JP2013055837A - 電圧バランス補正回路 - Google Patents

Abstract

【課題】直列に接続した複数の二次電池の電圧バランスを補正するバランス補正回路に関し、特に回路素子の数を減らすと共に、過電流検知の処理時間を短縮し、過電流検知を遅延なく行うことができる電圧バランス補正回路を提供することを目的とする。
【解決手段】直列に接続された第１、第２の電池の電圧バランス補正回路であって、第１の電池に並列に接続された単一のスイッチング素子と、第２の電池に並列に接続された単一の第２のスイッチング素子と、第１、第２の電池の接続部と第１、第２のスイッチング素子の接続部間に配設され、第１のスイッチング素子をオンし、第１の電池を駆動して電磁エネルギーを蓄積し、第２のスイッチング素子をオンし、電磁エネルギーによって第２の電池を充電するインダクタと、第１、第２のスイッチング素子への過電流を検出し、該過電流を検出すると第１、第２のスイッチング素子をオフする制御手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は直列に接続された複数の二次電池の電圧バランスを補正する電圧バランス補正回路に関する。

今日、リチウムイオン電池やニッケル水素蓄電池等の二次電池は、所謂ハイブリットカーや電気自動車のみならず、フォークリフトや各種産業用機械のバックアップ電源等としても広く使用されている。したがって、このような用途に使用される二次電池には大きな出力が要求され、多数の電池を直列に接続して使用している。この場合、特に直列に接続された各電池の出力電圧が一致することが重要であり、このため電圧バランス補正回路が組み込まれている。

図５は直列に接続された２個の二次電池の電圧バランスを補正する際の電圧バランス補正回路の基本的な回路である。電池Ｂ１とＢ２は直列に接続され、インダクタＬの一端を電池Ｂ１の負極端子と電池Ｂ２の正極端子に接続し、電池Ｂ１の正極端子とインダクタＬの他端間にスイッチング素子Ｓ１を配設し、電池Ｂ２の負極端子とインダクＬの他端間にスイッチング素子Ｓ２を配設して構成されている。

スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２には不図示の信号発生回路から制御信号が出力され、例えば電池Ｂ１の出力電圧が電池Ｂ２の出力電圧より高い時、先ずスイッチング素子Ｓ１をオンすると共にスイッチング素子Ｓ２をオフし、インダクタＬに矢印（実線）方向の電流を流し、インダクタＬに発生する誘導起電力によって電磁エネルギーを蓄積し、次にスイッチング素子Ｓ１をオフすると共にスイッチング素子Ｓ２をオンし、インダクタＬに蓄積した電磁エネルギーによって電池Ｂ２を充電する。一方、電池Ｂ２の出力電圧が電池Ｂ１の出力電圧より高い時には、上記とは逆に、先にスイッチング素子Ｓ２をオンすると共にスイッチング素子Ｓ１をオフし、次にスイッチング素子Ｓ１をオンすると共にスイッチング素子Ｓ２をオフすることによって、インダクタＬに矢印（点線）方向の電流を流し、インダクタＬに蓄積した電磁エネルギーによって電池Ｂ１を充電する。

特許文献１は電圧バランス補正回路において、インダクタＬに過電流が流れることを防止する回路を開示する。図６は特許文献１に開示するバランス補正回路の一例であり、上記電池Ｂ１、Ｂ２、インダクタＬ、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２以外に、スイッチング素子Ｓ１に並列に抵抗Ｒ１と副スイッチング素子Ｓ３の直列回路が接続され、またスイッチング素子Ｓ２に並列に抵抗Ｒ２と副スイッチング素子Ｓ４の直列回路が接続され、それぞれスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のバイパス回路を構成している。

また、コンパレータ２０はインダクタＬに過電流が流れることを防止するため、抵抗Ｒ１と副スイッチング素子Ｓ３との接続部の電圧と基準電圧Ｖ１を比較し、過電流の検知を行い、ゲートドライバＤ３を介して信号発生回路１０に検知信号を出力する。同様に、コンパレータ２１についても、抵抗Ｒ２と副スイッチング素子Ｓ４との接続部の電圧と基準電圧Ｖ２を比較し、過電流の検知を行い、ゲートドライバＤ４を介して信号発生回路１０に検知信号を出力する。

尚、前述のように、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２には、信号発生回路１０から前述の制御信号が対応するゲートドライバＤ１、Ｄ２を介して入力し、電池Ｂ１、Ｂ２の電圧バランスの補正を行っている。

特開２００６−６７７４２号公報

従来の電圧バランス補正回路では、上記のように副スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４が必要であり、使用する回路素子が増加する。また、信号発生回路１０から出力された制御信号に基づいて副スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４を駆動し、抵抗Ｒ１と副スイッチング素子Ｓ３との接続部に発生する電圧を基準電圧Ｖ１と比較し、また抵抗Ｒ２と副スイッチング素子Ｓ４との接続部に発生する電圧を基準電圧Ｖ２と比較し、過電流検知を行う。このため、過電流検知が遅れる。

そこで、本発明は回路素子の数を減らすと共に、過電流検知の遅延の小さい電圧バランス補正回路を提供することを目的とする。

上記課題は本発明によれば、直列に接続された第１、第２の電池と、上記第１の電池に並列に接続され、第１の制御信号によってオン、オフ駆動する単一の第１のスイッチング手段と、上記第２の電池に並列に接続され、第２の制御信号によってオン、オフ駆動する単一の第２のスイッチング手段と、上記第１、第２の電池の接続部と第１、第２のスイッチング手段の接続部間に配設され、上記第１のスイッチング手段をオンすると共に第２のスイッチング手段をオフすることによって上記第１の電池を駆動して電磁エネルギーを蓄積し、上記第２のスイッチング手段をオンすると共に第１のスイッチング手段をオフすることによって上記第２の電池を充電するインダクタと、該インダクタへの過電流を検出する過電流検出手段と、該過電流を検出すると上記第１、第２のスイッチング手段をオフする制御手段とを有する電圧バランス補正回路を提供することによって達成できる。すなわち、上記インダクタへの電磁エネルギーの蓄積の間、過電流検出手段がインダクタへの過電流を検出すると、上記第１又は第２のスイッチング素子をオフし、インダクタへの過電流の供給を停止し、少ないスイッチング素子によって過電流検出を行う。

また、上記課題は本発明によれば、上記制御手段は、過電流検出手段によって検出された過電流検出信号と第１、第２の制御信号によって上記第１、第２のスイッチング手段をオフする構成であり、遅延なく過電流検出を行うことができる。

さらに、上記過電流検出手段は、第１、第２のスイッチング手段をオンすることによって変化する電位と予め設定された基準電位を比較して過電流検出を行い、回路素子を減らす構成である。

本発明によればスイッチング素子の数を増加させることなく、電圧バランス補正回路の過電流検知を行うことができる。また、制御信号の出力と同時に過電流検知を行い、電圧バランス補正回路の過電流検知の遅延を小さくすることができる。

本実施形態の電圧バランス補正回路の回路図である。 駆動信号発生回路の論理を説明する図である。 電圧バランス補正回路の各部の電圧変化を示すタイムチャートである。 タイムチャートに示す各部の位置を説明する回路図である。 連続する２個の二次電池の電圧バランスを補正する基本的な回路図である。 特許文献に開示するバランス補正回路の一例を示す図である。

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。
図１は本実施形態の電圧バランス補正回路の回路図である。電池Ｅ１、Ｅ２は直列に多数の電池が接続された中の任意の２個の電池を示し、電池Ｅ１の正極端子には同じ構成の不図示の電池が接続され、電池Ｅ２の負極端子にも同じ構成の不図示の電池が接続されている。尚、電池Ｅ１、Ｅ２として、例えばリチウムイオン電池が使用されている。

また、本実施形態のバランス補正回路では、２個のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２が使用され、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続部にはインダクタＬの一端が接続され、インダクタＬの他端は上記電池Ｅ１の負極端子と電池Ｅ２の正極端子に接続されている。このスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２と、インダクタＬは、前述の図５において説明した場合と同様、電池Ｅ１とＥ２の電圧バランスの補正を行う。

尚、スイッチング素子ＳＷ１の他端と電池Ｅ１の正極端子間には抵抗ＲＳ１が接続され、スイッチング素子ＳＷ２の他端と電池Ｅ２の負極端子間には抵抗ＲＳ２が接続されている。

スイッチング素子ＳＷ１には駆動信号発生回路１から駆動信号が出力され、スイッチング素子ＳＷ１を駆動する。また、スイッチング素子ＳＷ２には駆動信号発生回路２から駆動信号が出力され、スイッチング素子ＳＷ２を駆動する。尚、上記スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２をＭＯＳＦＥＴで構成する場合、対応する駆動信号発生回路１又は２からゲート信号が対応するスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に出力される。

駆動信号発生回路１は後述する論理を有するゲート回路で構成され、コンパレータ３から出力される遮断信号Ａ１、及び後述する制御信号Ｂ１に基づいて駆動信号をスイッチング素子ＳＷ１に出力する。同様に、駆動信号発生回路２も上記と同じ論理を有するゲート回路で構成され、コンパレータ４から出力される遮断信号Ａ２、及び後述する制御信号Ｂ２に基づいて駆動信号をスイッチング素子ＳＷ２に出力する。

コンパレータ３はインダクタＬに流れる過電流を検出する回路であり、反転入力（＋）には抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２で分圧された、抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続部の電圧が印加され、非反転入力（−）にはスイッチング素子ＳＷ１と抵抗ＲＳ１の接続部の電圧が印加される。コンパレータ３は反転入力（＋）に入力する電圧値を基準電圧とし、非反転入力（−）に入力する電圧値がこの基準電圧を超える場合、遮断信号Ａ１（後述する“０”）を駆動信号発生回路１に出力する。

同様に、コンパレータ４もインダクタＬに流れる過電流を検出する回路であり、非反転入力（−）には抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２で分圧された、抵抗Ｒ２１とＲ２２の接続部の電圧が印加され、反転入力（＋）にはスイッチング素子ＳＷ２と抵抗ＲＳ２の接続部の電圧が印加される。コンパレータ４は非反転入力（−）に入力する電圧を基準電圧とし、反転入力（＋）に入力する電圧が基準電圧を超える場合、遮断信号Ａ２（後述する“０”）を駆動信号発生回路２に出力する。

図２は上記駆動信号発生回路１の回路論理を説明する図である。所謂アンド（ＡＮＤ）論理であり、遮断信号Ａ１が“０”である時、制御信号Ｂ１が“０”であっても “１”であっても、スイッチング素子ＳＷ１に駆動信号を出力しない。一方、遮断信号Ａ１が“１”である時、制御信号Ｂ１に従ってスイッチング素子ＳＷ１に駆動信号を出力する。

駆動信号発生回路２の回路論理も同様であり、遮断信号Ａ２が“０”である時、制御信号Ｂ２が“０”であっても “１”であっても、スイッチング素子ＳＷ２に駆動信号を出力しない。一方、遮断信号Ａ２が“１”である時、制御信号Ｂ２に従ってスイッチング素子ＳＷ２に駆動信号を出力する。

尚、制御信号Ｂ１、Ｂ２は不図示の比較回路から供給される信号であり、電池Ｅ１の出力電圧とＥ２の出力電圧を比較し、比較結果に従った制御信号Ｂ１、Ｂ２が比較回路から対応する駆動信号発生回路１又は２に出力される。

次に、本例の過電流保護の回路動作を説明する。
図３は上記電圧バランス補正回路の各部の電圧変化を示すタイムチャートである。また、図４は上記タイムチャートに示す回路の計測位置を示す。尚、両図に示す「n11」は前述の抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続部の電位を示し、「n21」は前述の抵抗Ｒ２１とＲ２２の接続部の電位を示す。また、「n12」は前述のスイッチング素子ＳＷ１と抵抗ＲＳ１の接続部の電位を示し、「n22」は前述のスイッチング素子ＳＷ２と抵抗ＲＳ２の接続部の電位を示す。また「n13」はコンパレータ３の出力を示し、「n23」はコンパレータ４の出力を示し、「n14」は駆動信号発生回路１に入力する制御信号を示し、「n24」は駆動信号発生回路２に入力する制御信号を示す。さらに、「n15」は駆動信号発生回路１の出力を示し、「n25」は駆動信号発生回路２の出力を示す。

尚、図３に示すタイムチャートは、電池Ｅ１の出力電圧が電池Ｅ２の出力電圧より高い場合の例であり、この場合制御信号「n14」が先に出力され、次に制御信号「n24」が出力される。

先ず、図３に示すｔ_０のタイミングにおいて、制御信号「n14」及び「n24」は出力されておらず、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２はオフ状態である。また、抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続点の電位「n11」及び、抵抗Ｒ２１とＲ２２の接続点の電位「n21」は、電池Ｅ１と電池Ｅ２の出力電圧の和を抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２で分圧した電圧に設定され、「n11」は抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続部の電圧（基準電圧）に設定され、「n21」は抵抗Ｒ２１とＲ２２の接続部の電圧（基準電圧）に設定されている。したがって、この時コンパレータ３の反転入力（＋）には上記「n11」の電圧が印加され、コンパレータ４の非反転入力（−）には上記「n21」の電圧が印加される。

ここで、コンパレータ３の非反転入力（−）には、抵抗ＲＳ１を介して電池Ｅ１の正極端子の電圧が印加され、コンパレータ３の出力「n13」は“１”（Ｈレベル）である。また、コンパレータ４の反転入力（＋）には、抵抗ＲＳ２を介して電池Ｅ２の負極端子の電圧が印加され、コンパレータ３の出力「n23」も“１”である。

その後、図３に示すｔ_１のタイミングで、制御信号「n14」が駆動信号発生回路１に出力されると、駆動信号発生回路１は前述の図２に示す論理に従って出力信号「n15」を出力する。すなわち、コンパレータ３からの出力「n13」は上記のように“１”（遮断信号Ａ１が“１”）であり、制御信号「n14」も“１”（制御信号Ｂ１も“１”）となるので、駆動信号発生回路１の出力信号「n15」が“１”となり、スイッチング素子ＳＷ１をオンする。

スイッチング素子ＳＷ１がオンすると、抵抗ＲＳ１を介してインダクタＬに電流が流れ、インダクタＬに電磁エネルギーが蓄積する。その後、抵抗ＲＳ１の一端の「n12」の電位は序々に低下し、例えば図３に示すｔ_２のタイミングで、「n11」の基準電圧より低くなる。基準電圧「n11」は、インダクタＬへの電磁エネルギーの蓄積の上限に対応して設定されており、これ以上のインダクタＬへの電流供給を停止するものである。すなわち、抵抗ＲＳ１の一端の電位「n12」が基準電圧「n11」より低くなると、コンパレータ３の反転入力（＋）側の電位が、非反転入力（−）側の電位より高くなり、コンパレータ３の出力「n13」が “１”から“０”（Ｌレベル）に変わる。

このため、駆動信号発生回路１の出力「n15」は図２に示す論理に従って“０”となり、スイッチング素子ＳＷ１をオフする。したがって、以後過電流がインダクタＬに供給されることがなく、インダクタＬへの過剰な電磁エネルギーの蓄積を防止する。また、この時、駆動信号発生回路１からの出力「n15」は制御信号「n14」の出力を直接使用して決定され、他に回路（例えば、制御信号がコンパレータ等の回路）を介して決定されないため、インダクタＬへの過電流の供給を直ちに停止することができる。

次に、図３に示すｔ_３のタイミングで制御信号「n24」が駆動信号発生回路２に出力されると、駆動信号発生回路２は図２に示す論理に従って、出力「n25」を“１”として、駆動信号をスイッチング素子ＳＷ２に供給する。すなわち、この時コンパレータ４からの出力「n23」は前述のように“１”であり、制御信号「n24」も“１”となるので、図２に示す論理に従って、駆動信号発生回路２から駆動信号をスイッチング素子ＳＷ２に出力する。

このため、スイッチング素子ＳＷ２は直ちにオンし、スイッチング素子ＳＷ２、抵抗ＲＳ２、電池Ｅ２、インダクタＬの閉回路を形成し、インダクタＬに蓄積された電磁エネルギーによって電池Ｅ２を充電する。この充電によって抵抗ＲＳ２の一端の電位「n22」は序々に上昇し、例えば図３に示すｔ_４のタイミングで、「n21」の基準電圧より高くなる。この基準電圧「n21」は前述の過電流に対応して、インダクタＬから電池Ｅ２への電磁エネルギーの供給終了時間に対応しており、以後電池Ｅ２による無駄な放電を防止する。

したがって、抵抗ＲＳ２の一端の電位「n22」が基準電圧「n21」より高くなると、コンパレータ４の反転入力（＋）側の電位が、非反転入力（−）側の電位より高くなり、コンパレータ４の出力「n23」が “１”から“０”に変わる。このため、駆動信号発生回路２の出力「n25」は図２に示す論理に従って“０”となり、スイッチング素子ＳＷ２をオフする。したがって、以後電池Ｅ２への充電処理は停止する。また、この時、駆動信号発生回路２からの出力信号「n25」は制御信号「n24」の出力を直接使用して決定され、他に回路（例えば、制御信号がコンパレータ等の回路）を介して決定されないため、直ちに上記閉回路を開放することができる。

以後、図３に示すｔ_５のタイミングで制御信号「n14」が再度出力され、前述と同様、図２に示す論理に従って、駆動信号発生回路１の出力「n15」が“１”となり、スイッチング素子ＳＷ１をオンし、抵抗ＲＳ１を介してインダクタＬに電磁エネルギーを蓄積する。その後、ｔ_６のタイミングでインダクタＬへの電磁エネルギーの蓄積を停止し、更にｔ_７のタイミングで出力される制御信号「n24」によって、インダクタＬに蓄積された電磁エネルギーを使用して電池Ｅ２を充電する。

以後、上記処理を繰り返し、電池Ｅ１によって電池Ｅ２を充電し、電池Ｅ１の出力電圧と電池Ｅ２の出力電圧が一致するまで上記処理が繰り返される。またこの間、インダクタＬへの電磁エネルギーの蓄積はコンパレータ３及び４の働きによって、過電流が発生しないように制御され、電池Ｅ１とＥ２の電圧バランスの補正処理が行なわれる。

また、本実施形態によれば、駆動信号発生回路１からの出力「n15」は制御信号「n14」の出力を直接使用して決定され、他に回路を介して決定されないため、インダクタＬへの過電流の供給を直ちに停止することができる。

尚、上記実施形態の説明は、電池Ｅ１の出力電圧が電池Ｅ２の出力電圧より高い場合の例であり、制御信号「n14」が先に出力され、次に制御信号「n24」が出力される場合について説明したが、電池Ｅ１の出力電圧が電池Ｅ２の出力電圧より低い場合には、制御信号「n24」が先に出力され、次に制御信号「n24」が出力される制御となる。

また、上記実施形態の説明では、直列に接続された電池Ｅ１とＥ２の電圧バランス補正処理に関連して過電流の検出を行ったが、電池Ｅ１とＥ２は直列に多数の電池が接続された中の任意の２個の電池を示すものであり、他の連続する２個の電池の電圧バランス補正についても同様に実施することができる。

さらに、上記実施形態の説明では、電池Ｅ１、Ｅ２としてリチウムイオン電池の例で説明したが、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池等であってもよい。

１、２・・駆動信号発生回路
３、４・・コンパレータ
Ｅ１、Ｅ２・・電池
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２・・抵抗
ＲＳ１、ＲＳ２・・抵抗
ＳＷ１、ＳＷ２・・スイッチング素子
Ｌ・・インダクタ

Claims (3)

1. 直列に接続された第１、第２の電池と、
   前記第１の電池に並列に接続され、第１の制御信号によってオン、オフ駆動する単一の第１のスイッチング手段と、
   前記第２の電池に並列に接続され、第２の制御信号によってオン、オフ駆動する単一の第２のスイッチング手段と、
   前記第１、第２の電池の接続部と前記第１、第２のスイッチング手段の接続部間に配設され、前記第１のスイッチング手段をオンすると共に前記第２のスイッチング手段をオフすることによって前記第１の電池を駆動して電磁エネルギーを蓄積し、前記第２のスイッチング手段をオンすると共に前記第１のスイッチング手段をオフすることによって前記第２の電池を充電するインダクタと、
   前記インダクタへの過電流を検出する過電流検出手段と、
   該過電流を検出すると前記第１、第２のスイッチング手段をオフする制御手段と、
   を有することを特徴とする電圧バランス補正回路。
2. 前記制御手段は、前記過電流検出手段によって検出された過電流検出信号と前記第１、第２の制御信号によって前記第１、第２のスイッチング手段をオフすることを特徴とする請求項１に記載の電圧バランス補正回路。
3. 前記過電流検出手段は、前記第１、第２のスイッチング手段をオンすることによって変化する電位と予め設定された基準電位を比較して過電流検出を行なうことを特徴とする請求項１、又は２に記載の電圧バランス補正回路。