(57)【要約】【課題】過電圧保護回路は非充電時に自身で電力を消費することから、宇宙空間の軌道運用中では補充電のためのトリクル充電を運用条件に加える必要があり、複雑な運用条件が必要となるという課題を解決するものであり、バッテリを充電する時以外はバッテリセルと過電圧保護回路との間を遮断するスイッチを備えることで、非充電時に消費する電力を削減するバッテリ装置に関するものである。【解決手段】本発明にかかわるバッテリ装置は、電力を蓄えるバッテリと、バッテリを充電する電源と、電源の電圧を検出し、電圧が基準電圧よりも高い場合に動作信号を出力する信号発生回路と、バッテリに並列に接続され、バッテリの過電圧を保護する過電圧保護回路と、を備え、過電圧保護回路に備えられる過電圧保護回路をオン／オフするスイッチは、信号発生回路からの動作信号により駆動するものである。【選択図】                図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を蓄えるバッテリと、
前記バッテリを充電する電源と、
前記電源の電圧を検出し、前記電圧が基準電圧よりも高い場合に動作信号を出力する信号発生回路と、
前記バッテリに並列に接続され、前記バッテリの過電圧を保護する過電圧保護回路と、を備え、
前記過電圧保護回路に備えられる前記過電圧保護回路をオン／オフするスイッチは、前記信号発生回路からの動作信号により駆動するバッテリ装置。
【請求項２】
前記電源電圧の検出を電流検出用抵抗で行う請求項１に記載のバッテリ装置。
【請求項３】
前記電源電圧の検出を電流センサで行う請求項１に記載のバッテリ装置。
【請求項４】
前記電源電圧を直接電圧として検出する請求項１に記載のバッテリ装置。
【請求項５】
前記スイッチがリレースイッチである請求項１から請求項４に記載のバッテリ装置。
【請求項６】
前記スイッチが半導体スイッチである請求項１から請求項４に記載のバッテリ装置。
【請求項７】
前記電源が太陽電池である請求項１から請求項６に記載のバッテリ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリを充電しないときには、過電圧保護回路を切り離すことで消費電力を削減する回路を有したバッテリ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバッテリセル用過電圧保護回路はリチウムイオンバッテリのセル充電電圧が寿命のパラメータの一つとなっており、多段直列構成されたセルの何れかが高い充電電圧に偏った場合、セル容量の劣化を伴うという問題を回避することを目的として、各セルには過電圧保護回路が接続されている。直列に接続された各セルには共通の充電電流が流れ、同じ電流時間積で充電管理されるため、各セル間のばらつきにより充電電圧の上昇が早いセルについては過電圧保護回路に充電電流が分流することで充電電圧の上限が制限されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、過電圧保護回路は非充電時に自身で電力を消費することから、宇宙空間の軌道運用中では補充電のためのトリクル充電を運用条件に加える必要があり、複雑な運用条件が必要となる。また、地上保管、輸送時には、バッテリは過電圧保護回路による電力消費のため放電され、長期放置しているとバッテリ電圧が低下する。このときバッテリの種類によっては（例えばリチウムイオンバッテリ等）、バッテリ電圧が規定電圧の最小値以下となり破損するため、バッテリ電圧を規定電圧範囲内に管理し、維持することが要求される。
【０００４】
【非特許文献１】
岡村敏男、他２名、”宇宙機搭載用リチウムイオンバッテリシステムの開発―リチウムイオンバッテリを用いた宇宙用バッテリシステムの検討結果報告―”、平成１２年２月１７日、電子情報通信学会技術研究報告Ｖｏｌ．９９  Ｎｏ．６２４，６２５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決し、バッテリを充電する時以外はバッテリセルと過電圧保護回路との間を遮断するスイッチを備えることで、非充電時に消費する電力を削減するバッテリ装置に関するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわるバッテリ装置は、電力を蓄えるバッテリと、バッテリを充電する電源と、電源の電圧を検出し、電圧が基準電圧よりも高い場合に動作信号を出力する信号発生回路と、バッテリに並列に接続され、バッテリの過電圧を保護する過電圧保護回路と、を備え、過電圧保護回路に備えられる過電圧保護回路をオン／オフするスイッチは、信号発生回路からの動作信号により駆動するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に本発明の具体例を詳細に説明する。図１は、この発明に係わる宇宙機電力システム用リチウムイオンバッテリ装置を示す構成図である。もちろん、宇宙機電力システム以外で利用しても良い。このバッテリ装置はスイッチ動作状態を決定する手段として太陽電池の出力電流を利用したものであり、バッテリセルと過電圧保護回路間を遮断／導通させるスイッチ及びスイッチ駆動回路をバッテリセル毎に備えた宇宙機電力システム用リチウムイオンバッテリ装置の１部である。宇宙機用電力システムは、日照時に電力発電する太陽電池１、太陽電池１で発電した電力を一定電圧に制御して電流を出力する定電圧制御回路２、定電圧制御回路２からの出力電流を監視、検出する出力電流検出回路３、太陽電池１等から供給される電力を消費する人工衛星や宇宙機を動作運用するための他装置（以後総称して負荷装置５と呼ぶ）、日陰時に負荷装置５に電力を供給することに備えて日照時に電力を蓄えるバッテリ７、日陰時にバッテリ７から定電圧制御回路２へ電流が逆流することを防止する逆流防止ダイオード４、日照時にバッテリ７を充電し日陰時にバッテリ７に蓄えられた電力を負荷装置５に放電するバッテリ充放電制御器６、バッテリ７を構成するバッテリセル８ａ〜８ｃ及び並列に接続された過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃ、過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃとバッテリセル８ａ〜８ｃを遮断／導通させるための装置としてリレー等の開閉装置を利用したスイッチ１１ａ〜１１ｃ及びスイッチ１１ａ〜１１ｃをそれぞれ個別に駆動するスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃから構成されている。
出力電流検出回路３は、太陽電池１からの出力電流を検出する電流検出用抵抗器１５、抵抗器１５に発生する電圧を使用してスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃへ伝達する動作／停止信号を発生する信号発生回路１６により構成される。過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃは、バッテリセル８ａ〜８ｃと過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃの接続を遮断／導通させるスイッチ１１ａ〜１１ｃ、バッテリセル８ａ〜８ｃ、各充電電流をバイパスするシャント素子１２ａ〜１２ｃ、シャント素子１２ａ〜１２ｃの動作を制御する駆動回路１３ａ〜１３ｃ、バッテリセル８ａ〜８ｃの各電圧を監視検出しているセル電圧検出回路１４ａ〜１４ｃから構成されている。
【０００８】
この発明に係わる宇宙機電力システム用リチウムイオンバッテリ装置の動作について説明する。太陽光が太陽電池１に照射される日照時においては、太陽電池１は、定電流源として発電を開始し、太陽電池１の発電電力を変換して一定電圧を出力する定電圧制御回路２の出力電流が上昇すると、バッテリ７を一定電流／一定電圧で充電制御するバッテリ充放電制御器６と負荷装置５へ電力を供給する。また、日陰時から日照時へ移行し定電圧制御回路２の出力電流が上昇したとき、出力電流検出回路３は、出力電流検出回路３内部に備わる電流検出用抵抗器１５にて電圧に変換し検出した電圧値を信号発生回路１６へ出力する。信号発生回路１６は抵抗器１５からの電圧値を常に監視し、ツェナーダイオードなどにより設定された基準電圧と常に比較し、抵抗器１５からの電圧が基準電圧値に到達したとき、信号発生回路１６より動作信号（例えばＨｉｇｈレベルの信号）を生成し、スイッチ駆動回路９ａ〜９ｃへ送信する。動作信号を受信したスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃはスイッチ１１ａ〜１１ｃをＯＮさせるのに必要な駆動電圧／電流をドライブ信号としてスイッチ１１ａ〜１１ｃへ送信してスイッチ１１ａ〜１１ｃが導通状態となる。過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃはスイッチ１１ａ〜１１ｃが導通状態となったことでバッテリセル８の電圧を常に監視できる状態となり、充電時の過電圧保護を可能にするスタンバイ状態となる。なお、信号発生回路１６の信号によりスイッチ１１ａ〜１１ｃをＯＮさせることができればスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃは不要である。
【０００９】
過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃの動作について、過電圧保護回路１０ａを代表して説明する。過電圧保護回路１０ａのスタンバイ状態において、バッテリセル８ａがさらに充電されバッテリセル８ａ電圧が上昇し、バッテリセル８ａの仕様や運用条件により決定し規定した過電圧レベルに到達した場合、バッテリセル８ａ電圧をモニタしているセル電圧検出回路１４ａ（例えばオペアンプまたはトランジスタ等の半導体素子で構成された回路）は駆動回路１３ａ（例えばトランジスタ等の半導体素子で構成された回路）に駆動回路動作信号（例えばアナログ信号）を送信し、駆動回路動作信号を受信した駆動回路１３ａはシャント素子１２ａ（例えばトランジスタ等の半導体素子）にドライブ信号（例えばアナログ信号）を送信してシャント素子１２ａを徐々にＯＮ動作させてバッテリセル８ａの充電電流を徐々にバイパスする。
【００１０】
一方、日照から日陰に移行すると太陽電池１は太陽光が照射されず、発電しないため、太陽電池１の発電電力が低下し一定電圧を出力する定電圧制御回路２の出力電流も低下しゼロとなり、太陽電池１から負荷装置５への電力供給が止まってしまう。しかし、負荷装置５への電力供給はバッテリ７に充電した電力がバッテリ充放電制御器６を経由して負荷装置５に供給されることで補われる。このとき逆流防止ダイオード４はバッテリ７からの電流が定電圧制御回路２側に逆流することを防止するために備えられている。また定電圧制御回路２の出力電流はゼロとなるため出力電流検出回路３内部に備わる電流検出用抵抗器１５に発生する電圧値も低下し、その電圧がツェナーダイオードなどにより設定された基準電圧値以下になると、信号発生回路１６より停止信号（例えばＬｏｗレベルの信号）が生成され、スイッチ駆動回路９ａ〜９ｃを介してスイッチ１１ａ〜１１ｃが遮断状態となり、過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃはバッテリセル８ａ〜８ｃから切り離される。このことからスイッチ１１ａ〜１１ｃが遮断している時には、バッテリセル８ａ〜８ｃが常時負担していた過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃに対する電力は削減される。
【００１１】
図２に出力電流検出回路３とスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃを代表してスイッチ駆動回路９ａの動作の詳細を示し説明する。図２の構成例として信号発生回路１６内部は入力低電圧を増幅する電圧差動増幅回路１７、電圧差動増幅回路１７の出力電圧と基準電圧を比較して動作信号を生成する比較回路１８、基準電圧を生成するツェナーダイオード等の基準電圧発生回路１９、動作信号生成のためのプルアップ電源２０とプルアップ抵抗２１からなり、スイッチ駆動回路９ａ内部は動作信号によりスイッチ１１ａにドライブ信号を送信するためのドライブ信号発生素子２２ａとプルアップ電源２０ａからなる。日陰時から日照時へ移行して定電圧制御回路２の出力電流が上昇すると、出力電流を電圧に変換する電流検出抵抗器１５は出力電圧をゼロから増加させて信号発生回路１６に出力する。負荷装置５やバッテリ７への電力供給を阻害しないために、抵抗器１５は低抵抗値であり、よって出力電圧も低電圧となる。ここで、出力電圧は信号発生回路１６内部の電圧差動増幅回路１７にて増幅され、その電圧が比較回路１８で基準電圧発生回路１９により生成した基準電圧と比較される。出力電圧側が大きい場合に比較回路１８は動作信号（例ではＨｉｇｈレベルの信号）を出力する。動作信号を入力したスイッチ駆動回路９ａは内部のドライブ信号発生素子２２ａがＯＮ動作することでドライブ信号（例ではＨｉｇｈレベルの信号）を出力して、スイッチ１１ａをＯＮ動作することによって過電圧保護回路１０ａをスタンバイ状態にする。一方、日照時から日陰時へ移行して、定電圧制御回路２の出力電流が下降してゼロになると、抵抗器１５の出力電圧はゼロとなり、即ち電圧差動増幅回路１７の出力電圧もゼロとなる。比較回路１８はその電圧が基準電圧発生回路１９により発生した基準電圧と比較して、小さい場合に停止信号（例ではＬｏｗレベルの信号）を出力する。停止信号を入力したスイッチ駆動回路９ａは内部のドライブ信号発生素子２２ａがＯＦＦ動作することで、ドライブ停止信号（例ではＬｏｗレベルの信号）を出力して、スイッチ１１ａをＯＦＦ動作して、過電圧保護回路１０ａをバッテリセル８ａから切り離した状態とする。
【００１２】
図３は、図２記載の電流検出用抵抗器１５の代りに電流センサ２４を備え、信号発生回路１６に代えて電流センサ２４の出力を検出する出力電流検出回路２３を使用した実施例を示す。ここで、図１及び図２の具体例は充電開始時を検出する方法として、出力電流検出回路３内部の電流検出用抵抗器１５にて発生する電圧降下を利用していたが、電流センサを備えて出力電流を電圧値として検出し、比較回路１８を動作させる出力電流検出回路２３に置き換えても同様に動作する。なお、電流センサ２４は、非接触で電流を検出しても良い。これにより、電流検出用抵抗器１５により消費される電力が抑えられるため、ロスが少なくなる。
【００１３】
図４は、図２記載の電流検出用抵抗器１５及び信号発生回路１６に代えて、電圧を直接検出する出力電圧検出回路２５を使用した実施例を示す。ここで、図１及び図２の具体例は充電開始時を検出する方法として、出力電流検出回路３内部の電流検出用抵抗器１５にて発生する電圧降下を利用していたが、定電圧制御回路２の出力電圧を直接モニタし、比較回路１８を動作させる出力電圧検出回路２５に置き換えても同様に動作する。直接電圧を検出するため、前記に比べ精度が向上すると共に、部品点数が減り有利となる。
【００１４】
図５は、図１記載のスイッチ１１ａに代えて、半導体スイッチ２６ａを使用した過電圧保護回路を使用した実施例を示す。バッテリセル８ａと過電圧保護回路１０ａを遮断／導通するスイッチ１１ａはリレー等の開閉装置で構成されているが、半導体２６ａに置き換えても同様に動作する。前記のような機械的開閉装置よりも、半導体スイッチを用いた方が、故障確率が減りより長時間の運用に耐えられる。
【００１５】
図６に日陰時から日照時、更に日照時から日陰時に移行する際の定電圧制御回路２が出力する電圧及び電流の推移を示す。日陰時から日照時に移行した時に定電圧制御回路２は出力電圧２７、出力電流２８共にゼロから上昇する。出力電流検出回路３の場合、出力電流検出回路３は出力電流２８が基準電流値３０を越えた時にスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃに動作信号を送信する。出力電圧検出回路２５の場合、出力電圧検出回路２５は出力電圧２７が基準電圧値２９を越えた時にスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃに動作信号を送信する。次に、日照時から日陰時に移行した時に定電圧制御回路２は出力電圧２７、出力電流２８共にゼロまで下降する。出力電流検出回路３の場合、出力電流検出回路３は出力電流２８が基準電流値３０を下回った時にスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃに停止信号を送信する。出力電圧検出回路２５の場合、出力電圧検出回路２５は出力電圧２７が基準電圧値２９を下回った時にスイッチ駆動回路９ａ〜９ｃに停止信号を送信する。
【００１６】
また、本発明は図１において太陽電池１の出力を利用したバッテリ装置の一例を示したが、太陽電池１の代りに発電機や電源装置等に置き換えても同様に動作する電力システム用バッテリ装置を構成する。
【００１７】
以上から、本発明は過電圧保護回路１０ａ〜１０ｃのスタンバイ状態時に消費していた電力が削減されたことにより、宇宙空間における軌道運用時には消費電力を補うためのトリクル充電が不要となり、運用条件の単純化を計ることができ、地上保管、輸送時にはバッテリ７電圧低下を防止し、バッテリ装置の管理を簡素化することができる。
【００１８】
電力を蓄えるバッテリと、バッテリを充電する電源と、電源の電圧を検出し、電圧が基準電圧よりも高い場合に動作信号を出力する信号発生回路と、バッテリに並列に接続され、バッテリの過電圧を保護する過電圧保護回路と、を備え、過電圧保護回路に備えられる前記過電圧保護回路をオン／オフするスイッチは、信号発生回路からの動作信号により駆動するバッテリ装置により、宇宙空間における軌道運用時には消費した電力を補充するためのトリクル充電を不要とし、運用条件の単純化を図り、地上保管、輸送時にはバッテリ電圧低下を防止することでバッテリ装置の管理を簡素化することができる。
【００１９】
また、前記電源電圧の検出を電流検出用抵抗で行うことで、簡易な構成とすることができる。
【００２０】
電源電圧の検出を電流センサで行うことで、電流検出用抵抗器により消費される電力が抑えられるため、ロスが少なくなる。
【００２１】
電源電圧を直接電圧として検出することで、高い精度で電圧を検出でき、部品点数が減り有利となる。
【００２２】
スイッチがリレースイッチであることで、簡易な構成とすることができる。
【００２３】
スイッチが半導体スイッチであることで、故障確率が減りより長時間の運用に耐えられる。
【００２４】
電源が太陽電池であることで、宇宙空間における軌道運用時には消費した電力を補充するためのトリクル充電を不要とし、運用条件の単純化を図る事ができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は非充電時に過電圧保護回路がスタンバイ状態時に消費していた電力を削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】充電時の検出手段として太陽電池の出力電流を利用し、直列に接続したバッテリセルと各バッテリセルに並列に接続した過電圧保護回路間を遮断／導通させるスイッチ及びスイッチ駆動回路を有する過電圧保護回路を備えたバッテリ装置。
【図２】充電時の検出手段とスイッチ駆動回路の詳細動作を示したバッテリ装置の具体例の一部。
【図３】電流センサにより太陽電池の出力電流を検出するバッテリ装置の具体例の一部。
【図４】定電圧制御回路の出力電圧を直接モニタすることによってスイッチ駆動回路を動作させるバッテリ装置の具体例の一部。
【図５】スイッチを半導体スイッチとしたバッテリ装置の具体例の一部。
【図６】日陰時から日照時、更に日照時から日陰時に移行する際に定電圧制御回路が出力する電圧及び電流の推移図の一例。
【符号の説明】
１    太陽電池
２    定電圧制御回路
３    出力電流検出回路
４    逆流防止ダイオード
５    負荷装置
６    バッテリ充放電制御器
７    バッテリ
８    バッテリセル
９    スイッチ駆動回路
１０  過電圧保護回路
１１  スイッチ
１２  シャント素子
１３  駆動回路
１４  セル電圧検出回路
１５  電流検出用抵抗器
１６  信号発生回路
１７  電圧差動増幅回路
１８  比較回路
１９  基準電圧発生回路
２０  プルアップ電源
２１  プルアップ抵抗
２２  ドライブ信号発生素子
２３  出力電流検出回路
２４  電流センサ
２５  出力電圧検出回路
２６  半導体スイッチ
２７  出力電圧
２８  出力電流
２９  基準電圧値
３０  基準電流値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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