(57)【要約】【課題】電池に充電された電力を無駄に消費することなく、電池のアンバランスを解消する。【解決手段】電源装置は、直接に接続している複数の電池１と、各々の電池１の残容量を検出して残容量が設定値よりも大きい過大容量電池を検出して、過大容量電池と判定された電池１をコンデンサ３又は予備電池４に接続して、過大容量電池の残容量を小さくして電池１の残容量をバランスさせる均等化回路２と、コンデンサ３又は予備電池４に充電された電力を負荷に供給する電力供給回路５とを備える。電源装置は、過大容量電池でコンデンサ３又は予備電池４を充電し、コンデンサ３又は予備電池４から負荷に電力を供給して、各々の電池１の残容量を均一化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続している複数の電池(1)と、各々の電池(1)の残容量を検出して残容量が設定値よりも大きい過大容量電池を検出して、過大容量電池と判定された電池(1)をコンデンサ(3)又は予備電池(4)に接続して、過大容量電池の残容量を小さくして電池(1)の残容量をバランスさせる均等化回路(2)と、コンデンサ(3)又は予備電池(4)に充電された電力を負荷に供給する電力供給回路(5)とを備え、
過大容量電池でコンデンサ(3)又は予備電池(4)を充電し、コンデンサ(3)又は予備電池(4)から負荷に電力を供給して、各々の電池(1)の残容量の均一化するようにしてなる電源装置。
【請求項２】
コンデンサ(3)又は予備電池(4)が、電池(1)の温度を制御する温度制御機器(8)に電力を供給する請求項１に記載される電源装置。
【請求項３】
コンデンサ(3)又は予備電池(4)が、電池(1)に強制送風するファンのモーターに電力を供給する請求項１に記載される電源装置。
【請求項４】
コンデンサ(3)又は予備電池(4)が、電池(1)に冷却媒体を供給して電池温度を設定温度とする循環ポンプのモーターに電力を供給する請求項１に記載される電源装置。
【請求項５】
コンデンサ(3)又は予備電池(4)が、電池温度を設定温度に保持するペルチェ素子に電力を供給する請求項１に記載される電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の電池を直列に接続している電源装置であって、各々の電池の残容量を均一に保持して、特定電池の過充電や過放電を防止しながら電池を充放電させる電源装置に関する。とくに、本発明は、車両を走行させるモーターに電力を供給する電源として最適な電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の電池を直列に接続している電源装置は、種々の用途に使用される。とくに、このタイプの電源装置は、直列に接続する電池の個数を増加して出力電圧を高くできるので、高出力が要求される用途、たとえば車両を駆動するモーターの電源に使用される。多数の電池を直列に接続して充電させると、全ての電池に同じ電流が流れるにもかかわらず、次第に各々の電池にアンバランスが生じる。それは、全ての電池の電気特性あるいは充放電時の環境（たとえば、温度のバラツキ）を均一にできないからである。劣化して容量が小さくなった電池は、他の電池に比べて過充電され、あるいは過放電されやすくなる。電池の過充電と過放電は電池性能を低下させる原因となる。とくに、多数の電池を直列に接続している電源装置では、特定の電池の性能低下は、全体に影響を与える。劣化した電池を保護しながら、充放電をコントロールするからである。
【０００３】
この欠点を解消するために、直列に接続している電池に放電回路を接続し、放電回路で電池の電圧バランスを揃える方法が開発されている。（特許文献１参照）
【特許文献１】特開平５−４９１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上の公報に記載される装置は、図１に示すように、電池２１と並列に放電回路２２を接続している。放電回路２２は、放電抵抗２７とスイッチング素子２８とを直列に接続している。放電回路２２は、スイッチング素子２８をオンに切り換えて、接続している電池２１を放電抵抗２７で放電させる。スイッチング素子２８は、電池電圧を設定電圧に比較するコンパレータ２３の出力でオンオフに制御される。
【０００５】
この電圧バランス回路を含む電源装置は、いずれかの電池２１の電圧が設定電圧よりも高くなると、この電池２１を接続しているコンパレータ２３がスイッチング素子２８をオンに切り換える。電圧が設定電圧よりも高くならない電池２１に接続しているコンパレータ２３は、スイッチング素子２８をオンに切り換えないでオフの状態となる。この状態になると、オンに切り換えられたスイッチング素子２８が、放電抵抗２７を介して電池２１を放電させる。スイッチング素子２８がオンに切り換えられない放電回路２２は、これを接続している電池２１を放電させない。スイッチング素子２８と放電抵抗２７とで放電される電池２１は、電圧が次第に低下して、放電を停止する電圧よりも低くなると、スイッチング素子２８がオンからオフに切り換えられて放電が停止される。
【０００６】
この電源装置は、電圧が高い電池、すなわち残容量の大きい電池を抵抗で放電させる。このため、電池のアンバランスを解消するために、抵抗が無駄に電力を消費する。抵抗で消費される電力は、充電器（図示せず）で電池に供給されるので、この装置は、電池のアンバランスを解消するために、電力を無駄に消費する欠点がある。
【０００７】
本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電池に充電された電力を無駄に消費することなく、電池のアンバランスを解消でき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】
【０００８】
本発明の電源装置は、直接に接続している複数の電池１と、各々の電池１の残容量を検出して残容量が設定値よりも大きい過大容量電池を検出して、過大容量電池と判定された電池１をコンデンサ３又は予備電池４に接続して、過大容量電池の残容量を小さくして電池１の残容量をバランスさせる均等化回路２と、コンデンサ３又は予備電池４に充電された電力を負荷に供給する電力供給回路５とを備える。電源装置は、過大容量電池でコンデンサ３又は予備電池４を充電し、コンデンサ３又は予備電池４から負荷に電力を供給して、各々の電池１の残容量を均一化する。
【０００９】
本発明の電源装置は、コンデンサ３又は予備電池４が、電池１の温度を制御する温度制御機器８に電力を供給することができる。本発明の電源装置は、コンデンサ３又は予備電池４が、電池１に強制送風するファンのモーターに電力を供給し、あるいは、電池１に冷却媒体を供給して電池温度を設定温度とする循環ポンプのモーターに電力を供給し、あるいはまた、電池温度を設定温度に保持するペルチェ素子に電力を供給することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電源装置は、電池に充電された電力を無駄に消費することなく、電池のアンバランスを解消できる特徴を実現する。それは、本発明の電源装置が、電池の残容量を検出して過大容量電池と判定された電池を、コンデンサや予備電池に接続し、過大容量電池をコンデンサや予備電池に放電して残容量を小さくし、過大容量電池で充電されたコンデンサや予備電池の電力を負荷に供給して有効に利用するからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【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」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２と図３に示す電源装置は、直接に接続している複数の電池１と、各々の電池１の残容量のアンバランスを解消して均等化する均等化回路２と、残容量の大きい電池１で充電されたコンデンサ３や予備電池４を放電させる電力供給回路５とを備える。
【００１４】
電池１はリチウムイオン電池１である。ただ、電池は、リチウムイオン電池に代わって、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池等の充電できる全ての電池とすることができる。電池１は、各々を直列に接続し、あるいは複数の電池を直列に接続して電池モジュールとし、さらに複数の電池モジュールを直列に接続している。
【００１５】
均等化回路２は、各々の電池１の残容量を検出して残容量が設定値よりも大きい過大容量電池を検出する検出部６と、この検出部６でスイッチングされるスイッチ７とを備える。図の検出部６は、電池１の電圧で残容量を検出し、電池電圧が設定電圧よりも大きい電池１を過大容量電池と判定する。ただ、均等化回路は、電池の電圧のみでなく、充放電の電流や温度から残容量を検出して、残容量が設定容量よりも大きい電池を過大容量電池と判定することもできる。均等化回路２は、理想的には、全ての電池１の残容量を別々に検出して過大容量電池を検出する。ただ、均等化回路は、必ずしも全ての電池の残容量を検出することなく、複数の電池を直列に設定している電池モジュールの残容量を検出して、電池モジュールを単位として、過大容量電池を検出することもできる。
【００１６】
均等化回路２は、検出部６でスイッチ７を制御して、過大容量電池と判定した電池１をコンデンサ３又は予備電池４に接続して、過大容量電池をコンデンサ３や予備電池４に放電させる。いいかえると、コンデンサ３や予備電池４を過大容量電池で充電する。均等化回路２のスイッチ７は、オンオフに切り換えるデューティーで過大容量電池がコンデンサ３や予備電池４を充電する平均電流をコントロールできる。とくに、完全に放電されたコンデンサ３に過大容量電池を接続すると、接続した瞬間に大きな放電電流が流れる。放電電流を制限するために、スイッチ７を所定の周期でオンオフに切り換えて、平均電流を小さくできる。スイッチ７をオンオフに切り換えるデューティーを小さく、すなわちオフ時間に対するオン時間を短くして、平均電流を小さくできる。このように、スイッチ７をオンオフに切り換えるデューティーで平均電流を制限する均等化回路２は、スイッチ７と直列に電流制限抵抗を接続することなく、過大容量電池の放電電流を制限できる。この回路は、電流制限抵抗の電力消費を皆無にして、過大容量電池で効率よくコンデンサ３や予備電池４を充電できる。
【００１７】
コンデンサ３や予備電池４を充電する過大容量電池は、充電するにしたがって残容量が小さくなる。コンデンサ３や予備電池４を充電して、残容量が小さくなると、均等化回路２の検出部６はスイッチ７をオンからオフに切り換えて、放電を停止させる。
【００１８】
電池１の残容量は充電されて増加し、放電されて減少する。したがって、電池１の残容量が設定値を越えるのは、充電されて残容量が次第に増加するときである。充電されて残容量が設定値を越えた過大容量電池は、均等化回路２でコンデンサ３や予備電池４に放電される。均等化回路２は、電池１を充電しているときに、過大容量電池を放電し、あるいは充電が終了した後に過大容量電池を放電し、あるいはまた充電してるときと充電を終了したときの両方のタイミングに過大容量電池を放電させる。したがって、本発明は、過大容量電池をコンデンサ３や予備電池４に放電させるタイミングを、電池１を充電しているときに特定しない。電池１を充電してるときに、過大容量電池のみを放電させて、過大容量電池の残容量の増加を少なく、あるいは減少させて、残容量を均等化でき、また充電を停止し、あるいは終了するタイミングで、過大容量電池を放電させて残容量を小さくできるからである。
【００１９】
図２と図３の電源装置は、車両に搭載されるもので、インバータ１１とモーターゼネレータ１２からなる発電機１０を接続している。インバータ１１は、電源装置の直流を交流に変換すると共に、所定の電圧を昇圧してモーターゼネレータ１２に供給する。また、インバータ１１は、モーターゼネレータ１２で発電される交流を、直流に変換すると共に、電源装置の電池１を充電する電圧に変換する。インバータ１１は、車両に搭載される車両ＥＣＵ（図示せず）に制御されて、電池１からモーターゼネレータ１２に電力を供給してモーターで車両を駆動する。また、車両を制動する回生制動で、あるいは車両のエンジンでモーターゼネレータ１２が回転されるとき、モーターゼネレータ１２は発電する。モーターゼネレータ１２の発電電力は、インバータ１１を介して電源装置に供給されて電池１を充電する。図の車両に搭載される発電機１０は、モーターとゼネレータに併用されるモーターゼネレータ１２で電源装置の電池１を充電する。ただ、車両の発電機は、モーターと別にゼネレータを設け、このゼネレータの出力をインバータで電源装置に供給して電池を充電することもできる。
【００２０】
モーターゼネレータ１２やゼネレータで充電される電池１は、直列に接続されて同じ電流で充電されるが、全ての電池１の残容量は等しくならない。このため、均等化回路２は、各々の電池１の残容量を検出し、電池１の残容量が設定値よりも大きくなると過大容量電池と判定して、強制的に放電させる。過大容量電池はコンデンサ３や予備電池４を充電して放電される。したがって、過大容量電池が放電された状態で、コンデンサ３や予備電池４が充電された状態となる。
【００２１】
電力供給回路５は、充電されたコンデンサ３や予備電池４を負荷に接続して放電させる。図の電力供給回路５は、コンデンサ３又は予備電池４を、電池１の温度を制御する温度制御機器８に接続して、温度制御機器８に電力を供給する。車両用の電源装置は、電池１を大きな電流で充放電させるので、電池１の温度が高くなることがある。とくに、外気温度が高いときに大電流で充放電させると、電池温度が高くなる。電池１は温度が高くなる状態で充放電させると、劣化が大きくなって寿命が短くなる。また、充電効率や放電効率が温度によって変化するので、電池１に温度差ができると残容量に差ができる等の弊害がある。この弊害を防止するために、車両用の電源装置は、温度が高くなった電池１を冷却する温度制御機器８を備える。
【００２２】
電池１を冷却する温度制御機器８は、電池に強制送風して冷却するファン、電池に冷却媒体を供給して電池温度を設定温度とする循環ポンプ、電池温度を設定温度に保持するペルチェ素子等である。電池に強制送風するファンはモーターで駆動される。電力供給回路５は、過大容量電池で充電されたコンデンサ３や予備電池４を強制送風するファンのモーターに接続して、ファンを回転することができる。また、電力供給回路５は、電池１に熱結合させている熱交換効器に冷却媒体を循環させる循環ポンプのモーターに、コンデンサ３や予備電池４を接続して、循環ポンプを運転することもできる。さらに、電力供給回路５は、コンデンサ３や予備電池４を、電池１に熱結合しているペルチェ素子に接続し、ペルチェ素子に通電して、電池１を冷却することもできる。ペルチェ素子は電流の方向で発熱と吸熱を切り換えできる。したがって、電池１に熱結合されるペルチェ素子は、電流の方向を制御して、過冷却された電池１を加温することもできる。
【００２３】
コンデンサ３や予備電池４が、電池１の温度制御機器８に電力を供給する装置は、過大容量電池の余剰電力を極めて効率よく利用できる。それは、特定の電池１が過大容量電池となるときに、電池温度が高くなるからである。電池１は満充電されると温度が高くなる性質がある。したがって、いずれかの電池１が過大容量電池となるとき、電池１の温度はほとんど例外なく高くなっている。したがって、過大容量電池でコンデンサ３や予備電池４が充電されるとき、電池１の温度は高くなっている。コンデンサ３や予備電池４は、自己放電して充電された容量が次第に少なくなる。とくに、コンデンサ３は、予備電池４に比較して、充電された容量が時間と共に減少する。このため、過大容量電池で充電されてから、放電されるまでの時間が短いほど、コンデンサ３や予備電池４の充電電力を有効に利用できる。コンデンサ３や予備電池４に充電されるときに、電池温度が高くなることから、コンデンサ３や予備電池４で電池１を冷却するファンモーターや循環ポンプを運転し、あるいはペルチェ素子に通電して電池１を冷却する装置は、コンデンサ３の自己放電を少なくして、充電された電力を有効に無駄なく温度制御機器８に供給できる。
【００２４】
コンデンサ３は、放電させるにしたがって電圧が低下する。したがって、コンデンサ３を温度制御機器８に接続して、モーターを回転し、あるいはペルチェ素子に通電する電力供給回路５は、コンデンサ３の電圧を安定化するインバータを内蔵する。インバータは、コンデンサ３の電圧が低下するにしたがって、出力電圧を昇圧して出力電圧を一定に安定化させる。この電力供給回路５は、コンデンサ３に蓄えられる電力を効率よく、温度制御機器８等の負荷に供給して充分に放電できる。予備電池４は、残容量に対する出力電圧の低下がコンデンサ３に比較して小さい。このため、インバータを介することなく、温度制御機器８等の負荷に電力を供給して放電できる。ただ、予備電池４も残容量が減少するにしたがって出力電圧が低下するので、インバータを介して温度制御機器８等の負荷に電力を供給して、効率よく放電できる。
【００２５】
コンデンサ３や予備電池４は、過大容量電池を放電させた電力で充電される。このため、コンデンサ３や予備電池４の充電される電力は制限される。したがって、コンデンサ３や予備電池４から温度制御機器８等の負荷に電力を供給して、コンデンサ３や予備電池４が完全放電された後、さらに温度制御機器８等の負荷に電力を供給する必要があれば、車両に搭載している電装用バッテリ（図示せず）から電力が供給される。
【００２６】
以上の電源装置は、過大容量電池で充電されたコンデンサ３や予備電池４の負荷として、温度制御機器８を使用する。ただ、車両に搭載される電源装置は、電池１の温度をコントロールする温度制御機器８のみでなく、車両の空調に使用されるファン、あるいはオーディオ機器等に電力を供給することもできる。
【００２７】
以上の電源装置が各々の電池１の残容量を均一化するステップを、図４のタイミングチャートを用いて詳述する。なお、以下の説明では、図２に示す電源装置を使用して、各々の電池１の残容量を均一化する工程を示している。
【００２８】
［ステップ１］
このステップでは、過大容量電池を放電させてコンデンサ３を充電する。
(1)  電池Ｂ1の容量Ｃ1が電池Ｂ2の容量Ｃ2よりも大きいとき、電池Ｂ1を過大容量電池として電池Ｂ1を放電する。
(2)  時刻ｔ1において、ＳＷ1とＳＷ3をオンとする。この状態で電池Ｂ1がコンデンサ３に接続されて、電池Ｂ1から放電される電流でコンデンサ３が充電される。
(3)  電池Ｂ1を時刻ｔ2まで放電させて、電池Ｂ1の容量をＣ3まで減少させる。時刻ｔ2において、ＳＷ1とＳＷ3をオフに切り換える。
このステップにおいて、電池Ｂ1は、容量Ｃ1−Ｃ3が放電され、コンデンサ３は、容量Ｃ4（Ｃ4＝Ｃ1−Ｃ3）が充電される。
【００２９】
［ステップ２］
このステップでは、充電されたコンデンサ３を放電して容量が少ない電池Ｂ2を充電する。
(1)  電池Ｂ2の容量Ｃ2が、放電後の電池Ｂ1の容量Ｃ3よりも小さいとき、コンデンサ３を放電して電池Ｂ2を充電する。
(2)  時刻ｔ3において、ＳＷ2とＳＷ4をオンに切り換える。この状態でコンデンサ３が電池Ｂ2に接続されて、コンデンサ３から放電される電流で電池Ｂ2が充電される。
(3)  コンデンサ３を時刻ｔ4まで放電させて、電池Ｂ2の容量をＣ3まで増加させる。時刻ｔ4において、ＳＷ2とＳＷ4をオフに切り換える。
このステップにおいて、コンデンサ３は容量Ｃ4−Ｃ5を放電し、この放電によって、電池Ｂ2は、容量Ｃ3−Ｃ2（Ｃ3−Ｃ2＝Ｃ4−Ｃ5）が充電される。この状態で各電池の容量がＣ3となって均一化される。
【００３０】
このステップでは、充電されたコンデンサ３で容量の少ない電池Ｂ2を充電するので、放電と充電の両方で各々の電池１の残容量を均一化できる特長がある。ただ、充電されたコンデンサは、必ずしも容量の少ない電池を充電することなく、温度制御機器８のみに放電することもできる。このときは、ステップ１における過大容量電池の放電量を調整して、各電池の容量を均一化する。
【００３１】
［ステップ３］
このステップでは、充電されたコンデンサ３に残存する電力を放電する。
(1)  時刻ｔ5において、ＳＷ5をオンに切り換える。この状態でコンデンサ３が温度制御機器８に接続されて放電される。
(3)  コンデンサ３を時刻ｔ6まで放電させて、コンデンサ３の容量を０にする。時刻ｔ6において、ＳＷ5をオフに切り換える。
このステップにおいて、コンデンサ３は容量Ｃ5を放電する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の電源装置の回路図である。
【図２】本発明の一実施例にかかる電源装置のブロック図である。
【図３】本発明の他の実施例にかかる電源装置のブロック図である。
【図４】図２に示す電源装置が各電池の残容量を均一化する工程を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１…電池
２…均等化回路
３…コンデンサ
４…予備電池
５…電力供給回路
６…検出部
７…スイッチ
８…温度制御機器
１０…発電機
１１…インバータ
１２…モーターゼネレータ
２１…電池
２２…放電回路
２３…コンパレータ
２７…放電抵抗
２８…スイッチング素子
【図１】
2007014148.tif 000003
【図２】
2007014148.tif 000004
【図３】
2007014148.tif 000005
【図４】
2007014148.tif 000006