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JP2008035680A - 多直列蓄電セル - Google Patents

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Abstract

【課題】直列接続数の多い多直列蓄電セルにおいて、組立てや交換等の作業性を向上させながら、全セルの電圧バランス補正を迅速かつ円滑に行わせる。
【解決手段】多直列蓄電セル(B1〜Bn)を接続順で連続する複数の直列セルグループ(G1,G2,・・・)に分け、各セルグループ内にてそれぞれ隣接セル間での電圧バランス補正を行うセル間電圧バランス補正回路31を設けるとともに、各セルグループの直列電圧をトランス・コイル(L1,L2,・・・)とスイッチング回路Scを用いて形成される交流結合によってバランス補正させるグループ間電圧バランス補正回路32を設ける。
【選択図】図1

Description

本発明は、多数の蓄電セルが直列接続されるとともに各セルの電圧を均等化させる電圧バランス補正回路を備えた多直列蓄電セルに関する。
キャパシタや二次電池などの蓄電セルは多数を直列に接続して使用する場合が多い。この場合、セル間に電圧バラツキが生じると、特定のセルに電圧が集中することによりセルの寿命が短くなってしまうという問題が生じる。この問題は直列接続数が多いほど顕著になる。したがって、蓄電セルの直列接続使用では、各セルの電圧を互いにバランス補正(均等化)する必要がある。
この電圧バランス補正を行わせる回路としては、図7に例示するインダクタ結合方式と、図8に例示するトランス結合方式とが知られている(たとえば特許文献1〜3参照)。
インダクタ結合方式の電圧バランス補正回路は、図7に示すように、インダクタLcとスイッチング素子Sa,Sbを用いて各セル11の電圧を相互にバランスさせる。すなわち、隣接するB1とB2、B2とB3、・・・、Bn−1とBnの間でインダクタ電流の充電と放電を行わせることにより、両セル間の電圧を同電圧にバランス補正させる。
このため、各セル11の間にはそれぞれインダクタLcが設置される。これとともに、各インダクタLcをそれぞれ第1のセルと第2のセルに交互に接続させるスイッチング回路Sa,Sbが設置される。
トランス結合方式の電圧バランス補正回路は、図8に示すように、相互に1対1の変圧比をなす複数のトランス・コイルL1〜Lnおよび互いに同相でオン・オフ動作するスイッチング回路Scにより、各セル11(B1〜Bn)を互いに交流結合(交流的に結合)させる。これにより、各セル11(B1〜Bn)の電圧が同電圧にバランス補正される。
上記のようにして各セルの電圧バランス補正が行われる多直列蓄電セルは、その全セル(B1〜Bn)の直列端P1,P2が、たとえば電気自動車の動力となる電動機等の発電/負荷装置100に接続されて使用される。
特開2001−185229 特開2006−67742 特開2004−201361(段落0046)
上述した従来の多直列蓄電セルは直列接続数がそれほど多くない場合には有効であるが、直列接続数が多くなると次のような問題が顕在化してくる。
たとえば、電気自動車の動力電源あるいや負荷平準化用の蓄電システムなどでは、数十〜数百の蓄電セルを直列接続して使用する場合が多い。この場合も、各セル電圧のバランス補正を行わせる必要がある。
直列接続数が多い場合、図7に示したインダクタ結合方式の電圧バランス補正回路では、隣接するセル間でのバランス補正は迅速かつ円滑に行わせることができるが、全セルに対するバランス補正が完了するまでには時間がかかる。これは、隣接セル間で局所的に行われたバランス補正の効果が1セルずつ順次伝達されて全セル(B1〜Bn)に及ぶのを待たなければならないことによる。
一方、図8に示したトランス結合方式の電圧バランス補正回路では、全セル(B1〜Bn)を1対1の変圧比のトランス・コイル(L1〜Ln)を介して互いに交流結合させることにより、全セルに対するバランス補正を一斉に行わせることができる。
しかし、トランスT1のコイル数には限りがあり、同一磁心21に巻回可能なコイル数は十ないし数十程度が限界である。このため、トランス結合方式の電圧バランス補正回路は、たとえば直列接続数が100を越えるような多直列蓄電セルには適用できない。
また、蓄電セルの直列接続数が多くなると、トランスT1とセル列(B1〜Bn)間の配線数が多くなって、多直列蓄電セルの組立てや交換等の作業性が著しく阻害されるという問題が生じる。
本発明は、以上のような技術背景を鑑みたものであって、その目的は、直列接続数の多い多直列蓄電セルにおいて、組立てや交換等の作業性を向上させながら、全セルの電圧バランス補正を迅速かつ円滑に行わせることを可能にした多直列蓄電セルを提供することにある。
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかにする。
本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
(1)多数の蓄電セルが直列接続されるとともに各セルの電圧を均等化させる電圧バランス補正回路を備えた多直列蓄電セルであって、上記多直列蓄電セルを接続順で連続する複数の直列セルグループに分け、各セルグループ内にてそれぞれ隣接セル間での電圧バランス補正を行うセル間電圧バランス補正回路を設けるとともに、各セルグループの直列電圧をトランス・コイルとスイッチング回路を用いて形成される交流結合によってバランス補正させるグループ間電圧バランス補正回路を設けたことを特徴とする多直列蓄電セル。
(2)上記手段(1)において、セル間電圧バランス補正回路は、隣接する第1のセルと第2のセルの間でインダクタ電流の充電と放電を行わせることにより両セル間で電圧バランス補正を行うことを特徴とする多直列蓄電セル。
(3)上記手段(2)において、セル間電圧バランス補正回路は、第1のセルと第2のセルに交互に接続されてインダクタ電流の充電および放電を行うインダクタを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
(4)上記手段(2)において、セル間電圧バランス補正回路は、第1のセルによって充電されたインダクタ電流を第2のセルの充電経路で放電する第1のインダクタと、第2のセルによって充電されたインダクタ電流を第1のセルの充電経路で放電する第2のインダクタと、上記第1および第2のインダクタの充電および放電の切換を行うスイッチング回路とを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
(5)上記手段(2)〜(4)のいずれかにおいて、セル間電圧バランス補正回路を構成するインダクタがセルグループ内に複数設置されているとともに、各インダクタが互いに磁気結合されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
(6)上記手段(1)〜(5)のいずれかにおいて、グループ間電圧バランス補正回路は、互いに1対1の変圧比で磁気結合する複数のトランス・コイルを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
(7)上記手段(1)〜(6)のいずれかにおいて、グループ間電圧バランス補正回路は、全セルグループの直列端にスイッチング回路を介して接続する一次コイルと、各セルグループの直列端にそれぞれスイッチング回路を介して接続する二次コイルとを備えたトランスを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
直列接続数の多い多直列蓄電セルにおいて、組立てや交換等の作業性を向上させながら、全セルの電圧バランス補正を迅速かつ円滑に行わせることを可能にした多直列蓄電セルを提供することができる。
上記以外の作用/効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかにする。
図1は、本発明による多直列蓄電セルの第1実施形態を示す。図同に示す多直列蓄電セルは多数(n)の蓄電セル11(B1〜Bn)を直列接続したものであって、その直列端P1,P2が電気自動車の動力となる電動機等の発電/負荷装置100に接続されて充放電使用されるようになっている。
同図において、直列接続されたn個の蓄電セルB1〜Bnは、接続順で連続する2つのセル(B1とB2,B3とB4,・・・,Bn−1とBn)からなるセルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)に分けられ、各セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)内にはそれぞれ、隣接セル間での電圧バランス補正を行うセル間電圧バランス補正回路31が設けられている。
セル間電圧バランス補正回路31は、インダクタLcとスイッチング回路Sa,Sbを用いて構成されるインダクタ結合方式の電圧バランス補正回路であって、隣接する第1のセル(B1,B3,・・・,Bn−1)と第2のセル(B2,B4,・・・,Bn)の間でインダクタ電流の充電と放電を行わせることにより、両セル間で電圧バランス補正を行う。
スイッチング回路Sa,SbはMOS−FETを用いて構成され、図示を省略する制御回路から与えられる2相パルス信号により、交互にオン・オフ動作させられる。一方のスイッチング回路Saがオンのときは、第1のセル(B1,B3,・・・,Bn−1)からインダクタLcにインダクタ電流が充電される。このとき、他方のスイッチング回路Sbはオフされている。
一方のスイッチング回路Saがオンからオフに切り換えられると、Lcに充電されたインダクタ電流は、他方のスイッチング回路Sbを通して第2のセル(B2,B4,・・・,Bn)を充電しながら放電されるようになる。
ここで、セルB1とB2に着目し、B1の電圧がB2よりも高い場合は、B1によってインダクタLcに充電されたインダクタ電流がB2の充電経路で放電させられることにより、両セルB1,B2間の電圧が均等化される。反対に、B1の電圧がB2よりも低い場合は、B2によってインダクタLcに充電されたインダクタ電流がB1の充電経路で放電させられることにより、両セルB1,B2間の電圧が均等化される。
つまり、隣接する2つのセルB1,B2間に電圧差があると、電圧が高い方のセルから低い方のセルに対して、インダクタンスLcを介して電気エネルギーの移転が行われることにより、両セルB1,B2の電圧が均等化される。このバランス補正動作は、各セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)内にてそれぞれ独立して行われる。
各スイッチング回路Sa,Sbにはそれぞれダイオードが並列に接続されているが、このダイオードはMOS−FETのソース・ドレイン間に等価的に形成される寄生ダイオード(ボデーダイオード)によって形成されている。このダイオードはセル11の電圧に対しては逆方向となるが、インダクタ電流に対しては順方向となることにより、次のような効果をもたらす。
すなわち、スイッチング回路Sa,Sbが共にオフとなった期間にインダクタ電流が残留していた場合、その残留インダクタ電流はダイオードを通して流れ続けることができる。これにより、インダクタLcにいったん生じたインダクタ電流を電圧バランス補正動作に無駄なく利用できるとともに、そのインダクタ電流を遮断した場合に生じるサージ電圧の発生を確実に抑えることができる。
図1に示す多直列蓄電セルには、上記セル間電圧バランス補正回路31に加えて、各セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)の直列電圧をバランス補正させるグループ間電圧バランス補正回路32が設置されている。
このグループ間電圧バランス補正回路32は、トランスT1を用いたトランス結合方式の電圧バランス補正回路であって、同一磁心21に同一巻数で巻回されて相互に1対1の変圧比をなす複数のトランス・コイル(L1〜Lm)と、互いに同相でオン・オフ動作させられるスイッチング回路Scを用いて構成されている。
各トランス・コイル(L1〜Lm)はそれぞれセルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)の直列端に接続されている。スイッチング回路ScはMOS−FETを用いて構成され、図示を省略する制御回路から与えられる一定周期のパルス信号(クロック信号)により、互いに同相でオン・オフ動作する。
このスイッチング回路Scにより、各セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)が互いに1対1の変圧比で交流結合される。これにより、各セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)の直列電圧が同電圧となるようなバランス補正が行われる。
上述した多直列蓄電セルでは、セル(B1とB2,B3とB4,・・・,Bn−1とBn)をグループ化して、そのグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)内でそれぞれにインダクタ結合方式による隣接セルの電圧補正を行わせることにより、各セルグループ内での電圧バランス補正を迅速かつ円滑に行わせることができる。これと同時に、各セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)の直列電圧がトランス結合方式によってバランス補正されることにより、全セル(B1〜Bn)に対する電圧バランス補正を迅速かつ円滑に、しかも正確に行わせることができる。
さらに、図1に示した実施形態では、インダクタ結合方式によるバランス補正を行わせるためのインダクタLcとスイッチング回路Sa,Sbが、2つのセル11に対して1組だけでよい。これにより、全セル(B1〜Bn)に対してインダクタ結合方式による電圧バランス補正を行う従来方式に比べて、インダクタLcおよびスイッチング回路Sa,Sbの部品数を大幅に低減させることができる。この部品数低減は、発熱量を低減させるとともに、セル(B1〜Bn)の実装密度(集合密度)を高める効果をもたらす。
また、トランス結合方式による電圧バランス補正回路32は、トランス・コイル(L1〜Ln)とセルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)間を接続する配線が必要になるが、この配線はセルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)の数に1本を加えた(m+1)本でだけ良く、全セル(B1〜Bn)に対してトランス結合方式による電圧バランス補正を行う従来方式に比べると、配線数が大幅に低減されている。
上記により、直列接続数の多い多直列蓄電セルにおいて、組立てや交換等の作業性を向上させながら、全セルの電圧バランス補正を迅速かつ円滑に行わせることが可能である。
図2は、上記セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)の配線状態を実状態に近づけて示した回路図であるが、同図に示すように、各セルグループ(G1,G2,G3,・・・,Gm)ではそれぞれ2つのセルがモジュール化されている。多直列蓄電セルの組立てやセル交換等の作業は、そのモジュールを単位とすることにより効率的に行うことができる。
図3は、インダクタ結合方式による電圧バランス補正回路31の実施形態を示す。この方式の電圧バランス補正回路31は、たとえば同図の(a)と(b)に示すような構成が可能である。
同図(a)に示す電圧バランス補正回路31は、図1または図2に示したセル間電圧バランス補正回路31と原理を同じくするものであって、隣接する第1のセルB1と第2のセルB2の間で、インダクタLcに対するインダクタ電流の充放電を行わせることにより、両セルB1,B2間で電圧バランス補正を行う。
同図(b)に示す電圧バランス補正回路31は、第1のセルB1によって充電されたインダクタ電流を第2のセルB2の充電経路で放電する第1のインダクタLc1と、第2のセルB2によって充電されたインダクタ電流を第1のセルB1の充電経路で放電する第2のインダクタLc2と、上記第1および第2のインダクタLc1,Lc2の充電および放電の切換を行うスイッチング回路Sa,SbおよびダイオードD1,D2を用いて構成されている。
この回路31では、第1のスイッチング回路Saがオンのときに、第1のセルB1から第1のインダクタLc1にインダクタ電流が充電される。このインダクタ電流は、第1のスイッチング回路Saがオフになったときに、ダイオードD1を経由して第2のセルB2の充電経路で放電される。
第1のスイッチング回路Saがオフのときは、第2のスイッチング回路Sbがオンになって、第2のセルB2から第2のインダクタLc2にインダクタ電流が充電される。このインダクタ電流は、第2のスイッチング回路Sbがオフになったときに、ダイオードD2を経由して第1のセルB1の充電経路で放電される。
上記のように、同図(b)の電圧バランス補正回路31では、インダクタ電流の充電および放電によるバランス補正動作が、第1および第2セルB1,B2の双方で同時並行的に行われる。これにより、両セルB1,B2間での電圧バランス補正をさらに迅速化させることができる。
図4は、トランス結合方式による電圧バランス補正回路32の実施形態を示す。この電圧バランス補正回路は、たとえば同図の(a)と(b)に示すような構成が可能である。
同図(a)に示す電圧バランス補正回路32は、図1または図2に示したグループ間電圧バランス補正回路32と原理を同じくするものであって、2つのセルグループG1、G2をそれぞれスイッチング回路Scを介してトランスT1のコイルL1,L2に接続することにより、2つのセルグループG1,G2を1対1の変圧比で交流結合させて電圧バランス補正を行う。
各セルグループG1,G2はそれぞれ、k個の蓄電セル(B1〜Bk)が直列接続されてなるモジュールによって構成されている。各セルグループG1,G2内には、図示を省略するが、インダクタ結合方式によるセル間電圧バランス補正回路が設けられている。
同図(b)に示す電圧バランス補正回路32は、一次コイルLoと二次コイルL1,L2を有するトランスT1を使用する。一次コイルLoには、全セルグループ(G1,G2)の直列端(P1,P2)がスイッチング回路Scを介して接続されている。二次コイルL1,L2は各セルグループ(G1,G2)に整流および逆流防止用のダイオードD1,D2を介して接続される。
二次コイルL1,L2は互いに同じ巻数で同一磁心21に巻回されている。一次コイルLoは、全セルの直列電圧でコア21を励磁できるよう、Scオン時にD1、D2がオフとなる方向の巻極にしてある。Scがオンになると全セルの直列電圧がLoに加わり、コア21を励磁する。次にScがオフになると、二次巻線L1、L2は、この励磁電流を維持するよう、D1、D2を通して電流を流す。このとき、巻数当りの電圧の低い方に電流は集中して流れることから、セルグループ(G1、G2)間で電圧バランス補正が行われる。
一次コイルLoには、全セルの直列電圧がスイッチング回路Scでオン・オフされながら印加される。この印加電圧は、所定の分圧比で変圧されて二次コイルL1,L2に現れる。二次コイルL1,L2に現れる分圧電圧は、ダイオードD1,D2を介してセルグループ(G1,G2)に印加される。これにより、セルグループ(G1,G2)間での電圧バランス補正が行われる。
このグループ間電圧バランス補正回路32は、全セルの直列電圧を各セルグループ(G1,G2)に一斉に再分配することによって電圧バランス補正を行うが、これにより、そのバランス補正動作を迅速化させることができる。
図5は、本発明による多直列蓄電セルの第2実施形態を示す。図同に示す多直列蓄電セルは、各セルグループ(G1,G2,・・・)内にそれぞれ4つの蓄電セル11(B1〜B4,B5〜B8,・・・)が直列接続されている。つまり、4直列のセル(B1〜B4,B5〜B8,・・・)が単位となってセルグループ(G1,G2,・・・)のモジュールを構成している。
各セルグループ(G1,G2,・・・)内には、インダクタ結合方式によるセル間電圧バランス補正回路31が設置されている。このセル間電圧バランス補正回路31は、2つのインダクタLc1,Lc2を用いている。両インダクタLc1,Lc2は同一磁心22に巻回されて互いに磁気結合している。すなわち、図6に示すように、インダクタLc1,Lc2は1対1のトランスを形成する。これにより、セル間電圧バランス補正回路31は、2つのインダクタLc1,Lc2で4つのセル(B1〜B4,・・・)の電圧をバランス補正させることができる。
上記構成によれば、セルグループ(G1,G2,・・・)内の配線および部品数をさらに低減させることができる。また、各セルグループ(G1,G2,・・・)内の直列セル数が4個に増えたことにより、セルグループの数が大幅に低減されている。これにより、グループ間電圧バランス補正回路32のトランス・コイル数、およびグループ間電圧バランス補正回路32と蓄電セル列間の配線数をそれぞれ、さらに大幅に低減させることができる。
以上、本発明をその代表的な実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、セルグループ(G1,G2,・・・)内のセル数は3個あるいは5個以上の任意数が可能である。
直列接続数の多い多直列蓄電セルにおいて、組立てや交換等の作業性を向上させながら、全セルの電圧バランス補正を迅速かつ円滑に行わせることを可能にした多直列蓄電セルを提供することができる。
本発明による多直列蓄電セルの第1実施形態を示す回路図である。 図1に示した回路の一部をさらに具体化した回路図である。 本発明で使用するセル間電圧バランス補正回路の実施形態を示す回路図である。 本発明で使用するグループ間電圧バランス補正回路の第実施形態を示す回路図である。 本発明による多直列蓄電セルの第1実施形態を示す回路図である。 図5に示した回路の一部をさらに具体化した回路図である。 従来の多直列蓄電セルの第1構成例を示す回路図である。 従来の多直列蓄電セルの第2構成例を示す回路図である。
符号の説明
100 発電/負荷装置
11 蓄電セル11(B1〜Bn)
21,22 磁心
31 セル間電圧バランス補正回路
32 グループ間電圧バランス補正回路
G1〜Gm セルグループ
Lc,Lc1,Lc2 インダクタ
L1〜Lm トランス・コイル
P1,P2 多直列蓄電セル11の直列端
Sa,Sb,Sc スイッチング回路
T1 トランス

Claims (7)

  1. 多数の蓄電セルが直列接続されるとともに各セルの電圧を均等化させる電圧バランス補正回路を備えた多直列蓄電セルであって、上記多直列蓄電セルを接続順で連続する複数の直列セルグループに分け、各セルグループ内にてそれぞれ隣接セル間での電圧バランス補正を行うセル間電圧バランス補正回路を設けるとともに、各セルグループの直列電圧をトランス・コイルとスイッチング回路を用いて形成される交流結合によってバランス補正させるグループ間電圧バランス補正回路を設けたことを特徴とする多直列蓄電セル。
  2. 請求項1において、セル間電圧バランス補正回路は、隣接する第1のセルと第2のセルの間でインダクタ電流の充電と放電を行わせることにより両セル間で電圧バランス補正を行うことを特徴とする多直列蓄電セル。
  3. 請求項2において、セル間電圧バランス補正回路は、第1のセルと第2のセルに交互に接続されてインダクタ電流の充電および放電を行うインダクタを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
  4. 請求項2において、セル間電圧バランス補正回路は、第1のセルによって充電されたインダクタ電流を第2のセルの充電経路で放電する第1のインダクタと、第2のセルによって充電されたインダクタ電流を第1のセルの充電経路で放電する第2のインダクタと、上記第1および第2のインダクタの充電および放電の切換を行うスイッチング回路とを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
  5. 請求項2〜4のいずれかにおいて、セル間電圧バランス補正回路を構成するインダクタがセルグループ内に複数設置されているとともに、各インダクタが互いに磁気結合されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
  6. 請求項1〜5のいずれかにおいて、グループ間電圧バランス補正回路は、互いに1対1の変圧比で磁気結合する複数のトランス・コイルを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。
  7. 請求項1〜6のいずれかにおいて、グループ間電圧バランス補正回路は、全セルグループの直列端にスイッチング回路を介して接続する一次コイルと、各セルグループの直列端にそれぞれスイッチング回路を介して接続する二次コイルとを備えたトランスを用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セル。

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