JP4094595B2 - 蓄電素子の電圧均等化装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ等を構成する複数の蓄電素子の端子電圧を均等化する蓄電素子の電圧均等化装置に関する。

一般に、モータにより走行する電気自動車或いはエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車には、多数（例えば、１００個前後）の蓄電素子を直列に接続したバッテリを搭載する。そして、このバッテリには、充電容量の確保，各蓄電素子の長寿命化及び安全性等を考慮して、各蓄電素子の端子電圧を均等化する電圧均等化装置を接続するとともに、１つの蓄電素子に短絡等の故障が発生した場合であっても発熱や液漏れ等により重大な二次故障の原因になることから、各蓄電素子における端子電圧の異常を検出するための電圧検出装置を接続している。

従来、この種の電圧均等化装置としては、既に本出願人が提案した特開２００２−２２３５２８号公報開示の蓄電素子の電圧均等化装置が知られている。この電圧均等化装置は、直列接続された一方の複数の蓄電素子群の各々蓄電素子と、互いに磁気結合された複数の２次巻線の各々と、複数の一方のスイッチング素子の各々とでそれぞれ閉回路を構成し、他方の蓄電素子と２次巻線と共通に磁気結合されている１次巻線と他方のスイッチング素子とで閉回路を構成し、一方の複数のスイッチング素子と他方のスイッチング素子を交互にＯＮ・ＯＦＦすることにより直列接続された一方の複数の蓄電素子の出力電圧を均等化するものである。
特開２００２−２２３５２８号

しかし、上述した従来における蓄電素子の電圧均等化装置は、次のような解決すべき課題が存在した。

第一に、この種の電圧均等化装置は、トランスにエネルギを蓄積するとともに、蓄積したエネルギを端子電圧の相対的に低い蓄電素子に放出して各蓄電素子の端子電圧を均等化するため、電圧均等化装置を、複数（ｎ台）の電圧均等化モジュールの直列接続により構成する場合、全ての電圧均等化モジュールにおけるエネルギの蓄積量（放出量）が１台の電圧均等化モジュールのほぼｎ倍に増加し、電圧均等化モジュールの設計に際しては、予定されるモジュールの最大使用数量を考慮したエネルギ蓄積能力を有するトランスを選定する必要がある。したがって、最大使用数量よりも少ない数量の電圧均等化モジュールにより電圧均等化装置を構成する際は、装置の無用な大型化及びコストアップ、更には無用な電力消費を生じるとともに、他方、最大使用数量よりも多い電圧均等化モジュールを用いた電圧均等化装置は構成が困難になるなど汎用性にも劣る。

第二に、エネルギの蓄積（放出）に伴って流れる蓄積電流（放出電流）は、蓄電素子（電圧均等化モジュール）の数量が多くなるに従って大きくなるため、例えば、補助的回路である蓄電素子の端子電圧を検出する電圧検出回路を設ける場合、使用するダイオード等による回路の電圧降下が大きくなり、結局、電圧検出回路における検出精度の低下及び安定性の低下を招く。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した蓄電素子の電圧均等化装置の提供を目的とするものである。

本発明に係る蓄電素子の電圧均等化装置１は、上述した課題を解決するため、少なくとも複数の蓄電素子Ｂ…にそれぞれ接続する複数の基本巻線２ｏ…を有するトランス２を備え、トランス２にエネルギを蓄積するとともに、蓄積したエネルギを端子電圧Ｖ…の相対的に低い蓄電素子Ｂ…に放出して各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖ…を均等化する電圧均等化装置を構成するに際して、複数の蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖ…を均等化する電圧均等化モジュールＭを構成し、複数の電圧均等化モジュールＭ…及び対応する蓄電素子Ｂ…をそれぞれ順次直列に接続するとともに、基本巻線２ｏのインダクタンスＬｏよりも小さいインダクタンスＬｓを有してエネルギの蓄積又は放出を行うエネルギ処理用インダクタ３を、全部又は一部の電圧均等化モジュールＭ…のトランス２…に対して共通に接続することを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、エネルギ処理用インダクタ３のインダクタンスＬｓは、基本巻線２ｏのインダクタンスＬｏの１／２以下に設定できるとともに、トランス２…に対してエネルギ処理用インダクタ３を接続し又は接続を解除する切換手段１１を設けることができる。一方、トランス２…には、エネルギ処理用インダクタ３を接続して閉回路１２を構成する接続巻線２ｊ…を設ける。なお、この接続巻線２ｊ…は、トランス２…における既存の巻線２ｘ…と兼用することができる。さらに、エネルギ処理用インダクタ３は、インダクタンスＬｓの大きさを可変可能に構成することができる。

また、本発明に係る他の形態に係る蓄電素子の電圧均等化装置１は、上述した課題を解決するため、少なくとも複数の蓄電素子Ｂ…にそれぞれ接続する複数の基本巻線２ｏ…を有するトランス２を備え、トランス２にエネルギを蓄積するとともに、蓄積したエネルギを端子電圧Ｖ…の相対的に低い蓄電素子Ｂ…に放出して各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖ…を均等化する電圧均等化装置を構成するに際して、トランス２に、基本巻線２ｏのインダクタンスＬｏよりも小さいインダクタンスＬｓを有してエネルギの蓄積又は放出を行うエネルギ処理用インダクタ３を接続してなることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、トランス２…に対してエネルギ処理用インダクタ３を接続し又は接続を解除する切換手段１１を設けることができる。また、トランス２…には、エネルギ処理用インダクタ３を接続して閉回路１２を構成する接続巻線２ｊ…を設ける。なお、この接続巻線２ｊ…は、トランス２…における既存の巻線２ｘ…と兼用することができる。

このような構成を有する本発明に係る蓄電素子の電圧均等化装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 複数の電圧均等化モジュールＭ…により電圧均等化装置１を構成する際において、各電圧均等化モジュールＭ…に使用するトランス２…におけるエネルギ蓄電能力を必要最小限に設定しても、電圧均等化モジュールＭ…の数量に対応して生じるエネルギ蓄積能力の不足分は、エネルギ処理用インダクタ３により確保できるため、電圧均等化モジュールＭ（電圧均等化装置１）の小型化，低コスト化及び省電力化を図れるとともに、電圧均等化モジュールＭの標準化も容易に行うことができる。

（２） 電圧均等化モジュールＭ…の数量を任意に増減変更する場合であっても、エネルギ処理用インダクタ３におけるインダクタンスＬｓの大きさを選定することにより容易かつ柔軟に対応でき、設計自由度、更には汎用性を高めることができる。

（３） 補助的回路である蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖ…を検出する電圧検出回路を設ける場合であっても、電圧検出時に、トランス２に対するエネルギ処理用インダクタ３の接続を解除することにより、使用するダイオード等による回路の電圧降下を小さくできるとともに、変動も小さくできるため、電圧検出回路における検出精度及び安定性を高めることができる。

（４） 好適な態様により、エネルギ処理用インダクタ３のインダクタンスＬｓを、基本巻線２ｏのインダクタンスＬｏの１／２以下に設定すれば、上述した（１）〜（３）における作用効果を確実に享受できる。

（５） 好適な態様により、トランス２…に対してエネルギ処理用インダクタ３を接続し又は接続を解除する切換手段１１を設ければ、電圧均等化処理を行った後、エネルギ処理用インダクタ３の接続を解除することによって、電圧均等化処理後の無用なエネルギ循環（エネルギロス）を回避できる。

（６） 好適な態様により、トランス２…に、エネルギ処理用インダクタ３を接続する接続巻線２ｊ…を、トランス２…における既存の巻線２ｘ…と兼用して設ければ、別途の接続巻線２ｊ…が不要になるため、トランス２…の更なる小型化及び低コスト化に寄与できる。

（７） 好適な態様により、エネルギ処理用インダクタ３におけるインダクタンスＬｓの大きさを可変可能に構成すれば、エネルギの蓄積量（放出量）に基づく蓄積電流（放出電流）の大きさを適宜容易に調整（設定）することができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る蓄電素子の電圧均等化装置１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。

図１中、３１はバッテリ、特に、モータにより走行する電気自動車及びエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車に搭載するバッテリを示す。このバッテリ３１は、複数の蓄電素子Ｂ…を直列に接続して構成したものであり、この蓄電素子Ｂ…には、リチウムイオン電池等のイオン電池や電気二重層コンデンサ等の各種蓄電素子を用いることができる。また、各蓄電素子Ｂ…は、１個のセルにより構成してもよいし、複数個のセル、例えば、直列接続，並列接続又はこれらの組合わせからなる複数個のセルにより構成してもよい。この場合、バッテリ３１は、複数のバッテリ群３１ｕ，３１ｕ…に分けることができ、各バッテリ群３１ｕには、直列に接続した複数の蓄電素子Ｂ…を含む。そして、各バッテリ群３１ｕ…は順次直列に接続してバッテリ３１を構成する。

一方、電圧均等化装置１は、各バッテリ群３１ｕ…に対応した複数（ｎ台）の電圧均等化モジュールＭ…を備え、一つのバッテリ群３１ｕに一台の電圧均等化モジュールＭを対応させて接続する。

図２に、一台の電圧均等化モジュールＭを抽出して示す。電圧均等化モジュールＭは、鉄心を有するトランス２を備え、このトランス２は、各蓄電素子Ｂ…に対応して設けた複数の基本巻線２ｏ…を有する。各基本巻線２ｏ…の巻数は同一巻数である。また、基本巻線２ｏ…の巻終端子は、対応する蓄電素子Ｂ…の正極側に接続するとともに、基本巻線２ｏ…の巻始端子は、第一ダイオード（一方向性導通素子）４ａ…及びスイッチング素子５…の直列回路を介して対応する蓄電素子Ｂ…の負極側に接続する。さらに、任意の基本巻線２ｏ…における巻始端子は、第二ダイオード（一方向性導通素子）４ｂ…を介して、当該任意の基本巻線２ｏ…に対応する蓄電素子Ｂ…の正極側に接続した隣の蓄電素子Ｂ…の正極側に接続する。なお、バッテリ群３１ｕの正極端子３１ｕｐに接続した蓄電素子Ｂに対応する基本巻線２ｏの巻始端子には、第二ダイオード４ｂの接続は行わない。一方、２ｓは、電圧均等化モジュールＭを単独で使用したり、或いは複数の電圧均等化モジュールＭ…を接続した際に、バッテリ３１における最も負極側に位置するバッテリ群３１ｕに接続する電圧均等化モジュールＭを構成する際に用いる補助巻線を示す。したがって、この補助巻線２ｓは、他の電圧均等化モジュールＭ…には設けることを要しない。この補助巻線２ｓは、図２に仮想線で示すように、巻終端子をバッテリ群３１ｕの負極端子３１ｕｎに接続するとともに、巻始端子を第二ダイオード４ｂを介して、当該負極端子３１ｕｎに接続した蓄電素子Ｂの正極側に接続する。

これにより、各スイッチング素子５…のＯＮ時には、各蓄電素子Ｂ…から対応する各第一ダイオード４ａ…を介して各基本巻線２ｏ…にそれぞれ通電可能な複数の第一直列回路Ｃａ…が構成されるとともに、各スイッチング素子５…のＯＦＦ時には、各基本巻線２ｏ…から各第二ダイオード４ｂ…を介して隣の各蓄電素子Ｂ…にそれぞれ通電可能な複数の第二直列回路Ｃｂ…が構成される。なお、各スイッチング素子５…には、ＦＥＴ等の半導体スイッチを用いることができる。

他方、７は、制御部（制御回路）を示す。この制御部７は、内蔵するパルス発振器から発振する周波数が百〔ｋＨｚ〕程度のパルス制御信号Ｐｓを出力し、このパルス制御信号Ｐｓにより各スイッチング素子５…を同期させてＯＮ／ＯＦＦ制御する。

また、電圧均等化モジュールＭには、全蓄電素子Ｂ…のうちの最大端子電圧Ｖｍａｘを検出する最大電圧検出部２２ｍ及び最小端子電圧Ｖｍｉｎを検出する最小電圧検出部２２ｓからなる電圧検出回路２１を備える。この場合、トランス２に、最大端子電圧Ｖｍａｘの検出に用いる第一検出巻線２ｄａと最小端子電圧Ｖｍｉｎの検出に用いる第二検出巻線２ｄｂからなる検出巻線２ｄを設ける。そして、第一検出巻線２ｄａの巻終端子は、ダイオード２３ａを介して最大電圧検出部２２ｍの一方の入力ポートに接続するとともに、第一検出巻線２ｄａの巻始端子は、最大電圧検出部２２ｍの他方の入力ポートに接続する。一方、第二検出巻線２ｄｂの巻始端子は、ダイオード２３ｂを介して最小電圧検出部２２ｓの一方の入力ポートに接続するとともに、第二検出巻線２ｄｂの巻終端子は、最小電圧検出部２２ｓの他方の入力ポートに接続する。この際、第一検出巻線２ｄａ及び第二検出巻線２ｄｂの巻数は、基本巻線２ｏに一致させる。これにより、最大端子電圧Ｖｍａｘ及び最小端子電圧Ｖｍｉｎを検出することができる。このような検出巻線２ｄを設けることにより、電気的な絶縁を図ることができるとともに、必要に応じて検出電圧を昇圧又は降圧することができる利点がある。

さらに、ダイオード２３ａの出力側と第一検出巻線２ｄａの巻始端子間には、電圧保持コンデンサ２４ａ及び抵抗２５ａの並列回路を接続するとともに、ダイオード２３ｂの出力側と第二検出巻線２ｄｂの巻終端子間には、電圧保持コンデンサ２４ｂ及び抵抗２５ｂの並列回路を接続する。ダイオード２３ａと電圧保持コンデンサ２４ａは、最大端子電圧Ｖｍａｘを保持する機能を有するとともに、ダイオード２３ｂと電圧保持コンデンサ２４ｂは、最小端子電圧Ｖｍｉｎを保持する機能を有する。このような電圧保持コンデンサ２４ａ，２４ｂを設けることにより、各スイッチング素子５…のＯＮ時に発生する最大端子電圧Ｖｍａｘ及び各スイッチング素子５…のＯＦＦ時に発生する最小端子電圧Ｖｍｉｎを、各スイッチング素子５…のＯＮ／ＯＦＦタイミングに影響されることなく検出することができ、検出処理系の簡略化を図ることができる。

以上の構成が電圧均等化モジュールＭの基本回路となるが、トランス２には、更に本発明に従って、後述するエネルギ処理用インダクタ３を接続する接続巻線２ｊを設ける。このように構成する電圧均等化モジュールＭは、使用するトランス２のエネルギ蓄電能力を必要最小限の大きさに設定する。具体的には、トランス２における基本巻線２ｏ…のインダクタンスＬｏを大きく設定することにより、トランス２自身に蓄積されるエネルギが少なくなるように考慮することができる。

そして、本実施形態に係る電圧均等化装置１は、図２に示す電圧均等化モジュールＭを複数（ｎ台）用意し、図１に示すように、各電圧均等化モジュールＭ…を順次直列に接続する。この場合、任意の電圧均等化モジュールＭにおけるバッテリ群３１ｕの正極端子３１ｕｐに接続した蓄電素子Ｂに対応する基本巻線２ｏの巻始端子を、別途用意した接続用ダイオード４ｂｃを介して、当該正極端子３１ｕｐに接続した他のバッテリ群３１ｕの負極端子３１ｕｎに接続した蓄電素子Ｂの正極側に接続する。接続用ダイオード４ｂｃは、前述した第二ダイオード４ｂと同一の機能を有する。なお、バッテリ３１における最も負極側に位置するバッテリ群３１ｕに接続する電圧均等化モジュールＭは、前述した補助巻線２ｓを設けた電圧均等化モジュールＭを用いる。

さらに、各電圧均等化モジュールＭ…における各接続巻線２ｊ…同士は、図１に示すように、並列接続するとともに、この並列接続した接続巻線２ｊ…に対して、エネルギ処理用インダクタ３及びスイッチ素子１１ｓの直列回路を共通に接続する。これにより、並列接続した接続巻線２ｊ…とエネルギ処理用インダクタ３及びスイッチ素子１１ｓにより閉回路１２が構成される。この場合、スイッチ素子１１ｓは、トランス２…に対してエネルギ処理用インダクタ３を接続し又は接続を解除する切換手段１１を構成する。また、エネルギ処理用インダクタ３のインダクタンスＬｓは、基本巻線２ｏのインダクタンスＬｏの１／２以下に設定、望ましくは１／１０程度に設定することができる。

次に、本実施形態に係る電圧均等化装置１の動作について、図１〜図５を参照して説明する。

まず、図２に示す電圧均等化モジュールＭの基本的な電圧均等化処理に係わる動作について、図１，図４及び図５を参照しつつ図３に示すフローチャートに従って説明する。

電圧均等化装置１（電圧均等化モジュールＭ）の作動時には、制御部７から各スイッチング素子５…に対してパルス制御信号Ｐｓが付与され、各スイッチング素子５…は、パルス制御信号Ｐｓに同期してＯＮ／ＯＦＦ制御される。

今、各スイッチング素子５…がＯＮした場合を想定する（ステップＳ１）。図４に、各スイッチング素子５…がＯＮした状態における電圧均等化モジュールＭの等価回路Ｕａを示す。この場合、各蓄電素子Ｂ…から対応する各第一ダイオード４ａ…を介して各基本巻線２ｏ…に通電可能な複数の第一直列回路Ｃａ…が構成されるとともに、各第一直列回路Ｃａ…が並列接続された状態となる。この結果、全蓄電素子Ｂ…のうち端子電圧Ｖの最も大きい蓄電素子Ｂ、即ち、最大端子電圧Ｖｍａｘを有する蓄電素子Ｂから基本巻線２ｏに対して、トランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３へのエネルギ蓄積に伴う蓄積電流Ｉｓが流れるとともに、最大端子電圧Ｖｍａｘは、全基本巻線２ｏ…に発生するため、この最大端子電圧Ｖｍａｘよりも小さい端子電圧Ｖを有する蓄電素子Ｂ…からは蓄積電流Ｉｓ…が流れない。なお、最大端子電圧Ｖｍａｘを有する蓄電素子Ｂは、一個の場合及び二個以上の場合が発生する。図２に、蓄積電流Ｉｓの経路を一点鎖線矢印により示す。よって、最大端子電圧Ｖｍａｘの蓄電素子Ｂのみから蓄積電流Ｉｓが流れることにより、トランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３に対してエネルギの蓄積が行われるため、蓄電素子Ｂの最大端子電圧Ｖｍａｘを低下させる均等化処理が行われる（ステップＳ２）。一方、基本巻線２ｏの両端子（巻始端子と巻終端子）に発生する最大端子電圧Ｖｍａｘは、ダイオード２３ａを介して電圧保持コンデンサ２４ａに充電され、電圧保持コンデンサ２４ａの端子電圧として保持される（ステップＳ３）。

次に、各スイッチング素子５…がＯＦＦした場合を想定する（ステップＳ４）。図５に、各スイッチング素子５…がＯＦＦした状態における電圧均等化装置１の等価回路Ｕｂを示す。この場合、各基本巻線２ｏ…から各第二ダイオード４ｂ…を介して各蓄電素子Ｂ…に通電可能な複数の第二直列回路Ｃｂ…が構成されるとともに、各第二直列回路Ｃｂ…が並列接続された状態になる。この結果、基本巻線２ｏから、全蓄電素子Ｂ…のうち端子電圧Ｖの最も小さい蓄電素子Ｂ、即ち、最小端子電圧Ｖｍｉｎの蓄電素子Ｂ…に対してトランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３からのエネルギ放出に伴う放出電流Ｉｒが流れるとともに、最小端子電圧Ｖｍｉｎは、全基本巻線２ｏ…に発生するため、この最小端子電圧Ｖｍｉｎよりも大きい端子電圧Ｖを有する蓄電素子Ｂ…には放出電流Ｉｒ…が流れない。なお、最小端子電圧Ｖｍｉｎを有する蓄電素子Ｂは、一個の場合及び二個以上の場合が発生する。図２に、放出電流Ｉｒの経路を一点鎖線矢印により示す。最小端子電圧Ｖｍｉｎの蓄電素子Ｂにのみ放出電流Ｉｒが流れることにより、蓄電素子Ｂに対する充電が行われるため、最小端子電圧Ｖｍｉｎを上昇させる均等化処理が行われる（ステップＳ５）。一方、基本巻線２ｏの両端子（巻始端子と巻終端子）に発生する最小端子電圧Ｖｍｉｎは、ダイオード２３ｂを介して電圧保持コンデンサ２４ｂに充電され、電圧保持コンデンサ２４ｂの端子電圧として保持される（ステップＳ６）。このようなスイッチング素子５…のＯＮ／ＯＦＦ動作が繰返されることにより、各蓄電素子Ｂ…に対する電圧均等化処理が行われる。

以上、図２に示した電圧均等化モジュールＭの動作について説明したが、このような電圧均等化処理（動作）は、図１に示す電圧均等化装置１の全体においても同様に行われる。そして、最終的には全蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖ…が均等化される。このように、電圧均等化装置１では、各スイッチング素子５…のＯＮ時に、最大端子電圧Ｖｍａｘの蓄電素子Ｂ…から基本巻線２ｏ…に対して、トランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３へのエネルギ蓄積に伴う蓄積電流Ｉｓ…が流れるとともに、各スイッチング素子５…のＯＦＦ時に、基本巻線２ｏ…から最小端子電圧Ｖｍｉｎの蓄電素子Ｂ…に対して、トランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３からのエネルギ放出に伴う放出電流Ｉｒ…が流れるため、トランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３へのエネルギ蓄積時、更にはトランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３からのエネルギ放出時の双方において均等化処理が行われることになり、均等化能力及び均等化効率を飛躍的に高めることができる。

一方、電圧検出回路２１では、予め設定されたサンプリング時間になったなら、最大端子電圧Ｖｍａｘ及び最小端子電圧Ｖｍｉｎの検出処理を行う（ステップＳ７，Ｓ８）。この場合、スイッチ素子１１ｓはＯＦＦに切換える。この場合、最大端子電圧Ｖｍａｘは、電圧保持コンデンサ２４ａに保持されているため、最大電圧検出部２２ｍにより電圧保持コンデンサ２４ａの端子電圧を読取るのみで最大端子電圧Ｖｍａｘを検出することができる。そして、検出した最大端子電圧Ｖｍａｘは、データとして制御部７に付与され、制御部７のメモリに少なくとも一時記憶される。同様に、最小端子電圧Ｖｍｉｎは、電圧保持コンデンサ２４ｂに保持されているため、最小電圧検出部２２ｓにより電圧保持コンデンサ２４ｂの端子電圧を読取るのみで最小端子電圧Ｖｍｉｎを検出することができる。そして、検出した最小端子電圧Ｖｍｉｎは、データとして制御部７に付与され、制御部７のメモリに少なくとも一時記憶される。

他方、制御部７に一時記憶された最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎに係るデータは、スイッチング素子５…の制御条件の設定にも利用可能である。即ち、制御部７では、最大端子電圧Ｖｍａｘと最小端子電圧Ｖｍｉｎの差（差電圧Ｖｅ）を、Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ＝Ｖｅの演算処理により求める（ステップＳ９）。そして、この差電圧Ｖｅが予め設定した設定値Ｅｓ以下のときは、スイッチング素子５…のＯＮ／ＯＦＦ制御を停止し、ＯＦＦ状態にする（ステップＳ１０，Ｓ１１）。この場合、差電圧Ｖｅが小さいことは、各蓄電素子Ｂ…間の端子電圧Ｖ…のバラツキが小さく、均等化処理する必要がないことを意味するため、均等化処理を停止することにより、無駄なエネルギ消費を回避できる。これに対して、差電圧Ｖｅが設定値Ｅｓを越えているときは、各蓄電素子Ｂ…間の端子電圧Ｖ…のバラツキが大きく、均等化処理を要するため、スイッチング素子５…のＯＮ／ＯＦＦ制御をそのまま継続する（ステップＳ１０）。

また、差電圧Ｖｅが設定値Ｅｓを越えているときは、差電圧Ｖｅの大きさに応じて、スイッチング素子５…をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング周波数ｆｓの変更処理を行う（ステップＳ１０，Ｓ１１）。即ち、差電圧Ｖｅが大きいときは、スイッチング周波数ｆｓを低く設定する制御条件変更処理を行うとともに、差電圧Ｖｅが小さいときは、スイッチング周波数ｆｓを高く設定する制御条件変更処理を行う。このように、差電圧Ｖｅが小さいときは、スイッチング素子５…のＯＮ時間を短くすることにより、トランス２…（エネルギ処理用インダクタ３）に対する蓄積及び放出エネルギを少なくして無駄な損失を低減するとともに、差電圧Ｖｅが大きいときは、スイッチング素子５…のＯＮ時間を長くすることにより、均等化処理能力を高めることができる。

このように、本実施形態に係る電圧均等化装置１では、基本的に、端子電圧Ｖが相対的に高い蓄電素子Ｂのエネルギをトランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３に蓄積するとともに、トランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３に蓄積したエネルギを端子電圧Ｖの相対的に低い蓄電素子Ｂに放出して各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖ…を均等化する機能を有している。特に、エネルギ処理用インダクタ３を備えるため、電圧均等化モジュールＭ…に使用するトランス２…のエネルギ蓄電能力を必要最小限の大きさに設定しても、電圧均等化モジュールＭ…の数量に対応して生じるエネルギ蓄積能力の不足分は、エネルギ処理用インダクタ３により確保される。

この結果、電圧均等化モジュールＭ…の数量に対応して生じるエネルギ蓄電能力の要求に対しては、単一のエネルギ処理用インダクタ３のインダクタンスＬｓの変更により対応できるため、電圧均等化モジュールＭ（電圧均等化装置１）の小型化，低コスト化及び省電力化を図れるとともに、電圧均等化モジュールＭの標準化も容易に行うことができる。また、電圧均等化モジュールＭ…の数量を任意に増減変更する場合であっても、エネルギ処理用インダクタ３におけるインダクタンスＬｓの大きさを選定することにより容易かつ柔軟に対応でき、設計自由度、更には汎用性を高めることができる。

さらに、補助的回路である蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖ（Ｖｍａｘ，Ｖｍｉｎ）…を検出する電圧検出回路２１を設ける場合であっても、トランス２に対するエネルギ処理用インダクタ３の接続を解除することにより、使用するダイオード４ａ…，４ｂ…等による回路の電圧降下を小さくできるとともに、変動も小さくできるため、電圧検出回路２１における検出精度及び安定性を高めることができる。この場合、トランス２…に対してエネルギ処理用インダクタ３を接続し又は接続を解除するスイッチ素子１１ｓを有するため、電圧均等化処理を行った後、スイッチ素子１１ｓをＯＦＦにし、トランス２…に対するエネルギ処理用インダクタ３の接続を解除すれば、電圧均等化処理後の無用なエネルギ循環（エネルギロス）を回避できる。このような作用効果は、単一の電圧均等化モジュールＭに適用した場合であっても同様に享受できる。

他方、図６〜図８には、電圧均等化装置１に係わる変更実施形態を示す。図６は、異なる動作原理による電圧均等化モジュールＭ…を用いた電圧均等化装置１を示す。図６中、２は一次巻線２ｘと複数の基本巻線（二次巻線）２ｏ…を有するトランス、４ｘ…はダイオード、５ｘはスイッチング素子、Ｂｏは給電部を示す。なお、その他、図１と同一部分には同一符号を付した。図６に示す電圧均等化装置１は、スイッチング素子５ｘにパルス制御信号Ｐｓを付与してＯＮ／ＯＦＦ制御すれば、給電部Ｂｏからトランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３にエネルギの蓄積が行われるとともに、トランス２…及びエネルギ処理用インダクタ３に蓄積されたエネルギは、基本巻線（二次巻線）２ｏ…に対して放出される動作が繰り返される。したがって、この動作が図１に示した電圧均等化装置１と異なる。そして、放出されたエネルギは、図１に示した電圧均等化装置１の場合と同様に電圧均等化に用いられる。また、図６に示す電圧均等化装置１では、トランス２…に設ける接続巻線２ｊ…を、トランス２…における既存の巻線（一次巻線）２ｘ…に兼用させている。このため、別途の接続巻線２ｊ…が不要となり、トランス２…の更なる小型化及び低コスト化に寄与できる利点がある。なお、図６に示す電圧均等化装置１には、図１に示した電圧検出回路２１は備えていない。

一方、図７及び図８は、エネルギ処理用インダクタ３におけるインダクタンスＬｓの大きさを可変可能に構成したものである。図７は、エネルギ処理用インダクタ３における巻線３ｐに、一又は二以上の中間タップ３ｂ，３ｃを設けたものである。この場合、接続巻線２ｊの巻始端子は、巻線３ｐの一端３ｘ側に接続するとともに、接続巻線２ｊの巻終端子は、切換スイッチ５１を介して、巻線３ｐの他端３ａ，中間タップ３ｂ，３ｃに対して選択的に接続でき、異なるインダクタンスＬｓ…を選択して設定できる。また、図８は、エネルギ処理用インダクタ３における巻線３ｓのインダクタンスＬｓを、連続して可変できるようにしたものである。なお、図７及び図８において、図１と同一部分には、同一符号を付した。このように、エネルギ処理用インダクタ３におけるインダクタンスＬｓの大きさを可変可能に構成すれば、エネルギの蓄積量（放出量）に基づく蓄積電流（放出電流）の大きさを適宜容易に調整（設定）できる利点がある。

以上、最良の実施形態（変更実施形態）について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，素材，数量等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。例えば、電圧均等化モジュールは、例示の動作原理や回路形態のみならず、他の各種タイプ、具体的には、特願２００４−１０１１１８号等に記載する各種タイプの電圧均等化装置も同様に適用することができる。また、スイッチング素子，ダイオード，電圧検出回路等は、同一の機能を有する各種部品及び回路を適用することができる。さらに、エネルギ処理用インダクタは、全部の電圧均等化モジュールに対して共通に接続した場合を示したが、一部の電圧均等化モジュールのみに対し、或いは一部の電圧均等化モジュール毎に接続してもよい。一方、最大端子電圧Ｖｍａｘ，最小端子電圧Ｖｍｉｎを検出する電圧検出回路２１は、各電圧均等化モジュールＭ…に設けた場合を示したが、電圧均等化装置１を構成する各電圧均等化モジュールＭ…のうち、一つのモジュールＭのみ或いは選択した複数のモジュールＭ…のみに設けてもよいし、最大端子電圧Ｖｍａｘ又は最小端子電圧Ｖｍｉｎの一方のみを設けてもよい。なお、蓄電素子は、モータにより走行する電気自動車或いはエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車に搭載するバッテリに用いる蓄電素子を例示したが、用途はこれに限定されるものではない。

本発明の最良の実施形態に係る電圧均等化装置の回路図、 同電圧均等化装置の電圧均等化モジュールを抽出して示す回路図、 同電圧均等化装置（電圧均等化モジュール）の動作を説明するためのフローチャート、 同電圧均等化装置（電圧均等化モジュール）のスイッチング素子がＯＮした状態の等価回路、 同電圧均等化装置（電圧均等化モジュール）のスイッチング素子がＯＦＦした状態の等価回路、 本発明の変更実施形態に係る電圧均等化装置の回路図、 変更実施形態に係るエネルギ処理用インダクタを含む一部抽出回路図、 変更実施形態に係るエネルギ処理用インダクタを含む一部抽出回路図、

符号の説明

１ 電圧均等化装置
２ トランス
２ｏ… 基本巻線
２ｊ… 接続巻線
２ｘ… トランスにおける既存の巻線
３ エネルギ処理用インダクタ
１１ 切換手段
１２ 閉回路
Ｂ… 蓄電素子
Ｖ… 端子電圧
Ｍ… 電圧均等化モジュール

Claims (10)

1. 少なくとも複数の蓄電素子にそれぞれ接続する複数の基本巻線を有するトランスを備え、前記トランスにエネルギを蓄積するとともに、蓄積したエネルギを端子電圧の相対的に低い蓄電素子に放出して各蓄電素子の端子電圧を均等化する蓄電素子の電圧均等化装置において、複数の蓄電素子の端子電圧を均等化する電圧均等化モジュールを構成し、複数の電圧均等化モジュール及び対応する蓄電素子をそれぞれ順次直列に接続するとともに、前記基本巻線のインダクタンスよりも小さいインダクタンスを有して前記エネルギの蓄積又は放出を行うエネルギ処理用インダクタを、全部又は一部の電圧均等化モジュールのトランスに対して共通に接続してなることを特徴とする蓄電素子の電圧均等化装置。
2. 前記エネルギ処理用インダクタのインダクタンスは、前記基本巻線のインダクタンスの１／２以下に設定することを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
3. 前記トランスに対して前記エネルギ処理用インダクタを接続し又は接続を解除する切換手段を備えることを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
4. 前記トランスは、前記エネルギ処理用インダクタを接続して閉回路を構成する接続巻線を有することを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
5. 前記接続巻線は、前記トランスにおける既存の巻線と兼用することを特徴とする請求項４記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
6. 前記エネルギ処理用インダクタは、インダクタンスの大きさを可変可能に構成することを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
7. 少なくとも複数の蓄電素子にそれぞれ接続する複数の基本巻線を有するトランスを備え、前記トランスにエネルギを蓄積するとともに、蓄積したエネルギを端子電圧の相対的に低い蓄電素子に放出して各蓄電素子の端子電圧を均等化する蓄電素子の電圧均等化装置において、前記トランスに、前記基本巻線のインダクタンスよりも小さいインダクタンスを有して前記エネルギの蓄積又は放出を行うエネルギ処理用インダクタを接続してなることを特徴とする蓄電素子の電圧均等化装置。
8. 前記トランスに対して前記エネルギ処理用インダクタを接続し又は接続を解除する切換手段を備えることを特徴とする請求項７記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
9. 前記トランスは、前記エネルギ処理用インダクタを接続して閉回路を構成する接続巻線を有することを特徴とする請求項７記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
10. 前記接続巻線は、前記トランスにおける既存の巻線と兼用することを特徴とする請求項９記載の蓄電素子の電圧均等化装置。

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