JP4168978B2

JP4168978B2 - 組電池用制御回路

Info

Publication number: JP4168978B2
Application number: JP2004161526A
Authority: JP
Inventors: 彰彦工藤; 憲一郎水流; 正樹長岡
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP2005348457A

Description

本発明は組電池用制御回路に係り、特に、組電池ないし単電池群を構成する単電池毎の容量調整を行う組電池用制御回路に関する。

従来、組電池の充電制御システムとして、組電池の＋端子と−端子に充放電用装置を接続して制御する充放電制御システムが用いられてきた。また、最近実用化されているリチウムイオン電池では、組電池を構成する各単電池の電圧を測定し、かつ、各単電池のセルバランスを制御（容量調整）する組電池用充電制御システムが用いられている。セルバランス機能が必要な理由は、単電池間の充電状態が異なってくると、組電池として充放電可能な容量が少なくなり、かつ、寿命も短くなるためである。ニッケル水素電池であれば、組電池を構成する各単電池を過充電状態とすることでセルバランスをとることが可能であるが、非水系の有機溶媒を電解液としているリチウムイオン電池では、過充電状態とすることが電池の安全上で問題となるため、単電池間の充電状態を揃えるセルバランス機能が不可欠となる。

このため、単電池と並列にバイパス抵抗を接続してバイパス放電を行って（バイパス抵抗で熱消費させて）充電状態を揃える、つまり、セルバランスを制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。図３にその場合の回路図を示す。この例は４直列の単電池毎にバイパス放電を行って充電制御を行う方式で、単電池１にバイパス電流通電用抵抗２とＮチャネル型ＭＯＳ
ＦＥＴ６とが並列に接続されている。単電池１の電圧は、抵抗３及びコンデンサ４で構成されるＲＣフィルタを経由して単電池電圧検出部７に入力される。このＲＣフィルタはノイズ対策で必要なもので、特に、エンジンのスパークノイズ、インバータノイズが多くなるハイブリッド車等では必要不可欠なものであり、場合によっては更に特性の良好なＬＣフィルタが用いられる場合もある。バイパス制御部８は、単電池電圧検出部７で検出した単電池１の電圧バラツキに従って、ＦＥＴ６を制御して（ゲートにハイレベル信号を出力して）単電池１毎に容量調整を行う。

特開２０００−９２７３２号公報

しかしながら、従来の組電池用制御回路では回路の部品点数が多く、回路の大型化やコスト高となると云う課題を有していた。すなわち、組電池用制御回路では、耐圧の関係から４〜８個の単電池が直列に接続された組電池（単電池群）単位に１枚の制御回路を配置することが多いが、例えば、ハイブリット車全体ではその部品点数が４００〜５００点にも及び、基板面積と共にコストも非常に高いものになっている。

本発明は上記事案に鑑み、小型化とコスト低減を図ることができる組電池用制御回路を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、組電池を構成する単電池毎の電圧を検出する電圧検出回路と、前記単電池と並列にバイパス電流通電用抵抗とを接続して前記単電池毎に容量を調整するためのスイッチ素子と、前記スイッチ素子のオン、オフを制御する制御回路とを内蔵した集積回路を用いた組電池用制御回路であって、前記スイッチ素子には直列接続された単電池毎にＰチャネル型ＦＥＴとＮチャネル型ＦＥＴとが交互に用いられており、前記ＦＥＴのソース側は前記集積回路の電圧検出端子と共用して単電池の端子に接続され、前記ＦＥＴのドレイン側は前記集積回路のバイパス電流通電端子からバイパス電流通電用抵抗を経由して単電池の端子に接続され、該バイパス電流通電用抵抗の単電池接続点から、ノイズフィルタ用抵抗又はノイズフィルタ用インダクタを経由して前記集積回路の他の電圧検出端子に接続されたことを特徴とする。

本発明では、集積回路内に、組電池を構成する単電池毎の電圧を検出する電圧検出回路と、単電池と並列にバイパス電流通電用抵抗とを接続して単電池毎に容量を調整するためのスイッチ素子と、スイッチ素子のオン、オフを制御する制御回路とを内蔵しているので、組電池用制御回路の部品数の低減が可能なため、組電池用制御回路の小型化と低コスト化を図ることができる。さらに、スイッチ素子には直列接続された単電池毎にＰチャネル型ＦＥＴとＮチャネル型ＦＥＴとが交互に用いられており、ＦＥＴのソース側は集積回路の電圧検出端子と共用して単電池の端子に接続され、ＦＥＴのドレイン側は集積回路のバイパス電流通電端子からバイパス電流通電用抵抗を経由して単電池の端子に接続され、該バイパス電流通電用抵抗の単電池接続点から、ノイズフィルタ用抵抗又はノイズフィルタ用インダクタを経由して集積回路の他の電圧検出端子に接続されているので、直列接続された単電池毎にスイッチ素子としてＰチャネル型ＦＥＴとＮチャネル型ＦＥＴとが交互に用いられ、該ＦＥＴのソース側は集積回路の電圧検出端子と共用して単電池の端子に接続されているため、集積回路の端子数を減らすことができ、また、該ＦＥＴのドレイン側は集積回路のバイパス電流通電端子からバイパス電流通電用抵抗を経由して単電池端子に接続されているため、バイパス電流の通電を正常に行うことができる。

また、バイパス電流通電用抵抗の単電池接続点から抵抗を経由して集積回路の他の電圧検出端子に接続されているため、該電圧検出端子とＦＥＴのソース端子が集積回路内で接続された電圧検出端子の間にノイズフィルタ用コンデンサを入れることで、電圧検出回路入力にＲＣフィルタを構成し、電圧検出回路の対ノイズ性を高めることができる。バイパス電流通電用抵抗の単電池接続点から、ノイズフィルタ用抵抗の代わりにノイズフィルタ用インダクタが挿入されている場合は、電圧検出回路の入力にＬＣフィルタを構成でき、電圧検出入力の対ノイズ性を更に高めることが可能となる。

本発明によれば、集積回路内に、組電池を構成する単電池毎の電圧を検出する電圧検出回路と、単電池と並列にバイパス電流通電用抵抗とを接続して単電池毎に容量を調整するためのスイッチ素子と、スイッチ素子のオン、オフを制御する制御回路とを内蔵しているので、組電池用制御回路の部品数の低減が可能なため、組電池用制御回路の小型化と低コスト化を図ることができると共に、スイッチ素子には直列接続された単電池毎にＰチャネル型ＦＥＴとＮチャネル型ＦＥＴとが交互に用いられており、ＦＥＴのソース側は集積回路の電圧検出端子と共用して単電池の端子に接続され、ＦＥＴのドレイン側は集積回路のバイパス電流通電端子からバイパス電流通電用抵抗を経由して単電池の端子に接続され、該バイパス電流通電用抵抗の単電池接続点から、ノイズフィルタ用抵抗又はノイズフィルタ用インダクタを経由して集積回路の他の電圧検出端子に接続されているので、直列接続された単電池毎にスイッチ素子としてＰチャネル型ＦＥＴとＮチャネル型ＦＥＴとが交互に用いられ、該ＦＥＴのソース側は集積回路の電圧検出端子と共用して単電池の端子に接続されているため、集積回路の端子数を減らすことができ、また、該ＦＥＴのドレイン側は集積回路のバイパス電流通電端子からバイパス電流通電用抵抗を経由して単電池端子に接続されているため、バイパス電流の通電を正常に行うことができる、という効果を得ることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明に係る組電池用制御回路の第１の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の組電池用制御回路は、４個のバイパス電流通電用抵抗２−１、２−２、２−３、２−４（以下、４個のバイパス電流通電用抵抗を総称するときは、バイパス電流通電用抵抗２という。）、ＲＣフィルタを構成する４個のフィルタ用抵抗３−１、３−２、３−３、３−４（以下、４個のフィルタ用抵抗を総称するときは、フィルタ用抵抗３という。）及び４個のフィルタ用コンデンサ４−１、４−２、４−３、４−４（以下、４個のコンデンサを総称するときは、コンデンサ４という。）、及び、集積回路５で構成されており、リチウムイオン電池からなる４個の単電池１−１、１−２、１−３、１−４（以下、４個の単電池を総称するときは、単電池１という。）が直列接続された単電池群（組電池）の単電池１毎の電圧を監視（検出）すると共に、単電池１毎に容量を調整する機能を有している。

集積回路５には、単電池１毎の電圧を検出する電圧検出回路としての単電池電圧検出部７、アナログスイッチとして機能しスイッチオン状態で単電池１と並列にバイパス電流通電用抵抗２とを接続して単電池１毎に容量を調整する（セルバランスをとる）スイッチ素子としての４個のＮチャネル型ＭＯＳ
ＦＥＴ６−１、６−２、６−３、６−４（以下、４個のＦＥＴを総称するときは、ＦＥＴ６という。）、及び、ＦＥＴ６のアナログスイッチ機能のオン、オフ状態を制御する制御回路としてのバイパス制御部８が内蔵される。換言すれば、ＦＥＴ６、単電池電圧検出部７及びバイパス制御部８は集積回路化されている。また、集積回路５のパッケージには、電池電圧検出用ピンＸ１〜Ｘ４、及び、バイパス電流通電用ピンＹ１〜Ｙ８が配設されており、バイパス電流通電用ピンＹ８は電池電圧検出用ピンと共用されている。なお、図１において、集積回路５の作動電源供給用ピンは捨象されている。

集積回路５は、単電池電圧検出部７の入力側がそれぞれ電池電圧検出用ピンＸ１〜Ｘ４に接続されており、バイパス制御部８の出力側がそれぞれＦＥＴ６のゲートに接続されている。ＦＥＴ６−１のドレイン及びソース側はバイパス電流通電用ピンＹ１、Ｙ２に、ＦＥＴ６−２のドレイン及びソース側はバイパス電流通電用ピンＹ３、Ｙ４に、ＦＥＴ６−３のドレイン及びソース側はバイパス電流通電用ピンＹ５、Ｙ６に、ＦＥＴ６−４のドレイン及びソース側はバイパス電流通電用ピンＹ７、Ｙ８に、それぞれ接続されている。なお、単電池電圧検出部７及びバイパス制御部８は基準電圧となるバイパス電流通電用ピンＹ８にそれぞれ接続されている。

単電池１−１の正極端子は、他端が電池電圧検出用ピンＸ１に接続されたフィルタ用抵抗３−１の一端、及び、他端がバイパス電流通電用ピンＹ１に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−１の一端に接続されている。単電池１−１の負極端子は単電池１−２の正極端子と接続されており、その接続点には、バイパス電流通電用ピンＹ２、他端が電池電圧検出用ピンＸ２に接続されたフィルタ用抵抗３−２の一端、及び、他端がバイパス電流通電用ピンＹ３に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−２の一端、がそれぞれ接続されている。単電池１−２の負極端子は単電池１−３の正極端子と接続されており、その接続点には、バイパス電流通電用ピンＹ４、他端が電池電圧検出用ピンＸ３に接続されたフィルタ用抵抗３−３の一端、及び、他端がバイパス電流通電用ピンＹ５に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−３の一端、がそれぞれ接続されている。単電池１−３の負極端子は単電池１−４の正極端子と接続されており、その接続点には、バイパス電流通電用ピンＹ６、他端が電池電圧検出用ピンＸ４に接続されたフィルタ用抵抗３−４の一端、及び、他端がバイパス電流通電用ピンＹ７に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−４の一端、がそれぞれ接続されている。単電池１−４の負極端子はバイパス電流通電用ピンＹ８に接続されている。また、フィルタ用抵抗３−１、３−２の他端間、フィルタ用抵抗３−２、３−３の他端間、フィルタ用抵抗３−３、３−４の他端間、フィルタ用抵抗３−４の他端と単電池１−４の負極端子間、すなわち、電池電圧検出用ピンＸ１、Ｘ２間、電池電圧検出用ピンＸ２、Ｘ３間、電池電圧検出用ピンＸ３、Ｘ４間、電池電圧検出用ピンＸ４及びバイパス電流通電用ピンＹ８間には、それぞれコンデンサ４が接続（挿入）されている。

従って、バイパス制御部８の出力側からＦＥＴ６のゲートにハイレベル信号を出力すると、ＦＥＴ６のドレイン、ソース間が通電し、バイパス電流通電用抵抗２は参照符号の末尾が対応する単電池１にそれぞれ並列に接続され、当該単電池の容量が調整される。

本実施形態の組電池用制御回路では、バイパス電流通電用抵抗２、フィルタ用抵抗３及びコンデンサ４は、発熱したりサイズが大きくなるため、集積回路５外に配置されており、ＦＥＴ６、単電池電圧検出部７及びバイパス制御部８は集積回路５で集積されている。このため、図３に示した従来の制御回路に比べて部品点数は少なくなる。すなわち、従来の制御回路では、単電池電圧検出部７とバイパス制御部８とをそれぞれ集積回路化したと仮定した場合でも、組電池用制御回路の部品点数は１８個（４個のバイパス電流通電用抵抗２＋４個のフィルタ用抵抗３＋４個のコンデンサ４＋４個のＦＥＴ＋１個の単電池電圧検出部７＋１個のバイパス制御部８）であるのに対し、本実施形態の組電池用制御回路では１３個（４個のバイパス電流通電用抵抗２＋４個のフィルタ用抵抗３＋４個のコンデンサ４＋１個の集積回路５）となり部品点数は低減し、小型化とコストダウンの点で有利となる。また、副次的に、ＦＥＴ６、単電池電圧検出部７及びバイパス制御部８を集積回路化することで、組電池用制御回路の信頼性を高めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る組電池用制御回路の第２の実施の形態について説明する。本実施形態はスイッチ素子にＰチャネル型ＦＥＴ及びＮチャネル型ＦＥＴを交互に用いるものである。なお、本実施形態において第１実施形態と同一の回路素子には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる箇所のみ説明する。

本実施形態では、集積回路１５に、第１実施形態に示した４個のＮチャネル型ＭＯＳ
ＦＥＴ６−１、６−２、６−３、６−４に代えて、２個のＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴ１６−１、１６−３及び２個のＮチャネル型ＭＯＳ
ＦＥＴ１６−２、１６−４が用いられており、単電池１−１〜１−４に対し、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴとＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴとが交互に対応するように、それぞれ、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ１６−１、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ１６−２、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ１６−３、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ１６−４（以下、４個のＦＥＴを総称するときは、ＦＥＴ１６という。）が用いられている。

集積回路１５は、単電池電圧検出部７の入力側がそれぞれ電圧検出端子としての電池電圧検出用ピンＸＸ１〜ＸＸ４（以下、電池電圧検出用ピンＸＸ１〜ＸＸ４を総称するときは、電池電圧検出用ピンＸＸという。）に接続されており、バイパス制御部８の出力側がそれぞれＦＥＴ１６のゲートに接続されている。ＦＥＴ１６−１のソース側は電池電圧検出用ピンＸＸ１に、ＦＥＴ１６−１のドレイン側はバイパス電流通電用ピンＹＹ１に、ＦＥＴ１６−２のドレイン側はバイパス電流通電用ピンＹＹ２に、ＦＥＴ１６−２のソース側は電池電圧検出用ピンＸＸ３に、ＦＥＴ１６−３のソース側は電池電圧検出用ピンＸＸ３に、ＦＥＴ１６−３のドレイン側はバイパス電流通電用ピンＹＹ３に、ＦＥＴ１６−４のドレイン側はバイパス電流通電用ピンＹＹ４に、ＦＥＴ１６−４のソース側はバイパス電流通電用ピンＹＹ５に、それぞれ接続されている。なお、単電池電圧検出部７及びバイパス制御部８は基準電圧となるバイパス電流通電用ピンＹＹ５にそれぞれ接続されている。なお、以下、バイパス電流通電端子としてのバイパス電流通電用ピンＹＹ１〜ＹＹ５を総称するときは、バイパス電流通電用ピンＹＹという。

単電池１−１の正極端子は、電池電圧検出用ピンＸＸ１に接続されている。単電池１−１の負極端子は単電池１−２の正極端子と接続されており、その接続点には、他端がバイパス電流通電用ピンＹＹ１に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−１の一端、他端が電池電圧検出用ピンＸＸ２に接続されたフィルタ用抵抗３−１の一端、及び、他端がバイパス電流通電用ピンＹＹ２に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−２の一端、がそれぞれ接続されている。単電池１−２の負極端子は単電池１−３の正極端子と接続されており、その接続点は電池電圧検出用ピンＸＸ３に接続されている。単電池１−３の負極端子は単電池１−４の正極端子と接続されており、その接続点には、他端がバイパス電流通電用ピンＹＹ３に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−３の一端、他端が電池電圧検出用ピンＸＸ４に接続されたフィルタ用抵抗３−２の一端、及び、他端がバイパス電流通電用ピンＹＹ４に接続されたバイパス電流通電用抵抗２−４の一端、がそれぞれ接続されている。単電池１−４の負極端子はバイパス電流通電用ピンＹＹ５に接続されている。また、電池電圧検出用ピンＸＸ１、ＸＸ２間、電池電圧検出用ピンＸＸ２、ＸＸ３間、電池電圧検出用ピンＸＸ３、ＸＸ４間、電池電圧検出用ピンＸＸ４及びバイパス電流通電用ピンＹＹ５間には、それぞれコンデンサ４が挿入されている。

従って、本実施形態の組電池用制御回路では、ＦＥＴ１６には直列接続された単電池１毎にＰチャネル型ＦＥＴとＮチャネル型ＦＥＴとが交互に用いられており、ＦＥＴ１６のソース側は集積回路１５の電圧検出用ピンＸＸと共用して単電池１の端子に接続され、ＦＥＴ１６のドレイン側は集積回路１５のバイパス電流通電用ピンＹＹからバイパス電流通電用抵抗２を経由して単電池１の端子に接続され、該バイパス電流通電用抵抗２の単電池１との接続点から、フィルタ用抵抗３を経由して集積回路１５の他の電圧検出用ピンＸＸに接続されている。

本実施形態の組電池用制御回路では、単電池１−１、１−３に対応するＦＥＴ１６−１、１６−３にはＰチャネル型を用い、単電池１−２、１−４に対応するＦＥＴ１６−２、１６−４にはＮチャネル型を用いており、各単電池１にバイパス電流の通電制御（参照符号の末尾が対応するバイパス電流通電用抵抗２の並列接続）が可能である。また、単電池１−１ではフィルタ用抵抗３−１とコンデンサ４−１、単電池１−２ではフィルタ用抵抗３−１とコンデンサ４−２、単電池１−３ではフィルタ用抵抗３−２とコンデンサ４−３、単電池１−４ではフィルタ用抵抗３−２とコンデンサ４−４でＲＣフィルタを形成し、各々単電池電圧検出部７の入力側に接続されており、ノイズ抑制が可能である。この場合に、フィルタ用抵抗３にはバイパス電流が通電されないので電圧降下は発生せず、電圧検出精度に影響を与えずに、抵抗値を大きくしてＲＣフィルタとしてのノイズ抑制効果を高めることができる。更に、第１実施形態の集積回路１５のピン数が１２本であるのに対し（図１参照）、本実施形態では９本に削減できる（図２参照）。集積回路１５のコストには内部のチップ面積もさることながら、パッケージの大きさも大きく影響する。パッケージの大きさはピン数により変化し、ピン数が少ないことが有利であることは云うまでもなく、ピン数１２本から９本への削減は集積回路１５のコストを下げるのに充分な効果がある。また、本実施形態では、フィルタ用抵抗３の数が第１実施形態に比べて半減している。

なお、上記実施形態では、ノイズ抑制にＲＣフィルタを例示したが、フィルタ効果の高いＬＣフィルタを用いるようにしてもよい。この場合には、フィルタ用抵抗３をインダクタ（インダクタンスコイル）に変えるだけで良い。この場合でもバイパス電流はインダクタに流れないので直流抵抗が大きくても良く、電圧検出精度を悪化させることなく小形で低コストのインダクタを使用することが可能である。

本発明は小型化とコスト低減を図ることができる組電池用制御回路を提供するため、組電池用制御回路の製造・販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な第１実施形態の組電池用制御回路の回路図である。本発明が適用可能な第２実施形態の組電池用制御回路の回路図である。従来の組電池用制御回路の回路図である。

符号の説明

１単電池
２バイパス電流通電用抵抗
３フィルタ用抵抗（ノイズフィルタ用抵抗）
４コンデンサ（ノイズフィルタ用コンデンサ）
５、１５集積回路
６Ｐチャネル型ＭＯＳ
ＦＥＴ（スイッチ素子）
７単電池電圧検出部（電圧検出回路）
８バイパス制御部
１６−１、１６−３Ｐチャネル型ＭＯＳ
ＦＥＴ（スイッチ素子、Ｐチャネル型ＦＥＴ）
１６−２、１６−４Ｎチャネル型ＭＯＳ
ＦＥＴ（スイッチ素子、Ｎチャネル型ＦＥＴ）
ＸＸ１、ＸＸ２、ＸＸ３、ＸＸ４電池電圧検出用ピン（電圧検出端子）
ＹＹ１、ＹＹ２、ＹＹ３、ＹＹ４、ＹＹ５バイパス電流通電用ピン（バイパス電流通電端子）

Claims

組電池を構成する単電池毎の電圧を検出する電圧検出回路と、前記単電池と並列にバイパス電流通電用抵抗とを接続して前記単電池毎に容量を調整するためのスイッチ素子と、前記スイッチ素子のオン、オフを制御する制御回路とを内蔵した集積回路を用いた組電池用制御回路であって、前記スイッチ素子には直列接続された単電池毎にＰチャネル型ＦＥＴとＮチャネル型ＦＥＴとが交互に用いられており、前記ＦＥＴのソース側は前記集積回路の電圧検出端子と共用して単電池の端子に接続され、前記ＦＥＴのドレイン側は前記集積回路のバイパス電流通電端子からバイパス電流通電用抵抗を経由して単電池の端子に接続され、該バイパス電流通電用抵抗の単電池接続点から、ノイズフィルタ用抵抗又はノイズフィルタ用インダクタを経由して前記集積回路の他の電圧検出端子に接続されたことを特徴とする組電池用制御回路。
前記集積回路の電圧検出端子間にノイズフィルタ用コンデンサが接続されたことを特徴とする請求項１に記載の組電池制御回路。