JP2015154607A - 蓄電状態調整回路、蓄電状態調整装置、及び電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】複数の蓄電手段のそれぞれ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可能になる蓄電状態調整回路を提供する。【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た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、前記一次側コイルと直列に接続されるスイッチ素子ＳＷのオン／オフを制御する制御手段１１１と、前記複数の蓄電手段のそれぞれの電圧に基づいて、前記蓄電手段のうち少なくとも１つの蓄電手段の電圧値が第１範囲にあるときは前記スイッチ素子のオフを維持し、該電圧値が第２範囲にあるときは、前記スイッチ素子のオンとオフとを実行するように前記制御手段の動作領域を設定する動作領域設定手段１４０と、を有する。【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、蓄電状態調整装置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を含む電池パックでは、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、蓄電電圧を均一化させる動作で電力を消費することが考慮されていなかった。さらに従来では、常に蓄電電圧均一化回路を動作させるため、消費電力の損失が生じていた。

本発明は、上記事情を鑑みて、一態様によれば、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可能になる蓄電状態調整回路を提供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。
一態様として、本発明は、
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た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、
前記一次側コイルと直列に接続されるスイッチ素子のオン／オフを制御する制御手段と、
前記複数の蓄電手段のそれぞれの電圧に基づいて、前記蓄電手段のうち少なくとも１つの蓄電手段の電圧値が第１範囲にあるときは前記スイッチ素子のオフを維持し、該電圧値が第２範囲にあるときは、前記スイッチ素子のオンとオフとを実行するように前記制御手段の動作領域を設定する動作領域設定手段と、を有する、蓄電状態調整回路。

本発明の一態様によれば、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可能になる。

本願の第１実施形態の蓄電状態調整回路を含む電池パックを説明する図である。 図１の蓄電状態調整回路の稼働領域について表すグラフである。 図１の電池パックに含まれる、動作領域設定部の構成図である。 本願の第１実施形態の変形例１の電池パックを説明する図である。 本願の第１実施形態の変形例２の電池パックを説明する図である。 本願の第２実施形態の電池パックを説明する図である。 本願の第３実施形態の電池パックを説明する図である。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の第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、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、電池電圧検出部１３０、動作領域設定部１４０を有する。

一次側駆動部１１０は、制御回路１１１、スイッチ素子（駆動スイッチ素子）ＳＷ、及び抵抗Ｒｓ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、再配分する。

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（本実施例では三つの二次電池ＢＡＴ１、ＢＡＴ２、ＢＡＴ３）を含む。

本実施形態のトランス３００はフライバックトランスであり、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。

より詳しくは、一次側駆動部１１０は、組電池２００の正極からエネルギー供給を受け、制御回路１１１がスイッチ素子ＳＷを制御し、スイッチ素子ＳＷがオンしている時に抵抗Ｒｓで設定された電力を一次側コイル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全体から電力の供給を受ける。この一次側コイルＬｐに供給された電力はスイッチＳＷがオフしている際、二次側コイルＬ１〜Ｌ３に再分配され、二次側コイルＬ１〜Ｌ３が分配された充電器および電池電圧からなる電力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全体から電力供給を受ける。この一次側コイルＬｐに供給された電力は、スイッチＳＷがオフしている際、二次側コイルＬ１〜Ｌ３に再分配され、二次側コイルＬ１〜Ｌ３が分配された電池電圧からなる電力を、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、スイッチ素子ＳＷがオフの期間に、一次側コイルＬｐに蓄積された電力を、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。

本実施形態のトランス３００は、スイッチ素子ＳＷのオンの期間に、一次側コイルＬｐに電力を蓄える。そして本実施形態のトランス３００は、スイッチ素子ＳＷがオフに切り替わると、一次側コイルＬｐの逆起電力を利用して、蓄えられていた電力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の他端はスイッチ素子ＳＷの一端と接続されている。スイッチ素子ＳＷの他端は、抵抗Ｒｓ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の一端は、二次電池ＢＡＴ１の負極と接続されており、二次側のコイルＬ１の他端はダイオード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の一端は、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、二次側コイルＬ２の他端はダイオード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の一端は、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、二次側コイルＬ３の他端はダイオード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。

電池電圧検出部（電池電圧検出手段）１３０は、組電池２００内の二次電池と同じ数の検知手段３１、３２、３３を有する。検知手段３１、３２、３３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、より詳しくは、検知手段３１、３２、３３はそれぞれ電池電圧を第一の閾値である３．９Ｖと比較し、比較結果を出力している。以下の説明では、電池電圧Ｖ_ＢＡＴ１、Ｖ_ＢＡＴ２、Ｖ_ＢＡＴ３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部１３０は、各検知手段３１、３２、３３による電池電圧の検出結果（比較結果）を示す検出信号（蓄電電圧検出信号）Ｖｄｅｔを動作領域設定部１４０へ出力する。検出信号Ｖｄｅｔは、各検知手段３１、３２、３３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。

また、動作領域設定部（動作領域設定手段）１４０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、動作領域設定部１４０は、電池電圧検出部１３０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、二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３が所定の電池電圧の範囲のみ、制御回路１１１、即ち、蓄電状態調整回路１００を動作させる。より具体的には動作領域設定部１４０は、検出信号Ｖｄｅｔと放電状態信号Ｄｏｕｔとに基づいて、制御回路１１１に対し、制御回路１１１の動作と停止を制御する制御信号を出力する。

制御回路１１１は、動作領域設定部１４０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。本実施形態では、制御信号がＨレベルの場合は、制御回路１１１を動作させ、スイッチ素子ＳＷのオンとオフとを実行する。本明細書において、オンとオフとを実行する、とは、周期的にオン期間とオフ期間を切り替えるスイッチングの制御を行うことをいう。制御信号がＬレベルの場合は、制御回路１１１が動作を停止させて、スイッチ素子ＳＷのスイッチングを停止させ、スイッチ素子ＳＷのオフを維持する。

本実施形態において、制御回路１１１が動作しているときは、スイッチ素子ＳＷを所定の周期でオン／オフさせるスイッチ素子制御信号を生成し、出力する。即ち制御回路１１１は、動作時に蓄電状態調整回路１００を作動させる。なお、スイッチ素子制御信号は、例えばスイッチ素子ＳＷを所定のタイミングでオンさせるパルス信号等である。

また、本実施形態において、制御回路１１１が動作を停止しているときは、制御回路１１１のスイッチ素子制御信号の出力を止め、これによりスイッチ素子ＳＷのオン／オフの動作を停止させる。即ち、制御回路１１１は蓄電状態調整回路１００の動作を停止させる。あるいは、制御回路１１１はＬレベルのスイッチ素子制御信号を出力して、スイッチ素子ＳＷのオフを維持してもよい。

（二次電池の放電特性について）
図２に一般のリチウム（Ｌｉ）系などの二次電池の放電特性を示す。図２の放電カーブでは、定電流負荷を接続した場合、電圧変化点Ｖ_Ｂ３（時間Ｔ３）を持ち、電圧降下する際は、電池の劣化電圧（過放電電圧）Ｖ_Ｂ４近辺で急激な電圧降下が始まる。

より詳しくは、放電時、電圧変化点Ｖ_Ｂ３に至る前の放電カーブの傾斜が緩やかな領域（第１範囲）では、電池内の電解液のイオンは電流に変換されている。

電圧変化点Ｖ_Ｂ３は、例えば３．８Ｖであり、この電圧になると、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Ｖ_Ｂ３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Ｖ_Ｂ３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、電池の劣化が生じうる地点（以下、過放電電圧）Ｖ_Ｂ４、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Ｖ_Ｂ４まで降下した後に、さらに放電を行うと電池劣化の可能性がある。したがって二次電池の放電は、過放電電圧Ｖ_Ｂ４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Ｖ_Ｂ３である３．８Ｖまで降下する前の３．９Ｖまで降下したことを検知すると、各二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３の電池電圧の均等化（セルバランス）を行うように制御する。

さらに、本実施形態では、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、過放電電圧Ｖ_Ｂ４である３．０Ｖまで降下する前の３．２Ｖ（第二の閾値）まで降下したことを検知すると、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Ｖ_ＢＡＴ１〜Ｖ_ＢＡＴ３が電圧変化点Ｖ_Ｂ３（３．８Ｖ）に対応する第一の閾値（例えば３．８Ｖ）（Ｔ３）より低い電圧となったときから、二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３うち何れかの電池電圧Ｖ_ＢＡＴ１〜Ｖ_ＢＡＴ３が過放電電圧Ｖ_Ｂ４（例えば３．０Ｖ）（Ｔ４）に対応する第二の閾値（例えば、３．２Ｖ）に到達するまでの間で動作する。

即ち本実施形態では、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、第１範囲）では、蓄電状態調整回路１００を動作させない。即ち、制御回路１１１がスイッチ素子ＳＷのオフの状態を維持する。

また本実施形態では、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（第２範囲）では、蓄電状態調整回路１００を動作させる。即ち、スイッチ素子ＳＷのオンとオフを実行させ、周期的にオン期間とオン期間を設けたスイッチングの制御を行う。

組電池の場合蓄電手段（蓄電池）は複数存在するため、図２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、電池電圧検出部１３０を設けている。

（動作領域の設定について）
このような放電特性に基づき、本実施形態の蓄電状態調整回路１００を動作させる動作領域は下記のように設定している。

電池電圧検出部１３０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、電池電圧検出部１３０には、それぞれ検知手段３１、３２、３３のうち、一つでも３．９Ｖを下回ったことを検知すると、電池電圧検出部１３０は、検出状態を示すＬレベルの検出信号Ｖｄｅｔを出力する。

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。また、過放電電圧Ｖ_Ｂ４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。

図３に、動作領域設定部１４０の構成図を示す。動作領域設定部１４０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。ＸＯＲ回路１４０から出力される制御信号は制御回路１１１のイネーブル端子ＳＨＤＮに接続されている。ＸＯＲ回路１４０へ入力される電池電圧検知信号Ｖｄｅｔと放電状態信号Ｄｏｕｔと、ＸＯＲ回路１４０から出力される制御信号の対応関係を表１に表す。

ＸＯＲ回路１４０は、Ｌレベルの検出信号Ｖｄｅｔ、かつ、Ｈレベルの放電状態信号Ｄｏｕｔを受け取ると、即ち、二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３のうち何れかの電池電圧が３．９Ｖ以下の場合、かつ、３つの二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３の電池電圧がすべて３．２Ｖよりも大きい場合である第２範囲にあるとき、制御回路１１１を動作させるＨレベルの制御信号を出力する。

またＸＯＲ回路１４０は、放電時に、二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３うち、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が３．２Ｖ以下の第１範囲にあるとき、制御回路１１１の動作を停止させるＬレベルの制御信号を出力する。

なお、図３では動作領域設定部１４０は、ＸＯＲ回路で模式的に表したが、入力される二つの信号に基づき、制御回路１１１の動作領域を設定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。

上述の動作領域設定部１４０の制御により、放電時、二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３のうち何れかの電池電圧が３．９Ｖよりも高い電圧領域であれば、制御回路１１１の動作を停止させることでスイッチ素子ＳＷをオフして電池の蓄電状態の調整を止める。

さらに動作領域設定部１４０は、二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３のうち何れかの電池電圧が３．９Ｖまで下がった場合は、制御回路１１１にスイッチ素子ＳＷのスイッチング制御（ＯＮ、ＯＦＦ期間を設ける）を復帰させ、電池の蓄電状態の調整を復帰させる。

また動作領域設定部１４０は、二次電池ＢＡＴ１〜ＢＡＴ３のうち何れかの電池電圧が３．２Ｖまで下がった場合は、制御回路１１１の動作を再び停止させることでスイッチ素子ＳＷをオフして電池の蓄電状態の調整を止める。また、制御回路１１１の動作による消費電力がかかるが、制御回路１１１自体を停止させず、制御回路１１１がローレベル信号を出力することで、スイッチ素子ＳＷのオフを所定期間持続されるように制御してもよい。

なお、上述の実施形態では、稼働領域は３．２Ｖ〜３．９Ｖの一つの範囲だったが、稼働範囲を複数設けてもよい。例えば、３．９以上の範囲は停止し、３．６Ｖから３．９Ｖの間は稼働させ、３．４Ｖ〜３．６Ｖの範囲を停止し、再び３．２Ｖ〜３．４Ｖの間は稼働させ、３．３以下の範囲を停止する、としてもよい。停止範囲を第１の範囲、稼働範囲を第２の範囲、とする。

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、電池電圧の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。

以上のように本実施形態の蓄電状態調整回路１００は、エネルギーを無駄なく高速で効率よく、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。

また本実施形態では、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１００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。

＜第１実施形態の変形例１＞
図４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１００−１を示すブロック図である。

本変形例の構成は、図１の３セル組電池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ＣＯＭ１、ＣＯＭ２、ＣＯＭ３で置き換えた構成を有する。

本変形例のスイッチ群は通常、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチ素子などからなる。又、二次側分配放出部１２０−１で、一次側駆動部１１０のスイッチ素子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。

本変形例の二次電池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の他端はスイッチ素子ＳＷの一端と接続されている。スイッチ素子ＳＷの他端は、抵抗Ｒｓを介して二次電池ＢＡＴ１の負極と接続されている。

本変形例の二次側コイルＬ１の一端は、二次電池ＢＡＴ１の負極と接続さてれおり、二次側コイルＬ１の他端はコンパレータＣＯＭ１及びスイッチ素子Ｍ１を介して二次電池ＢＡＴ１の正極と接続されている。

スイッチ素子Ｍ１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。コンパレータＣＯＭ１は、反転入力端子が二次側コイルＬ１の他端及びスイッチ素子Ｍ１の一端と接続され、非反転入力端子がスイッチ素子Ｍ１の他端及び二次電池ＢＡＴ１の正極と接続されている。コンパレータＣＯＭ１の出力は、スイッチ素子Ｍ１のオン／オフを制御するゲートに供給される。

すなわち本変形例のコンパレータＣＯＭ１は、二次側コイルＬ１の他端とスイッチ素子Ｍ１の一端との接続点Ｐ１の電圧（二次側の逆起電圧Ｅ）と二次電池ＢＡＴ１の電池電圧とを比較している。コンパレータＣＯＭ１は、接続点Ｐ１の電圧が、二次電池ＢＡＴ１の電池電圧よりも高くなると、Ｈレベルの信号を出力し、スイッチ素子Ｍ１をオンさせる。尚、スイッチ素子Ｍ１は、後述するスイッチ素子ＳＷと逆相で動き、電流の逆流を防止する同期整流スイッチであっても良い。

本変形例の二次側コイルＬ２の一端は、二次電池ＢＡＴ１の正極（二次電池ＢＡＴ２の負極）と接続さてれおり、二次側コイルＬ２の他端はコンパレータＣＯＭ２及びスイッチ素子Ｍ２を介して二次電池ＢＡＴ２の正極と接続されている。スイッチ素子Ｍ２は、一端がコイル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。

コンパレータＣＯＭ２は、反転入力端子が二次側コイルＬ２の他端及びスイッチ素子Ｍ２の一端と接続され、非反転入力端子がスイッチ素子Ｍ２の他端及び二次電池ＢＡＴ２の正極と接続されている。コンパレータＣＯＭ２の出力は、スイッチ素子Ｍ２のオン／オフを制御するゲートに供給される。

コンパレータＣＯＭ２は、コンパレータＣＯＭ１と同様に、二次側コイルＬ２の他端とスイッチ素子Ｍ２の一端との接続点Ｐ２の電圧が、二次電池ＢＡＴ２の電池電圧より高くなったとき、スイッチ素子Ｍ２をオンさせる。本変形例１の二次側コイルＬ３の一端は、二次電池ＢＡＴ２の正極（二次電池ＢＡＴ３の負極）と接続されており、二次側コイルＬ３の他端はコンパレータＣＯＭ３及びスイッチ素子Ｍ３を介して二次電池ＢＡＴ３の正極（Ｐ＋端子）と接続されている。スイッチ素子Ｍ３は、一端がコイル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。

コンパレータＣＯＭ３は、反転入力端子が二次側コイルＬ３の他端及びスイッチ素子Ｍ３の一端と接続され、非反転入力端子がスイッチ素子Ｍ３の他端及び二次電池ＢＡＴ３の正極と接続されている。コンパレータＣＯＭ３の出力は、スイッチ素子Ｍ２のオン／オフを制御するゲートに供給される。コンパレータＣＯＭ３は、コンパレータＣＯＭ１と同様に、コイルＬ３の他端とスイッチ素子Ｍ３の一端との接続点Ｐ３の電圧が、二次電池ＢＡＴ３の電池電圧より高くなったとき、スイッチ素子Ｍ３をオンさせる。

以上のように本変形例１では、一次側コイルＬｐにおける電流ＩＬｐにより蓄積された電力Ｗ１が、二次側コイルＬ３とスイッチ素子Ｍ３を経由して、ピーク電流値ＩＬ３ｐを持った三角波で示される電流ＩＬ３として二次電池ＢＡＴ３に放出される。二次電池ＢＡＴ３は、制御回路１１１から供給される制御信号によりスイッチ素子ＳＷがオンされるまで、電流ＩＬ３により充電される。

即ち、本変形例１では、スイッチ素子ＳＷがオフとなったとき、二次電池ＢＡＴ１、ＢＡＴ２、ＢＡＴ３のうち最も電池電圧が低い二次電池と接続されたスイッチ素子Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３が最初にオンされる。

ここで再度スイッチ素子ＳＷがオンされると、二次側への電力の供給が停止され、一次側コイルＬｐに対する電力の蓄積が開始される。そして二次側では、次にスイッチ素子ＳＷが再びオフとなったとき、このタイミングにおいて最も電池電圧が低い二次電池から順に、電力の供給が開始される。

すなわち本変形例１では、組電池２００全体から得た電力を一次側コイルＬｐに蓄え、二次側コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３を介して電池電圧の最も低い二次電池にこの電力を移送する作業が行われる。そして、このサイクルを繰り返すことにより、スイッチ素子ＳＷがオフとなったときに電池電圧が最も低い二次電池から順に充電され、各二次電池の電池電圧の均一化が行われる。

したがって、二次側コイルＬ１、Ｌ２，Ｌ３の逆起電圧と、二次側コイルＬ１、Ｌ２，Ｌ３と接続された二次電池の電池電圧Ｖｂａｔ１，Ｖｂａｔ２，Ｖｂａｔ３との比較に基づき、一次側コイルＬｐからの電力を供給する二次電池を選択する。よって、スイッチだけで構成する場合と比べて、組電池を構成する複数の二次電池のそれぞれの電池電圧を監視するための構成が不要となり、簡易な構成で複数の二次電池の電池電圧の均一化を図ることができる。

尚、本変形例において、電池電圧Ｖｂａｔ１＞電池電圧Ｖｂａｔ２＞電池電圧Ｖｂａｔ３の場合は、原則、スイッチ素子Ｍ３が最初にオンされ、二次電池ＢＡＴ３にのみ電流が供給されるが、これに限定されない。

例えば、電池電圧Ｖｂａｔ１＞電池電圧Ｖｂａｔ２＝電池電圧Ｖｂａｔ３であった場合には、スイッチ素子Ｍ２とスイッチ素子Ｍ３が同時にオンとなり、二次電池ＢＡＴ２と二次電池ＢＡＴ３とが同時に充電される。

また本変形例では、組電池２００の有する二次電池を３つとして記載したが、これに限定されない。組電池２００に含まれる二次電池は、任意の数であって良い。

当変形例の蓄電状態調整回路１００−１は、第１実施形態の蓄電状態調整回路１００と比較して、ダイオードの代わりにオン抵抗の低いパワーＦＥＴを使うことにより、ダイオード損失がないため、損失の少ない回路が構成でき、変換効率がよくなる。

以下の具体的な構成例としての第２、第３実施形態は第１実施形態を基にして説明するが、第２、第３実施形態においても、二次側回路は本変形例のようにダイオードの替わりにスイッチとコンパレータを組み合わせた構成を用いて構成してもよい。

＜実施形態の変形例２＞
本変形例では、フォーワード方式のトランスを採用している。

図５に、第１実施形態の変形例２として、蓄電状態調整回路１００−２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例を示す。本変形例２のトランス３００−２は一次側コイルＬｐ'の巻き線方向が、図１のトランス３００の一次側コイルＬｐとは逆である。

本回路において、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、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。

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、このスイッチ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、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。

＜第２実施形態＞
図６に、第２実施形態としての電池パックを説明する図を示す。本実施形態の電池パック１Ａは、第１実施形態に追加して、充電器が接続されたことを検出するための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。

本実施形態の蓄電状態調整回路１００Ａでは、充電器接続検出端子Ｔに充電器が接続されている場合は、制御回路１１１Ａを作動させ、駆動スイッチＳＷのスイッチングの制御を行う（オンとオフとを実行する）。放電時の制御は第１実施形態と同様である。

上記第１実施形態では、制御回路１１１の動作、動作停止は放電時のみについて考慮され、放電時の電圧の範囲に応じて稼働させたが、本実施形態では、制御回路１１１Ａは端子Ｔからの信号により、充電時のことも考慮できる。

本実施例において、充電器接続検出端子Ｔにより、充電器接続が検知された場合は、制御回路１１１Ａは常に動作する。

＜第３実施形態＞
図７に、第３実施形態の電池パックを説明する図を示す。第３実施形態の電池パック１Ｂは、電池電圧検出部１３０、および動作領域設定部１４０は配置されずに、ＡＤコンバータ５１、制御スイッチ５２、抵抗５３からなる電流検出回路１５０が配置されている。

（ＡＤコンバータでの電流監視）
電流検出回路１５０のＡＤコンバータ５１は、充電、放電電流を監視し、電池電圧検出部１３０の替わりに、電圧の対応する電流の閾値を設定して制御回路１１１Ｂを制御させる。電流検出回路１５０からの信号は制御回路１１１Ｂのイネーブル端子ＳＨＤＮに入力されている。

ＡＤコンバータ５１では、充電、放電の場合に応じた、電流の閾値を設定している
ＡＤコンバータ５１が、充電電流を検出すると、上記第２実施形態例で、充電器の接続が検知された時と同様に、蓄電状態調整回路１００Ｂを常に駆動させる。

ＡＤコンバータ５１を用いる場合、放電時、電流を検出して、擬似的に下記のように制御する。

電流検出回路１５０は、所定の電流Ｉ_１以上で所定時間Ｔ_１経過したとき、電池電圧が３．９Ｖになったとみなして、制御回路１１１Ｂを作動させ、蓄電状態調整を開始（ＯＮ）させる。さらに電流検出回路１５０は、蓄電状態調整を開始させてから任意の時間Ｔ_２経過したとき、電池電圧が３．２Ｖになったとみなして、制御回路１１１Ｂの動作を停止させ、蓄電状態調整を停止（ＯＦＦ）させる。なお、この所定の電流Ｉ_１や所定時間Ｔ_１は、用途によって設定値が異なる。

ＡＤコンバータ５１と接続された制御スイッチ５２は例えば、抵抗とスイッチアレイからなる。

また、制御スイッチ５２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。

本発明の蓄電状態調整回路は、エネルギーを無駄なく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の監視、演算等、特別の回路が必要でなく安価で多セル化も容易であり、民生用、産業用二次電池パックだけでなく、他の二次電池、キャパシタを組セル化した時のシステムに有用である。

以上、各実施形態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。

１、１−１、１−２、１Ａ、１Ｂ 電池パック
１００、１００−１、１００−２、１００Ａ、１００Ｂ 蓄電状態調整回路
１１０、１１０−１ 一次側駆動部
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ 制御回路
１２０、１２０−１、１２０−２ 二次側分配放出部
１３０ 電池電圧検出部（蓄電電圧検出手段）
１４０ 動作領域設定部（動作領域設定手段）
１５０ 電流検出回路
２００ 組電池
３００、３００−２ トランス
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ ダイオード
Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ 転流ダイオード
Ｌｐ、Ｌｐ' 一次側コイル
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 二次側コイル
Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６ チョークコイル
ＳＷ スイッチ素子
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３ 二次側スイッチ
Ｄｏｕｔ 放電状態信号
Ｖｄｅｔ 検出信号（蓄電電圧検出信号）

特開２０１１−１８２４８４号公報 特開２０１１−８３１８２号公報

Claims (8)

1. 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た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、
   前記一次側コイルと直列に接続されるスイッチ素子のオン／オフを制御する制御手段と、
   前記複数の蓄電手段のそれぞれの電圧に基づいて、前記蓄電手段のうち少なくとも１つの蓄電手段の電圧値が第１範囲にあるときは前記スイッチ素子のオフを維持し、該電圧値が第２範囲にあるときは、前記スイッチ素子のオンとオフとを実行するように前記制御手段の動作領域を設定する動作領域設定手段と、を有する、蓄電状態調整回路。
2. 前記動作領域設定手段は、
   前記複数の蓄電手段のすべての電圧が、電圧降下の度合いが変化する電圧に対応する第一の閾値よりも大きいとき、前記第１範囲として前記制御手段に前記スイッチ素子のオフを維持させ、
   前記複数の蓄電手段の電圧のうち少なくともいずれか一つが前記第一の閾値以下であって、前記複数の蓄電手段のすべての電圧が前記第一の閾値よりも小さい値であって、過放電電圧に対応する第二の閾値よりも大きいとき、前記第２範囲にあるとして前記制御手段に前記スイッチ素子のオンとオフを実行させ、
   前記複数の蓄電手段の電圧のうち少なくともいずれか一つが前記第二の閾値以下になったことが検出されたとき、前記第２範囲にあるとして前記制御手段に前記スイッチ素子のオフを維持させる、請求項１に記載の蓄電状態調整回路。
3. 前記複数の蓄電手段のそれぞれの電圧を検出し、前記第一の閾値と比較し、比較結果を前記動作領域設定手段に出力する蓄電電圧検出手段をさらに有する、請求項２に記載の蓄電状態調整回路。
4. 前記動作領域設定手段は、
   前記複数の蓄電手段の電圧に基づき前記複数の蓄電手段の放電の状態であって前記第二の閾値との比較結果を示す放電状態信号を外部から受けて、前記制御手段による前記スイッチ素子のオン/オフを制御する、請求項２又は３に記載の蓄電状態調整回路。
5. 前記蓄電手段に対する充電器の接続を検知する充電器接続検出端子を有し、
   前記充電器接続検出端子の充電器接続の検出結果に基づき、前記前記制御手段は前記スイッチ素子のオン/オフを制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電状態調整回路。
6. 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、
   前記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、
   前記一次側コイルと直列に接続されるスイッチ素子のオン／オフを制御する制御手段と、
   前記複数の蓄電手段のそれぞれの電圧に基づいて、前記蓄電手段のうち少なくとも１つの蓄電手段の電圧値が第１範囲にあるときは前記スイッチ素子のオフを維持し、該電圧値が第２範囲にあるときは、前記スイッチのオンとオフとを実行するように前記制御手段の動作領域を設定する動作領域設定手段と、を有する
   蓄電状態調整装置。
7. 直列に接続された複数の蓄電手段を有する組電池と、
   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、
   前記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、
   前記一次側コイルと直列に接続されるスイッチ素子のオン／オフを制御する制御手段と、
   前記複数の蓄電手段のそれぞれの電圧に基づいて、前記蓄電手段のうち少なくとも１つの蓄電手段の電圧値が第１範囲にあるときは前記スイッチ素子のオフを維持し、該電圧値が第２範囲にあるときは、前記スイッチのオンとオフとを実行するように前記制御手段の動作領域を設定する動作領域設定手段と、を有する
   電池パック。
8. 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た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、
   前記一次側コイルと直列に接続されるスイッチ素子のオン／オフを制御する制御手段と、
   前記複数の蓄電手段のそれぞれの電流に基づいて、前記蓄電手段のうち少なくとも１つの蓄電手段の電圧値が第１範囲にあるときは前記スイッチ素子のオフを維持し、該電圧値が第２範囲にあるときは、前記スイッチのオンとオフとを実行するように前記制御手段の動作領域を設定する動作領域設定手段と、を有する
   蓄電状態調整回路。

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