JP2014512166A - バッテリセルを平衡化するためのデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気トラクション自動車のバッテリ（１）のセル（２ａ、２ｂ、２ｃ）を平衡化するためのデバイス及び方法に関し、このデバイス（３）は：一次スイッチ（５）に直列に配置される一次巻線（４）、及び各セルに対して一次巻線と共にトランスを形成する二次巻線（６ｂ、６ｃ）を直列状態で備える回路；二次スイッチ（７ｂ、７ｃ）、コイル（８ｂ、８ｃ）並びにコイル及びセルに並列に設置されるダイオード（９ｂ、９ｃ）；並びに一次スイッチ及び各二次スイッチを制御するための手段（１０）、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気又はハイブリッドトラクション自動車に関し、より正確にはこれらの自動車のバッテリに関する。

電気又はハイブリッドトラクション自動車のバッテリは一般に、直列に配置される複数のセルを備える。バッテリが電気モータに給電する際、又はこのバッテリを充電する際、各セルの端子の電圧は変更される。各セルの端子の電圧の変更は変動し得るが、これはセル間の電圧不平衡が発生する原因となる。このような電圧不平衡は、セル間の充電状態（ＳＯＣ）の不平衡に対応する。従って、いくつかのセルが他のセルより先に完全に充電されるか又は放電し得、これには劣化のリスクがある。バッテリの充電は、少なくとも１つのセルが完全に充電されるとすぐに停止され；バッテリは、少なくとも１つのセルが完全に放電するとすぐに放電され；従って不平衡はバッテリの使用を制限する。

従って、バッテリの各セルの端子の電圧又はバッテリの各セルの充電状態を平衡化する必要がある。この目的のために、過充電されたセルを抵抗に放電させることが提案されてきた。このような方法で得られる平衡化を得るには、電気自動車のバッテリを充電するのにかかる時間に比べて余りに長い時間がかかり、またこの方法はエネルギ損失を発生させるという欠点を有する。

過充電されたセルから充電量が最も少ないセルへとエネルギを転送することによって、バッテリのセルの能動的平衡化を実装することも提案されてきた。

セルの端子の電圧を平衡化するために、複数の二次巻線を有するトランスを利用するフライバックトポロジスイッチングモード電源回路を使用することについて記載している、特許文献１を参照することができる。この解決法の欠点は、コストが高いこと及び電磁干渉を放出することであり、またセルを充電するため及び放電させるために生成される電流はセルを損傷し得る。

単一のＤＣ−ＤＣコンバータ、及びセルを選択するための半導体スイッチングマトリクスを使用することについて記載している、特許文献２を参照することができる。このスイッチングマトリクスの欠点は、コストが高いことである。

最後に、特許文献３では、各セルにＤＣ−ＤＣコンバータを用いることが提案されている。各セルにコンバータを用いることの欠点は、コストが高いことである。

米国特許出願第２００８／０２７２７３５号 国際公開特許第２００４／０４９５４０号 米国特許出願第２００５／００１７６８２号

本発明の目的は、バッテリのセルの平衡化を、これらのセルの端子の電圧を平衡化すること又はこれらのセルそれぞれの充電状態を平衡化することによって改善することであり、特にそのコストを削減することである。

ある態様によると、電気トラクション自動車のバッテリのセルを平衡化するためのデバイスが提案され、このデバイスは：一次スイッチに直列に配置される一次巻線、及び各セルに対して一次巻線と共にトランスを形成する二次巻線を直列状態で備える回路；二次スイッチ、コイル並びにコイル及びセルに並列に設置されるダイオード；並びに一次スイッチ及び各二次スイッチの制御手段を備える。

このようにして、複数の二次巻線に対して単一の一次巻線を利用するデバイスが得られ、このデバイスはバッテリのセルの端子の電圧又はこれらセルの充電状態を平衡化することができる。複数の二次巻線を有する単一のトランスを用いることにより、デバイスのコストを削減することもできる。

このデバイスによって、電気トラクション自動車のバッテリのセルの充電状態を平衡化することができることに留意されたい。

制御手段は有利には、一次スイッチ及び二次スイッチを対象としたパルス幅変調信号を生成するよう適合される。

デバイスは、キャパシタ、コイル及びダイオードを備えるフィルタ回路を備えてよく、フィルタ回路は、バッテリと一次巻線との間に直列に配置されることを目的とする。

このフィルタ回路によって、スイッチ制御手段が生成する信号、特にパルス幅変調信号とリンクする高調波をフィルタリングすることができる。

一次スイッチ及び二次スイッチは有利にはＭＯＳＦＥＴである。

代替として、二次スイッチは反並列状態の２つのＭＯＳＦＥＴを備える。

従ってこのデバイスは少数のＭＯＳＦＥＴしか使用しないため、デバイスのコストを削減できる。

別の態様によると、一次スイッチに直列に配置される一次巻線、及び各セルに対して一次巻線と共にトランスを形成する二次巻線を直列状態で備える回路；二次スイッチ、コイル並びにコイル及びセルに並列に設置されるダイオード、を備えるデバイスを用いて、電気トラクション自動車のバッテリのセルを平衡化する方法が提案され、上記方法は、一次スイッチ又は少なくとも１つの二次スイッチを対象としたパルス幅変調信号の生成を含む。

この方法によって、電気トラクション自動車のバッテリのセルの端子の電圧又はバッテリのセルの充電状態を平衡化することができる。

有利には、一次スイッチを対象としたパルス幅変調信号が生成され、充電される少なくとも１つのセルの二次スイッチは閉状態となる。

代替として、パルス幅変調信号は、放電する少なくとも１つのセルの二次スイッチを対象として生成される。

本発明の他の利点及び特徴は、非限定的な例として挙げられ、添付の図面に図示された以下の説明から明らかになるであろう。

図１は、本発明のある実施形態によるデバイスを示す。 図２は、スイッチがＭＯＳＦＥＴである、本発明の第２の実施形態によるデバイスを示す。 図３は、二次スイッチが２つのＭＯＳＦＥＴを備える、本発明の第３の実施形態によるデバイスを示す。

図１には、電気又はハイブリッドトラクション自動車のバッテリ１を示す。

バッテリ１は従来通り、直列に接続された、ここでは３個である複数のセル２ａ、２ｂ、２ｃを備える。当然のことながら、バッテリ１はより多数のセルを備えてよいが、ここでは簡略化のためにそれを示さない。

セル２ａ、２ｂ、２ｃの端子の電圧を平衡化するためのデバイス３は、セルの端子に接続される。このデバイスはまた、セルの充電状態を平衡化するためにも使用でき、セルの充電状態は特にそのセルの電圧に依存する。

平衡化デバイス３は、一次スイッチ５に直列に配置される一次巻線４を備える。バッテリ１の各セルに対して、二次巻線は一次巻線４と共にトランスを形成する。ここでは特にセル２ｂ及び２ｃの二次巻線６ｂ及び６ｃを示し；図示しない他のセルもまたこのような二次巻線及び以下に説明する回路を含む。

二次巻線６ｂ及び６ｃは回路内に配置され、この回路はまた、二次巻線と直列に二次スイッチ７ｂ及び７ｃ、コイル８ｂ及び８ｃ、そしてセル２ｂ及び２ｃを備える。ダイオード９ｂ及び９ｃはそれぞれコイル８ｂ及びセル２ｂ並びにコイル８ｃ及びセル２ｃと並列に設置される。

従って、各セルに対して一般にフォワードトポロジと呼ばれるトポロジが得られるが、これは１つの一次巻線を各セルに対して共通して使用する。

一次スイッチ５及び二次スイッチは、制御手段１０で制御される。制御手段１０は、スイッチを閉状態とすることを目的とするパルス幅変調信号又はＤＣ信号を生成できる。

更に、キャパシタ１２、コイル１３及びダイオード１４を並列に備えるフィルタ回路１１を、バッテリ１の第１のセル２ａと一次巻線４との間に直列に配置する。従って、スイッチを制御するためのパルス幅変調信号を生成する際に、例えば制御手段１０が生成する高調波を、フィルタ回路１１でフィルタリングする。

平衡化デバイス３はまた、バッテリ１のセルの端子の電圧を測定するための手段も備えて良い。これら測定手段は、例えば制御手段１０に接続され、セルが過充電されているか放電しているかを決定できる。

例えば、セル２ｂの充電は、一次スイッチ５を対象としたパルス幅変調信号の制御手段１０による生成を含む。このステップの間、制御手段１０は二次スイッチ７ｂを閉状態とする。パルス幅変調信号が一次スイッチ５を閉状態とする場合、二次スイッチ７ｂを通って二次巻線６ｂへと電流が流れる。従ってコイル８ｂは充電される。パルス幅変調信号が一次スイッチ５を開状態とする場合、コイル８ｂに貯蔵されたエネルギはセル２ｂへと転送され、ダイオード９ｂを通って電流が流れる。ダイオード９ｂはいわゆるフリーホイールダイオードである。

セル２ｂの充電は、セル２ｂの端子の電圧が極めて低い場合、即ちこのセルの充電状態が極めて低い場合、特に他のセルが過充電され、このセルに給電できる場合に起こる。

例えばセル２ｃが過充電されている場合、セル２ｂの充電はセル２ｃを放電させることによって達成される。この放電の間、制御手段１０は二次スイッチ７ｃに供給されるパルス幅変調信号を生成し、一次スイッチ５を閉状態とする。パルス幅変調信号が二次スイッチ７ｃを閉状態とすると、コイル８ｃに貯蔵されたエネルギ及び信号が、二次巻線６ｃ及び一次巻線４からなるトランスに転送される。

このようにして効率的な平衡化が得られ、その効率は各回路の巻線及びパルス幅変調信号に依存する。

更に、フォワードトポロジを使用することにより、バッテリ１のセルの端子の電圧の迅速な平衡化が得られる。

図２には、一次スイッチ４をＭＯＳＦＥＴ１５で置き換えた本発明の第２の実施形態を示す。二次スイッチはＭＯＳＦＥＴで置き換えられており、例えばスイッチ７ｂはＭＯＳＦＥＴ１６ｂで置き換えられている。

図３には、ＭＯＳＦＥＴ１６ｂを２つのＭＯＳＦＥＴ１７ｂ及び１８ｂで置き換えた本発明の第３の実施形態を示す。２つのＭＯＳＦＥＴ１７ｂ及び１８ｂは、反並列状態に接続される。

この実施形態では、パルス幅変調信号を用いた各トランジスタの制御によって、ある方向又は別の方向への電流の移動、即ちセルの充電又は放電が可能となる。この実施形態によって、他のセルの電圧レベルに関係なく充電するセルを選択することもでき、バッテリの端子の電圧の平衡化が改善される。

本発明によって、バッテリのセルの端子の電圧の能動的平衡化が迅速にかつ低コストで得られる。

最後に、特に共振、追加の巻線、又はアクティブクランプによって、様々なリセットモードを本発明と両立させることができることに留意されたい。

Claims (8)

1. 電気トラクション自動車のバッテリ（１）のセル（２ａ、２ｂ、２ｃ）を平衡化するためのデバイス（３）であって、
   一次スイッチ（５）に直列に配置される一次巻線（４）、及び各前記セルに対して前記一次巻線と共にトランスを形成する二次巻線（６ｂ、６ｃ）を直列状態で備える回路；
   二次スイッチ（７ｂ、７ｃ）、コイル（８ｂ、８ｃ）並びに前記コイル及び前記セルに並列に設置されるダイオード（９ｂ、９ｃ）；並びに
   前記一次スイッチ及び各前記二次スイッチの制御手段（１０）
   を備える、デバイス（３）。
2. 前記制御手段（１０）は、前記一次スイッチ（５）及び前記二次スイッチ（７ｂ、７ｃ）を対象としたパルス幅変調信号を生成するよう適合されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. キャパシタ（１２）、コイル（１３）及びダイオード（１４）を備えるフィルタ回路（１１）を備え、
   前記フィルタ回路は、前記バッテリ（１）と前記一次巻線（４）との間に直列に配置されることを目的とする
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記一次スイッチ（１５）及び前記二次スイッチ（１６ｂ）はＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス。
5. 前記二次スイッチは反並列状態の２つのＭＯＳＦＥＴ（１７ｂ、１８ｂ）を備えることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
6. 一次スイッチ（５）に直列に配置される一次巻線（４）、及び各セルに対して前記一次巻線と共にトランスを形成する二次巻線（６ｂ、６ｃ）を直列状態で備える回路；並びに
   二次スイッチ（７ｂ、７ｃ）、コイル（８ｂ、８ｃ）並びに前記コイル及び前記セルに並列に設置されるダイオード（９ｂ、９ｃ）
   を備えるデバイス（３）を用いて、電気トラクション自動車のバッテリ（１）の前記セル（２ａ、２ｂ、２ｃ）を平衡化する方法であって、
   前記一次スイッチ又は少なくとも１つの前記二次スイッチを対象としたパルス幅変調信号の生成を含む、方法。
7. 前記パルス幅変調信号は、前記一次スイッチ（５）を対象として生成され、充電される少なくとも１つの前記セルの前記二次スイッチ（７ｂ、７ｃ）は閉状態となる、請求項６に記載の方法。
8. 前記パルス幅変調信号は、放電する少なくとも１つの前記セルの前記二次スイッチ（７ｂ、７ｃ）を対象として生成され、前記一次スイッチ（５）は閉状態となる、請求項６又は７に記載の方法。

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