(57)【要約】【課題】  組電池から電源電圧の供給を受けて動作し、各セルの電圧が変化した場合でも組み電池に与える影響を極力低減する。【解決手段】  コンパレータＣＰ３は、端子Ｔ２とＴ４から電源電圧の供給を受けて動作し、端子Ｔ３の電圧Ｖ３とノードＮ３の基準電圧ＶＲ３とを比較する。Ｖ３＜ＶＲ３の場合、トランジスタＱ２がオフし、信号伝達回路４において定電流回路８からダイオードＤ１を介して抵抗Ｒ１４に定電流が流れてトランジスタＱ４がオンする。これにより伝達信号はＬレベルとなる。一方、Ｖ３＞ＶＲ３の場合、トランジスタＱ２がオンし、端子Ｔ３の電圧Ｖ３と端子Ｔ４の電圧Ｖ４との差電圧はダイオードＤ１に印加される。これによりトランジスタＱ４はオフし、伝達信号はＨレベルとなる。この一連の動作において、組電池１に流れる電流は小さく且つ一定になる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組電池から電源の供給を受けて動作する信号伝達回路において、
組電池を構成する第１のセルのプラス側端子と当該第１のセルよりも低電位側に接続された第２のセルのマイナス側端子との間に直列に接続された定電流回路および第１のトランジスタと、
前記第１のセルのプラス側端子と、前記組電池において前記第１のセルのプラス側端子と前記第２のセルのマイナス側端子との間に位置するセル同士の接続点との間に、直列に接続された負荷回路および第２のトランジスタと、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのベースとの間に接続された逆流防止用のダイオードと、
前記第２のトランジスタのベースとエミッタとの間に接続された抵抗とを備え、
前記第１のトランジスタのベースに与えられる入力信号に応じた出力信号を前記第２のトランジスタのコレクタから出力するように構成されていることを特徴とする信号伝達回路。
【請求項２】
前記第１のトランジスタは、コンパレータの出力トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の信号伝達回路。
【請求項３】
前記コンパレータは、前記第１のセルのプラス側端子と前記第２のセルのマイナス側端子とから電源の供給を受け、前記セル同士の接続点の電圧と所定の基準電圧との比較動作を行うように構成されていることを特徴とする請求項２記載の信号伝達回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組電池から電源の供給を受けて動作する信号伝達回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＶ）のバッテリとして用いられる組電池は、１００Ｖ〜４００Ｖ程度の高い電圧が必要となるため、多数の二次電池（セル）が直列接続された構成を備えている。例えば３００Ｖの組電池の場合、鉛電池（約２Ｖ／セル）では１５０セル、ニッケル水素電池（１．２Ｖ／セル）では２５０セル、リチウムイオン電池（３．６Ｖ／セル）では８０セルが直列接続されている。このうちリチウムイオン電池は、体積エネルギー密度、重量エネルギー密度およびサイクル寿命の点で鉛電池やニッケル水素電池よりも優れた特性を有している。
【０００３】
しかし、二次電池特にリチウムイオン電池は過充電や過放電に弱いので、定められた制限電圧範囲内で使用しないと著しく容量が減少したり発熱する虞がある。そのため、組電池を使用する際には、組電池の電圧が所定の上限電圧と下限電圧とで定まる電圧範囲内となるように定電圧充電制御を行うとともに、組電池の電圧が上記制限電圧範囲外とならないように保護回路を用いている。
【０００４】
さらに、組電池を構成するセル間の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）のばらつきに起因するセル電圧のばらつきが問題となる。組電池では、セルごとの容量の個体差や自己放電特性の差等によって各セルのＳＯＣひいては各セル電圧がばらつく。特にリチウムイオン電池の過充電耐性および過放電耐性は他の種類の二次電池に比べて格段に弱いため、各セル間のＳＯＣのばらつきが進行すると逐には全く使用できなくなってしまう。特許文献１には、この問題を解決するための均等化装置が開示されている。
【特許文献１】特開平２００４−０８０９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者は、セル電圧の不均等が大きい場合でも正常に均等化動作を行うことができる組電池のセル電圧均等化装置を新たに考案した。この均等化装置は、各セルの端子間に接続された放電回路、全てのセルが均等化された状態におけるセル同士の各共通接続点の電圧を基準電圧として生成する基準電圧生成回路、セル同士の共通接続点の電圧と当該共通接続点に対応する基準電圧との比較動作を行うコンパレータ、当該コンパレータの出力信号を放電制御回路に伝達する信号伝達回路、当該信号伝達回路を介して受信したコンパレータの出力信号に基づいて放電回路を制御する放電制御回路から構成されている。
【０００６】
この均等化装置のコンパレータは、セル同士の共通接続点に対し高電位側に位置するセルのプラス側端子と低電位側に位置するセルのマイナス側端子とから電源電圧の供給を受けて動作する構成に特徴を有している。セルごとに設けられた放電制御回路は、当該セルのプラス側端子の電圧を比較するコンパレータの出力信号と、当該セルのマイナス側端子の電圧を比較するコンパレータの出力信号とに基づいて放電制御信号を生成する。
【０００７】
この構成においては、コンパレータのグランド電位と放電制御回路のグランド電位が異なる場合が生じる。これに対処するため、信号伝達回路はレベルシフト回路を備えている。しかし、従来から存在する汎用的なレベルシフト回路を用いると、セル電圧の大きさに応じて信号伝達回路に流れる電流が変化する。この電流は、組電池を構成するセルから供給される。このため、セル電圧に不均等が生じると、セルに流れる電流が増大したり各セルに流れる電流に差が生じ、不均等が十分に解消されないという問題が生じる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、組電池から電源電圧の供給を受けて動作し、各セルの電圧変化等による組み電池に与える影響を極力低減可能な信号伝達回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載した手段によれば、信号が入力される第１のトランジスタは、組電池を構成する第２のセルのマイナス側端子に対し接地された状態で動作する。一方、信号を出力する第２のトランジスタは、組電池において第１のセルのプラス側端子と第２のセルのマイナス側端子との間に位置するセル同士の接続点（以下、セル共通接続点と称す）に対し接地された状態で動作する。ここで、組電池は、複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成されており、第２のセルは第１のセルよりも低電位側に接続されている。
【００１０】
入力信号がＬレベルすなわち入力信号電圧が第２のセルのマイナス側端子の電圧にほぼ等しい場合、第１のトランジスタはオフとなる。このとき、第１のセルのプラス側端子に接続された定電流回路から逆流防止用のダイオードと抵抗とを介してセル共通接続点に電流が流れる。抵抗に生じる電圧降下により第２のトランジスタがオンとなり、出力信号がＬレベルすなわちセル共通接続点の電圧にほぼ等しくなる。
【００１１】
一方、入力信号がＨレベルすなわち入力信号電圧が第２のセルのマイナス側端子の電圧に対し順方向電圧Ｖｆだけ高い場合、第１のトランジスタはオンとなる。このとき、第１のトランジスタのコレクタは、第２のセルのマイナス側端子の電圧にほぼ等しくなる。第１のトランジスタのコレクタと第２のトランジスタのベースとの間には逆流防止用のダイオードが接続されているため、共通接続点の電圧と第２のセルのマイナス側端子の電圧との差電圧は当該ダイオードに印加され、第２のトランジスタのベース・エミッタ間を過電圧から保護できる。
【００１２】
本手段の信号伝達回路によれば、第１のセルのプラス側端子と第２のセルのマイナス側端子との間のセル電圧が変化しても、あるいは入力信号のレベル（ＬレベルまたはＨレベル）が変化しても、消費電流がほぼ一定（定電流回路の出力電流にほぼ等しい）となる。しかも、この消費電流は、上記レベルシフト動作を行うのに必要な電流でよいため、極力小さくすることができる。従って、この信号伝達回路の消費電流が組電池に流れ込むことによる組電池への影響（例えばセル電圧の不均等状態の助長）を極力低減することができる。
【００１３】
請求項２に記載した手段によれば、第１のトランジスタは、コンパレータの出力トランジスタである。「背景技術」および「発明が解決しようとする課題」において説明したように、組電池にはセル電圧を均等化する均等化回路が具備されている。この均等化回路には、セル同士の共通接続点の電圧と当該共通接続点に対応する基準電圧との比較動作を行うコンパレータが必要となる。従って、本手段の信号伝達回路は、組電池の均等化回路に好適となる。
【００１４】
請求項３に記載した手段によれば、コンパレータは、第１のセルのプラス側端子と第２のセルのマイナス側端子とから電源電圧の供給を受け、セル共通接続点の電圧と所定の基準電圧との比較動作を行う。このように、比較回路に対し、比較対象であるセル共通接続点を挟んで直列接続された２以上のセル群の両端子から電源電圧を供給することにより、セル共通接続点の電圧と基準電圧との大小関係にかかわらず、コンパレータは正常に比較動作を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、組電池を構成する各セルの電圧を均等化する均等化回路の要部構成図である。組電池１は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＶ）のバッテリとして用いられるもので、例えばリチウムイオン電池から構成されている。この組電池１は、直列接続された複数のセルグループから構成されており、各セルグループは直列接続された複数個（例えば８個）のセルＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３、…から構成されている。組電池１には、セルＢＣ１のプラス側端子Ｔ１、セルＢＣ２のプラス側端子（セルＢＣ１のマイナス側端子）Ｔ２、セルＢＣ３のプラス側端子（セルＢＣ２のマイナス側端子）Ｔ３、…が設けられている。
【００１６】
均等化回路３は、車両のＩＧスイッチ（主電源スイッチを含む。以下同様。）がオフされた状態すなわち夜間など車両が使用されていない期間において、上記組電池１を構成するセルＢＣ１、ＢＣ２、…の各電圧が、これらセルＢＣ１、ＢＣ２、…のうちの最も低い電圧に揃うように放電制御することにより、セルＢＣ１、ＢＣ２、…の充電状態（ＳＯＣ）のばらつきを均等化する回路である。
【００１７】
均等化回路３は、基準電圧生成回路２、コンパレータＣＰ２、ＣＰ３、…、信号伝達回路４、放電制御回路部５および放電回路部６から構成されている。ただし、図１には、均等化回路３のうちセルＢＣ２の放電に係る回路のみが完全に示されており、その他のセルＢＣ１、ＢＣ３、…については、後述する放電制御回路ＬＧ１、ＬＧ３および放電回路ＤＣ１、ＤＣ３を除いて省略されている。この均等化回路３は、車両のＩＧスイッチがオンされた状態における過充電・過放電検出回路などとともにワンチップにＩＣ化されている。以下、各回路構成を順に説明する。
【００１８】
基準電圧生成回路２は、直列接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、…から構成されている。抵抗Ｒ１とＲ２との接続ノードＮ２、抵抗Ｒ２とＲ３との接続ノードＮ３、…には、全てのセルＢＣ１、ＢＣ２、…が均等化された状態における基準電圧ＶＲ２、ＶＲ３、…が生成されるようになっている。セルＢＣ１、ＢＣ２、…は全て同じ規格を有しており、抵抗Ｒ１、Ｒ２、…は全て同じ抵抗値に設定されている。
【００１９】
コンパレータＣＰ２は、端子Ｔ２に対し高電位側に位置するセルＢＣ１のプラス側端子Ｔ１と低電位側に位置するセルＢＣ２のマイナス側端子Ｔ３とから電源電圧として２セル分の電圧の供給を受けて動作し、端子Ｔ２の電圧Ｖ２とノードＮ２の基準電圧ＶＲ２とを比較するようになっている。同様に、コンパレータＣＰ３は、端子Ｔ３に対し高電位側に位置するセルＢＣ２のプラス側端子Ｔ２と低電位側に位置するセルＢＣ３のマイナス側端子Ｔ４とから電源電圧として２セル分の電圧の供給を受けて動作し、端子Ｔ３の電圧Ｖ３とノードＮ３の基準電圧ＶＲ３とを比較するようになっている。これらコンパレータＣＰ２、ＣＰ３の出力部は、それぞれオープンコレクタタイプのトランジスタＱ１、Ｑ２を備えている。
【００２０】
放電回路部６は、セルＢＣ１の両端子間に接続された放電回路ＤＣ１、セルＢＣ２の両端子間に接続された放電回路ＤＣ２、…から構成されている。放電制御回路部５は、信号伝達回路４を介して入力されるコンパレータＣＰ２、ＣＰ３、…の出力信号に基づいて放電回路部６に対し放電制御信号を出力するもので、放電制御回路ＬＧ１、放電制御回路ＬＧ２、…から構成されている。
【００２１】
セルＢＣ２の放電制御に係る信号伝達回路４は、コンパレータＣＰ２、ＣＰ３の出力信号を放電制御回路ＬＧ２に伝達する回路である。コンパレータＣＰ２と放電制御回路ＬＧ２のグランド電位はともに端子Ｔ３の電圧Ｖ３であるが、コンパレータＣＰ３のグランド電位は端子Ｔ４の電圧Ｖ４である。従って、コンパレータＣＰ３の出力信号についてはレベルシフトして放電制御回路ＬＧ２に伝達する必要がある。なお、このセルＢＣ２の放電制御に係る信号伝達回路４において、セルＢＣ２が第１のセルに相当し、セルＢＣ３が第２のセルに相当する。
【００２２】
コンパレータＣＰ２の出力トランジスタＱ１は、端子Ｔ３に対しエミッタ接地されており、そのコレクタは定電流回路７を介して端子Ｔ１に接続されている。端子Ｔ２と端子Ｔ３との間には、抵抗Ｒ１１とトランジスタＱ３のコレクタ・エミッタ間が直列に接続されており、そのトランジスタＱ３のベース・エミッタ間には抵抗Ｒ１２が接続されている。トランジスタＱ１のコレクタは、トランジスタＱ３のベースに接続されている。コンパレータＣＰ２の出力信号の伝達信号は、トランジスタＱ３のコレクタから出力される。
【００２３】
一方、コンパレータＣＰ３の出力トランジスタＱ２（第１のトランジスタに相当）は、端子Ｔ４（第２のセルのマイナス側端子に相当）に対しエミッタ接地されており、そのコレクタは定電流回路８を介して端子Ｔ２（第１のセルのプラス側端子に相当）に接続されている。端子Ｔ２と端子Ｔ３（セル同士の接続点に相当）との間には、抵抗Ｒ１３（負荷回路に相当）とトランジスタＱ４（第２のトランジスタに相当）が直列に接続されており、そのトランジスタＱ４のベース・エミッタ間には抵抗Ｒ１４が接続されている。トランジスタＱ２のコレクタとトランジスタＱ４のベースとの間には、逆流防止用のダイオードＤ１が接続されている。コンパレータＣＰ３の出力信号の伝達信号は、トランジスタＱ４のコレクタから出力される。
なお、本発明でいう「信号伝達回路」は、上述した信号伝達回路４とコンパレータＣＰ２の出力トランジスタＱ１とから構成されている。
【００２４】
次に、本実施形態の作用について説明する。
組電池１は、使用状態において充電と放電とが繰り返される。充放電を繰り返すと、セルＢＣ１、ＢＣ２、…の容量の個体差や自己放電特性の差等によって、セルＢＣ１、ＢＣ２、…の充電状態（ＳＯＣ）がばらつき、各セルの電圧に不均等が生じる。そこで、均等化回路３は、車両のＩＧスイッチがオフされた状態において、以下のようにしてセル電圧の均等化を行う。
【００２５】
コンパレータＣＰ２は、電圧Ｖ２と基準電圧ＶＲ２とを比較する。Ｖ２＜ＶＲ２の場合にはトランジスタＱ１がオフし、信号伝達回路４において定電流回路７から抵抗Ｒ１２に定電流が流れてトランジスタＱ３がオンする。その結果、放電制御回路ＬＧ２への伝達信号はＬレベルとなる。一方、Ｖ２＞ＶＲ２の場合にはトランジスタＱ１がオンし、定電流回路７の出力電流はトランジスタＱ１を通して流れる。その結果、トランジスタＱ３はオフし、放電制御回路ＬＧ２への伝達信号はＨレベルとなる。
【００２６】
コンパレータＣＰ３は、電圧Ｖ３と基準電圧ＶＲ３とを比較する。Ｖ３＜ＶＲ３の場合にはトランジスタＱ２がオフし、信号伝達回路４において定電流回路８からダイオードＤ１を介して抵抗Ｒ１４に定電流が流れてトランジスタＱ４がオンする。その結果、放電制御回路ＬＧ２への伝達信号はＬレベルとなる。
【００２７】
一方、Ｖ３＞ＶＲ３の場合にはトランジスタＱ２がオンし、定電流回路８の出力電流はトランジスタＱ２を通して端子Ｔ４に流れる。このとき、トランジスタＱ２のコレクタ電位は端子Ｔ４の電圧Ｖ４近くにまで低下するが、トランジスタＱ２のコレクタとトランジスタＱ４のベースとの間には逆流防止用のダイオードＤ１が接続されているため、端子Ｔ３の電圧Ｖ３と端子Ｔ４の電圧Ｖ４との差電圧はダイオードＤ１に印加され、トランジスタＱ４のベース・エミッタ間に印加されることはない。これにより、トランジスタＱ４のベース・エミッタ間でのツェナーブレークの発生を防止することができる。
【００２８】
放電制御回路ＬＧ２は、信号伝達回路４を通して得られるコンパレータＣＰ２からの伝達信号がＨレベルであって且つ信号伝達回路４を通して得られるコンパレータＣＰ３からの伝達信号がＬレベルの場合に、放電回路ＤＣ２に対し放電を指示する放電制御信号を出力する。これ以外の場合には、放電回路ＤＣ２に対し放電停止を指示する放電制御信号を出力する。このセルＢＣ２の放電回路ＤＣ２の制御は、他のセルＢＣ３、…の放電回路ＤＣ３、…の制御についても同様となる。また、セルＢＣ１の放電回路ＤＣ１の制御は、コンパレータＣＰ２の出力信号に基づいて行われる。
【００２９】
以上説明したように、組電池１の均等化回路３では、コンパレータＣＰ２、ＣＰ３、…の出力信号を放電制御回路部５に伝達するためにレベルシフト機能を有する信号伝達回路４が必要になる。本実施形態で用いた信号伝達回路４においては、セルＢＣ２のプラス側端子とセルＢＣ３のマイナス側端子との間のセル電圧が変化しても、あるいはコンパレータＣＰ３の出力トランジスタＱ２がオンまたはオフに変化しても、信号伝達回路４の消費電流がほぼ一定（抵抗Ｒ１１、Ｒ１３の抵抗値が大きければ、定電流回路７、８の出力電流の加算値にほぼ等しい）となる。しかも、この消費電流は、上記信号伝達動作を行うのに必要な電流でよいため、極力小さくすることができる。
【００３０】
この信号伝達回路４の消費電流は組電池１から供給されるため、当該消費電流を極力小さく且つ一定値とすることにより、各セルＢＣ１、ＢＣ２、ＢＣ３、…に流れる電流（各セルにとっての放電電流となる）を極力小さくできるとともに、セル相互間での電流の不均等の発生を防止することができる。これにより、セル電圧が低いセルからの放電を抑制し、均等化回路３による均等化のための放電制御を妨げるような不均等な放電電流の発生を防止することができる。
【００３１】
コンパレータＣＰ３は、比較対象である端子Ｔ３を挟んで直列接続された２つのセルＢＣ３、ＢＣ４の両端子から電源電圧の供給を受けるので、端子Ｔ３の電圧Ｖ３と基準電圧ＶＲ３との大小関係にかかわらず、正常に比較動作を行うことができる。コンパレータＣＰ２についても同様である。
【００３２】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
本発明に係る信号伝達回路を構成する第１のトランジスタは、コンパレータの出力トランジスタに限られない。また、信号伝達回路が伝達する信号は、コンパレータの出力信号に限定されない。
【００３３】
コンパレータＣＰ３は、端子Ｔ３に対し高電位側に位置するセルのプラス側端子と低電位側に位置するセルのマイナス側端子とから電源の供給を受けて動作するものであればよく、例えばセルＢＣ１のプラス側端子とセルＢＣ４（図示せず）のマイナス側端子とから電源の供給を受けるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明一実施形態を示す均等化回路の要部構成図
【符号の説明】
【００３５】
１は組電池、４は信号伝達回路、８は定電流回路、ＢＣ２はセル（第１のセル）、ＢＣ３はセル（第２のセル）、ＣＰ２、ＣＰ３はコンパレータ、Ｑ２はトランジスタ（第１のトランジスタ）、Ｑ４はトランジスタ（第２のトランジスタ）、Ｄ１はダイオード（逆流防止用のダイオード）、Ｒ１３は抵抗（負荷回路）、Ｒ１４は抵抗、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、…は端子である。
【図１】
2006121775.tif 000003