(57)【要約】【課題】複数直列接続されたリチウムイオン組電池を一括充電する回路構成において、個々のセルの過電圧を保護する回路が提案されているが、動作電圧が固定されていることから動作電圧まではバランス動作をしない、発熱を伴う、回路規模が大きくなる等の課題がある。【解決手段】このセルバランシング回路は２個直列接続されたバッテリセル１１、１２を１ブロックとし、バッテリセル１１と１２を回路動作電源として、バッテリセル電圧を監視検出してバッテリセル１１とバッテリセル１２のどちらの電圧が大きいか検出するセル電圧検出素子３１、３２と、バッテリセル電圧の大きいバッテリセルのスイッチ７１または７２をオンにして抵抗８１または８２で制限される電流を流し、リチウムイオン組電池のセルバランシングをする回路を複数備える。【選択図】図１
2014176244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙機に搭載され、
直列接続された第１のバッテリセルと第２のバッテリセルの各バッテリセルの電圧を検出する第１、第２のセル電圧検出部と、
前記第１のセル電圧検出素子が検出した電圧と前記第２のセル電圧検出素子が検出した電圧の差分を出力するセル電圧比較部と、
前記セル電圧比較素子が出力する電圧の差分と予め定めた基準電圧との電圧差に基づき、前記第１のバッテリセルのセル電圧と前記第２のバッテリセルのセル電圧をバランシングする動作を行うスイッチ信号を出力するセル放電駆動回路部と、
前記スイッチ信号を受信すると、前記セル電圧比較素子で電圧が大きいとされた前記第１のバッテリセルまたは前記第２のバッテリセルの電力を放電するセル放電スイッチ部とからなるバランス回路部と、
コマンドにより、前記第１のバッテリセルと第２のバッテリセルの充電時に前記バランス回路部を駆動させ、前記第１のバッテリセルと第２のバッテリセルの放電時に前記バランス回路部を駆動させない接続スイッチ部と、
を備えることを特徴とするセルバランシング回路。
【請求項２】
前記第２のバッテリセルと直列接続された第３のバッテリセルの電圧を検出する第３のセル電圧検出素子と、
前記第２のセル電圧検出素子が検出した電圧と前記第３のセル電圧検出素子が検出した電圧の差分を出力する第２のセル電圧比較素子と、
前記第２のセル電圧比較素子が出力する電圧の差分と予め定めた基準電圧との電圧差に基づき、前記第２のバッテリセルのセル電圧と前記第３のバッテリセルのセル電圧をバランシングする動作を行う第２のスイッチ信号を出力する第２のセル放電駆動回路部と、
前記第２のスイッチ信号を受信すると、前記第２のセル電圧比較素子で電圧が大きいとされた前記第２のバッテリセルまたは前記第３のバッテリセルの電力を放電する第２のセル放電スイッチ部と、からなる第２のバランス回路部と、
コマンドにより、前記第２のバッテリセルと第３のバッテリセルの充電時に前記第２の放電回路を駆動させ、前記第２のバッテリセルと第３のバッテリセルの放電時に前記放電回路を駆動させない第２の接続スイッチ部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のセルバランシング回路。
【請求項３】
ｎを３以上の整数として、前記第ｎのバッテリセルと直列接続された第（ｎ＋１）のバッテリセルの電圧を検出する第ｎのセル電圧検出素子と、
前記第ｎのセル電圧検出素子が検出した電圧と前記第（ｎ＋１）のセル電圧検出素子が検出した電圧の差分を出力する第ｎのセル電圧比較素子と、
前記第ｎのセル電圧比較素子が出力する電圧の差分と予め定めた基準電圧との電圧差に基づき、前記第ｎのバッテリセルのセル電圧と前記第（ｎ＋１）のバッテリセルのセル電圧をバランシングする動作を行う第ｎのスイッチ信号を出力する第ｎのセル放電駆動回路部と、
前記第ｎのスイッチ信号を受信すると、前記第ｎのセル電圧比較素子で電圧が大きいとされた前記第ｎのバッテリセルまたは前記第（ｎ＋１）のバッテリセルの電力を放電する第ｎのセル放電スイッチ部と、からなる第ｎのバランス回路部と、
コマンドにより、前記第ｎのバッテリセルと第（ｎ＋１）のバッテリセルの充電時に前記第ｎの放電回路を駆動させ、前記第ｎのバッテリセルと第（ｎ＋１）のバッテリセルの放電時に前記放電回路を駆動させない第ｎの接続スイッチ部と、
を備えることを特徴とする請求項２記載のセルバランシング回路。
【請求項４】
前記第１のバッテリセル、前記第２のバッテリセル、前記第ｎのバッテリセルは、各々リチウムイオンバッテリのセルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のセルバランシング回路。
【請求項５】
前記セル放電スイッチ部、前記第２のセル放電スイッチ部、前記第ｎのセル放電スイッチ部はバイポーラトランジスタ、またはＦＥＴ、またはリレーで構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載のセルバランシング回路。
【請求項６】
前記接続スイッチ部、前記第２の接続スイッチ部、前記第ｎの接続スイッチ部は、バイポーラトランジスタ、またはＦＥＴ、またはリレーで構成されることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載のセルバランシング回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星を代表とする宇宙機に搭載されたリチウムイオン電池を利用した電力システム用バッテリ装置のセルバランシング回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な電力システム用リチウムイオン組電池では任意のセル電圧が大きく外れた状態になった場合は、前記セルを外部から充放電してセル電圧を揃えるか、セルの故障として前記セルを交換することにより、前記組電池を改善させる。
【０００３】
リチウムイオン組電池のセル電圧が大きく外れた状態になった場合は上述したような対応を取るが、人工衛星を代表とする宇宙機に搭載された場合には外部から前記セルのみの充放電をすることやセル交換を行うことができない。このため、セル電圧は大きく外れたままとなり、バッテリ装置の性能、特に容量が大きく減少すると共に、前記セルが過電圧となり、バッテリ装置を破損するような回路構成となっていた。
【０００４】
これまで宇宙機で主流として使用されていたニッケルカドミウム組電池やニッケル水素組電池は飽和電圧を持っており、過電圧を制御する必要は無かった。現在では、高効率、高電力密度のリチウムイオン組電池が主流となっているが、リチウムイオン電池は充電電圧飽和点を持たず、電池が過電圧になると電池が故障、または破損する。
従来、宇宙機に前記リチウムイオン組電池を搭載する場合に前記セル電圧を常時バランスさせて、容量減少や過電圧防止を図ることが検討されてきた（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８６１９１号公報
【特許文献２】特開２００２−１８６１９２号公報
【特許文献３】特開２００５−１９２２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１〜３のように、従来、複数直列接続されたリチウムイオン組電池を一括充電する回路構成において、個々のセルの過電圧を保護する回路が提案されているが、動作電圧が固定されていることから、動作電圧まではバランス動作はしないことや、発熱を伴う、あるいは回路規模が大きくなる等の課題があった。
【０００７】
この発明は上記課題を解決するためになされたもので、これまで宇宙空間におけるリチウムイオン組電池を使用するにあたり、常時バランス動作を行うことで、セル電圧が大きく外れることが無く、容量減少等の無い最適な状態でリチウムイオン組電池が使用され、より簡単な回路構成および運用条件を備えたバッテリ装置のセルバランシング回路を提供することを目的とする。  
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るセルバランシング回路は、宇宙機に搭載され、直列接続された第１のバッテリセルと第２のバッテリセルの各バッテリセルの電圧を検出する第１、第２のセル電圧検出部と、前記第１のセル電圧検出素子が検出した電圧と前記第２のセル電圧検出素子が検出した電圧の差分を出力するセル電圧比較部と、前記セル電圧比較素子が出力する電圧の差分と予め定めた基準電圧との電圧差に基づき、前記第１のバッテリセルのセル電圧と前記第２のバッテリセルのセル電圧をバランシングする動作を行うスイッチ信号を出力するセル放電駆動回路部と、前記スイッチ信号を受信すると、前記セル電圧比較素子で電圧が大きいとされた前記第１のバッテリセルまたは前記第２のバッテリセルの電力を放電するセル放電スイッチ部とからなるバランス回路部と、コマンドにより前記第１のバッテリセルと第２のバッテリセルの充電時に前記バランス回路部を駆動させ、前記第１のバッテリセルと第２のバッテリセルの放電時に前記バランス回路部を駆動させない接続スイッチ部とを備える
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係るセルバランシング回路によれば、セル電圧が設定から大きく外れることが無く、容量減少等の無い最適な状態で、リチウムイオン組電池を使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るバッテリ装置のセルバランシング回路を示す回路図であって、２個直列に接続されたバッテリセルの電圧を利用したセルバランシング回路を示す回路図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係るバッテリ装置のセルバランシング回路を示す回路図であって、３個以上で直列に接続されたバッテリセルの電圧を利用したセルバランシング回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下に、この発明の実施の形態１に係るセルバランシング回路を詳細に説明する。
【００１２】
図１はこの発明の実施の形態１に係るバッテリ装置、例えばリチウムイオンバッテリ装置のセルバランシング回路を示す回路図であって、２個直列に接続されたバッテリセルの電圧を利用したセルバランシング回路を示している。
このバッテリ装置のセルバランシング回路は、２個直列接続されたバッテリセル１１および１２を１ブロックとして、バッテリセル１１および１２を回路動作電源とするセルバランシング回路２１とから構成されている。
【００１３】
セルバランシング回路２１は、バッテリセル１１および１２と、バッテリセル電圧を監視検出しているセル電圧検出素子３１および３２と、セル電圧検出素子３１および３２の電圧を比較してバッテリセル１１とバッテリセル１２のどちらの電圧が大きいか検出するセル電圧比較素子４１と、セル電圧比較素子４１の出力と基準電圧を作る抵抗６１および６２の電圧を比較してセル電圧をバランシングするスイッチ７１または７２を動作させるスイッチ駆動素子５１および５２およびトランジスタ７３および抵抗８３と、セルバランシング電流を制限する抵抗８１および８２と、充電時のみセルバランシング回路を動作させ、それ以外はセルバランシング回路を遮断するためのスイッチ９１および９２と、スイッチ９１および９２を動作させるコマンド１０１とから構成されている。
なお、セル電圧検出素子３１、３２はセル電圧検出部に、セル電圧比較素子４１はセル電圧比較部に、スイッチ駆動素子５１、５２、トランジスタ７３、抵抗８３はセル放電駆動回路部に、スイッチ７１、７２、抵抗８１および８２はセル放電スイッチ部に、セル電圧検出素子３１、３２、セル電圧比較素子４１、抵抗６１、６２、スイッチ駆動素子５１、５２、トランジスタ７３、抵抗８３、スイッチ７１、７２、抵抗８１、８２からなる回路はバランス回路部に対応する。
【００１４】
このセルバランシング回路２１は、リチウムイオン組電池充電時にバッテリセル１１の電圧が大きいとき、セル電圧検出素子３１および３２がバッテリセル１１および１２の電圧を検出し、検出電圧の大小をセル電圧比較素子４１で確定させて、この場合スイッチ駆動素子５１が動作し、スイッチ７１が動作することでバッテリセル１１および１２をバランシングする。
【００１５】
また、このセルバランシング回路２１は、同様にして、リチウムイオン組電池充電時にバッテリセル１２の電圧が大きいとき、セル電圧検出素子３１および３２がバッテリセル１１および１２の電圧を検出し、検出電圧の大小をセル電圧比較素子４１で確定させて、この場合スイッチ駆動素子５２が動作し、スイッチ７２が動作することでバッテリセル１１および１２をバランシングする。
【００１６】
ここでスイッチ７２はスイッチ駆動素子５２からの動作信号で直接動作するのではなく、トランジスタ７３および抵抗８３を介して動作信号を送り、動作信号を受けたスイッチ７２が動作してバッテリセル１１と１２をバランシングする。スイッチ駆動素子５２の動作信号が直接スイッチ７２を動作させることができる場合は、トランジスタ７３および抵抗８３は不要である。
【００１７】
図１ではスイッチ７１および７２はトランジスタであるが、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の他の半導体素子、リレー等に置き換えてもよい。
【００１８】
ここで、リチウムイオン組電池が充電時にセルバランシング回路２１を動作させるのは、バッテリセル１１と１２のインピーダンスの影響でバッテリセル１１電圧とバッテリセル１２電圧が充電時と放電時で大きさが逆転するため、いつまで経過してもバッテリセル１１と１２がバランシングしない、または放電時間が充電時間より長い場合はバッテリセル電圧差がより大きくなることによる。
【００１９】
このためリチウムイオン組電池が充電時にはセルバランシング回路を動作させるために、コマンド１０１によりスイッチ９１および９２をオンしてセルバランシング回路２１を動作する状態にする。
一方、リチウムイオン組電池が放電時にはセルバランシング回路２１を動作させないようにするために、コマンド１０１よりスイッチ９１および９２をオフしてセルバランシング回路２１を動作しない状態にすることで、セルバランシングを適正に行う。
【００２０】
図１ではスイッチ９１および９２をリレーとしているが、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体素子に置き換えてもよい。
【００２１】
以上のように、実施の形態１によれば、セルバランシング回路２１は、２個直列に接続されたバッテリセル１１および１２の電圧を電源として用い、リチウムイオン組電池が充電時にはスイッチ９１および９２をオンしてセルバランシング回路２１を動作状態とし、リチウムイオン組電池が放電時にはスイッチ９１および９２をオフしてセルバランシング回路２１を動作させない状態にして、スイッチ７１または７２を動作することで、抵抗８１または８２で制限された電流を流し、バッテリセル１１と１２の電圧をバランシングする。
これにより、セル電圧差が小さく容量減少が少ないリチウムイオン組電池を提供できる。
【００２２】
なお、ここで説明した実施の形態１は、この発明を実施するに適した、宇宙機に搭載されたリチウムイオン組電池を利用した電力システム用バッテリ装置のセルバランシング回路であるが、この用途、形態に限定されるものではない。
【００２３】
実施の形態２．
以下に、この発明の実施の形態２に係るセルバランシング回路について詳細に説明する。
【００２４】
図２は、この発明の実施の形態２に係るバッテリ装置、例えばリチウムイオンバッテリ装置のセルバランシング回路を示す回路図であって、２個直列に接続されたバッテリセルの電圧を利用したセルバランシング回路を示した図である。
このバッテリ装置のセルバランシング回路は、２個直列接続されたバッテリセル１１とバッテリセル１２を１ブロックとし、２個直列接続されたバッテリセル１２とバッテリセル１３を１ブロックとして、バッテリセル１１、１２を回路動作電源とするセルバランシング回路２１、およびバッテリセル１２、１３を回路動作電源とするセルバランシング回路２２とから構成されている。
【００２５】
セルバランシング回路２１は、バッテリセル１１および１２と、バッテリセル電圧を監視検出しているセル電圧検出素子３１および３２と、セル電圧検出素子３１および３２の電圧を比較してバッテリセル１１とバッテリセル１２のどちらの電圧が大きいか検出するセル電圧比較素子４２と、セル電圧比較素子４の出力と基準電圧を作る抵抗６１および６２の電圧を比較してセル電圧をバランシングするスイッチ７１または７２を動作させるスイッチ駆動素子５１および５２およびトランジスタ７３および抵抗８３と、セルバランシング電流を制限する抵抗８１および８２と、充電時のみセルバランシング回路を動作させ、それ以外はセルバランシング回路を遮断するためのスイッチ９１および９２と、スイッチ９１および９２を動作させるコマンド１０１とから構成されている。
【００２６】
このセルバランシング回路２１は、リチウムイオン組電池充電時にバッテリセル１１の電圧が大きいとき、セル電圧検出素子３１および３２がバッテリセル１１および１２の電圧を検出し、検出電圧の大小をセル電圧比較素子４１で確定させて、この場合スイッチ駆動素子５１が動作し、スイッチ７１が動作することでバッテリセル１１および１２をバランシングする。
【００２７】
また、このセルバランシング回路２１は、同様にして、リチウムイオン組電池充電時にバッテリセル１２の電圧が大きいとき、セル電圧検出素子３１および３２がバッテリセル１１および１２の電圧を検出し、検出電圧の大小をセル電圧比較素子４１で確定させて、この場合スイッチ駆動素子５２が動作し、スイッチ７２が動作することでバッテリセル１１および１２をバランシングする。
【００２８】
ここでスイッチ７２はスイッチ駆動素子５２からの動作信号で直接動作するのではなく、トランジスタ７３および抵抗８３を介して動作信号を送り、動作信号を受けたスイッチ７２が動作してバッテリセル１１と１２をバランシングする。スイッチ駆動素子５２の動作信号が直接スイッチ７２を動作させることができる場合は、トランジスタ７３および抵抗８３は不要である。
【００２９】
セルバランシング回路２２は、バッテリセル１２および１３と、バッテリセル電圧を監視検出しているセル電圧検出素子３３および３４と、セル電圧検出素子３３および３４の電圧を比較してバッテリセル１２とバッテリセル１３のどちらの電圧が大きいか検出するセル電圧比較素子４２と、セル電圧比較素子４２の出力と基準電圧を作る抵抗６３および６４の電圧を比較してセル電圧をバランシングするスイッチ７４または７５を動作させるスイッチ駆動素子５３および５４およびトランジスタ７６および抵抗８６と、セルバランシング電流を制限する抵抗８４および８５と、充電時のみセルバランシング回路を動作させ、それ以外はセルバランシング回路を遮断するためのスイッチ９３および９４と、スイッチ９３および９４を動作させるコマンド１０１とから構成されている。
【００３０】
このセルバランシング回路２２は、リチウムイオン組電池充電時にバッテリセル１２の電圧が大きいとき、セル電圧検出素子３３および３４がバッテリセル１２および１３の電圧を検出し、検出電圧の大小をセル電圧比較素子４２で確定させて、この場合スイッチ駆動素子５３が動作し、スイッチ７４が動作することでバッテリセル１２および１３をバランシングする。
【００３１】
また、このセルバランシング回路２２は、同様にして、リチウムイオン組電池充電時にバッテリセル１３の電圧が大きいとき、セル電圧検出素子３３および３４がバッテリセル１２および１３の電圧を検出し、検出電圧の大小をセル電圧比較素子４２で確定させて、この場合スイッチ駆動素子５４が動作し、スイッチ７５が動作することでバッテリセル１２および１３をバランシングする。
ここでスイッチ７５はスイッチ駆動素子５４からの動作信号で直接動作するのではなく、トランジスタ７６および抵抗８６を介して動作信号を送り、動作信号を受けたスイッチ７５が動作してバッテリセル１２と１３をバランシングする。スイッチ駆動素子５４の動作信号が直接スイッチ７５を動作させることができる場合は、トランジスタ７６および抵抗８６は不要である。
【００３２】
図２ではスイッチ７１、７２、７４および７５はトランジスタであるが、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の他の半導体素子、リレー等に置き換えてもよい。
【００３３】
ここで、リチウムイオン組電池が充電時にセルバランシング回路２１、２２を動作させるのは、バッテリセル１１、１２、１３のインピーダンスの影響でバッテリセル１１電圧、バッテリセル１２電圧、バッテリセル１３電圧が充電時と放電時で大きさが逆転するため、いつまで経過してもバッテリセル１１、１２、１３がバランシングしない、または放電時間が充電時間より長い場合はバッテリセル電圧差がより大きくなることによる。  
【００３４】
このためリチウムイオン組電池が充電時にはセルバランシング回路を動作させるために、コマンド１０１によりスイッチ９１、９２、９３、９４をオンしてセルバランシング回路２１および２２を動作する状態にする。
一方、リチウムイオン組電池が放電時にはセルバランシング回路２１、２２を動作させないようにするために、コマンド１０１よりスイッチ９１、９２、９３、９４をオフしてセルバランシング回路２１および２２を動作しない状態にすることでセルバランシングを適正に行う。
【００３５】
図２ではスイッチ９１、９２、９３および９４をリレーとしているが、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体素子に置き換えてもよい。
【００３６】
実施の形態２によれば、セルバランシング回路２１、２２は、それぞれのブロックで個別にバランシング制御されているが、バッテリセル１２が共通であり、共通セルを基準にしてそれぞれのセルバランシング回路が連動して動作し、バッテリセル１１、１２および１３の中で一番小さいセル電圧のバッテリセルに合うように動作する。
【００３７】
また同様に複数個のバッテリセルで構成されたリチウムイオン組電池にも同様な構成のセルバランシング回路を搭載することで、リチウムイオン組電池の中で一番小さいセル電圧のバッテリセルに合うようにセルバランシング回路が連動して動作する。
【００３８】
以上のように、実施の形態２によれば、セルバランシング回路は、複数個直列に接続されたバッテリセルの２セルの電圧を電源として用い、リチウムイオン組電池が充電時にはスイッチ９１、９２、９３および９４等をオンして複数個のセルバランシング回路を動作状態とし、リチウムイオン組電池が放電時にはスイッチ９１、９２、９３および９４等をオフして複数個のセルバランシング回路を動作させない状態にして、スイッチ７１、７２、７４または７５等を動作することで、抵抗８１、８２、８３または８４等で制限された電流を流し、各バッテリセルの電圧をバランシングする。
これにより、セル電圧差が小さく容量減少が少ないリチウムイオン組電池を提供できる。
【００３９】
なお、ここで説明した実施の形態２は、この発明を実施するに適した、宇宙機に搭載されたリチウムイオン組電池を利用した電力システム用バッテリ装置のセルバランシング回路であるが、この用途、実施例に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４０】
１１、１２、１３  バッテリセル、２１、２２  セルバランシング回路、３１、３２、３３、３４  セル電圧検出素子、４１、４２  セル電圧比較素子、５１、５２、５３、５４  スイッチ駆動素子、６１、６２、６３、６４、８１、８２、８３、８４、８５、８６  抵抗、７１、７２、７３、７４、９１、９２、９３、９４  スイッチ、１０１  コマンド、２０１  太陽電池発生電流、２０２  人工衛星バス電流、２０３  組電池充電電流、２０４  組電池放電電流。
【図１】
2014176244.tif 000003
【図２】
2014176244.tif 000004