WO2015056468A1 - 電源装置 - Google Patents

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WO2015056468A1
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battery
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洋明 加藤
宏昌 吉澤
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株式会社豊田自動織機
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • HELECTRICITY
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    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/005Detection of state of health [SOH]

Definitions

  • the present invention relates to a power supply apparatus in which a plurality of cells of a battery are connected in series and battery modules having an abnormality monitoring function of each cell are connected in parallel.
  • Patent Document 1 a plurality of battery units each including a battery in which a plurality of cells are connected in series and a switch that is turned off by a switch off signal when a cell abnormality is monitored and an abnormality is detected
  • Patent Document 2 listed below describes a power supply device having a battery pack in which a plurality of cells are connected in series and a battery monitoring unit that monitors an abnormality of the battery.
  • Patent Document 3 listed below includes a power supply device including a battery pack in which a plurality of cells are connected in series, and one or more backflow prevention diodes that prevent backflow of current caused by differences in output voltage among the plurality of cells. Is described.
  • the power supply device of Patent Document 2 can perform the charge / discharge test separately for the battery pack to be subjected to the deterioration determination and the battery pack not to be subjected to the deterioration judgment, it has a function to separate the battery pack for which abnormality is detected. I did not. Furthermore, the power supply device of Patent Document 3 does not have a function of detecting an abnormality of each battery and separating an assembled battery in which the abnormality is detected.
  • the present invention is a power supply in which a plurality of cells are connected in series and a plurality of battery modules having an abnormality monitoring function of each cell are connected in parallel, and a plurality of battery modules can be independently controlled on / off at low voltage. It is an object to provide an apparatus.
  • the power supply device includes a battery module in which a plurality of cells are connected in series, a monitoring unit that receives an electric power supply from the battery module and monitors an abnormality of the battery module, and a ground terminal of the monitoring unit and an anode are connected. And one end is connected to a connection point between the negative terminal of the battery module and the cathode of the diode, and on / off controlled by the monitoring means.
  • a plurality of power supply units each having a switch means, the positive terminal of each of the battery modules being commonly connected, and the other end of each of the switch means being commonly connected, and the ground terminal of each of the monitoring means Are commonly connected.
  • each power supply unit includes a diode in which the ground terminal and the anode of the monitoring means are connected and the negative terminal and the cathode of the battery module are connected.
  • This diode can prevent the current from flowing from the battery connected to the on-state switch to the battery connected to the off-state switch, and can independently control the on / off of the switch means of each power supply unit.
  • Block diagram schematically showing the power supply system of the first embodiment of the present invention Circuit diagram of the main part of the power supply device 20 of the comparative example
  • the figure explaining the current flow in the power supply device 20 of FIG. 2 Circuit diagram of relevant parts of the power supply device 10 according to the first embodiment of the present invention Diagram for explaining the operation of the power supply device 10 of FIG. 4
  • the circuit diagram of the principal part of 10 A of power supply devices of 2nd Embodiment of this invention A diagram for explaining the operation of the power supply device 10A of FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a power supply system according to a first embodiment of the present invention.
  • the power supply system of FIG. 1 has a power supply 10 and a load Z, and a current It is supplied from the power supply 10 to the load Z.
  • a signal indicating the state of the load is output from the load Z to the power supply device 10.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of the power supply device 20 of the comparative example
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the wraparound of the current in the power supply device 20 of FIG.
  • the power supply device 20 of FIG. 2 has a plurality of battery modules 1-1, 1-2 in which a plurality of cells are connected in series.
  • Monitored electronic control unit Electronic Control Unit, hereinafter referred to as "ECU" 2 (2--2) as monitoring means for receiving power supply from the battery module 1 and monitoring at least one abnormality of voltage, current and temperature of the battery module 1 1,2-2).
  • ECU Electronic Control Unit
  • one end is connected to the negative terminal of the battery module 1, and it has switch means 3 (3-1, 3-2) controlled to be turned on / off by a control signal output from the monitoring ECU 2.
  • the switch means 3 is formed of, for example, a field effect transistor (FET) or the like.
  • FET field effect transistor
  • the positive terminals of the respective battery modules 1 of the plurality of power supply units are commonly connected, the other ends of the respective switch means 3 are commonly connected, and the ground terminals of the respective monitoring ECUs 2 are switch means Commonly connected with one end of 3 and configured.
  • the ground terminals of the monitoring ECUs 2 are commonly connected because the monitoring ECUs 2 communicate with each other.
  • the power supply device 20 is a circuit intended to independently control the switch means 3 (3-1, 3-2) by a low voltage on / off signal output from the monitoring ECU 2.
  • the switch 3-1 is in the off state, and the switch 3-2 is in the on state.
  • power is supplied to the load Z from the battery module 1-2 connected to the switch 3-2 in the on state.
  • the battery module 1-1 connected to the switch 3-1 in the off state is also connected to the path indicated by the dashed dotted arrow. The current turns around. Therefore, each switch means 3-1, 3-2 can not be controlled on / off independently.
  • the switch 3-1 is described as being in the off state and the switch 3-2 is in the on state, but the switch 3-1 may be in the on state and the switch 3-2 may be in the off state. In this case, part of the current flowing from the battery module 1-1 connected to the switch 3-1 in the on state to the load Z wraps around to the battery module 1-2 connected to the switch 3-2 in the off state
  • the respective switch means 3-1, 3-2 can not be independently controlled on / off.
  • the power supply device 20 is described as an example in which two power supply units are connected in parallel, but the number of power supply units connected in parallel is limited to two. Also, similar current wraparound occurs in power supply devices in which any number of power supply units are connected in parallel.
  • the power supply apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention has been invented which can individually control the on / off of each of the switch means 3-1 and 3-2.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the main part of the power supply device 10 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the power supply device 10 of FIG.
  • the power supply device 10 includes a battery module 1 in which a plurality of cells are connected in series, and a monitoring unit that receives power supply from the battery module 1 and monitors at least one abnormality of voltage, current, and temperature of the battery module 1.
  • a monitoring ECU 2 (2-1, 2-2)
  • the ground terminal and the anode of the monitoring ECU 2 are connected
  • the diode 4 (4-1, 4-2) is connected to the negative terminal of the battery module 1 and the cathode.
  • a plurality of switch means 3 (3-1, 3-2) connected at one end to the connection point between the negative terminal of the battery module 1 and the cathode of the diode 4 and controlled on / off by the monitor ECU 2 Power supply units, the positive terminals of the battery modules 1 of each of the plurality of power supply units are commonly connected, and the other end of each of the switch means 3 of each of the plurality of power supply units is The ground terminals of the monitoring ECUs 2 of the plurality of power supply units are commonly connected.
  • the monitoring ECU 2 has a power supply terminal connected to the positive terminal of the battery module 1, a ground terminal connected to the negative terminal of the battery module 1 via the diode 4, and receives power supply from the battery module 1. While monitoring the abnormality of the load Z, and outputs an on / off signal for turning on the switch means 3 for connecting the non-abnormal battery module in accordance with the state of the power amount required by the load Z. Furthermore, since each monitoring ECU 2 communicates with each other, the ground terminals of the monitoring ECUs 2 are commonly connected.
  • the switch 3-1 is in the off state, and the switch 3-2 is in the on state.
  • power is supplied to the load Z from the battery module 1-2 connected to the switch 3-2 in the on state.
  • each switch means 3-1, 3-2 can be controlled on / off independently.
  • each power supply unit is a diode in which the ground terminal and the anode of the monitoring ECU 2 are connected and the negative terminal and the cathode of the battery module 1 are connected. have.
  • This diode can prevent current from flowing from the battery module 1-2 connected to the switch 3-2 in the ON state to the battery module 1-1 connected to the switch 3-1 in the OFF state, and each power supply unit The switch means 3 can be independently controlled on / off.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of the main parts of a power supply device 10A according to a second embodiment of the present invention, and is common to FIG. 2 showing the power supply device 20 of the comparative example and FIG. The elements of are given the same reference numerals.
  • the power supply unit 10A includes a battery module 1 (1-1, 1-2) similar to the power supply unit 10 shown in FIG. 4, a monitoring ECU 2 (2-1, 2-2), a switch unit 3 (3-1, 3-2) and a diode 4 (4-1, 4-2), and a control ECU 5 as a monitoring control means for monitoring and controlling the monitoring ECU 2 (2-1, 2-2) is newly added.
  • the control ECU 5 has a power supply terminal connected to the positive terminal of the battery module 1, receives power supply from the battery module 1, transmits and receives control signals to and from the monitoring ECU 2, and supplies power to the monitoring ECU 2.
  • the ground terminal of the control ECU 5 is commonly connected to the anodes of the diodes 4 of each of the plurality of power supply units, and is connected to the negative terminal of each battery module 1 through the diodes 4. -The ground terminals of 1,2- and 2-2 are common. Furthermore, the control ECU 5 may be controlled in accordance with an instruction from a higher control means (not shown). Note that power may be supplied to the monitoring ECU 2 through the control ECU 5 or directly from the battery module 1 to the monitoring ECU 2.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the power supply device 10A of FIG.
  • the current supplied from the positive terminal of battery modules 1-1, 1-2 to the power supply terminal of the control ECU is the diode 4 regardless of the on / off state of switch means 3-1, 3-2. Reflowing to the negative terminal of the battery modules 1-1, 1-2 via -1, -2.
  • the power consumed by the control ECU 5 can be equally used from the battery modules 1-1 and 1-2 connected in parallel. Therefore, if the inter-terminal voltage of the battery modules 1-1 and 1-2 varies, the battery module 1-1 or 1-2 having a higher inter-terminal voltage can be used.

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Abstract

 電源装置10は、複数のセルが直列接続された電池モジュール1と、電池モジュール1の異常を監視する監視ECU2と、監視ECU2のグランド端子と電池モジュール1の負端子との間に接続されたダイオード4と、電池モジュール1の負端子とダイオード4のカソードとに接続され、監視ECU2によりオン/オフ制御されるスイッチ手段3と、を有する複数の電源ユニットが、各々の電池モジュール1の正端子が共通接続され、かつ各々のスイッチ手段4の他端が共通接続され、かつ各々の監視ECU2のグランド端子が共通接続されている。これにより、オフ状態のスイッチ手段3に接続された電池モジュール1への電流の回り込みを防止し、各スイッチ手段3を独立にオン/オフ制御できる。

Description

電源装置
 本発明は、電池の複数のセルが直列接続され、各セルの異常監視機能を備えた電池モジュールを並列に接続した電源装置に関する。
 従来、複数のセルが直列接続され、各セルの異常監視機能を備えた電池モジュールを並列に接続した電源装置に関して、例えば、下記特許文献1~3のような文献がある。
 下記特許文献1には、複数のセルが直列接続された電池と、セルの異常を監視し、異常を検出した場合にスイッチオフ信号によりオフ状態となるスイッチと、を有する複数の電池ユニットが並列接続された電池システムが記載されている。又、下記特許文献2には、複数のセルが直列接続された組電池と、電池の異常を監視する電池監視手段とを有する電源装置が記載されている。更に、下記特許文献3には、複数のセルが直列接続された組電池と、複数の電池間の出力電圧の差によって生じる電流の逆流を防止する1つ以上の逆流防止ダイオードとを有する電源装置が記載されている。
特開2010-88202号公報 特開2004-120856号公報 特開2011-205866号公報
 しかしながら、特許文献1の電源装置では、スイッチオフ信号によりオフ状態となるスイッチが電池の正の端子側に配置されているため、スイッチを電界効果トランジスタ等で構成する場合に制御電圧を高い電圧にする必要がある。低い制御電圧で電界効果トランジスタ等のスイッチを制御するためには、スイッチを電池の負の端子側に配置する必要があるが、電池の負の端子側を共通グランドにすると、オン状態のスイッチに接続された電池から、オフ状態のスイッチに接続された電池に電流が回り込み、並列接続された電池を独立にオン/オフ制御できない。
 又、特許文献2の電源装置は、劣化判定対象の組電池と劣化判定対象外の組電池とを分けて充放電試験を行うことができるが、異常が検出された組電池を切り離す機能を有していない。更に、特許文献3の電源装置は、各電池の異常を検出し、異常が検出された組電池を切り離す機能を有していない。
 本発明は、複数のセルが直列接続され、各セルの異常監視機能を備えた複数の電池モジュールを並列に接続した電源装置において、複数の電池モジュールを低い電圧で独立にオン/オフ制御できる電源装置を提供することを課題とする。
 本発明の電源装置は、複数のセルが直列接続された電池モジュールと、前記電池モジュールから電力供給を受けて前記電池モジュールの異常を監視する監視手段と、前記監視手段のグランド端子とアノードが接続され、前記電池モジュールの負の端子とカソードが接続されたダイオードと、一端が前記電池モジュールの負の端子と前記ダイオードのカソードとの接続点に接続され、前記監視手段によりオン/オフ制御されるスイッチ手段と、を有する複数の電源ユニットが、各々の前記電池モジュールの正の端子が共通接続され、かつ各々の前記スイッチ手段の他端が共通接続され、かつ各々の前記監視手段の前記グランド端子が共通接続されていることを特徴とする。
 本発明によれば、各電源ユニットが、監視手段のグランド端子とアノードが接続され、電池モジュールの負の端子とカソードが接続されたダイオードを有している。このダイオードにより、オン状態のスイッチに接続された電池から、オフ状態のスイッチに接続された電池への電流の回り込みを防止し、各電源ユニットのスイッチ手段を独立にオン/オフ制御することができる。
本発明の第1実施形態の電力供給システムの概略を示すブロック図 比較例の電源装置20の要部の回路図 図2の電源装置20における電流回り込みを説明する図 本発明の第1実施形態の電源装置10の要部の回路図 図4の電源装置10の動作を説明する図 本発明の第2実施形態の電源装置10Aの要部の回路図 図6の電源装置10Aの動作を説明する図
 以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
 図1は、本発明の第1実施形態の電力供給システムの概略を示すブロック図である。
 図1の電力供給システムは、電源装置10と、負荷Zとを有し、電源装置10から負荷Zへ電流Itが供給されている。負荷Zから電源装置10へは、負荷の状態を示す信号が出力されている。
 図2は、比較例の電源装置20の回路図であり、図3は、図2の電源装置20における電流の回り込みを説明する図である。
 図2の電源装置20は、複数のセルが直列接続された複数の電池モジュール1-1,1-2を有している。電池モジュール1から電力供給を受けて電池モジュール1の電圧、電流、温度の少なくとも1つの異常を監視する監視手段としての監視電子制御ユニット(Electronic Control Unite、以下「ECU」という。)2(2-1,2-2)を有している。更に、一端が電池モジュール1の負の端子に接続され、監視ECU2が出力する制御信号によりオン/オフ制御されるスイッチ手段3(3-1,3-2)を有している。スイッチ手段3は、例えば、電界効果トランジスタ(FET)等により構成される。電池モジュール1と、監視ECU2と、スイッチ手段3と、により電源ユニットが構成されている。
 電源装置20は、複数の電源ユニットの、各々の電池モジュール1の正の端子が共通接続され、かつ各々のスイッチ手段3の他端が共通接続され、かつ各々の監視ECU2のグランド端子がスイッチ手段3の一端と共通接続されて、構成されている。各々の監視ECU2のグランド端子が共通接続されているのは、各々の監視ECU2同士が相互に通信を行うためである。電源装置20は、監視ECU2から出力される低電圧のオン/オフ信号によりスイッチ手段3(3-1,3-2)を独立に制御することを意図した回路である。
 図3において、スイッチ3-1はオフ状態であり、スイッチ3-2はオン状態である。この場合、オン状態のスイッチ3-2に接続された電池モジュール1-2から負荷Zに電力が供給される。しかし、監視ECU2-1及び2-2のグランド端子が共通に接続されているため、オフ状態のスイッチ3-1に接続された電池モジュール1-1にも、一点鎖線の矢印で示した経路で電流が回り込む。そのため、各々のスイッチ手段3-1,3-2を独立にオン/オフ制御することができない。
 図3では、スイッチ3-1はオフ状態であり、スイッチ3-2はオン状態であるとして説明したが、スイッチ3-1がオン状態であり、スイッチ3-2がオフ状態であって良い。この場合には、オン状態のスイッチ3-1に接続された電池モジュール1-1から負荷Zへ流れる電流の一部が、オフ状態のスイッチ3-2に接続された電池モジュール1-2へ回り込み、各々のスイッチ手段3-1,3-2を独立にオン/オフ制御することができない。
 尚、図2,図3では、説明の都合上、電源装置20は、2つの電源ユニットが並列接続された構成を例に説明したが、並列接続される電源ユニットの数は2つに限定されず、任意の数の電源ユニットを並列接続した電源装置について、同様の電流の回り込みが発生する。
 そこで、各々のスイッチ手段3-1,3-2を独立にオン/オフ制御できる本発明の第1実施形態の電源装置10を発明した。
 図4は、本発明の第1実施形態の電源装置10の要部の回路図であり、図5は、図4の電源装置10の動作を説明する図である。
 図4において、電源装置10は、複数のセルが直列接続された電池モジュール1と、電池モジュール1から電力供給を受けて電池モジュール1の電圧、電流、温度の少なくとも1つの異常を監視する監視手段としての監視ECU2(2-1,2-2)と、監視ECU2のグランド端子とアノードが接続され、電池モジュール1の負の端子とカソードが接続されたダイオード4(4-1,4-2)と、一端が電池モジュール1の負の端子とダイオード4のカソードとの接続点に接続され、監視ECU2によりオン/オフ制御されるスイッチ手段3(3-1,3-2)と、を有する複数の電源ユニットを備え、複数の電源ユニットの各々の電池モジュール1の正の端子が共通接続され、かつ複数の電源ユニットの各々のスイッチ手段3の他端が共通接続され、かつ複数の電源ユニットの各々の監視ECU2のグランド端子が共通接続されている。
 監視ECU2は、電源供給端子が電池モジュール1の正の端子に接続され、グランド端子がダイオード4を介して電池モジュール1の負の端子に接続され、電池モジュール1から電力供給を受けて電池モジュール1の異常を監視すると共に、負荷Zが必要とする電力量の状態に応じて、異常でない電池モジュールを接続するスイッチ手段3をオン状態にするオン/オフ信号を出力する。更に、各監視ECU2同士で通信を行うため、各監視ECU2のグランド端子は、共通接続されている。
 次に、図5に基づいて、第1実施形態の電源装置10の回路の動作について説明する。
 図5において、図3と同様に、スイッチ3-1はオフ状態であり、スイッチ3-2はオン状態である。この場合、オン状態のスイッチ3-2に接続された電池モジュール1-2から負荷Zに電力が供給される。
 この場合、図3と異なり、監視ECU2-1のグランド端子にダイオード4-1のアノードが接続され、ダイオード4-1のカソードが電池モジュール1の負の端子に接続されているため、オフ状態のスイッチ3-1に接続された電池モジュール1-1には、電流が回り込まない。そのため、各々のスイッチ手段3-1,3-2を独立にオン/オフ制御することができる。
 図4に示された第1実施形態の電源装置10の構成によれば、各電源ユニットが、監視ECU2のグランド端子とアノードが接続され、電池モジュール1の負の端子とカソードが接続されたダイオードを有している。このダイオードにより、オン状態のスイッチ3-2に接続された電池モジュール1-2から、オフ状態のスイッチ3-1に接続された電池モジュール1-1へ電流が回り込むのを防止でき、各電源ユニットのスイッチ手段3を独立にオン/オフ制御することができる。
(第2実施形態)
 図6は、本発明の第2実施形態の電源装置10Aの要部の回路図であり、比較例の電源装置20を示す図2、及び第1実施形態の電源装置10を示す図4と共通の要素には共通の符号が付されている。
 電源装置10Aは、図4に示された電源装置10と同様の電池モジュール1(1-1,1-2)、監視ECU2(2-1,2-2)、スイッチ手段3(3-1,3-2)、及びダイオード4(4-1,4-2)を有し、新たに、監視ECU2(2-1,2-2)を監視制御する監視制御手段としての制御ECU5が追加されている。制御ECU5は、電源端子が電池モジュール1の正の端子に接続され、電池モジュール1から電力供給を受けて監視ECU2と制御信号の送受信を行うと共に、監視ECU2へ電力供給を行うものである。制御ECU5は、グランド端子が複数の電源ユニットの各々のダイオード4のアノードに共通接続され、ダイオード4を介して各々の電池モジュール1の負の端子に接続され、制御ECU5のグランド端子と、監視ECU2-1,2-2のグランド端子を共通にしている。
更に、制御ECU5は、図示しない上位の制御手段からの命令に従って制御されても良い。尚、監視ECU2への電力供給は、制御ECU5を介して電力供給を行っても、電池モジュール1から監視ECU2へ直接電力供給を行っても良い。
 図7は、図6の電源装置10Aの動作を説明する図である。
 図7において、電池モジュール1-1,1-2の正の端子から制御ECUの電源端子へ供給された電流は、スイッチ手段3-1,3-2のオン/オフ状態に関係なく、ダイオード4-1,4-2を介して電池モジュール1-1,1-2の負の端子へ還流している。
 これにより、制御ECU5が消費する電力を、並列接続された電池モジュール1-1,1-2から均等に使用することができる。そのため、もし、電池モジュール1-1と1-2との端子間電圧がばらついた場合には、端子間電圧が高い方の電池モジュール1-1又は1-2を使用することができる。
 1,1-1,1-2    電池モジュール
 2,2-1,2-2    監視ECU
 3,3-1,3-2    スイッチ手段
 4,4-1,4-2    ダイオード
 5            制御ECU
10,10A,20     電源装置
 Z            負荷

Claims (3)

  1.  複数のセルが直列接続された電池モジュールと、
     前記電池モジュールから電力供給を受けて前記電池モジュールの異常を監視する監視手段と、
     前記監視手段のグランド端子とアノードが接続され、前記電池モジュールの負の端子とカソードが接続されたダイオードと、
     一端が前記電池モジュールの負の端子と前記ダイオードのカソードとの接続点に接続され、前記監視手段によりオン/オフ制御されるスイッチ手段と、
     を有する複数の電源ユニットを備え、
     前記複数の電源ユニットにおいて、
     各々の前記電池モジュールの正の端子が共通接続され、かつ各々の前記スイッチ手段の他端が共通接続され、かつ各々の前記監視手段の前記グランド端子が共通接続されていることを特徴とする電源装置。
  2.  前記電池モジュールの正の端子から前記監視手段の電力供給端子へ電力が供給されることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3.  前記複数の電源ユニット内の各々の前記監視手段を監視制御する監視制御手段を有し、
     前記監視制御手段は、
     前記電池モジュールの正の端子からへ電力供給を受け、前記監視制御手段のグランド端子は前記複数の電源ユニットの各々の前記ダイオードにおける各アノードに共通接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
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