JP4841402B2

JP4841402B2 - 過充電・過放電検出回路を備える電源装置

Info

Publication number: JP4841402B2
Application number: JP2006305756A
Authority: JP
Inventors: 準也矢野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: JP2008125236A; US20080111556A1; US7777453B2

Description

本発明は、複数の電池ユニットを直列に接続している電源装置であって、各々の電池ユニットの過充電と過放電を検出する回路を備える電源装置に関する。

１個又は複数の二次電池を直列に接続して電池ユニットとし、この電池ユニットを複数個直列に接続している車両用電源装置は、各々の電池ユニットの過充電や過放電を検出しながら充放電して、電池ユニットを保護しながら使用することが大切である。過充電や過放電が電池ユニットを著しく劣化させるからである。この電源装置は、複数の電池ユニットをトータルで管理する保護回路を備えるタイプと、各々の電池ユニットの過充電と過放電を独立して検出する回路を備えるものがある。電池ユニットをトータルで管理するタイプは、検出回路を簡単にできる。ただ、全ての電池ユニットが同じように過充電されたり、あるいは過放電されることはなく、充電容量が少なくなった電池ユニットは過充電されやすく、また過放電されやすくなる。この状態になると、充電容量が少なくなった電池ユニットは、過充電されたり過放電されて急激に電池ユニットの性能が低下することになる。このため、いずれかの電池ユニットが劣化して性能が低下すると、この電池ユニットの性能が急激に劣化する欠点がある。

各々の電池ユニットの過充電と過放電を独立して検出する検出回路を備える電源装置は、特許文献１に記載される。この電源装置は、各々の電池ユニットの過充電と過放電を検出できる。このため、全ての電池ユニットの過充電と過放電を防止しながら、安全性の向上を図り、電池ユニット寿命を著しく長くできる。
特開２００１−２５１７３号公報

しかしながら、この回路構成の電源装置は、保護回路の回路構成が複雑になって製造コストが高くなる。とくに、多数の電池ユニットを備える電源装置にあっては、電池ユニットの個数と同じ個数の検出回路を設ける必要があって、検出回路が極めて複雑になる。さらに、車両用電源装置は、１組の検出回路が故障しても、電池ユニットの過充電と過放電が検出できるように、２組の過充電・過放電検出回路を設けている。メインの検出回路は、各々の電池ユニットの過充電と過放電に加えて、残容量も演算する電池状態検出回路である。また、メインの検出回路が故障しても、電池の過充電と過放電が検出できるように、過充電と過放電のみを検出する専用の検出回路を設けている。専用の検出回路は、メインの検出回路が故障したときにのみ使用する回路であるから、現実にはほとんど使用されない。にもかかわらず、多数の電池ユニットの個数と同じ個数の検出回路を設けて、万一におけるメインの検出回路の故障に備える回路構成としている。専用の検出回路は、ほとんど使用されない回路であるが、メインの検出回路が故障したときには、確実に動作することが要求される。ところが、従来の車両用電源装置は、専用の検出回路の故障を判定する回路が設けられず、この回路の故障を判定できない。このため、メインの検出回路が故障して、専用の検出回路で過充電と過放電を判定するとき、この専用の検出回路が正常に動作するかどうかを特定できない。専用の検出回路に、故障の判別回路を設けて、この弊害は解消できる。ただ、電池ユニットと同じ個数であって、その数が極めて多い検出回路に、故障の判定回路を設けることは、さらに回路構成が複雑になることから、現実には到底に採用できない。

本発明は、さらに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、過充電と過放電を検出する回路を極めて簡単な回路構成としながら、この検出回路の故障も判定でき、全ての電池ユニットの過充電と過放電を確実に判別できる過充電・過放電検出回路を備える電源装置を提供することにある。

本発明の過充電・過放電検出回路を備える電源装置は、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、複数の電池ユニット１０を、接続点１１を介して互いに直列に接続している組電池１と、この組電池１を構成する電池ユニット１０の電圧を検出して電池の過充電と過放電を検出する過充電・過放電検出回路３と、この過充電・過放電検出回路３に電池ユニット１０の接続点１１の電圧を順番に入力する選択スイッチ４と、この選択スイッチ４が接続点１１の電圧を入力しない状態で、過充電・過放電検出回路３に基準電圧を入力する基準電圧回路５と、前記選択スイッチ４のオンオフを制御し、かつ基準電圧回路５が基準電圧を過充電・過放電検出回路３に入力する状態を制御する制御回路６とを備える。

制御回路６は、選択スイッチ４を制御して、接続点１１の電圧を過充電・過放電検出回路３に入力して、電池ユニット１０の過充電と過放電を判別する過充電・過放電検出回路３を制御する。また、この制御回路６は、電池ユニット１０の接続点１１の電圧を過充電・過放電検出回路３に入力しない状態に選択スイッチ４を制御して、基準電圧回路５から基準電圧を過充電・過放電検出回路３に入力するように制御して、過充電・過放電検出回路３の動作状態を確認する。

また、選択スイッチ４の出力側に、電池状態検出回路２を接続している。この電池状態検出回路２は、電池ユニット１０の過充電及び過放電を判定する回路である。
過充電・過放電検出回路３は、電池状態検出回路２が判定する過充電電圧、過放電電圧よりも過充電、過放電が進んだ状態の電圧値を過充電電圧、過放電電圧として記憶している。
この電源装置は、電池状態検出回路２で電池ユニット１０の過充電と過放電を検出し、さらに、この電池状態検出回路２が故障するときには、正常に動作することが確認できる過充電・過放電検出回路３で電池の過充電と過放電を検出する。このため、この電源装置は、電池ユニット１０の過充電と過放電を極めて高い精度で判別できる。

さらに、本発明の請求項２の電源装置は、請求項１の構成に加えて、電池状態検出回路２が電池ユニット１０の残容量を判定する回路である。
さらにまた、本発明の請求項３の電源装置は、請求項１の構成に加えて、電池状態検出回路２が過充電・過放電検出回路３を備えている。この電源装置は、電池状態検出回路２が備える過充電・過放電検出回路３の故障を検出することができる。

さらに、本発明の請求項４の電源装置は、請求項１の構成に加えて、過充電・過放電検出回路３を、選択スイッチ４から入力される信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ８と、このＡ／Ｄコンバータ８から出力される信号から電池ユニット１０の過充電と過放電を判別する判定回路９とで構成する。この電源装置は、判定回路９でデジタル処理して、電池ユニット１０の過充電と過放電を正確に判別できる。

さらにまた、本発明の電源装置は、電池ユニット１０をひとつの二次電池とし、あるいは複数の二次電池を直列に接続している電池ブロックとすることができる。電池ユニット１０をひとつの二次電池とする電源装置は、全ての電池の各々の過充電と過放電を正確に判定できる。

本発明の電源装置は、過充電と過放電を検出する回路を極めて簡単な回路構成としながら、この検出回路の故障も判定でき、全ての電池ユニットの過充電と過放電を確実に判別できる特徴がある。それは、本発明の電源装置が、過充電・過放電検出回路と電池との間に選択スイッチを設けると共に、選択スイッチをオフにして、基準電圧回路から過充電・過放電検出回路に基準電圧を入力して故障を判別できるからである。過充電・過放電検出回路は、選択スイッチを介して接続点に接続するので、１組の検出回路で全ての電池ユニットの過充電と過放電を検出できる。また、この１組の検出回路には、基準電圧を入力して故障を判別するので、この回路が正常に動作することを確認して、電池ユニットの過充電と過放電を検出できる。

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車両用電源装置を例示するものであって、本発明は車両用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１のブロック図に示す車両用電源装置は、複数の電池ユニット１０を接続点１１で接続して互いに直列に接続している組電池１と、この組電池１を構成する電池ユニット１０の電圧を検出して電池の状態を検出する電池状態検出回路２と、さらに電池ユニット１０の電圧を検出して、電池の過充電と過放電を検出する過充電・過放電検出回路３と、この過充電・過放電検出回路３に電池ユニット１０の接続点１１の電圧を順番に入力する選択スイッチ４と、この選択スイッチ４が接続点１１の電圧を入力しない状態で、過充電・過放電検出回路３に基準電圧を入力する基準電圧回路５と、選択スイッチ４のオンオフを制御し、かつ基準電圧回路５が基準電圧を過充電・過放電検出回路３に入力する状態を制御する制御回路６とを備える。

組電池１を構成する電池ユニット１０は、ひとつの二次電池である。ただし、電池ユニットは、複数の二次電池を直列に接続することもできる。ひとつの二次電池からなる電池ユニット１０は、二次電池をリチウムイオン電池とする。ただし、二次電池には、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の全ての二次電池を使用できる。二次電池をニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とする電池ユニットは、複数の二次電池を直列に接続して電池ユニットとする。複数の二次電池を直列に接続している電池ユニットは、たとえば、３個〜６個の二次電池を直列に接続する。

電池状態検出回路２は、選択スイッチ４から入力される電池ユニット１０の電圧から、電池ユニット１０の過充電と過放電を検出する。選択スイッチ４は、ひとつの電池ユニット１０の上下に位置する接続点１１、１１に接続されたプラス側スイッチ４Ａとマイナス側スイッチ４Ｂをオン状態として、プラス側配線４Ｈとマイナス側配線４Ｌを介して、電池ユニット１０の電圧差が、電池状態検出回路２と過充電・過放電検出回路３とに入力される。このようなスイッチ操作を各電池ユニット１０において行うことにより、この電池状態検出回路２は、選択スイッチ４を切り換えて順番に入力される接続点１１の電圧差から各電池ユニット１０の電圧を検出し、検出される電池ユニット１０の電圧を過充電電圧と過放電電圧に比較して、電池ユニット１０の過充電と過放電を判別する。電池ユニット１０をひとつのリチウムイオン二次電池とする電源装置は、たとえば、過充電電圧を４．２Ｖとし、過放電電圧を２．６Ｖとする。この電源装置は、電池ユニット１０の電圧が過充電電圧である４．２Ｖよりも高いと過充電と判定し、２．６Ｖよりも低いと過放電と判定する。

さらに、この電池状態検出回路２は、電池ユニット１０の過充電と過放電のみでなく、電池の残容量等も演算する。電池の残容量を演算する電池状態検出回路２は、組電池１の充放電電流を検出する電流検出回路７を備え、組電池１の充放電電流の積算値から残容量を演算する。演算された残容量は、充放電を繰り返すにしたがって誤差が累積される。この誤差を補正するために、電池ユニット１０の電圧で残容量を補正する。たとえば、電池ユニット１０の電圧が満充電電圧まで上昇するときには、電流から積算された残容量を１００％と補正する。また、電池の電圧が、完全に放電された電圧まで低下すると、電流から演算された残容量を０％と補正する。この電池状態検出回路２は、車両を走行させる状態、すなわちイグニッションスイッチをオンにする状態では、一定の周期で、電池ユニット１０の過充電と過放電を検出し、また残容量等を演算して、その結果を車両側に通信回線１３で伝送している。この電池状態検出回路２が故障すると、以下の過充電・過放電検出回路３が電池ユニット１０の過充電と過放電を検出する。電池状態検出回路２の故障は、この回路から出力される信号から判定される。すなわち、電池状態検出回路２が故障すると、電池ユニット１０の過充電と過放電を検出する信号が出力されず、また、残容量を示す信号も出力されなくなるので、これらの信号が出力されない状態になると、過充電・過放電検出回路３で電池ユニット１０の過充電と過放電を検出する。電池状態検出回路２においては、たとえば、過充電電圧として、４．２Ｖ、過放電電圧として、たとえば、２．６Ｖを設定している。したがって、電池状態検出回路２においては、４．２Ｖ以上の電圧の電池ユニット１０を過充電と判定し、２．６Ｖ以下の電池ユニット１０を過放電と判定する。

図１の過充電・過放電検出回路３は、選択スイッチ４から入力される信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ８と、このＡ／Ｄコンバータ８から出力される信号から電池の過充電と過放電を判別する判定回路９とを備える。判定回路９は、電池状態検出回路２と同様に、Ａ／Ｄコンバータ８から入力される電池ユニット１０の接続点１１の電圧差から電池ユニット１０の電圧を検出し、検出した電圧を過充電電圧と過放電電圧に比較して、電池ユニット１０の過充電と過放電を判定する。判定回路９は、電池ユニット１０の過充電と過放電を判定するために、メモリに過充電電圧と過放電電圧を記憶している。記憶する過充電電圧と過放電電圧を電池ユニット１０の電圧に比較して、電池ユニット１０の過充電と過放電を判定する。メモリは、過充電電圧として、電池状態検出回路２と同じように、たとえば４．２Ｖを記憶し、過放電電圧としてたとえば２．６Ｖを記憶している。したがって、判定回路９は、４．２Ｖ以上の電圧の電池ユニット１０を過充電と判定し、２．６Ｖ以下の電池ユニット１０を過放電と判定する。
また、過充電・過放電検出回路３は、電池状態検出回路２が故障時等における保護回路として動作させるために、電池状態検出回路２の過充電電圧、過放電電圧よりも過充電、過放電が進んだ状態の電圧値を、過充電と過放電を判定する電圧値としてメモリに記憶することも可能である。この過充電・過放電検出回路３は、たとえば、過充電電圧として、４．３Ｖを記憶し、過放電電圧として、２．３Ｖを記憶することができる。

選択スイッチ４は、制御回路６にコントロールされて、一定の周期で順番に電池ユニット１０の接続点１１を切り換えて電池状態検出回路２と過充電・過放電検出回路３に出力する。選択スイッチ４は、いずれかひとつスイッチをオン、他のスイッチをオフに切り換えて、接続点１１の電圧を電池状態検出回路２と過充電・過放電検出回路３に出力する。

基準電圧回路５は、制御回路６にコントロールされて、過充電・過放電検出回路３の故障を判別するときに、電池ユニット１０の過充電と過放電を判別する過充電電圧より高い最高基準電圧（４．２Ｖより高い電圧）と過放電電圧より低い最低基準電圧（２．６Ｖ未満の電圧）を出力する。図の基準電圧回路５は出力側にバッファアンプ１２を接続しているので、バッファアンプ１２を介して過充電電圧と過放電電圧を過充電・過放電検出回路３に入力する。

制御回路６は、選択スイッチ４と、過充電・過放電検出回路３と、基準電圧回路５とを制御して、過充電・過放電検出回路３で電池ユニット１０の過充電と過放電を判別し、また過充電・過放電検出回路３の故障を判別する。制御回路６は、過充電・過放電検出回路３の故障を判別するとき、選択スイッチ４の全てのスイッチをオフとし、基準電圧回路５から、最高基準電圧と最低基準電圧を順番に過充電・過放電検出回路３に入力する。正常に動作する過充電・過放電検出回路３は、基準電圧回路５から最高基準電圧が入力されるときに、過充電信号を出力する。また、最低基準電圧が入力されると過放電信号を出力する。したがって、最高基準電圧が入力される状態で、過充電・過放電検出回路３から過充電信号が出力され、また、最低基準電圧が入力される状態で、過放電信号が出力されると、過充電・過放電検出回路３は正常に動作すると判定できる。制御回路６は、過充電・過放電検出回路３から出力される過充電信号と過放電信号から過充電・過放電検出回路３が正常に動作するか、故障かを判定する。

以上の制御回路６は、図２に示す以下のステップで電池ユニット１０の過充電・過放電検出回路３の故障を判定する。
［ｎ＝１のステップ］
選択スイッチ４をオフにして、接続点１１を過充電・過放電検出回路３から切り離す。いいかえると、接続点１１の電圧を過充電・過放電検出回路３に入力しない状態とする。
［ｎ＝２のステップ］
基準電圧回路５が最高基準電圧を過充電・過放電検出回路３に入力するように、基準電圧回路５を制御する。
［ｎ＝３〜５のステップ］
過充電・過放電検出回路３に最高基準電圧を入力する状態で、過充電・過放電検出回路３が過充電信号を出力するかどうかを判定し、過充電信号が出力されないと故障と判定する。この状態で、過充電・過放電検出回路３が過充電信号を出力すると、過充電の検出は正常と判定する。
［ｎ＝６のステップ］
このステップで、基準電圧回路５が最高基準電圧を出力する状態を停止する。
［ｎ＝７のステップ］
基準電圧回路５が最低基準電圧を過充電・過放電検出回路３に入力するように、基準電圧回路５を制御する。
［ｎ＝８〜１０のステップ］
過充電・過放電検出回路３に最低基準電圧を入力する状態で、過充電・過放電検出回路３が過放電電信号を出力するかどうかを判定し、過放電信号が出力されないと故障と判定する。この状態で、過充電・過放電検出回路３が過放電信号を出力すると、過放電の検出は正常と判定する。
［ｎ＝１１のステップ］
このステップで、基準電圧回路５が最低基準電圧を出力する状態を停止する。

さらに、本発明の車両用電源装置は、図３のブロック図に示すように、電池の状態を検出する電池状態検出回路２２が過充電・過放電検出回路３を備えると共に、この過充電・過放電検出回路３の動作状態を確認することもできる。なお、この図において、図１に示す電源装置と同じ構成要素については、同符号を付してその詳細な説明を省略する。図３に示す電池状態検出回路２２は、過充電・過放電検出回路３を備えており、この過充電・過放電検出回路３でもって、電池ユニット１０の電圧を検出して電池の過充電と過放電を検出すると共に、電池の残容量等も演算している。この電源装置も、前述の電源装置と同様に、制御回路６で、選択スイッチ４と過充電・過放電検出回路３と基準電圧回路５とを制御して、過充電・過放電検出回路３で電池ユニット１０の過充電と過放電を判別し、また過充電・過放電検出回路３の故障を判別する。制御回路６は、選択スイッチ４の全てのスイッチをオフとし、基準電圧回路５から、最高基準電圧と最低基準電圧を順番に過充電・過放電検出回路３に入力して、過充電・過放電検出回路３の故障を判別する。この電源装置も、簡単な回路構成として、全ての電池ユニット１０の過充電と過放電を確実に判別しながら、過充電・過放電検出回路３の故障も判定できる。

本発明の一実施例にかかる車両用電源装置のブロック図である。図１に示す車両用電源装置が過充電・過放電検出回路の故障を判定するフローチャートである。本発明の他の一実施例にかかる車両用電源装置のブロック図である。

符号の説明

１…組電池
２…電池状態検出回路
３…過充電・過放電検出回路
４…選択スイッチ４Ａ…プラス側スイッチ
４Ｂ…マイナス側スイッチ
４Ｈ…プラス側配線
４Ｌ…マイナス側配線
５…基準電圧回路
６…制御回路
７…電流検出回路
８…Ａ／Ｄコンバータ
９…判定回路
１０…電池ユニット
１１…接続点
１２…バッファアンプ
１３…通信回線
２２…電池状態検出回路

Claims

複数の電池ユニット(10)を接続点(11)で接続して互いに直列に接続している組電池(1)と、この組電池(1)を構成する電池ユニット(10)の電圧を検出して電池の過充電と過放電を検出する過充電・過放電検出回路(3)と、この過充電・過放電検出回路(3)に電池ユニット(10)の接続点(11)の電圧を順番に入力する選択スイッチ(4)と、この選択スイッチ(4)が接続点(11)の電圧を入力しない状態で、過充電・過放電検出回路(3)に基準電圧を入力する基準電圧回路(5)と、前記選択スイッチ(4)のオンオフを制御し、かつ基準電圧回路(5)が基準電圧を過充電・過放電検出回路(3)に入力する状態を制御する制御回路(6)とを備え、
前記制御回路(6)が選択スイッチ(4)を制御して、接続点(11)の電圧を過充電・過放電検出回路(3)に入力して、電池ユニット(10)の過充電と過放電を判別する過充電・過放電検出回路(3)を制御し、制御回路(6)が電池ユニット(10)の接続点(11)の電圧を過充電・過放電検出回路(3)に入力しない状態に選択スイッチ(4)を制御して、制御回路(6)は、基準電圧回路(5)から基準電圧を過充電・過放電検出回路(3)に入力するように制御して、過充電・過放電検出回路(3)の動作状態を確認するようにしてなり、
さらに、選択スイッチ(4)の出力側に、電池状態検出回路(2)を接続しており、この電池状態検出回路(2)が電池ユニット(10)の過充電及び過放電を判定する回路であり、
過充電・過放電検出回路(3)は、電池状態検出回路(2)が判定する過充電電圧、過放電電圧よりも過充電、過放電が進んだ状態の電圧値を過充電電圧、過放電電圧として記憶していることを特徴とする過充電・過放電検出回路を備える電源装置。
電池状態検出回路(2)が電池ユニット(10)の残容量を判定する回路である請求項１に記載される過充電・過放電検出回路を備える電源装置。
電池状態検出回路(2)が過充電・過放電検出回路(3)を備えている請求項１に記載される過充電・過放電検出回路を備える電源装置。
過充電・過放電検出回路(3)が、選択スイッチ(4)から入力される信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ(8)と、このＡ／Ｄコンバータ(8)から出力される信号から電池ユニット(10)の過充電と過放電を判別する判定回路(9)とを備える請求項１に記載される過充電・過放電検出回路を備える電源装置。
電池ユニット(10)がひとつの二次電池である請求項１に記載される過充電・過放電検出回路を備える電源装置。
電池ユニット(10)が複数の二次電池を直列に接続している請求項１に記載される過充電・過放電検出回路を備える電源装置。