JP2015019441A - バランス補正装置及び蓄電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄電セルが逆接続された場合に回路や素子の損傷を確実に防ぐ。
【解決手段】スイッチング素子S1,S2をオンオフ制御することにより、インダクタLを介して蓄電セルB1,B2の電圧を均等化させるバランス補正装置において、蓄電セルB1の正負端子間にダイオードD1を逆方向接続し、蓄電セルB1の正負端子間にダイオードD1とともにヒューズF1を直列接続し、蓄電セルB2の正負端子間にダイオードD2を逆方向接続し、蓄電セルB2の正負端子間にダイオードD2とともにヒューズF2を直列接続し、蓄電セルB1、ダイオードD1、及びヒューズF1が、インダクタLを含まない第1の閉回路を構成し、蓄電セルB2、ダイオードD2、及びヒューズF2が、インダクタLを含まない第2の閉回路を構成するようにする。
【選択図】図1

Description

この発明は、直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池において、蓄電セル間又は直列接続された複数の蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化するバランス補正装置及び蓄電装置に関する。
複数の蓄電セルが直列接続されてなる集合電池にあっては、放電能力の低下や寿命の短縮化を防ぐために蓄電セル間の電圧(起電力)のばらつきを抑える必要がある。とくに電気自動車等に用いられる蓄電装置のように、多数の蓄電セルからなる集合電池については蓄電セル間の電圧のばらつきを厳密に抑えることが求められる。
蓄電セル間の電圧を均等化させる仕組みとして、例えば、特許文献1には、直列接続された2次電池B1,B2の接続点にインダクタLの一端を接続しておき、インダクタLの他端を電池B1の他端に接続して形成される第1閉回路に電流を流す第1モードと、インダクタLの他端を電池B2の他端に接続して形成される第2閉回路に電流を流す第2モードとを短時間ずつ交互に繰り返す動作(スイッチング動作)を適当な期間、実行することにより、電池B1と電池B2の電圧を均等化する、いわゆるコンバータ方式のバランス補正方法について開示されている。
また特許文献2には、直列に接続された第1の蓄電セルおよび第2の蓄電セルの電圧を均等化させるバランス補正装置として、第1の蓄電セルの一端と第2の蓄電セルの一端との接続点に、一端が電気的に接続されるインダクタと、インダクタの他端と第1の蓄電セルの他端との間に電気的に接続される第1のスイッチング素子と、インダクタの他端と第2の蓄電セルの他端との間に電気的に接続される第2のスイッチング素子と、インダクタに直列に接続され、インダクタに流れる電流の大きさが予め定められた値を超えると、インダクタに流れる電流を制限する電流制限素子とを備えるものが記載されている。
特開2001−185229号公報 特開2012−191679号公報
図11はコンバータ方式のバランス補正回路6の一例である。同図に示すように、蓄電セルB1とB2とが直列接続されて集合電池3を構成している。集合電池3の正負端子31,32には、例えば、集合電池3に充電電流を供給する電流供給源(例えば、充電器、回生回路等)や、集合電池3の電力を利用する負荷(例えば、モータ、電子回路、電気製品等)が接続される。
蓄電セルB1の負極と蓄電セルB2の正極とを結ぶ線路には、インダクタLの一端が接続している。インダクタLの他端と蓄電セルB1の正極とを結ぶ線路には、スイッチング素子S1が設けられている。インダクタLの他端と蓄電セルB2の負極とを結ぶ線路には、スイッチング素子S2が設けられている。
スイッチング素子S1,S2は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いて構成されている。スイッチング素子S1,S2は、制御回路10によって生成される制御信号φ1,φ2によって制御されるゲートドライバG1,G2によって、一方のスイッチング素子がオンしているときに他方のスイッチング素子がオフするように、互いに相補的に動作する。
同図に示すように、インダクタLの一端と蓄電セルB1の正極との間には、容量素子C1が、またインダクタLの一端と蓄電セルB2の負極との間には、容量素子C2が、夫々設けられている。容量素子C1,C2は、例えば、スイッチング素子のオンオフ動作に起因して生じるノイズの低減、スイッチングにより蓄電セルB1,B2に生じる電圧変化の緩和等を目的として設けられる。
このバランス補正回路において、制御回路10は、制御信号を出力してゲートドライバG1,G2を制御することにより、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S2を所定のデューティ比で交互にオンオフ制御する。これにより蓄電セルB1と蓄電セルB2との間でエネルギーの授受が行われ、その結果、蓄電セルB1と蓄電セルB2の電圧が均等化される。
ところで、以上の構成からなるバランス補正回路6において、例えば、製品のテスト段階等において作業者等が接続操作を誤ったり、製品を購入したユーザが使用方法を誤るなどして蓄電セルB1,B2の少なくともいずれかが逆接続された場合、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に耐圧を超える大きな電圧が印加されてバランス補正回路6を損傷してしまう可能性がある。また逆接続された状態を放置すれば蓄電セルB1,B2の液漏れ、破損、破裂等の事故に繋がり、蓄電セルB1,B2の寿命も短くなる。このため、バランス補正回路6には、蓄電セルB1,B2が逆接続された場合を想定して適切な対策を講じることが求められる。
本発明は、このような課題を解決すべくなされたもので、蓄電セルが逆接続された場合を想定して適切な対策が講じられたバランス補正装置及び蓄電装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するための本発明のうちの一つは、直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池において、前記蓄電セル間又は直列接続された複数の前記蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化するバランス補正装置であって、前後して接続する第1の前記蓄電モジュールと第2の前記蓄電モジュールとの接続点にその一端が接続される、インダクタと、前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に前記インダクタとともに直列接続される、第1のスイッチング素子と、前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に前記インダクタとともに直列接続される、第2のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオンオフ制御することにより前記蓄電モジュールの夫々に対する電流の供給を制御し、それにより前記インダクタを介して前記蓄電モジュール間で電力の授受を生じさせて前記蓄電モジュール間の電圧を均等化させる、スイッチング制御部と、前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に逆方向接続される、第1の一方向性素子と、前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に前記第1の一方向性素子とともに直列接続される、第1の電流制限素子と、前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に逆方向接続される、第2の一方向性素子と、前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に前記第2の一方向性素子とともに直列接続される、第2の電流制限素子とを備え、前記第1の蓄電モジュール、前記第1の一方向性素子、及び前記第1の電流制限素子は、前記インダクタを含まない第1の閉回路を構成し、前記第2の蓄電モジュール、前記第2の一方向性素子、及び前記第2の電流制限素子は、前記インダクタを含まない第2の閉回路を構成する。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記第1の閉回路は、前記第2の電流制限素子を含まず、前記第2の閉回路は、前記第1の電流制限素子を含まない。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記第1の一方向性素子の逆電圧は前記第1の蓄電モジュールの最大電圧よりも高く、前記第2の一方向性素子の逆電圧は前記第2の蓄電モジュールの最大電圧よりも高い。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記第1の一方向性素子及び前記第2の一方向性素子は、ダイオードである。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記第1の電流制限素子及び前記第2の電流制限素子は、ヒューズである。
本発明の他の一つは、上記バランス補正装置であって、前記ヒューズは、過電流遮断型ヒューズまたは温度ヒューズである。
本発明の他の一つは、蓄電装置であって、前記直列接続された複数の蓄電セルと上記バランス補正装置を備える。
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
本発明によれば、蓄電セルが逆接続された場合を想定して適切な対策が講じられたバランス補正装置及び蓄電装置を提供することができ、例えば、蓄電セルが逆接続された場合に回路や素子の損傷を確実に防ぐことができる。
バランス補正回路1の一例である。 (a)は、制御回路10が第1の期間に出力する制御信号φ1,φ2の波形であり、(b)乃至(d)は、第1の期間においてインダクタLを流れる電流の波形である。 蓄電セルB1が逆接続された場合におけるバランス補正回路1の動作を説明する図である。 蓄電セルB2が逆接続された場合におけるバランス補正回路1の動作を説明する図である。 比較例として示すバランス補正回路1である。 3つの蓄電セルB1〜B3の電圧を均等化するバランス補正回路1の一例である。 実施例2として示すバランス補正回路1である。 実施例2として示す、3つの蓄電セルB1〜B3の電圧を均等化するバランス補正回路1の一例である。 実施例3として示すバランス補正回路1である。 実施例3として示す、3つの蓄電セルB1〜B3の電圧を均等化するバランス補正回路1の一例である。 コンバータ方式のバランス補正回路6の一例である。
以下、本発明の実施形態について説明する。尚、以下の説明において、同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。
図1は実施例1として示すバランス補正回路1(バランス補正装置)である。バランス補正回路1は、例えば、直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池を利用する蓄電装置(電気自動車、ハイブリッド自動車、電気二輪車、鉄道車両、昇降機、系統連携用蓄電装置、パーソナルコンピュータ、ノートブック型コンピュータ、携帯電話機、スマートフォン、PDA機器等)に適用される。蓄電セルは、例えば、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池等であるが、電気二重層キャパシタ等の他の種類の蓄電素子であってもよい。
集合電池を構成している蓄電セル間で製造品質や劣化の度合いが異なる場合、蓄電セル間の電池特性(電池容量、放電電圧特性)に差が生じることがあり、この電池特性の差に起因して、充放電時等に蓄電セル間の電圧にばらつきが生じることがある。そこでこのようなばらつきの発生を抑制すべく、バランス補正回路1は、蓄電セル間の電圧もしくは直列接続された複数の蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化(セルバランスの確保)させるように動作する。
同図に示すように、直列接続された蓄電セルB1及び蓄電セルB2によって集合電池3が構成されている。集合電池3の正負端子31,32には、例えば、集合電池3に充電電流を供給する電流供給源(例えば、充電器、回生回路等)、集合電池3の起電力を利用して機能する負荷(例えば、モータ、電子回路、電気製品等)等が接続される。
蓄電セルB1の負極と蓄電セルB2の正極とを結ぶ線路には、インダクタLの一端が接続している。インダクタLの他端と蓄電セルB1の正極とを結ぶ線路には、スイッチング素子S1が設けられている。インダクタLの他端と蓄電セルB2の負極とを結ぶ線路には、スイッチング素子S2が設けられている。
スイッチング素子S1,S2は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を用いて構成されている。スイッチング素子S1,S2は、制御回路10(スイッチング制御部)によって生成される制御信号φ1,φ2によって制御されるゲートドライバG1,G2によって、一方のスイッチング素子がオンの場合は他方のスイッチング素子がオフするように互いに相補的に動作する。尚、スイッチング素子S1,S2はバイポーラトランジスタを用いて構成してもよい。
インダクタLの一端と蓄電セルB1の正極との間には、容量素子C1が、インダクタLの一端と蓄電セルB2の負極との間には、容量素子C2が、夫々設けられている。容量素子C1,C2は、例えば、スイッチング素子のオンオフ動作に起因して生じるノイズの低減、スイッチングにより蓄電セルB1,B2に生じる電圧変化の緩和などを目的として設けられる。また容量素子C1は、接続点J4と接続点J5との間等に設けてもよい(容量素子C1の両端子を夫々、接続点J4、接続点J5に接続する)。
同図に示すように、制御回路10は、制御信号生成回路101、デューティ比制御回路102、及び計測回路103(電圧計測部)を備える。
制御信号生成回路101は、ゲートドライバG1,G2の夫々に供給する2相の制御信号φ1,φ2を生成する。尚、本実施形態においては、制御信号φ1,φ2は、所定のデューティ比(例えば50%)の2相の方形波(例えばPWMパルス(PWM:Pulse Width Modulation)であるものとする。
デューティ比制御回路102は、制御信号生成回路101が生成する制御信号φ1,φ2のデューティ比を制御する。またデューティ比制御回路102は、例えば、計測回路103の計測値から取得される蓄電セルB1,B2の電圧に応じて、蓄電セルB1,B2間の電圧が、迅速性、安全性、効率向上等の観点から適切に均等化されるように、制御信号φ1,φ2のデューティ比を制御する機能を備える。
計測回路103は、バランス補正回路1を構成している線路の所定部位の電圧の計測値をリアルタイムに取得し、取得した計測値を制御信号生成回路101やデューティ比制御回路102に伝達する。
同図に示すように、蓄電セルB1の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD1が逆方向に接続されている。また蓄電セルB1の正負端子間には、ダイオードD1と直列に電流制限素子としてヒューズF1が接続されている。蓄電セルB1、ダイオードD1、及びヒューズF1は、インダクタLを含まない第1の閉回路(蓄電セルB1の負極、接続点J1、ヒューズF1、接続点J9、ダイオードD1のアノード、ダイオードD1のカソード、接続点J10、接続点J6、及び蓄電セルB1の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。
ダイオードD1には、その逆電圧VRMが、蓄電セルB1が取り得る最大電圧よりも高いものを選択している。またヒューズF1には、その溶断電流(遮断電流)が、正常動作時のインダクタ電流よりも大きく、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に損傷を与える最低電流よりも小さいものを選択している。ヒューズF1は、例えば、過電流遮断型ヒューズまたは温度ヒューズであるが、スイッチング素子S1,S2や制御回路10を確実に保護する観点からすれば、遮断動作が高速に行われるものを選択することが好ましい。同図に示すように、後述するヒューズF2は第1の閉回路の構成要素ではない。
同図に示すように、蓄電セルB2の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD2が逆方向に接続されている。また蓄電セルB2の正負端子間には、ダイオードD2と直列に電流制限素子としてヒューズF2が接続されている。蓄電セルB2、ダイオードD2、及びヒューズF2は、インダクタLを含まない第2の閉回路(蓄電セルB2の負極、接続点J7、ヒューズF2、接続点J11、ダイオードD2のアノード、ダイオードD2のカソード、接続点J8、接続点J1、及び蓄電セルB2の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。
ダイオードD2には、その逆電圧VRMが、蓄電セルB2が取り得る最大電圧よりも高いものを選択している。またヒューズF2には、その溶断電流(遮断電流)が、正常動作時のインダクタ電流よりも大きく、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に損傷を与える最低電流よりも小さいものを選択している。ヒューズF2は、例えば、過電流遮断型ヒューズまたは温度ヒューズであるが、スイッチング素子S1,S2や制御回路10を確実に保護する観点から、遮断動作が高速に行われるものを選択することが好ましい。同図に示すように、ヒューズF1は第2の閉回路の構成要素ではない。
続いて以上の構成からなるバランス補正回路1の基本的な動作について、図2を参照しつつ説明する。
図2(a)は、制御回路10が、スイッチング素子S1,S2のオンオフ制御を行っている期間に生成する、制御信号φ1,φ2の波形である。同図に示すように、上記期間中、制御回路10は、例えば、同一周期で相補的にオンオフされる方形波からなる制御信号φ1,φ2を生成する。
図2(b)〜(d)は、スイッチング素子S1,S2のオンオフ制御を行っている期間においてインダクタLを流れる電流iLの波形である。このうち図2(b)は、蓄電セルB1の電圧E1が蓄電セルB2の電圧E2よりも大きい場合にインダクタLを流れる電流iLの波形であり、図2(c)は、蓄電セルB1の電圧E1が蓄電セルB2の電圧E2よりも小さい場合にインダクタLを流れる電流iLの波形であり、図2(d)は、蓄電セルB1の電圧E1と蓄電セルB2の電圧E2とが均等である(略等しい)場合にインダクタLを流れる電流iLの波形である。
ここで図2(b)に示すように、蓄電セルB1の電圧E1が蓄電セルB2の電圧E2よりも大きい場合(E1>E2)、スイッチング素子S1がオンでスイッチング素子S2がオフの期間中は、主に蓄電セルB1の正極→接続点J6→接続点J4→スイッチング素子S1→接続点J2→インダクタL→接続点J3→ヒューズF1→接続点J1→蓄電セルB1の負極の経路(以下、これを第1経路と称する。)で電流iLが流れる。つまりこの期間中は主に図1に示す実線矢印の方向に電流iLが流れてインダクタLにエネルギーが蓄積される。
その後、スイッチング素子S1がオフしてスイッチング素子S2がオンすると、インダクタLに蓄積されていたエネルギーが、インダクタL→接続点J3→ヒューズF1→接続点J1→蓄電セルB2の正極→蓄電セルB2の負極→接続点J7→ヒューズF2→接続点J5→スイッチング素子S2→インダクタLの経路で放出され、これにより蓄電セルB2が充電される。そしてインダクタLのエネルギーが無くなると、インダクタLには逆方向に電流iLが流れ始める。
また図2(c)に示すように、蓄電セルB1の電圧E1が蓄電セルB2の電圧E2よりも小さい場合(E1<E2)、スイッチング素子S1がオフでスイッチング素子S2がオンの期間中は、主に蓄電セルB2の正極→接続点J1→ヒューズF1→接続点J3→インダクタL→接続点J2→スイッチング素子S2→接続点J5→ヒューズF2→接続点J7→蓄電セルB2の負極の経路(以下、これを第2経路と称する。)で電流iLが流れる。つまりこの期間中は主に図1に示す破線矢印の方向に電流iLが流れてインダクタLにエネルギーが蓄積される。
その後、スイッチング素子S2がオフしてスイッチング素子S1がオンすると、インダクタLに蓄積されていたエネルギーが、インダクタL→接続点J2→スイッチング素子S1→接続点J4→接続点J6→蓄電セルB1の正極→蓄電セルB1の負極→接続点J1→ヒューズF1→接続点J3→インダクタLの経路で放出され、これにより蓄電セルB1が充電される。そしてインダクタLのエネルギーが無くなると、インダクタLには逆方向に電流iLが流れ始める。
このように、蓄電セルB1,B2間の電圧に差が存在する場合、第1経路及び第2経路に交互に電流iLが流れることにより、蓄電セルB1と蓄電セルB2との間でエネルギーの授受が行われ、その結果両者の電圧が均等化されてセルバランスが確保される。尚、図2(d)に示すように、蓄電セルB1の電圧E1と蓄電セルB2の電圧E2とが均等である場合(E1<E2)、スイッチング素子S1,S2のオンオフ制御に伴って蓄電セルB1,B2間で授受されるエネルギーの収支はバランスしており、蓄電セルB1,B2間の電圧は均等に保たれる。
制御回路10は、計測回路103によって計測される電圧(蓄電セルB1,B2の夫々の端子間の電圧(例えば、接続点J4−J3間の電圧、接続点J3−J5の間の電圧等)をリアルタイムに監視しており、蓄電セルB1,B2の電圧が均等であること(略一致していること)を検知すると、スイッチング素子S1,S2のオンオフ制御を停止する。
尚、蓄電セルB1,B2間の電圧が、迅速性、安全性、効率向上等の観点から適切に均等化されるように、制御回路10が、例えば、計測回路103の計測値から取得される蓄電セルB1,B2の電圧に応じて制御信号φ1,φ2のデューティ比を制御してもよい。
<逆接続時の動作>
続いて、蓄電セルB1又は蓄電セルB2が誤って逆接続された場合のバランス補正回路1の動作について説明する。
まず蓄電セルB1が逆接続された場合のバランス補正回路1の動作について説明する。
図3に示すように、蓄電セルB1が逆接続された場合、接続点J1が接続点J6よりも高電位となるため、逆接続された蓄電セルB1の正極から、接続点J1→ヒューズF1→接続点J9→ダイオードD1(順方向)→接続点J10→接続点J6→蓄電セルB1の負極の経路で第1閉回路に電流が流れ、その結果、ヒューズF1が溶断する。従って、蓄電セルB1が逆接続された場合でも、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に夫々の耐圧を超えるような電圧が印加されたり、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に向かって大電流が流れ込むようなことはなく、スイッチング素子S1,S2及び制御回路10を確実に保護することができる。
尚、前述したように、ダイオードD1の逆電圧VRMは蓄電セルB1が取り得る最大電圧よりも高いので、蓄電セルB1が正しく接続されている限り、バランス補正回路1が正常動作中にダイオードD1が通電してしまうことはない。また前述したようにヒューズF1の溶断電流(遮断電流)はバランス補正回路1が正常動作中におけるインダクタ電流よりも大きいので、蓄電セルB1が正しく接続されている限り、バランス補正回路1が正常動作中にヒューズF1が溶断してしまうようなことはない。
続いて蓄電セルB2が逆接続された場合のバランス補正回路1の動作について説明する。
図4に示すように、蓄電セルB2が逆接続された場合、接続点J7が接続点J1よりも高電位となるため、逆接続された蓄電セルB2の正極から、接続点J7→ヒューズF2→接続点J11→ダイオードD2(順方向)→接続点J8→接続点J1→蓄電セルB2の負極の経路で第2閉回路に電流が流れ、その結果、ヒューズF2が溶断する。従って、蓄電セルB2が逆接続された場合でも、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に夫々の耐圧を超えるような電圧が印加されたり、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に向かって大電流が流れ込むようなことはなく、スイッチング素子S1,S2及び制御回路10を確実に保護することができる。
尚、前述したように、ダイオードD2の逆電圧VRMは蓄電セルB2が取り得る最大電圧よりも高いので、蓄電セルB2が正しい方向に接続されている限り、バランス補正回路1が正常動作中にダイオードD2が通電してしまうことはない。また前述したようにヒューズF2の溶断電流(遮断電流)はバランス補正回路1が正常動作中におけるインダクタ電流よりも大きいので、蓄電セルB2が正しく接続されている限り、バランス補正回路1が正常動作中にヒューズF2が溶断してしまうようなことはない。
ところで、図5に示すように、例えば、ダイオードD1を、インダクタLに対してスイッチング素子S1側に設ける(ダイオードD1の一端を接続点J2を含む線路に接続し、他端を接続点J4を含む線路に接続する)ことも考えられる。
しかしながらこの場合は、蓄電セルB1が逆接続された場合にインダクタLを経由してダイオードD1に電流が流れ(逆接続された蓄電セルB1の正極から、接続点J1→ヒューズF1→接続点J3→インダクタL→接続点J21→ダイオードD1(順方向)→接続点J22→接続点J4→接続点J6→蓄電セルB1の負極の経路で電流が流れる)、電流経路にインダクタLが介在することにより、蓄電セルB1が逆接続されてからヒューズF1を流れる電流が溶断電流に達するまでに遅延が生じ、その間に制御回路10に逆電圧が印加されることにより、スイッチング素子S1,S2や制御回路10が破損してしまう可能性がある。
これに対し、図1に示したバランス補正回路1の場合には、蓄電セルB1が逆接続された場合に電流経路にインダクタLが介在しないため、蓄電セルB1が逆接続されると直ちにヒューズF1が溶断し、スイッチング素子S1,S2や制御回路10に逆電圧が印加されるのを確実に防ぐことができる。尚、以上のことは蓄電セルB2が逆接続された場合も同様である。
<蓄電セルが3つ以上である場合>
以上に説明したバランス補正回路1の構成は、3つ以上の蓄電セルが存在する場合に拡張することができる。
図6は3つ以上の蓄電セルが存在する場合の一例として示す、3つの蓄電セルB1〜B3の電圧の均等化に対応したバランス補正回路1の一例である。同図において、制御回路10は、スイッチング素子S1,S2を相補的にオンオフして蓄電セルB1の電圧と蓄電セルB2の電圧を均等化させ、またスイッチング素子S3,S4を相補的にオンオフして蓄電セルB2の電圧と蓄電セルB3の電圧を均等化させる。これらの制御により蓄電セルB2の電圧は、2つの蓄電セルB1,B3の双方の電圧と均等化されることになり、その結果、3つの蓄電セルB1,B2,B3の電圧が均等化される。
容量素子C1〜C4は、いずれもスイッチング素子S1,S2のオンオフ動作に起因して生じるノイズの低減、蓄電セルB1,B2の夫々に生じる電圧変化の緩和などを目的として設けられる。
蓄電セルB1、ダイオードD1、及びヒューズF1は、インダクタL1を含まない第1の閉回路(蓄電セルB1の負極、接続点J61、ヒューズF1、接続点J69、ダイオードD1のアノード、ダイオードD1のカソード、接続点J70、接続点J66、及び蓄電セルB1の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。ダイオードD1は、その逆電圧VRMが蓄電セルB1が取り得る最大電圧よりも高いものを選択している。またヒューズF1は、その溶断電流(遮断電流)が、正常動作時のインダクタ電流よりも大きく、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に損傷を与える最低電流よりも小さいものを選択している。尚、後述するヒューズF2及びヒューズF3は、第1の閉回路の構成要素ではない。
蓄電セルB2、ダイオードD2、及びヒューズF2は、インダクタL1を含まない第2の閉回路(蓄電セルB2の負極、接続点J67、ヒューズF2、接続点J71、ダイオードD2のアノード、ダイオードD2のカソード、接続点J72、接続点J61、及び蓄電セルB2の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。ダイオードD2は、その逆電圧VRMが蓄電セルB2が取り得る最大電圧よりも高いものを選択している。またヒューズF2は、その溶断電流(遮断電流)が、正常動作時のインダクタ電流よりも大きく、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に損傷を与える最低電流よりも小さいものを選択している。尚、ヒューズF1及び後述するヒューズF3は第2の閉回路の構成要素ではない。
蓄電セルB3、ダイオードD3、及びヒューズF3は、インダクタL2を含まない第3の閉回路(蓄電セルB3の負極、接続点J81、ヒューズF3、接続点J85、ダイオードD3のアノード、ダイオードD3のカソード、接続点J68、接続点J67、及び蓄電セルB3の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。ダイオードD3は、その逆電圧VRMが蓄電セルB3が取り得る最大電圧よりも高いものを選択している。またヒューズF3は、その溶断電流(遮断電流)が、正常動作時のインダクタ電流よりも大きく、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に損傷を与える最低電流よりも小さいものを選択している。尚、ヒューズF1及びヒューズF2は第2の閉回路の構成要素ではない。
同図に示すバランス補正回路1において、蓄電セルB1が誤って逆接続された場合、接続点J61が接続点J66よりも高電位となるため、逆接続された蓄電セルB1の正極から、接続点J61→ヒューズF1→接続点J69→ダイオードD1(順方向)→接続点J70→接続点J66→蓄電セルB1の負極の経路で第1閉回路に電流が流れ、その結果、ヒューズF1が溶断する。従って、蓄電セルB1が逆接続された場合でも、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に夫々の耐圧を超えるような電圧が印加されたり、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に向かって大電流が流れ込むようなことはなく、スイッチング素子S1〜S4及び制御回路10を確実に保護することができる。
また蓄電セルB2が逆接続された場合、接続点J67が接続点J61よりも高電位となるため、逆接続された蓄電セルB2の正極から、接続点J67→ヒューズF2→接続点J71→ダイオードD2(順方向)→接続点J72→接続点J61→蓄電セルB2の負極の経路で第2閉回路に電流が流れ、その結果、ヒューズF2が溶断する。従って、蓄電セルB2が逆接続された場合でも、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に夫々の耐圧を超えるような電圧が印加されたり、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に向かって大電流が流れ込むようなことはなく、スイッチング素子S1〜S4及び制御回路10を確実に保護することができる。
また蓄電セルB3が逆接続された場合、接続点J81が接続点J67よりも高電位となるため、逆接続された蓄電セルB3の正極から、接続点J81→ヒューズF3→接続点J85→ダイオードD3(順方向)→接続点J68→接続点J67→蓄電セルB3の負極の経路で第3閉回路に電流が流れ、その結果、ヒューズF3が溶断する。従って、蓄電セルB3が逆接続された場合でも、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に夫々の耐圧を超えるような電圧が印加されたり、スイッチング素子S1〜S4や制御回路10に向かって大電流が流れ込むようなことはなく、スイッチング素子S1〜S4及び制御回路10を確実に保護することができる。
図7は実施例2として示すバランス補正回路1である。図1に示したバランス補正回路1と同様、このバランス補正回路1の蓄電セルB1の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD1が逆方向に接続されている。また蓄電セルB1の正負端子間には、ダイオードD1と直列に電流制限素子としてヒューズF1が接続されている。このバランス補正回路1の構成や機能のうち、以下に示す相違部分以外の構成や機能については図1に示したバランス補正回路1と同様である。
図1に示したバランス補正回路1と異なり、このバランス補正回路1においては、ヒューズF1をダイオードD1のカソード側(蓄電セルB1の正側)に設けている。同図に示すように、蓄電セルB1、ダイオードD1、及びヒューズF1は、インダクタLを含まない第1の閉回路(蓄電セルB1の負極、接続点J1、接続点J8、ダイオードD1のアノード、ダイオードD1のカソード、接続点J10、ヒューズF1、接続点J6、及び蓄電セルB1の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。同図に示すように、後述するヒューズF2は第1の閉回路の構成要素ではない。
同図に示すように、蓄電セルB2の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD2が逆方向に接続されている。また蓄電セルB2の正負端子間には、ダイオードD2と直列に電流制限素子としてヒューズF2が接続されている。
図1に示したバランス補正回路1と異なり、このバランス補正回路1においては、ヒューズF2をダイオードD2のカソード側(蓄電セルB2の正側)に設けている。同図に示すように、蓄電セルB2、ダイオードD2、及びヒューズF2は、インダクタLを含まない第2の閉回路(蓄電セルB2の負極、接続点J7、接続点J11、ダイオードD2のアノード、ダイオードD2のカソード、接続点J9、ヒューズF2、接続点J8、接続点J1、及び蓄電セルB2の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。
バランス補正回路1を以上のような構成とした場合でも、蓄電セルB1又はB2が逆接続されるとヒューズF1,F2のいずれかが溶断し、それによりスイッチング素子S1,S2及び制御回路10に逆電圧が印加されるのを確実に防ぐことができる。
図8は図7に示したバランス補正回路1の構成を蓄電セルが3つ以上の場合に拡張した場合であり、3つの蓄電セルB1〜B3の電圧の均等化に対応したバランス補正回路1の一例である。制御回路10、スイッチング素子S1〜S4の構成や機能については図6に示したバランス補正回路1と同様である。
図6に示したバランス補正回路1と異なり、このバランス補正回路1においては、ヒューズF1をダイオードD1のカソード側(蓄電セルB1の正側)に設けている。同図に示すように、蓄電セルB1、ダイオードD1、及びヒューズF1は、インダクタL1を含まない第1の閉回路(蓄電セルB1の負極、接続点J61、接続点J72、ダイオードD1のアノード、ダイオードD1のカソード、接続点J70、ヒューズF1、接続点J66、及び蓄電セルB1の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。同図に示すように、後述するヒューズF2は第1の閉回路の構成要素ではない。
図6に示したバランス補正回路1と異なり、このバランス補正回路1においては、ヒューズF2をダイオードD2のカソード側(蓄電セルB2の正側)に設けている。同図に示すように、蓄電セルB2、ダイオードD2、及びヒューズF2は、インダクタL1を含まない第2の閉回路(蓄電セルB2の負極、接続点J67、接続点J68、ダイオードD2のアノード、ダイオードD2のカソード、接続点J69、ヒューズF2、接続点J72、接続点J61、及び蓄電セルB1の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。同図に示すように、ヒューズF1並びに後述するヒューズF3は第2の閉回路の構成要素ではない。
図6に示したバランス補正回路1と異なり、このバランス補正回路1においては、ヒューズF3をダイオードD3のカソード側(蓄電セルB3の正側)に設けている。同図に示すように、蓄電セルB3、ダイオードD3、及びヒューズF3は、インダクタL2を含まない第3の閉回路(蓄電セルB3の負極、接続点J81、接続点J85、ダイオードD3のアノード、ダイオードD3のカソード、接続点J71、ヒューズF3、接続点J68、接続点J67、及び蓄電セルB3の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。同図に示すように、ヒューズF1並びにヒューズF2は第3の閉回路の構成要素ではない。
バランス補正回路1をこのような構成とした場合でも、蓄電セルB1〜B3のいずれかが逆接続されるとヒューズF1〜F3のいずれかが溶断し、それによりスイッチング素子S1〜S4及び制御回路10に逆電圧が印加されるのを確実に防ぐことができる。
図9は実施例3として示すバランス補正回路1である。このバランス補正回路1の以下に示す相違点以外の構成や機能については図1に示したバランス補正回路1と同様である。
図1に示したバランス補正回路1と同様、このバランス補正回路1の蓄電セルB1の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD1が逆方向に接続されている。
図1に示したバランス補正回路1と異なり、蓄電セルB1の正負端子間には、ダイオードD1と直列に電流制限素子としてヒューズF1及びヒューズF2が接続されている。同図に示すように、蓄電セルB1、ダイオードD1、ヒューズF1、及びヒューズF2は、インダクタLを含まない第1の閉回路(蓄電セルB1の負極、接続点J1、ヒューズF2、接続点J9、ダイオードD1のアノード、ダイオードD1のカソード、接続点J10、ヒューズF1、接続点J6、及び蓄電セルB1の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。同図に示すように、ヒューズF2は後述する第2の閉回路の構成要素でもある。
図1に示したバランス補正回路1と同様、このバランス補正回路1の蓄電セルB2の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD2が逆方向に接続されている。
図1に示したバランス補正回路1と異なり、蓄電セルB2の正負端子間には、ダイオードD2と直列に電流制限素子としてヒューズF2及びヒューズF3が接続されている。同図に示すように、蓄電セルB2、ダイオードD2、ヒューズF2、及びヒューズF3は、インダクタLを含まない第2の閉回路(蓄電セルB2の負極、接続点J7、ヒューズF3、接続点J11、ダイオードD2のアノード、ダイオードD2のカソード、接続点J9、ヒューズF2、接続点J1、及び蓄電セルB2の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。前述したように、ヒューズF2は第1の閉回路の構成要素でもある。
バランス補正回路1を以上のような構成とした場合でも、蓄電セルB1,B2のいずれかが逆接続されるとヒューズF1,F2のいずれかが溶断し、それによりスイッチング素子S1,S2及び制御回路10に逆電圧が印加されるのを確実に防ぐことができる。
図10は図9のバランス補正回路1の構成を蓄電セルが3つ以上の場合に拡張した場合であり、3つの蓄電セルB1〜B3の電圧の均等化に対応したバランス補正回路1の一例である。制御回路10、スイッチング素子S1〜S4の構成や機能については図6に示したバランス補正回路1と同様である。
図6に示したバランス補正回路1と同様、このバランス補正回路1の蓄電セルB1の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD1が逆方向に接続されている。
図6に示したバランス補正回路1と異なり、蓄電セルB1の正負端子間には、ダイオードD1と直列に電流制限素子としてヒューズF1及びヒューズF2が接続されている。同図に示すように、蓄電セルB1、ダイオードD1、ヒューズF1、及びヒューズF2は、インダクタL1を含まない第1の閉回路(蓄電セルB1の負極、接続点J61、ヒューズF2、接続点J69、ダイオードD1のアノード、ダイオードD1のカソード、接続点J70、ヒューズF1、接続点J66、及び蓄電セルB1の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。ヒューズF2は後述する第2の閉回路の構成要素でもある。
図6に示したバランス補正回路1と同様、このバランス補正回路1の蓄電セルB2の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD2が逆方向に接続されている。
図6に示したバランス補正回路1と異なり、蓄電セルB2の正負端子間には、ダイオードD2と直列に電流制限素子としてヒューズF2及びヒューズF3が接続されている。同図に示すように、蓄電セルB2、ダイオードD2、ヒューズF2、及びヒューズF3は、インダクタL1を含まない第2の閉回路(蓄電セルB2の負極、接続点J67、ヒューズF3、接続点J71、ダイオードD2のアノード、ダイオードD2のカソード、接続点J69、ヒューズF2、接続点J61、及び蓄電セルB2の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。前述したように、ヒューズF2は第1の閉回路の構成要素でもある。またヒューズF3は後述する第3の閉回路の構成要素でもある。
図6に示したバランス補正回路1と同様、このバランス補正回路1の蓄電セルB3の正負端子間には、一方向性素子であるダイオードD3が逆方向に接続されている。
図6に示したバランス補正回路1と異なり、蓄電セルB3の正負端子間には、ダイオードD3と直列に電流制限素子としてヒューズF3及びヒューズF4が接続されている。同図に示すように、蓄電セルB3、ダイオードD3、ヒューズF3、及びヒューズF4は、インダクタL2を含まない第3の閉回路(蓄電セルB3の負極、接続点J81、ヒューズF4、接続点J85、ダイオードD3のアノード、ダイオードD3のカソード、接続点J71、ヒューズF3、接続点J67、及び蓄電セルB3の正極をこの順に結んで構成される回路)を構成している。前述したように、ヒューズF3は第2の閉回路の構成要素でもある。
バランス補正回路1をこのような構成とした場合でも、蓄電セルB1〜B3のいずれかが逆接続されるとヒューズF1〜F4の少なくともいずれかが溶断し、それによりスイッチング素子S1,S2,S3,S4及び制御回路10に逆電圧が印加されるのを確実に防ぐことができる。
ところで、以上に説明した実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
例えば、計測回路103としては、蓄電セルやセルモジュールのセルバランス(電圧差)を検出するための既存の電圧センサや電流センサを利用することができる。このため、本実施形態のバランス補正回路1は簡易かつ低コストで実現することができる。
本発明のバランス補正回路は、蓄電セルとは別体に設けられるものであってもよいし、蓄電セルと一体化されて電池パック等を構成するものであってもよい。
1 バランス補正回路、10 制御回路、101 制御信号生成回路、102 デューティ比制御回路、103 計測回路、L,L1,L2 インダクタ、C1,C2,C3,C4 容量素子、B1,B2,B3 蓄電セル、S1,S2,S3,S4 スイッチング素子、D1,D2,D3 ダイオード、F1,F2,F3,F4 ヒューズ

Claims (7)

  1. 直列接続された複数の蓄電セルからなる集合電池において、前記蓄電セル間又は直列接続された複数の前記蓄電セルからなる蓄電モジュール間の電圧を均等化するバランス補正装置であって、
    前後して接続する第1の前記蓄電モジュールと第2の前記蓄電モジュールとの接続点にその一端が接続される、インダクタと、
    前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に前記インダクタとともに直列接続される、第1のスイッチング素子と、
    前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に前記インダクタとともに直列接続される、第2のスイッチング素子と、
    前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオンオフ制御することにより前記蓄電モジュールの夫々に対する電流の供給を制御し、それにより前記インダクタを介して前記蓄電モジュール間で電力の授受を生じさせて前記蓄電モジュール間の電圧を均等化させる、スイッチング制御部と、
    前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に逆方向接続される、第1の一方向性素子と、
    前記第1の蓄電モジュールの正負端子間に前記第1の一方向性素子とともに直列接続される、第1の電流制限素子と、
    前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に逆方向接続される、第2の一方向性素子と、
    前記第2の蓄電モジュールの正負端子間に前記第2の一方向性素子とともに直列接続される、第2の電流制限素子と
    を備え、
    前記第1の蓄電モジュール、前記第1の一方向性素子、及び前記第1の電流制限素子は、前記インダクタを含まない第1の閉回路を構成し、
    前記第2の蓄電モジュール、前記第2の一方向性素子、及び前記第2の電流制限素子は、前記インダクタを含まない第2の閉回路を構成する
    バランス補正装置。
  2. 請求項1に記載のバランス補正装置であって、
    前記第1の閉回路は、前記第2の電流制限素子を含まず、前記第2の閉回路は、前記第1の電流制限素子を含まない、バランス補正装置。
  3. 請求項1又は2に記載のバランス補正装置であって、
    前記第1の一方向性素子の逆電圧は前記第1の蓄電モジュールの最大電圧よりも高く、
    前記第2の一方向性素子の逆電圧は前記第2の蓄電モジュールの最大電圧よりも高い、
    バランス補正装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のバランス補正装置であって、
    前記第1の一方向性素子及び前記第2の一方向性素子は、ダイオードである
    バランス補正装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のバランス補正装置であって、
    前記第1の電流制限素子及び前記第2の電流制限素子は、ヒューズである
    バランス補正装置。
  6. 請求項5に記載のバランス補正装置であって、
    前記ヒューズは、過電流遮断型ヒューズまたは温度ヒューズである
    バランス補正装置。
  7. 前記複数の蓄電セルと、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の前記バランス補正装置と、を備える蓄電装置。
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