JP2012516672A

JP2012516672A - 定電圧源を利用した自動均等充電装置

Info

Publication number: JP2012516672A
Application number: JP2011547745A
Authority: JP
Inventors: ジャファンリム; サンヒュンパク; ジョンフイリー; グンウームーン; ホンスンパク; チョルホキム
Original assignee: SK Innovation Co Ltd
Current assignee: SK Innovation Co Ltd
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: KR101093597B1; US8723480B2; WO2010087545A1; EP2384530A1; EP2384530B1; EP2384530A4; US20110285352A1; KR20100088382A; JP5426691B2; CN102273045B; CN102273045A

Abstract

【課題】直列連結された電池ストリングの均等充電を行う。
【解決手段】複数の電池が直列連結された電池モジュールと、Ｍ（Ｍ≧２の自然数）個の電池モジュールが直列連結された電池ストリングと、電池モジュール毎に備えられ、電池ストリングの平均電圧を出力及び維持するモジュール別定電圧源と、電池モジュールとモジュール別定電圧源との間に電池モジュール毎に備えられ、電池モジュールを構成する電池それぞれに並列電流移動経路を形成して、各電池をモジュール別定電圧源の出力と連結する両方向スイッチ部と、両方向スイッチ部を制御するマイクロプロセッサーと、を含み、電池モジュールを構成する各電池は両方向スイッチ部によってモジュール別定電圧源を共有し、マイクロプロセッサーは両方向スイッチ部を制御して電池モジュールを構成する電池とモジュール別定電圧源とを順次に連結する。
【選択図】図３

Description

本発明は、直列連結された電池ストリング（battery string）の均等充電（電荷均等化）を行うための装置に関し、詳細には、電池の電圧を測定する電圧センシング部及びアナログ−デジタルコンバータを用いることなく、簡単な回路を利用して効果的に均等充電が行われる装置に関する。

リチウムイオン電池を動力源として使用するハイブリッド自動車のように、単位電池（セル）の基本電位より高い電位が必要な場合、複数の単位電池を直列連結して使用することが一般的である。しかし、一般的な製造方法により製造された電池は、同一の正極、負極及び電解質物質を利用して同一の構造に製造されたとしても、直列連結された電池夫々の充電または放電（及び自己放電）特性に差が存在する。

従って、直列連結された電池の使用時に単位電池の電位差が存在し、これにより、直列連結された単位電池のうち一つの電池が完全に放電された場合にも、他の電池の電位に関わらず、全体電圧（直列連結された電池の全体電圧）が０となって再充電が必要となる。また、再充電時にも、夫々の電池の電位が相違することにより、一定電圧に先に達した電池の過充電問題が生じ、一部の電池の過充電が生じたにも関わらずまだ一定電圧に逹していない電池が存在するという充電効率の問題がある。

また、充放電の回数が多くなると、電池を構成する物質の劣化（degradation）が発生することにより電池の特性が変化し、このような劣化現象は、個別電池間の偏差をさらに深化させる結果に繋がる。

従って、このような問題点を解決するために、直列連結された電池の均等充電を行うための多様な均等充電装置が活発に提案されている実情である。

一例として、韓国特許公開２００６−００７８９６７号は、直列電池パックと、直列電池パックを構成する二つ以上の電池モジュールと、電池モジュールの電圧をセンシングするモニタリングモジュールと、スイッチモジュールと、モニタリングモジュール及びスイッチモジュールを制御する制御モジュールと、を含んで構成され、電池パックの充電時に電池モジュールの電圧が特定値に逹すると制御モジュールによってスイッチモジュールを制御することにより、電流が特定電圧値に達した電池モジュールをバイパスする構成を有するシステムに関するものであり、韓国特許公開２００３−００９６９７８は、複数の単位セルと、充電手段と、放電手段と、直列／並列転換スイッチと、を含んで構成され、複数の単位セルを夫々均等に放電させた後、放電された単位セルを直列／並列転換スイッチを利用して直列連結させて充電を行うシステムに関するものである。また、韓国特許公開２００７−００６４２４４号は、電池部と、電池部に連結された電界効果トランジスタ部と、電界効果トランジスタ部に連結された増幅部と、増幅部の出力信号を制御するマルチプレクサー部と、電池部の電圧信号の偏差を比較判断する比較部と、比較部の出力をデジタル信号に変換させるＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換部から出力された信号の入力を受け、充放電条件に該当する信号を出力するマイコン部と、マイコン部の信号に応じて動作し、電池均衡電流を供給するスイッチング部と、公知の充放電回路と、を含んで構成されたシステムに関するものである。

また、日本特許公開２００８−２２０１１０号は、複数の電池セルが接続された二次電池と、二次電池の充電及び放電を制御するスイッチ素子と、電池セル電圧をそれぞれ測定し、最大の電池セル電圧を検出する測定部と、測定部の検出電圧に基づいて、スイッチ素子を制御するスイッチ素子制御部と、満充電電圧及び充電電流最大値を記憶する記憶手段と、電池セルの検出電圧に応じて充電電流値を変化させる充電電流指定値制御部と、を含んで構成されるシステムに関するものであり、日本特許公開２００８−１９９７９８号は、直列接続された電池ブロック群と、互いに直列接続されるとともに導線を介して電池ブロック毎に並列接続される放電回路群と、互いに直列接続されるとともに前記放電回路に並列接続され、導線を介して電池ブロック毎に並列接続される充電回路群と、放電回路群、充電回路群、導線群を制御する充放電制御部と、を含んで構成されるシステムに関する。日本特許公開１９９８−０３２９３６号は、複数個の電池要素と、各電池要素の残存容量検出手段と、各電池要素の充電及び放電を行う電池要素切換手段と、各電池要素の充電及び放電を個別に制御する制御手段と、各電池要素の個別の充電及び放電を行う直流／直流変換器と、を含んで構成されるシステムに関するものである。日本特許公開２００４−１９４４１０号は、二つ以上の単位セルグループと、第一のセルグループ及び第二のセルグループの各々を流れる電流の差を検出する電流差検出手段と、電流差を用いてセルグループの充放電電流を制御する充放電電流制御手段と、を含んで構成されるシステムに関するものである。

米国特許公開２００７−０２２２４１６号は、電池と大地との間に接続された逆流防止用スイッチと、充電用スイッチと、電流検出用抵抗器の直列回路と、逆流防止用スイッチ及び充電用スイッチを制御し、電池の充電と開放を繰り返すようにするとともに開放時に電池の規定電圧と電池開放電圧との差電圧を検出するようにした充電制御回路と、検出された差電圧に基づいて充電定電圧値を制御する定電流・定電圧制御回路と、を含んで構成されるシステムに関するものである。

しかしながら、上述した従来の均等充電装置は、直列連結された電池それぞれに均等充電装置を備え、各電池の充電または放電を行い、電池の電圧を個別に測定してデジタル値に変化させて、電池の電圧に基づいて充放電有無及び均等充電の条件など設定する。このような均等充電装置は非常に複雑であり、全体システムの体積が増加するため、生産性が低下し、製造コストが上昇する要因となっており、均等充電装置または制御のためのスイッチモジュールを構成する素子が高い電圧ストレスを耐えなければならないという問題点があった。

上述した問題点を解決するための本発明の目的は、直列連結された電池ストリングの均等充電を行う均等充電装置の複雑性及び体積を減らし、生産コストを低めるとともに、効率的な均等充電が可能であり、設計変更が容易な均等充電装置を提供することにある。

より詳細には、本発明の目的は、各電池の電圧をセンシングする電圧センシング部及びアナログ−デジタルコンバータを用いることなく、非常に単純な構成によって効率的な均等充電が可能な均等充電装置を提供することにある。

本発明による定電圧源を利用した自動均等充電装置(automatic charge equalization apparatus)は、複数の電池が直列連結された電池モジュールと、Ｍ（Ｍ≧２の自然数）個の前記電池モジュールが直列連結された電池ストリングと、前記電池モジュール毎に備えられ、前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持するモジュール別定電圧源（fine regulated voltage source）と、前記電池モジュールと前記モジュール別定電圧源との間に前記電池モジュール毎に備えられ、前記電池モジュールを構成する電池それぞれに並列電流移動経路を形成して、各電池を前記モジュール別定電圧源の出力と連結する両方向スイッチ部と、前記両方向スイッチ部を制御するマイクロプロセッサーと、を含み、前記電池モジュールを構成する各電池は、前記両方向スイッチ部によって前記モジュール別定電圧源を共有し、前記マイクロプロセッサーは、前記両方向スイッチ部を制御して前記電池モジュールを構成する電池と前記モジュール別定電圧源とを順次に連結することを特徴とする。

上述したように、本発明による自動均等充電装置は、各電池の電圧をセンシングして、その値をデジタルに変換し、電池ストリングを構成する電池から充電または放電すべき電池を選択して電池ストリングの均等充電を行うのではなく、前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持するモジュール別定電圧源と前記電池モジュールを構成する各電池とを前記両方向スイッチ部を利用して順次に連結（電流移動経路を形成させることを意味する）することにより、電池ストリングの均等充電を行う。

前記マイクロプロセッサーは前記電池モジュール毎の前記両方向スイッチ部を独立に制御し、前記電池モジュールを構成する複数の電池のうち最下端または最上端の電池から始めて、前記電池モジュールを構成する各電池と前記モジュール別定電圧源の出力との間に順次に電流移動経路を形成することを特徴とする。

前記モジュール別定電圧源は前記電池モジュール毎に備えられることを特徴とするため、前記電池ストリングがＭ（Ｍ≧２の自然数）個の電池モジュールで構成される場合、Ｍ個のモジュール別定電圧源が備えられている。また、前記モジュール別定電圧源と前記電池モジュールとの間に電流移動経路を形成する前記両方向スイッチ部も電池モジュール毎に備えられるため、電池モジュールがＭ個である場合、Ｍ個の両方向スイッチ部が備えられている。

前記モジュール別定電圧源は両方向ＤＣ−ＤＣコンバータを含むことを特徴とし、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記電池ストリングの全体電圧を入力として有し、前記電池ストリングの平均電圧を出力することを特徴とする。

詳細には、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの入力である１次巻線及び出力である２次巻線の各端に、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作（on/off）を制御するスイッチであるコンバータスイッチが備えられていることを特徴とし、前記コンバータスイッチはＰＷＭ（pulse width modulation）信号によって制御されることを特徴とする。

このために、前記定電圧源を利用した自動均等充電装置は、ＰＷＭ（pulse width modulation）信号を生成するＰＷＭ生成器（pulse width modulation signal generator）を含み、前記コンバータスイッチは前記ＰＷＭ信号によって制御され、前記ＰＷＭ信号のデューティ比（duty ratio）によって前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータが前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持することを特徴とする。

前記ＰＷＭ生成器はデューティ比制御部（duty ratio controller）をさらに含み、前記デューティ比制御部は、前記モジュール別定電圧源の出力、詳細には前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力と前記電池ストリングの平均電圧とを比較し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させて、前記モジュール別定電圧源の出力が電池ストリングの平均電圧に維持されるようにすることにより、前記電池モジュールを構成する各電池を充電または放電させることを特徴とする。

詳細には、前記ＰＷＭ生成器は前記両方向スイッチ部と前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータとの間に備えられたコンデンサをさらに含み、前記コンデンサによって一定の電圧を維持しながら電池モジュールを構成する各電池に直流電流が供給されるようにする。

上述したように、前記コンデンサは前記両方向スイッチ部の後段及び前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前段に備えられ、前記マイクロプロセッサーが前記両方向スイッチ部を制御して、並列電流移動経路が形成された一電池（両方向スイッチ部に対応する電池モジュールに属する）と前記コンデンサが並列連結される構成を有する。

ｋ（ｋ≧２の自然数）個の電池で構成された前記電池モジュールに対応する両方向スイッチ部は２ｋ個の両方向スイッチを含み、前記電池モジュールを構成する一電池を基準に、前記両方向スイッチが前記一電池の負極及び正極の両端それぞれに連結されて前記並列電流移動経路が形成されることを特徴とする。

前記両方向スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）、リレー（relay）、またはこれらの組合せを利用した両方向電流移動が可能なスイッチであることが好ましく、ＭＯＳＦＥＴを利用した両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチであることがさらに好ましい。

前記モジュール別定電圧源は両方向ＤＣ−ＤＣコンバータを含み、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が前記両方向スイッチ部を構成する複数のスイッチと並列連結されることが好ましい。詳細には、前記電池モジュールを構成する複数の電池のうち最下端または最上端の電池を基準に、前記両方向スイッチ部を構成する奇数番目の両方向スイッチの一側が並列連結されて前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力である第２巻線の一端と連結され、偶数番目の両方向スイッチの一側が並列連結されて前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力である第２巻線の他端と連結されていることを特徴とする。

好ましくは、前記両方向スイッチ部は複数の両方向ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）スイッチを含み、前記両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのターンオン時に加えられるＶｇｓは前記電池モジュールの一部である二つ以上の直列連結された電池の電位（電圧）であることを特徴とする。

前記両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに電子式リレーが備えられることを特徴とし、好ましくは、前記電子式リレーは発光ダイオード及び受光素子を含み、前記発光ダイオードは両方向スイッチ部を制御するためのマイクロプロセッサーの制御信号によって発光することを特徴とする。

本発明による定電圧源を利用した自動均等充電装置は、前記電池ストリングの全体電圧を入力とし、入力された電圧より低い電圧を出力する電池ストリング定電圧源（course regulated voltage source）をさらに含み、全ての前記モジュール別定電圧源の入力は前記電池ストリング定電圧源の出力と並列連結されることを特徴とする。

前記電池ストリング定電圧源は単一のＤＣ−ＤＣコンバータを含み、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは電池ストリング全体電圧を入力とし、その出力が前記モジュール別定電圧源の入力と並列連結されることを特徴とする。

本発明の定電圧源を利用した自動均等充電装置は、定電圧源と各電池を順次に連結して均等充電を行い、各電池の電圧をセンシングするセンシング部及びアナログ−デジタルコンバータのような高価の部品が不要であるという長所がある。また、電池モジュール毎に、各電池モジュールに属する電池が両方向スイッチ部によって定電圧源を共有することにより、構成要素が画期的に減少して均等充電装置の複雑性及び体積を減らし、生産コストを低める効果がある。

また、全体の電池ストリングを電池モジュールに分け、モジュール毎に両方向スイッチ部及びモジュール別定電圧源を備えることにより、全体の電池数が変わっても弾力的かつ容易に均等充電装置を構成することができ、長期間の使用による構成部品の劣化または損傷時にもその修理及び対処が容易であり、両方向スイッチ部を構成するために耐圧の低い低電圧の両方向スイッチを用いることができるという長所がある。さらに、２段構成の定電圧源を備える場合、小さな容量を有するＤＣ−ＤＣコンバータを利用して定電圧を出力することができるという長所がある。

本発明による自動均等充電装置の構成を図示した例である。図１の本発明による自動均等充電装置の構成をより詳細に図示した一例である。Ｍ番目の電池モジュールのｎ番目の電池の均等充電時における本発明による自動均等充電装置の構成の一部を図示した例である。Ｍ番目の電池モジュールの２番目の電池の均等充電時における本発明による均等充電装置の構成の一部を図示した他の例である。本発明による自動均等充電装置の構成を図示した他の例である。図５の本発明による自動均等充電装置の構成をより詳細に図示した一例である。

以下、添付の図面を参照して本発明の定電圧源を利用した自動均等充電装置を詳細に説明する。以下で紹介される図面は当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするための例として提供されるものである。従って、本発明は以下提示される図面に限定されず、他の形態に具体化されることもできる。また、明細書全体にわたって同一の参照番号は同一の構成要素を示す。

この際、用いられる技術用語及び科学用語において他の正義がなければ、本発明が属する技術分野にて通常の知識を有した者が通常的に理解している意味を有し、下記の説明及び添付図面において本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある公知機能及び構成についての説明は省略する。

図１は本発明による定電圧源を利用した自動均等充電装置の構成の一例を図示したものであり、図１において、実線の太い矢印は連結経路を意味し、点線の矢印は制御信号を図示したものである。

図１に図示したように、複数の電池が直列連結された電池ストリング１１０、Ｂ_１，１〜Ｂ_Ｍ、ｋは、二つ以上の電池が直列連結された複数の電池モジュール１１１、１１２、１１３に分けられる。図１に図示された電池ストリングは総Ｍ（Ｍ≧２）個の電池モジュール１１１、１１２、１１３で構成された場合であり、各電池モジュール１１１、１１２、１１３を構成する直列連結された電池の数がｋ（ｋ≧２）個である場合を図示したものである。図１において、電池ストリングを構成する一電池は、前記一電池がｉ（ｉ≧１の自然数）番目のモジュールに属し、ｉ番目のモジュールの最上端の電池を基準にｊ（ｊ≧１の自然数）番目に位置する場合、Ｂ_ｉ、ｊの記号を利用して表記した。また、図１において、各電池モジュール１１１、１１２、１１３を構成する電池の数がｋ個（Ｂ_１、ｋ、Ｂ_２、ｋ、Ｂ_Ｍ、ｋ）で、全て同一である場合を図示したが、電池モジュール毎に各モジュールを構成する電池の数が相違してもよい。

各電池モジュール１１１、１１２、１１３には、電池モジュール毎に両方向スイッチ部１２１、１２２、１２３が備えられる。前記両方向スイッチ部１２１は対応する電池モジュール１１１を構成する各電池Ｂ_１、１〜Ｂ_１、ｋに並列電流移動経路を形成し、前記電池ストリング１１０を構成する一電池（例えばＢ_２、２）は、前記両方向スイッチ部によって電池モジュール１１１、１１２、１１３毎に備えられる定電圧源であるモジュール別定電圧源１３１、１３２、１３３と連結される。

前記マイクロプロセッサー１４０は前記両方向スイッチ部１２１、１２２、１２３を制御し、同一の電池モジュール１１１、１１２、または１１３に属する各電池を対応する電池モジュールのモジュール別定電圧源１３１、１３２、１３３と連結する。

前記マイクロプロセッサー１４０は電池ストリングを構成する各電池の電圧の入力を受けず、電池ストリングの平均電圧と各電池の電圧とを比較して充電または放電対象電池を選択せずに、前記電池モジュール１１１、１１２または１１３を構成する全ての電池を順次に連結することを特徴とする。前記順次連結は、一つの電池モジュールにおいて最上端または最下端に位置した電池を基準に電池の位置による順次連結を意味し、本発明による自動均等充電装置は、電池モジュールを構成するそれぞれの各電池を定電圧源と順次に連結して均等充電を行う。

この際、前記マイクロプロセッサー１４０は複数の両方向スイッチ部を独立に制御し、前記電池モジュール毎に均等充電の動作が独立に行われることを特徴とする。従って、本発明による自動均等充電装置は、電池モジュールを構成する電池の数が全て同一である場合、単一の電池モジュール１１１、１１２または１１３を構成する全ての電池が電池ストリングの平均電圧に均等化されるとともに、電池ストリング１１０を構成する全ての電池が電池ストリングの平均電圧に均等化されることを特徴とする。

上述したように、本発明による自動均等充電装置は、電池ストリング１１０を電池モジュールに分け、電池モジュール毎に両方向スイッチ部及びモジュール別定電圧源を備える構成を有する。これにより、前記自動均等充電装置が電池モジュール、対応する両方向スイッチ部、対応するモジュール別定電圧源で構成された複数のモジュール（図１のモジュール１、モジュール２、モジュールＭ）で構成されることを特徴とし、また、同一の電池モジュールに属する全ての電池は、対応する両方向スイッチ部によってモジュール別定電圧源を共有することを特徴とする。

本発明による自動均等充電装置は、電池の個別電圧を測定するセンシング部及びアナログ−デジタルコンバータの構成を用いることなく均等充電を効果的に行うことができ、電池ストリング１１０を構成する電池の数が変わっても、モジュール（モジュール１、モジュール２、モジュールＭ）を追加または除去することにより容易に装置の変換及び拡張が可能である。また、電池モジュール毎に回路が分離されているため、回路の具現化が容易であり、素子の劣化などによって発生する回路の損傷に対して効率的に対処することができ、設計柔軟性の高いという長所がある。

図２は図１に図示した一例をより詳細に図示した図面であり、図２に図示したように、ｋ（ｋ≧２の自然数）個の電池で構成された前記電池モジュールの対応する両方向スイッチ部１２１〜１２６は２ｋ個の両方向スイッチを含み、前記電池モジュールを構成する一電池を基準に前記両方向スイッチが前記一電池の負極及び正極の両端にそれぞれ連結され、前記並列電流移動経路が形成されることを特徴とする。

図２の両方向スイッチ部１２３に図示したように、ｋ（ｋ≧２の自然数）個の電池で構成された前記電池モジュール１１３の対応する両方向スイッチ部１２３は、好ましくは、２ｋ個の両方向ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）スイッチを含む。

一電池モジュール１１３の対応する両方向スイッチ部１２３に含まれた両方向スイッチ（好ましく両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチ）は、前記電池モジュールを構成する複数の電池のうち最下端の電池Ｂ_３、ｋまたは最上端の電池Ｂ_３、１を基準に、前記両方向スイッチ部１２３を構成する奇数番目の両方向スイッチの一側が並列連結されて対応するモジュール別定電圧源１３３の高電位（または低電位）出力と連結され、偶数番目の両方向スイッチの一側が並列連結されて同一のモジュール別定電圧源１３３の低電位（または高電位）出力と連結される。

詳細には、前記両方向スイッチ部１２３を構成する両方向スイッチは、一側が隣接して直列連結された電池間のノード（node）と連結され、他側がモジュール別定電圧源１３３の出力と連結されて、同一の両方向スイッチ部に属し、互いに隣接しない両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチ同士が並列連結され、モジュール別定電圧源１３３の高電位出力及び低電位出力とそれぞれ連結されている。

各電池は前記両方向スイッチ部によって前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持する前記モジュール別定電圧源の出力と連結され、電池の充電または放電が行われることを特徴とする。

前記モジュール別定電圧源１３１〜１３６は電池ストリング全体の電圧を入力として電池ストリングの平均電圧を出力及び維持することを特徴とし、前記モジュール別定電圧源１３１〜１３６は両方向ＤＣ−ＤＣコンバータを含む。詳細には、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３１〜１３６変圧器の１次巻線（入力）は前記電池ストリング全体電圧と連結され、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３１〜１３６変圧器の２次巻線（出力）は前記両方向スイッチ部１２１〜１２６によって電池モジュールの各電池と連結される。好ましくは、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータは負帰還回路が備えられた両方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

図３はＭ番目の電池モジュール１１６のｎ番目の電池Ｂ_Ｍ、ｎがマイクロプロセッサ１４０により制御された両方向スイッチ部１２６によってモジュール別定電圧源１３６と連結された場合を図示した図面である。

図３に図示したように、前記モジュール別定電圧源１３６は両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）を含み、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）変圧器の１次巻線及び２次巻線の各端にはスイッチであるコンバータスイッチＳ_ｃｏｎｖ１、Ｓ_ｃｏｎｖ２が備えられることが好ましく、前記コンバータスイッチＳ_ｃｏｎｖ１、Ｓ_ｃｏｎｖ２は両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）の動作（on/off）を担当する。好ましくは、前記コンバータスイッチＳ_ｃｏｎｖ１、Ｓ_ｃｏｎｖ２はＭＯＳＦＥＴ素子及びＭＯＳＦＥＴのソース（source）端とドレーン（drain）端に連結され、ＭＯＳＦＥＴターンオン電流と反対方向の電流移動経路を提供するダイオードを含む。

本発明による定電圧源を利用した自動均等充電装置は、ＰＷＭ（pulse width modulation）信号を生成するＰＷＭ生成器（pulse width modulation signal generator）１８０を含み、前記コンバータスイッチＳ_ｃｏｎｖ１、Ｓ_ｃｏｎｖ２は前記ＰＷＭ生成器１８０で生成されたＰＷＭ信号によって制御され、前記ＰＷＭ信号のデューティ比（duty ratio）によって前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）が前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持することを特徴とする。

前記ＰＷＭ生成器１８０は、前記両方向スイッチ部及び前記モジュール別定電圧源と同様に、電池モジュール毎に備えられることが好ましい。

より詳細には、前記ＰＷＭ生成器１８０はデューティ比制御部（duty ratio controller、不図示）をさらに含み、前記デューティ比制御部は、前記モジュール別定電圧源１３６、詳細には両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）の出力と電池ストリングの平均電圧の入力を受け、これを比較して前記ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させることを特徴とする。

前記ＰＷＭ生成器１８０のデューティ比制御部により制御されたＰＷＭ信号のデューティ比によって前記モジュール別定電圧源１３６が電池ストリングの平均電圧を出力及び維持するようになり、このような定電圧源（ＰＷＭ信号のデューティ比制御により電池ストリングの平均電圧に維持されるモジュール別定電圧源の出力電圧）が前記電池モジュール１１６を構成する個別電池Ｂ_Ｍ、ｎと連結され、電池の充電または放電が行われる。従って、前記個別電池Ｂ_Ｍ、ｎが充電される場合、充電電位は電池ストリングの全体電位に影響を与え、前記個別電池Ｂ_Ｍ、ｎが放電する場合、放電された電気的エネルギーは電池ストリングの全体電位に影響を与えるようになる。

詳細には、前記ＰＷＭ生成器１８０は、前記両方向スイッチ部１２６と前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）との間に備えられたコンデンサ１６６及び定電圧源出力電圧センシング部１７６をさらに含んで構成され、前記コンデンサ１６６及び前記定電圧源出力電圧センシング部１７６によって前記モジュール別定電圧源の出力を測定し、モジュール別定電圧源の出力を前記デューティ比制御部にフィードバック（feedback）することを特徴とする。

前記電圧源出力電圧センシング部１７６は、負荷効果が生じることなく２次側と電気的に分離、接地分離によってモジュール別定電圧源の出力電圧値の大きさを測定する回路である。

詳細には、前記デューティ比制御部は、図４に図示したように、電池ストリング全体電圧の入力を受けて電池ストリング１１０の平均電圧を出力する平均電圧入力部１８１から電池ストリング１１０の平均電圧の入力を受け、前記フィードバックされたモジュール別定電圧源の出力を比較してＰＷＭ信号のデューティ比を微細調整して、前記モジュール別定電圧源の出力が電池ストリングの平均電圧に維持されるようにする。

マイクロプロセッサー１４０によって電池（同一の電池モジュールに属する）と対応するモジュール別定電圧源が両方向スイッチ部によって順次に連結されるが、この際、上述したように、ＰＷＭ生成器１８０で電池ストリング平均電圧とモジュール別定電圧源の出力電圧を比較し、負帰還回路によってＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）の入力側に備えられたコンバータスイッチＳ_ｃｏｎｖ１とコンバータスイッチＳ_ｃｏｎｖ２のデューティ比を調節して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）の出力が全体電池ストリング１１０の平均電圧と同一になるようにする。これをより選択された電池Ｂ_Ｍ、ｎは全体電池ストリング１１０の平均電圧と同一の定電圧源と連結され、選択された電池電圧Ｂ_Ｍ、ｎが電池ストリングの平均電圧（定電圧源）より低いと、電池ストリング１１０全体のエネルギーが選択された電池Ｂ_Ｍ、ｎに移動するようになる。反対に、選択された電池電圧Ｂ_Ｍ、ｎが電池ストリングの平均電圧より高いと、類似の方式で動作して、過電圧である対応する電池から全体電池にエネルギーが移動するようになる。

前記モジュール別定電圧源１３６に備えられるＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）は、図３に示すようにフライバックタイプ（flyback type）ＤＣ−ＤＣコンバータであってもよく、他のタイプのＤＣ−ＤＣコンバータが用いられてもよい。

図４はＭ番目の電池モジュールの２番目の電池の均等充電の例を図示したものであり、容易に認識されるように、全体ではなく、電池モジュールを構成する電池の各端に備えられる両方向スイッチ、好ましくは、両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチのうち、Ｍ番目の電池モジュールの２番目の電池Ｂ_Ｍ、２の電流移動経路を形成するために制御される（スイッチが低いインピーダンス状態に制御される）両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチのみを図示した。

図４に図示したように、前記両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチＳ_２、Ｓ_３は低電圧の両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチであることが好ましく、マイクロプロセッサー１４０のＯＮ、ＯＦＦ信号を受けることにより動作されるため、両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチＳ_２、Ｓ_３の入力（ＭＯＳＦＥＴのゲート）にＯＮ、ＯＦＦ信号を生成できるリレー、好ましくは電子式リレーが連結されていることが好ましい。

前記電子式リレーは無接点リレー（Solid state relay）またはオプトカプラ（Optocoupler）であり、好ましくは、図４に図示したように、発光ダイオードｒ２及び受光素子ｒ１を含んで構成されている。前記受光素子ｒ１はＢＪＴ（Bipolar Junction Transistor）であることが好ましい。前記ＢＪＴ（ｒ１）は前記発光ダイオードｒ２の光を受光して低いインピーダンス状態（ターンオン状態）となり、前記電池ストリングの一部である二つ以上の直列連結された電池の電位が前記両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲート（gate）に印加されるようになる。

詳細には、図４の点線の矢印で示したように、前記発光ダイオードｒ２は両方向スイッチ部を制御するためのマイクロプロセッサー１４０の制御信号によって発光するようになり、前記発光ダイオードｒ２の発光によってＢＪＴ（ｒ１）がターンオンされ、両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートにターンオン電圧が加えられるようになる。この際、図４に図示したように、両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴをターンオンさせるＶｇｓ（ＶｇｓはＭＯＳＦＥＴのソース電圧を基準としたゲート電圧である）は電池ストリングの一部である二つ以上の直列連結された電池の電位（電圧）であり、図４の場合、３個の電池が直列連結された電位がＭＯＳＦＥＴがターンオンされる時に印加されるＶｇｓである。

上述したように、両方向スイッチ部を構成するそれぞれの両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを駆動させる電源として、電池ストリングの一部電圧が使用されるのである。両方向スイッチ部を構成する両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチは図４に示すように電池ストリング電圧の一部を電源装置として使用し、ゲートに電子式リレーが備えられ、信頼性の高いＯＮ、ＯＦＦスイッチ動作を行うことを特徴とする。

本発明による定電圧源を利用した自動均等充電装置は、図５に図示したように、モジュール別定電圧源１３１〜１３３の入力端（詳細にはＤＣ−ＤＣコンバータ変圧器の１次巻線側）に備えられた定電圧源である電池ストリング定電圧源１５０をさらに含む。

この際、前記電池ストリング定電圧源１５０は、電池ストリング１１０全体電圧を入力とし、入力された電圧より低い電圧を出力して、全てのモジュール別定電圧源１３１〜１３３の入力は前記電池ストリング定電圧源１５０の出力と並列連結されることを特徴とする。

図６は図５に図示した一例の連結をより詳細に図示した図面であり、図５及び図６に示すように、全体電池ストリング１１０を入力として２段の定電圧源１３１〜１３６及び１５０の構成によって電池ストリング１１０の平均電圧を出力することにより、二番目の段のモジュール別定電圧源１３１〜１３６の電圧ストレスを減らすことができ、低容量のＤＣ−ＤＣコンバータ１３６（１）でモジュール別定電圧源１３１〜１３６を構成することができる。

この際、前記モジュール別定電圧源１３１〜１３６は前記電池ストリング定電圧源１５０の出力を入力として有することを除き、上述の説明と同様に動作し、両方向スイッチ部１２１〜１２６も上述した説明と同様に動作する。

以上のように本発明を特定の事項と限定された実施例及び図面によって説明したが、これは本発明のより全体的な理解を容易にするために提供されたものにすぎず、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明が属する分野にて通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正及び変形が可能である。

従って、本発明の思想は説明された実施例に限られて決まってはならず、特許請求の範囲だけでなく、特許請求の範囲と均等または等価的変形がある全てのものなどは本発明の思想の範囲に属する。

１１０電池ストリング
１１１〜１１６電池モジュール
１２１〜１２６両方向スイッチ部
１３１〜１３６モジュール別定電圧源
１３６（１）両方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
１４０マイクロプロセッサー
１５０電池ストリング定電圧源
１６６コンデンサ
１７６定電圧源出力電圧センシング部
１８０ＰＷＭ生成器
１８１平均電圧入力部

Claims

複数の電池が直列連結された電池モジュールと、
Ｍ（Ｍ≧２の自然数）個の前記電池モジュールが直列連結された電池ストリングと、
前記電池モジュール毎に備えられ、前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持するモジュール別定電圧源（fine regulated voltage source）と、
前記電池モジュールと前記モジュール別定電圧源との間に前記電池モジュール毎に備えられ、前記電池モジュールを構成する電池それぞれに並列電流移動経路を形成して、各電池を前記モジュール別定電圧源の出力と連結する両方向スイッチ部と、
前記両方向スイッチ部を制御するマイクロプロセッサーと、を含み、
前記電池モジュールを構成する各電池は、前記両方向スイッチ部によって前記モジュール別定電圧源を共有し、前記マイクロプロセッサーは、前記両方向スイッチ部を制御して前記電池モジュールを構成する電池と前記モジュール別定電圧源とを順次に連結する、定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記モジュール別定電圧源は両方向ＤＣ−ＤＣコンバータを含み、前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記電池ストリングの全体電圧を入力として有し、前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持することを特徴とする請求項１に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの入力である１次巻線及び出力である２次巻線の各端に、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作（on/off）を制御するスイッチであるコンバータスイッチが備えられていることを特徴とする請求項２に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
ＰＷＭ（pulse width modulation）信号を生成するＰＷＭ生成器（pulse width modulation signal generator）をさらに含み、前記コンバータスイッチは前記ＰＷＭ信号によって制御され、前記ＰＷＭ信号のデューティ比（duty ratio）によって前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータが前記電池ストリングの平均電圧を出力及び維持することを特徴とする請求項３に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記ＰＷＭ生成器はデューティ比制御部をさらに含み、前記デューティ比制御部は、前記モジュール別定電圧源の出力と前記電池ストリングの平均電圧とを比較し、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を変化させて、前記モジュール別定電圧源の出力が電池ストリングの平均電圧に維持されるようにすることにより、前記電池モジュールを構成する各電池を充電または放電させることを特徴とする請求項４に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記ＰＷＭ生成器は前記両方向スイッチ部と前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータとの間に備えられたコンデンサをさらに含み、前記コンデンサによって一定の電圧を維持しながら電池モジュールを構成する各電池に直流電流が供給されることを特徴とする請求項５に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
ｋ（ｋ≧２の自然数）個の電池で構成された前記電池モジュールに対応する両方向スイッチ部は２ｋ個の両方向スイッチを含み、前記電池モジュールを構成する一電池を基準に、前記両方向スイッチが前記一電池の両端にそれぞれ連結されて前記並列電流移動経路が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記モジュール別定電圧源は両方向ＤＣ−ＤＣコンバータを含み、
前記電池モジュールを構成する複数の電池のうち最下端または最上端の電池を基準に、前記両方向スイッチ部を構成する奇数番目の両方向スイッチの一側が並列連結されて前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力である第２巻線の一端と連結され、偶数番目の両方向スイッチの一側が並列連結されて前記両方向ＤＣ−ＤＣコンバータの出力である第２巻線の他端と連結されていることを特徴とする請求項７に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記マイクロプロセッサーは前記電池モジュール毎の前記両方向スイッチ部を独立に制御し、前記電池モジュールを構成する複数の電池のうち最下端または最上端の電池から始めて、前記電池モジュールを構成する各電池と前記モジュール別定電圧源の出力との間に順次に電流移動経路を形成することを特徴とする請求項４に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記両方向スイッチ部は複数の両方向ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）スイッチを含み、前記両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのターンオン時に加えられるＶｇｓは前記電池モジュールの一部である二つ以上の直列連結された電池の電圧であることを特徴とする請求項１に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに電子式リレーが備えられていることを特徴とする請求項１０に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記電子式リレーは発光ダイオード及び受光素子を含み、前記発光ダイオードは両方向スイッチ部を制御するための前記マイクロプロセッサーの制御信号によって発光することを特徴とする請求項１１に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。
前記電池ストリングの全体電圧を入力とし、入力された電圧より低い電圧を出力する電池ストリング定電圧源（course regulated voltage source）をさらに含み、
全ての前記モジュール別定電圧源の入力は前記電池ストリング定電圧源の出力と並列連結されていることを特徴とする請求項１に記載の定電圧源を利用した自動均等充電装置。