(57)【要約】      （修正有）【課題】同時に少なくとも一つの高電位の電池セルを放電させ、各電池セルの電位を均等化する放電方式の電池管理装置を提供する。【解決手段】モニタモジュールによって、複数の電池セルを監視し、いずれの電池セルの電位、電流及び温度が変化したとき、制御モジュールによって、隔離式の複数のエネルギー貯蔵モジュールを制御し、バッテリパックを充電すると共に、相対的に高電位の少なくとも一つの電池セルを放電させ、バッテリパック全体の電位の均等化を取り、装置のエネルギー変換効率を向上する。【選択図】図２
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
電源を利用してバッテリパックに備える複数の電池セルの充電を監視し、かつ独立充電の方式により、各前記電池セルの電気エネルギー貯蔵量を均等化させる放電式の電池管理装置であって、
電源とバッテリパックに結合され、第１コイルと、磁気コアと、第２コイルと、を有する、各前記第１コイルは、前記磁気コアを介して前記第２コイルに結合され、前記第２コイルは第１スイッチを介して、前記電池セルに直列接続する、複数のエネルギー貯蔵モジュールと、
複数の前記電池セルに電気接続され、前記電池セルの電位、電流及び温度を監視すると共に、前記電池セルの電位の均等化状態を照合し、少なくとも一つの前記電池セルが低い電位を示されたときに放電信号を出力する、モニタモジュールと、
エネルギー貯蔵モジュールと、前記モニタモジュールに結合され、放電信号を受信し、対応の第１スイッチを導通することによって、対応の電池セルが充電すると同時に電気エネルギーを対応の第２コイルに放出し、前記第２コイルと前記第１コイルの相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイルに伝送した後、対応のエネルギー貯蔵モジュールに貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる制御モジュールと、を備える、
放電方式の電池管理装置。
【請求項２】
電源と、前記エネルギー貯蔵モジュールと、前記制御モジュールに結合される第２スイッチをさらに有する、前記モニタモジュールによって、前記バッテリパックの充電電流が大きすぎるや電位が飽和に達しているか、または温度が高すぎることが検出されたときに、電気休止信号を前記制御モジュールに出力させ、前記制御モジュールによって、前記第２スイッチをオフにし、電源供給を中止することを特徴とする、請求項１記載の放電方式の電池管理装置。
【請求項３】
前記制御モジュールと、前記バッテリパックに結合する放電抑止モジュールをさらに有し、前記モニタモジュールによって、前記電池セルの電位状態が低すぎることを検出されたときに、異常信号を前記制御モジュールに出力し、前記制御モジュールが前記放電抑止モジュールを介して、前記バッテリパックへの放電を中止することを特徴とする、請求項１記載の放電方式の電池管理装置。
【請求項４】
前記第１コイルが第３スイッチを介して同期整流器に結合することによって、前記エネルギー貯蔵モジュールが同期して、電流及び電圧を整流し前記電池セルに充電できることを特徴とする、請求項１記載の放電方式の電池管理装置。
【請求項５】
各前記第2コイルはダイオードに接続され、非同期方式により前記第1電流の整流を行い、前記電池セルに充電することを特徴とする、請求項1記載の放電式の電池管理装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は電気エネルギー変換調整回路技術に関し、特に制御モジュールによって、放電スイッチを制御し、独立のエネルギー貯蔵モジュールを介して、同時に少なくとも一つの高電位の電池セルを放電させ、各電池セルの電位を均等化する放電方式の電池管理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電気自動車またはハイブリッドカーなどグリーン交通器具は、リチウムイオン電池を繰り返し充放電に対応する運動エネルギーのバッテリパックとして大量に使用されている。さらに、一つのリチウムイオン電池セルは一般として、電圧が３〜４ボルトに低いため、電気自動車またはハイブリッドカーなどに要求された１００ボルト以上の駆動電圧はるかに及ばない。よって、運動エネルギーに供給するバッテリパックは、複数のリチウムイオン電池セルを直列接続して仕上げる必要がある。
しかし、常識からいうと、各電池セルは特性上、もともと微妙な違いが存在している。例えば内部抵抗の違いに加えて、充放電時に貯蔵及び出力できる電気エネルギーが異なっていて、その後、繰り返し充放電を複数回行った後、各電池セルに電位差を形成し、各電池セルの電圧の不均衡を引き起して、電気エネルギーの性能と効率が低下する。仮に、電池セルの電位が高すぎると、電気の劣化を加速するかまたは焼損する。逆に、電位が低すぎるときは、電池セルが劣化し破損する恐れがある。
【０００３】
またはインダクターあるいは変圧器などの変換装置によって、電池セルの余分な電気エネルギーを他の電池セルに出力することもできる。図１の公知技術の主動式の電池電位の均等化装置の電気回路図を参照する。図に示すように、電池管理装置１は、バッテリパック２の充放電回路より独立している。エネルギー変換素子として変圧器１０を使用されている。一次側は第１スイッチ１１に直列接続した後、制御モジュール１２に結合されている。二次側は複数の第２スイッチ１３を介して、それぞれ複数の電池セル２０に結合されている。さらに、第２スイッチ１３は制御モジュール１２によって制御される。検知モジュール１４によって、そのうち一つの電池セル２０の電位、電圧または温度の異常を検出し、調節が必要なとき、制御モジュール１２によって、第１スイッチ１１を導通し、バッテリパック２の電気エネルギーを変圧器１０の一次側に伝送させ、導通サイクルを経過した後、制御モジュール１２によって、第１スイッチ１１をオフにすると同時に、比較的低電位の電池セル２０が対応する第２スイッチ１３を導通させ、変圧器１０の二次側を介して、電気エネルギーを貯蔵して置き、各電池セル２０の電位を均等化させる。
以上の説明より、前述方法は各電池セル２０同士の電位の均等化はできるものの、充電回路に取り付けるスイッチが複雑であり、かつ電気回路のコストを増加させる。さらに、この手段は、バッテリパック２全体を放電させた後、電気エネルギーを低電位の電池セル２０に伝送されている。よって、調節必要な電池セル２０があれば、すべての電池セル２０とも放電が必要となり、充電効率を低下させ、電池の劣化が加速する。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
前述問題を解決するため、公知技術はバイパス抵抗器（Ｂｙｐａｓｓ  Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）を高い電気エネルギーの電池セルに並列接続する方式で余分な電気エネルギーを消費することによって、各電池セルの電位を均等化させる。しかし、この種の受動式による電池の均等化は、抵抗器が電気を消費して熱を形成するため、電池セルの温度上昇によって、寿命を短縮し、エネルギー変換効率を低下させるほか、拡張が難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
公知技術の問題について、本考案の目的は、放電方式の電池管理装置を提供する。モニタモジュールによって、複数電池セルの電位、電流及び温度を監視するとともに、モニタモジュールによって電池セルの電位のバランス状態を照合する。そのうち、少なくとも一つの電池セルが相対的高電位のとき、モニタモジュールより放電信号を制御モジュールに出力される。制御モジュールが前記充電信号を受信したとき、ただちに対応の第１スイッチを導通させ、対応の電池セルが充電すると同時に、電気エネルギーを対応のエネルギー貯蔵モジュールの第２コイル放出する。第２コイルと対応の第１コイルとの相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイルに伝送した後、対応のエネルギー貯蔵モジュールに貯蔵しておき、システムにフィードバックする。このように、隔離式のエネルギー貯蔵モジュールを介して、電池セルを同時または単独に放電し各電池セルの電位を均等化することによって、バッテリパックの変換効率を向上させ、電池セルの劣化を遅延する効果を達成できる。
【０００６】
さらに、本考案の放電方式の電池管理装置は過充電によるバッテリパックの損傷を避けるため、モニタモジュールよりバッテリパックの過大な充電電流または電気一エネルギーの飽和を検出し停電信号を制御モジュールに出力されたとき、制御モジュールを介して、電源と、制御モジュールと、エネルギー貯蔵モジュールの間に結合された第２スイッチをオフにし、電源の供給を中止する。
【０００７】
電池セルの過放電による電池セルの劣化を避けるため、本考案の放電方式の電池管理装置は、モニタモジュールが電池セルの電位が低すぎることを検出し、異常信号を制御モジュールに出力させ、制御モジュールが放電抑止モジュールを介して、バッテリパックの放電を停止する。
さらに、バッテリパックの電気貯蔵効率を向上させるため、各第１コイルは第３スイッチを介して同期整流器に結合することによって、エネルギー貯蔵モジュールが同期して、電流と電圧を整流した上、電池セルに充電する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】公知技術の主動式の電池電位の均等化装置の電気回路図である。
【図２】本考案の好ましい実施例１のブロック図である。
【図３】本考案の好ましい実施例１の電気回路態様図である。
【図４】本考案の好ましい実施例２の電気回路態様図である。
【考案を実施するための形態】
【０００９】
本考案の内容のさらなる理解を図るため、下記の説明に図式を組み合わせ、説明する。
【実施例】
【００１０】
図２〜図４の、本考案の好ましい実施例１のブロック図と、実施例１の電気回路態様図と、実施例２の電気回路態様図とを参照する。図に示すように、バッテリパック４の複数電池セル４０に充電及び監視する放電式の電池管理装置３は、複数のエネルギー貯蔵モジュール３０と、一つのモニタモジュール３１と、制御モジュール３２と、第２スイッチ３３と放電抑止モジュール３４と、を備える。エネルギー貯蔵モジュール３０は、第１コイル３０１と、磁気コア３０２と、第２コイル３０３と、を有する。各第１コイル３０１は、磁気コア３０２を介して、第２コイル３０３に結合され、各第２コイル３０３は、第１スイッチ３０４を介して電池セル４０に結合される。モニタモジュール３１は電池セル４０と、制御モジュール３２に接続されている。制御モジュール３２は第１スイッチ３０４に結合され、かつ待機時の電気消費を節約するため、通常は待機状態に置き、モニタモジュール３１が異常を検出し信号を出力したときのみ起動される。第２スイッチ３３は電源と、エネルギー貯蔵モジュール３０と、制御モジュール３２との間に結合され、放電抑止モジュール３４は、制御モジュール３２とバッテリパック４に結合されている。
【００１１】
制御モジュール３２によって、電池セル４０の電位、電流及び温度を監視し、電池セル４０の温度が高すぎないか、電流が高すぎないか、または電位が低すぎないか、放電電流を出力できる状態かを検出する。適合値にある場合は、制御モジュール３２によって、電池セル４０の放電機能を起動させ、そうでない場合は、放電機能を停止させる。引き続き、バッテリパック４の充電電流が大きすぎるあるいは温度が高すぎるとき、モニタモジュール３１がバッテリパック４０の電位状態が飽和状態になっているかを照合する。
そのうち一つの電池セル４０_1が貯蔵した電気エネルギーが最大の電気エネルギー値、例えば３．６５ボルトを超えたときは、電気休止信号及び放電信号を制御モジュール３２に出力し、制御モジュール３２によって、第２スイッチ３３をオフにし、入力端の異常エラーによって、過充電またはバッテリパック４の焼損を防止する。同時に、制御モジュール３２によって第１スイッチ３０４_1を導通し、対応の電池セル４０_1が充電すると同時に余分な電気エネルギーを対応の第２コイル３０３_1に出力させ、第２コイル３０３と第１コイル３０１との相互誘導作用によって、放出された電気エネルギーを対応の第１コイル３０１_1に伝送して、対応のエネルギー貯蔵モジュール３０_1に一時貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる。特に注意すべきことは、第２スイッチ３３は、低消費電力、かつ２００アンペア異常の稼働電流に堪えられる電子スイッチを使用しており、システムのオン・オフ瞬間の火花によって電気回路の焼損を防止でき、かつ、全負荷ときの合計電気消費が５０ワット以下であり、省電力に貢献し環境保護の要求に適合できる。
【００１２】
これに対して、３．６５ボルトを超える電池セル４０がないとき、モニタモジュール３１はさらに、各電池セル４０の電位の誤差が所定の誤差値、例えば０．０５ボルトより小さいかを確認する。そうであれば、再び電池セル４０が充電中または放電中であることを確認して、電池セル４０の監視を継続するかまたは監視作業を終了して待機状態に入る。もし、各電池セル４０の電位の差がプラスマイナス０．０５ボルトを超えたときは、放電信号を制御モジュール３２に発信し、対応の第１スイッチ３０４_2、３０４_nを起動させ、バッテリパック４の電位平均値を上回る２つの電池セル４０_2、４０_nを対応の２つのコイル３０３_2、３０３_nに放出した後、対応の２つの第１コイル３０１_2、３０１_nを介して、放出された電気エネルギーを対応の２つのエネルギー貯蔵モジュール３０_2、３０_nに一時貯蔵して置き、システムにフィードバックさせる。このように、電気エネルギーの浪費はなく、かつ電池セル４０間の電位を素早く均等化でき、バッテリパック４の充電効率を向上させ、大電流の場合は、例えば電池セル４０を３８４ボルトに直列接続して、高電圧バッテリパック４の充放電設備の主動電位の均等化システムを形成する。
【００１３】
さらに、モニタモジュール３１によって、電池セル４０の電位が低すぎることを検出されたとき、異常信号を制御モジュール３２に出力し、制御モジュール３２が放電抑止モジュール３４を介して、バッテリパック４の放電を中止し電池セル４０の過度な放電による劣化や損傷を避ける。このように、放電式の電池管理装置３はモニタモジュール３１と、第２スイッチ３３と、放電抑止モジュール３４によって、バッテリパック４に完全な保護を提供できる。
【００１４】
さらに、各第１コイル３０１は、例えばダイオードを非同期整流器として、充電電流のフィルタリング及び整流と同時に、充電周期の調節ができる。または、さらに各第２コイル３０１を酸化金属半導体電界効果トランジスターの第３スイッチ３０５に直列接続した後、同期整流器３５に結合して置き、第３スイッチ３０１を導通されたとき、エネルギー貯蔵モジュール３０は電源電圧を同期に整流した上、電池セル４０に充電し、電気エネルギーの変換効率を７０％以上に向上させることができる。
【符号の説明】
【００１５】
１：電池管理装置
１０：変圧器
１１：スイッチ
１２：制御モジュール
１３：第２スイッチ
１４：検知モジュール
２：バッテリパック
２０：電池セル
３：放電式の電池管理装置
３０：エネルギー貯蔵モジュール
３０１：第１コイル
３０２：磁気コア
３０３：第２コイル
３０４：第１スイッチ
３０５：第３スイッチ
３１：モニタモジュール
３２：制御モジュール
３３：第２スイッチ
３４：放電抑止モジュール
３５：同期整流器
４：バッテリパック
４０：電池セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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