JP3543082B2

JP3543082B2 - 電圧イコライザ

Info

Publication number: JP3543082B2
Application number: JP2000331892A
Authority: JP
Inventors: 精一安沢; 博史西澤; 冨士夫松井
Original assignee: Nagano Japan Radio Co Ltd; Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2002142371A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の蓄電手段に蓄電されている電気エネルギーを相互移転させることによって各蓄電手段の蓄電電圧を均一化するのに適した電圧イコライザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の開発が盛んな今日、その電気自動車を駆動するためのバッテリーの開発も盛んになっている。この種のバッテリーとしては、現在、電気二重層コンデンサが有望視されているが、現段階では、電気二重層コンデンサを高電圧に充電するのは困難である。したがって、高電圧かつ大容量のタイプが望ましい電気自動車用バッテリーとして用いるためには、数個〜数十個を直列接続し、かつ各電気二重層コンデンサの端子間電圧が等しくなるように効率よく充電させる必要がある。このため、複数の電気二重層コンデンサに蓄積されている電気エネルギーを均一化するための装置として、電圧イコライザが既に開発されている。
【０００３】
この既に開発されている電圧イコライザ３１は、基本的には、図５に示すように、例えば、バッテリーＢＴ内に直列接続された電気エネルギー蓄積手段としてのＮ個のコンデンサＣ１〜ＣＮ（以下、区別しないときには、「コンデンサＣ」という）の各端子間電圧を均一化可能に構成されている。具体的には、電圧イコライザ３１は、同一巻数で巻き回された巻線Ｗ１〜ＷＮ（以下、区別しないときには、「巻線Ｗ」という）と、巻線Ｗの巻数のＮ倍の巻数で巻き回された巻線Ｗ（Ｎ＋１）とを有するトランス３２を備えている。この場合、各巻線Ｗ１〜Ｗ（Ｎ＋１）は、鉄芯によって互いに磁気結合されている。さらに、電圧イコライザ３１は、各巻線Ｗの巻終わり側端子と各コンデンサＣのマイナス側端子との間にそれぞれ接続されるスイッチＳ１〜ＳＮ（以下、区別しないときには、「スイッチＳ」という）と、巻線Ｗ（Ｎ＋１）の巻始め側端子およびコンデンサＣＮのマイナス側端子の間に接続されるダイオードＤ１１とを備えている。この場合、各スイッチＳは、例えばＦＥＴやバイポーラトランジスタで構成され、図外の制御部によって互いに同期してオン／オフスイッチングされる。
【０００４】
この電圧イコライザ３１では、まず、各スイッチＳを同期してオン状態に制御する。この際には、各コンデンサＣのうちの端子間電圧が最も高いコンデンサＣが、そのプラス側端子、巻線Ｗ、スイッチＳ、およびそのコンデンサＣのマイナス側端子からなる電流経路で電流を出力する。この場合、そのコンデンサＣの端子間電圧とほぼ等しい電圧が各巻線Ｗの両端にそれぞれ誘起し、かつトランス３２が励磁される。同時に、その各誘起電圧に基づく電流が、各巻線Ｗの巻始め側端子、コンデンサＣ、スイッチＳ、および各巻線Ｗの巻終わり側端子からなる電流経路を流れ続け、これにより、端子間電圧が最も高いコンデンサＣ以外のコンデンサＣがそれぞれ充電される。この場合、端子間電圧が誘起電圧と等しい電圧に達したコンデンサＣは、自動的に充電が停止される。この結果、端子間電圧が最も高いコンデンサＣの蓄積エネルギーの一部が、他のコンデンサＣに分散移転される。
【０００５】
次いで、スイッチＳがオフ状態に制御されると、トランス３２の励磁エネルギーに基づく電流が、巻線Ｗ（Ｎ＋１）の巻き終わり側端子、コンデンサＣ１〜ＣＮの直列回路、ダイオードＤ１１、および巻線Ｗ（Ｎ＋１）の巻始め側端子からなる電流経路を流れ、これにより、トランス３２の励磁エネルギーが各コンデンサＣに分散移転される。このように、各スイッチＳを同期してオン／オフさせることにより、端子間電圧が最も高いコンデンサＣの蓄積エネルギーの一部が他のコンデンサＣに分散移転される結果、各コンデンサＣの端子間電圧を均一化することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この電圧イコライザ３１には、以下の問題点がある。すなわち、この電圧イコライザ３１では、数多くのコンデンサＣにそれぞれ対応して設けられた数多くのスイッチＳを同期してオン／オフスイッチングさせている。一方、スイッチＳの初期不良や長年の使用などに起因して、スイッチＳが短絡状態となるスイッチ自体の故障が生じることもある。かかる場合には、特定のスイッチＳのみが常時オン状態となるスイッチング不良が生じる。その際には、そのスイッチに接続されている巻線Ｗが、そのスイッチを介して接続されているコンデンサＣを短絡するため、巻線Ｗに過電流が流れることになる。したがって、巻線Ｗが巻き回されたトランス３２の磁気飽和を引き起こしてトランス３２がトランスとして機能しなくなるばかりでなく、最悪の場合には、巻線Ｗの焼損を引き起こすおそれがあるという問題点がある。
【０００７】
この場合、各巻線Ｗの巻始め側端子と各コンデンサＣの正極端子との間にカレントトランスを直列にそれぞれ接続して各巻線Ｗに流れる電流値を常時検出する構成を採用することも考えられる。この構成を採用した場合には、少なくとも一つの巻線Ｗに所定値を超える電流が流れときには、その巻線Ｗに接続されているスイッチＳに短絡が生じていると判別することが可能となる。ところが、各巻線Ｗ毎にカレントトランス等の電流検出手段を設ける方式には、部品点数が大幅に増え、その分、製品コストが上昇すると共に電圧イコライザが大型化するという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、かかる改善すべき点を解決すべくなされたものであり、スイッチ手段の短絡異常を簡易かつ安価で、しかも確実かつ迅速に検出することが可能な電圧イコライザを提供することを主目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の電圧イコライザは、互いに磁気結合された複数のイコライズ用巻線を少なくとも有するトランスと、前記各イコライズ用巻線にそれぞれ直列接続されると共に互いに同期してスイッチング制御される複数の第１のスイッチ手段とを備え、前記イコライズ用巻線および前記第１のスイッチ手段からなる直列回路の各々を複数の蓄電手段の各々にそれぞれ並列接続可能に構成された電圧イコライザであって、
前記第１のスイッチ手段のスイッチング時に前記トランスに巻き回されたいずれか一つの巻線の両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧が前記トランスが正常に機能していないことを検出できる所定電圧以下のときに、警報信号を出力することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２記載の電圧イコライザは、請求項１記載の電圧イコライザにおいて、前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との間にそれぞれ接続される複数の第２のスイッチ手段を備え、前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧が所定電圧以下のときに、前記第２のスイッチ手段に対して前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との接続を解除させることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３記載の電圧イコライザは、互いに磁気結合された複数のイコライズ用巻線を少なくとも有するトランスと、前記各イコライズ用巻線にそれぞれ直列接続されると共に互いに同期してスイッチング制御される複数の第１のスイッチ手段とを備え、前記イコライズ用巻線および前記第１のスイッチ手段からなる直列回路の各々を複数の蓄電手段の各々にそれぞれ並列接続可能に構成された電圧イコライザであって、
前記第１のスイッチ手段のスイッチング時に前記トランスに巻き回されたいずれか一つの巻線の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との間にそれぞれ接続される複数の第２のスイッチ手段とを備え、前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧が前記トランスが正常に機能していないことを検出できる所定電圧以下のときに、前記第２のスイッチ手段に対して前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との接続を解除させることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る電圧イコライザの好適な実施の形態について説明する。なお、電圧イコライザ３１と同一の構成要素については同一の符号を付して重複した説明を省略し、電圧均一化動作自体は同様にして行われるため、その説明を省略する。
【００１３】
最初に、本発明に係る電圧イコライザ１の動作原理について、図１を参照して説明する。なお、同図では、電気エネルギー蓄積手段としてのバッテリーＢＴ内に直列接続された電気二重層型のコンデンサＣ２〜Ｃ（Ｎ−１）、およびコンデンサＣ２〜Ｃ（Ｎ−１）に対応する電圧イコライザ１内における各構成要素の図示を省略する。また、コンデンサＣ１〜ＣＮは、既に充電されているものとする。
【００１４】
電圧イコライザ１は、同一巻数の巻線（イコライズ用巻線）Ｗ１〜ＷＮと、リセット用の巻線（他の巻線）ＷＲとが巻き回されたトランス２を備えている。この場合、各巻線Ｗ１〜ＷＮ，ＷＲは、鉄芯によって互いに磁気結合されている。さらに、電圧イコライザ１は、スイッチＳ１〜ＳＮ、スイッチＦ１〜ＦＮ（以下、区別しないときには、「スイッチＦ」という）、制御部４、ドライブ回路Ａ１〜ＡＮ（以下、区別しないときには「ドライブ回路Ａ」という）、電圧検出回路Ｂおよび判別回路５を備えている。
【００１５】
スイッチＳは、本発明における第１のスイッチ手段に相当し、各巻線Ｗの巻終わり側端子と各コンデンサＣのマイナス側端子との間に接続される。スイッチＦは、本発明における第２のスイッチ手段に相当し、一例として各巻線Ｗの巻始め側端子と各コンデンサＣのプラス側端子との間に接続されて、電流経路を遮断する機能を有する。この場合、各コンデンサＣのプラス側端子、各巻線Ｗの巻始め側端子、スイッチＳ、および各コンデンサＣのマイナス側端子からなる電流経路内の任意の位置にスイッチＦを設けることができる。また、各スイッチＳ，Ｆは、通常、トランジスタやＦＥＴ等の半導体スイッチ素子で構成される。さらに、スイッチＦは、通常状態ではオン状態を維持する。なお、スイッチＦは、オン／オフのスイッチングを常時繰り返すスイッチＳとは異なり、スイッチＳの短絡異常が生じた際に作動させられるものであるため、スイッチング可能回数が仕様的に少ないリレーのような機械式スイッチ手段を採用してもよい。
【００１６】
制御部４は、発振回路を内蔵し、図外の電源スイッチが投入された状態では、その発振回路の発振信号としてのスイッチング制御信号ＳS をドライブ回路Ａ１〜ＡＮに出力することにより、各スイッチＳ１〜ＳＮのオン／オフスイッチングを制御する。また、制御部４は、判別回路５から警報信号ＳA が出力された際には、スイッチング制御信号ＳS の出力を停止して各スイッチＳをオフ状態に制御すると共に、遮断制御信号ＳE を出力することにより各スイッチＦをオフ状態に制御する。
【００１７】
各ドライブ回路Ａは、制御部４から出力されたスイッチング制御信号ＳS を相互に絶縁した状態で出力することにより、各スイッチＳをそれぞれ駆動する。電圧検出回路Ｂは、本発明における電圧検出手段を構成し、一例として巻線Ｗ１の両端子に接続され、その巻線Ｗ１の端子間電圧ＶW を整流して電圧検出信号ＳV を生成して判別回路５に出力する。
【００１８】
判別回路５は、制御部４からスイッチング信号ＳS が出力されている状態であって、かつ電圧検出回路Ｂによって検出された電圧検出信号ＳV の電圧値が所定電圧以下のときに、いずれかのスイッチＳに短絡異常が生じていると判別し、その際には、警報信号ＳA を制御部４および装置外部に出力する。
【００１９】
この電圧イコライザ１では、すべてのスイッチＳが正常に作動している状態では、図２（ａ）に示すスイッチング制御信号ＳS がハイレベルのとき（スイッチＳのオン状態時）に、同図（ｂ）に示すように、端子間電圧が最も高いコンデンサＣのその端子間電圧とほぼ等しい端子間電圧ＶW が巻線Ｗ１の端子間に発生する。逆に、スイッチング制御信号ＳS がローレベルのとき（スイッチＳのオフ状態時）には、トランス２に蓄積されているエネルギーが巻線ＷＲおよびダイオードＤ１を介して各コンデンサＣに放出される。このため、この際には、同図（ｂ）に示すように、各巻線Ｗには、負電圧のフライバック電圧が端子間電圧ＶW として発生する。この場合、電圧検出回路Ｂは、巻線Ｗ１に発生する端子間電圧ＶW を整流して正電圧の電圧検出信号ＳV を生成する。
【００２０】
一方、いずれか１つのスイッチＳに短絡異常が生じた場合、各スイッチＳのオン／オフに拘わらず、そのスイッチＳに接続されているコンデンサＣ、巻線Ｗ、およびそのスイッチＳからなる電流経路を電流が流れ続けてトランス２が磁気飽和し、その際には、磁束密度が殆ど変化しない。したがって、トランス２がトランスとして機能しないため、各巻線Ｗには、誘起電圧が殆ど発生せず、僅かに、巻線Ｗの巻線抵抗（直流抵抗）にその電流値を乗算した電圧が発生する。具体的には、各巻線Ｗには、図２（ｃ）に実線で示すように、正電圧でほぼ０Ｖの端子間電圧ＶW が発生する。したがって、判別回路５は、正常なスイッチング時において巻線Ｗ１に発生する端子間電圧ＶW （同図（ｃ）に破線で示す）の絶対値（正電圧）よりも低い電圧（例えば１／２の電圧）を基準の電圧（本発明における所定電圧）ＶREF として、スイッチング制御信号ＳS が出力されているときであって、端子間電圧ＶW が電圧ＶREF よりも低下しているときには、短絡異常が生じていると判別して警報信号ＳA を出力する。この場合、電圧ＶREF としては、トランス２が正常に機能していないことを検出できる程度の電圧値に規定すればよく、正常時に巻線Ｗ１に誘起する端子間電圧ＶW の１／２の電圧値に限定されず、その１／３、１／４、・・・等の任意の電圧値でよい。さらに、トランス２の磁気飽和時には、すべての巻線Ｗに発生する端子間電圧が共に低下するため、電圧検出回路Ｂを巻線Ｗ１〜ＷＮ，ＷＲのうちの任意の１つに接続し、その巻線Ｗに発生する端子間電圧ＶW を検出させることもできる。
【００２１】
一方、制御部４は、警報信号ＳA の入力を検知したときには、スイッチング制御信号ＳS の出力を停止して各スイッチＳをオフ状態に制御すると共に、遮断制御信号ＳE を出力して各スイッチＦをオフ状態に制御する。これにより、各コンデンサＣと各巻線Ｗとの接続が解除されて、各巻線Ｗに過電流が流れるのを確実かつ迅速に回避することができる。また、図外の制御装置では、警報信号ＳA を入力することで、電圧イコライザ１の故障を確実に検知することができる。
【００２２】
なお、本発明は、上記した発明の実施の形態に限定されず、適宜変更が可能である。例えば、図３に示す電圧イコライザ１１のように、各巻線Ｗ１〜ＷＮ，ＷＲに代えて、トランス２Ａに巻き回した補助巻線ＷＳの電圧ＶS を検出してもよい。
【００２３】
また、例えば、図４に示す電圧イコライザ２１にも適用することができる。なお、同図では、電圧イコライザ１，１１と同一の構成要素については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。この電圧イコライザ２１は、充電装置としても機能し、Ｎ個の巻線Ｗに加えて巻線ＷＰを更に巻き回したトランス２Ｂと、スイッチＳ１〜ＳＮのオン／オフに反転同期してオン／オフ制御され巻線ＷＰに直列接続されたスイッチＳＰと、巻線ＷＰおよびスイッチＳＰの直列回路に接続されたバッテリーＢ１とを備えている。この電圧イコライザ２１では、まず、スイッチＳＰをオン状態に制御すると共にスイッチＳ１〜ＳＮをオフ状態に制御する。この際には、巻線ＷＰにバッテリーＢ１から電流が供給されてトランス２Ｂにエネルギーが蓄積される。次いで、スイッチＳＰをオフ状態に制御すると共にスイッチＳ１〜ＳＮをオン状態に制御する。この際には、トランス２Ｂに蓄積されているエネルギーが各巻線Ｗ１〜ＷＮから各コンデンサＣ１〜ＣＮに放出される。この場合、端子間電圧が低いコンデンサＣほど、より多くの電流が供給される。したがって、バッテリーＢ１によって各コンデンサＣを充電しつつ、各コンデンサの端子間電圧を均一化することができる。この電圧イコライザ２１でも、電圧イコライザ１における電圧検出回路Ｂを巻線Ｗ１〜ＷＮ，ＷＰのいずれか１つに接続し、電圧検出信号ＳV を判別回路５に出力することにより、判別回路５が各スイッチＳ１〜ＳＮ，ＳＰの短絡異常を検出することができる。
【００２４】
また、本発明の実施の形態では、エネルギー蓄積手段として電気二重層型コンデンサを例に挙げて説明したが、これに限らず、各種コンデンサや二次電池が含まれる。また、各エネルギー蓄積手段は、直列接続されている場合に限らず、各エネルギー蓄積手段が絶縁された状態で別個独立している場合にも適用が可能である。さらに、各エネルギー蓄積手段の定格充電電圧が異なる場合にも適用が可能である。かかる場合には、各巻線Ｗの巻数比を各エネルギー蓄積手段の定格充電電圧に比例するように規定すればよい。また、本発明の実施の形態では、判別回路５が警報信号ＳA を装置外部に出力する構成を例に挙げて説明したが、電圧検出回路Ｂによって検出された端子間電圧ＶW を外部装置に出力し、外部装置に対して、端子間電圧ＶW に基づいてスイッチＳの短絡を判別させる構成を採用することもできる。
【００２５】
加えて、本発明の適用範囲についても、自動車用バッテリーの各セルとしてのコンデンサの端子間電圧を均一化する用途に限らず、例えば、大容量蓄電手段が直列接続される蓄電システムなどにおいて、その大容量蓄電手段の各両端電圧を均一化する場合など、各種用途に適用できるのは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の電圧イコライザによれば、電圧検出手段が第１のスイッチ手段のスイッチング時にトランスに巻き回されたいずれか一つの巻線の両端電圧を検出することにより、すべてのスイッチ手段の短絡異常を確実かつ迅速に検出することができると共に、電圧検出手段によって検出された両端電圧がトランスが正常に機能していないことを検出できる所定電圧以下のときに警報信号を出力することにより、例えば制御装置やオペレータに対して、電圧イコライザの故障を確実に報知することができる。また、巻線のすべてにカレントトランス等をそれぞれ直列接続する方式と比較して、部品点数の低減および製品コストの低減を図ることができると共に、電圧イコライザの小型化を実現することができる。
【００２７】
また、請求項２，３記載の電圧イコライザによれば、電圧検出手段が第１のスイッチ手段のスイッチング時にトランスに巻き回されたいずれか一つの巻線の両端電圧を検出することにより、すべてのスイッチ手段の短絡異常を確実かつ迅速に検出することができると共に、電圧検出手段によって検出された両端電圧がトランスが正常に機能していないことを検出できる所定電圧以下のときに第２のスイッチ手段を制御することにより、短絡異常の際に直列回路の各々と複数の蓄電手段の各々との接続を迅速に解除することができる。また、請求項３記載の電圧イコライザによれば、巻線のすべてにカレントトランス等をそれぞれ直列接続する方式と比較して、部品点数の低減および製品コストの低減を図ることができると共に、電圧イコライザの小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電圧イコライザ１のブロック図である。
【図２】電圧イコライザ１の動作を説明するための信号波形図であって、（ａ）はスイッチング制御信号ＳS の電圧波形図、（ｂ）は端子間電圧ＶW の電圧波形図、（ｃ）はいずれかのスイッチＳに短絡異常が生じたときの端子間電圧ＶW の電圧波形図および各スイッチＳが正常に作動しているときの端子間電圧ＶW の電圧波形図である。
【図３】本発明に係る電圧イコライザ１１のブロック図である。
【図４】本発明に係る電圧イコライザ２１の回路図である。
【図５】既に開発されている電圧イコライザ３１のブロック図である。
【符号の説明】
１，１１，２１電圧イコライザ
２，２Ａ，２Ｂトランス
４制御部
Ｂ電圧検出回路
ＢＴバッテリー
Ｃ１〜ＣＮコンデンサ
Ｓ１〜ＳＮ，ＳＰ，Ｆ１〜ＦＮスイッチ
ＳA 警報信号
ＳE 遮断制御信号
ＳV 電圧検出信号
ＶW 端子間電圧
Ｗ１〜ＷＮ，ＷＰ，ＷＲ，ＷＳ巻線

Claims

互いに磁気結合された複数のイコライズ用巻線を少なくとも有するトランスと、前記各イコライズ用巻線にそれぞれ直列接続されると共に互いに同期してスイッチング制御される複数の第１のスイッチ手段とを備え、前記イコライズ用巻線および前記第１のスイッチ手段からなる直列回路の各々を複数の蓄電手段の各々にそれぞれ並列接続可能に構成された電圧イコライザであって、
前記第１のスイッチ手段のスイッチング時に前記トランスに巻き回されたいずれか一つの巻線の両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧が前記トランスが正常に機能していないことを検出できる所定電圧以下のときに、警報信号を出力することを特徴とする電圧イコライザ。
前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との間にそれぞれ接続される複数の第２のスイッチ手段を備え、前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧が所定電圧以下のときに、前記第２のスイッチ手段に対して前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との接続を解除させることを特徴とする請求項１記載の電圧イコライザ。
互いに磁気結合された複数のイコライズ用巻線を少なくとも有するトランスと、前記各イコライズ用巻線にそれぞれ直列接続されると共に互いに同期してスイッチング制御される複数の第１のスイッチ手段とを備え、前記イコライズ用巻線および前記第１のスイッチ手段からなる直列回路の各々を複数の蓄電手段の各々にそれぞれ並列接続可能に構成された電圧イコライザであって、
前記第１のスイッチ手段のスイッチング時に前記トランスに巻き回されたいずれか一つの巻線の両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との間にそれぞれ接続される複数の第２のスイッチ手段とを備え、前記電圧検出手段によって検出された前記両端電圧が前記トランスが正常に機能していないことを検出できる所定電圧以下のときに、前記第２のスイッチ手段に対して前記直列回路の各々と前記複数の蓄電手段の各々との接続を解除させることを特徴とする電圧イコライザ。