JP3697986B2

JP3697986B2 - 組電池

Info

Publication number: JP3697986B2
Application number: JP36909499A
Authority: JP
Inventors: 彰彦工藤
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001185232A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は組電池に係り、特に、複数の単電池が直列に接続された組電池の充放電電流の計測に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組電池は、一般に、複数の単セル（単電池）を直並列に接続して構成されている。このような組電池について残存容量等の充放電状態を正確に把握するためには、各単セル電圧と共に組電池の充放電電流を計測する必要があるので、従来は、組電池の外部に充放電電流を計測する充放電電流計測手段を設けて測定するのが一般的であった。しかし最近では、組電池内に各単セル電圧を検出する電圧検出手段と充放電電流検出手段とを備え、更に内蔵したマイクロコンピュータで各種演算を行って組電池の充放電状態を推定し、充放電の制御をするか又は制御信号を外部に出力する電池パック（バッテリパック）が開発され実用化に至っている。
【０００３】
図４は、上述した電池パックの典型的なブロック回路図である。図４に示すように、従来の電池パックでは、単セルを直列に接続した組電池７の−端に充放電電流を検出する電流検出抵抗８が直列に挿入されて電池パックの−端子とされ、組電池７の＋端は充放電電流の通電を制御する通電制御部９を介して電池パックの＋端子とされている。電流検出抵抗８に流れる充放電電流は、差動増幅器１０で電圧に変換されマイクロコンピュータ１１のＡＤ変換入力に接続されている。マイクロコンピュータ１１は、差動増幅器１０の出力電圧を計測すると共に、各単セルの電圧を検出する電圧検出回路（図示省略）を介して各単セルの電圧も測定する。また、マイクロコンピュータ１１は充放電電流と各単セルの電圧とを演算して各単セル及び組電池７の充放電状態を推定し、通信端子を通じてその推定したデータについて負荷又は充電器等との通信を行う。更に、マイクロコンピュータ１１は、各単セルが過充電又は過放電状態に至る場合には、通電制御部９に制御信号を出力することで、各単セルが過充電又は過放電となることを防止する動作も行う。
【０００４】
この構成と同様に、組電池の−端に電流検出抵抗を直列に挿入し充放電電流の検出を行う電池パックは、例えば、特開平第１０−１２２８３号公報にも記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の電池パックでは、充放電電流が小さい場合に誤差が大きくなるので、正確な充放電状態を把握することができない、という問題点、又は、差動増幅器の動作電源を別途準備する必要があるので、部品点数が増えコスト高となる、という問題点がある。
【０００６】
すなわち、図５に示すように、一般的な差動増幅回路は、演算増幅器１２及び抵抗１３〜１６で構成されている。＋入力を電流検出抵抗８の組電池７側に、−入力を電池パックの−端子側に接続し、図４に示した電池パックにこの差動増幅回路を適用すると、充電電流通電時には、差動増幅器の出力に＋の電圧が出力される。また、放電電流通電時の電流を計測するためには、−入力が電流検出抵抗８の組電池７側に、＋入力が電源パックの−端子側に接続されるもう一つの差動増幅器を備えるようにすればよい。
【０００７】
ここで問題となるのは、演算増幅器１２の作動電源である。一般的な演算増幅器は、正と負との２つの電源で作動するが、入力電圧範囲について、＋側は｛（＋電源電圧）−（１〜１．５Ｖ）｝、−側は｛（−電源電圧）＋（１〜１．５Ｖ）｝程度の範囲でしか正常作動ができないので、組電池７の＋端及び−端電圧からは演算増幅器を直接作動させることができないことになる。この問題を解決するためには、図５に示すように、正の電源１７の他に負の電源１８を設けて演算増幅器を作動させればよいが、部品点数が増加する結果、コスト高となる。また、演算増幅器には単電源（片電源）で作動するものもあるが、０Ｖ近辺、つまり充放電電流が小さい場合には誤差が大きくなる結果、充放電電流を正確に計測することができない。更に、特殊な演算増幅器には＋電源電圧〜−電源電圧まで正常に動作するものもあるが、コスト高又は消費電力が大きくなる、という問題点を有している。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み、充放電電流が小さい場合でも正確な充放電電流の計測が可能で、かつ、コスト低減可能な組電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、複数の単セルを直列に接続した組電池において、前記単セル間に直列に挿入された抵抗の両端を入力とし、前記組電池の＋端子と−端子とを作動電源とし、前記抵抗両端のいずれか一端と同電位の端子をグランドとした第１差動増幅器を備える。本発明では、組電池の充放電電流を検出する抵抗を単セル間に直列に挿入し、かつ、第１差動増幅器の電源を組電池の＋端子と−端子とからとる構成にしたので、演算増幅器の入力電圧は、組電池の＋端子より単セル電圧分以上低く、組電池の−端子よりも単セル電圧分は高くなることから、通常の演算増幅器を用いて差動増幅器としても、正常に作動する入力電圧範囲で使用することができると共に、負の電源を必要としない。従って、組電池の部品点数を少なくすることができるので、コストを低減させることができる。また、第１差動増幅器のグランドは抵抗両端のいずれか一端と同電位とされており、この同電位の端子と第１差動増幅器の出力端子間に、充放電電流に比例して第１差動増幅器から電圧が出力されるので、充放電電流が小さい場合でも充放電電流との誤差を小さくすることができる。従って、正確に充放電電流の計測が可能となるので、組電池の充放電状態を正確に把握することができる。
【００１０】
この場合において、スイッチ手段により、第１差動増幅器の一方の入力を抵抗から切り離し他方の入力に短絡させると、充放電電流が０の状態を作り出すことができる。この状態で第１差動増幅器から出力される電圧は第１差動増幅器を構成する演算増幅器のオフセット電圧であり、このオフセット電圧を任意のタイミングで測定してオフセット電圧を補正することで、より正確な充放電電流の計測を行うことができる。
【００１１】
上記の発明において、第１差動増幅器の出力を入力とし、組電池の−端子をグランドとして単電源で作動する第２差動増幅器を更に備えるようにすれば、第２差動増幅器の出力電圧は組電池の−端子をグランドとして計測することができる。この第２差動増幅器は組電池の−端子をグランドとするが、入力電圧は高いため、０Ｖ近辺の入力電圧で出力誤差が大きくなる心配はない。
【００１２】
又は、上記の発明において、第１差動増幅器の出力電圧を電流に変換する電圧電流変換回路を更に備えるようにすれば、第１差動増幅器の出力電圧は電流に変換されるので、例えば、この電流を抵抗に通電することにより、任意のグランドを基準とした電圧を得ることができる。このとき、電圧電流変換回路からの出力電流をコンデンサに通電して蓄積するようにすれば、充放電電流が定電流でなくても正確に計測することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能な電池パックの実施の形態について説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の電池パックは、単セルとしてのリチウムイオン電池が４個直列に接続された組電池１Ａと組電池１Ｂとを備えている。組電池１Ａの−端及び組電池１Ｂの＋端は、組電池の充放電電流を検出するための抵抗としての電流検出抵抗２を介して接続されている。組電池１Ａの＋端は、各リチウムイオン電池が過充電又は過放電となる前に外部との通電を停止させる通電制御部５を介して電池パックの＋外部出力端子（＋端子）に接続されている。一方、組電池１Ｂの−端は、そのまま電池パックの−外部出力端子（−端子）に接続されている。
【００１５】
電流検出抵抗２の両端は第１差動増幅器としての差動増幅器３の入力に接続されており、電流検出抵抗２の組電池１Ｂの＋端がグランド（ＧＮＤ）にとられている。差動増幅器３の出力は、差動増幅器３のグランドと共に、第２差動増幅器としての差動増幅器４の入力に接続されており、差動増幅器４の出力はマイクロコンピュータ６のＡＤ変換入力に接続されている。差動増幅器３の電源端子は、組電池１Ａの＋端、組電池１Ｂの−端に接続されており、差動増幅器４の電源端子は、組電池１Ａの＋端、組電池１Ｂの−端に接続されている。
【００１６】
マイクロコンピュータ６は、各リチウムイオン電池（以下、単セルという。）の電圧を検出する図示を省略した電圧検出回路、負荷又は充電器等と通信を行うポートとなる通信端子、及び通電制御部５に接続されている。このマイクロコンピュータ６は、差動増幅器４からの入力により組電池の充放電電流をＡＤ変換して計測すると共に、図示を省略した電圧検出回路の出力から各単セルの電圧を測定して、充放電電流と各単セルの電圧とを演算することにより単セル及び組電池の充放電状態を推定し、通信端子を介してその推定したデータについて負荷又は充電器等との通信を行う。また、各単セルが過充電又は過放電状態に至る前に、通電制御部５に制御信号を出力することで組電池の外部との通電を停止させ、各単セルが過充電又は過放電となることを防止する動作も行う。
【００１７】
なお、本電池パックでは、差動増幅器３に使用した演算増幅器には、入力電圧が｛（＋電源電圧）−１．５Ｖ）｝から｛（−電源電圧）＋１．５Ｖ）｝まで作動する標準市販品を用い、差動増幅器４に使用した演算増幅器には、単電源で０Ｖの入力電圧まで作動するものを用いた。
【００１８】
次に、本実施形態の電池パックの差動増幅器３、４の動作原理について説明する。
【００１９】
本電池パックでは、電流検出抵抗２を組電池１Ａ、１Ｂ間に挿入し、差動増幅器３の電源端子を組電池１Ａの＋端、組電池１Ｂの−端に接続したので、一般の（標準市販品の）演算増幅器を用いて差動増幅器３としても、演算増幅器の入力電圧は、組電池１Ａの＋端より単セル電圧分以上必ず低くなり、組電池１Ｂの−端よりも単セル電圧分は必ず高くなるので、普通の演算増幅器が正常に差動する入力電圧範囲で使用することができる。この場合、差動増幅器３のグランドを電流検出抵抗２に接続された組電池１Ｂの＋端と同電位としたので、グランドと差動増幅器３の出力端子間には電流検出抵抗２を流れる充放電電流に比例した電圧が発生する。
【００２０】
また、本電池パックでは、単電源で作動しグランドを組電池１Ｂの−端とした差動増幅器４の出力電圧を計測するようにしたので、組電池１Ｂの−端を基準として測定することができる。このように差動増幅器４は組電池１Ｂの−端をグランドとするが、入力電圧は高いので、０Ｖ近辺の入力電圧で出力誤差が大きくなることはない。本実施形態の電池パックを作製し実際に作動させた結果、充放電電流が０ｍＡ近辺でも差動増幅器３の出力電圧は組電池１Ｂの直列電圧とほぼ等しいため、差動増幅器４の入力電圧が０Ｖ近くまで下がって誤差が大きくなるようなことはなかった。
【００２１】
以上のように、本実施形態によれば、電流検出抵抗２を組電池１Ａ、１Ｂ間に挿入して差動増幅器３の電源端子を組電池１Ａの＋端、組電池１Ｂの−端に接続し、差動増幅器３のグランドを電流検出抵抗２に接続された組電池１Ｂの＋端と同電位としたので、充放電電流が小さい場合でも誤差が大きくならず正確な充放電電流を計測することができると共に、負の電源を必要とせず、また、普通の演算増幅器を用いて差動増幅回路を構成することができることから、コスト低減を図ることができる。
【００２２】
（第２実施形態）
次に、本発明が適用可能な電池パックの第２の実施の形態について説明する。なお、本実施形態以下の実施形態において、第１実施形態と同一構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２３】
図２に示すように、本実施形態の電池パックには、スイッチ手段として、組電池１Ａの−端及び電流検出抵抗２の接続点と差動増幅器３の入力との間に直列に挿入されたスイッチ１９と、差動増幅器３の入力両端に並列に挿入されたスイッチ２０と、が追加されており、これらのスイッチ１９、２０はマイクロコンピュータ６からの出力でオン、オフが制御される。なお、これらスイッチ１９、２０は、例えば、トランジスタ、ＦＥＴ、抵抗を組み合わせて構成することができる。
【００２４】
本実施形態の電池パックでは、通常の充放電状態では、スイッチ１９がオン、スイッチ２０はオフ状態であり、オフセット電流測定時のみスイッチ１９をオフ、スイッチ２０をオン状態とする。スイッチ１９がオフでスイッチ２０がオン状態では、差動増幅器３の入力が０Ｖとなり、差動増幅器４の出力電圧は差動増幅器３と４とのオフセット電圧が出力される。よってこの状態で、測定したオフセット電流を通常時の測定電流に加減算（補正）することで、充放電電流のより正確な測定を行うことができる。
【００２５】
以上のように、本実施形態によれば、スイッチ１９、２０のオン、オフにより充放電電流が０ｍＡの状態（差動増幅器３の入力が０Ｖ）の状態を作り出すことができるので、オフセット電流を補正して更に正確な充放電電流の測定が可能となる。このような補正は、残存容量の演算に充放電電流を積算する方式を用いる場合に特に有効であり、電池パックを長期間放置してもより正確な残存容量の演算が可能となる。
【００２６】
なお、オフセット電流の測定には任意の方式を選択でき、例えば、一定時間毎に数秒間測定する方式、充放電電流が小さい場合のみに一定時間毎に測定する方式、温度変動が大きくなった場合に測定する方式等、マイクロコンピュータ６のプログラムにより種々の方式の選択が可能である。
【００２７】
（第３実施形態）
図３に示すように、本実施形態の電池パックでは、第１実施形態の差動増幅器４の代えて、差動増幅器３のグランド及び出力間の電圧を電流に変換する電圧−電流変換器２１を用い、電圧−電流変換器２１の出力と電池パック１Ｂの−端との間に抵抗２２が挿入されている。
【００２８】
第１実施形態では、マイクロコンピュータ６のＡＤ変換器入力へ出力する電圧を、差動増幅器４を用いて組電池１Ａと１Ｂの−端基準電圧に変換したが、本実施形態では、電圧−電流変化器２１を用いて電流に変換し、その電流を抵抗２２に流している。
【００２９】
このように、本実施形態によれば、電圧−電流変換器２１により差動増幅器３の出力電圧を電流に変換し、抵抗２２を介して組電池１Ｂの−端に流したので、組電池１Ｂの−端を基準とした電圧がマイクロコンピュータ６のＡＤ変換入力に出力される。なお、一端がマイクロコンピュータ６のＡＤ変換入力に接続された抵抗２２の他端を任意のグランドを基準として差動増幅器３の出力電圧を計測するようにしてもよい。
【００３０】
この場合に、抵抗２２の代わりにコンデンサを用いると、電流を積分することができる。よって、マイクロコンピュータ６の制御信号により、例えば、一定時間毎に、コンデンサに貯まった電荷を放電させた後、図示しない積分器でコンデンサに蓄積された電荷を測定するようにすれば、電池パックに、例えば、パルス状や三角波状等の定電流以外の充放電電流が流れている場合でも、正確に充放電電流の積算演算を行うことができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、充放電電流を検出する抵抗を単セル間に直列に挿入し、第１差動増幅器の作動電源を組電池の＋端子と−端子とからとる構成にしたので、演算増幅器の入力電圧は、組電池の＋端子より単セル電圧分以上低く、組電池の−端子よりも単セル電圧分は高くなることから、通常の演算増幅器を用いて差動増幅器としても、正常に作動する入力電圧範囲で使用することができると共に、負の電源を必要としない。このため、組電池のコストを低減させることができる、という効果を得ることができる。また、第１差動増幅器のグランドは抵抗両端のいずれか一端と同電位とされており、この同電位の端子と第１差動増幅器の出力との間に、充放電電流に比例して第１差動増幅器から電圧が出力されるので、充放電電流が小さい場合でも充放電電流との誤差を小さくすることができる。このため、正確に充放電電流の計測が可能となる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な第１実施形態の電池パックのブロック回路図である。
【図２】本発明が適用可能な第２実施形態の電池パックのブロック回路図である。
【図３】本発明が適用可能な第３実施形態の電池パックのブロック回路図である。
【図４】従来の電池パックのブロック回路図である。
【図５】一般的な差動増幅器の構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ組電池
２電流検出抵抗（抵抗）
３差動増幅器（第１差動増幅器）
４差動増幅器（第２差動増幅器）
５通電制御部
６マイクロコンピュータ
１９、２０スイッチ（スイッチ手段）
２１電圧−電流変換器（電圧電流変換回路）
２２抵抗

Claims

複数の単セルを直列に接続した組電池において、前記単セル間に直列に挿入された抵抗の両端を入力とし、前記組電池の＋端子と−端子とを作動電源とし、前記抵抗両端のいずれか一端と同電位の端子をグランドとした第１差動増幅器を備えることを特徴とする組電池。
前記第１差動増幅器の一方の入力を前記抵抗から切り離し前記第１差動増幅器の他方の入力に短絡させるスイッチ手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
前記第１差動増幅器の出力を入力とし、前記組電池の−端子をグランドとして単電源で作動する第２差動増幅器を更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の組電池。
前記第１差動増幅器の出力電圧を電流に変換する電圧電流変換回路を更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の組電池。
前記電圧電流変換回路からの出力電流は該電流を蓄積するコンデンサに通電されることを特徴とする請求項４に記載の組電池。