JP2010246214A - 電池電圧調整監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数電池の電圧バランスを自動的にロス無く得るとともに、簡単な回路構成で各電池の電圧を測定でき、その上、各電池の寿命の到来の有無を自動的に判断できる電池電圧調整監視装置を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の直列接続電池ＢＴ１〜ＢＴｎに対応して設けるスイッチＳＷ１〜ＳＷｎを時間順次に切り替えてコンデンサＣに並列接続し、接続した電池とコンデンサ間で電荷の授受を行い、電圧バランスを行う一方、バランス後のコンデンサＣの両端電圧をスイッチＳＷＫを介して電圧計測部１にて計測し、この計測電圧を記憶部４に記憶する。所定の時点で計測電圧Ｖｉと劣化有無基準電圧ＶＫとを比較し、計測電圧Ｖｉが基準電圧ＶＫより小さい場合、その電池ＢＴｉが劣化したと判断する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電池電圧調整監視装置、特に使用により各電池の電圧にバラツキが生じた場合に、各電池の電圧をバランス良く調整し、かつ各電池の正否を監視し得る電池電圧調整監視装置に関する。

一定の電圧を出力する電池を用いて、各電池の電圧より比較的高い電圧を電源電圧として出力する必要がある場合、複数の電池を縦続接続して使用する。このような縦続接続された電池の消耗度合いなどをチェックする必要がある場合、それぞれ各電池の両端電圧を計測することがある。
上記のような電池の両端電圧を計測する技術として、被測定電池としての二次電池の両端電圧に対応する出力電圧を得る差動アンプと、差動アンプの出力電圧値を周波数に変換する電圧―周波数変換器と、周波数を被測定電池の電圧値として検出する検出手段としてのマイコンとを備え、電圧―周波数変換器を用いることによりマイコンとの間で一本の信号線で接続するだけで二次電圧の電圧を検出する構成が開示されている（例えば特許文献１参照）。
また、縦続接続された複数の電池の各電圧のバランスを取るために、それぞれの電池の両極から並列にそれぞれスイッチを介して１つのキャパシター（コンデンサ）の両極を連結し、各電池の両スイッチを連動させ、順次各電池の両極をキャパシターに連結するようにスイッチのＯＮ及びＯＦＦ操作を所定間隔で繰り返し、各電池の極間電位差のバランスを取るようにした電池パックバランス装置が開示されている（例えば特許文献２参照）。
また、直列に接続された二次電池を効率よく充電するために、二次電池を直列に接続し、その直列接続の両端に接続端子を有する主回路と、各二次電池に並列に接続され、抵抗とスイッチが直列に接続されたバイパス回路と、各二次電池の電圧を計測し、スイッチのオンオフ制御をする計測制御回路とを、備え、主回路の端部端子間に定電流の充電電流を流し、又は放電電流を流し、各二次電池の電圧を計測し、この二次電池の充放電を調整するようにした二次電池の充放電装置が開示されている（例えば特許文献３参照）。

特開平１１−１０９００５号公報 特開２０００−１６６１１３号公報 特許第３５１７８４４号公報

上記した特許文献１記載の電池電圧測定装置では、各電池の両端電圧を簡易に測り得るが、各電池の端子電圧にバラツキがある場合に、再充電等して調整する必要があり、各電池の電圧をバランス良くするためには手間を要するという問題があった。
また、特許文献２記載の電池パックバランス装置では、各電池の電圧バランスを簡単な回路構成で自動的になし得るが、電圧バランスを取る過程で電圧を計測する機能を有しないので各電池の端子電圧を測定し得ず、バランス度合いを確認したり、電池の寿命到来の有無を知り得ないという問題があった。
また、特許文献３記載の二次電池の充放電装置は、各電池の電圧バランスを取り得、しかも電圧計測も可能であるが、電圧バランスを取る際は、二次電池への充電と、その後のバイパス回路を通じての放電により低い所定の電圧まで落としてバランスを取るものであり、抵抗への通電によるバランスのため電力を消費するという不具合がある上、各電池毎のバイパス回路、各電池毎の電圧計測という手段を要し、処理が複雑になるという問題があった。
この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、複数電池の電圧バランスを自動的にロス無くなし得るとともに、簡単な回路構成で、各電池の電圧を測定でき、その上、各電池の寿命の到来の有無を自動的に判断出来、不良電池を早期に発見し得る電池電圧調整監視装置を提供することを目的とする。

この発明の請求項１に係る電池電圧調整監視装置は、縦続接続されてなる複数個（ｎ個）の電池と、この各電池に対応して設けられ、一方端の２極が各電池の正側と負側に接続される複数個（ｎ個）の第１の２極双投スイッチと、両端が前記２極双投スイッチの他方端の２極の一方と他方に接続され、各２極双投スイッチのＯＮ時に対応する電池に並列接続される蓄電器（コンデンサ）と、前記蓄電器の両端に一方端の２極が接続される第２の２極双投スイッチと、前記各電池を前記蓄電器に所定順次に切替接続するために、前記各第1の２極双投スイッチに所定順次に投入指令信号を送り、この第１の２極双投スイッチの投入指令信号の間に前記第２の２極双投スイッチに投入指令信号を送る制御部と、前記第２の２極双投スイッチの他方端の２極に入力部が接続され、前記第の２極双投スイッチのＯＮ時に前記蓄電器の両端電圧を受けて計測する電圧計測部と、からなることを特徴とする。
又、請求項２に係る電池電圧調整監視装置は、請求項１に係るものにおいて、前記ｎ個のｉ（ｉ＝１〜ｎ）番目の電池と蓄電器との接続に続く第２の２極双投スイッチの投入により前記電圧計測部で計測される電圧を記憶する記憶部と、この記憶部に記憶される電圧値に基づいてｉ番目の電池の劣化の有無を判断する電池正否評価手段とを、を備えることを特徴とする。
又、請求項３に係る電池電圧調整監視装置は、請求項２に係るものにおいて、前記電池圧正否評価手段が、予め設定する第１の基準電圧と、この第１の基準電圧と前記計測電圧とを比較する手段を含み、前記計測電圧が前記第１の基準電圧より低い場合にその電池が過放電になる恐れがあると判断するものであることを特徴とする。
又、請求項４に係る電池電圧調整装置は、請求項２に係るものにおいて、前記電池成否評価手段は、予め設定する第２の基準電圧と、この第２の基準電圧と前記計測電圧とを比較する手段を含み、前記計測電圧が前記第２の基準電圧より高い場合にその電池が過充電状態になる恐れがあると判断することを特徴とする。
又、この発明において、蓄電器は、一般的なコンデンサのほか等価的な容量の大きいリチューム二次電池、電気二重層コンデンサなど蓄電器容量の大きなものも含まれる。

この発明によれば、各電池と蓄電器との間で対応する２極双投スイッチをＯＮすることにより、高い方から低い方へ電荷を移動することにより両者の電圧を等しくして、各電池の電圧を均一化できるともに、その調整過程における電圧を確認できるばかりか、所定のタイミングで、各電池の電圧の正否を評価でき、各電池の消耗を判断でき、電源電池システムの破壊、不具合を未然に察知することができる。

この発明の一実施形態に係る電池電圧調整監視装置の概略構成を説明する回路図である。 同実施形態電池電圧調整監視装置の動作を説明するためのフロー図である。 同実施形態電池電圧調整監視装置の動作を説明するための各２極双投スイッチのＯＮ，ＯＦＦを示すタイミング波形図である。 同実施形態電池電圧調整監視装置の信号処理装置の記憶部に記憶されるデータマップを示す図である。

以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る電池電圧調整監視装置の回路構成を示す回路図である。
図１において、ｎ個の電池（リチュウム電池）ＢＴ１、ＢＴ２、・・・、ＢＴｎが縦続（直列）接続されている。各電池ＢＴ１，ＢＴ２、・・・、ＢＴｎには、スイッチＳＲ１を介して充電源６より、充電されるとともに、各電池ＢＴ１、ＢＴ２、・・・、ＢＴｎより、スイッチＳＲ２を介して負荷８に放電される。また各電池ＢＴ１、ＢＴ２、・・・、ＢＴｎに対応して２極双投スイッチＳＷ１、ＳＷ２、・・・、ＳＷｎが配置されている。
２極双スイッチＳＷ１の１方端（左側）の２極端子が個別に電池ＢＴ１の＋電極と−電極に接続されている。２極双投スイッチＳＷ１の他方端（右側）の２極端子が個別にコンデンサCの一端と他端に接続されている。
また、２極双投スイッチＳＷ２の一方端の２極端子が個別の電池ＢＴ２の＋電極と−電極に接続されている。２極双投スイッチＳＷ２の他方端の２極端子が個別にコンデンサＣの一端と他端に接続されている。
さらに、２極双投スイッチＳＷ３、・・・、ＳＷｎも同様に電池ＢＴ３、ＢＴ４、・・・、ＢＴnの＋電極と−電極に接続されており、また、同様の態様でコンデンサＣに接続されている。
また、第２の2極双投スイッチＳＷＫの一方端の2極端子が個別にコンデンサの一端と他端に接続されている。さらに、２極双投スイッチＳＷＫの他方端の２極端子の一方が接地（ＧＮＤ）接続され、他方が電圧計測部１の入力端に接続されている。
信号処理装置２は、電池ＢＴ１、・・・、ＢＴｎ、スイッチＳＷ１、・・・、ＳＷｎ及びＳＷＫ、電圧計測部１の制御を行うために配備され、制御演算部３，記憶部４，表示部５を備えている。制御演算部３は、スイッチSW1，ＳＷ２、・・・、ＳＷｎに所定の順にＯＮ信号Ｓ１、Ｓ２、・・・、Ｓｎを送り、スイッチSW1，ＳＷ２、・・・、ＳＷｎを時分割的に順次ＯＮする。また各信号ＳＩ、Ｓ２、・・・、Ｓｎの間にスイッチＳＷＫをＯＮする信号ＳＫを送り、スイッチＳＷＫをＯＮするとともに、電圧計測部1に計測指令を与え、計測電圧を取り込む。
また、信号処理装置の記憶部４は、電圧計測部１で計測した電圧、及びこの計測電圧に基づいて演算したデータを記憶する。
次に、この実施形態電池電圧調整監視装置の動作を、図２に示すフロー図、図３に示すタイムチャートを参照して説明する。
処理動作が開始されると、ステップＳＴ１において、最初にＩ＝０である変数Ｉを１インクリメントする。これにより、最初はＩ＝１とする。この変数Ｉは、スイッチＳＷ１、・・・、ＳＷｎを何回目に順次切り替えを実行しているかを示す変数である。次に、ステップＳＴ２へ移行する。
ステップＳＴ２においては、最初にｉ＝０である変数ｉを１インクリメントする。これにより、先ずｉ＝１とする。この変数ｉは、スイッチＳＷ１、・・・、ＳＷｎの何番目のスイッチをＯＮするかを示す変数である。次にステップＳＴ３へ移行する。
ステップＳＴ３においては、スイッチＳＷｉ（＝ＳＷ１）をＴ時間ＯＮするためＯＮ指令信号Ｓ１で、スイッチＳＷ１をＯＮする。このスイッチＳＷ１のＯＮにより、電池ＢＴ１に並列にコンデンサＣが接続される。
この電池ＢＴ１とコンデンサＣの接続により、電池ＢＴ１の電荷がコンデンサＣに移動し、電池ＢＴ１の電圧とコンデンサＣに両端電圧が等しい電圧になったときに、電池ＢＴ１からの電荷移動が停止する。次に、ステップＳＴ４へ移行する。
ステップＳＴ４においては、スイッチＳＷＫをＴ時間ＯＮするためにＯＮ指令信号ＳＫ１をスイッチＳＷＫに送りＯＮする。これにより、コンデンサＣの両端が電圧計測部１の入力端に接続される。次にステップＳＴ５へ移行する。
ステップＳＴ５においては、制御演算部３より電圧計測部１に計測指令を出し、電圧計測部１は、この計測指令を受けて、コンデンサＣの電圧Ｖｉ（＝Ｖ１）を計測し、電圧記憶部４に記憶する。続いて、ステップＳＴ６へ移行する。
ステップＳＴ６においては、今回記憶した電圧Ｖｉと、すでに記憶済みの電圧Ｖｉ−１とより、電池ＢＴｉと電池ＢＴｉ−１の電圧差ΔＶ＝Ｖｉ―Ｖｉ−１を算出し、同じく記憶部４に記憶する。次に、ステップＳＴ７へ移行する。
ステップＳＴ７においては、ｉ＝ｎか否か判定する。動作開始の当初はｉ＝１であり、ｉ＝ｎではないから、ステップＳＴ７の判定ＮＯで、ステップＳＴ２へ戻る。ステップＳＴ２では、変数ｉを１インクリメントし、ｉ＝２とする。次にステップＳＴ３へ移行する。

ステップＳＴ３においては、スイッチＳＷｉ（＝ＳＷ２）をＴ時間ＯＮするためＯＮ指令信号Ｓ２で、スイッチＳＷ２をＯＮする。このスイッチＳＷ２のＯＮにより、電池ＢＴ２に並列にコンデンサＣが接続される。
この電池ＢＴ２とコンデンサＣの接続により、電池ＢＴ２とコンデンサＣの間で電圧の高い方から低い方へ電荷が移動し、電池ＢＴ１の電圧とコンデンサＣに両端電圧が等しい電圧になったときに、電荷移動が停止する。次に、ステップＳＴ４へ移行する。
ステップＳＴ４においては、スイッチＳＷＫをＴ時間ＯＮするためにＯＮ指令信号ＳＫ２をスイッチＳＷＫに送りＯＮする。これにより、コンデンサＣの両端が電圧計測部１の入力端に接続される。次にステップＳＴ５へ移行する。
ステップＳＴ５においては、制御演算部２より電圧計測部１に計測指令を出し、電圧計測部１は、この計測指令を受けて、コンデンサＣの電圧Ｖｉ（＝Ｖ２）を計測し、記憶部４に記憶する。続いて、ステップＳＴ６へ移行する。
ステップＳＴ６においては、今回記憶した電圧Ｖｉと、すでに記憶済みの電圧Ｖｉ−１とより、電池ＢＴｉと電池ＢＴｉ−１の電圧差ΔＶ＝Ｖｉ―Ｖｉ−１を算出し、同じく記憶部４に記憶する。次に、ステップＳＴ７へ移行する。
ステップＳＴ７においては、ｉ＝ｎか否か判定する。ここでは、ｉ＝２であり、ｉ＝ｎではないから、ステップＳＴ７の判定ＮＯで、また、ステップＳＴ２へ戻る。
以上のようにして、ｉ＝ｎとなるまで、ステップＳＴ２〜ＳＴ７の処理を繰り返し、スイッチＳＷ１からスイッチＳＷｎまでを順次ＯＮして、バッテリＢＴ１からＢＴｎまでをコンデンサＣに切り替え接続し、各電池とコンデンサＣ間で電圧の大なる方から小なる方向に電荷を移動させ、各電池の電圧が均一化されるようにしている。
電池ＢＴｎまでのコンデンサＣに対する切り替え接続、及び電圧計測が終了すると、ｉ＝ｎとなり、ステップＳＴ７の判定はＹＥＳとなり、次にステップＳＴ８へ移行する。
ステップＳＴ８においては、変数ｉをクリア（ｉ←０）する。続いてステップＳＴ９へ移行する。ステップＳＴ９においては、Ｉ＝ｍか否か判定する。処理動作開始当初は、やはりＩ＝１であり、Ｉ＝ｍでないから、判定ＮＯであり、ステップＳＴ１へ戻る。
ステップＳＴ１において、変数Ｉを１インクリメントする。ここでは、Ｉ＝２となる。続いて、上記したＩ＝１の時と同様に、ステップＳＴ２〜ＳＴ７の処理を実行し、スイッチＳＷ１からスイッチＳＷｎまでを順次ＯＮして、バッテリＢＴ１からＢＴｎまでをコンデンサＣに切り替え接続し、各電池とコンデンサＣ間で電圧の大なる方から小なる方向に電荷を移動させ、各電池の電圧の均一化をさらに進める。
以上のステップＳＴ１〜ＳＴ９の処理を、各電池の電圧がバランスされ、均一化されるまで、多数回（＝ｍ）にわたり、実行する。Ｉ＝ｍとなると、ステップＳＴ９の判定は、ＹＥＳとなり、次にステップＳＴ１０へ移行する。
ステップＳＴ１０においては、予め設定記憶してある消耗電池（過放電電池）の判定基準電圧ＶＫと各電池電圧Ｖｉを比較し、Ｖｉ≦ＶＫか否か判定する。通常は判定ＮＯであり、この場合はステップＳＴ１３へ移行する。しかし電池ＢＴｉが消耗しており、バランス処理後の電圧が極端に小の場合に判定ＹＥＳで、ステップＳＴ１１へ移行する。
ステップＳＴ１１においては、信号処理装置２の表示部５に電池ＢＴｉの消耗を表示する。続いてステップＳＴ１２へ移行し、過放電警告信号を主制御装置７へ出力する。
ここでの処理は、電池ＴＢｉの消耗度合，つまり過放電の度合いを判別しており、過放電による電池電圧不足では、電池の劣化に至る過放電状態になる前に、電池への放電禁止を求めるため信号出力を行っている。主制御装置７では、放電状態を考慮し、信号ＳＣ２によりスイッチＳＲ２をオフし、放電を停止させることが出来る。
上記ステップＳＴ１２の処理に続いて、ステップＳＴ１３へ移行する。ステップＳＴ１３においては、予め設定記憶している過剰充電電池電圧Ｖｈと各電池電圧Ｖｉを比較し、Ｖｉ≧Ｖｈか否か判定する。通常は判定ＮＯであり、この場合は処理を終了する。しかし電池ＢＴｉが過充電状態にあり、電池電圧が高く、バランス処理を行っても、なお電圧が大である場合は、判定ＹＥＳでステップＳＴ１４へ移行する。
ステップＳＴ１４においては、信号処理装置２の表示部５に電池ＢＴｉ過充電警告を表示する。続いてステップＳＴ１５へ移行し、過充電警告信号を主制御装置７に出力する。ここでの過重電警告信号の出力は、電池充電電圧が大では、危険な電池破壊に至る過剰充電になる前に電池への充電停止を求めるために行っている。主制御装置７では、過剰充電状態を考慮し信号ＳＣ１によりスイッチＳＲ１をオフし、充電を停止させることができる。
なお、上記実施形態では、電池ＢＴｉの消耗を判断するのに、所定の時点で、電池電圧Ｖiと判定基準電圧ＶＫを比較しているが、他の実施形態として、各電圧Ｖｉの測定時に、前回の電圧Ｖｉ―１と今回の測定電圧Ｖｉの差（Ｖｉ―Ｖｉ―１）を求め、これにコンデンサＣの静電容量Ｃを乗じた移動電気量Ｃ（（Ｖｉ―Ｖｉ―１）を求めて記憶しておき、所定の時点での移動電気量、漏れ電気量により充電進行と共に流出量が多く発生し、放電の進行と共に流入量が多く発生する電池は容量の減退が考えられ、電池ＢＴｉの消耗度を判断するようにしても良い。これは電池の容量の減退により、他の電池より、電圧上昇／下降が早くなるからである。容量の減退した電池が発生すると、組電池全体の蓄積電気量の減少につながり、電池システムの能力低下になる。充電と共に流出が発生し、放電と共に流入が発生する電池は内部抵抗の増加が考えられ、電池ＢＴｉの劣化判断のデータとすることが出来る。
トータルで電荷の流入量が多い電池は漏れ（リーク）の疑いが考えられる。このリーク発生は、組電池の能力減退につながるし、多いリークは安全上にも問題である。上記のように、組電池全体の構成電池の監視を精細に行うことによって、より安全な電池システムを実現できる。

ＢＴ１，ＢＴ２，・・・，ＢＴｎ 電池
ＳＷ１，SW2，・・・，ＳＷｎ 2極双投スイッチ
ＳＷＫ 第2の2極双投スイッチ
Ｃ コンデンサ
１ 電圧計測部
２ 信号処理装置
３ 制御部
４ 記憶部
５ 表示部
６ 充電源
７ 主制御装置
８ 負荷

Claims (4)

1. 縦続接続されてなる複数個（ｎ個）の電池と、
   この各電池に対応して設けられ、一方端の２極が各電池の正側と負側に接続される複数個（ｎ個）の第１の２極双投スイッチと、
   両端が前記２極双投スイッチの他方端の２極の一方と他方に接続され、各２極双投スイッチのＯＮ時に対応する電池に並列接続される蓄電器と、
   前記蓄電器の両端に一方端の２極が接続される第２の２極双投スイッチと、
   前記各電池を前記蓄電器に所定順次に切替接続するために、前記各第1の２極双投スイッチに所定順次に投入指令信号を送り、この第１の２極双投スイッチの投入指令信号の間に前記第２の２極双投スイッチに投入指令信号を送る制御部と、
   前記第２の２極双投スイッチの他方端の２極に入力部が接続され、前記第の２極双投スイッチのＯＮ時に前記蓄電器の両端電圧を受けて計測する電圧計測部と、
   からなることを特徴とする電池電圧調整監視装置。
2. 前記ｎ個のｉ（ｉ＝１〜ｎ）番目の電池と蓄電器との接続に続く第２の２極双投スイッチの投入により前記電圧計測部で計測される電圧を記憶する記憶部と、この記憶部に記憶される電圧値に基づいてｉ番目の電池の劣化の有無を判断する電池正否評価手段とを、を備えることを特徴とする請求項１記載の電池電圧調整監視装置。
3. 前記電池正否評価手段は、予め設定する第１の基準電圧と、前記計測電圧とを比較する手段を含み、前記計測電圧が前記第１の基準電圧より低い場合にその電池が過放電になる恐れがあるものと判断するものであることを特徴とする請求項２記載の電池電圧調整監視装置。
4. 前記電池正否評価手段は、予め設定する第２の基準電圧と、前記第２の基準電圧と前記計測電圧とを比較する手段を含み、前記計測電圧が前記第２の基準電圧より高い場合に電池が過充電状態になる恐れがあると判断するものであることを特徴とする請求項２記載の電池電圧調整監視装置。

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