JP4440717B2

JP4440717B2 - 直流電圧供給装置

Info

Publication number: JP4440717B2
Application number: JP2004193018A
Authority: JP
Inventors: 健一根本; 清室岡; 敏雄松島
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; NTT Facilities Inc
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; NTT Facilities Inc
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006020382A

Description

本発明は、電池を直列に接続し、所望の直流電圧を供給する直流電圧供給装置に関する。

従来より、通信機器等の負荷装置に電力を供給する電力供給システムのバックアップ用としてシール鉛蓄電池が主に使用されている。このシール鉛蓄電池が通信機器のために広く使用されてきたのは、安価であることに加えて、一定電圧に維持することで容量保存に必要な維持充電や停電後の回復充電を行えるというシステム構成上のメリットがあったからである。

一方で、近年は、電源システムの小型化やバックアップ時間の短縮化といった要求があるが、従来から用いられているシール鉛蓄電池では、電流放電時の電流値に制限があるために電池の小型化には限界があった。また、シール鉛蓄電池を小型化するためには、高エネルギー密度であるとともに、大電流放電にも耐えうる二次電池の適用が有効であるが、この点において、リチウムイオン電池は、上記の条件を備えるとともに、シール鉛蓄電池のように定電圧充電にも適するという特性をもっている。

そこで、リチウムイオン電池を用いて、小型で、高容量の直流電圧供給装置の実現が図られている。ところが、この直流電圧供給装置に用いられるリチウムイオン電池は、それぞれ電位が異なるために、個々のリチウムイオン電池に対して、電圧の安定化を図るバイパス回路の電位もそれぞれに異なることになる。

また、バイパス回路は、各リチウムイオン電池の満充電電圧を基準電圧として動作を行うため、リチウムイオン電池の満充電電圧が固定であれば、それぞれのバイパス回路において、基準電圧を生成することは可能であるが、リチウムイオン電池の満充電電圧を変動させたい場合には、それぞれのバイパス回路に対して、絶縁された基準電圧を生成しなければならない。

さらに、直列に接続されたリチウムイオン電池の電圧値を安定化させる直流電圧安定回路が備えられたシステムにおいては、直列に接続されたリチウムイオン電池の満充電時のセル電圧が直流電圧安定回路の出力電圧と同じになる。そのため、各リチウムイオン電池の充電電圧にバラツキが生じないように、各リチウムイオン電池のセル電圧は、直流電圧安定回路の出力電圧をリチウムイオン電池の数（セル数）で除した電圧値に制御する必要がある。同様に、各々のバイパス回路には、直流安定化回路の出力電圧をセル数で除した電圧値に相当する基準電圧を供給する必要がある。

こうした問題点に対応して、図４に示すような技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧を検出するアイソレーションアンプ等からなる電圧検出器２ａ、２ｂ、２ｃと、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃに流れる充電電流値を検出するホール素子等で構成された電流検出器１６ａ、１６ｂ、１６ｃとを備え、検出したそれぞれのセル電圧と充電電流値をマイクロプロセッサに取り込み、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃで必要とされる適切なバイパス電流を演算する。

マイクロプロセッサにおける演算結果は、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧が異なることから、フォトカプラ等を介して、ドライブ回路に供給される。これによって、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの充電電流をコントロールすることにより、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧を制御している。
特開平９−１８２３０７号公報

しかし、上述の技術においては、各リチウムイオン電池のセル電圧を適切に制御することは可能であるものの、リチウムイオン電池のセル電圧や充電電流を個々に検出し、これをマイクロプロセッサにおいて演算制御するため、回路構成が複雑になる。また、こうした制御に対応した新たなソフトウエアも必要となるといった問題がある。

そこで、本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、ソフトウエアによらない簡易な回路構成により、各リチウムイオン電池のセル電圧を適切に制御できる直流電圧供給装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電池の直列電圧を外部に供給する直流電圧供給装置であって、該直列接続された個々の電池に対して設けられ、該電池のセル電圧が基準電圧以上の場合に充電電流をバイパスするバイパス回路と、該直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電池に充電電流を供給するとともに、該直列接続された電池の直列電圧を所定の電圧値に安定化する電圧安定化手段と、前記電圧安定化手段の安定化された出力電圧をｎ−１：１に分圧する、少なくとも１つの可変抵抗器を含む複数の直列接続された抵抗器が前記電圧安定化手段の出力端に並列に接続され、前記電圧安定化手段の出力電圧の１／ｎの電圧を前記バイパス回路が共用する１つの基準電圧として生成する基準電圧生成部と、前記複数の抵抗器のうち、前記電圧安定化手段の出力電圧の１／ｎの前記基準電圧を生成する抵抗器の両端間の電圧を検出し、セル電圧と比較するための基準電圧として前記バイパス回路に供給するアイソレーションアンプからなる電圧検出手段と、前記電池の充電電流供給路に設けられ、前記電池に流れる電流値が所定の閾値を超えた場合に前記電池への電流供給量を一定に制御する電流制限手段と、を備え、前記バイパス回路が電池のセル電圧と前記電圧検出手段により供給された基準電圧との差分を検出する差分電圧検出手段と、該差分電圧検出手段の検出値に基づいて前記電池の充電電流をバイパスするバイパス手段と、を有することを特徴とする直流電圧供給装置を提案している。

この発明によれば、バイパス回路の作動により、各電池のセル電圧と基準電圧生成部において生成された基準電圧との差分電圧が検出され、電池のセル電圧が基準電圧以上の場合に、充電電流をバイパスすることにより、基準電圧による一定電圧を維持し、過電圧状態を回避する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載された直流電圧供給装置について、前記電池の充電電流供給路における前記電流制限手段に直列に接続され、該充電電流供給路を開閉する切換手段と、各電池のセル電圧を所定の電圧値と比較し、該セル電圧が該電圧値よりも高い電池があるときに、該切換手段を開に制御する過電圧制御手段を備えたことを特徴とする直流電圧供給装置を提案している。

この発明によれば、過電圧制御手段の作動により、バイパス回路が作動しているにも関わらず、何らかの要因によって直列接続された電池に、そのセル電圧が所定の電圧値よりも高いものがあるときに、切換手段を作動させて充電電流供給路を開放する。これにより、何らかの要因によって、故障した電池が存在する場合に、故障した電池を検出するとともに、この電池への充電電流の供給を簡易な構成で防止することができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載された直流電圧供給装置について、各電池のセル電圧を所定の電圧値と比較し、該セル電圧が該電圧値よりも低いときに、該切換手段を開に制御する過放電制御手段を備えたことを特徴とする直流電圧供給装置を提案している。

この発明によれば、過放電制御手段の作動により、何らかの要因によって電池のセル電圧が所定の電圧値よりも低い電池があるときに、切換手段を作動させて充電電流供給路を開放する。これにより、何らかの要因によって、故障した電池が存在する場合に、故障した電池を検出するとともに、この電池を含むすべての電池への充電電流の供給を簡易な構成で防止することができる。

本発明によれば、ソフトウェアは使用せず、直流電圧安定回路の出力電圧の１／ｎに相当する電圧を基準電圧にすることにより、リチウムイオン電池のセル電圧を適切に制御できるという効果がある。この基準電圧は、インピーダンス分圧により容易に生成することができ、直流電圧安定回路の出力電圧に連動している為、リチウムイオン電池の充電電圧を可変したい場合は、直列接続された各リチウムイオン電池の基準電圧を操作することなく、直流電圧安定回路の出力電圧のみを変えることにより、容易に実現できる。

以下、本発明の実施例に係る直流電圧供給装置について図１から図３を参照して詳細に説明する。

本発明に係る直流電圧供給装置は、図１に示すように、基準電圧生成部１を構成する抵抗器１ａ、１ｂ、１ｃと、電圧検出器２ａ、２ｂ、２ｃと、リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃと、バイパス回路４と、バイパス回路４内に設けられた差動増幅器５と、スイッチ６と、電流制限回路７と、直流電圧安定回路２０とから構成されている。

基準電圧生成部１は、直流電圧安定回路２０と並列に抵抗器１ａ、１ｂ、１ｃを直列に配置して、これらの分圧値、すなわち、抵抗器１ａの両端電圧を基準電圧として生成する。なお、抵抗器１ａの抵抗値と抵抗器１ｂおよび抵抗器１ｃの合成抵抗値の比は、直列接続されるリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル数に対応した値になっている。

また、抵抗器１ａ、１ｂ、１ｃのうち、少なくとも１つを可変抵抗器とすることにより、抵抗器個体のバラツキや温度、湿度等の環境条件において生ずるバラツキを吸収し、最適な基準電圧を生成することもできる。

電圧検出器２ａ、２ｂ、２ｃは、バイパス回路４内にある差動増幅器５に前述の基準電圧生成部１において生成される基準電圧を供給する。なお、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧は、個々に異なる電位を有することから、電圧検出器２ａ、２ｂ、２ｃには、アイソレーションアンプ等が用いられている。

リチウムイオン電池は、電圧が高い、エネルギー密度が高い、メモリー効果がない、サイクル寿命が長い、急速放電が可能である、保存特性が良い、高出力が取り出せる、といった利点を有し、ノートパソコンや携帯電話機はもとより、電気自動車の電力供給源としても用いられている。

バイパス回路４は、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃに並列に設けられ、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧を検出するとともに、これを基準電圧生成部１から供給された基準電圧と比較して、その差分値に基づいて、ドライブ回路がＦＥＴ等を不飽和領域で操作して充電電流をバイパスする。

具体的には、検出した電圧値が基準電圧よりも高いときには、ドライブ回路を起動して充電電流をバイパスするとともに、検出した電圧値が基準電圧よりも低いときには、ドライブ回路を起動せずに、各電池は、直流電圧安定回路２０から供給される充電電流による充電を促す。

スイッチ６は、少なくとも１つのリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃが過電圧状態あるいは過放電状態を検出した場合に、開状態となって、直列に接続されたリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃを充電電流供給路から切り離す切換手段である。

具体的には、本発明に係る直流電圧供給装置は、図２に示すような異常検出部を備えており、異常検出部は、過電圧検出部８と、過放電検出部９と、フォトカプラ１０とから構成されている。異常検出部は、過電圧検出部８あるいは過放電検出部９において、少なくとも１つのリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃが過電圧状態あるいは過放電状態であると検出されたときに、その情報をフォトカプラ１０を介して光信号として伝達し、スイッチ６の開閉を制御する。なお、検出信号の伝達に光信号を用いるのは、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃにおけるセル電圧の電位が異なるためである。

ここで、過電圧検出部８あるいは過放電検出部９は、図３に示すように、抵抗器１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、定電圧ダイオード１２と、コンパレータ１３とから構成されており、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧の分圧値と抵抗器１１ｃおよび定電圧ダイオード１２とから生成される所定の電圧値とを比較して、セル電圧の分圧値がこの所定の電圧値を上回ったときには、過電圧状態であると判断する。

一方で、抵抗器１１ａ、１１ｂで得られるセル電圧の分圧値がこの所定の電圧値を下回ったときには、過放電状態であると判断して、これに対応する信号をフォトカプラ１０に供給する。フォトカプラ１０は、図３に示すように、ＬＥＤ１４とフォトトランジスタ１５ａ、１５ｂとから構成され、光信号を電気信号に変換するとともに、この電気信号により例えばリレーを駆動してスイッチ６を開閉制御する。

なお、過電圧であるとして動作する電圧値としては、例えば４．５Ｖ等が挙げられ、過放電であるとして動作する電圧値としては、例えば３．０Ｖ等が挙げられる。また、基準電圧値としては、例えば、４．０Ｖ等が挙げられる。これらの電圧値は、使用するリチウムイオン電池の種類によって変化するため、使用するリチウムイオン電池に対応した適切な値を設定すればよい。なお、スイッチ６が動作した場合の復帰動作については、例えば、過電圧の場合は手動復帰、過放電の場合は自動復帰となる。

過電圧検出部８あるいは過放電検出部９は、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧を監視することができるため、充電時にセル電圧がリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの安全範囲を越えた場合にはこれを検出して、スイッチ６を開とすることにより、リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの安全性を確保することが可能となる。

電流制限回路７は、直列に接続されたリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃに流れる充電電流をモニタし、この電流値が所定の閾値を超えた場合には、電池への電流の供給を一定量に制限する。直流電圧安定回路２０は、ＤＣを出力するＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＤＣコンバータを電力源とし、負荷装置に対する出力電圧の安定化を図るとともに、直列に接続されたリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃに対し、充電電流を供給する。

次に、本発明の直流電圧供給装置における各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧の制御方法について説明する。
本発明の直流電圧供給装置においては、直列接続されるリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの数および満充電電圧あるいは、すべてのリチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃを充電するために必要な電流容量を定めることにより、直流電圧安定回路２０の仕様が決定される。例えば、リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの数を３、満充電電圧を４．０Ｖに設定すると、直流電圧安定回路２０の出力電圧は、１２Ｖと決定される。

一方、この場合、リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの数は３であるため、図１における基準電圧生成部１を構成する抵抗１ａ、１ｂ、１ｃの抵抗値の比は、１：１：１となり、基準電圧＝満充電電圧となる。なお、このとき、基準電圧生成部１を構成する抵抗を２個にしてその抵抗値の比を１：２としてもよい。さらに、高精度な抵抗や温度特性等に優れた抵抗器を用いずに高精度な制御を行う場合には、これらの抵抗のうち、ひとつを可変抵抗器で構成し、分圧値をモニタしながら、定数の調整を行うこともできる。

本例の場合、基準電圧である４．０Ｖの電圧は、電圧検出器２ａ、２ｂ、２ｃを介してバイパス回路４内の差動増幅器５に入力される。一方、差動増幅器５には、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧も入力され、両者の差分値が検出される。

検出値は、ドライブ回路に供給され、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧が基準電圧よりも高いときには、ドライブ回路がトランジスタを不飽和領域で動作させて充電電流をバイパスし、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧が基準電圧よりも低いときには、トランジスタをＯＦＦさせたまま、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの充電を促す。したがって、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧を最適に制御することができる。

以上、本実施例によれば、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧を制御するための基準電圧を抵抗分圧により生成するため、簡易な回路構成で、的確な制御が可能となる。
また、過電圧検出部８あるいは過放電検出部９が、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧を個別に監視し、充電時における各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃのセル電圧が所定の範囲を越えた場合に、異常を検出して、スイッチ６を開とするため、各リチウムイオン電池３ａ、３ｂ、３ｃの安全性を確保することが可能となる。

以上、図面を参照して本発明の実施例について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本実施例においては、基準電圧を抵抗器から構成される分圧回路で生成する例を示したが、これに限らず、分圧値を生成できる素子であればよい。また、本実施例における基準電圧の生成方法は、充電器に対しても用いることができる。

本発明の構成図である。本発明の異常検出部の構成図である。本発明の過電圧検出部および過放電検出部の構成図である。従来技術の構成図である。

符号の説明

１・・・基準電圧生成部、１ａ、１ｂ、１ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・抵抗器、２ａ、２ｂ、２ｃ・・・電圧検出器、３ａ、３ｂ、３ｃ・・・リチウムイオン電池、４・・・バイパス回路、５・・・差動増幅器、６・・・スイッチ、７・・・電流制限回路、８・・・過電圧検出部、９・・・過放電検出部、１０・・・フォトカプラ、１２・・・定電圧ダイオード、１３・・・コンパレータ、１４・・・ＬＥＤ、１５ａ、１５ｂ・・・フォトトランジスタ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ・・・電流検出器、２０・・・直流電圧安定回路

Claims

直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電池の直列電圧を外部に供給する直流電圧供給装置であって、
該直列接続された個々の電池に対して設けられ、該電池のセル電圧が基準電圧以上の場合に充電電流をバイパスするバイパス回路と、
該直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電池に充電電流を供給するとともに、該直列接続された電池の直列電圧を所定の電圧値に安定化する電圧安定化手段と、
前記電圧安定化手段の安定化された出力電圧をｎ−１：１に分圧する、少なくとも１つの可変抵抗器を含む複数の直列接続された抵抗器が前記電圧安定化手段の出力端に並列に接続され、前記電圧安定化手段の出力電圧の１／ｎの電圧を前記バイパス回路が共用する１つの基準電圧として生成する基準電圧生成部と、
前記複数の抵抗器のうち、前記電圧安定化手段の出力電圧の１／ｎの前記基準電圧を生成する抵抗器の両端間の電圧を検出し、セル電圧と比較するための基準電圧として前記バイパス回路に供給するアイソレーションアンプからなる電圧検出手段と、
前記電池の充電電流供給路に設けられ、前記電池に流れる電流値が所定の閾値を超えた場合に前記電池への電流供給量を一定に制御する電流制限手段と、
を備え、
前記バイパス回路が電池のセル電圧と前記電圧検出手段により供給された基準電圧との差分を検出する差分電圧検出手段と、
該差分電圧検出手段の検出値に基づいて前記電池の充電電流をバイパスするバイパス手段と、
を有することを特徴とする直流電圧供給装置。
前記電池の充電電流供給路における前記電流制限手段に直列に接続され、該充電電流供給路を開閉する切換手段と、
各電池のセル電圧を所定の電圧値と比較し、該セル電圧が該電圧値よりも高い電池があるときに、該切換手段を開に制御する過電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載された直流電圧供給装置。
各電池のセル電圧を所定の電圧値と比較し、該セル電圧が該電圧値よりも低いときに、該切換手段を開に制御する過放電制御手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載された直流電圧供給装置。