JP3615500B2

JP3615500B2 - 組電池の充電率調整回路

Info

Publication number: JP3615500B2
Application number: JP2001189430A
Authority: JP
Inventors: 公彦古川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: JP2003009411A; US20020196000A1; US6661198B2; CN1396689A; CN1312821C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車等の電気自動車における走行用モータの電源等として用いられる高電圧の組電池を対象として、組電池を構成する複数の電池の充電率を調整する回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ハイブリッド車等の電気自動車においては、走行用モータの電源として、複数の二次電池を直列に接続してなる組電池が搭載されている。この様な組電池においては、通常、２００〜３００Ｖの高電圧を発生する必要があるため、例えば１セル当りの出力が約３．６Ｖのリチウム系の二次電池では６０〜８０セルが直列に接続され、１セル当りの出力が約１．２ＶのＮｉＭＨ系の二次電池では２００セル程度が直列に接続されて、組電池が構成される。
【０００３】
この様な組電池においては、全ての二次電池の充電状態が均等であることが望ましい。例えば１本の二次電池が７０％の充電率であり、他の二次電池が５０％の充電率である場合、充電可能な電気量は、充電率７０％の二次電池が満充電になるまでの３０％相当であるため、仮に３０％相当を超えて充電を行なうと、充電率が７０％であった二次電池は、充電率が１００％を超えることとなって、寿命が大幅に短くなる。その結果、組電池としての寿命も短くなる。
【０００４】
そこで、図４に示す如き電圧監視装置を構成して、各二次電池の電圧を監視することが行なわれている。該装置においては、複数個の二次電池を直列に接続して電池モジュール（１１）が構成され、更に複数の電池モジュール（１１）を直列に接続して組電池（１）が構成されている。
【０００５】
組電池（１）の両端及び電池モジュール（１１）どうしの連結点からはそれぞれ、電圧検出線が引き出され、これらの電圧検出線は電圧検出回路（７）に接続されている。電圧検出回路（７）によって検出された各電池モジュール（１１）の電圧は、全体制御回路（８）に入力される。又、温度検出回路（８１）によって電池温度が検出されると共に、電流検出回路（８２）によって電池に流れる電流が検出され、これらの検出結果は全体制御回路（８）に入力される。
全体制御回路（８）は、上記の入力データに基づいて、電池の残量を算出すると共に、電池に異常が発生していないかどうかを監視し、監視結果は、通信線を経て制御システム（図示省略）へ供給される。
【０００６】
尚、電圧の監視は、ニッケル水素系の二次電池では５〜１０セル毎に行なうことが可能であるが、リチウム系の二次電池の場合、過充電や過放電が寿命を著しく短くするので、１セル毎に行なわれる。
【０００７】
ところで、組電池の残量のばらつきは、各二次電池の効率（充放電効率）のばらつきに依存する。例えば組電池を構成する二次電池の充電効率を一律に１００％、放電効率を９９．０〜９９．５％と仮定した場合、１０Ａｈの電荷を充電すると、全ての二次電池に１０Ａｈの電荷が蓄積される。次いで１０Ａｈの電荷の放電を行なうと、放電効率が９９．０％のセルでは１０．１Ａｈ（＝１０Ａｈ／０．９９０）、９９．５％のセルでは１０．０５Ａｈ（＝１０Ａｈ／０．９９５）の電荷の放電が行なわれたことになる。この場合、放電効率の良い９９．５％の二次電池には０．０５Ａｈだけ多くの電荷が残ることになる。従って、充放電が繰り返されることにより、次第に二次電池間で残量がばらついてくる。特に充放電効率が極めて高いリチウムイオン二次電池では、僅かな充放電効率のばらつきによって、残量のばらつきが蓄積される傾向が著しい。
【０００８】
そこで、この問題を解決するために、放電抵抗を用いて、電荷の多い二次電池から放電を行なって、電荷の少ない二次電池に残量を合わせる方法が提案されている（特開平８−１９１８８、特開平１０−３２２９２５等）。
図５は、上記方法を実現するための基本的な回路を表わしており、図示する回路が組電池（１）の各電池モジュール（１１）に接続される。該回路において、フォトカプラー（５４）をオンにすると、ＭＯＳＦＥＴからなる開閉スイッチ（３１）が閉じて、放電抵抗（２１）に電池モジュール（１１）からの電流が流れる。これによって、電池モジュール（１１）の充電率を下げることが出来る。
【０００９】
従って、図４に示す如き電圧監視装置によって、各電池モジュール（１１）の充電率を測定し、その結果に応じて、充電率の高い電池モジュール（１１）を特定し、該電池モジュール（１１）に接続されたフォトカプラー（５４）をオンとすることにより、該電池モジュール（１１）の充電率を下げて、全ての電池モジュール（１１）の充電率を一定の範囲内で均等化することが出来る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車の制御システムは、イグニッションスイッチがオンの状態で動作するように構成されており、オフの場合は、バックアップ等の極めて電流消費の少ない動作のみを許容することによって、鉛蓄電池の消費を最低限に絞っている。これは、その後にイグニッションスイッチがオンとされたとき、エンジンをスタートさせるために必要な電力を鉛蓄電池に残す必要があるためである。
【００１１】
図５の回路は電池モジュール（１１）の電圧を利用して動作するため、開閉スイッチ（３１）を動作させるための制御信号を電気的に絶縁する必要があり、このためにフォトカプラー（５４）が装備されているが、該回路において、放電を継続させるためにはフォトカプラー（５４）をオンに保持する必要がある。通常、電気自動車は、待機状態（イグニッションスイッチがオフの状態）よりも走行中の状態（イグニッションスイッチがオンの状態）の方がかなり短いため、ある程度の容量を限られた時間で放電させるためには、放電抵抗（２１）を出来るだけ低抵抗値に設定して、大きな電流値で放電を行なう必要があった。従って、放電抵抗（２１）の放熱を如何にして行なうかが課題となっていた。
【００１２】
そこで、図６に示す如き回路が提案されている（特開平１０−３２２９２５参照）。該回路においては、開閉スイッチ（３１）のオン／オフ状態を保持するためにフリップフロップ回路（９）が装備されており、オン用の第１フォトカプラー（５５）とオフ用の第２フォトカプラー（５６）とを用いて、外部からオン／オフを行なう。
従って、両フォトカプラー（５５）（５６）の駆動電流が消失した場合でも、電池モジュール（１１）の電圧によって放電を保持することが出来、イグニッションスイッチがオフの状態でも放電を継続させることが出来る。これによって、長時間に亘って放電を継続させることが可能となり、放電電流を小さくすることが出来る。
【００１３】
図６の回路によれば、図５の回路よりも放電抵抗（２１）の電力消費が少なくなるので、機器の小型化に有利である。
又、図６の回路においては、両フォトカプラー（５５）（５６）に接続されている制御システムが定期的に起動して放電状態を監視するが、例えば監視時間を１０秒、起動間隔を３０分とした場合、制御システムの消費電流は１／１８０の大きさとなり、図５の回路と比較して鉛蓄電池の消費を低く抑えることが出来る。
【００１４】
しかしながら、図６の回路では、第１フォトカプラー（５５）及び第２フォトカプラー（５６）に対する指令が定期的に入力されることを前提にしているので、例えばメンテナンス等のために制御システムに対する電力供給が停止された場合、フリップフロップ回路（９）を止めるための信号が入力されなくなるので、電池モジュール（１１）の容量がほぼゼロとなるまで放電が継続されてしまう問題があった。
【００１５】
そこで本発明の目的は、システムメンテナンス等のために制御システムに対する電力供給が停止された場合でも、その後、自動的に放電が停止される組電池の充電率調整回路を提供し、これによって、電池モジュールの容量がほぼゼロとなるまで放電が継続されてしまう問題を解決することである。
【００１６】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る組電池の充電率調整回路は、１或いは複数の単電池からなる電池モジュールを直列に接続して構成される組電池を対象として、制御システムからの放電指令に応じて特定の電池モジュールを放電させる回路であって、各電池モジュールの両極に接続された放電回路と、各放電回路の動作を制御する制御回路とを具えている。
各制御回路は、放電回路を開閉する開閉手段と、放電指令に応じ、開閉手段を開き状態から閉じ状態に変化させる閉じ制御信号を生成して開閉手段に供給する制御手段とを具えている。
該制御手段は、
電池モジュールに接続して該電池モジュールの電力により充電することが可能であると共に、前記開閉手段に対して閉じ制御信号となる電圧を印加する容量素子と、
放電指令に応じて前記容量素子を電池モジュールに接続して前記容量素子を充電するための制御素子
とを具え、前記容量素子の電圧が放電によって一定値を下回るまで、前記閉じ制御信号の供給が維持される。
【００１７】
上記本発明の充電率調整回路においては、通常、全ての電池モジュールについての制御回路の開閉手段が開き状態となり、これによって全ての放電回路は開いている。従って、何れの電池モジュールについても放電は行なわれない。
電圧監視装置によって何れかの電池モジュールの充電率が高いことが検知されると、制御システムから、該電池モジュールに対して放電指令が発せられる。
【００１８】
該電池モジュールの制御回路に放電指令が入力されると、制御素子に放電指令が与えられることによって、容量素子が電池モジュールに接続されて、電池モジュールの電力によって容量素子が充電される。この結果、容量素子によって、開閉手段に対して閉じ制御信号となる電圧が印加され、これによって開閉手段が閉じられて、電池モジュールの放電が開始される。その後、容量素子の電圧が放電によって低下し、一定値を下回ると、閉じ制御信号となる電圧が印加されなくなって、開閉手段が開く。この結果、電池モジュールの放電が停止されることになる。
放電指令は、該電池モジュールの充電率が他の電池モジュールの放電率と略等しくなるまで繰り返し発せられ、これによって、全ての電池モジュールの充電率が一定範囲内で均一化される。
【００１９】
仮に開閉手段が閉じている状態で、システムメンテナンス等のために制御システムに対する電力供給が停止された場合、開閉手段への閉じ制御信号は、容量素子の放電による電圧低下によって消失し、これによって開閉手段が放電回路を開き、自動的に放電が停止されることになる。
【００２０】
具体的構成において、放電回路は、各電池モジュールの両極から引き出された一対の放電線路（１２）（１３）と、両放電線路（１２）（１３）の間に介在する放電抵抗（２）とによって構成されている。
該具体的構成によれば、放電回路が閉じることによって、電池モジュール放電抵抗（２）に電流が流れて、電池モジュールの放電が行なわれる。
【００２１】
又、具体的構成において、制御回路の開閉手段は、放電抵抗（２１）に対して直列に接続された開閉スイッチ（３）によって構成され、該開閉スイッチ（３）は、前記制御手段からの閉じ制御信号を受けて開き状態から閉じ状態に変化する一方、前記制御手段からの開き制御信号を受けて閉じ状態から開き状態に変化するものである。
該具体的構成によれば、開閉スイッチ（３）が閉じ制御信号を受けることにより、放電回路が閉じられて、電池モジュールの放電が行なわれる。これに対し、開閉スイッチ（３）が開き制御信号を受けることにより、放電回路が開かれて、電池モジュールの放電が停止される。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る組電池の充電率調整回路によれば、各電池モジュールの充電率を均一化するための充電率の調整時に、制御システムに対する電力供給が停止された場合でも、容量素子の放電によって自動的に電池モジュールの放電が停止されるので、電池モジュールの容量がほぼゼロとなるまで放電が継続されてしまう虞はない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
第１実施例
本実施例の組電池の充電率調整回路は、図１に示す如く、複数の二次電池からなる電池モジュール（１１）を直列に接続して構成される組電池（１）を対象として、制御システム（図示省略）から特定の電池モジュール（１１）へ供給される放電指令に応じて、該電池モジュール（１１）の放電を行なうものである。
【００２６】
各電池モジュール（１１）の両極からは一対の放電線路（１２）（１３）が引き出され、両放電線路（１２）（１３）の間には、比較的低い抵抗値の放電抵抗（２）と、ＭＯＳＦＥＴからなる開閉スイッチ（３）とが介在し、開閉スイッチ（３）を閉じることにより電池モジュール（１１）から放電抵抗（２）に電流を流して、電池モジュール（１１）を放電する放電回路が構成されている。
一方の放電線路（１２）と開閉スイッチ（３）のゲートから伸びる制御信号線（１４）にはフォトカプラー（５）の２次側が接続されている。又、制御信号線（１４）と他方の放電線路（１３）との間には、コンデンサ（４１）及び抵抗（４２）からなる時限保持回路（４）が接続されている。
【００２７】
通常、フォトカプラー（５）はオフ、開閉スイッチ（３）は開いており、電池モジュール（１１）の放電は行なわれない。
制御システム（図示省略）から特定のフォトカプラー（５）の１次側に放電指令（ハイ）が入力されると、フォトカプラー（５）の二次側がオンとなって、電池モジュール（１１）から、放電線路（１２）、フォトカプラー（５）、時限保持回路（４）、及び放電線路（１３）を経て、電池モジュール（１１）に戻る回路が形成されて、時限保持回路（４）のコンデンサ（４１）が瞬間的に充電されることになる。
【００２８】
その後、時限保持回路（４）のコンデンサ（４１）が放電することによって、制御信号線（１４）を経て開閉スイッチ（３）のゲートへ一定電圧値を越える制御信号が印加され、これによって開閉スイッチ（３）が閉じる（オンとなる）ことになる。
この結果、電池モジュール（１１）から、放電線路（１２）、放電抵抗（２）、開閉スイッチ（３）、及び放電線路（１３）を経て、電池モジュール（１１）に戻る放電回路が閉じて、放電抵抗（２）によって電池モジュール（１１）の放電が開始される。
尚、フォトカプラー（５）への放電指令がハイからローとなった後も、コンデンサ（４１）の出力電圧によって開閉スイッチ（３）の閉じ状態が維持されて、放電が継続される。
【００２９】
その後、時限保持回路（４）のコンデンサ（４１）の放電が進んで、開閉スイッチ（３）に対する制御信号の電圧が一定値を下回ると、開閉スイッチ（３）が開く（オフとなる）ことになる。この結果、放電抵抗（２）による電池モジュール（１１）の放電が停止する。
ここで、開閉スイッチ（３）が閉じ状態を保持する時間は、時限保持回路（４）の時定数によって決まるが、通常、開閉スイッチ（３）としてＭＯＳＦＥＴを使用すれば、ゲートに流れ込む電流は極めて小さいので、小容量のコンデンサ（４１）を用いたとしても、数十分間程度の保持が可能となる。
尚、時限保持回路（４）の抵抗（４２）は原理的には不要であるが、抵抗（４２）の装備によって保持時間を正確に規定することが可能となる。
【００３０】
上記の放電指令は、一定周期（例えば１回／３０分間）で各電池モジュール（１１）の電圧を監視しつつ、充電率の高い特定の電池モジュール（１１）に対して繰り返し供給される。
この結果、全ての電池モジュール（１１）の充電率が一定範囲内で均一化されることになる。
【００３１】
上記充電率調整回路によれば、開閉スイッチ（３）が閉じている状態で、フォトカプラー（５）に接続されている制御システムがメンテナンス等のために停電したとしても、コンデンサ（４１）の電圧低下によって、開閉スイッチ（３）は自動的に開き、放電が停止されるので、電池モジュールの容量がほぼゼロとなるまで放電が継続されてしまうことはない。
【００３２】
第２実施例
本実施例の組電池の充電率調整回路は、図２に示す如く、第１実施例の充電率調整回路を改良したものであって、一方の放電線路（１２）と制御信号線（１４）の間に、開閉スイッチ（３）を閉じるための第１フォトカプラー（５１）を接続すると共に、制御信号線（１４）と他方の放電線路（１３）の間に、開閉スイッチ（３）を開くための第２フォトカプラー（５２）を接続している。又、一方の放電線路（１２）には短絡防止抵抗（６）を介在させている。
【００３３】
該充電率調整回路によれば、第１フォトカプラー（５１）に対する放電指令により、開閉スイッチ（３）を閉じて、電池モジュール（１１）の放電を開始させることが出来ると共に、第２フォトカプラー（５２）に対する放電停止指令により、開閉スイッチ（３）を開いて、電池モジュール（１１）の放電を停止させることが出来る。
尚、短絡防止抵抗（６）は、もし第１フォトカプラー（５１）と第２フォトカプラー（５２）が同時にオンとなる事態が発生したとき、電池モジュール（１１）の短絡を防止するものである。
【００３４】
上記充電率調整回路においても同様に、開閉スイッチ（３）が閉じている状態で、フォトカプラー（５）に接続されている制御システムがメンテナンス等のために停電したとしても、コンデンサ（４１）の電圧低下によって、開閉スイッチ（３）は自動的に開き、放電が停止されるので、電池モジュールの容量がほぼゼロとなるまで放電が継続されてしまうことはない。
【００３５】
第３実施例
本実施例の組電池の充電率調整回路は、図３に示す如く、第１実施例のＣＲ回路からなる時限保持回路（４）に代えて、ワンショットＩＣ（４５）を具えた時限保持回路（４６）を装備したものであって、ワンショットＩＣ（４５）には、コンデンサ（４３）及び抵抗（４４）が接続されている。
【００３６】
制御システム（図示省略）から特定のフォトカプラー（５）の１次側に放電指令（ハイ）が入力されると、フォトカプラー（５）の二次側がオンとなって、時限保持回路（４６）のワンショットＩＣ（４５）に対してトリガー信号が供給され、これに応じてワンショットＩＣ（４５）は、コンデンサ（４３）と抵抗（４４）によって決まる時定数に応じた一定時間だけハイとなる制御パルスを生成して、開閉スイッチ（３）のゲートへ印加する。
これによって、開閉スイッチ（３）は前記一定時間だけ閉じることとなり、放電抵抗（２）によって電池モジュール（１１）の放電が行なわれる。
【００３７】
上記充電率調整回路においては、開閉スイッチ（３）が閉じている状態で、フォトカプラー（５）に接続されている制御システムがメンテナンス等のために停電したとしても、ワンショットＩＣ（４５）の出力パルスが一定時間経過後にローとなることによって、開閉スイッチ（３）は自動的に開き、放電が停止されるので、電池モジュールの容量がほぼゼロとなるまで放電が継続されてしまうことはない。
【００３８】
更に本実施例によれば、開閉スイッチ（３）が閉じることとなるゲート電圧にばらつきがあったとしても、開閉スイッチ（３）を閉じ状態に保持する時間が、ワンショットＩＣ（４５）に接続されたコンデンサ（４３）と抵抗（４４）の時定数によって決定されるので、放電時間を正確に制御することが出来る。又、何らかの異常によって放電停止指令が入力されなかった場合においても、放電開始から正確に一定時間が経過した時点で放電が停止されるので、電池モジュール（１１）の充電率が極端に低下することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施例を示す回路図である。
【図４】電圧監視装置のブロック図である。
【図５】従来の充電率調整回路を示す図である。
【図６】従来の他の充電率調整回路を示す図である。
【符号の説明】
（１）組電池
（１１）電池モジュール
（１２）放電線路
（１３）放電線路
（１４）制御信号線
（２）放電抵抗
（３）開閉スイッチ
（４）時限保持回路
（４６）時限保持回路
（５）フォトカプラー
（５１）第１フォトカプラー
（６）短絡防止抵抗

Claims

１或いは複数の単電池からなる電池モジュールを直列に接続して構成される組電池において、互いに直列に接続された複数の電池モジュールの充電率若しくは電圧を均一化するべく、放電指令に応じて特定の電池モジュールを放電させる充電率調整回路であって、各電池モジュールの両極に接続された放電回路と、各放電回路の動作を制御する制御回路とを具え、各制御回路は、
放電回路を開閉する開閉手段と、
放電指令に応じ、開閉手段を開き状態から閉じ状態に変化させる閉じ制御信号を生成して開閉手段に供給する制御手段
とを具え、該制御手段は、
電池モジュールに接続して該電池モジュールの電力により充電することが可能であると共に、前記開閉手段に対して閉じ制御信号となる電圧を印加する容量素子と、
放電指令に応じて前記容量素子を電池モジュールに接続して前記容量素子を充電するための制御素子
とを具え、前記容量素子の電圧が放電によって一定値を下回るまで、前記閉じ制御信号の供給が維持されることを特徴とする組電池の充電率調整回路。
放電回路は、各電池モジュールの両極から引き出された一対の放電線路と、両放電線路の間に介在する放電抵抗とによって構成されている請求項１に記載の充電率調整回路。
制御回路の開閉手段は、放電抵抗に対して直列に接続された開閉スイッチによって構成され、該開閉スイッチは、前記制御手段からの閉じ制御信号を受けて開き状態から閉じ状態に変化するものである請求項２に記載の充電率調整回路。
制御回路の開閉手段は、前記制御手段からの開き制御信号を受けて閉じ状態から開き状態に変化するものである請求項３に記載の充電率調整回路。