(57)【要約】【課題】交流電流を流している状態において、電池の電圧を高い精度で正確に検出する。【解決手段】組電池は、素電池Ｖの電圧を検出する電圧検出回路１を備える。電圧検出回路１は、検出電圧の補正部２を備えている。補正部２が、素電池Ｖと電圧検出点との間の抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌの直列回路で構成されるインピーダンス回路３の電圧降下を、インピーダンス回路３の抵抗成分Ｒ及びインダクタンス成分Ｌと、電池に流れる電流と周波数から演算する。補正部２で演算された電圧降下でもって検出する電池電圧を補正して真の電池電圧を検出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素電池（Ｖ）と、素電池（Ｖ）の電圧を検出する電圧検出回路（１）とを備える組電池であって、
電圧検出回路（１）が、検出電圧の補正部（２）を備えており、補正部（２）が、素電池（Ｖ）と電圧検出点との間の抵抗成分（Ｒ）とインダクタンス成分（Ｌ）の直列回路で構成されるインピーダンス回路（３）の電圧降下を、インピーダンス回路（３）の抵抗成分（Ｒ）及びインダクタンス成分（Ｌ）と、電池に流れる電流と周波数から演算し、補正部（２）で演算された電圧降下でもって検出する電池電圧を補正するようにしてなる組電池。
【請求項２】
補正部（２）が温度センサー（４）を備えており、温度センサー（４）で温度を検出し、検出された温度でインピーダンス回路（３）のインピーダンスを補正して電圧降下を演算する請求項１に記載される組電池。
【請求項３】
電圧検出回路（１）が電池に流れる電流を検出する電流検出回路（５）を備えており、電流検出回路（５）で検出した電流でもってインピーダンス回路（３）の電圧降下を演算する請求項１に記載される組電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池電圧を検出する電圧検出回路を内蔵する組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組電池は、電池電圧を検出して、電池の過充電や過放電を防止し、あるいは残容量の補正をすることができる。電池が過充電される状態となり、あるいは過放電される状態になると電池電圧が所定の電圧となるからである。電池の過充電と過放電を確実に阻止するためには、電池電圧を正確に検出する必要がある。それは、電池の充電や放電を停止させる電圧の０．１Ｖ程度の誤差が、電池の性能に大きく影響するからである。たとえば、電池の充電を停止させる電圧が０．１Ｖ高くなると、過充電して電池性能を低下させる原因となり、反対に０．１Ｖ低い電圧で充電を停止すると充分に満充電できなくなるからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の組電池は、電池電圧を検出して電池の充放電を制御している。しかしながら、電池の電圧を高精度に検出することが極めて難しく、検出誤差が電池の性能を低下させる原因となっている。また、電池電圧の検出誤差が、電池を完全に満充電できない原因となり、あるいは電池を完全に放電できない原因ともなっている。さらに組電池は、周波数の高い電流が流れる状態で電圧を検出すると、正確に検出できなくなる。電池に接続しているリード線のインダクタンス成分が、電圧を降下させるからである。リード線のインダクタンスは、電池に直流を流す状態では、電圧の検出に影響を与えない。インダクタンス成分が直流電圧を降下させる原因とはならないからである。しかしながら、リード線に周波数の高い交流が流れると、インダクタンス成分が電圧を降下させる原因となり、この電圧降下が電池電圧の検出誤差となる。インダクタンス成分による電圧降下は、周波数とインダクタンス成分と電流の積に比例して大きくなる。このため、リード線が長くなってインダクタンス成分が大きくなり、あるいは電池の交流電流の周波数が高くなり、さらに、電流が大きくなると電圧降下がますます大きくなって、検出精度が悪くなる。
【０００４】
組電池が、スイッチング電源やインバータを電源とする機器に装着されると交流電流が流れる。スイッチング電源やインバータの電源は、スイッチング素子をオンオフに制御して出力をコントロールする。これ等の電源は、スイッチング素子をオンオフして、出力電圧を安定化し、あるいは出力電力を制御できる。スイッチング電源は、スイッチング素子をオンオフに切り換えるデューティを変化させて出力電圧を安定化する。オフ時間に対するオン時間を長くして、出力電圧を高くできるからである。このため、組電池を放電させて電池電圧が低下しても、出力電圧を一定電圧に制御できる。さらに、ハイブリッドカー等に搭載されるインバータの電源も、スイッチング素子をオンオフに制御するデューティを変化させて、出力をコントロールできる。スイッチング素子をオンにする時間を長くしてオフにする時間を短くすると出力は大きくなり、反対にすると出力は小さくなる。
【０００５】
スイッチング電源やインバータの電源は、スイッチング素子を数十〜数百Ｈｚの周波数でオンオフに切り換えて、出力をコントロールしている。したがって、組電池には、スイッチング素子をオンオフに切り換える周期の交流が流れる。ところで、スイッチング電源やインバータの電源は、電圧を変更するためのトランスを小型化するために、スイッチング素子をオンオフに切り換える周期が急速に短くなっている。このため、組電池に流れる交流電流の周波数は次第に高くなり、電池電圧を正確に検出するのがより難しくなっている。
【０００６】
ところで、組電池の電池電圧は、無負荷の状態では正確に検出できる。しかしながら、電池電圧を検出するために、電流を遮断して無負荷にすることは、ほとんどの場合不可能である。たとえば、組電池をラップトップコンピュータに装着して、コンピュータを使用しているとき、電池電圧を検出ためにコンピュータの電源を一時的にオフに切り換えることはできない。電源をオフに切り換えて再起動するために、種々の操作をする必要があって相当な時間がかかるからである。また、インバータの電源を搭載するハイブリッドカーを、電池電圧を検出するために無負荷にはできない。それは、たとえば組電池からモーターに電力を供給して自動車を加速している途中で電流を遮断すると、非常に危険な状態となるからである。
【０００７】
本発明は、交流電流を流している状態においても電池の電圧を高い精度で正確に検出して、電池性能の低下を防止しながら、電池を有効に効率よく充放電できる組電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の組電池は、素電池Ｖと、素電池Ｖの電圧を検出する電圧検出回路１とを備える。電圧検出回路１は、検出電圧の補正部２を備えている。補正部２は、素電池Ｖと電圧検出点との間の抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌの直列回路で構成されるインピーダンス回路３の電圧降下を、インピーダンス回路３の抵抗成分Ｒ及びインダクタンス成分Ｌと、電池に流れる電流と周波数から演算する。補正部２で演算された電圧降下でもって検出する電池電圧を補正して真の電池電圧を検出する。
【０００９】
請求項２の組電池は、補正部２が温度センサー４を備えている。この組電池は、温度センサー４で温度を検出し、検出された温度でインピーダンス回路３のインピーダンスを補正して電圧降下をより正確に演算する。
【００１０】
請求項３の組電池は、電圧検出回路１が電池に流れる電流を検出する電流検出回路５を備えており、電流検出回路５で検出した電流でもってインピーダンス回路３の電圧降下を演算する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための組電池を例示するものであって、本発明は組電池を以下のものに特定しない。
【００１２】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１３】
図１に示す組電池は、素電池Ｖと、素電池Ｖの電圧を検出する電圧検出回路１と、電圧検出回路１の検出電圧に基づいて素電池Ｖの充放電を制御する制御回路６と、制御回路６でスイッチングされるスイッチ７とを備える。組電池は、負荷電流を交流電流とする機器であるスイッチング電源の電子機器、たとえばコンピュータや携帯電話等に装着されるもの、あるいはハイブリッドカーのようにインバータの電源の機器に装着されるものに適している。ただ、負荷電流を直流とする機器に装着することもできるのは言うまでもない。
【００１４】
素電池Ｖは、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池等の二次電池である。図の組電池は２個の素電池Ｖ１、Ｖ２を内蔵している。ただ、本発明の組電池は、１個又は３個以上の素電池を内蔵するものもある。
【００１５】
電圧検出回路１は、検出電圧の補正部２を備えている。補正部２は、素電池Ｖと電圧検出点との抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌの直列回路で構成されるインピーダンス回路３の電圧降下を検出して、電池電圧を補正する。インピーダンス回路３の抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌは、あらかじめ測定されて補正部２に記憶させている。補正部２は、記憶している抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌから、以下の式（１）に基づいてインピーダンス回路３の電圧降下（Ｅ０）を演算する。
Ｅ０＝Ｉ×Ｚ…………（１）
ただし、この式（１）のＩは素電池Ｖに流れる電流（Ａ）、Ｚはインピーダンス回路３のインピーダンス（Ω）である。
【００１６】
インピーダンス回路３のインピーダンス（Ｚ）は、以下の式（２）で演算される。
Ｚ＝［Ｒ２＋（２πｆＬ）２］１／２………（２）
ただし、この式において、ｆは負荷電流の周波数（Ｈｚ）、Ｌはインダクタンス成分Ｌのインダクタンス（Ｈ）、Ｒは抵抗成分Ｒの電気抵抗（Ω）である。
【００１７】
電圧検出回路１は、補正部２で演算されたインピーダンス回路３の電圧降下（Ｅ０）と、現実に検出した電圧（Ｅ１’）から、以下の式（３）に基づいて、検出電圧を電圧降下で補正して、素電池Ｖ１の真の電圧（Ｅ１）を演算する。
Ｅ１＝Ｅ１’−Ｅ０…………（３）
【００１８】
この式で演算される素電池Ｖ１の真の電圧（Ｅ１）は、インピーダンス回路３の電圧降下（Ｅ０）による誤差が補正されている。したがって、組電池に電流を流す状態としながら、素電池Ｖ１の真の電圧（Ｅ１）を正確に検出できる。以上は、組電池の電圧検出回路１が、素電池Ｖ１の電圧を検出するが、素電池Ｖ２の電圧（Ｅ２）も、インピーダンス回路３の電圧降下で（Ｅ０）で検出電圧（Ｅ２’）を補正して、以下の式（４）に基づいて正確に演算できる。
Ｖ２＝Ｅ２’−Ｅ１−Ｅ０……（４）
【００１９】
同様にして、３個以上の素電池を直列に接続している組電池の電池電圧を検出することができる。
【００２０】
組電池は、素電池Ｖに流れる電流を検出する電流検出回路５を備えている。電流検出回路５は、電池に流れる電流（Ｉ）を検出する。図の電流検出回路５は、素電池Ｖと直列に接続しているスイッチ７の電圧降下を検出して、電池に流れる電流を検出する。スイッチ７は、トランジスターやＦＥＴ等の半導体スイッチング素子、あるいはリレー等で、低抵抗な抵抗である。電流検出回路５は、低抵抗なスイッチ７の両端に発生する電圧を一定の増幅率で増幅し、増幅された電圧から電池電流を検出する。
【００２１】
補正部２は、電流検出回路５で検出された電池電流（Ｉ）に基づいて、式（１）からインピーダンス回路３の電圧降下（Ｅ０）を演算する。
【００２２】
さらに、図の組電池の電圧検出回路１は、温度センサー４を備えている。温度センサー４は、温度（Ｔ１）を検出して、インピーダンス回路３の温度（Ｔ１）におけるインピーダンス（Ｚ）を以下の式（４）に基づいて補正する。
Ｚ＝Ｚ０＋ｋ（Ｔ１−Ｔ０）……（４）
この式において、ｋは温度定数、Ｚ０は温度Ｔ０におけるインピーダンス、Ｔ１は検出した温度である。
【００２３】
この式（４）でインピーダンス回路３のインピーダンス（Ｚ）が演算されると、式（１）からインピーダンス回路３の電圧降下（Ｅ０）が演算され、インピーダンス回路３の電圧降下（Ｅ０）から式（３）に基づいて素電池Ｖ１の真の電圧（Ｅ１）が演算される。
【００２４】
組電池の制御回路６は、電圧検出回路１で検出した真の電池電圧（Ｅ１）に基づいて、スイッチ７をオンオフに制御する。組電池を放電して、真の電池電圧（Ｅ１）が、あらかじめ設定している最低電圧まで低下すると、スイッチ７をオフに切り換えて放電を停止して過放電を防止する。また、真の電池電圧（Ｅ１）が、あらかじめ設定している最高電圧まで上昇すると、スイッチ７をオフにして組電池の過充電を防止する。組電池は、制御回路６とスイッチ７とを装備することなく、電圧検出回路１が検出する真の電池電圧（Ｅ１）が最低電圧よりも低くなり、あるいは最高電圧よりも高くなると、その旨を示す電圧信号を負荷のコントロール回路８に出力し、あるいは真の電池電圧（Ｅ１）を負荷のコントロール回路８に出力することもできる。
【００２５】
さらに、組電池は、電圧検出回路に、電池に流れる交流の周波数を検出する周波数検出回路を設けることもできる。周波数検出回路を備える組電池は、負荷に流れる電流の周波数が変動しても、正確に真の電池電圧を検出することができる。周波数検出回路で検出した周波数に基づいて、インピーダンス回路のインピーダンスを正確に演算できるからである。ただ、本発明の組電池は、必ずしも電圧検出回路に周波数検出回路を設ける必要はない。それは、組電池を装着する機器の多くが、電源のスイッチング素子をオンオフに切り換える周期をほぼ一定としているからである。電源のスイッチング素子を一定の周期でオンオフに切り換える機器は、電源に流れる交流の周波数がほぼ一定であるから、この周波数でインピーダンス回路のインピーダンスを正確に演算できる。
【００２６】
図１の負荷１１は、所定の周期でオンオフに切り換えられるスイッチング素子９を備えている。スイッチング素子９はトランス１０に接続されている。スイッチング素子９は、コントロール回路８に制御されてオンオフに制御される。コントロール回路８は、スイッチング素子９をオンオフに切り換えるデューティを調整して、トランス１０の出力電力を制御する。スイッチング電源にあっては、スイッチング素子９をオンオフに切り換えるデューティを制御して出力電圧を安定化する。インバータの電源にあっては、スイッチング素子９をオンオフに切り換えるデューティを制御して、出力電力をコントロールする。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の組電池は、交流電流を流している状態においても、電池の電圧を高い精度で正確に検出できる。それは、本発明の組電池が、電池の電圧を検出する電圧検出回路が検出した電圧を補正する補正部を備えており、この補正部が、素電池と電圧検出点との間の抵抗成分とインダクタンス成分の直列回路の電圧降下を、抵抗成分及びインダクタンス成分と、電池に流れる電流と周波数から演算し、補正部で演算された電圧降下でもって、検出した電池電圧を補正するからである。とくに、本発明の組電池は、リード線が長くなってインダクタンス成分が大きくなり、しかも高い周波数であって大きな電流を流す状態においても、電池の真の電圧を極めて高い精度で検出できる特長がある。したがって、本発明の組電池は、真の電池電圧を正確に検出して、電池の充放電を制御することができるので、電池性能の低下を防止しながら、電池を有効に効率よく充放電できる特長がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる組電池の回路図
【符号の説明】
Ｖ…素電池
Ｒ…抵抗成分
Ｌ…インダクタンス成分
１…電圧検出回路
２…補正部
３…インピーダンス回路
４…温度センサー
５…電流検出回路
６…制御回路
７…スイッチ
８…コントロール回路
９…スイッチング素子
１０…トランス
１１…負荷
【図１】
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