CN107710544A - 电压平衡校正电路 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的电压平衡校正电路包括与串联连接的多个蓄电单元(B1～Bn)一一对应的多个电压校正电路(11～1n)、以及基于多个蓄电单元(B1～Bn)的电压控制多个电压校正电路(11～1n)的控制电路(10)，多个电压校正电路(11～1n)包含与对应的蓄电单元(B1～Bn)并联连接的第1线圈(L11～L1n)、根据控制电路(10)的控制接通、断开第1线圈(L11～L1n)到该蓄电单元(B1～Bn)的连接的场效应晶体管(Q1～Qn)、以及与第1线圈(L11～L1n)磁耦合的第2线圈(L21～L2n)，多个电压校正电路(11～1n)中，第2线圈(L21～L2n)并联连接。

Description

电压平衡校正电路
技术领域
本发明涉及一种使被串联连接的多个蓄电单元的每个蓄电单元的电压均等的电压平衡校正电路。
背景技术
将镍氢充电电池，锂离子充电电池，电容器等多个蓄电单元串联连接，并利用蓄积在该蓄电单元中的电力驱动负载装置的技术被广泛应用于各种领域。通常，被串联连接的多个蓄电单元由于其特性而使各个蓄电单元的电压不一定处于均等的状态。因此，对于被串联连接的多个蓄电单元，若各个蓄电单元的电压处于不均等的状态，则在进行充放电时会产生一部分蓄电单元被过充电或过放电的问题。
作为解决这种问题的现有技术的一例，已知有下述的串联单元的电压平衡电路，即：经由彼此联动进行接通/断开操作的开关，以一对一对应的方式，将被串联连接的多个蓄电单元、和以相同匝数卷绕于同一磁芯且彼此形成1：1的变压系数的多个变压器线圈相连接，从而使各个单元的电压均等(例如，参照专利文献1)。
此外，作为解决上述问题的现有技术的另一例，已知有下述的多串联蓄电单元，即：将多串联蓄电单元划分为按连接顺序连续的多个串联单元组，在各个单元组内设置单元间的电压平衡校正电路以实行各相邻单元间的电压平衡校正，并进一步设置通过由变压器线圈和开关电路所形成的交流耦合来平衡校正各单元组的串联电压的组间电压平衡校正电路(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2008-005630号公报
专利文献2:特开2008-035680号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在专利文献1及专利文献2中所公开的现有技术中，由于是将多个线圈卷绕于单个铁芯的结构，因此不得不根据作为对象的蓄电单元的数量单独设计和制造，存在通用性低的问题。此外，由于上述现有技术是将多个线圈卷绕于单个铁芯的结构，大多数情况下后续难以增设、减少蓄电单元，以致难以灵活地扩大和缩减其规模和结构，即存在可扩展性(scalability)低的问题。
本发明是鉴于此种情况而做出的，其目的在于提供一种具有高通用性和可扩展性的电压平衡校正电路。
解决技术问题的技术方案
＜本发明所涉及的第1方式＞
本发明所涉及的第1方式是一种电压平衡校正电路，其包括：与串联连接的多个蓄电单元的各个蓄电单元一一对应的多个电压校正电路、以及基于上述多个蓄电单元的各个蓄电单元的电压控制上述多个电压校正电路的控制电路，上述多个电压校正电路的各个电压校正电路包含与对应的蓄电单元并联连接的第1线圈、根据上述控制电路的控制接通、断开上述第1线圈到该蓄电单元的连接的开关、以及与上述第1线圈磁耦合的第2线圈，上述多个电压校正电路中，各个电压校正电路的上述第2线圈并联连接。
以任意的周期反复接通、断开对应于例如电压相对较高的蓄电单元的电压校正电路的开关，并将对应于电压相对较低的蓄电单元的电压校正电路的开关维持在整流状态。在此，所谓将开关维持在整流状态，是指在晶体管等半导体开关中维持不对该开关进行接通、断开控制的状态。晶体管等半导体开关在不进行接通、断开控制的状态下，对于电压反复正负交替的交流电压，具有仅在其中一方的电压时有电流流过，而在另一方的电压时无电流流过的特性。这是由于晶体管等半导体开关所包含的元件所造成的，这样工作的元件是在晶体管等半导体开关的制造过程中所必然生成的。
在对应于电压相对较高的蓄电单元的电压校正电路中，由于第2线圈的电压低于第1线圈的电压，因此蓄电单元放电的电能被转换为磁能从第1线圈传递到第2线圈，在第2线圈中产生感应电压从而有交流电流流动。多个电压校正电路中，各个电压校正电路的第2线圈被并联连接。因此，由于交流电流流过对应于电压相对较高的蓄电单元的电压校正电路的第2线圈，因此，相同电压的交流电流也流过对应于电压相对较低的蓄电单元的电压校正电路的第2线圈。于是，在对应于电压相对较低的蓄电单元的电压校正电路中，由于第2线圈的电压变得高于第1线圈的电压，因此流过第2线圈的交流电流的电能被转换为磁能从第2线圈传递到第1线圈，在第1线圈中产生感应电压，由此电压相对较低的蓄电单元被充电。
换言之，通过按任意的周期反复接通、断开对应于电压相对较高的蓄电单元的电压校正电路的开关，并将对应于电压相对较低的蓄电单元的电压校正电路的开关维持在整流状态，从而电力从电压相对较高的蓄电单元提供给电压相对较低的蓄电单元。由此电压相对较高的蓄电单元进行放电从而电压下降，电压相对较低的蓄电单元被充电从而电压升高，因此，蓄电单元之间的电压差变小，最终能够使各个蓄电单元的电压均等。
多个电压校正电路一对一地对应于串联连接的多个蓄电单元的各个蓄电单元。因此，在多个电压校正电路的各个电压校正电路中，作为电路之间的电连接，仅为各个第2线圈被并联连接。因此，在电压平衡校正电路的设计和制造时，只需根据作为对象的蓄电单元的数量设置相同数量的电压校正电路，并将各个电压校正电路的第2线圈并联连接即可。因此，本发明所涉及的电压平衡校正电路中，几乎没有必须根据作为对象的蓄电单元的数量来单独设计和制造的元件，从而能实现高通用性。
此外，在后续增设蓄电单元时，只需根据该蓄电单元的数量的增加来增设电压校正电路，并将增设的电压校正电路的第2线圈与现有的电压校正电路的第2线圈并联连接。另一方面，在后续减少设置蓄电单元时，只需根据该蓄电单元的数量的减少来减少设置电压校正电路，并撤去减少设置的电压校正电路的第2线圈的连接。因此，本发明所涉及的电压平衡校正电路中，后续能够容易地增设、减少蓄电单元，从而能实现高可扩展性。
由此，根据本发明的第1方式，可获得下述作用效果，即：能够提供具有高通用性及可扩展性的电压平衡校正电路。
＜本发明所涉及的第2方式＞
本发明所涉及的第2方式是一种电压平衡校正电路，在上述本发明所涉及的第1方式中，上述控制电路反复接通、断开上述多个电压校正电路中的对应于上述多个蓄电单元中电压最高的蓄电单元的电压校正电路的开关，并在此期间，将对应于其它蓄电单元的电压校正电路的开关维持在整流状态。
根据本发明所涉及的第2方式，多个蓄电单元中电压最高的蓄电单元进行放电从而电压降低，而其它蓄电单元被充电从而电压升高，因此，能够在短时间内高效地减小多个蓄电单元之间的电压差。由此能够在短时间内高效地使多个蓄电单元的各个蓄电单元的电压均等。
＜本发明所涉及的第3方式＞
本发明所涉及的第3方式是一种电压平衡校正电路，在上述本发明所涉及的第2方式中，上述控制电路根据各个蓄电单元的电压选择将上述电压校正电路的开关维持在整流状态的蓄电单元。
根据本发明所涉及的第3方式，在使多个蓄电单元的各个蓄电单元的电压均等的基础上，还能减少蓄电单元的不必要的充放电，因此，能够进一步在短时间内高效地使多个蓄电单元的各个蓄电单元的电压均等。
＜本发明所涉及的第4方式＞
本发明所涉及的第4方式是一种电压平衡校正电路，在上述本发明所涉及的第1至第3方式的任一方式中，上述多个电压校正电路的各个电压校正电路包含在对应的蓄电单元的电力下工作从而接通、断开上述开关的开关驱动电路。
根据本发明所涉及的第4方式，在各个电压校正电路中设置在对应的蓄电单元的电力下工作以接通、断开开关的开关驱动电路，因此，不必为了接通、断开开关而设置外部电源装置等，从而能够实现电压平衡校正电路的小型化和省电化。
＜本发明所涉及的第5方式＞
本发明所涉及的第5方式是一种电压平衡校正电路，在上述本发明所涉及的第1至第4方式的任一方式中，上述电压校正电路是将上述第1线圈作为初级绕组、上述第2线圈作为次级绕组来构成的正向式或反激式隔离转换器电路。
根据本发明所涉及的第5方式，由于第1线圈(初级绕组)和第2线圈(次级绕组)的电流流过的时刻相同，因此通过控制电路进行的各个开关的接通、断开控制的定时设定变得容易，由此能够更高精度地使多个蓄电单元的各个蓄电单元的电压均等。
发明效果
根据本发明可获得能够提供具有高通用性及可扩展性的电压平衡校正电路的作用效果。
附图说明
图1是示出多串联的高压蓄电装置的主要部分的电路图。
图2是示出电压校正电路的更具体的结构的一例的电路图。
图3是包括使用正向式隔离转换器电路构成的电压校正电路的电压平衡校正电路的时序图。
图4是示出电压校正电路的更具体的结构的另一例的电路图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。
另外，本发明不特别限于以下要说明的实施方式，并且不言而喻，在权利要求书的范围中所述的本发明的范围内可以进行各种变形。
图1是示出多串联的高压蓄电装置的主要部分的电路图。
多串联的高压蓄电装置包括控制电路10、蓄电模块20、和n个电压校正电路11～1n。作为“多个蓄电单元”的蓄电模块20包含被串联连接的n个蓄电单元B1～Bn。蓄电单元B1～Bn是例如镍氢充电电池、锂离子充电电池、电容器等可充放电的充电电池或者蓄电元件。
本发明所涉及的电压平衡校正电路由控制电路10和n个电压校正电路11～1n构成。作为“多个电压校正电路”的电压校正电路11～1n全部具有相同的电路结构，并分别一对一地对应于串联连接的n个蓄电单元B1～Bn。
电压校正电路11包含线圈L11、线圈L21、铁芯M1、场效应晶体管(Field EffectTransistor:FET)Q1、驱动器DR1。作为“第1线圈”的线圈L11与对应的蓄电单元B1并联连接。作为“开关”的场效应晶体管Q1通过控制电路10的控制接通、断开线圈L11与该蓄电单元B1的连接。作为“第2线圈”的线圈L21经由由磁性体形成的铁芯M1与线圈L11磁耦合以构成变压器。作为“开关驱动电路”的驱动器DR1在对应的蓄电单元B1的电力下工作以接通、断开场效应晶体管Q1。
电压校正电路12包含线圈L12、线圈L22、铁芯M2、场效应晶体管Q2、驱动器DR2。作为“第1线圈”的线圈L12与对应的蓄电单元B2并联连接。作为“开关”的场效应晶体管Q2通过控制电路10的控制接通、断开线圈L12与该蓄电单元B2的连接。作为“第2线圈”的线圈L22经由由磁性体形成的铁芯M2与线圈L12磁耦合以构成变压器。作为“开关驱动电路”的驱动器DR2在对应的蓄电单元B2的电力下工作以接通、断开场效应晶体管Q2。
电压校正电路1n包含线圈L1n、线圈L2n、铁芯Mn、场效应晶体管Qn、驱动器DRn。作为“第1线圈”的线圈L1n与对应的蓄电单元Bn并联连接。作为“开关”的场效应晶体管Qn通过控制电路10的控制接通、断开线圈L1n与该蓄电单元Bn的连接。作为“第2线圈”的线圈L2n经由由磁性体形成的铁芯Mn与线圈L1n磁耦合以构成变压器。作为“开关驱动电路”的驱动器DRn在对应的蓄电单元Bn的电力下工作以接通、断开场效应晶体管Qn。
这样，在如上所述结构的电压校正电路l1～ln中，线圈L21～L2n被并联连接。
线圈L11～L1n与线圈L21～L2n的匝数比并不特别限定为1：1，可根据蓄电单元B1～Bn的额定电压和特性、电压平衡校正电路的规格等适当设定。例如在希望将流过线圈L21～L2n的电流抑制为低电流的情况下，也可将匝数比设定为使得线圈L21～L2n的电压高于线圈L11～L1n的电压。场效应晶体管Q1～Qn例如为N沟道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，但并不特别限定于此，能够使用例如双极型晶体管等各种开关元件。驱动器DR1～DRn例如为具备控制端子(接通/断开端子)的开关式稳压器，但并不特别限定于此，能够使用各种驱动器电路。
此外，优选为场效应晶体管Q1～Qn选择在蓄电单元B1～Bn的额定电压以下的栅极电压下接通的元件，驱动器DR1～DRn选择如该实施例那样在对应的蓄电单元B1～Bn的电力下工作的电路。因而不必为了接通、断开场效应晶体管Q1～Qn而设置外部电源装置等，因此可以实现电压平衡校正电路的小型化和省电化。
控制电路10例如是公知的微机控制电路或控制IC(Integrated Circuit：集成电路)，基于蓄电单元B1～Bn的电压控制电压校正电路11～1n。控制电路10包含n个输入端子IN1～INn、n个输出端子OUT1～OUTn。蓄电单元B1的正极端子被连接到输入端子IN1。蓄电单元B2的正极端子被连接到输入端子IN2。蓄电单元Bn的正极端子被连接到输入端子INn。输出端子OUT1被连接到驱动器DR1的控制端子。输出端子OUT2被连接到驱动器DR2的控制端子。输出端子OUTn被连接到驱动器DRn的控制端子。
另外，例如在使用镍氢充电电池作为蓄电单元B1～Bn的情况下，优选构成为：进一步为蓄电单元B1～Bn分别设置温度传感器(图中未示出)，并将该温度传感器的输出信号输入到控制电路10，利用控制电路10检测蓄电单元B1～Bn各自的温度。
在此，例如设为与其它蓄电单元B2～Bn的电压相比蓄电单元B1的电压相对较高的状态。在这种状态下，控制电路10以任意的周期反复接通、断开对应于电压相对较高的蓄电单元B1的电压校正电路11的场效应晶体管Q1，并将对应于电压相对较低的蓄电单元B2～Bn的电压校正电路12～1n的场效应晶体管Q2～Qn维持在整流状态。于是，在对应于电压相对较高的蓄电单元B1的电压校正电路11中，第2线圈L21的电压低于第1线圈L11的电压，因此，蓄电单元B1放电放出的电能被转换为磁能并从第1线圈L11传递到第2线圈L21，在第2线圈L21中产生感应电压从而流过交流电流。
在电压校正电路11～1n中，第2线圈L21～L2n被并联连接。因此，由于对应于电压相对较高的蓄电单元B1的电压校正电路11的第2线圈L21中有交流电流流过，因此对应于电压相对较低的蓄电单元B2～Bn的电压校正电路12～1n的第2线圈L22～L2n中也有相同电压的交流电流流过。于是，在对应于电压相对较低的蓄电单元B2～Bn的电压校正电路12～1n中，由于第2线圈L22～L2n的电压高于第1线圈L12～L1n的电压，因此，在线圈L22～L2n流过的交流电流的电能被转换为磁能并从第2线圈L22～L2n传递到第1线圈L12～L1n，在第1线圈L12～L1n产生感应电压，由此电压相对较低的蓄电单元B2～Bn被充电。
换言之，通过以任意的周期反复接通、断开对应于电压相对较高的蓄电单元B1的电压校正电路11的场效应晶体管Q1，并将对应于电压相对较低的蓄电单元B2～Bn的电压校正电路的场效应晶体管Q2～Qn维持在整流状态，从电压相对较高的蓄电单元B1向电压相对较低的蓄电单元B2～Bn供电。由此，电压相对较高的蓄电单元B1进行放电从而电压降低，而电压相对较低的蓄电单元B2～Bn被充电从而电压升高，因此，蓄电单元B1～Bn的电压差变小，最终能够使蓄电单元B1～Bn的电压均等。
在上述结构的电压平衡校正电路中，电压校正电路11～1n分别与各个蓄电单元B1～Bn一一对应。这样，在电压校正电路11～1n中，作为电路之间的电连接，仅为各个第2线圈L21～L2n被并联连接。因此，在电压平衡校正电路的设计和制造时，只需根据作为对象的蓄电单元B1～Bn的数量设置相同数量的电压校正电路11～1n，并将第2线圈L21～L2n并联连接即可。因此，本发明所涉及的电压平衡校正电路中，几乎没有必须根据作为对象的蓄电单元B1～Bn的数量单独设计和制造的元件，从而能够实现高通用性。
此外，在向蓄电单元B1～Bn增加新的蓄电单元Bx(未图示)时，只需增设对应的电压校正电路1x(无图示)，并且将电压校正电路1x的第2线圈L2x(未图示)与现有的电压校正电路11～1n的第2线圈L21～L2n并联连接即可(x＝n+1)。另一方面，在后续从蓄电单元B1～Bn中移除蓄电单元Bn进行减少设置时，只需撤去移除的电压校正电路1n的第2线圈L2n的连接即可。因此，本发明所涉及的电压平衡校正电路中，后续能够容易地增设或减少蓄电单元B1～Bn，从而能够实现高可扩展性。
这样，根据本发明，能够提供具有高通用性和可扩展性的电压平衡校正电路。此外，根据本发明，电压校正电路11～1n的电路之间的电连接只是各个第2线圈L21～L2n的并联连接，因此，例如可以容易地设置将电压校正电路11～1n分散安装在多个电路板上的结构，并且对于第2线圈L21～L2n的连接顺序也没有任何限制，因此，电压校正电路11～1n的布局可获得高自由度。
图2是示出电压校正电路11的更具体的结构的一例的电路图。
如图2所示，电压校正电路11～1n能够设为使用例如正向式隔离转换器电路的结构。以下，参照图2所示的电压校正电路11进行说明。
除了上述的线圈L11、线圈L21、铁芯M1、场效应晶体管Q1及驱动器DR1，电压校正电路11还包括电容器C11、C21、二极管D11、D21、扼流线圈L31。
线圈L11的绕组起始端被连接到电容器C11的一端侧，绕组终端被连接到场效应晶体管Q1的漏极端子。电容器C11的另一端侧被连接到场效晶体管Q1的源极端子。场效应晶体管Q1的栅极端子被连接到驱动器DR1。线圈L21的绕组起始端被连接到扼流线圈L31的一端侧，绕组终端被连接到二极管D11的阴极。
二极管D11的阳极被连接到二极管D21的阳极。二极管D21的阴极被连接到扼流线圈L31的一端侧和线圈L21的绕组起始端的连接点。电容器C21的一端侧被连接到扼流线圈L31的另一端侧。电容器C21的另一端侧被连接到二极管D11的阳极和二极管D21的阳极的连接点。
图2是以正向方式构成电压校正电路11～1n的情况下的一例。由于电流流过线圈L11～L1n(初级绕组)和线圈L21～L2n(次级绕组)的时刻相同，因此控制电路10的对场效应晶体管Q1～Qn的接通、断开控制的定时设定变得容易，因此，能够更高精度地使蓄电单元B1～Bn的电压均等。
图3是包括使用正向式隔离转换器电路构成的电压校正电路11～1n的电压平衡校正电路的时序图。
在此，在蓄电单元B1～Bn中，例如设为蓄电单元B1具有最高的电压。在这种情况下，优选为，控制电路10反复接通、断开对应于例如电压最高的蓄电单元B1的电压校正电路11的场效应晶体管Q1，在此期间，将对应于其它蓄电单元B2～Bn的电压校正电路12～1n的场效应晶体管Q2～Qn维持在整流状态。由此电压最高的蓄电单元B1进行放电从而电压降低，而其它蓄电单元B2～Bn被充电从而电压升高，因此，能够在短时间内高效地使蓄电单元B1～Bn的电压均等。
此外，在上述情况下，控制电路10在反复接通、断开对应于例如电压最高的蓄电单元B1的电压校正电路11的场效应晶体管Q1的期间，优选为，将根据蓄电单元B2～Bn的电压从场效应晶体管Q2～Qn中选择的场效应晶体管(例如，场效应晶体管Q2)维持在整流状态。由此，在使蓄电单元B1～Bn的电压均等的同时，能够减少蓄电单元B1～Bn的不必要的充放电，能进一步在短时间内高效地使蓄电单元B1～Bn的电压均等。
更具体地，控制电路10检测蓄电单元B1～Bn各自的电压，并计算蓄电单元B1～Bn的平均电压。然后，开始以任意的周期反复接通、断开对应于电压最高的蓄电单元B1的电压校正电路11的场效应晶体管Q1(图3的时刻T1)。同时，控制电路10开始将对应于其它蓄电单元B2～Bn中的电压低于平均电压的蓄电单元B2的电压校正电路12的场效应晶体管Q2维持在整流状态(图3的时刻T1)。
电压最高的蓄电单元B1在场效应晶体管Q1接通的时刻放电，由此电压逐渐降低。另一方面，电压低于平均电压的蓄电单元B2在场效应晶体管Q1接通的时刻被充电，由此电压逐渐升高。然后在蓄电单元B1的电压下降至平均电压且蓄电单元B2的电压上升至平均电压的时刻(图3的时刻T2)，控制电路10将场效应晶体管Q1和Q2维持在断开的状态。
图4是示出电压校正电路11的更具体的结构的另一例的电路图。
如图4所示，电压校正电路11～1n能够设为使用例如反激式隔离转换器电路的结构。以下，参照图4所示的电压校正电路11进行说明。
除了上述的线圈L11、线圈L21、铁芯M1、场效应晶体管Q1及驱动器DR1，电压校正电路11还包含电容器C11、C21、二极管D11。
线圈L11的绕组起始端被连接到电容器C11的一端侧，绕组终端被连接到场效应晶体管Q1的漏极端子。电容器C11的另一端侧被连接到场效晶体管Q1的源极端子。场效应晶体管Q1的栅极端子被连接到驱动器DR1。线圈L21的绕组起始端被连接到二极管D11的阴极，绕组终端被连接到电容器C21的一端侧。二极管D11的阳极被连接到电容器C21的另一端侧。
标号说明
10控制电路
11～1n电压校正电路
20蓄电模块
B1～Bn蓄电单元
DR1～DRn驱动器
L11～L1n第1线圈
L21～L2n第2线圈
M1～Mn铁芯
Q1～Qn场效应晶体管

Claims (5)

1.一种电压平衡校正电路，其特征在于，包括：
多个电压校正电路，该多个电压校正电路与串联连接的多个蓄电单元的各个蓄电单元一一对应；以及
控制电路，该控制电路基于所述多个蓄电单元的各个蓄电单元的电压控制所述多个电压校正电路，
所述多个电压校正电路的各个电压校正电路包含：与对应的蓄电单元并联连接的第1线圈、根据所述控制电路的控制接通、断开所述第1线圈到该蓄电单元的连接的开关、以及与所述第1线圈磁耦合的第2线圈，
所述多个电压校正电路中，各个电压校正电路的所述第2线圈并联连接。
2.如权利要求1所述的电压平衡校正电路，其特征在于，
所述控制电路反复接通、断开所述多个电压校正电路中对应于所述多个蓄电单元中电压最高的蓄电单元的电压校正电路的开关，并在此期间，将对应于其它蓄电单元的电压校正电路的开关维持在整流状态。
3.如权利要求2所述的电压平衡校正电路，其特征在于，
所述控制电路根据各个蓄电单元的电压，选择将所述电压校正电路的开关维持在整流状态的蓄电单元。
4.如权利要求1至3的任一项所述的电压平衡校正电路，其特征在于，
所述多个电压校正电路的各个电压校正电路包含在对应的蓄电单元的电力下工作从而接通、断开所述开关的开关驱动电路。
5.如权利要求1至4的任一项所述的电压平衡校正电路，其特征在于，
所述电压校正电路是将所述第1线圈作为初级绕组、所述第2线圈作为次级绕组来构成的正向式或反激式隔离转换器电路。
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