JP2000171532A - 電池電圧検出手段、電池パック、電池管理装置およびそれに用いる電池電圧検出方法 - Google Patents
電池電圧検出手段、電池パック、電池管理装置およびそれに用いる電池電圧検出方法Info
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Abstract
安価で提供することを目的とする。 【解決手段】 少なくとも直列接続された複数の単電池
からなる組電池の各種電圧を検出するための電圧検出手
段を備えた電池パックであって、電池検出手段が、単電
池の出力を蓄えるためのコンデンサと、コンデンサを単
電池のうちの少なくとも一つと選択的に接続するための
単電池接続用スイッチ、コンデンサの出力をデジタル信
号に変換するA/D変換器、コンデンサとA/D変換器
を接続するためのA/D変換器接続用スイッチ、単電池
接続用スイッチ、およびA/D変換器接続用スイッチを
制御しかつA/D変換器の出力信号に基づいてコンデン
サに印加された電圧を検出する信号処理部を備える。
Description
わけポータブル機器に用いられる電池パックの電池管理
装置に関するものであり、詳しくは電池パックに用いら
れる二次電池の充放電の制御のために二次電池の電圧情
報を取り出す電池電圧検出手段に関する。
い、それに用いる二次電池(単電池およびその集合体で
ある組電池を示す)の充放電等を精度よく管理する必要
が高まっている。そこで、電気機器や電池パックには、
二次電池を監視し、制御するための電池管理装置が設け
られている。電池管理装置は、機器に搭載された二次電
池の電圧、電流、温度等を監視し、機器の使用時すなわ
ち二次電池の放電時においては、測定した電圧値等に基
づいてその過電流や過放電を防止する。さらに、充電時
においては、過充電を防止する。このように電池管理装
置は、二次電池の安全性を高め、同時にその劣化を防止
している。なお、電池管理装置のその他の機能として
は、単電池の残容量を推定する機能が挙げられる。
した組電池を使用する電気機器について説明する。図1
に、電池管理装置を備えた電気機器の構成の概略を示
す。組電池2は、直列接続された単電池3a〜3cおよ
びこれらの温度を検出するためのサーミスタ8を備えて
いる。組電池2と、組電池2を監視する電池管理装置1
は、一体化されて電池パック4を構成している。電池管
理装置1は、電池電圧検出手段5、電池温度検出手段6
および充放電電流検出手段7を備えている。電池電圧検
出手段5は、組電池2全体の電圧および組電池2を構成
する単電池3a〜3cの電圧をそれぞれ検出する。電池
温度検出手段6は、サーミスタ8からの信号により組電
池2の温度を検出する。充放電電流検出手段7は、シャ
ント抵抗9からの信号により組電池2の充放電時の電流
値を検出する。
池温度検出手段6および充放電電流検出手段7により検
出された単電池3a〜3cに関する情報は、それぞれ制
御手段10に出力される。制御手段10は、得られた情
報より単電池3a〜3cの残容量を推定する。また、組
電池2および単電池3a〜3cに関する情報に基づい
て、通信手段12よりシリアル通信によって、電池パッ
ク4に接続された機器本体11に制御信号を出力する。
さらに、制御手段10は、充電スイッチ13および放電
スイッチ14を操作して、組電池2の充放電を制御す
る。なお、機器本体11は、電池パック4より送られて
きた制御信号に基づいてその出力を制御したり、異常の
有無等の情報を表示部(図示せず)等によって使用者に
通知する。
池3a、3bおよび3cの電圧を、図2に示すように所
定間隔t(例えば0.5秒)で繰り返し検出する。得ら
れた単電池の電圧の経時変化の情報は、充電制御、過充
電保護、過放電保護等に用いられる。ニッケル−水素二
次電池等においては、組電池の電圧は、満充電を検出す
る−△V制御に用いられる。
電圧検出方法について説明する。従来の電池電圧検出手
段5の構成を図3に示す。スイッチS1〜S6は、信号
処理部21の指令信号により動作し、単電池3a〜3c
を選択的に演算増幅器15および抵抗17〜20で構成
される増幅手段22に接続する。A/D変換器16は、
増幅手段22の出力をデジタル信号に変換する。信号処
理部21は、A/D変換器16からの入力信号より、単
電池3a〜3cの電圧をそれぞれ検出する。
を詳細に説明する。あらかじめスイッチS1〜S6はO
FFになっている。まず単電池3aの電圧を測定するた
めに、S1およびS3をONにし、単電池3aを増幅手
段22に接続する。電圧検出が終了すると、信号処理部
21はS1およびS3をOFFにする。ついで、S1お
よびS3に代えてスイッチS2およびS5を操作して、
単電池3bの電圧を同様に検出する。さらに、S4およ
びS6を同様に操作して、単電池3cの電圧を検出す
る。このような操作を常時もしくは定期的に繰り返して
得られた電池の情報は、各種制御に用いられている。
は、以下に示すように、電圧検出時に消費される電力量
が単電池毎に異なるため、単電池間の出力の格差が増大
するといった問題点も有する。具体的な例を挙げて説明
する。図3に示す単電池3a、3bおよび3cの出力電
圧V3a、V3bおよびV3cをいずれもVとし、抵抗R17
〜R20の抵抗値をいずれもRとする。スイッチS1〜
S6の接続時間は、演算増幅器15の出力が安定するま
での待ち時間を考慮して、いずれも1ミリ秒とする。
池3a〜3cにはスイッチS1、抵抗R17および抵抗
R19を通じてそれぞれ3V/2Rの電流が流れ、さら
にスイッチS3、抵抗R18および抵抗R20を通じ
て、(2V−Vout)/2Rの電流が流れる。ここで、
Voutは、演算増幅器15の出力電圧である。単電池3
bの電圧を検出するときに、単電池3bおよび3cには
スイッチS2、抵抗R17および抵抗R19を通じて、
2V/2R(=V/R)の電流が流れ、このときさらに
単電池3cにはスイッチS5、抵抗R18および抵抗R
20を通じて(V−Vout)/2Rの電流が流れる。単
電池3cの電圧を検出するときに、単電池3cにはスイ
ッチS4、抵抗R17および抵抗R19を通じて、V/
2Rの電流が流れる。
し、抵抗R18の入力電圧をViとすると、Voutは、以
下の式(1)で表される。
ときには、式(1)は以下の式(2)で表される。
=R18=R19=R20=Rとすると、式(2)は、Vout
=Vとなる。
は、式(1)は以下の式(3)で表される。
出するときに、各単電池の放電量は、表1に示すように
なる。
単電池3bの放電量は、単電池3aのそれの2倍にな
る。また、単電池3cの放電量は、単電池3aのそれの
約2.3倍にも達する。すなわち、各単電池の電圧を検
出する度に、単電池間の出力の格差は増大することにな
る。特に、常時電圧を検出しているような電池パックの
場合、単電池間の出力格差が無視できないほど、大きく
なる恐れがある。
は、高性能の演算増幅器や抵抗が必要とされる。たとえ
ば、リチウムイオン二次電池においては、残容量が少な
くなっても出力電圧はわずかしか低下しないために、精
度よく充放電を管理するためには、単電池当たり±50
mVの高精度で電圧を検出する必要がある。A/D変換
器の出力誤差が±25mVであるとすると、上記のよう
な増幅手段においては、±25mVの精度が求められる
ことになる。汎用の演算増幅器や抵抗を用いた場合に
は、このような高い精度は得られないことから、従来の
電池管理装置には、高価な高性能の演算増幅器や抵抗を
用いる必要があった。
と、演算増幅器の入力オフセット電圧の精度の2倍が、
出力精度となって現れる。入力抵抗としては、絶対精度
が0.2%以下の抵抗を組み合わせてその最大相対精度
が0.4%以下になるようにしていた。すなわち、リチ
ウムイオン二次電池を例に挙げると、過充電保護検出電
圧4.35Vに対して、±17.4mVとなる。また、
高性能の演算増幅器においても入力オフセット電圧の精
度はせいぜい±3mVである。したがって、演算増幅器
の入力オフセット電圧の精度に起因した増幅手段の出力
精度は±6mVである。このように、従来、増幅手段の
出力誤差を±25mV以下とするためには、精度の高い
高価な演算増幅器を用いる必要があった。
な問題点を解決するもので、電圧検出時の単電池の消費
電力量を均一にし、さらには単電池間の電圧差を是正す
ることができる高性能の電池検出手段を備えた電池パッ
クを安価で提供することを目的とする。
れた複数の単電池を管理するための電池電圧の検出にお
いて、たとえば、単電池の出力を一旦、コンデンサに蓄
えた後、コンデンサに印加された電圧を検出する。これ
により、各単電池間の電圧誤差を増大させることがな
く、微小ではあるが逆に是正することができる。また、
高価な演算増幅器や抵抗に代えて、安価なコンデンサお
よびアナログスイッチを用いることができる。
出力を蓄えるためのコンデンサと、前記コンデンサを前
記単電池のうちの少なくとも一つと選択的に接続するた
めの単電池接続用スイッチ、コンデンサの出力をデジタ
ル信号に変換するA/D変換器、コンデンサとA/D変
換器を接続するためのA/D変換器接続用スイッチ、単
電池接続用スイッチ、およびA/D変換器接続用スイッ
チを制御しかつA/D変換器の出力信号に基づいてコン
デンサに印加された電圧を検出する信号処理部を備えた
電池検出手段を具備している。
とコンデンサが接続されると、コンデンサに電圧が印加
され、その後、同スイッチをOFFにすると、コンデン
サに印加された電圧が保持される。このコンデンサをA
/D変換器と接続して、コンデンサに印加された電圧を
検出することにより、単電池の出力電圧を検出する。コ
ンデンサは、その容量のバラツキに関わらず、接続され
た単電池の電圧が正確に伝達される。したがって、本発
明によると、単電池の電圧を直接測定するのと変わらな
い精度で単電池の電圧を検出することができる。したが
って、演算増幅器等を用いた従来の電池管理装置と比べ
て、小さな誤差で電池の電圧を検出することができる。
さらに、従来の電池電圧検出手段に必要であった高価な
高性能の演算増幅器や抵抗を、安価なコンデンサやアナ
ログスイッチに置き換えることができる。また、上記の
方法を用いて、複数の単電池の電圧を順次検出すること
により、印加電圧が保持されたコンデンサが単電池と接
続されるため、出力が低下した単電池は、わずかではあ
るが充電される。したがって、単電池間の電圧の格差を
是正することもできる。
いて、コンデンサの容量が0.01μF以上である。一
般に、電圧検出手段の信号処理部およびA/D変換器
は、一体化されたマイクロコンピュータによって構成さ
れる。そのようなA/D変換器には、容量がせいぜい1
0pF程度のサンプルホールド用コンデンサが内蔵され
ている。このような電圧検出手段においては、先に単電
池と接続され電圧を印加されたコンデンサとこのサンプ
ルホールド用コンデンサを接続して、サンプルホールド
用コンデンサに電圧を印加する。このとき、単電池の電
圧が印加された側のコンデンサの極板間電圧をサンプル
ホールド用コンデンサに精度よく伝えるためには、単電
池と直接接続するコンデンサの容量が0.01μF以上
であることが好ましい。
サを接続すると、電気量保存則により、サンプルホール
ド用コンデンサに印加される電圧Vsは、以下の式
(4)のように表される。
圧を1mV以下の誤差で入出力することが可能であるか
ら、上式は精度よく成り立つ。単電池がリチウムイオン
電池であって、その出力電圧が4350mVであるとす
ると、サンプルホールド用のコンデンサの容量を最大値
である10pFとしても、コンデンサの容量を0.01
μFとすることで、本来の単電池電圧と、サンプルホー
ルド用コンデンサに印加される電圧の差を4.35m
V、すなわち0.1%とすることができる。もちろん、
コンデンサの容量をさらに大きくすると、両者の差はさ
らに小さくなる。また、式(4)より明らかなように、
コンデンサの容量が充分大きいと、容量のバラツキは誤
差にほとんど影響を及ぼさない。したがって、コンデン
サの容量を0.01μF以上とすることで、誤差を事実
上無視することができる。上記のコンデンサとしては、
例えば、安価なアルミナ等のセラミックコンデンサを用
いる。
しようとする単電池とコンデンサを接続して、コンデン
サに単電池の電圧を印加するステップと、単電池とコン
デンサを切り離すステップと、コンデンサに印加された
電圧を検出するステップとを具備する。本発明の他の電
池電圧検出方法は、電圧を検出しようとする単電池の負
極側に接続されている他の単電池をコンデンサと接続し
て、コンデンサに他の単電池の電圧を印加するステッ
プ、他の単電池とコンデンサを切り離すステップ、およ
び他の単電池と電圧を検出しようとする単電池の電圧を
コンデンサを介して信号処理部に印加し、信号処理部に
加わる電圧を検出するステップを具備する。
いて詳細に説明する。なお、以下の実施例においては、
いずれも単電池を3個直列接続して用いる電気機器の電
池パックについて説明する。もちろん、単電池を2個、
または4個以上接続して用いる電気機器の電池パックに
おいても、以下の実施例と同様の手法によって電池を管
理することができる。
部分の構成を図4に示す。組電池28には、単電池23
a〜23cが直列に接続されている。信号処理部27の
指令信号により動作するスイッチS11〜S16は、単
電池23a〜23cをコンデンサ24とそれぞれ接続す
るように配されている。ここで用いるコンデンサ24に
は、たとえばセラミックコンデンサを用いる。コンデン
サ24と信号処理部27の間には、信号処理部27の指
令信号により動作するスイッチS17およびS18が配
されている。S19は、コンデンサ24に蓄えられた電
荷を放出するためのスイッチで、信号処理部27の指令
信号により動作する。コンデンサ24と信号処理部27
の間にはA/D変換器26が配されている。A/D変換
器26は、コンデンサ24からのアナログ信号をデジタ
ル化して信号処理部27に出力する。
検出方法について説明する。測定開始時には、S11〜
S19はいずれもOFFになっている。まず、信号処理
部27は、S11およびS13を所定時間(たとえば
0.1ミリ秒)、ONにする。これにより、コンデンサ
24には、単電池23aによって電圧が印加され、電荷
が蓄えられる。信号処理部27は、S11およびS13
をOFFにしたのち、S17およびS18をONにす
る。これにより、コンデンサ24からA/D変換器26
に電圧信号が出力される。A/D変換器26は、コンデ
ンサ24の出力信号をデジタル化して信号処理部27に
出力する。信号処理部27は、入力されたデジタル信号
よりコンデンサ24に印加された電圧を検出する。つい
で、S11およびS13に代えてS12およびS15を
制御して、上記と同様に単電池23bの電圧を検出す
る。その後、同様にS12およびS15を制御して、単
電池23cの電圧を検出する。信号処理部27は、必要
に応じてS19をONにして、コンデンサ24に蓄えら
れた電荷を放出する。
6とを接続すると、コンデンサ24は、A/D変換器2
6に内蔵されたサンプルホールド用コンデンサ(図示せ
ず)と接続される。すなわち、A/D変換器26は、こ
のサンプルホールド用コンデンサに一時電荷を蓄えたの
ち、そこに印加された電圧を検出する。A/D変換器2
6はコンデンサ24とこのサンプルホールド用コンデン
サとを接続したときのサンプル用コンデンサの電圧を検
出することから、上記のようにコンデンサ24の容量
は、A/D変換器26に内蔵されたサンプルホールド回
路としてのコンデンサの容量よりも充分大きくする。
量が4〜5pF、最大でも10pFであることから、サ
ンプルホールド用コンデンサに精度よく電圧を伝達する
ためには、コンデンサ24には、例えば容量が0.01
μFのコンデンサを用いる。もちろん、コンデンサ24
の容量が大きいほど、電圧検出の誤差は小さくなるた
め、より大容量のコンデンサを用いてもよい。特に容量
が大きいコンデンサであれば、その容量のバラツキに起
因した誤差を無視することができ、コンデンサ容量に高
い精度は求められない。したがって、汎用のコンデンサ
を用いることができる。たとえば、安価で小型なセラミ
ックコンデンサが好ましい。
電池パックに用いられていた演算増幅器および抵抗に代
えてアナログスイッチおよびコンデンサを用いる。上記
のような構成によると、アナログスイッチによる誤差は
無視できる。したがって、電圧検出の誤差要因として
は、コンデンサをA/D変換器と接続する際の電圧値の
低下のみと考えてもよい。しかし、これに対しても、上
記のように容量の大きなコンデンサを用いると、誤差を
無視することができる。また、小容量のコンデンサを用
いても、容量が既知であれば、式(4)で示された電気
量保存則に基づいて補正することも可能であり、精度の
高い電圧検出が可能である。
単電池はコンデンサと接続されたときだけ放電すること
から、従来の電池パックのように単電池間のアンバラン
スを助長することが無い。むしろ、逆に是正することも
可能である。コンデンサを並列に接続した場合、それら
に蓄えられる電荷量は容量に比例する。上記のように、
コンデンサ24の容量は、A/D変換器26に内蔵され
たサンプルホールド用のコンデンサの容量よりも充分に
大きい。したがって、両者を接続しても、コンデンサ2
4に蓄えられた電荷のうちごく一部がA/D変換器26
に供給されるだけで、電荷のほとんどはコンデンサに2
4に残存する。また、このとき、両者の接続の前後でコ
ンデンサ24の電圧はほとんど低下しない。
〜23cを順にコンデンサ24と接続する課程で、コン
デンサ24が電圧が他の単電池よりも低い単電池、すな
わちコンデンサ24に印加されている電圧よりも電圧が
低い単電池と接続されると、コンデンサ24に蓄えられ
た電荷の一部が単電池に向けて移動する。これによりそ
の単電池は充電され、わずかではあるが、他の単電池と
の電圧の格差が是正される。もちろん、コンデンサ24
から単電池への電荷の移動により単電池の出力電圧は大
きく変化しないため、電圧の低下した単電池であっても
精度よく電圧の検出が可能である。
いれば、上記のような機能が発揮される。また、信号処
理部24に単電池23a〜23cの電圧を比較する手段
を設け、検出された電圧値の大小によって次に電圧を検
出する順番を変化させるように制御すれば、さらに効果
的に電圧を是正することも可能である。さらに、従来の
電池パックには、高価な高性能演算増幅器や抵抗が求め
られるのに対して、本実施例の電池パックによると、安
価なアナログスイッチおよびコンデンサを用いる。した
がって、従来の電池パックと比べてコストを大幅に低減
させることができる。本実施例の電池電圧検出手段25
においては、従来の増幅手段22に要した部品価格の1
/3の価格で代替回路を構成することができる。
の各単電池の電圧の検出中に、定期的にS19をONに
してコンデンサ24に蓄えられた電荷をすべて放出する
動作を織り交ぜることにより、さらなる効果を得ること
ができる。たとえば、コンデンサ24に蓄えられた電荷
をすべて放出させた直後に検出した単電池の電圧値が、
通常時に検出した電圧値と等しくなかった場合(特に、
コンデンサ24の放電直後の電圧値の方が低い場合)に
は、組電池28と電池管理装置1との接続部のいずれか
に接続不良(オープン)が発生したと判断できる。した
がって、このような場合には、充放電を停止させること
ができる。
とともに電圧検出によって消費される電力量のアンバラ
ンスの是正に有用な電池管理装置について説明したが、
本実施例では特にコストダウンに有用な電池管理装置、
すなわち実施例1で説明した電池パックよりもさらに安
価で提供できる電池パックについて説明する。
いに直接に接続された単電池23a〜23cの正極端子
は、それぞれスイッチS21〜S23を介してコンデン
サ31の一方の極に接続されている。また、単電池23
cの負極端子は、スイッチS25を介してコンデンサ3
1の他極に接続されている。コンデンサ31のS25と
接続された側の極は、順にスイッチS26およびA/D
変換器33を介して信号処理部32と接続されている。
単電池23bの負極端子は、スイッチS24を介して、
S26の下流かつA/D変換器33の上流に接続されて
いる。
デンサ31に単電池23bおよび23cにより電圧が印
加されて電荷が蓄えられる。所定時間(例えば10ミリ
秒)経過すると、信号処理部32は、S22およびS2
5をOFFにし、S21およびS26をONにする。こ
れにより、コンデンサ31には、さらに単電池23aの
出力電圧が印加される。このとき、S25はOFFにな
っているため、単電池23aの出力電圧に対応した信号
がA/D変換器33に出力される。A/D変換器33へ
の出力が終了すると、信号処理部32はS21およびS
26をOFFにする。
25をONにして、コンデンサ31に単電池23cの電
圧を印加する。所定時間経過後、S23およびS25を
OFFにし、ついで、S22およびS26をONにす
る。これにより、コンデンサ31には、単電池23cの
電圧に加えて単電池23bの出力電圧が印加される。こ
れにより、A/D変換器33に、単電池23bの出力電
圧に対応した信号が供給される。A/D変換器33への
出力が終了すると、S22およびS26をOFFにす
る。ついで、S24をONにし、単電池23cの出力を
直接、A/D変換器33に供給する。A/D変換器33
は、この入力信号により単電池23cの電圧を検出す
る。
続された単電池間に電池電圧検出における消費電力量の
アンバランスは残るものの、装置の構成を従来の電池パ
ックにおける電池電圧検出手段と比べてスイッチを3つ
減らして簡略化することができる。また、実施例1で用
いた電池電圧検出手段と比べてもさらに大幅なコストダ
ウンが可能になる。
Cから電気自動車におよぶ広い用途で適用可能な高性能
の電池電圧検出手段を備えた電池パックを安価で提供す
ることができる。特に、本発明のコンデンサにいったん
単電池の出力を蓄えたのち、その電圧を検出する方法は
電池を多数直列接続していても適用可能であることか
ら、電気自動車等の電動車両における効果は、さらに大
きいものになる。
示すブロック図である。
ク図である。
ブロック図である。
ック図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 少なくとも直列接続された複数の単電池
からなる組電池の各種電圧を検出するための電圧検出手
段であって、前記単電池の出力を蓄えるためのコンデン
サと、前記コンデンサを前記単電池のうちの少なくとも
一つと択一的に接続するための単電池接続用スイッチ
と、前記コンデンサの出力をデジタル信号に変換するA
/D変換器と、前記コンデンサと前記A/D変換器を接
続するためのA/D変換器接続用スイッチと、前記単電
池接続用スイッチおよびA/D変換器接続用スイッチを
制御しかつ前記A/D変換器の出力信号に基づいて前記
コンデンサに印加された電圧を検出する信号処理部とを
具備する電池電圧検出手段。 - 【請求項2】 前記信号処理部が、前記単電池接続用ス
イッチおよびA/D変換器接続用スイッチを制御して、
前記単電池のそれぞれを順次前記コンデンサと接続する
請求項1記載の電池電圧検出手段。 - 【請求項3】 前記コンデンサの容量が0.01μF以
上である請求項1または2に記載の電池電圧検出手段。 - 【請求項4】 前記コンデンサがセラミックコンデンサ
である請求項1〜3のいずれかに記載の電池電圧検出手
段。 - 【請求項5】 前記A/D変換器がサンプルホールド用
コンデンサを具備する請求項1〜4のいずれかに記載の
電池電圧検出手段。 - 【請求項6】 少なくとも直列接続された複数の単電池
からなる組電池の各種電圧を検出するための電池電圧検
出方法であって、電圧を検出しようとする単電池とコン
デンサを接続して、前記コンデンサに前記単電池の電圧
を印加するステップ、前記単電池と前記コンデンサを切
り離すステップ、および前記コンデンサに印加された電
圧を検出するステップを具備する電池電圧検出方法。 - 【請求項7】 少なくとも直列接続された複数の単電池
からなる組電池の各種電圧を検出するための電池電圧検
出方法であって、電圧を検出しようとする単電池の負極
側に接続されている他の単電池をコンデンサと接続し
て、前記コンデンサに前記他の単電池の電圧を印加する
ステップ、前記他の単電池と前記コンデンサを切り離す
ステップ、および前記他の単電池の電圧に加え電圧を検
出しようとする単電池の電圧を前記コンデンサを介して
信号処理部に印加し、前記信号処理部に加わる電圧を検
出するステップを具備する電池電圧検出方法。 - 【請求項8】 請求項1〜5のいずれかに記載の電池電
圧検出手段を用いたことを特徴とする電池管理装置。 - 【請求項9】 少なくとも直列接続された複数の単電池
からなる組電池および請求項8記載の電池管理装置を具
備する電池パック。
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