JP2010213474A - 充放電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電池モジュールを電力源として矩形波電圧を発生する交流発生回路PLnと、矩形波電圧を整流する整流回路BRnと、正極端子Pnと負極端子Nnとの少なくとも一方と整流回路の出力端子Pとの間を断続するスイッチ素子SWnと、隣接する制御モジュールの制御端子間を接続するコンデンサCnとを備え、何れかの制御モジュールの交流発生回路PL4を動作させて接続された電池モジュールE4を放電し、他の制御モジュールMOD1のスイッチ素子SW1を閉じて整流回路BR1が出力する直流電圧を接続された電池モジュールE1に印加することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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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