JP3951068B2

JP3951068B2 - セルバランス回路

Info

Publication number: JP3951068B2
Application number: JP20026096A
Authority: JP
Inventors: 泰久東島
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1996-07-30
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JPH1050352A; US5886502A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は充電可能な電池（セル）を複数個直列に接続して使用する場合に、各電池の電圧差が大きくならないようにバランスさせるセルバランス回路に関し、特にリチウムイオン電池に適したセルバランス回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リチウムイオン電池は電圧変動が大きく、このような電池を複数個直列接続した場合には電池間に電圧差が発生する可能性がある。通常、リチウムイオン電池は、複数個直列接続して電池パックとして使用するようにされている。この場合、電池パック内には保護回路が内蔵されるのが普通であり、充電時には個々の電池電圧が規定電圧（過充電保護電圧）以上では充電できないようにしている。この保護回路はまた、放電に関しても規定電圧（過放電保護電圧）以下では放電出来ないようにしている。
【０００３】
もし、直列接続された複数個の電池に電圧差があった場合には充電は電池電圧の一番高い方で制限され、電池電圧の低い方の電池に対しては十分な充電が行えない。これは、規定の充電量が充電出来ないことを意味する。一方、放電時には電池電圧の一番低い電池で放電量が制限されるので、電池電圧の高い方の電池は十分放電しないことになる。従って、充電量、放電量共に、電池間の電圧差がないものに比べ大きく減少してしまう。この対策として、電池パックを組む場合には電池電圧差が小さいもの同士を組み合わせ、電圧差が無いようにしている。しかし、充放電を繰り返し行っていると電池の劣化の状態は個々に違うため、繰り返し使用している間に電池間に電圧差が生じてしまう場合がある。
【０００４】
そこで、電圧差が生じた場合に電圧差を小さくする（電池間の電圧差のバランスを取る）回路を考えた場合には、電圧差を測定しその差の分だけ充電もしくは放電量を調整すれば良い。しかしながら、電圧差を測定する回路の測定精度は非常に高くなければならず、実現するためには、非常にコストが高くなってしまい、実際に電圧差が生じる可能性と比較すると現実的ではない。
【０００５】
また、充電量を調整する方法は、充電ルートや充電回路ヘの影響もあり、放電量を調整する回路よりも複雑になる。
【０００６】
従って、ほとんどの電池パックには電圧差を補正する回路（セルバランス回路）は使用されていないが、一部に過充電保護機能を利用した保護回路が使用されている。この保護回路は図３に示すように、直列接続された複数の電池３１〜３３毎に設けられた電圧監視回路４１〜４３を含み、この電圧監視回路内の過充電検出回路の出力を利用し、過充電を検出した電池のみ放電ルートを形成し、強制的に放電させることにより電池電圧を下げ、他の電池との電圧差を小さくしようとするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような保護回路は、他の電池電圧とは無関係に動作するため各電池の電圧差のバランスを取るとは言い難い。これは、電池間の電圧差が大きい場合にはバランスがとれるのであるが、電圧差が小さい場合にも動作し有効な回路ではない。また、過充電検出回路は動作を安定させるためにヒステリシスをもっており、電池間の電圧差が小さい場合にはすべての電池の放電ルートが形成されることになる。
【０００８】
すなわち、通常は、過充電検出回路が過充電を検出すると出力制御回路５０に信号をおくり、出力制御回路５０からすべての電圧監視回路４１〜４３に対してヒステリシスを持たせる信号が入力される。つまり、過充電を検出しなかった電圧監視回路の検出値は過充電解除電圧に変更される。この過充電解除電圧値は過充電検出電圧からヒステリシス電圧を引いた値であり、ヒステリシス電圧が大きく、電池電圧差が小さいとすべての電圧監視回路４１〜４３は電池電圧が過充電解除電圧以上となり放電ルートが形成されることになる。
【０００９】
これに対し、図４に示すように、抵抗Ｒ６１、Ｒ６２による分圧回路とオペアンプ６３との組合わせ回路を用いて、電池６１、６２間の電圧差により充放電の電流量を調整すればよいが、抵抗比の相対精度とオペアンプ６３のオフセットが電圧差の測定誤差となる。この精度を高くするにはコストが高くなり、回路規模も大きい。
【００１０】
このような問題点に鑑み、本発明の課題は充電可能な電池を複数個直列に接続して使用する場合に、各電池の電圧差が大きくならないようにバランスさせるセルバランス回路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるセルバランス回路は、直列接続された複数の充電可能な電池間の電圧をバランスさせるためのセルバランス回路において、それぞれの電池の電圧を、ＧＮＤ基準に変換し、複数の変換された電圧を出力する電圧変換回路と、前記複数の変換された電圧のうちの最低電圧を出力する出力回路と、前記複数の電池のそれぞれに対応して設けられ、それぞれの電池を放電させるための複数の放電回路と、前記複数の電池のそれぞれに対応して設けられ、前記最低電圧と、対応する電池の前記変換された電圧との差を検出し、該差が設定値以上になると該対応する電池の前記放電回路における放電ループをオンとする複数の放電ループ形成回路とを有し、該複数の放電ループ形成回路はそれぞれ、前記最低電圧が入力されるベース端子を持つ第１のトランジスタと前記対応する電池の前記変換された電圧が入力されるベース端子を持つ第２のトランジスタのエミッタ端子同士を接続した構成を有して前記最低電圧と前記対応する電池の前記変換された電圧との差を検出する比較回路と、カレントミラー回路及び前記比較回路と前記対応する電池の前記放電回路との間に接続された第３のトランジスタを含み、前記比較回路で検出された差が前記設定値以上であると、前記第３のトランジスタをオンとして前記対応する電池の前記放電回路における放電ループをオンとする回路とを含むことを特徴とする。
【００１２】
【作用】
上記の構成によるセルバランス回路は、セルバランス動作の動作ポイントを電池電圧差が設定値以上の場合とすることにより、回路構成を簡単にしたものである。特に、回路のオフセット電圧等の電圧差測定の誤差要因は回路の動作点を電圧差が大きくなった点にすることで無視できるようにし、これにより回路規模を小さくする事ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１を参照して、電圧変換回路２０は、直列に接続されたリチウムイオン電池（以下、電池と略称する）１１、１２、１３の電圧ＶH 、ＶM 、ＶL をＧＮＤ（グランド）基準に変換してそれぞれ変換電圧ＶH ´、ＶM ´、ＶL を出力する。ＭＩＮ出力回路３０は、それらの出力のうち一番低い電圧値を出力する。電圧変換回路２０はバッファアンプと減算アンプとにより構成することで実現でき、この出力である変換電圧ＶH ´、ＶM ´、ＶL を出力電圧ＶMIN と比較することにより過充電の保護動作を行っている。
【００１４】
ＭＩＮ出力回路３０は電池電圧の情報をパソコン等に出力させる等の目的で使用されるものであり、パソコン本体では出力電圧ＶMIN により、電池の容量を推定し電池の容量表示等に利用する。また、過放電の保護動作が行われる電圧程度まで電池電圧が低下した場合に放電が停止される前にメモリー保護を行う等のバックアップモード動作への移行判断に使用される。
【００１５】
本発明によるセルバランス回路は、図１の回路と以下に説明する図２の回路との組合わせにより、出力電圧ＶMIN とＧＮＤ基準に変換された各電池の変換電圧ＶH ´、ＶM ´、ＶL との差（ＶH ´−ＶMIN ）、（ＶM ´−ＶMIN ）、（ＶL −ＶMIN ）が設定値以上の場合にその電池の放電ループを形成する回路である。
【００１６】
図２を参照して、本回路は電池毎に設けられ、トランジスタＱ９と抵抗Ｒ１とによる放電回路に接続されるが、ここでは図１の電池１２に接続される場合について説明する。本回路は、トランジスタＱ１、Ｑ２と、それらのエミッタに接続された２つの抵抗Ｒとを含む比較回路と、トランジスタＱ３、Ｑ４によるカレントミラー回路とこれに接続されたトランジスタＱ７、Ｑ８とを含んで、上記比較回路の比較結果に応じて上記放電回路を形成する回路とを有する。
【００１７】
トランジスタＱ１のベースには図１のＭＩＮ出力回路３０の出力電圧ＶMIN が供給され、トランジスタＱ２のベースには該当する電池１２の変換電圧ＶM ´が供給される。そして、出力電圧ＶMIN とＧＮＤ基準に変換された変換電圧ＶM ´との差（ＶM ´−ＶMIN ）が設定値以上の場合にトランジスタＱ７、Ｑ８がオンとなり、電池１２の放電回路が形成される。その結果、上記比較回路における差電圧が上記設定値よりも低くなるまで電池１２の電圧ＶM が低下し、電池間に生じていた電圧差が解消される。なお、上記設定値は、抵抗Ｒの値またはトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタ面積比を変えることで任意に設定できる。
【００１８】
なお、上記説明では、リチウムイオン電池の場合について説明したが、本発明はこれに限らず充電可能な電池全般に適用できることは言うまでもない。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明では充電可能な電池を複数個直列に接続して使用する場合に、各電池の電圧差が大きくならないようにバランスさせることができるので、各電池に規定されている充電量、放電量の能力を十分に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセルバランス回路の一部を示した図である。
【図２】図１の回路との組合わせにより本発明によるセルバランス回路を構成する回路を示した図である。
【図３】従来の保護回路の一例を示した回路図である。
【図４】従来の放電回路の一例を示した回路図である。
【符号の説明】
１１、１２、１３、３１、３２、３３、６１、６２リチウムイオン電池
２０電圧変換回路
３０ＭＩＮ出力回路

Claims

直列接続された複数の充電可能な電池間の電圧をバランスさせるためのセルバランス回路において、
それぞれの電池の電圧を、ＧＮＤ基準に変換し、複数の変換された電圧を出力する電圧変換回路と、
前記複数の変換された電圧のうちの最低電圧を出力する出力回路と、
前記複数の電池のそれぞれに対応して設けられ、それぞれの電池を放電させるための複数の放電回路と、
前記複数の電池のそれぞれに対応して設けられ、前記最低電圧と、対応する電池の前記変換された電圧との差を検出し、該差が設定値以上になると該対応する電池の前記放電回路における放電ループをオンとする複数の放電ループ形成回路とを有し、
該複数の放電ループ形成回路はそれぞれ、
前記最低電圧が入力されるベース端子を持つ第１のトランジスタと前記対応する電池の前記変換された電圧が入力されるベース端子を持つ第２のトランジスタのエミッタ端子同士を接続した構成を有して前記最低電圧と前記対応する電池の前記変換された電圧との差を検出する比較回路と、
カレントミラー回路及び前記比較回路と前記対応する電池の前記放電回路との間に接続された第３のトランジスタを含み、前記比較回路で検出された差が前記設定値以上であると、前記第３のトランジスタをオンとして前記対応する電池の前記放電回路における放電ループをオンとする回路とを含むことを特徴とするセルバランス回路。
前記電池はリチウムイオン電池であることを特徴とする請求項１記載のセルバランス回路。