JP2016046836A - 非絶縁型セルバランス回路 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない消費電力で高速に充放電できる非絶縁型セルバランス回路を提供する。【解決手段】複数のセル（１４ｎ）を直列に接続して形成される二次電池（１４）と、この二次電池の端子電圧を選択するセル選択スイッチ（１）と、蓄電部（９）と、充電スイッチ（１６）及び放電スイッチ（１５）と、インダクタンス（４）及び還流ダイオード（５，８）と、各セルの電位を監視するセルモニタ（２６）と、コントローラ（２２）と、を備える。コントローラは、セル選択スイッチに二次電池の最大電位となる端子電圧を選択させると共に充電スイッチを動作させて蓄電部に充電する。また、コントローラは、セルモニタからのセル電圧情報に基づきセル選択スイッチに複数のセルのうち電圧の低い１つのセルの端子電圧を選択させると共に放電スイッチを動作させて蓄電部から放電する。【選択図】図１

Description

本発明は、直列接続された二次電池のセル間のバランスを調整する回路に関する。

二次電池のセル間のバランスを調整するための回路として、例えば特許文献１が公知である。この特許文献１には、「直列接続したセルＣＥ１〜ＣＥ６の両端からスイッチＳ１１〜Ｓ６２により順次切り替えられる電圧保持装置ＣＤ１により、順番にセルとの接続を取ることを繰り返すことにより、各セルのバランスを容易に調整できるようにしている。」と記載されている（要約参照）。

特開２００１−１７８００８号公報

しかしながら、特許文献１ではセルへの接続を順次繰り返し接続することにより、万遍なく動作を繰り返すことでセル間電圧差を無くすように動作している。スイッチング動作の繰り返しによるバランス動作のためアンバランスの電圧差は少ないので、移動する電荷量も少なく各セルの電圧が均等化するのに時間がかかるという課題がある。さらに、この繰り返し動作をしている間に発生する動作電力がロスになるという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、少ない消費電力で高速に充放電できる非絶縁型セルバランス回路を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る非絶縁型セルバランス回路は、複数のセルを直列に接続して形成される二次電池と、この二次電池の端子電圧を選択するセル選択スイッチと、前記二次電池との間で充放電を行う蓄電部と、前記セル選択スイッチと前記蓄電部との間に設けられる充電スイッチ及び放電スイッチと、前記充電スイッチと前記放電スイッチとの間に設けられ、前記蓄電部と直列に接続されるインダクタンス及び前記蓄電部と並列に接続される還流ダイオードと、前記各セルの電位を監視するセルモニタと、前記各スイッチを動作させるためのコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記セル選択スイッチに前記二次電池の最大電位となる端子電圧を選択させると共に前記充電スイッチを動作させて前記蓄電部に充電し、前記コントローラは、前記セルモニタからのセル電圧情報に基づき前記セル選択スイッチに前記複数のセルのうち電圧の低い１つのセルの端子電圧を選択させると共に前記放電スイッチを動作させて前記蓄電部から放電する、ことを特徴とする。

本発明によれば、非絶縁型スイッチングコンバータの動作原理を使用して蓄電部への充放電の電流を制御することができるので、低消費電力で高速に充放電することができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る非絶縁型セルバランス回路の全体構成図。 図１に示す非絶縁型セルバランス回路の動作タイミング図。 本発明の第２実施形態に係る非絶縁型セルバランス回路の全体構成図。 本発明の第３実施形態に係る非絶縁型セルバランス回路の全体構成図。

以下、本発明に係る非絶縁型セルバランス回路の実施形態を図に基づき説明する。

「第１実施形態」
図１は、本発明の第１実施形態に係る非絶縁型セルバランス回路の全体構成図であり、図２は、図１に示す回路の動作タイミングを示す図である。図１及び図２において、ＣＨＧは充電、ＤＣＨＧは放電を意味する略語である。また、図１において、ＣＨＧの近傍に図示した実線の矢印は充電時の電流の流れ方向を、ＤＣＨＧの近傍に図示した破線の矢印は放電時の電流の流れ方向をそれぞれ示している。

図１に示すように、第１実施形態に係る非絶縁型セルバランス回路は、複数のセル１４ａ，ｂ・・・ｎを直列接続して形成され、電圧バランスを取る対象の二次電池１４と、二次電池１４の端子電圧を選択することができるセル選択スイッチ１と、充電スイッチ１６と、放電スイッチ１５と、インダクタンス４と、還流ダイオード５，８と、コンデンサ（蓄電部）９と、セルの電圧を監視するセルモニタ２６と、各スイッチ１，１５，１６の動作を制御するためのコントローラ２２と、を主に備えて構成される。

セルモニタ２６は、各セル１４ａ，ｂ，・・・ｎとセル電圧検出線１９を介して接続され、各セル１４ａ，ｂ，・・・ｎの電圧を監視すると共に、セル電圧取得信号２１をコントローラ２２に出力する。コントローラ２２は、このセル電圧取得信号２１を入力として、セル選択スイッチ１にスイッチ（ＳＷ）制御信号２０を出力するほか、充電スイッチ１６及び放電スイッチ１５の動作を排他的に制御する。なお、排他的に制御するとは、充電スイッチ１６をオンにするとき放電スイッチ１５はオフになるよう、また放電スイッチ１５をオンにするとき充電スイッチ１６をオフにするよう制御することを意味する。

セル選択スイッチ１は、例えばフォトＭＯＳ等で構成され、セル選択スイッチ１で選択した二次電池１４の端子電圧を出力端子１７，１８に選択的に出力する。セル選択スイッチ１は、充電スイッチ１６を経由して、コンデンサ９と接続される。出力端子１７，１８は端子１７がプラス電位を持ち、端子１８はマイナス電位を持つ。

転送電荷量は電圧値に依存するので、コンデンサ９に充電するときは、セル選択スイッチ１が二次電池１４の最大電位を選択するようコントローラ２２がセル選択スイッチ１の動作を制御する。そして、コントローラ２２が充電スイッチ１６をオンさせて、チャージ動作が開始される。

一方、放電動作においては、コントローラ２２は、セルモニタ２６からのセル電圧取得信号２１に基づいて、複数のセル１４ａ，ｂ・・・ｎのうちセル電圧が最も低いセルを１つ選択し、その選択されたセルに対して放電スイッチ１５を経由してコンデンサ９から放電する。なお、コントローラ２２は、最も電圧が低いセルではなく、例えば、２番目に電圧が低いセルを選択するようにセル選択スイッチ１の動作を制御しても良い。

充電スイッチ１６及び放電スイッチ１５は、トランジスタ２、トランジスタ１１、及びダイオード３を有するフローティングスイッチである。動作点はセル選択スイッチ１の設定に依存して、最大電圧から最小の１セル分の電圧に対応して動作する。フローティングスイッチを駆動するトランジスタ１１は、電流駆動型のバイポーラトランジスタであって、セルバランスを行う必要のあるセルの最高電圧を保証できる高耐圧のものを用いる。

このようなトランジスタ１１を用いることにより、その制御はマイコンの電圧で直接可能となり、たとえば電池モジュールを多段に積み上げた場合もそれぞれのモジュールは直接マイコンから制御できることになる。また、高耐圧のトランジスタとすることにより、充電スイッチ１６及び放電スイッチ１５の動作範囲を大きくできる。

また、トランジスタ１１として普通のバイポーラトランジスタを使用しているため、入力１０及び入力１２は通常の論理レベルの３．３Ｖでインターフェースするように構成することは容易となる。なお、図１による回路構成では、ＧＮＤをマイコン等の動作基準電位に合わせ、入力１０，１２をマイコン等から直接出力してトランジスタ１１を駆動することができるので、レベル変換等の回路が不要となる。なお、ダイオード３はトランジスタ２の構造に依存して寄生製造されるダイオードである。

ここで、充電スイッチ１６は、セル選択スイッチ１とコンデンサ９とを接続する回路において、セル選択スイッチ１側に配置され、放電スイッチ１５は、当該回路においてコンデンサ９側に配置される。インダクタンス４は、充電スイッチ１６と放電スイッチ１５との間の位置に直接に接続される。還流ダイオード５，８は、それぞれ充電スイッチ１６と放電スイッチ１５との間の位置で、インダクタンス４を挟んでコンデンサ９と並列に接続される。

次に、充電スイッチ１６と放電スイッチ１５の動作の詳細を、図２を参照しながら説明する。充電スイッチ１６の動作は図２のＣＨＧで示すタイミングで動作する。入力１０に入るタイミングはマイコン等の制御出力であり、よく使われる３．３Ｖ振幅の信号である。入力１０が高レベルの間、充電スイッチ１６のトランジスタ２はＯＮし、インダクタンス４に電流が流れる。図２のｄｔ期間に電流ｄｉが流れ、放電スイッチ１５のダイオード３を経由してコンデンサ９に充電電流が流れる。入力１０が低レベルの間は、還流ダイオード５から引き続きコンデンサ９に向かって充電電流が流れ続ける。これにより、充電時間の高速化が可能となる。

放電スイッチ１５の動作は図２のＤＣＨＧで示すタイミングで動作する。入力１２に入るタイミングはマイコン等の制御出力であり、よく使われる３．３Ｖ振幅の信号である。入力１２が高レベルの間、放電スイッチ１５のトランジスタ２はＯＮし、インダクタンス４に電流が流れる。図２のｄｔ期間に電流ｄｉが流れ、充電スイッチ１６のダイオード３を経由して二次電池１４に充電電流が流れる。入力１２が低レベルの間は、還流ダイオード８から引き続き二次電池１４に向かって充電電流が流れ続ける。

ここで、セルのバランス動作を早めるために必要なことは、転送電荷量が大きいということである。転送電荷量は、コンデンサ９に依存する。電荷量はよく知られた関係式Ｑ＝ＣＶより求まる。Ｑは蓄積電荷量、Ｃはコンデンサ９の容量、Ｖはコンデンサ９の印加電圧である。

本発明に係る非絶縁型セルバランス回路の作用効果について、特許文献１に記載の従来技術との比較で説明する。コンデンサ９の容量を固定した場合、コンデンサ９に加わる電圧に電荷量は依存する。特許文献１に示すように隣接するセル間で電荷移送を実行すると移送電荷量はごく僅かであるため、繰り返し時間をかけて電荷移送を行い、セルのバランスをとっている。

セル間の電圧のアンバランス量を最大１Ｖ程度とした場合に、１２セルスタックした二次電池１４の最低電位と最高電位を選択した場合のモジュールの電圧約４５Ｖとの転送電荷量の比較をすると、特許文献１に比べて本発明の転送電荷量は約４５倍になる。特許文献１でも多段のセルの電圧をコンデンサ９に充電して転送動作をすれば同様な電荷移送が可能となる。

しかし単にスイッチで選択するだけでは大きな充電電流が流れ、最悪の場合スイッチを破損することが発生する。このようなことの発生を防止するためには、電圧を下げ突入電流を減らす必要があり、結局のところ、特許文献１の構成では、繰り返し時間をかけて僅かの移送電荷量を移送するという動作に帰着することになる。

これに対して、本発明では、前述のごとく、非絶縁型スイッチングコンバータの動作原理を使用してコンデンサ９への充電時の電圧を高くしても過大な電流が流れないようにスイッチング動作を行うことができるので、低消費電力で高速に充放電することができる。

なお、セル選択スイッチ１はフォトＭＯＳ等で構成すると２Ω程度のＯＮ抵抗の小型のスイッチとすることができる。動作電流を０．４Ａ程度に制限すると、ピーク電力が０．３Ｗ程度に収まり、全体として低消費電力になる。

次に、高電圧でコンデンサ９への充電動作が可能となった構成で実際に電荷を移送する動作について説明する。コンデンサ９への充電は、二次電池１４の最高電圧と最低電圧をセル選択スイッチ１で選択し、出力端子１７，１８に最高電圧と最低電圧の差電圧を出力する。セル選択スイッチ１への指示はコントローラ２２によって行われる。そして、コントローラ２２は、充電スイッチ１６をスイッチング動作させ、コンデンサ９に二次電池１４の最高電圧と最低電圧をチャージする。１回のチャージ量は、コンデンサ９の容量に依存する。チャージ時間は制限を与えたチャージ電流量に依存し、これは使用するインダクタンス４の値による。

本実施形態では、コントローラ２２がパルス幅制御を行ってセル選択スイッチ１を構成するスイッチ素子に流れる電流を一定値に制御する構成を採用しているが、この方法に代えて、簡単のために一定のディユーティーを持った固定周波数でスイッチングさせても良い。ほぼ所定の時間でコンデンサ９への充電が完了するので、次に放電動作へ移行する。

次に、放電動作は、放電スイッチ１５のスイッチング動作により行われる。放電スイッチ１５の動作の前にセル選択スイッチ１により、各セル１４ａ，ｂ・・・ｎの中から端子電圧の最も低いセルを１つ選択する。各セル１４ａ，ｂ・・・ｎの電圧は、セルモニタ２６で監視されており、コントローラ２２はセルモニタ２６からのセル電圧取得信号２１に基づいて、最低電圧のセルを識別し、セル選択スイッチ１にどのセルの端子電圧を選択するかを指示する。二次電池１４の端子電圧で充電されたコンデンサ９の電荷を単セルに向かって放電し、端子電圧の低いセルに選択的に充電する。

このように二次電池１４からコンデンサ９への充電、及びコンデンサ９から二次電池１４への放電を繰り返すことにより、各セル間のバランスを取っている。そして、コントローラ２２は、セルバランス動作が停止しているときに、セル選択スイッチ１に二次電池１４の最大電位となる端子電圧を選択させると共に充電スイッチ１６を導通状態に維持している。これにより、より高速充電が可能となる。

なお、本実施形態では、コンデンサ９からの放電により最も低いセルに対する充電が終了したときにコンデンサ９に電荷が残っている場合には、次に電圧の低いセルに対して充電を行うようにコントローラ２２が放電スイッチ１５及びセル選択スイッチ１の動作を制御している。これにより、電気エネルギの有効利用が図られる。

充電動作により補正に必要な時間は以下のように求まる。転送総電荷量は転送動作回数に比例する。コンデンサ９への１回の充放電時間をｔ、１回の転送電荷量をＱＣ、補正電圧量をＶ、電池容量をＣＢとすると、補正時間ｈはｈ＝（ＣＢ・Ｖ／ＱＣ）ｔとなる。

なお、コンデンサ９の代わりに、リチュームイオン電池を用いることもできる。リチュームイオン電池をコンデンサとして用いた場合において、容量表示する場合の換算は以下のように行う。最大電圧と最低電圧の電圧差はＶＢ＝１Ｖ程度である。ＱＢ＝１Ａｈの容量を持った電池ならば、コンデンサ表現した容量値はＣＢ＝ＱＢ／ＶＢ＝３６００／１＝３６００［Ｆ］となる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、充放電時の電流制限抵抗をインダクタンス４のスイッチング動作で実現しているので、電荷の移送ロスを低減でき、充放電の効率を高めることができる。

更に述べると、リチュームイオン電池等の二次電池は危険電圧を上回ると発火等の事故が発生する。これを回避するために、二次電池モジュールの各セルの電圧をモニタして各電池が安全な電圧範囲にあるように充電、放電動作を制御する。セル電圧のばらつきはセルそのものの容量ばらつきで発生し、またセル温度のばらつきによっても発生する。特にセル温度が高い場合は容量が増加して見えるため端子電圧が低下し、セル温度の低い場合は逆に電圧が高く見える。セルの温度は二次電池モジュールのどの位置に配置されるかによりセル温度に差が出てそのためにセル電圧のばらつきが発生する。

充電、放電制御は、二次電池モジュール全体に対して実行するので個別のセルの電圧は制御できない。そのため、セルの最高電圧で充電動作を停止せざるを得ないため、全体の容量が目減りする。セル温度にばらつきが出ない範囲で充電動作を実行すると、充電時間が長くなる問題がある。

本発明は、セルの電圧ばらつきを高速に修正出来るため上記問題を軽減することができる。しかも動作時に消費する電力が少なく電池システムとして高効率になる。

「第２実施形態」
図３は、本発明の第２実施形態に係る非絶縁型セルバランス回路の全体構成図である。図３に示すように、第２実施形態では、充電スイッチ１６及び放電スイッチ１５が、それぞれショットキーダイオード２３を備えている点が第１実施形態と相違する。この構成によれば、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができるうえ、ダイオード３に比べて、電圧降下が低く、スイッチング速度が速いといった利点がある。

「第３実施形態」
図４は、本発明の第３実施形態に係る非絶縁型セルバランス回路の全体構成図である。図４に示すように、第３実施形態では、温度保護を目的として、充電スイッチ１６及び放電スイッチ１５がそれぞれサーミスタ２４を備えている点が第１実施形態と相違する。この構成において、コントローラ２２は、サーミスタ２４からのサーミスタ電圧検出信号２５を入力として、充電スイッチ１６及び放電スイッチ１５の動作を制限することができる。よって、第３実施形態によれば、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができるうえ、充電スイッチ１６及び放電スイッチ１５の保護を図ることができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。またある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１ セル選択スイッチ
２ トランジスタ
３ ダイオード
４ インダクタンス
５，８ 還流ダイオード
９ コンデンサ
１０，１２ 入力
１１ トランジスタ
１４ 二次電池
１４ａ，ｂ，…，ｎ セル
１５ 放電スイッチ
１６ 充電スイッチ
１７，１８ 出力端子
１９ セル電圧検出線
２０ スイッチ（ＳＷ）制御信号
２１ セル電圧取得信号（セル電圧情報）
２２ コントローラ
２３ ショットキーダイオード
２４ サーミスタ
２５ サーミスタ電圧検出信号
２６ セルモニタ

Claims (7)

1. 複数のセルを直列に接続して形成される二次電池と、
   この二次電池の端子電圧を選択するセル選択スイッチと、
   前記二次電池との間で充放電を行う蓄電部と、
   前記セル選択スイッチと前記蓄電部との間に設けられる充電スイッチ及び放電スイッチと、
   前記充電スイッチと前記放電スイッチとの間に設けられ、前記蓄電部と直列に接続されるインダクタンス及び前記蓄電部と並列に接続される還流ダイオードと、
   前記各セルの電位を監視するセルモニタと、
   前記各スイッチを動作させるためのコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記セル選択スイッチに前記二次電池の最大電位となる端子電圧を選択させると共に前記充電スイッチを動作させて前記蓄電部に充電し、
   前記コントローラは、前記セルモニタからのセル電圧情報に基づき前記セル選択スイッチに前記複数のセルのうち電圧の低い１つのセルの端子電圧を選択させると共に前記放電スイッチを動作させて前記蓄電部から放電する、ことを特徴とする非絶縁型セルバランス回路。
2. 請求項１において、
   前記コントローラは、前記充電スイッチ及び前記放電スイッチを排他的に動作させることを特徴とする非絶縁型セルバランス回路。
3. 請求項１において、
   前記充電スイッチ及び前記放電スイッチは、それぞれ電流駆動型のトランジスタを備えることを特徴とする非絶縁型セルバランス回路。
4. 請求項３において、
   前記コントローラは、前記充電スイッチ及び前記放電スイッチの動作時において、前記セル選択スイッチを構成するスイッチ素子に流れる電流が許容電流値以内となるようにパルス幅制限を行うことを特徴とする非絶縁型セルバランス回路。
5. 請求項１において、
   前記コントローラは、セルバランス動作が停止しているときに、前記セル選択スイッチに前記二次電池の最大電位となる端子電圧を選択させると共に前記充電スイッチを導通状態に維持することを特徴とする非絶縁型セルバランス回路。
6. 請求項１において、
   前記蓄電部は、コンデンサまたは二次電池から成ることを特徴とする非絶縁型セルバランス回路。
7. 請求項１において、
   前記コントローラは、前記セル選択スイッチにて選択された前記セルに対する前記蓄電部からの放電終了後に前記蓄電部に電荷が残っている場合、前記セル選択スイッチに前記複数のセルのうち電圧の低い他の１つのセルの端子電圧を選択させて当該他の１つのセルに対して前記蓄電部から放電を行うことを特徴とする非絶縁型セルバランス回路。