JP4633690B2 - 電圧補償装置、電圧補償システム及び電圧補償方法 - Google Patents
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Description
特に、電池電圧のばらつきの抑制が求められるリチウムイオン二次電池を二次電池101a〜101lとして用いる場合に、規定を越えた電池電圧の上昇を抑制することは、安全性の確保の観点から最重要視されている。
この電圧調整部205a〜205lは、使用中に常時、電池電圧の計測を行ない、電池電圧が予め設定された電圧値になった際には、二次電池201a〜201lと並列に設けられた電圧調整部205a〜205l内のバイパス回路に充電電流をバイパスさせることにより、電圧の上昇を抑えるものである。ここで、使用中とは、二次電池201a〜201lの放電後の回復充電中、及び回復充電完了後のフロート充電中を含む状態をいう。
組電池201が完全充電状態でも負荷204に電流を供給している場合、電流値に応じて直流電源202の出力電圧が変動する。図11において、負荷率を100(%)とすると、直流電源202の出力電圧は約48.8(V)となる。このような状態で、図10の電池管理システム200で、二次電池12個から構成されるリチウムイオン二次電池を使用し、電圧調整部205a〜205lにおける電圧調整の設定電圧を4.1(V)とすると、回復充電中、もしくは回復充電完了後、10個ないしは11個の二次電池が4.1(V)に達しても、残りの二次電池は低い電圧のまま保たれてしまう恐れがある。
本発明では、前記組電池の電圧を電圧計測手段が計測し、組電池の充電電圧の上限である組電池最大充電電圧を組電池情報記憶手段が記憶し、組電池最大充電電圧と電圧計測手段が計測した電圧との差分を算出手段が算出し、組電池に供給する電圧をその差分だけ昇圧して組電池に昇圧手段が供給するようにした。これにより、電源から電圧補償装置に供給される電圧が変動した場合であっても、電圧補償装置が出力する電圧は組電池最大充電電圧まで昇圧されて組電池に供給されるため、組電池は常に一定の電圧を利用して安定した充電を行なうことができる。
本発明では、前記組電池の電圧を電圧計測手段が計測し、二次電池数と二次電池最大充電電圧とを二次電池情報記憶手段が記憶し、二次電池数と二次電池最大充電電圧の積と電圧計測手段が計測した電圧との差分を算出手段が算出し、組電池に供給する電圧をその差分だけ昇圧して組電池に昇圧手段が供給するようにした。これにより、電源から電圧補償装置に供給される電圧が変動した場合であっても、電圧補償装置が出力する電圧は二次電池数と二次電池最大充電電圧の積まで昇圧されて組電池に供給されるため、組電池は常に一定の電圧を利用して安定した充電を行なうことができる。
本発明では、電圧補償装置を、組電池と電源との間に接続するようにしたため、電源から電圧補償装置に供給される電圧が変動した場合であっても、組電池及び負荷に対して常に一定の電圧を供給することができる。
本発明では、二次電池の電池電圧が二次電池最大充電電圧よりも大きくなった場合に、その二次電池に供給される電圧をバイパス電流として他の二次電池にバイパス手段がバイパスするようにしたので、電池電圧が二次電池最大充電電圧に達していない二次電池を、バイパス電流によって充電することができるので、各二次電池を均等に目標電圧まで充電することができる。
図1は、本発明の第1の実施形態による電圧補償システム11aの概略構成図である。この電圧補償システム11aは、組電池1、直流電源2(電源)、負荷4、電圧補償装置7を有する。
組電池1は、直列に接続された12個の二次電池1a、1b、1c、1d、・・・、1lにより構成されている。なお、組電池1を構成する二次電池の数は、12個に限定されるものではない。本実施形態では、二次電池としてリチウムイオン二次電池を用いているが、二次電池として鉛蓄電池などを用いてもよい。
直流電源2は、電圧補償装置7に電圧を供給する。負荷4は、通信装置などであり、組電池1と並列に接続されている。負荷4は、電圧補償装置7や組電池1から供給される電力を利用して駆動する。
電圧計測部71は、組電池1の両端の電圧VAを計測する。記憶部72は、組電池1を構成する二次電池数N(例えば、12個)と各二次電池1a〜1lの充電電圧の上限である二次電池最大充電電圧VB(例えば、4.1(V))とを記憶する。
算出部73は、記憶部72が記憶する二次電池数Nと二次電池最大充電電圧VBの積(=N×VB)と、電圧計測部71が計測した電圧VAとの差分(=N×VB−VA)を算出する。
昇圧部74は、電圧補償装置7から組電池1に供給される電圧VAを、算出部73が算出した差分(=N×VB−VA)だけ昇圧した電圧(=N×VB)を、端子p3及びp4を介して組電池1に供給する。
そして、組電池1を構成する二次電池数と、組電池1の充電電圧の上限である二次電池最大充電電圧VBとを記憶部72に記録する(ステップS12)。なお、このステップS2の処理は、図3のフローチャートの処理を行なう前提として、電圧補償装置7の管理者等が記憶部72に予め記録するようにしてもよい。
そして、記憶部72が記憶する二次電池数Nと二次電池最大充電電圧VBとの積N×VBと、電圧計測部71が計測した電圧VAとの差分(=N×VB−VA)を算出部73が算出する(ステップS13)。
そして、電圧補償装置7は、内蔵するタイマを参照することにより、所定時間(例えば、1秒)が経過したか否かについて判定する(ステップS15)。所定時間が経過していない場合(ステップS15で「NO」)には、所定時間が経過するまで待機する。一方、所定時間が経過した場合(ステップS15で「YES」)には、ステップS11に進む。
図4の電圧補償装置制御部81は、図3の電圧計測部71、記憶部72、算出部73に該当する。また、図4のコンバータ86は、図3の昇圧部74に該当する。
半導体スイッチ87を用いた電圧調整の原理を、図5を参照して説明する。半導体スイッチ87を用いた電圧調整は、チョッパ回路により行われ、半導体スイッチ87のON−OFFの時間を制御することによって電圧補償装置7の出力電圧を変える。すなわち、半導体スイッチ87をT1秒間ONにし、T−T1秒間OFFになるような動作を周期Tで繰り返すと、電圧補償装置7の出力端子p3及びp4側から出力される電圧は、図5に示すような波形となる。周期Tに対して半導体スイッチ87がONになっている割合が通流率αであり、α=T1/Tである。そして、出力電圧の平均値VRは、VR=VS×T1/Tとなり、αを可変とすることで入力電圧VSに対して、0〜VSの直流電圧を得ることができる。
この電池管理装置10は、組電池1、電池管理装置制御部3、電圧調整部5a、5b、5c、5d、・・・、5lを有する。
電圧調整部5a、5b、5c、5d、・・・、5lは、二次電池1a、1b、1c、1d、・・・、1lの両端にそれぞれ接続されるとともに、電池管理装置制御部3に接続されている。電圧調整部については、図7を参照して後述する。
電圧設定部31は、各二次電池1a〜1lの充電電圧の上限である二次電池最大充電電圧VBを記憶している。この二次電池最大充電電圧VBは、電池管理装置10の管理者等によって電圧設定部31に予め設定される。
電圧コントローラ32kは、電圧設定部31から二次電池最大充電電圧VBを読み出し、電圧調整部5kに出力することにより、二次電池1kの電池電圧が二次電池最大充電電圧VB以下となるように、電圧補償装置7から組電池1に供給される電圧を二次電池1kに供給する。また、電圧コントローラ32kは、二次電池1kの電池電圧や、後述するバイパス電流値を電圧調整部5kから取得し、電池管理装置制御部3に出力する。なお、電圧コントローラ32a〜34j、34lの構成は、電圧コントローラ32kの構成と同じであるので、それらの説明を省略する。
バイパス電流制御素子41、バイパス電流制限素子42、バイパス電流測定素子43は、直列に接続されており、バイパス回路(バイパス手段)を構成している。このバイパス回路は、二次電池1kと並列に接続されている。
バイパス電流制限素子42は、ヒューズなどの素子であり、バイパス回路にバイパス可能な電流の最大値である許容バイパス電流値よりも大きな電流が流れた場合に、バイパス電流制御素子41とバイパス電流測定素子43との間を流れる電流を遮断する。
バイパス電流測定素子43は、バイパス回路を流れるバイパス電流の電流値を測定し、バイパス電流測定値として電圧コントローラ32kに出力する。
電池電圧測定用誤差増幅器45は、二次電池1kの正極及び負極の電圧値の差から、二次電池1kの電池電圧を算出し、その電池電圧を制御部3と電池電圧誤差増幅器44とに出力する。
この結果、図8(a)に示すように各二次電池1a〜1lの電池電圧は、4.1(V)近辺の値となる。一方、従来の技術による電池管理システム200(図10参照)で、目標電圧が4.1(V)に設定されたままの場合には、図8(b)に示すように、10個の二次電池が4.1(V)に到達したとすると残りの2個の二次電池における電池電圧は3.9(V)のままになる。
この理由は、直流電源2の出力電圧が48.8(V)で安定していると、出力電流はこの電圧に応じた一定値のままで増加することがないためである。
このようなスイッチ制御回路は、電池管理装置制御部3内にOR回路を設けることにより実現することができる。このOR回路は、過充電電圧又は過放電電圧と測定電圧との比較を行った上で、スイッチの開放条件となる過充電電圧又は過放電電圧が検出された場合に、スイッチ開放信号をスイッチに出力する。
この結果、直流電源2の出力電圧が負荷電流に応じて変動しても、その電圧変動を補正し、組電池1の充電に最適な充電電圧を補償することができる。これによって、特に、二次電池1a〜1lがリチウムイオン二次電池である場合、組電池1内の各電池電圧にばらつきが生じることを抑制し、充電不足の二次電池が生じることを防ぎ、組電池1において安定した電池容量を確保することが可能となる。
Claims (5)
- 組電池と前記組電池の充電電圧の上限である組電池最大充電電圧を最大値とする電圧の電力を前記組電池に供給する電源と、前記電源と前記組電池との間に接続される電圧補償装置であって、
前記組電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
前記組電池の充電電圧の上限である組電池最大充電電圧を記憶する組電池情報記憶手段と、
前記組電池情報記憶手段が記憶する前記組電池最大充電電圧と、前記電圧計測手段が計測した電圧との差分を算出する算出手段と、
前記組電池に供給する電圧を、前記電源からの供給電圧に対して前記算出手段が算出した差分だけ昇圧して前記組電池に供給する昇圧手段と、
を有することを特徴とする電圧補償装置。 - 複数の二次電池が直列に接続された組電池と前記組電池の充電電圧の上限である組電池最大充電電圧を最大値とする電圧の電力を前記組電池に供給する電源と、前記電源と前記組電池との間に接続される電圧補償装置であって、
前記組電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
前記組電池を構成する二次電池数と各二次電池の充電電圧の上限である二次電池最大充電電圧とを記憶する二次電池情報記憶手段と、
前記二次電池情報記憶手段が記憶する前記二次電池数と前記二次電池最大充電電圧の積と、前記電圧計測手段が計測した電圧との差分を算出する算出手段と、
前記組電池に供給する電圧を、前記電源からの供給電圧に対して前記算出手段が算出した差分だけ昇圧して前記組電池に供給する昇圧手段と、
を有することを特徴とする電圧補償装置。 - 複数の二次電池が直列に接続された組電池と、
前記組電池と並列に接続される負荷と、
前記組電池及び前記負荷に直列に接続される電源と、
請求項1又は2に記載の電圧補償装置とを有し、
前記電圧補償装置は、前記組電池と前記電源との間に接続されることを特徴とする電圧補償システム。 - 前記二次電池ごとに設けられ、二次電池の電池電圧が各二次電池の充電電圧の上限である二次電池最大充電電圧よりも大きくなった場合に、その二次電池に供給される電流をバイパスさせるバイパス手段を有することを特徴とする請求項3に記載の電圧補償システム。
- 組電池と前記組電池の充電電圧の上限である組電池最大充電電圧を最大値とする電圧の電力を前記組電池に供給する電源と、前記電源と前記組電池との間に接続される電圧補償装置を使用した電圧補償方法であって、
前記組電池の電圧を電圧計測手段が計測する第1のステップと、
前記組電池の充電電圧の上限である組電池最大充電電圧を組電池情報記憶手段が記憶する第2のステップと、
前記組電池情報記憶手段が記憶する前記組電池最大充電電圧と、前記電圧計測手段が計測した電圧との差分を算出手段が算出する第3のステップと、
前記組電池に供給する電圧を、前記電源からの供給電圧に対して前記算出手段が算出した差分だけ昇圧して前記組電池に昇圧手段が供給する第4のステップと、
を有することを特徴とする電圧補償方法。
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