JP3573274B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、蓄電池モジュールを直列接続した組電池を個別に充電する蓄電装置に係り、それぞれの蓄電池モジュールにフライバックトランスと整流素子を備えた構成により、それぞれの蓄電池モジュールの充電電圧のばらつきを一定値に制限する蓄電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電圧が必要な電気自動車や通信用電源装置のエネルギー源として、複数の蓄電池モジュールを直列接続した組電池が使用される。複数の蓄電池モジュールを直列に接続して充・放電する場合、電池特性のばらつきにより、個々の蓄電池モジュールの電圧が不規則に分布し、また、特定の 電池モジュールの過充電や過放電が起きる。したがって、蓄電池モジュールを組電池として使用する場合には、特性のばらつきの少ない蓄電池モジュールを組み合わせて使用する必要がある。実際的には、各蓄電池モジュールの配置によって放熱が悪くなり温度が上昇し、蓄電池モジュール特性に影響を与えたり、長期間使用の蓄電池モジュールの劣化の度合いが一様でないため、蓄電池モジュール特性を揃えることは困難である。したがって、それぞれの蓄電池モジュール電圧のばらつきを減少するために、均等充電（組電池の個々の蓄電池モジュールに生じた充電状態のばらつきをなくするために行う充電）が必要になる。
【０００３】
蓄電池モジュールを均等充電するための代表的な蓄電装置として、▲１▼それぞれの蓄電池モジュールと同数の二次巻線を有する多巻き線トランス（一次巻線と複数の二次巻線を同じコアに巻いたトランス）から、ダイオードを介して個々の蓄電池モジュールに二次巻線を接続する構造や、▲２▼蓄電池モジュールのそれぞれに対してｄｃ／ｄｃコンバータを接続する構造が提案されている。
【０００４】
▲１▼の構成は、［”Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｃｈａｒｇｅ ｏｆ Ｓｅｒｉｅｓ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｅｌｌｓ”，ＩＮＴＥＬＥＣ’９８，ｐｐ．３１１−３１５］に示されるように、多巻き線トランス（一つの磁気コアに一個の一次巻線と複数の二次巻線を同時に巻いたトランス）を備え、この多巻き線トランスから二次巻線を引き出して、個々の蓄電池モジュールの正極と負極にダイオードを介して接続し、個々の蓄電池モジュールを充電する。
【０００５】
また、▲２▼の構成は、［”Ｄｙｎａｍｉｃ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｓｅｒｉｅｓ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｓｔａｃｋｓ”，ＩＮＴＥＬＥＣ’９６，ｐｐ．５１４−５２１］に示されるように、組電池それぞれに対してフライバック型ｄｃ／ｄｃコンバータまたはフォワード型ｄｃ／ｄｃコンバータを接続し、各々のｄｃ／ｄｃコンバータで個々の蓄電池モジュールを充電あるいは放電する。さらに、本文献には、充電および放電を一台のｄｃ／ｄｃコンバータ（ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｉｓｏｌａｔｅｄ ｆｌｙｂａｃｋ ｄｃ−ｄｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓと呼称）により行う構成も示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術を多数の蓄電池モジュールから構成された組電池に応用するためには、トランスの配線が複雑になる、充電装置の部品点数が増加する等の問題点があった。
【０００７】
すなわち、▲１▼の構成によれば、二次巻線を一つの磁気コアに集中して巻き回す必要があるので、個々の蓄電池モジュールに接続する二次巻き線の配線が長くなり、もつれ易いという問題があった。また、フライバックトランスでは、一次巻線から供給される電流エネルギーを一個の磁気コアに一旦蓄積し、その後に複数の蓄電池モジュールに分配するので、蓄電池モジュールを大きな電流で充電する場合には、磁気コアが大型化し、設置スペースが限られるという問題があった。さらに、蓄電池モジュールと磁気コアが離れている場合には、二次巻き線の配線長が増大するので、抵抗成分による電圧降下や損失が増大するという問題があった。
【０００８】
▲２▼の構成は、蓄電池モジュール数に対応してｄｃ／ｄｃコンバータを接続するため、ｄｃ／ｄｃコンバータの構成部品数（主な構成部品は、トランスの一次巻き線と二次巻き線間を絶縁するフライバックまたはフォワードトランス、蓄電池モジュール電圧を検出するホトカップラ、検出電圧と基準電圧を比較して差分電圧を増幅する誤差増幅器、誤差増幅器の出力によりｄｃ／ｄｃコンバータのスイッチ素子のオンオフ比を調整する発信器、及びスイッチ素子）が増加するという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、簡単な構成により電圧の低い蓄電池モジュールを重点的に充電し、各蓄電池モジュールの電圧が一定になった後は各々の蓄電池モジュールを同等に充電する蓄電装置を提供することを目的とする。また、各々の蓄電池モジュールが満充電に達する条件に個体差のある場合に、満充電に達した蓄電池モジュールが過充電になることを避けるための蓄電装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の蓄電装置は、１以上の蓄電池セルを直列接続してなる蓄電池モジュールを複数個接続し、該蓄電池モジュールを充・放電する蓄電装置において、前記蓄電池モジュールそれぞれに対してフライバックトランスと、整流素子を設け、前記フライバックトランスの二次巻線が前記整流素子を介して前記蓄電池モジュールの正極と負極に接続され、前記フライバックトランスの各々の一次巻線は1 つのスイッチ素子と駆動回路と直流電源とを直列接続した回路の両端部に並列に接続され、前記整流素子の各々と前記駆動回路は整流素子制御回路に接続され、前記整流素子制御回路は各々の蓄電池モジュールに備えた充電状態検出回路の信号を受信する満充電検出回路に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明は、従来の発明とは、複数の蓄電池モジュールに一対一に対応したフライバックトランスを使用し、前記フライバックトランスの一次巻き線側は一個のスイッチ素子で共通にオンオフする点で異なる。
【００１２】
すなわち、本発明では、蓄電池モジュールそれぞれにフライバックトランスが設置されるため、蓄電池モジュールに接続された二次巻線は短小化できるので、電圧降下や抵抗による電力損失を考慮する必要が無い。また、蓄電池モジュールの充電用構造の大部分は、蓄電池モジュール直近に置かれるため、二次巻線の引き回しは必要でなくなり、蓄電池モジュールの陽極と陰極には二次巻線を予め接続しておくことも可能となるため、誤配線の問題も避けられる。さらに、フライバックトランスの励磁電流の調整を、一個のスイッチ素子で行うことが可能となり、また、満充電に達した蓄電池モジュールが過度に充電されないようにフライバックトランスの二次巻き線側のパワーＭＯＳ ＦＥＴで制限することが可能になる。蓄電池モジュールが満充電に達するまで、パワーＭＯＳ ＦＥＴを前記スイッチ素子と同期させてオンオフさせることは、いわゆる同期整流方式であるから、蓄電装置の損失低減にもなる。
【００１３】
請求項１に係る発明は、満充電以前の蓄電池モジュールを重点的に充電し、各蓄電池モジュールの充電電圧のばらつきをなくすることを目的とするが、満充電に達しない蓄電池モジュールがあまりにも急速に充電される可能性がある。これを避けるために、請求項２に係る発明では、満充電に達した蓄電池モジュールが増加した場合、満充電検出回路の信号により前記スイッチ素子のオンオ
フ比を調整する機能を有する。例えば、満充電に達した蓄電池モジュール数が増加した場合に、前記スイッチ素子のオン時間を短くすれば、フライバックトランスの励磁電流が減少し、スイッチ素子のオフ期間に蓄電池モジュール側に供給される充電電流を減少することが可能になる。
【００１４】
請求項３に係る発明では、上記蓄電装置において、前記整流素子はパワーＭＯＳ ＦＥＴであり、各蓄電池モジュールが満充電状態になる以前には整流素子制御回路で共通にオンオフされ、満充電検出後には該パワーＭＯＳ ＦＥＴを遮断する。
【００１５】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１に本願発明の蓄電池モジュール３にダイオード２とフライバックトランス１を接続して構成した第一の実施例を示す。本図では、三組の蓄電池モジュールを直列接続した例を示しており、この蓄電池モジュールを充電するための外部回路として、スイッチ素子４、駆動回路５、直流電源６を使用する。なお、本図に置いて蓄電池モジュールと並列にコンデンサ２０を接続しているのは、フライバックトランス１の脈動する電流を吸収させるためであり、このコンデンサ２０は必ずしも必要では無い。
【００１７】
各フライバックトランス１の二次巻き線は、蓄電池モジュール３に対応して設けており、一次巻き線は順送りに直流電源１とスイッチ素子４の間に並列に接続する。
【００１８】
フライバックトランス１とダイオード２は、図示の極性で個々の蓄電池モジュール３に対応して設ける。すなわち、本回路はスイッチ素子４の導通時にフライバックトランス１に励磁電流を蓄積し、スイッチ素子４の非導通時に二次巻線側に均等充電電流を流すように動作する。各フライバックトランス１の一次巻き線は、順送りに接続するので、各一次巻き線の両端から、直流電源６とスイッチ素子４に対して接続線を引き回す必要は無く、上下のフライバックトランス１の一次巻き線を順々に繋ぐのみで十分である。
【００１９】
なお、フライバックトランス１の特性は、後に述べるように必ずしも揃っている必要は無いので、フライバックトランス１を大量生産しても良い。
【００２０】
図２にフライバックトランス１の励磁インダクタンスを二次巻き線側に移した等価回路を示す。本等価回路では、回路の動作が最小限説明できるように、二組の蓄電池モジュール３を充電する場合を示している。なお、図２による動作説明は、各蓄電池モジュールの電圧が等しい場合の基本的なものである。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、スイッチ素子がオンになり、フライバックトランス１ａ，１ｂに励磁電流７が流れる場合を動作の開始点とする。この時、励磁インダクタンスには直流電源電圧が印加されるので、励磁電流７はスイッチ素子のオン時間とともに直線的に増加する。また、ダイオード２ａ，２ｂにより、蓄電池モジュール３ａ，３ｂからの電流は阻止される。この状態は、スイッチ素子がオフになるまで続くので、フライバックトランス１ａ，１ｂの磁気コアは励磁電流により飽和しないように設計する必要がある。
【００２２】
スイッチ素子がオフになった場合の励磁電流７の流れを図２（ｂ）に示す。励磁電流７は、ダイオード２ａ，２ｂを通して蓄電池モジュール３ａ，３ｂに続流として流れ、蓄電池モジュール３ａ，３ｂを充電する。この状態は励磁電流が零になるまで続き、励磁電流が零になるとスイッチ素子がオンになるまで静止状態となる。
【００２３】
次に、蓄電池モジュール３ａ，３ｂの電圧が異なる場合の本回路の動作説明図を図３に示す。
【００２４】
図３において、上側の蓄電池モジュール３ａの電圧は、下側の蓄電池モジュール３ｂの電圧より若干低いものと仮定する。スイッチ素子のオン時に蓄積された励磁電流は、スイッチ素子がオフになると、図２と同様に蓄電池モジュール３ａ，３ｂの充電を開始する。しかし、下側のフライバックトランス１ｂの励磁電流（点線で示す）は、電圧の低い蓄電池モジュール３ａ側に回り込み、上側のフライバックトランス１ａの励磁電流とともに上側の蓄電池モジュール３ａを充電するので、電圧が低い上側の蓄電池モジュール３ａの充電が促進される。やがては、図２に示すように蓄電池モジュール３ａと３ｂは同じ電圧まで充電され、図２（ｂ）のような経路で蓄電池モジュール３ａと３ｂの充電が行われる。この不足充電を補う励磁電流の経路の切り替わりは、主に蓄電池モジュール３ａの電圧によるので、フライバックトランス１ａとフライバックトランス１ｂとの特性が不揃いであっても同様の効果を得ることができる。
【００２５】
図２の構成の実施例の効果を図４に示す。図４は、直流電源電圧２４Ｖ、フライバックトランスの励磁インダクタンス（二次巻き線側換算値：約６０μＨ）、スイッチ素子のオン時間：約２μｓ、スイッチ素子のオフ時間：約３μｓで、蓄電池モジュールを模擬するものとして２００μＦの電解コンデンサを使用した例である。実線が若干電圧の低い蓄電池モジュール、破線が電圧の高い蓄電池モジュールに相当する。波形が滑らかでないのは、蓄電池モジュールの充電電流が不連続なためであるが、蓄電池モジュールの電圧が時間の経過とともに均一になるという本願発明の効果が示されている。
【００２６】
（実施例２、３）
次に本願発明の第二及び第三実施例について説明する。本願発明の第一実施例の回路により、電圧の異なる蓄電池モジュールの電圧を均等化できることを示したが、必ずしも蓄電池モジュールが均等になった場合が、最適な充電状態でない場合がある。例えば、ある蓄電池モジュールは、他の蓄電池モジュールより低い電圧で満充電に達する場合などが想定され、満充電に達した蓄電池モジュールをさらに充電すると過充電になり、寿命に影響する。このような場合を想定した第二及び第三実施例を図５により説明する。
【００２７】
図１と図５の違いは、ダイオード２の代わりにパワーＭＯＳ ＦＥＴ （整流素子）１３を使用し、各蓄電池モジュールに充電状態検出回路９、充電状態検出回路の信号を受信する満充電検出回路１１、整流素子制御回路１２を付加した点である。また、整流素子制御回路は、駆動回路５を制御して、スイッチ素子のオンオフ比を調整する機能を有する。以下、それぞれの効果について説明する。
【００２８】
通常、整流素子制御回路１２は、スイッチ素子４のオン信号がオフ信号に変わると、整流素子１３にオン信号を送出する。また、スイッチ素子４のオフ信号がオン信号に変わると整流素子１３にオフ信号を送出する。つまり、スイッチ素子４と整流素子１３は、逆位相の信号で動作する。
【００２９】
充電状態検出回路９は、蓄電池モジュール３の温度あるいは充電電圧を測定した結果を電気信号に変換して、満充電検出回路１１に送出する。
【００３０】
満充電検出回路１１は、充電状態検出回路からの信号を受信し、各蓄電池モジュールが満充電状態にあるかどうかを判断する。ここでは満充電状態にあるかどうかの判断は、ニッケル・水素電池などの急速充電制御方式で行う。急速充電制御方式は、−△Ｖ方式と電池の温度上昇を利用する方式に大別され、−△Ｖ方式は充電終期に電池の電圧がピークに達してから低下する現象を利用したものであり、温度上昇を利用する方式は、充電開始時からの温度上昇値（△Ｔ）あるいは温度上昇速度（ｄＴ／ｄｔ）を検出するものである。
整流素子制御回路１２は、いずれかの蓄電池モジュールが満充電に達したことを検出すると、その蓄電池モジュールに接続される整流素子１３のオンオフ信号を遮断する。遮断される以前の整流素子１３の導通時には、パワーＭＯＳ ＦＥＴの内蔵ダイオード１６とオン抵抗を通して分流していた充電電流（オン抵抗に流れる電流による電圧降下≒内蔵ダイオードの電圧降下に達するまでは、オン抵抗を経由し、それ以上の電流で内蔵ダイオードも使用）は、遮断後には内蔵ダイオード１６以外を流れることができないので、電圧降下が増加する。このため、実質的に蓄電池モジュールと直列に大きな電圧が接続された状態と等価になり、この蓄電池モジュールの充電電流が減少し、過充電を防止することが可能になる。
【００３１】
図６は、図４と同じ回路定数の蓄電装置に図５の発明を適用した例であり、実線で示す電池モジュールが満充電に達した後の二組の蓄電池モジュールの充電電圧の変化を示している。パワーＭＯＳ ＦＥＴの信号を遮断した実線の電圧上昇値は、明らかに遮断していない破線の電圧上昇率よりも低く押さえられ、過充電が防止されていることが分かる。
【００３２】
なお、さらに電圧上昇率を減少して過充電を防止するためには、スイッチ素子のオンオフ比を整流素子制御回路の信号１２で減少させ、フライバックトランス９の励磁電流を減少させると効果的である。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば次の効果が達成される。
【００３４】
▲１▼１以上の蓄電池セルを直列接続してなる蓄電池モジュールを複数個接続し、該蓄電池モジュールを充・放電する蓄電装置において、直流電源とスイッチ素子の直列回路の両端部に接続された一以上の、フライバックトランスの励磁電流が、充電電圧の低い蓄電池モジュールを重点的に充電するように分流するため、各蓄電池の充電電圧を速やかに均等化することが可能である。
【００３５】
また、蓄電池モジュールの充電用構造の大部分は、蓄電池モジュール直近に置かれるため、二次巻線の引き回しは必要でなくなり、蓄電池モジュールの正極と負極には二次巻線を予め接続しておくことも可能となるので、誤配線の問題も避けられる。
【００３６】
▲２▼蓄電池モジュールの満充電電圧にばらつきが予想される場合には、フライバックトランスの二次側に接続したパワーＭＯＳ ＦＥＴのオン抵抗と内蔵ダイオードの特性を利用して、先に満充電に達した蓄電池モジュールがそれ以上過充電されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一実施例の回路図である。
【図２】第一実施例の基本説明図である。
【図３】本願発明の詳細説明図である。
【図４】第一実施例の効果を示す実験結果である。
【図５】第二および第三実施例の回路図である。
【図６】第二実施例の効果を示す実験結果である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ：フライバックトランス、
２，２ａ，２ｂ：ダイオード、
３，３ａ，３ｂ：蓄電池モジュール、
４：スイッチ素子、
５：駆動回路、
６：直流電源、
７、励磁電流、
８、分流する励磁電流、
９：充電状態検出回路、
１０：共通制御部、
１１：満充電検出回路、
１２：整流素子制御回路、
１３：パワーＭＯＳ ＦＥＴ （内蔵ダイオード１６を含む）、
１４：整流素子のオンオフ信号、
１５：スイッチ素子のオンオフ比調整信号、
１６：内蔵ダイオード、
２０：コンデンサ。

Claims (3)

1. １以上の蓄電池セルを直列接続してなる蓄電池モジュールを複数個接続し、該蓄電池モジュールを充・放電する蓄電装置において、前記蓄電池モジュールそれぞれに対してフライバックトランスと、整流素子を設け、前記フライバックトランスの二次巻線が前記整流素子を介して前記蓄電池モジュールの正極と負極に接続され、前記フライバックトランスの各々の一次巻線は1 つのスイッチ素子と駆動回路と直流電源とを直列接続した回路の両端部に並列に接続され、前記整流素子の各々と前記駆動回路は整流素子制御回路に接続され、前記整流素子制御回路は各々の蓄電池モジュールに備えた充電状態検出回路の信号を受信する満充電検出回路に接続されていることを特徴とする蓄電装置。
2. 前記整流素子制御回路は、前記駆動回路を制御して前記スイッチ素子のオンオフ比を調整する機能、並びに、いずれかの蓄電池モジュールが満充電に達したことを検出するとその蓄電池モジュールに接続される整流素子のオンオフ信号を遮断する機能とを有することを特徴とする請求項１記載の蓄電装置。
3. 前記整流素子は、パワーＭＯＳ ＦＥＴであることを特徴とする請求項１又請求項２に記載の蓄電装置。

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