JP3828354B2

JP3828354B2 - バッテリセル用セルシャント回路

Info

Publication number: JP3828354B2
Application number: JP2000380504A
Authority: JP
Inventors: 貴幸日高; 敏男岡村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: FR2818456B1; FR2818456A1; US6388424B1; JP2002186191A

Description

【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〜Ｃ_n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〜Ｓｈ_nを構成する。また、Ｉ_chgはバッテリ充電電流、Ｉ_pはシャント電流、Ｖ_cはセル電圧、Ｖ_s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Ｉ_chgが直列に接続されたリチウムイオンバッテリセルＣ₁〜Ｃ_nに供給され、当該リチウムイオンバッテリセルＣ₁〜Ｃ_n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〜Ｃ_nにはバッテリ充電電流Ｉ_chg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〜Ｃ_n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Ｖ_c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〜Ｃ_n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Ｖ_C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Ｖ_s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Ｉ_chgから余剰となる電流（以下、この電流をシャント電流Ｉ_p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Ｉ_chg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〜Ｓｈ_n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〜Ｃ_n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Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_p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〜Ｃ_n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Ｉ_p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】

【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〜Ｃ_nは従来装置と全く同一のものである。Ｓｈ₁〜Ｓｈ_n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Ｉ_chg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〜Ｒ_nはリチウムイオンバッテリセルＣ₁〜Ｃ_nのセル内部抵抗、Ｉ_chgはバッテリ充電電流、Ｉ_pはシャント電流、Ｉ_celは実際にリチウムイオンバッテリセルＣ₁〜Ｃ_nに流れるセル充電電流、Ｉ_bck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Ｉ_chgに回生させる帰還電流、Ｖ_cはセル電圧、Ｖ_s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Ｖ_c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Ｖ_c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Ｖ_sの第１のヒステリシスレベルＶ_spとを比較し、当該セル電圧Ｖ_cが当該ヒステリシスレベルＶ_sp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Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_p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Ｉ_p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Ｉ_chg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Ｉ_p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Ｉ_p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Ｌ_p、時間をｔとおくと、式（２）で表される。
【００２３】
【数２】

【００２４】
続いて、シャント電流Ｉ_p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Ｉ_celはバッテリ充電電流Ｉ_chgからシャント電流Ｉ_p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Ｉ_cel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Ｖ_c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Ｖ_cが基準電圧Ｖ_sの第２のヒステリシスレベルＶ_ss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Ｖ_sの第２のヒステリシスレベルＶ_ssは第１のヒステリシスレベルＶ_sp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Ｖ_c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Ｉ_bck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Ｉ_bckが流れる継続時間ｔ_offは、リチウムイオンバッテリセルＣ₁のセル電圧をＶ_c、スイッチング素子２の閉時間をｔ_on、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Ｌ_s、フライバックトランス１の一次巻線１ａの巻数をＮ_p、フライバックトランス１の二次巻線１ｂの巻数をＮ_s、リチウムイオンバッテリセルＣ₁〜Ｃ_nのセル電圧合計値をＶ_batとおくと、式（３）で表される。
【００２９】
【数３】

【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I_tは、スイッチング周期をｔ_cとおけば、式（４）で表される。
【００３１】
【数４】

【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Ｉ_p（図２(ａ)）、帰還電流Ｉ_bck（図２(ｂ)）、セル充電電流Ｉ_cel(図２(Ｃ)）、セル充電電流Ｖ_c（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I_t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Ｉ_bckが流れる継続時間ｔ_offの間、帰還電流Ｉ_bckがセル充電電流Ｉ_celに重畳することにより、当該重畳されたセル充電電流Ｉ_cel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Ｉ_bck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Ｖ_c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Ｖ_c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Ｉ_bck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〜Ｃ_n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〜Ｃ_n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〜Ｃ_n、Ｓｈ₁〜Ｓｈ_n、Ｒ₁〜Ｒ_n、Ｉ_chg、Ｉ_p、Ｉ_cel、Ｉ_bck、Ｖ_c、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Ｉ_bck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Ｉ_chgをリチウムイオンバッテリセルＣ₁〜Ｃ_n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Ｉ_chgに帰還電流Ｉ_bckが重畳されることがなく、その結果、セル充電電流Ｉ_celに帰還電流Ｉ_bck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〜Ｃ_n リチウムイオンバッテリセル、Ｒ₁〜Ｒ_n セル内部抵抗、Ｓｈ₁〜Ｓｈ_n セルシャント回路部、Ｉ_chg バッテリ充電電流、Ｉ_bck 帰還電流、Ｉ_cel セル充電電流、Ｉ_p シャント電流、Ｖ_c セル電圧、Ｖ_s 基準電圧、Ｖ_sp 第１のヒステリシスレベル、Ｖ_ss 第２のヒステリシスレベル。

Claims

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。