(57)【要約】 【課題】  使用する電子部品に耐電圧の低い安価なものを使用する。ノイズによる誤動作を著しく少なくする。【解決手段】  電源装置は、互いに直列に接続している二次電池１と、各々の二次電池１の状態を検出して正常または異常を示す状態信号を出力する電池状態検出回路２と、電池状態検出回路２の出力信号をレベルシフトするレベルシフト回路３と、レベルシフトされた出力信号を演算する演算回路４とを備える。レベルシフト回路３は、電池状態検出回路２の出力信号を電流の大きさに変換して伝達する。演算回路４は、レベルシフト回路３より伝達された信号と電池状態検出回路２の出力信号とを論理演算する。【選択図】  図１
2005033951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列に接続している二次電池(1)と、各々の二次電池(1)に接続されて各々の二次電池(1)の状態を検出して二次電池(1)の正常または異常を示す状態信号を出力する電池状態検出回路(2)と、電池状態検出回路(2)の出力信号をレベルシフトするレベルシフト回路(3)と、レベルシフト回路(3)でレベルシフトされた出力信号を演算する演算回路(4)とを備える電源装置であって、
レベルシフト回路(3)が、電池状態検出回路(2)の出力信号を電流の大きさに変換して伝達することを特徴とする電池の保護回路を備える電源装置。
【請求項２】
２個以上のリチウムイオン電池を直列接続している請求項１に記載される電池の保護回路を備える電源装置。
【請求項３】
電池状態検出回路(2)が、二次電池(1)の過充電を検出する過充電検出回路と、二次電池(1)の過放電を検出する過放電検出回路のいずれかを備える請求項１に記載される電池の保護回路を備える電源装置。
【請求項４】
演算回路(4)が論理回路を備えており、この論理回路に、レベルシフト回路(3)でレベルシフトされた信号とレベルシフトされない信号とを入力する請求項１に記載される電池の保護回路を備える電源装置。
【請求項５】
演算回路(4)は、演算結果を次々と他の演算回路(4)に伝達する請求項１に記載される電池の保護回路を備える電源装置。
【請求項６】
２つ以上の信号伝達結果に基づいて接続異常または電池異常を検出する請求項１に記載される電池の保護回路を備える電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の二次電池を直列に接続している電源装置であって、各々の二次電池の状態を検出する保護回路を備える電源装置に関する。とくに、本発明は、多数の二次電池を直列に接続して、各々の二次電池の状態を検出する保護回路を備える電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の二次電池を備える電源装置は、電池の過充電や過放電を検出しながら充放電して、電池を保護しながら使用することが大切である。過充電や過放電が電池を著しく劣化させるからである。この電源装置は、複数の電池をトータルで管理する保護回路を備えるタイプと、各々の電池の状態を独立して管理する保護回路を備えるものがある。電池をトータルで管理するタイプは、保護回路を簡単にできる。ただ、全ての電池が同じように過充電されたり、あるいは過放電されることはなく、充電容量が少なくなった電池は過充電されやすく、また過放電されやすくなる。この状態になると、充電容量が少なくなった電池は、過充電されたり過放電されて急激に電池性能が低下することになる。このため、いずれかの電池が劣化して性能が低下すると、この電池の性能が急激に劣化する欠点がある。
【０００３】
全ての電池の状態を独立して検出する保護回路を備える電源装置は、いずれかの電池の充電容量が少なくても、この電池の過充電と過放電を防止するように充放電できる。このため、全ての電池の過充電と過放電を防止して、安全性の向上を図り、電池寿命を著しく長くできる。
【０００４】
しかしながら、この保護回路を備える電源装置は、保護回路の回路構成が複雑になる。とくに、多数の二次電池を直列に接続して、全ての電池の過充電や過放電を独立して検出する保護回路は、使用する電子部品のコストが高くなる。それは、多数の電池を直列に接続して電源電圧が高くなるので、この電源電圧に耐える、すなわち高電圧に耐える電子部品を使用するからである。とくに、大出力が要求される用途の電源装置、たとえば電動自転車、電気自動車、電動工具等に使用される電源装置は、多数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高くする必要があり、保護回路に使用する電子部品に高電圧に耐える素子を使用する必要があって、コストが高くなる。
【０００５】
この欠点を解決するために、各々の電池の電圧を電圧検出回路で検出し、各々の電圧検出回路で検出した出力信号をレベルシフトして演算し、あるいは各々の電圧検出回路の出力をフォトカップラーで絶縁して出力する回路が開発されている。（特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００３−１１１２９７号公報
【０００６】
この公報に記載される回路は、各々の電池のマイナス側をアース電位とする電圧検出回路で検出するので、電圧検出回路に使用する電子部品の耐電圧はひとつの電池電圧となる。このため、電圧検出回路に高い電圧まで耐える高価なトランジスターやＦＥＴ等を使用する必要がない。また、各々の電圧検出回路の出力を電圧判定手段に伝送し、あるいはフォトカップラーで絶縁して出力するので、電圧検出回路の出力信号を処理する回路にも高い電圧に耐えるトランジスターやＦＥＴを使用する必要がなく、安価な素子で製作できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような回路は、大出力が要求される機器やモータ駆動する機器においてノイズの影響を受けやすく、従って、電池保護用回路に対してノイズの影響をいかに少なくできるかが特に大切である。
【０００８】
本発明は、このことを実現することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、使用する電子部品に耐電圧の低い安価なものが使用できることに加えて、ノイズによる誤動作を著しく少なくできる電池の保護回路を備える電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電源装置は、互いに直列に接続している二次電池１と、各々の二次電池１に接続されて各々の二次電池１の状態を検出して二次電池１の正常または異常を示す状態信号を出力する電池状態検出回路２と、電池状態検出回路２の出力信号をレベルシフトするレベルシフト回路３と、レベルシフト回路３でレベルシフトされた出力信号を演算する演算回路４とを備える。レベルシフト回路３は、電池状態検出回路２の出力信号を電流の大きさに変換して伝達する。
【００１０】
本発明の電源装置は、２個以上のリチウムイオン電池を直列接続することができる。電池状態検出回路２は、二次電池１の過充電を検出する過充電検出回路と、二次電池１の過放電を検出する過放電検出回路のいずれかを備えることができる。演算回路４は、ＯＲ回路、ＡＮＤ回路等の論理回路を備えており、論理回路に、レベルシフト回路３でレベルシフトされた信号とレベルシフトされない信号とを入力することができる。さらに、本発明の電源装置は、演算回路４の演算結果を次々と他の演算回路４に伝達することができる。さらに、電源装置は、２つ以上の信号伝達結果に基づいて接続異常または電池異常を検出することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電源装置は、使用する電子部品に耐電圧の低い安価なものが使用できる。それは、各々の電池に電池状態検出回路を接続して、各々の電池状態検出回路で各々の電池の状態を検出し、検出した信号をレベルシフト回路でレベルシフトして演算回路で処理しているからである。さらに、本発明の電源装置は、ノイズによる誤動作を著しく少なくできる特長がある。それは、レベルシフト回路において入力信号を電流の大小に変換して伝達する構成をとっているからである。このことは、多数の二次電池を直列に接続して出力電圧を高くしている電源装置に特に大切である。それは、出力電圧を高くしている電源装置が、高い出力が要求されるモータを負荷とする用途、たとえば電動自転車、電動工具、電気自動車等のように、スイッチングするときにパルス性のノイズが発生する用途に適しているからである。ノイズの発生しやすい用途においては、ノイズで誤動作するのを少なくしないかぎり、正常に動作できなくなるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものに特定しない。
【００１３】
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」、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。
【００１４】
図１ないし図４の回路図に示す電源装置は、互いに直列に接続している二次電池１と、各々の電池に接続されて各々の電池の状態を検出して電池の正常または異常を示す状態信号を出力する電池状態検出回路２と、電池状態検出回路２の出力信号をレベルシフトするレベルシフト回路３と、レベルシフト回路３でレベルシフトされた出力信号を演算する演算回路４とを備える。
【００１５】
二次電池１は、リチウムイオン電池である。ただし、電池にはニッケル−水素電池やニッケル−カドミウム電池等の全ての二次電池を使用できる。図の電源装置は３個の二次電池１を直列に接続しているが、本発明の電源装置は、２個以上の二次電池を直列に接続している装置に適用できる。
【００１６】
電池状態検出回路２は、各々の電池の過充電や過放電を検出する。この電池状態検出回路２は、接続している電池の過充電や過放電を検出するので、アース電位を電池のマイナス側としている。このため、各々の電池状態検出回路２は、互いに直列に接続される状態となって、アース電位が異なっている。電池状態検出回路２は、ひとつの電池の電圧等を検出するので、この回路に使用するトランジスターやＦＥＴ等の電子部品は、ひとつの電池電圧に耐える電圧であるから、高耐圧のものを使用する必要はない。
【００１７】
電池状態検出回路２は、電池電圧を検出して過充電や過放電を検出し、あるいは電池に流れる充電電流や放電電流を積載して過充電や過放電を検出し、あるいは電圧と電流の両方から過充電や過放電を検出する。電池状態検出回路２は、充電している電池を充電できる状態ではノーマル信号を出力し、電池が満充電されて過充電される状態になると、アブノーマル信号を出力する。また、放電している電池を放電できる状態ではノーマル信号を出力し、過放電される状態になるとアブノーマル信号を出力する。
【００１８】
また、電池状態検出回路２は、電池温度を温度センサー（図示せず）で検出する。この電池状態検出回路２は、電池が正常に充放電できる温度範囲、すなわち電池温度が設定温度よりも低い状態にあっては、ノーマル信号を出力し、電池温度が設定温度よりも高くなって、電池の充放電を停止させる状態になるとアブノーマル信号を出力する。
【００１９】
電池状態検出回路２は、ノーマル信号を”Ｈｉｇｈ”、アブノーマル信号を”Ｌｏｗ”として出力し、あるいはノーマル信号を”Ｌｏｗ”、アブノーマル信号を”Ｈｉｇｈ”として出力する。
【００２０】
以上の電池状態検出回路２は、電池電圧、電池に流れる電流、電池温度をパラメーターとして電池の状態を検出する。ただし、本発明の電源装置は、電池状態検出回路２が電池の状態を検出するパラメーターを特定するものではない。また、検出したパラメーターから検出する状態を、過充電、過放電、温度等に特定するものでもない。電池状態検出回路２は、電源の電気性能を低下させないように種々の状態を検出し、あるいは電池を安全に充放電できる状態を検出して、検出した信号をノーマル信号からアブノーマル信号に切り換えて出力する。
【００２１】
各々の電池状態検出回路２は、アース電位がずれているので、レベルシフト回路３で出力信号をレベルシフトして演算回路４に入力する。電池状態検出回路２の出力信号をレベルシフトするレベルシフト回路３は、電池状態検出回路２でオンオフに切り換えられるスイッチング素子５と定電流回路６との直列回路を備える。直列回路は、隣接して直列接続されてなる電池の両端に接続されている。このレベルシフト回路３は、電池状態検出回路２でスイッチング素子５をオンオフに切り換え、定電流回路６とスイッチング素子５との中間接続点７からレベルシフトした信号を出力する。レベルシフトされた出力信号は演算回路４に入力される。
【００２２】
図１と図２のレベルシフト回路３は、図において下段に接続している電池状態検出回路２から出力される出力信号のアース電位を持ち上げるようにレベルシフトして、このレベルシフトされた信号と上段の電池状態検出回路２の出力信号とを演算回路４に入力している。このレベルシフト回路３は、定電流回路６を上段、すなわち電池のプラス側に、スイッチング素子５を電池のマイナス側に接続している。
【００２３】
図３と図４のレベルシフト回路３は、図において上段に接続している電池状態検出回路２から出力される出力信号のアース電位を下げるようにレベルシフトして、このレベルシフトされた信号と下段の電池状態検出回路２の出力信号とを演算回路４に入力している。このレベルシフト回路３は、定電流回路６を下段、すなわち電池のマイナス側に、スイッチング素子５を電池のプラス側に接続している。
【００２４】
図１と図３に示す演算回路４はＯＲ回路を備えている。これ等の図に示す電池状態検出回路２は、ノーマル信号を”Ｌｏｗ”、アブノーマル信号と”Ｈｉｇｈ”とする。この電池状態検出回路２は、たとえば、充電している電池が満充電されるまではノーマル信号として”Ｌｏｗ”を出力し、満充電されるアブノーマル信号として”Ｈｉｇｈ”を出力する。レベルシフト回路３のスイッチング素子５は、電池状態検出回路２から出力される”Ｈｉｇｈ”でオンに切り換えられる。スイッチング素子５は、電池状態検出回路２から”Ｌｏｗ”が出力される状態ではオフの状態にある。
【００２５】
図１において、最下段の電池が満充電されて、最下段の電池状態検出回路２の出力信号がノーマル信号の”Ｌｏｗ”から、アブノーマル信号の”Ｈｉｇｈ”に切り換えられると、”Ｈｉｇｈ”信号でスイッチング素子５がオフからオンに切り換えられる。この状態に切り換えられたレベルシフト回路３は、レベルシフトされた”Ｈｉｇｈ”を演算回路４である下段のＯＲ回路に入力する。ＯＲ回路は、一方に”Ｈｉｇｈ”が入力されると出力を”Ｌｏｗ”から”Ｈｉｇｈ”に切り換える。下段のＯＲ回路から出力される”Ｈｉｇｈ”信号は、上段に接続しているレベルシフト回路３のスイッチング素子５をオフからオンに切り換え、このレベルシフト回路３の中間接続点７から上段のＯＲ回路に”Ｈｉｇｈ”信号を出力する。上段のＯＲ回路は、一方の入力に”Ｈｉｇｈ”が入力されて出力信号を”Ｈｉｇｈ”とする。このようにして、最下段の電池状態検出回路２から出力される”Ｈｉｇｈ”は、レベルシフトされて最上段のＯＲ回路からアブノーマル信号の”Ｈｉｇｈ”信号として出力される。すなわち、いずれかひとつの電池が満充電されてアブノーマル信号である”Ｈｉｇｈ”が出力されると、これがレベルシフトされて最終の出力を”Ｈｉｇｈ”とする。最終の信号として”Ｈｉｇｈ”が出力されると、いずれかの電池が満充電されて充電を停止する必要があると判断して、充電を停止させる。
【００２６】
以上は、最下段の電池が満充電された状態を示すが、下から二段目の電池が満充電されると、中間の電池状態検出回路２の出力信号が”Ｌｏｗ”から”Ｈｉｇｈ”となり、この”Ｈｉｇｈ”が下段のＯＲ回路の出力を”Ｈｉｇｈ”とし、その後は、最下段の電池が満充電されたのと同じように動作して、最終の出力信号が”Ｈｉｇｈ”となる。最上段の電池が満充電されて、出力信号が”Ｈｉｇｈ”になると、この”Ｈｉｇｈ”は最上段のＯＲ回路に入力され、最上段のＯＲ回路の出力を”Ｈｉｇｈ”とする。
【００２７】
図２と図４に示す演算回路４はＡＮＤ回路を備えている。これ等の図に示す電池状態検出回路２は、ノーマル信号を”Ｈｉｇｈ”、アブノーマル信号と”Ｌｏｗ”とする。この電池状態検出回路２は、たとえば、放電している電池が完全に放電されるまではノーマル信号として”Ｈｉｇｈ”を出力し、完全に放電されるとアブノーマル信号として”Ｌｏｗ”を出力する。レベルシフト回路３のスイッチング素子５は、電池状態検出回路２から出力される”Ｈｉｇｈ”でオンに切り換えられる。スイッチング素子５は電池状態検出回路２から”Ｌｏｗ”が出力される状態ではオフの状態にある。
【００２８】
図２において、最下段の電池が完全に放電されて、最下段の電池状態検出回路２の出力信号がノーマル信号の”Ｈｉｇｈ”から、アブノーマル信号の”Ｌｏｗ”に切り換えられると、スイッチング素子５がオンからオフに切り換えられる。この状態に切り換えられたレベルシフト回路３は、レベルシフトされた”Ｌｏｗ”を演算回路４である下段のＡＮＤ回路に入力する。ＡＮＤ回路は、一方に”Ｌｏｗ”が入力されると出力を”Ｈｉｇｈ”から”Ｌｏｗ”に切り換える。下段のＡＮＤ回路から出力される”Ｌｏｗ”信号は、上段に接続しているレベルシフト回路３のスイッチング素子５をオンからオフに切り換え、このレベルシフト回路３の中間接続点７から上段のＡＮＤ回路に”Ｌｏｗ”信号を出力する。上段のＡＮＤ回路は、一方の入力に”Ｌｏｗ”が入力されて出力信号を”Ｌｏｗ”とする。このようにして、最下段の電池状態検出回路２から出力される”Ｌｏｗ”は、レベルシフトされて最上段のＡＮＤ回路からアブノーマル信号の”Ｌｏｗ”信号として出力される。すなわち、いずれかひとつの電池が過放電される状態となってアブノーマル信号である”Ｌｏｗ”が出力されると、これがレベルシフトされて最終の出力を”Ｌｏｗ”とする。最終の信号として”Ｌｏｗ”が出力されると、いずれかの電池が過放電される状態と判定して、放電を停止させる。
【００２９】
以上は、最下段の電池が過放電された状態を示すが、下から二段目の電池が過放電されると、中間の電池状態検出回路２の出力信号が”Ｈｉｇｈ”から”Ｌｏｗ”となり、この”Ｌｏｗ”が下段のＡＮＤ回路の出力を”Ｌｏｗ”とし、その後は、最下段の電池が過放電されたのと同じように動作して、最終の出力信号が”Ｌｏｗ”となる。最上段の電池が過放電されて、出力信号が”Ｌｏｗ”になると、この”Ｌｏｗ”は最上段のＡＮＤ回路に入力され、最上段のＡＮＤ回路の出力を”Ｌｏｗ”とする。
【００３０】
また、上記実施例のレベルシフト回路例では、電流のあり・なしで信号を伝達したが、電流の大・小にて信号を伝達するようにすることで、よりノイズに強くすることができる。
【００３１】
さらに、過充電と過放電の伝達結果を受けて、同時に異常信号が検出されたときは、電池のセルバランス異常もしくは、電池との断線が生じたときであることが容易にわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例にかかる電源装置の回路図
【図２】本発明の他の実施例にかかる電源装置の回路図
【図３】本発明の他の実施例にかかる電源装置の回路図
【図４】本発明の他の実施例にかかる電源装置の回路図
【符号の説明】
【００３３】
１…二次電池
２…電池状態検出回路
３…レベルシフト回路
４…演算回路
５…スイッチング素子
６…定電流回路
７…中間接続点
【図１】
2005033951.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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