JP4207408B2

JP4207408B2 - 充電状態調整装置及び充電状態検出装置

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Publication number: JP4207408B2
Application number: JP2001256349A
Authority: JP
Inventors: 敦志今井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP2003070178A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、組セルを構成するため直列接続された多数の単位セルの充電状態を調整或いは検出する充電状態調整装置及び充電状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のモータを駆動する電源として、二次電池や電気二重層コンデンサからなる単位セルを複数個直列に接続した組セルが知られている。
【０００３】
このような組セルを構成する単位セルは、容量，内部抵抗，自己放電等にばらつきがあるため、組セルの充放電を繰り返すと、各単位セル間で両端電圧（以下「セル電圧」という）にばらつきが生じる。
そして、このようなセル電圧のばらつきがある場合、個々の単位セルが予め設定された許容電圧範囲を超えて過充電や過放電の状態となることのないように、組セルの全体の充放電を制御する必要がある。しかし、この場合、各単位セル間のセル電圧のばらつきが大きくなるほど、組セル全体としての使用電圧範囲が狭くなってしまい、組セルの性能を充分に引き出すことができないという問題があった。
【０００４】
これに対して、組セルを構成する単位セル間のセル電圧を均等化する技術が知られている。その一例として、例えば特開平６−２５３４６３号公報には、各単位セルに抵抗及びスイッチからなるバイパス回路（放電回路）を並列接続すると共に、各単位セルのセル電圧を検出し、その検出結果に基づいてバイパス回路のスイッチを制御するマイクロコンピュータ（以下「マイコン」という）等からなる制御部を設け、組セルを構成する単位セル間にセル電圧にばらつきが生じると、電圧が高くなっている単位セルに対応するバイパス回路を作動させて単位セルの放電や充電電流の分流を行うことにより、単位セル間の電圧差を縮小する技術が開示されている。
【０００５】
また、特開平１１−３３２１１５号公報には、ツェナーダイオードと抵抗器とを直列接続してなるバイパス回路を、各単位セルに並列接続し、単位セルのセル電圧がツェナー電圧を上回った場合に、バイパス回路を介して単位セルを放電することにより、単位セルの充電状態を調整する技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の場合、組セルを構成する全ての単位セルのセル電圧を検出しなければならないため、制御部には、単位セルと同数の電圧検出回路を設ける必要がある。また、マイコンを構成する一つのＣＰＵが受け持つことのできるセル数は、耐電圧や絶縁性，制御性を考慮すると、１０〜２０セル程度が限度である。このため、ＥＶやＨＥＶの動力源として使用する場合等、数十〜数百もの単位セルを直列接続する組セルに適用するには、組セル全体を複数セルグループに分割して、各セルグループ毎にＣＰＵを設けると共に、これらＣＰＵを統括する上位のＣＰＵを設けて組セル全体を調整するという構成にしなければならない。このように、電圧検出回路が多数必要となるだけでなく、電圧検出回路での検出結果を処理するためのＣＰＵや、検出結果をＣＰＵに取り込むためのマルチプレクサ，ＡＤ変換器など、高価な部品が多数必要となり、装置が大型化し且つ高価なものとなってしまうという問題があった。
【０００７】
一方、後者の場合、単位セルの電圧が、ツェナー電圧を超えた短時間のうちに、必要な放電を完了させなければならないため、充分な電圧調整能力を得るためには、電流容量の大きな部品を用いてバイパス回路を構成しなければならず、装置が高価なものとなってしまうという問題があった。また、充電状態を調整するには、各単位セルのセル電圧がツェナー電圧を超えるように組セルに対する充電量を大目にする必要があり、その結果、バイパス回路を流れて無駄に消費される電流が増大するという問題や、電池の性能を充分に引き出すためにツェナー電圧を高めに設定すると、セル電圧が大きい側にばらつく単位セルは、常にツェナー電圧に付近のセル電圧を有することになるためセルの劣化が進みやすいという問題もあった。
【０００８】
更に、この装置では、過充電或いは過放電状態にある単位セルの検出を行う必要がある場合には、別途専用の検出回路を設けなければならないという問題もあった。
本発明は、上記問題点を解決するために、簡易な構成で無駄に消費される電流を最小限に抑えることができる充電状態調整装置、及び簡易な構成で組セルを構成する各単位セルの充電状態の検出を精度良く行うことができる充電状態検出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】
上記目的を達成するための発明である請求項１記載の充電状態調整装置は、組セルを構成する単位セル毎に設けられるものであり、分圧信号生成手段が、制御対象となる対象単位セルの両端電圧を分圧し、その分圧電圧分だけ対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる分圧信号を生成する。
【００１０】
また、基準電流発生手段が、組セルの両端電圧に応じた基準電流を発生させ、その基準電流に基づき、基準信号生成手段が、組セルを構成する単位セルの平均電圧である平均セル電圧に比例した基準電圧分だけ対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる基準信号を生成する。
【００１１】
但し、基準信号生成手段では、平均セル電圧に対する基準電圧の比が分圧信号生成手段での分圧比と一致するように設定されている。つまり、平均セル電圧と対象単位セルの両端電圧との大小関係が、基準信号と分圧信号との大小関係に一致するようにされている。
【００１２】
そして、比較手段が、基準信号生成手段にて生成された基準信号と分圧信号生成手段にて生成された分圧信号とを大小比較し、その比較結果に従い、基準信号より分圧信号の方が高電位である場合、即ち、対象単位セルの両端電圧が平均セル電圧より大きい場合に、放電手段が、対象単位セルの両端間を導通させて対象単位セルの放電を行う。
【００１３】
このように、本発明の充電状態調整装置によれば、予め設定された電圧（例えば上限電圧）を超えた単位セルを放電するのではなく、平均セル電圧を超えた単位セルを放電しており、単位セル間のセル電圧が少しでもばらつくと、このばらつきを解消する均等化動作が直ちに行われることになるため、放電電流が小さくても充分な均等化能力を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の充電状態調整装置によれば、単位セルの両端電圧を検出するための電圧検出回路やマイクロプロセッサ，マルチプレクサ，ＡＤ変換器等の高価な部品を使用することなく構成され、しかも、放電手段を構成する電子部品として、電流容量の小さいものを用いることができるため、装置を小型且つ安価に構成できる。
【００１５】
更に、本発明の充電状態調整装置によれば、組セルに対して必要以上の充電を行わなくても、確実に充電状態の調整が行われるため、無駄に消費される電力を最小限に抑えることができる。
次に、請求項２記載の充電状態調整装置では、切替手段が、外部からの切替信号に従って、比較手段での比較結果の供給先を放電手段或いは外部への出力端子のいずれかに切り替える。
【００１６】
このように構成された本発明の充電状態調整装置によれば、切替信号を操作することにより、単位セルの均等化だけでなく、対象単位セルの充電状態（平均セル電圧を超えているか否か）を出力端子を介して検出することが可能となる。
そして更に、請求項３記載のように、単位セルの許容電圧範囲の上限電圧或いは下限電圧のいずれか一方を限界電圧とし、切替手段によって比較手段での比較結果の供給先が出力端子信号側に設定されている場合、基準電流発生手段は、組セルの両端電圧に応じた基準電流の代わりに、組セルを構成する全ての単位セルが限界電圧にあると想定した時に得られる組セルの両端電圧に応じた基準電流を発生させるようにしてもよい。
【００１７】
この場合、上限電圧を限界電圧として設定すれば、出力端子を介して、対象単位セルの両端電圧が上限電圧より大きな過充電状態にあるか否かを検出でき、一方、下限電圧を限界電圧として設定すれば、出力端子を介して、対象単位セルの両端電圧が下限電圧より小さな過放電状態にあるか否かを検出できる。つまり、本発明によれば、基準電流発生手段に僅かな改良を加えるだけで、対象単位セルの過充電状態或いは過放電状態の検出を可能とすることができる。
【００１８】
また更に、請求項４記載のように、基準電流発生手段は、外部からの選択信号に従って、限界電圧を単位セルの許容電圧範囲の上限電圧或いは下限電圧のいずれかに設定可能であるようにすれば、選択信号を操作することにより、対象単位セルの過充電状態及び過放電状態いずれの検出も可能となる。
【００１９】
ところで、電気自動車やハイブリッド電気自動車などでは、通常、組セルの両端電圧を検出する電圧検出手段を備えているため、このような場合には、請求項５記載のように、この電圧検出手段によって検出した組セルの両端電圧に基づいて、基準信号を生成するようにしてもよい。
【００２０】
また、装置構成を簡易なものとするため、請求項６記載のように、当該装置が調整の対象としている組セルから電源供給を受けるように構成することが望ましい。
更に、単位セルは、例えば請求項７記載のように電気二重層コンデンサを用いてもよいし、請求項８記載のようにリチウム電池を用いてもよい。当然、これら以外のコンデンサや二次電池を用いてもよい。
【００２１】
なお、電気二重層コンデンサは、もともと耐久性に優れているため、本発明の充電状態調整装置と組み合わせることにより、組セルの信頼性をより一層向上させることができると共に、組セルの性能を最大限に引き出すことができる。
一方、リチウム系二次電池は、エネルギー密度が高く、しかも出力電圧が高いため、同じ高電圧を得るにしても、少ないセル数で、容量の大きな組セルを構成できるため、組セル自体や当該充電状態調整装置を小型軽量化できる。
【００２２】
また、当該充電状態調整装置を、いかなる用途の組セルに適用してもよいが、例えば請求項９記載のように、電気自動車（ＥＶ）又はハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の駆動用又はエンジン始動用の電源として用いられる組セルに適用すれば、ＥＶやＨＥＶの信頼性，耐久性を向上させることができる。
【００２３】
次に請求項１０記載の充電状態検出装置は、組セルを構成する単位セル毎に設けられるものであり、分圧信号生成手段が、検出対象となる対象単位セルの両端電圧を分圧し、その分圧電圧分だけ対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる分圧信号を生成する。
【００２４】
また、基準電流発生手段が、組セルを構成する全ての単位セルが予め設定された限界電圧にあると想定した時に得られる組セルの両端電圧に応じた基準電流を発生させ、その基準電流に基づき、基準信号生成手段が、限界電圧に比例した基準電圧分だけ対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる基準信号を生成する。
【００２５】
但し、基準信号生成手段では、限界電圧に対する基準電圧の比が分圧信号生成手段での分圧比と一致するように設定されている。つまり、単位セルの限界電圧と対象単位セルの両端電圧との大小関係が、基準信号と分圧信号との大小関係と一致するようにされている。
【００２６】
そして、比較手段が、基準信号生成手段にて生成された基準信号と分圧信号生成手段にて生成された分圧信号とを大小比較し、その比較結果を検出信号として外部に出力する。
このように構成された本発明の充電状態検出装置では、上限電圧を限界電圧として設定した場合には、出力端子を介して、対象単位セルの両端電圧が上限電圧より大きな過充電状態にあるか否かを検出でき、一方、下限電圧を限界電圧として設定した場合には、出力端子を介して、対象単位セルの両端電圧が下限電圧より小さな過放電状態にあるか否かを検出できる。つまり、本発明によれば、ＣＰＵやＡＤ変換器等の高価な部品を用いることなく、単位セルの過充電或いは過放電を検出することができる。
【００２７】
また、請求項１１記載のように、基準電流発生手段は、外部からの選択信号に従って、限界電圧を単位セルの許容電圧範囲の上限電圧或いは下限電圧のいずれかに設定可能であるようにすれば、選択信号を操作することにより、対象単位セルの過充電及び過放電をいずれも検出できる。
【００２８】
なお、請求項６ないし請求項９に記載の構成を、請求項１０及び請求項１１記載の充電状態検出装置に適用してもよいことは言うまでもない。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の組セルシステムの全体構成を表すブロック図であり、ここでは、バイプリッド自動車（ＨＥＶ）の駆動用又はエンジン始動用モータの電源として用いられる。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態の組電池システムは、電気二重層コンデンサからなるｎ個の単位セルＣ１〜Ｃｎを直列接続してなる組セル１と、各単位セルＣ１〜Ｃｎにそれぞれ並列接続された放電手段としてのｎ個の放電回路Ｄ１〜Ｄｎからなる放電部３と、放電回路Ｄ１〜Ｄｎ毎に設けられ、それぞれが対応する放電回路Ｄ１〜Ｄｎの動作を制御するための制御信号Ｓ１〜Ｓｎを生成するｎ個の制御回路Ｊ１〜Ｊｎからなる制御部５と、各制御回路Ｊ１〜Ｊｎに対して、組セル１の両端電圧ＶＯ、ひいては組セル１を構成する単位セルＣ１〜Ｃｎの平均電圧である平均セル電圧Ｖave （＝ＶＯ／ｎ）に応じた大きさの基準電流Ｉ１〜Ｉｎを供給する基準電流発生手段としての基準電流生成部７とを備えている。
【００３１】
なお、組セル１は、主電源ラインＬに接続されたインバータを介してモータ及び発電機を兼ねる電動機に接続されており、図示しない制御装置が、車両の走行状態及び組セル１の両端電圧（充電量）に応じて、電動機の始動，停止や、インバータの動作方向を制御して、組セル１への充放電を行うようにされている。
【００３２】
具体的には、エンジンの運転効率のよい定速走行時等には、エンジンの駆動力を用いて走行する設定とし、この時、組セル１の充電量が不十分であれば、エンジンからの駆動力が電動機に伝達され、且つ電動機が発電機として動作し、電動機にて発電された電力がインバータを介して組セル１に供給されるように設定して、組セル１に充電を行わせる。
【００３３】
一方、エンジンの運転効率の悪い始動時やフル加速時等には、組セル１からの電力がインバータを介して電動機に供給され、電動機がこの組セル１からの供給電力によりモータとして動作するように設定し、電動機からの駆動力を利用して走行するようにされている。
【００３４】
次に、放電回路Ｄｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、いずれも同様の構成をしており、単位セルＣ１の両端を接続するバイパス経路を、制御回路Ｊｉからの制御信号Ｓｉに従ってオン，オフするトランジスタＴｄと、トランジスタＴｄのコレクタ，エミッタ間を流れる電流、即ちバイパス経路を流れる電流の大きさを制限する抵抗Ｒｄとからなる。
【００３５】
また、制御回路Ｊｉは、いずれも同様の構成をしており、単位セルＣｉの両端電圧を分圧する分圧信号生成手段としての抵抗Ｒａ，Ｒｂと、一端が単位セルＣｉの低電位側端に接続され、基準電流生成部７から供給される基準電流Ｉｉを電圧信号である基準信号に変換する基準信号発生手段としての抵抗Ｒｃと、非反転入力に抵抗Ｒａ，Ｒｂにて分圧された分圧信号が印加されると共に、反転入力に抵抗Ｒｃが生成する基準信号が印加され、出力が制御信号Ｓｉとして放電回路Ｄｉに供給される比較手段としてのコンパレータＣＭとからなる。
【００３６】
更に、基準電流生成部７は、多出力のカレントミラー回路からなり、トランジスタＴｘ及び抵抗Ｒｘ，Ｒｙを直列接続した電流経路に、組セル１の両端電圧に応じた電流が流れ、これと同じ大きさの基準電流Ｉｉが、抵抗Ｒｉ及びトランジスタＴｉを直列接続した電流経路に流れるように構成されている。
【００３７】
ここで、各制御回路Ｊｉを構成する抵抗Ｒａ〜Ｒｃ、及び基準電流生成部７を構成する抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｉの設定方法を説明する。なお、各抵抗の抵抗値は、抵抗を識別する符号と同じものを用いて表すものとする。
まず、トランジスタＴｘのコレクタ−エミッタ間電圧をＶceとすると、抵抗Ｒｘ，Ｒｙを流れる電流Ｉｘは、平均セル電圧Ｖave （＝ＶＯ／ｎ）を用いて（１）式にて表される。
【００３８】
Ｉｘ＝（ｎ・Ｖave −Ｖce）／（Ｒｘ＋Ｒｙ）（１）
また、トランジスタＴｘと共にカレントミラー回路を構成する各トランジスタＴｉのコレクタ電流（即ち基準電流）Ｉｉが電流Ｉｘに等しく、更に、ｎ×Ｖave がＶceより充分に大きければ、（１）式を近似的に（２）式にて表される。
【００３９】
Ｉｉ＝Ｉｘ≒ｎ・Ｖave ／（Ｒｘ＋Ｒｙ）（２）
つまり、抵抗Ｒｘ，Ｒｙを流れる電流Ｉｘ、ひいては基準電流Ｉｉは、組セル１の平均電圧Ｖave に、略比例した大きさを有すると見なすことができる。
一方、制御回路Ｊｉでは、単位セルＣｉの両端電圧（セル電圧）をＶＣｉとすると、コンパレータＣＭの非反転入力に印加される分圧信号の電位Ｖｐは、（３）式にて表される。
【００４０】
Ｖｐ＝ＶＣｉ・Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ）（３）
また、抵抗Ｒｃが基準電流Ｉｉに従って発生させる基準電圧、即ちコンパレータＣＭの反転入力に印加される基準信号の電位Ｖｍは、（４）式にて表される。

但し、Ｖｐ，Ｖｍは、いずれも単位セルＣｉの低電位側端の電位を基準にして示された電位である。
【００４１】
つまり、各抵抗Ｒａ〜Ｒｃ，Ｒｘ，Ｒｙを、（５）式の関係を満たすように設定すれば、Ｖｐ＞Ｖｍであることと、ＶＣｉ＞Ｖave であることとは同値となる。
Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ）＝ｎ・Ｒｃ／（Ｒｘ＋Ｒｙ）（５）
従って、コンパレータＣＭの出力である制御信号Ｓｉは、分圧信号の電位Ｖｐが基準信号の電位Ｖｍより大きい（Ｖｐ＞Ｖｍ）場合、即ちセル電圧ＶＣｉが平均セル電圧Ｖave より大きい（ＶＣｉ＞Ｖave ）場合にハイレベルとなる。
【００４２】
そして、この制御信号Ｓｉによって放電回路ＤｉのトランジスタＴｄがオンすることにより、単位セルＣｉの放電が行われる。このようにして、平均セル電圧Ｖave を超えている単位セルが順次放電されることにより、最終的には、すべての単位セルＣ１〜Ｃｎのセル電圧が、その中で最小のセル電圧と等しくなるまで調整動作が継続する。
【００４３】
なお、各抵抗値Ｒａ〜Ｒｃ，Ｒｘ，Ｒｙは、実際には（５）式の右辺が左辺よりも僅かに大きくなるように設定される。つまり、単位セルＣｉの放電は、セル電圧ＶＣｉが平均セル電圧Ｖave より（６）式で表されるΔＶだけ大きくならないと開始されないようにされている。
【００４４】
【数１】

【００４５】
これは、放電回路Ｄｉによる放電が行われている単位セルＣｉのセル電圧ＶＣｉは、単位セルＣｉの内部抵抗やワイヤーハーネスの抵抗等により降下してしまい、これに伴って、平均セル電圧Ｖave もＶave'に降下する。すると、本来の平均セル電圧Ｖave よりわずかに小さいセル電圧を有する単位セルは、放電に伴って降下した見かけ上の平均セル電圧Ｖave'より高くなってしまうことがあり、このような本来ならば放電の必要がない単位セルの放電が行われることにより、均等化動作が収束しなくなってしまうおそれがある。
【００４６】
このような事態を防止するために、いかなる場合でも、Ｖave −Ｖave'＜ΔＶとなるように抵抗値を設定することにより、Ｖave 〜Ｖave ＋ΔＶの範囲に不感帯を設けて、放電の必要がない単位セルが放電されることを確実に防止し、セル電圧の均等化動作が確実に収束するようにしているのである。
【００４７】
ここで、図２は、本実施形態の組セルシステムにおけるセル電圧の調整（均等化）動作により、各単位セルＣｉのセル電圧が変化する様子を、シミュレーションにより求めた結果を表すグラフである。但し、組セル１を構成する単位セル数ｎを１０とし、各単位セルＣｉの静電容量を１００［Ｆ］、定格電圧を２．０［Ｖ］、放電回路Ｄｉの抵抗Ｒｄを２００［Ω］とした。つまり、トランジスタＴｄがオンした時に、放電回路Ｄｉを流れる放電電流は１０［ｍＡ］程度となるように設定した。また、上述の（６）式にて求められるΔＶを２［ｍＶ］とした。
【００４８】
図２に示すように、単位セルＣ１〜Ｃ１０の各セル電圧ＶＣが２．０〜２．３［Ｖ］の範囲でばらついている状態（ｔ＝０［ｍｉｎ］）から、均等化を開始した。なお、セル電圧ＶＣは、単位セルＣ１が最も大きく、以下，Ｃ２，Ｃ３…の符号の順に小さくなり、単位セルＣ１０が最も小さくなるように設定した。
【００４９】
そして、均等化を開始すると、最初に平均セル電圧よりもセル電圧の高い単位セルＣ１〜Ｃ４の放電が行われ、その放電により平均セル電圧が低下するに従って、単位セルＣ５〜Ｃ９も順次放電され、最終的に、放電が行われた単位セルＣ１〜Ｃ９のセル電圧が、単位セルＣ１０のセル電圧に略等しくなった時点、即ちセル電圧ＶＣ１〜ＶＣ９が、セル電圧ＶＣ１０よりΔＶだけ大きな値にまで低下した時点（ｔ＝４７［ｍｉｎ］）で放電が終了し、以後、その状態が維持される。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の組セルシステムによれば、セル電圧ＶＣｉが平均セル電圧Ｖave を超えた単位セルＣｉを放電することにより、セル電圧ＶＣ１〜ＶＣｎの均等化を行っており、セル電圧が少しでもばらつくと、直ちに均等化動作が行われるため、放電電流が小さくても充分な均等化能力を得ることができ、また、調整のために無駄に消費される電力を最小限に抑えることができる。
【００５１】
また、本実施形態の組セルシステムによれば、セル電圧ＶＣ１〜ＶＣｎを検出するための電圧検出回路やマイクロプロセッサ，マルチプレクサ，ＡＤ変換器等の高価な部品を使用することなく構成されており、しかも、放電回路Ｄ１〜Ｄｎを構成する抵抗ＲｄやトランジスタＴｄとして、電流容量の小さいものを用いることができるため、装置を小型且つ安価に構成できる。
【００５２】
更に、本実施形態の組セルシステムでは、カレントミラー回路を用いて、組セル１の両端電圧ＶＯ（ひいては平均セル電圧Ｖave ）に応じた基準電流Ｉｉを生成し、これを抵抗Ｒｃを用いて基準信号に変換しているため、基準信号の信号レベルを変更する必要がある場合には、カレントミラー回路を構成する抵抗Ｒｘ，Ｒｙのみを変更するだけで簡単に対応することができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、カレントミラー回路を用いて基準電流を生成しているが、図３に示すように、組セル１の両端電圧ＶＯを検出する電圧検出手段としての組セル電圧検出回路１１を備えている場合には、その検出結果を利用して、定電流源などからなる電流制御回路１３を操作して、基準電流を得るように構成してもよい。
【００５４】
また、組セル電圧検出回路１１としては、組セルシステムに独自のものを用いるのではなく、組セル１への充放電を制御するために制御装置に設けられている電圧検出回路を利用してもよい。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。
【００５５】
本実施形態の組セルシステムは、第１実施形態のものとは一部構成が異なるだけであるため、同じ構成については同一符号を付して説明を省略し、構成の相異する部分を中心に説明する。
図４に示すように、本実施形態の組セルシステムは、切替信号Ｘを出力すると共に、後述するスイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷｎからの検出信号（制御信号）Ｓ１〜Ｓｎを監視するコントローラ１５と、制御回路Ｊｉからの制御信号Ｓｉの供給先を、コントローラ１５からの切替信号Ｘに従って、放電回路Ｄｉ或いはコントローラ１５のいずれかに切り替える切替手段としてのスイッチ回路ＳＷｉからなる信号切替部９とを備えている。但し、コントローラ１５は、組セル１の充放電を制御する制御装置を兼ねていててもよい。
【００５６】
また、基準電流生成部７ａは、第１実施形態の基準電流生成部７に、定電流源ＣＳと、切替信号Ｘに従って、抵抗Ｒｙ或いは定電流源ＣＳのいずれかを、トランジスタＴｘのコレクタに接続するスイッチ回路ＳＷｘとを追加した構成を有している。但し、切替信号Ｘに従って連動するスイッチ回路ＳＷｉ，ＳＷｘは、スイッチ回路ＳＷｉが放電回路Ｄｉ側を選択すれば、スイッチ回路ＳＷｘは抵抗Ｒｙ側を選択し、また、スイッチ回路ＳＷｉがコントローラ１５側を選択すれば、スイッチ回路ＳＷｘは定電流源ＣＳ側を選択するように動作する。
【００５７】
ここで、定電流源ＣＳは、スイッチ回路ＳＷｘが抵抗Ｒｙ側を選択していると仮定し、且つ組セル１の両端電圧ＶＯが、単位セルＣｉの許容電圧範囲の上限電圧ＶＵのｎ倍である場合、即ち全ての単位セルＣ１〜Ｃｎのセル電圧が上限電圧ＶＵにあると想定した場合に、トランジスタＴｘを流れる電流Ｉｘの大きさに等しい一定電流を流すように構成されている。
【００５８】
このように構成された本実施形態の組セルシステムにおいては、切替信号Ｘによりスイッチ回路ＳＷｉ，ＳＷｘがそれぞれ放電回路Ｄｉ側，抵抗Ｒｙ側を選択する設定にされている時には、第１実施形態の場合と全く同様に動作する。
一方、切替信号Ｘによりスイッチ回路ＳＷｉ，ＳＷｘがそれぞれコントローラ１５側，定電流源ＣＳ側を選択する設定にされている時には、単位セルＣｉの上限電圧ＶＵのｎ倍に応じた基準電流Ｉｉが各制御回路Ｊｉに供給される。
【００５９】
このため、コンパレータＣＭの反転入力に印加される基準信号の電位Ｖｍは、（４ａ）式にて表され、結局、平均セル電圧Ｖave の代わりに上限電圧ＶＵが代入されたものとなる。

つまり、Ｖｐ＞Ｖｍであることと、ＶＣｉ＞ＶＵであることとは同値となり、従って、コンパレータＣＭの出力である制御信号Ｓｉは、分圧信号の電位Ｖｐが基準信号の電位Ｖｍより大きい（Ｖｐ＞Ｖｍ）場合、即ちセル電圧ＶＣｉが上限電圧ＶＵより大きい（ＶＣｉ＞ＶＵ）場合にハイレベルとなる。そして、この制御信号Ｓｉがスイッチ回路ＳＷｉを介し、検出信号としてコントローラ１５に供給される。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の組セルシステムによれば、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷｎからの検出信号に基づいて、単位セルＣ１〜Ｃｎが過充電状態（ＶＣｉ＞ＶＵ）にあるか否かを検出することができる。しかも、このような過充電状態の検出のために、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷｎ，ＳＷｘ及び定電流源ＣＳといった僅かな構成の追加だけでよく、装置を大型化することなく高機能化を図ることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、定電流源ＣＳが、単位セルＣｉの許容電圧範囲の上限電圧ＶＵに応じた大きさの一定電流を流すように構成したが、代わりに単位セルＣｉの許容電圧範囲の下限電圧ＶＬに応じた大きさの一定電流を流すように構成してもよい。この場合、Ｖｐ＞Ｖｍであることと、ＶＣｉ＞ＶＬであることとは同値となり、従って、コンパレータＣＭの出力である制御信号Ｓｉは、分圧信号の電位Ｖｐが基準信号の電位Ｖｍより小さい（Ｖｐ＜Ｖｍ）場合、即ちセル電圧ＶＣｉが下限電圧ＶＬより大きい（ＶＣｉ＜ＶＬ）場合にロウレベルとなる。
【００６２】
つまり、スイッチ回路ＳＷ１〜ＳＷｎからの検出信号に基づいて、単位セルＣ１〜Ｃｎが過放電状態（ＶＣｉ＜ＶＬ）にあるか否かを検出することができる。
また、定電流源ＣＳは、コントローラ１５からの選択信号（図示せず）に従って、上限電圧ＶＵに応じた一定電流と下限電圧ＶＬに応じた一定電流とのいずれかを切り替えて流すことができるように構成してもよい。この場合、単位セルＣ１〜Ｃｎの過充電状態及び過放電状態をいずれも検出することが可能となる。
【００６３】
更に、本実施形態では、単位セルＣ１〜Ｃｎの均等化及び状態検出を切り替えて行うようにされているが、放電部３及び信号切替部９を省略し、制御部５の出力をそのままコントローラに出力するようにして、単位セルの状態のみを検出する状態検出装置として構成してもよい。
【００６４】
また、上記第１及び第２実施形態では、組セル１を構成する単位セルＣ１〜Ｃｎとして電気二重層コンデンサを用いているが、リチウムイオン電池等の二次電池を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の組セルシステムの全体構成図である。
【図２】均等化動作時における各単位セルのセル電圧の変化を、シミュレーションにより求めた結果を表すグラフである。
【図３】第１実施形態の変形例である組セルシステムの全体構成図である。
【図４】第２実施形態の組セルシステムの全体構成図である。
【符号の説明】
１…組セル、３…放電部、５…制御部、７，７ａ…基準電流生成部、９…信号切替部、１１…組セル電圧検出回路、１３…電流制御回路、１５…コントローラ、Ｃ１〜Ｃｎ…単位セル、ＣＭ…コンパレータ、ＣＳ…定電流源、Ｄ１〜Ｄｎ…放電回路、Ｊ１〜Ｊｎ…制御回路、Ｌ…主電源ライン、Ｒａ〜Ｒｄ，Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒ１〜Ｒｎ…抵抗、ＳＷ１〜ＳＷｎ，ＳＷｘ…スイッチ回路、Ｔｄ，Ｔｘ，Ｔ１〜Ｔｎ…トランジスタ

Claims

充放電可能な単位セルを複数個直列に接続してなる組セルの充電状態を調整するため、単位セル毎に設けられる充電状態調整装置であって、
制御対象となる対象単位セルの両端電圧を分圧した分圧電圧分だけ前記対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる分圧信号を生成する分圧信号生成手段と、
前記組セルの両端電圧に応じた基準電流を発生させる基準電流発生手段と、
該基準電流発生手段が発生させた基準電流に基づき、前記組セルを構成する単位セルの平均電圧である平均セル電圧に比例した基準電圧分だけ前記対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる基準信号を生成し、且つ前記平均セル電圧に対する前記基準電圧の比が前記分圧信号生成手段での分圧比と一致するように設定された基準信号生成手段と、
該基準信号生成手段にて生成された基準信号と前記分圧信号生成手段にて生成された分圧信号とを大小比較する比較手段と、
該比較手段での比較結果に従い、前記基準信号より前記分圧信号の方が高電位である場合に、前記対象単位セルの両端間を導通させて該対象単位セルを放電する放電手段と、
を備えることを特徴とする充電状態調整装置。
外部からの切替信号に従って、前記比較手段での比較結果の供給先を前記放電手段或いは外部への出力端子のいずれかに切り替える切替手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の充電状態調整装置。
前記単位セルの上限電圧或いは下限電圧のいずれか一方を限界電圧とし、
前記基準電流発生手段は、前記切替手段により前記比較手段での比較結果の供給先が前記出力端子信号側に設定されている場合、前記組セルを構成する全ての単位セルが予め設定された限界電圧にあると想定した時に得られる前記組セルの両端電圧に応じた基準電流を発生させることを特徴とする請求項２記載の充電状態調整装置。
前記基準電流発生手段は、外部からの選択信号に従って、前記限界電圧を前記単位セルの許容電圧範囲の上限電圧或いは下限電圧のいずれかに設定可能であることを特徴とする請求項３記載の充電状態調整装置。
前記基準電流発生手段は、前記組セルの両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、該電圧検出手段での検出結果に基づいて、前記基準信号を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか記載の充電状態調整装置。
当該装置が調整の対象としている組セルから電源供給を受けることを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか記載の充電状態調整装置。
前記単位セルは、電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか記載の充電状態調整装置。
前記単位セルは、リチウム電池であることを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか記載の充電状態調整装置。
前記組セルは、電気自動車又はハイブリッド電気自動車の駆動用又はエンジン始動用に設けられたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項８いずれか記載の充電状態調整装置。
充放電可能な単位セルを複数個直列に接続してなる組セルの充電状態を検出するため、前記単位セル毎に設けられる充電状態検出装置であって、
検出対象となる対象単位セルの両端電圧を分圧した分圧電圧分だけ前記対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる分圧信号を生成する分圧信号生成手段と、
前記組セルを構成する全ての単位セルが予め設定された限界電圧にあると想定した時に得られる前記組セルの両端電圧に応じた基準電流を発生させる基準電流発生手段と、
該基準電流発生手段が発生させた基準電流に基づき、前記限界電圧に比例した基準電圧分だけ前記対象単位セルの負極端子の電位より高電位となる基準信号を生成し、且つ前記限界電圧に対する前記基準電圧の比が前記分圧信号生成手段での分圧比と一致するように設定された基準信号生成手段と、
該基準信号生成手段にて生成された基準信号と前記分圧信号生成手段にて生成された分圧信号とを大小比較する比較手段と、
を備え、前記比較手段での比較結果を検出信号として外部に出力することを特徴とする充電状態検出装置。
前記基準電流発生手段は、外部からの選択信号に従って、前記限界電圧を前記単位セルの許容電圧範囲の上限電圧或いは下限電圧のいずれかに設定可能であることを特徴とする請求項１０記載の充電状態検出装置。