JP4691171B2 - 充放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池モジュールが直列接続された組電池の充放電装置に関する。

環境への配慮、低騒音化、ガソリン消費の低減のため電気自動車、燃料電池自動車及びハイブリッド自動車といった電動車両が実用化されており、これらの電動車両には、走行用モータを駆動する高圧バッテリが搭載されている。バッテリの高電圧化により、走行用モータに流れる電流が低減され、低電圧・同出力の走行用モータに比較して、電線の質量を低減することができる。

ところで、直列接続された複数のバッテリセルは、充放電を繰り返すとバッテリセルの特性ばらつきにより、バッテリセル毎の充電量は徐々に差が発生する。何れかのバッテリセルが充電量上限に達した時点で他のセルが満充電でなくとも充電動作を停止させなければならず、何れかのバッテリセルが充電量下限（放電終止電圧）に達した時点で放電動作を停止させなければならない。すなわち、直列接続全体での充電上限あるいは充電下限に早期に到達するため使用できる充電容量が事実上少なくなる。

そこで、蓄電器セルの各極と周期電源とがコンデンサを介して絶縁され、このコンデンサに各極の電位と周期電源の出力電圧との電位差に相当する電圧が充電される充電装置が開示されている（特許文献１）。この充電装置は、複数の蓄電器セルが直列接続され、何れかの蓄電器セルの極を基準電位点とする蓄電器（高圧バッテリ）と、各蓄電器セルの何れか一方の極と複数の蓄電器セルの何れかの他方の極との電位に、整流手段を介して一端の電位が固定される複数のコンデンサと、複数のコンデンサの任意の他端と蓄電器の基準電位点との間に接続され、繰り返し信号を生成する蓄電器の基準電位点に接続された周期電源とを備えている。

特開２００８−９２７１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の充電装置は、繰り返し信号である交流電圧を生成するための周期電源が必要である。また、特定の蓄電池セル（あるいは、蓄電池セルを複数直列接続して構成された電池モジュール）を充電することができるが、放電することはできない。
特定の電池モジュールを放電するためには、抵抗器による放電回路などと組み合わせる必要があり、電池モジュールが有する充電量をジュール熱にして廃棄することになる。

そこで、本発明は、何れかの電池モジュールを放電し、放電した電力量を利用して他の何れかの電池モジュールを充電することができる充放電装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、少なくとも１つ以上のセルからなる電池モジュール（Ｅｎ）が直列に接続された組電池（１０）の、前記電池モジュールの充電量をそれぞれ独立に調整する充放電装置（１００）であって、各前記電池モジュールの正極と負極とに接続される、制御モジュール（ＭＯＤｎ）を備え、前記制御モジュールは、各前記電池モジュールに接続する正極端子（Ｐｎ）及び負極端子（Ｎｎ）と、前記正極端子と前記負極端子とに接続され、前記電池モジュールを電力源として交流電圧を発生する交流発生回路（ＰＬｎ）と、前記交流電圧を整流する整流回路（ＢＲｎ）と、前記交流発生回路の出力側と前記整流回路の入力側とを接続し、前記交流電圧が印加される制御端子（Ａｎ）と、前記正極端子と前記負極端子との少なくとも一方と前記整流回路の出力端子との間を断続するスイッチ素子（ＳＷｎ）と、を備え、隣接する前記制御モジュールの前記制御端子間をコンデンサ（Ｃｎ）で接続し、何れかの前記制御モジュールの交流発生回路を動作させて接続された電池モジュールを放電し、同時に、他の前記制御モジュールの前記スイッチ素子を閉じて前記整流回路が出力する直流電圧を前記接続された電池モジュールに印加することを特徴とする。なお、括弧内の数字、文字、及び記号は例示である。

これによれば、スイッチ素子が開放している制御モジュールに接続されている電池モジュールが放電し、放電した電力量を用いて、スイッチ素子が導通している制御モジュールに接続されている電池モジュールに充電される。このため、電池モジュールに充電された充電量を有効利用することができる。

本発明によれば、何れかの電池モジュールを放電し、放電した電力量を利用して他の何れかの電池モジュールを充電することができる。
また，制御モジュール間を接続するコンデンサは，制御モジュール間を順次接続しているため，耐圧については制御モジュール間の電位差を考慮して設定すればよく，安価な低耐圧のコンデンサを使用することができる．

本発明の第１実施形態である充放電システムの構成図である。 本発明の第１実施形態である充放電装置に使用される整流回路の回路図である。 本発明の第１実施形態である充放電装置に使用される交流発生回路の回路図である。 本発明の第２実施形態の充放電システムの構成図である。 本発明の第２実施形態である充放電装置に使用される整流回路の回路図である。 本発明の第２実施形態である充放電装置に使用される交流発生回路の回路図である。 本発明の第３実施形態である充放電装置に使用される交流発生回路の回路図である。 本発明の第４実施形態である充放電装置に使用される整流回路の回路図である。 本発明の第４実施形態である充放電装置に使用される他の整流回路の回路図である。 一の電池モジュールの周辺回路図である。 一の電池モジュールの周辺回路図の他の例である。 制御装置からの送信に用いるクロック信号を交流発生回路の矩形波電源として用いた場合の構成図である。 制御モジュールが正常である場合に、所定のクロック信号を隣接する制御モジュールに順次伝達し、異常を検出した場合には、クロック信号の伝達を停止するように構成した例を示す図である。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態である充放電装置を図面を用いて説明する。
図１の構成図において、充放電システム１５０は、複数の蓄電器セルからなる電池モジュールＥ１，Ｅ２，…，Ｅｎが直列接続された組電池１０と、各電池モジュールＥ１，Ｅ２，…，Ｅｎを充放電する充放電装置１００とを備え、充電電圧が高い何れかの電池モジュールを放電し、放電した電力量を利用して充電電圧が低い他の何れかの電池モジュールを充電するように構成されている。

充放電装置１００は、測定対象である電池モジュールＥ１，Ｅ２，…，Ｅｎに対応する制御モジュールＭＯＤ１，ＭＯＤ２，…，ＭＯＤｎと、複数のコンデンサＣ１，Ｃ２，…，Ｃ（ｎ−１）と、各部を制御する制御部ＣＰＵとを備え、制御モジュールＭＯＤｎは、スイッチ素子ＳＷｎと、整流回路ＢＲｎと、交流発生回路ＰＬｎとを備える。なお、蓄電池セルは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池から構成され、複数の電池モジュールＥ１，Ｅ２，…，Ｅｎは、同一規格で構成されている。

制御モジュールＭＯＤｎは、スイッチ素子ＳＷｎと、整流回路ＢＲｎと、交流発生回路ＰＬｎとを備え、正極端子Ｐｎが電池モジュールＥｎの陽極に接続され、負極端子Ｎｎが電池モジュールＥｎの陰極に接続されている。正極端子Ｐｎがスイッチ素子ＳＷｎの一端と、交流発生回路ＰＬｎの正極入力端子ＶＰに接続され、端子Ｎｎが交流発生回路ＰＬｎの負極入力端子ＶＮと、整流回路ＢＲｎの負極端子Ｎに接続され、スイッチ素子ＳＷｎの他端が整流回路ＢＲｎの正極端子Ｐに接続されている。また、整流回路ＢＲｎの交流入力端子ＡＩと交流発生回路ＰＬｎの交流出力端子ＡＯと制御端子Ａｎとが接続されている。

また、コンデンサＣ１が制御端子Ａ１と制御端子Ａ２との間に接続され、コンデンサＣ２が制御端子Ａ２と制御端子Ａ３との間に接続され、同様に、コンデンサＣ（ｎ−１）が制御端子Ａ（ｎ−１）と制御端子Ａｎとの間に接続されている。

図２は、整流回路ＢＲｎの内部回路図である。整流回路ＢＲｎは、２本のダイオードＤ１，Ｄ２が内蔵され、ダイオードＤ１のアノード端とダイオードＤ２のカソード端と交流入力端ＡＩとが接続され、ダイオードＤ１のカソード端と正極端子Ｐとが接続され、ダイオードＤ２のアノード端と負極端子Ｎとが接続されている。
これにより、整流回路ＢＲｎは、交流入力端子ＡＩから正極端子Ｐに電流が流れ、負極端子Ｎから交流入力端子ＡＩに電流が流れ、交流入力端子ＡＩを介して流れる交流電流を整流する。

図３は、交流発生回路ＰＬｎの内部回路図である。交流発生回路ＰＬｎは、ＡＮＤゲートとＯＲゲートとインバータＩＮＶとｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２とダイオードＤ３，Ｄ４と配線インダクタＬ１と矩形波電源ＥＰとを備えている。
正極入力端子ＶＰは、ＡＮＤゲートとＯＲゲートとインバータＩＮＶの正極電源として使われると共に、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１のソース端に接続され、負極入力端子ＶＮは、ＡＮＤゲートとＯＲゲートとインバータＩＮＶの負極電源として使われると共に、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２のソース端に接続される。
ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン端は、ダイオードＤ３，Ｄ４の直列回路を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン端に接続されている。ダイオードＤ３，Ｄ４の接続点は、配線インダクタＬ１を介して交流出力端子ＡＯに接続されている。

矩形波電源ＥＰは、ＯＲゲートの入力ＢとＡＮＤゲートの入力Ｃに接続されている。また、インヒビット端子ＩＮＨは、ＡＮＤゲートの入力ＤとインバータＩＮＶの入力とに接続され、このＩＮＶの出力がＯＲゲートの入力Ａに接続されている。さらにＯＲゲートの出力ＯＵＴ１がｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端に接続され、ＡＮＤゲートの出力ＯＵＴ２がｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２のゲート端に接続されている。

この回路構成により、交流発生回路ＰＬｎは、インヒビット端子ＩＮＨがハイレベルのとき、矩形波電源ＥＰの遷移に応じて、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２とが交互にオン状態とオフ状態とを繰り返す。これにより、交流発生回路ＰＬｎは、交流出力端子ＡＯの電位が正極端子Ｐの電位と負極端子Ｎの電位との間で変化して、交流電圧を発生する。また、交流発生回路ＰＬｎは、交流出力端子ＡＯを介して、矩形波電流を流す。なお、配線インダクタＬ１は、交流出力端子ＡＯの電位が遷移するときの電流変化を制限する。

（充放電装置の動作）
次に、電池モジュールの数を４個とした場合で，電池モジュールＥ４を放電し、電池モジュールＥ１を充電する場合の充放電動作について、図１，２を用いて説明する。
交流発生回路ＰＬ４が動作すると、制御端子Ａ４の電位は、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４の電位と負極端子Ｎ４の電位とを往復する。
ここで、電池モジュールＥ４の充電電圧は電池モジュールＥ１の充電電圧よりも高いとする。制御端子Ａ４の電位が電池モジュールＥ４の陰極の電位のときには、コンデンサＣ１の充電電圧は電池モジュールＥ２の電圧Ｖ２に略等しく、コンデンサＣ２の充電電圧は電池モジュールＥ３の電圧Ｖ３に略等しく、コンデンサＣ３の充電電圧は電池モジュールＥ４の電圧Ｖ４に略等しい。

ここで、スイッチ素子ＳＷ１をオン状態に設定し、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態に設定するとする。
制御端子Ａ４の電位が電池モジュールＥ４の負極の負極端子Ｎ４の電位から正極端子Ｐ４の電位に遷移すると、制御端子Ａ２，Ａ３には電流の流入が無く、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３は制御端子Ａ１、整流回路ＢＲ１、スイッチ素子ＳＷ１、正極端子Ｐ１経由で電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３を充電する。

次に、制御端子Ａ４の電位が正極端子Ｐ４の電位から負極端子Ｎ４の電位に遷移すると、電池モジュールＥ２，Ｅ３，Ｅ４がコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を充電する。
これを繰り返すと、電池モジュールＥ２，Ｅ３は充電と放電とを交互に繰り返し、電池モジュールＥ４は放電し、電池モジュールＥ１は充電される。すなわち、電池モジュールＥ４が放電されて、放電された電力量が電池モジュールＥ１に充電される。

また、その他の組み合わせでも同様に動作する。例えば、電池モジュールＥ２の電圧が低く、電池モジュールＥ３の電圧が高いとき、スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にし、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態にし，ＰＬ３を動作させればよい。
この場合、制御モジュールＭＯＤ３の制御端子Ａ３の電位が、電池モジュールＥ３の正極端子Ｐ３の電位と負極端子Ｎ３の電位とを往復する。これにより、コンデンサＣ２、整流回路ＢＲ２、及びスイッチ素子ＳＷ２を介して、充電電流が電池モジュールＥ２に流れる。これにより、電池モジュールＥ３が放電して、電池モジュールＥ２を充電する。

（第２実施形態）
第１実施形態は、直列接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，…，Ｃｎ−１が一列であったが、２列以上にすることができる。
図４は、直列接続された３個のコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、他の直列接続された３個のコンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３と２列の場合の充放電システムの回路図であり、図５は、この充放電システムに用いる整流回路の回路図であり、図６は、交流発生回路の回路図である。なお、図４においてはコンデンサを３個直列接続したが、コンデンサをＣｎ−１、及びＣ１ｎ−１まで（ｎ−１）個直列接続することができる。

図４において、充放電システム１５５は組電池１０と、充放電装置１１０とを備え、充放電装置１１０は、制御モジュールＭＯＤ１ａ，ＭＯＤ２ａ，ＭＯＤ３ａ，ＭＯＤ４ａと、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３を備え、それぞれの制御モジュールＭＯＤｎａは、整流回路ＢＲｎａと、交流発生回路ＰＬｎａと、スイッチ素子ＳＷｎとを備えている。
また、整流回路ＢＲｎａは、正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎと、２つの交流入力端子ＡＩ，ＢＩとを備え、交流電圧を整流している。交流発生回路ＰＬｎａは、正極入力端子ＶＰ、及び負極入力端子ＶＮと、２つの交流出力端子ＡＯ，ＢＯを備え、電池モジュールＥｎの電圧を用いて２相の矩形波電圧を発生している。

正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎと正極入力端子ＶＰ、及び負極入力端子ＶＮとの入力側は、第１実施形態（図１）の構成と同様であるので、交流入力端子ＡＩ，ＢＩと交流出力端子ＡＯ，ＢＯとの出力側の構成について説明する。
制御モジュールＭＯＤ１ａは、整流回路ＢＲ１ａの交流入力端子ＡＩと交流発生回路ＰＬ１ａの交流出力端子ＡＯと制御端子Ａ１とが接続され、交流入力端子ＢＩと交流出力端子ＢＯと制御端子Ｂ１とが接続されている。
以下同様に、制御モジュールＭＯＤ４ａは、整流回路ＢＲ４ａの交流入力端子ＡＩと交流発生回路ＰＬ４ａの交流出力端子ＡＯと制御端子Ａ４とが接続され、交流入力端子ＢＩと交流出力端子ＢＯと制御端子Ｂ４とが接続されている。

コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、制御端子Ａ１，Ａ２，Ａ３と制御端子Ａ２，Ａ３，Ａ４との間に接続されている点は、第１実施形態と同様である。しかしながら、コンデンサＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３は、制御端子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と制御端子Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４との間に接続されている点が第１実施形態にはない。

図５は、整流回路ＢＲ１ａ，ＢＲ２ａ，…，ＢＲｎａの回路図である。整流回路ＢＲｎａは、４本のダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８を備え、ブリッジ整流回路を構成している。すなわち、整流回路ＢＲｎａは、ダイオードＤ５，Ｄ７のカソード端と正極端子Ｐとが接続され、ダイオードＤ６，Ｄ８のアノード端が負極端子Ｎに接続され、ダイオードＤ５のアノード端とダイオードＤ６のカソード端とが交流入力端子ＡＩに接続され、ダイオードＤ７のアノード端とダイオードＤ８のカソード端とが交流入力端子ＢＩに接続されている。これにより、整流回路ＢＲｎａは、交流入力端子ＡＩ，ＢＩに印加された交流入力電圧が全波整流されて、整流電圧が正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎに出力される。言い換えれば、交流入力端子ＡＩを介して流れる交流電流が整流されて正極端子Ｐ及び負極端子Ｎを介して直流電流が流れる。また、交流入力端子ＢＩを介して流れる交流電流が整流されて正極端子Ｐ及び負極端子Ｎを介して直流電流が流れる。

図６は、交流発生回路ＰＬ１ａ，ＰＬ２ａ，…，ＰＬｎａの回路図である。
交流発生回路ＰＬｎａは、ＯＲゲートＯＲａ，ＯＲｂと、ＡＮＤゲートＡＮＤａ，ＡＮＤｂと、インバータＩＮＶ，ＩＮＶａ，ＩＮＶｂと、バッファと、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ５と、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ６とダイオードＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２と、矩形波電源ＥＰと、配線インダクタＬ２，Ｌ３とを備えている。
矩形波電源ＥＰは、インバータＩＮＶとバッファに接続されており、バッファの出力はＯＲゲートＯＲａの入力端子ＢとＡＮＤゲートＡＮＤａの入力端子Ｃとに接続され、インヒビット端子ＩＮＨは、ＡＮＤゲートの入力ＤとインバータＩＮＶａの入力とに接続され、このＩＮＶａの出力がＯＲゲートＯＲａの入力端子Ａに接続されている。

ＯＲゲートＯＲａの出力端子ＯＵＴ１は、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３のゲートに接続され、ＡＮＤゲートＡＮＤａの出力端子ＯＵＴ２は、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のゲートに接続されている。
ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３のソース端は正極入力端子ＶＰに接続され、ドレイン端はダイオードＤ９，Ｄ１０を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のドレイン端に接続されている。ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のソース端は、負極入力端子ＶＮに接続されている。
また、ダイオードＤ９，Ｄ１０の接続端子から配線インダクタＬ２を介して交流出力端子ＡＯに接続されている。
ＯＲゲートＯＲｂとＡＮＤゲートＡＮＤｂとインバータＩＮＶｂと、矩形波電源ＥＰと、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５と、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６とダイオードＤ１１，Ｄ１２との回路は、図３の交流発生回路ＰＬｎの回路と同様であるので説明を省略する。
インバータＩＮＶの出力は、ＯＲゲートＯＲｂの入力端子ＦとＡＮＤゲートＡＮＤｂの入力端子Ｇとに接続され、インヒビット端子ＩＮＨは、ＡＮＤゲートの入力ＨとインバータＩＮＶｂの入力とに接続され、このＩＮＶｂの出力がＯＲゲートＯＲｂの入力端子Ｅに接続されている。

ＯＲゲートＯＲｂの出力端子ＯＵＴ３は、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５のゲートに接続され、ＡＮＤゲートＡＮＤｂの出力端子ＯＵＴ４は、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のゲートに接続されている。
ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５のソース端は、正極入力端子ＶＰに接続され、ドレイン端はダイオードＤ１１，Ｄ１２を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のドレイン端に接続されている。ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のソース端は、負極入力端子ＶＮに接続されている。
また、ダイオードＤ１１，Ｄ１２の接続端子から配線インダクタＬ３を介して交流出力端子ＢＯに接続されている。

この構成により、交流発生回路ＰＬｎは、交流出力端子ＡＯ，ＢＯに、矩形波電源ＥＰに同期して、互いに反転した矩形波電圧が出力される。
すなわち、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４とを交互にオン・オフし、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６とを逆位相でオン・オフすることにより、交流出力端子ＡＯ，ＢＯを介して位相反転した矩形波電流を出力する。

図４において、電池モジュールＥ４の電圧は、電池モジュールＥ１の電圧よりも高いとする。ここで、スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にし、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態に設定する。交流発生回路ＰＬ４ａが動作し、交流出力端ＡＯ，ＢＯに交流電圧を出力すると、制御端子Ａ４，Ｂ４の電位は、各々、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４、及び負極端子Ｎ４の電位を往復する。
制御端子Ａ１，Ｂ１の電位が交互に反転することにより、整流回路ＢＲ１ａ、及びスイッチ素子ＳＷ１を介して電池モジュールＥ１が充電され、電池モジュールＥ４は放電される。
なお、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の選定により、制御モジュールＭＯＤ１ａ，ＭＯＤ２ａ，ＭＯＤ３ａ，ＭＯＤ４ａをどのように組み合わせても同様に動作する。

また、充放電装置１１０は、直列接続されたコンデンサ列を２列にして構成したが、３列以上にすることもできる。この場合は、交流発生回路でｍ相交流電圧（多相交流電圧）を発生させ、整流回路でｍ相ブリッジ（多相ブリッジ）を構成すればよい。
この場合、制御端子Ａｎで一の相電圧を出力し、他の制御端子Ｂｎ，Ｃｎ，Ｄｎ，…で残りの（ｍ−１）相の相電圧を出力することになる。また、整流回路ＢＲｎは、計ｍ個の制御端子に印加されるｍ相交流電圧をｍ相全波整流し、隣接する制御モジュールのｍ個の制御端子相互間をｍ個のコンデンサＣｎで接続することになる。

（第３実施形態）
第１実施形態、及び第２実施形態は、電池モジュールＥ１，Ｅ２，…，Ｅｎの電圧をそのまま交流発生回路ＰＬｎ，ＰＬｎａの駆動電源に用いたが、電池モジュールＥ１，Ｅ２，…，Ｅｎの電圧を昇圧して交流発生器の駆動電源に用いることができる。これによれば、整流回路ＢＲｎ，ＢＲｎａに用いたダイオードＤ１，Ｄ２、Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８の電圧降下によって電池モジュールの充電電圧が低下することを防ぐことができる。なお、充放電システム全体は、図１，図４の構成が用いられる。

図７は、昇圧型ＤＣＤＣコンバータを用いた電圧発生回路の回路図である。
図７の交流発生回路ＰＬｎｂは、昇圧型ＤＣＤＣコンバータと、２個のＯＲゲートと、２個のＡＮＤゲートと、３個のインバータと、バッファと、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ５と、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ６とダイオードＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２と、矩形波電源ＥＰと、を備えている。ここで、昇圧型ＤＣＤＣコンバータ以外の論理回路は、図６の交流発生回路ＰＬｎａと同様であるので説明を省略する。また、図３に示される交流発生回路ＰＬｎに昇圧型ＤＣＤＣコンバータを用いることもできる。

交流発生回路ＰＬｎｂは、昇圧型ＤＣＤＣコンバータにより、正極入力端子ＶＰと負極入力端子ＶＮとの間の電位差が昇圧（拡大）されて、２個のＯＲゲートと、２個のＡＮＤゲートと、３個のインバータと、バッファと、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ５と、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ６とを駆動する駆動電源となる。これにより、交流出力端子ＡＯと交流出力端ＢＯとには、電池モジュールＥ１，Ｅ２，…，Ｅｎの電圧よりも振れ幅（Peak to Peak値）の大きな交流電圧が出力される。
これにより、整流回路ＢＲｎ，ＢＲｎａに用いたダイオードの電圧降下によって充電電圧が低下することを防ぐことができる。したがって、放電する電池モジュールの電圧と充電する電池モジュールの電圧とが同程度であっても、必要な充電電流を確保することができる。

（第４実施形態）
前記第２実施形態の整流回路は、正極端子Ｐと負極端子Ｎとに印加された交流電圧をそのまま整流したが、倍電圧整流することもできる。これにより、第３実施形態と同様に、放電する電池モジュールの電圧と充電する電池モジュールの電圧とが同程度であっても、必要な充電電流を確保することができる。

図８は、倍電圧整流回路を用いた整流回路の回路図である。
整流回路ＢＲｎｂは、ダイオードＤ１３，Ｄ１４，Ｄ１５とコンデンサＣ２１，Ｃ２２とを備え、正極端子Ｐは、ダイオードＤ１３のカソード端に接続され、負極端子ＮはダイオードＤ１５のアノード端に接続され、交流入力端子ＡＩにはコンデンサＣ２１の一端が接続され、交流入力端子ＢＩにはコンデンサＣ２２の一端が接続され、ダイオードＤ１３のアノード端とダイオードＤ１４のカソード端とコンデンサＣ２１の他端とが接続され、ダイオードＤ１５のカソード端とダイオードＤ１４のアノード端とコンデンサＣ２２の他端とが接続されている。

これにより、整流回路ＢＲｎｂは、交流入力端子ＢＩが正極に、交流入力端子ＡＩが負極になるように電圧が印加されたとき、コンデンサＣ２２が放電されダイオードＤ１４を介してコンデンサＣ２１のダイオードＤ１４側が正極に充電される。このとき，ダイオードＤ１３とダイオードＤ１５には電流が流れず，正極端子Ｐから負極端子Ｎに向けた電流は発生しない。次に、交流入力端子ＡＩが正極に、交流入力端ＢＩが負極になるように電圧が印加されると、すでに放電されているコンデンサＣ２２は負極端子Ｎと交流入力端子ＢＩとの電位差によりダイオードＤ１５を経由して再び充電され，交流入力端子ＡＩの上昇した電位差とＣ２１に充電されている電位差の和によりダイオードＤ１３を経由してコンデンサＣ２１が放電され，正極端子Ｐから負極端子Ｎに向けて電流を流すことができる。すなわち、ダイオードでの電圧降下を除けば，入力した交流電力を一旦コンデンサに蓄積するサイクルを設けることで，交流電圧の波高値（Peak to Peak値）の約２倍の整流電圧を得ることができる。

すなわち、整流回路ＢＲｎｂは、ダイオードＤ１３の電圧降下にかかわらず、交流入力端子ＡＩ，ＢＩに印加される交流電圧の振幅以上の電圧が正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎに印加されようとするので、電池モジュールＥｎに十分な充電電流が流れる。したがって、放電する電池モジュールの電圧と充電する電池モジュールの電圧とが同程度であっても、必要な充電電流を確保することができる。

（第４実施形態の変形例）
図８に示した整流回路ＢＲｎｂは、交流入力端子ＡＩ，ＢＩに単相交流電圧を印加するものであったが、二相交流電圧を印加するように回路構成することもできる。
図９の整流回路ＢＲｎｃは、図８に示した整流回路が２組並列された構成になっている。すなわち、整流回路ＢＲｎｃは、ダイオードＤ１６，Ｄ１７、Ｄ１８、及びコンデンサＣ２３，Ｃ２４で１組の整流回路を構成し、ダイオードＤ１９，Ｄ２０，Ｄ２１、及びコンデンサＣ２５，Ｃ２６で１組の整流回路を構成している。

これにより、交流入力端子ＡＩ，ＢＩに位相が反転した２相交流電圧を印加することができる。この整流回路ＢＲｎｃは、図８に示した整流回路ＢＲｎｂに対して２倍の速度で電池モジュールＥｎを充電することができる。

図１０は、整流回路ＢＲｎｃを図４の充放電装置１１０に適用した場合の電池モジュールＥｎ周辺の回路図である。この場合は、２相の整流回路ＢＲｎｃを反転した位相で動作させている。

図１１は、分岐箇所を交流発生回路側に設けた変形例を示す回路図である。
すなわち、整流回路ＢＲｎｄは、ダイオードＤ３２，Ｄ３３，Ｄ３４，Ｄ３５，Ｄ３６，Ｄ３７と、コンデンサＣ３３，Ｃ３４，Ｃ３５，Ｃ３６とから構成され、隣接する電池モジュールに接続されるコンデンサが４列になっている。また、図１１の構成は、コンデンサＣ３３，Ｃ３４，Ｃ３５，Ｃ３６と、ダイオードＤ３２，Ｄ３３，Ｄ３４，Ｄ３５，Ｄ３６，Ｄ３７との各々の接続点が隣接する電池モジュールに接続される４つのコンデンサに接続されている点が図１０と相違する。

（第５実施形態）
図１２は、制御装置からのシリアル通信に用いるクロック信号を交流発生回路の矩形波電源ＥＰとして用いた場合の構成図である。制御モジュールＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３，ＭＯＤ４は、クロック入力端子ＣＩと、クロック出力端子ＣＯとがさらに備えられ、制御モジュールＭＯＤ４のクロック入力端子ＣＩには、制御部ＣＰＵのクロック出力端子に接続され、制御モジュールＭＯＤ４のクロック出力端子ＣＯと制御モジュールＭＯＤ３のクロック入力端子ＣＩとが接続され、制御モジュールＭＯＤ３のクロック出力端子ＣＯと制御モジュールＭＯＤ２のクロック入力端子ＣＩとが接続され、制御モジュールＭＯＤ２のクロック出力端子ＣＯと制御モジュールＭＯＤ１のクロック入力端子ＣＩとが接続されている。

クロック信号を矩形波電源ＥＰとして用いることにより、制御モジュール内に発振回路を設ける必要が無くなる。さらに、制御装置が通信を停止することにより、確実にモジュール間の充放電動作を停止させることができ、不意に発生する充放電動作を防止することができる。

（第６実施形態）
図１３は、各制御モジュールが正常である場合に、所定のクロック信号を隣接する制御モジュールに順次伝達し、制御モジュールの異常を検出した場合には、クロック信号の伝達を停止するように構成した例を示す。制御モジュールＭＯＤ１，ＭＯＤ２，ＭＯＤ３，ＭＯＤ４は、クロック入力端子ＳＩと、クロック出力端子ＳＯとがさらに備えられ、制御モジュールＭＯＤ１は最上位であることを識別し、制御モジュールＭＯＤ１が正常であればクロック入力端子ＳＩの入力にかかわらずクロック出力端子Ｓ０にクロック信号を送出する。制御モジュールＭＯＤ１のクロック出力端子ＳＯと制御モジュールＭＯＤ２のクロック入力端子ＳＩとが接続され、制御モジュールＭＯＤ２が正常であればクロック端子ＳＩの入力をクロック出力端子ＳＯに伝達する。同様に、制御モジュールＭＯＤ２のクロック出力端子ＳＯと制御モジュールＭＯＤ３のクロック入力端子ＳＩとが接続され、制御モジュールＭＯＤ３のクロック出力端子ＳＯと制御モジュールＭＯＤ４のクロック入力端子ＳＯとが接続され、ＭＯＤ４のクロック出力端子ＳＯが制御部ＣＰＵの入力端子ＳＩに接続されている。

いずれかの制御モジュールにて異常が発生した場合は、ＣＰＵに至るクロック信号が停止することによりＣＰＵは制御モジュールの異常を検出する。
制御モジュール間を伝達し、制御装置に至るクロック信号を、交流発生回路ＰＬｎの矩形波電源ＥＰとして用いることで、制御モジュールに異常が発生した場合に、充放電動作を停止させることができ、不意に発生する充放電動作を防止することができる。

１０ 組電池
２０ バッファ
２５ インバータ
１００，１００ａ，１１０，１１５ 充放電装置
１５０，１５０ａ，１５５ 充放電システム
Ｅｎ 電池モジュール
Ａｎ，Ｂｎ 制御端子
Ｃｎ コンデンサ
Ｄｎ ダイオード
Ｍ１，Ｍ２ トランジスタ
Ｐｎ 正極端子
Ｎｎ 負極端子
ＭＯＤｎ，ＭＯＤ１ａ，ＭＯＤｎａ 制御モジュール
ＳＷｎ スイッチ素子
ＢＲｎ，ＢＲｎａ，ＢＲｎｂ，ＢＲｎｃ 整流回路
ＰＬｎ，ＰＬｎａ，ＰＬｎｂ 交流発生回路
Ｐ 正極端子
Ｎ 負極端子
ＡＩ，ＢＩ 交流入力端子
ＡＯ，ＢＯ 交流出力端子
ＶＰ 正極入力端子
ＶＮ 負極入力端子
ＥＰ 矩形波電源
ＩＮＨ インヒビット端子
ＡＣ 交流電源
Ｖｎ 電圧
ＩＮＶ インバータ

Claims (8)

1. 少なくとも１つ以上のセルからなる電池モジュールが直列に接続された組電池の、前記電池モジュールの充電量をそれぞれ独立に調整する充放電装置であって、
   各前記電池モジュールの正極と負極とに接続される、制御モジュールを備え、
   前記制御モジュールは、
   各前記電池モジュールに接続する正極端子及び負極端子と、
   前記正極端子と前記負極端子とに接続され、前記電池モジュールを電力源として交流電圧を発生する交流発生回路と、
   前記交流電圧を整流する整流回路と、
   前記交流発生回路の出力側と前記整流回路の入力側とを接続し、前記交流電圧が印加される制御端子と、
   前記正極端子と前記負極端子との少なくとも一方と前記整流回路の出力端子との間を断続するスイッチ素子と、
   を備え、
   隣接する前記制御モジュールの前記制御端子間をコンデンサで接続し、
   何れかの前記制御モジュールの交流発生回路を動作させて接続された電池モジュールを放電し、あわせて、他の前記制御モジュールの前記スイッチ素子を閉じて前記整流回路が出力する直流電圧を前記接続された電池モジュールに印加することを特徴とする充放電装置。
2. 前記整流回路は、入力された交流電圧の最大値と最小値との差電圧よりも大きな値の直流電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
3. 前記交流発生回路は、最大値と最小値との差電圧が、印加された直流電圧の値よりも大きい値の交流電圧を発生することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の充放電装置。
4. 前記交流発生回路は、前記交流電圧に対して位相が反転した他の交流電圧を発生し、
   前記制御モジュールは、前記他の交流電圧を出力する他の制御端子をさらに備え、
   前記整流回路は、前記制御端子と、前記他の制御端子との間に印加される電圧を全波整流するものであり、
   隣接する前記制御モジュールの他の制御端子間を他のコンデンサで接続することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の充放電装置。
5. 前記交流発生回路は、ｍ相の交流電圧を発生し、
   前記制御モジュールは、前記制御端子と共に、前記ｎ相の交流電圧を出力する（ｍ−１）個の他の制御端子をさらに備え、
   前記整流回路は、前記ｍ個の制御端子に印加されるｍ相交流電圧をｍ相全波整流するものであり、
   隣接する前記制御モジュールの前記ｍ個の制御端子相互間をｍ個のコンデンサで接続することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の充放電装置。
6. 前記交流発生回路が発生する交流電圧は、矩形波形であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の充放電装置。
7. 前記制御モジュール間でシリアル通信を行うための通信クロック信号が、各制御モジュール間を連結して接続され、
   前記通信クロック信号が前記交流発生回路の発振源となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の充放電装置。
8. 前記制御モジュールの状態を示す通信クロック信号が、各制御モジュール間を連結して接続され、
   前記通信クロック信号は、前記交流発生回路の発振源となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の充放電装置。

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