JP4378009B2 - Balance correction method and apparatus for secondary batteries connected in series - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
この発明は、たとえば電気自動車やノート型パソコンのように直列接続された複数の2次電池を電源として用いる技術に関するものであり、とくに、各電池の電圧を均等化するためのバランス補正方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
よく知られているように、2次電池を直列にして充放電を繰り返しながら使用する電源システムの場合、電池能力の有効活用とか電池寿命をできるだけ長くするなどの面で、充電の局面でも放電の局面でも各電池の電圧をできるだけ均等にすることが望まれる。一般の電池は同一仕様であっても、個々の電池ごとに特性がばらつくことは避けがたいので、直列電池の電源システムを使用しながら各電池の電圧を均等化する対策が必要となる。
【0003】
そこで本発明者らは先に、特開平11−176483号公報に開示されているつぎのような技術を開発した。巻数の等しい多数の2次巻線を有するトランスを用意する(これをマルチチャンネル・ユニフォーム出力型トランスと名付けた)。このトランスの1次巻線とスイッチング素子の直列回路に多数の電池の直列出力を印加し、スイッチング素子を高速でオンオフさせて1次電流を流す。トランスの各2次巻線の出力をそれぞれ整流平滑して、各直流出力を直列電池の個々の電池に印加する。つまり、直列電池の出力でオンオフ式コンバータを駆動し、そのコンバータのマルチチャンネル出力で直列電池の個々を充電するような構成となる。この構成では、より高い電圧を示す電池出力により、より低い電圧を示す電池が充電されることとなり、各電池の電圧が均等化される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述したマルチチャンネル・ユニフォーム出力型トランスを用いたコンバータ方式のバランス補正技術では、n個の直列電池を対象にするとn個の2次巻線をもったユニフォーム出力型トランスが必要であり、また2次巻線出力を整流平滑する回路もn個必要となるので、構成部品要素が多くて高価格になるという問題があった。たとえば電気自動車では100個から200個もの電池を直列にした電源システムを用いるが、これに前記の従来技術を適用することを想定すると、前記の問題は大きくクローズアップされることになる。
【0005】
この発明は前述した従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、2次電池を直列接続して用いる電源システムに関連して、各電池の電圧を高度に均等化することができ、かつ簡単で安価に実現可能なバランス補正方法および装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に先だって検討されたバランス補正方法では、直列接続されている2次電池B1と2次電池B2の接続点にインダクタLの一端を接続しておき、インダクタLの他端を電池B1の他端に接続することで形成される第1閉回路に電流を流す第1モードと、インダクタLの他端を電池B2の他端に接続することで形成される第2閉回路に電流を流す第2モードとを短時間ずつ交互に繰り返す動作を適当な期間実行し、電池B1と電池B2の電圧を均等化する(図1参照)。
【0007】
請求項1の発明は、上記バランス補正方法をより良く実行するための装置であって、まず、電池B1の一端と電池B2の一端との接続点に一端が接続されるインダクタLと、インダクタLの他端を電池B1の他端に接続して第1閉回路を形成するための第1スイッチング素子S1と、インダクタLの他端を電池B2の他端に接続して第2閉回路を形成するための第2スイッチング素子S2と、第1スイッチング素子S1と第2スイッチング素子S2とを短時間ずつ相補的にオン・オフ駆動するための制御回路とを備える。第1および第2のスイッチング素子はそれぞれ、たとえばMOSFETのように、スイッチング電流に対して逆方向の電流を流すボディダイオードを有するスイッチング素子を使用し、第1スイッチング素子S1の両端および第2スイッチング素子S2の両端のそれぞれにキャパシタを並列接続する(図4,5参照)。
【0008】
この発明のより普遍的なバランス補正方法は、4個以上の偶数個の2次電池B1,B2,B3,…,Bnの直列回路において、iを1から(n−1)までの奇数とし、電池Biと電池Bi+1の接続点にインダクタLiの一端を接続するとともに、これら(n÷2)個のインダクタL1〜Liをすべて磁気回路により巻き極を電池側またはスイッチング素子側に揃えて磁気結合しておき、インダクタLiの他端を電池Biの他端に接続することで形成される奇数側閉回路に電流を流す第1モードと、インダクタLiの他端を電池Bi+1の他端に接続することで形成される偶数側閉回路に電流を流す第2モードとを短時間ずつ交互に繰り返す動作を適当な期間実行し、各電池の電圧を均等化するものである(請求項2の発明)。
【0009】
請求項3の発明は、請求項2に記載のバランス補正方法を実行するための装置であって、電池Biと電池Bi+1の接続点に一端が接続されるインダクタLiと、これら(n÷2)個のインダクタL1〜Liを磁気結合する磁気回路と、インダクタLiの他端を電池Biの他端に接続して奇数側閉回路を形成するための奇数側スイッチング素子Siと、インダクタLiの他端を電池Bi+1の他端に接続して偶数側閉回路を形成するための偶数側スイッチング素子Si+1と、奇数側スイッチング素子Siと偶数側スイッチング素子Si+1とを短時間ずつ相補的にオン・オフ駆動するための制御回路とを備えたものである。この装置においては、奇数側スイッチング素子Siと偶数側スイッチング素子Si+1とのそれぞれにキャパシタを並列接続することが望ましい(請求項4の発明)。
【0010】
【発明の実施の形態】
===2個の直列電池のバランス補正===
図1は、この発明に先立って検討された技術を説明するための参考回路を示す。この参考回路では、2次電池B1とB2が直列接続されており、インダクタLの一端が両電池B1とB2の中点に接続されている。電池B1の他端(プラス端子)とインダクタLの他端との間にスイッチング素子S1が接続され、電池B2の他端(マイナス端子)とインダクタLの他端との間にスイッチング素子S2が接続されている。
【0011】
スイッチング素子S1とS2はMOSFETからなり、相補動作するゲートドライバD1とD2によって一方のスイッチング素子がオンのときには他方がオフとなるように駆動される。コントローラ10は、この電池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を発生してゲートドライバD1・D2に入力する。これにより図2のタイミングチャートに示すように、スイッチング素子S1とS2とは相補的にオン・オフを繰り返す。オン時間とオフ時間は等しい。
【0012】
スイッチング素子S1がオンでスイッチング素子S2がオフのときは電池B1とスイッチング素子S1とインダクタLとで閉回路が形成され(この閉回路をB1ループと呼ぶ)、スイッチング素子S1がオフでスイッチング素子S2がオンのときは電池B2とインダクタLとスイッチング素子S2とで閉回路が形成される(この閉回路をB2ループと呼ぶ)。
【0013】
B1ループ期間において、電池B1の起電力により順方向にループ電流が流れているとする。電池B1の電圧をe1とし、インダクタLのインダクタンス値をLとすると、B1ループ期間の順方向電流は(e1/L)の変化率で時間とともに増加する。
【0014】
B1ループ期間に順方向電流が流れている状態からスイッチング素子S1・S2が反転し、B2ループ期間に切り替わったとする。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ループ期間に電池B1の起電力に順方向の電流は、B2ループ期間では電池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、電池B2の電圧をe2とすると、(e2/L)である。
【0015】
図2に例示した波形図において、B2ループ期間(イ)では、当初は電池B2の起電力に対して逆方向の電流が流れており(この期間を前期充電モード時間とする)、その逆方向電流が(e2/L)の変化率で徐々に減少してついにはゼロになり、さらに電池B2の起電力に対して順方向の電流となり、その順方向電流が同じ変化率(e2/L)で徐々に増加し(この期間を後期放電モード時間とする)、一定の時間がくるとスイッチング素子S1・S2が反転してB1ループ期間(ウ)に切り替わる。
【0016】
B1ループ期間(ウ)では、当初は電池B1の起電力に対して逆方向の電流が流れており(前期充電モード時間である)、その逆方向電流が(e1/L)の変化率で減少してついにはゼロになり、さらに電池B1の起電力に対して順方向の電流となり、その順方向電流が同じ変化率(e1/L)で徐々に増加し(後期放電モード時間である)、一定の時間がくるとスイッチング素子S1・S2が反転してB2ループ期間(エ)に切り替わる。
【0017】
典型的には以上の動作を繰り返す。ここで電池B1の電圧e1が電池B2の電圧e2より相当に高いとする。この場合、B1ループ電流の変化率(e1/L)はB2ループ電流の変化率(e2/L)より大きい。そのため、B1ループ期間中では前期充電モード時間が短くて後期放電モード時間が長くなり、反対にB2ループ期間では前期充電モード時間が長くて後期放電モード時間が短くなる。
【0018】
前期充電モード時間および後期放電モード時間と名付けた理由はつぎのとおりである。
B1ループ期間に切り替わった当初は電池B1の起電力に逆方向の電流が流れており、この電流によって電池B1は充電されることになるので、この期間を前期充電モード時間と呼ぶ。続いて電池B1の起電力に順方向の電流が流れるが、これは電池B1が放電して電流を流しているわけなので、この期間を後期放電モード時間と呼ぶ。
B1ループ期間の後期放電モード時間に電池B1の放電が源泉となってインダクタLに蓄えられた磁気エネルギーが、直後のB2ループ期間の前期充電モード時間に放出され、電池B2を充電するエネルギーの源泉となる。同様に、B2ループ期間の後期放電モード時間に電池B2の放電が源泉となってインダクタLに蓄えられた磁気エネルギーが、直後のB1ループ期間の前期充電モード時間に放出され、電池B1を充電するエネルギーの源泉となる。
【0019】
前述したように、電池B1の電圧e1が電池B2の電圧e2より高いと、B1ループ期間中では前期充電モード時間が短くて後期放電モード時間が長くなり、反対にB2ループ期間では前期充電モード時間が長くて後期放電モード時間が短くなる。したがって、電圧の高い側の電池B1が総計で放電されることになり、電圧の低い側の電池B2が総計で充電されることになる。つまり、電池B1の出力で電池B2が充電される。その結果、電池B1の電圧e1が少しずつ低下するとともに、電池B2の電圧e2が少しずつ上昇し、電圧e1と電圧e2とが均等化する。
【0020】
===より多くの直列電池のバランス補正===
図3はこの発明の一実施例を示す。同図に示す実施例の回路では、6個の電池B1〜B6が直列接続されている。電池B1と電池B2のペアについては図1の参考回路と同様に、インダクタL1と2つのスイッチング素子S1・S2が接続されている。これらと同じ接続関係となるように、電池B3と電池B4のペアについては、インダクタL3と2つのスイッチング素子S3・S4が接続されている。また同様に、電池B5と電池B6のペアについては、インダクタL5と2つのスイッチング素子S5とS6が接続されている。
【0021】
奇数側の3個のスイッチング素子S1・S3・S5はゲートドライバD1により一斉にオンオフ駆動され、偶数側の3個のスイッチング素子S2・S4・S6はゲートドライバD2により一斉にオンオフ駆動される。コントローラ10からのデューティ比が50%の所定周期のパルス列を受けてゲートドライバD1とD2が相補動作することによって、奇数側スイッチングS1・S3・S5のセットと、偶数側スイッチング素子S2・S4・S6のセットとが相補的にオンオフ駆動され、一方のセットがオンのときは他方のセットがオフとなる。オン期間とオフ期間は等しい。
【0022】
図3から明らかなように、奇数側スイッチング素子S1・S3・S5のセットがオンになると、電池B1とスイッチング素子S1とインダクタL1を巡るループと、電池B3とスイッチング素子S3とインダクタL3を巡るループと、電池B5とスイッチング素子S5とインダクタL5を巡るループとにそれぞれ電流が流れる。偶数側スイッチング素子S2・S4・S6のセットがオンになると、電池B2とインダクタL1とスイッチング素子S2を巡るループと、電池B4とインダクタL3とスイッチング素子S4を巡るループと、電池B6とインダクタL5とスイッチング素子S6を巡るループとにそれぞれ電流が流れる。
【0023】
この実施例では、インダクタL1とL3とL5とが共通のコア20に巻線されて密に磁気結合されていることが、きわめて重要な技術要素である。これら磁気結合されたインダクタL1・L3・L5の極性と各電池ペアとの接続関係は等しくなっており(巻数も等しい)、各インダクタL1・L3・L5のそれぞれ同じ方向の電流が流れるとき、それら電流によってコア20に同じ方向の磁束が誘起される。
【0024】
この磁気結合のことを考えない場合、電池B1と電池B2のペア、電池B3と電池B4のペア、電池B5と電池B6のペアのそれぞれにおいて、図1の実施例で詳しく説明した2個の電池電圧の均等化の作用が起きる。このことは容易に理解できるであろう。これに加えて、各インダクタL1・L3・L5の磁気結合によるエネルギーの転移作用により、6個の電池B1〜B6のすべての電圧を均等化する作用が起きる。
【0025】
つまり、各インダクタL1・L3・L5は共通のコア20に巻線されていて、その巻数も等しいので、コア20にある磁束が生じていると、その磁束と巻数によって決まる電圧が各インダクタL1・L3・L5に等しく生じることになる。したがって各インダクタL1・L3・L5の両端電圧が等しい状態で回路動作する。このことは、ある電池ペアに接続されているインダクタにながれる電流を起源とする磁気エネルギーが別の電池ペアに接続されているインダクタに転移し、そのインダクタから電気出力として放出されることを意味している。その結果、6個の電池B1〜B6の中のより電圧の高い側の電池エネルギーが、いったん磁気エネルギーに変化して転移し、より電圧の低い電池に対する充電エネルギーとして供給される。以上の作用によって、6個の電池B1〜B6のすべての電圧が徐々に均等化されるのである。
【0026】
===ソフトスイッチング===
図4と図5に示すように、前述した参考例および実施例における各スイッチング素子にそれぞれキャパシタ(コンデンサ)を並列接続することで、スイッチング動作の変化を適宜に穏やかにすることができ、ノイズ低減などの効果がある。
たとえば、図4において、MOSFETのスイッチング素子S2がオンからオフ、S2がオフからオンに切り替わると、B2−L−S2の経路で流れていたインダクタ電流がC1を通ってB1を充電する方向に回生する。このとき、そのC1の端子電圧は、B1の電圧E1から、そのE1とは逆極性の−0.6V(MOSFETのスイッチング素子S1のボディダイオード順方向電圧)になり、この状態でS1がオフからオンになることで、いわゆるゼロボルトスイッチ(ソフトスイッチング)が実現する。これにより、インダクタ電流の不連続変化に伴うスイッチング損失や雑音を効果的に低減させることができる。
【0027】
===他の実施形態===
以上の実施例ではスイッチング素子としてMOSFETを用いているが、もちろんバイポーラトランジスタなどの他のスイッチング素子を使用してもよい。その場合、逆方向の電流が流せるようにMOSFETのボディーダイオードに相当するダイオードを追加することが好ましい。
【0028】
また前記の実施例の説明では、スイッチング素子Siとスイッチング素子Si+1とが同時に(デッドタイムのない状態で)反転するように説明しているが、一般的にいって、スイッチング素子Siとスイッチング素子Si+1とが同時にオフとなる若干の時間(デッドタイム)を設定する方が好ましい。
【0029】
【発明の効果】
この発明によれば、n個の2次電池を直列にした電源システムに対して、半分のn/2個のインダクタを用いた簡単で安価に実現可能な手段により、各電池の電圧を高度に均等化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に先だって検討された第1の参考例を示す回路図である。
【図2】 図1の回路の動作説明用のタイミングチャートである。
【図3】 この発明の第1実施例示す回路図である。
【図4】 この発明の第2実施例を示す回路図である。
【図5】 この発明の第3実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
B1〜B6 2次電池
L、L1、L3、L5 インダクタ
S1〜S6 スイッチング素子[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a technique for using, as a power source, a plurality of secondary batteries connected in series, such as an electric vehicle or a notebook computer, and in particular, a balance correction method and apparatus for equalizing the voltages of the batteries. About.
[0002]
[Prior art]
As is well known, in the case of a power supply system that uses a secondary battery in series with repeated charging and discharging, it is possible to effectively discharge the battery even in the charging phase in terms of effective use of the battery capacity and the longest battery life. Even in the situation, it is desirable to make the voltage of each battery as uniform as possible. Even if a general battery has the same specifications, it is unavoidable that the characteristics of each battery vary. Therefore, it is necessary to take measures to equalize the voltage of each battery while using a power supply system of series batteries.
[0003]
Therefore, the present inventors have previously developed the following technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-176483. A transformer having a large number of secondary windings with the same number of turns is prepared (this is named a multichannel uniform output type transformer). A series output of a large number of batteries is applied to the series circuit of the primary winding and the switching element of the transformer, and the switching element is turned on and off at a high speed to flow a primary current. The output of each secondary winding of the transformer is rectified and smoothed, and each DC output is applied to each individual battery of the series battery. That is, the on-off converter is driven by the output of the series battery, and each of the series batteries is charged by the multi-channel output of the converter. In this structure, the battery output which shows a higher voltage will charge the battery which shows a lower voltage, and the voltage of each battery is equalized.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the converter type balance correction technique using the multi-channel uniform output type transformer described above, a uniform output type transformer having n secondary windings is required for n series batteries. Since n circuits for rectifying and smoothing the output of the next winding are required, there is a problem that the number of component parts is large and the cost is high. For example, an electric vehicle uses a power supply system in which as many as 100 to 200 batteries are connected in series. However, assuming that the above-described conventional technology is applied to this, the above problem is greatly highlighted.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and its purpose is to highly equalize the voltage of each battery in relation to a power supply system using secondary batteries connected in series. Another object of the present invention is to provide a balance correction method and apparatus that can be realized simply and inexpensively.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the balance correction method studied prior to this invention, one end of the inductor L is connected to the connection point between the secondary battery B1 and the secondary battery B2 connected in series, and the other end of the inductor L is connected to the other battery B1. A first mode in which current flows in the first closed circuit formed by connecting to the end, and a second mode in which current flows in the second closed circuit formed by connecting the other end of the inductor L to the other end of the battery B2. The operation of repeating the two modes alternately for a short time is executed for an appropriate period to equalize the voltages of the batteries B1 and B2 (see FIG. 1) .
[0007]
The invention of
[0008]
In a more general balance correction method of the present invention, i is an odd number from 1 to (n−1) in a series circuit of four or more even number of secondary batteries B1, B2, B3,. One end of the inductor Li is connected to the connection point between the battery Bi and the battery Bi + 1, and these (n ÷ 2) inductors L1 to Li are all magnetically coupled by a magnetic circuit with the winding poles aligned on the battery side or the switching element side. First, the first mode in which current flows through the odd-numbered closed circuit formed by connecting the other end of the inductor Li to the other end of the battery Bi, and the other end of the inductor Li connected to the other end of the battery Bi + 1. The second mode in which the current is passed through the even-numbered closed circuit formed in the step is alternately repeated for a short period of time to equalize the voltage of each battery (invention of claim 2 ).
[0009]
Invention of
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
=== Correcting the balance of two series batteries ===
FIG. 1 shows a reference circuit for explaining a technique studied prior to the present invention. In this reference circuit, secondary batteries B1 and B2 are connected in series, and one end of an inductor L is connected to the midpoint of both batteries B1 and B2. Switching element S1 is connected between the other end (plus terminal) of battery B1 and the other end of inductor L, and switching element S2 is connected between the other end (minus terminal) of battery B2 and the other end of inductor L. Has been.
[0011]
The switching elements S1 and S2 are MOSFETs, and are driven by gate drivers D1 and D2 that operate in a complementary manner so that when one switching element is on, the other is off. The
[0012]
When the switching element S1 is on and the switching element S2 is off, the battery B1, the switching element S1, and the inductor L form a closed circuit (this closed circuit is called a B1 loop), and the switching element S1 is off and the switching element S2 Is on, battery B2, inductor L, and switching element S2 form a closed circuit (this closed circuit is called a B2 loop).
[0013]
It is assumed that a loop current flows in the forward direction due to the electromotive force of the battery B1 during the B1 loop period. When the voltage of the battery B1 is e1 and the inductance value of the inductor L is L, the forward current during the B1 loop period increases with time at a change rate of (e1 / L).
[0014]
It is assumed that the switching elements S1 and S2 are inverted from the state in which the forward current flows during the B1 loop period and switched to the B2 loop period. At this time, the current flowing through the inductor L is in the opposite direction to the electromotive force of the battery B2. That is, the current in the forward direction with respect to the electromotive force of the battery B1 during the B1 loop period is a current in the reverse direction with respect to the electromotive force of the battery B2 during the B2 loop period. This reverse current gradually decreases due to the electromotive force of the battery B2. The rate of change is (e2 / L), where e2 is the voltage of battery B2.
[0015]
In the waveform diagram illustrated in FIG. 2, in the B2 loop period (A), a current in the reverse direction initially flows with respect to the electromotive force of the battery B2 (this period is referred to as the previous charge mode time), and the reverse direction thereof. The current gradually decreases at the rate of change of (e2 / L) and finally becomes zero, and further becomes a forward current with respect to the electromotive force of the battery B2, and the forward current has the same rate of change (e2 / L). Gradually increases (this period is set as the late discharge mode time), and when a certain time comes, the switching elements S1 and S2 are inverted and switched to the B1 loop period (c).
[0016]
In the B1 loop period (c), a current in the reverse direction initially flows with respect to the electromotive force of the battery B1 (which is the previous charge mode time), and the reverse current decreases at a rate of change of (e1 / L). Eventually it becomes zero, and further becomes a forward current with respect to the electromotive force of the battery B1, and the forward current gradually increases at the same rate of change (e1 / L) (the late discharge mode time) When a certain time comes, the switching elements S1 and S2 are inverted and switched to the B2 loop period (D).
[0017]
Typically, the above operations are repeated. Here, it is assumed that the voltage e1 of the battery B1 is considerably higher than the voltage e2 of the battery B2. In this case, the change rate (e1 / L) of the B1 loop current is larger than the change rate (e2 / L) of the B2 loop current. Therefore, during the B1 loop period, the first charge mode time is short and the late discharge mode time is long, and conversely, during the B2 loop period, the first charge mode time is long and the late discharge mode time is short.
[0018]
The reason for naming it as the first charge mode time and the latter discharge mode time is as follows.
At the beginning of switching to the B1 loop period, a current in the reverse direction flows in the electromotive force of the battery B1, and the battery B1 is charged by this current. Therefore, this period is referred to as the first charge mode time. Subsequently, a forward current flows in the electromotive force of the battery B1, and this is because the battery B1 is discharged and current is flowing, and this period is called a late discharge mode time.
Magnetic energy stored in the inductor L as a source of discharge of the battery B1 during the latter discharge mode time of the B1 loop period is released during the first charge mode time of the immediately following B2 loop period and is a source of energy for charging the battery B2. It becomes. Similarly, the magnetic energy stored in the inductor L as a source of discharge of the battery B2 during the latter discharge mode time of the B2 loop period is released during the first charge mode time of the immediately following B1 loop period to charge the battery B1. It becomes a source of energy.
[0019]
As described above, when the voltage e1 of the battery B1 is higher than the voltage e2 of the battery B2, the first charge mode time is short and the second discharge mode time is long during the B1 loop period, and conversely, the first charge mode time is long during the B2 loop period. Is longer and the late discharge mode time is shorter. Therefore, the battery B1 on the higher voltage side is discharged in total, and the battery B2 on the lower voltage side is charged in total. That is, the battery B2 is charged with the output of the battery B1. As a result, the voltage e1 of the battery B1 gradually decreases, the voltage e2 of the battery B2 increases gradually, and the voltage e1 and the voltage e2 are equalized.
[0020]
=== More series battery balance correction ===
FIG. 3 shows an embodiment of the present invention. In the circuit of the embodiment shown in the figure, six batteries B1 to B6 are connected in series. As for the pair of the battery B1 and the battery B2, the inductor L1 and the two switching elements S1 and S2 are connected as in the reference circuit of FIG. The inductor L3 and the two switching elements S3 and S4 are connected to the pair of the battery B3 and the battery B4 so as to have the same connection relationship as these. Similarly, an inductor L5 and two switching elements S5 and S6 are connected to a pair of the battery B5 and the battery B6.
[0021]
The odd-numbered three switching elements S1, S3, and S5 are simultaneously turned on and off by the gate driver D1, and the even-numbered three switching elements S2, S4, and S6 are simultaneously turned on and off by the gate driver D2. The gate drivers D1 and D2 receive a pulse train having a predetermined cycle with a duty ratio of 50% from the
[0022]
As is apparent from FIG. 3, when the odd-numbered switching elements S1, S3, and S5 are turned on, a loop around the battery B1, the switching element S1, and the inductor L1, and a loop around the battery B3, the switching element S3, and the inductor L3. In addition, current flows through the loop around battery B5, switching element S5, and inductor L5. When the set of the even-numbered switching elements S2, S4, and S6 is turned on, the loop around the battery B2, the inductor L1, and the switching element S2, the loop around the battery B4, the inductor L3, and the switching element S4, the battery B6, the inductor L5, A current flows through each loop around the switching element S6.
[0023]
In this embodiment, it is a very important technical element that the inductors L1, L3, and L5 are wound around the common core 20 and are closely magnetically coupled. The polarity of these magnetically coupled inductors L1, L3, L5 and the connection relationship between each battery pair are equal (the number of turns is also the same), and when current flows in the same direction of each inductor L1, L3, L5, A magnetic flux in the same direction is induced in the core 20 by the current.
[0024]
If this magnetic coupling is not considered, the two batteries described in detail in the embodiment of FIG. 1 in each of the pair of the battery B1 and the battery B2, the pair of the battery B3 and the battery B4, and the pair of the battery B5 and the battery B6 Voltage equalization occurs. This can be easily understood. In addition to this, an action of equalizing all voltages of the six batteries B <b> 1 to B <b> 6 occurs by an energy transfer action by magnetic coupling of the inductors L <b> 1, L <b> 3, and L <b> 5.
[0025]
That is, the inductors L1, L3, and L5 are wound around the common core 20 and have the same number of turns. Therefore, when a magnetic flux is generated in the core 20, a voltage determined by the magnetic flux and the number of turns is set to each inductor L1. It occurs equal to L3 · L5. Therefore, the circuit operates in a state where the voltages across the inductors L1, L3, and L5 are equal. This means that the magnetic energy originating from the current flowing in the inductor connected to one battery pair is transferred to the inductor connected to another battery pair and released from that inductor as electrical output. ing. As a result, the battery energy on the higher voltage side among the six batteries B1 to B6 is once changed into magnetic energy and transferred, and supplied as charging energy for the battery having a lower voltage. With the above operation, all the voltages of the six batteries B1 to B6 are gradually equalized.
[0026]
=== Soft switching ===
As shown in FIG. 4 and FIG. 5, a change in switching operation can be moderated appropriately by connecting a capacitor in parallel with each switching element in the reference example and the embodiment described above, thereby reducing noise. There are effects such as.
For example, in FIG. 4, when the switching element S2 of the MOSFET is switched from on to off and S2 is switched from off to on, the inductor current flowing in the path B2-L-S2 is regenerated in the direction of charging B1 through C1. To do. At this time, the terminal voltage of C1 becomes -0.6V (the body diode forward voltage of the switching element S1 of the MOSFET) having a polarity opposite to that of the voltage E1 of B1, and in this state, S1 is turned off. By turning it on, a so-called zero volt switch (soft switching) is realized. Thereby, the switching loss and noise accompanying the discontinuous change of the inductor current can be effectively reduced.
[0027]
=== Other Embodiments ===
In the above embodiments, MOSFETs are used as switching elements, but other switching elements such as bipolar transistors may of course be used. In that case, it is preferable to add a diode corresponding to the body diode of the MOSFET so that a reverse current can flow.
[0028]
In the above description of the embodiment, it is described that the switching element Si and the switching element Si + 1 are reversed at the same time (with no dead time), but generally speaking, the switching element Si and the switching element Si + 1. It is preferable to set a slight time (dead time) during which both are turned off simultaneously.
[0029]
【The invention's effect】
According to the present invention, with respect to a power supply system in which n secondary batteries are connected in series, the voltage of each battery can be increased by a simple and inexpensive means using half n / 2 inductors. Can be equalized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first reference example studied prior to the present invention.
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the circuit of FIG . 1 ;
FIG. 3 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
B1-B6 Secondary batteries L, L1, L3, L5 Inductors S1-S6 Switching elements
Claims (4)
インダクタLの他端を電池B1の他端に接続して第1閉回路を形成するための第1スイッチング素子S1と、インダクタLの他端を電池B2の他端に接続して第2閉回路を形成するための第2スイッチング素子S2と、第1スイッチング素子S1と第2スイッチング素子S2とを短時間ずつ相補的にオン・オフ駆動するための制御回路とを備え、
第1および第2のスイッチング素子はそれぞれ、スイッチング電流に対して逆方向の電流を流すボディダイオードを有するスイッチング素子を使用し、
第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2のそれぞれにキャパシタを並列接続したことを特徴とするバランス補正装置。 One end of the inductor L is connected to a connection point between one end of the secondary battery B1 and one end of the secondary battery B2 connected in series, and the other end of the inductor L is connected to the other end of the battery B1. A first mode in which current flows through the first closed circuit and a second mode in which current flows through the second closed circuit formed by connecting the other end of the inductor L to the other end of the battery B2. A balance correction device that performs an alternating operation for an appropriate period and equalizes the voltages of the battery B1 and the battery B2,
A first switching element S1 for forming the first closed circuit by connecting the other end of the inductor L to the other end of the battery B1, and a second closed circuit by connecting the other end of the inductor L to the other end of the battery B2. And a control circuit for driving the first switching element S1 and the second switching element S2 in a complementary manner on and off for a short time,
Each of the first and second switching elements uses a switching element having a body diode that flows a current in a direction opposite to the switching current,
A balance correction apparatus, wherein a capacitor is connected in parallel to each of the first switching element S1 and the second switching element S2.
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| DE10139048A1 (en) * | 2001-08-08 | 2003-02-20 | Bosch Gmbh Robert | Automatic battery cell charge state balancing for vehicle, involves bringing primary battery to ready to charge state, checking if charge state balancing can be carried out, and feeding charging current from secondary battery |
| JP4140585B2 (en) * | 2004-08-27 | 2008-08-27 | Fdk株式会社 | Balance correction device for secondary batteries connected in series and correction method thereof |
| CN100524918C (en) * | 2005-07-28 | 2009-08-05 | 财团法人工业技术研究院 | energy conversion circuit |
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| US8692515B2 (en) | 2006-06-22 | 2014-04-08 | Fdk Corporation | Series-connected rechargeable cells, series-connected rechargeable cell device, voltage-balance correcting circuit for series-connected cells |
| JP4621635B2 (en) * | 2006-07-05 | 2011-01-26 | Fdk株式会社 | Series cell voltage balance correction circuit |
| JP4590379B2 (en) * | 2006-08-01 | 2010-12-01 | Fdk株式会社 | System for charging / discharging multiple series storage cells |
| JP5454838B2 (en) * | 2008-03-06 | 2014-03-26 | 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 | Power supply device using solar cell and control method thereof |
| JP5334566B2 (en) * | 2008-12-25 | 2013-11-06 | Fdk株式会社 | Voltage correction control method for power storage module |
| US8129952B2 (en) * | 2009-04-16 | 2012-03-06 | Valence Technology, Inc. | Battery systems and operational methods |
| US8786255B2 (en) * | 2010-05-03 | 2014-07-22 | Infineon Technologies Ag | Active charge balancing circuit |
| EP2400622A3 (en) * | 2010-06-28 | 2012-03-14 | Nxp B.V. | Inductive cell balancing |
| JP5070319B2 (en) * | 2010-07-16 | 2012-11-14 | ビステオン グローバル テクノロジーズ インコーポレイテッド | Remaining capacity equalizing apparatus and method, and remaining capacity equalizing apparatus set |
| DE102011051527A1 (en) | 2010-07-16 | 2012-02-23 | Visteon Global Technologies, Inc. | Device for compensating residual capacity of memory cells of battery pack, has switching elements that are alternately turned ON/OFF, so that ratio of conductive time of switching elements is inverse of ratio of number of memory cells |
| EP2610998A4 (en) * | 2011-03-18 | 2015-07-29 | Asahi Kasei Microdevices Corp | SERIES STORAGE CELL LOAD BALANCING CIRCUIT AND SERIES STORAGE CELL LOAD BALANCING METHOD |
| US9099870B2 (en) | 2011-06-11 | 2015-08-04 | Sendyne Corporation | Charge redistribution method for cell arrays |
| JP5573818B2 (en) * | 2011-11-08 | 2014-08-20 | 株式会社豊田自動織機 | Battery equalization apparatus and method |
| JP5387703B2 (en) * | 2012-01-25 | 2014-01-15 | 株式会社豊田自動織機 | Battery cell voltage equalization circuit |
| JP5864320B2 (en) * | 2012-03-19 | 2016-02-17 | Evtd株式会社 | Balance correction device and power storage system |
| JP6113145B2 (en) * | 2012-03-19 | 2017-04-12 | Evtd株式会社 | Balance correction device and power storage system |
| CN103887836B (en) * | 2012-12-20 | 2016-08-31 | 东莞钜威动力技术有限公司 | A kind of battery management system and method thereof |
| JP6134520B2 (en) | 2013-01-25 | 2017-05-24 | Fdk株式会社 | Balance correction device and power storage device |
| JP2015019441A (en) * | 2013-07-09 | 2015-01-29 | Fdk株式会社 | Balance correction device and power storage device |
| JP6170816B2 (en) * | 2013-11-18 | 2017-07-26 | Fdk株式会社 | Balance correction device and power storage device |
| KR102303042B1 (en) * | 2017-07-31 | 2021-09-17 | 한국전기연구원 | Battery management system |
| KR102532263B1 (en) * | 2018-01-04 | 2023-05-12 | 한국전기연구원 | Balancing devices for battery management systems |
| KR102125462B1 (en) * | 2018-08-20 | 2020-06-23 | 주식회사 다음코리아 | Battery Management system based on Cell Charge up Current |
| CN119032485A (en) * | 2022-02-18 | 2024-11-26 | B2U存储解决方案有限公司 | Energy storage systems and methods using second-life electric vehicle batteries |
| KR20250085171A (en) * | 2023-12-05 | 2025-06-12 | 국립한밭대학교 산학협력단 | Battery Cell balancing device and its control method |
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