JP4378009B2 - 直列接続された２次電池のバランス補正方法および装置 - Google Patents

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

Claims (4)

1. 直列接続されている２次電池Ｂ１の一端と２次電池Ｂ２の一端と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バランス補正装置であって、
   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。
2. 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ことを特徴とするバランス補正方法。
3. 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ことを特徴とするバランス補正装置。
4. 請求項３において、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したことを特徴とするバランス補正装置。

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