JP2010124597A - エネルギー蓄積装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、電圧変換効率の高い、ノイズの少ない電源回路を有するエネルギー蓄積装置を提供することを課題とする。また、多段構成の二次電池モジュールの各電池の消費電流差を小さくして、エネルギー蓄積装置内の二次電池容量を長時間に渡って確保できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】本発明では、定電流回路と定電圧回路（シャントレギュレータ）を組み合わせた電源回路を有するエネルギー蓄積装置を提供する。また、バッテリーマネジメント回路を複数直列し、大規模エネルギー蓄積装置を構成した場合には、各バッテリーマネジメント回路に内蔵あるいは併設された定電流回路を縦列接続することで、グランドを基準として動作するマイクロコンピュータに定電圧を供給できるようにしたエネルギー蓄積装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池を使った電源装置、たとえばＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）のエネルギー蓄積装置に関する。

二次電池を使った電源装置、たとえばＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）のエネルギー蓄積装置には、２００Ｖ以上の高電圧が要求される。二次電池として一般的に使われるものは、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池やリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池であるが、二次電池１本あたりの平均電圧は、ニッケル水素電池で約１．２Ｖ、リチウムイオン電池で約３．６Ｖである。よって、２００Ｖのエネルギー蓄積装置を構成するためには、ニッケル水素電池で１６７本、リチウムイオン電池で５６本を直列に接続する事になる。

ここで、エネルギー蓄積装置に二次電池を使用する場合、以下の理由などにより、「電池電圧」、「充電電流」、「放電電流」および「温度」を測定する必要がある。まず、二次電池への過度な充電で電池電圧が上昇すると、電池の加熱などの危険性が高まってしまう。逆に、二次電池からの過度な放電で電池電圧が下降すると二次電池のサイクル特性を劣化させてしまう。また、リチウムイオン電池では、充電方法が定電流−定電圧充電（ＣＣ−ＣＶ）に規定されているので、充電電流管理が必須である。さらに、二次電池が短絡された場合には、過大な電流での放電が継続され、負荷となる周辺装置を破壊してしまう恐れがあるため、過電流検出回路などが要求される。負荷が短絡されていない場合でも、過大な電流での放電が継続されると二次電池自体が発熱し、危険性をともなうために温度管理も重要である。

これら二次電池の管理には、電気回路が応用され、小型化のためにバッテリーマネジメントＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）として開発、設計される。そして、二次電池にバッテリーマネジメントＩＣなどを接続したユニットで、エネルギー蓄積装置を構成したりする。ここで、図６に、二次電池１を複数直列に接続した二次電池モジュール２にバッテリーマネジメントＩＣ７を繋いだ構成例を示す。

バッテリーマネジメントＩＣ７は、マルチプレクサ３、電源回路４、ＡＤＣ６と、これらを制御するためのコントロール回路５などで構成される。マルチプレクサ３は、二次電池モジュール２を構成する複数の二次電池１の電圧を順次、ＡＤＣ６に入力できる機能をもつ。ＡＤＣ６は、入力された各二次電池１のアナログ電圧をデジタル信号に変換してバッテリーマネジメントＩＣ７の外部に出力する。これらの接続順序、タイミングなどを制御するのがコントロール回路５である。

また、特にＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）用のエネルギー蓄積装置は、主動力源になるので、走行距離を判断するために、二次電池の残量検出機能も要求される。そこで、二次電池の残量を精度良く判定するため、電池電圧および温度を測定し、これらをパラメータとして総合的に残量を計算するため、マイクロコンピュータ９がバッテリーマネジメントＩＣ７に接続されたりする。

なお、ＩＣの絶対最大定格は一般的に数１０Ｖである。よって、図６に示すように一つのバッテリーマネジメントＩＣ７で管理することができる電池の本数は限られてしまう。例えば、ＩＣの絶対最大定格が４０Ｖであった場合には、二次電池にリチウムイオン電池を選択すると８本以下の直列が妥当な本数である。

しかし、ＨＥＶ用のエネルギー蓄積装置では、総電池電圧が２００Ｖ程度である。よって、ＨＥＶ用のエネルギー蓄積装置などにおいては、全ての電池を一つのバッテリーマネジメントＩＣ７で管理することができない。そこで、かかる場合には、図７に示すように、電池を一つのバッテリーマネジメントＩＣ７の絶対最大定格内で最多に許容できる電池本数単位に分割し、複数のバッテリーマネジメントＩＣを利用して電池管理をすることになる。

ここで、前記バッテリーマネジメントＩＣ７やマイクロコンピュータ９を動作させるための電圧は、二次電池１を複数直列に接続した二次電池モジュール２からとるのが一般的であるが、一般的なマイクロコンピュータ９やバッテリーマネジメントＩＣ７のＡＤＣ６の動作電圧は３．３Ｖあるいは５．０Ｖが一般的である。

しかしながら前記の通り、二次電池１を複数直列に接続した二次電池モジュール２の総電圧は数１０Ｖまたは数１００Ｖになってしまい、当該電圧をマイクロコンピュータ９やＡＤＣ６へ直接には与えられない。

そこで、図６、７に示すようなバッテリーマネジメント回路７においては、二次電池モジュール２の総電圧をマイクロコンピュータ９やＡＤＣ６に供給することが可能な値に降圧するための電源回路４が必要となる。

なお、マイクロコンピュータ９やＡＤＣ６への電圧供給を、二次電池モジュール２の中点からとすることも考えられるが、この場合には、複数の二次電池１の間の電流消費に差が生まれ、二次電池モジュール２内の二次電池１の電圧にばらつきが生じる。二次電池１の放電時間は、二次電池モジュール２内の最低電池電圧で決まり、充電時間は二次電池モジュール２の最高電池電圧で制限される。二次電池モジュール２内で電池電圧にばらつきが生じると、二次電池モジュール２の容量が等価的に小さくなる問題が発生する。よって、当該手段は妥当でない。

ここで、従来の電源回路４を実現する手段としては、コイルを使った「スイッチングレギュレータ方式」や「ＬＤＯ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐｏｕｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）方式」がある。

しかしながら、スイッチングレギュレータ方式は、電圧の変換効率が高いものの、コイルを使うために部品コストが高くなる他、スイッチングノイズを発生してしまう。このスイッチングノイズがマイクロコンピュータの電源に加わると、内蔵されたＡＤコンバータやアンプの電気特性を悪化させることになる。この方式は特許文献１に開示されている。

また、ＬＤＯ方式は、部品点数は少ないものの、電圧の変換効率が悪い。本発明にＬＤＯ方式を採用した場合には、例えば２００Ｖから５Ｖへの電圧変換を行うので、その変換効率は２．５％にもなってしまう。無効電力はすべて熱として発生するので、放熱板を設置するなどの対策が必要となり、結果的に高価で大型な装置になってしまう欠点がある。

さらに、ＨＥＶ用のエネルギー蓄積装置では、図７に示すように、多数の二次電池を所定本数ごとに複数に分割し、複数のバッテリーマネジメントＩＣ７で電池を管理することとなる。かかる場合、ＬＤＯ方式やスイッチングレギュレータ方式を使うと、二次電池モジュール（２Ｕ、２Ｄ）を複数直列に連結した全ての二次電池の総電圧は、図６に示す場合に比べて非常に大きくなってしまう。よって、従来、かかる場合には、グランド電位に一番近いバッテリーマネジメントＩＣ７につながった二次電池モジュール２Ｄのみから、マイクロコンピュータ９に電源を供給していた。かかる場合、二次電池モジュール２Ｄのみから電流が消費され、直列に接続した複数の二次電池モジュール（２Ｕ、２Ｄ）間の消費電流が異なってしまい、電池電圧が均等化されない問題がある。
特開２００８−２９８３

前記の通り、バッテリーマネジメントＩＣに、従来技術の「スイッチングレギュレータ方式」や「ＬＤＯ方式」などで電源回路を構成すると、発熱やノイズの影響で、装置の品質が劣り、正確な電池状態監視が行えない。そこで、本発明では、電圧変換効率の高い、ノイズの少ない電源回路を有するエネルギー蓄積装置を提供することを課題とする。

また、多数の二次電池を直列接続したエネルギー蓄積装置においては、複数のバッテリーマネジメント回路を使うことになり、低電圧で駆動されるマイクロプロセッサーへの電源供給が全電池から同じ電流で消費するような電源回路を構成しないと、各電池の消費電流が異なることになる。そこで、本発明では、この各電池の消費電流差を小さくして、エネルギー蓄積装置内の二次電池容量を長時間に渡って確保できるようにすることを付加的課題とする。

本発明では、定電流回路と定電圧回路（シャントレギュレータ）を組み合わせて構成した電源回路を有するエネルギー蓄積装置を提供する。

また、付加的課題を解決するための手段として、各バッテリーマネジメント回路に内蔵あるいは併設された定電流回路を縦列接続することで、グランドを基準として動作するマイクロコンピュータに定電圧を供給できるようにしたエネルギー蓄積装置を提供する。

さらに具体的には、以下のような発明を提供する。

第一発明では、蓄電池に接続され比較的低電圧駆動の負荷用電源となる電源回路であって、前記蓄電池に直列接続され、この蓄電池からの電流を定電流とするための定電流回路と、定電流回路に直列に接続されると共に、負荷に対して並列に接続される定電圧回路と、からなる電源回路を有するエネルギー蓄積装置を提供する。

第二発明では、第一発明を基本とし、さらに、前記蓄電池は、複数の二次電池を多段構成にした二次電池モジュールであるエネルギー蓄積装置を提供する。

第三発明では、第二発明を基本とし、さらに、前記蓄電池の二次電池単位での電圧測定用ラインを切り替えるマルチプレクサを有するエネルギー蓄積装置を提供する。

第四発明では、第三発明を基本とし、さらに、比較的低電圧駆動の負荷は、前記マルチプレクサをコントロールするコントロール回路であるエネルギー蓄積装置を提供する。

第五発明では、第三発明または第四発明を基本とし、さらに、比較的低電圧駆動の負荷は、前記マルチプレクサからの出力をＡＤ変換するＡＤコンバータであるエネルギー蓄積装置を提供する。

第六発明では、第三発明から第五発明のいずれか一を基本とし、さらに、比較的低電圧駆動の負荷は、蓄電池の残量を演算するためのマイクロコンピュータであるエネルギー蓄積装置を提供する。

第七発明では、第一発明から第六発明のいずれか一を基本とし、さらに、前記定電流回路は、蓄電池に対して直列接続され、蓄電池プラス極側接点にプラス極を接続される第一基準電圧源と、第一基準電圧源のマイナス極をプラス入力に接続する第一コンパレータと、第一コンパレータの出力をゲート電極に、蓄電池プラス極側接点をドレイン電極に、それぞれ接続し、第一コンパレータのマイナス極に他端を接続する抵抗のもう一方の端をソース電極に接続したＰｃｈＦＥＴを有し、前記ＰｃｈＦＥＴのソース電極に接続した抵抗の前記他端から定電流を出力する定電流回路であるエネルギー蓄積装置を提供する。

第八発明では、第一発明から第七発明のいずれか一を基本とし、さらに、前記定電圧回路は、前記定電流回路からの出力を第二コンパレータの正入力に接続すると共に、前記定電流回路からの出力をドレイン電極に、第二コンパレータの出力をゲート電極に、正極を第二コンパレータの負入力に接続した第二基準電圧源の負極ならびに接地電極にソース電極を接続したＮｃｈＦＥＴを有し、前記ＮｃｈＦＥＴのドレイン電極から定電圧を出力する定電圧回路であるエネルギー蓄積装置を提供する。

第九発明では、第二発明または第二発明に従属する第三発明から第八発明のいずれか一を基本とし、さらに、二次電池モジュールに直列に接続された定電流回路にソース電極またはドレイン電極を接続するとともに、多段構成の二次電池モジュールの接続接点をゲート電極に接続したＦＥＴをさらに有するエネルギー蓄積装置を提供する。

本発明によれば、従来技術に比べて低コストで、電圧変換効率が高く、ノイズの少ない電源回路を有するエネルギー蓄積装置を実現することができる。

また、二次電池を直列に多数接続したエネルギー蓄積装置においても、無駄なエネルギー消費が少なく、発熱の小さな、二次電池電圧の均等化が優れたエネルギー蓄積装置を実現することができる。

以下に、本発明の実施例を説明する。実施例と請求項の相互の関係は、以下のとおりである。実施形態１は主に請求項１、２、３、４、５、６、７、８などに関し、実施形態２は主に請求項９などに関する。なお、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、様々な態様で実施しうる。

<<実施形態１>>

<実施形態１の概要>

本実施形態のエネルギー蓄積装置は、図２に示すように、定電流回路１８と定電圧回路２０とからなる電源回路４を有する。

<実施形態１の機能的構成>

本実施形態の「エネルギー蓄積装置」は、蓄電池に接続され比較的低電圧駆動の負荷用電源となる「電源回路」を有する。ここで、図２に、本実施形態の「電源回路４」を示す。また、本実施形態の「電源回路４」を利用したエネルギー蓄積装置の構成の一例を図１に示す。

<<電源回路４>>

「電源回路４」は、蓄電池に接続され、比較的低電圧駆動の負荷用電源となるよう構成される。ここで、「蓄電池」は、図１に示すような、複数の二次電池１を多段構成にした二次電池モジュール２などが考えられる。「多段構成」とは、図１に示すような、直列に二次電池１を多段に接続した構成のほか、並列に二次電池を多段に接続した構成や、直列・並列を組み合わせて二次電池を多段に接続した構成をも含む概念である。使用される「二次電池１」としては、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池やリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池などが考えられる。なお、「二次電池１」を配列する数としては図に示すような数（５本）に制限されるものではない。

また、「比較的低電圧駆動の負荷」とは、前記蓄電池の電圧よりも駆動電圧が低く、蓄電池の電圧を直接加えることができないあらゆる負荷が該当し、例えば、図１に示すような、マルチプレクサ３をコントロールするコントロール回路５であってもよいし、マルチプレクサ３からの出力をＡＤ変換するＡＤコンバータ（ＡＤＣ）６であってもよい。または、蓄電池２（二次電池モジュール２）の残量を演算するためのマイクロコンピュータ９であってもよい。本実施形態におけるこれらの機能は、前記説明した通りである。なお、前記列挙した比較的低電圧駆動の負荷はあくまで一例であり、前記の一以上を含まなくてもよいし、または、他の比較的低電圧駆動の負荷を含んでもよい。

ここで、本実施形態の「電源回路４」の具体的構成を、図２を用いて説明する。図に示すように、本実施形態の「電源回路４」は、「定電流回路１８」と、「定電圧回路２０」から構成される。

「定電流回路１８」は、蓄電池（二次電池モジュール２）に直列接続され、この蓄電池（二次電池モジュール２）からの電流を定電流とする回路である。ここで、定電流回路１８の具体例としては、図２に示すような、蓄電池（二次電池モジュール２）に対して直列接続され、蓄電池（二次電池モジュール２）のプラス極側接点にプラス極を接続される第一基準電圧源１３と、第一基準電圧源１３のマイナス極をプラス入力に接続する第一コンパレータ１４Ｉと、第一コンパレータ１４Ｉの出力をゲート電極に、蓄電池（二次電池モジュール２）プラス極側接点をドレイン電極に、それぞれ接続し、第一コンパレータ１４Ｉのマイナス極に他端を接続する抵抗１７のもう一方の端をソース電極に接続したＰｃｈＦＥＴ１６を有し、前記ＰｃｈＦＥＴ１６のソース電極に接続した抵抗１７の前記他端から定電流を出力する定電流回路であってもよい。

この定電流回路１８は、第一基準電圧源１３の基準電圧値（Ｖｒｅｆ１）とセンス抵抗１７の値（Ｒｓｅｎｓｅ１）によって定電流値（Ｉｃｏｎｓｔ）が決定する。換言すれば、第一基準電圧源１３の基準電圧値（Ｖｒｅｆ１）とセンス抵抗１７の値（Ｒｓｅｎｓｅ１）により、定電流値（Ｉｃｏｎｓｔ）を調節可能である。なお、定電流値は下式によって計算される。

ここで、発生させる定電流値（Ｉｃｏｎｓｔ）は、比較的低電圧駆動の負荷（ＡＤＣ６、コントロール回路５、マイクロコンピュータ９、など：図１参照）に必要とされる消費電流値以上に設定しておかなければならない。例えば、第一基準電圧源１３の基準電圧値（Ｖｒｅｆ１）を１Ｖ、定電流値（Ｉｃｏｎｓｔ）を２ｍＡとした場合、センス抵抗値Ｒｓｅｎｓｅ１は５００Ωとなる。かかる場合、定電流回路１８のＰｃｈＦＥＴ１６の抵抗値を５００Ωよりも充分に小さくしておけば良い。

参考までに、このときの損失は下式で計算され、上記条件においては、損失は僅か２ｍＷである。

「定電圧回路２０」は、定電流回路１８に直列に接続されると共に、比較的低電圧駆動の負荷（ＡＤＣ６、コントロール回路５、マイクロコンピュータ９、など：図１参照）に対して並列に接続され、定電流を定電圧に変更し、比較的低電圧駆動の負荷に対して定電圧を供給するための回路である。ここで、定電圧回路２０の具体例としては、図２に示すような、定電流回路１８からの出力を第二コンパレータ１４Ｅの正入力に接続すると共に、前記定電流回路１８からの出力をドレイン電極に、第二コンパレータ１４Ｅの出力をゲート電極に、正極を第二コンパレータ１４Ｅの負入力に接続した第二基準電圧源１５の負極ならびに接地電極にソース電極を接続したＮｃｈＦＥＴ１９を有し、前記ＮｃｈＦＥＴ１９のドレイン電極から定電圧を出力する定電圧回路（シャントレギュレータ）であってもよい。

この定電圧回路２０は、第二基準電圧源１５の基準電圧値（Ｖｒｅｆ２）の値によって定電圧値（Ｖｃｏｎｓｔ）が調節可能な回路構成であり、比較的低電圧駆動の負荷（ＡＤＣ６、コントロール回路５、マイクロコンピュータ９、など：図１参照）の電流値が変わっても定電圧を発生できるのが特徴的な回路である。負荷電流の最大値は、制御されるＮｃｈＦＥＴ１９のオン抵抗（サイズ）で決定されるが、本発明においては数ｍＡの負荷電流を対象としているので、実現性に問題はない。この定電圧回路２０の出力端子電圧値（Ｖｃｏｎｓｔ）を５Ｖに設定するには、第二基準電圧源１５の基準電圧値（Ｖｒｅｆ２）を５Ｖとすれば良い。

なお、図１、２に示すように、定電流回路１８と定電圧回路２０との接続間には、電圧を降下させるためのバッファー２９を設ける必要がある。バッファー２９を設けることで、定電流回路１８からの出力がショートしてしまうのを防止することができる。なお、バッファー２９としては、図に示すように１つ以上の抵抗２９を直列に接続したもの（図の場合は１つの抵抗２９を接続）であってもよいし、または、１つ以上のダイオードを直列に接続したものであってもよいし、トランジスタのゲート接地を使ったものなどであってもよい。

前記のとおり、本実施形態の電源回路４は、定電流回路１８と定電圧回路２０（シャントレギュレータ２０）の簡単な構成により、効率よく定電圧（Ｖｃｏｎｓｔ）を発生できる回路構成である。本回路の利点は、高い電源電圧から低い定電圧を発生させる場合でも、損失が小さく、ノイズの少ない高品質の電圧をＡＤＣ６に供給できる点にある。また、損失は電源電圧によらないので、二次電池モジュール２の直列電池本数が増えた場合にも有効である。

またスイッチングモードを使わない、安定化電源（基準電圧源１３、１５）を２つ組み合わせているので、入力電源変動が激しくても電源ノイズが少ない、品質の高い電源として使用できる。

<<電源回路４を有するエネルギー蓄積装置の一例>>

ここで、参考までに、本実施形態の「電源回路４」を利用したエネルギー蓄積装置の構成の一例を、図１を用いて説明する。

図１に示す「エネルギー蓄積装置」は、「二次電池１」を複数直列に接続した「二次電池モジュール２（蓄電池）」と、「バッテリーマネジメントＩＣ７」と、「マイクロコンピュータ９」を有する。そして、「バッテリーマネジメントＩＣ７」は、「マルチプレクサ３」、「電源回路４」、「コントロール回路５」、「ＡＤＣ６」を有する。

図１に示すエネルギー蓄積装置は、二次電池１を複数直列に接続した二次電池モジュール２の電池電圧をモニターするために、バッテリーマネジメントＩＣ７が二次電池モジュール２に接続されている。そして、バッテリーマネジメントＩＣ７の電源は二次電池モジュール２の最上部から取られている。

バッテリーマネジメントＩＣ７は、マルチプレクサ３、電源回路４、ＡＤＣ６と、これらを制御するためのコントロール回路５などで構成される。マルチプレクサ３は、二次電池モジュール２を構成する複数の二次電池１の電圧を順次、ＡＤＣ６に入力できる機能をもつ。ＡＤＣ６は、入力された各二次電池１のアナログ電圧をデジタル信号に変換してバッテリーマネジメントＩＣ７の外部に出力する。これらの接続順序、タイミングなどを制御するのがコントロール回路５である。電源回路４は、二次電池モジュール２の最上部から供給された電圧を適切な電圧に降圧し、コントロール回路５、ＡＤＣ６などに供給する役割をもつ（電源回路４の詳細については、以下で説明する）。以下、二次電池モジュール２とバッテリーマネジメントＩＣ７のセットを電源モジュール８とする。

また、電源モジュール８から電力を供給できるように、電源モジュールプラス端子１０と電源モジュールマイナス端子１１が用意されている。前記、マルチプレクサ３、電源回路４、コントロール回路５、ＡＤＣ６のグランド電位は、電源モジュールマイナス端子１１と同電位である。

そして、バッテリーマネジメントＩＣ７のＡＤＣ６から出力されたデジタル信号は、マイクロコンピュータ９に入力され、電池残量の計算がなされる。マイクロコンピュータ９からの信号は、バッテリーマネジメントＩＣ７に入力されるようになっており、電池電圧読み取り順序や様々な制御が可能になっている。また、マイクロコンピュータ９の電源は、バッテリーマネジメントＩＣ７と共通にすることも可能である。

なお、ＡＤＣ６をバッファアンプに置き換えて、マイクロコンピュータ９にアナログ信号を出力して、マイクロコンピュータ９に内蔵されたＡＤＣで信号変換を行ってもよい。

前記のとおり、図１に示すバッテリーマージメントＩＣ７の電源回路４は、定電流回路１８と定電圧回路２０（シャントレギュレータ２０）の簡単な構成により、効率よく定電圧（Ｖｃｏｎｓｔ）を発生できる回路構成である。本回路の利点は、高い電源電圧から低い定電圧を発生させる場合でも、損失が小さく、ノイズの少ない高品質の電圧をＡＤＣ６に供給できる点にある。また、損失は電源電圧によらないので、二次電池モジュール２の直列電池本数が増えた場合にも有効である。

ここで、ＡＤＣ６のためにさらに高いＰＳＲＲ（Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｉｓｅ）が必要な場合には、図３に示すように、定電圧回路２０（シャントレギュレータ２０）の出力端子にＬＤＯ２４を接続してＡＤＣ６（図示せず）の電源とする構成も可能である。かかる構成の場合には安定化電源（基準電圧源１３、１５、２１）を３つ組み合わせているので、さらなる電源ノイズ削減が実現できる。参考までに、図３に示す回路をバッテリーマネジメントＩＣ７に内蔵した場合の実施例を図４に示す。

なお、本実施形態において利用するＦＥＴとしては、前記の種別に限定されるものでなく、従来技術に準じて同様の効果を得ることが可能なＦＥＴを利用することも可能である。

<参考：従来技術の問題点（図６）>

図１を用いて説明したエネルギー蓄積装置と同様の構成をした図６に示すエネルギー蓄積装置において、電源回路４を実現する従来技術として一般的なものは、３端子レギュレータのＬＤＯ（Ｌｏｗ Ｄｒｏｐｏｕｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）である。しかし、ＬＤＯはＩＣへの内蔵が容易であるものの入力電圧と出力電圧に大きな電圧差があった場合には非常に効率が悪化する。前述したリチウムイオン電池を５本直列した二次電池モジュール２をマネージメントするＩＣにおいてＬＤＯを採用した場合、入力電圧は最大２０Ｖで、出力電圧が５Ｖとなると、その電圧変換効率は２５％と非常に低い。この効率は、二次電池モジュール２に直列接続される二次電池１の本数が多いほど低下する。

電源回路４にとって負荷となるＡＤＣ６の消費電流が１ｍＡと低くても、二次電池からは４ｍＡを消費することになり、ＡＤＣ６を省電力設計しても電源回路４で無駄に電力を消費する。また無駄な変換エネルギーは、熱となるので機器の危険性を高めることになる。

別の電源回路４としては、コイルを使ったスイッチングレギュレータがある。スイッチングレギュレータの電圧変換効率は高く、近年、同期整流方式などの技術改革により９０％以上の変換効率も実現されている。しかしながら、必要部品であるコイルはＩＣへの内蔵ができず、装置の小型化を困難にする。さらに、スイッチングレギュレータの電源出力には、数１０ＫＨｚ〜数ＭＨｚのノイズを含み、電源回路４に使用した場合には、ＡＤＣ６の性能を悪化させるため、最適な電源回路４ではない。同様にチャージポンプ回路も降圧が可能な電源回路４であるが、複数のスイッチをある周波数でオンオフする回路であるので、スイッチングレギュレータと同様に電源にスイッチングのノイズが発生してしまう。

<実施形態１の効果>

本実施形態のエネルギー蓄積装置によれば、二次電池を直列に多数接続したエネルギー蓄積装置においても、無駄なエネルギー消費が少なく、発熱の小さな、二次電池電圧の均等化が優れたバッテリーマネジメント回路が提供可能になる。

<<実施形態２>>

<実施形態２の概要>

本実施形態のエネルギー蓄積装置は、図５に示すように、図１の電源モジュール８を多段構成にして電源パックを構成したものであり、各電源モジュール８Ｕ、８Ｄの二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄ間の消費電流差を小さくするため、最上段電源モジュール８Ｕの二次電池モジュール２の最上部からとった電圧を、マイクロコンピュータ９への電源電圧とする。また、上段電源モジュール８Ｕのマイナス端子１１と下段電源モジュール８Ｄのプラス端子１０が連結され、等価的に、電源モジュール８Ｕおよび電源モジュール８Ｄの各二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄを直列接続（多段構成）している。そして、電源モジュール８Ｕおよび電源モジュール８Ｄの各二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄどうしの接続接点をゲート電極に接続したＮｃｈＦＥＴ２７を有する。

<実施形態２の機能的構成>

図５は、本実施形態のエネルギー蓄積装置の一例を表す図である。この図に示すように本実施形態の「エネルギー蓄積装置」は、電源モジュール８を多段に構成したもの（以下、「電源パック」という）である。また、上段電源モジュール８Ｕの二次電池モジュール２Ｕと下段電源モジュール８Ｄの二次電池モジュール２Ｄを、等価的に、直列接続（多段構成）し、前記２つの二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄどうしの接続接点をゲート電極に接続したＮｃｈＦＥＴ２７を有する。

なお、電源モジュール８Ｕ、８Ｄの構成については、定電流回路２６Ｕ、２６Ｄを新たに設ける点以外は、実施形態１で説明した電源モジュール８と同じである。よって、ここでの実施形態１で説明した電源モジュール８と共通する点の説明は省略する。

以下、「ＮｃｈＦＥＴ２７」、および、電源モジュール８Ｕ、８Ｄの「定電流回路２６Ｕ、２６Ｄ」の機能的構成について説明する。

「ＮｃｈＦＥＴ２７」は、図５に示すように、二次電池モジュール２Ｕに直列に接続された定電流回路２６Ｕにソース電極またはドレイン電極を接続するとともに（図の場合、ソース電極に接続）、多段構成の二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄの接続接点を、ゲート電極に接続するよう構成される。

ここで、図５の構成においては、上段電源モジュール８Ｕの定電流回路２６Ｕの電源は、上段電源モジュール８Ｕのプラス端子１０となっている。すなわち、電源モジュール８Ｕ、８Ｄのそれぞれの二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄを直列接続（多段構成）し、その最上部から電源を取っている。これによって発生した定電流は、上段電源モジュール８Ｕの定電流回路２６Ｕから出力され、ＮｃｈＦＥＴ２７に流れ込む。なお、「定電流回路２６Ｕ、２６Ｄ」の構成は実施形態１で説明した定電流回路１８と全く同じであり、定電流を発生する原理も同じである。よって、ここでの詳細な説明は省略する。

ＮｃｈＦＥＴ２７のゲート電極は、上段電源モジュール８Ｕと下段電源モジュール８Ｄとの接続接点に接続される。すなわち、上段電源モジュール８Ｕの二次電池モジュール２Ｕと、下段電源モジュール８Ｄの二次電池モジュール２Ｄとの接続接点に接続される。こうすることで、ＮｃｈＦＥＴ２７のドレイン電極の電位は「ゲート電位 − ＮｃｈＦＥＴ２７のＦＥＴ閾値電圧」となる。すなわち、電源モジュール８Ｕ、８Ｄを多段構成にした二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄの最上部からの電源電圧値がどんなに高い電圧値であっても、ＮｃｈＦＥＴ２７のドレイン電位がゲート電位よりも高くなることを防止できる。

ここで、前記「ゲート電位」は、下段電源モジュール８Ｄの二次電池モジュール２Ｄの最上部における電源電圧値である。すなわち、このように構成することで、電源モジュール８を多段構成にした二次電池モジュール２の最上部からの電源電圧値が高過ぎても、ＮｃｈＦＥＴ２７のドレイン電位を、「下段電源モジュール８Ｄの二次電池モジュール２Ｄの最上部における電源電圧値 − ＮｃｈＦＥＴ２７のＦＥＴ閾値電圧」とすることができ、電圧値を適度に落とすことが可能となる。

次に、ＮｃｈＦＥＴ２７のドレイン電極は、下段電源モジュール８ＤのバッテリーマネジメントＩＣ７の定電流回路２６Ｄの電源となるように接続される。なお、上段電源モジュール８Ｕの定電流回路２６Ｕにおいて定電流を生成しているので、下段電源モジュール８Ｄにおいては、必ずしも定電流回路２６Ｄを設ける必要はない。すなわち、図５中の下段電源モジュール８Ｄの定電流回路２６Ｄの電源端子と出力は短絡しても構わない。

そして、図５においては、下段電源モジュール８Ｄの定電流回路２６Ｄの出力が、電池パック外にもうけられたマイクロコンピュータ９の定電圧電源となるように、シャントレギュレータ２８を配置している。

このように、電池パックの最上段電源モジュール８Ｕの定電流回路２６Ｕで発生させた定電流が、ＮｃｈＦＥＴ２７を介してカスケード接続にされることで効率の良い電源回路が構成できる。

なお、図５においては、電源モジュール８を２段の構成として説明したが、この段数に制限されたものではなく、これ以上の段数にすることが可能である。かかる場合、段数に応じて、各電源モジュール８Ｕ、８Ｄの二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄどうしの接続接点をゲート電極に接続するＮｃｈＦＥＴ２７の数を増やせば、複数の電源モジュール８を多段構成した二次電池モジュール２の最上部からの電源電圧値が高過ぎても、電圧値を段階的に適度に落とすことが可能となる。

ここで、前記は、二次電池モジュール２Ｕに直列に接続された定電流回路２６Ｕにソース電極を接続した例を前提に説明したが、ドレイン電極を接続した場合においても、前記に準じて同様の効果を実現することができる。また、前記は、ＦＥＴ２７をＮｃｈＦＥＴとして構成することを前提に説明したが、ＰｃｈＦＥＴを利用しても同様の効果を実現することができる。

<参考：従来技術の問題点（図７）>

従来から、２００Ｖ以上の電圧を必要とされるＨＥＶに使用されるエネルギー蓄積デバイスなどでは、電源モジュール８を多段に構成した電源パックが利用されていた。そして、図７のような構成でも、残量検出のためにマイクロコンピュータ９が使用される。

しかしながら、電源モジュール８が複数個になった場合でも、図７のように通常、マイクロコンピュータ９は１個で機能を満たすことができる。上段電源モジュール８Ｕからの信号入出力が必要であるが、マイクロコンピュータ９から見ると、この信号電圧が非常に高いため、フォトカプラ１２などを用いて電圧レベル変換（電圧降圧）を行うこととなる。

しかし、図７のような電源パックの場合の電圧レベル変換（電圧降圧）は、図６のように１つの電源モジュール８だけの場合よりも条件は過酷である。実際、電源回路４に「ＬＤＯ回路」を利用し、ＬＤＯ回路で５Ｖ定電圧を発生した場合には１２．５％にも低下してしまう。また、発熱も図６の場合よりも激しくなり、局所的に電源回路８が発熱源となる。電源回路４に「スイッチングレギュレータ」や「チャージポンプ回路」を使っても問題は解決できず、大きな電源ノイズを発生させてしまう。

図７においては、グラウンド電位に一番近い下段電源モジュール８Ｄ内の電源回路４をマイクロコンピュータ９に電圧を供給する電源回路４として利用しているが、下段電源モジュール８Ｄの消費電流が、上段電源モジュール８Ｕよりも大きくなり、二次電池モジュール２Ｕ、２Ｄ間の消費電流に差が生じるため、平均電池電圧にばらつきが生じる。電源パックにおいても、すべての電池電圧が管理されるため、二次電池１に電圧差があると総容量が等価的に低下する問題がある。

<実施形態２の効果>

本実施形態のエネルギー蓄積装置によれば、二次電池を直列に多数接続したエネルギー蓄積装置においても、無駄なエネルギー消費が少なく、発熱の小さな、二次電池電圧の均等化が優れたバッテリーマネジメント回路が提供可能になる。

また、本実施形態のエネルギー蓄積装置により、高い電圧（例：２００Ｖなど）から負荷（マイクロコンピュータ９、など）への適切な電圧（約５Ｖ）の供給を効率良く行うことが可能となり、電源モジュール８を複数段直列接続しても、二次電池からの無駄な電流消費を抑えることができ、発熱防止で安全性が高まり、高品質の電源を供給できる。

二次電池を使ったエネルギー蓄積装置において利用される、電池残量を検出するためのバッテリーマネジメント回路において、エネルギー蓄積装置の無効なエネルギー消費を少なくするともに、装置からの発熱を減らし、電池電圧の均等化が行われるので、本発明は極めて有効である。また、本発明はＨＥＶ以外のエネルギー蓄積装置、たとえばＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、無停電電源、太陽電池エネルギー蓄積装置などでも同じような効果がもたらされる。

実施形態１のエネルギー蓄積装置の一例を示す図１ 実施形態１の電源回路の一例を示す図１ 実施形態１の電源回路の一例を示す図２ 実施形態１のエネルギー蓄積装置の実施例を示す図２ 実施形態２のエネルギー蓄積装置の一例を示す図 従来例１ 従来例２

符号の説明

１ ・・・・・ 二次電池
２ ・・・・・ 二次電池モジュール
３ ・・・・・ マルチプレクサ
４ ・・・・・ 電源回路
５ ・・・・・ コントロール回路
６ ・・・・・ ＡＤＣ
７ ・・・・・ バッテリーマネジメント回路
８ ・・・・・ 電源モジュール
８Ｕ・・・・・ 上段電源モジュール
８Ｄ・・・・・ 下段電源モジュール
９ ・・・・・ マイクロコンピュータ
１０・・・・・ 電源モジュールプラス端子
１１・・・・・ 電源モジュールマイナス端子
１２・・・・・ フォトカプラ
１３・・・・・ 第一基準電圧源
１４Ｉ・・・・ 定電流回路１８に使用されるコンパレータ（第一コンパレータ）
１４Ｅ・・・・ 定電圧回路１９に使用されるコンパレータ（第二コンパレータ）
１４Ｌ・・・・ ＬＤＯ回路２４に使用されるコンパレータ
１５・・・・・ 第二基準電圧源
１６・・・・・ 定電流回路１８に使用されるＰｃｈＦＥＴ
１７・・・・・ センス抵抗
１８・・・・・ 定電流回路
１９・・・・・ 定電圧回路１９に使用されるＮｃｈＦＥＴ
２０・・・・・ 定電圧回路（シャントレギュレータ）
２１・・・・・ 第三基準電圧源
２２・・・・・ ブリーダ抵抗１
２３・・・・・ ブリーダ抵抗２
２４・・・・・ ＬＤＯ回路
２５・・・・・ ＬＤＯ回路２４に使用されるＰｃｈＦＥＴ
２６Ｕ・・・・ 上段電源モジュール８Ｕに設けられたもう一つの定電流回路
２６Ｄ・・・・ 下段電源モジュール８Ｄに設けられたもう一つの定電流回路
２７・・・・・ もう一つのＮｃｈＦＥＴ
２８・・・・・ もう一つの定電圧回路（シャントレギュレータ）
２９・・・・・ バッファー（抵抗）

Claims (9)

1. 蓄電池に接続され比較的低電圧駆動の負荷用電源となる電源回路であって、
   前記蓄電池に直列接続され、この蓄電池からの電流を定電流とするための定電流回路と、
   定電流回路に直列に接続されると共に、負荷に対して並列に接続される定電圧回路と、からなる電源回路を有するエネルギー蓄積装置。
2. 前記蓄電池は、複数の二次電池を多段構成にした二次電池モジュールである請求項１に記載のエネルギー蓄積装置。
3. 前記蓄電池の二次電池単位での電圧測定用ラインを切り替えるマルチプレクサをさらに有する請求項２に記載のエネルギー蓄積装置。
4. 比較的低電圧駆動の負荷は、前記マルチプレクサをコントロールするコントロール回路である請求項３に記載のエネルギー蓄積装置。
5. 比較的低電圧駆動の負荷は、前記マルチプレクサからの出力をＡＤ変換するＡＤコンバータである請求項３または４に記載のエネルギー蓄積装置。
6. 比較的低電圧駆動の負荷は、蓄電池の残量を演算するためのマイクロコンピュータである請求項３から５のいずれか一に記載のエネルギー蓄積装置。
7. 前記定電流回路は、
   蓄電池に対して直列接続され、
   蓄電池プラス極側接点にプラス極を接続される第一基準電圧源と、第一基準電圧源のマイナス極をプラス入力に接続する第一コンパレータと、第一コンパレータの出力をゲート電極に、蓄電池プラス極側接点をドレイン電極に、それぞれ接続し、第一コンパレータのマイナス極に他端を接続する抵抗のもう一方の端をソース電極に接続したＰｃｈＦＥＴを有し、前記ＰｃｈＦＥＴのソース電極に接続した抵抗の前記他端から定電流を出力する定電流回路である請求項１から６のいずれか一に記載のエネルギー蓄積装置。
8. 前記定電圧回路は、
   前記定電流回路からの出力を第二コンパレータの正入力に接続すると共に、前記定電流回路からの出力をドレイン電極に、第二コンパレータの出力をゲート電極に、正極を第二コンパレータの負入力に接続した第二基準電圧源の負極ならびに接地電極にソース電極を接続したＮｃｈＦＥＴを有し、前記ＮｃｈＦＥＴのドレイン電極から定電圧を出力する定電圧回路である請求項１から７のいずれか一に記載のエネルギー蓄積装置。
9. 二次電池モジュールに直列に接続した定電流回路にソース電極またはドレイン電極を接続するとともに、多段構成の二次電池モジュールの接続接点をゲート電極に接続したＦＥＴをさらに有する請求項２または請求項２に従属する請求項３から８のいずれか一に記載のエネルギー蓄積装置。

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