JP2016012510A

JP2016012510A - 直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置

Info

Publication number: JP2016012510A
Application number: JP2014134424A
Authority: JP
Inventors: 耕一山野上; Kouichi Yamanoue; 和聡金森; Kazuaki Kanamori
Original assignee: Imasen Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Imasen Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: JP6292056B2

Abstract

【課題】蓄電池モジュールを構成する全蓄電池セルの充電電圧を均一に保つと同時に、コントローラから各蓄電池セルへの配線を無くす技術が公知であるが、蓄電池セル毎に設けた電圧測定手段及び充電回路手段／又は放電回路手段は、公知のA／Dコンバータ或いはトランジスタ等の半導体回路によって形成されるため、かかる半導体回路の動作に必要な回路電源を供給することが課題となる。
【解決手段】
複数の蓄電池セルを直列に接続して構成した蓄電池モジュールと、蓄電池セル毎に設置した制御手段と、蓄電池セルから制御手段への電源供給を断続するスイッチ手段と、２本の電線対から成り複数の電圧監視及び電圧均一化装置と接続した通信線と、通信線側を１次巻き線とするとともに２次巻き線を備えるパルストランスと、制御手段からの通信信号によってパルストランスの２次巻き線を駆動して送受信を行うインターフェース手段によって構成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蓄電池セルを直列に接続して構成した蓄電池モジュールにおいて、個々の蓄電池セルの電圧を独立して計測するとともに、該個別の蓄電池セルの充電電圧を強制的に放電することによって各蓄電池セルの電圧を均一化する、電圧監視及び電圧均一化装置であって、特に係る装置と蓄電池との間の配線数を大幅に低減可能としたことを特徴とするものである。

蓄電池モジュールを構成する複数の蓄電池セルがそれぞれ同一の充電量でない場合には、要求されている出力性能および容量性能を発揮できない。したがって、蓄電池セルそれぞれの容量は常に均一にしておく必要がある。そのため、蓄電池セルごとに電圧検出線を接続し、その電圧検出線から検出される電圧に応じて蓄電池放電回路の接続を制御し、それぞれの蓄電池セルの充放電を個別に制御できるようにしている。
ところが、電圧検出線は、蓄電池モジュールの各蓄電池セルから全て引き出さなければならないため、直列セル数が多い場合にはその引き出し組み立てに工数がかかるのと、配線材料にコストがかかることから、その省略が望まれていた。

そこで、前記配線材料を省略する技術として、個々の蓄電池セル毎に電圧測定手段、及び充電／又は放電回路手段と２次側コイルとを設けるとともに、該２次側コイルの近傍に１次側コイルとコントローラとを設置して、前記１次側コイルから複数の前記２次側コイルと通信することによって全蓄電池セルの充電電圧を均一に保つと同時に、前記コントローラから各蓄電池セルへの配線を無くす技術が公知である。

特開２００７−４８７４６号公報

前記蓄電池セル毎に設けた電圧測定手段及び充電回路手段／又は放電回路手段は公知のＡ／Ｄコンバータ、或いはトランジスタ等の半導体回路によって形成されるため、かかる半導体回路の動作に必要な回路電源を供給することが課題となる。

本発明の電圧監視及び電圧均一化装置は、上記目的を達成するために請求項１に記載された発明によれば、複数の蓄電池セルを直列に接続して構成した蓄電池モジュールと、蓄電池セル毎に設置した制御手段と、該蓄電池セルから制御手段への電源供給を断続するスイッチ手段と、２本の電線対から成り複数の電圧監視及び電圧均一化装置と接続した通信線と、該通信線側を１次巻き線とするとともに２次巻き線を備えるパルストランスと、前記制御手段からの通信信号によって前記パルストランスの２次巻き線を駆動して送受信を行うインターフェース手段によって構成した。

請求項２に記載された発明によれば、前記スイッチ手段の入力側と前記制御手段とを接続して、該制御手段からスイッチ手段の接続状態を強制的に保持可能な如く構成した。

請求項３に記載された発明によれば、複数の蓄電池セルを直列に接続して構成した蓄電池モジュールと、蓄電池セル毎に設置した制御手段と、２本の電線対から成り複数の電圧監視及び電圧均一化装置と接続した通信線と、該通信線側を１次巻き線とするとともに２次巻き線を備えるパルストランスと、該パルストランスの２次巻き線の出力電圧を整流する整流手段と、該整流手段の出力電圧を保持するバックアップコンデンサと、該バックアップコンデンサと前記制御手段との間へ配設せしめた定電圧回路手段と、前記制御手段からの通信信号によって前記パルストランスの２次巻き線を駆動して送受信を行うインターフェース手段によって構成した。

請求項４に記載された発明によれば、前記通信線は公知の車載ネットワークであるＣＡＮバスによって構成した。

請求項１の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置によれば、蓄電池セルの電圧測定及び蓄電池セルの放電を制御する制御手段の作動電源は、前記通信線上の信号からパルストランスを介して得られる起動信号によって前記蓄電池セルと制御手段との間へ配設したスイッチ手段を接続して前記蓄電池セルの電圧を前記制御手段へ供給するとともに、該制御手段は前記インターフェース手段と通信線とを介して外部と通信を行うように構成したから、蓄電池セルを電源として、外部からの通信手段を介して必要時に制御手段を起動させることができる。

請求項２の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置によれば、前記スイッチ手段と前記制御手段とを接続して、該制御手段からスイッチ手段の接続状態を強制的に保持可能な如く構成したから、外部から前記通信線上へ印加される通信信号を電圧源として前記パルストランスの二次側巻き線へ誘起される起動信号が無い期間、即ち通信のアイドル状態においてもスイッチ手段を接続して制御手段を継続して動作させることができる。

請求項３の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置によれば、複数の蓄電池セルを直列に接続して構成した蓄電池モジュールと、蓄電池セル毎に設置した制御手段と、２本の電線対から成り複数の電圧監視及び電圧均一化装置と接続した通信線と、該通信線側を１次巻き線とするとともに２次巻き線を備えるパルストランスと、該パルストランスの２次巻き線の出力電圧を整流する整流手段と、該整流手段の出力電圧を保持するバックアップコンデンサと、該バックアップコンデンサと前記制御手段との間へ配設せしめた定電圧回路手段と、前記制御手段からの通信信号によって前記パルストランスの２次巻き線を駆動して送受信を行うインターフェース手段によって構成したから、前記パルストランスと整流手段を介して外部から前記通信線上へ印加される通信信号を電圧源として前記制御手段を動作させることができるとともに、該通信信号のアイドル期間中にも前記バックアップコンデンサに蓄電した電圧によって該制御手段を動作させることができる。

請求項４の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置によれば、前記通信線は公知の車載ネットワークであるＣＡＮバスによって構成したからハイブリッド車両又は電気自動車へ搭載される高電圧電源のリチウムイオン蓄電池モジュールへ適用して好適である。

は、本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置の１実施形態を表す図である。は、スイッチング手段２０の一例を説明する図である。は、制御手段３０の一例を説明する図である。は、インターフェース手段４０の一例を示す図である。は、本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置の他の実施形態を表す図である。は、本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置を角型蓄電池モジュールへ搭載した図である。は、従来技術による直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置と各蓄電池セルの結線状態を表す図である。

以下、各図に従って、本発明の一実施様態について説明する。
図１は、本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置を模式的に示した図であり、１は本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置、２は２本の電線対から成り複数の電圧監視及び電圧均一化装置と接続した通信線、３は直列蓄電池セルの内の単電池セルを現したもので、４は各蓄電池セルを直列に接続する接続線である。

直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置１は通信線２との間に、カップリングコンデンサ１１とパルストランス１０を介してスイッチ手段２０と接続してある。ここで、２本の電線対である通信線２上へ図示しない外部コントローラから、矩形波信号からなる通信信号が供給されると、パルストランス１０の２次側巻き線から該通信信号に同期した矩形波電圧が発生する。

次に、係る矩形波信号は図２に示すスイッチ手段２０の端子２０ａへ入力され、ダイオード２００を介してトランジスタ２０２のベース電流が流れて、該トランジスタ２０２がＯＮ状態となる。続いてトランジスタ２０１がＯＮとなって、端子２０ｂと接続された蓄電池セル３の正極電圧が定電圧回路２０３へ印加される。

定電圧回路２０３は、前記蓄電池セルの通常使用電圧範囲（例えばリチウムイオン電池の場合は３〜３．６Ｖ）の入力電圧よりも僅かに低い出力電圧（例えば２．５Ｖ）に設定してあり、係る出力電圧が端子２０ｃを経由して制御手段３０の電源端子３０ａへ供給されるが如く構成してある。従って、前記蓄電池セル３の充電電圧が変動しても制御手段３０へ供給される作動用電源の電圧は所定の安定値となる。

図１の制御手段３０は、起動直後に端子３０ｂからＬＯＷレベルを出力して、前記スイッチ手段２０のトランジスタ２０１をＯＮにする。これによって、例えば前記通信線２上の通信信号が途絶えた場合でも、該制御手段３０への電源供給は維持される。また、制御手段３０は通信線２上の通信信号が無く、蓄電池セル３の電圧測定及び放電処理が不要になった場合には、前記端子３０ｂからＨＩＧＨレベルを出力してトランジスタ２０１をＯＦＦにすることで電源の自己遮断を可能にしてある。

また、制御手段３０は端子３０ｅを介して前記通信信号に従って生成されるパルストランス１０の二次側巻き線の矩形波信号を入力してある。これによって制御手段３０は外部コントローラからの通信信号を受信するようになっている。

制御手段３０の詳細は図３に示す如く、マイクロコントローラ３００とトランジスタ３０１で構成してある。
ここで、制御手段３０は前記外部コントローラが前記蓄電池セル３の電圧を測定するように要求した場合には、端子３０ｃを介して該蓄電池セル３０の正極電圧をＡ／Ｄ変換して記憶する。さらに、外部コントローラが蓄電池セル３の充電電圧を放電するように要求した場合には、図３のトランジスタ３０１をＯＮにして端子３０ｃと接続した蓄電池セル３を放電するように作用する。

さらに制御手段３０は端子３０ｅから外部コントローラへ通信の送信信号を出力し、該送信信号は図１のインターフェース手段４０及び、該インターフェース手段４０の詳細図である図４の４０ｂへ入力してトランジスタ４００を駆動し、端子４０ａと接続せしめた前記パルストランス１０の二次側巻き線へＬＯＷレベルの矩形波信号を印加する。これによって該パルストランス１０の１次側巻き線から通信線２に矩形波信号を送出して、外部コントローラとの通信を行うように作用する。

これによって、制御手段３０は蓄電池セル３の充電電圧を測定したＡ／Ｄ変換結果を前記外部コントローラへ送信し、該外部コントローラは直列接続された全ての蓄電池セルの電圧情報を収集するように作用する。そして、外部コントローラは複数の蓄電池セルの中から最低電圧となった蓄電池セルの充電電圧を制御目標電圧として、その他全ての蓄電池セルの充電電圧を所定量だけ放電するように各制御手段へ放電指令を送信する。

以下、図５に従って、本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置の他の実施様態について説明する。尚、前記実施様態と重複する部分についてはその説明を省略する。

図５の２、３、４、１１、１０、３０、４０はそれぞれ前記実施様態と同じ構成と作用を具備した通信線（２）、蓄電池セル（３）、接続線（４）、カップリングコンデンサ（１１）、パルストランス（１０）、制御手段（３０）、インターフェース手段（４０）
である。

図示しない外部コントローラから通信線２に対して矩形波信号の通信信号を印加すると、パルストランス１０の二次側巻き線に矩形波電圧を発生する。整流手段７０は矩形波電圧を整流して、該矩形波電圧のピーク値に対応した直流電圧をバックアップコンデンサ５０に充電すると同時に定電圧回路手段６０へ入力する。定電圧回路手段６０の出力電圧は、前記矩形波電圧のピーク値に対応した直流電圧よりも僅かに低い定電圧を発生するように設定してあり、該定電圧は制御手段３０へ供給されて該制御手段３０が所定の動作を行うように作用する。

ここで、外部コントローラが通信信号を発生している期間は、上述のとおりパルストランス１０と整流手段７０と定電圧回路手段６０を介して制御手段３０へ作動電源が供給される。しかしながら、外部コントローラからの通信信号が停止している場合であっても制御手段が蓄電池セル３の電圧をＡ／Ｄ変換する期間等のように、該制御手段が動作しなければならない場合がある。

そこで、本実施様態においては前記通信信号による前記パルストランスの二次側巻き線に誘起される矩形波信号が停止している期間では、バックアップコンデンサ５０に充電した電力によって定電圧回路手段６０給電して制御手段３０の作動を可能とした。

これによって、前記通信信号が中断している期間であっても、外部コントローラからの蓄電池セル電圧計測要求または蓄電池セルの放電要求の動作を確実に行うことができる。

以上のように構成して、本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置は、図６に示すように複数の蓄電池セルに設置したプリント基板に搭載した電圧監視及び電圧均一化装置を通信線２によって全て並列に接続することができるから、図７に示す一般的な実施様態と比較して配線数を大幅に削減できるから、コスト・信頼性が向上するといった効果を奏する。

さらに、蓄電池セル３に公知のリチウムイオン電池を採用する場合には、電池の温度管理が重要である。そこで、本発明の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置は各制御手段３０の全てに図示しない温度センサーを内蔵して、全蓄電池セルの温度を独立して測定することが容易になる。この場合にも図７の一般的な配策によれば、温度センサー用の配線を含めて配線数が膨大になることは容易に想定可能である。

１直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置
２通信線
３蓄電池セル
４接続線
１０パルストランス
１１カップリングコンデンサ
２０スイッチ手段
３０制御手段
４０インターフェース手段
５０バックアップコンデンサ
６０定電圧回路手段
７０整流手段

Claims

複数の蓄電池セルを直列に接続して構成した蓄電池モジュールにおいて、個々の蓄電池セルの電圧を独立して計測するとともに、該個別の蓄電池セルの充電電圧を強制的に放電することによって各蓄電池セルの電圧を均一化する電圧監視及び電圧均一化装置であって、蓄電池セル毎に設置した制御手段と、該蓄電池セルから制御手段への電源供給を断続するスイッチ手段と、２本の電線対から成り複数の電圧監視及び電圧均一化装置と接続した通信線と、該通信線側を１次巻き線とするとともに２次巻き線を備えるパルストランスと、前記制御手段からの通信信号によって前記パルストランスの２次巻き線を駆動して送受信を行うインターフェース手段によって構成したことを特徴とする直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置。
前記スイッチ手段の入力側と前記制御手段とを接続して、該制御手段から前記スイッチ手段の接続状態を強制的に保持可能な如く構成したことを特徴とする請求項１に記載の
直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置。
複数の蓄電池セルを直列に接続して構成した蓄電池モジュールと、蓄電池セル毎に設置した制御手段と、２本の電線対から成り複数の電圧監視及び電圧均一化装置と接続した通信線と、該通信線側を１次巻き線とするとともに２次巻き線を備えるパルストランスと、該パルストランスの２次巻き線の出力電圧を整流する整流手段と、該整流手段の出力電圧を保持するバックアップコンデンサと、該バックアップコンデンサと前記制御手段との間へ配設せしめた定電圧回路手段と、前記制御手段からの通信信号によって前記パルストランスの２次巻き線を駆動して送受信を行うインターフェース手段によって構成したことを特徴とする直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置。
前記通信線は公知の車載ネットワークであるＣＡＮバスによって構成したことを特徴とする請求項１から請求項３に記載の直列蓄電池セルの電圧監視及び電圧均一化装置。