JP4066733B2 - 組電池の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組電池の各セル容量のばらつきを抑制する組電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のセルを直列に接続して構成される組電池では、各セルの放電可能な電気量（以後「放電容量」と称する）の減少程度が各セルによって異なる。例えば各セルの製造のばらつき、または組電池として使用した場合のセル間の温度分布などの理由により、自己放電量や充電受入率（充放電効率ともいう）に差が生じ、各セルの初期放電容量からの減少程度が各セルによって異なってくる。そのため、放電深度（放電深度：全放電状態で１００％、満充電状態で０％と定義する）０％からの放電容量には、各セル間にばらつきを生じる。
【０００３】
それによって組電池としての放電容量が減少する。すなわち、放電時には、放電容量が小さくなったセルは他のセルより早く放電完了して過放電状態となる。この過放電となっているセルが、まだ放電深度１００％に至っていない他のセルの負荷となって、組電池を構成している全てのセルが放電深度１００％にならないうちに組電池の電圧が低下し、組電池として放電終了となってしまう。
【０００４】
一方、組電池の充電時には、放電時に放電深度１００％とならなかったセルが先に放電深度０％に到達してセル端子電圧が上昇するが、放電時に過放電になったセルは放電深度０％つまり満充電に到達する前に、組電池全体の電圧が高くなって充電が完了する。このような状態で、組電池の充放電を繰り返すと、各セルの放電深度の差は広がり、その結果各セルの放電容量の差も広がる。これは、組電池全体の放電容量の低下、特定のセルの劣化という問題につながる。
【０００５】
上記の問題を解決するため、組電池を構成する各セルに並列に電流バイパス回路を接続し、放電深度０％つまり満充電に近い状態まで充電されたセルは電流バイパス回路を導通させて充電電流を低下させ、満充電から遠い放電深度のあるセルは充電を継続することによって、放電深度のばらつきを減少させるような充電制御装置を採用している。
従来、このようなバイパス回路として、固定抵抗値の抵抗とツェナーダイオードを直列に接続したものが用いられている。この電流バイパス回路は、セルの満充電時のセル端子電圧よりもある程度低い電圧に達したときに動作するように、通常設定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電流バイパス回路を構成するツェナーダイオードのツェナー電圧は、ツェナーダイオードごとにばらつきを有する。
上記のような電流バイパス回路による組電池の充電制御装置では、ツェナー電圧が他より低いツェナーダイオードが使用されたセルは、そうでないセルより低いセル端子電圧でバイパス電流が流れ始める。そのまま充電が続くと他のセルもバイパス電流が流れ始めるが、ツェナー電圧が他より低いセルのバイパス電流は他のセルより大きくなり、その結果当該セルは常に充電不足となり、結果として組電池全体の放電容量が低下する。
【０００７】
また、組電池の制御装置雰囲気の温度が上昇したとき、またはセル間に温度分布を有し、特定のセルの温度が上昇したとき、ツェナーダイオードの持つ負の温度特性により、当該ツェナーダイオードのツェナー電圧が低下する。この場合も、当該セルのバイパス電流が増加して、セルが放電深度０％に近づく度合いが低下する。すなわち組電池全体の放電容量が低下する。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するために、充電時に各セルのツェナーダイオードを有したバイパス回路に流れるバイパス電流を均一化し、満充電状態に近づけることができ、雰囲気の温度上昇による放電容量低下を補償することができる組電池の制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、複数個のセルを直列に接続して構成された組電池の制御装置であって、前記各セルごとに充電電流をバイパスする電流バイパス回路を備え、前記電流バイパス回路は、ツェナーダイオードと温度により抵抗値が変化する正の温度特性の感温抵抗とを直列に接続したものであり、ツェナーダイオードと感温抵抗とは、他からの熱伝導および熱輻射の影響が小さくなるように、他の発熱電気部品または基板から距離を離して装着してあるものとした。
【００１０】
【発明の効果】
本発明により、組電池が満充電に近づいた状態でセルごとのバイパス電流が均一化され、各セルの放電深度がほぼ均等に０％に近づく。その結果組電池の放電容量を大きくできる。
また、従来、組電池の制御装置雰囲気の温度が上昇したとき、ツェナーダイオードの持つ負の温度特性により、ツェナー電圧が低下して、各セルのバイパス電流が増加して、放電深度０％に近づく度合いが低下する傾向に対し、感温抵抗の抵抗値増加によりバイパス電流を抑制するので、制御装置の雰囲気温度による放電容量の変化を少なくできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を説明する。
図１に組電池の制御装置のブロック図を示す。図２は図１に示した組電池の制御装置を構成する個々の電流バイパス回路を示す。
組電池１はｎ個のセル１１を直列に接続して構成され、各セル１１の両端子間に電流バイパス回路３が接続されている。電流バイパス回路３はツェナーダイオード１２と感温抵抗１３で構成されている。個々のセル１１に接続された電流バイパス回路３全体で組電池のバイパス回路２を構成する。
図示しないが組電池の両端子には、組電池の放電および充電を制御する制御部が接続されている。
なお、図中、セル１１（）および電流バイパス回路３（）の（）内はセル番号を示している。
感温抵抗１３は正の温度特性を有し、ツェナーダイオード１２と直列接続で構成されている。
【００１２】
ここで、ツェナーダイオード１２に逆方向の電圧が加わり、ブレークダウン電流つまりバイパス電流Ｉ_Ｂが流れ始めるときにツェナーダイオード１２の両端に加わる電圧、すなわちツェナー電圧Ｖ_Ｚは、セル１１が満充電になるときのセル端子電圧よりもある程度低い電圧に設定される。また、感温抵抗１３の抵抗値Ｒ_Ｔは、セル１１の満充電時に、ツェナーダイオード１２に流れるバイパス電流Ｉ_Ｂがツェナーダイオード１２の最大定格電流を越えないように選択する。
【００１３】
図３は、バイパス回路３の実装状態を示す。感温抵抗１３とツェナーダイオード１２はそれぞれの発熱により互いに影響を受けないように間隔Ｌ_ｇを設けて配置されている。ツェナーダイオード１２と感温抵抗１３はリード線１５つきのものとし、ツェナーダイオード本体および抵抗本体部分をプリント基板４に接触させることなく空中にリード線１５で保持することとする。ツェナーダイオード１２および感温抵抗１３のそれぞれのリード線１５の長さＬ_ｈは、プリント基板の熱がリード線１５を伝わってツェナーダイオード１２および感温抵抗１３の温度に影響しないよう適切に選ぶ。
【００１４】
本実施の形態の作用を以下に説明する。
組電池１を充電してゆき、セル１１の端子電圧Ｖ_Ｃが満充電に近い電圧に近づくと、ツェナーダイオード１２にツェナー電圧Ｖ_Ｚを越える逆電圧がかかり、感温抵抗１３とツェナーダイオード１２に電流が流れ、該セル１１に対して電流バイパス機能が動作した状態になる。
バイパス電流Ｉ_Ｂは感温抵抗の抵抗値をＲ_Ｔとしたとき、
Ｉ_Ｂ＝（Ｖ_Ｃ−Ｖ_Ｚ）／Ｒ_Ｔ （１）
で表される。
【００１５】
ところで、ツェナーダイオード１２のツェナー電圧Ｖ_Ｚは、製造のばらつきまたは雰囲気温度の不均一によって各電流バイパス回路３ごとにばらつく。
まず、製造のばらつきによりツェナーダイオード１２のツェナー電圧Ｖ_Ｚに大小が生じたときの本実施形態の作用を説明する。
例えば、あるセル（例えばセルａ）の電流バイパス回路のツェナー電圧Ｖ_Ｚａが他のセルより低かった場合を説明する。
当該セルが満充電に近づいた場合、セルａの端子電圧Ｖ_Ｃａが他のセルより低いセル端子電圧（≒Ｖ_Ｚａ）に到達したとき、バイパス電流Ｉ_Ｂａは流れ始める。バイパス電流Ｉ_Ｂａが流れ始めることにより、該セルの感温抵抗１３は（Ｉ_Ｂａ）^２×Ｒ_Ｔａで決まる自己発熱により温度が上昇する。
このとき、図３に示すように感温抵抗１３とツェナーダイオード１２は互いの距離Ｌ_ｇをとって配置し、さらに感温抵抗１３はプリント基板４からの熱伝導が抑制されるように、リード線１５の長さをＬ_ｈとしてプリント基板４からの距離をとって配置していることから、感温抵抗１３の抵抗値Ｒ_Ｔａは主に自己発熱によって決まる。
感温抵抗１３の正の温度特性により、感温抵抗１３の抵抗値Ｒ_Ｔａが増大するため、バイパス電流Ｉ_Ｂａは抑制され、セルａへの充電電流も流れ、セルａの端子間電圧Ｖ_Ｃａが増加する。
【００１６】
セルａが、ほぼ満充電になったときのセル端子電圧をＶ_Ｃｆ、セル充電電流をＩ_Ｃａとすると、
Ｉ_Ｂａ＝（Ｖ_Ｃｆ−Ｖ_Ｚａ）／Ｒ_Ｔａ
Ｉ_Ｃａ＋Ｉ_Ｂａ＝一定
の関係となっている。
したがって、従来に比較して本実施の形態では、ツェナー電圧が低い方向にばらついている場合は、バイパス電流が流れ始めて以降、セル端子電圧がＶ_Ｃｆに近づいたときのバイパス電流が抑制され、セルへの充電電流が確保される。
【００１７】
逆に、あるセル（例えばセルｂ）の電流バイパス回路のツェナー電圧Ｖ_Ｚｂが他のセルより高かった場合を説明する。
セルｂが満充電に近づいた場合、セルｂの端子電圧Ｖ_Ｃｂが他のセルより高いセル端子電圧（≒Ｖ_Ｚｂ）に到達したとき、バイパス電流Ｉ_Ｂｂは流れ始める。この後、前述のツェナー電圧が低い場合と同様にセルｂもほぼ満充電時のセル端子電圧Ｖ_Ｃｆに近づく。
このときのバイパス電流は、
Ｉ_Ｂｂ＝（Ｖ_Ｃｆ−Ｖ_Ｚｂ）／Ｒ_Ｔｂ
Ｉ_Ｃｂ＋Ｉ_Ｂｂ＝一定
の関係となり、Ｖ_Ｚｂ＞Ｖ_Ｚａであるのに対応し、Ｉ_ＢｂはＩ_Ｂａより小さい。その結果、感温抵抗１３の自己発熱は少ないので、バイパス電流Ｉ_Ｂｂの抑制効果は小さい。
【００１８】
次に、組電池の制御装置全体の雰囲気温度が変化した場合、または組電池の制御装置の個々の電流バイパス回路間で雰囲気温度が不均一の場合の、本実施形態の作用を説明する。
組電池全体の、または組電池の一部のセルの、電流バイパス回路の雰囲気温度が上昇するような場合、ツェナーダイオード１２の持つ負の温度特性により、ツェナー電圧が低くなり、セルが満充電に近づいたとき、雰囲気温度が通常の場合のセル端子電圧Ｖ_Ｃより低いセル端子電圧で、バイパス電流が流れ始める。このとき感温抵抗１３の抵抗値Ｒ_Ｔは、雰囲気温度の上昇により増加しているので、バイパス電流を減少させ、セルへの充電電流が増加し、セル端子間電圧Ｖ_Ｃを増加させる。
【００１９】
逆に、電流バイパス回路の雰囲気温度が低下した場合、ツェナーダイオード１２の持つ負の温度特性により、ツェナー電圧が高くなり、セルが満充電に近づいたとき、雰囲気温度が通常の場合のセル端子電圧Ｖ_Ｃより高いセル端子電圧で、バイパス電流が流れ始める。このとき感温抵抗１３の抵抗値Ｒ_Ｔは、雰囲気温度の低下により減少しているので、バイパス電流を増加させ、セルへの充電電流が減少し、セル端子間電圧Ｖ_Ｃの増加を抑制する。
【００２０】
本実施の形態によれば、バイパス回路のツェナーダイオードのツェナー電圧がばらついている場合でも、ツェナーダイオードに直列に接続された感温抵抗の正の温度特性の抵抗変化により、組電池全体のセルが満充電近傍にありバイパス電流が流れている状態での、セル間のバイパス電流の均一化が図られる。
この結果、各セルの放電深度が０％に一様に近づき、組電池の放電容量が増加する。
また、組電池の制御装置の一部の電流バイパス回路の雰囲気温度または全体の雰囲気温度の変化によって、ツェナー電圧が変化している場合も、直列接続された感温抵抗の正の温度特性により、ツェナー電圧変化によるバイパス電流への影響を補償するので、雰囲気温度の影響の少ない組電池の充電制御装置を構成できる。
【００２１】
さらに、バイパス回路に用いられるツェナーダイオードのツェナー電圧を、満充電時のセル端子電圧Ｖ_Ｃｆより低く設定し、感温抵抗の抵抗値をツェナーダイオードの最大定格電流を超えないように選定しているので、複数のセルを直列に接続して組電池を構成している場合の、電流バイパス回路として適切な構成となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】電流バイパス回路の詳細を示す図である。
【図３】電流バイパス回路のプリント基板上の実装状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 組電池
２ バイパス回路
３ 電流バイパス回路
４ プリント基板
１１ セル
１２ ツェナーダイオード
１３ 感温抵抗
１５ リード線

Claims (3)

1. 複数個のセルを直列に接続して構成された組電池の制御装置であって、
   前記各セルごとに充電電流をバイパスする電流バイパス回路を備え、
   前記電流バイパス回路は、ツェナーダイオードと、温度により抵抗値が変化する正の温度特性の感温抵抗とを直列に接続したものであり、
   前記ツェナーダイオードと前記感温抵抗とは、他からの熱伝導および熱輻射の影響が小さくなるように、他の発熱電気部品または基板から距離を離して装着してあることを特徴とした組電池の制御装置。
2. 前記ツェナーダイオードのツェナー電圧は、前記セルの満充電時のセル端子電圧よりも低い電圧に設定されることを特徴とする請求項１に記載の組電池の制御装置。
3. 前記感温抵抗の抵抗値は、前記ツェナーダイオードの最大定格電流を越えないように設定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の組電池の制御装置。

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