JP4749290B2 - 電源装置及びこれに用いる電圧管理ｉｃ - Google Patents

Description

本発明は、電動工具用電源やバックアップ電源用の電源装置に関し、とくに、多数の電池を直列に接続している電源装置に関する。

電動工具用電源やバックアップ電源用の電源装置は、出力を大きくするために、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている。電源装置の出力がバッテリの電圧と電流の積に比例するからである。たとえば、多数の二次電池を直列に接続している電動工具では最大４２Ｖ、バックアップ電源では最大５７Ｖと出力電圧を高くしている。二次電池をニッケル−水素電池とする電源装置は、複数のニッケル−水素電池を直列に接続して電池モジュールとし、さらに電池モジュールを直列に接続して出力電圧を高くしている。また、二次電池をリチウムイオン二次電池とする電源装置は、電池モジュールを１個のリチウムイオン二次電池とし、これを多数に直列に接続して出力電圧を高くしている。

多数の電池モジュールを直列に接続している電源装置は、全体の電池を複数組の電池ブロックに分割している。複数組の電池ブロックは、中間基準点で直列に接続している。多数の電池モジュールを直列に接続している電源装置は、各々の電池電圧を検出して充放電をコントロールしている。直列毎の各電池の過充電と過放電を防止するためである。電池は、過充電と過放電で電気特性が著しく低下する性質がある。この弊害を防止するために、各々の電池ブロックを構成する各電池の電圧をモジュール毎に分割して検出する回路を備える電源装置は開発されている。（特許文献１参照）
特開２００３−２８２１５９号公報

特許文献１の電源装置の回路図を図１に示す。この電源装置は、２組の電池ブロック９１Ａ、９１Ｂの電池モジュール９２に、電圧を検出する電圧管理ＩＣ９４を接続している。電圧管理ＩＣ９４は、中間基準点９５に対してプラス側の電圧管理ＩＣ９４Ａと、マイナス側の電圧管理ＩＣ９４Ｂからなり、プラス側の電圧管理ＩＣ９４Ａは、中間基準点９５のプラス側に接続している電池モジュール９２の電圧を検出し、マイナス側の電圧管理ＩＣ９４Ｂは、中間基準点９５のマイナス側に接続している電池モジュール９２の電圧を検出する。電圧管理ＩＣ９４は、電池ブロック９１Ａ、９１Ｂから電力を供給して動作する。したがって、プラス側の電圧管理ＩＣ９４Ａは、中間基準点９５のプラス側に接続している電池ブロック９１Ａから電力が供給される。マイナス側の電圧管理ＩＣ９４Ｂは、マイナス側に接続している電池ブロック９１Ｂから電力を供給している。プラス側とマイナス側の電圧管理ＩＣ９４は、製造工程のバラツキ等が原因で消費電力を全く同じには製作できない。電圧管理ＩＣ９４の消費電流の差は、プラス側とマイナス側の電池ブロック９１Ａ、９１Ｂの放電量に差を発生させる。この放電差は、時間が経過するにしたがって累積されて、プラス側とマイナス側の電池ブロック９１Ａ、９１Ｂの残容量をアンバランスにする。残容量がアンバランスな電池ブロックを直列に接続して充放電すると、残容量の小さい電池ブロックは過放電されやすく、反対に残容量の大きい電池ブロックは過充電される傾向が強くなる。両方の電池ブロックの過充電と過放電を防止しながら充放電すると、実質的に充放電できる容量が小さくなる。放電容量が残容量の小さい電池ブロックに制限され、また充電容量が残容量の大きい電池ブロックに制限されるからである。

さらに、図１の電源装置は、プラス側とマイナス側の電圧管理ＩＣ９４から出力される信号をレベルシフトする信号伝送回路９７によっても、プラス側とマイナス側の電池ブロック９１Ａ、９１Ｂに消費電流の差を発生して、これがプラス側とマイナス側の電池ブロック９１Ａ、９１Ｂの残容量をアンバランスにする。プラス側の電圧管理ＩＣ９４Ａの信号伝送回路９７が、両方の電池ブロック９１Ａ、９１Ｂから電力を供給するのに対し、マイナス側の電圧管理ＩＣ９４Ｂの信号伝送回路９７が、マイナス側の電池ブロック９１Ｂのみから電力を供給しているからである。これを避けるために、フォトカプラを始めとする受発光素子により、伝送部のアンバランスを防ぐことも可能だが、通信速度・消費電流・コストの面でデメリットがある。

したがって、図１の電源装置は、時間が経過するにしたがって、２組の電池ブロック９１Ａ、９１Ｂの残容量がアンバランスになる欠点がある。たとえば、電池モジュールの容量を２０００ｍＡｈとし、プラス側とマイナス側の電圧管理ＩＣの消費電流の差が２０μＡとした場合、１年間での消費電流の差は約１７５ｍＡｈとなって、両電池ブロックの残容量の差が約８．８％にもなる。

本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、２組の電池ブロックの直列毎の各電池電圧を別々の電圧管理ＩＣで検出しながら、２組の電池ブロックの残容量のアンバランスを解消して、電池を充放電できる実質容量を大きくしながら、電池の寿命を長くできる電源装置を提供することにある。

本発明の電源装置は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
電源装置は、複数の電池２を直列に接続しているプラス側の電池ブロック１Ａと複数の電池２を直列に接続しているマイナス側の電池ブロック１Ｂとを中間基準点５で直列に接続しているバッテリ１と、バッテリ１の電池２の電圧を検出する電圧検出回路３とを備える。電圧検出回路３は、中間基準点５に対し、プラス側の電池ブロック１Ａの直列毎の電池電圧を管理するプラス側の電圧管理ＩＣ４Ａと、マイナス側の電池ブロック１Ｂの直列毎の電池電圧を管理するマイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂとを備える。プラス側の電圧管理ＩＣ４Ａとマイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂは、プラス側とマイナス側の電源ライン８を、バッテリ１のプラス側とマイナス側の出力に接続して、全ての電池２が各々の電圧管理ＩＣ４に電力を供給すると共に、各々の電圧管理ＩＣ４のグランドラインを共通としている。

本発明の電源装置は、プラス側とマイナス側の電圧管理ＩＣ４を、各々の電池２の電圧を検出する電圧検出回路３とすることができる。

本発明の電源装置は、プラス側とマイナス側の電圧管理ＩＣ４を、電池２の過充電を検出すると過充電信号を出力し、また、電池２の過放電を検出すると過放電信号を出力することができる。
更に、本発明の電源装置に用いる電圧管理ＩＣは、複数の電池２を直列に接続しているプラス側の電池ブロック１Ａと複数の電池２を直列に接続しているマイナス側の電池ブロック１Ｂとを中間基準点５で直列に接続しているバッテリ１と、バッテリ１の直列毎の電池２の電圧を検出する電圧検出回路３とを備え、電圧検出回路３が、中間基準点５に対し、プラス側の電池ブロック１Ａの電池２の電圧を管理するプラス側の電圧管理ＩＣ４Ａと、マイナス側の電池ブロック１Ｂの電池２の電圧を管理するマイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂとを備える電源装置に用いる電圧管理ＩＣ４であって、プラス側の電圧管理ＩＣ４Ａとマイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂが、プラス側とマイナス側の電源ライン８を、バッテリ１のプラス側とマイナス側の出力に接続して、全ての電池２が各々の電圧管理ＩＣ４に電力を供給すると共に、各々の電圧管理ＩＣ４のグランドラインを共通としている。

本発明の電源装置は、２組の電池ブロックを構成する直列毎の各電池の電圧を別々の電圧管理ＩＣで検出しながら、２組の電池ブロックの残容量のアンバランスの要因を解消できる特徴がある。それは、本発明の電源装置が、両方の電圧管理ＩＣの電源ラインを、プラス側とマイナス側の電池ブロックを直列に接続しているバッテリのプラス側とマイナス側の出力に接続するため、全ての電池から均等に各々の電圧管理ＩＣに電力を供給するからである。この電源装置は、２組の電池ブロックの残容量のアンバランスを解消できるので、電池を充放電できる実質容量を大きくできる。それは、両方の電池ブロックが一緒に過充電、または過放電されるので、残容量の小さい電池ブロックが放電容量を制限せず、また、残容量の大きい電池ブロックが充電容量を制限しないからである。また、各々の電池ブロックの残容量にアンバランスの要因がないことから、両方の電池ブロックの過充電や過放電による劣化を防止して、電池寿命を長くできる特徴も実現される。

さらにまた、本発明の電源装置は、各々の電圧管理ＩＣのグランドラインを共通にすることから、各々の電圧管理ＩＣの出力信号をレベルシフトする必要がなく、出力信号を共通グランドラインの信号伝送回路で処理して出力できる特徴も実現される。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。

さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

図２の電源装置は、バッテリ１と、バッテリ１を構成する電池２の電圧を検出する電圧検出回路３とを備える。バッテリ１は、２組の電池ブロック、すなわちプラス側の電池ブロック１Ａと、マイナス側の電池ブロック１Ｂを中間基準点５で直列に接続している。

バッテリ１は、互いに直列に接続しているプラス側の電池ブロック１Ａとマイナス側の電池ブロック１Ｂとからなる。プラス側の電池ブロック１Ａは、中間接続点５のプラス側に接続され、マイナス側の電池ブロック１Ｂは、中間接続点５のマイナス側に接続している。

図２の電源装置は、バッテリ１を、プラス側の電池ブロック１Ａと、マイナス側の電池ブロック１Ｂの２ブロックに分割している。各々の直列毎の電池２の電圧を別々に検出するために、電圧検出回路３は、プラス側の電圧管理ＩＣ４Ａと、マイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂからなる２組の電圧管理ＩＣ４を備える。各々の電圧管理ＩＣ４は、検出する電池２の電圧から、電池２の過充電と過放電を検出する判定回路６と、判定回路６の出力側に接続している信号伝送回路７とを備える。

プラス側の電圧管理ＩＣ４Ａとマイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂは、プラス側の電源ライン８Ａ（Ｖｃｃ）と、マイナス側の電源ライン８Ｂ（Ｖｓｓ）を、バッテリ１のプラス側とマイナス側の出力に接続して、全ての電池２を直列に接続しているバッテリ１から、各々の電圧管理ＩＣ４に電力を供給している。この電源装置は、各々の電圧管理ＩＣ４に、全ての電池２から電力を供給する。すなわち、各々の電圧管理ＩＣ４は、一方の電池ブロックの電池から電力を供給するのではない。したがって、全ての電池２から各々の電圧管理ＩＣ４に電力を供給するので、各々の電圧管理ＩＣ４の消費電力にアンバランスがあっても、電圧管理ＩＣ４に電力を供給することで、電池２に流れる電流差は発生しない。

さらに、各々の電圧管理ＩＣ４は、グランドライン９をマイナス側の電源ライン８Ｂ（Ｖｓｓ）として、グランドライン９を共通としている。

各々の電圧管理ＩＣ４は、各々の直列毎の電池２の電圧を検出して、電池２の過充電と過放電を防止する。電圧管理ＩＣ４は、各々の電池２の接続点１１の電圧から電池２の電圧を検出する。電圧管理ＩＣ４は、全ての接続点１１の電圧を検出して、全ての電池２の電圧を検出することができる。

電圧管理ＩＣ４は、検出された直列毎の各電池２の電圧から、電池２の過充電と過放電を検出する。電池２の過充電と過放電は、電池２の電圧を設定電圧に比較して判定される。放電している電池２の電圧が最低電圧よりも低くなると、電池２が過放電される状態にあるとして、過放電信号を出力する。また、充電している電池２の電圧が最高電圧よりも高くなると、電池２が過充電される状態にあると判定して、過充電信号を出力する。

また、電圧管理ＩＣ４は、電池２の電圧を検出して、電池２の満充電と完全に放電された状態を検出して、残容量の補正に使用することもできる。電池２の残容量は、電流を積算して演算されるが、電池２の電圧から残容量を補正することができる。

２組の電池ブロックを直列に接続しているバッテリ１は、プラス側とマイナス側の電池２に同じ充放電電流が流れる。したがって、全ての電池２の充電量と放電量は同じになる。しかしながら、必ずしも全ての電池２の電気特性は全く同じではない。とくに、充放電の繰り返し回数が多くなると、各々の電池２は劣化する程度が異なって、満充電できる容量が変化する。この状態になると、満充電できる容量の減少した電池２は、過充電されやすく、また過放電もされやすくなる。電池２は、過充電と過放電で著しく電気特性が劣化するので、満充電できる容量が減少した電池が過充電や過放電されると急激に劣化してしまう。このため、バッテリ１は、多数の電池２を直列に接続しているが、各々の電池２の過充電と過放電を防止しながら、すなわち、電池２を保護しながら充放電することが大切となる。全ての電池２を保護しながら充放電するために、各々の電圧管理ＩＣ４は、電池２の電圧を検出している。

たとえば、全体で１４個の電池を直列に接続しているバッテリは、７個の電池を接続しているプラス側の電池ブロックと、７個の電池を接続しているマイナス側の電池ブロックに分割し、あるいは６個の電池を接続しているプラス側の電池ブロックと、８個の電池を接続しているマイナス側の電池ブロックのように、異なる個数に分割してトータルで１４個となるように２ブロックに分割することができる。ここで、電池は、リチウムイオン電池を使用することができる。

電圧管理ＩＣ４の判定回路６は、電池２の両端を接続している接続点１１の電圧差から電池２の電圧を検出する。たとえば、図２において電池Ｍ1の電圧Ｅ1は、Ｖ1−Ｖ0として検出され、電池Ｍ2の電圧Ｅ2は、Ｖ2−Ｖ1で検出される。判定回路６は、入力側のマルチプレクサ１２と、このマルチプレクサ１２の出力側に接続しているＡ／Ｄコンバータ１３と、Ａ／Ｄコンバータ１３から出力されるデジタルの電圧信号から、電池２の電圧を演算する制御回路１４とを備える。マルチプレクサ１２は、接続点１１を順番に切り換えてＡ／Ｄコンバータ１３に出力する。Ａ／Ｄコンバータ１３は、順番に切り換えられる接続点１１の電圧を、アナログ信号からデジタル信号に変換して、制御回路１４に入力する。制御回路１４は、順番に入力される接続点１１の電圧信号から、各々の電池２の電圧を検出し、検出された電池２の電圧から、過充電と過放電を判定する。ここで、マルチプレクサ１２とＡ／Ｄコンバータ１３の代わりに、基準電圧とコンパレータを用いても構成することができる。

電圧管理ＩＣ４は、判定回路６から出力される過放電信号と過充電信号を、信号伝送回路７から外部に出力する。信号伝送回路７は、２組のＯＲ回路１５を備える。プラス側の電圧管理ＩＣ４Ａの信号伝送回路７は、ＯＲ回路１５の一方の入力側を判定回路６の出力に接続している。マイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂの信号伝送回路７は、ＯＲ回路１５の一方の入力側をプラス側の電圧管理ＩＣ４Ａの出力側に、他方の入力側をマイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂの判定回路６の出力側に接続している。プラス側の信号伝送回路７は、判定回路６から入力される過放電信号又は過充電信号を、マイナス側の信号伝送回路７に入力する。マイナス側の信号伝送回路７は、プラス側の判定回路６、またはマイナス側の判定回路６の一方又は両方から、過放電信号又は過充電信号が入力されると、過放電信号と過充電信号を出力する。この電圧検出回路３は、いずれかの電池２が過放電又は過充電状態になると、マイナス側の電圧管理ＩＣ４Ｂから、過放電信号又は過充電信号が出力される。

従来の電源装置のブロック回路図である。 本発明の電源装置のブロック回路図である。

符号の説明

１…バッテリ １Ａ…プラス側の電池ブロック
１Ｂ…マイナス側の電池ブロック
２…電池
３…電圧検出回路
４…電圧管理ＩＣ ４Ａ…プラス側の電圧管理ＩＣ
４Ｂ…マイナス側の電圧管理ＩＣ
５…中間基準点
６…判定回路
７…信号伝送回路
８…電源ライン ８Ａ…プラス側の電源ライン
８Ｂ…マイナス側の電源ライン
９…グランドライン
１１…接続点
１２…マルチプレクサ
１３…Ａ／Ｄコンバータ
１４…制御回路
１５…ＯＲ回路
９１Ａ…電池ブロック
９１Ｂ…電池ブロック
９２…電池モジュール
９４…電圧管理ＩＣ ９４Ａ…プラス側の電圧管理ＩＣ
９４Ｂ…マイナス側の電圧管理ＩＣ
９５…中間基準点
９７…信号伝送回路

Claims (4)

1. 複数の電池(2)を直列に接続しているプラス側の電池ブロック(1A)と複数の電池(2)を直列に接続しているマイナス側の電池ブロック(1B)とを中間基準点(5)で直列に接続しているバッテリ(1)と、バッテリ(1)の直列毎の電池(2)の電圧を検出する電圧検出回路(3)とを備え、電圧検出回路(3)が、中間基準点(5)に対し、プラス側の電池ブロック(1A)の電池(2)の電圧を管理するプラス側の電圧管理ＩＣ(4A)と、マイナス側の電池ブロック(1B)の電池(2)の電圧を管理するマイナス側の電圧管理ＩＣ(4B)とを備える電源装置であって、
   プラス側の電圧管理ＩＣ(4A)とマイナス側の電圧管理ＩＣ(4B)が、プラス側とマイナス側の電源ライン(8)を、バッテリ(1)のプラス側とマイナス側の出力に接続して、全ての電池(2)が各々の電圧管理ＩＣ(4)に電力を供給すると共に、各々の電圧管理ＩＣ(4)のグランドラインを共通としてなる電源装置。
2. 中間基準点(5)に対し、プラス側とマイナス側の電圧管理ＩＣ(4)が、各々の電池(2)の電圧を検出する電圧検出回路(3)である請求項１に記載される電源装置。
3. 中間基準点(5)に対し、プラス側とマイナス側の電圧管理ＩＣ(4)が、電池(2)の過充電を検出すると過充電信号を出力し、また、電池(2)の過放電を検出すると過放電信号を出力する請求項１又は２に記載される電源装置。
4. 複数の電池(2)を直列に接続しているプラス側の電池ブロック(1A)と複数の電池(2)を直列に接続しているマイナス側の電池ブロック(1B)とを中間基準点(5)で直列に接続しているバッテリ(1)と、バッテリ(1)の直列毎の電池(2)の電圧を検出する電圧検出回路(3)とを備え、電圧検出回路(3)が、中間基準点(5)に対し、プラス側の電池ブロック(1A)の電池(2)の電圧を管理するプラス側の電圧管理ＩＣ(4A)と、マイナス側の電池ブロック(1B)の電池(2)の電圧を管理するマイナス側の電圧管理ＩＣ(4B)とを備える電源装置に用いる電圧管理ＩＣ(4)であって、
   プラス側の電圧管理ＩＣ(4A)とマイナス側の電圧管理ＩＣ(4B)が、プラス側とマイナス側の電源ライン(8)を、バッテリ(1)のプラス側とマイナス側の出力に接続して、全ての電池(2)が各々の電圧管理ＩＣ(4)に電力を供給すると共に、各々の電圧管理ＩＣ(4)のグランドラインを共通としてなる電源装置に用いる電圧管理ＩＣ。
   

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