特許 7521874 電圧バランス検出回路及び電源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-16

(45)【発行日】2024-07-24

(54)【発明の名称】電圧バランス検出回路及び電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240717BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240717BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240717BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 Y

H02J7/00 302C

H01M10/44 P

H01M10/48 P

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020105242

(22)【出願日】2020-06-18

(65)【公開番号】P2021197884

(43)【公開日】2021-12-27

【審査請求日】2023-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002664

【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所

(72)【発明者】

【氏名】芳野 徹

【審査官】清水 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１４７１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１１８９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２５８７７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２ － １０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の直流電源を直列接続することにより構成される電力供給装置の、前記直流電源相互の電圧のアンバランスを検出するように構成される電圧バランス検出回路であって、
合成抵抗部と、バランス検出部と、を具備し、
前記合成抵抗部は、前記電力供給装置と並列に配列されるとともに、前記直流電源と同数の固定抵抗を、順次、直列接続された直流電源の各々に対応させて直列接続することにより構成され、前記固定抵抗の各抵抗値は、前記直流電源の公称電圧と前記直流電源に対応する固定抵抗の抵抗値との比が一定となるよう選定され、
前記バランス検出部は、互いに隣接して接続されて対をなす直流電源に対して設けられた１つのフォトカプラと、
前記対をなす直流電源の間に位置する第一の接続点と、前記対をなす直流電源の各々に対応する固定抵抗の間に位置する第二の接続点と、の間に、入力部が接続されて、前記フォトカプラの順方向にのみ電流を流すように出力部が前記フォトカプラに接続されたダイオードブリッジ回路と、
を備え、
前記対をなす直流電源の少なくとも一方の電圧が前記公称電圧からずれた場合に、前記第一の接続点の電圧が前記第二の接続点の電圧と異なることにより差分電流が前記フォトカプラを流れるように構成され、前記差分電流が所定の値を超えた場合に前記フォトカプラが動作することにより、前記対をなす直流電源相互の電圧のアンバランスを検出するように構成される、電圧バランス検出回路。

【請求項2】

前記複数の直流電源の公称電圧は、すべて同一である、請求項１に記載の電圧バランス検出回路。

【請求項3】

前記バランス検出部は、前記フォトカプラに並列接続された分流抵抗をさらに備え、
前記分流抵抗の抵抗値は、前記対をなす前記直流電源の相互の電圧差が所定の値を超えた場合、前記フォトカプラが動作する差分電流が流れるように設定されている、請求項１又は２に記載の電圧バランス検出回路。

【請求項4】

前記直流電源は、二次電池である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電圧バランス検出回路。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電圧バランス検出回路と、前記電力供給装置と、制御部とを具備し、負荷に電力を供給する電源システムであって、
前記制御部は、前記対をなす前記直流電源において、前記対をなす直流電源の相互の電圧差が所定の値を超えた場合に、前記負荷への電力の供給を停止するように構成される、電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電圧バランス検出回路及び電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

負荷へ電力を供給する電力供給装置において、高電圧を出力するために、複数の直流電源を直列接続する方法が一般に使用されている。しかしながら、当該方法を使用した場合、各電源の制御及び監視のための構成が複雑になってしまうという問題がある。例えば、上記電力供給装置において、各電源相互の電圧のバランスを検出する場合、当該検出のために、アンプ及びコンパレータ等を用いたＩＣを設置する必要がある。また、当該ＩＣを使用する場合、駆動用電源として出力部（高電圧）に電源回路等の追加設備が必要になり、システム構成が煩雑になるという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－１３１１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、システム構成が煩雑になることを防止することができる電圧バランス検出回路及び電源システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様として実現することができる。

【0006】

本態様に係る電圧バランス検出回路は、複数の直流電源を直列接続することにより構成される電力供給装置の、前記直流電源相互の電圧のアンバランスを検出するように構成される電圧バランス検出回路であって、合成抵抗部と、バランス検出部と、を具備し、前記合成抵抗部は、前記電力供給装置と並列に配列されるとともに、前記直流電源と同数の固定抵抗を前記直流電源の配列に対応させて直列接続することにより構成され、前記固定抵抗の各抵抗値は、前記直流電源の公称電圧と前記直流電源に対応する固定抵抗の抵抗値との比が一定となるよう選定され、前記バランス検出部は、相隣接して対をなす前記直流電源の各対について、少なくとも１つのフォトカプラを備え、前記フォトカプラの両端には、これらの直流電源の間に位置する第一の接続点からこれらの直流電源にそれぞれ対応する固定抵抗の間に位置する第二の接続点の方向に、及び/又は、その逆方向に電流が流れるように、前記第一の接続点、及び/又は、第二の接続点が接続されており、これらの直流電源の少なくとも一方の電圧が前記公称電圧からずれた場合に前記第一の接続点の電圧が前記第二の接続点の電圧と異なることにより差分電流が前記少なくとも１つのフォトカプラを流れるように構成され、前記差分電流が所定の値を超えた場合に前記フォトカプラが動作することにより、前記対をなす直流電源について相互の電圧のアンバランスを検出するように構成される。

【0007】

上記構成によれば、本態様に係る電圧バランス検出回路は、システム構成が煩雑になることを防止することができる。

【0008】

本態様に係る電源システムは、本態様に係る電圧バランス検出回路と、前記電力供給装置と、制御部とを具備し、負荷に電力を供給する電源システムであって、前記制御部は、相隣接して対をなす前記直流電源の少なくとも１つの対において、これらの直流電源の相互の電圧差が所定の値を超えた場合に、前記負荷への電力の供給を停止するように構成される。

【0009】

上記構成によれば、本態様に係る電源システムは、システム構成が煩雑になることを防止することができる。

【発明の効果】

【0010】

本態様に係る電圧バランス検出回路及び電源システムは、システム構成が煩雑になることを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る電圧バランス検出回路を搭載する電源システムを示す回路図である。

【図2】第１実施形態の変形例に係る電圧バランス検出回路を搭載する電源システムを示す回路図である。

【図3】第２実施形態に係る電圧バランス検出回路を搭載する電源システムを示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、一実施形態に係る電圧バランス検出回路及び電源システムについて、図面を参照して説明する。なお、本実施形態は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

【0013】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電圧バランス検出回路１２を搭載する電源システム１を示す回路図である。図１に示す電源システム１は、当該電源システム１に接続される負荷２に対して電力を供給するものである。本実施形態に係る電源システム１は、例えば、電力供給装置１１、電圧バランス検出回路１２及び制御部１３を備える。本実施形態における電力供給装置１１は、図１に示すように、２つの直流電源Ｖ１，Ｖ２を直列接続することにより構成され、当該２つの直流電源Ｖ１，Ｖ２各々から出力される電圧を合成した出力電圧を負荷２へ供給する。本実施形態における電圧バランス検出回路１２は、上記電力供給装置１１の当該直流電源相互の電圧のアンバランスを検出するように構成される。電圧バランス検出回路１２は、図１に示すように、合成抵抗部２１及びバランス検出部２２を備える。

【0014】

合成抵抗部２１は、上記電力供給装置１１と並列に配列されるとともに、上記直流電源Ｖ１，Ｖ２と同数の固定抵抗Ｒ１，Ｒ２を上記直流電源Ｖ１，Ｖ２の配列に対応させて直列接続することにより構成される。本実施形態における電圧バランス検出回路１２において、上記固定抵抗Ｒ１，Ｒ２の各抵抗値は、下記数式（１）に基づいている。

【0015】

【数1】

【0016】

すなわち、上記固定抵抗Ｒ１，Ｒ２は、上記直流電源Ｖ１，Ｖ２の公称電圧と上記直流電源Ｖ１，Ｖ２に対応する固定抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値との比が一定となるように選定する。

【0017】

バランス検出部２２は、相隣接して対をなす上記直流電源Ｖ１，Ｖ２について、少なくとも１つのフォトカプラＰＩを備える。ここで、図１に示すバランス検出部２２は、フォトカプラＰＩを１つ備える。上記フォトカプラＰＩの両端のそれぞれは、上記第一の接続点Ｐ及び第二の接続点Ｑの両方にそれぞれ少なくとも１つのダイオードＤ１～Ｄ４を介して接続されている。上記ダイオードＤ１～Ｄ４は、差分電流ＩｓがフォトカプラＰＩの順方向にのみ流れるように向けられている。

【0018】

上記フォトカプラＰＩの両端には、上記直流電源Ｖ１，Ｖ２の間に位置する第一の接続点Ｐから上記直流電源Ｖ１，Ｖ２にそれぞれ対応する固定抵抗Ｒ１，Ｒ２の間に位置する第二の接続点Ｑの方向に、及び/又は、その逆方向に電流が流れるように、第一の接続点Ｐ、及び/又は、第二の接続点Ｑが接続されている。上記バランス検出部２２において、上記直流電源Ｖ１，Ｖ２の少なくとも一方の電圧が公称電圧からずれた場合に、第一の接続点Ｐの電圧が第二の接続点Ｑの電圧と異なることにより、差分電流ＩｓがフォトカプラＰＩを流れる。ここで、上記差分電流Ｉｓは、下記数式（２）により表すことができる。

【0019】

【数2】

【0020】

すなわち、バランス検出部２２は、上記差分電流Ｉｓが所定の値を超えた場合にフォトカプラＰＩが動作することにより、上記対をなす上記直流電源Ｖ１，Ｖ２について相互の電圧のアンバランスを検出する。

【0021】

制御部１３は、ハードウェア資源として、所定のプロセッサを含む。本実施形態における制御部１３は、例えば、相隣接して対をなす上記直流電源Ｖ１，Ｖ２において、これらの直流電源Ｖ１，Ｖ２の相互の電圧差が所定の値を超えた場合（すなわち、上記差分電流Ｉｓが所定の値を超えた場合）に、負荷２への電力の供給を停止するように構成される。制御部１３は、電圧差が所定の値を超えた場合に、負荷２への電力の供給を停止することにより、電源システム１全体の故障及び破損を防止することができる。

【0022】

上記構成によれば、第１実施形態に係る電源システム１は、アンプ及びコンパレータ等を用いたＩＣを使用せず、上記電圧バランス検出回路１２を受動部品で構成することにより、上記対をなす上記直流電源Ｖ１，Ｖ２について相互の電圧のアンバランスを検出することができる。すなわち、第１実施形態に係る電源システム１は、従来、出力部（高電圧）に設けていた駆動用電源を省略することができる。これにより、第１実施形態に係る電源システム１は、システム構成が煩雑になることを防止することができる。

【0023】

（第１実施形態の変形例）
上記第１実施形態に係る電源システム１において、当該電圧バランス検出回路１２のバランス検出部２２は、フォトカプラＰＩを１つ備えている。しかしながら、本実施形態に係る電源システム１は、これに限定されない。図２は、第１実施形態の変形例に係る電圧バランス検出回路１２を搭載する電源システム１０を示す回路図である。例えば、上記電圧バランス検出回路１２のバランス検出部２２は、フォトカプラＰＩ１，ＰＩ２を２つ備える構成としてもよい。これらのフォトカプラＰＩ１，ＰＩ２は、上記第一の接続点Ｐ１，Ｐ２と第二の接続点Ｑ１，Ｑ２との間で互いに順方向が反対に向くよう並列に配置されていてもよい。ここで、上記差分電流Ｉｓ１，Ｉｓ２は、下記数式（３）により表すことができる。

【0024】

【数3】

【0025】

上記構成によれば、第１実施形態の変形例に係る電源システム１０は、アンプ及びコンパレータ等を用いたＩＣを使用せず、上記電圧バランス検出回路１２を受動部品で構成することにより、上記対をなす上記直流電源Ｖ１，Ｖ２について相互の電圧のアンバランスを検出することができる。すなわち、第１実施形態の変形例に係る電源システム１０は、従来、出力部（高電圧）に設けていた駆動用電源を省略することができる。また、第１実施形態の変形例に係る電源システム１０は、差分電流Ｉｓ１，Ｉｓ２が順方向にのみ流れるように設けられる上記ダイオードＤ１～Ｄ４を省略することができる。これにより、第１実施形態の変形例に係る電源システム１０は、システム構成が煩雑になることを防止することができる。

【0026】

ここで、第１実施形態及び第１実施形態の変形例における電圧バランス検出回路１２において、２つの直流電源Ｖ１，Ｖ２の公称電圧は、すべて同一であってもよい。また、第１実施形態及び第１実施形態の変形例における電圧バランス検出回路１２において、バランス検出部２２は、フォトカプラＰＩに並列接続された分流抵抗Ｒｓをさらに備えていてもよい。分流抵抗Ｒｓの抵抗値は、隣接して対をなす上記直流電源Ｖ１，Ｖ２の相互の電圧差が所定の値を超えた場合に、フォトカプラＰＩが動作する差分電流Ｉｓが流れるように設定されていてもよい。また、第１実施形態及び第１実施形態の変形例における電圧バランス検出回路１２において、上記直流電源Ｖ１，Ｖ２は、二次電池であってもよい。

【0027】

（第２実施形態）
上記第１実施形態及び第１実施形態の変形例に係る電源システム１，１０の電圧バランス検出回路１２は、２つの直流電源Ｖ１，Ｖ２により構成される電力供給装置１１に適用する場合の一例を示している。しかしながら、本実施形態に係る電源システム１００は、これに限定されない。図３は、第２実施形態に係る電圧バランス検出回路１２を搭載する電源システム１００を示す回路図である。例えば、第２実施形態における電圧バランス検出回路１２のバランス検出部２２は、３つ以上の直流電源Ｖ１～Ｖｎ（ｎは、３以上の整数である。）により構成される電力供給装置１１に適用してもよい。

【0028】

図３に示す電源システム１００は、第１実施形態及び第１実施形態の変形例に係る電源システム１と同様に、当該電源システム１００に接続される負荷２に対して電力を供給するものである。本実施形態に係る電源システム１００は、例えば、電力供給装置１１、電圧バランス検出回路１２及び制御部１３を備える。本実施形態における電力供給装置１１は、図３に示すように、複数の直流電源Ｖ１～Ｖｎを直列接続することにより構成され、当該複数の直流電源Ｖ１～Ｖｎ各々から出力される電圧を合成した出力電圧を負荷２へ供給する。本実施形態における電圧バランス検出回路１２は、上記電力供給装置１１の当該直流電源相互の電圧のアンバランスを検出するように構成される。電圧バランス検出回路１２は、図３に示すように、合成抵抗部２１及びバランス検出部２２を備える。

【0029】

合成抵抗部２１は、上記電力供給装置１１と並列に配列されるとともに、上記直流電源Ｖ１～Ｖｎと同数の固定抵抗Ｒ１～Ｒｎを上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの配列に対応させて直列接続することにより構成される。本実施形態における電圧バランス検出回路１２において、上記固定抵抗Ｒ１～Ｒｎの各抵抗値は、下記数式（４）に基づいている。

【0030】

【数4】

【0031】

すなわち、上記固定抵抗Ｒ１～Ｒｎは、上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの公称電圧と上記直流電源Ｖ１～Ｖｎに対応する固定抵抗Ｒ１～Ｒｎの抵抗値との比が一定となるように選定する。

【0032】

バランス検出部２２は、相隣接して対をなす上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの各対について、少なくとも１つのフォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１を備える。ここで、図３に示すバランス検出部２２は、相隣接して対をなす上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの各対に対して、フォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１を１つ備える。上記フォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１の両端のそれぞれは、上記第一の接続点Ｐ１～Ｐｎ－１及び第二の接続点Ｑ１～Ｑｎ－１の両方にそれぞれ少なくとも１つのダイオードＤ１１～Ｄ４ｎ－１を介して接続されている。上記ダイオードＤ１１～Ｄ４ｎ－１は、差分電流Ｉｓ１～Ｉｓｎ－１がフォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１の順方向にのみ流れるように向けられている。

【0033】

上記フォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１の両端には、上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの間に位置する第一の接続点Ｐ１～Ｐｎ－１から上記直流電源Ｖ１～Ｖｎにそれぞれ対応する固定抵抗Ｒ１～Ｒｎの間に位置する第二の接続点Ｑ１～Ｑｎ－１の方向に、及び/又は、その逆方向に電流が流れるように、第一の接続点Ｐ１～Ｐｎ－１、及び/又は、第二の接続点Ｑ１～Ｑｎ－１が接続されている。上記バランス検出部２２において、上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの少なくとも一方の電圧が公称電圧からずれた場合に、第一の接続点Ｐ１～Ｐｎ－１の電圧が第二の接続点Ｑ１～Ｑｎ－１の電圧と異なることにより、差分電流ＩｓがフォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１を流れる。ここで、上記差分電流Ｉｓ１～Ｉｓｎ－１は、下記数式（５）により表すことができる。

【0034】

【数5】

【0035】

バランス検出部２２は、上記差分電流Ｉｓ１～Ｉｓｎ－１が所定の値を超えた場合にフォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１が動作することにより、対をなす上記直流電源Ｖ１～Ｖｎについて相互の電圧のアンバランスを検出する。

【0036】

制御部１３は、ハードウェア資源として、所定のプロセッサを含む。本実施形態における制御部１３は、例えば、相隣接して対をなす上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの各対において、これらの直流電源Ｖ１～Ｖｎの相互の電圧差が所定の値を超えた場合（すなわち、上記差分電流Ｉｓ１～Ｉｓｎ－１が所定の値を超えた場合）に、負荷２への電力の供給を停止するように構成される。

【0037】

上記構成によれば、第２実施形態に係る電源システム１００は、アンプ及びコンパレータ等を用いたＩＣを使用せず、上記電圧バランス検出回路１２を受動部品により構成することにより、上記対をなす上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの各対について相互の電圧のアンバランスを検出することができる。すなわち、第２実施形態に係る電源システム１００は、従来、出力部（高電圧）に設けていた駆動用電源を省略することができる。これにより、第２実施形態に係る電源システム１００は、システム構成が煩雑になることを防止することができる。

【0038】

ここで、第２実施形態における電圧バランス検出回路１２において、複数の直流電源Ｖ１～Ｖｎ（ｎは、３以上の整数である。）の公称電圧は、すべて同一であってもよい。また、第２実施形態における電圧バランス検出回路１２において、バランス検出部２２は、フォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１（ｎは、３以上の整数である。）に並列接続された分流抵抗Ｒｓ１～Ｒｓｎ－１（ｎは、３以上の整数である。）をさらに備えていてもよい。分流抵抗Ｒｓ１～Ｒｓｎ－１の抵抗値は、隣接して対をなす上記直流電源の相互の電圧差が所定の値を超えた場合に、フォトカプラＰＩ１～ＰＩｎ－１が動作する差分電流Ｉｓ１～Ｉｓｎ－１が流れるよう設定されていてもよい。また、第２実施形態に係る電源システム１００において、直流電源Ｖ１～Ｖｎは、二次電池であってもよい。また、第２実施形態に係る電源システム１００において、上記変形例に示すように、上記電圧バランス検出回路１２のバランス検出部２２は、相隣接して対をなす上記直流電源Ｖ１～Ｖｎの各対に対して、上記フォトカプラを２つ備える構成としてもよい。

【0039】

また、上記説明において用いた「所定のプロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の専用又は汎用のプロセッサ、若しくは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（ＳＰＬＤ：Simple Programmable Logic Device）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ：Complex Programmable Logic Device）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field Programmable Gate Array）等を意味する。また、本実施形態の各構成要素（各処理部）は、単一のプロセッサに限らず、複数のプロセッサによって実現するようにしてもよい。さらに、複数の構成要素（複数の処理部）を、単一のプロセッサによって実現するようにしてもよい。

【0040】

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0041】

１，１０，１００ 電源システム
２ 負荷
１１ 電力供給装置
１２ 電圧バランス検出回路
１３ 制御部
２１ 合成抵抗部
２２ バランス検出部
Ｄ１～Ｄ４，Ｄ１１～Ｄ４ｎ－１ ダイオード
Ｉｓ，Ｉｓ１～Ｉｓｎ－１ 差分電流
Ｐ，Ｐ１～Ｐｎ－１ 第一の接続点
ＰＩ，ＰＩ１～ＰＩｎ－１ フォトカプラ
Ｑ，Ｑ１～Ｑｎ－１ 第二の接続点
Ｒ１～Ｒｎ 固定抵抗
Ｒｓ，Ｒｓ１～Ｒｓｎ－１ 分流抵抗
Ｖ１～Ｖｎ 直流電源

【図1】

【図2】

【図3】