(57)【要約】【課題】待機時に蓄電装置と充電回路を切り離すバックアップ電源装置において、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを解消することができる電圧均等化装置を実現する。【解決手段】二次電池Ｂａ〜Ｂｄの各々に対応して設けられるバイパス回路４ａ〜４ｄと、全ての二次電池Ｂａ〜Ｂｄの電池電圧を検出し、該検出結果を出力する電圧計測器２２ａ〜２２ｄと、この検出結果に基づいて、バイパス回路を作動させる二次電池の決定とスイッチ８の開閉制御を行うＣＰＵ２４とを具備することを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池を直列接続してなる蓄電装置と、前記二次電池を充電する充電回路と、前記蓄電装置と前記充電回路を接続するスイッチとを備えたバックアップ電源装置の電圧均等化装置であって、
前記二次電池の各々に対応して設けられるバイパス回路と、
前記全ての二次電池の電池電圧を検出し、該検出結果を出力する電圧計測手段と、
前記電圧計測手段の前記検出結果に基づいて、前記バイパス回路を作動させる二次電池を決定するバイパス回路制御手段と、
前記電圧計測手段の前記検出結果に基づいて、前記スイッチの開閉を制御する充電制御手段と、
を具備することを特徴とするバックアップ電源装置の電圧均等化装置。
【請求項２】
前記バイパス回路制御手段は、基準電圧と電池電圧との差が所定電圧値以上である二次電池のバイパス回路を作動させることを特徴とする請求項１に記載のバックアップ電源装置の電圧均等化装置。
【請求項３】
複数の二次電池を直列接続してなる蓄電装置と、前記二次電池を充電する充電回路と、前記蓄電装置と前記充電回路を接続するスイッチとを備えたバックアップ電源装置の電圧均等化装置であって、
前記二次電池の各々に対応して設けられるバイパス回路と、
前記二次電池の電池電圧が所定の電圧に達した場合に、該二次電池に対応する前記バイパス回路を作動させるバイパス回路制御手段と、
前記全ての二次電池の電池電圧を検出し、該検出結果を出力する電圧計測手段と、
前記電圧計測手段の前記検出結果に基づいて、前記スイッチの開閉を制御する充電制御手段と、
を具備することを特徴とするバックアップ電源装置の電圧均等化装置。
【請求項４】
前記充電制御手段は、前記全ての二次電池の電池電圧の総和が前記蓄電装置の満充電電圧よりも所定電圧値以上小さい値であった場合に、前記スイッチを閉じることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかの項に記載のバックアップ電源装置の電圧均等化装置。
【請求項５】
前記充電制御手段は、いずれか２つの前記二次電池の電池電圧の差が所定電圧値以上であった場合に、前記スイッチを閉じることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかの項に記載のバックアップ電源装置の電圧均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池を直列接続してなる蓄電装置を用いたバックアップ電源装置に係り、特に、待機時の自己放電等による二次電池の電圧のバラツキを均等化する、バックアップ電源装置の電圧均等化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、無停電電源装置（ＵＰＳ；Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ）等には、主電源装置とともにバックアップ電源装置が備えられており、主電源装置の入力電源（例えば商用交流電源）の停電時にバックアップ電源装置が電源供給を行う。従来のバックアップ電源装置は、二次電池（セル）を直列接続してなる蓄電装置（二次電池セル列）とこの二次電池セル列に対して充放電を行う充放電回路を備え、主電源装置が電源供給を行うことができない時に安定して電源供給できるようにしている（例えば、特許文献１参照）。また、蓄電装置と充電回路との間にスイッチを備え、主電源装置により電源供給が可能な待機時に、二次電池セル列が満充電状態になると、蓄電装置と充放電装置を切り離すものもある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２９４３号公報（第３−７頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、待機時に蓄電装置と充電回路を切り離す従来のバックアップ電源装置では、待機時にセルが例えば自己放電して電池電圧が低下し、各セルの電圧にバラツキが生じる。この結果、蓄電装置の充電電力を有効に使うことができなくなり、主電源装置が電源供給を行うことができない時に、安定して電源供給することに支障をきたす虞がある。
【０００５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、待機時に蓄電装置と充放電回路を切り離すバックアップ電源装置、又は待機時に蓄電装置と充放電回路を切離さずフロート充電するバックアップ電源装置において、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを解消することができる電圧均等化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数の二次電池を直列接続してなる蓄電装置と、前記二次電池を充電する充電回路と、前記蓄電装置と前記充電回路を接続するスイッチとを備えたバックアップ電源装置の電圧均等化装置であって、前記二次電池の各々に対応して設けられるバイパス回路と、前記全ての二次電池の電池電圧を検出し、該検出結果を出力する電圧計測手段と、前記電圧計測手段の前記検出結果に基づいて、前記バイパス回路を作動させる二次電池を決定するバイパス回路制御手段と、前記電圧計測手段の前記検出結果に基づいて、前記スイッチの開閉を制御する充電制御手段とを具備することを特徴としている。
この発明によれば、全ての二次電池の電池電圧の検出結果に基づいて、充電する二次電池を選択したり、あるいは各電池毎の充電電流を充電状態によって制御できるので、二次電池の電圧を均等化させることができる。さらに、全ての二次電池の電池電圧の検出結果に基づいてスイッチを開閉することにより、蓄電装置の充電制御を行うことも可能となるので、待機時に蓄電装置と充放電回路を切り離すバックアップ電源装置において、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを解消することができる。
【０００７】
請求項２に記載のバックアップ電源装置の電圧均等化装置において、前記バイパス回路制御手段は、基準電圧と電池電圧との差が所定電圧値以上である二次電池のバイパス回路を作動させることを特徴とする。
この発明によれば、基準電圧との差が所定電圧値以上の二次電池については、バイパス回路を作動させることにより、充電を一定期間停止させ、または、充電電流の一部をバイパスすることにより充電電流を減少させる（このバイパス電流は例えば図１の実施形態のバイパス回路の抵抗値によって決まる）。一方、バイパス回路が作動されなかった二次電池については充電を引き続き行う。このようにして、電池電圧の低い二次電池においては、引き続き充電を行うことにより徐々に電池電圧が上昇し、徐々にバイパス回路が作動した二次電池の電池電圧に近づくことになるため、蓄電装置を構成する二次電池の電池電圧のバラツキを確実に小さくすることができる。
また、このような構成によれば、電圧のバラツキを均等化させながら、充電を行うことができるので、非常に効率よく蓄電装置の充電を実施することが可能となる。なお、上記基準電圧としては、最低電池電圧を採用しても良いし、それ以外の比較的電池電圧の低いものを採用するようにしてもよい。
【０００８】
上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、複数の二次電池を直列接続してなる蓄電装置と、前記二次電池を充電する充電回路と、前記蓄電装置と前記充電回路を接続するスイッチとを備えたバックアップ電源装置の電圧均等化装置であって、前記二次電池の各々に対応して設けられるバイパス回路と、前記二次電池の電池電圧が所定の電圧に達した場合に、該二次電池に対応する前記バイパス回路を作動させるバイパス回路制御手段と、前記全ての二次電池の電池電圧を検出し、該検出結果を出力する電圧計測手段と、前記電圧計測手段の前記検出結果に基づいて、前記スイッチの開閉を制御する充電制御手段とを具備することを特徴としている。
この発明によれば、二次電池の電圧が所定の電圧、（例えば、満充電電圧）に達した場合には、バイパス回路制御手段が当該二次電池に対応するバイパス回路を作動させるので、二次電池の充電電流はバイパス回路を流れることとなる。これにより、満充電電圧に達した二次電池の過充電を防止することができるとともに、未だ満充電電圧に達していない二次電池については、充電を継続させることが可能となる。この結果、二次電池の電圧を均等化させることができる。さらに、全ての二次電池の電池電圧の検出結果に基づいてスイッチを開閉することにより、蓄電装置の充電制御を行うことも可能となるので、待機時に蓄電装置と充放電回路を切り離すバックアップ電源装置において、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを解消することができる。
【０００９】
請求項４に記載のバックアップ電源装置の電圧均等化装置において、前記充電制御手段は、前記全ての二次電池の電池電圧の総和が前記蓄電装置の満充電電圧よりも所定電圧値以上小さい値であった場合に、前記スイッチを閉じることを特徴とする。
この発明によれば、蓄電装置の満充電電圧に基づいて充電制御が行われるので、充電頻度をできる限り少なくして、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを解消することができる。
【００１０】
請求項５に記載のバックアップ電源装置の電圧均等化装置において、前記充電制御手段は、いずれか２つの前記二次電池の電池電圧の差が所定電圧値以上であった場合に、前記スイッチを閉じることを特徴とする。
この発明によれば、二次電池の電池電圧の差に基づいて充電制御が行われるので、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを適宜解消することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電圧均等化装置を適用したバックアップ電源装置の構成を示すブロック図である。図１に示すバックアップ電源装置において、電圧均等化装置は電池回路２とバイパス回路４ａ〜４ｄから構成される。
【００１２】
なお、図１においては、蓄電装置（二次電池セル列）として４個の二次電池（セル）Ｂａ〜Ｂｄを直列接続してなるものを例に挙げて説明する。また、上記セルＢａ〜Ｂｄとしては、リチウムイオン電池、ニッケルカドニウム電池、ニッケル水素電池が使用される。
【００１３】
図１において、セルＢａ〜Ｂｄを直列接続してなる二次電池セル列は、スイッチ８を介して充放電装置６に接続される。充放電装置６は、主電源装置（図示せず）から供給される主電源により二次電池セル列を充電する充電回路と、主電源装置が電源供給を行うことができない時に、二次電池セル列から放電させてバックアップ電源を供給する放電回路を備える。これら充電回路及び放電回路は、スイッチ８が閉じている場合に二次電池セル列と接続され、一方、スイッチ８が解放している場合には二次電池セル列から切り離される。
【００１４】
バイパス回路４ａ〜４ｄは、各セルＢａ〜Ｂｄに対応して設けられている。電池回路２は、全てのセルＢａ〜Ｂｄの電池電圧を検出し、この検出結果に基づいてバイパス回路４ａ〜４ｄとスイッチ８を制御する。
【００１５】
上記バイパス回路４ａ〜４ｄは、トランジスタと抵抗が直列に接続された構成となっている。
上記電池回路２は、電圧計測器２２ａ〜２２ｄとＣＰＵ２４から構成されている。電圧計測器２２ａ〜２２ｄは、セル毎に対応して設けられており、各セルの電池電圧をそれぞれ計測する。ＣＰＵ２４は、各電圧計測器２２ａ〜２２ｄから計測結果を取得し、この計測結果に基づいて、バイパス回路４ａ〜４ｄのトランジスタを制御するバイパス指令信号と、スイッチ８を制御する制御信号を出力する。
【００１６】
次に、上記図１に示す構成からなる電圧均等化装置の動作について説明する。まず、電圧計測器２２ａ〜２２ｄは、所定のタイミングで対応するセルＢａ〜Ｂｄの電池電圧を計測し、計測結果をＣＰＵ２４へ出力する。
ＣＰＵ２４は、各セルの電池電圧を受信すると、これら電池電圧に基づいて、予めＣＰＵ２４に設定されている充電実行条件を満足するか否かを判断する。
【００１７】
この充電実行条件とは、全てのセルの電池電圧の総和が、二次電池セル列の満充電電圧よりも所定電圧値（例えば１Ｖ）以上、小さい値であること、である。例えば、今、満充電電圧が２０Ｖであり、所定電圧値として１Ｖが設定されていた場合、ＣＰＵ２４は、全セルの電池電圧の総和が１９Ｖ以下であると、充電実行条件を満足していると判断する。
あるいは、充電実行条件として、いずれか２つのセルの電池電圧の差が所定電圧値（例えば５０ｍＶ）以上であることとしてもよい。
【００１８】
ＣＰＵ２４は、上記充電実行条件が満足している場合にスイッチ８を閉じ、充放電装置６により二次電池セル列の充電を開始する。一方、上記充電実行条件が満足していない場合にはスイッチ８を開放し、二次電池セル列の充電を停止する。
【００１９】
そして、ＣＰＵ２４は、上記充電実行条件が満足している場合には、さらに、各セルの電池電圧の中から、最も低い電池電圧（最低電池電圧）を抽出し、この最低電池電圧よりも所定電圧値以上高い電池電圧を示しているセルを抽出する。例えば、今、最低電池電圧が３．８Ｖであり、所定電圧値として３０ｍＶが設定されていた場合、ＣＰＵ２４は、３．８３Ｖ以上の電池電圧を示しているセルを抽出する。
【００２０】
そして、ＣＰＵ２４は、抽出したセルのバイパス回路を作動させるバイパス指令信号を出力する。このバイパス指令信号により、当該バイパス回路のトランジスタがオンしてバイパス回路が作動し、該セルに流れていた充電電流がバイパスされる。これにより、基準電圧（ここでは、最低電池電圧を基準電圧とした）よりも所定電圧値以上高い電池電圧が計測されたセルの充電を停止、又は充電電流を減少させる。一方、バイパス回路１４が作動されていないセルについては、引き続き充電が行われる。
【００２１】
これにより、電池電圧が低いセルについては、電池電圧が徐々に上昇するので、電池電圧が高くバイパス回路が作動されたセルと、電池電圧が低くバイパス回路が作動されなかったセルとの電池電圧の差を縮めることができる。これにより、蓄電装置を構成する全体のセルの電圧が均等化される。
【００２２】
なお、上記基準電圧は、最低電池電圧に限らず、他の電池電圧、例えば、平均電池電圧等を採用するようにしてもよく、設計変更により適宜設定することができるものとする。
【００２３】
また、上述した実施形態において、バイパス回路を作動させる二次電池の数が非常に多くなってしまった場合、充電が効率よく行われず、満充電状態になるまでに長時間要することとなる。
このような場合に備えて、バイパス回路を作動させる二次電池の数を予め設定し、バイパス回路を作動させる二次電池の数を制限する。
例えば、バイパス回路を作動させるセルの数として１０セルが設定されていた場合には、電池電圧が高い上位１０セルを、バイパス回路を作動させるセルとして決定する。これにより、二次電池の電圧の均等化を行いながらも、充電を効率よく実施することができる。
【００２４】
図２は、本発明の他の実施形態による電圧均等化装置を適用したバックアップ電源装置の構成を示すブロック図である。図２において、図１にに示す実施形態との差異は、電圧均等化回路１１０をセルＢａ〜Ｂｄ毎に対応して設け、これら電圧均等化回路１１０がセルの電池電圧に応じて充電電流をバイパスさせることにある。このため、ＣＰＵ２４は、セルＢａ〜Ｂｄの電池電圧及び上記電圧均等化動作の充電実行条件に基づいてスイッチ８の開閉制御のみを行う。
【００２５】
電圧均等化回路１１０において、まず、セルと並列に分圧抵抗Ｒ３とＶＲとが接続されており、この分圧抵抗の中点がシャントレギュレータ１１３のレファレンス端子Ｒに接続されている。ここで、分圧抵抗ＶＲは、可変抵抗であり、シャントレギュレータ１１３は、オペアンプとツェナーダイオードとが図３のように接続されたＩＣである（例えば、製品番号ＨＡ１７４３１）。
また、シャントレギュレータ１１３のアノード端子Ａは、セルのマイナス側に接続され、カソード端子Ｋは、直列抵抗Ｒ１とＲ２とを介してセルのプラス側に接続されている。
更に、抵抗Ｒ１とＲ２との中点がコレクタ接地型のバイポーラトランジスタ（ここでは、ＰＮＰ型）１１４のベースＢに接続され、そのエミッタＥがセルのプラス側に、コレクタＣがセルのマイナス側に接続されている。
【００２６】
次に、図２に示す実施形態に係る電圧均等化回路１１０の動作について説明する。
ＣＰＵ２４がスイッチ８を閉じ、充電が開始されると、まず、セルＢａの充電が進み、セルＢａの端子電圧が満充電電圧に達すると、この満充電電圧は分圧抵抗Ｒ３とＶＲとによって分圧されて、シャントレギュレータ１１３のレファレンス端子Ｒに印加される。
これにより、シャントレギュレータ１１３は導通し、カソード端子Ｋからアノード端子Ａに向けて電流が流れる。これにより、抵抗Ｒ１の両端に電圧差が生じることとなり、バイポーラトランジスタ１１４のエミッタ端子Ｅとベース端子Ｂとの間に電位差が生じ、今までオフ状態であったバイポーラトランジスタ１１４が作動状態となる。
この結果、バイポーラトランジスタ１１４を介するバイパス電流路Ｑが形成され、このバイパス電流路Ｑを流れた充電電流がセルＢｂへ供給される。
【００２７】
上述したように、各セルが満充電電圧に達した時点で充電電流はバイパス電流路Ｑを経由して流れるので、満充電状態に達したセルにおいては、過充電を防止することができ、また、満充電状態に達していないセルについては充電を継続して行うことが可能となる。
この結果、蓄電装置（二次電池セル列）を構成するセルの充電状態にバラツキがあったとしても、全てのセルを確実に満充電状態とすることが可能となる。
【００２８】
なお、図２に示す電圧均等化回路１１０においては、バイパス電流路Ｑにコレクタ接地型のバイポーラトランジスタ１１４を設けている。このコレクタ接地型のバイポーラトランジスタ１１４は、エミッタＥからベースＢへ流れ込む電流の量に応じてバイポーラトランジスタ１１４の抵抗値が変化する。
即ち、充電電流が大きい程、抵抗値がゼロに近くなり、バイパス電流路Ｑに流れる電流は大きくなり、反対に、充電電流が小さければ、抵抗値は大きくなり、バイパス電流路Ｑに流れる電流は小さくなる。
【００２９】
図２に示す実施形態では、バイポーラトランジスタ１１４は、不飽和状態において作動するので、少なからず抵抗成分を含んでいる。これにより、バイポーラトランジスタ１１４のエミッタＥ−コレクタＣ間の電圧は、セルの端子電圧と同電圧となる。このため、充電電流がバイパス電流路Ｑに流れている状態であっても、蓄電装置（二次電池セル列）全体の端子電圧が低下することを回避することができる。
【００３０】
また、図２に示す実施形態によれば、分圧抵抗ＶＲの抵抗値は可変であるので、シャントレギュレータ１１３の入力端子へ印加するセルの両端電圧の分圧比を自由に設定することができる。これにより、充電電流をバイパス電流路Ｑに流す端子電圧、即ち、満充電電流をセル毎に設定することが可能となる。
即ち、セルが使用とともに劣化し、これにより満充電電圧が徐々に低下するという特性を有している電池の場合、セルの劣化に伴い、可変抵抗の分圧比を変更してやれば、各セルに応じた最適な満充電電圧で充電を停止することができ、満充電電流をバイパスさせることが可能となる。
【００３１】
なお、図２に示した電圧均等化回路１１０において、バイパス電流経路Ｑに抵抗を介在させても良い。このように抵抗を介在させることにより、バイパス電流経路Ｑに流れる電流を確実に制限することが可能となる。
【００３２】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、バイパス回路は、図１，図２に示した回路構成に限られず、セルに流れる充電電流をバイパスさせるような手段であれば、どのような回路構成を有していてもよい。
また、上記図２の実施形態においては、バイポーラトランジスタ１１４として、コレクタ接地のＰＮＰ型を使用したが、これに制限されない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二次電池の電池電圧に基づいて、充電する二次電池を選択したり、あるいは各電池毎の充電電流を充電状態によって制御できるので、二次電池の電圧を均等化させることができる。さらに、全ての二次電池の電池電圧の検出結果に基づいて蓄電装置の充電制御を行うことも可能となるので、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを解消することができる。
【００３４】
また、請求項４に記載の発明によれば、蓄電装置の満充電電圧に基づいて充電制御が行われるので、充電頻度をできる限り少なくして、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを解消することができる。
【００３５】
また、請求項５に記載の発明によれば、二次電池の電池電圧の差に基づいて充電制御が行われるので、待機時に生じた二次電池の電圧のバラツキを適宜解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による電圧均等化装置を適用したバックアップ電源装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態による電圧均等化装置を適用したバックアップ電源装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示したシャントレギュレータ１１３の内部回路を示す図である。
【符号の説明】
２…電池回路、４ａ〜４ｄ…バイパス回路、６…充放電装置、８…スイッチ、２２ａ〜２２ｄ…電圧計測器、２４…ＣＰＵ、１１０…電圧均等化回路、１１３…シャントレギュレータ、１１４…バイポーラトランジスタ、Ｂａ〜Ｂｄ…セル（二次電池）、Ｒ１〜Ｒ３，ＶＲ…抵抗（分圧抵抗）
【図１】
2004129439.tif 000003
【図２】
2004129439.tif 000004
【図３】
2004129439.tif 000005