JP2016036209A - ２次電池選択回路 - Google Patents

Abstract

【課題】２次電池の短絡を防止しつつ、任意の２次電池の組み合わせを選定できてバランス動作の迅速化、効率化を可能とすること。【解決手段】２次電池群Ｃ１〜Ｃ１２と電荷蓄積コンデンサＣＤとの間に介在して２次電池を選択する複数の選択スイッチＵ１〜Ｕ１３と、奇数番並びに偶数番の選択スイッチのそれぞれのいずれかを選定する第１並びに第２のセレクタＹ０，Ｙ１と、を備え、奇数番の選択スイッチは互いに接続されて奇数バスＢ１に接続され、偶数番の選択スイッチは互いに接続されて偶数バスＢ２に接続され、第１と第２のセレクタの選定動作に基づいて連続した複数個の２次電池Ｃ１〜Ｃ３の電荷を電荷蓄積コンデンサに充電させ、第１と第２のセレクタの選定動作に基づいて連続した複数個よりも数の少ない２次電池Ｃ４の端子を接続し、充電した電荷蓄積コンデンサＣＤから連続した複数個よりも数の少ない２次電池Ｃ４に充電すること。【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧を発生する２次電池群（２次電池モジュール）における各２次電池の電圧のバランス動作の実施に際して、２次電池の短絡を防止しつつバランス動作の高速化、効率化を可能とする２次電池の選択回路に関する。

一般的に、複数の２次電池からなる２次電池群の中から各２次電池を選択する場合に、その選択スイッチは、２次電池（以下、セルとも称する）各々の端子から１個を選択して、電圧モニター回路等に接続されるように構成されている。電圧モニター回路等に接続される選択スイッチには、２次電池同士の短絡発生に備え、選択スイッチに直列に電流制限部材が接続されている。このような接続構成においては、この選択スイッチを使って電流を流し２次電池同士の電圧のバランス動作を実施する場合には、電圧バランス動作の効率化の面で課題が生じていた。

そこで、２次電池同士間の電圧バランスの調整を行うに際して、電圧判定部を用いることなく２次電池の選択回路と電荷蓄積コンデンサとを順番にしたがって順次切り替えるスイッチを採用することで電圧バランスを実施することが、例えば特許文献１に提案されている。

特開２００１−１７８００８号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、２次電池の両端電圧を順次選択できるように構成されているものの、２次電池を順番に切り替えるスイッチ選択回路であって、２次電池の選択に際してその数と順番において自由度がなく、任意の２次電池の組み合わせを選択できず、電圧バランスの効率化で課題があった。さらに、スイッチの誤動作等による２次電池の誤選択時に２次電池の短絡する危険性があった。

本発明の目的は、２次電池の短絡防止を無くし、複数の２次電池の任意の２次電池の組み合わせを選定できて電圧のバランス動作の高速化、効率化を行える２次電池の選択回路を提供することである。

前記課題を解決するために本発明は主として次のような構成を採用する。

複数の２次電池を直列接続した２次電池群と電荷蓄積コンデンサとの間に介在して前記２次電池を選択する複数の選択スイッチと、前記選択された２個のスイッチの出力が極性を反転する極性切替スイッチと、前記複数の選択スイッチの内で奇数番の選択スイッチのいずれかを選定する第１のセレクタと、前記複数の選択スイッチの内で偶数番の選択スイッチのいずれかを選定する第２のセレクタと、とを備えた２次電池選択回路であって、
前記奇数番の選択スイッチは、２次電池側とは反対側の電荷蓄積コンデンサ側で互いに接続されて奇数番の共通ラインを形成し、前記偶数番の選択スイッチは、２次電池側とは反対側の電荷蓄積コンデンサ側で互いに接続されて偶数番の共通ラインを形成し、前記第１と前記第２のセレクタの選定動作に基づいて、連続した複数個の２次電池の端子を前記奇数番と前記偶数番の共通ラインにそれぞれ接続して前記電荷蓄積コンデンサに充電させ、前記第１と前記第２のセレクタの選定動作に基づいて、前記連続した複数個よりも数の少ない２次電池の端子を前記奇数番と前記偶数番の共通ラインに接続し、前記充電した電荷蓄積コンデンサから前記極性切替スイッチを介して前記連続した複数個よりも数の少ない２次電池に充電する構成とする。

本発明によれば、２次電池群における各２次電池の端子電圧を奇数番側電圧と偶数番側電圧として別々に選択出力させることによって、マイコンによる誤指令による誤ったスイッチ選択時においても２次電池を短絡させることなく、任意の２次電池の組み合わせを選定できて２次電池の電圧バランス動作の高速化、効率化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る２次電池選択回路の全体構成を示す図である。

本発明の実施形態に係る２次電池選択回路について、図１を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、Ｃ１〜Ｃ１２は２次電池、Ｍはマイコン、Ｕ１〜Ｕ１３は２次電池選択スイッチ、Ｕ１４〜Ｕ１７は極性切替スイッチ、ＣＤは電荷蓄積コンデンサ、Ｂ１は奇数バス、Ｂ２は偶数バス、Ｙ０は奇数番の選択スイッチを選定するセレクタ、Ｙ１は偶数番の選択スイッチを選定するセレクタ、Ｙ２は極性切替スイッチを制御するセレクタ、をそれぞれ表す。

本発明の実施形態に係る２次電池選択回路は、選択スイッチＵ１〜Ｕ１３と、極性切替スイッチＵ１４〜Ｕ１７と、奇数番の選択スイッチを選定するセレクタＹ０と、偶数番の選択スイッチを選定するセレクタＹ１と、極性切替スイッチを制御するセレクタＹ２と、から構成され、本実施形態の周辺構成としては、２次電池Ｃ１〜Ｃ１２と、マイコンＭと、電荷蓄積コンデンサＣＤと、がある。

Ｕ１からＵ１７に示すスイッチは、２次電池Ｃ１〜Ｃ１２と電化蓄積コンデンサとを接続する接続経路に設けられている。スイッチＵ１〜Ｕ１７はフォトＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチを示す。フォトＭＯＳＦＥＴスイッチの入力はフォトダイオードで構成され通常論理動作レベルで駆動可能である。ここで、スイッチＵ１〜Ｕ１７はフォトＭＯＳＦＥＴに限らず、通常の制御スイッチであっても構わない。

図１で２次電池Ｃ１の＋側とＣ１２の−側の両端には、一例として、自動車等の高圧バッテリからなる負荷回路又は充電回路が接続されている。

２次電池Ｃ１〜Ｃ１２の１個又は複数個を選択する場合、一般出力ポートであるマイコンＭから、奇数番スイッチ（Ｕ１，Ｕ３，Ｕ５，Ｕ７，Ｕ９，Ｕ１１，Ｕ１３）を選定するセレクタＹ０に向けて、さらに、偶数番スイッチ（Ｕ２，Ｕ４，Ｕ６，Ｕ８，Ｕ１０，Ｕ１２）を選定するセレクタＹ１に向けて指令を発している。ここで、マイコンＭからは３ビットの信号が出力され８通りの指令を可能としている。また、セレクタＹ０，Ｙ１は、いずれか１つの出力を選択する機能を有しているものである。

極性切替スイッチＵ１４〜Ｕ１７は、奇数バスＢ１に極性切替スイッチＵ１４とＵ１６が接続され、偶数バスＢ２に極性切替スイッチＵ１５とＵ１７が接続されており、さらに、セレクタＹ２の一方の出力側が極性切替スイッチＵ１４とＵ１７を制御し、セレクタＹ２の他方の出力側が極性切替スイッチＵ１５とＵ１６を制御している。

奇数バスＢ１は、高電圧を出力するために直列接続された複数の２次電池（Ｃ１〜Ｃ１２）の中で奇数番の２次電池同士を選択スイッチＵの電荷蓄積コンデンサ側で接続しており、同様に、複数の２次電池（Ｃ１〜Ｃ１２）の中で偶数番の２次電池同士を選択スイッチＵの電荷蓄積コンデンサ側で接続している。

選択スイッチＵ１〜Ｕ１３を選択するセレクタは、奇数バスＢ１向けと偶数バスＢ２向けに分割してセレクタＹ０とセレクタＹ１を設け、２次電池の±端子間が同一バス上で同時オンできない構造となっている（セレクタＹ０とＹ１のそれぞれはどれか１つの出力線のみがオン出力する機能を有している）。仮に、セレクタＹが共通していて、奇数バスに接続する奇数番の選択スイッチ同士又は偶数バスに接続する偶数番の選択スイッチ同士を誤って同時接続すると、電池の±端子を短絡することになり一瞬にしてスイッチを破壊してしまう。

負荷へ高電圧を出力するために直列接続された多数の２次電池に対して、電圧バランス動作させるために、２次電池の端子を選択する必要があるが、その際の選択動作について以下説明する。

２次電池の端子を選択する場合、マイコン等の一般出力ポートで個別に選択する方法がある。一般の出力ポートの設定は任意にできるので、スイッチを選択するセレクタを用いずに、マイコンから直接にスイッチ制御信号を出力して制御するものであるが、この手法はマイコンによるスイッチの誤選択の虞がある。また、上述した特許文献１のように、２次電池を１個ずつ順次に選択していく手法が開示されているが、スイッチの数が２次電池の２倍必要であるという課題があり、さらに、２次電池を１個ずつ順番に選択するので、電圧バランス動作でその迅速性に課題がある。

本発明の実施形態に係る２次電池選択回路は、概して云えば、スイッチの数を減らし、スイッチの誤選択の虞を無くして２次電池の短絡を防止し、さらに、適宜数の２次電池を選定して電荷蓄積コンデンサを介して充電することで２次電池間の電圧バランス動作を高速化して迅速性を実現することが基本的思想であって、本実施形態の構成としては、図１に示すように、２次電池の端子を選択する選択スイッチは２次電池セルＮ個に対して（Ｎ＋１）個で済ますことができ、バランス動作に際して２次電池を任意に選択し（後述するが、２次電池の選択の順番が順次では無くて任意の２次電池を選択可能であり、２次電池の選択の数も任意の数である）、さらに、選択スイッチの順列番号の奇数番側と偶数番側をそれぞれ別な電圧バス（奇数バスＢ１と偶数バスＢ２）に接続することで直列接続された２次電池のプラス側とマイナス側を識別し、それぞれの電圧バス内の選択スイッチを選定するセレクタを独立に保有するものである。

次に、本実施形態に係る２次電池選択回路について、具体的事例を用いて説明すると、例えば、Ｃ１の２次電池を選択する場合、選択スイッチＵ１及びＵ２を選択する。選択スイッチＵ１は奇数でありＵ２は偶数であるから、それぞれの選択スイッチＵ１とＵ２は奇数バスＢ１と偶数バスＢ２であるそれぞれ別な電圧バスに接続されている。さらに、極性切替スイッチＵ１４及びＵ１７を接続すると、電荷蓄積コンデンサＣＤに２次電池Ｃ１の両端電圧が充電される。

次に、電荷蓄積コンデンサＣＤに充電した電荷を２次電池Ｃ２に放電して電圧のバランス動作をさせる場合、選択スイッチＵ２及びＵ３を選択し、極性切替スイッチＵ１５及びＵ１６を選択することによって、２次電池Ｃ１から２次電池Ｃ２への電荷の移送が電荷蓄積コンデンサＣＤを介して完了する。

上述した２次電池の選択に際しては、単一の２次電池を選定して電荷蓄積コンデンサＣＤへ充電させ、当該ＣＤから電圧バランス動作させる２次電池を選定する場合に、任意の２次電池を選定することができ、例えば、２次電池群の内で電圧の低い２次電池を検知して当該電圧低下した２次電池に電荷蓄積コンデンサＣＤから充電させることができる（選択スイッチＵ１〜Ｕ１３を適宜に選定することによって）。

従来のスイッチ選択回路において、スイッチの選択過程で誤ってスイッチＵ２とＵ４を選択すると、２次電池Ｃ２の＋側とＣ３の−側を接続することになって２次電池（Ｃ２＋Ｃ３）を短絡させる事態になる。このような事態は、スイッチを任意に選択できる構成を備えている従来のスイッチ選択回路においては、誤操作や誤動作によって発生する可能性がある。

これに対して、本実施形態のスイッチ選択回路においては、選択スイッチＵの電荷蓄積コンデンサＣＤ側の端子を共通としている出力側電圧バスを奇数バスＢ１と偶数バスＢ２に分離しており（２次電池Ｕ１〜Ｕ１２はその接続端子をＢ１とＢ２とで分離）、さらに、選択スイッチＵを選定するセレクタを電圧バス単位に分けてセレクタＹ０及びＹ１を有している（Ｙ０又はＹ１のそれぞれはいずれか１つの出力のみを選択）ことによって、誤操作時又は誤動作時の２次電池短絡防止の安全を確保している。

次に、本実施形態に係る２次電池選択回路における２次電池の電圧バランス動作について説明する。まず、上述した特許文献１に示された技術について説明すると、この特許文献１に示すように、隣接する２次電池間でコンデンサを介して順次に電荷移送を行い全体の２次電池の電圧を合致させるものであり、その動作の態様が単純であって全ての２次電池間を順番に循環動作させることによって、２次電池の端子電圧のバランスの崩れを防止するものである。この動作の特徴は電圧差のある２次電池間をコンデンサを介して均等化するものであり、電荷の移送量は使用するコンデンサの容量に依存する。

電圧バランスを取るために、２次電池の大容量に対応するほどのコンデンサは用意できないので、コンデンサを介在した一回の電荷移送量は限られている。２次電池が１Ａｈのリチュームイオン電池とすると、コンデンサ換算すると約Ｃ＝３６００クーロン／１Ｖ＝３６００Ｆとなる。１００ｍＶのバランス回復（例えば、２次電池Ｃ１とＣ２とで１００ｍＶのアンバランスがある）に必要な電荷量は３６０クーロンである。電荷移送のために必要な容量は電荷を移送する回数で必要電荷量を除することで一回当たりの転送電荷量が求まる。実用的な転送回数を１０ｋ回／秒とすると一回当たりの電荷量は０．０３６クーロンである。必要容量は０．０３６クーロン÷０．１Ｖ＝０．３６Ｆとなり、大きなコンデンサが必要になる。

これに対して、本実施形態に係る２次電池選択回路を採用すると、結論から言えば、電荷蓄積コンデンサＣＤの容量を例えば０．０１Ｆと小さくすることができる。その理由について以下説明する。

まず、本実施形態に係る２次電池選択回路であれば、１つ目の２次電池選択手法として、上記の引用文献１のような２次電池Ｃの順を追った選択（Ｃ１からＣＤへの充電に続けてＣＤからＣ２への充電）のみばかりではなくて、充電の対象を任意順番の２次電池間の充電とすることができる。すなわち、Ｃ１からＣＤへの充電に続けてＣＤからＣ４への充電を可能とする（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ１４，Ｕ１７のオンによるＣ１からＣＤへの充電と、Ｕ１５，Ｕ１６，Ｕ４，Ｕ５のオンによるＣＤからＣ４への充電）。

２つ目の２次電池選択手法として、連続した複数の２次電池群から電荷蓄積コンデンサＣＤへの充電と、当該ＣＤから当該複数の２次電池群よりも数の少ない２次電池への充電が可能となる。すなわち、２次電池Ｃ１からＣ３までの３個の２次電池群からＣＤへの充電に続けてＣＤからＣ４への充電を可能とする（Ｕ１，Ｕ４，Ｕ１４，Ｕ１７のオンによるＣ１〜Ｃ３からＣＤへの充電と、Ｕ１５，Ｕ１６，Ｕ４，Ｕ５のオンによるＣＤからＣ４への充電）。

例示として、Ｃ１（３．６Ｖ）とＣ２（３．５Ｖ）からなる２次電池群からＣ３（３．５Ｖ）への電圧バランス動作を考えてみる。この場合、ＣＤへの充電によってＣＤの電圧は７．１Ｖに充電される。そして、７．１ＶのＣＤから３．５ＶのＣ３への充電が行われることとなるが、７．１−３．５＝３．６Ｖ（２次電池の１個分の電圧）に相当する電荷の移動が行われることとなり、それに必要な電荷蓄積コンデンサＣＤの容量は、上述の例で、０．１Ｖで０．３６Ｆであるので、０．３６×０．１／３．６＝０．０１Ｆ となる。すなわち、電荷蓄積コンデンサＣＤに必要な容量は、０．０１Ｆであり、１／３６にすることができる。

上述した例示を定性的に説明すると、電荷蓄積コンデンサの容量は移送電荷量に比例して大きくなるが、移送電荷量は印加電圧にも比例するので、電荷蓄積コンデンサに加わえる電圧を大きくすることで移送電荷量を増やすことができる。コンデンサの蓄積電圧を２次電池の１個分（上述の例で３．６Ｖ）にするだけで３６倍の電荷移送が可能となるので同じ移送能力を維持する場合、電荷蓄積コンデンサの容量は約１０ｍＦとなり、比較的小型のコンデンサで済ますことができるのである。このように、本実施形態の２次電池選択回路を採用することによって、電荷移送能力を飛躍的に高めることができて、２次電池の電圧のバランス動作を迅速に（同じコンデンサ容量をもつものとの対比で）実施することができる。

繰り返して、本発明の背景技術の課題と本発明の特徴を説明する。従来、２次電池のうちエネルギー密度の高いリチュームイオン電池などは既定の電圧以上に電圧を印加すると発火の虞、危険がある。また、２次電池の温度がばらつくと２次電池それ自体にばらつきがなくとも充電時に２次電池電圧のばらつきが発生する。安全を確保するためには、２次電池が危険電圧にならないような充電制御が必要であり、充電中の２次電池電圧の上昇を監視して危険電圧に入る前に充電動作を停止制御する必要がある。このような制御をすると、直列接続された２次電池間の電圧ばらつきが大きいままで充電を終了することになる。そうすると、２次電池群の中には充電不足の２次電池も含まれるため、２次電池群全体として電池容量が目減りして見える。

そこで、本実施形態に係る２次電池選択回路によると、高速に２次電池の電圧バランスを取ることができ、バランス動作をしながら充電するので、充電完了時には２次電池の電圧バランスが取れた状態で終了する。したがって、能力いっぱいの２次電池への充電が行われるので電池エネルギー効率が良い。放電時にも同様な効果があるので全体として無駄のない蓄電システムの構成が可能となる。

Ｃ１〜Ｃ１２ ２次電池
Ｍ マイコン
Ｕ１〜Ｕ１３ ２次電池選択スイッチ
Ｕ１４〜Ｕ１７ 極性切替スイッチ
ＣＤ 電荷蓄積コンデンサ
Ｂ１ 奇数バス
Ｂ２ 偶数バス
Ｙ０ 奇数番の選択スイッチを選定するセレクタ
Ｙ１ 偶数番の選択スイッチを選定するセレクタ
Ｙ２ 極性切替スイッチを制御するセレクタ

Claims (4)

1. 複数の２次電池を直列接続した２次電池群と電荷蓄積コンデンサとの間に介在して前記２次電池を選択する複数の選択スイッチと、
   前記選択された２個のスイッチの出力が極性を反転する極性切替スイッチと、
   前記複数の選択スイッチの内で奇数番の選択スイッチのいずれかを選定する第１のセレクタと、
   前記複数の選択スイッチの内で偶数番の選択スイッチのいずれかを選定する第２のセレクタと、とを備えた２次電池選択回路であって、
   前記奇数番の選択スイッチは、２次電池側とは反対側の電荷蓄積コンデンサ側で互いに接続されて奇数番の共通ラインを形成し、
   前記偶数番の選択スイッチは、２次電池側とは反対側の電荷蓄積コンデンサ側で互いに接続されて偶数番の共通ラインを形成し、
   前記第１と前記第２のセレクタの選定動作に基づいて、連続した複数個の２次電池の端子を前記奇数番と前記偶数番の共通ラインにそれぞれ接続して前記電荷蓄積コンデンサに充電させ、
   前記第１と前記第２のセレクタの選定動作に基づいて、前記連続した複数個よりも数の少ない２次電池の端子を前記奇数番と前記偶数番の共通ラインに接続し、前記充電した電荷蓄積コンデンサから前記極性切替スイッチを介して前記連続した複数個よりも数の少ない２次電池に充電する
   ことを特徴とする２次電池選択回路。
2. 請求項１において、
   前記２次電池群の２次電池の数がＮのときに、前記選択スイッチの数は（Ｎ＋１）であることを特徴とする２次電池選択回路。
3. 複数の２次電池を直列接続した２次電池群と電荷蓄積コンデンサとの間に介在して前記２次電池を選択する複数の選択スイッチと、
   前記選択された２個のスイッチの出力が極性を反転する極性切替スイッチと、
   前記複数の選択スイッチの内で奇数番の選択スイッチのいずれかを選定する第１のセレクタと、
   前記複数の選択スイッチの内で偶数番の選択スイッチのいずれかを選定する第２のセレクタと、とを備えた２次電池選択回路であって、
   前記奇数番の選択スイッチは、２次電池側とは反対側の電荷蓄積コンデンサ側で互いに接続されて奇数番の共通ラインを形成し、
   前記偶数番の選択スイッチは、２次電池側とは反対側の電荷蓄積コンデンサ側で互いに接続されて偶数番の共通ラインを形成し、
   前記第１と前記第２のセレクタの選定動作に基づいて、任意の２次電池の端子を前記奇数番と前記偶数番の共通ラインにそれぞれ接続して前記電荷蓄積コンデンサに充電させ、
   前記第１と前記第２のセレクタの選定動作に基づいて、前記２次電池群の内で電圧の低い２次電池を選定してその端子を前記奇数番と前記偶数番の共通ラインに接続し、前記充電した電荷蓄積コンデンサから前記極性切替スイッチを介して前記電圧の低い２次電池に充電する
   ことを特徴とする２次電池選択回路。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つの請求項において、
   前記第１のセレクタは、前記奇数番の選択スイッチのいずれか１つを選定し、さらに、前記偶数番の選択スイッチのいずれか１つを選定することにより、前記２次電池の出力端子間の短絡を防止するものである
   ことを特徴とする２次電池選択回路。