JP2009213196A - 組電池の容量調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保護対象であるスイッチング回路素子の温度を正確に検出することができる組電池の容量調整装置を提供する。
【解決手段】組電池１を構成する一又は複数の電池１１に並列に接続された容量調整用抵抗７１と、容量調整用抵抗７１に直列に接続され、容量調整用抵抗に流れる容量調整用電流を制御するスイッチング回路素子７２とを備えた組電池の容量調整装置において、スイッチング回路素子７２の駆動端子と、容量調整用電流が流れる当該スイッチング回路素子の一方の端子との間に、感温抵抗素子７３を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、組電池の容量調整装置に関するものである。

複数の電池を接続してなる組電池では、充放電を繰り返したり放置したりすると、各電池の特性ばらつきにより容量差（残容量差）が生じることがある。容量差が生じた状態で組電池を使用すると電池によっては過充電や過放電となり、組電池全体の寿命が短くなる。このため、他より容量の大きい電池を放電させることにより各電池の容量を均一化することが行われている。

こうした容量調整は、各電池に並列に設けられた容量調整回路に含まれる容量調整用抵抗に、他より容量の大きい電池から電流を流すことにより行われるが、容量調整用抵抗の発熱により、容量調整回路に含まれるトランジスタなどのような容量調整用回路素子に悪影響を及ぼすおそれがある。

なお、電池の電源回路に感温抵抗素子を設けることにより二次電池の過充電を防止する保護回路が、特許文献１に開示されている。

実開平６−３１３４５号公報

上記特許文献１においては、温度が上昇すると抵抗が増大する感温抵抗素子を電源回路上に設け、この感温抵抗素子と容量調整用回路素子としてのトランジスタとを熱的に結合することにより、トランジスタの温度上昇時に感温抵抗素子の抵抗を増大させて、電源からトランジスタに流れる電流を抑制している。このような回路を適用すれば、保護対象であるトランジスタの温度上昇時に電源回路上に設けた感温抵抗素子の抵抗増大によりトランジスタに流れる電流を抑制して、トランジスタの更なる温度上昇を防止し、保護対象としてのトランジスタを保護することができる。

しかしながら、電池の電源回路に感温抵抗素子を設けた保護回路では、感温素子は電源回路上に設けられ、トランジスタは制御回路上に設けられているため、感温抵抗素子により検出される温度と、保護対象であるトランジスタの実温度とが異なり、トランジスタなどの保護対象素子を適切に保護することができないという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、保護対象であるスイッチング回路素子の温度を正確に検出して、スイッチング回路素子を確実に保護することができる組電池の容量調整装置を提供することである。

本発明は、スイッチング素子の駆動端子と容量調整用電流が流れる一方の端子との間に感温抵抗素子を設けることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、保護対象であるスイッチング回路素子の温度を正確に検出することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る容量調整装置７を備えた組電池システムを示すブロック図である。同図に示す組電池１は、複数の電池１１を直列に接続し、その両極に電力供給線９を介してインバータ２を接続したものである。組電池１から供給される直流電流は、電力変換装置であるインバータ２により交流電流に変換されて交流モータ３に供給され、当該交流モータ３を駆動する。同図において符号４は電力供給線９を流れる電流を検出する電流検出センサであり、検出された電流値は組み電池全体の制御を司る統括制御装置６に送出される。また、符号５は組電池１の端子間電圧を検出する電圧検出センサであり、検出された電圧値は統括制御装置６に送出される。統括制御装置６は、電流センサ４で検出された組電池１の出力電流や電圧センサ５で検出された組電池１の電圧に基づいてインバータ２を制御し、組電池１が過放電の場合は組電池１の出力電力を制限したり過充電の場合は組電池１の入力電力を制限したりすると共に、容量調整制御回路７５を制御して各電池１１の容量調整を実行する。なお、詳細は後述する。

図５は本実施形態に係る制御回路基板８を示す斜視図であり、図１に示す容量調整用抵抗７１と、容量調整制御回路７５が造り込まれた集積回路チップ７６と、統括制御装置６が造り込まれた集積回路チップ６１とがプリント配線基板８１に実装され、この制御回路基板８は、組電池１が収納された電池パック（不図示）の所定箇所に取り付けられる。なお、図５中の８２はコネクタであり、このコネクタを介して制御回路基板８上の各チップが各電池１１と接続される。

なお、図５においては集積回路チップ７６が各容量調整用抵抗７１毎に対応して設けられているが、これら複数の集積回路チップ７６は機能上同一であることから一つのブロックとして扱って良く、従って図１においては容量調整制御回路７５及び集積回路チップ７６を一つのブロックで表わしている。

また、図１に示す組電池システムは、本実施形態に係る容量調整装置７を説明するための一例であって、本例のように複数の電池１１を直列に接続して組電池１を構成する以外にも、複数の電池１１を直列及び／又は並列に接続して組電池１を構成することもできる。また、組電池１による電力の供給対象が直流モータの場合はインバータ２を省略することができ、さらに電力の供給対象はモータ３以外の負荷とすることもできる。

図１に戻り、各電池１１には、容量調整用抵抗７１が並列に接続され、この容量調整用抵抗７１にｎｐｎ型バイポーラトランジスタからなるスイッチング回路素子７２が直列に接続され、この容量調整抵抗７１とスイッチング回路素子７２との直列回路で容量調整回路を形成し、容量調整回路は各電池１１と並列に接続されている。そして、容量調整制御回路７５により、スイッチング回路素子７２を構成するｎｐｎ型バイポーラトランジスタのベースにＯＮ電流を所定時間ｔだけ流す（ベースとエミッタ間に所定電圧を印加する）と、トランジスタ７２がＯＮして電池１１から容量調整用抵抗７１に所定時間ｔ（容量調整時間と称する）だけ電流が流れ、この放電により当該電池１１の容量（即ち電池１１の残容量であり、以下では単に容量と記載する）調整が行われる。

更に詳述すると、容量調整制御回路７５は各電池１１の開放電圧を検出して統括制御装置６へ送信し、統括制御装置６は各電池１１の開放電圧のうちの最小の開放電圧と各電池１１の開放電圧との差を算出する。電池の開放電圧は電池の容量とに相関があることから、統括制御装置６は各電池１１の開放電圧と最小の開放電圧との差に基づいて、各電池１１と開放電圧が最小の電池と容量差を算出し、算出した容量差を放電するために各電池１１に並列接続された容量調整用抵抗７１に電流を流す時間である容量調整時間を算出して容量調整制御回路７５に送信する。容量調整制御回路７５は統括制御装置６から送られた容量調整時間だけバイポーラトランジスタのベースにＯＮ電流を流し、各電池１１の容量を容量が最低（即ち開放電圧が最小）の電池１１の容量に合わせることにより、各電池１１の容量を均一化する。このとき容量調整用抵抗７１に流れる電流を容量調整用電流と称する。

なお、本実施形態に係るスイッチング回路素子７２は、ｎｐｎ型バイポーラトランジスタ以外にも、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いることもできる。また、容量調整用抵抗７１は、一つの電池１１に対して一つ設ける以外にも、複数の電池１１に対して一つの容量調整用抵抗７１を設けて組電池１の容量調整を行うこともできる。

特に本例では、スイッチング回路素子７２を構成するバイポーラトランジスタのベースとエミッタ間に、感温抵抗素子７３を、分圧抵抗７４とともに設けている。この感温抵抗素子７３は、温度変化に反応する電気抵抗体であって、温度上昇にともない抵抗値が減少する負の温度特性、すなわち負の温度係数を有するＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）サーミスタである。負の温度特性を有する感温抵抗素子７３は、たとえばニッケル、マンガン、コバルト、鉄などの酸化物を混合して焼結したものを例示することができる。

なお、バイポーラトランジスタに代えて電界効果型トランジスタをスイッチング回路素子７２として用いる場合は、ＦＥＴのゲートとドレイン間に、分圧抵抗とともに感温抵抗素子７３を接続する。

本例において、容量調整制御回路７５によりスイッチング回路素子７２のベースにＯＮ電流を流すと、感温抵抗素子７３が所定温度以下の場合は当該感温抵抗素子７３の抵抗値に相当する電圧がスイッチング回路素子７２のベースとエミッタ間に生じるため、容量調整制御回路７５から抵抗７４を介してＯＮ電流がベースに流れ、これによりスイッチング回路素子７２がＯＮとなって容量調整用抵抗７１に電池１１からの容量調整用電流が流れる。

これに対し、感温抵抗素子７３が加熱されて所定温度より高くなると当該感温抵抗素子７３の抵抗値が減少するため、スイッチング回路素子７２のベースとエミッタ間の電圧がそのぶんだけ低下し、その結果、容量調整制御回路７５からスイッチング回路素子７２のベースにＯＮ電流が流れなくなる。

本例では、感温抵抗素子７３によるこうした機能を利用して、スイッチング回路素子７２の温度を当該感温抵抗素子７３で検知し、スイッチング回路素子７２が所定温度以上になった場合は、ベースに流れるＯＮ電流を遮断し、これによりスイッチング回路素子７２が過熱されることを防止する。

このため、感温抵抗素子７３の温度特性は、スイッチング回路素子７２の検出温度が、当該スイッチング回路素子７２の許容限界温度とほぼ等しいか、それ以下になった場合に、スイッチング回路素子７２のベースへのＯＮ電流が遮断される特性とすることが望ましい。

さらに詳細にいうと、同図に示す容量調整装置７において、容量調整用抵抗７１に容量調整電流が流れると、この容量調整用抵抗７１が発熱し、図５に示すように容量調整用抵抗７１に近接して実装された容量調整制御回路チップ７６にこの熱が伝わる。そして、容量調整制御回路チップ７６内のスイッチング回路素子７２を構成するトランジスタは耐熱性に限界があることから、当該スイッチング回路素子７２が所定温度に達した場合には、冷却されるまで容量調整用電流を一時的に遮断することが望ましい。

ところが、従来の特許文献１に開示された感温抵抗素子を用いた技術は、感温抵抗素子が電源回路上（高電圧回路上）に設けられ、トランジスタが制御回路上（低電圧回路）に設けられているため、高電圧回路と低電圧回路との絶縁を確保するために充分な距離を確保する必要がある。このため、従来の特許文献１に開示された技術をトランジスタ（スイッチング回路素子）の保護回路として適用した場合には、トランジスタの温度が感温抵抗素子に伝わり難く、トランジスタの保護が難しいという問題があった。さらに、感温抵抗素子が電源回路上に設けられているため、感温抵抗素子に流れる電流が大きく、感温抵抗素子自体が発熱することからトランジスタの温度のみに応じて感温抵抗素子の抵抗を変化させることが困難であるという問題もあった。

このため本例では、同図において符号７６で示す電気回路要素を、一つの半導体集積回路部品としてチップ化している。すなわち、感温抵抗素子７３をスイッチング回路素子７２とともに半導体集積回路部品としてチップ化することにより、スイッチング回路素子７２の実温度が直接感温抵抗素子７３に伝わるので、スイッチング回路素子７２の正確な温度を検出することができる。また、感温抵抗素子７３に流れる電流はスイッチング回路素子７２を駆動するための小さな制御電流だけであるので、感温抵抗素子７３に電流が流れることによる発熱は小さい。これにより、感温抵抗素子７３によりスイッチング回路素子７２の実温度を正確に検出できるので、温度補正などの余分な処理を行う必要もない。

なお、感温抵抗素子７３をスイッチング回路素子７２とともにチップ化しなくても、スイッチング回路素子７２に接触または近接した位置に感温抵抗素子７３を配置することによりスイッチング回路素子７２の実温度をほぼ直接的に検出することができるので、チップ化した場合と同等の効果を得ることができる。

ところで、上述したように感温抵抗素子７３を用いてスイッチング回路素子７２のベース電流を遮断している間は、電池１１の容量調整処理が中断され、目的とする電池１１間の容量調整が達成されないこととなる。しかしながら本例では、スイッチング回路素子７２を保護するために当該スイッチング回路素子７２をＯＦＦしたとしても、目的とする容量調整処理を継続できるように構成している。

具体的には、図１に示すように容量調整用抵抗７１の両端子間の電圧を検出する電圧検出回路７７を接続し、この電圧検出回路７７により検出された電圧値を容量調整制御回路７５に送出することで、スイッチング回路素子７２のＯＮ／ＯＦＦ状態、換言すれば容量調整用電流が容量調整用抵抗７１に流れる通電状態を検出する。

すなわち、容量調整制御回路７５は、電圧検出回路７７から送られてきた容量調整用抵抗７１の端子間電圧値に基づいて、スイッチング回路素子７２がＯＮ状態となっている時間Ｔon、換言すれば当該容量調整用抵抗７１に容量調整用電流が流れている時間Ｔonを積算する。この時間Ｔonの積算時間が容量調整時間となった時点で容量調整を終了（スイッチング回路素子７２をＯＦＦ）することにより、スイッチング回路素子７２をＯＦＦしたとしても、目的とする容量調整処理が実行可能となっている。

容量調整用抵抗７１に電池１１からの電流が流れると、電圧検出回路７７により検出される電圧値は、流れていないときの電圧値（電池１１の端子間電圧に等しい）に比べて低くなるので、容量調整用抵抗７１に容量調整用電流が流れているか否かを判断することができ、クロック回路等を用いることで容量調整用電流が流れた時間を積算することができる。

なお、図１に示す容量調整装置７においては、電圧検出回路７７を容量調整用抵抗７１の両端子間電圧を検出するように接続したが、この構成以外にも、たとえば図２及び図３に示すように電圧検出回路７７を接続することもできる。

図２及び図３は、他の実施形態に係る電圧検出回路７７の接続構造を示す要部回路図である。

図２に示す例では、スイッチング回路素子７２のコレクタとエミッタ間の端子間電圧を電圧検出回路７７で検出するように接続している。本例によれば、容量調整用抵抗７１に電池１１からの電流が流れると、電圧検出回路７７により検出されるコレクタとエミッタ間の端子間電圧値は、流れていないときの電圧値（電池１１の端子間電圧に等しい）に比べて低くなるので、容量調整用抵抗７１に容量調整用電流が流れているか否かを判断することができる。なお、スイッチング回路素子７２として電界効果型トランジスタＦＥＴを用いた場合には、ＦＥＴのソースとドレイン間の端子間電圧を検出するように電圧検出回路７７を接続する。

また、図３に示す例では、スイッチング回路素子７２のベースとエミッタ間の端子間電圧を電圧検出回路７７で検出するように接続している。本例によれば、容量調整用抵抗７１に電池１１からの電流が流れると、電圧検出回路７７により検出されるベースとエミッタ間の端子間電圧値は、流れていないときの電圧値に比べて低くなるので、容量調整用抵抗７１に容量調整用電流が流れているか否かを判断することができる。なお、スイッチング回路素子７２として電界効果型トランジスタＦＥＴを用いた場合には、ＦＥＴのゲートとドレイン間の端子間電圧を検出するように電圧検出回路７７を接続する。

図４は、本実施形態に係る容量調整装置７の動作を示すフローチャートである。同図を参照しながら感温抵抗素子７３により容量調整が中断された場合を含めた容量調整操作を説明する。

まず、ステップＳＴ１０において組電池システムが容量調整モードであることを検出すると、ステップＳＴ２０において、容量調整制御回路７５は、図示しない電圧検出回路にて電池１１の端子間電圧を検出し、これを統括制御回路６に送出する。統括制御回路６では、容量調整制御回路７５から送られてきた各電池１１の端子間電圧を比較し、各電池１１に対する調整容量、具体的には容量調整電流を容量調整用抵抗７１に流す目標容量調整時間Ｔを演算する。

次いで、ステップＳＴ３０において、統括制御回路６は、演算された各電池１１に対する目標容量調整時間Ｔを容量調整制御回路７５に送出し、容量調整制御回路７５は、各電池１１に対応するスイッチング回路素子７２のベースに目標容量調整時間ＴだけＯＮ電流を流すように制御することにより容量調整処理を開始する。

ステップＳＴ４０では、図１に示す電圧検出回路７７により容量調整用抵抗７１の両端子間電圧を検出し、これを容量調整制御回路７５に送出する。容量調整制御回路７５は、検出された電圧値に基づいてスイッチング回路素子７２のＯＮ／ＯＦＦ状態を検出する。続くステップＳＴ５０では、スイッチング回路素子７２のＯＮ時間Ｔon、すなわち容量調整用抵抗７１に容量調整用電流が流れた時間Ｔonを順次積算する。

そして、ステップＳＴ６０にて、積算された容量調整用電流が流れた時間Ｔonを所定時間間隔で目標容量調整時間Ｔと比較し、積算時間Ｔonが目標容量調整時間Ｔに達したか否かを判断する。積算時間Ｔonが目標容量調整時間Ｔに達していない場合は、容量調整処理を継続し、積算時間Ｔonが目標容量調整時間Ｔに達したらステップＳＴ６０へ進む。

ステップＳＴ６０では、全ての電池１１について容量調整処理が終了したかどうかを判断し、終了していない電池１１についてはステップＳＴ２０〜ＳＴ６０の処理を実行する。

以上のとおり、本実施形態の容量調整装置によれば、容量調整処理中に容量調整用抵抗７１の発熱によってスイッチング回路素子７２が所定温度になると、感温抵抗素子７３が反応してスイッチング回路素子７２をＯＦＦし、容量調整用抵抗７１の発熱を一時停止させる。これにより、スイッチング回路素子７２の過熱が防止できる。

また、感温抵抗素子７３はスイッチング回路素子７２の温度を直接検出するので、保護対象であるスイッチング素子７２が所定温度以上に過熱されることを精度良く防止できる。その結果、スイッチング回路素子７２を耐熱限界温度まで動作させることができるので、容量調整処理を不用意に中断することなく、短時間で容量調整を行うことができる。

また、電圧検出回路７７によりスイッチング回路素子７２のＯＮ状態や容量調整用抵抗７１の通電状態を検出し、これらの積算時間Ｔonと目標容量調整時間Ｔとを比較するので、組電池１を構成する各電池１１の容量を適切に調整することができる。

本発明の実施形態に係る容量調整装置を備えた組電池システムを示すブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る容量調整装置の要部を示す電気回路図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る容量調整装置の要部を示す電気回路図である。 本発明の実施形態に係る容量調整装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る制御回路基板を示す斜視図である。

符号の説明

１…組電池
１１…電池
２…インバータ
３…モータ
６…統括制御装置
６１…統括制御装置の集積回路チップ
７…容量調整装置
７１…容量調整用抵抗
７２…スイッチング回路素子
７３…感温抵抗素子
７４…抵抗
７５…容量調整制御回路
７６…容量調整制御回路の集積回路チップ
７７…電圧検出回路
８…制御回路基板
９…電力供給線

Claims (7)

1. 組電池を構成する一又は複数の電池のそれぞれに並列に接続された、容量調整用抵抗と該容量調整用抵抗に直列に接続されたスイッチング回路素子とで形成された容量調整回路を備えた組電池の容量調整装置において、
   前記スイッチング回路素子の駆動端子と、当該スイッチング回路素子の前記電池の負極に接続された一方の端子との間に、感温抵抗素子を設けたことを特徴とする組電池の容量調整装置。
2. 請求項１に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記感温抵抗素子は、温度の上昇にともない抵抗が減少する負の温度特性を有することを特徴とする組電池の容量調整装置。
3. 請求項１又は２に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記スイッチング回路素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記ＯＮ／ＯＦＦ状態に基づいて容量調整を制御する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
4. 請求項３に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出された前記スイッチング回路素子のＯＮ状態の時間を積算するとともに、当該積算時間が容量調整時間に達するまで、前記容量調整の制御を実行することを特徴とする組電池の容量調整装置。
5. 請求項１又は２に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記容量調整用電流が前記容量調整用抵抗に流れる通電状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された容量調整用抵抗の通電状態に基づいて容量調整を制御する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする組電池の容量調整装置。
6. 請求項５に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出された前記容量調整用抵抗の通電状態の時間を積算するとともに、当該積算時間が容量調整時間に達するまで、前記容量調整の制御を実行することを特徴とする組電池の容量調整装置。
7. 請求項３〜６のいずれか一項に記載の組電池の容量調整装置において、
   前記検出手段は、
   前記容量調整用抵抗の電圧、
   前記容量調整用電流が流れる当該スイッチング回路素子の端子間の電圧、または
   前記スイッチング回路素子の駆動端子と、前記容量調整用電流が流れる当該スイッチング回路素子の一方の端子との間の電圧、の少なくともいずれかを検出することを特徴とする組電池の容量調整装置。

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