JP4140585B2 - 直列接続した２次電池のバランス補正装置およびその補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、直列接続した２次電池のバランス補正装置およびその補正方法に関するもので、より具体的には、直列に接続した複数の２次電池について各電圧を均等化するような補正動作の改良に関する。

複数・多数の２次電池を直列に接続した電源では、電力の有効利用，長寿命化などの面から各電圧を均等化させる必要がある。係る各電圧を均等化させる技術としては、例えば特許文献１，２などに見られるように、インダクタが発現する誘導起電力の性質を利用するようにしたバランス補正のための装置および方法が提案されている。

図１は、２次電池のバランス補正装置の従来例を示す回路図であり、特許文献２に示されたものである。同図に示すバランス補正装置は、２つの２次電池Ｂ１，Ｂ２を直列に接続し、インダクタＬの一端を電池Ｂ１，Ｂ２の接続点に接続している。そして、電池Ｂ１の他端（正極端子）とインダクタＬの他端との間にスイッチング素子Ｓ１を接続し、電池Ｂ２の他端（負極端子）とインダクタＬの他端との間にスイッチング素子Ｓ２を接続している。

２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、ＭＯＳＦＥＴからなり、相補動作するゲートドライバＤ１，Ｄ２をゲート端子に接続している。これらゲートドライバＤ１，Ｄ２に対して信号発生回路１０から駆動信号を送ることにより、一方のスイッチング素子をオンにする際は、他方のスイッチング素子はオフとなるような駆動を行う構成になっている。

信号発生回路１０は、これら２つの電池Ｂ１，Ｂ２のバランス補正を実行する期間に、デューティ比が５０％の所定周期のパルス列（矩形波）を発生してゲートドライバＤ１，Ｄ２に入力する。これにより、２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は相補的にオン，オフを繰り返し、オン時間とオフ時間とは等しくなる。

スイッチング素子Ｓ１がオンでスイッチング素子Ｓ２がオフでは、電池Ｂ１，スイッチング素子Ｓ１，インダクタＬが連なり閉回路（Ｂ１ループと呼ぶ）を形成し、スイッチング素子Ｓ１がオフでスイッチング素子Ｓ２がオンでは、電池Ｂ２，インダクタＬ，スイッチング素子Ｓ２が連なり閉回路（Ｂ２ループと呼ぶ）を形成する。

Ｂ１ループの期間において、電池Ｂ１の起電力により順方向に循環する電流が流れる際は、その順方向の電流は、（ｅ１／Ｌｉ）の変化率で時間と共に増加する。ここで、ｅ１は電池Ｂ１の電圧、ＬｉはインダクタＬのインダクタンスである。次に、その順方向の電流が流れている状態からスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を反転させて、Ｂ２ループの期間に切り替えると、このときインダクタＬに流れていた電流は電池Ｂ２の起電力に対して逆方向となる。

つまり、Ｂ１ループの期間に電池Ｂ１の起電力に順方向の電流は、Ｂ２ループの期間では電池Ｂ２の起電力に対して逆方向の電流となる。この逆方向の電流は、電池Ｂ２の起電力により徐々に減少する。その変化率は（ｅ２／Ｌｉ）となり、ｅ２は電池Ｂ２の電圧である。

したがって、インダクタＬに流れる電流は、デューティ比５０％の矩形波に同期してノコギリ状の波形となり、その電流は傾きが（ｅ１／Ｌｉ），（ｅ２／Ｌｉ）で増減し、単位周期で見ると、前半が誘導起電力（逆起電力）の部分になるので充電の時間となり、後半はインダクタＬにエネルギーを蓄積する放電の時間になる。

ここで、電池Ｂ１の電圧ｅ１が電池Ｂ２の電圧ｅ２より高いと、Ｂ１ループ期間中では単位周期前半で充電の時間が短くて後半で放電の時間が長くなり、反対にＢ２ループ期間では単位周期前半で充電の時間が長くて後半で放電の時間が短くなる。このため、電圧の高い側の電池Ｂ１がトータル的には放電が進み、電圧の低い側の電池Ｂ２がトータル的には充電が進むことになる。

すなわち、電池Ｂ１の出力で電池Ｂ２を充電することになり、その結果、電池Ｂ１の電圧ｅ１が順次に低下していくと共に、電池Ｂ２の電圧ｅ２が順次に上昇してゆき、電圧ｅ１と電圧ｅ２とが均等化する。
特許第３３２８６５６号公報 特開２００１−１８５２２９号公報

ところで、このような２次電池による電源は、小型化の要求がある。しかし、負荷の側からは容量が大きいことが望ましい。各電池の容量を上げるためには、バランス補正を短時間で完了させる面からインダクタＬに流れる電流を大きな値にし、このためインダクタＬ，スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は対応させて仕様を上げることになり、電流の増大に見合う電流容量が必要になるので各素子が大型化してしまうという問題がある。

一方、各電池の電圧を均等化させるバランス補正が完了した後には、インダクタに流れる三角波の電流は正負のピークが同値になって流れることになり、これは無効電流になるので小さい値にしたい。この面から、インダクタＬはインダクタンスが大きな値であることが有利であるが、素子が大型化してしまう。また、インダクタＬのインダクタンスが大値であると、電流ピークを高く得られず、バランス補正に時間がかかる。

そしてまた、バランス補正は、効率よく短時間で完了したい要求はもちろんであり、負荷の急変に対する応答性能を高くしたい要求もある。このように、相反する問題が存在しており、従来は、使用目的などに応じて優先する課題の解決をはかり、他の弊害部分はある程度犠牲にしている。

この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、インダクタに流れる電流を所定に制限することにより各素子を小型化することができ、バランス補正の動作を短時間で行えて効率がよく、負荷の急変に対する応答性能が良好である直列接続した２次電池のバランス補正装置およびその補正方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る直列接続した２次電池のバランス補正装置は、直列に接続した複数の２次電池について各電圧を均等化させるものであって、前記２次電池の並び列で前後する２つの電池Ｂ１，Ｂ２の接続点に一端を接続するインダクタＬと、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ１の他端とに接続してオン動作時に第１閉回路を形成する第１スイッチング素子Ｓ１と、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ２の他端とに接続してオン動作時に第２閉回路を形成する第２スイッチング素子Ｓ２と、前記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を所定サイクルで相補的にオン動作させる信号発生回路と、前記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を検出する検出手段と、前記検出手段の検出値が所定値を越える過電流であるときに当該過電流が低減するように前記信号発生回路の動作に制限をかける制限手段とを備える構成とした。

また、前記検出手段は、副スイッチング素子と電流検出のための抵抗とを直列に接続した直列素子を前記スイッチング素子に並列に接続し、前記副スイッチング素子を前記スイッチング素子と連動させて２重に動かす構成とし、前記制限手段は、前記抵抗に接続するコンパレータを備えて所定の基準電圧と比較することにより過電流を検出し、当該コンパレータの出力を前記信号発生回路に戻して過電流の制限を行う構成とするとよい。

また、前記２次電池の並び列で前後する２つの電池Ｂ１，Ｂ２の接続点に一端を接続するインダクタＬと、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ１の他端とに接続してオン動作時に第１閉回路を形成する第１スイッチング素子Ｓ１と、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ２の他端とに接続してオン動作時に第２閉回路を形成する第２スイッチング素子Ｓ２と、前記２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を所定サイクルで相補的にオン動作させる信号発生回路と、前記インダクタＬに流れる電流を検出して所定値を越える過電流であるときに当該過電流が低減するように制限をかける制限手段とを備えるように構成しても良い。

また、直列に接続した複数の２次電池について各電圧を均等化させるバランス補正方法であって、２次電池の並び列で前後する２つの電池Ｂ１，Ｂ２の接続点にインダクタＬの一端を接続しておき、前記インダクタＬの他端を前記電池Ｂ１の他端に接続することで第１の閉回路を形成して電流を循環させる第１モードと、前記インダクタＬの他端を前記電池Ｂ２の他端に接続することで第２の閉回路を形成して電流を循環させる第２モードとを所定周期で交互に繰り返す動作を適宜な期間実行し、電池Ｂ１と電池Ｂ２の電圧を均等化させるバランス補正の動作において、前記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を検出し、当該検出値が所定値を越える過電流であるときに、前記第１，第２モードの繰り返し周期に対して過電流が低減するように制限をかけるようにすることもできる。

係る構成にすることにより本発明では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を検出し、当該検出値が所定値を越える過電流であるときに、過電流が低減するように信号発生回路の動作に制限をかける。そして、これには、第１，第２モードの繰り返し周期に対して制限をかけてデューティ比をコントロールする動作になる。したがって、インダクタＬに流れる電流を所定に制限することができ、その結果、インダクタＬおよびスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を小型化することができる。

また、インダクタＬに流れる電流を検出して所定値を越える過電流であるときに当該過電流が低減するように制限をかけることでもよく、制限手段としては、インダクタに抵抗を直列に接続すること、あるいは、インダクタが固有に有する抵抗成分を適正に調整すること、等によりインダクタに流れる電流を制限することができる。

本発明に係る直列接続した２次電池のバランス補正装置では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を検出し、当該検出値が所定値を越える過電流であるときに、過電流が低減するように信号発生回路の動作に制限をかけるので、インダクタＬに流れる電流を所定に制限することができる。その結果、インダクタＬおよびスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を小型化することができ、バランス補正装置を小型にできる。

（第１の実施の形態）
図２は、本発明に係るバランス補正装置の第１の実施の形態を示す回路図である。本実施の形態では、バランス補正装置は、インダクタが発現する誘導起電力の性質を利用するようにした構成であり、基本的には前述した図１に示す従来例と同一になっている。

つまり、バランス補正装置は、２つの２次電池Ｂ１，Ｂ２を直列に接続してあり、インダクタＬの一端を電池Ｂ１，Ｂ２の接続点に接続している。そして、電池Ｂ１の他端（正極端子）とインダクタＬの他端との間にスイッチング素子Ｓ１を接続し、電池Ｂ２の他端（負極端子）とインダクタＬの他端との間にスイッチング素子Ｓ２を接続している。

各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２には、副スイッチング素子Ｓ３（Ｓ４）と電流検出のための抵抗Ｒ１（Ｒ２）とを直列に接続した直列素子を、それぞれ並列に接続し、副スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と連動させて２重に動かす構成になっている。これは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をオン動作する際は、副スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４も２重にオン動作し、電流が分流するので、各抵抗Ｒ１，Ｒ２の副スイッチング素子側について電圧をモニタすることにより、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を知ることができ、電流の検出手段になっている。

２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２および２つの副スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４は、ＭＯＳＦＥＴからなり、相補動作するゲートドライバＤ１，Ｄ２をゲート端子に接続し、これらゲートドライバＤ１，Ｄ２に対して信号発生回路１０から駆動信号を送ることにより、一方の２重のスイッチング素子をオンとする際は他方の２重はオフとする駆動を行う構成になっている。

信号発生回路１０は、これら電池Ｂ１，Ｂ２のバランス補正を実行する期間に、デューティ比が５０％の所定周期のパルス列（矩形波）を発生してゲートドライバＤ１，Ｄ２に入力する。これにより、２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は相補的にオン，オフを繰り返し、オン時間とオフ時間とは等しい。

各抵抗Ｒ１，Ｒ２の副スイッチング素子側は、コンパレータ２０の入力端に接続してあり、コンパレータ２０は、他方の入力端に基準電圧Ｖ１（Ｖ２）を接続し、出力端はゲートドライバＤ３（Ｄ４）を介して信号発生回路１０の動作制御部に接続している。

このコンパレータ２０は、予め設定した基準電圧Ｖ１（Ｖ２）と比較することで過電流を検出し、検出手段の検出値が所定値を越える過電流であるときに、信号発生回路１０の動作制御部に信号を送る動作を行い、過電流が低減するように制限をかける制限手段になっている。制限の動作としては、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の片方に過電流を検出した場合、その該当側のスイッチング素子をオフするように動作し、デューティ比をコントロールすることになる。

このように、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を検出し、当該検出値が所定値を越える過電流であるときに、過電流が低減するように信号発生回路１０の動作に制限をかけ、デューティ比をコントロールする動作になることから、インダクタＬに流れる電流を所定に制限することができる。その結果、インダクタＬおよびスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を小型化することができ、バランス補正装置を小型にできる。

ところで、バランス補正における電流の制限には、インダクタＬを流れる電流について制限をかける構成にすることもよい。具体的には、図３，図４に示すような構成にすればよい。

図３に示す例１では、インダクタＬに対して抵抗Ｒ３を直列に接続してあり、抵抗Ｒ３はインダクタＬにおける電流を抑えるリミッタになる。また、図４に示す例２では、インダクタＬが等価的に有する抵抗成分Ｒｄｃを利用する構成であり、抵抗成分Ｒｄｃそのものを適宜に設定することにより、インダクタＬにおける電流を抑えるリミッタとして機能させる。

インダクタＬが固有する抵抗成分Ｒｄｃの調整は、巻線の断面積（線径），長さを適正に設定すること、およびインダクタＬの周波数特性に係るＲ成分を適正に設定すること、そして両者の総合特性値を適正化することにより行うことができる。この場合、インダクタＬに流れる電流を制限することに係る部品点数が少なく、バランス補正装置をシンプルに小型化することができる。

（第２の形態（参考例））
図５は、バランス補正装置の第２の形態（参考例）を示すの回路図である。この第２の形態（参考例）では、第１の実施の形態に備えた電流の検出手段および過電流が低減するように制限をかける制限手段は外してあって、基本的には前述した図１に示す従来例と同一であるが、インダクタＬは非線形型のインダクタにしている。なお、前述した第１の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。

図６は、非線形型インダクタの電流特性を示すグラフ図である。そして、図７は、バランス補正の動作における各部の波形を示すタイミング図であり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のゲート端子に送る相補的なパルス波形と、それらパルス列（Ｓ１，Ｓ２）に同期するインダクタ電流の波形を示している。

非線形型インダクタは、電流特性が図６に示すように、電流の増加に対して負の傾きでインダクタンスが低減する。このため、各電池Ｂ１，Ｂ２の電圧が均等化してバランスが概ね良好な状況では、Ｂ１ループ，Ｂ２ループの何れでも電流が小さいのでインダクタンスが大きな値となる。その結果、バランス補正の回路にあっては、無効電流が小さくなりロスが少なく、効率がよい。逆に、各電池で電圧差が大きくバランスが取れていない状況では、図７に示すように、バランス補正に係る電流が大きく、短い時間で早く補正動作が行えて、このときインダクタンスが小値になる。

磁束密度Ｂは、
Ｂ ＝（ＡＬ／Ａ）× Ｎ・Ｉ
で示すことができる。ここで、ＡＬはインダクタの１ターン当たりのインダクタンス，ＡはインダクタＬのコア断面積，ＮはインダクタＬの巻き数，Ｉは電流である。そして、インダクタＬのコアをフェライト材料により形成する場合は、磁束密度Ｂは０．４以下にしないと飽和するため、この条件を考慮すると、
Ｂ ≦ ０．４
なので、コア断面積Ａは小値でよいと言える。すなわち、インダクタＬは、非線形型インダクタとすることでは、よりさらに小型化することができ、効率がよい。

（第３の形態（参考例））
図８は、バランス補正装置の第３の形態（参考例）を示すの回路図である。この第３の形態（参考例）では、第１の実施の形態では備えた電流の検出手段および過電流が低減するように制限をかける制限手段は外してある。そして、基本的には前述した図１に示す従来例と同一であるが、直列に接続した抵抗Ｒ４，Ｒ５による基準電圧手段とコンパレータ２０による調整手段とを備えて、デューティ比をバランス補正の変化量が収束する向きに修正する構成になっている。なお、前述した第１形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。

基準電圧手段としては、値が同一な２つの抵抗Ｒ４，Ｒ５を直列に接続して当該直列素子の両端を電池Ｂ１，Ｂ２に並列に接続してある。そして、抵抗Ｒ４，Ｒ５の接続点（基準電圧）と、電池Ｂ１，Ｂ２の接続点とはコンパレータ２０の入力端に接続し、当該コンパレータ２０の出力端は信号発生回路１０の動作制御部に接続している。

このため、抵抗Ｒ４，Ｒ５の接続点には、電池Ｂ１，Ｂ２について両電圧の和値を等分した基準電圧が現れることになる。そして、コンパレータ２０では実際の電圧値と基準電圧との比較を行うことになるので、その出力は基準電圧に対するズレ量つまり補正値となり、これを信号発生回路１０の動作制御部に送るので、デューティ比をバランス補正の変化量が収束する向きに修正する動作になる。

つまり、ここでの制御は、電池Ｂ１，Ｂ２について両電圧の和値を等分した基準電圧を検出し、当該基準電圧と前記接続点の電圧との比較を行って、Ｂ１ループ，Ｂ２ループの繰り返し周期に対して、デューティ比をバランス補正の変化量が収束する向きに修正する動作となり、デューティ比を可変するパルス幅制御になっている。

パルス幅制御によれば、２つの電池Ｂ１，Ｂ２において等価直列抵抗が相違した状態で負荷に急変があると、等価直列抵抗の小さい電池が大きい電池の電流の変化分を補うので、電圧変動を小さくすることができる。すなわち、パルス幅制御によって、バランス補正が自動化するようなデューティ比になり、その結果、バランス補正の動作を短時間で行えて効率がよく、負荷の急変に対する応答性能が良好である。

（第４の形態（参考例））
図９は、バランス補正装置の第４の実施の形態（参考例）を示すの回路図である。この第４の形態（参考例）では、第３の形態（参考例）のものに対し、基準電圧手段を切り離すためのスイッチ手段３０を加えてあり、前述した第１の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。

スイッチ手段３０は、抵抗Ｒ４，Ｒ５による直列素子に、トランジスタ３１のエミッタ，コレクタを直列に介在させてスイッチ動作させる構成であり、トランジスタ３１のベース，エミッタ間に抵抗３２を接続するとともに、そのベースには抵抗３３，ダイオード３４を接続して信号端子３５とし、その信号端子３５にＨレベルあるいはＬレベルの信号を加えるようになっている。

したがって、信号端子３５をＬレベルにすることで、トランジスタ３１がオンとなり、抵抗Ｒ４，Ｒ５による基準電圧手段が機能し、信号発生回路１０に対してデューティ比を可変するパルス幅制御が行える。逆に、信号端子３５をＨレベルにした状態では、トランジスタ３１がオフ状態となり、抵抗Ｒ４，Ｒ５を電池Ｂ１，Ｂ２の側から接続を切り離すことができる。つまり、オフ動作の際には、抵抗Ｒ４，Ｒ５の側に不必要な電流が流れず、パルス幅制御に係る回路は動作を停止できる。

２次電池のバランス補正装置の従来例を示す回路図である。 本発明に係るバランス補正装置の第１の実施の形態を示すの回路図である。 バランス補正装置の他例１を示す回路図である。 バランス補正装置の他例２を示す回路図である。 バランス補正装置の第２の形態（参考例）を示すの回路図である。 非線形型インダクタの電流特性を示すグラフ図である。 バランス補正の動作における各部の波形を示すタイミング図である。 バランス補正装置の第３の形態（参考例）を示すの回路図である。 バランス補正装置の第４の形態（参考例）を示すの回路図である。

符号の説明

１０ 信号発生回路
２０ コンパレータ
３０ スイッチ手段
３１ トランジスタ
３２，３３ 抵抗
３４ ダイオード
３５ 信号端子
Ｂ１，Ｂ２ 電池
Ｌ インダクタ
Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子
Ｓ３，Ｓ４ 副スイッチング素子
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ 抵抗
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ ゲートドライバ
Ｖ１，Ｖ２ 基準電圧

Claims (4)

1. 直列に接続した複数の２次電池について各電圧を均等化させるバランス補正装置であって、
   前記２次電池の並び列で前後する２つの電池Ｂ１，Ｂ２の接続点に一端を接続するインダクタＬと、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ１の他端とに接続してオン動作時に第１閉回路を形成する第１スイッチング素子Ｓ１と、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ２の他端とに接続してオン動作時に第２閉回路を形成する第２スイッチング素子Ｓ２と、前記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を所定サイクルで相補的にオン動作させる信号発生回路と、前記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を検出する検出手段と、前記検出手段の検出値が所定値を越える過電流であるときに当該過電流が低減するように前記信号発生回路の動作に制限をかける制限手段とを備えることを特徴とする直列接続した２次電池のバランス補正装置。
2. 前記検出手段は、副スイッチング素子と電流検出のための抵抗とを直列に接続した直列素子を前記スイッチング素子に並列に接続し、前記副スイッチング素子を前記スイッチング素子と連動させて２重に動かす構成とし、前記制限手段は、前記抵抗に接続するコンパレータを備えて所定の基準電圧と比較することにより過電流を検出し、当該コンパレータの出力を前記信号発生回路に戻して過電流の制限を行う構成であることを特徴とする請求項１に記載の直列接続した２次電池のバランス補正装置。
3. 直列に接続した複数の２次電池について各電圧を均等化させるバランス補正装置であって、
   前記２次電池の並び列で前後する２つの電池Ｂ１，Ｂ２の接続点に一端を接続するインダクタＬと、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ１の他端とに接続してオン動作時に第１閉回路を形成する第１スイッチング素子Ｓ１と、前記インダクタＬの他端と前記電池Ｂ２の他端とに接続してオン動作時に第２閉回路を形成する第２スイッチング素子Ｓ２と、前記２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を所定サイクルで相補的にオン動作させる信号発生回路と、前記インダクタＬに流れる電流を検出して所定値を越える過電流であるときに当該過電流が低減するように制限をかける制限手段とを備えることを特徴とする直列接続した２次電池のバランス補正装置。
4. 直列に接続した複数の２次電池について各電圧を均等化させるバランス補正方法であって、
   ２次電池の並び列で前後する２つの電池Ｂ１，Ｂ２の接続点にインダクタＬの一端を接続しておき、前記インダクタＬの他端を前記電池Ｂ１の他端に接続することで第１の閉回路を形成して電流を循環させる第１モードと、前記インダクタＬの他端を前記電池Ｂ２の他端に接続することで第２の閉回路を形成して電流を循環させる第２モードとを所定周期で交互に繰り返す動作を適宜な期間実行し、電池Ｂ１と電池Ｂ２の電圧を均等化させるバランス補正の動作において、
   前記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に流れる電流を検出し、当該検出値が所定値を越える過電流であるときに、前記第１，第２モードの繰り返し周期に対して過電流が低減するように制限をかけることを特徴とする直列接続した２次電池のバランス補正方法。

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