JP4086009B2 - 電池用過充電過放電検出回路 - Google Patents

Description

本発明は組電池に用いられる電池用過充電過放電検出回路に関する。

複数の単電池（以下、セルとも言う）を直列してなる組み電池、特にリチウム二次電池では、その過充電や過放電の判定が重要となっている。このため、各セル電圧が許容電圧範囲にあるかどうかすなわち各セル電圧が許容最高電圧値を超えていないかどうかを判定する過充電判定と、許容最低電圧値を下回っていないかどうかを検出する過放電判定をとを行う過充電過放電検出回路を設けるのが通常となっている。

また、下記の特許文献１は、上記過充電過放電検出回路において、許容最高電圧値をそれより高い過充電判定しきい値に切り替え、上記許容最低電圧値をそれより低い過放電判定しきい値に切り替えるしきい値変更回路を追設することにより、更に高精度の過充電過放電判定を行うことを提案している。
特許２００３−０３２９０７号公報

しかしながら、上記した特許文献１の過充電過放電検出回路は、過充電判定のための回路系（以下、過充電判定回路とも言う）と、過放電判定の回路系（以下、過放電判定回路とも言う）とを各セルごとに一対ずつ配置し、かつ、それらのしきい値をそれぞれ変更するためのしきい値変更回路を一対必要となるため、判定精度の改善効果を回路複雑化の欠点が相殺してしまうという問題があった。つまりり、特許文献１は、本質的に過充電検出に２つのしきい値を用い、過放電判定に２つのしきい値を用いる４しきい値判定方式の電池用過充電過放電検出回路であるが、そのために２つのコンパレータとこれら二つのコンパレータのしきい値変更回路とを各セルごとに必要とし、得られる効果に比べて回路規模の増大が看過できないレベルに達していた。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、過充電過放電検出回路の複雑化に耐えることが可能な実用性に優れた電池用過充電過放電検出回路を提供することをその目的としている。

この発明の電池用過充電過放電検出回路は、互いに直列接続されて組電池を構成する多数のセルの電圧を個別に前記セルの過充電判定しきい値及び過放電判定しきい値と比較して前記各セルの過充電判定及び過放電の判定をそれぞれ行う電池用過充電過放電検出回路において、前記各セルの過充電及び過放電の判定をセルごとに個別に行う複数の判定回路と、前記各判定回路の出力の組み合わせに基づいて組電池の最終的な過充電及び過放電の最終的な判定を行う最終判定回路とを備え、一つのセルの判定を行う前記判定回路は、互いに異なる過充電判定用しきい値を有して同じ前記セルの過充電の判定を並行して行う複数のセル判定回路、又は、互いに異なる過放電判定用しきい値を有して同じ前記セルの過放電の判定を並行して行う複数のセル判定回路を含むことを特徴としている。

すなわち、この発明の電池用過充電過放電検出回路は、過充電判定と過放電判定とを行う判定回路を一つのセルに対して複数設け、これら判定回路の出力の組み合わせに基づいて、組電池の過充電過放電の判定を行っている。このため、たとえば一つの判定回路の動作がなんらかの原因により不調となったとしても、他の判定出力を用いることにより支障無く組電池の過充電過放電の判定を継続することができる。いわゆる判定回路を多重冗長化しているために回路不良に対する信頼性を向上することができる。

なお、上記特許文献１も二つの比較手段を有しているが、特許文献１の一つの比較手段は過充電判定と許容最高電圧判定を行い、もう一つの比較手段は過放電判定と許容最低電圧値判定を行うために、どちらか一つの比較手段が不調となると必須である過充電判定用と過放電判定とのどちらかができなくなり、電池用過充電過放電検出回路としての最小限必要な回路機能を失ってしまう。これに対して、この発明の各判定回路はそれぞれ過充電判定と過放電判定とを行うとこができるので、たとえ一つの判定回路が不調となったとしてもこのような問題の発生を防止することができる。

更に、この発明では、各判定回路のしきい値として互い異なる値を与えているため各判定回路が正常である場合には、各判定回路の出力の組み合わせを利用して高精度の過充電過放電の判定も行うことができるという効果を奏することができる。結局、この発明は、特許文献１の発明同様にセルごとに複数の比較手段を必要とするが、この回路構成の複雑化を回路の多重冗長化による動作信頼性の向上により補うため、特許文献１のものに対して実用性を向上することができる。

好適な態様では、前記判定回路を２つ有し、前記最終判定回路は、前記２つの判定回路の出力の論理信号にもとづいて前記最終的な判定を行う構成を採用している。これによりどちらかの判定回路が不調となったとしても、判定動作を継続することができる。

好適な態様では、前記最終判定回路は、前記３つの判定回路の出力の多数決論理信号に基づいて前記最終的な判定を行う構成を採用している。これにより、一つの判定回路が不調でも不調な判定回路の決定などの処理を経ること無しに判定を遂行することができる。

好適には、互いに直列接続されて組電池を構成する多数のセルの電圧を個別に前記セルの過充電判定しきい値及び過放電判定しきい値と比較して前記各セルの過充電判定及び過放電の判定をそれぞれ行う電池用過充電過放電検出回路において、互いに直列接続される第１、第２の抵抗素子を有して前記セルの電圧の分圧を出力する抵抗分圧回路と、前記抵抗分圧回路から入力される分圧と所定のしきい値電圧とを比較する比較回路と、互いに直列接続されるスイッチ及び抵抗素子とをそれぞれ有するとともに前記第１又は第２の抵抗素子と並列に接続される複数のしきい値変更回路とが用いられる。

このようにすれば、二つのスイッチと二つの抵抗素子の追加により、合計４つのしきい値を発生することができ、たとえば特許文献１に記載される過放電判定用しきい値、許容最低電圧値、許容最高電圧値及び過充電判定用しきい値を簡素な構成にて発生することができる。なお、入力電圧を分圧する抵抗分圧回路の分圧比の変更は、比較回路からみてしきい値電圧の変更に相当し、かつ、高価な基準電圧源の使用数を削減できるためしきい値変更回路としては実用性において特に優れている。

本発明の好適な態様を以下の実施例により具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を種々の公知技術やそれに相当する技術の組み合わせにより実施できることはもちろんである。

実施例１の電池用過充電過放電検出回路を図１を参照して説明する。図１において、１００は組電池であり、リチウム二次電池からなるセル１〜４を直列接続して構成されている。５〜７は判定回路であり、セル１〜４にたいして個別にセルの電圧を判定する合計４つのセル判定回路８を有している。各セル判定回路８は、抵抗分圧回路９とツェナダイオードＺｄとコンパレータ１０とバッファを兼ねるＮＯＴ回路１１とからなる。

抵抗分圧回路９は互いに直列接続された抵抗素子ｒ１、ｒ２と、互いに直列接続されたスイッチｓと抵抗素子ｒ３とかなり抵抗素子ｒ２と並列接続されるしきい値変更回路１２とからなる。抵抗分圧回路９は、入力されるセル電圧を分圧し、たとえばエミッタ接地のトランジスタからなるスイッチｓのオンにより抵抗分圧比を変更することにより等価的にしきい値を変更している。

抵抗分圧回路９が出力する分圧はコンパレータ１０の−入力端に入力され、コンパレータ１０の＋入力端はツェナダイオードＺｄを通じてセルの低電位端子（負極端子）に接続されている。コンパレータ１０の電源電圧はセル電圧を利用している。コンパレータ１０の出力はＮＯＴ回路１１で反転されてマルチ入力のＡＮＤゲート１３及びＯＲゲート１４に入力される。ＡＮＤゲート１３は各セル判定回路８の論理積信号を出力し、ＯＲゲート１４は各セル判定回路８の論理和信号を出力する。ＣＬはスイッチｓを開閉するしきい値変更信号である。したがって、判定回路５〜７はＡＮＤゲート１３から論理積信号を、ＯＲゲート１４から論理和信号をそれぞれ出力する。各判定回路５〜７から出力される各ＡＮＤゲート１３及びＯＲゲート１４は、６ビットの６ビット判定信号合成回路１５の各ビットに保持されてから最終判定回路としてのマイコン１６に出力される。

次に、セル判定回路８の動作を説明する。スイッチｓを開いた状態では分圧は高くなり、等価的にしきい値電圧は低くなり、コンパレータ１０は過放電判定用しきい値と入力分圧との比較結果を出力する。スイッチｓを閉じると分圧は低くなり、等価的にしきい値電圧は高くなり、コンパレータ１０は過充電判定用しきい値と入力分圧との比較結果を出力する。

したがって、スイッチｓを開きコンパレータ１０が過放電判定をおこなっている時のコンパレータ１０の出力がハイレベルであり、ＮＯＴ回路１１の出力がローレベルであるということは過放電と判定したことを意味する。同じく、スイッチｓを閉じコンパレータ１０が過充電判定をおこなっている時のコンパレータ１０の出力がローレベルであり、ＮＯＴ回路１１の出力がハイレベルであるということは過充電と判定したことを意味する。なお、ＮＯＴ回路１１を省略することは可能であり、たとえば分圧をコンパレータ１０の＋入力端に入力し、ツェナダイオードＺｄを−入力端に接続することにより同等の回路を構成することができる。その他、ＡＮＤゲート１３やＯＲゲート１４側にてＮＯＴ回路１１省略補償する論理回路処理を行ってもよい。

判定回路５〜７の動作を更に詳しく説明する。

最初のステージでなされるスイッチｓオフ時（過放電判定時）について説明する。どれか一つのＮＯＴ回路１１の出力がローレベルであるときそのセルが過放電であるので、スイッチｓオフ時にＡＮＤゲート１３がローレベルを出力するということは、判定回路５が、少なくとも一つのセルが過放電であると判定したことを意味する。この時、ＯＲゲート１４はすべてのセルが過放電とならない限り、ローレベルを出力せず、通常はハイレベルを出力する。

次のステージでなされるスイッチｓオン時（過充電判定時）について説明する。どれか一つのＮＯＴ回路１１の出力がハイレベルあるときそのセルが過充電であるので、スイッチｓオン時にＯＲゲート１４がハイレベルを出力するということは、判定回路５が、少なくとも一つのセルが過充電であると判定したことを意味する。この時、ＡＮＤゲート１３はすべてのセルが過充電とならない限り、ハイレベルを出力せず、通常はローレベルを出力する。

これらの出力は、６ビット判定信号合成回路１５に入力され、６ビット判定信号合成回路は、判定回路５〜７から過放電判定ステージにて入力される各ＡＮＤゲート１３の出力をラッチし、次の過充電判定ステージにて入力される各ＯＲゲート１４の出力をラッチし、それらを６ビットのパルス信号である６ビット判定信号としてマイコン１６に出力する。この実施例では、この６ビット判定信号の各ビットは各判定回路５〜７の過充電状態又は過放電状態を示すものとする。すなわち、６ビット判定信号の最上位ビットｂ５のレベル１は判定回路５の過放電状態を示し、次のビットｂ４のレベル１は判定回路５の過充電判定を示し、次のビットｂ３のレベル１は判定回路６の過放電判定を示し、次のビットｂ２のレベル１は判定回路６の過充電判定を示し、次のビットｂ１のレベル１は判定回路７の過放電判定を示し、最下位のビットｂ０のレベル１は判定回路７の過充電判定を示すものとする。

この実施例にて重要な点は、判定回路５〜７の過放電判定用しきい値及び過充電判定用しきい値がそれぞれ異なることである。すなわち、この実施例では、判定回路５の過放電判定用しきい値は２．５Ｖ、判定回路５の過充電判定用しきい値は４．２５Ｖに設定され、判定回路６の過放電判定用しきい値は２．７５Ｖ、判定回路６の過充電判定用しきい値は４．０Ｖに設定され、判定回路７の過放電判定用しきい値は３．０Ｖ、判定回路７の過充電判定用しきい値は３．７５Ｖに設定されている。

マイコン１６は定期的にこの６ビット判定信号を読み込み、組電池１００の最終判定ルーチンを行う。このマイコンの最終判定ルーチンを図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、６ビット判定信号を判定して異常（過充電又は過放電）の判定が生じているかどうかを調べ（Ｓ１００）、生じていれば、判定回路５が異常（過充電又は過放電）を出力しているかどうかを調べ（Ｓ１０２）、そうであればフラグＦ５を立てる（Ｓ１０４）。次に、判定回路６が異常（過充電又は過放電）を出力しているかどうかを調べ（Ｓ１０６）、そうであればフラグＦ６を立てる（Ｓ１０８）。次に判定回路７が異常（過充電又は過放電）を出力しているかどうかを調べ（Ｓ１１０）、そうであればフラグＦ７を立てる（Ｓ１１２）。

次に、判定回路５〜７の複数が異常を出力しているかどうかを調べ（Ｓ１１６）、複数出力であればシステム停止処理を行い（Ｓ１１８）、複数出力でなければ多数決のみで制御を行うモードへ移行する（Ｓ１２０）。

ステップＳ１００にて異常がなければ、ステップＳ１１６にて異常がなければ状態判定値Ａかどうかを調べ（Ｓ１２０）、そうであれば過放電に対する処理を行う（Ｓ１２２）。状態判定値ＡでなければステップＳ１２４に進んで状態判定値Ｂ又はＦかどうかを調べ（Ｓ１２４）、そうであれば劣化セルに対する所定の処理１を行う（Ｓ１２６）。状態判定値Ｂ又はＦでなければステップＳ１２８に進んで状態判定値Ｃ又はＥかどうかを調べ（Ｓ１３０）、そうであれば劣化セルに対する所定の処理２を行う（Ｓ１３２）。状態判定値Ｃ又はＥでなければステップＳ１３４に進んで状態判定値Ｇかどうかを調べ（Ｓ１３４）、そうであれば過充電に対する処理を行い（Ｓ１３６）、ステップＳ１００にリターンする。

なお、状態判定値Ａは、セル電圧が２．５Ｖ以下の場合であり、過放電セルが確実に存在する場合である。状態判定値Ｂは、セル電圧が２．５Ｖ超、２．７５Ｖ以下の場合であり、中度に過放電状態のセルが存在する場合である。状態判定値Ｃは、セル電圧が２．７５Ｖ超、３．０Ｖ以下の場合であり、少し過放電状態のセルが存在する場合である。状態判定値Ｄは、セル電圧が３．０Ｖ超、３．７５Ｖ以下の場合であり、すべてのセルが正常である場合である。状態判定値Ｅは、セル電圧が３．７５Ｖ超、４．０Ｖ以下の場合であり、少し過充電状態のセルが確実に存在する場合である。状態判定値Ｆは、セル電圧が４．０Ｖ超、４．２５Ｖ以下の場合であり、中度に過充電セルが確実に存在する場合である。状態判定値Ｇは、セル電圧が４．２５Ｖ超、５．０Ｖ以下の場合であり、過充電セルが確実に存在する場合である。

すなわち、この実施例では、回路全体として、判定回路を三重化するとともに、各判定回路が異なるしきい値をもつため、たとえ一つの判定回路が不良となっても多数決処理により問題なく過充電過放電判定を行うことができる。更に、過充電判定に対して３つの異なるしきい値を与え、過放電判定に対しても３つの異なるしきい値を与えることができるため、過充電や過放電それぞれに対してその程度までも判定して過充電や過放電のレベルに対してそれぞれ最適な処理を行うことができる。

更に、この実施例では、最も高い過充電しきい値をもつ判定回路５は最も低い過放電しきい値をもち、最も低い過充電しきい値をもつ判定回路７は最も高い過充電しきい値をもつ。このようにすれば、どれかの判定回路が故障した場合、許容電圧範囲が上方又は下方にシフトすることがないという効果を奏することができる。
（変形態様）
上記実施例では、三重化回路を説明したが、二重化回路としてもよい。ただし、二重化回路では、二つの判定回路のうちどちらが不良化を判定することが必要となる。しかし、判定回路の不良は、たとえばセル判定回路８が複数動作不良となるなどの状態判定により判別が不可能ではないため、これを利用して不良となった判定回路の動作をオフするなどの処理を行うことができる。

複数の判定しきい値を利用する他の実施例を図３を用いて以下に説明する。図３は実施例１における一つのセル判定回路８に相当するセル判定回路を示す。

この実施例では、抵抗分圧回路９０が、抵抗素子ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４とスイッチＳ１、Ｓ２からなる。抵抗素子ｒ１、ｒ２は直列接続されて接続点がコンパレータ１０の−入力端に接続されている。抵抗素子ｒ３とスイッチＳ１とは直列接続されて抵抗素子ｒ２と並列に接続されている。抵抗素子ｒ４とスイッチＳ２とは直列接続されて抵抗素子ｒ１と並列に接続されている。

このようにすれば、スイッチＳ１、Ｓ２をオフすることによるしきい値、スイッチＳ１、Ｓ２をオンすることによるしきい値、スイッチＳ１がオン、スイッチＳ２がオフすることによるしきい値、スイッチＳ１がオフ、スイッチＳ２がオンすることによるしきい値という４つのしきい値を設定することができる。

すなわち、簡単な回路により、二種類の過充電判定用のしきい値と、二種類の過放電判定用のしきい値を実現することができる。もちろん、この場合、これら二つのスイッチＳ１、Ｓ２の４つの状態組み合わせを示す４つのステージを時間順次に実施して、各しきい値に対する判定を行う必要がある。このようにすれば、簡素な回路で特許文献１で示される４しきい値判定を実現することができる。したがって、この実施例によれば、多重化を行わなくても多数のしきい値を用いた判定を行うことができる。

（変形態様）
変形態様を図４に示す。この変形態様は、図３の抵抗素子ｒ４とスイッチＳ２との直列回路を抵抗素子ｒ２と並列接続したものであり、同様の効果を奏することができる。

実施例１の過充電過放電検出回路を示す回路図である。 実施例１における過充電過放電判定処理を示すフローチャートである。 実施例２の過充電過放電検出回路のセル判定回路を示す回路図である。 実施例２の変形態様を示すセル判定回路の回路図である。

符号の説明

Ｓ１ スイッチ
Ｓ２ スイッチ
Ｚｄ ツェナダイオード
ｒ１ 抵抗素子
ｒ２ 抵抗素子
ｒ３ 抵抗素子
ｒ４ 抵抗素子
１〜４ セル
５〜７ 判定回路
８ セル判定回路
９ 抵抗分圧回路
１０ コンパレータ
１１ ＮＯＴ回路
１２ しきい値変更回路
１３ ＡＮＤゲート
１４ ＯＲゲート
１６ マイコン
９０ 抵抗分圧回路
１００ 組電池

Claims (3)

1. 互いに直列接続されて組電池を構成する多数のセルの電圧を個別に前記セルの過充電判定しきい値及び過放電判定しきい値と比較して前記各セルの過充電判定及び過放電の判定をそれぞれ行う電池用過充電過放電検出回路において、
   前記各セルの過充電及び過放電の判定をセルごとに個別に行う複数の判定回路と、
   前記各判定回路の出力の組み合わせに基づいて組電池の最終的な過充電及び過放電の最終的な判定を行う最終判定回路と、
   を備え、
   一つのセルの判定を行う前記判定回路は、互いに異なる過充電判定用しきい値を有して同じ前記セルの過充電の判定を並行して行う複数のセル判定回路、又は、互いに異なる過放電判定用しきい値を有して同じ前記セルの過放電の判定を並行して行う複数のセル判定回路を含むことを特徴とする電池用過充電過放電検出回路。
2. 請求項１記載の電池用過充電過放電検出回路において、
   前記判定回路を２つ有し、
   前記最終判定回路は、前記２つの判定回路の出力の論理信号にもとづいて前記最終的な判定を行うことを特徴とする電池用過充電過放電検出回路。
3. 請求項１記載の電池用過充電過放電検出回路において、
   前記最終判定回路は、前記３つの判定回路の出力の多数決論理信号に基づいて前記最終的な判定を行うことを特徴とする電池用過充電過放電検出回路。

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