JP2010063264A - Voltage balance correcting circuit of serial storage cell - Google Patents
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Abstract
【課題】たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなセル間電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、セルの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、高効率かつ高精度に補償する。
【解決手段】直列セル内の各2直列セル部C1,C2において、その2直列端子に現れる電圧(E1+E2)を等分割する抵抗分圧回路と、上記直列端子から正負の動作電源が供給される演算増幅器OP1を設置し、演算増幅器OP1は上記差動入力端子間の電圧をゼロにするような負帰還ループを形成するとともに、その動作利得が500以下となるように制御されている。
【選択図】図1In a power storage system such as a voltage sag / power failure compensation device, a railway power storage device, etc., cell voltage variation that gradually occurs during long-term charging can be easily and inexpensively connected in series. Compensates with high efficiency and high accuracy with a circuit that can easily cope with the increase or decrease in the number of connections.
In each of the two series cell portions C1 and C2 in the series cell, a resistance voltage dividing circuit that equally divides a voltage (E1 + E2) appearing at the two series terminals, and positive and negative operating power are supplied from the series terminals. An operational amplifier OP1 is installed, and the operational amplifier OP1 forms a negative feedback loop that makes the voltage between the differential input terminals zero, and is controlled so that its operating gain is 500 or less.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、直列蓄電セルの電圧バランス補正回路に関し、とくに、二次電池やキャパシタ等の蓄電セルを2以上直列接続して使用する場合に用いて有効な技術に関する。 The present invention relates to a voltage balance correction circuit for series storage cells, and more particularly to a technique that is effective when two or more storage cells such as secondary batteries and capacitors are connected in series.
二次電池やキャパシタなどの蓄電セルは、たとえば、瞬低・停電(瞬時電圧低下・瞬時停電)補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムで利用される。このような蓄電システムでは、単体の蓄電セルに充電可能な電圧が数V程度しかないため、多数の蓄電セルを直列に接続して使用する。 Power storage cells such as secondary batteries and capacitors are used in power storage systems such as an instantaneous voltage drop / power failure (instantaneous voltage drop / instantaneous power failure) compensation device, a railway power storage device, and the like. In such a power storage system, since a single power storage cell can be charged with only a few volts, a large number of power storage cells are connected in series.
直列蓄電セルでは、セル間で容量や充電率にバラツキが生じると、特定のセルに電圧が集中することによりセルの寿命が短くなってしまうという問題が生じる。たとえば、直列蓄電セルを充放電使用する際、その直列蓄電セル内のいずれかのセルが過充電または過放電の状態になると、これによる異常発熱や破裂などよって蓄電システム全体に障害が及んでしまう。このセル間の電圧バラツキによる問題は直列接続数が多くなるほど顕著になる。したがって、蓄電セルの直列接続使用では、各セルの電圧の均等化が重要な課題となる。 In a series storage cell, when the capacity | capacitance and a charging rate vary between cells, the voltage will concentrate on a specific cell and the problem that the lifetime of a cell will become short arises. For example, when charging / discharging a series storage cell, if any cell in the series storage cell is overcharged or overdischarged, the entire storage system is damaged due to abnormal heat generation or rupture. . The problem due to voltage variation between cells becomes more prominent as the number of series connections increases. Therefore, equalization of the voltage of each cell is an important issue when using the storage cells connected in series.
そこで、従来においては、図8に示すように、直列蓄電セルC1〜C4の直列端子と外部端子(T1−T2)の間に過充電保護スイッチSuvpと過放電保護スイッチSovpを直列に介在させるとともに、各セルC1〜C4の電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧に異常が生じたときに上記スイッチSuvpまたはSovpをオン状態からオフ状態に設定するセル保護回路20が提案されている(特許文献1参照)。
Therefore, in the prior art, as shown in FIG. 8, an overcharge protection switch Suvp and an overdischarge protection switch Sovp are interposed in series between the series terminals of the series storage cells C1 to C4 and the external terminals (T1-T2). A
また、直列接続された蓄電セルの電圧を均等化させる別の手段として、直列接続された2つのセル間に電流蓄積用のインダクタを設け、一方のセルから上記インダクタにインダクタ電流を充電させる充電期間と、そのインダクタ電流を、他方のセルを充電する経路で放電させる放電期間とを交互に切換設定するようにした、ダイナミック動作方式の直列セルの電圧バランス補正回路が提案されている(特許文献2参照)。 In addition, as another means for equalizing the voltages of the series-connected storage cells, a charging period is provided in which an inductor for current storage is provided between two series-connected cells, and the inductor current is charged from one cell to the inductor. And a voltage balance correction circuit for a series cell of a dynamic operation system in which the inductor current is alternately switched between a discharge period for discharging in the path for charging the other cell (Patent Document 2). reference).
このダイナミック動作方式の電圧バランス補正回路は、たとえば電気自動車の動力電源あるいや負荷平準化用の蓄電システムなどのように、充電と放電が高頻度で繰り返えされる蓄電システムで採用されている。 This dynamic operation type voltage balance correction circuit is employed in a power storage system in which charging and discharging are repeated at a high frequency, such as a power source for an electric vehicle or a power storage system for load leveling.
さらに別の手段としては、図9に示すように、直列接続された第1のセルC1と第2のセルC2の直列端子に現れる電圧(E1+E2)を等分割する抵抗分圧回路(R11,R12)と、上記直列端子から正負の動作電源(+V,−V)が供給される演算増幅器OP1を設置し、上記抵抗分圧回路(R11,R12)の中間分圧点p1に現れる分圧電圧(Vp1)と上記第1のセルC1と第2のセルC2の中間接続点p2に現れる中間電圧(Vp2)を上記演算増幅器OP1の差動入力端子に入力させるとともに、その差動増幅出力を上記中間接続点p2に供給させることにより、上記差動入力端子間の電圧(Vp1−Vp2)をゼロにするような負帰還ループを形成し、第1のセルC1と第2のセルC2間に電圧差が生じたときに、電圧が高い方のセルを放電させるようにしたスタチック動作方式の直列セルの電圧バランス補正回路が提案されている(特許文献3参照)。 As another means, as shown in FIG. 9, a resistance voltage dividing circuit (R11, R12) that equally divides the voltage (E1 + E2) appearing at the series terminals of the first cell C1 and the second cell C2 connected in series. ) And an operational amplifier OP1 to which positive and negative operating power supplies (+ V, −V) are supplied from the series terminal, and a divided voltage (appears at the intermediate voltage dividing point p1 of the resistance voltage dividing circuit (R11, R12)). Vp1) and an intermediate voltage (Vp2) appearing at the intermediate connection point p2 of the first cell C1 and the second cell C2 are input to the differential input terminal of the operational amplifier OP1, and the differential amplified output is input to the intermediate voltage By supplying the voltage to the connection point p2, a negative feedback loop is formed so that the voltage (Vp1-Vp2) between the differential input terminals becomes zero, and a voltage difference is generated between the first cell C1 and the second cell C2. When the voltage Voltage balance correction circuit for series-connected cells of static operation scheme so as to discharge had how cells have been proposed (see Patent Document 3).
図9において、(a)はそのスタチック動作方式の電圧バランス補正回路101を示し、(b)および(c)はそれぞれその要部の動作特性グラフを示す。
しかしながら、上述した従来の技術には次のような問題があった。
まず、図8に示したセル保護回路20では、それぞれの容量が2000Fで使用電圧範囲が3.9V〜2.0VのセルC1〜C4を4直列した場合、各セルC1〜C4の電圧バランスが取れていれば、その4直列セルは15.6V〜8Vの電圧範囲で使用でき、かつ全体として500Fの合成容量を有するキャパシタ・モジュールとなる。
However, the conventional techniques described above have the following problems.
First, in the
しかし、同図に示すように、各セルC1〜C4の電圧が均等でなく、2.001Vから3.899Vまでのバラツキが生じた場合、4直列電圧が正常電圧範囲内の13.7Vであっても、この状態から少しでも充電(約0.1V分)が進むと、電圧範囲(3.9V〜2.0V)の上限(>3.9V)を越えるセル(C1〜C3)が生じて過充電保護スイッチSovpが作動してしまう。 However, as shown in the figure, when the voltages of the cells C1 to C4 are not uniform and a variation from 2.001V to 3.899V occurs, the 4 series voltage is 13.7V within the normal voltage range. However, if charging (about 0.1V) proceeds from this state, cells (C1 to C3) exceeding the upper limit (> 3.9V) of the voltage range (3.9V to 2.0V) are generated. The overcharge protection switch Sovp is activated.
一方、上記4直列電圧が正常電圧範囲内の13.7Vであっても、この状態から少しでも放電(約0.1V分)が進むと、今度は、電圧範囲(3.9V〜2.0V)の下限(<2.0V)を下回るセル(C4)が生じて過放電保護スイッチSuvpが作動してしまう。この結果、4直列セルはキャパシタ・モジュールとしての機能を果たせない。ここで、保護回路とは別にバランス補正回路が必要になる。 On the other hand, even if the above 4 series voltage is 13.7V within the normal voltage range, if discharge (about 0.1V) progresses even slightly from this state, this time the voltage range (3.9V to 2.0V) ) Occurs below the lower limit (<2.0 V), and the overdischarge protection switch Suvp is activated. As a result, the 4-series cell cannot function as a capacitor module. Here, a balance correction circuit is required separately from the protection circuit.
次に、上述したダイナミック動作方式の直列セルの電圧バランス補正回路は、充電と放電が高頻度で繰り返えされる蓄電システムには有効であるが、回路が複雑で高コストであるという問題があった。 Next, the above-described voltage balance correction circuit of the series cell of the dynamic operation method is effective for a power storage system in which charging and discharging are repeated at a high frequency, but there is a problem that the circuit is complicated and expensive. It was.
瞬低・停電補償装置のように充電状態が長期にわたって継続するような蓄電システムでは、電圧の高いセルが生じた場合にその高電圧セルだけを放電させることによってセル間の電圧バラツキを補償する動作方式(スタチック動作方式)の方が、回路の簡略化と低コスト化に有利であることを本発明者らは知得した。 In a storage system where the state of charge continues for a long period of time, such as a voltage sag / power failure compensation device, when a high voltage cell occurs, only the high voltage cell is discharged to compensate for voltage variations between cells. The present inventors have found that the method (static operation method) is more advantageous for simplifying the circuit and reducing the cost.
また、上述したダイナミック動作方式は、セル間の電圧バラツキを瞬時に行うような場合には有効であるが、長期の充電継続中に徐々に生じるようなセル間電圧バラツキを補償するのには、過剰仕様(オーバースペック)であるとともに、補償動作のための電力無駄が多いという問題が生じる。 In addition, the above-described dynamic operation method is effective in the case where the voltage variation between cells is instantaneously performed, but in order to compensate for the voltage variation between cells which gradually occurs during long-term charging, There is a problem that the power consumption is excessive for the compensation operation as well as over-specification.
しかし、図9の(a)に示したスタチック動作方式の電圧バランス補正回路101でも、同図の(b)または(c)にその動作特性グラフを示すように、2つのセルC1,C2間に生じた電圧差(E1−E2)が小さい場合であっても、過剰の放電電流(IsatまたはIsat)が通電されて、補償動作のための電力無駄が多くなるという問題が生じる。 However, even in the static balance method voltage balance correction circuit 101 shown in FIG. 9A, the operation characteristic graph is shown in FIG. 9B or FIG. Even when the generated voltage difference (E1-E2) is small, a problem arises in that excessive discharge current (Isat or Isat) is energized and power waste for compensation operation increases.
このような過剰動作は、演算増幅器OP1の利得が大きすぎることにより生じる。演算増幅器OP1は実質的に無限に近い開放利得を有していて、これを無帰還のまま使用すると、同図の(b)に示すように、補償動作のための出力電流Ioは入力電圧(Vp1−Vp2)の極性切換点で正負いずれかの飽和レベルIsatに振り切れて、電力無駄の原因となる過剰動作が行われてしまう。 Such excessive operation is caused by the gain of the operational amplifier OP1 being too large. The operational amplifier OP1 has an open gain that is substantially infinite, and if this is used without feedback, the output current Io for compensation operation is equal to the input voltage ( At the polarity switching point of Vp1-Vp2), it is overwhelmed to either the positive or negative saturation level Isat, and excessive operation that causes power waste is performed.
演算増幅器OP1は通常、その増幅動作を安定化されるために、負帰還抵抗素子(図示省略)により一定の増幅利得を持つように制御されるが、この場合においても、従来のものでは、同図の(c)に示すように、補償動作のための出力電流Ioが必要以上に流れて過剰動作による電力無駄が生じるという問題があった。 The operational amplifier OP1 is normally controlled so as to have a constant amplification gain by a negative feedback resistance element (not shown) in order to stabilize its amplification operation. As shown in (c) of the figure, there is a problem that the output current Io for the compensation operation flows more than necessary, resulting in waste of power due to excessive operation.
本発明は以上のような技術背景を鑑みたものであって、その目的は、たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなセル間電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、セルの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、高効率かつ高精度に補償するのに適した直列蓄電セルの電圧バランス補正回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the technical background as described above. The purpose of the present invention is, for example, in a power storage system such as a voltage sag / power failure compensation device, a railway power storage device, etc. The voltage of the series storage cell that is suitable for compensating high-efficiency and high-accuracy with a circuit that can easily cope with the increase and decrease in the number of series connection of cells in a simple and low-cost manner. It is to provide a balance correction circuit.
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。 Other objects and configurations of the present invention will be clarified in the description of the present specification and the accompanying drawings.
本発明は次のような解決手段を提供する。
(1)2以上の蓄電セルが直列接続されてなる蓄電セル列の各電圧を均等化させる直列蓄電セルの電圧バランス補正回路であって、
(a)直列接続順で隣り合う第1のセルと第2のセル間にそれぞれ、その第1のセルと第2のセルの直列端子に現れる電圧を等分割する抵抗分圧回路と、上記直列端子から正負の動作電源が供給される演算増幅器とによる放電回路ユニットが設置され、
(b)各放電回路ユニットは、上記抵抗分圧回路の中間分圧点に現れる分圧電圧と上記第1のセルと第2のセルの中間接続点に現れる中間電圧が上記演算増幅器の差動入力端子に入力されて両電圧の差が増幅されるとともに、その増幅によって得られる出力電流が上記中間接続点に供給されることにより、上記差動入力端子間の電圧をゼロにするような負帰還ループが形成され、第1のセルと第2のセル間に電圧差が生じたときに、電圧が高い方のセルを放電させるように構成され、
(c)上記演算増幅器の出力端子に電流制限用抵抗素子を直列に介在させるとともに、その出力端子と反転入力端子間に電圧増幅利得を500倍以下に制御するような負帰還抵抗素子を挿入することにより、入力電圧に対する出力電流の変化を直線化および傾斜化させた、
ことを特徴とする直列蓄電セルの電圧バランス補正回路。
The present invention provides the following solutions.
(1) A series battery cell voltage balance correction circuit for equalizing each voltage of a battery cell array in which two or more battery cells are connected in series,
(A) a resistance voltage dividing circuit for equally dividing a voltage appearing at a series terminal of the first cell and the second cell between the first cell and the second cell adjacent in series connection order; A discharge circuit unit with an operational amplifier to which positive and negative operating power is supplied from the terminal is installed,
(B) In each discharge circuit unit, the divided voltage appearing at the intermediate voltage dividing point of the resistance voltage dividing circuit and the intermediate voltage appearing at the intermediate connection point of the first cell and the second cell are the differential of the operational amplifier. The difference between the two voltages input to the input terminal is amplified, and the output current obtained by the amplification is supplied to the intermediate connection point, so that the voltage between the differential input terminals becomes zero. When a feedback loop is formed and a voltage difference occurs between the first cell and the second cell, the cell having the higher voltage is discharged,
(C) A current limiting resistor element is interposed in series at the output terminal of the operational amplifier, and a negative feedback resistor element is inserted between the output terminal and the inverting input terminal to control the voltage amplification gain to 500 times or less. As a result, the change in the output current with respect to the input voltage was linearized and sloped.
A voltage balance correction circuit for a series storage cell, wherein:
(2)上記手段(1)において、各セルの電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧が所定の過放電保護電圧以下になったときに、上記直列蓄電セルの充放電路に直列に介在する保護スイッチをオン状態からオフ状態に設定するセル保護回路が設置されていることを特徴とする直列蓄電セルの電圧バランス補正回路。 (2) In the above means (1), the voltage of each cell is individually monitored, and when any cell voltage becomes equal to or lower than a predetermined overdischarge protection voltage, it is serially connected to the charge / discharge path of the series storage cell. A voltage balance correction circuit for a series storage cell, comprising a cell protection circuit for setting an intervening protection switch from an on state to an off state.
(3)上記手段(1)または(2)において、上記演算増幅器の出力端子と上記中間接続点の間に、一対の相補トランジスタによるバッファ出力回路を介在させたことを特徴とする直列蓄電セルの電圧バランス補正回路。 (3) In the means (1) or (2), a buffer output circuit including a pair of complementary transistors is interposed between the output terminal of the operational amplifier and the intermediate connection point. Voltage balance correction circuit.
(4)上記手段(1)〜(3)のいずれかにおいて、上記第1のセルと第2のセルの直列端子と上記演算増幅器の正側および負側の動作電源入力端子間にそれぞれトランジスタを直列に介在させるとともに、上記直列端子間が所定電圧以上のときだけ上記トランジスタをオンさせるようにしたことを特徴とする直列蓄電セルの電圧バランス補正回路。 (4) In any one of the above means (1) to (3), transistors are respectively connected between the series terminals of the first cell and the second cell and the operation power input terminals on the positive side and the negative side of the operational amplifier. A voltage balance correction circuit for a series storage cell, wherein the transistor is interposed in series and the transistor is turned on only when a voltage between the series terminals is equal to or higher than a predetermined voltage.
たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなセル間電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、セルの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、高効率かつ高精度に補償することができる。 For example, in a power storage system such as a voltage sag / blackout compensator, a railway power storage device, etc., the voltage variation between cells that gradually occurs during long-term charging can be reduced easily and at low cost. With a circuit that can easily cope with increase / decrease, compensation can be made with high efficiency and high accuracy.
上記以外の作用/効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。 The operations / effects other than the above will be clarified in the description of the present specification and the accompanying drawings.
図1は本発明の第1実施形態をなす直列蓄電セルの電圧バランス補正回路を示す。また、図2は、図1の一部に着目した回路および動作特性グラフを示す。 FIG. 1 shows a voltage balance correction circuit for a series storage cell according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a circuit and an operation characteristic graph focusing on a part of FIG.
同図に示す電圧バランス補正回路は、4つの蓄電セルC1〜C4が直列接続されてなる蓄電セル列の各電圧を均等化させる直列蓄電セルの電圧バランス補正回路であって、以下のような構成を備える。 The voltage balance correction circuit shown in the figure is a voltage balance correction circuit for a series storage cell that equalizes each voltage of a storage cell array in which four storage cells C1 to C4 are connected in series, and has the following configuration Is provided.
まず、図1に示すように、直列接続された4つのセルC1〜C4において、セルC1とC2、C2とC3、C3とC4はそれぞれ、直列接続順で隣り合う第1のセルと第2のセルの組を形成する。各セルの組はそれぞれ2直列セル部を形成し、各2直列セル部にはそれぞれ、抵抗分圧回路(R11,R12)と、演算増幅器OP1および抵抗素子R13〜R16とによる放電回路ユニット10が設置されている。
First, as shown in FIG. 1, in four cells C1 to C4 connected in series, the cells C1 and C2, C2 and C3, and C3 and C4 are the first and second cells adjacent in series connection order, respectively. A set of cells is formed. Each set of cells forms two series cell portions, and each of the two series cell portions includes a
ここで、図2の(a)に示すように、その第1のセルと第2のセルの組としてC1,C2に着目すると、抵抗分圧回路(R11,R12)は、第1のセルC1と第2のセルC2の直列端子に現れる電圧(E1+E2)を等分割する。演算増幅器OP1は上記直列端子から正負の動作電源(+V,−V)が供給されて差動増幅動作を行う。 Here, as shown in FIG. 2A, when attention is paid to C1 and C2 as a set of the first cell and the second cell, the resistance voltage dividing circuit (R11, R12) includes the first cell C1. And the voltage (E1 + E2) appearing at the series terminal of the second cell C2 is equally divided. The operational amplifier OP1 is supplied with positive and negative operating power supplies (+ V, −V) from the series terminal and performs a differential amplification operation.
各放電回路ユニット10は、上記抵抗分圧回路(R11,R12)の中間分圧点p2に現れる分圧電圧(Vp1)と上記第1のセルC1と第2のセルC2の中間接続点p2に現れる中間電圧(Vp2)が上記演算増幅器OP1の差動入力端子(+,−)に入力されて両電圧の差(Vp1−Vp2)が増幅されるとともに、その増幅によって得られる出力電流Ioが上記中間接続点p2に供給されることにより、上記差動入力端子間の電圧をゼロにするような負帰還ループが形成される。そして、第1のセルC1と第2のセルC2間に電圧差(E1−E2)が生じたときに、電圧が高い方のセルを放電させるように構成されている。
Each
すなわち、図2において、第1のセルC1の電圧E1が第2のセルC2の電圧E2より高くなると(E1>E2)、分圧電圧Vp1が中間電圧Vp2よりも高くなって(Vp1>Vp2)、演算増幅器OP1の出力から抵抗素子R14を介して中間接続点p2へ電流が吐き出される。これにより、第1のセルC1の放電電流経路が形成されてセルC1,C2間の電圧差が補正されるようになる。 That is, in FIG. 2, when the voltage E1 of the first cell C1 becomes higher than the voltage E2 of the second cell C2 (E1> E2), the divided voltage Vp1 becomes higher than the intermediate voltage Vp2 (Vp1> Vp2). A current is discharged from the output of the operational amplifier OP1 to the intermediate connection point p2 via the resistance element R14. As a result, the discharge current path of the first cell C1 is formed, and the voltage difference between the cells C1 and C2 is corrected.
反対に、第2のセルC2の電圧E2が第1のセルC1の電圧E1より高くなると(E2>E1)、中間電圧Vp2が分圧電圧Vp1よりも高くなって(Vp2>Vp1)、中間接続点p2から抵抗素子R14を介して演算増幅器OP1の出力に電流が流れ込む。これにより、第2のセルC2の放電電流経路が形成されてセルC1,C2間の電圧差が補正されるようになる。 Conversely, when the voltage E2 of the second cell C2 becomes higher than the voltage E1 of the first cell C1 (E2> E1), the intermediate voltage Vp2 becomes higher than the divided voltage Vp1 (Vp2> Vp1), and the intermediate connection A current flows from the point p2 to the output of the operational amplifier OP1 through the resistance element R14. As a result, the discharge current path of the second cell C2 is formed and the voltage difference between the cells C1 and C2 is corrected.
上記のように、第1のセルC1と第2のセルC2間に電圧差が生じると、電圧の高い方のセルが演算増幅器OP1を介して放電させられることにより、その電圧差を縮小させる補償動作が行われる。 As described above, when a voltage difference occurs between the first cell C1 and the second cell C2, the higher voltage cell is discharged through the operational amplifier OP1, thereby reducing the voltage difference. Operation is performed.
図示の実施形態において、抵抗素子R13は、演算増幅器OP1の入力抵抗(インピーダンス)を所定値に定める。抵抗素子R14は、演算増幅器OP1の出力電流を制限することにより、演算増幅器OP1を保護するとともに補償動作時の放電電流を制限する。 In the illustrated embodiment, the resistance element R13 sets the input resistance (impedance) of the operational amplifier OP1 to a predetermined value. The resistor element R14 limits the output current of the operational amplifier OP1, thereby protecting the operational amplifier OP1 and limiting the discharge current during the compensation operation.
ここで、上記演算増幅器OP1は、その出力端子と反転入力端子間に増幅利得を制御する負帰還抵抗素子R15,R16が挿入されている。この負帰還抵抗素子R15,R16は、演算増幅器OP1の電圧増幅利得を500倍以下とするように設定されている(500>R15/R16)。 Here, in the operational amplifier OP1, negative feedback resistance elements R15 and R16 for controlling the amplification gain are inserted between the output terminal and the inverting input terminal. The negative feedback resistance elements R15 and R16 are set so that the voltage amplification gain of the operational amplifier OP1 is 500 times or less (500> R15 / R16).
これにより、放電回路ユニット10は、図2の(b)にその動作特性グラフを示すように、入力電圧(Vp1−Vp2)に対する出力電流Ioの変化が直線化および傾斜化させられている。すなわち、負帰還により増幅利得を所定以下の有限値とくに500以下に設定することにより、約2V〜5VにあるセルC1,C2の電圧差(E1−E2)の大きさに応じた電流Ioで、その電圧差(E1−E2)を約10μV程度まで補正を行わせることができる。このようにして、過剰な補償動作を回避させ、常に適正な補償量で電圧バランス補正を行わせることができる。
As a result, in the
図3は、本発明による電圧バランス補正回路の第2実施形態を示す。同図において、(a)は電圧バランス補正回路、(b)はその要部の動作特性を示す。 FIG. 3 shows a second embodiment of the voltage balance correction circuit according to the present invention. In the figure, (a) shows the voltage balance correction circuit, and (b) shows the operation characteristics of the main part.
同図に示す電圧バランス補正回路では、演算増幅器OP1の入力に、互いに逆方向で直列接続された定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)Dzを介在させることにより、演算増幅器OP1の入力に所定の入力しきい値Vzを持たせるようにしてある。 In the voltage balance correction circuit shown in the figure, a constant input diode (Zener diode) Dz connected in series in the opposite direction is interposed at the input of the operational amplifier OP1, thereby providing a predetermined input threshold at the input of the operational amplifier OP1. A value Vz is provided.
これにより、セルC1,C2の電圧差(E1−E2)が所定以下であって電圧補正の必要性がない場合に、不要な補償動作を回避させることができる。 Thereby, when the voltage difference (E1-E2) between the cells C1 and C2 is equal to or less than a predetermined value and there is no need for voltage correction, unnecessary compensation operation can be avoided.
この実施形態では、演算増幅器OP1の入力しきい値Vzが比較的高く設定されるので、電圧バランス補正の対象となるセルC1,C2が、たとえばそれぞれ複数のセルを直列接続したセルモジュールによって構成されているような場合に適している。 In this embodiment, since the input threshold value Vz of the operational amplifier OP1 is set to be relatively high, the cells C1 and C2 that are subject to voltage balance correction are constituted by, for example, cell modules in which a plurality of cells are connected in series. Suitable for such cases.
図4は、本発明による電圧バランス補正回路の第3実施形態を示す。同図において、(a)は電圧バランス補正回路、(b)はその要部の動作特性を示す。 FIG. 4 shows a third embodiment of the voltage balance correction circuit according to the present invention. In the figure, (a) shows the voltage balance correction circuit, and (b) shows the operation characteristics of the main part.
同図に示す電圧バランス補正回路では、図3に示した実施形態と同様、演算増幅器OP1の入力に所定の入力しきい値Vfを持たせることにより、セルC1,C2の電圧差(E1−E2)が所定以上の場合だけ、補償動作を行わせるようにしている。 In the voltage balance correction circuit shown in the figure, similarly to the embodiment shown in FIG. 3, the voltage difference (E1−E2) between the cells C1 and C2 is provided by giving a predetermined input threshold value Vf to the input of the operational amplifier OP1. ) Is made to perform the compensation operation only when it exceeds a predetermined value.
この場合、この実施形態では、演算増幅器OP1にその入力しきい値Vfを設定するために、双方向で順方向となるように並列接続されたダイオードDfを演算増幅器OP1の入力に介在させている。 In this case, in this embodiment, in order to set the input threshold value Vf of the operational amplifier OP1, a diode Df connected in parallel so as to be forward in both directions is interposed at the input of the operational amplifier OP1. .
これにより、ダイオードDfの順方向電圧(Vf=0.5Vくらい)に相当する入力しきい値Vfが設定され、このしきい値Vfを越える電圧差(E1−E2)がセルC1,C2間に生じたときだけ、補償動作が行われるようになっている。 As a result, an input threshold value Vf corresponding to the forward voltage (about Vf = 0.5 V) of the diode Df is set, and a voltage difference (E1-E2) exceeding the threshold value Vf is between the cells C1 and C2. The compensation operation is performed only when it occurs.
上記により、たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなセル間電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、セルの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、高効率かつ高精度に補償することができる。 As described above, for example, in a power storage system such as a voltage sag / blackout compensator, a railway power storage device, etc., cell voltage variation that gradually occurs during long-term charging can be easily and cost-effectively connected in series. With a circuit that can easily cope with an increase or decrease in the number of connections, high-efficiency and high-precision compensation can be performed.
上述した本発明の電圧バランス補正回路は、図1に示すように、従来のセル保護回路20(特許文献1参照)と併用してとくに有効である。 The voltage balance correction circuit of the present invention described above is particularly effective in combination with a conventional cell protection circuit 20 (see Patent Document 1) as shown in FIG.
セル保護回路20は、各セルC1〜C4の電圧を個別に監視し、いずれかのセル電圧が所定の過充電保護電圧以上または所定の過放電保護電圧以下になったときに、上記直列蓄電セルの充放電路に直列に介在する保護スイッチSuvpまたはSovpをオン状態からオフ状態に設定することにより、各セルC1〜C4がそれぞれ過充電または過放電に陥るのを回避させることができる。
The
このセル保護回路20に上述した本発明の電圧バランス補正回路を組み合わせることにより、セル間の電圧バラツキが定常的に補正されるようになり、これによって、少しの放電または充電でセル保護回路20が作動してしまうようになることを回避させることができる。この結果、直列蓄電セルC1〜C4全体のキャパシタとしての機能が確実に保持されるようになる。
By combining the above-described voltage balance correction circuit of the present invention with this
上述した4直列セルC1〜C4では、第1のセルC1と第2のセルC2間、第2のセルC2と第3のセルC3間、および第3のセルC3と第4のセルC4間にそれぞれ、上記放電回路ユニット10を設置するが、この設置のための配線接続は、図1に示すように、直列セルC1〜C4とセル保護回路20との配線接続と同一所で行うことができる。これにより、蓄電セルの直列数の増設には上記回路ユニット10の増設で簡単に対応できる。
In the 4 series cells C1 to C4 described above, between the first cell C1 and the second cell C2, between the second cell C2 and the third cell C3, and between the third cell C3 and the fourth cell C4. Each of the
図5は、上記演算増幅器OP1の典型的な内部等価回路を示す。同図に示す演算増幅器OP1はモノリシックICとして構成され、MOSトランジスタQ01,02、バイポーラトランジスタQ03〜Q08、抵抗素子R01,R02、ダイオードD01〜D03、定電流回路Ic1,Ic2などによって構成され、正負2つの電源+V,−Vで動作し、その電源+V,−Vの中間電位を動作基準電位にして差動増幅動作を行う。 FIG. 5 shows a typical internal equivalent circuit of the operational amplifier OP1. The operational amplifier OP1 shown in the figure is configured as a monolithic IC, and includes MOS transistors Q01 and 02, bipolar transistors Q03 to Q08, resistance elements R01 and R02, diodes D01 to D03, constant current circuits Ic1 and Ic2, and the like. Operation is performed with two power supplies + V and -V, and a differential amplification operation is performed using an intermediate potential between the power supplies + V and -V as an operation reference potential.
同図において、トランジスタQ01〜Q04、抵抗素子R01,R02、定電流回路Ic1は差動入力回路を形成する。トランジスタQ05,Q06、ダイオードD01〜D03、定電流回路Ic2は、段間バッファ、位相分割、レベルシフトの回路機能を形成する。トランジスタQ05,Q06は、npnとpnpの相補バイポーラトランジスタであって、電源+V,−Vの間でトーテムポール接続されることによりプッシュプル型の出力段を形成する。 In the figure, transistors Q01 to Q04, resistance elements R01 and R02, and a constant current circuit Ic1 form a differential input circuit. Transistors Q05 and Q06, diodes D01 to D03, and constant current circuit Ic2 form interstage buffer, phase division, and level shift circuit functions. The transistors Q05 and Q06 are complementary bipolar transistors of npn and pnp, and form a push-pull type output stage by being totem-pole connected between the power supplies + V and −V.
図6は、本発明による電圧バランス補正回路の第4実施形態を示す。同図に示す電圧バランス補正回路では、演算増幅器OP1の出力端子と中間接続点p2の間に、一対の相補トランジスタQ11,Q12によるバッファ出力回路11を介在させている。
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the voltage balance correction circuit according to the present invention. In the voltage balance correction circuit shown in the figure, a
相補トランジスタQ11,Q12はnpnとpnpのバイポーラトランジスタであって、それぞれのエミッタが中間接続点p2に接続され、それぞれのコレクタが抵抗素子R18,R19を介して2直列セルC1,C2の直列端子に接続されている。また、それぞれのベースは共通接続された後、抵抗素子R14を介して演算増幅器OP1の出力端子に接続されている。 The complementary transistors Q11 and Q12 are npn and pnp bipolar transistors, each emitter being connected to the intermediate connection point p2, and each collector being connected to the series terminal of the two series cells C1 and C2 via the resistance elements R18 and R19. It is connected. The bases are connected in common and then connected to the output terminal of the operational amplifier OP1 through the resistor element R14.
この実施形態では、セルC1,C2の電圧差(E1−E2)が演算増幅器OP1によって検出されると、その演算増幅器OP1の出力が相補トランジスタQ11,Q12のいずれか一方を通電駆動することにより、電圧の高いセルを放電させ、電圧バランス補正を行う。
この実施形態は、セルC1,C2の容量値が大きい場合、電圧バランスの補正動作を高速化させたい場合などにとくに有効である。
In this embodiment, when the voltage difference (E1-E2) between the cells C1 and C2 is detected by the operational amplifier OP1, the output of the operational amplifier OP1 energizes and drives one of the complementary transistors Q11 and Q12. Discharge the high voltage cell to correct the voltage balance.
This embodiment is particularly effective when the capacitance values of the cells C1 and C2 are large and when it is desired to speed up the voltage balance correction operation.
図7は、本発明による電圧バランス補正回路の第5実施形態を示す。同図に示す電圧バランス補正回路では、2直列セルC1,C2の直列端子と演算増幅器OP1の正側および負側の動作電源入力端子(+V,−V)間にそれぞれトランジスタQ13,Q14を直列に介在させるとともに、上記直列端子間の電圧(E1+E2)が所定電圧以上のときだけ上記トランジスタQ13,Q14をオンさせるようにしてある。 FIG. 7 shows a fifth embodiment of the voltage balance correction circuit according to the present invention. In the voltage balance correction circuit shown in the figure, transistors Q13 and Q14 are connected in series between the series terminals of the two series cells C1 and C2 and the operating power input terminals (+ V, −V) on the positive and negative sides of the operational amplifier OP1, respectively. In addition, the transistors Q13 and Q14 are turned on only when the voltage (E1 + E2) between the series terminals is equal to or higher than a predetermined voltage.
トランジスタQ13,Q14はpnpとnpnのバイポーラトランジスタであって、pnpトランジスタQ13は直列端子の正側と演算増幅器OP1の正側動作電源入力端子(+V)間に介在するとともに、直列端子間の電圧(E1+E2)が抵抗素子R20,R21で分圧されてベースに印加されるようになっている。 The transistors Q13 and Q14 are pnp and npn bipolar transistors. The pnp transistor Q13 is interposed between the positive side of the series terminal and the positive side operation power supply input terminal (+ V) of the operational amplifier OP1, and the voltage between the series terminals ( E1 + E2) is divided by the resistance elements R20 and R21 and applied to the base.
npnトランジスタQ14は直列端子の負側と演算増幅器OP1の負側動作電源入力端子(−V)間に介在するとともに、上記pnpトランジスタQ13のコレクタ電圧が抵抗素子R22,R23で分圧されてベースに印加されるようになっている。つまり、npnトランジスタQ14はpnpトランジスタQ13に従動してオン/オフされるようになっている。 The npn transistor Q14 is interposed between the negative side of the series terminal and the negative side operation power supply input terminal (−V) of the operational amplifier OP1, and the collector voltage of the pnp transistor Q13 is divided by the resistance elements R22 and R23 to become the base. It is to be applied. That is, the npn transistor Q14 is turned on / off following the pnp transistor Q13.
この実施形態では、セルC1,C2の直列電圧(E1+E2)が所定電圧以下になると、トランジスタQ13,Q14が共にオフになることにより、演算増幅器OP1の動作電源が遮断されて消費電流がゼロの状態になる。 In this embodiment, when the series voltage (E1 + E2) of the cells C1 and C2 is equal to or lower than a predetermined voltage, both the transistors Q13 and Q14 are turned off, so that the operation power supply of the operational amplifier OP1 is cut off and the consumption current is zero. become.
演算増幅器OP1の動作電流はわずかであって、セルC1,C2の使用状態ではほとんど無視することができる。しかし、その演算増幅器OP1と直列セルC1,C2をモジュール化して製品とした場合、出荷してからユーザが使いはじめるまでの間、あるいは倉庫に留まっている間に、モジュールのセルC1,C2が規定の放電終止電圧以下にまで放電されてしまう懸念が生じる。この懸念を回避するためには、出荷してから使用開始までの時間管理を行う必要があるが、これは現実に困難である。 The operating current of the operational amplifier OP1 is very small and can be almost ignored when the cells C1 and C2 are in use. However, when the operational amplifier OP1 and the series cells C1 and C2 are modularized to make a product, the module cells C1 and C2 are defined between shipment and use by the user or while remaining in the warehouse. There is a concern that the battery will be discharged below the final discharge voltage. In order to avoid this concern, it is necessary to manage the time from shipping to the start of use, which is actually difficult.
しかし、上記実施形態によれば、セルC1,C2が規定の放電終止電圧に下がる前に演算増幅器OP1の動作電源を自動的に遮断させることができるので、出荷してから使用開始までの時間管理を不要にすることができる。 However, according to the above-described embodiment, the operation power supply of the operational amplifier OP1 can be automatically shut off before the cells C1 and C2 are lowered to the specified end-of-discharge voltage. Can be made unnecessary.
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、トランジスタQ11〜Q14はMOSトランジスタに置き換えることも可能である。 As described above, the present invention has been described based on the typical embodiments. However, the present invention can have various modes other than those described above. For example, the transistors Q11 to Q14 can be replaced with MOS transistors.
たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなセル間電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、セルの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、高効率かつ高精度に補償することができる。 For example, in a power storage system such as a voltage sag / blackout compensator, a railway power storage device, etc., the voltage variation between cells that gradually occurs during long-term charging can be reduced easily and at low cost. With a circuit that can easily cope with increase / decrease, compensation can be made with high efficiency and high accuracy.
10 放電回路ユニット
11 バッファ出力回路
20 セル保護回路
C1〜C4 蓄電セル
T1−T2 外部端子
Suvp 過充電保護スイッチ
Sovp 過放電保護スイッチ
R11,R12 抵抗素子(抵抗分圧回路)
OP1 演算増幅器
+V 正側の動作電源
−V 負側の動作電源
p1 抵抗分圧回路(R11−R12)の中間分圧点
Vp1 分圧電圧
p2 セルC1,C2の中間接続点
Vp2 中間電圧
R14〜R23 抵抗素子
I1 第1のセルC1の放電電流
I2 第2のセルC2の放電電流
Vp1−Vp2 演算増幅器OP1の入力電圧
Io 演算増幅器OP1の出力電流
Vz 演算増幅器OP1の入力しきい値
Vf 演算増幅器OP1の入力しきい値
Dz 定電圧ダイオード(ツェナーダイオード)
Df ダイオード(順方向ダイオード)
DESCRIPTION OF
OP1 Operational Amplifier + V Positive Operating Power Supply -V Negative Operating Power Supply p1 Intermediate Voltage Dividing Point of Resistance Divider Circuit (R11-R12) Vp1 Divided Voltage p2 Intermediate Connection Point of Cells C1 and C2 Vp2 Intermediate Voltage R14 to R23 Resistive element I1 Discharge current of the first cell C1 I2 Discharge current of the second cell C2 Vp1-Vp2 Input voltage of the operational amplifier OP1 Io Output current of the operational amplifier OP1 Vz Input threshold value of the operational amplifier OP1 Vf of the operational amplifier OP1 Input threshold Dz Constant voltage diode (Zener diode)
Df diode (forward diode)
Claims (4)
(a)直列接続順で隣り合う第1のセルと第2のセル間にそれぞれ、その第1のセルと第2のセルの直列端子に現れる電圧を等分割する抵抗分圧回路と、上記直列端子から正負の動作電源が供給される演算増幅器とによる放電回路ユニットが設置され、
(b)各放電回路ユニットは、上記抵抗分圧回路の中間分圧点に現れる分圧電圧と上記第1のセルと第2のセルの中間接続点に現れる中間電圧が上記演算増幅器の差動入力端子に入力されて両電圧の差が増幅されるとともに、その増幅によって得られる出力電流が上記中間接続点に供給されることにより、上記差動入力端子間の電圧をゼロにするような負帰還ループが形成され、第1のセルと第2のセル間に電圧差が生じたときに、電圧が高い方のセルを放電させるように構成され、
(c)上記演算増幅器の出力端子に電流制限用抵抗素子を直列に介在させるとともに、その出力端子と反転入力端子間に電圧増幅利得を500倍以下に制御するような負帰還抵抗素子を挿入することにより、入力電圧に対する出力電流の変化を直線化および傾斜化させた、
ことを特徴とする直列蓄電セルの電圧バランス補正回路。 A voltage balance correction circuit for a series storage cell that equalizes each voltage of a storage cell array in which two or more storage cells are connected in series,
(A) a resistance voltage dividing circuit for equally dividing a voltage appearing at a series terminal of the first cell and the second cell between the first cell and the second cell adjacent in series connection order; A discharge circuit unit with an operational amplifier to which positive and negative operating power is supplied from the terminal is installed,
(B) In each discharge circuit unit, the divided voltage appearing at the intermediate voltage dividing point of the resistance voltage dividing circuit and the intermediate voltage appearing at the intermediate connection point of the first cell and the second cell are the differential of the operational amplifier. The difference between the two voltages input to the input terminal is amplified, and the output current obtained by the amplification is supplied to the intermediate connection point, so that the voltage between the differential input terminals becomes zero. When a feedback loop is formed and a voltage difference occurs between the first cell and the second cell, the cell having the higher voltage is discharged,
(C) A current limiting resistor element is interposed in series at the output terminal of the operational amplifier, and a negative feedback resistor element is inserted between the output terminal and the inverting input terminal to control the voltage amplification gain to 500 times or less. As a result, the change in the output current with respect to the input voltage was linearized and sloped.
A voltage balance correction circuit for a series storage cell, wherein:
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