JP2017049827A

JP2017049827A - 定電圧回路及び電源システム

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Publication number: JP2017049827A
Application number: JP2015172971A
Authority: JP
Inventors: 國司　昌利; Masatoshi Kunishi; 昌利國司; 尚章近田; Naoaki Chikada
Original assignee: Asahi Kasei Corp; FDK Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp; FDK Corp
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: JP6143819B2

Abstract

【課題】蓄電デバイスにおいて、各蓄電セルの電圧バランスを保持しつつ、消費電力を低減し、安価な構成で電源安定化を行う。【解決手段】定電圧回路１０において、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のドレインＤは、蓄電モジュール２００の最上位の電圧ＶＴＯＰに接続される。また、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のゲートＧは、蓄電モジュール２００の中間電圧である蓄電セル群２１０及び２２０間に接続される。レギュレータ１１は、入力端がＮチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳに接続される。レギュレータ１１は、ゲートＧが蓄電セル群２１０及び２２０の間に接続されたＮチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳから電圧が入力されることにより、蓄電モジュール２００の最上位電圧よりも低い電圧で電源安定化を行う。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、定電圧回路及び電源システムに関する。

近年、蓄電システムに適用する蓄電デバイスが普及してきている。蓄電デバイスの一例として、リチウムイオンバッテリやリチウムイオンキャパシタがある。蓄電デバイスは、直列に接続された複数の蓄電セルを含む。蓄電デバイスは、蓄電デバイスの温度や電圧を監視し、過充電や過放電等を回避して蓄電デバイスを保護する保護回路を有する。

例えば、蓄電デバイスの保護回路等の付加回路は、蓄電デバイスの蓄電セルから電力を供給され駆動する。付加回路は、一定電圧の電力により駆動する。そこで、蓄電セルから付加回路へ供給される電力は、レギュレータ等の定電圧回路により一定電圧になるように制御される。

特開２００７−３０５４７５号公報

ここで、上記技術では、レギュレータ等の定電圧回路は、蓄電デバイスにおいて直列に接続された複数の蓄電セルの最上位から最下位までの電圧に対応することを要する。例えば図２に示すように、従来技術に係る電源システム１Ａは、直列に接続された各１６Ｖの４つの蓄電セル群２１０〜２４０を含む蓄電モジュール２００、定電圧回路１０Ａを有する。蓄電モジュール２００は、蓄電デバイスの一例である。定電圧回路１０Ａは、レギュレータ１１Ａを有する。レギュレータ１１Ａは、蓄電モジュール２００の最上位の電圧ＶＴＯＰからレギュレータ入力が供給される。すなわち、図２に示す例では、レギュレータ１１Ａは、１６Ｖ×４＝６４Ｖの電圧に対応することを要する。

近年、蓄電デバイスにおける蓄電セルの直列数が増大してきている。このため、蓄電デバイスにおいて直列に接続された複数の蓄電セルの最上位から最下位までの電圧がより高電圧となってきている。よって、レギュレータは、入力電圧範囲が高電圧まで対応できることが求められる。しかしながら、高電圧まで対応できるレギュレータは、消費電力が大きく、高価である。

これに対し、直列に接続された複数の蓄電セルの中間の電圧からレギュレータ入力を供給する方法がある。しかし、この方法では、直列接続された各蓄電セルの消費電力に差異が生じるため、各蓄電セルの電圧が均一とならず電圧バランスが崩れてしまうと言う問題がある。

上述の問題に鑑み、開示技術の一例は、蓄電デバイスにおいて、各蓄電セルの電圧バランスを保持しつつ、消費電力を低減し、安価な構成で電源安定化を行うことを目的とする。

開示技術の定電圧回路及び電源システムの一例は、直列に接続された複数の蓄電セルの最上位電圧を、複数の蓄電セル間の中間電圧へ降下させるソースフォロワ回路と、ソースフォロワ回路により降下された中間電圧を入力電圧として電源安定化を行うレギュレータ回路とを備える。

開示技術の一例によれば、例えば、蓄電デバイスにおいて、各蓄電セルの電圧バランスを保持しつつ、消費電力を低減し、安価な構成で電源安定化を行うことができる。

図１Ａは、実施形態に係る電源システムの一例を示す図である。図１Ｂは、実施形態に係る電源システムの詳細の一例を示す図である。図２は、従来技術に係る電源システムの一例を示す図である。

［実施形態］
以下に、開示技術の一例に係る定電圧回路及び電源システムの実施形態を図面に基づいて説明する。以下の記載において、同一の構成要素には同一の符号を付与し、後出の場合には説明を省略する。なお、以下の実施形態は、一例を示すに過ぎず、開示技術を限定するものではない。

（実施形態に係る電源システム）
図１Ａは、実施形態に係る電源システムの一例を示す図である。実施形態に係る電源システム１は、直列に接続された４つの蓄電セル群２１０〜２４０を含む蓄電モジュール２００、蓄電デバイス保護回路１００を有する。各蓄電セル群２１０〜２４０は、例えば蓄電セルを４つ直列に接続して構成され、各電圧は４Ｖ×４＝１６Ｖである。

なお、蓄電デバイス保護回路１００は、図示しない蓄電モジュール２００の制御基板上に設けられてもよい。蓄電モジュール２００の制御基板は、蓄電モジュール２００の近傍に配置される。蓄電デバイス保護回路１００は、さらに、定電圧回路１０、第１の回路２０、第２の回路３０を有する。

蓄電デバイス保護回路１００は、蓄電モジュール２００の最上位の蓄電セル群２４０の１６Ｖ×４＝６４ＶのＶＴＯＰの電圧から入力ＩＮ１を入力し、蓄電セル群２１０及び２２０間の１６Ｖ×１＝１６Ｖの電圧から入力ＩＮ２を入力する。定電圧回路１０は、入力ＩＮ２により、直流電流の定電圧化や平滑化等の電源安定化を行う。そして、定電圧回路１０は、直流電流の定電圧化や平滑化等の電源安定化を行った出力ＯＵＴを、第１の回路２０へ出力する。

第１の回路２０は、ＩＣ（Integrated Circuit）等の安定化された電源で駆動する回路である。また、入力ＩＮ１は、第２の回路３０へも入力される。ここで、第２の回路３０は、安定化されることを要しない電源で駆動する回路である。なお、蓄電セル群２１０、定電圧回路１０、第１の回路２０、第２の回路３０は、接地されている。

（実施形態に係る電源システムの詳細）
図１Ｂは、実施形態に係る電源システムの詳細の一例を示す図である。図１Ｂにおいて、実施形態に係る電源システム１における蓄電デバイス保護回路１００の構成は、定電圧回路１０のみを示し、その他は省略している。また、実施形態で示す各構成の数及び特性値等は、一例を示すに過ぎない。

定電圧回路１０は、レギュレータ１１、容量が例えば０．１μＦのコンデンサ１２〜１３、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４を有する。コンデンサ１２の一端は、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳに接続され、他端は接地されている。また、コンデンサ１３の一端は、レギュレータ１１の出力端に接続され、他端は接地されている。

レギュレータ１１は、レギュレータ回路の一例である。レギュレータ１１は、入力端がＮチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳに接続され、出力端が第１の回路２０（図１Ａ参照）及びコンデンサ１３に接続される。レギュレータ１１は、ＥＮ（ENable）信号線を介してＥＮ信号が入力されると動作状態となり、ＥＮ信号の入力断により非動作状態となる。

Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４は、ソースフォロワ回路の一例である。Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のドレインＤは、蓄電モジュール２００の最上位の電圧ＶＴＯＰに接続される。また、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のゲートＧは、蓄電モジュール２００の中間電圧である蓄電セル群２１０及び２２０間に接続される。この接続により、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のゲートＧの電圧は、１６Ｖ×１＝１６Ｖとなる。また、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のドレインＤの電圧は、１６Ｖ×４＝６４Ｖとなる。また、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳの電圧は、（蓄電セル群２１０及び２２０間の電圧−電流を流すために必要なゲート−ソース間電圧）となる。

そして、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳの電圧は、例えば（１６Ｖ−０．６Ｖ）程度となる。レギュレータ１１への入力電圧がＮチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳの電圧を許容できればよいので、レギュレータ１１は、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳの電圧以上の電圧、例えば２０Ｖの入力を許容するものであればよい。

このように、レギュレータ１１は、ゲートＧが蓄電セル群２１０及び２２０の間に接続されたＮチャネル電界効果トランジスタ１４のソースＳから電圧が入力されることにより、蓄電モジュール２００の最上位電圧よりも低い電圧で、直流電流の定電圧化や平滑化等の電源安定化を行うことができる。そして、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４のゲートＧには、蓄電モジュール２００の中間電圧である１６Ｖが供給されるが、ゲートＧにはほとんど電流が流れない。よって、蓄電モジュール２００の各蓄電セル群２１０〜２４０及び蓄電セル群２１０〜２４０に含まれる各蓄電セルの電圧バランスは同一となるように保持され、各蓄電セルから出力される電流は概ね同一となる。

なお、入力ＩＮ２は、蓄電セル群２１０及び２２０間の電圧に限らず、蓄電セル群２２０及び２３０間の電圧、蓄電セル群２３０及び２４０間の電圧であってもよい。入力ＩＮ２が蓄電セル群２１０及び２２０間以外の電圧であっても、レギュレータ１１は、蓄電モジュール２００の最上位電圧６４Ｖよりも低い電圧で動作することができる。

また、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４はエンハンスメントタイプであるが、エンハンスメントタイプではなくディプリッションタイプのＮチャネル電界効果トランジスタであってもよい。

（実施形態による効果）
実施形態は、Ｎチャネル電界効果トランジスタ１４により蓄電モジュール２００の最上位電圧を分圧し、レギュレータ１１が許容できる入力電圧以下まで降下させてレギュレータ１１へ入力する。よって、高電圧の入力が許容できないレギュレータを、適切に電圧降下させた上で電圧を入力することにより、高電圧の蓄電モジュール２００に適応させることができる。

一般に、蓄電デバイスである電源システム１において用いられる回路（例えばＣＭＵ（Cell Monitoring Unit）やＢＭＵ（Battery Management Unit）等）は、蓄電モジュール２００から電力が供給され、動作する。そのため、回路の消費電力が大きいと蓄電デバイスに充電された多くの電力を自己消費することになる。蓄電デバイスがキャパシタであると、容量が小さいため、回路の自己消費によるＳＯＣ（State Of Charge）の変動が大きくなる。例えば、容量が１Ａｈの蓄電デバイスの場合、回路が１００μＡの電流を消費すると、充放電しない場合でも約４２日でＳＯＣが約１０％低下することになる。

さらに、例えば８０Ｖを越えるような蓄電デバイスにレギュレータを適用する場合、消費電流が２０μＡ程度のレギュレータを選定しなければならないが、例えば５０Ｖ以下の蓄電デバイスであれば、消費電流が数μＡ程度の比較的安価なレギュレータを用いることができる。

このように、実施形態は、蓄電デバイスに比較的安価なレギュレータを用いて低コスト化を図ることができるとともに、蓄電デバイスにおけるレギュレータによる自己消費の電流量を低減できる。また、実施形態は、様々なデバイスの電源にも広く適用可能である。

上記の実施形態に係る定電圧回路の各部は、回路設計に応じて、適宜統合又は分散してもよい。また、上記の実施形態に係る定電圧回路の各部を適宜、組合せ、代替、省略して構成したバランス補正回路も、開示技術に係る定電圧回路に含まれる。

１電源システム
１０定電圧回路
１１レギュレータ
１２、１３コンデンサ
１４Ｎチャネル電界効果トランジスタ
２０第１の回路
３０第２の回路
１００蓄電デバイス保護回路
２００蓄電モジュール
２１０〜２４０蓄電セル群

Claims

直列に接続された複数の蓄電セルの最上位電圧を、前記複数の蓄電セル間の中間電圧へ降下させるソースフォロワ回路と、
前記ソースフォロワ回路により降下された前記中間電圧を入力電圧として電源安定化を行うレギュレータ回路と
を備えることを特徴とする定電圧回路。
前記ソースフォロワ回路は、ドレインが前記最上位電圧と接続され、ゲートが前記中間電圧と接続され、前記最上位電圧を前記中間電圧へ降下させるＮチャネル電界効果トランジスタを含み、
前記レギュレータ回路は、入力端が、前記Ｎチャネル電界効果トランジスタのソースと接続され、前記中間電圧を入力電圧として電源安定化を行うレギュレータを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の定電圧回路。
前記レギュレータの入力許容電圧が、前記中間電圧以上かつ前記最上位電圧未満である
ことを特徴とする請求項２に記載の定電圧回路。
前記複数の蓄電セルと、
請求項１、２又は３に記載の定電圧回路と
を備えることを特徴とする電源システム。