JP3175573U

JP3175573U - 充電方式の電池管理装置

Info

Publication number: JP3175573U
Application number: JP2012001100U
Authority: JP
Inventors: 李佳原; べネピエール−ジャン
Original assignee: 李佳原
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-05-17
Anticipated expiration: 2022-02-28

Abstract

【課題】同時に少なくとも一つの低電位の電池セルを充電することによって、各電池セルの電位を均等化する充電方式の電池管理装置を提供する。
【解決手段】モニタモジュールによって、複数の電池セルを監視し、電池セルの電位、電流及び温度が変化したとき、制御モジュールによって、隔離式の複数のエネルギー貯蔵モジュール３０を制御し、バッテリパック４に充電すると共に、相対的に低電位の電池セルに電流を増加して充電させ、全体の電位がバランスを取ることによって、装置のエネルギー変換効率を向上させる。
【選択図】図２

Description

本考案は電気エネルギーの変換調整回路技術に関し、特に制御モジュールによって、充電スイッチを制御し、独立したエネルギー貯蔵モジュールを介して、同時に少なくとも一つの低電位の電池セルを充電することによって、各電池セルの電位を均等化する充電方式の電池管理装置に関する。

現在、電気自動車またはハイブリッドカーなどグリーン交通器具は、リチウムイオン電池を繰り返し充放電に対応する運動エネルギーのバッテリパックとして大量に使用されている。さらに、一つのリチウムイオン電池セルは一般として、電圧が３〜４ボルトに低いため、電気自動車またはハイブリッドカーなどに要求された１００ボルト以上の駆動電圧はるかに及ばない。よって、運動エネルギーに供給するバッテリパックは、複数のリチウムイオン電池セルを直列接続して仕上げる必要がある。
しかし、常識からいうと、各電池セルは特性上、もともと微妙な違いが存在している。例えば内部抵抗の違いに加えて、充放電時に貯蔵及び出力できる電気エネルギーが異なっていて、その後、繰り返し充放電が複数回行った後、各電池セルに電位差を形成し、各電池セルの電圧の不均衡を引き起して、電気エネルギーの性能と効率が低下する。仮に、電池セルの電位が高すぎると、電気の劣化を加速するかまたは焼損する。逆に、電位が低すぎるときは、電池セルが劣化し破損する恐れがある。

前述問題を解決するため、公知技術はバイパス抵抗器（ＢｙｐａｓｓＲｅｓｉｓｔｏｒ）を高い電気エネルギーの電池セルに並列接続する方式で余分な電気エネルギーを消費することによって、各電池セルの電位を均等化させる。しかし、この種の受動式による電池の均等化は、抵抗器が電気を消費して熱を形成するため、電池セルの温度上昇によって、寿命が短縮し、エネルギー変換効率を低下させるほか、拡張が難しい。

公知技術の問題について、本考案の目的は、充電方式の電池管理装置を提供する。モニタモジュールによって、複数電池セルの電位、電流及び温度を監視するとともに、モニタモジュールによって電池セルの電位のバランス状態を照合する。そのうち、少なくとも一つの電池セルが相対的低電位のとき、モニタモジュールより充電信号を制御モジュールに出力される。制御モジュールが前記充電信号を受信したとき、ただちに電池セルの電気エネルギーを放出させ、第１電流を形成するとともに、対応の第１スイッチを導通させ、第１電流が対応の第１コイルに流れ込み、第１コイルと第２コイルの相互誘導作用によって、追加充電の電流を発生し、対応の電池セルの充電電流を増加する。このように、隔離式のエネルギー貯蔵モジュールを介して、電池セルを同時または単独に充電し各電池セルの電位を均等化することによって、バッテリパックの変換効率が向上し、電池セルの劣化を遅延させる効果を達成できる。

さらに、本考案の充電方式の電池管理装置は過充電によるバッテリパックの損傷を避けるため、モニタモジュールよりバッテリパックの過大な充電電流または電気一エネルギーの飽和を検出し停電信号を制御モジュールに出力されたとき、制御モジュールを介して、電源と、制御モジュールと、エネルギー貯蔵モジュールの間に結合された第２スイッチをオフにし、電源の供給を中止する。

電池セルの過放電による電池セルの劣化を避けるため、本考案の充電方式の電池管理装置は、モニタモジュールが電池セルの電位が低すぎることを検出し、異常信号を制御モジュールに出力させ、制御モジュールが放電抑止モジュールを介して、バッテリパックの放電を停止する。

さらに、バッテリパックの電気貯蔵効率を向上させるため、第２コイルは第３スイッチを介して同期整流器に結合することによって、エネルギー貯蔵モジュールが同期して、第１電流を整流し電池セルに充電する。または各第2コイルはダイオードに接続され、非同期方式により第1電流の整流を行い、電池セルに充電する。

本考案の好ましい実施例１のブロック図である。本考案の好ましい実施例1の電気回路図である。本考案の好ましい実施例2の電気回路図である。

本考発明の内容のさらなる理解を図るため、下記の説明に図式を組み合わせ、説明する。

図１、図２と図3の本考案の好ましい実施例１のブロック図、電気回路図と実施例2の電気回路図を参照する。図に示すように、充電方式の電池管理装置３はフライバック式（Ｆｌｙｂａｃｋ）電源供給装置によって、バッテリパック４を構築されている。同時に、第１コイル３０１と、磁気コア３０２と、第２コイル３０３によって、バッテリパック４に設けられた複数の電池セル４０の監視制御及び管理を行う。各第１コイル３０１は磁気コア３０２を介して、第２コイル３０３に結合するとともに、酸化金属半導体電界効果トランジスターの第１スイッチ３０４は、制御モジュール３２に結合されている。モニタモジュール３１は電池セル４０と、制御モジュール３２に接続されている。制御モジュール３２は第１スイッチ３０４のゲート電極を利用して、エネルギー貯蔵モジュール３０の起動または休止制御を行う。通常は待機状態に置き、モニタモジュール３１が異常を検出し信号を出力したときのみ起動するように待機時の電気消費を節約する。第２スイッチ３３は電源と、エネルギー貯蔵モジュール３０と、制御モジュール３２との間に結合され、放電抑止モジュール３４は、制御モジュール３２とバッテリパック４に結合されている。

制御モジュール３１によって、電池セル４０の電位、電流及び温度を監視し、電池セル４０の温度が高すぎないか、電流が高すぎないか、または電位が低すぎないか、放電電流を出力できる状態かを検出する。適合値にある場合は、制御モジュール３２によって、電池セル４０の放電機能を起動させ、そうでない場合は、放電機能を停止させる。引き続き、バッテリパック４の充電電流が大きすぎるあるいは温度が高すぎるとき、モニタモジュール３１がバッテリパック４０の電位状態が飽和状態になっているかを照合する。そのうち一つの電池セル４０_{_1}が貯蔵した電気エネルギーが最大の電気エネルギー値、例えば３．６５ボルトを超えたときは、電気休止信号を制御モジュール３２に出力して、第２スイッチ３３をオフにし、電源入力とバッテリパック４の充電を停止し、入力端の異常エラーによって、過充電またはバッテリパック４の焼損を防止する。
同時に、充電信号を制御モジュール３２に出力して、バッテリパック４の電気エネルギーをシステムにフィードバックするとともに、比較的低電位の少なくとも一つの電池セル４０_{_n}に対応する第１スイッチ３０４_{_n}を起動する。引き続き、前述放出された電気エネルギーを利用し第１電流Ｉ_{1_n}を形成して、対応の第１コイル３０_{1_n}に出力させた後、第１コイル３０_{1_n}と第１電流を第２コイル３０３_{_n}の相互誘導作用によって、追加充電の電流Ｉ_{p_n}を発生し、対応の電池セル４０_{_n}の充電電流を増加し各電池セル４０の電位を均等化する。特に注意すべきことは、第２スイッチ３３は、低消費電力、かつ２００アンペア異常の稼働電流に堪えられる電子スイッチを使用しており、システムのオン・オフ瞬間の火花によって電気回路の焼損を防止でき、かつ、全負荷ときの合計電気消費が５０ワット以下であり、省電力に貢献し環境保護の要求に適合することができる。

これに対して、３．６５ボルトを超える電池セル４０がないとき、モニタモジュール３１はさらに、各電池セル４０の電位の誤差が所定の誤差値、例えば０．０５ボルトより小さいかを確認する。そうであれば、再び電池セル４０が充電中または放電中であることを確認して、電池セル４０の監視を継続するかまたは監視作業を終了して待機状態に入る。もし、各電池セル４０の誤差値がプラスマイナス０．０５ボルトを上回るときは、さらに、バッテリパック４の電位の平均値を下回る電池セル４０があるかを確認する。もし、電池セル４０_{_n}の電位が電位の平均値に比べて、はるかに小さいとき、制御モジュール３１より充電信号を制御モジュール３２に出力して、対応の第１スイッチ３０４_{_n}を起動するとともに、バッテリパック４の電気エネルギーを放出させる。
引き続き、前述放出された電気エネルギーを利用し第１電流Ｉ_{1_n}を形成して、対応の第１コイル３０１_{_n}に出力した後、第１コイル３０１_{_n}と第２コイル３０３_{_n}の相互誘導作用によって、追加充電の電流Ｉ_{p_n}を発生し、対応の電池セル４０_{_n}の充電電流を増加させ、各電池セル４０の電位を均等化させる。このように、電気エネルギーの浪費はなく、かつ電池セル４０間の電位を素早く均等化でき、バッテリパック４の充電効率を向上させ、大電流の場合は、例えば電池セル４０を３８４ボルトに直列接続して、高電圧バッテリパック４の充放電設備の主動電位の均等化システムを形成する。

さらに、モニタモジュール３１によって、電池セル４０の電位が低すぎることを検出されたとき、異常信号を制御モジュール３２に出力し、制御モジュール３２が放電抑止モジュール３４を介して、バッテリパック４の放電を中止し電池セル４０の過度な放電による劣化や損傷を避ける。このように、充電式の電池管理装置３はモニタモジュール３１と、第２スイッチ３３と、放電抑止モジュール３４によって、バッテリパック４に完全な保護を提供できる。

さらに、各第２コイル３０３は、例えばダイオードを非同期整流器として、直列接続しておけば、充電電流の整流と同時に、充電周期の調節ができる。または、さらに各第２コイル３０３を酸化金属半導体電界効果トランジスターの第３スイッチ３０５に直列接続した後、同期整流器３５に結合して置き、第３スイッチ３０５を導通されたとき、エネルギー貯蔵モジュール３０は電源電圧を同期に整流した上、電池セル４０に充電し、電気エネルギーの変換効率を７０％以上に向上させることができる。

３：充電式の電池管理装置
３０：エネルギー貯蔵モジュール
３０１：第１コイル
３０２：磁気コア
３０３：第２コイル
３０４：第１スイッチ
３０５：第３スイッチ
３１：モニタモジュール
３２：制御モジュール
３３：第２スイッチ
３４：放電抑止モジュール
３５：同期整流器
４：バッテリパック
４０：電池セル
Ｉ１：第１電流
Ｉｐ：追加充電の電流

Claims

電源を利用してバッテリパックに備える複数電池セルの充電を監視し、かつ独立に充電する方式によって、各前記電池セルの電気エネルギー貯蔵量を均等化させる充電方式の電池管理装置であって、
電源とバッテリパックに結合され、第１コイルと、磁気コアと、第２コイルと、を有する、各前記第１コイルは、前記磁気コアによって、前記第２コイルに結合し、かつ第１スイッチに直列接続する、複数のエネルギー貯蔵モジュールと、
各前記複数の電池セルに電気接続され、前記電池セルの電位、電流及び温度を監視すると共に、前記電池セルの電位の均等化状態を照合し、少なくとも一つの前記電池セルが低電位を示されたときに充電信号を出力する、モニタモジュールと、
前記モニタモジュールに結合され、かつ前記第１スイッチを介して、前記エネルギー貯蔵モジュールに結合され、充電信号を受信して、前記バッテリパックの電気エネルギーを放出させ、第１電流を形成すると共に、対応の前記第１スイッチを導通し、前記第１電流を対応の前記第１コイルに流れて、前記第１コイルと前記第２コイルの相互誘導作用によって、追加充電の電流を発生し、対応の前記電池セルを充電する電流量を増加させる制御モジュールと、を備える、
充電方式の電池管理装置。
電源と、前記エネルギー貯蔵モジュールと、前記制御モジュールに結合される第２スイッチをさらに有する、前記モニタモジュールによって、前記バッテリパックの充電電流が大きすぎるや電位が飽和に達しているか、または温度が高すぎることが検出されたときに、電気休止信号を前記制御モジュールに出力させ、前記制御モジュールによって、前記第２スイッチをオフにし、電源供給を中止することを特徴とする、請求項１記載の充電方式の電池管理装置。
前記制御モジュールと、前記バッテリパックに結合する放電抑止モジュールをさらに有し、前記モニタモジュールによって、前記電池セルの電位状態が低すぎることを検出されたときに、異常信号を前記制御モジュールに出力し、前記制御モジュールが前記放電抑止モジュールを介して、前記バッテリパックへの放電を中止することを特徴とする、請求項１記載の充電方式の電池管理装置。
前記第２コイルが第３スイッチを介して同期整流器に結合することによって、前記エネルギー貯蔵モジュールが同期して、前記第１電流を整流し前記電池セルに充電できることを特徴とする、請求項１記載の充電方式の電池管理装置。
各前記第2コイルはダイオードに接続され、非同期方式により前記第1電流の整流を行い、前記電池セルに充電することを特徴とする、請求項1記載の充電式の電池管理装置。