JP2014093925A - 電圧均等化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直列接続される複数の電池の電圧をトランスを用いて均等化する際の電池間のエネルギー授受の効率を向上させることが可能な電圧均等化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】一次側スイッチＳＷｐをオン、オフさせている際、二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃのうちの１以上の二次側スイッチＳＷｓを常時オンさせることにより、その二次側スイッチＳＷｓに接続される電池Ｂを充電させるとともに、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃにより検出されるすべての電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しくなるまで、電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち最も低い１以上の電圧Ｖが２番目に低い電圧Ｖに等しくなるように、最も低い１以上の電圧Ｖの電池Ｂを充電することを繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列接続される複数の電池の電圧を均等化する電圧均等化装置に関する。

複数の充電可能な電池を直列に接続して高電圧のバッテリを実現する技術が実用化されている。この種のバッテリは、近年では、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッド車、又は電気自動車などの車両への実装において注目されている。

ところで、複数の電池を直列に接続した状態で充電を行うと、各電池の電圧（又は、各電池の充電容量）が不均一になることがある。また、上述のバッテリが車両に搭載される場合には、走行用モータ駆動時のバッテリの放電や走行用モータ発電時のバッテリの充電が繰り返されるので、この充放電の繰り返しによっても各電池の電圧が不均一になることがある。そして、各電池の電圧の不均一は、一部の電池の劣化を促進させるおそれがあり、また、バッテリ全体として効率の低下を引き起こすことがある。なお、各電池の電圧の不均一は、各電池の製造ばらつきや経年劣化などにより生じ得る。

そのため、例えば、複数の電池のうち目標電圧よりも小さい電圧の電池を充電することにより、各電池の電圧の均等化を行う電圧均等化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、各電池からの放電電流をトランスを介して再び各電池に流すことにより、各電池の電圧均等化を行う電圧均等化装置が提案されている。
図１０は、このようにトランスを用いて各電池の電圧均等化を行う電圧均等化装置の一例を示す図である。

図１０に示す電圧均等化装置は、トランスＴと、ダイオードＤａ〜Ｄｃと、一次側スイッチＳＷｐ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）とを備え、直列接続される３つの電池Ｂａ〜Ｂｃ（例えば、リチウムイオン二次電池）の各電圧の均等化を行う。

トランスＴは、一次側コイルＬｐと、二次側コイルＬｓａ〜Ｌｓｃとを備える。
一次側コイルＬｐは電池Ｂａ〜Ｂｃ全体にスイッチＳＷｐを介して並列接続されている。また、二次側コイルＬｓａはダイオードＤａを介して電池Ｂａに並列接続され、二次側コイルＬｓｂはダイオードＤｂを介して電池Ｂｂに並列接続され、二次側コイルＬｓｃはダイオードＤｃを介して電池Ｂｃに並列接続されている。なお、ダイオードＤａ〜Ｄｃにより、電池Ｂａ〜Ｂｃから放電電流が流れることを禁止している。

ここで、一次側スイッチＳＷｐが継続してオン、オフすると、電池Ｂａ〜Ｂｃ全体から一次側コイルＬｐへ間欠的に流れる電流により一次側コイルＬｐに電圧がかかり、２次側コイルＬｓａ〜Ｌｓｃにもそれぞれコイルの巻き線比に応じた電圧がかかる。このとき、電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧に反比例する充電電流が電池Ｂａ〜Ｂｃにそれぞれ流れ電池Ｂａ〜Ｂｃが充電される。そして、最終的に電池Ｂａ〜Ｂｃそれぞれの電圧が互いに等しくなると、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを停止して電圧均等化動作を終了する。

特開２００６−１２９５７７号公報

しかしながら、上述のように、トランスを用いて各電池の電圧均等化を行う電圧均等化装置では、放電だけさせたい電池にも充電電流が流れてしまうため、その放電だけさせたい電池の電圧が下がり難い。そのため、電圧均等化動作に時間がかかり、電圧均等化動作にかかる時間が増大すればするほどトランスなどで無駄にエネルギーが消費されてしまう。このように、トランスを用いて各電池の電圧均等化を行う電圧均等化装置として、電圧均等化動作時の電池間のエネルギー授受の効率があまりよくないものがある。

そこで、本発明は、直列接続される複数の電池の電圧をトランスを用いて均等化する際の電池間のエネルギー授受の効率を向上させることが可能な電圧均等化装置を提供することを目的とする。

本発明の電圧均等化装置は、互いに直列接続される複数の電池の各電圧を検出する複数の電圧検出部と、前記複数の電池全体に並列接続される一次側コイルと、前記複数の電池にそれぞれ並列接続される複数の二次側コイルとを備えるトランスと、前記一次側コイルに接続される一次側スイッチと、前記複数の電池と前記複数の二次側コイルとの間にそれぞれ設けられる複数の二次側スイッチと、前記一次側スイッチをオン、オフさせている際、前記複数の二次側スイッチのうちの１以上の二次側スイッチを常時オンさせることにより、その二次側スイッチに接続される電池を充電させるとともに、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧のうちの最も低い１以上の電圧が２番目に低い電圧に等しくなるように前記最も低い１以上の電圧の電池を充電することを、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧が互いに等しくなるまで繰り返す制御部とを備える。

これにより、何度も二次側スイッチの切り替え動作を行うことがなく、あまり時間をかけずに複数の電池の各電圧を互いに均等化することができるので、トランスで消費される無駄なエネルギーも低減させることができ、各電圧をトランスを用いて均等化する際の電池間のエネルギー授受の効率を向上させることができる。

また、前記制御部は、前記複数の二次側スイッチのうち常時オンする二次側スイッチを切り替える際、前記一次側スイッチを一旦停止させるように構成してもよい。
これにより、電圧均等化動作中において、二次側スイッチを常時オンさせる際に二次側コイルから電池に突入電流やサージ電流などの大電流が流れることを防止することができる。

本発明によれば、直列接続される複数の電池の電圧をトランスを用いて均等化する電圧均等化装置において、電圧均等化動作時の電池間のエネルギー授受の効率を向上させることができる。

本発明の実施形態の電圧均等化装置を示す図である。 制御部の電圧均等化動作を示すフローチャートである。 電圧均等化動作時の各電池の電圧の増減の一例を示す図である。 他の電圧均等化方法における各電池の電圧の増減の一例を示す図である。 制御部の電圧均等化動作を示すフローチャートである。 電圧均等化動作時の各電池の電圧の増減の一例を示す図である。 本発明の他の実施形態の電圧均等化装置を示す図である。 制御部の電圧均等化動作を示すフローチャートである。 電圧均等化動作時の各電池の電圧の増減の一例を示す図である。 既存の電圧均等化装置の一例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態の電圧均等化装置を示す図である。なお、図１０に示す既存の電圧均等化装置と同じ構成には同じ符号を付しその構成の説明を省略する。
図１に示す電圧均等化装置１は、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッド車、又は電気自動車などの車両に搭載されるバッテリ内の電池Ｂａ〜Ｂｃのそれぞれの電圧を互いに均等化するものであって、トランスＴと、一次側スイッチＳＷｐと、二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃと、ダイオードＤａ〜Ｄｃと、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃと、制御部２とを備える。

なお、電池Ｂａ〜Ｂｃは、互いに直列接続され、例えば、リチウムイオン二次電池などにより構成される。また、上記バッテリを構成する電池Ｂの数は３つに限定されない。また、上記バッテリは、例えば、インバータ回路を介して走行用モータに電力を供給したり、照明、ヒーター、カーナビゲーション装置などの電装機器に電力を供給するものとする。

また、一次側スイッチＳＷｐや二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃは、ＭＯＳＦＥＴや電磁式リレーなどにより構成される。
トランスＴは、一次側コイルＬｐと、二次側コイルＬｓａ〜Ｌｓｃとを備える。

一次側コイルＬｐは電池Ｂａ〜Ｂｃ全体に一次側スイッチＳＷｐを介して並列接続されている。また、二次側コイルＬｓａはダイオードＤａ及び二次側スイッチＳＷｓａを介して電池Ｂａに並列接続され、二次側コイルＬｓｂはダイオードＤｂ及び二次側スイッチＳＷｓｂを介して電池Ｂｂに並列接続され、二次側コイルＬｓｃはダイオードＤｃ及び二次側スイッチＳＷｓｃを介して電池Ｂｃに並列接続されている。二次側スイッチＳＷｓａが常時オンすることにより電池Ｂａの正極とダイオードＤａのカソード端子とが電気的に接続されると、ダイオードＤａにより、電池Ｂａから放電電流が流れることを禁止する。また、二次側スイッチＳＷｓｂが常時オンすることにより電池Ｂｂの正極とダイオードＤｂのカソード端子とが電気的に接続されると、ダイオードＤｂにより、電池Ｂｂから放電電流が流れることを禁止する。また、二次側スイッチＳＷｓｃが常時オンすることにより電池Ｂｃの正極とダイオードＤｃのカソード端子とが電気的に接続されると、ダイオードＤｃにより、電池Ｂｃから放電電流が流れることを禁止する。

電圧検出部Ｓｖａは電池Ｂａの電圧Ｖａを検出し、電圧検出部Ｓｖｂは電池Ｂｂの電圧Ｖｂを検出し、電圧検出部Ｓｖｃは電池Ｂｃの電圧Ｖｃを検出する。
制御部２は、電圧均等化動作時、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃで検出される電圧Ｖａ〜Ｖｃに基づいて、一次側スイッチＳＷｐを継続してオン、オフさせたり、二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃをそれぞれ常時オン又は常時オフさせたりする。例えば、制御部２は、電圧均等化動作時、一次側スイッチＳＷｐを継続してオン、オフさせることにより、電池Ｂａ〜Ｂｃ全体から一次側コイルＬｐへ間欠的に流れる電流により一次側コイルＬｐに電圧をかけ、２次側コイルＬｓａ〜Ｌｓｃにもそれぞれコイルの巻き線比に応じた電圧をかける。このとき、制御部２により、二次側スイッチＳＷｓａが常時オンされると、二次側コイルＬｓａから電池Ｂａに充電電流が流れて電池Ｂａが充電される。同様に、制御部２により、二次側スイッチＳＷｓｂが常時オンされると、二次側コイルＬｓｂから電池Ｂｂに充電電流が流れて電池Ｂｂが充電され、二次側スイッチＳＷｓｃが常時オンされると、二次側コイルＬｓｃから電池Ｂｃに充電電流が流れて電池Ｂｃが充電される。一次側スイッチＳＷｐが継続してオン、オフしているとき、二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃのうち常時オフしている二次側スイッチＳＷｓに接続される電池Ｂには充電電流が流れないため、その電池Ｂは充電されない。

なお、制御部２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成され、不図示の記憶部に記憶されているプログラムをＣＰＵ又はプログラマブルなデバイスが読み出して実行することにより、電圧均等化動作を行う。

図２は、制御部２の電圧均等化動作を示すフローチャートである。
まず、制御部２は、各電圧検出部Ｓｖによりすべての電圧Ｖを取得し（Ｓ１１）、それら電圧Ｖのうち最も低い１以上の電圧Ｖの電池Ｂに接続される二次側スイッチＳＷｓを常時オンさせた後（Ｓ１２）、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを開始させる（Ｓ１３）。

次に、制御部２は、再度、各電圧検出部Ｓｖによりすべての電圧Ｖを取得し（Ｓ１４）、それら電圧Ｖのうち最も低い１以上の電圧Ｖが２番目に低い電圧Ｖと等しく（又はほぼ等しく）なり（Ｓ１５がＹｅｓ）、かつ、すべての電圧Ｖが互いに等しくなっていない場合（Ｓ１６がＮｏ）、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを停止させて（Ｓ１７）、Ｓ１２に戻り、再び最も低い１以上の電圧Ｖの電池Ｂに接続される二次側スイッチＳＷｓを常時オンさせた後（Ｓ１２）、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを開始させる（Ｓ１３）。以降の動作（Ｓ１４〜Ｓ１７）は上述の動作（Ｓ１４〜Ｓ１７）と同様である。

一方、制御部２は、すべての電圧Ｖのうち最も低い１以上の電圧Ｖが２番目に低い電圧Ｖと等しく（又はほぼ等しく）なり（Ｓ１５がＹｅｓ）、かつ、すべての電圧Ｖが互いに等しくなる場合（Ｓ１６がＹｅｓ）、一次側スイッチＳＷｐ及び各二次側スイッチＳＷｂを常時オフさせて（Ｓ１８）、電圧均等化動作を終了する。

例えば、電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち、電圧Ｖａが最も高く、電圧Ｖｃが最も低い場合に行われる制御部２の電圧均等化動作（図３）について説明する。
まず、制御部２は、最も低い電圧Ｖｃの電池Ｂｃに接続される二次側スイッチＳＷｓｃを常時オンさせた後、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを開始させる。すると、図３（ａ）に示すように、電池Ｂａ〜Ｂｃからそれぞれ放電電流が流れるとともに、電池Ｂｃのみに充電電流が流れる。そのため、電池Ｂｃに流れる充電電流が電池Ｂｃから流れる放電電流よりも大きい場合、電池Ｂｃのみが充電するため、電圧Ｖａ、Ｖｃｂが低くなっていくとともに、電圧Ｖｃが高くなっていく。

次に、制御部２は、電圧Ｖｃが電圧Ｖｂと等しくなり、かつ、電圧Ｖａと電圧Ｖｂ、Ｖｃとが互いに等しくなっていない場合、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを一旦停止させた後、電圧Ｖａ〜Ｖｃうち最も低い電圧Ｖｂ、Ｖｃの各電池Ｂｂ、Ｂｃにそれぞれ接続される２次側スイッチＳＷｓｂ、ＳＷｓｃを常時オンさせるとともに、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを開始させる。すると、図３（ｂ）に示すように、電池Ｂａ〜Ｂｃからそれぞれ放電電流が流れるとともに、電池Ｂｂ、Ｂｃにそれぞれ充電電流が流れる。そのため、電池Ｂｂに流れる充電電流が電池Ｂｂから流れる放電電流よりも大きく、かつ、電池Ｂｃに流れる充電電流が電池Ｂｃから流れる放電電流よりも大きい場合、電池Ｂｂ、Ｂｃのみが充電するため、電圧Ｖａが低くなっていくとともに、電圧Ｖｂ、Ｖｃがそれぞれ高くなっていく。

そして、制御部２は、すべての電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しくなると、一次側スイッチＳＷｐ及び二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃを常時オフさせて、電圧均等化動作を終了する。

このように、上記実施形態の電圧均等化装置１では、電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち最も低い１以上の電圧Ｖが２番目に低い電圧Ｖと等しくなるまで、トランスＴを介して各電池Ｂａ〜Ｂｃから得られる電流により、最も低い１以上の電圧Ｖの電池Ｂのみを充電させることを、すべての電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しくなるまで繰り返し行っている。すなわち、上記実施形態の電圧均等化装置１では、何度も二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃの切り替え動作を行うことがなく、あまり時間をかけずに電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜Ｖｃを互いに均等化することができる。これにより、トランスＴで消費される無駄なエネルギーも低減させることができるため、電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜ＶｃをトランスＴを用いて均等化する際の電池Ｂａ〜Ｂｃ間のエネルギー授受の効率を向上させることができる。

ところで、図１に示す電圧均等化装置１のように、トランスＴを用いて電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜Ｖｃを均等化する場合、図２に示す電圧均等化方法の他に、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、最も低い電圧Ｖの電池Ｂが電圧Ｖａ〜Ｖｃの平均電圧Ｖｔと等しくなるように、その最も低い電圧Ｖの電池Ｂを優先的に充電する電圧均等化方法がある。

しかしながら、図４（ａ）〜（ｄ）に示す電圧均等化方法では、まず、図４（ａ）に示すように、最も低い電圧Ｖｃが平均電圧Ｖｔになるまで電池Ｂｃのみを充電させる。すると、今度は、図４（ｂ）に示すように、前回２番目に低かった電池Ｂｂの電圧Ｖｂが平均電圧Ｖｔよりも低く、かつ、最も低くなるため、電圧Ｖｂが平均電圧Ｖｔになるまで電池Ｂｂのみを充電させる。すると、今度は、図４（ｃ）に示すように、前回２番目に低かった電池Ｂｃの電圧Ｖｃが再び平均電圧Ｖｔよりも低く、かつ、最も低くなるため、電圧Ｖｃが平均電圧Ｖｔになるまで電池Ｂｃのみを充電させる。すると、今度は、図４（ｄ）に示すように、前回２番目に低かった電池Ｂｂの電圧Ｖｂが再び平均電圧Ｖｔよりも低く、かつ、最も低くなるため、電圧Ｖｂが平均電圧Ｖｔになるまで電池Ｂｂのみを充電させる。このように、図４（ａ）〜（ｄ）に示す電圧均等化方法では、電圧均等化動作中、電圧Ｖが最も低くなる電池Ｂが何度も切り替わるため、電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しくなるまでに時間がかかってしまう。

一方、図２に示す電圧均等化方法では、電圧均等化動作中、電圧Ｖが最も低くなる電池Ｂが（電池Ｂの個数−１）回切り替わるだけであり、電圧均等化動作が完了するまでにかかる時間を短縮することができる。

また、上記実施形態の電圧均等化装置１では、電圧均等化動作中、一次側スイッチＳＷｐを一旦停止させてから二次側スイッチＳＷｓを常時オンさせている。これにより、電圧均等化動作中、二次側スイッチＳＷｓを常時オンさせる際に二次側コイルＬｓから電池Ｂに突入電流やサージ電流などの大電流が流れることを防止することができる。

なお、上記実施形態の電圧均等化装置１では、最も低い１以上の電圧Ｖが２番目に低い電圧Ｖに等しくなるようにその最も低い１以上の電圧Ｖの電池Ｂのみを充電することを、すべての電圧Ｖが互いに等しくなるまで繰り返す構成であるが、最も高い１以上の電圧Ｖが２番目に高い電圧Ｖに等しくなるようにその最も高い１以上の電圧Ｖの電池Ｂ以外の残りの電池Ｂのみを充電することを、すべての電圧Ｖが互いに等しくなるまで繰り返すように構成してもよい。

図５は、そのように構成する場合における制御部２の電圧均等化動作を示すフローチャートである。
まず、制御部２は、各電圧検出部Ｓｖによりすべての電圧Ｖを取得し（Ｓ２１）、それら電圧Ｖのうち最も高い１以上電圧Ｖの電池Ｂ以外の残りの電池Ｂに接続される二次側スイッチＳＷｓを常時オンさせた後（Ｓ２２）、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを開始させる（Ｓ２３）。

次に、制御部２は、再度、各電圧検出部Ｓｖによりすべての電圧Ｖを取得し（Ｓ２４）、それら電圧Ｖのうち最も高い１以上の電圧Ｖが２番目に高い電圧Ｖと等しく（又はほぼ等しく）なり、かつ、すべての電圧Ｖが互いに等しくなっていない場合（Ｓ２６がＮｏ）、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを停止させて（Ｓ２７）、Ｓ２２に戻り、再び最も高い１以上電圧Ｖの電池Ｂ以外の残りの電池Ｂに接続される二次側スイッチＳＷｓを常時オンさせた後（Ｓ２２）、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを開始させる（Ｓ２３）。以降の動作（Ｓ２４〜Ｓ２７）は上述の動作（Ｓ２４〜Ｓ２７）と同様である。

一方、制御部２は、最も高い１以上の電圧Ｖが２番目に高い電圧Ｖと等しく（又はほぼ等しく）なり（Ｓ２５がＹｅｓ）、かつ、すべての電圧Ｖが互いに等しくなる場合（Ｓ２６がＹｅｓ）、一次側スイッチＳＷｐ及び各二次側スイッチＳＷｂを常時オフさせて（Ｓ２８）、電圧均等化動作を終了する。

例えば、電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち、電圧Ｖａが最も高く、電圧Ｖｃが最も低い場合に行われる制御部２の電圧均等化動作（図６）について説明する。
まず、制御部２は、二次側スイッチＳＷｓｂ、ＳＷｓｃのみを常時オンさせた後、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを開始させる。すると、図６（ａ）に示すように、電池Ｂａ〜Ｂｃからそれぞれ放電電流が流れるとともに、電池Ｂｂ、Ｂｃにそれぞれ充電電流が流れる。そのため、電池Ｂｂ、Ｂｃにそれぞれ流れる充電電流が電池Ｂｂ、Ｂｃからそれぞれ流れる放電電流よりも大きい場合、電池Ｂａのみが放電するとともに電池Ｂｂ、Ｂｃがそれぞれ充電するため、電圧Ｖａが低くなっていくとともに、電圧Ｖｂ、Ｖｃがそれぞれ高くなっていく。

次に、制御部２は、電圧Ｖａが電圧Ｖｂと等しくなり、かつ、電圧Ｖａ、Ｖｂと電圧Ｖｃとが互いに等しくなっていない場合、一次側スイッチＳＷｐのオン、オフを停止させて、最も高い電圧Ｖａ、Ｖｂの電池Ｂａ、Ｂｂ以外の残りの電池Ｂｃに接続される二次側スイッチＳＷｓｃのみを常時オンさせる。すると、図６（ｂ）に示すように、電池Ｂａ〜Ｂｃからそれぞれ放電電流が流れるとともに、電池Ｂｃに充電電流が流れる。そのため、電池Ｂｃに流れる充電電流が電池Ｂｃから流れる放電電流よりも大きい場合、電池Ｂａ、Ｂｂがそれぞれ放電するとともに電池Ｂｃのみが充電するため、電圧Ｖａ、Ｖｂがそれぞれ低くなっていくとともに、電圧Ｖｃが高くなっていく。

そして、制御部２は、すべての電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しくなると、一次側スイッチＳＷｐ及び二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃを常時オフさせて、電圧均等化動作を終了する。

このように構成しても、二次側スイッチＳＷｓａ〜ＳＷｓｃの２度の切り替え動作だけで３つの電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜Ｖｃを互いに均等化することができる。これにより、トランスＴで消費される無駄なエネルギーも低減させることができるため、電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜Ｖｃを、トランスＴを用いて均等化する際の電池Ｂａ〜Ｂｃ間のエネルギー授受の効率を向上させることができる。

図７は、本発明の他の実施形態の電圧均等化装置を示す図である。なお、図１に示す電圧均等化装置１と同じ構成には同じ符号を付しその構成の説明を省略する。
図７に示す電圧均等化装置３は、例えば、電動フォークリフト、ハイブリッド車、又は電気自動車などの車両に搭載されるバッテリ内の電池Ｂａ〜ＢＣのそれぞれの電圧を互いに均等化するものであって、トランスＴと、スイッチＳＷａ〜ＳＷｃと、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃと、制御部４とを備える。
トランスＴは、コイルＬａ〜Ｌｃを備える。

コイルＬａはスイッチＳＷａを介して電池Ｂａに並列接続され、コイルＬｂはスイッチＳＷｂを介して電池Ｂｂに並列接続され、コイルＬｃはスイッチＳＷｃを介して電池Ｂｃに並列接続されている。

スイッチＳＷａ〜ＳＷｃは、例えば、電磁式リレーなどにより構成される。スイッチＳＷａは、オン時、コイルＬａから電池Ｂａに、又は、電池ＢａからコイルＬａに電流を流すことができるものとする。また、スイッチＳＷｂは、オン時、コイルＬｂから電池Ｂｂに、又は、電池ＢｂからコイルＬｂに電流を流すことができるものとする。また、スイッチＳＷｃは、オン時、コイルＬｃから電池Ｂｃに、又は、電池ＢｃからコイルＬｃに電流を流すことができるものとする。

電圧検出部Ｓｖａは電池Ｂａの電圧Ｖａを検出し、電圧検出部Ｓｖｂは電池Ｂｂの電圧Ｖｂを検出し、電圧検出部Ｓｖｃは電池Ｂｃの電圧Ｖｃを検出する。
制御部４は、電圧均等化動作時、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃで検出される電圧Ｖａ〜Ｖｃに基づいて、スイッチＳＷａ〜ＳＷｃを継続してオン、オフさせる。

例えば、制御部４は、電圧均等化動作時、スイッチＳＷａ〜ＳＷｃをそれぞれオン、オフさせることにより、コイルＬａ〜Ｌｃにそれぞれ電圧Ｖａ〜Ｖｃの平均電圧がかかる。このとき、コイルＬａの電圧が電池Ｂａの電圧Ｖａよりも大きいとき、コイルＬａから電池Ｂａに充電電流が流れて電池Ｂａが充電され、電池Ｂａの電圧ＶａがコイルＬａの電圧よりも大きいとき、電池ＢａからコイルＬａに放電電流が流れる。また、コイルＬｂの電圧が電池Ｂｂの電圧Ｖｂよりも大きいとき、コイルＬｂから電池Ｂｂに充電電流が流れて電池Ｂｂが充電され、電池Ｂｂの電圧ＶｂがコイルＬｂの電圧よりも大きいとき、電池ＢｂからコイルＬｂに放電電流が流れる。また、コイルＬｃの電圧が電池Ｂｃの電池Ｖｃよりも大きいとき、コイルＬｃから電池Ｂｃに充電電流が流れて電池Ｂｃが充電され、電池Ｂｃの電圧ＶｃがコイルＬｃの電圧よりも大きいとき、電池ＢｃからコイルＬｃに放電電流が流れる。

また、例えば、制御部４は、電圧均等化動作時、スイッチＳＷａ、ＳＷｂをそれぞれ同時にオン、オフさせるとともに、スイッチＳＷｃを常時オフさせることにより、コイルＬａ、Ｌｂにそれぞれ電圧Ｖａ、Ｖｂの平均電圧がかかる。このとき、コイルＬａの電圧が電池Ｂａの電圧Ｖａよりも大きいとき、コイルＬａから電池Ｂａに充電電流が流れて電池Ｂａが充電され、電池Ｂａの電圧ＶａがコイルＬａの電圧よりも大きいとき、電池ＢａからコイルＬａに放電電流が流れる。また、コイルＬｂの電圧が電池Ｂｂの電圧Ｖｂよりも大きいとき、コイルＬｂから電池Ｂｂに充電電流が流れて電池Ｂｂが充電され、電池Ｂｂの電圧ＶｂがコイルＬｂの電圧よりも大きいとき、電池ＢｂからコイルＬｂに放電電流が流れる。

また、例えば、制御部４は、電圧均等化動作時、スイッチＳＷｂ、ＳＷｃをそれぞれ同時にオン、オフさせるとともに、スイッチＳＷａを常時オフさせることにより、コイルＬｂ、Ｌｃにそれぞれ電圧Ｖｂ、Ｖｃの平均電圧がかかる。このとき、コイルＬｂの電圧が電池Ｂｂの電圧Ｖｂよりも大きいとき、コイルＬｂから電池Ｂｂに充電電流が流れて電池Ｂｂが充電され、電池Ｂｂの電圧ＶｂがコイルＬｂの電圧よりも大きいとき、電池ＢｂからコイルＬｂに放電電流が流れる。また、コイルＬｃの電圧が電池Ｂｃの電圧Ｖｃよりも大きいとき、コイルＬｃから電池Ｂｃに充電電流が流れて電池Ｂｃが充電され、電池Ｂｃの電圧ＶｃがコイルＬｃの電圧よりも大きいとき、電池ＢｃからコイルＬｃに放電電流が流れる。

また、例えば、制御部４は、電圧均等化動作時、スイッチＳＷａ、ＳＷｃをそれぞれ同時にオン、オフさせるとともに、スイッチＳＷｂを常時オンさせることにより、コイルＬａ、Ｌｃにそれぞれ電圧Ｖａ、Ｖｃの平均電圧がかかる。このとき、コイルＬａの電圧が電池Ｂａの電圧Ｖａよりも大きいとき、コイルＬａから電池Ｂａに充電電流が流れて電池Ｂａが充電され、電池Ｂａの電圧ＶａがコイルＬａの電圧よりも大きいとき、電池ＢａからコイルＬａに放電電流が流れる。また、コイルＬｃの電圧が電池Ｂｃの電圧Ｖｃよりも大きいとき、コイルＬｃから電池Ｂｃに充電電流が流れて電池Ｂｃが充電され、電池Ｂｃの電圧ＶｃがコイルＬｃの電圧よりも大きいとき、電池ＢｃからコイルＬｃに放電電流が流れる。

なお、制御部４は、例えば、ＣＰＵ又はプログラマブルなデバイスやＰＬＤなどにより構成され、不図示の記憶部に記憶されているプログラムをＣＰＵ又はプログラマブルなデバイスが読み出して実行することにより、電圧均等化動作を行う。

図８は、制御部４の電圧均等化動作を示すフローチャートである。
まず、制御部４は、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃから電圧Ｖａ〜Ｖｃを取得し（Ｓ３１）、電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち最も高い電圧Ｖの電池Ｂに接続されるスイッチＳＷと最も低い電圧Ｖの電池Ｂに接続されるスイッチＳＷのそれぞれのオン、オフを開始させる（Ｓ３２）。

次に、制御部４は、再度、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃから電圧Ｖａ〜Ｖｃを取得し（Ｓ３３）、電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち２つの電圧Ｖが互いに等しく（又はほぼ等しく）なると（Ｓ３４がＹｅｓ）、駆動中の２つのスイッチＳＷのオン、オフを停止させた後（Ｓ３５）、すべてのスイッチＳＷのオン、オフを開始させる（Ｓ３６）。

そして、制御部４は、再度、電圧検出部Ｓｖａ〜Ｓｖｃから電圧Ｖａ〜Ｖｃを取得し（Ｓ３７）、すべての電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しく（又はほぼ等しく）なると（Ｓ３８がＹｅｓ）、すべてのスイッチＳＷのオン、オフを停止させて（Ｓ３９）、電圧均等化動作を終了する。

例えば、電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち、電圧Ｖａが最も高く、電圧Ｖｃが最も低い場合に行われる制御部４の電圧均等化動作について説明する。
まず、制御部４は、スイッチＳＷａ、ＳＷｃのオン、オフを開始させる。すると、図９（ａ）に示すように、電池Ｂａから放電電流が流れるとともに、電池Ｂｃに充電電流が流れる。そのため、電池Ｂａが放電し、電池Ｂｃが充電するため、電圧Ｖａが低くなっていくとともに、電圧Ｖｃが高くなっていく。

次に、制御部４は、電圧Ｖａと電圧Ｖｂとが互いに等しくなると、スイッチＳＷａ、ＳＷｃのオン、オフを停止させた後、すべてのスイッチＳＷａ〜ＳＷｃのオン、オフを開始させる。すると、図９（ｂ）に示すように、電池Ｂａ、Ｂｂからそれぞれ放電電流が流れるとともに、電池Ｂｃに充電電流が流れる。そのため、電池Ｂａ、Ｂｂがそれぞれ放電するとともに、電池Ｂｃが充電するため、電圧Ｖａ、Ｖｂがそれぞれ低くなっていくとともに、電圧Ｖｃが高くなっていく。

そして、制御部４は、図９（ｃ）に示すように、電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しくなると、すべてのスイッチＳＷａ〜ＳＷｃのオン、オフを停止させて、電圧均等化動作を終了する。

このように、上記実施形態の電圧均等化装置３では、電圧検出部ＳＶａ〜ＳＶｃにより検出されるすべての電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち最も高い電圧Ｖまたは最も低い電圧Ｖが残りの電圧Ｖと等しくなるまで、最も高い電圧Ｖの電池Ｂから最も低い電圧Ｖの電池Ｂにエネルギーを授受させた後、電圧検出部ＳＶａ〜ＳＶｃにより検出されるすべての電圧Ｖａ〜Ｖｃが互いに等しくなるまで、電圧検出部ＳＶａ〜ＳＶｃにより検出されるすべての電圧Ｖａ〜Ｖｃのうち最も低い１以上の電圧Ｖの電池Ｂを充電させている。すなわち、上記実施形態の電圧均等化装置３では、何度もスイッチＳＷａ〜ＳＷｃの切り替え動作を行うことがなく、あまり時間をかけずに電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜Ｖｃを互いに均等化することができる。これにより、トランスＴで消費される無駄なエネルギーも低減させることができるため、電池Ｂａ〜Ｂｃの各電圧Ｖａ〜ＶｃをトランスＴを用いて均等化する際の電池Ｂａ〜Ｂｃ間のエネルギー授受の効率を向上させることができる。

また、上記実施形態の電圧均等化装置３では、電圧均等化動作時、駆動中の２つのスイッチＳＷを一旦停止させてからスイッチＳＷａ〜ＳＷｃのオン、オフを開始させている。これにより、スイッチＳＷを切り替える際にコイルＬから電池Ｂに突入電流やサージ電流などの大電流が流れることを防止することができる。

１、３ 電圧均等化装置
２、４ 制御部

Claims (4)

1. 互いに直列接続される複数の電池の各電圧を検出する複数の電圧検出部と、
   前記複数の電池全体に並列接続される一次側コイルと、前記複数の電池にそれぞれ並列接続される複数の二次側コイルとを備えるトランスと、
   前記一次側コイルに接続される一次側スイッチと、
   前記複数の電池と前記複数の二次側コイルとの間にそれぞれ設けられる複数の二次側スイッチと、
   前記一次側スイッチをオン、オフさせている際、前記複数の二次側スイッチのうちの１以上の二次側スイッチを常時オンさせることにより、その二次側スイッチに接続される電池を充電させるとともに、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧のうちの最も低い１以上の電圧が２番目に低い電圧に等しくなるように前記最も低い１以上の電圧の電池を充電することを、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧が互いに等しくなるまで繰り返す制御部と、
   を備えることを特徴とする電圧均等化装置。
2. 請求項１に記載の電圧均等化装置であって、
   前記制御部は、前記複数の二次側スイッチのうち常時オンする二次側スイッチを切り替える際、前記一次側スイッチを一旦停止させる
   ことを特徴とする電圧均等化装置。
3. 互いに直列接続される複数の電池の各電圧を検出する複数の電圧検出部と、
   前記複数の電池全体に並列接続される一次側コイルと、前記複数の電池にそれぞれ並列接続される複数の二次側コイルとを備えるトランスと、
   前記一次側コイルに接続される一次側スイッチと、
   前記複数の電池と前記複数の二次側コイルとの間にそれぞれ設けられる複数の二次側スイッチと、
   前記一次側スイッチをオン、オフさせている際、前記複数の二次側スイッチのうちの１以上の二次側スイッチを常時オンさせることにより、その二次側スイッチに接続される電池を充電させるとともに、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧のうちの最も高い１以上の電圧が２番目に高い電圧に等しくなるように前記最も高い１以上の電圧の電池以外の残りの電池を充電することを、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧が互いに等しくなるまで繰り返す制御部と、
   を備えることを特徴とする電圧均等化装置。
4. 互いに直列接続される複数の電池の各電圧を検出する複数の電圧検出部と、
   前記複数の電池にそれぞれ並列接続される複数のコイルを備えるトランスと、
   前記複数の電池と前記複数のコイルとの間にそれぞれ設けられる複数のスイッチと、
   前記複数のスイッチのうちの２以上のスイッチをオン、オフさせることにより、それらスイッチにそれぞれ接続される電池間でエネルギーの授受を行い一方の電池を充電させつつ他方の電池を放電させるとともに、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧のうち最も高い電圧または最も低い電圧が残りの電圧と等しくなるまで、最も高い電圧の電池から最も低い電圧の電池にエネルギーを授受させた後、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧が互いに等しくなるまで、前記複数の電圧検出部により検出されるすべての電圧のうち最も低い１以上の電圧の電池以外の電池を放電させつつ前記最も低い１以上の電圧の電池を充電させる制御部と、
   を備えることを特徴とする電圧均等化装置。
   

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