JP4180237B2 - 磁気結合自律形バッテリィ等化回路 - Google Patents

磁気結合自律形バッテリィ等化回路 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はバッテリィ等化技術に係り、より特定すると、磁気的に結合されたバッテリィ等化回路であって、バッテリィに対して自律的な(オートノマスな)接続をするのに適した回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
単一のバッテリィから得られるよりも高い電圧を生成するために、複数のバッテリィが一般に直列に接続されて、相対的に大きな全電圧が負荷をドライブするために利用可能となる。再充電可能なバッテリィを利用することが望ましいことであるから、バッテリィ充電器回路が開発されていて、これが直列ストリング内にあるすべてのバッテリィを一度に充電するようにしている。
【0003】
一のバッテリィが他のバッテリィの充電よりも高い充電(チャージ)状態にあるということがなく、直列ストリング内の各バッテリィを完全充電するには注意を要するところである。もし一のバッテリィ上に直列となっている他のバッテリィに対して比較的低い電荷があるという差が存在すると、バッテリィの直列ストリングの全有効容量はチャージ(充電)の低状態をもつバッテリィの容量にまで低減される。
【0004】
バッテリィ等化回路が開発されていて、直列ストリング内のすべてのバッテリィが実質的に同じ充電状態を得ることを確かとしている。米合衆国特許No.5,479,083(Brainard)は従来形のバッテリィ等化回路を示し、この回路は1対の直列接続されたトランジスタが1対の直列接続されたバッテリィをまたいで接続されたものである。インダクタLがこの1対のトランジスタとバッテリィとの間に接続されている。発振器がゲート駆動信号をトランジスタに向けて作り、トランジスタが実質的に等接続期間にわたりオンとオフとに交番でバイアスされるようにする。インダクタは非分散性シャントとして動作し、このシャントは各バッテリィと並列に交番に切換えられて(スイッチされて)、一方のバッテリィ上の過剰チャージが他のバッテリィへ転送されるようにしている。不運にも、Brainard等化回路内の部品公差はバッテリィ間で得られる等化の程度に影響を及ぼし、とくに公差で発振器のデュティサイクルとトランジスタによりバッテリィに与えられる結果的なデュティサイクルとで影響が著しい。したがって満足な等化を得るためには、各バッテリィのチャージの測定値が得られて、それが必要とされるデュティサイクルを変更するために発振器に帰還されなければならない(Brainar特許の図3参照)。
【0005】
米合衆国特許No.5,710,504(Pascual)は適当な等化を達成するために各バッテリィからの帰還機構を必要としないバッテリィ等化回路を開示する。しかしPascual特許の回路は回路内にあるすべてのスイッチングデバイスが同期されていることを求めていて、どのくらいの数が直列組合せの中にあるかを問わない。直列結合されたバッテリィの数が比較的大きいときには一番上のバッテリィから一番下のバッテリィまでの高端子電圧をもたらし、Pascual回路のトポロジイは好ましくない故障状態を結果することになる。
【0006】
Pascual特許の図1を見ると、複数の直列接続されたバッテリィが示されていて、すべてのスイッチ16が制御線18と制御ユニット12を介して同期されている。一番上のバッテリィから一番下のバッテリィまでの全電圧が実質的に大きい(例えば600V)と仮定すると、実用回路は、等化回路の配線を介した一番上のバッテリィ端子から一番下のバッテリィ端子までの故障に耐えられるように設計されていなければならない。しばしば直列接続されたバッテリィは何アンペアもの(1000アンペアとかそれ以上に達するような)電流を送出して、故障でも生き残り、しかもバッテリィに何の損傷も生じないような設計をすることをむずかしくしている。
【0007】
米合衆国特許No.5,821,729(Schmidt)が開示した方法と装置では、複数のバッテリィ間でチャージ(電荷)を交換するための変成器(トランスフォーマ)巻線が所定時間間隔にわたり各バッテリィと並列に接続されている。各バッテリィは同じ巻線のセンスで巻線のそれぞれの1つに同時に接続されている。不運にも、Schmidt装置はスイッチング素子の精密なタイミングを要求するものであり、このスイッチング素子は巻線をそれぞれのバッテリィに接続する。実際に、もしスイッチング素子のタイミングがきちんと制御されていないとすると、変圧器巻線の共通磁気コアが飽和することになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
そこで新しいバッテリィ等化回路であって自律的動作(すなわち直列接続されたバッテリィに作用する他の等化回路との同期を必要としない動作)をすることができ、しかも閉ループ補償とか複雑な制御回路とかを満足な等化を達成するために必要としない回路が当該技術分野で求められている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明によると、先行技術の不都合を克服するために、バッテリィ等化回路が用意されていて、少くとも第1と第2の直列接続されたバッテリィ間でチャージを等化するようにし、各バッテリィには正端と負端とがあって、第2のバッテリィの正端は共通ノードにある第1のバッテリィの負端に接続されている。この発明のバッテリィ等化回路は次の構成である:(i)第1のバッテリィの正端は正ノードに、また(ii)第2のバッテリィの負端は負のノードに接続できるようにしたスイッチング回路;第1と第2の磁気的に結合された巻線を有し、各巻線はその巻線の極性を規定する第1端と反対の第2端とを有する変圧器(トランスフォーマ);変圧器の巻線から正と負とのノードに向けて接続された変圧器リセット回路;及び第1と第2の巻線を並列に第1と第2のバッテリィとそれぞれ同時に接続するように動作することができるスイッチング回路とがあり、ここでの接続は同じ極性となっていて、チャージが第1と第2のバッテリィ間で、両者間のチャージ不均衡(インバランス)の関数として、転送されるようにしてあり、また該変圧器リセット回路は第1と第2の巻線の一方を第1と第2のバッテリィの一方と反対極性で接続するように動作できるものとし、変圧器からそのバッテリィへのリセット電流が両者間のチャージ不均等を減少させるように流す構成である。
【0010】
この発明の別な特徴によると、このバッテリィ等化回路は第1のスイッチングトランジスタを含み、それが一端で正ノードにある第1のバッテリィの正端に接続可能であり;第2のスイッチングトランジスタがあって、これが一端で負ノードにある第2のバッテリィの負端に接続可能であり;第1と第2の磁気的に結合された巻線を有する変圧器があって、各巻線にはその巻線の極性を定義する第1の端と反対の第2の端とがあって;(i)第1の巻線の第1の端は第1のスイッチングトランジスタの反対端に接続され、(ii)第2の巻線の第1の端は第2のスイッチングトランジスタの反対端に接続され、また(iii)第1の巻線の第2端は第2の巻線の第1端に接続されている;第1のダイオードがあって、そのアノードは第2の巻線の第2端に接続され、またカソードは正ノードに接続されている;第2のダイオードは負ノードから接続されたアノードと第1の巻線の第1の端に接続されたカソードとを有している。駆動回路はスイッチングトランジスタをオンとオフとにそれぞれオンとオフの時間に実質的に同時にバイアスし、しかもデュティサイクルは約50%よりも小さいものとするように動作可能である。
【0011】
この発明は、さらに、第1と第2の直列接続されたバッテリィ間でチャージを等化する方法を提供しており、それには次の段階を使用することに依っている:変圧器の第1と第2の磁気的に結合された巻線の異なる1つを第1と第2のバッテリィの関係する1つと並列にそれぞれ同時に接続すること、この接続は同じ極性で行なわれて、より多くチャージをもっている第1と第2のバッテリィの一方が第1と第2の巻線の対応する一方に電流を送って、誘導電流が第1と第2の巻線の他方から流れ出てより少いチャージをもつ第1と第2のバッテリィの他方に流れるようにして、それにより第1と第2のバッテリィ間のチャージが等しくなるようにする;第1と第2の変圧器巻線を第1と第2のバッテリィから同時に接続をはずすこと;またリセット電流のための電流経路を用意して、第1と第2の巻線の対応する一方を通って少い方のチャージをもつ第1と第2のバッテリィの他方にリセット電流が流れるようにし、それによって第1と第2のバッテリィ間のチャージが等しくなるようにすること。
【0012】
この発明のさらに別な特徴によると、このバッテリィ等化回路には次のものが含まれている:第1と第2の磁気的に結合された巻線を有する変圧器であって、各巻線はその巻線の極性を規定する第1の端と反対側の第2の端とを有している;第1のキャパシタ;変圧器の第1の巻線から正ノードへ向けて接続された変圧器;及びオンの時間では(i)第1と第2の巻線を並列に第1と第2のバッテリィにそれぞれ同じ極性で並列に同時に接続し、かつ(ii)第1のキャパシタを並列に第1の巻線と接続するように動作できるスイッチング回路。
【0013】
この発明の別な特徴によると、このバッテリィ等化回路は次のものを含んでいる:第1と第2の磁気的に結合された巻線を有する変圧器であって、各巻線はその巻線の極性を規定する第1の端と反対側の第2の端とを有する変圧器;第1のキャパシタ;正ノードから共通ノードに接続された第2のキャパシタ;変圧器の第1の巻線から正ノードへ向けて接続された変圧器リセット回路;オンの時間に(i)第1と第2の巻線を第1と第2のバッテリィに並列にそれぞれ同じ極性で同時に接続し、また(ii)第1のキャパシタを第1の巻線と並列に接続するように動作できるスイッチング回路。
【0014】
この発明の他の目的、特徴及び利点はここに教示するところを添付の図面を参照して読むことにより当業者にとって明らかになると考える。
【0015】
【発明の実施の形態】
この発明を説明する目的で図面を示したが、これは現在好ましいとされている形態にすぎず、この発明に示した構成や機器に限定されないことが理解できよう。
【0016】
添付の図面を参照すると、同じ素子には同じ数字が付与されており、図1にはこの発明を第1の観点でとらえた特徴をもつチャージ(充電)等化回路100が示されている。
【0017】
チャージ等化回路100は各直列接続されたバッテリィ102,104上に含まれるチャージ(電荷)を等しくするように動作する。バッテリィ102は正端をもち、それが正ノード106に接続され、また負端があって、それが共通ノード110に接続されている。バッテリィ104は共通ノード110に接続された正端と、負ノード108に接続された負端とを含んでいる。
【0018】
当業者が理解するところであろうが、チャージ等化回路でこの発明のものは2つの完全に独立したバッテリィ、例えば別個のバッテリィ102と104で動作する必要はなく、特定の単一のバッテリィユニット内部での個別のセルで動作することもできる。このような場合には、バッテリィ102とバッテリィ104とは個別の直列接続されたセルで1個のバッテリィユニット内部にあるものと考えられる。
【0019】
この発明によるチャージ等化回路100は正ノード106と負ノード108とによって直列接続されたバッテリィ102,104と接続できるスイッチング回路112を含んでいる。このチャージ等化回路100はまた変圧器T1と、変圧器リセット回路114と、ゲート駆動(ドライブ)回路116を含んでいる。変圧器T1は上側の巻線118と下側の巻線120とを含み、共通のコア上に巻かれている。各巻線118,120はドット(点)で示した端(エンド)を含み、その巻線に関する極性(センス)を示している。
【0020】
スイッチング回路112は上側と下側のスイッチングトランジスタQ1,Q2を含んでいるのが好く、その各々は制御された導電回路(例えばソース・ドレイン回路)を有し、それが変圧器T1の上側と下側の巻線118,120の関連する1つと直列に接続されている。トランジスタQ1とQ2とはMOSFETデバイスであるのが好いが、当業者であれば他の形式のスイッチングトランジスタがこの発明の範囲を逸脱せずに利用できることは理解できよう。トランジスタQ1のドレインは正のノード106に接続されていて、またトランジスタQ1のソースは上側巻線118の一端に接続されている。トランジスタQ2のソースは負のノード108に接続されていて、またトランジスタQ2のドレインは下側巻線120の下側端に接続されている。上側と下側の巻線118,120は一緒に共通ノード110に接続されている。
【0021】
ゲート駆動回路116は2つの出力を有し、各出力は選定されたデュティサイクルでトランジスタQ1とQ2のそれぞれ一方をオンとオフとにバイアスするためのものである。このデュティサイクルは約50%よりも小さいことが望ましく、それは変圧器T1が飽和しないことを確保するためである。実際に、この回路は50%よりも小さなどんなデュティサイクルに対しても完全に動作し、例えばデュティサイクル10%、20%あるいは49%ですべて使用可能である。
【0022】
変圧器リセット回路114が変圧器T1の巻線118,120から正と負のノード106,108に接続されている。リセット回路114は1対のダイオードD1,D2を含んでいるのがよい。ダイオードD1のアノードは下側巻線120とスイッチングトランジスタQ2との接合点に接続され、またそのカソードは正ノード106に接続されている。ダイオードD2のアノードは負ノード108に接続され、またそのカソードはトランジスタQ1のソースと上側巻線との接合点に接続されている。
【0023】
スイッチング回路112は実質的には同時に上側と下側の巻線118,120を上側と下側のバッテリィ102,104に、それぞれ同じ極性で(すなわち、各巻線のドットがそれぞれのバッテリィの正端に接続された状態で)並列に接続するように動作できるのがよい。言い換えると、ゲート駆動回路はトランジスタQ1とQ2とを同じにオンにすることである:トランジスタQ1の導通は上側の巻線118が上側バッテリィ102の正端に接続され;また実質的に同時に、トランジスタQ2の導通が下側巻線120を下側バッテリィ104と並列に接続するようにし、下側巻線120のドット端が下側バッテリィ104の正端に接続されるようにしている。
【0024】
トランジスタQ1とQ2がオンのときは(すなわちオン時間中は)、上側バッテリィ102と下側バッテリィ104とはそれぞれ電流を上側巻線118と下側巻線120とに駆動させようとする。例えば上側バッテリィ102が多くのチャージ(すなわちより高い電位)をもっているとすると、電流は上側バッテリィ102の正端から、トランジスタQ1を通って、上側巻線118に入り、上側バッテリィ102の負端に入るように戻る。下側バッテリィ104はそこで下側巻線120のドット端から出て下側バッテリィ104の正端に流れ込む誘導電流に対抗することはできなくなる。これが実効的にチャージ(電荷)を上側バッテリィ102から下側バッテリィ104へ向けてオン時間中に転送する。当業者は理解できると考えるが、もし下側バッテリィ104が上側バッテリィ102よりも多くのチャージをもっていたとすると、そのときは電流の向きは変圧器T1の上側と下側の巻線118,120で反対となり、誘導された電流が上側バッテリィ102の正端子に向って流れ込むことが駆動電流(この場合は下側バッテリィ104の正端から出て下側巻線120のドット端に入って流れる)に応答して行なわれる。
【0025】
再び、上側バッテリィ102が下側バッテリィ104よりも大きいと仮定すると、スイッチング回路112のオンの時間中では、バッテリィ102から上側巻線118のドット端に流れ込む駆動電流は変圧器T1の磁化インダクタンスに作用するので、変圧器T1内にエネルギーを貯える。ゲート駆動回路116がトランジスタQ1とQ2とをオフにバイアスすると(すなわちオフの時間中)、は変圧器リセット回路114が低い方のチャージを持つバッテリィ(ここでは下側バッテリィ104)へ向けた電流(言い換えると変圧器T1のコア内の磁界を壊すことによって誘導される電流)を直接リセットするように好都合に動作できる。とくに、リセット電流は変圧器T1の上側巻線118の下側端から出て、下側バッテリィ104の正端に入り、ダイオードD2を通って、上側巻線118のドット端に入るように流れて戻る。効果的なのは、オフ時間中に、変圧器リセット回路114が下側バッテリィ104と並列にオン時間中とは反対の極性で上側巻線118と接続するように動作することである。好都合なのは、リセット電流がオフの時間中は上側バッテリィ102と下側バッテリィ104との間のチャージを等しくするために使用されることである。
【0026】
当業者はリセット電流が上側と下側の各バッテリィ102,104にダイオードD1とD2とを経て向けられるようになることで、そのときの条件は上側と下側とのバッテリィ102と104とが実質的に同じチャージである(すなわち両者が等化されている)ことを理解できよう。
【0027】
ここで図2を参照することとし、この図は図1のチャージ等化回路100のもっと詳細な模式図である。当業者は図2の特定部品が例としての目的でのみ記述されていることと、他の数多くの修正と変形とがこの発明の範囲を逸脱しないで作られることとを理解できよう。
【0028】
図3を参照すると、ここにはチャージ等化回路200がこの発明の別な特徴により示されている。このチャージ等化回路200は上側と下側とのバッテリィ202,204を含んでいる直列接続対のバッテリィに、正と負と共通とのノード(それぞれ206,208,210)で接続可能とされている。チャージ等化回路はスイッチング回路212と、変圧器T1と、変圧器リセット回路214と、ゲート駆動回路216とを含んでいる。
【0029】
変圧器T1の上側と下側の各巻線218,220はパランティックリーケージ(寄生洩れ)インダクタンス(Lleak)でそこに直列に接続されたものとして示してある。当業者が理解できることであるが、実用上の変圧器では、いずれものリーケージインダクタンスも非理想的な回路素子であり、一般には回路性能を劣化する結果をもたらす。変圧器を利用する電荷等化回路の場合には、リーケージインダクタンスは一般に一方のバッテリィから抽き出し他方のバッテリィに供給できる電流とチャージ(電荷)の大きさを制限する。実際に、より多くのチャージをもっているバッテリィからの駆動電流はそのバッテリィと変圧器巻線と、スイッチング回路と、変圧器動作によって反射された他の回路部品のインピーダンスとの組合せたインピーダンスによって制限されている。
【0030】
不運なことに、寄生リーケージインダクタンスは変圧器内での対応する負の効果なしでは低減できず、磁化インダクタンスを減らしたり、磁化エネルギーを増すといったことがなければならない。リーケージインダクタンスを磁化インダクタンスを対応して低減したり(また磁化エネルギーを増す)といったことをせずに減らすとする先行技術の方法は変圧器の磁化インダクタンス対リーケージインダクタンス比を同軸巻線を使用するといった複雑な巻線構成によっての改良に絞られていた。
【0031】
スイッチング回路212は変圧器T1の上側と下側の巻線218,220と直列に接続された上側と下側のスイッチングトランジスタQ1,Q2を含んでいるのがよい。トランジスタQ1,Q2はMOSFETデバイスがよいが、しかし、当業者が理解できるように、この発明の範囲を逸脱しないで他の形式のスイッチングトランジスタが利用できる。スイッチング回路212は、上側と下側の巻線218,220(及び関係するリーケージインダクタンス)を並列に上側と下側のバッテリィ202,204に、それぞれ、同じ極性で同時に接続するように動作できるのがよい。トランジスタQ2は図1の等化回路と実質的には同じやり方で変圧器1と下側バッテリィ204とに接続されている。しかしトランジスタQ1は上側と下側の巻線218,220との間に接続されていて、ドレインは上側巻線218の下端に、またソースは下側巻線のドット端に向けて接続されており、リーケージインダクタンスは下側巻線220全体にわたって分散されていると理解される。上側巻線218のドット端は正のノード206と上側バッテリィの正端とに、上側バッテリィ202が等化回路200に接続されたときに、接続されている。
【0032】
上側のキャパシタC1は正ノード206から、(i)トランジスタQ1のソースと、(ii)下側巻線220のドット端と、(iii)共通ノード210との接合に接続されている。当業者は、上側キャパシタC1が実効的には上側バッテリィ202と並列に接続されていることを理解するであろう。下側キャパシタC2は上側巻線218とトランジスタQ1のドレインとの接合から、下側巻線220とトランジスタQ2のドレインとの接合へと接続されている。
【0033】
好ましいのは、変圧器リセット回路214がダイオードを含む、そのアノードが下側巻線220と、キャパシタC2と、トランジスタQ2のドレインとの接合に接続されていることである。ダイオードD1はまたカソードが正ノードに接続されている。
【0034】
ゲート駆動回路216はトランジスタQ1とQ2とを次のようにバイアスするように動作することができるのがよい:(i)オン時間中は実質的に同時にオン;(ii)オフ時間中は実質的に同時にオフ。トランジスタQ1とQ2とがオンのときは、上側と下側との巻線218,220とは並列に上側と下側のバッテリィ202,204にそれぞれ接続されている。さらに、下側キャパシタC2は並列に下側バッテリィ204と接続されている。こうして上側キャパシタC1と下側キャパシタC2とは充電もしくは放電をすることになってそれらの端子電圧がバッテリィ202と204のそれぞれの電圧と整合がとれるようにする。トランジスタQ1とQ2とがオンのとき(すなわちオン時間中は)上側のバッテリィ202と下側のバッテリィ204とは上側の巻線218と下側の巻線220とにそれぞれ電流を送るように試みる。例えば、上側のバッテリィ202がより多いチャージをもっている(すなわち、より大きな電圧をまたいでもっている)とすると、電流が上側バッテリィ202の正端から上側巻線218に入り、トランジスタQ1を通って上側バッテリィ202の負端に戻る。そこで下側のバッテリィ204は下側巻線220のドット端を出て下側バッテリィ204の正端に入るように流れる誘導電流に対抗することができなくなる。これが上側バッテリィ202から下側バッテリィ204へオンの時間中にチャージを転送する。もし下側のバッテリィ204が上側のバッテリィ202よりも多くのチャージをもっていたとすると、そのときは電流の流れる方向は変圧器T1の上側と下側の巻線218,220で反対となり、誘導された電流は、下側バッテリィ204の正端から出て下側巻線220のドット端に入って流れる駆動電流に応答して、上側バッテリィ202の正端子に流れ込む。
【0035】
上側バッテリィ202が下側バッテリィ204よりも多くのチャージをもっていると仮定すると、上側バッテリィ202によって上側巻線218へ駆動される電流のそれぞれの大きさは、(i)上側バッテリィ202と、上側巻線218(リーケージインダクタンスを含んでいる)と、トランジスタQ1との組合せたインピーダンス、及び(ii)下側バッテリィ204と、下側巻線220と、下側キャパシタC2とのインピーダンスの反射並列組合せとの関数となる。好都合なのは、下側キャパシタC2が下側巻線220(及びそのリーケージインダクタンス)とスイッチング回路212のオンの時間中は実効的に並列となっていて、それによって上側巻線218に向けて反射されたインピーダンスを低減することである。その結果、上側バッテリィ202から下側巻線218に向う駆動電流の振幅は下側のキャパシタC2がないときよりも大きくなる。
【0036】
再び上側バッテリィ202が下側バッテリィ204よりも多くのチャージを有しているとし、ゲート駆動回路216が実質的に同時に上側と下側の巻線218,220を上側と下側のバッテリィ202,204からそれぞれ実質的に同時に接続を解除するときには(すなわちオフの磁化内では)、変圧器リセット回路214はリセット電流に対する電流経路を用意するように動作可能であることが好ましく、キャパシタC2を通り、またダイオードD1を通って上側巻線218のドット端に流れるようにする。これがキャパシタC2をオン時間中に変圧器T1内に貯えられたエネルギーでキャパシタC2を充電する。したがって、ゲート駆動回路216が、トランジスタQ1とQ2とをオンにし、これによってキャパシタC2を並列に下側バッテリィ204に接続し、リセット電流からキャパシタC2上に積み上げられたチャージが下側バッテリィ204を充電し、それによってバッテリィ202と204とを等化する傾向をとる。
【0037】
下側バッテリィ204が上側バッテリィ202よりも多いチャージをもつときには、オンの時間中に下側のバッテリィ204が電流を下側巻線220のドット端内に送り、それによって誘導電流が上側巻線218のドット端から出て、(i)上側キャパシタC1、及び(ii)上側バッテリィ202の少くとも一方の内に流れ込むようにし、それによって上側と下側とのバッテリィ202,204上のチャージを等化する傾向をとる。
【0038】
スイッチング回路216がトランジスタQ1とQ2とをオフとすると、変圧器リセット回路214はリセット電流のための電流経路を用意するように動作可能となるのがよく、リセット電流が下側巻線220のドット端に入り、ダイオードD1を通って、(i)キャパシタC1と、(ii)上側バッテリィ202との少くとも1つに入るように流して、それによりオフ時間中に上側と下側のバッテリィ202,204上のチャージを等化する傾向をとる。当業者は上側キャパシタC1へ向けてリセット電流を介して転送されるチャージは終局的には上側バッテリィ202へ転送され、その程度は上側キャパシタC1をまたぐ端子電圧が上側バッテリィ202の電圧を越えることになることは理解できよう。
【0039】
ここで図4を参照すると、等化用電流対上側と下側のバッテリィ202,204間の電圧差が次の3条件の下で示されている:すなわち、(i)リーケージインダクタンスなし(すなわち、理想的な条件);(ii)リーケージインダクタンスがあるが補償回路は何もない(すなわち、図1の回路);及び(iii)リーケージインダクタンスと図3の回路ありである。好都合なのは、図3の回路を流れている等化電流の振幅は実質的に図1の回路を流れるものよりも実質的に大きい。したがって、上側と下側とのバッテリィ202,204の間の等化は図3の回路を用いてもっと素早く達成される。
【0040】
図5をここで参照すると、図3の等化器回路200の代りの実施例が示されている。図5の等化器回路200は実質的に図3の回路と似ていて、例外は上側キャパシタC1が利用されていないことである。図5の回路の動作は図3の回路の動作と実質的に同じであるが、誘導電流も、リセット電流も、あるいは充電電流もいずれもキャパシタC1を通って流れないことを除く。キャパシタC2についての充電及び/又は放電電流はしかし図3の回路の場合と同じである。
【0041】
ここで図6を参照すると、そこには図5の等化回路200を実施するためのより詳細な模式図が示されている。当業者はこの特定の回路部品と構成とが例として示してあることと、この発明の範囲を逸脱せずに数多くの修正と変形が作れることとは理解できよう。
【0042】
最も好ましいのは、この発明のチャージ等化回路が回路カード上で実施されて、このカードがバッテリィ102,104の近くに置かれることである。バッテリィの数が2を越えて、例えば3,4,5,6などとなるときには、1つのチャージ等化回路300が各バッテリィ対に対して採用されてよい。
【0043】
好都合なのは、同期もしくは他の制御信号は、一切、他のバッテリィ対についてのチャージ等化回路間で共用される必要がないことである(言い換えると、各チャージ等化回路は自律的(オートノマス))である。チャージ等化回路はこうしてバッテリィに分散されて、便利でしかも安全な動作にあてられる。
【0044】
この発明はその特定の実施例と関係して記述されてきたが、数多くの他の変形及び修正と他の使用とが当業者にとって明らかとなろう。そこでこの発明がここでの特定の開示によっては制限されず、添付のクレームのみによって限定されるのが好い。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の1つの特徴によるバッテリィ(充電)等化回路の模式図。
【図2】図1の充電等化回路のより詳細な回路図。
【図3】この発明の他の特徴によるバッテリィ等化回路の模式図。
【図4】図1と図3との回路で達成できる等化電流振幅の比較を示すグラフ。
【図5】図3のバッテリィ(充電)等化回路の別の実施例を示す図。
【図6】図5の充電等化回路のより詳細な模式図。

Claims (42)

  1. 少なくも第1と第2の直列接続されたバッテリィ間でチャージを等化させるバッテリィ等化回路であり、各バッテリィが正端と負端を含み、前記第2のバッテリィの前記正端が前記第1のバッテリィの前記負端に接続されてその接続点が共通ノードを形成し、前記バッテリィ等化回路が:
    (i)前記第1のバッテリィの前記正端に、その正端を正ノードとして、(ii)前記第2のバッテリィの前記負端に、その負端を負ノードとして、接続可能なスイッチング回路と;
    第1と第2の磁気的に結合された巻線を有する変圧器であって、各巻線が前記巻線のある極性を定める第1の端と、そのある極性と反対の極性の第2の端を有する変圧器と;
    前記変圧器の前記第1の巻線の第1の端を前記正ノードに、前記第2の巻線の第2の端を前記負ノードに結合する変圧器リセット回路であって、前記第1の巻線と前記第2の巻線の他の端は前記共通ノードに結合されている、変圧器リセット回路とを備え、
    前記スイッチング回路が、前記第1の巻線と前記第2の巻線をそれぞれ前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィと並列に、かつ同じ極性で接続され、チャージが、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間でこれらの間の不平衡の関数として伝達されるように動作可能であり;
    前記変圧器リセット回路が、前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の一方を前記第1と前記第2のバッテリィの内の一方と並列に、かつ反対の極性で接続し、前記変圧器からのリセット電流をそのバッテリィに出力し、これによってこれらの間における前記チャージの不平衡を減少させるように動作可能であるバッテリィ等化回路。
  2. 前記変圧器リセット回路がさらに、前記第1の巻線と前記第2の巻線をそれぞれ前記第2のバッテリィと前記第1のバッテリィと並列に、かつ反対の極性で接続し、前記変圧器からのリセット電流を前記バッテリィに向けて、チャージの不平衡が存在しない場合に出力するように動作可能である請求項1記載のバッテリィ等化回路。
  3. 前記スイッチング回路が、一方の端が前記正端に接続された第1のスイッチングトランジスタと、一方の端が前記負ノードに接続された第2のスイッチングトランジスタとを含み、;
    前記変圧器の前記第1の巻線の前記第1の端が前記第1のスイッチングトランジスタの反対側端に接続され、前記第2の巻線の前記第1の端が前記第2のスイッチングトランジスタの反対側端に接続され、前記第1の巻線の前記第2の端が前記第2の巻線の前記第1の端に接続される請求項1記載のバッテリィ等化回路。
  4. 前記第のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタを、約50%未満のデューティサイクルで実質的に同時のオン/オフするようにバイアスするように動作可能な駆動回路をさらに備える請求項1記載のバッテリィ等化回路。
  5. 前記変圧器リセット回路が:
    前記第2の巻線の前記第2の端に接続されたアノードと前記正ノードに接続されたカソードを有する第1のダイオードと;
    前記負端から接続されたアノードと前記第1の巻線の前記第1の端に接続されたカソードを有する第2のダイオードとを備える請求項1記載のバッテリィ等化回路。
  6. 前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタが:(i)前記第1のスイッチングトランジスタのドレインが正ノードに接続され、前記第1のスイッチングトランジスタのソースが前記第1の巻線の前記第1の端に接続され;(ii)前記第2のスイッチングトランジスタのドレインが前記第2の巻線の前記第2の端に接続され、前記第2のスイッチングトランジスタのソースが前記負ノードに接続されるように接続されたMOSFETである請求項1記載のバッテリィ等化回路。
  7. 前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィがバッテリィユニットの少なくとも1部を形成するバッテリィセルである請求項1記載のバッテリィ等化回路。
  8. 少なくとも第1と第2の直列接続されたバッテリィ間におけるチャージを等化させるバッテリィ等化回路であり、各バッテリィが正端と負端を含み、前記第2のバッテリィの前記正端が前記第1のバッテリィの前記負端に接続されてその接続点が共有ノードを形成し、前記バッテリィ等化回路が:
    一方の端が前記第1のバッテリィの前記正端に、その正端を正ノードとして接続可能な第1のスイッチングトランジスタと;
    一方の端が前記第2のバッテリィの前記負端に、その負端を負ノードとして接続可能な第2のスイッチングトランジスタと;
    第1と第2の磁気的に結合された巻線を有する変圧器であり、各巻線が:(i)前記第1の巻線の前記第1の端が前記第1のスイッチングトランジスタの他端に接続され;(ii)前記第2の巻線の前記第1の端が前記第2のスイッチングトランジスタの他端に接続され;(iii)前記第1の巻線の前記第2の端が前記第2の巻線の前記第の端に結合され、更に前記共通ノードに結合されるように前記巻線のある極性を定める第1の端と、そのある極性と反対の極性の第2の端を有する前記変圧器と;
    前記第2の巻線の前記第2の端に接続されたアノードと前記第1の巻線の前記第1の端に接続されたカソードを有する第1のダイオードと;
    前記負ノードから接続されたアノードと前記第1の巻線の前記第1の端に接続されたカソードを有する第2のダイオードと;
    オン時とオフ時実質的に同時に、かつデューティサイクルが50%以下で、前記スイッチングトランジスタをそれぞれオン/オフさせるようにバイアスする駆動回路とを備えるバッテリィ等化回路。
  9. 前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタが、前記第1の巻線と前記第2の巻線をそれぞれ前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィと、前記オン時に同じ極性で同時に接続し;
    前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のより大きいチャージを有するどちらか一方が前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の対応する一方に対して、誘導電流が前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の他方から流出して、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のどちらかより少ないチャージを有する他方中に流入するようにして、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間においてチャージがオン時に等化する傾向を持つように電流を駆動する請求項8記載のバッテリィ等化回路。
  10. 前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタが、前記第1の巻線と前記第2の巻線を前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィからオフ時にそれぞれ接続を断ち;
    前記第1のダイオードと前記第2のダイオードの内の一方が、前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の対応する一方を介してリセット電流が前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のより少ないチャージを有する他方に、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間でチャージがオフ時に等化する傾向を持つように流入するための経路となる請求項9記載のバッテリィ等化回路。
  11. 少なくとも第1と第2の直列接続されたバッテリィ間でチャージを等化させる方法であり、各バッテリィが正端と負端を含み、前記第2のバッテリィの前記正端が前記第1のバッテリィの前記負端に接続されてその接続点が共通ノードを形成し、前記方法が:
    変圧器の第1と第2の磁気的に結合された巻線をそれぞれ前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィと並列に、かつ同じ極性で接続して、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のより大きいチャージを有する一方が前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の対応する一方に対して電流を駆動するステップと;
    前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間のチャージが等化する傾向を持たせるように、誘導電流が前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の他方から流出して前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のより少ないチャージを有する他方に流入させるステップと;
    前記変圧器の前記第1の巻線と前記第2の巻線を前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィから同時に接続を断つステップと;
    前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間のチャージが等化する傾向を持たせるように、前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の前記対応する一方を介して、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のより少ないチャージを有する前記他方に流すリセット電流の電流経路を形成するステップとを含む方法。
  12. 前記第1の巻線と前記第2の巻線を前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィから同時に接続を断つ前記ステップが前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタを用いて実行される請求項11項記載の方法。
  13. 前記第1の巻線及び前記第2の巻線を前記第1のバッテリィ及び前記第2のバッテリィと並列にそして同時に接続する前記ステップが:
    一方の端が前記第1のバッテリィの前記正端に対して正ノードのところで接続された第1のスイッチングトランジスタと;
    一方の端が前記第2のバッテリィの前記負端に対して負ノードのところで接続された第2のスイッチングトランジスタと;
    を用いて実行され;
    前記変圧器の各巻線が前記巻線の極性を定める第1の端と反対側の第2のの端を:(i)前記第1の巻線の前記第1の端が前記第1のスイッチングトランジスタの反対側の端に接続され;(ii)前記第2の巻線の前記第1の端が前記第2のスイッチングトランジスタの反対側の端に接続され;(iii)前記第1の巻線の前記第2の端が前記第2の巻線の前記第1の端に接続されるように含んでいる請求項11記載の方法。
  14. 前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の対応する一方中をリセット電流が流れる電流経路を提供するステップが:
    前記第2の巻線の前記第2の端に接続されたアノードと前記正ノードに接続されたカソードを有する第1のダイオードと;
    前記負ノードから接続されたアノードと前記第1の巻線の前記第1の端に接続されたカソードを有する第2のダイオードとを用いて実行される請求項13記載の方法。
  15. 少なくとも第1と第2の直列接続されたバッテリィ間でチャージを等化させるバッテリィ等化回路であり、各バッテリィが正端と負端を含み、前記第1のバッテリィの前記負端が前記等化回路の負ノードに接続可能であり、前記第1のバッテリィの前記正端が前記第2のバッテリィの前記負端に結合されてかつ前記等化回路の共有ノードに接続可能であり、また、前記第2のバッテリィの前記正端が前記等化回路の正ノードに接続可能であり、
    第1と第2の磁気的に結合された巻線を有する変圧器であり、各巻線が前記巻線のある極性を定める第1の端とその極性と反対の極性を有する第2の端を有する前記変圧器と;
    第1のキャパシタと;
    前記変圧器の前記第1の巻線から前記正ノードに結合された変圧器リセット回路と;
    オン時に(i)前記第1の巻線及び前記第2の巻線を前記第1のバッテリィ及び前記第2のバッテリィとそれぞれ並列に同じ極性で同時に結合し;(ii)前記第1のキャパシタを前記第1の巻線と並列に結合するように動作可能であるスイッチング回路とを備えるバッテリィ等化回路。
  16. オン時に、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のより大きいチャージを有する一方が前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の対応する一方に対して電流を駆動し、また、誘導された電流が、前記第1の巻線徒然貴台2の巻線の内の他方から流出して、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内のより少ないチャージを有する他方に、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間でチャージがオン時に等化するように流入する請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  17. (i)オン時と;(ii)前記第2のバッテリィが前記第1のバッテリィより大きいチャージを有するときに;前記第2のバッテリィが前記第2の巻線中に電流を駆動し、また、誘導された電流が前記第1の巻線から流出して前記第1のバッテリィと前記第1のキャパシタの内の少なくとも一方を充電する請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  18. 前記第2の巻線中に駆動される前記電流と前記第1の巻線から流出する前記誘導電流のそれぞれの大きさが前記第1のキャパシタと前記第1の巻線と前記第1のバッテリィのインピーダンスの並列組合せの関数である請求項17記載のバッテリィ等化回路。
  19. 前記スイッチング回路が前記変圧器の前記第1の巻線と前記第2の巻線をオフ時に前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィから接続を断ち;
    前記変圧器が、リセット電流が前記第2の巻線を通って前記第1のキャパシタに、前記第1のキャパシタがオフ時に充電するように流入する電流経路となるように動作可能である請求項17記載のバッテリィ等化回路。
  20. 前記オフ時の前記リセット電流による前記第1のキャパシタ上の前記チャージの内の少なくとも1部が前記オン時に前記第1のバッテリィを充電する請求項19記載のバッテリィ等化回路。
  21. (i)オン時と;(ii)前記第1のバッテリィが前記第2のバッテリィより大きいチャージを有するときに;前記第1のバッテリィが前記第1の巻線中に電流を駆動し、また、誘導された電流が前記第2の巻線から流出して第2のバッテリィを充電する請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  22. 前記スイッチング回路が、オフ時に前記変圧器の前記第1の巻線と前記第2の巻線を前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィから同時に接続を断つように動作可能であり;
    前記変圧器リセット回路が、リセット電流が前記第1の巻線中を流れて前記第2のバッテリィ中に、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間でチャージが前記オフ時に等化する傾向を持つように流入する電流経路を提供するように動作可能である請求項21記載のバッテリィ等化回路。
  23. 前記スイッチング回路が、前記負ノードから前記変圧器の前記第1の巻線の前記第2の端に接続された第1のスイッチングトランジスタと、前記変圧器の前記第2の巻線の前記第2の端から:(i)前記共通ノードと;(ii)前記第1のマイ線の前記第1の端とに接続された第2のスイッチングトランジスタとを含み;
    前記変圧器の前記第2の巻線の前記第1の端が前記正ノードに接続される請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  24. 50%未満のデューティサイクルで実質的に同時に前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタをオン/オフにバイアスするように動作可能な駆動回路をさらに備える請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  25. 前記変圧器リセット回路が、前記第1の巻線の前記第2の端に接続されたアノードと前記正ノードに接続されたカソードを有するダイオードを備える、請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  26. 前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタが:(i)前記第1のスイッチングトランジスタのソースが前記負ノードに接続され、前記第1のスイッチングトランジスタのドレインが前記第1の巻線の前記第2の端に接続され;(ii)前記第2のスイッチングトランジスタのドレインが前記第2の巻線の前記第2の端に接続され、前記第2のスイッチングトランジスタのソースが前記共通ノードに接続される;ように接続されたMOSFETである請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  27. 前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィがバッテリィユニットの少なくとも1部を形成するバッテリィセルである請求項15記載のバッテリィ等化回路。
  28. 少なくとも第1と第2の直列接続されたバッテリィ間でチャージを等化させるバッテリィ等化回路であり、各バッテリィが正端と負端を含み、前記第1のバッテリィの前記負端が前記等化回路の負ノードに接続可能であり、前記第1のバッテリィの前記正端が前記第2のバッテリィの前記負端に接続されていて前記等化回路の共通ノードに接続可能であり、また、前記第2のバッテリィの前記正端が前記等化回路の正ノードに接続可能であり、前記バッテリィ等化回路が:
    第1と第2の磁気的に結合された巻線を有する変圧器であり、各巻線が前記巻線のある極性を定める第1の端とその極性と反対の極性の第2の端を有する、前記変圧器と;
    第1のキャパシタと;
    前記正ノードから前記共通ノードに接続された第2のキャパシタと;
    前記変圧器の前記第1の巻線から前記正ノードに接続された変圧器リセット回路と;
    オン時に:(i)前記第1の巻線及び前記第2の巻線をそれぞれ前記第1のバッテリィ及び前記第2のバッテリィと並列に同じ極性で同時に接続させ;(ii)前記第1のキャパシタを前記第1の巻線と並列に接続させるように動作可能なスイッチング回路とを備えるバッテリィ等化回路。
  29. 前記オン時に、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内の大きいチャージを有する一方が前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の対応する一方の中に電流を駆動し、また、誘導された電流が前記第1の巻線と前記第2の巻線の内の他方から流出して、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィの内の少ないチャージを有する他方に、前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィ間でチャージが前記オン時に等化する傾向を持つように流入する請求項28記載のバッテリィ等化回路。
  30. (i)オン時と;(ii)前記第2のバッテリィが前記第1のバッテリィより大きいチャージを有するときに;前記第2のバッテリィが前記第2の巻線中に電流を駆動し、また、誘導された電流が前記第1の巻線から流出して、前記第1のバッテリィと前記第1のキャパシタの内の少なくとも一方を充電する請求項28記載のバッテリィ等化回路。
  31. 前記第2の巻線中に駆動される前記電流と前記第1の巻線から流出する前記誘導電流のそれぞれの大きさが、前記第1のキャパシタと前記第1の巻線と前記第1のバッテリィのインピーダンスの並列組合せの関数である請求項30記載のバッテリィ等化回路。
  32. オフ時に、前記スイッチング回路が、前記変圧器の前記第1の巻線と前記第2の巻線を前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィから同時に接続を断つように動作可能であり;
    前記変圧器リセット回路が、リセット電流が前記第2の巻線中を流れて前記第1のキャパシタ中に、前記第1のキャパシタが前記オフ時に充電するように流入する電流経路を提供するように動作可能である請求項30記載のバッテリィ等化回路。
  33. 前記オフ時に前記リセット電流によって蓄積された前記第1のキャパシタ上の前記チャージの少なくとも1部が前記オン時に前記第1のバッテリィに充電する請求項32記載のバッテリィ等化回路。
  34. (i)オン時と;(ii)前記第1のバッテリィが前記第2のバッテリィより大きいチャージを有するときに;前記第1のバッテリィが前記第1の巻線中に電流を駆動し、また、誘導された電流が前記第2の巻線から流出して、前記第2のバッテリィと前記第2のキャパシタの内の少なくとも一方を充電する請求項28記載のバッテリィ等化回路。
  35. 前記第1の巻線中に駆動される前記電流と前記第2の巻線から流出する前記誘導電流のそれぞれの大きさが、前記第2のキャパシタと前記第2の巻線と前記第2のバッテリィのインピーダンスの並列組合せの関数である請求項34記載のバッテリィ等化回路。
  36. オフ時に、前記スイッチング回路が、前記変圧器の前記第1の巻線及び前記第2の巻線を前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィから同時に接続を断ち;
    前記変圧器リセット回路が、リセット電流が前記第1の巻線中を通って前記第2のバッテリィと前記第2のキャパシタの内の少なくとも一方の中に、前記第2のバッテリィが前記オフ時に充電するように流入する電流経路を提供するように動作可能である請求項34記載のバッテリィ等化回路。
  37. 前記オフ時に前記リセット電流によって前記第2のキャパシタ上に蓄積された前記チャージの内の少なくとも1部が前記オン時に前記第2のバッテリィを充電する請求項36記載のバッテリィ等化回路。
  38. 前記スイッチング回路が前記負ノードから前記変圧器の前記第1の巻線の前記第2の端に接続された第1のスイッチングトランジスタと、前記変圧器の前記第2の巻線の前記第2の端から:(i)前記共通モードと;(ii)前記第1の巻線の前記第1の端とに接続された第2のスイッチングトランジスタとを含み;
    前記変圧器の前記第2の巻線の前記第1の端が前記正ノードに接続された請求項28記載のバッテリィ等化回路。
  39. 約50%未満のデューティサイクルで実質的に同時に前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタをオン/オフするようにバイアスするように動作可能である駆動回路をさらに備える請求項28記載のバッテリィ等化回路。
  40. 前記変圧器リセット回路が、前記第1の巻線の前記第2の端に接続されたアノードと前記正ノードに接続されたカソードを有するダイオードを備える請求項28記載のバッテリィ等化回路。
  41. 前記第1のスイッチングトランジスタと前記第2のスイッチングトランジスタが:(i)前記第1のスイッチングトランジスタのソースが前記負ノードに接続され、また、前記第1のスイッチングトランジスタのドレインが前記第1の巻線の前記第2の端に接続され、また、(ii)前記第2のスイッチングトランジスタのドレインが前記第2の巻線の前記第2の端に接続され、前記第2のスイッチングトランジスタのソーが前記共通ノードに接続されるように接続されたMOSFETである請求項28記載のバッテリィ等化回路。
  42. 前記第1のバッテリィと前記第2のバッテリィがバッテリィユニットの少なくとも1部を形成する請求項28記載のバッテリィ等化回路。
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