JP4297098B2 - 定電流回路 - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成される組電池について各セルごとに設けられた回路に対し定電流を供給する定電流回路に関する。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＶ）のバッテリとして用いられる組電池は、１００Ｖ〜４００Ｖ程度の高い電圧が必要となるため、多数の二次電池（セル）が直列接続された構成を備えている。例えば３００Ｖの組電池の場合、鉛電池（約２Ｖ／セル）では１５０セル、ニッケル水素電池（１．２Ｖ／セル）では２５０セル、リチウムイオン電池（３．６Ｖ／セル）では８０セルが直列接続されている。

二次電池特にリチウムイオン電池は過充電や過放電に弱いので、定められた制限電圧範囲内で使用しないと著しく容量が減少したり発熱する虞がある。そのため、組電池を使用する際には、組電池の電圧が所定の上限電圧と下限電圧とで定まる電圧範囲内となるように定電圧充電制御を行っている。また、組電池では、セルごとの容量の個体差や自己放電特性の差等によって各セルの充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）ひいては各セルの電圧がばらつくので、端子間電圧の均等化制御も行っている（特許文献１、２参照）。
特開２００４−０８０９０９号公報（図２） 特開２００４−２４８３４８号公報

図２は、組電池の過充電検出回路の概略的な構成を示している。組電池１には、セルＢＣ１のプラス側端子Ｔ１、セルＢＣ２のプラス側端子（セルＢＣ１のマイナス側端子）Ｔ２、…、セルＢＣ８のプラス側端子（セルＢＣ７のマイナス側端子）Ｔ８およびセルＢＣ８のマイナス側端子ＴＧが設けられている。セルＢＣ１の過充電検出回路２は、端子Ｔ１に繋がる電圧ラインＬＮ１と端子Ｔ２に繋がる電圧ラインＬＮ２との間に形成されており、抵抗Ｒ１とＲ２との直列回路からなる電圧検出回路３、定電流回路４とトリミング抵抗Ｒ３とからなる基準電圧生成回路５、および検出したセル電圧と基準電圧とを比較するコンパレータ６から構成されている。他のセルＢＣ２〜ＢＣ８の過充電検出回路２も同様に構成されている。

しかし、このような構成では、セルＢＣ１〜ＢＣ８ごとに定電流回路４が必要となる。高精度の定電流回路４は、バンドギャップリファレンスで生成される基準電圧を利用して定電流を作る場合が多い。その結果、各セルＢＣ１〜ＢＣ８の過充電検出回路２ごとにバンドギャップリファレンスが必要となり、ＩＣとして構成する場合のチップ面積が増大してコスト高を招く。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、組電池の各セルごとに設けられた回路に対して、従来よりも小さい回路規模で定電流を供給することができる定電流回路を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、組電池を構成する各セルごとに設けられた回路に対し定電流が供給される。すなわち、基準となる定電流を出力する基準電流出力回路が複数のセルについて共通に設けられており、その基準電流出力回路の出力電流がカレントミラー回路を介して上記各回路に対し出力される。このカレントミラー回路では、基準電流出力回路の出力電流が流れ込む電流入力トランジスタのエミッタと上記各回路に対応してそれぞれ設けられた電流出力トランジスタのエミッタとが、何れかのセルの一端子に繋がる電圧ラインに共通に接続されている。

このようにカレントミラー回路を形成し、共通に設けた基準電流出力回路の出力電流を折り返して上記各回路に出力する構成により、各回路ごと（各セルごと）に基準電流出力回路を設ける必要がなくなり、従来よりも格段に小さい回路規模で各回路に定電流を供給することができる。また、ＩＣとして構成する場合には、定電流回路が形成されるチップ面積を小さくできるので、コストを大幅に低減することができる。

さらに、セルおよびそのセルごとに設けられた回路をｎグループ（ｎ≧２）に分け、その各グループごとに上記カレントミラー回路が設けられている。そして、電流伝達回路は、基準電流出力回路の出力電流を各グループに設けたカレントミラー回路の電流入力トランジスタに流すので、グループごとに基準電流出力回路を設ける必要がなく、従来構成に比べ回路規模をより一層小さくすることができる。

請求項２に記載した手段によれば、組電池を構成するセルおよびそのセルごとに設けられた回路を二次電池の低電位側から順にｎグループに分け、その各グループごとに、当該グループにおいて最も低電位側に位置するセルの低電位側端子を上記共通の電圧ラインとしてカレントミラー回路を設けたので、電流出力トランジスタに印加される電圧の最大値を、各グループを構成するセルの全加算電圧以下に抑えることができる。

請求項３に記載した手段によれば、各グループに属するセルの数は相等しいので、組電池を構成するセルが均等にグループ化され、電流出力トランジスタの耐圧を下げることができる。

請求項４に記載した手段によれば、基準電流出力回路は、バンドギャップリファレンスで生成される高精度の基準電圧を電圧−電流変換回路により電流に変換するので、高精度の電流を出力できる。そして、その電流をカレントミラー回路で折り返すので、セルごとに設けられた各回路にも高精度の電流を供給することができる。

請求項５に記載した手段によれば、セルごとに設けられた回路は、上記カレントミラー回路から出力される定電流により生成された基準電圧を用いてセルの過充電あるいは過放電を検出するので、従来よりも小規模の回路構成でありながら高精度の充放電監視を行うことができる。

以下、本発明の一実施形態について図１を参照しながら説明する。なお、図１において、従来技術を示す図２と同一構成部分には同一符号を付して示す。
図１は、組電池の過充電検出回路および定電流回路の構成を示している。組電池１は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＶ）のバッテリとして用いられるもので、例えばリチウムイオン電池から構成されている。この組電池１は、直列接続された複数のセルグループから構成されており、各セルグループは直列接続された８個のセルＢＣ１〜ＢＣ８から構成されている。

組電池１の充電状態（ＳＯＣ）を監視し制御するＩＣ１１は、上記セルグループごとに１つずつ用いられており、セル電圧を検出して各セルの充電状態を適正状態に保つ充放電制御を実行するようになっている。このため、ＩＣ１１には、セルＢＣ１〜ＢＣ８ごとに過充電検出回路１２と過放電検出回路が設けられている。過放電検出回路については図示しないが、過充電検出回路１２と同様の構成となっている。

過充電検出回路１２は、基準電圧生成回路１３、電圧検出回路３およびコンパレータ６から構成されている。例えばセルＢＣ１の過充電検出回路１２では、基準電圧生成回路１３は、電圧ラインＬＮ１にエミッタが接続されたＰＮＰ形トランジスタＱ１、Ｑ２からなるカレントミラー回路１４と、トランジスタＱ２のコレクタと電圧ラインＬＮ２との間に接続されたトリミング抵抗Ｒ３とから構成されている。電圧検出回路３は、セルＢＣ１の高電位側端子に繋がる電圧ラインＬＮ１とセルＢＣ１の低電位側端子に繋がる電圧ラインＬＮ２との間に直列接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２から構成されている。

コンパレータ６（比較回路に相当）は、電圧ラインＬＮ１、ＬＮ２間のセルＢＣ１の電圧により動作するようになっており、基準電圧生成回路１３から出力される基準電圧と電圧検出回路３から出力される検出電圧（セル電圧）とを比較して過充電検出信号ＯＣ１を出力するようになっている。他のセルＢＣ２〜ＢＣ８の過充電検出回路１２についても同様に構成されており、それぞれ過充電検出信号ＯＣ２〜ＯＣ８を出力するようになっている。

基準電圧生成回路１３が温度変動と電圧ばらつきの小さい高精度の基準電圧を生成するためには、カレントミラー回路１４を介してトリミング抵抗Ｒ３に高精度の電流を流す必要がある。そこで、ＩＣ１１は、セルＢＣ１〜ＢＣ８の各過充電検出回路１２に対し高精度の電流を供給する定電流回路１５を備えている。

この定電流回路１５は、セルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電検出回路１２を１つのグループとし、セルＢＣ５〜ＢＣ８の過充電検出回路１２をもう１つのグループとし、これら各グループについてそれぞれカレントミラー回路１６、１７を備えている。さらに、基準電圧ＶBGを出力する１つのバンドギャップリファレンス１８、基準電圧ＶBGに応じた基準電流を出力する電圧−電流変換回路１９、この基準電流をカレントミラー回路１７に流すためのカレントミラー回路２０、カレントミラー回路１７に流れる電流をカレントミラー回路１８に流すためのカレントミラー回路２１、および電源回路２２、２３を備えている。ここで、バンドギャップリファレンス１８と電圧−電流変換回路１９により基準電流出力回路２６が構成されている。

カレントミラー回路１６は、エミッタが電圧ラインＬＮ５に接続され、ベース同士が接続されたトランジスタＱ１１〜Ｑ１５から構成されている。このエミッタが接続される電圧ラインＬＮ５は、１つのグループを構成するセルＢＣ１〜ＢＣ４のうち最も低電位側に位置するセルＢＣ４の低電位側端子に繋がっている。トランジスタＱ１２〜Ｑ１５の各コレクタは、それぞれセルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電検出回路１２のトランジスタＱ１のコレクタに接続されている。

同様に、カレントミラー回路１７は、エミッタが電圧ラインＧＮＤに接続され、ベース同士が接続されたトランジスタＱ１６〜Ｑ２１から構成されている。トランジスタＱ１７〜Ｑ２０の各コレクタは、それぞれセルＢＣ５〜ＢＣ８の過充電検出回路１２のトランジスタＱ１のコレクタに接続されている。ここで、トランジスタＱ１１、Ｑ１６が本発明でいう電流入力トランジスタに相当し、トランジスタＱ１２〜Ｑ１５、Ｑ１７〜Ｑ２０が本発明でいう電流出力トランジスタに相当する。

電源回路２２は、１つのグループを構成するセルＢＣ１〜ＢＣ４の加算電圧すなわち電圧ラインＬＮ１とＬＮ５との間の電圧を入力し、定電圧たとえば５Ｖを出力するようになっている。カレントミラー回路２１を構成するトランジスタＱ２２、Ｑ２３は、それぞれ電源回路２２の出力電源ライン２４と上記トランジスタＱ２１、Ｑ１１の各コレクタとの間に接続されている。なお、カレントミラー回路２１とトランジスタＱ２１は、本発明でいう電流伝達回路に相当する。

バンドギャップリファレンス１８は、１つのグループを構成するセルＢＣ５〜ＢＣ８の加算電圧すなわち電圧ラインＬＮ５とＧＮＤとの間の電圧を入力し、基準電圧ＶBGを出力するようになっている。また、電源回路２３も、電圧ラインＬＮ５とＧＮＤとの間の電圧を入力し、電源ライン２５と電圧ラインＧＮＤとの間に定電圧たとえば５Ｖを出力するようになっている。

電圧−電流変換回路１９は、電圧ラインＧＮＤに対しコレクタが接地されたトランジスタＱ２４、このトランジスタＱ２４のエミッタにベースが接続されたトランジスタＱ２５、このトランジスタＱ２５のエミッタと電圧ラインＧＮＤとの間に接続された抵抗Ｒ１１、トランジスタＱ２４のエミッタに接続された電流供給回路（図示せず）などにより構成されている。カレントミラー回路２０を構成するトランジスタＱ２６、Ｑ２７は、それぞれ上記電源ライン２５とトランジスタＱ２５、Ｑ１６の各コレクタとの間に接続されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
組電池１に用いたリチウムイオン電池は、体積エネルギー密度および質量エネルギー密度が大きく、サイクル寿命も長いという優れた特徴がある。その一方で、過充電や過放電に弱いので、過充放電を防止するための高精度の制御が必要になる。そこで、各セルＢＣ１〜ＢＣ８に対して設けられた過充電検出回路１２および図示しない過放電検出回路は、各セルが過充電状態あるいは過放電状態となったことを高精度に検出する必要がある。

各セルＢＣ１〜ＢＣ８の過充電検出回路１２における基準電圧生成回路１３は、カレントミラー回路１４を介してトリミング抵抗Ｒ３に定電流を流すことにより基準電圧を生成する。バンドギャップリファレンス１８で生成された高精度の基準電圧ＶBGは、電圧−電流変換回路１９において基準電圧ＶBGに応じた定電流に変換される。この定電流は、カレントミラー回路２０で折り返されてカレントミラー回路１７に流れ、そのカレントミラー回路１７のトランジスタＱ１７〜Ｑ２０を介してセルＢＣ５〜ＢＣ８の過充電検出回路１２内の基準電圧生成回路１３に出力される。

また、カレントミラー回路１７のトランジスタＱ２１から出力された定電流は、カレントミラー回路２１で折り返されてカレントミラー回路１６に流れ、そのカレントミラー回路１６のトランジスタＱ１２〜Ｑ１５を介してセルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電検出回路１２内の基準電圧生成回路１３に出力される。この場合、基準電圧ＶBGと基準電圧生成回路１３のトリミング抵抗Ｒ３に流れる電流との関係は、電圧−電流変換回路１９の抵抗Ｒ１１の抵抗値およびカレントミラー回路１４、１６、１７、２０、２１のミラー比によって定まる。なお、抵抗値やミラー比のばらつきに起因する電流のずれ、すなわち基準電圧生成回路１３から出力される基準電圧のずれは、トリミング抵抗Ｒ３に対するレーザトリミングにより低減できる。

本実施形態によれば、各セルＢＣ１〜ＢＣ８の過充電検出回路１２ごとにバンドギャップリファレンス１８を設ける必要がないので、各セルＢＣ１〜ＢＣ８ごとにバンドギャップリファレンスを設けた従来構成（図２参照）に比べ、高い電流精度を保ちつつＩＣ１１の回路規模すなわちチップ面積を小さくでき、ＩＣ１１の製造コストを大幅に低減することができる。また、カレントミラー回路１７に流れる電流をカレントミラー回路２１を介してカレントミラー回路１６に流す構成としたので、８個のセルを制御するＩＣ１１において１つのバンドギャップリファレンス１８を備えればよく、チップ面積の低減効果、コストの低減効果がより大きくなる。

１つのセルグループは直列接続された８個のセルＢＣ１〜ＢＣ８から構成されているが、本実施形態ではこれらのセルを高電位側から（別の見方をすれば低電位側から）ＢＣ１〜ＢＣ４、ＢＣ５〜ＢＣ８の２グループに分けている（ｎ＝２）。そして、各グループについて、それぞれ最も低電位側に位置するセルＢＣ４、ＢＣ８の低電位側端子Ｔ５、ＴＧに繋がる電圧ラインＬＮ５、ＧＮＤを共通の電圧ラインとしてカレントミラー回路１６、１７を設けている。

これにより、例えばカレントミラー回路１６を構成するトランジスタＱ１２〜Ｑ１５のうち最も印加電圧の高いトランジスタＱ１２のコレクタ・エミッタ間電圧ＶCE(Q12)が（ＶBC1＋ＶBC2＋ＶBC3＋ＶBC4）≒４・ＶBC以下に抑えられる。同様に、トランジスタＱ１３、Ｑ１４、Ｑ１５の各コレクタ・エミッタ間電圧ＶCE(Q13)、ＶCE(Q14)、ＶCE(Q15)も、それぞれ３・ＶBC、２・ＶBC、ＶBC以下に抑えられる。

因みに、電圧ラインＧＮＤを共通の電圧ラインとして全てのセルＢＣ１〜ＢＣ８について１つのカレントミラー回路を設ける構成とした場合、そのカレントミラー回路においてセルＢＣ１〜ＢＣ４に対応したトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧ＶCEはそれぞれ８・ＶBC〜５・ＶBCとなる。つまり、１つのセルグループを構成する８個のセルＢＣ１〜ＢＣ８を、セル数が等しくなるように均等に２グループに分けることにより、カレントミラー回路１６を構成するトランジスタＱ１２〜Ｑ１５の耐圧を１／２以下に下げることができる。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
上記実施形態では、１つのセルグループに属する８個のセルＢＣ１〜ＢＣ８を２グループ（ｎ＝２）に分け、この各グループごとにカレントミラー回路１６、１７を設けたが、３以上のグループ（ｎ≧３）に分けて各グループごとにカレントミラー回路を設けてもよい。この場合、各グループに属するセルの数を相等しくすることが好ましい。

上記実施形態では、セルＢＣ５〜ＢＣ８からなるグループ側にバンドギャップリファレンス１８と電圧−電流変換回路１９を設け、カレントミラー回路１７に流れる電流をカレントミラー回路２１を介してカレントミラー回路１６に供給する構成としたが、これに替えて、セルＢＣ１〜ＢＣ４からなるグループ側にバンドギャップリファレンス１８と電圧−電流変換回路１９を設け、カレントミラー回路１６に流れる電流をカレントミラー回路を介してカレントミラー回路１７に供給する構成としてもよい。また、回路規模はやや大きくなるが、各グループごとに基準電流出力回路２６（バンドギャップリファレンス１８と電圧−電流変換回路１９）を設ける構成としてもよい。

基準電流出力回路２６をバンドギャップリファレンス１８と電圧−電流変換回路１９から構成したが、例えばトランジスタの順方向電圧ＶＦと抵抗値とから定まる電流を出力する定電流回路、ウィルソン定電流回路、自己バイアス方式の定電流回路、ツェナーダイオードと電圧−電流変換回路からなる定電流回路などを用いてもよい。

バイポーラトランジスタのみならずＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子を用いてもよい。また、ＮＰＮ形（ＰＮＰ形）トランジスタによるカレントミラー回路に替えて、ＰＮＰ形（ＮＰＮ形）トランジスタによるカレントミラー回路を用いてもよい。
組電池１は、リチウムイオン電池に限らず、鉛電池、ニッケル水素電池などの二次電池であってもよい。

本発明の一実施形態を示す組電池の過充電検出回路および定電流回路の構成図 従来構成を示す組電池の過充電検出回路の構成図

符号の説明

１は組電池、６はコンパレータ（比較回路）、１２は過充電検出回路、１３は基準電圧生成回路、１５は定電流回路、１６、１７はカレントミラー回路、１８はバンドギャップリファレンス、１９は電圧−電流変換回路、２１はカレントミラー回路（電流伝達回路）、２６は基準電流出力回路、ＢＣ１〜ＢＣ８はセル、Ｑ１１、Ｑ１６はトランジスタ（電流入力トランジスタ）、Ｑ１２〜Ｑ１５、Ｑ１７〜Ｑ２０はトランジスタ（電流出力トランジスタ）、ＬＮ１〜ＬＮ８、ＧＮＤは電圧ラインである。

Claims (5)

1. 複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成される組電池の各セルごとに設けられた回路に対し定電流を供給する定電流回路であって、
   前記複数のセルについて共通に設けられ、基準となる定電流を出力する基準電流出力回路と、
   前記組電池を構成するセルおよびそのセルごとに設けられた回路をｎグループ（ｎ≧２）に分け、当該各グループごとに、前記各セルごとの回路に対応してそれぞれ設けられた電流出力トランジスタおよび前記基準電流出力回路の出力電流が流れるように共通に設けられた電流入力トランジスタを備え、当該グループに属する何れかのセルの一端子を共通の電圧ラインとして、前記電流出力トランジスタおよび電流入力トランジスタの各エミッタが前記共通の電圧ラインに接続され且つこれらトランジスタのベース同士が共通に接続されたカレントミラー回路と、
   前記基準電流出力回路の出力電流を前記各グループごとに設けた前記カレントミラー回路の電流入力トランジスタに流すための電流伝達回路とを備えていることを特徴とする定電流回路。
2. 前記組電池を構成するセルおよびそのセルごとに設けられた回路を前記二次電池の低電位側から順にｎグループに分け、その各グループごとに、当該グループにおいて最も低電位側に位置するセルの低電位側端子を前記共通の電圧ラインとして前記カレントミラー回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の定電流回路。
3. 前記各グループに属するセルの数は相等しいことを特徴とする請求項１または２記載の定電流回路。
4. 前記基準電流出力回路は、バンドギャップリファレンスと電圧−電流変換回路とから構成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の定電流回路。
5. 前記セルごとに設けられた回路は、前記カレントミラー回路から与えられる定電流に応じた基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、この基準電圧と当該セルの電圧とを比較する比較回路とからなる過充放電検出回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の定電流回路。

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