(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電器により一括充電される複数個直列接続された個々のバッテリセルに対してそれぞれ並列に設けられたバッテリセル用セルシャント回路において、
上記バッテリセルへの充電電流をバイパスさせて当該バッテリセルの後段に設けられたバッテリセルに入力させるようになすとともに、このバイパスさせた充電電流から得た余剰エネルギを保持しておき、当該余剰エネルギを一括充電ラインに回生し得るエネルギ保持手段と、
上記エネルギ保持手段によるバイパス経路を開閉する様に挿入したスイッチング素子と、
上記充電器により一括充電される複数個直列接続された個々のバッテリセルに対して、当該バッテリセルの充電電圧と基準電圧とを比較して、当該充電電圧が当該基準電圧よりも大きいときに、上記スイッチング素子の駆動信号を出力するコンパレータと
を備え、
上記エネルギ保持手段は、上記スイッチング素子が上記バイパス経路を開いた際に上記余剰エネルギを一括充電ラインに回生し、
上記充電器は、外部から入力された交流電流を直流電流に変換する電力変換部と、当該電力変換部からの出力に基づいて一定な直流電流をバッテリセルに出力する電流制御部とからなり、上記電流制御部には、上記電力変換部からの出力と同一方向に上記エネルギ保持手段から上記余剰エネルギが回生される
ことを特徴とするバッテリセル用セルシャント回路。
【請求項２】
請求項１に記載のバッテリセル用セルシャント回路において、
上記バッテリセルの充電電圧検出応答時間を遅らせて検出し、その検出出力を上記コンパレータに出力するロウパスフィルタを備えることを特徴とするバッテリセル用セルシャント回路。
【請求項３】
請求項２に記載のバッテリセル用セルシャント回路において、
上記エネルギ保持手段は、フライバックトランスから成り、当該フライバックトランスの一次巻線に上記バッテリセルの充電電流をバイパスさせるように成すとともに、二次巻線の出力を一括充電ラインに回生するように接続され、当該二次巻線にはその出力を一括充電ライン方向に出力するようにダイオードが接続されている
ことを特徴とするバッテリセル用セルシャント回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は人工衛星や宇宙機に搭載される、例えばリチウムイオンバッテリを構成する複数直列に接続されたリチウムイオンバッテリセルの個々の過充電保護対策として設けられるセルシャント（充電電流分流路）回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のリチウムイオンバッテリセル用セルシャントを示すもので、８はバッテリ充電器、Ｃ1〜Ｃnはリチウムイオンバッテリセル、４はシャントトランジスタ、５は基準電圧発生部、６は差動増幅器を示し、シャントトランジスタ４、基準電圧発生部５及び差動増幅器６によりセルシャント回路部Ｓｈ1〜Ｓｈnを構成する。また、Ｉchgはバッテリ充電電流、Ｉpはシャント電流、Ｖcはセル電圧、Ｖsは基準電圧発生部５が生じる基準電圧である。
【０００３】
従来より、衛星及び宇宙機搭載用バッテリとして用いられるニッケルカドミウムバッテリ及びニッケル水素バッテリにおいては、複数直列接続されたバッテリセルに対して、一括定電流充電を行うことで、バッテリ充電器のリソース削減、信頼性向上を図ってきた。一方、エネルギ密度が高く衛星及び宇宙機搭載用として優れた諸特性を有するリチウムイオンバッテリセルが将来の衛星及び宇宙機搭載用バッテリの主流となりつつある。
【０００４】
ところが、このような一括定電流充電方式においては、個々のセル容量のばらつきに起因してセル毎に充電量のばらつきが生じ、過充電されてしまうバッテリセルが生じる。
【０００５】
特に、リチウムイオンバッテリセルは過充電に対して寿命特性が著しく低下する特性を有しており、これは長寿命化が要求される衛星及び宇宙機搭載用バッテリとしてのウィークポイントとなっている。そこで、その対策として上記の様なリチウムイオンバッテリセル用セルシャントが必要となる。
【０００６】
従来のリチウムイオンバッテリセル用セルシャントは、図４のように構成されており、バッテリ充電器８からバッテリ充電電流Ｉchgが直列に接続されたリチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnに供給され、当該リチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnを一括充電する。この充電により各リチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnにはバッテリ充電電流Ｉchgの充電電流時間積に比例して一様に充電エネルギが貯えられる。その過程において、個々のリチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnは個々に貯えられる充電エネルギ限界即ちセル容量のばらつきに応じてセル電圧Ｖcが上昇し、最もセル容量の小さいものが最初に充電完了電圧に達するが、充電は全てのリチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnが充電完了電圧に達するまで継続して行なわれる。
【０００７】
この充電動作において、例えばリチウムイオンバッテリセルＣ1が最初に充電完了電圧に達した場合、セルシャント回路部Ｓｈ1の差動増幅器６はセル電圧ＶCの値が予め充電完了電圧に等しい値に設定されている基準電圧Ｖsに到達した事を検出してシャントトランジスタ４を駆動し、バッテリ充電電流Ｉchgから余剰となる電流（以下、この電流をシャント電流Ｉpと呼ぶ）を分流させることにより、リチウムイオンバッテリセルＣ1にバッテリ充電電流Ｉchgが供給されない様に動作する。以上の動作がセルシャント回路部Ｓｈ1〜Ｓｈnにおいて同様に行われ、継続する充電動作において各リチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnが過充電になる事を防止する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様なリチウムイオンバッテリセル用セルシャントでは、バッテリ充電電流Ｉchgからシャント電流Ｉpをシャントトランジスタ４により分流させることにより、リチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnが過充電になる事を防止する様になしている。しかしながらシャントトランジスタ４には、シャント電流Ｉpが流れるため、式（１）に示されるように発熱Ｐが生じる。
【０００９】
【数１】
0003828354.tif 000002
【００１０】
この発熱Ｐが衛星及び宇宙機搭載用バッテリシステムの熱設計を困難なものにしており、また充電器のリソース削減、信頼性向上を妨げる要因となっていた。
【００１１】
この発明は、以上の欠点を解決するためになされたもので、バッテリセル用セルシャント回路に生じる熱の発生を押さえることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るバッテリセル用セルシャント回路は、充電器により一括充電される複数個直列接続された個々のバッテリセルに対してそれぞれ並列に設けられており、上記バッテリセルへの充電電流をバイパスさせて当該バッテリセルの後段に設けられたバッテリセルに入力させるようになすとともに、このバイパスさせた充電電流から得た余剰エネルギを保存しておき、当該余剰エネルギを一括充電ラインに回生し得るエネルギ保持手段と、上記エネルギ保持手段によるバイパス経路を開閉する様に挿入したスイッチング素子と、上記充電器により一括充電される複数個直列接続された個々のバッテリセルに対して、当該バッテリセルの充電電圧と基準電圧とを比較して、当該充電電圧が当該基準電圧よりも大きいときに、上記スイッチング素子の駆動信号を出力するコンパレータとを備え、上記エネルギ保持手段は、上記スイッチング素子が上記バイパス経路を開いた際に上記余剰エネルギを一括充電ラインに回生し、上記充電器は、外部から入力された交流電流を直流電流に変換する電力変換部と、当該電力変換部からの出力に基づいて一定な直流電流をバッテリセルに出力する電流制御部とからなり、上記電流制御部には、上記電力変換部からの出力と同一方向に上記エネルギ保持手段から上記余剰エネルギが回生されることを特徴とするものである。
【００１３】
また、上記バッテリセルの充電電圧検出応答時間を遅らせて検出し、その検出出力を上記コンパレータに出力するロウパスフィルタを備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、上記エネルギ保持手段は、フライバックトランスから成り、当該フライバックトランスの一次巻線に上記バッテリセルの充電電流をバイパスさせるように成すとともに、二次巻線の出力を一括充電ラインに回生するように接続され、当該二次巻線にはその出力を一括充電ライン方向に出力するようにダイオードが接続されていることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す回路図であり、８及びＣ1〜Ｃnは従来装置と全く同一のものである。Ｓｈ1〜Ｓｈnはセルシャント回路部、１はフライバックトランス、１aはフライバックトランス１の一次巻線、１bはフライバックトランス１の二次巻線、２はスイッチング素子、３はフライバックトランス１の二次巻線１ｂの出力をバッテリ充電電流Ｉchgに回生させる様に接続されたダイオード、５は基準電圧発生部、７はヒステリシス特性を有するコンパレータ、９はロウパスフィルタ、Ｒ1〜ＲnはリチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnのセル内部抵抗、Ｉchgはバッテリ充電電流、Ｉpはシャント電流、Ｉcelは実際にリチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnに流れるセル充電電流、Ｉbckはフライバックトランス１の二次巻線１ｂからバッテリ充電電流Ｉchgに回生させる帰還電流、Ｖcはセル電圧、Ｖsは基準電圧発生部が生じる基準電圧である。
【００１７】
前記の様に構成されたリチウムイオンバッテリセル用セルシャントにおいて、例えばリチウムイオンバッテリセルＣ1のセル電圧Ｖcが最初に充電完了電圧に達する場合について以下説明する。
【００１８】
セルシャント回路部Ｓｈ1のコンパレータ７は、リチウムイオンバッテリセルＣ1のセル電圧Ｖcと、予めリチウムイオンバッテリセルＣ1の充電完了電圧に相当する値に設定されている基準電圧Ｖsの第１のヒステリシスレベルＶspとを比較し、当該セル電圧Ｖcが当該ヒステリシスレベルＶspよりも大きいことを検出するときにスイッチング素子２を駆動する駆動信号を出力する。そして、スイッチング素子２は、かかる駆動信号に基づいてオン駆動する。
【００１９】
その結果、今までスイッチング素子２によって開かれていたリチウムイオンバッテリセルＣ1に対するバイパス経路が閉じて、フライバックトランス１の一次巻線１aにバッテリ充電電流Ｉchgからシャント電流Ｉpが分流されて流れる。
【００２０】
ここで、エネルギ保持手段としてのフライバックトランス１において、シャント電流Ｉpは、一次巻線１ａを流れることによりリチウムイオンバッテリセルＣ1へのバッテリ充電電流Ｉchgの流入が抑えられる。このとき、このフライバックトランス１には、シャント電流Ｉpから得た電気的エネルギ（以下、これを余剰エネルギと呼ぶ）が保持される。
【００２１】
また、このようにスイッチング素子２がオン状態のとき、フライバックトランス１の二次巻線１bの出力はダイオード３によりカットオフ状態になる様に接続されている。
【００２２】
そして、かかるシャント電流Ｉpは、フライバックトランス１の一次巻線１aのインダクタンスをＬp、時間をｔとおくと、式（２）で表される。
【００２３】
【数２】
0003828354.tif 000003
【００２４】
続いて、シャント電流Ｉpは、式（２）に示される通りスイッチング素子２がオン駆動されている間上昇を続けるため、リチウムイオンバッテリセルＣ1に流れるセル充電電流Ｉcelはバッテリ充電電流Ｉchgからシャント電流Ｉpを減じた結果となり下降を続ける。その結果、セル充電電流Ｉcelとの積によって生じるセル内部抵抗Ｒ1の電圧降下が低下することによりセル電圧Ｖcが低下して、セルシャント回路部Ｓｈ1のコンパレータ７は、セル電圧Ｖcが基準電圧Ｖsの第２のヒステリシスレベルＶssを下回ることを検出して、スイッチング素子２への駆動信号の出力を中止する。これよりスイッチング素子２は、オフ駆動する。
【００２５】
この基準電圧Ｖsの第２のヒステリシスレベルＶssは第１のヒステリシスレベルＶspよりも低く設定されており、これらヒステリシスレベル間に差を設けることによって、セル電圧Ｖcの微動な変動によりスイッチング素子２のオン／オフ動作が不安定になって発振することを防止している。
【００２６】
次いで、スイッチング素子２が閉状態から開状態に切替わる場合について説明する。
まず、スイッチング素子２が閉状態にある間は、フライバックトランス１の二次巻線１ｂにダイオード３がカットオフ状態になる様に接続されている。またダイオード３は、二次巻線１ｂの出力を一括充電ラインに回生させる様に接続されている。
【００２７】
ここで、フライバックトランス１は、スイッチング素子２が閉状態から開状態に切替わると、当該切替わった瞬間に、上述のように保持していた余剰エネルギを帰還電流Ｉbckとして一括充電ラインに回生する。
【００２８】
因みに、かかる帰還電流Ｉbckが流れる継続時間ｔoffは、リチウムイオンバッテリセルＣ1のセル電圧をＶc、スイッチング素子２の閉時間をｔon、フライバックトランス１の二次巻線１ｂのインダクタンスをＬs、フライバックトランス１の一次巻線１ａの巻数をＮp、フライバックトランス１の二次巻線１ｂの巻数をＮs、リチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnのセル電圧合計値をＶbatとおくと、式（３）で表される。
【００２９】
【数３】
0003828354.tif 000004
【００３０】
以上のように、スイッチング素子２のオン／オフ動作が繰返される状態において、リチウムイオンバッテリセルＣ1に充電される充電電流時間積Itは、スイッチング周期をｔcとおけば、式（４）で表される。
【００３１】
【数４】
0003828354.tif 000005
【００３２】
図２は、以上の式（２）、式（３）及び式（４）で用いられたシャント電流Ｉp（図２(ａ)）、帰還電流Ｉbck（図２(ｂ)）、セル充電電流Ｉcel(図２(Ｃ)）、セル充電電流Ｖc（図２(ｄ)）、及びスイッチング素子開閉動作タイミング(図２(ｅ)）の動作を時間の経過に対応して示す。
【００３３】
以上のように、スイッチング素子２がオン／オフ動作した結果、式（４）で示される充電電流時間積Itがゼロになる動作を行うことにより、リチウムイオンバッテリセルＣ1の過充電を防止することができる。
【００３４】
さらに、フライバックトランス１は、バッテリ充電器８から供給される余剰エネルギを一括充電ラインに回生することにより、セルシャント回路部Ｓｈ1における発熱を押さえることができる。
【００３５】
なお、図２において、帰還電流Ｉbckが流れる継続時間ｔoffの間、帰還電流Ｉbckがセル充電電流Ｉcelに重畳することにより、当該重畳されたセル充電電流Ｉcelとの積によって生じるセル内部抵抗Ｒ1の電圧降下が上昇し、これによってコンパレータ７が、帰還電流Ｉbckが流れている途中でスイッチング素子２をオン駆動してしまう恐れがある。
【００３６】
そこで、このセルシャント回路部Ｓｈ1では、セル電圧Ｖcを検出するコンパレータ７の入力端にロウパスフィルタ９を設け、当該ロウパスフィルタ９がセル電圧Ｖcの検出応答時間を遅らせて検出し、その検出結果をコンパレータ７に出力する。これにより、上述のように帰還電流Ｉbckが流れている途中でコンパレータ７がスイッチング素子２をオン駆動してしまうことを防止し得るようになされている。
【００３７】
以上の動作が他のリチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnに対しても同様に行われ、継続する充電動作において各リチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnの過充電を防止することができる。
【００３８】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２を示す回路図であり１、１ａ、１ｂ、２、３、５、７、８、Ｃ1〜Ｃn、Ｓｈ1〜Ｓｈn、Ｒ1〜Ｒn、Ｉchg、Ｉp、Ｉcel、Ｉbck、Ｖc、Ｖｓは従来装置と全く同一のものである。８ａはバッテリ充電器８の電流制御部、８ｂはバッテリ充電器８の電力変換部である。
【００３９】
そして電力変換部８ｂは、外部から入力された交流電流を直流電流に変換して出力し、電流制御部８ａは、電力変換部８ｂからの出力に基づいて一定な直流電流を出力するようになされている。
【００４０】
また、前記の様に構成されたリチウムイオンバッテリセル用セルシャントにおいて、フライバックトランス１の二次巻線１ｂからの出力が、電流制御部８ａと電力変換部８ｂとの間に回生させる様に接続されている。
【００４１】
そして、電流制御部８ａは、常に一定の電流を出力するように制御されているため、フライバックトランス１の二次巻線１ｂから帰還電流Ｉbckが供給されたか否かに関わらず常に一定なバッテリ充電電流ＩchgをリチウムイオンバッテリセルＣ1〜Ｃnに出力し得るようになされている。
【００４２】
すなわち、リチウムイオンバッテリセル用セルシャントでは、第１の実施の形態で示したようなバッテリ充電電流Ｉchgに帰還電流Ｉbckが重畳されることがなく、その結果、セル充電電流Ｉcelに帰還電流Ｉbckが重畳することがなくなり、従って、第１の実施の形態において当該重畳を時間的な変化を遅らせることで取り除くようにしたロウパスフィルタ９を不要にした。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、個々のバッテリセルの過充電保護対策として設けられたセルシャント回路部において、熱の発生源となるセル電圧とシャント電流の積によって生じる余剰エネルギを、フライバックトランスを経由して帰還電流としてバッテリ充電電流に回生させることにより、かかる余剰エネルギが熱として消費され発熱することを防止できる。
【００４４】
また、コンパレータの検出電圧応答時間をロウパスフィルタによって遅らせることにより、スイッチング素子が不要に駆動してしまうことを防止できる。
【００４５】
また、二次巻線から回生される余剰エネルギが電流制御部に与えられることにより、常に一定な充電電流をバッテリセルに入力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明によるリチウムイオンバッテリセル用セルシャントの実施の形態１を示す構成図である。
【図２】  この発明によるリチウムイオンバッテリセル用セルシャントの実施の形態１における各部の動作状態を示すタイムチャートである。
【図３】  この発明によるリチウムイオンバッテリセル用セルシャントの実施の形態２を示す構成図である。
【図４】  従来のリチウムイオンバッテリセル用セルシャントを示す構成図である。
【符号の説明】
１  フライバックトランス、２  スイッチング素子、３  ダイオード、４  シャントトランジスタ、５  基準電圧発生部、６  差動増幅器、７  コンパレータ、８  バッテリ充電器、８ａ  電流制御部、８ｂ  電力変換部、９  ロウパスフィルタ、Ｃ1〜Ｃn  リチウムイオンバッテリセル、Ｒ1〜Ｒn  セル内部抵抗、Ｓｈ1〜Ｓｈn  セルシャント回路部、Ｉchg  バッテリ充電電流、Ｉbck  帰還電流、Ｉcel  セル充電電流、Ｉp  シャント電流、Ｖc  セル電圧、Ｖs  基準電圧、Ｖsp  第１のヒステリシスレベル、Ｖss  第２のヒステリシスレベル。
【図１】
0003828354.tif 000006
【図２】
0003828354.tif 000007
【図３】
0003828354.tif 000008
【図４】
0003828354.tif 000009