JP2011091897A - 多直列蓄電セルの充電バランス補正回路 - Google Patents

Abstract

【課題】トランス方式による多直列蓄電セルの充電バランス補正回路において、蓄電セルまたはセルモジュールの電圧バランス補正を、充電時、放電時、保管時のいずれの場合も必要に応じて、低コストかつ安定に行わせる。
【解決手段】モジュールＭ１，Ｎ２，Ｍｎの電圧が互いに均等な場合にそのモジュール間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２を、多直列蓄電セル１０の出力電圧（端子電圧）を抵抗分圧して生成する分圧回路１６と、上記中間電圧と上記基準電圧の差分の絶対値を検出する差検出回路１７を有し、上記差分の絶対値が最小となるように、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２による補正用電源のバルス通電動作をフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多直列蓄電セルの充電バランス補正回路に関し、とくに、直列接続された多数の蓄電セルの電圧を、トランスを用いて均等化する充電バランス補正回路に関する。

たとえば電気自動車、プラグインハイブリッド車、系統連携用蓄電システムなどでは、多数の蓄電セルを直列接続した多直列蓄電セルが使用される。この多直列蓄電セルを充放電使用するに際しては各セルの電圧を均等化させる必要がある。このため、多直列蓄電セルは、たとえば特許文献１，２に記載されているような充電バランス補正回路とともに使用される。

特許文献１，２に記載の充電バランス補正回路は、１つの１次巻線に対して複数の２次巻線が互いに絶縁された状態で磁気結合されたフライバック型の多巻線トランスを使用し、１次巻線に補正用電源をスイッチング素子を介してパルス通電する一方、このパルス通電によって各２次巻線に誘導される２次電流を、各セルに個別に充電供給することにより、各セルの電圧を均等化させる。

このバランス補正動作は必要なときだけ行い、各セルの電圧がバランス状態にあるときは停止させることが望ましい。そこで、特許文献１，２では、各セルの接続部にそれぞれ電流検出手段を設置し、各電流検出手段の検出値がすべてほぼゼロ（±０Ａ）となった場合はセル電圧がバランス状態にあると判定し、１次真線へのパルス通電を開始または停止させる制御を行う。

また、特許文献３に記載の技術では、多直列蓄電セルにおけるセル電圧のバランス状態を監視するために、各セルの端子電圧を個別に計測し、この計測結果を選択回路で選択してＡＤ変換し、このＡＤ変換結果を、信号伝送路を介して集積回路（マイクロ・コンピュータ）へ伝送して異常状態を診断させることを行う。

特許３２６７２２１号公報 特許３６３０３０３号公報 特開２００９−１８３０２５号公報

上述した従来技術には、次のような解決すべき問題があった。
特許文献１，２に記載の充電バランス補正回路は、各セルの接続部に流れる電流によってバランス状態の有無を判定するが、この判定が有効に行えるのは、多直列蓄電セルが常に充電または放電される使用状態のときで３って、セル電流が流れない無負荷状態（あるいは保管状態）ではセル電圧の均等化を行うことができない。
特許文献３に記載の技術は、ＡＤ変換器、マイクロ・コンピュータ、信号伝送路などを使用するために高コスト化が避けられないという問題があった。

本発明は以上のような問題を鑑みたものであって、その目的は、直列接続された多数の蓄電セルまたはセルモジュールの電圧バランス補正を、充電時、放電時、保管時のいずれの場合も必要に応じて、低コストかつ安定に行わせることができる直列蓄電セルの充電バランス補正回路を提供することにある。

本発明の第１の手段は、次の（11）〜（16）により特定されるものである。
（11）１または複数の直列接続された蓄電セルからなるセルモジュールが複数直列接続された多直列蓄電セルのモジュール電圧を均等化する多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。
（12）各セルモジュールはそれぞれ、１次巻線に磁気結合するトランスの２次巻線に整流回路を介して接続されることによりバランス補正用充電電流が個別に供給される。

（13）１次巻線はパルス通電動作を行うスイッチング素子を介してバランス補正用電源に接続されている。
（14）各モジュールの電圧が互いに均等な場合にそのモジュール間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧を、多直列蓄電セルの出力電圧を抵抗分圧して生成する分圧回路を有する。
（15）上記中間電圧と上記基準電圧の差分の絶対値を検出する差検出回路を有する。
（16）上記差分の絶対値が最小となるように、上記スイッチング素子のバルス通電動作をフィードバック制御する制御回路を備える。

本発明の第２の手段は、第１の手段において、差検出回路は、上記中間電圧と上記基準電圧の差分を所定の増幅利得で比例検出することを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。

本発明の第３の手段は、第１または第２の手段において、次の（31）〜（33）により特定されるものである。
（31）多直列蓄電セルは３以上のセルモジュールが直列接続され、分圧回路はセルモジュールと同数の抵抗素子が多直列蓄電セルの出力端子間にて直列接続されている。
（32）セルモジュール間の接続点ごとに現れる複数の中間電圧と、抵抗素子間の接続点ごとに得られる複数の基準電圧を、各モジュールの電圧が互いに均等な場合に同一となるもの同士で比較してその差分の絶対値を出力する複数の差検出回路を備える。
（33）各差検出回路の出力の中の最大出力値を制御回路にフィードバックさせる論理加算回路が設けられている。

本発明の第４の手段は、第３の手段において、次の（41）〜（45）により特定されるものである。
（41）各セルモジュールにはそれぞれ、１次巻線と２次巻線が互いに磁気結合されている絶縁トランスが個別に設置されるとともに、そのトランスの２次巻線に誘導される２次電流を整流してセルモジュールに充電供給する整流回路が設けられている。
（42）各トランスの１次巻線は共振電流発生回路に共通接続されている。
（43）共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタからなる共振回路と、この共振回路にバランス補正用電源をパルス通電させて共振駆動するスイッチング素子とを有し、パルス通電ごとに生成される共振電流を各トランスの１次巻線に分配する。
（44）制御回路はスイッチング素子によるパルス通電の間隔および／またはパルス幅を可変制御する。
（45）各トランスの１次巻線に分配される共振電流を、パルス制御回路を介して制御する負帰還制御ループが形成されている。

本発明の第５の手段は、第４の手段において、共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタの直列共振回路を用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。

トランス方式による多直列蓄電セルの充電バランス補正回路において、蓄電セルまたはセルモジュールの電圧バランス補正を、充電時、放電時、保管時のいずれの場合も必要に応じて、低コストかつ安定に行わせることができる。

本発明の一実施形態をなす多直列蓄電セルの充電バランス補正回路を示す回路図である。 本発明のさらに好ましい実施形態の要部を示す回路図である。

る。

図１は本発明の一実施形態をなす多直列蓄電セルの充電バランス補正回路を示す。

同図に示すバランス補正回路は、多直列蓄電セル１０を構成するセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎの電圧（モジュール電圧）をトランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎを用いて均等化する。

セルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎは、この実施形態の場合、複数の直列接続された蓄電セル１１からなる。このセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎを任意数直列接続することにより所定の端子電圧を有する多直列蓄電セル１０が構成されている。

実施形態のバランス補正回路はトランス方式であるが、従来のフライバック型とは異なり、多巻線のフライバックトランスは使用せず、その代わり、１次巻線と２次巻線を１つずつ有する絶縁トランスＴ１，Ｔ２，ＴｎがセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎごとに設けられている。電圧均等化はセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ単位で行われる。

各セルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎにはそれぞれ、１次巻線と２次巻線が互いに絶縁状態で磁気結合されている絶縁トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎが個別に設置されるとともに、そのトランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎの２次巻線に誘導される２次電流を整流してセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎに充電供給する整流回路Ｄ１〜Ｄ４が設けられている。

各トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎの１次巻線は共通配線３０を介して共振電流発生回路２０に共通接続されている。共振電流発生回路２０は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１，Ｃ２からなる共振回路と、この共振回路にバランス補正用電源Ｅ１をパルス通電させて共振駆動するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を有し、パルス通電ごとに生成される共振電流を共通配線３０を介して各トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎの１次巻線に分配する。

共振回路は直列共振回路（直列共振型電流共振回路）であって、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、キャパシタＣ１，Ｃ２、インダクタＬ１、トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎにより形成され、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の導通（交互のパルス通電動作）により共振駆動されて共振電流を流す。この共振電流は共通配線３０を介して各トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎに１次電流として分配される。

スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はたとえばバックダイオードが等価的に接続されたＭＯＳＦＥＴが使用され、そのスイッチング動作はＰＦＭ（パルス周波数変調）制御回路３５によって制御される。ＰＦＭ制御回路（パルス制御回路）３５は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２によるパルス通電の間隔（要すればパルス幅も）を、セルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ間の電圧差を検出するバランス検出回路１５の検出に基づいて可変制御する。すなわち、ＰＦＭ制御回路３５は、バランス検出回路１５が検出するセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ間の電圧差が最小となるようにフィードバック制御する負帰還制御ループを形成する。

バランス検出回路１５は、多直列蓄電セル１０の出力電圧（端子電圧）を抵抗分圧して基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２を生成する分圧回路１６と、差検出回路１７を有する。

分圧回路１６は、各モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎの電圧が互いに均等な場合にモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ間の接続点に現れると期待される中間電圧Ｖ１，Ｖ２と同じ基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２を分圧生成する。つまり、各モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎの電圧が互いに均等な場合に同一となるもの同士で比較してその差分の絶対値を出力する。差検出回路１７は、基準電圧（分圧電圧）Ｖｓ１，Ｖｓ２と、この基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２対応する中間電圧Ｖ１，Ｖ２との差分の絶対値を検出する。

この差検出回路１７の検出出力はそれぞれ論理加算回路１９を介してＰＦＭ制御回路３５にフィードバック入力される。論理加算回路１９は、アナログ値の論理加算回路であって、各差検出回路１７の出力の中の最大出力値をＰＦＭ制御回路３５に制御信号としてフィードバックさせる。

分圧回路１６は抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ３１，Ｒ３２を用いて構成され、モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ間の接続点数に対応する数の分圧出力を有する。図示の例では、モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ間の接続点数が２箇所であることから、各箇所にそれぞれ現れる中間電圧に対応する２つの分圧電圧を得るような分圧回路１６が形成されている。

差検出回路１７は、演算増幅器Ｈ１，Ｈ２を用いて構成されている。図示の例では、比較対象となる中間電圧と分圧電圧が２組あることにより、演算増幅器Ｈ１，Ｈ２も２組設けられている。各演算増幅器Ｈ１，Ｈ２の差動増幅出力は、絶対値検出回路１８で絶対値に変換されて出力される。各絶対値検出回路１８の出力は論理加算されてＰＦＭ制御回路３５に制御信号として入力される。ＰＦＭ制御回路３５は、各絶対値検出回路１８の出力値が共に最小となるようにスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の通電間隔（周波数）をフィードバック制御する。

上述した実施形態の充電バランス補正回路は、漏れ磁束の大きい多巻線のフライバックトランスは使用せず、１次巻線と２次巻線を１つずつ有する絶縁トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎを使用している。このトランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎは、巻線インダクタンスを調整するための磁気ギャップを不要にできるので、漏れ磁束によるノイズ放射を小さくすることができる。

トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎにはバランス補正用電流が分配されるが、この電流分配は共通配線３０により、少ない配線本数で行わせることができる。しかも、共通配線３０で分配する電流は、比較的電流値の小さな１次巻線電流なので、配線３０の線径を細くすることができる。これにより、配線の混雑回避と低コスト化が可能になる。

共通配線３０で分配されるバランス補正用電流は共振電流であって、この共振電流は高調波成分が少ないことである。したがって、モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎの配置に合わせるために共通配線３０を長く引き回しても、この引き回した配線３１からの高調波ノイズの輻射を少なくすることができる。

このように、上述した充電バランス補正回路は、トランスＴ１，Ｔ２，ＴｎとセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ間の配線本数を低減するとともにその線径を細くすることができ、これにより、配線の混雑回避と低コスト化を可能にするとともに、トランスＴ１，Ｔ２，Ｔｎや配線３０から発生されるノイズを低減させることができる。

さらに、本発明では、セル電圧のバランス状態の判定が、各セルの接続部に流れる電流によってではなく、各セルの各セルの接続点に現れる中間電圧Ｖ１，Ｖ２と、多直列蓄電セル１０の出力電圧（端子電圧）を抵抗分圧して生成される基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２の絶対値比較に基づいて行われる。この電圧に基づく判定は、充放電電流が流れない無負荷状態でも的確に行うことができる。

これにより、直列接続された多数のセルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎの電圧バランス補正を、充電時、放電時、保管時のいずれの場合も必要に応じて、低コストかつ安定に行わせることができる。

上記効果は、たとえば電気自動車、プラグインハイブリッド車、系統連携用蓄電システムなどに使用される多直列蓄電セルのように、セルモジュール数が数十〜数百の規模になる多直列蓄電セルにおいてとくに有効である。

ここで示す実施形態では、セルモジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎがそれぞれ、直列接続された複数の蓄電セル１１によって構成されているが、セルモジュールは１つの蓄電セルで構成してもよい。この場合、セルモジュールの起電力（充放電電圧）が低くなるため、整流回路Ｄ１〜Ｄ４は、順方向電圧を持つダイオードではなく、オン抵抗の小さなＭＯＳＦＥＴによるスイッチングダイオードを用いて構成するとよい。

上述した構成に加えて、図１に示した実施形態の回路では、上記差検出回路１７を構成する演算増幅器Ｈ１，Ｈ２にそれぞれ、利得調整（利得抑制）のための負帰還抵抗素子Ｒａ，Ｒｂが接続されている。これにより、差検出回路１７は比例動作し、分圧電圧に対応する中間電圧との絶対値差分を所定の増幅利得で比例検出する。

差検出回路１７が比例動作（線形動作）することにより、たとえば電圧バランス状態が大きく外れた場合には、それに応じた制御量での補正動作が行われる一方、電圧バランスがほぼ取れている均等状態では、制御量を小さく絞った状態での補正動作が行われるか、または補正動作が停止される。この結果、充電バランス補正の動作を、モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎの電圧バランス状態に応じた制御量で過不足無く行わせることができ、過剰な補正動作を抑制して均等化の動作を安定化させることができる。

図２は、図１に示した回路のさらに好ましい実施形態の要部を示す。

図１に示した実施形態では、基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２を得るための分圧回路１６を、基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２ごとに設置していた。しかし、図２に示す実施形態では、その基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２を得るための分圧回路１６を、単一系列の直列抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３列により構成している。各抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３は同値であって、その接続点（タップ）からは、モジュールＭ１，Ｍ２，Ｍｎ間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２が分圧生成される。

この単一系列の直列抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３列による分圧回路１６は、多直列蓄電セル１０のセルモジュール数が多い場合にとくに有効である。

１０ 多直列蓄電セル
１１ 蓄電セル
１５ バランス検出回路
１６ 分圧回路
１７ 差検出回路
１８ 絶対値検出回路
１９ 論理加算回路
２０ 共振電流発生回路
３０ 共通配線
３５ パルス制御回路としてのＰＦＭ（パルス周波数変調）制御回路
Ｍ１，Ｍ２，Ｍｎ セルモジュール
Ｔ１，Ｔ２，Ｔｎ 絶縁トランス
Ｄ１〜Ｄ４ 整流回路
Ｌ１ インダクタ
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
Ｅ１ バランス補正用電源
Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子
Ｈ１，Ｈ２ 演算増幅器
Ｒａ，Ｒｂ 利得調整のための負帰還抵抗素子
Ｖｓ１，Ｖｓ２ 基準電圧
Ｖ１，Ｖ２ 中間電圧

Claims (5)

1. １または複数の直列接続された蓄電セルからなるセルモジュールが複数直列接続された多直列蓄電セルのモジュール電圧を均等化する多直列蓄電セルの充電バランス補正回路であって、
   各セルモジュールはそれぞれ、１次巻線に磁気結合するトランスの２次巻線に整流回路を介して接続されることによりバランス補正用充電電流が個別に供給される、
   １次巻線はパルス通電動作を行うスイッチング素子を介してバランス補正用電源に接続されている、
   各モジュールの電圧が互いに均等な場合にそのモジュール間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧を、多直列蓄電セルの出力電圧を抵抗分圧して生成する分圧回路を有する、
   上記中間電圧と上記基準電圧の差分の絶対値を検出する差検出回路を有する、
   上記差分の絶対値が最小となるように、上記スイッチング素子のバルス通電動作をフィードバック制御する制御回路を備える、
   ことを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
2. 請求項１において、差検出回路は、上記中間電圧と上記基準電圧の差分を所定の増幅利得で比例検出することを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
3. 請求項１または２において、
   多直列蓄電セルは３以上のセルモジュールが直列接続され、分圧回路はセルモジュールと同数の抵抗素子が多直列蓄電セルの出力端子間にて直列接続されている、
   セルモジュール間の接続点ごとに現れる複数の中間電圧と、抵抗素子間の接続点ごとに得られる複数の基準電圧を、各モジュールの電圧が互いに均等な場合に同一となるもの同士で比較してその差分の絶対値を出力する複数の差検出回路を備える、
   各差検出回路の出力の中の最大出力値を制御回路にフィードバックさせる論理加算回路が設けられている、
   ことを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   各セルモジュールにはそれぞれ、１次巻線と２次巻線が互いに磁気結合されている絶縁トランスが個別に設置されるとともに、そのトランスの２次巻線に誘導される２次電流を整流してセルモジュールに充電供給する整流回路が設けられている、
   各トランスの１次巻線は共振電流発生回路に共通接続されている、
   共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタからなる共振回路と、この共振回路にバランス補正用電源をパルス通電させて共振駆動するスイッチング素子とを有し、パルス通電ごとに生成される共振電流を各トランスの１次巻線に分配する、
   制御回路はスイッチング素子によるパルス通電の間隔および／またはパルス幅を可変制御する、
   各トランスの１次巻線に分配される共振電流を、パルス制御回路を介して制御する負帰還制御ループが形成されている、
   ことを特徴とする多直列蓄電セルのバランス補正回路。
5. 請求項４において、共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタの直列共振回路を用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セルのバランス補正回路。

Images