JP2018093615A - バッテリーセルのアクティブバランシング方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直列接続された複数のバッテリーセルのバランシングの際にバッテリーセルの放電電力を効率よく回収することができるとともに、回路構成を簡素化することができるバッテリーセルのアクティブバランシング方法および装置を提供する。【解決手段】直列接続された複数のバッテリーセル２０の各々に対して、発光ダイオード４０と、この発光ダイオードと直列に接続されたコイルを用いたチョッパ回路３０とを設ける。複数のバッテリーセル２０のうち比較的高い電圧を有するバッテリーセル２０の電圧を当該チョッパ回路３０により昇圧または降圧する。このチョッパ回路３０の出力により当該発光ダイオード４０を発光制御する。発光ダイオード４０から出力された光を光電変換部５０により電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを複数のバッテリーセル２０を含みうる充電池へフィードバックする。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリーセルのアクティブバランシングの方法および装置に関し、特に、光電力変換によるバッテリーセルのアクティブバランシングの方法および装置に関する。

大容量・高電圧のバッテリーを得るために、従来、セル（バッテリーセル）と呼ばれる最小単位の電池を直列に接続して用いることが行われている。例えば、電気自動車（ＥＶ）などでは通常８０個以上ものセルが用いられている。

リチウムイオンバッテリー等の複数のセルを使用したバッテリー装置において、各セルのバランス崩れが発生した場合にバッテリー装置全体の実効容量が低下する問題がある。通常、セルが新規の状態では複数のセルの容量のばらつきは小さいが、長期間、充放電を繰り返していくと、個々のセルの劣化速度が異なるため、セル毎の容量のばらつきが大きくなる。これによって、全セルの実効的な容量が低下してしまう。

このため一般的には、複数のセルを使用したバッテリー装置においては、セルバランスの管理は重要な項目となつており、各セルの容量のばらつきを均等化するためのバッテリーバランシング回路が組み込まれている。「バランシング」とは、複数のバッテリーセルを直列接続したバッテリー装置において、各セル電圧の差を最小限となるよう操作すること、およびその機能をいう。

バッテリーバランシングの方式としては、大別して次の２つがある。
１）電圧の高いセルの電圧を抵抗放電により下げるパッシブバランシング方式
２）各セルにスイッチング回路を構成し、比較的に電圧が高いセルの余計な電力を電源へ還元させ再利用するアクティブバランシング方式

特許文献１は、アクティブバランシング方式の一種として、セルの容量を均等化するために各セルに並列に接続された放電部として、抵抗器と直列接続した発光素子を使用し、発光素子により放電電力の一部を光に変換する構成を開示している。また、発光素子から発せられた光を光電池により電力に変換し、この電力を基板上の回路の動作電力や充電量の少ないセルを補充電するための電力として使用することに言及している。

特開２０１３−２１８２１号公報

上記１）のパッシブバランシング方式は、抵抗により熱エネルギーとして電力を消費させるため効率が悪いという問題がある。また、バランシング速度を速めようとした場合、抵抗を流れる電流値を上げる必要があるが、発熱の観点から過度に高い電流値を設定することは現実的でない。このため従来の方式ではバランシングに時間が掛かる。

通常、リチウムイオンバッテリーなどセル電圧は４Ｖ程度であるが、多数のセルを組み合わせるマルチセル構成とすると、バッテリー装置の出力電圧が数百Ｖにもなり、回路間の耐圧が問題となる。このため、上記２）のアクティブバランシング方式では、一般にすべてのセルに絶縁トランスが必要となり回路構成が複雑となるという問題がある。

上記特許文献１に記載の従来技術では、各発光素子に抵抗器が直列接続されており、発光素子を流れる電流を発光素子の定格電流等に応じた値に制限できるよう、適宜の抵抗値が設定される。すなわち、この従来技術は基本的には上記１）の抵抗により熱エネルギーとして電力を消費するものと同類であり、効率の問題がある。また、容量の小さな発光素子しか使用できず、発光素子へ流れる電流も固定のためバッテリーセルの使用電圧範囲が狭い範囲に限定されてしまう。

本発明はこのような背景においてなされたものであり、その目的は、直列接続された複数のバッテリーセルのバランシングの際にバッテリーセルの放電電力を効率よく回収することができるとともに、回路構成を簡素化することができるバッテリーセルのアクティブバランシング方法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によるバッテリーセルのアクティブバランシング装置は、直列接続された複数のバッテリーセルのアクティブバランシングを行う装置であって、前記複数のバッテリーセルにそれぞれ接続されたコイルを含む複数のチョッパ回路と、前記複数のチョッパ回路のコイルにそれぞれ直列接続された複数の発光ダイオードと、前記複数の発光ダイオードから発生する光を受ける光電変換部と、前記光電変換部の出力を所定電圧に変換して、複数のバッテリーセルを含みうる充電池にフィードバックするＤＣ−ＤＣ変換部と、直列接続された複数のバッテリーセルの各々の電圧を周期的に測定する電圧測定部と、前記複数のチョッパ回路をそれぞれ制御する、所定のデューティー比のパルス信号を発生する複数のＰＷＭ駆動部と、前記電圧測定部の出力に基づいて前記複数のＰＷＭ駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記複数のバッテリーセルの測定された電圧の最大値と最小値の差分を求める機能と、前記差分が第１の所定値以上となったとき、比較的高い電圧を有するバッテリーセルについて、当該コイルに直列接続された当該発光ダイオードに所定の電流を流すように、当該ＰＷＭ駆動部を制御して、当該バッテリーセルの電圧を当該バッテリーセルに接続されたコイルに断続的に印加する機能と、前記差分が前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下となったとき、当該バッテリーセルの電圧の前記コイルへの断続的印加を停止する機能とを有する。

本発明によるバッテリーセルのアクティブバランシング方法は、直列接続された複数のバッテリーセルの各々に対して、発光ダイオードと、前記発光ダイオードと直列に接続されたコイルを用いたチョッパ回路とを設け、前記複数のバッテリーセルのうち比較的高い電圧を有するバッテリーセルの電圧を当該チョッパ回路により昇圧または降圧し、前記チョッパ回路の出力により当該発光ダイオードを発光制御し、前記発光ダイオードから出力された光を光電変換部により電気エネルギーに変換し、前記光電変換部により得られた電気エネルギーを、前記複数のバッテリーセルを含みうる充電池にフィードバックするものである。

このような本発明の装置および方法では、比較的高い電圧を有するバッテリーセルについて、抵抗素子による電力損失を発生させることなく、チョッパ回路により当該発光ダイオードに比較的大きな所定の電流を流すことができる。これにより当該バッテリーセルの電圧を迅速に低下させて複数のバッテリーセルの実効的な容量が均等化される。また、発光ダイオードから発生する光を光電変換部で電気エネルギーに変換して、複数のバッテリーセルを含みうる充電池にフィードバックすることにより、バランシングのために放電したバッテリーセルの電力の回生を図ることができる。

本発明による他の構成および作用効果については、添付の図面を参照した以下の実施形態により説明される。

本発明のアクティブバランシング方法および装置によれば、すべてのバッテリーセルに絶縁トランスを必要とする従来の回路構成に比べて各バッテリーセルに設けるチョッパ回路の構成は比較的簡単であり、発光ダイオードの光を受光する光電変換部は単一個あれば足りるので、装置構成が簡素化される。

また、チョッパ回路により発光ダイオードを電流駆動しているので、ＰＷＭデューティー比を変えることにより発光ダイオードに流れる電流値を広範囲に変えることができる。その結果、バッテリーセル電圧に応じた、必要とされる任意の電流を流すことができる。

従来の抵抗方式と比較し放出エネルギーを高くすることができるのでバランシング時間を短縮することができる。かつ、その放出エネルギーは回収して、電力の回生を図ることができる。

本発明の実施形態による、バッテリーセルのアクティブバランシング装置の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は昇圧型の３つのチョッパ回路の構成例を示す図である。 （ａ）（ｂ）は降圧型のチョッパ回路の構成例を示す図である。 図１内の制御部の処理手順例を示すフローチャートである。 図１内の制御部の他の処理手順例を示すフローチャートである。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、差分ｄの変化と、バランシングのＯＮ／ＯＦＦの変化と、ＰＷＭ出力（パルス信号）の関係を表したタイミング図である。 本発明の実施形態における発光ダイオードと光電変換部の間のインタフェースの２つの態様を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（本実施形態のアクティブバランシング装置の動作原理）
本実施形態のアクティブバランシング装置では、複数のバッテリーセルを直列接続したバッテリー装置において、比較的高い電圧のバッテリーセルの電力を光エネルギーに変換して放出することにより、その電圧を低下させ全バッテリーセルの電圧を均等化させるとともに、光電変換部によるエネルギー回収を行い、電力の回生を図る。より具体的には、バッテリーセル毎に発光ダイオードと直列に接続されたコイル（インダクタ）を用いたチョッパ回路により、バッテリーセルの電圧を昇圧または降圧し、抵抗を用いることなく比較的高い電圧のバッテリーセルについてその電圧で当該発光ダイオードの発光制御を行う。各発光ダイオードに対して光電変換部を配置し、この光電変換部により生成された電力を、複数のバッテリーセルを含みうる充電池にフィードバックする。

（アクティブバランシング装置の構成）
図１は、本実施形態による、バッテリーセルのアクティブバランシング装置の概略構成を示すブロック図である。本発明によるバッテリーセルのアクティブバランシング方法はこの装置により実現される。

本実施形態によるアクティブバランシング装置は、一定の電圧の複数のバッテリーセル２０が直列接続されたバッテリー装置のアクティブバランシングを行う装置であり、制御部１０と、電圧測定部１２と、マルチプレクサ１４と、複数のＰＷＭ駆動部１６と、複数のチョッパ回路３０と、複数の発光ダイオード（発光素子）４０と、光電変換部５０と、ＤＣ／ＤＣ変換部６０とにより構成される。ＤＣ／ＤＣ変換部６０の出力は複数のバッテリーセル２０の充電回路６２に接続される。充電回路６２はバッテリーセル２０を充電するための回路であり、この充電回路６２には外部の電源供給部から充電のための電力が供給される。電源供給部は本発明に直接関係する要素ではなく、その構成や充電のタイミング等の動作は、バッテリーセル２０が利用される用途や装置によって異なり得る。

電圧測定部１２は、直列接続された複数のバッテリーセル２０の各々の電圧を周期的に測定してその測定値を制御部１０へ出力する。そのために、マルチプレクサ１４は、制御部１０の制御下で、周期的に複数のバッテリーセル２０の両端の電圧を選択して電圧測定部１２へ出力する。

チョッパ回路３０は、複数のバッテリーセル２０にそれぞれ接続されたコイルを含み、制御部１０の制御下で、必要に応じて、ＰＷＭ駆動部１６により所定のＰＷＭデューティー比のパルス信号により駆動される。

複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）４０は、複数のチョッパ回路３０に対して１対１に設けられ、対応するチョッパ回路３０に接続される。発光ダイオード４０は、好ましくは、高電流で駆動される高輝度のＬＥＤ（すなわちパワーＬＥＤ）である。後述するように、各発光ダイオード４０は、対応するチョッパ回路３０のコイルにそれぞれ直列接続される。

なお、本実施形態において使用する発光ダイオード４０から発生する光は必ずしも可視光である必要はない。発光ダイオード４０の発光から光電変換部５０の変換に亘って、トータルでの良好な効率が得られる波長の光を選定することが好ましい。

発光ダイオード４０は定電圧素子であり、その端子電圧（順方向電圧）は狭い範囲での端子電圧となる。このためバッテリーセル２０の電圧を直接発光ダイオード４０に加えることはできないので、一定電圧での駆動は行わず定電流駆動を行う。定電流駆動の最も簡単な方法は抵抗で電流制限する方法である。しかし、この方法では上述のように、電力損失が発生するため効率が低下し、熱の発生により流せる電流に制限がありバランシングに時間が掛かる。このため容量の小さな発光ダイオードしか使用できず、発光ダイオードに流れる電流も固定のためバッテリーセルの使用電圧範囲が狭くなってしまい現実的ではない。そこで、本実施形態では、抵抗による電流制限を用いず、チョッパ回路による発光ダイオードの電流駆動を採用している。

光電変換部５０は、例えば光電池（ソーラーセル）等の光電変換素子により構成され、複数の発光ダイオード４０から発生する光を受け、これらの光を電気信号に変換する。

ＤＣ−ＤＣ変換部６０は、光電変換部５０の出力を所定電圧に変換して、充電回路６２を介して、複数のバッテリーセル２０にフィードバックする。フィードバックする相手は複数のバッテリーセル２０に代えて、他の充電池（図示せず）であってもよい。充電回路６２には、使用しているバッテリーセル２０の充電仕様を満足する充電方式を採用する。

制御部１０は、電圧測定部１２の出力に基づいて複数のＰＷＭ駆動部１６を制御する。制御部１０は、図示しないがＣＰＵおよびメモリを含み、メモリ内のプログラムをＣＰＵが実行することにより所望のソフトウェア制御を実現する。但し、制御部１０による制御はソフトウェアに限るものではない。より具体的には、制御部１０は、複数のバッテリーセル２０の測定された電圧の最大値と最小値の差分を求める。この差分が第１の所定値以上となったとき、その時点で比較的高い電圧を有するバッテリーセル２０について、当該コイル３１に直列接続された発光ダイオード４０に所定の電流を流すように、当該ＰＷＭ駆動部１６を制御して、当該バッテリーセル２０の電圧を当該バッテリーセル２０に接続されたコイル３１に断続的に印加する。前記差分が第１の所定値より小さい第２の所定値以下となったとき、当該バッテリーセル２０の電圧を当該コイル３１への断続的に印加することを停止する。

なお、図１の構成とは異なり、複数の電圧測定部１２を設け、各バッテリーセルに対して１対１に電圧測定部１２を常時接続してもよい。その場合には、マルチプレクサ１４は不要であり、すべてのバッテリーセル２０について迅速な電圧測定を行うことができる。一方、複数のバッテリーセル２０に対して共通の電圧測定部１２を用いることは、電圧測定部の測定精度のばらつきがなくなること、および、必要な部品数の低減において有意義である。

アクティブバランシング装置は所定個数のバッテリーセル（例えば１０セル）単位にモジュール化することができる。さらに多数のバッテリーセルを直列接続する場合には複数のモジュールを組み合わせて用いる。例えば、図１の構成において、１０個のバッテリーセル単位に、１０個のチョッパ回路３０と、１０個の発光ダイオード４０と、１つのマルチプレクサ１４と、１つの電圧測定部１２と、制御部１０とが１つのモジュールを構成する。但し、光電変換部５０およびＤＣ／ＤＣ変換部６０は複数のモジュールに共用することができる。各モジュール内の制御部１０の一部の機能は、別途共通の上位の制御部（図示せず）で実行するようにしてもよい。

チョッパ回路３０は、発光ダイオード４０の順方向電圧Ｖｆと、バッテリーセル２０の電圧Ｖｓ（測定電圧）との大小関係に応じて、昇圧型と降圧型とを使い分ける。すなわち、Ｖｆ≧Ｖｓの場合、昇圧型を用い、Ｖｆ＜Ｖｓの場合、降圧型を用いる。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に昇圧型のチョッパ回路３０の構成例として、３つのチョッパ回路３０ａ，３０ｂ，３０ｃを示す。

図２（ａ）に示したチョッパ回路３０ａは、バッテリーセル２０の正端子に一端が接続されたコイル３１と、このコイル３１の他端にアノード端子が接続され、カソード端子が発光ダイオード４０のアノード端子に接続されたダイオード３３と、スイッチング素子３７と、発光ダイオード４０に並列に接続されたキャパシタ（コンデンサ）３５とにより構成される。スイッチング素子３７は、コイル３１とダイオード３３との接続点とバッテリーセル２０の負端子との間に接続される。

スイッチング素子３７は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等により構成され、ＰＷＭ駆動部１６から与えられるパルス信号によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。ＰＷＭ駆動部１６の出力するパルス信号については、発光ダイオード４０は電流駆動され、好ましくは高い効率が得られるＰＷＭデューティー比が設定される。ＰＷＭデューティー比は予め定めた固定値であってもよいが、バランス崩れの大きさ（後述する差分ｄ）に応じて変化させてもよい。例えば、バランス崩れが比較的大きいときにはＰＷＭデューティー比を大きく設定し、バランス崩れが比較的小さいときにはＰＷＭデューティー比を小さく設定するようにしてもよい。バランス崩れが大きいときにＰＷＭデューティー比を大きく設定することはバランシング速度を高くし、バランシングに要する時間を短縮する効果がある。バランス崩れが小さいときにＰＷＭデューティー比を小さく設定することは、バランス崩れが小さくなっても一部のバッテリーセルについて大きな放電を継続することによる過度の放電が却ってバランシングを不安定にすることを防止する効果がある。ＰＷＭデューティー比の可変制御は、予め定めた基準値に対して差分ｄに応じた係数を乗算したり、差分ｄの値に対応するＰＷＭデューティー比の値を定めたデータテーブルを用意したりすることにより実現することができる。

キャパシタ３５は発光ダイオード４０がそのパルス駆動可能最大電流を超えると破壊される可能性があるため平滑用として設けてあるもので、チョッパ回路の機能として必須の要素ではない。

上記の通り、昇圧型の場合、発光ダイオード４０の順方向電圧Ｖｆがバッテリーセル２０の電圧Ｖｓ以上である。チョッパ回路３０ａにおいてはスイッチング素子３７がＯＦＦ状態にある初期状態では発光ダイオード４０は非導通状態にある。チョッパ回路３０ａは、ＰＷＭ駆動部１６からのパルス信号を受けたとき、スイッチング素子３７がＯＮ／ＯＦＦ駆動される。スイッチング素子３７がＯＮされたとき、バッテリーセル２０、コイル３１、スイッチング素子３７の閉回路が形成され、コイル３１に電流が流れようとする。但し、コイルは電流の変化を妨げる素子なので、コイル３１に流れる電流は初期的にはゼロであるが、スイッチング素子３７がＯＮの期間内に次第に増加していく。このとき、発光ダイオード４０には電流は流れない。このＯＮ期間中、コイル３１による電力の消費はなく、バッテリーセル２０から所定の電気エネルギーがコイル３１に保持される。

ＯＮ期間の経過後にスイッチング素子３７がＯＦＦとなったとき、バッテリーセル２０、コイル３１、ダイオード３３、スイッチング素子３７と、発光ダイオード４０およびキャパシタ３５の並列回路とからなる閉回路が形成される。

このとき、コイル３１はその時点の電流の流れを維持しようとし、コイル３１に逆起電力（バッテリーセル２０側の端子に対してダイオード３３側の端子が正）が発生する。このコイル３１に発生した電圧はバッテリーセル２０の電圧と加算されるため、昇圧が実現される。この昇圧された電圧がダイオード３３の順方向電圧を超えれば、瞬時にキャパシタ３５に電流が流入し、キャパシタ３５の電圧が上昇していく。このキャパシタ３５の電圧が発光ダイオード４０の順方向電圧Ｖｆに達すれば、発光ダイオード４０が導通し、発光する。ＰＷＭ駆動部１６からの所定のＰＷＭデューティー比のパルス信号が継続的にスイッチング素子３７をＯＮ／ＯＦＦ駆動している期間中、発光ダイオード４０にはＰＷＭデューティー比に応じたほぼ一定の電流が流れる。これによって、当該バッテリーセル２０の電力が消費されるため、その電圧が低下する。

図２（ｂ）に示したチョッパ回路３０ｂの構成は、ダイオード３３を削除した以外、図２（ａ）のチョッパ回路３０ａと同様である。ダイオード３３と同等の整流機能はこれと直列接続された発光ダイオード４０によっても得られるので、ダイオード３３は必須の要素ではない。チョッパ回路３０ｂの動作はチョッパ回路３０ａとほぼ同様であるが、ダイオード３３が存在しないので、ＯＮ期間の経過後にスイッチング素子３７がＯＦＦとなったとき、コイル３１に発生した電圧とバッテリーセル２０の電圧との加算により得られた昇圧電圧が発光ダイオード４０の順方向電圧Ｖｆに達すれば、発光ダイオード４０が導通し、発光する。

図２（ｃ）に示したチョッパ回路３０ｃの構成は、発光ダイオードとして、直列接続した複数の発光ダイオード４０を含むこと以外、図２（ａ）のチョッパ回路３０ａと同様である。この例では２個の発光ダイオード４０を直列接続した例を示しているが、３個以上を直列接続してもよい。チョッパ回路３０ｃの動作は、その電圧Ｖｆが、複数の発光ダイオード４０の順方向電圧の合計であること以外は、チョッパ回路３０ａの動作と同様である。

図示しないが、図２（ｃ）の構成において、ダイオード３３を削除することも可能である。

図３（ａ）（ｂ）に降圧型のチョッパ回路３０ｄ，３０ｅの構成例を示す。

図３（ａ）のチョッパ回路３０ｄは、バッテリーセル２０の正端子と発光ダイオード４０のアノード端子との間に直列接続されたスイッチング素子３９およびコイル３１と、このコイル３１とスイッチング素子３９との接続点にカソード端子が接続され、バッテリーセル２０の負端子にアノード端子が接続されたダイオード３８と、発光ダイオード４０に並列に接続されたキャパシタ３５により構成される。

このチョッパ回路においても、キャパシタ３５は発光ダイオード４０がそのパルス駆動可能最大電流を超えると破壊される可能性があるため平滑用として設けてあるもので、理論上はチョッパ回路の機能として必須の要素ではない。

上記の通り、降圧型の場合、バッテリーセル２０の電圧Ｖｓが発光ダイオード４０の順方向電圧Ｖｆより大きい。チョッパ回路３０ｄはスイッチング素子３９がＯＦＦ状態にある初期状態では、バッテリーセル２０からの導通経路が開放されているので、発光ダイオード４０は非導通状態にある。チョッパ回路３０ｄは、ＰＷＭ駆動部１６からのパルス信号を受けたとき、スイッチング素子３９がＯＮ／ＯＦＦ駆動される。スイッチング素子３９がＯＮされたとき、バッテリーセル２０、スイッチング素子３９、コイル３１と、発光ダイオード４０およびキャパシタ３５の並列回路とからなる閉回路が形成され、コイル３１に電流が流れようとする。但し、コイル３１は電流の変化を妨げる素子なので、コイル３１に流れる電流は初期的にはゼロであるが、スイッチング素子３９がＯＮの期間内に次第に増加していく。この電流はキャパシタ３５を急速に充電し、キャパシタ３５の電圧が急上昇する。この電圧が発光ダイオード４０の順方向電圧Ｖｆに達すれば、発光ダイオード４０が導通し、発光する。この間、コイル３１による電力の消費はなく、所定の電気エネルギーがコイル３１に保持される。

パルス信号のＯＮ期間の経過後にスイッチング素子３９がＯＦＦとなったとき、コイル３１はその時点の電流の流れを維持しようとし、コイル３１に逆起電力（コイル３１のバッテリーセル２０側の端子に対して発光ダイオード４０側の端子が正）が発生する。この逆起電力の向きはダイオード３８を導通させる方向なので、コイル３１、発光ダイオード４０およびダイオード３８からなる閉回路が形成される。これにより、コイル３１に蓄積されたエネルギーにより短時間であれば継続して発光ダイオード４０に電流が流れる。このようにして、ＰＷＭ駆動部１６からの所定のＰＷＭデューティー比のパルス信号が継続的にスイッチング素子３９をＯＮ／ＯＦＦ駆動している期間中、発光ダイオード４０にはＰＷＭデューティー比に応じたほぼ一定の電流が流れる。その結果、当該バッテリーセル２０の電力が消費されるため、その電圧が低下していく。

図３（ｂ）のチョッパ回路３０ｅは、発光ダイオードとして、直列接続した複数の発光ダイオード４０を含むこと以外、図３（ａ）のチョッパ回路３０ｄと同等である。この例では２個の発光ダイオード４０を直列接続した例を示しているが、順方向電圧Ｖｆ（合計値）とバッテリーセル２０の電圧Ｖｓとの関係が許せば、３個以上であってもよい。チョッパ回路３０ｅの動作は、その電圧Ｖｆが、複数の発光ダイオード４０の順方向電圧の合計であること以外は、チョッパ回路３０ｄの動作と同様である。

（図１のアクティブバランシング装置の動作）
図４、図５に示したフローチャートにより、図１に示したアクティブバランシング装置内の制御部１０の動作について説明する。本実施形態では、このフローの処理は制御部１０による制御プログラムの実行により実現される。ここに示の具体的な処理ステップは、本実施形態の動作を実現するための一例であり、その内容、手順等、必ずしも提示したものに限定されるものではない。

図４のフローチャートは、制御部１０が電圧測定部１２およびマルチプレクサ１４を制御することにより、すべてのバッテリーセル２０の電圧を測定し、所定の処理を行う手順例を示している。この処理は、タイマー割り込みにより一定周期毎に実行される。この「一定周期」は１０ｍ秒程度で足りる。これより短時間としても問題はないが必要性は低い。場合によっては１０ｍ秒より長い時間であってもよい。なお、本バッテリー装置が激しく充放電を行っている最中は、電圧測定の精度が低下する。例えば、電気自動車の用途では、短時間での加速時には大電流の放電が発生し、減速時には回生による充電が発生する等、数秒から数分程度で充放電を繰り返すことにより、バッテリーセルの電圧が大きく変化する。また、ＣＣ（Constant Current）モードでの充電中も電流が大きいため電圧測定値はあまり正確ではなくなる。電圧測定値が信頼できるのは負荷電流がほぼ０に近いときか、ＣＶ（Constant Voltage）充電時の充電終了間際のときである。すなわち、バランシング動作が良好に行えるのは、バッテリー装置が無負荷に近く安定しているときである。そこで、図４の処理は、そのようなバッテリー装置の状態が安定した時点で実行するようにしてもよい。

図４の処理では、まず、使用する変数ｎ、Ｖmax、Ｖminの初期化を行う（Ｓ１１）。具体的には、変数ｎ、Ｖmaxは０にし、変数Ｖminは測定電圧の取りうる値より大きいダミーの固定値Ｘとする。変数ｎは複数のバッテリーセルを特定するためのカウンタ値であり、１から、バランシング対象のバッテリーセルの個数に相当する最大値ｎmaxまでの整数である。Ｖmaxは、バランシング対象のすべてのバッテリーセルの電圧の測定値のうちで最大の電圧を保持するための変数である。Ｖminは、当該すべてのバッテリーセルの電圧の測定値のうちで最小の電圧を保持するための変数である。

ステップＳ１１における変数の初期化後に、変数ｎを更新（１増分）し（Ｓ１２）、セルｎの電圧の測定値（Ｖｎ）を求める（Ｓ１３）。

次いで、現在の最大値Ｖmaxと測定値Ｖｎとを比較し、大きい方の値を新たなＶmaxとする（Ｓ１４）。ｎ＝１のとき、測定値ＶｎがＶmaxとなる。その後、ｎの更新に伴って、最大値Ｖmaxが更新されていく。同様に、現在の最小値Ｖminと測定値Ｖｎとを比較し、小さい方の値を新たなＶminとする（Ｓ１５）。ｎ＝１のとき、測定値ＶｎがＶminとなる。その後、カウンタ値ｎの更新に伴って、最小値Ｖminが更新されていく。

さらに、現在のＶｍａｘとＶｍｉｎの差分ｄを求める（Ｓ１６）。

その後、変数ｎが既知の最大値ｎmaxに達したかをチェックし（Ｓ１７）、ｎmaxに達するまでステップＳ１２へ戻り、すべてのバッテリーセルについて処理が終了するまで、ステップＳ１３〜Ｓ１６の処理を繰り返して実行する。

図４の処理が完了したとき、その時点でのバッテリーセル２０の電圧の最大値Ｖmaxと最小値Ｖminのばらつき（偏差）が差分ｄとして求まる。

図５は、差分ｄを常時監視し、必要に応じて上述したバランシングを実行するための処理フローを示している。

まず、制御部１０は、現在の差分ｄが第１の所定値Ｄｈ以上となったかどうかを監視する（Ｓ２１）。差分ｄが第１の所定値Ｄｈ以上となったとき、比較的高い電圧を有するバッテリーセルについて、バランシングを開始する（Ｓ２２）。すなわち、上述のとおり、当該コイルに直列接続された発光ダイオードに所定の電流を流すように、当該ＰＷＭ駆動部を制御して、当該バッテリーセルの電圧を当該バッテリーセルに接続されたコイルに断続的に印加する。

その後、現在の差分ｄが第１の所定値Ｄｈより小さい第２の所定値Ｄｌ以下となったとき、当該バッテリーセルのバランシングを停止する（Ｓ２４）。すなわち、当該バッテリーセルの電圧をコイルへの断続的に印加することを停止する。このようなステップＳ２１〜Ｓ２４は繰り返して実行する。

ここで、バランシングのための放電対象となる「比較的高い電圧を有するバッテリーセル」の選択の方法について説明する。

このようなバッテリーセルの選択方法としては、つぎのようなものが考えられる。
（１）複数のバッテリーセルの測定された電圧の最大値と最小値の中間の値より大きい電圧を有するバッテリーセルを選択する。「中間の値」としては例えば、Ｖmin ＋ ｄ／２とすることができる。ｄ／２はこれに限るものではなく、ｄ／３、２ｄ／３等、他の比率であってもよい。
（２）複数のバッテリーセルの測定された電圧の上位所定個のバッテリーセルを選択する。「所定個」としては例えば全セル数の半数である。半数に代えて、１／３、２／３等であってもよい。
（３）予め設定された設定電圧レベルを超える電圧を有するバッテリーセルを選択する。この「設定電圧レベル」は予測される最大値Ｖmaxと最小値Ｖminの中間の値である。

いずれにせよ、数十個のバッテリーセルを直列接続したバッテリ装置においては、セルのバラツキにより数セルのみ放電すればよい場合と、数セルのみそのままで残り全セルを放電する場合とがある。あるいは、極端な場合、１セル以外の全セルの放電が同時に必要となる場合もありうる。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ、差分ｄの変化と、バランシングのＯＮ／ＯＦＦの変化と、ＰＷＭ出力（パルス信号）の関係を表したタイミング図である。複数のバッテリーセルを組み合わせたバッテリ装置の使用開始時には差分ｄは第１の所定値Ｄｈより小さく、バランシングはＯＦＦ状態にある。その後、時間ｔの経過とともに、差分ｄが増加していき、時点ｔ１で差分ｄが第１の所定値Ｄｈに達したとき、放電対象のバッテリーセルについてバランシングが開始される（ＯＮとなる）。

これにより、放電対象のバッテリーセルのＰＷＭ駆動部から当該チョッパ回路に対してＰＷＭ出力（パルス信号）が生成される。

バランシングが開始された後、時点ｔ１〜ｔ２の期間中、差分ｄが減少していく。差分ｄが第２の所定値Ｄｌまで低下したとき、バランシングが停止（ＯＦＦ）される。これにより、当該ＰＷＭ駆動部から当該チョッパ回路に対するＰＷＭ出力（パルス信号）が停止される。

バッテリー装置を使用している間、このような差分ｄの変化が生じ、差分ｄの値に応じて自動的にバランシングのＯＮ／ＯＦＦ遷移が発生する。

次に、図７により、発光ダイオード４０と光電変換部５０の間のインタフェースの２つの態様について説明する。

図７（ａ）は発光ダイオード４０から発する光を、対向する光電変換部５０の光電変換面に直接照射する態様である。バランシング対象の複数のバッテリーセルに対応する一群の発光ダイオード４０は回路基板４２上に隣接して配置されている。さらに、これらの発光ダイオード４０全体をほぼ密封して被覆するように光非透過性のカバー４５が回路基板４２に対して配置されている。カバー４５は発光ダイオード４０からの光を遮断する材料で形成されている。カバー４５の凹部には、発光ダイオード４０に対向するよう、光電変換部５０が配置されている。好ましくは、少なくともカバー４５の内壁周縁表面に、発光ダイオード４０から発せられた光を反射する反射体（例えば鏡面）が設けられる。このような構成により、発光ダイオード４０から発せられた光の漏れを防止し、光電変換部５０への入射効率を向上させることができる。

図７（ｂ）は発光ダイオード４０から発する光を、光導通路としての光ファイバ４６を介して光電変換部５０の光電変換面に導く態様である。一群の発光ダイオード４０の各々に対して、光ファイバ４６の一端が連結されている。１つの発光ダイオード４０と１つの光ファイバ４６とが複合モジュール４３を構成している。各光ファイバ４６の他端は光電変換部５０の光電変換面に対向して配置される。これにより、発光ダイオード４０からの光を漏れなく光電変換部５０へ導くことができる。

なお、図７（ｂ）の構成では、複数の群の発光ダイオードが存在する場合、単一の光電変換部５０を当該複数の群に共用することができる。

（実施形態の効果）
本実施形態のアクティブバランシング方法および装置によれば、すべてのバッテリーセルに絶縁トランスを必要とする従来の回路構成に比べて、各バッテリーセルに設けるチョッパ回路の構成は比較的簡単であり、発光ダイオードの光を受光する光電変換部は単一個あれば足りるので、装置構成が簡素化される。

ＰＷＭ駆動部によりＯＮ／ＯＦＦ制御されるチョッパ回路により発光ダイオードを電流駆動しているので、ＰＷＭデューティー比を変えることにより発光ダイオードに流れる電流値を広範囲に変えることができる。その結果、バッテリーセル電圧に応じた、必要とされる任意の電流を流すことができる。

さらに、抵抗方式と比較して放出エネルギーを高くすることができるのでバランシング時間を短縮することができる。すなわち、回路損失が小さいため容量の大きな発光ダイオードを使用することができ、電流を多く流すことによりバランシングに要する時間を短縮することができる。かつ、その放出エネルギーは回収して、電力の回生を図ることができる。

電力変換が目的のため光電変換部を構成する光電変換素子の光波長は変換効率のみ追求すれば良く、発光素子としてレーザー素子を含め広範囲に素子を選べる可能性がある。

また、バッテリー装置の出力電圧が数百Ｖにもなるマルチセル構成の場合、回路間の耐圧が問題となり、特に、従来のトランス方式などではコイル−コア間、コイル-コイル間などの絶縁確保が重要となる。これに対して、本実施形態の光を介在したアクティブバランシング装置では基本的に光による回路部分が絶縁されているので、この問題が解決される。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記で言及した以外にも種々の変形、変更を行うことが可能である。

１０：制御部 １２：電圧測定部 １４：マルチプレクサ １６：ＰＷＭ駆動部 ２０：バッテリーセル ３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ：チョッパ回路 ３１：コイル ３３：ダイオード ３５：キャパシタ（コンデンサ） ３７：スイッチング素子 ３８：ダイオード ３９：スイッチング素子 ４０：発光ダイオード（ＬＥＤ） ４２：回路基板 ４３：複合モジュール ４５：カバー ４６：光ファイバ ５０：光電変換部 ６０：ＤＣ／ＤＣ変換部 ６２： 充電回路 ｄ：差分 Ｄｈ：第１の所定値 Ｄｌ：第２の所定値

Claims (11)

1. 直列接続された複数のバッテリーセルのアクティブバランシングを行う装置であって、
   前記複数のバッテリーセルにそれぞれ接続されたコイルを含む複数のチョッパ回路と、
   前記複数のチョッパ回路のコイルにそれぞれ直列接続された複数の発光ダイオードと、
   前記複数の発光ダイオードから発生する光を受ける光電変換部と、
   前記光電変換部の出力を所定電圧に変換して前記複数のバッテリーセルを含みうる充電池にフィードバックするＤＣ−ＤＣ変換部と、
   直列接続された複数のバッテリーセルの各々の電圧を周期的に測定する電圧測定部と、
   前記複数のチョッパ回路をそれぞれ制御する、所定のデューティー比のパルス信号を発生する複数のＰＷＭ駆動部と、
   前記電圧測定部の出力に基づいて前記複数のＰＷＭ駆動部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記複数のバッテリーセルの測定された電圧の最大値と最小値の差分を求める機能と、
   前記差分が第１の所定値以上となったとき、比較的高い電圧を有するバッテリーセルについて、当該コイルに直列接続された当該発光ダイオードに所定の電流を流すように、当該ＰＷＭ駆動部を制御して、当該バッテリーセルの電圧を当該バッテリーセルに接続されたコイルに断続的に印加する機能と、
   前記差分が前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下となったとき、当該バッテリーセルの電圧の前記コイルへの断続的印加を停止する機能と
   を有するバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
2. 前記チョッパ回路は昇圧型であり、当該バッテリーセルの正端子と当該発光ダイオードのアノード端子との間に接続されたコイルと、前記コイルの前記アノード側の端子と当該バッテリーセルの負端子との間に接続されたスイッチング素子とを含む請求項１に記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
3. 前記発光ダイオードのアノード端子にカソード端子が接続され、前記コイルにアノード端子が接続されたダイオードとを含む請求項２に記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
4. 前記チョッパ回路は降圧型であり、当該バッテリーセルの正端子と当該発光ダイオードのアノード端子との間に直列接続されたスイッチング素子およびコイルと、前記コイルと前記スイッチング素子との接続点にカソード端子が接続され、当該バッテリーセルの負端子にアノード端子が接続されたダイオードとを含む請求項１に記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
5. 前記発光ダイオードとして、直列接続した複数の発光ダイオードを含む請求項１〜４のいずれかに記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
6. 前記チョッパ回路は前記発光ダイオードに並列に接続されたキャパシタをさらに含む請求項１〜５のいずれかに記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
7. 前記比較的高い電圧を有するバッテリーセルは、（１）前記複数のバッテリーセルの測定された電圧の最大値と最小値の中間の値より大きい電圧を有するバッテリーセル、（２）前記複数のバッテリーセルの測定された電圧の上位所定個のバッテリーセル、（３）予め設定された設定電圧レベルを超える電圧を有するバッテリーセル、のいずれか一つである請求項１〜６のいずれかに記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
8. 前記複数の発光ダイオードは、前記光電変換部の光電変換面に対向して配置され、前記発光ダイオードの全体をほぼ密封して被覆する光非透過性のカバーをさらに備えた請求項１〜７のいずれかに記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
9. 前記複数の発光ダイオードの各々から発する光を前記光電変換部の光電変換面に導く複数の光導電路をさらに備えた請求項１〜７のいずれかに記載のバッテリーセルのアクティブバランシング装置。
10. 直列接続された複数のバッテリーセルの各々に対して、発光ダイオードと、前記発光ダイオードと直列に接続されたコイルを用いたチョッパ回路とを設け、
    前記複数のバッテリーセルのうち比較的高い電圧を有するバッテリーセルの電圧を当該チョッパ回路により昇圧または降圧し、
    前記チョッパ回路の出力により当該発光ダイオードを発光制御し、
    前記発光ダイオードから出力された光を光電変換部により電気エネルギーに変換し、
    前記光電変換部により得られた電気エネルギーを、前記複数のバッテリーセルを含みうる充電池にフィードバックする
    バッテリーセルのアクティブバランシング方法。
11. 直列接続された複数のバッテリーセルの各々の電圧を周期的に測定するステップと、
    前記複数のバッテリーセルの測定された電圧の最大値と最小値の差分を求めるステップと、
    前記差分が第１の所定値以上となったとき、比較的高い電圧を有するバッテリーセルについて、当該コイルに直列接続された発光ダイオードに所定の電流を流すように、当該バッテリーセルの電圧を当該バッテリーセルに接続されたコイルに断続的に印加するステップと、
    前記差分が前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下となったとき、当該バッテリーセルの電圧の前記コイルへの断続的印加を停止するステップと、
    前記発光ダイオードから出力する光を光電変換部により電気に変換するステップと、
    前記光電変換部の出力を所定電圧に変換して、前記複数のバッテリーセルを含みうる充電池にフィードバックするステップと
    を備えたバッテリーセルのアクティブバランシング方法。

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