(57)【要約】      （修正有）【課題】バッテリーセルの充電電圧をバランシングするため放電電流が流れている状態で、制御プロセッサの故障により放電が持続することを防止する過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置を提供する。【解決手段】複数のバッテリーセルを含むバッテリーパック１００でそれぞれのバッテリーセルの充電電圧をバランシングする装置において、バッテリーセルの両端と並列で連結された導線上に設けられた放電抵抗Ｒｄと、バランス制御信号に従って該当バッテリーセルの充電電圧をリレーさせるバランス信号リレー部２１０と、バランス信号リレー部からリレーされるバッテリーセルの充電電圧が駆動電圧として入力され、駆動電圧が有効電圧レベル以上であれば、バッテリーセルと放電抵抗とを連結してバッテリーセルを放電させる放電スイッチ部２２０とを含む。【選択図】図１
2014003892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置であって、
複数のバッテリーセルを包含するバッテリーパックにおける各々のバッテリーセルの充電電圧をバランシングするものであり、
バッテリーセルの両端と並列で連結された導線上に設けられた放電抵抗と、
バランス制御信号に従って該当バッテリーセルの充電電圧をリレーさせるバランス信号リレー部と、及び
前記バランス信号リレー部からリレーされるバッテリーセルの充電電圧が駆動電圧として入力され、前記駆動電圧が有効電圧レベル以上であればバッテリーセルと放電抵抗とを連結してバッテリーセルを放電させる放電スイッチ部とを備えてなる、過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項２】
前記バランス制御信号が、一定周波数でハイレベル信号とローレベル信号とが繰り返されるパルス信号またはＤＣ信号パターンのハイレベル信号である、請求項１に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項３】
前記バランス信号リレー部がフォトカプラである、請求項１又は２に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項４】
前記バランス信号リレー部は発光素子及び受光素子を備えてなり、
前記発光素子にはバランス制御信号が印加され、バランス制御信号のハイレベル信号を光信号に変換し、
前記受光素子はバッテリーセルと放電スイッチ部との間に連結され、前記発光素子から光信号が印加されれば、バッテリーセルの充電電圧を放電スイッチ部側にリレーさせる、請求項３に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項５】
前記放電スイッチ部が電界効果トランジスターである、請求項１〜４の何れか一項に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項６】
前記電界効果トランジスターのソース端子が、バッテリーセルの一端と連結され、
ドレーン端子が、放電抵抗を介してバッテリーセルの他端と連結され、
ゲート端子が、バランス信号リレー部と連結されてなる、請求項５に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項７】
前記電界効果トランジスターのソース−ドレーン間の電流の流れが開始される有効電圧レベルが、バッテリーセルの過放電閾値電圧以上の電圧レベルである、請求項６に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項８】
バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルの充電電圧を測定してバランシングを要するバッテリーセルを選定し、選定されたバッテリーセルに連結されたバランス信号リレー部にバランス制御信号を印加してバランス信号リレー部を動作させる制御部をさらに備えてなる、請求項１〜７の何れか一項に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項９】
過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置であって、
複数のバッテリーセルを包含するバッテリーパックにおける各々のバッテリーセルの充電電圧をバランシングするものであり、
バッテリーセルの両端と並列で連結された導線上に設けられた放電抵抗と、
一定周波数を持つバランス制御信号が入力される条件でのみチャージをポンピングするチャージポンプと、
有効電圧レベルの駆動電圧が印加されれば、前記バッテリーセルと放電抵抗とを連結してバッテリーセルを放電させる放電スイッチ部と、及び
前記ポンピングされたチャージを充電して充電電圧を前記放電スイッチ部の駆動電圧として印加する電圧充電部とを備えてなる、過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１０】
前記電圧充電部が充電電圧を放電させる放電抵抗を備えてなり、
前記チャージポンプが前記放電による充電電圧の減少速度よりチャージポンピングによる充電電圧の増加速度が速い条件でチャージをポンピングする、請求項９に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１１】
前記バランス制御信号が一定周波数でハイレベル電圧信号とローレベル電圧信号が繰り返されるパルス信号パターンを有するものである、請求項９又は１０に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１２】
前記チャージポンプへのバランス制御信号が印加される導線上に、チャージポンプ側にノイズが流れ込むことを防止するダイオードをさらに備えてなる、請求項９〜１１の何れか一項に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１３】
前記チャージポンプへのバランス制御信号が印加される導線上に設けられ、制御部から出力される一定周波数を持つバランス制御信号に従ってハイレベル電圧信号とローレベル電圧信号とをチャージポンプ側に周期的にリレーさせるバランス信号リレー部をさらに備えてなる、請求項９〜１２の何れか一項に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１４】
前記バランス信号リレー部がフォトカプラである、請求項１３に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１５】
前記バランス信号リレー部が発光素子及び受光素子を備えてなり、
前記発光素子にはバランス制御信号が印加され、バランス制御信号のハイレベル信号を光信号に選択的に変換し、
前記受光素子がバッテリーセルとチャージポンプとの間に連結され、前記発光素子から光信号が発生すれば、バッテリーセルの充電電圧を一定周波数でチャージポンプ側にリレーさせるものである、請求項１４に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１６】
前記放電スイッチ部が電界効果トランジスターである、請求項９〜１１の何れか一項に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１７】
前記電界効果トランジスターのソース端子がバッテリーセルの一端と連結されてなり、
ドレーン端子が放電抵抗を介してバッテリーセルの他端と連結されてなり、
ゲート端子が前記電圧充電部と連結されてなる、請求項１６に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１８】
前記電界効果トランジスターのソース−ドレーン間の電流の流れが開始される有効電圧レベルが、電圧充電部の充電容量より小さいものである、請求項１７に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【請求項１９】
バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルの充電電圧を測定してバランシングを要するバッテリーセルを選定し、選定されたバッテリーセルに連結されたチャージポンプに前記バランス制御信号を印加してチャージポンプを動作させる制御部をさらに備えてなる、請求項９〜１８の何れか一項に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリーパックのバランス装置に関し、より詳しくは、バッテリーパックに含まれたそれぞれのバッテリーセルの充電電圧をバランシングする過程において、制御プロセッサの故障によりセルが過放電されることを防止できる過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、二次電池の種類にはニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池などがある。このような二次電池は、リチウム系電池とニッケル水素系電池とに分けられる。リチウム系電池はデジタルカメラ、Ｐ−ＤＶＤ、ＭＰ３Ｐ、携帯電話、ＰＤＡ、携帯用ゲーム機、動力工具（Ｐｏｗｅｒ Ｔｏｏｌ）及び電動自転車（Ｅ−ｂｉｋｅ）などの小型製品に主に適用され、ニッケル水素系電池は電気自動車やハイブリッド電気自動車のような高出力が求められる大型製品に適用されている。
【０００３】
一方、電気自動車やハイブリッド電気自動車が走行するためには、高出力を必要とする駆動モーターを駆動させなければならない。そのために電気自動車やハイブリッド電気自動車に使用されるバッテリーは、複数のバッテリーセルが直列で連結されたバッテリーパックから出力される電気を電源として用いている。
【０００４】
このようなバッテリーパックに含まれている複数のバッテリーセルは、安定性、寿命の向上、及び高出力を得るためにそれぞれのバッテリーの電圧を均一に保持する必要がある。電気自動車には、複数のバッテリーセルで構成されるバッテリーパックが車輌の構成に応じて複数構成され、バッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）はバッテリーパックのそれぞれのバッテリーセルを充電または放電しながらそれぞれのバッテリーセルの電圧を適正レベルに保持させる。しかし、内部インピーダンスの変化などの多くの要因により、複数のバッテリーセルは平衡状態を安定的に保持し難いため、バッテリー管理システムが複数のバッテリーセルの充電状態を均等化させる動作を行う。
【０００５】
従来は、高電圧バッテリーパックを構成するそれぞれのバッテリーセルの電圧を均一にするために、半導体スイッチを用いて平均電圧より高い電圧のバッテリーセルに放電抵抗（バック抵抗（Ｂｕｃｋ ｒｅｓｉｓｔｏｒ））を選択的に連結し、バッテリーセルが有するエネルギーを排出させることで、バッテリーセル間の電圧差を低減させる方法を用いた。
【０００６】
複数のバッテリーセルに対するバランシング過程で安全性を確保するためには、放電対象バッテリーセルの電圧が一定電圧レベルに落ちれば放電回路とバッテリーセルとの間の連結を解除することが最も重要である。ところが、場合によっては、それぞれのバッテリーセルの放電を制御する制御プロセッサの故障やプログラムアルゴリズムのエラーなどにより、バッテリーセルと放電回路との連結を適時遮断できないことがある。このような場合、バッテリーセルから微小電流が放電され続け、バッテリーセルが過放電状態になるという問題が生じる。バッテリーセルが過放電状態になれば、様々な危険が生じ得るが、特にリチウムイオンバッテリーパックの場合、過放電状態になると爆発するなどの深刻な問題をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーセルの充電電圧をバランシングするため、放電電流が流れている状態で制御プロセッサの故障により放電が持続することを防止できる過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置を提供することを目的とする。
本発明の好ましい態様
〔１〕  過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置であって、
複数のバッテリーセルを包含するバッテリーパックにおける各々のバッテリーセルの充電電圧をバランシングするものであり、
バッテリーセルの両端と並列で連結された導線上に設けられた放電抵抗と、
バランス制御信号に従って該当バッテリーセルの充電電圧をリレーさせるバランス信号リレー部と、及び
前記バランス信号リレー部からリレーされるバッテリーセルの充電電圧が駆動電圧として入力され、前記駆動電圧が有効電圧レベル以上であればバッテリーセルと放電抵抗とを連結してバッテリーセルを放電させる放電スイッチ部とを備えてなる、過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔２〕  前記バランス制御信号が、一定周波数でハイレベル信号とローレベル信号とが繰り返されるパルス信号またはＤＣ信号パターンのハイレベル信号である、〔１〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔３〕  前記バランス信号リレー部がフォトカプラである、〔１〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔４〕  前記バランス信号リレー部は発光素子及び受光素子を備えてなり、
前記発光素子にはバランス制御信号が印加され、バランス制御信号のハイレベル信号を光信号に変換し、
前記受光素子はバッテリーセルと放電スイッチ部との間に連結され、前記発光素子から光信号が印加されれば、バッテリーセルの充電電圧を放電スイッチ部側にリレーさせる、〔３〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔５〕  前記放電スイッチ部が電界効果トランジスターである、〔１〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔６〕  前記電界効果トランジスターのソース端子が、バッテリーセルの一端と連結され、
ドレーン端子が、放電抵抗を介してバッテリーセルの他端と連結され、
ゲート端子が、バランス信号リレー部と連結されてなる、〔５〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔７〕  前記電界効果トランジスターのソース−ドレーン間の電流の流れが開始される有効電圧レベルが、バッテリーセルの過放電閾値電圧以上の電圧レベルである、〔６〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔８〕  バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルの充電電圧を測定してバランシングを要するバッテリーセルを選定し、選定されたバッテリーセルに連結されたバランス信号リレー部にバランス制御信号を印加してバランス信号リレー部を動作させる制御部をさらに備えてなる、〔１〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔９〕  過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置であって、
複数のバッテリーセルを包含するバッテリーパックにおける各々のバッテリーセルの充電電圧をバランシングするものであり、
バッテリーセルの両端と並列で連結された導線上に設けられた放電抵抗と、
一定周波数を持つバランス制御信号が入力される条件でのみチャージをポンピングするチャージポンプと、
有効電圧レベルの駆動電圧が印加されれば、前記バッテリーセルと放電抵抗とを連結してバッテリーセルを放電させる放電スイッチ部と、及び
前記ポンピングされたチャージを充電して充電電圧を前記放電スイッチ部の駆動電圧として印加する電圧充電部とを備えてなる、過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１０〕  前記電圧充電部が充電電圧を放電させる放電抵抗を備えてなり、
前記チャージポンプが前記放電による充電電圧の減少速度よりチャージポンピングによる充電電圧の増加速度が速い条件でチャージをポンピングする、〔９〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１１〕  前記バランス制御信号が一定周波数でハイレベル電圧信号とローレベル電圧信号が繰り返されるパルス信号パターンを有するものである、〔９〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１２〕  前記チャージポンプへのバランス制御信号が印加される導線上に、チャージポンプ側にノイズが流れ込むことを防止するダイオードをさらに備えてなる、〔９〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１３〕  前記チャージポンプへのバランス制御信号が印加される導線上に設けられ、制御部から出力される一定周波数を持つバランス制御信号に従ってハイレベル電圧信号とローレベル電圧信号とをチャージポンプ側に周期的にリレーさせるバランス信号リレー部をさらに備えてなる、〔９〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１４〕  前記バランス信号リレー部がフォトカプラである、〔１３〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１５〕  前記バランス信号リレー部が発光素子及び受光素子を備えてなり、
前記発光素子にはバランス制御信号が印加され、バランス制御信号のハイレベル信号を光信号に選択的に変換し、
前記受光素子がバッテリーセルとチャージポンプとの間に連結され、前記発光素子から光信号が発生すれば、バッテリーセルの充電電圧を一定周波数でチャージポンプ側にリレーさせるものである、〔１４〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１６〕  前記放電スイッチ部が電界効果トランジスターである、〔９〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１７〕  前記電界効果トランジスターのソース端子がバッテリーセルの一端と連結されてなり、  ドレーン端子が放電抵抗を介してバッテリーセルの他端と連結されてなり、
ゲート端子が前記電圧充電部と連結されてなる、〔１６〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１８〕  前記電界効果トランジスターのソース−ドレーン間の電流の流れが開始される有効電圧レベルが、電圧充電部の充電容量より小さいものである、〔１７に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
〔１９〕  バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルの充電電圧を測定してバランシングを要するバッテリーセルを選定し、選定されたバッテリーセルに連結されたチャージポンプに前記バランス制御信号を印加してチャージポンプを動作させる制御部をさらに備えてなる、〔９〕に記載の過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様による過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置は、複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックでそれぞれのバッテリーセルの充電電圧をバランシングする装置において（充電電圧のバランス、平衡を保つものであり）、バッテリーセルの両端と並列で連結された導線上に設けられた放電抵抗と、バランス制御信号に従って該当バッテリーセルの充電電圧をリレーさせるバランス信号リレー部と、前記バランス信号リレー部からリレーされるバッテリーセルの充電電圧が駆動電圧として入力され、前記駆動電圧が有効電圧レベル以上であればバッテリーセルと放電抵抗とを連結してバッテリーセルを放電させる放電スイッチ部と、を含む、望ましくは、前記バランス制御信号が一定周波数でハイレベル信号とローレベル信号とが繰り返されるパルス信号またはＤＣ信号パターンのハイレベル信号である。
【０００９】
望ましくは、前記バランス信号リレー部がフォトカプラ（Ｐｈｏｔｏｃｏｕｐｌｅｒ）であり、発光素子及び受光素子を含む。前記発光素子にはバランス制御信号が印加され、バランス制御信号のハイレベル信号を光信号に変換し、前記受光素子はバッテリーセルと放電スイッチ部との間に連結されて前記発光素子から光信号が印加されれば、バッテリーセルの充電電圧を放電スイッチ部側にリレーさせる。
【００１０】
望ましくは、前記放電スイッチ部が電界効果トランジスター（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＦＥＴ）であり、前記電界効果トランジスターのソース端子はバッテリーセルの一端と連結され、ドレーン端子は放電抵抗を介してバッテリーセルの他端と連結され、ゲート端子はバランス信号リレー部と連結される。
【００１１】
望ましくは、前記電界効果トランジスターのソース−ドレーン間の電流の流れが開始される有効電圧レベルは、バッテリーセルの過放電閾値電圧以上の電圧レベルである。
【００１２】
望ましくは、バッテリーパックに含まれた複数のバッテリーセルの充電電圧を測定してバランシングを要するバッテリーセルを選定し、選定されたバッテリーセルに連結されたバランス信号リレー部にバランス制御信号を印加してバランス信号リレー部を動作させる制御部をさらに含む。
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明の他の態様による過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置は、複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックでそれぞれのバッテリーセルの充電電圧をバランシングする装置において、バッテリーセルの両端と並列で連結された導線上に設けられた放電抵抗と、一定周波数を持つバランス制御信号が入力される条件でのみチャージをポンピングするチャージポンプと、有効電圧レベルの駆動電圧が印加されれば前記バッテリーセルと放電抵抗とを連結してバッテリーセルを放電させる放電スイッチ部と、前記ポンピングされたチャージを充電して充電電圧を前記放電スイッチ部の駆動電圧として印加する電圧充電部と、を含む。
【００１４】
望ましくは、前記電圧充電部が充電電圧を放電させる放電抵抗を含み、前記チャージポンプが前記放電による充電電圧の減少速度よりチャージポンピングによる充電電圧の増加速度が速い条件でチャージをポンピングする。
【００１５】
選択的に、前記チャージポンプへのバランス制御信号が印加される導線上には、チャージポンプ側にノイズが流れ込むことを防止するダイオードをさらに含み得る。
【００１６】
代案的に、前記チャージポンプへのバランス制御信号が印加される導線上に設けられ、制御部から出力される一定周波数を持つバランス制御信号に従ってハイレベル電圧信号とローレベル電圧信号とをチャージポンプ側に周期的にリレーさせるバランス信号リレー部をさらに含む。このとき、前記バランス信号リレー部はフォトカプラであり、発光素子及び受光素子を含む。前記発光素子にはバランス制御信号が印加され、バランス制御信号のハイレベル信号を光信号に選択的に変換する。前記受光素子はバッテリーセルとチャージポンプとの間に連結され、前記発光素子から光信号が発生すれば、バッテリーセルの充電電圧を一定周波数でチャージポンプ側にリレーさせる。
【００１７】
望ましくは、前記電界効果トランジスターのソース−ドレーン間の電流の流れが開始される有効電圧レベルは、電圧充電部の充電容量より小さい電圧レベルである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、バッテリーセルの充電電圧をバランシングする過程において制御プロセッサの故障によりバッテリーセルが過放電される現象を防止することができる。また、バッテリーセルをバランシングする放電回路と制御プロセッサとを電気的に絶縁させることで、制御プロセッサを電気的衝撃から保護することができる。これにより、バッテリーパックの安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
【図１】本発明の第１実施例による過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置を示した概略的な回路構成図である。
【図２】本発明の第２実施例による過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置を示した概略的な回路構成図である。
【図３】本発明の第３実施例による過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置を示した概略的な回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
【００２１】
図１は、本発明の第１実施例による過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置を示した概略的な回路構成図である。
【００２２】
図１を参照すれば、本発明の第１実施例によるバッテリーパックのバランス装置は、バランス信号リレー部２１０、放電スイッチ部２２０、放電抵抗Ｒｄ、制御部２３０、及び電圧測定部２４０を含む。
【００２３】
前記バランス信号リレー部２１０、放電スイッチ部２２０及び放電抵抗Ｒｄは、複数のバッテリーセルに個別で並列連結され、バランシングを要するバッテリーセルの充電電圧を目標とするバランス電圧になるまで放電させる。
【００２４】
前記バランス信号リレー部２１０は、前記制御部２３０と電気的に絶縁された状態で制御部２３０が出力するバランス制御信号に従ってオン／オフ動作を行えるフォトカプラであることが望ましい。前記バランス制御信号は、一定周波数でハイ（Ｈｉｇｈ）レベル信号とロー（Ｌｏｗ）レベル信号とが繰り返されるパルス信号またはＤＣ信号パターンのハイレベル信号である。前記バランス信号リレー部２１０にバランス制御信号が印加されれば、前記バランス信号リレー部２１０が動作してバッテリーセルＶ１のバランシングが開始される。
【００２５】
前記フォトカプラは、電気的に絶縁された発光素子及び受光素子を含む。前記発光素子は制御部２３０と連結され、制御部２３０から印加されるバランス制御信号に従って光信号を生成する。バランス制御信号が一定周波数を持つパルス信号であれば、前記発光素子はハイレベル信号区間のみで光信号を生成する。前記受光素子は前記発光素子で光信号が発生すれば、バッテリーセルＶ１の充電電圧を前記放電スイッチ部２２０にリレーさせる。一方、前記放電スイッチ部２２０とバランス信号リレー部２１０との間には抵抗Ｒ１が介在するが、これは放電スイッチ部２２０とバランス信号リレー部２１０とを連結する回路線路の固有の抵抗成分である。
【００２６】
前記放電スイッチ部２２０は、バッテリーセルＶ１の両端と並列で連結された導線上に設けられ、バッテリーセルＶ１と放電抵抗Ｒｄとの連結をスイッチングする。望ましくは、前記放電スイッチ部２２０はソース端子Ｓ、ドレーン端子Ｄ及びゲート端子Ｇを備える電界効果トランジスターである。
【００２７】
前記放電スイッチ部２２０とバッテリーセルＶ１とはバランス信号リレー部２１０を媒介にして閉ループ回路を構成する。前記放電スイッチ部２２０を動作させる駆動電圧は、バランス信号リレー部２１０の動作によって放電スイッチ部２２０に印加されるバッテリーセルＶ１の充電電圧である。すなわち、放電スイッチ部２２０のソース端子ＳはバッテリーセルＶ１の一端と連結され、ドレーン端子Ｄは放電抵抗Ｒｄを介してバッテリーセルＶ１の他端と連結され、ゲート端子Ｇはバランス信号リレー部２１０と連結される。したがって、前記バランス信号リレー部２１０が動作すれば、放電スイッチ部２２０のゲート−ソース間の電圧ＶｇｓはバッテリーセルＶ１の充電電圧と実質的に同一になる。
【００２８】
前記放電スイッチ部２２０の動作過程を説明すれば、次のようである。制御部２３０がバランス制御信号を出力すれば、バッテリーセルＶ１の充電電圧が放電スイッチ部２２０のゲート端子Ｇ側に駆動電圧として印加される。このとき、ゲート端子Ｇに印加された電圧が有効電圧レベル以上であれば、ゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓが閾値電圧より大きくなる。すると、前記放電スイッチ部２２０がターンオンし、ソース−ドレーン間に放電電流が流れることで、放電抵抗ＲｄがバッテリーＶ１の充電電圧を放電させる。一方、ゲート端子Ｇに印加されたバッテリーセルＶ１の充電電圧が有効電圧レベル未満であれば、ゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓが閾値電圧より小くなる。すると、前記放電スイッチ部２２０がターンオフし、ソース−ドレーン間に放電電流が流れない。その結果、放電抵抗ＲｄがバッテリーセルＶ１の充電電圧をそれ以上放電させない。
【００２９】
本発明の第１実施例において、前記有効電圧レベルはバッテリーセルＶ１の過放電状態になる閾値電圧であることが望ましい。ここで、過放電閾値電圧を有効電圧レベルとして持つ放電スイッチ部２２は、本発明が属した技術分野で通常の知識を持つ者であれば容易に選択することができる。
【００３０】
本発明の第１実施例によれば、バランスモードにおけるゲート−ソース間の電圧ＶｇｓはバッテリーセルＶ１の充電電圧と実質的に同一になる。よって、制御部２３０の故障によりバッテリーセルＶ１の充電電圧が持続的に放電されても、バッテリーセルＶ１の充電電圧が過放電状態になれば、前記放電スイッチ部２２０が自動でターンオフしてバッテリーセルＶ１の過放電を遮断することができる。バッテリーセルＶ１が過放電状態になれば、ゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓが有効電圧レベル未満に落ちるためである。
【００３１】
図２は、本発明の第２実施例による過放電防止機能を備えたバッテリーパックのバランス装置を示した概略的な回路構成図である。
【００３２】
図２を参照すれば、本発明の第２実施例によるバッテリーパックのバランス装置には、上述した第１実施例によるバッテリーパックのバランス装置からバランス信号リレー部２１０が省かれ、チャージポンプ２５０及び電圧充電部２６０がさらに備えられる。
【００３３】
前記放電スイッチ部２２０、チャージポンプ２５０、電圧充電部２６０及び放電抵抗Ｒｄは複数のバッテリーセルに個別で並列連結され、バランシングを要するバッテリーセルＶ１の充電電圧を目標とするバランス電圧になるまで放電させる。
【００３４】
前記電圧充電部２６０は抵抗Ｒ２及びキャパシターＣ２を含む。前記抵抗Ｒ２はキャパシターＣ２に充電された電圧を放電させ、前記キャパシターＣ２は充電電圧を前記放電スイッチ部２２０のゲート端子Ｇに駆動電圧として印加する。
【００３５】
前記電圧充電部２６０とチャージポンプ２５０との間には抵抗Ｒ１が介在するが、これは電圧充電部２６０とチャージポンプ２５０とを連結する回路線路の固有の抵抗成分である。
【００３６】
前記チャージポンプ２５０は、制御部２３０がバランス制御信号を出力すれば、チャージポンピング動作を行う。また、前記チャージポンプ２５０は内部にキャパシターを含み、バッテリーセルＶ１と制御部２３０とを電気的に絶縁させる。
【００３７】
前記チャージポンピング動作は制御部２３０から出力されるバランス制御信号が一定周波数で変化するときにのみ行われ、バランス制御信号がＤＣ信号パターンを持てばチャージポンピング動作は行われない。このような動作特性を有するチャージポンプ２５０の回路構成は本発明が属した技術分野において周知であるため、これ以上の詳細な説明は省く。
【００３８】
本発明の第２実施例において、前記バランス制御信号の正常波形はハイレベルのオン信号とローレベルのオフ信号とが一定周波数で繰り返される信号パターンであることが望ましい。しかし、前記制御部２３０が非正常に動作すれば、前記バランス制御信号はハイレベル信号またはローレベル信号が続けられるＤＣ信号波形を有し得る。
【００３９】
前記チャージポンプ２５０は、制御部２３０から一定周波数を持つバランス制御信号が出力されれば、一定周波数で電圧充電部２６０に含まれたキャパシターＣ２にチャージをポンピングする。すると、キャパシター Ｃ２の両端電圧が上昇し、一定時点になれば放電スイッチ部２２０を構成する電界効果トランジスターのゲート端子Ｇに印加される駆動電圧が放電スイッチ部２２０のターンオン動作を行える有効電圧レベル以上に上昇する。その結果、放電スイッチ部２２０がターンオンすることで放電抵抗ＲｄとバッテリーセルＶ１とが直列で連結されて放電電流が流れ、これによりバッテリーセルＶ１が放電されながら電圧バランシング動作が行われる。
【００４０】
電圧バランシング動作が行われる間、前記電圧充電部２６０のキャパシター Ｃ２に充電された電荷は抵抗Ｒ２を通じて持続的に放電される。よって、電圧バランシング動作が効果的に行われるためには、チャージポンプ２５０の動作によってキャパシターＣ２電圧が上昇する幅が抵抗Ｒ２の放電によってキャパシターＣ２電圧が降下する幅より広く、キャパシターＣ２の充電電圧が放電スイッチ部２２０のターンオン動作を行える有効電圧レベル以上に保持されることが望ましい。このような条件は、バランス制御信号の振幅、デューティー比、周波数などを調節することで満たされる。
【００４１】
一方、前記制御部２３０の故障などにより非正常なバランス制御信号が出力されれば、チャージポンプ２５０に非正常な信号パターンが印加されることがある。例えば、ＤＣパターンの信号波形を持つバランス制御信号、すなわち連続的なハイレベルまたはローレベル信号がチャージポンプ２５０に印加され得る。このような場合は、チャージポンプ２５０の固有特性によってチャージポンプ２５０がチャージポンピング動作を中断する。すると、それ以上電圧充電部２６０のキャパシターＣ２が充電されないため、抵抗Ｒ２の放電によってキャパシターＣ２の充電電圧が有効電圧レベル以下に落ちて放電スイッチ部２２０がターンオフされ、このときからバッテリーセルＶ１の放電は遮断され、抵抗Ｒ２の放電はキャパシターＣ２の充電電圧が０になるまで続けられる。
【００４２】
本発明の第２実施例において、前記有効電圧レベルは電圧充電部２６０の充電容量によって決まる。すなわち、放電スイッチ部２２０の電界効果トランジスターのソース−ドレーン間の電流の流れが開始される有効電圧レベルは、前記電圧充電部２６０の充電容量より小さいことが望ましい。ここで、電圧充電部２６０の充電容量に応じて適正な有効電圧レベルを持つ放電スイッチ部２２０を選択することは、本発明が属した技術分野で通常の知識を持つ者には自明である。
【００４３】
上述した第２実施例によれば、バランスモードにおいて非正常な信号波形、特に連続的なハイレベル信号がチャージポンプ２５０に印加されても、バッテリーセルＶ１が持続的に放電されることを防止できるため、バッテリーセルＶ１の過放電を効果的に遮断することができる。
【００４４】
一方、前記チャージポンプ２５０と制御部２３０との間には、ダイオードＤ１を選択的に介在し得る。前記ダイオードＤ１はバランス制御信号に対する整流作用をすることで、ノイズ信号がチャージポンプ２５０に流れ込むことを遮断する。
【００４５】
本発明によれば、前記制御部２３０はバッテリーパック１００に含まれた複数のバッテリーセルＶ１の充電電圧を電圧測定部２４０を通じて周期的に測定する。このような電圧測定回路は周知であるため、これ以上の詳細な説明は省く。また、前記制御部２３０は測定されたそれぞれのバッテリーセルの電圧値に基づいてバランシングを要するバッテリーセルを選定する。その後、選定されたバッテリーセルに対応するバランス信号リレー部２１０またはチャージポンプ２５０側にバランス制御信号を出力し、上述した第１及び第２実施例のようにバッテリーセルの充電電圧をバランシングする。
【００４６】
一方、上述した第１及び第２実施例は、バランス信号リレー部２１０またはチャージポンプ２５０を個別に設けた構成であるが、本発明はこれらに限られず、図３に示された第３実施例のように、バランス信号リレー部２１０及びチャージポンプ２５０ともに設けた構成にすることもできる。この場合、制御部２３０から一定周波数を持つバランス制御信号が出力されれば、バランス信号リレー部２１０の動作によってバッテリーセルＶ１の充電電圧が同じ周波数でチャージポンプ２５０に印加され、チャージポンプ２５０は上述した第２実施例のように動作してバッテリーセルＶ１の電圧バランシング動作が行われる。
【００４７】
また、前記制御部２３０は周期的にそれぞれのバッテリーセルの充電電圧を測定し、放電されているバッテリーセルの電圧が目標とするバランス電圧に達したと判断すれば、該当バッテリーセルのバランス信号リレー部２１０またはチャージポンプ２５０側にはそれ以上のバランス制御信号を出力しない。すると、該当バッテリーセルに対してはバランス動作が終了する。
【００４８】
前記制御部２３０には別途のメモリー（図示せず）が備えられ、電圧測定部２４０から出力される電圧測定値を累積保存し得、それぞれのバッテリーセルの充電電圧バランシング動作を具現するためのプログラムアルゴリズムも記録し得る。前記制御部２３０がバランシングを要するバッテリーセルを選定する方式は、例えば、それぞれのバッテリーセルの電圧を平均し、平均電圧レベルより一定値以上の電圧を持つバッテリーセルをバランシング対象として選定し得る。代案的に、最小電圧を持つバッテリーセルを基準にして一定値以上の電圧を持つバッテリーセルをバランシング対象として選定し得る。しかし、本発明はバランシングを要するバッテリーセルを選定する方式によって限定されない。
【００４９】
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５０】
１００    バッテリーパック
２１０    バランス信号リレー部
２２０    放電スイッチ部
２３０    制御部
２４０    電圧測定部
２５０    チャージポンプ
２６０    電圧充電部
【図１】
2014003892.tif 000003
【図２】
2014003892.tif 000004
【図３】
2014003892.tif 000005