JP2015154606A - 蓄電状態調整回路、蓄電状態調整システム、及び電池パック - Google Patents
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Abstract
【課題】組電池の複数の蓄電池の使用状態に応じて、蓄電池の電圧の均一化を図ることを可能にする、蓄電状態調整回路が提供される。【解決手段】直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段(BAT1〜BAT3)と、前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイル(LP)と、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続され、前記一次側コイルに蓄えられたエネルギーが伝達される複数の二次側コイル(L1〜L3)と、に接続される蓄電状態調整回路(100)であって、前記複数の蓄電手段の少なくとも1つの蓄電手段の状態に応じて前記一次側コイルに蓄積されるエネルギー量を調整する調整部(130)を有する、蓄電状態調整回路。【選択図】図1
Description
本発明は、充放電可能な複数の蓄電手段に係る蓄電状態調整回路、蓄電状態調整システム、及び電池パックに関する。
従来から、複数の二次電池(セル)を直列接続した組電池からなる電池パックでは、各セルの電圧を調整して各セルの電池電圧の均一化を図る電子回路を有するものが知られている。
電池パックでは、この電子回路により各セルの電池電圧を均一に維持することで、各セルの製造バラツキやサイクル劣化、経年変化等により各セル間に特性差が生じることを抑制している。
例えば特許文献1には、充電時に複数の二次電池のそれぞれと接続された複数のスイッチを制御して、電池電圧が復帰電圧レベル未満のセルを充電することが記載されている。
また特許文献2には、複数の二次電池のそれぞれと接続されたスイッチを制御して、電池電圧の高いセルから電池電圧の低いセルへエネルギーを移動させることが記載されている。
上記従来の電子回路では、状況に応じた二次電池の電圧の均一化については、考慮されていなかった。
本発明は、上記事情を鑑みて、一態様として、組電池の使用状態に応じて、組電池の有する複数の二次電池の電圧の均一化を図ることが可能な蓄電状態調整回路、装置、及び電池パックを供給することを目的としている。
本発明は、上記目的を達成すべく、下記の構成を採用した。
直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段と、前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイルと、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続され、前記一次側コイルに蓄えられたエネルギーが伝達される複数の二次側コイルと、に接続される蓄電状態調整回路であって、
前記複数の蓄電手段の少なくとも1つの蓄電手段の状態に応じて前記一次側コイルに蓄積されるエネルギー量を調整する調整部を有する。
直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段と、前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイルと、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続され、前記一次側コイルに蓄えられたエネルギーが伝達される複数の二次側コイルと、に接続される蓄電状態調整回路であって、
前記複数の蓄電手段の少なくとも1つの蓄電手段の状態に応じて前記一次側コイルに蓄積されるエネルギー量を調整する調整部を有する。
本発明によれば、組電池の使用状態に応じて、組電池の有する複数の二次電池の電圧の均一化を図ることが可能になる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
<<第1実施形態>>
図1は第1実施形態の電池パックを説明する図である。図1において、本実施形態の電池パック1は、フライバックトランス300、P+端子、P−端子、蓄電状態調整回路(セルバランス回路)100、組電池200を有する。
図1は第1実施形態の電池パックを説明する図である。図1において、本実施形態の電池パック1は、フライバックトランス300、P+端子、P−端子、蓄電状態調整回路(セルバランス回路)100、組電池200を有する。
本実施形態の蓄電状態調整回路100は、組電池200に含まれる複数の二次電池の電池電圧の均一化を図り、各二次電池における、電気の蓄積状態(すなわち蓄電状態)を調整する。
蓄電状態調整回路100は、一次側駆動部110、二次側分配放出部120、調整部130を有する。
一次側駆動部110は、制御回路111、駆動スイッチ素子SWを有し、一次側であるエネルギー蓄積元となる。本実施形態の駆動スイッチ素子SWは、例えばMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)等の半導体スイッチ素子等である。二次側分配放出部120は、ダイオードD1、D2、D3を有し、各電池に電力(エネルギー)を放電し、再配分する。調整部130は、電流調整部131と、周波数調整部132を有する。
電池パック1において、蓄電状態調整回路100に接続された組電池200は、複数(n個)の充放電可能な二次電池(電池セル、蓄電池、蓄電手段とも言う)BAT1〜BATn(本実施形態では三つの二次電池BAT1、BAT2、BAT3)を含む。
本実施形態のフライバックトランス300において、一次側コイルLPは一次側のインダクタ、二次側コイルL1、L2、L3は二次側のインダクタである。
蓄電状態調整回路100は、フライバックコンバータ回路を構成している。
一次側駆動部110では、組電池200の正極からエネルギーが供給され、制御回路111が駆動スイッチ素子SWを制御して、駆動スイッチ素子SWのON期間に電流調整部(一次側抵抗群)131及び制御回路111で設定されたエネルギーを一次側コイルLPに蓄積する。
一次側駆動部110では、組電池200の正極からエネルギーが供給され、制御回路111が駆動スイッチ素子SWを制御して、駆動スイッチ素子SWのON期間に電流調整部(一次側抵抗群)131及び制御回路111で設定されたエネルギーを一次側コイルLPに蓄積する。
一次側コイルLPは組電池200の正極に接続されているため、充電時は充電器及び組電池200全体からエネルギーの供給を受ける。この一次側コイルLPに供給されたエネルギーは駆動スイッチ素子SWがOFFに切り替わると、二次側コイルL1〜L3に再分配(出力)され、二次側コイルL1〜L3が再分配された充電器および電池電圧からなるエネルギーを電池電圧の低い二次電池に供給する。
また、一次側コイルLPは負荷接続時、組電池200全体からエネルギー供給を受ける。この一次側コイルLPに供給されたエネルギーは、駆動スイッチ素子SWがOFFしている際、二次側コイルL1〜L3に再分配され、二次側コイルL1〜L3が再分配された電池電圧からなるエネルギーを電池電圧の低い二次電池に供給する。
二次側分配放出部120は、放電・再分配部であり、駆動スイッチ素子SWがOFFの時に、一次側コイルLPに蓄積されたエネルギーをダイオードD1、D2、D3を通して対応する二次電池BAT1〜BAT3に放電供給する。
本実施形態のフライバックトランス300は、駆動スイッチ素子SWのON期間中に一次側コイルLPにエネルギーを蓄える。そしてフライバックトランス300は、駆動スイッチ素子SWがOFFに切り替わると、一次側コイルLPの逆起エネルギーを利用して蓄えられていたエネルギーを一気に二次側コイルL1、L2、L3に出力する。
本実施形態では、蓄電状態調整回路100とフライバックトランス300を含む装置を蓄電状態調整装置と呼ぶ。電池パック1のP+端子は充電器又は負荷の正極と接続され、P−端子は充電器又は負荷の負極と接続されている。
組電池200において、二次電池BAT1、BAT2、及びBAT3は直列に接続されており、二次電池BAT3の正極はP+端子と接続され、二次電池BAT1の負極がP−端子と接続されている。
組電池200の二次電池BAT3の正極は一次側コイルLPの一端と接続されており、一次側コイルLPの他端は駆動スイッチ素子SWの一端と接続されている。駆動スイッチ素子SWの他端は電流調整部131を介して二次電池BAT1の負極と接続されている。
二次側コイルL1は一端が二次電池BAT1の負極と接続されており、他端がダイオードD1を介して二次電池BAT1の正極と接続されている。ダイオードD1は一端が二次側コイルL1の他端と接続され、他端が二次電池BAT1の正極と接続されている。
二次側コイルL2は一端が二次電池BAT1の正極と二次電池BAT2の負極に接続されており、他端がダイオードD2を介して二次電池BAT2の正極と接続されている。ダイオードD2は、一端が二次側コイルL2の他端と接続され、他端が二次電池BAT2の正極と接続されている。
二次側コイルL3は一端が二次電池BAT2の正極と二次電池BAT3の負極に接続されており、他端がダイオードD3を介して二次電池BAT3の正極とP+端子にと接続されている。ダイオードD3は、一端が二次側コイルL3の他端と接続され、他端が二次電池BAT3の正極と接続されている。
本実施形態の制御回路111は駆動スイッチ素子SWのON/OFFを制御するスイッチ素子制御信号Sconを生成し出力する。具体的には、スイッチ素子制御信号Sconは、例えば駆動スイッチ素子SWを所定のタイミングでONさせる矩形パルス信号等である。
ここで、電流調整部131は抵抗R1、R2、スイッチ素子SWaを有する。電流調整部131において、抵抗R1の一端は制御回路111および駆動スイッチ素子SWに接続されている。抵抗R2は一端が抵抗R1と接続されており、他端がP−端子と接続されている。スイッチ素子SWaは抵抗R2に並列に接続されており、スイッチ素子SWaのON/OFFを制御するゲートに信号S1が入力可能である。
本実施形態の電流調整部131は、一次側コイルLPを介して二次側コイルL1、L2、L3に選択供給される電流の値を調整する機能を果たす。調整方法の詳細は後述する。
また、周波数調整部132は、抵抗R3、R4、スイッチ素子SWbを有する。周波数調整部132において、抵抗R3の一端は制御回路111に接続されている。抵抗R4は一端が抵抗R3と接続されており、他端がP−端子と接続されている。スイッチ素子SWbは抵抗R4と並列に接続されており、スイッチ素子SWbのON/OFFを制御するゲートに信号S2が入力される。
本実施形態の周波数調整部132は、一次側コイルLPを介して、二次側のコイルL1、L2、L3に供給されるタイミングのスイッチング周波数を調整する機能を果たす。調整方法の詳細は後述する。
(動作モードについて)
ここで、本実施形態における動作モードについて説明する。
上記構成を有する蓄電状態調整回路100の動作について、組電池200が3つの二次電池BAT1〜BAT3を有する例について説明する。このとき、各二次電池の電池電圧がVBAT1(二次電池BAT1の電池電圧)>VBAT2(二次電池BAT2の電池電圧)>VBAT3(二次電池BAT3電圧)と電圧差がついているとする。
ここで、本実施形態における動作モードについて説明する。
上記構成を有する蓄電状態調整回路100の動作について、組電池200が3つの二次電池BAT1〜BAT3を有する例について説明する。このとき、各二次電池の電池電圧がVBAT1(二次電池BAT1の電池電圧)>VBAT2(二次電池BAT2の電池電圧)>VBAT3(二次電池BAT3電圧)と電圧差がついているとする。
図2は、電流の連続モード、不連続モードにおける各コイルの電圧と電流の波形を印す図である。
図2では、駆動スイッチ素子SWのON/OFFに応じた一次側コイルLPの電圧VLV、一次側コイルLPのインダクタ電流ILP、二次側コイルL1〜L3の二次側インダクタ電流IL1〜IL3の変化を示す。
図2(a)は、インダクタ電流ILPの電流値が小さい不連続モードの波形であり、図2(b)は、インダクタ電流ILPの電流値が大きい連続モードの波形である。なお、VLPは駆動スイッチ素子SWの電圧値であり、電圧VLPは駆動スイッチ素子SWを介して一次側コイルLPへ電流が流れている(蓄えている)際には低い値となり、電流が流れていない(放出ししている)際には高い値となる。
本実施形態の蓄電状態調整回路100は、電流調整部131の抵抗値を調整することでインダクタ電流ILPの電流値を調整し、動作モードを電流連続モードか、又は電流不連続モードに切り替えることができる。また本実施形態の蓄電状態調整回路100は、周波数調整部132の抵抗値の調整により駆動スイッチ素子SWのON/OFF周期の調整し、動作モードを電流連続モードか、又は電流不連続モードに切り替えることができる。
本実施形態の不連続モードは、駆動スイッチ素子SWのON期間に一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPが0となる状態が発生する動作モードである。本実施形態の連続モードは、駆動スイッチ素子SWのON期間に一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPが0となる状態が発生しない動作モードである。
本実施形態のフライバックトランス300は、駆動スイッチ素子SWのON期間中に一次側コイルLPにエネルギー(一次側電力)W1を蓄え、駆動スイッチ素子SWがOFFに切り替わると、逆起電力を利用して蓄えられていたエネルギーを二次側コイルL1〜L3へ一気に出力する。
図1の回路図及び図2(a)において、駆動スイッチ素子SWがONすると一次側コイルLPにインダクタ電流ILPが発生する。駆動スイッチ素子SWは、インダクタ電流ILPが増えて、電流調整部131の抵抗値と制御回路111で設定される電流閾値ISに到達すると、駆動スイッチ素子SWがOFFにする。この時一次側コイルLPに一次側電力W1が蓄えられる。ここで一次側コイルLPの自己インダクタをLPとする。
インダクタ電圧Eが上昇し対の二次電池の電池電圧より高くなるとダイオード経由で電流が放出される。つまり電圧の低い二次電池から順番に選択充電される仕組みである。
二次側コイルL1、L2、L3から放出され二次電池BAT〜BAT3のいずれかに再充電される電流をIL1、IL2,IL3、ピーク電流をIL1P、IL2P,IL3P、二次側コイルL1、L2、L3の自己インダクタンスをL1、L2、L3とすると、3つの二次電池BAT1〜BAT3の電池電圧に応じ図2(a)の通り電流が放出される。放出される二次側電力W2は以下の数式3で求められる。
既知の通りダイオードの順方向電圧VD、電流IDは次式で知られている。
k = 8.6 × 10−5 (eV/K) : ボルツマン定数
Io (A) : 飽和電流
n :Ideality factor (n = 1〜2)
T (K) = 絶対温度
VBAT1(二次電池BAT1の電池電圧)>VBAT2(二次電池BAT2の電池電圧)>VBAT3(二次電池BAT3の電池電圧)と電圧差がついた組電池200では
二次電池ごとに
上記の通り、蓄電状態調整回路100とフライバックトランス300において、二次電池BAT1〜BAT3側に電流が放出、再充電され、制御回路111で設定された1周期の時間経過後に次のサイクルに入る。
以上の蓄電状態調整回路100とフライバックトランス300における、一次側と、二次側のエネルギーのやり取りを1サイクルとし、蓄電状態調整回路100はエネルギーを組電池200全体から得て、低い二次電池BAT1〜BAT3に移送する作業が行われる。このサイクルを繰り返すことにより個々の電池電圧を監視することなく二次電池BAT1〜BAT3の電池電圧の均一化が行われる。
(電流調整部での調整)
電流調整部131は、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPの電流値(電流閾値IS)を調整する。このことで、駆動スイッチ素子SWのスイッチング周期に対するON期間であるデューティ比(=Duty Ratio:Ton/T, T=Ton+Toff)を変え、動作モードの切り替えを行う。
電流調整部131は、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPの電流値(電流閾値IS)を調整する。このことで、駆動スイッチ素子SWのスイッチング周期に対するON期間であるデューティ比(=Duty Ratio:Ton/T, T=Ton+Toff)を変え、動作モードの切り替えを行う。
制御回路111は、出力トランジスタ等からなり、駆動スイッチ素子SWをONさせるスイッチング制御信号となる、(矩形)パルス信号Sconを生成する。より詳しくは、パルス信号Sconは、所定の周期で、駆動スイッチ素子SWをONさせるようにハイレベル(以下、H)になる。また、矩形パルス信号は、一次側コイルLPのインダクタ電流ILPが電流調整部131及び制御回路111で設定された電流閾値ISに達したタイミングで、駆動スイッチ素子SWをOFFさせるようにローレベル(以下、L)になる。
本実施形態において、フライバックトランス300の動作モードを不連続モードとする場合には、一次側コイルLPに蓄えられる電力W1を、駆動スイッチ素子SWのOFF期間に全て放電される程度に小さくすれば良い。このためには、駆動スイッチ素子SWのON期間に一次側コイルLPに供給されるインダクタ電流ILPの値を小さくすれば良い。
ここで、電流調整部131の抵抗値を変えると、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPも変わる。例えばインダクタ電流ILPは、抵抗値が10倍に増えると1/10になり、一次側コイルLPに貯める電力W1は"W1=1/2LPIS 2"より、1/100に減る。一次側コイルLPに貯める電力W1は、巻線数に基づく固定値である自己インダクタンスLPと、電流閾値ISにより決まる。
より詳しくは、本実施形態の電流調整部131の抵抗値は、スイッチ素子SWaがOFFの場合には、抵抗R2が抵抗R1と接続するため、抵抗R1の抵抗値と抵抗R2の抵抗値の合成抵抗となる(抵抗値:大)。
このとき、一次側コイルLPのインダクタ電流ILPの値が小さくなり、電流閾値ISまですぐに達するため、パルス信号Sconの1周期の中で駆動スイッチ素子SWのON期間が短くなる。そうすると、パルス信号Sconのデューティ比は、1周期における駆動スイッチ素子SWのOFF期間が長くなるため小さくなる。したがって、フライバックトランス300の動作モードは、ON期間で一次側コイルLPに貯めた電力W1をOFF期間ですべて放出する不連続モードになりやすくなる。
一方、フライバックトランス300の動作モードを連続モードとする場合には、駆動スイッチ素子SWがOFF期間に一次側コイルLPに蓄えられる電力W1を、全て放電されないように大きくすれば良い。このためには、駆動スイッチ素子SWがON期間に一次側コイルLPに供給されるインダクタ電流ILPを大きくすればよい。
より詳しくは、本実施形態の電流調整部131の抵抗値は、スイッチ素子SWaがONの場合には、抵抗R2がスイッチ素子SWaを介してP−端子と接続されて短絡し、一次側コイルLPとP−端子間の抵抗が抵抗R1に相当する分だけ小さくなる(抵抗値:小)。
このとき、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILpの値が大きくなり、一次側コイルLPに蓄えられる電力W1が大きくなる。よってフライバックトランス300の動作モードは、駆動スイッチ素子SWのOFF期間において、一次側コイルLPに蓄えられた電力W1が全て放出される前に駆動スイッチ素子SWがONされる、連続モードになりやすくなる。
このように本実施形態の電流調整部131は、電流閾値ISを調整して、一次側コイルLPにエネルギーが蓄積される所定の周期に対して蓄積期間の長さを調整することで、一次側コイルLPに給される電流の大きさ(エネルギー量)を調整する機能を果たす。
尚、本実施形態の電流閾値Isは、例えば信号S1の入力に応じて制御回路111により設定されるものであっても良い。また本実施形態の電流閾値Isは、例えば駆動スイッチ素子SWをトランジスタで構成した場合には、このトランジスタの特定と、電流調整部131の有する抵抗の値により決まる値であっても良い。
(周波数調整部での調整)
周波数調整部132は、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPを制御するパルス信号Sconの周波数を調整することで、1周期におけるON期間であるデューティ比を変えて、動作モードの切り替えを行う。
周波数調整部132は、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPを制御するパルス信号Sconの周波数を調整することで、1周期におけるON期間であるデューティ比を変えて、動作モードの切り替えを行う。
フライバックトランス300の動作モードを不連続モードとする場合は、駆動スイッチ素子SWがOFF期間に一次側コイルLPに蓄えられる電力W1を全て放電すべく、駆動スイッチ素子SWのOFF期間を長くすれば良い。このため本実施形態の周波数調整部132は、駆動スイッチ素子SWのOFF期間を長くするためにスイッチング周波数を低くする。ここで、周波数調整部132の抵抗値を変えると、制御回路111で生成されるパルス信号Sconの1サイクル(周期)が変わる。
例えば、周波数調整部132の抵抗値は、スイッチ素子SWbがOFFの場合、抵抗R4と抵抗R3の両方が制御回路111と接続するため、抵抗R3の抵抗値と抵抗R4の抵抗値の合成抵抗となる(抵抗値:大)。
抵抗値が増えると、パルス信号Scon信号の周波数が低くなるため、サイクル(周期)は長くなる。そのため、駆動スイッチ素子SWは、一度OFFされてからパルス信号Sconにより再度ONされるまでのOFF期間が長くなる。よって蓄電状態調整回路100は、一次側コイルLPに貯めた電力W1をOFF期間ですべて放出する不連続モードになりやすくなる。
一方、動作モードを不連続モードとする場合には、一次側コイルLPに蓄えられる電力W1が駆動スイッチ素子SWのOFF期間に全て放電されないように、スイッチング周波数を高くし、駆動スイッチ素子SWのOFF期間が短くする。
例えば、周波数調整部132において、スイッチ素子SWbがONの場合、抵抗R4がスイッチ素子SWbを介してP−端子と接続されて抵抗R4が短絡し、周波数調整部132の抵抗値が、R3の抵抗値となる(抵抗値:小)。
抵抗値が小さいと、パルス信号Sconの周波数が高くなるため、パルス信号Sconの周期は短くなる。そのため、駆動スイッチ素子SWは、一度OFFされてからパルス信号Sconにより再度ONされるまでのOFF期間が短くなる。よってフライバックコンバータ300は、連続モードになりやすくなる。
このように、スイッチ素子SWbがONの場合、すなわち信号S2が入力された際に、フライバックコンバータ300の動作モードを連続モードとすることで、充電による各二次電池の電池電圧の変動の速度に応じて各二次電池の電池電圧を均一にできる。
スイッチ素子SWbがOFFの場合、すなわち信号S2が入力されていない際に、フライバックコンバータ300の動作モードを不連続モードとすることで、インダクタ電流ILPを小さくし、蓄電状態調整回路100の動作に係る消費電流を低減することができる。
従って、本実施形態の周波数調整部132は、駆動スイッチ素子SWの周波数を調整することで、一次側コイルLPにエネルギーが蓄積される所定の蓄積期間に対して周期の長さを調整して、一次側コイルLPに与えられるエネルギー量を調整する機能を果たす。
なお、信号S1、S2の入力について、電流調整部131、周波数調整部132の両方の抵抗値を小さくさせるよう作動させてもよいし、どちらか片方のみ、抵抗値を小さくさせるよう作動させてもよい。
このように、電流調整部131、周波数調整部132を制御することで、動作を連続モード又は不連続モードに切り替えることができ、充電、放電による各二次電池の電池電圧の変動の速度に応じて各二次電池の電池電圧の均一化を図ることができる。
連続モードでは、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPの値が大きいため、二次側のコイルL1、L2、L3に流れる電流も大きくなり、不連続モードのときと比べて短時間で電池電圧の最も低い二次電池を充電し、各電池電圧の均一化を図ることができる。
本実施形態では、連続モードと不連続モードは用途に応じて選択することが好ましい。
例えば動作モードを不連続モードとすれば、蓄電状態調整回路100が負荷として働くことを抑制でき、消費電力を低減することができる。
また本実施形態では、連続モードと不連続モードそれぞれの中で、インダクタ電流ILPの値を調整したり、駆動スイッチ素子のON/OFFを制御するパルス信号Sconの周期を規定するスイッチング周波数を調整したりしてもよい。
<<第2実施形態>>
図3に、第2実施形態の電池パックを説明する図を示す。ここで、上記の第1実施形態を利用した、実際の制御例としてサーミスタ端子を利用した例として図3を参照して第2実施形態を示す。第2実施形態において、電流調整部131のスイッチ素子SWaと周波数調整部132のスイッチ素子SWbはサーミスタ端子Tに接続されている。
図3に、第2実施形態の電池パックを説明する図を示す。ここで、上記の第1実施形態を利用した、実際の制御例としてサーミスタ端子を利用した例として図3を参照して第2実施形態を示す。第2実施形態において、電流調整部131のスイッチ素子SWaと周波数調整部132のスイッチ素子SWbはサーミスタ端子Tに接続されている。
以後の実施形態の説明では、上記第1実施形態との相違点についてのみ説明し、第1実施形態と同様の機能構成を有するものには第1実施形態の説明で用いた符号と同様の符号を付与し、その説明を省略する。
(サーミスタ端子での充電器接続検知)
本実施例の電池パック1Aは、充電器が接続されたことを検出するためのサーミスタ等からなる充電器接続検出端子Tを有している。充電器接続検出端子Tは二次電池BAT1〜BAT3に接続された充電器を検知し、その充電器の接続状態に基づき二次電池BAT1〜BAT3に流れる電流値を調整させるために設けられている。
本実施例の電池パック1Aは、充電器が接続されたことを検出するためのサーミスタ等からなる充電器接続検出端子Tを有している。充電器接続検出端子Tは二次電池BAT1〜BAT3に接続された充電器を検知し、その充電器の接続状態に基づき二次電池BAT1〜BAT3に流れる電流値を調整させるために設けられている。
本実施形態の電流制御部131Aにおいて、スイッチ素子SWaは抵抗R2に並列に接続されているMOSFETであり、スイッチ素子SWaのON/OFFを制御するゲートに充電器接続検出端子Tが接続され、端子Tからの信号をS1として受け取っている。
第2実施形態の周波数調整部132Aにおいて、スイッチ素子SWbは抵抗R4に並列に接続されるMOSFETであり、スイッチ素子SWbのON/OFFを制御するゲートに充電器接続検出端子Tが接続され、端子Tからの信号をS2として受け取っている。
充電器接続検出端子Tは充電器が接続されているか否か2値的に検出する。なお、充電器接続検出端子Tとして具体的な端子がなくてもよく、例えばP+端子又はP―端子に接続されたサーミスタを利用してもよい。
図3の蓄電状態調整回路100Aでは、端子Tにより充電器が接続されたことが検出された際に電流連続モードとすることで、充電による各二次電池の電池電圧の変動の速度に応じて、短時間で各二次電池の電池電圧を均一にできる。
さらに、端子Tにより、充電器が接続されたことが検出されていない間は不連続モードとすることで、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPを小さくし、蓄電状態調整回路100Aの動作に係る消費電流を低減することができる。二次電池の状態と蓄電状態調整回路100Aの動作との関係を表1に示す。
<<第3実施形態>>
図4に、第3実施形態の電池パックを説明する図を示す。第3実施形態において、電流調整部131Bのスイッチ素子SWa、周波数調整部132Bのスイッチ素子SWbに入力される信号を生成するため、第2実施形態の充電器接続検出端子Tに代わりに電流検知部140が接続されている。
図4に、第3実施形態の電池パックを説明する図を示す。第3実施形態において、電流調整部131Bのスイッチ素子SWa、周波数調整部132Bのスイッチ素子SWbに入力される信号を生成するため、第2実施形態の充電器接続検出端子Tに代わりに電流検知部140が接続されている。
図4において、電流検知部140はADコンバーター71、制御スイッチ72、抵抗73を有する。また、電流調整部131Bは、図1の電流調整部131の構成要素に加えて、抵抗R5とスイッチSWcを有してもよい。電流検知部140からの出力信号は、電流調整部131BのスイッチSWaとスイッチSWcに入力されており、電流調整部131Bは、より段階的な抵抗値の調整ができる。
電流検知部140において、ADコンバーター71は、組電池200の充放電電流をアナログ的に検知している。ADコンバーター71は充放電のアナログ値を見ることで、スイッチ制御信号を出力するか否か微妙な調整が可能となる。
図5は、充電時と放電時の電圧変化を表すグラフである。図5(a)は一般のリチウム(Li)など電池の充電時の電圧変化を示し、図5(b)はその電池の放電時の電圧変化を表す。図5(a)では、二次電池の電池電圧の変化をVBATで示し、充電電流をICGHで示す。また図5(b)では、定電流負荷を接続した場合を示し、放電電流をILで示す。
図5(a)の充電カーブは通常の充電をする場合時間T1で電圧変化点VB1(時間T1)を持ち、定電流モードから定電圧モードに切り替わる上限電圧VSET近傍で電圧飽和(T2)する。時間TF1は充電完了を表す。上限電圧VSETは二次電池の特性により予め設定されている。 より詳しくは、二次電池が充電されるとき、まず定電流モードで、電流値一定(ICC)で、電圧が増えて上限電圧VSETまで充電が行われ(T1)、その後電圧は保持される。定電圧モードに入ると、電圧がVSETでほぼ一定になり充電電流は減衰する。低電圧モードで、一定の収束電流値IFになった時点)又は一定時間経過(TF1)後に、充電は終了する(TF1)。
よって、充電電流が小さいとき、例えば電池パック1Bが内蔵された電子機器の充電を数時間かけて行う低速充電のときは、各電池電圧の均一化はゆっくりでよい。このとき、フライバックトランス300を流れる電流値を下げて、又は/および、駆動スイッチ素子SWのスイッチングのOFF期間を長くしてデューティ比を下げることで、不連続モードで各二次電池の蓄電状態を均一化できる。よって、電力損失が少ない状態で、効率よく充電ができる。
これに対して、充電電流が大きいとき、例えば電池パック1Bが内蔵された電子機器の充電を数10分で行う高速充電のときは、充電電流が大きいことにより二次電池の間での電圧変化量が大きくなるため、各電池電圧の均一化を急ぐ必要がある。さらに、より急速に充電する場合は、定電流充電により上限電流VSETに達した後(T2)、パルス電流により充電を行う。このとき、上限電圧VSETを短期間周期的に超えながら、充電電流を増やして、充電を速めることもある。この場合はさらに、各電池電圧の均一化を急ぐ必要がある。このような場合、フライバックトランス300を流れる電流値を上げて、又は/及び、パルス信号Sconの周波数を高くし、デューティ比を上げることで、連続モードで各二次電池の蓄電状態を短時間で均一化しながら、充電ができる。
又は、図5(a)において充電電流の少なくなるT2〜TF1の領域では、電流が急激に下がり二次電池の電圧変化量が大きくなるため、二次電池の電池電圧をより早く調整できるように充電電流を変化させるとよい。二次電池の状態と蓄電状態調整回路100Cの動作との関係を表2に表す。
電圧変化点VB3は、例えば3.8Vであり、電圧変化点VB3に達すると電池の電解液にイオンがなくなり、表面のキャパシタ部分だけになる。電圧変化点VB3より低い領域での放電では表面のキャパシタから容量値が減るため放電カーブが急峻になり、急激に電圧が降下する。即ち、電圧変化点VB3で電圧降下の度合いが変化する。
さらに電圧が降下するとキャパシタの容量もなくなり、電池電圧は過放電電圧(たとえば、電池劣化電圧)VB4、例えば3.0Vに到達する。二次電池は電池電圧が過放電電圧VB4まで降下した後に、さらに放電を行うと劣化する。
よって、放電電流が小さいとき、即ち負荷が軽いときは、各電池電圧の均一化はゆっくりでよい。フライバックトランス300を流れる電流値を下げる、又は/及び、パルス信号Sconの周波数を低くすることで、デューティ比を落として不連続モードで蓄電手段の残りの電池電圧を均一にしている。この制御により、電力損失が少ない状態で効率よく放電ができる。
反対に、放電電流が大きいとき、つまり、電池パック1Bにつながれた負荷が重いときはデューティ比を上げる。各電池電圧の均一化を急ぐためデューティ比上げる必要がある。この場合、フライバックトランス300を流れる電流を大きくし、又は/及びパルス信号Sconの周波数を高くすることで、スイッチングのデューティ比を上げることで、各二次電池の蓄電状態を短時間で均一化しながら、放電ができる。
又は、放電時、電圧が降下する際、電池の電圧変化点VB3(T3)よりも小さくなると、急激な電圧降下が始まる。よって、放電時、蓄電状態調整回路100は、電圧変化点VB3(T3)〜電池の過放電電圧VB4(TF2)間で、スイッチングのデューティ比を上げるとよい。
複数の二次電池を有する組電池の場合、図5(a)、図5(b)の充電カーブ、放電カーブともにn段の重なった特性となるため組電池全体電圧及び各二次電池の電池電圧を監視し、蓄電状態の調整の程度を決めるのが理想である。第3実施形態ではADコンバーター71が電流を検出することで、電池電圧を監視している。
このように、ADコンバーター71は、充電、放電の場合に応じた、電流値の閾値を設定している。
ADコンバーター71と接続された制御スイッチ72は例えば、抵抗とスイッチアレイ等からなる。なお、制御スイッチ72の代わりに、微調整できる電子ボリュームを配置してもよい。この場合、直線的に抵抗値を変えることができるように、設定している。
このように、本実施形態では、ADコンバーター71により検知された充電電流や放電電流が大きい場合、動作モードを連続モードとすることで、二次電池の電池電圧の変動の速度に応じて短時間で各二次電池の電池電圧の均一化を図ることができる。上記、ADコンバーター71により検知された充電電流や放電電流が大きい場合とは充電電流及び放電電流の絶対値が所定値以上のときであり、充電電流や放電電流が小さい場合とは、即ち、充電電流及び放電電流の絶対値が所定値未満のときである。
反対にADコンバーター71により検知された充電電流や放電電流が小さい場合は、動作モードを不連続モードとすることで、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPを小さくし、蓄電状態調整回路100Aの動作に係る消費電流を低減することができる。
なお、ADコンバーター71を含む電流検知部140の検知結果に応じて、電流調整部131B及び周波数調整部132Bの両方について抵抗を小さくするよう作動させてもよいし、電流値の検知結果に応じて段階的にどちらか片方について作動させてもよい。
<<第4実施形態>>
図6に、第4実施形態の電池パックを説明する図を示す。第4実施形態の電池パック1Cは、第2実施形態の電池パック1Aと比較して、電池電圧検出回路150、動作領域設定回路160をさらに有している。また、電流調整部131Cはさらにスイッチ素子SWaと接続されたセレクタY1を有し、周波数調整部132Cはスイッチ素子SWbと接続されたセレクタY2を有している。
図6に、第4実施形態の電池パックを説明する図を示す。第4実施形態の電池パック1Cは、第2実施形態の電池パック1Aと比較して、電池電圧検出回路150、動作領域設定回路160をさらに有している。また、電流調整部131Cはさらにスイッチ素子SWaと接続されたセレクタY1を有し、周波数調整部132Cはスイッチ素子SWbと接続されたセレクタY2を有している。
(動作領域の設定について)
電池電圧検出回路(電池電圧検出手段)150は、組電池200内の二次電池と同じ数の検知手段151、152、153を有する。検知手段151、152、153は、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3とそれぞれ並列に接続しており、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3の電池電圧を検出する。以下の説明では、電池電圧とは、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3のそれぞれの電池電圧を示し、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3を有する組電池200の電池電圧は、組電池電圧と呼ぶ。
電池電圧検出回路(電池電圧検出手段)150は、組電池200内の二次電池と同じ数の検知手段151、152、153を有する。検知手段151、152、153は、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3とそれぞれ並列に接続しており、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3の電池電圧を検出する。以下の説明では、電池電圧とは、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3のそれぞれの電池電圧を示し、各二次電池BAT1、BAT2、BAT3を有する組電池200の電池電圧は、組電池電圧と呼ぶ。
本実施形態の電池電圧検出回路150は、各検知手段151、152、153による電池電圧の検出結果を示す検出信号(蓄電電圧検出信号)Vdetを動作領域設定回路160へ出力する。検出信号Vdetは、各検知手段151、152、153によって検知された電池電圧のうち少なくとも一つが3.9V(第一の閾値)以下になったことを検知すると、ハイレベル(以下、Hレベル)からローレベル(以下、Lレベル)に反転する。
電池電圧検出回路150は、放電時、3つの二次電池BAT1〜BAT3のすべての電池電圧が3.9Vよりも大きい場合は、未検出状態を示すHレベルの検出信号Vdetを出力する。一方、電池電圧検出回路150には、それぞれ検知手段151、152、153のうち、一つでも3.9Vを下回ったことを検知すると、電池電圧検出回路150は、検出状態を示すLレベルの検出信号Vdetを出力する。
また、動作領域設定回路(動作領域設定手段)160は、放電時の電圧が過放電まで降下すると放電を強制的に止める不図示の保護回路と接続されており、放電の状態を示す信号として放電状態信号Doutが外部から入力されている。
ここで、不図示の保護回路は、電池の放電状態を検知し、電池パック1が放電モードにあるときはHレベルの放電状態信号(放電可能信号)Doutを出力する。より詳しくは、電池劣化点VB4である3.0Vまで降下する前の3.2Vまで、二次電池BAT1〜BAT3のいずれかの電池電圧が降下した場合は、保護回路が放電を強制停止させ、放電状態信号DoutをLレベルにする。言い換えると、保護回路は、3つの二次電池BAT1〜BAT3の電池電圧がすべて3.2Vよりも大きい期間(二次電池が放電モードの期間)、Hレベルの放電状態信号(放電可能信号)Doutを出力する。
また、動作領域設定回路160は、電池電圧検出回路150から出力される検出信号Vdetと放電状態を検知した放電状態信号Doutに基づいて、Hレベル、またはLレベルの制御信号を出力する。
図7に、動作領域設定回路160の構成図を示す。動作領域設定回路160は例えば、二つの閾値の異なるスイッチ等で構成されるXOR回路からなる。図7では、XOR回路160から出力される制御信号は、電流調整部131C及び、周波数調整部132CのセレクタY1、Y2へ入力されている。二次電池の状態と蓄電状態調整回路100Cの動作との関係を表3に表す。
また、XOR回路は、放電時に、二次電池BAT1〜BAT3のすべての電池電圧が3.9Vよりも大きい、又はいずれかの電池電圧3.2Vよりも小さい場合は、Lレベルの信号をセレクタY1、Y2へ出力する。
なお、図7では動作領域設定回路160は、XOR回路で模式的に表したが、3.2V〜3.9Vの検知ができるものであれば、トランジスタ等からなるスイッチや比較器で構成してもよい。
このように構成された、動作領域設定回路160から出力された制御信号は、電流調整部131Cのスイッチ素子SWa、周波数調整部132Cのスイッチ素子SWbと接続されたセレクタY1、Y2に出力される。
セレクタY1、Y2は、充電器接続端子Tとも接続しており、充電時は常に、充電器接続端子Tからの信号を選択する。第2実施形態と同じように、充電時は、スイッチ素子SWa、SWbをONすることで、抵抗R2、R4を短絡させる。この制御により、抵抗値を少なくして、電流調整部131Cは一次側コイルLPへの電流値を増やし、周波数調整部132Cは信号Sconの周波数を高くすることで、スイッチングのデューティ比を上げて、制御回路111Cを連続モードにさせる。
セレクタY1、Y2は放電時、動作領域設定回路160からの制御信号を選択している。放電時において、制御信号がHになる、電池電圧が二次電池の電池電圧が放電モードかつ二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかが3.9V以下の場合は、スイッチ素子SWa、SWbをONすることで、抵抗R2、R4を短絡させて、抵抗値を少なくする。このとこで、電流調整部131Cは一次側コイルLPへの電流値を増やし、周波数調整部132Cは信号Sconの周波数を高くすることで、スイッチングのデューティ比を上げて、制御回路111Cを連続モードにさせる。
また、放電時、二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかの電池電圧が3.9Vよりも大きい又は3.2Vよりも小さい場合、制御信号がLになり、スイッチ素子SWa、SWbをOFFする。従って、抵抗R2、R4を抵抗R1、R3に接続させ、抵抗値を多くする。このとき、電流調整部131Cは一次側コイルLPへの電流値を減らし、周波数調整部132Cは、信号Sconの周波数を高くすることで、スイッチングのデューティ比を上げて、制御回路111Cを不連続モードにさせる。
このように本実施形態では、端子Tが充電器と接続したことを検出した際に電流連続モードとすることで、充電による各二次電池の電池電圧の変動の速度に応じて短時間で電池電圧の最も低い二次電池を充電し、短時間で各二次電池の電池電圧を均一にできる。
さらに、動作領域設定回路160により、放電時を、放電電圧に基づいて場合分けし、電池電圧が放電モードかつ二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかが3.9V以下の場合は、制御信号により、電流連続モードとする。よって、放電による各二次電池の電池電圧の変動の速度に応じて各二次電池の電池電圧を均一にできる。
また、電池電圧が二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかの電池電圧が3.9Vよりも大きい、又は3.2Vよりも小さい場合は、制御信号により、電流不連続モードとすることで、一次側コイルLPに流れるインダクタ電流ILPが小さくなる。よって、放電による蓄電状態調整回路100Aの動作に係る消費電流を低減することができる。
なお、充電器接続検出端子Tが充電器接続を検知した際、電流調整部131C、周波数調整部132Cの両方について抵抗を小さくなるよう作動させてもよいし、どちらか片方について作動させてもよい。
<<第5実施形態>>
図8に、第5実施形態の電池パックを説明する図を示す。第5実施形態は、第4実施形態と同様に、動作領域設定回路160D、電池電圧検出回路150が設けられているが、動作領域設定回路160Dからの制御信号がセレクタY1、Y2に入力されるのではなく、制御回路111Dに入力される点が異なる。
図8に、第5実施形態の電池パックを説明する図を示す。第5実施形態は、第4実施形態と同様に、動作領域設定回路160D、電池電圧検出回路150が設けられているが、動作領域設定回路160Dからの制御信号がセレクタY1、Y2に入力されるのではなく、制御回路111Dに入力される点が異なる。
電池電圧検出回路150の構成及び制御は第4実施形態と同様である。
また、動作領域設定回路(動作領域設定手段)160Dは、第4実施形態と同様に、放電時の電圧が過放電まで降下すると放電を強制的に止める不図示の保護回路と接続されており、放電の状態を示す信号として放電状態信号Doutが入力されている。動作領域設定回路(動作領域設定手段)160Dは上述の図7に示すようにXOR回路等からなるが、制御信号の出力先は、制御回路111Dである点が異なる。
制御回路111Dは、動作領域設定回路160Dから出力される制御信号が入力されるイネーブル端子SHDNを有する。二次電池の状態と蓄電状態調整回路100Cの動作との関係を表4に表す。
本実施形態において、制御回路111Dが動作しているときは、駆動スイッチ素子SWを所定の周期でON/OFFさせるスイッチ素子制御信号Sconを生成し出力する。即ち制御回路111Dは、動作時に蓄電状態調整回路100を作動させる。また、制御回路111Dが動作を停止しているときは、制御回路111Dのスイッチ素子制御信号Sconの出力を止め、これにより駆動スイッチ素子SWのON/OFFの動作を停止させる。即ち制御回路111Dは、蓄電状態調整回路100Dの動作を停止させる。または、制御回路111D自体を停止させず、例えばローレベルの信号を出力させることで、制御回路111Dが駆動スイッチ素子SWをオフの状態が所定期間持続されるように制御するようにすることでもよい。この際、駆動スイッチ素子SWを停止しつづけることで、一次コイルLPへのエネルギー量をゼロになるように調整する、
即ち、充電器が接続されておらず、放電時、二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかの電池電圧が3.9Vよりも大きい、又は3.2Vよりも小さい場合は、二次電池BAT1〜BAT3間の残電池電圧のバランスの調整を行わないように制御する。
即ち、充電器が接続されておらず、放電時、二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかの電池電圧が3.9Vよりも大きい、又は3.2Vよりも小さい場合は、二次電池BAT1〜BAT3間の残電池電圧のバランスの調整を行わないように制御する。
より詳しくは、充電時は、第2実施形態と同じように充電器の接続を検知した充電器検知信号により、電流調整部131Dのスイッチ素子SWa、周波数調整部132DのSWbをONすることで、抵抗R2、R4を短絡させて抵抗値を少なくする。したがって、電流調整部131Dはコイルへの電流値を増やし、周波数調整部132Dはパルス信号Sconの周波数を高くして、デューティ比を上げた連続モードにさせる。
従って、図8の蓄電状態調整回路100Dでは、端子Tにより充電器が接続されたことが検出された際に電流連続モードとすることで、充電による各二次電池の電池電圧の変動の速度に応じて、短時間で各二次電池の電池電圧を均一にできる。
なお、充電器接続検出端子Tが充電器接続を検知した際、電流調整部131D、周波数調整部132Dの両方を連続モードで作動させてもよいし、どちらか片方について作動させてもよい。
一方、放電時は、まず、第2実施形態と同じように充電器接続端子Tからの充電器検知信号を受け取らないことにより、電流調整部131Dのスイッチ素子SWa、周波数調整部132Dのスイッチ素子SWbをOFFする。よって、抵抗R2、R4を抵抗R1、R3に接続させ、抵抗値を多くする設定を行う。したがって、放電時、コイルへの電流値が流れる際は、電流値を減らし周波数を低くすることでデューティ比を落とした不連続モードにさせる。
ここで、放電時は、制御回路111Dのイネーブル端子SHDNは電池電圧検出回路150からの制御信号を直接受け取っている。制御回路111Dは、放電モードかつ二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかが3.9V以下の場合を示すHレベルの制御信号を受け取った時のみ、上記設定より、不連続モードで動作する。
それ以外の電池電圧が二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかの電池電圧が3.9Vよりも大きい、又は3.2Vよりも小さい場合は、制御信号をLにして、制御回路111Dを強制的にOFFさせる。そのため、二次電池BAT1〜BAT3のうちいずれかの電池電圧が3.9Vよりも大きい、又は3.2Vよりも小さい場合は蓄電状態調整回路100Dの制御は行わない。
(動作領域の設定について)
ここで、図5(b)を用いて説明したように、定電流負荷を接続した場合、電圧変化点VB3(時間T3)を持ち、電圧降下する際は、電池の過放電電圧VB4近辺で急激な電圧降下が始まる。さらに電圧が降下すると、キャパシタの容量もなくなり、電池電圧は、電池劣化点(過放電電圧)VB4、例えば3.0Vに到達する。二次電池は、電池電圧が電圧劣化点VB4まで降下した後に、さらに放電を行うと劣化する。
ここで、図5(b)を用いて説明したように、定電流負荷を接続した場合、電圧変化点VB3(時間T3)を持ち、電圧降下する際は、電池の過放電電圧VB4近辺で急激な電圧降下が始まる。さらに電圧が降下すると、キャパシタの容量もなくなり、電池電圧は、電池劣化点(過放電電圧)VB4、例えば3.0Vに到達する。二次電池は、電池電圧が電圧劣化点VB4まで降下した後に、さらに放電を行うと劣化する。
したがって二次電池の放電は、電圧劣化点VB4まで電圧が降下する前に停止させることが好ましい。
そこで本第5実施形態では、放電時において、3つの二次電池の何れかの電池電圧が、電圧変化点VB3である3.8Vまで降下する前の3.9Vまで降下すると、各二次電池BAT1〜BAT3の電池電圧の均一化(セルバランス)を行うように制御する。
さらに、放電時において、3つの二次電池BAT〜BAT3のうち何れかの電池電圧が、電池劣化点VB4である3.0Vまで降下する前の3.2V(第二の閾値)まで降下すると、不図示の保護回路により、電池パック1の組電池200の放電を強制的に止める。
このように、蓄電状態調整回路100は、二次電池BAT1〜BAT3うち何れかの電池電圧が電圧変化点VB3(例えば3.8V)(T3)より低い電圧(3.9V)となったときから、二次電池BAT1〜BAT3うち何れかの電池電圧が電池劣化点VB4(例えば3.0V)(T4)より高い電圧(3.2V)に到達するまでの間で動作する。
即ち第5実施形態では、二次電池間のバラツキが比較的小さい領域(放電カーブの傾斜が緩やかなとき)では、蓄電状態調整回路100を動作させない。また、バラツキが比較的大きい領域(放電カーブが急峻の時)で且つ過放電電圧以上領域では、蓄電状態調整回路100を動作させる。
組電池の場合蓄電手段(蓄電池)は複数存在するため、図5(b)の放電カーブはn段の重なった特性となるため組電池全体電圧及び二次電池の電池電圧を監視し電池の蓄電状態調整動作領域を決めるのが理想である。よって、本実施形態では、電池電圧検出回路150を設けている。
また、本実施形態では、蓄電手段として、リチウム電池、または、両極炭素電池(dual carbon battery、以下DCB)を用いた。
なお、電池の電圧降下が急峻すぎると、電圧を均一化する間に、過放電電圧(3.2V)に達してしまい、電池電圧均一化の効果が十分に発揮されないこともある。しかし、DCBでは、過放電電圧になるまでのカーブがリチウム電池に比べて緩やかであるため、リチウム電池よりもより効果的である。
従って、第5実施形態では、放電時、複数の二次電池の電池電圧によって設定される動作領域においてのみ、蓄電状態調整回路100Dを動作させるため、複数の蓄電手段の電池電圧の均一化を図る動作による消費電力を低減させることができる。よって、エネルギーを無駄なく効率よく電圧の高い電池から低い電池にエネルギーを移送し、均一化ができる。
このように作動させることで二次電池の充電・放電の詳細な場合に応じて、蓄電状態調整回路100Dの制御を行い、蓄電状態調整回路100Dの動作に係る消費電流を低減して、充電、放電動作を行うことができる。
なお、電池電圧検出回路150および、動作領域設定回路160Dは、実施例2に示したADコンバーターとともに搭載させてもよい。
<<第6実施形態>>
図9は、二次側分配放出部120の変形例を有する蓄電状態調整回路100Eを示すブロック図である。
図9は、二次側分配放出部120の変形例を有する蓄電状態調整回路100Eを示すブロック図である。
本実施形態は図1の3つの二次電池BAT〜BAT3を有する組電池200において個々の二次側コイル及び二次電池に対となるダイオードD1、D2、D3をスイッチM1、M2、M3とコンパレーターCOM1、COM2、COM3で置き換えた構成を有する。
本第6実施形態の二次側分配放出部120−1における、スイッチ群は通常、MOSFETなどの半導体スイッチ素子などからなる。又、一次側駆動部110の駆動スイッチ素子SWと逆相で動き、逆流を防止する同期整流スイッチであっても構わない。
このスイッチM1,M2,M3は通常、MOSFETなどの半導体スイッチ素子などからなる。制御はFETの入出力電圧である二次側インダクタ発生電圧E(V)と電池電圧VBATn(V)を比較し、インダクタ側電圧が高い場合に相当のスイッチのみONするように構成されたアクティブダイオードのようなものである。又、一次側駆動部110の駆動スイッチ素子SWと逆相で動き、逆流を防止する同期整流スイッチであっても構わない。
上記構成を有する蓄電状態調整回路動作の一例について、組電池200が3つの二次電池BAT1〜BAT3を有する例を説明する。このとき、電流は電流不連続(断続)モード、又、各二次電池の電池電圧がVBAT1(二次電池BAT1の電池電圧)>VBAT2(二次電池BAT2の電池電圧)>VBAT3(二次電池BAT3の電池電圧)と電圧差がついているとする。
図9おいて、フライバックトランス300の一次側動作は上述の実施形態1の動作と同一となる。数式で違う点のみ説明する。上記実施形態と比較しダイオードの代わりにON抵抗の低いパワーFETを使うことにより損失の少ない回路が構成できる。
各FETのON抵抗をRSD=RSD1=RSD2=RSD3とすると、
二次電池ごとに
二次電池ごとに
ここで、3つの二次電池の中で二次電池BAT3の電池電圧VBAT3が一番低いので二次側インダクタの解放電圧E=VBAT3+RSW ISW3≒VBAT3でクランプされ、電流放出とともに低下する。
ここでVBAT1>VBAT2>VBAT3=Eなので、スイッチ電流ISDは二次電池BAT3のみに供給され、再充電される。
ここでISD3はIL3と等しく、上述の実施形態で示した数式1、3より次式が成り立つ。この数式は実施形態の電池電圧差が大きい場合と同一で、
ここでISD3はIL3と等しく、上述の実施形態で示した数式1、3より次式が成り立つ。この数式は実施形態の電池電圧差が大きい場合と同一で、
以上の一次側と、二次側のエネルギーのやり取りを1サイクルとし、エネルギーを組電池200全体から得て、低い蓄電手段に移送する作業が行われる。このサイクルを繰り返すことにより個々の電池電圧を監視することなく二次電池の電池電圧の均一化が行われる。
当実施の形態の蓄電状態調整回路100Eは上述の実施形態と比較しダイオード損失がないため変換効率が良く、又、ON抵抗の低いパワーFETを用い、図2(b)の連続bvさせることにより、大型、大電力電池システムの急速充放電時に適している。
上述の第2実施形態〜第5実施形態は第1実施形態を基にして説明したが、第2実施形態〜第5実施形態においても、二次側回路はこの第6実施形態のようにダイオードの替わりにコンパレーターとスイッチを用いても良い。
<<第7実施形態>>
第7実施形態では、フォーワード方式のトランスを採用している。
第7実施形態では、フォーワード方式のトランスを採用している。
図10に、蓄電状態調整回路100Fの二次側分配放出部120−2に、フォワードコンバータータイプを採用した電池パック1−F例を示す。第7実施形態のフォーワードトランス300−2は一次側コイルLP'の巻線方向が、図1のフライバックトランス300の一次側コイルLPとは逆である。
図10において、駆動スイッチ素子SWをONにすると、一次側コイルLPには逆起電力と二次側コイルL1、L2、L3には誘電起電力が発生してダイオードD1、D2、D3を通して、二次電池BAT1,BAT2、BAT3のいずれかに電流が流れる。このときチョークコイルL4、L5、L6にエネルギーが蓄えられる。
駆動スイッチ素子SWをOFFにすると、電流変化を妨げるようにチョークコイルL4,L5,L6に起電力が生まれ、蓄えられたエネルギーが放出されて、電流経路を確保する転流ダイオードD4、D5、D6を通して、電流が流れて還流される。
なお、この駆動スイッチ素子SWがONすると同じ時間の比率で二次側にエネルギーが伝達され、ダイオードD1、D2、D3、D4、D5、D6、チョークコイルL4、L5、L6によって整流され安定化された直流を得る事ができる。このように、整流直後にチョークコイルが設置されるチョーク入力方式にできる為、本実施形態の蓄電状態調整回路100Fは、より広い用途に適用することができる。
以上のことから、蓄電状態調整回路では、搭載する機器の電流量、電圧量に応じて、所望のタイプのトランスの方式と回路を選択すると好ましい。
上述の第1〜第7実施形態では、充電時は充電回路から放電時は組電池200全体からエネルギーを得て、フライバックトランス300又はフォーワードトランス300−2を介して、最も電池電圧が低い二次電池に充電できるため効率の良いシステムを構築できる。
上述のように、本発明の蓄電状態調整回路は、電池の充電・放電状態を考慮して、高速で効率よく電圧の高い電池から低い電池にエネルギーを移送し、均一化ができる。
又、二次電池の電池電圧監視、演算等、特別の回路が必要でなく安価で蓄電電池の多数化も容易であり、民生用、産業用リチウム二次電池パックだけでなく、他の二次電池、キャパシタを組電池に搭載した時のシステムに有用である。
以上、各実施形態、実施例に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
BAT1〜BAT3 二次電池(蓄電手段)
SW 駆動スイッチ素子
SW1、SW2 スイッチ素子
SW3、SW4 スイッチ素子
M1,M2,M3 スイッチ素子
COM1、COM2、COM3 コンパレーター
1、1−A、1−B、1−C、1−D、1−E、1−F 電池パック
100、100A、100B、100C、100D、100E、100F 蓄電状態調整回路
D1、D2、D3 ダイオード
D4 D5 D6 転流ダイオード
110 一次側駆動部
111、111A、111B、111C、111D 制御回路
120、120−1、120−2 二次側分配放出部
131、131A、131B、131C、131D 電流調整部
132、132A,132B、132C、132D 周波数調整部
140 電流検知部
71 ADコンバーター
150 電池電圧検出回路 (電池電圧検出手段)
160、160D 動作領域設定回路(動作領域設手段)
200 組電池
300 フライバックトランス
300−2 フォーワードトランス
SW 駆動スイッチ素子
SW1、SW2 スイッチ素子
SW3、SW4 スイッチ素子
M1,M2,M3 スイッチ素子
COM1、COM2、COM3 コンパレーター
1、1−A、1−B、1−C、1−D、1−E、1−F 電池パック
100、100A、100B、100C、100D、100E、100F 蓄電状態調整回路
D1、D2、D3 ダイオード
D4 D5 D6 転流ダイオード
110 一次側駆動部
111、111A、111B、111C、111D 制御回路
120、120−1、120−2 二次側分配放出部
131、131A、131B、131C、131D 電流調整部
132、132A,132B、132C、132D 周波数調整部
140 電流検知部
71 ADコンバーター
150 電池電圧検出回路 (電池電圧検出手段)
160、160D 動作領域設定回路(動作領域設手段)
200 組電池
300 フライバックトランス
300−2 フォーワードトランス
Claims (14)
- 直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段と、前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイルと、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続され、前記一次側コイルに蓄えられたエネルギーが伝達される複数の二次側コイルと、に接続される蓄電状態調整回路であって、
前記複数の蓄電手段の少なくとも1つの蓄電手段の状態に応じて前記一次側コイルに蓄積されるエネルギー量を調整する調整部を有する蓄電状態調整回路。 - 前記一次側コイルに前記エネルギーが周期的に蓄積されており、
前記調整部は、前記蓄電手段の状態に応じて、前記一次側コイルに前記エネルギーが蓄積される所定の周期に対して蓄積期間の長さを調整する、請求項1記載の蓄電状態調整回路。 - 前記一次側コイルに前記エネルギーが周期的に蓄積されており、
前記調整部は、前記蓄電手段の状態に応じて、前記一次側コイルに前記エネルギーが蓄積される所定の蓄積期間に対して周期の長さを調整する、請求項1又は2記載の蓄電状態調整回路。 - 前記蓄電手段に対する充電器の接続を検知したことを示す信号が入力される端子を有し、
前記調整部は、前記蓄電手段の状態として前記端子から入力される信号に応じて、前記エネルギー量を調整する、請求項1〜3のいずれか1項記載の蓄電状態調整回路。 - 前記調整部は、前記端子から前記信号が入力されたとき、前記信号が入力されていないときよりも前記エネルギー量を大きくする請求項4記載の蓄電状態調整回路。
- 前記蓄電手段のそれぞれの電圧値を検知する電圧検知手段を有し、
前記調整部は、前記蓄電手段の状態として前記検知された電圧値に応じて、前記エネルギー量を調整する、請求項1〜5のいずれか1項記載の蓄電状態調整回路。 - 請求項1〜3のいずれか1項記載の蓄電状態調整回路は、さらに
負荷又は充電器が接続される接続端子と、
前記蓄電手段と前記接続端子との間の電流値を検出するADコンバーターとを有し、
前記調整部は、前記蓄電手段の状態として前記ADコンバーターの検出結果に応じて、前記エネルギー量を調整する、蓄電状態調整回路。 - 前記調整部は、前記ADコンバーターにより検出された電流値の絶対値が所定値以上であるとき、前記電流値が所定値未満であるときよりも前記エネルギー量を大きくする請求項7記載の蓄電状態調整回路。
- 請求項1〜8のいずれか1項記載の蓄電状態調整回路は、さらに前記一次側コイルと直列に接続される駆動スイッチ素子と、
前記駆動スイッチ素子のON/OFFのスイッチングを制御する制御手段と、
を有する、蓄電状態調整回路。 - 前記一次側コイルに前記エネルギーが周期的に蓄積されており、
前記調整部は、
前記駆動スイッチ素子を介して前記一次側コイルに接続する複数の抵抗を備え、前記蓄電手段の状態に応じて前記複数の抵抗の接続を変更して前記駆動スイッチ素子のON/OFFの電流閾値を調整して、前記一次側コイルに前記エネルギーが蓄積される所定の周期に対して蓄積期間の長さを調整する電流調整部
を有する、請求項9記載の蓄電状態調整回路。 - 前記一次側コイルに前記エネルギーが周期的に蓄積されており、
前記調整部は、
前記制御手段に接続される複数の抵抗を備え、前記蓄電手段の状態に応じて、前記複数の抵抗の接続を変更して前記駆動スイッチ素子のON/OFFのスイッチングの周波数を調整して、前記一次側コイルに前記エネルギーが蓄積される所定の蓄積期間に対して周期の長さを調整する周波数調整部
を有する、請求項9又は10記載の蓄電状態調整回路。 - 前記調整部において、前記制御手段は前記駆動スイッチ素子を停止しつづけることで、前記エネルギー量をゼロになるように調整する、請求項9〜11のいずれか1項記載の蓄電状態調整回路。
- 直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段からなる組電池に接続され、前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイルと、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続された複数の二次側コイルと、からなるトランスと、
トランスと接続された蓄電状態調整回路と、を有する蓄電状態調整装置であって、
前記蓄電状態調整回路は、
直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段と、前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイルと、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続され、前記一次側コイルに蓄えられたエネルギーが伝達される複数の二次側コイルと、に接続される蓄電状態調整回路であって、
前記複数の蓄電手段の少なくとも1つの蓄電手段の状態に応じて前記一次側コイルに蓄積されるエネルギー量を調整する調整部を有する、
蓄電状態調整装置。 - 直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段からなる組電池と、
前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイルと、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続された複数の二次側コイルと、からなるトランスと、
トランスと接続された蓄電状態調整回路と、を有する電池パックであって、
前記蓄電状態調整回路は、
直列に接続された充放電可能な複数の蓄電手段と、前記複数の蓄電手段と直列に接続された一次側コイルと、前記複数の蓄電手段のそれぞれに並列に接続され、前記一次側コイルに蓄えられたエネルギーが伝達される複数の二次側コイルと、に接続される蓄電状態調整回路であって、
前記複数の蓄電手段の少なくとも1つの蓄電手段の状態に応じて前記一次側コイルに蓄積されるエネルギー量を調整する調整部を有する、
電池パック。
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