、セルブロック２の最低電圧を検出し、各セルブロック２の電圧が最低電圧に等しくなるように放電回路１１を制御する。この制御回路１２は、最低電圧よりも電圧が高いセルブロック２に接続している放電回路１１の放電スイッチ１５をオン状態として、セルブロック２の電圧を均等化する。制御回路１２は、全てのセルブロック２の電圧を完全に均等化することなく、各セルブロック２の電圧が、偏差電圧内となるように均等化することができる。偏差電圧は、セルブロック２を構成する電池セル１のタイプや個数により最適値に設定するが、例えば、５ｍＶ〜５０ｍＶとする。偏差電圧を設けて均等化する制御回路１２は、最低電圧に偏差電圧を加算した電圧よりも高いセルブロック２に接続している放電回路１１の放電スイッチ１５をオンに切り換えて、複数のセルブロック２の電圧を均等化する。さらに、制御回路１２は、放電スイッチ１５をオンオフに切り換えるタイミングを０．５秒〜５秒と長くして、放電スイッチ１５のチャタリング状態を防止しながら、各セルブロック２を均等化する。
ブロック電圧検出回路１３は、所定のサンプリング周期で各セルブロック２の電圧を検出し、検出する電圧をＡ／Ｄコンバータ（図示せず）でデジタル信号に変換して制御回路１２のマイコン１６に出力する。制御回路１２のマイコン１６は、ブロック電圧検出回路１３から入力される各セルブロック２の電圧をデジタル処理して最低電圧を検出し、最低電圧＋偏差電圧よりも電圧が高いセルブロック２に接続している放電回路１１の放電スイッチ１５をオンに切り換えて、複数のセルブロック２を均等化する。
以上のメイン均等化回路４は、各セルブロック２の電圧をブロック電圧検出回路１３で検出し、検出電圧をマイコン１６でデジタル処理して最低電圧を検出し、最低電圧＋偏差電圧よりも電圧が高いセルブロック２に接続している放電回路１１の放電スイッチ１５をオンに切り換えて、複数のセルブロック２を均等化する。このため、均等化の条件、たとえば、均等化するセルブロック２の許容される電圧偏差や、セルブロック２の放電電流などをマイコン１６で最適値に調整しながら、各セルブロック２を好ましい状態で均等化できる。
さらに、以上のメイン均等化回路４は、直列電池群１０を、電池セル単位ではなくセルブロック２単位で管理するため、管理点数を削減して、処理負荷を低減できる。このため、従来のように、全ての電池セルを個別管理することなく、より安価な装置で構成が可能となる。ここで、図１に示す電源装置は、セルブロック２、及びセルブロック２を構成してなる複数の電池セル１同士を均等化する隣接均等化回路５で電池ブロック９を構成している。この電源装置は、複数の電池ブロック９同士を、メイン均等化回路４で均等化する構造としている。以上の電源装置は、各電池ブロック９を構成する複数の電池セル１を隣接均等化回路５で均等化するので、メイン均等化回路４は、各電池ブロック９をあたかもひとつの電池セルとして均等化することができる。このため、メイン均等化回路４は、細かい電圧検出や検出する電圧に基づく均等化のための制御を簡単にできる。
（隣接均等化回路５）
隣接均等化回路５は、セルブロック２を構成する複数の電池セル１同士を均等化する。図１の電源装置は、セルブロック２をふたつの電池セル１で構成する。ただ、セルブロックは、３個以上の電池セルで構成することもできる。セルブロック２を構成するふたつの電池セル１を均等化する隣接均等化回路５を図２と図３に示す。図２と図３の隣接均等化回路５Ａ、５Ｂはアナログ回路で、リアルタイムに電池セル１を均等化する。図２と図３の隣接均等化回路５Ａ、５Ｂは、２組の放電回路２１と、電圧比較器２３、３３とを備えている。放電回路２１は、各々の電池セル１に接続している。電圧比較器２３、３３は、ふたつの電池セル１の電圧差を検出して各放電回路２１を制御する。放電回路２１は、放電抵抗２４と放電スイッチ２５との直列回路からなる。
図２に示す隣接均等化回路５Ａの電圧比較器２３は、差動アンプ２６を備えている。差動アンプ２６は、ふたつの電池セル１を接続している接続点２８を一方の入力端子に、セルブロック２の正負の端子に接続している分圧抵抗２７の中点を他方の入力端子に接続している。分圧抵抗２７は、同じ電気抵抗の抵抗器からなり、中点の電圧はセルブロック２の両端電圧の中間電位となる。
この電圧比較器２３は、図２においてプラス側の電池セル１の電圧が高いと、差動アンプ２６がプラス電圧を出力する。差動アンプ２６がプラス電圧を出力すると、図２において上側に接続している放電スイッチ２５のトランジスタ２５ａにベース電流が流れてオン状態となり、下側の放電スイッチ２５のトランジスタ２５ｂにはベース電流が流れることなくオフ状態となる。この状態で、上側、すなわちプラス側の電池セル１が放電されて、電圧が低下する。プラス側の電池セル１の電圧が低下して、上下の電池セル１の電圧が等しくなると、差動アンプ２６の出力は０Ｖとなり、上下の放電スイッチ２５であるトランジスタ２５ａ、２５ｂはともにオフ状態となる。すなわち、電池セル１の電圧が均等化されると、放電スイッチ２５はオフ状態となる。
また、この電圧比較器２３は、図２においてマイナス側の電池セル１の電圧が高いと、差動アンプ２６がマイナス電圧を出力する。差動アンプ２６がマイナス電圧を出力すると、図２において下側に接続している放電スイッチ２５のトランジスタ２５ｂにベース電流が流れてオン状態となり、上側の放電スイッチ２５のトランジスタ２５ａにはベース電流が流れることなくオフ状態となる。この状態で、下側、すなわちマイナス側の電池セル１が放電されて、電圧が低下する。マイナス側の電池セル１の電圧が低下して、上下の電池セル１の電圧が等しくなると、差動アンプ２６の出力は０Ｖとなり、上下の放電スイッチ２５であるトランジスタ２５ａ、２５ｂはオフ状態となる。すなわち、電池セル１の電圧が均等化されると、放電スイッチ２５はオフ状態となる。
図３の隣接均等化回路５Ｂは、ふたつの電池セル１を、所定の偏差電圧を設けて均等化する。偏差電圧は、たとえば５ｍＶ〜２０ｍＶとする。この隣接均等化回路５Ｂの電圧比較器３３は、一対の差動アンプ３６を備えている。一対の差動アンプ３６は、マイナス側入力端子をふたつの電池セル１を接続している接続点２８に接続して、プラス側入力端子を、分圧抵抗３７の中間に接続している、偏差電圧を発生する中間抵抗３８の両端に接続している。差動アンプ３６のプラス側入力端子は、互いにクロスするように、中間抵抗３８の両端に接続している。
この電圧比較器３３は、図３において、プラス側の電池セル１の電圧がマイナス側の電池セル１の電圧よりも偏差電圧以上に高いと、プラス側差動アンプ３６Ａとマイナス側差動アンプ３６Ｂがともにプラス電圧を出力する。プラス側差動アンプ３６Ａがプラス電圧を出力すると、図３において上側に接続している放電スイッチ２５のトランジスタ２５ａにベース電流が流れて、プラス側の放電スイッチ２５はオン状態となるが、マイナス側差動アンプ３６Ｂがプラス電圧を出力しても、下側の放電スイッチ２５のトランジスタ２５ｂにはベース電流が流れることなく、マイナス側の放電スイッチ２５はオフ状態となる。この状態で、上側、すなわちプラス側の電池セル１が放電されて、電圧差が偏差電圧よりも小さくなると、プラス側差動アンプ３６Ａはマイナス電圧を出力して、上側に接続している放電スイッチ２５のトランジスタ２５ａをオフ状態とする。すなわち、電池セル１の電圧が偏差電圧以下に均等化されると、両方の放電スイッチ２５はオフ状態となる。
また、この電圧比較器３３は、図３において、マイナス側の電池セル１の電圧がプラス側の電池セル１の電圧よりも偏差電圧以上に高いと、プラス側差動アンプ３６Ａとマイナス側差動アンプ３６Ｂがともにマイナス電圧を出力する。マイナス側差動アンプ３６Ｂがマイナス電圧を出力すると、図３において下側に接続している放電スイッチ２５のトランジスタ２５ｂにベース電流が流れて、マイナス側の放電スイッチ２５はオン状態となるが、プラス側差動アンプ３６Ａがマイナス電圧を出力しても、上側の放電スイッチ２５のトランジスタ２５ａにはベース電流が流れることなく、プラス側の放電スイッチ２５はオフ状態となる。この状態で、下側、すなわちマイナス側の電池セル１が放電されて、電圧差が偏差電圧よりも小さくなると、マイナス側差動アンプ３６Ｂはプラス電圧を出力して、下側に接続している放電スイッチ２５のトランジスタ２５ｂをオフ状態とする。すなわち、電池セル１の電圧が偏差電圧以下に均等化されると、両方の放電スイッチ２５はオフ状態となる。
以上の隣接均等化回路５Ａ、５Ｂは、簡単な回路構成としてコンパクト化しながら、電池セル１の電圧差で放電スイッチ２５をオンオフに切り換えてふたつの電池セル１を安定して均等化できる。とくに、電圧比較器２３、３３でふたつの電池セル１の電圧差を検出して各放電回路２１を制御することで、リアルタイムに電池セル１同士を均等化できる。また、簡単な回路構成にできる隣接均等化回路５Ａ、５Ｂは、省スペースに配置できるので、電池セル１に接近して配置できる。このように、隣接均等化回路５をセルブロック２に接近して配置することで、セルブロック２と隣接均等化回路５とで電池ブロック９を構成し、セルブロック２と隣接均等化回路５とを電池ブロック９単位でまとめて扱うことも可能となる。
図２と図３に示す隣接均等化回路５Ａ、５Ｂは、ふたつの電池セル１の電圧を均等化する。これらの隣接均等化回路５Ａ、５Ｂは、図４に示すように、多段に接続して４個の電池セル１の電圧を均等化できる。図４の電源装置は、隣接するふたつの電池セル１を第１隣接均等化回路５Ｘで均等化し、第１隣接均等化回路５Ｘで均等化されたふたつの電池セル１を直列に接続しているセルブロック２０を第２隣接均等化回路５Ｙで均等化する。第１隣接均等化回路５Ｘと第２隣接均等化回路５Ｙには、図２と図３に示す隣接均等化回路５Ａ、５Ｂが使用できる。ふたつの電池セル１を均等化する隣接均等化回路５Ａ、５Ｂは、図４に示すように、多段に接続して２ｎ個の電池セル１を均等化できる。この電源装置も、セルブロック２０、及び第１隣接均等化回路５Ｘと第２隣接均等化回路５Ｙとからなる隣接均等化回路５で電池ブロック２９を構成しており、複数の電池ブロック２９同士を、メイン均等化回路４で均等化する構造としている。
さらに、図５は、セルブロック２０を複数の電池セル１で構成して、このセルブロック２０を構成する複数の電池セル１を均等化する隣接均等化回路５Ｃを示している。図５は、４個の電池セル１を均等化するアナログ回路からなる隣接均等化回路５Ｃを示している。この隣接均等化回路５Ｃは、各電池セル１に接続している放電回路２１と、放電回路２１の放電スイッチ２５であるトランジスタをオンオフにスイッチングする制御回路４１とを備えている。
制御回路４１は、セル電圧切り出し回路４２と最低電圧検出回路４３と放電セル判定回路４４とレベルシフト回路４５とを備える。セル電圧切り出し回路４２は、各電池セル１の電圧を出力する差動アンプ４６からなる。最低電圧検出回路４３は、セル電圧切り出し回路４２から出力される各セル電圧の最低電圧を検出する。放電セル判定回路４４は、最低電圧検出回路４３から出力される最低電圧を一方の入力端子に入力している差動アンプ４７からなる。レベルシフト回路４５は、放電セル判定回路４４の出力信号を直流レベルシフトして、各放電スイッチ２５をオンオフに制御する。
図６は、４個の電池セル１の電圧から最低電圧を検出する最低電圧検出回路４３を示している。この最低電圧検出回路４３は、アナログマルチプレクサ５１を備える。アナログマルチプレクサ５１は、マルチプレクサ５２のＳ端子にコンパレータ５３の出力を接続し、コンパレータ５３の入力端子はマルチプレクサ５２のＤ０端子とＤ１端子に入力されるふたつの電池セル１の電圧を入力している。このアナログマルチプレクサ５１は、Ｄ０端子とＤ１端子に入力されるふたつのアナログ電圧を比較して、低い電圧を出力する。図６の最低電圧検出回路４３は、アナログマルチプレクサ５１を２段に接続して、４個の電池セル１の最低電圧を出力する。
放電セル判定回路４４は、一方の入力端子（図５においてマイナス側入力端子）に最低電圧検出回路４３から出力される電池セル１の最低電圧を入力して、他方の入力端子（図５においてプラス側入力端子）にはセル電圧切り出し回路４２から各電池セル１の電圧を入力している差動アンプ４７を備える。この放電セル判定回路４４は、最低電圧よりも高い電池セル１の電圧が入力される差動アンプ４７がプラス信号のオン信号を出力する。オン信号は、レベルシフト回路４５でレベルシフトされて、放電回路２１の放電スイッチ２５をオン状態とする。
図５の隣接均等化回路５Ｃは、最低電圧検出回路４３の出力側に、電池セル１の電圧に偏差電圧を加算する回路（図示せず）を接続して、放電セル判定回路４４に入力して、電池セル１に偏差電圧を設けて均等化できる。また、放電セル判定回路４４の出力側に、放電スイッチ２５をオンオフに切り換える時間間隔を所定の時間、たとえば０．３秒〜５秒よりも遅くする低速制御回路（図示せず）を接続することができる。この隣接均等化回路５Ｃは、放電スイッチ２５が短い時間でオンオフに切り換えられることがなく、安定して電池セル１を均等化できる。
以上の隣接均等化回路５Ｃは、セルブロック２０を構成する複数の電池セル１の最低電圧を検出し、この最低電圧よりも電圧が高い電池セル１に接続している放電回路２１で放電することで、複数の電池セル１を安定して均等化できる。なお、図５は、４個の電池セル１を均等化する隣接均等化回路５Ｃを例示するが、この回路構成の隣接均等化回路は、３個以下、あるいは５個以上の電池セルを均等化することもできる。
以上の電源装置は、車載用のバッテリシステムとして利用できる。電源装置を搭載する車両としては、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が利用でき、これらの車両の電源として使用される。
図７に、エンジンとモータの両方で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。この図に示す電源装置を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給する電源装置１００と、電源装置１００の電池セルを充電する発電機９４と、エンジン９６、モータ９３、電源装置１００、及び発電機９４を搭載してなる車両本体９０と、エンジン９６又はモータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、電源装置１００の電池セルを充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３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９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６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、電源装置１００の電池セルを充電する。
また、図８に、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。この図に示す電源装置を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給する電源装置１００と、この電源装置１００の電池セルを充電する発電機９４と、モータ９３、電源装置１００、及び発電機９４を搭載してなる車両本体９０と、モータ９３で駆動されて車両本体９０を走行させる車輪９７とを備えている。電源装置１００は、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。モータ９３は、電源装置１００から電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置１００の電池セルを充電する。
以上の車両では、電源装置の直列電池群１０を構成する多数の電池セル１を均等化する均等化回路３を簡単にしながら、配線を簡略できる。それは、この電源装置が、各セルブロック２を構成する複数の電池セル１同士を隣接均等化回路５で独立して均等化し、直列電池群１０を構成する複数のセルブロック２同士をメイン均等化回路４で独立して均等化するからである。とくに、この電源装置は、隣接均等化回路５をセルブロック２に接近して配置することで、隣接均等化回路５をセルブロック２に接続するリードライン６Ｂを短くして配線を簡単にできる。また、複数の電池セル１で構成されるセルブロック２の両端のみをリードライン６Ａでメイン均等化回路４に接続するので、メイン均等化回路４に接続するリードライン６Ａの数を少なくして、リードライン６Ａの配線を簡単にできる。このように、電池セル１に接続されるリードライン６の配線を簡単にできる電源装置は、走行中の振動等による断線などの故障を極減して信頼性を高くできるという、車両に搭載される電源装置にとって理想的な特徴を実現できる。
さらに、以上の電源装置は、太陽電池や風力発電などの自然エネルギーの発電電力で充電するバッテリシステムとして使用することができ、また電動バイク、電動自転車、電動工具などの電源として使用することもできる。
本発明に係る電源装置及びこの電源装置を備える車両は、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。また車載用に限られず、例えばアシスト自転車や電動バイク、電動工具用のバッテリとしても利用できる。
１００…電源装置
１…電池セル
２…セルブロック
３…均等化回路
４…メイン均等化回路
５…隣接均等化回路 ５Ａ…隣接均等化回路
５Ｂ…隣接均等化回路
５Ｃ…隣接均等化回路
５Ｘ…第１隣接均等化回路
５Ｙ…第２隣接均等化回路
６…リードライン ６Ａ…リードライン
６Ｂ…リードライン
９…電池ブロック
１０…直列電池群
１１…放電回路
１２…制御回路
１３…ブロック電圧検出回路
１４…放電抵抗
１５…放電スイッチ
１６…マイコン
２０…セルブロック
２１…放電回路
２３…電圧比較器
２４…放電抵抗
２５…放電スイッチ ２５ａ…トランジスタ
２５ｂ…トランジスタ
２６…差動アンプ
２７…分圧抵抗
２８…接続点
２９…電池ブロック
３３…電圧比較器
３６…差動アンプ ３６Ａ…プラス側差動アンプ
３６Ｂ…マイナス側差動アンプ
３７…分圧抵抗
３８…中間抵抗
４１…制御回路
４２…セル電圧切り出し回路
４３…最低電圧検出回路
４４…放電セル判定回路
４５…レベルシフト回路
４６…差動アンプ
４７…差動アンプ
５１…アナログマルチプレクサ
５２…マルチプレクサ
５３…コンパレータ
９０…車両本体
９３…モータ
９４…発電機
９５…ＤＣ／ＡＣインバータ
９６…エンジン
９７…車輪
ＥＶ…車両
ＨＶ…車両

Claims (8)

  1. 複数の電池セルを直列に接続してなる直列電池群と、前記直列電池群を構成する複数の電池セルを均等化する均等化回路を備える電源装置であって、
    前記直列電池群は、複数の電池セルを接続してなる複数のセルブロックを直列に接続しており、
    前記均等化回路は、前記直列電池群を構成する複数のセルブロック同士を均等化するメイン均等化回路と、前記セルブロックを構成する複数の電池セル同士を均等化する隣接均等化回路とを備え、
    前記メイン均等化回路と前記隣接均等化回路とを、それぞれ独立して均等化する異なる回路構成としてなることを特徴とする電源装置。
  2. 前記セルブロック及び該セルブロックを構成してなる複数の電池セル同士を均等化する隣接均等化回路とで電池ブロックを構成しており、
    前記メイン均等化回路が、複数の電池ブロック同士を均等化する請求項１に記載される電源装置。
  3. 前記メイン均等化回路と前記隣接均等化回路とを、リードラインを介して前記電池セルに接続しており、
    前記隣接均等化回路を前記セルブロックに接続するリードラインを、前記メイン均等化回路を前記電池セルに接続するリードラインよりも短くしてなる請求項１または２に記載される電源装置。
  4. 前記メイン均等化回路が、デジタル処理して前記複数のセルブロック同士を均等化するデジタル回路を備え、前記隣接均等化回路が、アナログ処理して前記複数の電池セル同士を均等化するアナログ回路である請求項１から３のいずれかに記載される電源装置。
  5. 前記メイン均等化回路が、各セルブロックを放電して均等化する放電回路と、前記放電回路の放電状態を制御するマイコンを備える制御回路と、前記制御回路に各セルブロックの電圧を入力するブロック電圧検出回路とを備え、
    前記制御回路が、前記ブロック電圧検出回路で検出される前記セルブロックの電圧をデジタル処理して前記放電回路を制御して複数のセルブロック同士を均等化する請求項１から４のいずれかに記載される電源装置。
  6. 前記セルブロックがふたつの電池セルからなり、
    前記隣接均等化回路が、各電池セルに接続してなる放電抵抗と放電スイッチとからなる放電回路と、前記ふたつの電池セルの電圧差を検出して前記放電回路を制御する電圧比較器とを備え、
    前記電圧比較器が、各電池セルの電圧差を検出して、電圧の高い方の電池セルに接続してなる放電スイッチをオン状態に制御し、電圧の低い方の電池セルに接続してなる放電スイッチをオフ状態に制御して、前記放電抵抗において放電させることでふたつの電池セルを均等化する請求項１から５のいずれかに記載される電源装置。
  7. 前記セルブロックが複数の電池セルからなり、
    前記隣接均等化回路が、各電池セルに接続してなる放電抵抗と放電スイッチとからなる放電回路と、
    各電池セルの最低電圧を検出する最低電圧検出回路と、
    前記最低電圧検出回路で検出される最低電圧を各電池セルの電圧に比較して、最低電圧よりも電圧が高い電池セルに接続している放電回路の放電スイッチをオンに制御する放電セル判定回路とを備え、
    セル電圧が最低電圧よりも高い電池セルの放電回路を放電状態として、セルブロックを構成する複数の電池セル同士を均等化する請求項１から５のいずれかに記載される電源装置。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の電源装置を備えてなる車両であって、
    前記電源装置と、該電源装置から電力供給される走行用のモータと、前記電源装置及び前記モータを搭載してなる車両本体と、前記モータで駆動されて前記車両本体を走行させる車輪とを備えることを特徴とする電源装置を備える車両。
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