JP4680240B2 - 多段直列回路システム - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続される複数の直流電源と、これらの直流電源に対して夫々並列に接続される単位回路とを備えてなる多段直列回路システムに関する。

例えば、二次電池である１個のリチウム電池が発生する電圧は４Ｖ程度であり、その単位セルを複数個直列に接続することで所望の電源電圧を得るようになっている。そして、リチウム電池については、その充放電状態を監視して過充電や過放電となることを回避するように制御する必要があり、そのための制御回路が各単位セル毎に接続されている。また、上記制御回路に対しては、サージ電圧が印加された場合に保護を図るため、夫々個別に保護回路が接続されている。

図５は、上記のような多段直列回路システムの構成例を示すものである。直列に接続されているｎ個の直流電源１（１〜ｎ）に対して、制御回路２（１〜ｎ）と保護回路３（１〜ｎ）とが夫々並列に接続されている。ここで、保護回路３が、例えば、ツェナー電圧Ｖｚ＝４０Ｖのツェナーダイオードで構成されているとすると、正極性のサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶAは４０Ｖ，負極性のサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶBは０．７Ｖとなる。以上が多段直列回路システム５を構成している。

そして、図５に示す構成について直列段数ｎ＝８の場合を想定し、例えば、ケース（１）として、端子Ｖ８を基準として端子Ｖ２に正極性のサージ電圧が印加されると、端子Ｖ２のクランプ電圧Ｖ２Ｃ（＋）は、
Ｖ２Ｃ（＋）＝ＶA2＋ＶA3＋ＶA4＋ＶA5＋ＶA6＋ＶA7＝２４０Ｖ
となり、負極性のサージ電圧が印加されると、Ｖ２のクランプ電圧Ｖ２Ｃ（−）は、
Ｖ２Ｃ（−）＝−ＶB2−ＶB3−ＶB4−ＶB5−ＶB6−ＶB7＝−４．２Ｖ
となる。

また、ケース（２）として、端子Ｖ３を基準として端子Ｖ７に正極性のサージ電圧が印加されると、端子Ｖ７のクランプ電圧Ｖ７Ｃ（＋）は、
Ｖ７Ｃ（＋）＝ＶB3＋ＶB4＋ＶB5＋ＶB6＝２．８Ｖ
となり、負極性のサージ電圧が印加されると、Ｖ７のクランプ電圧Ｖ７Ｃ（−）は、
Ｖ７Ｃ（−）＝−ＶA3−ＶA4−ＶA5−ＶA6＝−１６０Ｖ
となってしまう。
即ち、各制御回路２（１〜ｎ）に対する保護としては問題ないが、ケース（１）では端子Ｖ２，Ｖ８間が２４０Ｖの電位差となり、ケース（２）では、端子Ｖ７，Ｖ３間が−１６０Ｖの電位差となる。そのため、例えば配線層間に配置されている絶縁膜の耐圧を超えて絶縁膜が破壊されたり、同一の配線層内において両者の配線間隔が狭くなっている箇所があった場合には、それらの間の絶縁が維持されなくなってしまうおそれがある。

尚、上記のような多段直列回路システムについて、各制御回路の保護と、それらの複数が直列となっている構成に対する保護とをどのように図るべきか、という問題に対処する従来技術は特に見つけることができなかった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、単位回路の個別保護と、それらの複数よりなる直列構造の保護とを両立させることができる多段直列回路システムを提供することにある。

請求項１記載の多段直列回路システムによれば、各単位回路に夫々並列に接続される個別保護回路に加えて、多段直列回路の全体に対して並列に全体保護回路を接続する。例えば、各保護回路に、正極性，負極性のサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧を、上記と同様にＶA，ＶBとする。そして、全体保護回路が端子Ｖ（＋），Ｖ（−）間に接続されており、ケース（１）としてそれらの間に位置する低電位側の端子ＶＬを基準に、高電位側の端子ＶＨに正極性のサージ電圧が印加されると、その場合の保護経路は、
ＶＨ→（個別保護回路）×α→Ｖ（＋）→（全体保護回路）→
Ｖ（−）→（個別保護回路）×β→ＶＬ
となる。

ここで、αは端子ＶＨ，Ｖ（＋）間の直列接続段数，βは端子Ｖ（−），ＶＬ間の直列接続段数である。従って、上記の保護経路で発生する電位差ＶＣ１（＋）は、
ＶＣ１（＋）＝ＶB×（α＋β）＋ＶA
となり、クランプ電圧ＶAは１つの全体保護回路を経由して発生する分だけとなるので、多段直列回路全体のクランプ電圧が従来よりも大きく低減される。また、同じ端子間に負極性のサージ電圧が印加された場合は、従来構成と同様に、クランプ電圧−ＶBに端子ＶＬ，ＶＨ間の直列接続段数γを乗じたもの（−ＶB×γ）となる。

一方、逆にケース（２）として、端子ＶＨを基準に端子ＶＬに正極性のサージ電圧が印加されると、その場合のクランプ電圧は上記と同様の（−ＶB×γ）となる、そして、負極性のサージ電圧が印加されると、その場合の保護経路はケース（１）で正極性のサージ電圧が印加された場合の経路を逆に辿ることになるから、その経路による電位差ＶＣ２（−）は、
ＶＣ２（−）＝−ＶB×（α＋β）−ＶA
となる。従って、この場合もクランプ電圧が大きく低減される。
即ち、ケース（１）における正極性サージの印加，ケース（２）における負極性サージの印加の何れについても、全体保護回路を経由して保護経路が形成されるようになる結果、上記のように保護動作時に発生する電位差を大きく低減することが可能となっており、
制御回路の個別保護と、それらの複数よりなる直列構造の保護とを両立させることができる。
そして、個別保護回路及び全体保護回路を、高電位側電源線にコレクタが低電位側電源線にエミッタが接続されると共に、ベースが抵抗素子を介して低電位側電源線に接続されるトランジスタと、高電位側電源線と低電位側電源線との間に逆方向に接続されるダイオード又はツェナーダイオードとで構成する。
斯様に構成すれば、トランジスタのコレクタとベースとの間には僅かに寄生容量が存在しているため、高電位側電源線にスパイク状の電圧が印加されると寄生容量を介してベース電流が流れ、トランジスタが導通して過電圧を低減することができる。そして、高電位側電源線に負極性のサージ電圧が印加されると、逆方向にダイオード又はツェナーダイオードが導通して低電位側から高電位側への電流経路が形成される。従って、サージ電圧波形の急峻さに応じて保護動作を行なわせることができる。

請求項２記載の多段直列回路システムによれば、各制御回路に夫々並列に接続される個別保護回路に加えて、制御回路が連続して接続されている数個よりなる直列群に並列に群保護回路を接続する。斯様に構成すれば、群保護回路が接続されている端子間において請求項１と同様にサージ電圧が印加されると、群保護回路は、それらの端子間について請求項１の全体保護回路と同様に動作するので、クランプ電圧を低減することができる。
そして、個別保護回路及び群保護回路を、高電位側電源線にコレクタが低電位側電源線にエミッタが接続されると共に、ベースが抵抗素子を介して低電位側電源線に接続されるトランジスタと、高電位側電源線と低電位側電源線との間に逆方向に接続されるダイオード又はツェナーダイオードとで構成する。
斯様に構成すれば、トランジスタのコレクタとベースとの間には僅かに寄生容量が存在しているため、高電位側電源線にスパイク状の電圧が印加されると寄生容量を介してベース電流が流れ、トランジスタが導通して過電圧を低減することができる。そして、高電位側電源線に負極性のサージ電圧が印加されると、逆方向にダイオード又はツェナーダイオードが導通して低電位側から高電位側への電流経路が形成される。従って、サージ電圧波形の急峻さに応じて保護動作を行なわせることができる。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１及び図２を参照して説明する。尚、図５と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。本実施例の多段直列回路システム１１は、図５に示す多段直列回路システム５に対して、保護回路３（１〜ｎ）を保護回路１２（１〜ｎ：個別保護回路）に置き換えると共に、端子Ｖ１と端子ＧＮＤとの間に保護回路１２（ｘ：全体保護回路）を接続したものである。

図２には、保護回路１２の具体構成例を示す。保護回路１２は、コレクタが高電位側電源線１３に、エミッタが低電位側電源線１４に夫々接続されるＮＰＮトランジスタ１５と、そのトランジスタ１５のベースと低電位側電源線１４との間に接続される抵抗素子１６と、電源線１３，１４間に逆方向接続されるダイオード１７とで構成されている。
この保護回路１２では、トランジスタ１５のコレクタ，ベース間に寄生容量１８（図２中に破線で示す）が存在するため、電源線１３側にスパイク状の電圧が印加されると、寄生容量１８を介してベース電流が流れ、トランジスタ１５が導通するようになっている。尚、ダイオード１７は、トランジスタ１５の形成プロセスによっては寄生素子として形成されている場合もある。

次に、本実施例の作用について説明する。図５との比較を容易にするため直列段数ｎ＝８の場合を想定し、保護回路１２に正極性サージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶAを４０Ｖ（実際はトランジスタ１５のコレクタ−エミッタ間電圧ＶCEとなるから、より低い電圧である），負極性サージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶBを０．７Ｖとする。そして、ケース（１）として端子Ｖ８を基準に端子Ｖ２に正極性サージ電圧が印加されると、端子Ｖ２のクランプ電圧Ｖ２Ｃ（＋）は、
Ｖ２Ｃ（＋）＝ＶB1＋ＶAx＋ＶB8＝４１．４Ｖ
となり、負極性サージ電圧が印加されると、Ｖ２のクランプ電圧Ｖ２Ｃ（−）は、
Ｖ２Ｃ（−）＝−ＶB2−ＶB3−ＶB4−ＶB5−ＶB6−ＶB7＝−４．２Ｖ
となる（図５と同様）。

また、ケース（２）として端子Ｖ３を基準に端子Ｖ７に正極性サージ電圧が印加されると、端子Ｖ７のクランプ電圧Ｖ７Ｃ（＋）は、
Ｖ７Ｃ（＋）＝ＶB3＋ＶB4＋ＶB5＋ＶB6＝２．８Ｖ
となり（図５と同様）、負極性のサージ電圧が印加されると、Ｖ７のクランプ電圧Ｖ７Ｃ（−）は、
Ｖ７Ｃ（−）＝−ＶB7−ＶB8−ＶAx−ＶB1−ＶB2−ＶA6＝−４２．８Ｖ
となる。

以上のように本実施例によれば、各制御回路２（１〜ｎ：単位回路）に夫々並列に接続される保護回路１２（１〜ｎ）に加えて、多段直列回路の全体に対して並列に保護回路１２（ｘ）を接続した。その結果、ケース（１）における正極性サージの印加，ケース（２）における負極性サージの印加の何れについても、保護回路１２（ｘ）を経由して保護経路が形成されるため、保護動作時に発生する電位差を大きく低減することが可能となっており、各制御回路２（１〜ｎ）の個別保護と、それらの複数よりなる直列構造の保護とを両立させることができる。

また、保護回路１２を、トランジスタ１５と、抵抗素子１６と、ダイオード１７とで構成したので、高電位側電源線１３にスパイク状の電圧が印加されると、トランジスタ１５のコレクタ，ベースの間に存在する寄生容量１８を介してトランジスタ１５を導通させて過電圧をコレクタ−エミッタ間電圧ＶCEに低減することができ、サージ電圧波形の急峻さに応じて保護動作をさせることができる。

（第２実施例）
図３は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分について説明する。第２実施例の多段直列回路システム２１は、第１実施例の保護回路１２（ｘ）に替えて、端子Ｖ１と端子Ｖ４との間に保護回路１２（ｙ：群保護回路）を接続し、端子Ｖ４と端子ＧＮＤとの間に保護回路１２（ｚ：群保護回路）を接続したものである。この場合、制御回路１２（１）〜１２（３）と、制御回路１２（４）〜１２（ｎ）とが夫々直列群を形成している。

斯様に構成される第２実施例によれば、端子Ｖ１〜Ｖ４の範囲内でサージ電圧が印加されると、保護回路１２（ｙ）が第１実施例の保護回路１２（ｘ）と同様に保護動作し、端子Ｖ４〜ＧＮＤの範囲内でサージ電圧が印加されると、保護回路１２（ｚ）が保護回路１２（ｘ）と同様に保護動作する。また、端子Ｖ１〜Ｖ４の何れかと、端子Ｖ４〜ＧＮＤの何れかとの間でサージ電圧が印加されれば、保護回路１２（ｙ），１２（ｚ）の双方が介在して保護経路が形成される。
従って、ｎ個の多段直列構成のうちで、特にサージ電圧が印加され易い端子間があるような場合に、それらの端子間に群保護回路を配置すれば、効率的に保護を図ることができる。

（第３実施例）
図４は本発明の第３実施例を示すものである。第３実施例では、保護回路１２（１）〜１２（ｎ）を、第１，第２実施例のように制御回路２（１）〜（ｎ）に対してそれぞれ並列に接続せずに、それぞれの負側端子を、何れも電源１（ｎ）の負側端子、すなわちＧＮＤ（最低基準電位）に接続している。以上が多段直列回路システム２２を構成している。

次に、第３実施例の作用について説明する。この場合、Ｖ１，ＧＮＤ間に正極性サージ，負極性サージが印加された場合のクランプ電圧はＶA1，ＶB１となり、それ以外の任意の２端子間に正極性サージ，負極性サージが印加された場合のクランプ電圧は、何れも（ＶAx＋ＶBx）となる。例えば図４に示すように、端子Ｖ３，Ｖｎ間に正極性サージが印加された場合のクランプ電圧は（ＶA3＋ＶBn）となり、負極性サージが印加された場合のクランプ電圧は（ＶAn＋ＶB3）となる。

したがって、第１，第２実施例とは異なり、保護回路１２を、制御回路２に対して並列に接続しないので、各制御回路２の両端にサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧は若干上昇するが、保護回路１２は、トータルで制御回路２と同じ数だけ設ければ良いから構成を簡単にすることができる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
保護回路は、ツェナーダイオードと抵抗素子，トランジスタなどを組み合わせた構成であっても良い。
また、群保護回路は、直列群の一部について１つだけ配置しても良く、また、直列群の一部が重複するように配置しても良い。
リチウム電池の充放電を制御するものに限らず、複数の直流電源が直列に接続されて、各電源が夫々自身に並列に接続される単位回路に電源を供給するように構成されているものであれば広く適用することができる。

本発明の第１実施例であり、多段直列回路システムの構成図 保護回路の具体構成例を示す図 本発明の第２実施例を示す図１相当図 本発明の第３実施例を示す図１相当図 従来技術を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は直流電源、２は制御回路（単位回路）、１１は多段直列回路システム、１３（１〜ｎ）は保護回路（個別保護回路）、１２（ｘ）は保護回路（全体保護回路）、１２（ｙ），１２（ｚ）は保護回路（群保護回路）、１３は高電位側電源線、１４は低電位側電源線、１５はＮＰＮトランジスタ、１６は抵抗素子、１７はダイオード、２１，２２は多段直列回路システムを示す。

Claims (2)

1. 直列に接続される複数の二次電池と、これらの二次電池に対して夫々並列に接続され、前記二次電池の充放電状態を監視して過充電や過放電となることを回避するように制御するための制御回路とを備えて構成される多段直列回路システムにおいて、
   前記各制御回路に夫々並列に接続され、正極性の過電圧が印加されるとその過電圧を低減するように動作すると共に、負極性の過電圧が印加されるとその電圧印加方向に電流を流すように動作して前記制御回路に対してサージ電圧が印加された場合に保護を図る個別保護回路と、
   前記多段直列回路の全体に対して並列に接続され、前記個別保護回路と同様の動作を行なう全体保護回路とを備え、
   前記個別保護回路及び前記全体保護回路は、高電位側電源線にコレクタが低電位側電源線にエミッタが接続されると共に、ベースが抵抗素子を介して低電位側電源線に接続されるトランジスタと、
   前記高電位側電源線と前記低電位側電源線との間に逆方向に接続されるダイオード又はツェナーダイオードとを備えて構成され、
   前記個別保護回路と前記全体保護回路とで、正極性のサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶＡと負極性のサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶＢがそれぞれ同じであることを特徴とする多段直列回路システム。
2. 直列に接続される複数の二次電池と、これらの二次電池に対して夫々並列に接続され、前記二次電池の充放電状態を監視して過充電や過放電となることを回避するように制御するための制御回路とを備えて構成される多段直列回路システムにおいて、
   前記各制御回路に夫々並列に接続され、正極性の過電圧が印加されるとその過電圧を低減するように動作すると共に、負極性の過電圧が印加されるとその電圧印加方向に電流を流すように動作して前記制御回路に対してサージ電圧が印加された場合に保護を図る個別保護回路と、
   前記複数の制御回路の一部について、連続して接続されている数個よりなる直列群に並列に接続され、前記個別保護回路と同様の動作を行なう群保護回路とを備え、
   前記個別保護回路及び前記群保護回路は、高電位側電源線にコレクタが低電位側電源線にエミッタが接続されると共に、ベースが抵抗素子を介して低電位側電源線に接続されるトランジスタと、
   前記高電位側電源線と前記低電位側電源線との間に逆方向に接続されるダイオード又はツェナーダイオードとを備えて構成され、
   前記個別保護回路と前記群保護回路とで、正極性のサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶＡと負極性のサージ電圧が印加された場合のクランプ電圧ＶＢがそれぞれ同じであることを特徴とする多段直列回路システム。

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