JP2013115882A - 電圧バランス補正回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を一括で同期制御することによって、スイッチング素子が同時にオンすることを防止し、スイッチング素子の短絡を防ぎ、無用なエネルギーのロスを低減することを目的とする。
【解決手段】直列に接続された第１、第２、第３の電池の電圧バランス補正回路であって、第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う際駆動する第１、第２のスイッチング手段と、第２、第３の電池の電圧バランスの補正を行う際駆動する第３、第４のスイッチング手段と、第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う際、第３、第４のスイッチング手段の駆動を停止し、第１、第２の電池の電圧値に従って第１、第２のスイッチング手段をオン、オフし、インダクタに蓄積する電磁エネルギーを使用して第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う制御手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は直列に接続された複数の二次電池の電圧バランスを補正する電圧バランス補正回路に関する。

今日、リチウムイオン電池やニッケル水素蓄電池等の二次電池は、所謂ハイブリットカーや電気自動車のみならず、フォークリフトや各種産業用機械のバックアップ電源としても広く使用されている。したがって、このような用途に使用される二次電池には大きな出力が要求され、多数の電池を直列に接続して使用している。この場合、特に直列に接続した各電池の出力電圧が一致することが重要であり、このため電圧バランス補正回路が組み込まれている。

例えば、特許文献１はこのような電圧バランス補正回路を開示する。図４は特許文献１に開示された電圧バランス補正回路の一例である。電池Ｂ１とＢ２は直列に接続され、インダクタＬの一端を電池Ｂ１の負極端子と電池Ｂ２の正極端子に接続し、電池Ｂ１の正極端子とインダクタＬの他端間にスイッチング素子Ｓ１を配設し、電池Ｂ２の負極端子とインダクＬの他端間にスイッチング素子Ｓ２を配設して構成されている。

また、直列に接続された電池Ｂ１とＢ２には並列に分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２が接続されている。コンパレータ２１は電池Ｂ１の負極端子と電池Ｂ２の正極端子の接続部Vmと分圧抵抗Ｒ１とＲ２の接続部Vn間の電位差を検出し、検出された電位差に基づいて可変パルス発生回路１２から制御信号Φ１、Φ２が出力される。

この制御信号は対応するスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２に出力され、例えば電池Ｂ１の出力電圧が電池Ｂ２の出力電圧より高い時、先ずスイッチング素子Ｓ１をオンすると共にスイッチング素子Ｓ２をオフし、インダクタＬに矢印（実線）方向の電流を流し、インダクタＬに発生する誘導起電力によって電磁エネルギーを蓄積し、次にスイッチング素子Ｓ１をオフすると共にスイッチング素子Ｓ２をオンし、インダクタＬに蓄積された電磁エネルギーによって電池Ｂ２を充電する。一方、電池Ｂ２の出力電圧が電池Ｂ１の出力電圧より高い時には、上記とは逆に、先にスイッチング素子Ｓ２をオンすると共にスイッチング素子Ｓ１をオフし、次にスイッチング素子Ｓ１をオンすると共にスイッチング素子Ｓ２をオフすることによって、インダクタＬに矢印（点線）方向の電流を流し、インダクタＬに蓄積した電磁エネルギーによって電池Ｂ１を充電する。

特開２００８−１７６０５号公報

しかしながら、従来の電圧バランス補正回路では効率を向上するため、多数の電池を直列接続して電圧バランスの補正を行っている。このため、直列に接続された２個の電池間でそれぞれ独立して電圧バランスの補正を行うと、上記２個の電池の電圧バランス補正を行う２個のスイッチング素子にそれぞれ隣り合う、他のスイッチング素子が同時にオンする場合がある。この場合、スイッチング素子が短絡し、回路の破損や電池の劣化の原因となる。

そこで、本発明は多数の電池を直列接続して電圧バランスの補正を行う回路において、スイッチング素子を一括で同期制御することによって、スイッチング素子の短絡を防止する電圧バランス補正回路を提供するものである。

上記課題は本発明によれば、直列に接続された第１、第２、第３の電池と、上記第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う際駆動する第１、第２のスイッチング手段と、上記第２、第３の電池の電圧バランスの補正を行う際駆動する第３、第４のスイッチング手段と、上記第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う際、第３、第４のスイッチング手段の駆動を停止し、上記第１、第２の電池の電圧値に従って該第１、第２のスイッチング手段をオン、オフし、インダクタに蓄積する電磁エネルギーを使用して上記第１、第２の電池の電圧バランス補正を行う制御手段と、を有する電圧バランス補正回路を提供することによって達成できる。すなわち、このように構成することによって、第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行なっている間、他のスイッチング手段、即ち第３、第４のスイッチング手段の駆動を停止し、例えば第２、第３のスイッチング手段が同時にオンすることによるスイッチング手段の短絡を防止する。

また、上記第１、第２の電池の電圧値の差が閾値以上であるとき、該第１、第２のスイッチング手段をオン、オフし、上記第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う構成である。

本発明によればスイッチング手段を一括で同期制御することによって、スイッチング手段が同時にオンすることを防止し、スイッチング手段の短絡を防ぎ、無用なエネルギーのロスを低減することができる。

本実施形態の電圧バランス補正回路の回路図である。 本実施形態の電圧バランス補正回路の具体的な回路図である。 本実施形態の処理動作を説明するフローチャートである。 特許文献に開示するバランス補正回路の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本実施形態の電圧バランス補正回路の回路図である。同図において、電池Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は直列に多数の電池が接続された中の任意の４個の電池を示し、電池Ｅ１の正極端子には同じ構成の不図示の電池が順次接続され、電池Ｅ４の負極端子にも同じ構成の不図示の電池が順次接続されている。尚、電池Ｅ１〜Ｅ４、及び本実施形態に使用される電池は、例えばリチウムイオン電池である。

また、上記電池Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の電圧バランスを補正するため６個のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６が使用され、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の接続部にはインダクタＬ１の一端が接続され、インダクタＬ１の他端は上記電池Ｅ１の負極端子と電池Ｅ２の正極端子に接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４の接続部にはインダクタＬ２の一端が接続され、インダクタＬ２の他端は上記電池Ｅ２の負極端子と電池Ｅ３の正極端子に接続されている。さらに、スイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ６の接続部にはインダクタＬ３の一端が接続され、インダクタＬ３の他端は上記電池Ｅ３の負極端子と電池Ｅ４の正極端子に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２と、インダクタＬ１は、前述の図４において説明した場合と同様、電池Ｅ１とＥ２の電圧バランスの補正を行い、上記スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４と、インダクタＬ２は、電池Ｅ２とＥ３の電圧バランス補正を行い、上記スイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ６と、インダクタＬ３は、電池Ｅ３とＥ４の電圧バランス補正を行う。

また、電池Ｅ１には並列に抵抗素子等で構成される電圧計Ｖ１が接続され、電池Ｅ１の電圧が測定される。また、同様に電池Ｅ２には並列に電圧計Ｖ２が接続され、電池Ｅ２の電圧が測定され、以下電池Ｅ３には並列に電圧計Ｖ３が接続され、電池Ｅ４には並列に電圧計Ｖ４が接続され、電池Ｅ５には並列に電圧計Ｖ５が接続され、電池Ｅ６には並列に電圧計Ｖ６が接続され、それぞれ対応する電池の電圧が測定される。また、上記電圧計Ｖ１〜Ｖ６で測定された電圧値のデータは制御部２に送信される。

制御部２は上記電圧値のデータに基づいて制御信号を作成し、スイッチ制御部３に制御信号を送る。スイッチ制御部３は制御信号に従って、対応するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動制御を行う。

図２は上記構成の電圧バランス補正回路であり、図１の回路図に対して、電圧測定部４及び電流測定部５を追加した構成である。ただし、電圧測定部４は前述の電圧計Ｖ１〜Ｖ６を含む概念であり、電圧測定部４はマルチプレクサ６及びアナログデジタル変換器（A/D）７で構成されている。

制御部２は電圧測定部４に制御信号を送信し、マルチプレクサ６を駆動して電圧計Ｖ１〜Ｖ６によって測定される電池Ｅ１〜Ｅ４の電圧値のデータを順次取り込む。具体的には、先ず電池Ｅ１とＥ２の電圧値のデータを電圧計Ｖ１とＶ２から取り込み、A/D７を介してデジタル値に変換された電池Ｅ１とＥ２の電圧値のデータを取り込む。以下、電池Ｅ２とＥ３、電池Ｅ３とＥ４、・・・の順に、順次２個ずつ電池の電圧値のデータを取り込む。 制御部２は上記電圧測定部４から送信される電圧値のデータに基づいてスイッチ制御部３に制御信号を出力し、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の駆動を行う。

尚、電流測定部５は直列に接続された電池Ｅ１〜Ｅ６、及び電池Ｅ６に更に接続される多数の電池に流れる電流の値を測定する回路であり、抵抗ｒ、アナログアンプ９、及びアナログデジタル変換器（A/D）１０で構成されている。抵抗ｒの前後の電圧値の差をアナログアンプ９で測定し、抵抗ｒの抵抗値に基づいて、回路に流れる電流をA/D１０によってデジタル値に変換し、制御部２に出力する。

以上の構成において、本例の電圧バランス補正回路の回路動作を説明する。
図４は本例の電圧バランス補正回路の回路動作を説明するフローチャートである。先ず、各電池の電圧値を測定する（ステップ（以下、Sで示す）１）。具体的には、前述のようにマルチプレクサ６を駆動し、先ず電池Ｅ１とＥ２の電圧値のデータを電圧計Ｖ１とＶ２から取り込む。

次に、電池Ｅ１とＥ２の電圧値の最大最小の差を計算する（S２）。すなわち、制御部２は電圧測定部４から取得した電池Ｅ１とＥ２の電圧値の最大最小の差を計算する。そして、電池Ｅ１とＥ２の電圧値の最大最小の差が閾値以上であるか判断する（S３）。上記閾値は予め設定されており、電池Ｅ１とＥ２の電圧値の最大最小の差が閾値以上であればスイッチング制御を開始する（S４）。一方、電池Ｅ１とＥ２の電圧値の最大最小の差が閾値以下である場合にはスイッチング制御を開始することなく終了する（S５）。

尚、上記スイッチング制御を開始する場合、制御部２は先ず電池Ｅ１とＥ２の電圧値を比較し、例えば電池Ｅ１の電圧値が電池Ｅ２の電圧値より高い場合、スイッチ制御部３に制御信号を送り、スイッチ制御部３によって、先ずスイッチング素子ＳＷ１をオンし、スイッチング素子ＳＷ２をオフし、電池Ｅ１によってインダクタL1に電磁エネルギーを蓄積させる。次に、スイッチング素子ＳＷ２をオンし、スイッチング素子ＳＷ１をオフし、インダクタL1に蓄積された電磁エネルギーによって電池Ｅ２を充電する。一方、電池Ｅ２の電圧値が電池Ｅ１の電圧値より高い場合、上記と逆に先ずスイッチング素子ＳＷ２をオンし、スイッチング素子ＳＷ１をオフし、電池Ｅ２によってインダクタL1に電磁エネルギーを蓄積させ、次にスイッチング素子ＳＷ１をオンし、スイッチング素子ＳＷ２をオフして、インダクタL1に蓄積された電磁エネルギィーによって電池Ｅ１を充電する。

上記電池Ｅ１とＥ２の電圧バランスの補正は終了した後、次に電池Ｅ２とＥ３の電圧値のデータを電圧測定部４から取り込む（S１）。この場合、電池Ｅ２の電圧値については、電圧の時間的変化も考慮して新たな電圧値を測定する。

次に、上記と同様電池Ｅ２とＥ３の電圧値の最大最小の差を計算し（S２）、最大最小の差が閾値以上であるか判断する（S３）。そして、電池Ｅ２とＥ３の電圧値の最大最小の差が閾値以上であればスイッチング制御を開始し（S４）、閾値以下であれば終了する（S５）。

上記スイッチング制御を開始する場合、前述と同様、制御部２は先ず電池Ｅ２とＥ３の電圧値を比較し、電池Ｅ２とＥ３の電圧値の何れが高いかによって、スイッチング素子ＳＷ３とＳＷ４のオン、オフ制御を行い、電池Ｅ２とＥ３の電圧バランスの補正を行う。

したがって、上記のように処理することによって、スイッチング素子ＳＷ３とＳＷ４が駆動する時、スイッチング素子ＳＷ１とＳＷ２は駆動することなく、オフの状態である。すなわち、本例のように制御することによって、例えばスイッチング素子ＳＷ２とＳＷ３が同時におオンすることはなく、回路の破損を防止することができる。

同様に、上記電池Ｅ２とＥ３の電圧バランスの補正が終了した後、次に電池Ｅ３とＥ４の電圧バランスの補正処理が行われる。この場合も制御部２は電圧測定部４から電池Ｅ３とＥ４の電圧値のデータを取り込み（S１）、両電池の電圧値の最大最小の差を計算し（S２）、最大最小の差が閾値以上であるか判断し（S３）、電池Ｅ２とＥ３の電圧値の最大最小の差が閾値以上であればスイッチング制御を行われるが（S４）、この時駆動するのはスイッチング素子はＳＷ５とＳＷ６であり、同時にスイッチング素子ＳＷ３とＳＷ４が駆動することはなく、オフの状態である。

したがって、本例のように制御することによって、例えばスイッチング素子ＳＷ４とＳＷ５が同時にオンすることはなく、またスイッチング素子ＳＷ２とＳＷ５が同時にオンすることもなく、スイッチング素子の短絡を防止することができる。また、スイッチング素子の短絡により大きな電流が回路に流れ、無用なエネルギーのロスや素子の劣化、電池の劣化を引き起こす。

以下、同様に電池Ｅ４とＥ５以降の電圧バランスの補正処理においても、駆動するスイッチング素子ＳＷと他のスイッチング素子ＳＷが同時に駆動することはなく、回路の短絡を防止することができる。

また、上記実施形態の説明では、電池Ｅ１〜Ｅ４は直列に多数の電池が接続された中の任意の４個の電池を示すものであり、連続する他の電池の電圧バランス補正についても同様に実施することができる。

また、上記実施形態の説明では、電池Ｅn、電池Ｅn＋１の電圧バランス補正を行なった後、次の電池Ｅn＋１、電池Ｅn＋２の電圧バランス補正を行う際、電池Ｅn＋１についても新たな電圧値を測定したが、前に測定した電圧値のデータを使用するようにしてもよい。

また、上記実施形態の説明では、電池Ｅ１、Ｅ２、・・・の順に電圧バランス補正を行なったが、逆に電池Ｅn、Ｅn−１、・・・の順に電圧バランス補正を行なっても良い。
さらに、上記実施形態の説明では、電池Ｅ１〜Ｅ４としてリチウムイオン電池の例で説明したが、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池等であってもよい。

１・・・電圧バランス補正回路
２・・・制御部
３・・・スイッチ制御部
４・・・電圧測定部
５・・・電流測定部
６・・・マルチプレクサ
７・・・アナログデジタル変換器
９・・・アナログアンプ
１０・・アナログデジタル変換器
Ｅ１〜Ｅ４・・電池
ＳＷ１〜ＳＷ６・・スイッチング素子
Ｌ１〜Ｌ３・・インダクタ
Ｖ１〜Ｖ６・・電圧計

Claims (3)

1. 直列に接続された第１、第２、第３の電池と、
   前記第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う際駆動する第１、第２のスイッチング手段と、
   前記第２、第３の電池の電圧バランスの補正を行う際駆動する第３、第４のスイッチング手段と、
   前記第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う際、前記第３、第４のスイッチング手段の駆動を停止し、前記第１、第２の電池の電圧値に従って前記第１、第２のスイッチング手段をオン、オフし、インダクタに蓄積する電磁エネルギーを使用して前記第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行う制御手段と、
   を有することを特徴とする電圧バランス補正回路。
2. 前記第３、第４のスイッチング手段の駆動の停止は、該第３、第４のスイッチング手段のオフ状態の維持であることを特徴とする請求項１に記載の電圧バランス補正回路。
3. 前記第１、第２の電池の電圧値の差が閾値以上であるとき、該第１、第２のスイッチング手段をオン、オフし、前記第１、第２の電池の電圧バランスの補正を行うことを特徴とする請求項１、又は２に記載の電圧バランス補正回路。

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