JP2011045162A

JP2011045162A - 蓄電セルの充電回路

Info

Publication number: JP2011045162A
Application number: JP2009189927A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Uno; 将年鵜野
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-03

Abstract

【課題】複数の蓄電セルを充電する過程における各セルの電圧のばらつきが抑えられる充電回路を提供する。
【解決手段】直列接続された複数の蓄電セルと、前記複数の蓄電セルを充電する交流電源と、前記複数の蓄電セルのそれぞれに対して並列に接続される前記蓄電セルと同数の２直列ダイオードと、前記２直列ダイオードを構成する２つのダイオードの中点と前記交流電源との間に接続された、前記蓄電セルと同数のコンデンサとを備えた充電回路であって、前記交流電源から供給される交流電力によって、前記蓄電セルの電圧を充電時において均一に充電することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数個の蓄電デバイス（二次電池や電気二重層キャパシタ、等）の直列接続により構成される蓄電モジュールにおいて、各蓄電セルに対して均一に充電を行う充電回路に関する。

二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電セルは用途に応じた所望の電圧を得るために、複数個のセルを直列に接続することによりモジュールを構成して使用される。

上述の蓄電モジュールにおいては、充放電を繰り返すうちに、各セルの容量、内部抵抗、環境温度、自己放電等のばらつきに起因する、セル電圧のばらつきが発生する。セル電圧のばらつきが発生した蓄電モジュールにおいては、劣化の加速的進行、利用可能エネルギーの低下等の問題が発生する。

このような問題を解消するために、各種の均等化回路が提案されている。しかし、従来の方式では、蓄電セルの直列数に応じた複数個のスイッチ、コイル、トランス等の部品を必要とするため、構成が複雑化してしまう。

セルを均一に充電する手法として、図１に示すようなコッククロフトウォルトン回路を用いた充電回路が提案されている。Ｂ１〜Ｂ３は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電セルであり、Ｃ１〜Ｃ３は均等化用のコンデンサ、Ｄ１〜Ｄ６はダイオード、Ｖａｃは交流電源である。この充電回路は主にダイオードとコンデンサにより構成されているため、従来の均等化回路等と比較した場合、回路構成を簡素化することが可能である。

図２は、図１の回路の動作時における電流の流れを示した図であり、同図（ａ）はＶａｃが図の下方向から上方向へと電力を供給する期間における電流の流れを示し、同図（ｂ）は、Ｖａｃが図の上方向から下方向へと電力を供給する期間における電流の流れを示している。

J. Cao, N. Schofield and A. Emadi, "Battery Balancing Methods: A Comprehensive Review," IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1-6, September 2008. 松井景樹、他、"ＣＷ回路を用いた電気二重層キャパシタ用電圧均等化充電方式"、平成２０年度電気学会全国大会講演論文集４、４−１３８、ｐｐ２３０〜２３１．

図１の回路において、Ｂ１〜Ｂ３として容量が１Ｆのコンデンサ、Ｃ１〜Ｃ３として１００μＦのコンデンサを用い、Ｂ１〜Ｂ３を３Ｖまで充電させた場合におけるシミュレーション結果のグラフを図３に示す。最終的に各セルは３Ｖの同一電圧まで充電されているが、充電の過程において各セルの電圧にばらつきが発生していることがわかる。

電圧がばらついている状態では、負荷に対して十分なエネルギーを供給することが出来ない。例えば、充電の途中でＢ１〜Ｂ３が負荷に対して電力を供給する、つまり放電するという状況では、電圧の最も低いＢ１のセルがセルの許容最低電圧に到達してしまい、それ以上は放電不能の状態となってしまう。その際、Ｂ２とＢ３にはエネルギーが残存しているにも関わらず、Ｂ１が放電不能状態であるため、Ｂ２とＢ３も放電を行えない状態に陥ってしまう。

言い換えると、電圧の最も低いセルによって放電可能なエネルギー量が制限されてしまうため、充電過程においては蓄電セルから十分なエネルギーを負荷に対して供給することが出来ない。よって図１の充電回路の用途としては、蓄電セルを完全に充電するのに要する充電時間を常に確保できるような場合に限られることになる。このように、コッククロフトウォルトン回路を用いた充電回路では充電の途中過程において電圧ばらつきが必然的に発生する。

本発明は、このような背景のもとでなされたものであり、コッククロフトウォルトン回路を構成する素子（交流電源とコンデンサとダイオード）と同一の素子を用いつつ、複数の蓄電セルを充電する過程における各セルの電圧のばらつきが抑えられる充電回路を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明は、直列接続された複数の蓄電セルと、前記複数の蓄電セルを充電する交流電源と、前記複数の蓄電セルのそれぞれに対して並列に接続される、前記蓄電セルと同数の２直列ダイオードと、前記２直列ダイオードを構成する２つのダイオードの中点と前記交流電源との間に接続された、前記蓄電セルと同数のコンデンサとを備えた充電回路であって、前記交流電源から供給される交流電力によって、前記蓄電セルの電圧を充電時において均一に充電することを特徴とする。

第２の発明は、上記第１の発明に係る充電回路において、前記蓄電セルと同数の２直列ダイオードの各中点のうちの任意の２点をコンデンサを介して接続し、第１の発明に係る充電回路よりも充電時における各蓄電セルの電圧のばらつきを小さくしたことを特徴とする。

第３の発明は、上記第１及び第２の発明に係る充電回路において、前記ダイオードのうちの少なくとも一部をスイッチに置き換えたことを特徴とする。

上記各発明において、前記複数の蓄電セルの一部又は全部を、二次電池あるいは電気二重層キャパシタとすることができる。

本発明による充電回路は、コンデンサとダイオードと交流電源のみで構成されるため、従来の均等化回路等と比較して回路構成を大幅に簡素化できる。また、充電過程において、従来のコッククロフトウォルトン回路型の充電回路において生じる電圧ばらつきを大幅に抑えることができ、蓄電セルが蓄えているエネルギーを最大限に利用することが可能となる。

コッククロフトウォルトン回路を用いた充電回路の回路図である。図１の回路の動作時における電流の流れを示した図である。図１の回路において、Ｂ１〜Ｂ３を充電させるまでの電圧変化のシミュレーション結果を示したグラフである。本発明の一実施形態に係る蓄電セルの均一充電回路の回路図である。図４の回路の動作時における電流の流れを示した図である。図４の回路の等価回路の回路図である。図４の回路において、Ｂ１〜Ｂ３を充電させるまでの電圧変化の結果を示したグラフである。図４の回路において、Ｂ１〜Ｂ３の初期電圧をそれぞれ０Ｖ、０．５Ｖ、１Ｖとばらついた状態から充電を行った場合のシミュレーション結果のグラフである。図４の回路のＣ３〜Ｃ５の間に、更にコンデンサを追加した回路の回路図である。図９の回路の等価回路の回路図である。図９の回路のＢ１〜Ｂ３の初期電圧がばらついた状態から充電を行った場合のシミュレーション結果を示したグラフである。２つの交流電源を用いた実施形態の回路図である。交流電源を中間位置に設けた実施形態の回路図である。図４の回路のダイオードをスイッチＱ１〜Ｑ６に置き換えた実施形態の回路図である。

以下において、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図４は本発明の実施の一形態の充電回路の回路図を示している。同図において、Ｂ１〜Ｂ３は二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電セル、Ｃ３〜Ｃ５は均等化用のコンデンサ、Ｄ１〜Ｄ６はダイオード、Ｖａｃは振幅がＥ[Ｖ]の交流電源である。Ｂ１〜Ｂ３の各蓄電セルに対して、直列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ２、Ｄ３〜Ｄ４、Ｄ５〜Ｄ６がそれぞれ並列に接続されている。直列接続されたダイオードＤ１〜Ｄ２、Ｄ３〜Ｄ４、Ｄ５〜Ｄ６の各中点はコンデンサＣ５、Ｃ４、Ｃ３をそれぞれ介して交流電源Ｖａｃと接続されている。すなわち、図４の回路は、複数個の直列接続された蓄電セルＢ１〜Ｂ３と、蓄電セル充電用の交流電源Ｖａｃと、各蓄電セルに対して並列に接続される２直列のダイオードＤ１〜Ｄ２、Ｄ３〜Ｄ４、Ｄ５〜Ｄ６と、各２直列のダイオードの中点と交流電源との間に接続されるコンデンサＣ５、Ｃ４、Ｃ３から構成されている。

図５は、図４の回路の動作時における電流の流れを示した図である。ここで、Ｂ１〜Ｂ３及びＣ３〜Ｃ５の各初期電圧は、交流電源Ｖａｃの振幅Ｅよりも小さいものとする。図５（ａ）は、Ｖａｃが図の下方向から上方向へと電力を供給する期間における電流の流れを示している。この期間には、偶数番号のダイオード（Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６）が導通することで、Ｃ３〜Ｃ５が充電される。Ｃ３はＶａｃによって、Ｃ４はＶａｃとＢ３によって、Ｃ５はＶａｃとＢ２とＢ３によって充電されることが分かる。

図４において、Ｂ１〜Ｂ３は二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電セルであるため、Ｂ１〜Ｂ３の容量はＣ３〜Ｃ５のコンデンサの容量と比較して十分大きい。よって、交流電源Ｖａｃの動作周波数が十分高い場合、Ｂ１〜Ｂ３の各セルの電圧Ｖ_B1、Ｖ_B2、Ｖ_B3は１サイクル前後において不変であると見なすことができる。交流電源Ｖａｃの正のピーク電圧値をＥ／２とした時、図５（ａ）におけるＣ３〜Ｃ５の電圧Ｖ_C3a、Ｖ_C4a、Ｖ_C5aは、
Ｖ_C3a＝Ｅ／２
Ｖ_C4a＝Ｖ_B3＋Ｅ／２
Ｖ_C5a＝Ｖ_B2＋Ｖ_B3＋Ｅ／２
となる。ここで、ダイオードの順方向電圧降下は無視するものとする。

図５（ｂ）は、Ｖａｃが図の上方向から下方向へと電力を供給する期間における電流の流れを示している。この期間には、奇数番号のダイオード（Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５）が導通することで、Ｃ３〜Ｃ５がＢ１〜Ｂ３に対して充電を行う。Ｃ３はＢ３に対して、Ｃ４はＢ２とＢ３に対して、Ｃ５はＢ１〜Ｂ３に対して放電していることが分かる。交流電源Ｖａｃの負のピーク電圧値を−Ｅ／２とした時、図５（ｂ）におけるＣ３〜Ｃ５の電圧Ｖ_C3b、Ｖ_C4b、Ｖ_C5bは、
Ｖ_C3b＝Ｖ_B3−Ｅ／２
Ｖ_C4b＝Ｖ_B2＋Ｖ_B3−Ｅ／２
Ｖ_C5b＝Ｖ_B1＋Ｖ_B2＋Ｖ_B3−Ｅ／２
となる。

図５の（ａ）と（ｂ）の間におけるＣ３〜Ｃ５の電圧変動ΔＶ_C3、ΔＶ_C4、ΔＶ_C5は、
ΔＶ_C3＝Ｅ−Ｖ_B3
ΔＶ_C4＝Ｅ−Ｖ_B2
ΔＶ_C5＝Ｅ−Ｖ_B1
となる。

Ｃ３〜Ｃ５の容量をそれぞれＧ₃、Ｇ₄、Ｇ₅とした場合、Ｃ３〜Ｃ５からＢ１〜Ｂ３に流れる電流Ｉ_C5、Ｉ_C4、Ｉ_C3は、電流＝周波数×電荷量＝周波数×容量×電圧変動という関係から、
Ｉ_C5＝ｆ×Ｇ₅×（Ｅ−Ｖ_B1）
Ｉ_C4＝ｆ×Ｇ₄×（Ｅ−Ｖ_B2）
Ｉ_C3＝ｆ×Ｇ₃×（Ｅ−Ｖ_B3）
となる。ここで、ｆは交流電源Ｖａｃの周波数である。ここで、オームの法則から、ｆ×Ｇ₅、ｆ×Ｇ₄、ｆ×Ｇ₃はそれぞれ抵抗の逆数、つまりコンダクタンスの次元であることが分かる。

よって、上式から図４の回路は図６のような等価回路に置き換えることができる。ここでＶｄｃは出力電圧Ｅ[Ｖ]の直流電源、Ｒ３〜Ｒ５はＣ３〜Ｃ５の充放電動作を等価抵抗に置き換えたものであり、等価抵抗Ｒ３〜Ｒ５の値はそれぞれ、１／（ｆ×Ｇ₃）、１／（ｆ×Ｇ₄）、１／（ｆ×Ｇ₅）、と表すことができる。Ｇ₃〜Ｇ₅が等しい場合、Ｒ３〜Ｒ５の値も等しくなるため、図６においてＢ１〜Ｂ３の各電圧が同じ場合はＲ３〜Ｒ５に流れる電流も等しくなる。つまりＢ１〜Ｂ３は均一に充電されることになる。

図４の回路において、Ｂ１〜Ｂ３に容量が１Ｆのコンデンサ、Ｃ３〜Ｃ５に１００μＦのコンデンサを用い、Ｖａｃを１００ｋＨｚで動作させ、Ｂ１〜Ｂ３を３Ｖまで充電させた場合におけるシミュレーション結果のグラフを図７に示す。各セルの電圧が上昇してゆく充電過程においても各セルの電圧が均一に保たれており、各セルが最終的に３Ｖまで充電されていることが分かる。図８は、Ｂ１〜Ｂ３の初期電圧をそれぞれ０Ｖ、０．５Ｖ、１Ｖとばらついた状態から充電を行った場合のシミュレーション結果のグラフである。等価回路を用いて考えた場合、各セルに流れる電流はセル電圧と直流電源Ｖｄｃの出力電圧Ｅの差に比例するため、充電過程において各セルの電圧上昇の勾配が異なることが分かる。各セルの電圧は最終的に３Ｖとなり、電圧を均一化する機能を有していることが分かる。

図９は、図４の回路のＣ３〜Ｃ５の間に、更にコンデンサＣ１とＣ２を追加した回路の回路図である。すなわち、図４に示した充電回路の回路において、複数の２直列ダイオードの中点のうち、任意の２点をコンデンサを介して接続した場合に相当する。図９の回路は、また、図１に示したコッククロフトウォルトン回路にコンデンサＣ４、Ｃ５を付加した回路と考えることもできる。

図９の回路において、１サイクルにおけるＣ１とＣ２の電圧変動ΔＶ_C1、ΔＶ_C2はそれぞれ、
ΔＶ_C2＝Ｖ_B3−Ｖ_B2
ΔＶ_C1＝Ｖ_B2−Ｖ_B1
となるため、Ｃ１とＣ２の容量をそれぞれＧ₁、Ｇ₂とした場合、Ｃ１とＣ２に流れる電流Ｉ_C1、Ｉ_C2は、
Ｉ_C2＝ｆ×Ｇ₂×（Ｖ_B3−Ｖ_B2）
Ｉ_C1＝ｆ×Ｇ₁×（Ｖ_B2−Ｖ_B1）
と表される。

したがって、図９の回路を図１０のような等価回路に置き換えることができる。ここでＶｄｃは出力電圧Ｅ[Ｖ]の直流電源、Ｒ１〜Ｒ５はＣ１〜Ｃ５の充放電動作を等価抵抗に置き換えたものである。この場合、Ｂ１とＢ２の間と、Ｂ２とＢ３の間にも等価抵抗（Ｒ１とＲ２）が存在することになる。等価抵抗Ｒ１とＲ２の値はそれぞれ、１／（ｆ×Ｇ₁）、１／（ｆ×Ｇ₂）である。Ｂ１〜Ｂ３の電圧が等しい場合においてはＲ１とＲ２に電流は流れないが、電圧がばらついている場合には、各セル間で電流が流れることで電圧が均一化する方向へと働く。図９の回路において、Ｂ１〜Ｂ３の初期電圧がそれぞれ０Ｖ、０．５Ｖ、１Ｖとばらついた状態から充電を行った場合のシミュレーション結果のグラフを図１１に示す。Ｃ１とＣ２による電荷移動、つまり等価回路におけるＲ１とＲ２の存在により、図８の結果と比較して電圧のばらつきが小さいことが分かる。

以上の実施形態では交流電源Ｖａｃが一つだけであったが、交流電源を複数用いることもできる。図１２は、２つの交流電源Ｖａｃ１とＶａｃ２を用いた場合の実施形態を示しており、蓄電セルＢ１〜Ｂ３はＣ３〜Ｃ５を介した経路と、Ｃ６〜Ｃ８を介した経路の２通りの経路を介して充電されるので、図４で示した実施形態よりも充電速度を速くすることが可能である。

また、以上の実施形態においては、交流電源Ｖａｃは最も低電位側の蓄電セルにダイオードを介して接続されていたが、交流電源を中間位置に設けることも可能である。図１３は、その具体的な回路の回路図を示しており、このような場合も、同様に動作させることが可能である。

また、以上の実施形態においてはダイオードを用いて動作させた場合について説明を行ってきたが、上記各実施形態において、ダイオードをスイッチに置き換えることも可能である。図１４は図４の回路におけるダイオードをスイッチＱ１〜Ｑ６に置き換えたものである。図５で示した通り、交流電源Ｖａｃが電力を供給する方向に応じて偶数番号と奇数番号のダイオードが交互に導通する。よって、図１４の場合においては交流電源Ｖａｃの電力を供給する方向に応じて奇数番号と偶数番号のスイッチを交互にオン／オフさせてやることで図５と同じ状態を得ることが出来る。

本発明は、二次電池および電気二重層キャパシタ等の蓄電セルを用いる電源に広く適用できる。

Ｂ１〜Ｂ３蓄電セル
Ｃ１〜Ｃ８コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ１２ダイオード
Ｖａｃ，Ｖａｃ１，ａｃ２交流電源
Ｑ１〜Ｑ６スイッチ
Ｒ１〜Ｒ５等価抵抗

Claims

直列接続された複数の蓄電セルと、
前記複数の蓄電セルを充電する交流電源と、
前記複数の蓄電セルのそれぞれに対して並列に接続される、前記蓄電セルと同数の２直列ダイオードと、
前記２直列ダイオードを構成する２つのダイオードの中点と前記交流電源との間に接続された、前記蓄電セルと同数のコンデンサとを備えた充電回路であって、
前記交流電源から供給される交流電力によって、前記蓄電セルの電圧を充電時において均一に充電することを特徴とする充電回路。
請求項１に記載された充電回路において、前記蓄電セルと同数の２直列ダイオードの各中点のうちの任意の２点をコンデンサを介して接続し、請求項１の充電回路よりも充電時における各蓄電セルの電圧のばらつきを小さくしたことを特徴とする充電回路。
請求項１又は２に記載の充電回路において、前記ダイオードのうちの少なくとも一部をスイッチに置き換えたことを特徴とする充電回路。
前記複数の蓄電セルの一部又は全部は二次電池である、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の充電回路。
前記複数の蓄電セルの一部又は全部は電気二重層キャパシタである、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の充電回路。