JP2013013291A - 電池間電圧均等化回路 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池における複数の二次電池の電圧の均等化を、少ない電力消費かつ短縮された時間で完了可能とする。
【解決手段】複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ７から１つを選択してそのプラス電極を第１ノードＮａに、マイナス電極を第２ノードＮｂに同時に接続する選択接続スイッチ群ＳＷ１〜ＳＷ１４と、コンデンサＣ１と、昇圧素子ＬＩＢと、コンデンサ及び昇圧素子を第１、第２ノード間に並列に接続する充電モードと、コンデンサと昇圧素子を第１、第２ノード間に直列に接続する放電モードの機能を持つ充放電制御スイッチ群ＳＷ１５〜ＳＷ１７とを備える。充電モードでは、選択された二次電池からの充電により、コンデンサと昇圧素子に同時に電荷を蓄積し、放電モードでは、充電モードとは異なる二次電池を選択し、コンデンサと昇圧素子の直列接続によりコンデンサの端子電圧を昇圧素子の電圧で昇圧して、選択された二次電池に電荷を移送する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池を直列に接続した組電池における電池間電圧均等化を制御するための回路に関し、特に、高効率で短時間に各電池間の電圧差を解消することを可能とする改良に関する。

一般的に、複数の二次電池を直列に接続した組電池を使用した電池パックでは、電池電圧を監視して電池間電圧均等化の制御を実施することで、各電池の電圧を均一に維持するように構成されている。電圧均等化が必要な理由は、以下のとおりである。

すなわち、サイクル劣化や経年劣化などにより、組電池中の一電池が他の電池と比較して劣化の度合いが大きくなる場合がある。そのような劣化電池は、他の電池と比較すると電池容量が小さくなることがある。そのため、劣化電池は他電池と比較すると、充電時は電圧上昇が早くなり、放電時は電圧降下が早くなる。その結果、組電池の各電池電圧は均一でなくなり、劣化電池の電圧が充放電制御に対して支配的に働き、電池パックの電池容量が見かけ上小さくなってしまう。加えて、この状況で充放電を続けると、劣化電池に負荷が集中するので加速的に劣化が進み、電池パックとしての寿命が短くなる可能性がある。

この問題を解決するための方法の一例が、特許文献１に「二次電池電位差均等化回路」として開示されている。当該回路では、直列接続された複数個の二次電池の各々の正電極とコンデンサとの間に複数個の正電極側スイッチ手段を設け、それらの二次電池の各々の負電極とコンデンサＣとの間に複数個の負電極側スイッチ手段を設ける。複数個の正電極側スイッチ手段と複数個の負電極側スイッチ手段から選択される、同一の二次電池の正電極と負電極とに接続された正電極側スイッチ手段および負電極側スイッチ手段を対にして、１対ずつサイクリックにオン動作を繰り返すように制御する。

これにより、電圧の高い電池からコンデンサＣへの放電と、電圧の低い電池へのコンデンサＣからの充電が繰り返されて、各電池の電圧が均等化される。この方法によれば、他の従来技術である、抵抗を通して放電することにより電池電圧を均等化する方法と比べて、少ない電力消費で電池電圧の均等化を行うことが可能である。

特開平１０−２２５００５号公報

しかしながら、特許文献１の「二次電池電位差均等化回路」では、電池電圧の均等化は可能であるものの、均等化完了までに長時間を必要とする。何故ならば、正電極側スイッチ手段と負電極側スイッチ手段を対にして常に１対ずつサイクリックにオン動作を繰り返して充放電を制御するため、均等化動作は、わずかな電位差を次々に転送することの集積になるからである。すなわち、ほぼ同じ電圧の電池間で電荷が移送されるサイクルが多く含まれざるを得ず、均等化を達成するためには数限りないスイッチング動作を繰り返すことが必要であり、必然的に長時間を必要とする。

また、スイッチング動作の回数が多いことにより、スイッチング損失が大きくなる。この問題を回避するためにスイッチング動作回数を減らそうとしても、電圧差が小さいため一回の転送電荷量は少なく制限されてしまう。

本発明は、上記課題を解決し、組電池における複数の二次電池の電圧の均等化を、少ない電力消費かつ短縮された時間で完了可能とする電池間電圧均等化回路を提供することを目的とする。

本発明の電池間電圧均等化回路は、複数の二次電池を直列に接続した組電池における前記二次電池の各々の電圧を均等化する回路であって、前記複数の二次電池から１つを選択してそのプラス電極を第１ノードに、マイナス電極を第２ノードに同時に接続する選択接続スイッチ群と、電荷移送用のコンデンサと、電荷を蓄積することが可能な昇圧素子と、前記コンデンサ及び前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に並列に接続する充電モードと、前記コンデンサと前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に直列に接続する放電モードの機能を持つ充放電制御スイッチ群とを備える。前記充電モードでは、前記選択接続スイッチ群により選択された前記二次電池からの充電により、前記コンデンサと前記昇圧素子に同時に電荷を蓄積し、前記放電モードでは、前記選択接続スイッチ群により前記充電モードとは異なる前記二次電池を選択し、前記コンデンサと前記昇圧素子の直列接続により前記コンデンサの端子電圧を前記昇圧素子の電圧で昇圧して、選択された前記二次電池に電荷を移送し、前記充電モードとそれに続く前記放電モードを１サイクルとして、動作を繰り返す。

上記構成の電池間電圧均等化回路によれば、放電時にコンデンサの端子電圧を昇圧することにより、電荷の充放電が高効率に行われるので、短時間に各電池間電圧を均等化することができる。

実施の形態１における電池間電圧均等化回路の回路図 同電池間電圧均等化回路の動作を示すフロー図 同電池間電圧均等化回路の動作を示す波形図 同電池間電圧均等化回路の他の態様を示す回路図 実施の形態２における電池間電圧均等化回路の回路図 同電池間電圧均等化回路の動作を示す波形図

本発明の電池間電圧均等化回路は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記充放電制御スイッチ群は、前記コンデンサを前記第１、第２ノード間に接続する第１充電スイッチと、前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に、前記コンデンサと並列に接続する第２充電スイッチと、前記コンデンサと前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に直列に接続する経路中における前記コンデンサと前記昇圧素子間に配置された放電スイッチとを備え、前記充電モードでは、前記第１及び第２充電スイッチをオンとして前記コンデンサ及び前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に並列に接続し、前記放電モードでは、前記第１及び第２充電スイッチをオフとし、前記放電スイッチをオンとして前記コンデンサ及び前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に直列に接続する構成とすることができる。

また、前記複数の二次電池の各々の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部が出力する前記二次電池の各々の電圧値に基づいて、前記選択接続スイッチ群、及び前記充放電制御スイッチ群の切替えを制御するスイッチ制御部とを備え、前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部の出力に基づき、高電圧の前記二次電池を選択して前記充電モードで動作した後、前記充電モードで選択された前記二次電池よりも低電圧の前記二次電池を選択して前記放電モードで動作するように制御する構成とすることができる。

また、前記選択接続スイッチ群は、前記組電池における前記二次電池のプラス電極またはマイナス電極を選択するための電池選択スイッチ群と、選択された電極を第１または第２ノードに選択的に接続する極性切替えスイッチとを組み合わせた構成とすることができる。

また、前記昇圧素子は、前記組電池を構成する前記二次電池の持つ定格電圧と同等の定格電圧を持つ昇圧用二次電池である構成とすることができる。

また、前記昇圧素子は、昇圧用コンデンサである構成とすることができる。

また、前記選択接続スイッチ群と前記コンデンサとの間にインダクタンスが挿入された構成とすることができる。この場合、前記コンデンサと前記インダクタンスによる共振状態で流れる電流がほぼ０Ａの時に、前記充電モードと前記放電モードを切り替えるタイミングとする構成とすることができる。これにより、いわゆる０クロススイッチングが実現され、スイッチの開閉に伴って発生するスイッチング損失を低減させることができ、更なる効率の改善が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１における電池間電圧均等化回路の構成を示すブロック回路図である。図２は、この電池間電圧均等化回路の動作を表わすフロー図、図３は動作波形図である。なお、以下の記載では、各電池の電圧均等化動作を行うとき、電圧の高い電池から電荷移送用のコンデンサへ電流を流し込む動作を充電と称し、そのときの動作電流を充電電流と称する。また、充電とは逆に、電荷移送用のコンデンサに充電された電荷を電圧の低い電池に流し込む動作を放電と称し、そのときの動作電流を放電電流と称する。

図１において、組電池１は、複数の二次電池Ｂ１〜Ｂ７を直列に接続して構成されている。電池Ｂ１〜Ｂ７はそれぞれ電圧検出部２に接続され、各電池の電圧が検出される。電圧検出部２で検出された電池電圧のデータはスイッチ制御部３に供給される。スイッチ制御部３は、選択接続スイッチ群（選択接続スイッチＳＷ１〜ＳＷ１４）、及び充放電制御スイッチ群（充電スイッチＳＷ１５、１６、放電スイッチＳＷ１７）のオン／オフを制御するように接続されている。

選択接続スイッチＳＷ１〜ＳＷ１４は、電池Ｂ１〜Ｂ７のいずれかを選択して、その電極をノードＮａまたはＮｂに接続するために設けられる。従って、スイッチＳＷ１〜ＳＷ１４の一端は、電池Ｂ１〜Ｂ７のプラス電極またはマイナス電極に接続されている。一方、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ７、ＳＷ９、ＳＷ１１、ＳＷ１３の他端は、ノードＮａに接続され、スイッチＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ８、ＳＷ１０、ＳＷ１２、ＳＷ１４の他端は、ノードＮｂに接続されている。充電スイッチＳＷ１５、１６は充電モードの動作時にオンするスイッチ、放電スイッチＳＷ１７は放電モードの動作時にオンするスイッチである。これらのスイッチは充放電タイミングに合わせて、スイッチ制御部３によりオン／オフ動作が制御される。

ノードＮａは、インダクタンスＬ１を介して、電荷移送用のコンデンサＣ１の一端に接続されるとともに、充電スイッチＳＷ１６を介して昇圧用二次電池ＬＩＢのプラス電極に接続されている。ノードＮｂは、充電スイッチＳＷ１５を介して、コンデンサＣ１の他端に接続されるとともに、昇圧用二次電池ＬＩＢのマイナス電極に接続されている。昇圧用二次電池ＬＩＢは、コンデンサＣ１に直列接続して昇圧作用を得るための昇圧素子の一例として用いられる。

インダクタンスＬ１は、スイッチオンと同時に流れる過大な電流を阻止する要素を表し、またコンデンサＣ１と協調してゼロクロススイッチングを実現して高効率の電荷移送動作を実現する。昇圧用二次電池ＬＩＢは、電池Ｂ１〜Ｂ７とほぼ同一の電圧定格を持つ小型な二次電池である。なお、以下の記載では、コンデンサＣ１の容量をＣ１で表し、電池ＬＩＢの電圧をＶ_LIBで表す。

スイッチ制御部３は、選択接続スイッチＳＷ１〜ＳＷ１４を、電池電圧のデータに基づいて選択制御する。スイッチ制御部３はまた、選択した電池を対象とする充電または放電動作のために、充電スイッチＳＷ１５、１６、及び放電スイッチＳＷ１７を、以下に説明する充放電動作の手順に従ってオン／オフ制御する。

上記構成による電池間電圧均等化の動作の一例について、仮に電池Ｂ２の電圧が最も高く、電池Ｂ６の電圧が最も低い場合を例として、図１〜図３を参照して説明する。図３において、（ａ）はスイッチＳＷ１５〜ＳＷ１７の切替による充電期間、及び放電期間のタイミングを示す。（ｂ）はコンデンサＣ１のノードＮａ側の端子における電圧Ｖの波形を示す。（ｃ）はノードＮａを流れる電流の波形を示す。

図２のフロー図において動作が開始すると、スイッチ制御部３は、電圧検出部２から供給される電池Ｂ１〜Ｂ７の電圧を比較する（ステップＳ１）。その結果に基づき、全ての電池の電圧が均等か否かを判断する（ステップＳ２）。なお、電池電圧を均等と判断する条件は適宜設定すればよいが、例えば、全ての電池の平均電圧に対する各電池の電圧の差が、所定の許容範囲内にあることとして設定することができる。全ての電池の電圧が均等であれば（Ｙｅｓ）、動作を終了する（ステップＳ８）。均等でなければ（Ｎｏ）、最高電圧の電池ＢＨ、および最低電圧の電池ＢＬを抽出する（ステップＳ３）。以下の説明では、ＢＨを電池Ｂ２、ＢＬを電池Ｂ６として説明する。

次に、電池Ｂ２（ＢＨ）から、コンデンサＣ１及び電池ＬＩＢに並列に充電を行う（ステップＳ４）。これは、図３（ａ）における、時刻ｔ０〜ｔ１の充電期間の動作に相当する。すなわち、開始時刻ｔ０において、スイッチＳＷ３、ＳＷ４をオンさせることにより、電池Ｂ２のプラス電極、マイナス電極をそれぞれノードＮａ、Ｎｂに接続する。同時に、ＳＷ１５、ＳＷ１６をオンさせることにより、ノードＮａ、Ｎｂ間に、インダクタンスＬ１とコンデンサＣ１の直列回路を接続し、かつ、この直列回路に並列に電池ＬＩＢを接続する。これにより、電池Ｂ２からＬ１を経由してＣ１に充電電流Ｉｃが流れ、同時にＬＩＢにもＳＷ１６を介して充電電流が流れる。この充電により、図３（ｂ）の充電電圧Ｖは、Ｖ_LIBとなる。この充電期間の終わりには、（ｃ）の充電電流はほぼ０Ａとなるので、時刻ｔ１で放電動作に移行する。

次にステップＳ５に移行して、Ｃ１及びＬＩＢを直列接続して電池Ｂ６（ＢＬ）に向けて放電を行う。これは、図３（ａ）における、時刻ｔ１〜ｔ２の放電期間の動作に相当する。すなわち、ＳＷ３、ＳＷ４、及びＳＷ１５、ＳＷ１６を同時にオフさせて、電池Ｂ２を遮断する。そして、ＳＷ１１、ＳＷ１２をオンさせて電池Ｂ６のプラス電極、マイナス電極をそれぞれノードＮａ、Ｎｂに接続し、同時にＳＷ１７をオンさせて、ノードＮａ、Ｎｂ間に、インダクタンスＬ１、コンデンサＣ１及び電池ＬＩＢを直列に接続する。これにより、電池Ｂ６に向かって放電電流が流れる。このときの図３（ｂ）の放電電圧Ｖは、コンデンサＣ１の端子電圧が電池ＬＩＢの電圧により昇圧されて、２Ｖ_LIBとなる。この放電期間の終わりでは放電電流がほぼ０Ａとなるので、時刻ｔ２でＳＷ１１、ＳＷ１２とＳＷ１７を同時オフする。

次に、電池Ｂ２（ＢＨ）の電圧と電池Ｂ６（ＢＬ）の電圧を比較する（ステップＳ６）。電池Ｂ２の電圧と電池Ｂ６の電圧が同等でなければ（ステップＳ７、Ｎｏ）、ステップＳ４に戻って、上述の動作を繰り返す。それにより、電圧の高い電池Ｂ２から電圧の低い電池Ｂ６に向かって再度電荷の移送が行われる。この動作は方向性があるので、繰り返すと、充電時に接続された電池Ｂ２は電荷が減り続け、放電時に接続された電池Ｂ６は電荷が増え続ける。したがって電圧を監視して二つの電池の電圧が同等になった時点で動作を停止する。すなわち、ステップＳ７でＹｅｓであれば、ステップＳ１に戻る。なお、電池電圧が同等とは、例えば、電圧の差が所定の許容範囲内にあることとして設定することができるが、上述した、全ての電池電圧が均等である状態の定義に応じた設定であることを要する。

ステップＳ１では、再度、全ての電池の電圧を比較してステップＳ２に移り、全ての電池の電圧が均等か否かを判断する。全ての電池の電圧が均等であれば（Ｙｅｓ）、動作を終了する（ステップＳ８）。均等でなければ（Ｎｏ）、再度、最高電圧の電池ＢＨ、および最低電圧の電池ＢＬを抽出する（ステップＳ３）。そして、ステップＳ４に移り、ステップＳ７までの動作を、上述のとおり繰り返す。

以上の電池間電圧均等化の動作による効果を、特許文献１に記載された従来技術による動作と比較すると、以下のとおりである。

まず、従来技術での電荷移送量を求める。均等化すべき電圧値、すなわち高いほうの電池電圧の平均値に対する差電圧（プラス側）を＋ΔＶｂとし、電荷移送コンデンサの容量をＣとすると、一回の電荷移送量はＣ×（＋ΔＶｂ）である。一方、本実施の形態によれば、放電時にはコンデンサＣ１の端子電圧が、直列接続された電池ＬＩＢの電圧により昇圧されて、図３（ｂ）に示す放電電圧Ｖは２Ｖ_LIBとなる。従って、一般的なリチュームイオン電池の電圧約３．７Ｖとほぼ同じ電圧値で電荷移送コンデンサＣ１を充電する。そのため、電荷移送量は、上記従来技術の場合に対して、Ｖｂ÷ΔＶｂ≒３７倍となる。

なお、スイッチのインピーダンスを同一にした場合、従来回路に比べ３７倍の電流が流れるので、本実施の形態のようにインダクタンスＬ１を直列に接続するか、あるいは電流制限を行うためにオン抵抗の高い小型のスイッチ素子を使用して、スイッチオン時の突入電流を低減することができる。したがって、Ｌ１を挿入しない回路構成においても、上述の電圧等価動作を適用して同様の効果を得ることが可能である。

次に、本実施の形態による電池間電圧均等化の動作の完了に要する時間を、具体例について説明する。前提条件例として、均等化すべき電圧値を、平均値に対して電圧の高いほうの電池の場合（プラス側）が＋ΔＶｂ＝１００ｍＶ、電圧が低いほうの電池の場合（マイナス側）が−ΔＶｂ＝−１００ｍＶである場合を想定する。また、一般的なリチュームイオン電池は、４Ｖから３Ｖが動作範囲で電池の容量を１０００ｍＡｈとすると、電池をコンデンサと見立てた時の容量は３．６Ｆとなる。

本実施の形態によれば、電荷移送用のコンデンサＣ１の容量に応じて、一回の電荷転送動作による電圧補正量が決まる。したがって均等化する電圧の調整許容誤差量は、一回の転送電荷量と等価の値となる。上記前提の電池において調整許容誤差を１０ｍＶとすると、電池をコンデンサと見立てた時の容量が３．６Ｆであるから、一回の移送電荷量は３．６Ｆ×１０ｍＶ＝０．０３６クーロンとなる。これで電荷移送コンデンサの容量Ｃ１を求めると、上述のとおり、電圧３．７Ｖで充電されるので、Ｃ１＝Ｑ÷Ｖｂ＝０．０３６クーロン÷３．７Ｖ＝９．７ｍＦとなる。これ以上大きなコンデンサでは、均等化電圧のばらつき量を少なく出来ない。

この条件下で、ΔＶｂが１００ｍＶの場合、１０回の充放電で平均化動作が完了する。また一回の充放電では、０．０３６クーロンの電荷を０．３Ｃ（３００ｍＡ）で充電完了しなければならない。従って、一回の充放電時間ｔは、ｔ＝（０．０３６クーロン÷３００ｍＡ）×２回（充電＋放電）＝０．２４秒となり、均等化動作の完了には、０．２４秒×１０回＝２．４秒を要する。

上記構成の回路は、図４に示すように変更することができる。すなわち、選択接続スイッチＳＷ１〜ＳＷ１４を、電池選択スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２８の群、及び極性切替えスイッチＳＷ２９〜ＳＷ３２の群で置き換えた構成とする。なお、図１に示したような電圧検出部２及びスイッチ制御部３が接続され、上述と同様の制御が行われるが、図示を省略する。

この構成によれば、電池選択スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２８により組電池１中のいずれかの電池のプラス電極またはマイナス電極が選択され、極性切替えスイッチＳＷ２９〜ＳＷ３２により、選択された電極がノードＮａまたはＮｂに接続される。その他の動作は、図２及び図３を参照して説明した、図１の回路の動作と同様である。

＜実施の形態２＞
図５は、実施の形態２における電池間電圧均等化回路の構成を示すブロック回路図である。図６は、この電池間電圧均等化回路の動作を表わす動作波形図である。本実施の形態は、図１の実施の形態１における小型の二次電池ＬＩＢを、コンデンサＣ２に置き換えて昇圧素子とした構成を有する。スイッチ切替動作のフローは、図２を参照して説明した実施の形態１の場合と同様である。なお、図１に示した電圧検出部２及びスイッチ制御部３と同様の要素が接続され、上述と同様の制御が行われるが、図示を省略する。

この構成による電池間電圧均等化の動作の一例について、仮に電池Ｂ２の電圧が最も高く、電池Ｂ６の電圧が最も低い場合を例として、図６を参照して説明する。図６において、（ａ）はスイッチＳＷ１５〜ＳＷ１７の切替による充電期間、及び放電期間のタイミングを示す。（ｂ）はコンデンサＣ１のノードＮａ側の端子における電圧Ｖの波形を示す。（ｃ）はノードＮａを流れる電流の波形を示す。なお、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量をともにＣとして記載する。

最初に、図６（ａ）における時刻ｔ０〜ｔ１の充電期間の動作が行われ、電池Ｂ２から、コンデンサＣ１、Ｃ２に並列に充電を行う。すなわち、時刻ｔ０において、スイッチＳＷ３、ＳＷ４をオンさせることにより、電池Ｂ２のプラス電極、マイナス電極をそれぞれノードＮａ、Ｎｂに接続する。同時に、ＳＷ１５、ＳＷ１６をオンさせることにより、ノードＮａ、Ｎｂ間に、インダクタンスＬ１とコンデンサＣ１の直列回路を接続し、かつ、コンデンサＣ１に並列にコンデンサＣ２を接続する。これにより、電池Ｂ２からＬ１を経由してＣ１、Ｃ２に充電電流Ｉが流れる。このときの図６（ｂ）の充電電圧Ｖは、Ｖｃとなる。この充電期間の終わりでは（ｃ）の充電電流はほぼ０Ａとなるので、時刻ｔ１で放電動作に移行する。

次に、図６（ａ）における、時刻ｔ１〜ｔ２の放電期間の動作が行われ、Ｃ１及びＣ２Ｂを直列接続して電池Ｂ６に向けて放電を行う。すなわち、ＳＷ３、ＳＷ４、及びＳＷ１５、ＳＷ１６を同時にオフさせて、電池Ｂ２を遮断する。そして、ＳＷ１１、ＳＷ１２をオンさせて電池Ｂ６のプラス電極、マイナス電極をそれぞれノードＮａ、Ｎｂに接続し、同時にＳＷ１７をオンさせて、ノードＮａ、Ｎｂ間に、インダクタンスＬ１、コンデンサＣ１、Ｃ２を直列に接続する。これにより、電池Ｂ６に向かって放電電流が流れる。このときの図６（ｂ）の放電電圧Ｖは、コンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続されることにより昇圧されて、２Ｖｃとなる。この放電期間の終わりでは放電電流がほぼ０Ａとなるので、時刻ｔ２でＳＷ１１、ＳＷ１２とＳＷ１７を同時にオフする。なお、二次電池ＬＩＢをコンデンサＣ２に置き換えたことにより、後述するように、移送されるエネルギーは実施の形態１の場合に比べて約半分になるので、放電期間の長さ、電圧波形、電流波形は、実施の形態１の場合とは異なった状態になる。

以上の動作を繰り返し実行すると、電圧の高い電池から電圧の低い電池に向かって電荷の移送が行われる。この動作は方向性があるので、繰り返すと充電時に接続された電池は電荷が減り続け、放電時に接続された電池は電荷が増え続ける。したがって電圧を監視して二つの電池の電圧が同じくなった時点で動作を停止する。次の動作では残りの電池の中で再度電圧の高い電池と低い電池を選択して、電圧の高い電池から電圧の低い電池に電荷を移送する動作を繰り返す。動作の停止は、図２に示したフローと同様に、電圧の監視結果に基づいて行う。

図１の回路との違いは、充電と放電のタイミングが違っていることである。充電時はコンデンサＣ１、Ｃ２が並列になり、放電時はＣ１、Ｃ２が直列になることにより、Ｃ１とＣ２が同一容量であるとすると、充電時間及び放電時間は、以下のとおりになる。

充電時間＝２π｛（Ｃ１＋Ｃ２）Ｌ１｝^1/2
＝２π（２ＣＬ１）^1/2
放電時間＝２π｛（Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２））Ｌ１｝^1/2
＝２π｛（１／２）Ｃ）Ｌ１｝^1/2
従って、パルス幅比率が充電：放電＝２：１となる。また充放電エネルギーは、充電時、放電時ともに図１の構成に比べて減少し、上記タイミング計算例のようにコンデンサＣ１、Ｃ２ともに同一容量の場合は、Ｃ２を電池ＬＩＢとした場合に比べ約半分のエネルギーとなる。

従って、本実施の形態の構成における均等化時間は、図１の構成の場合のほぼ２倍となる。ただし電池ＬＩＢを置き換えたコンデンサＣ２の容量を大きくすることにより、均等化時間を早めることは可能である。

本発明の電池間電圧均等化回路は、均等化のために要する時間を大幅に短縮することができるので、ハイブリッドシステム自動車の電池のように、充放電を常に繰り返すため均等化を早く完了したほうが全体のエネルギー効率が高められる用途において、極めて有用である。

１ 組電池
２ 電圧検出部
３ スイッチ制御部
Ｂ１〜Ｂ７ 二次電池
ＳＷ１〜ＳＷ１４ 選択接続スイッチ
ＳＷ１５、ＳＷ１６ 充電スイッチ
ＳＷ１７ 放電スイッチ
ＳＷ２１〜ＳＷ２８ 電池選択スイッチ
ＳＷ２９〜ＳＷ３２ 極性切替えスイッチ
Ｌ１ インダクタンス
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
ＬＩＢ 昇圧用二次電池

Claims (8)

1. 複数の二次電池を直列に接続した組電池における前記二次電池の各々の電圧を均等化する電池間電圧均等化回路であって、
   前記複数の二次電池から１つを選択してそのプラス電極を第１ノードに、マイナス電極を第２ノードに同時に接続する選択接続スイッチ群と、
   電荷移送用のコンデンサと、
   電荷を蓄積することが可能な昇圧素子と、
   前記コンデンサ及び前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に並列に接続する充電モードと、前記コンデンサと前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に直列に接続する放電モードの機能を持つ充放電制御スイッチ群とを備え、
   前記充電モードでは、前記選択接続スイッチ群により選択された前記二次電池からの充電により、前記コンデンサと前記昇圧素子に同時に電荷を蓄積し、
   前記放電モードでは、前記選択接続スイッチ群により前記充電モードとは異なる前記二次電池を選択し、前記コンデンサと前記昇圧素子の直列接続により前記コンデンサの端子電圧を前記昇圧素子の電圧で昇圧して、選択された前記二次電池に電荷を移送することを特徴とする電池間電圧均等化回路。
2. 前記充放電制御スイッチ群は、
   前記コンデンサを前記第１、第２ノード間に接続する第１充電スイッチと、
   前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に、前記コンデンサと並列に接続する第２充電スイッチと、
   前記コンデンサと前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に直列に接続する経路中における前記コンデンサと前記昇圧素子間に配置された放電スイッチとを備え、
   前記充電モードでは、前記第１及び第２充電スイッチをオンとして前記コンデンサ及び前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に並列に接続し、
   前記放電モードでは、前記第１及び第２充電スイッチをオフとし、前記放電スイッチをオンとして前記コンデンサ及び前記昇圧素子を前記第１、第２ノード間に直列に接続する請求項１に記載の電池間電圧均等化回路。
3. 前記複数の二次電池の各々の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部が出力する前記二次電池の各々の電圧値に基づいて、前記選択接続スイッチ群、及び前記充放電制御スイッチ群の切替えを制御するスイッチ制御部とを備え、
   前記スイッチ制御部は、前記電圧検出部の出力に基づき、高電圧の前記二次電池を選択して前記充電モードで動作した後、前記充電モードで選択された前記二次電池よりも低電圧の前記二次電池を選択して前記放電モードで動作するように制御する請求項１または２に記載の電池間電圧均等化回路。
4. 前記選択接続スイッチ群は、前記組電池における前記二次電池のプラス電極またはマイナス電極を選択するための電池選択スイッチ群と、選択された電極を第１または第２ノードに選択的に接続する極性切替えスイッチとを組み合わせて構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池間電圧均等化回路。
5. 前記昇圧素子は、前記組電池を構成する前記二次電池の持つ定格電圧と同等の定格電圧を持つ昇圧用二次電池である請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池間電圧均等化回路。
6. 前記昇圧素子は、昇圧用コンデンサである請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池間電圧均等化回路。
7. 前記選択接続スイッチ群と前記コンデンサとの間にインダクタンスが挿入された請求項１〜６のいずれか１項に記載の電池間電圧均等化回路。
8. 前記コンデンサと前記インダクタンスによる共振状態で流れる電流がほぼ０Ａの時に、前記充電モードと前記放電モードを切り替えるタイミングとする請求項７に記載の電池間電圧均等化回路。

Images