JP4372595B2 - トランスのエネルギ検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、トランスに蓄積されるエネルギ又はトランスから放出されるエネルギを検出する際に用いて好適なトランスのエネルギ検出装置に関する。

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端子電圧を均等化するものである。

ところで、この場合、各蓄電素子に対する均等化処理は、一方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して行うため、各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを最適な状態に設定することが、均等化効率，省エネルギ性及びノイズ低減等の観点から極めて重要となる。したがって、上述した電圧均等化装置では、各２次巻線にそれぞれ電流検出トランス（エネルギ検出装置）を直列に接続し、各２次巻線に流れる電流を検出するとともに、各電流検出トランスから得られる電流値の代数和を求め、この代数和の監視により、特に、トランスから放出されるエネルギの放出終了時点を検出し、この放出終了時点に基づいて各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを設定していた。
特開２００２−２２３５２８号

しかし、上述した電圧均等化装置に備える従来のエネルギ検出装置は、次のような解決すべき課題が存在した。

第一に、各２次巻線（各蓄電素子）に対応した数量の電流検出トランス又はかかる数量の巻線を有する電流検出トランスを必要とするため、部品点数の大幅な増加又は部品の複雑化に伴う部品コスト及び製造コストの上昇を招く。

第二に、電圧均等化装置全体の大型化を招き、電気自動車等の限定された配設スペースにおける省スペース化の阻害要因になる。

第三に、各２次巻線に対してそれぞれ追加的なインピーダンスが接続されることから、無用なエネルギロス（消費電力）の増加を招くとともに、各蓄電素子に対する均等化精度にも悪影響を生じる。

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トランスのエネルギ検出装置の提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、一又は二以上の基本巻線２ｓ…に対して通電又は通電解除した際におけるトランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギを検出するトランスのエネルギ検出装置１を構成するに際して、トランス２に検出巻線２ｄを設けるとともに、この検出巻線２ｄの両端に、少なくとも鉄心を有するコイル４とエネルギの蓄積又は放出に同期した同期電流Ｉｄを検出する電流検出部５との直列回路３を接続して構成した検出用ループ回路Ｃｄを備えることを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、検出巻線２ｄは、トランス２に独立して設けた巻線又はトランス２に設けた他の巻線２ｓ…に兼用させた巻線を用いることができる。また、電流検出部５には、電流検出トランス５ｔを用いてもよいし、電流検出抵抗を用いてもよい。さらに、トランス２は、少なくとも複数の基本巻線２ｓ…を複数の蓄電素子Ｂ…にそれぞれ接続することにより各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖｏ…を均等化する電圧均等化装置Ａ１，Ａ２，Ａ３に用いることができるとともに、少なくとも複数の基本巻線２ｓ…が二次巻線を構成するＤＣ−ＤＣコンバータＨに用いることができる。他方、複数のトランス２…にそれぞれ設けた各検出巻線２ｄ…を並列接続し、この並列接続した検出巻線２ｄ…の両端に、少なくとも鉄心を有するコイル４と電流検出部５を直列接続した単一の直列回路３を接続することにより検出用ループ回路Ｃｄを構成することができる。

このような構成を有する本発明に係るトランスのエネルギ検出装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） トランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギを、単一の検出用ループ回路Ｃｄにより検出できるため、部品点数の削減又は複雑な部品の排除により部品コスト及び製造コストを大幅に低減できる。

（２） 電圧均等化装置Ａ１，Ａ２…等における装置全体の小型コンパクト化を図ることができ、特に、電気自動車等における限定された配設スペースの省スペース化に貢献できる。

（３） 追加的な回路として単一の検出用ループ回路Ｃｄで足りるため、無用なエネルギロス（消費電力）を低減できるとともに、複数の基本巻線２ｓ…間におけるバラツキ要因を低減できる。

（４） 好適な態様により、検出巻線２ｄに、トランス２に設けた他の巻線２ｓ…に兼用させた巻線を用いれば、更なる構成簡略化，小型化及び低コスト化に寄与できる。

（５） 好適な態様により、電流検出部５に、電流検出トランス５ｔを用いれば、従来、複数の基本巻線２ｓ…毎に必要とした電流検出トランス又は巻線が一つで済むため、電流検出トランスを用いる際におけるトランス数量の大幅な削減又はトランスの単純化を図れる。

（６） 好適な態様により、電流検出部５に、電流検出抵抗を用いれば、部品コストの低廉化により、更なるコストダウンに寄与できる。

（７） 好適な態様により、トランス２を、少なくとも複数の基本巻線２ｓ…を複数の蓄電素子Ｂ…にそれぞれ接続することにより各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖｏ…を均等化する電圧均等化装置Ａ１…に用いれば、特に、多数の蓄電素子Ｂ…に対応した数量が必要となる電流検出トランスの数量を大幅に削減できる。

（８） 好適な態様により、複数のトランス２…にそれぞれ設けた各検出巻線２ｄ…を並列接続し、この並列接続した検出巻線２ｄ…の両端に、少なくとも鉄心を有するコイル４と電流検出部５を直列接続した単一の直列回路３を接続することにより検出用ループ回路Ｃｄを構成すれば、例えば、トランス２を標準化した場合であっても異なる任意の数量の基本巻線２ｓ…に対して臨機応変に対応できる。

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、本発明に係るエネルギ検出装置１を用いた第一実施形態に係る蓄電素子の電圧均等化装置Ａ１の構成について、図１を参照して説明する。なお、この電圧均等化装置Ａ１は、特開２００２−２２３５２８号公報に開示される電圧均等化装置である。

図１中、１１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して好適なバッテリを示す。このバッテリ１１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。そして、このバッテリ１１には、各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖｏ…を均等化する電圧均等化回路Ａ１を接続する。

電圧均等化回路Ａ１は、鉄心を有するトランス２を備え、このトランス２は、蓄電素子Ｂ…と同数の第一巻線（基本巻線）２ｓ…と単一の第二巻線２ｘからなる基本構成を有する。そして、各第一巻線２ｓ…の巻終端子は、各蓄電素子Ｂ…の正極側にそれぞれ接続するとともに、各第一巻線２ｓ…の巻始端子は、ＦＥＴ等を用いたスイッチング素子１２…を介して各蓄電素子Ｂ…の負極側に接続する。これにより、各蓄電素子Ｂ…に対応した第一ループ回路１３…が構成される。また、第二巻線２ｘの巻始端子は、蓄電素子を用いた蓄電部１４の正極側に接続するとともに、第二巻線２ｘの巻終端子はＦＥＴ等を用いたスイッチング素子１５を介して蓄電部１４の負極側に接続する。これにより、第二ループ回路１６が構成される。

一方、１７は制御部であり、この制御部１７からは、内蔵するパルス発振器から発振する周波数が数百〔ｋＨｚ〕程度のパルス制御信号Ｓｓ，Ｓｘが出力する。そして、一方のパルス制御信号Ｓｓは、スイッチング素子１２…のＯＮ／ＯＦＦ制御に用いられるとともに、他方のパルス制御信号Ｓｘは、スイッチング素子１５のＯＮ／ＯＦＦ制御に用いられる。この場合、パルス制御信号ＳｓとＳｘは、極性が反対となる。したがって、スイッチング素子１２…がＯＮのときはスイッチング素子１５がＯＦＦとなり、スイッチング素子１５がＯＮのときはスイッチング素子１２…がＯＦＦとなる。

また、このような電圧均等化回路Ａ１の基本構成に加えて、トランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギを検出するエネルギ検出装置１を備える。エネルギ検出装置１は、トランス２に独立して設けた検出巻線２ｄを有し、この検出巻線２ｄの両端に、鉄心を有するコイル４と電流検出部５を直列接続した直列回路３を接続して検出用ループ回路Ｃｄを構成する。この場合、コイル４には、単コイルを用いるとともに、電流検出部５には、電流検出トランス５ｔを用いる。電流検出トランス５ｔは、一次巻線５ｔｆと二次巻線５ｔｒを有しており、一次巻線５ｔｆは、検出巻線２ｄと、鉄心を有するコイル（以下、コイル部と記載）４間に直列接続するとともに、二次巻線５ｔｒは、上述した制御部１７の入力部に接続する。図中、１８は二次巻線５ｔｒに並列接続した抵抗を示す。このような検出用ループ回路Ｃｄを構成することにより、電流検出トランス５ｔからは、上述したエネルギの蓄積又は放出に同期した同期電流Ｉｄを検出することができる。

次に、エネルギ検出装置１の動作（原理）を含む電圧均等化回路Ａ１の全体動作について説明する。

まず、電圧均等化回路Ａ１の基本動作について説明する。今、スイッチング素子１５がＯＮした場合を想定する。これにより、蓄電部１４から第二巻線２ｘに第二電流Ｉｘが流れ、トランス２には、第二電流Ｉｘによる均等化のためのエネルギが蓄積される。一方、スイッチング素子１５がＯＦＦした後は、スイッチング素子１２…がＯＮになり、トランス２に蓄積されたエネルギが、第一巻線２ｓ…から放出され、第一電流Ｉｓ…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。この際、直列接続された各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖｏ…にバラつきが存在すれば、第一電流Ｉｓ…が、各蓄電素子Ｂ…における端子電圧Ｖｏの一番低い蓄電素子Ｂに集中して流れ、これにより、一番低い蓄電素子Ｂの端子電圧Ｖｏが上昇する。よって、このような充電作用が繰り返されることにより、全ての蓄電素子Ｂ…に対する電圧均等化処理が行われる。

ところで、スイッチング素子１２…にＦＥＴ等を使用し、トランス２に蓄積されたエネルギが全て放出された以降も、各スイッチング素子１２…をＯＮさせた場合、各蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖｏ…にバラつきが残っていれば、端子電圧Ｖｏの高い蓄電素子Ｂから端子電圧Ｖｏの低い蓄電素子Ｂに対して充放電が行われると同時にトランス２にもエネルギの蓄積が行われるため、更なる電圧の均等化を行わせることができる。そして、トランス２に蓄積されたエネルギは、スイッチング素子１２…がＯＦＦになった後に、蓄電部１４への充電電流となって放出される。また、スイッチング素子１２…のＯＮ状態を、トランス２のエネルギ放出終了後も継続することにより、第一ループ回路１３…に流れる第一電流Ｉｓ…の方向が反転し、蓄電素子Ｂ…から第一巻線２ｓ…に反対方向の第一電流Ｉｓ…が流れ始める。この逆流電流は、トランス２を励磁したり、端子電圧Ｖｏの高い蓄電素子Ｂから端子電圧Ｖｏの低い蓄電素子Ｂにエネルギの移送を行う。一方、スイッチング素子１２…がＯＦＦすると、逆流電流の一部によって蓄積されたエネルギが、第二巻線２ｘに放出される。このときの放出電流により、スイッチング素子１５（ＦＥＴ等）に存在する寄生コンデンサの静電容量や不図示の外部コンデンサの静電容量に蓄積された電荷が放出され、この電荷の放出が終われば、スイッチング素子１５は、このスイッチング素子１５に存在する寄生ダイオードの順方向電圧（０．５〔Ｖ〕程度）にクランプされる。したがって、当該寄生ダイオードに電流が流れており、この期間でスイッチング素子１５をＯＮさせれば、ゼロボルトスイッチ動作を実現でき、これにより、ＯＮ時のスイッチング損失を低減できるとともに、スイッチングに伴うノイズを低減できる。

このように、電圧均等化回路Ａ１では、蓄電部１４側のスイッチング素子１５とバッテリ１１側のスイッチング素子１２…が交互にＯＮ／ＯＦＦして各蓄電素子Ｂ…に対する均等化処理が行われるため、各スイッチング素子１５，１２…のＯＮ／ＯＦＦ制御のタイミングを最適な状態に設定することは、均等化効率，省エネルギ性及びノイズ低減等の観点から極めて重要である。そこで、エネルギ検出装置１により、トランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギを検出、特に、トランス２からのエネルギの放出終了時点を検出し、制御部１７は、この放出終了時点に基づいて各スイッチング素子１５，１２…のＯＮ／ＯＦＦ制御のタイミングを設定する。

次に、エネルギ検出装置１の動作（原理）について、図１〜図３を参照して説明する。このエネルギ検出装置１は、上述したように、各スイッチング素子１５，１２…のＯＮ／ＯＦＦ制御のタイミングを決定（設定）するため、少なくともトランス２からのエネルギの放出終了時点を検出する機能を有している。したがって、エネルギの絶対量を定量的に検出する必要はなく、エネルギの蓄積又は放出に同期した相対量を得れれば必要な機能は確保される。

以下、エネルギ検出装置１がエネルギの蓄積又は放出に同期した相対量を得れる点について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、図１の回路を原理的（等価的）に示している。図２中、Ｖ１，Ｖ２は電圧、Ｌ１はトランス２のインダクタンス、Ｌ２はコイル部４のインダクタンス、ＳＷはスイッチング素子をそれぞれ示す。また、Ｉ１はトランス２に流れる電流、Ｉ２はコイル部４に流れる電流をそれぞれ示す。なお、ダイオードＤａは、電流が流れる方向を明示するためのものである。図２において、電流Ｉ１とＩ２が相対的な遅れ等を生じることなく同期して変化すれば、電流検出トランス５ｔから検出される同期電流Ｉｄの大きさは、エネルギの蓄積又は放出に同期しているものと見做すことができる。

まず、図２の回路では、次の関係が成立する。
Ｖ１＝（Ｉ１／Ｔｐ）・Ｌ１ … （Ｆ１）
Ｖ２＝（Ｉ１／Ｔｎａ）・Ｌ１ … （Ｆ２）
Ｖ１＝（Ｉ２／Ｔｐ）・Ｌ２ … （Ｆ３）
Ｖ２＝（Ｉ２／Ｔｎｂ）・Ｌ２ … （Ｆ４）

したがって、（Ｆ１）式と（Ｆ３）式から、
（Ｉ１／Ｔｐ）・Ｌ１＝（Ｉ２／Ｔｐ）・Ｌ２
Ｉ１・Ｌ１＝Ｉ２・Ｌ２ … （Ｆ５）

が得られる。また、（Ｆ２）式と（Ｆ４）式から、
（Ｉ１／Ｔｎａ）・Ｌ１＝（Ｉ２／Ｔｎｂ）・Ｌ２
Ｉ１・Ｌ１・Ｔｎｂ＝Ｉ２・Ｌ２・Ｔｎａ … （Ｆ６）

が得られる。これにより、（Ｆ５）式を（Ｆ６）式に代入すれば、
Ｔｎａ＝Ｔｎｂ

の関係が成立し、エネルギの放出タイミングは、Ｌ１とＬ２において同じになる。

よって、エネルギ検出装置１を用いれば、トランス２から放出されるエネルギの放出終了時点を、トランス２に接続した単一の検出用ループ回路Ｃｄにより検出できることになり、部品点数の削減又は複雑な部品の排除により部品コスト及び製造コストを大幅に低減できる。また、電圧均等化装置Ａ１全体の小型コンパクト化を図ることができ、電気自動車等における限定された配設スペースの省スペース化に貢献できる。さらに、追加的な回路として単一の検出用ループ回路Ｃｄで足りるため、無用なエネルギロス（消費電力）を低減できるとともに、複数の基本巻線２ｓ…間におけるバラツキ要因を低減できる。特に、第一実施形態では、電流検出部５に電流検出トランス５ｔを用いたため、従来、多数の蓄電素子Ｂ…毎に必要とした電流検出トランス又は巻線が一つで済むため、電流検出トランスを用いる際におけるトランス数量の大幅な削減又はトランスの単純化を図れる利点がある。

次に、エネルギ検出装置１を他の各種装置に用いた変更実施形態について、図４〜図６を参照して説明する。

まず、図４を参照して第二実施形態について説明する。図４は、エネルギ検出装置１をＤＣ−ＤＣコンバータ（フライバック形スイッチング電源）Ｈに用いたものである。なお、このＤＣ−ＤＣコンバータＨは、特許第３４０７１３７号公報に開示されるＤＣ−ＤＣコンバータである。同図において、トランス２は、一次巻線２ｉと複数（例示は二つ）の二次巻線（基本巻線）２ｓ…を有する。一次巻線２ｉの両端は、正極及び負極の入力端子２ｉｐ，２ｉｎとなり、この一次巻線２ｉには、スイッチング素子２１を直列に接続する。一方、各二次巻線２ｓ…の両端は、正極及び負極の出力端子２ｓｐ…，２ｓｎ…となり、各二次巻線２ｓ…には、それぞれスイッチング素子２２…を直列に接続するとともに、出力端子２ｓｐ…と２ｓｎ…間には、それぞれ平滑コンデンサ２３…を接続する。さらに、２４は、スイッチング素子２１と２２…を交互にＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部であり、基本的には第一実施形態における制御部１７と同様の機能を有している。

また、第一実施形態と同様に、このようなＤＣ−ＤＣコンバータＨの基本構成に加えて、トランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギを検出するエネルギ検出装置１を備える。エネルギ検出装置１は、トランス２に設けた検出巻線２ｄを有し、この検出巻線２ｄの両端に、コイル部４及び電流検出トランス５ｔの一次巻線５ｔｆを直列接続した直列回路３を接続して検出用ループ回路Ｃｄを構成するとともに、電流検出トランス５ｔの二次巻線５ｔｒは、制御部２４に接続する。その他、図４において、図１と同一部分には、同一符号を付して、その構成を明確にした。

よって、このようなＤＣ−ＤＣコンバータＨは、一次巻線２ｉの入力端子２ｉｐ，２ｉｎに直流入力電圧Ｅｉが付与されることにより、各二次巻線２ｓ…の出力端子２ｓｐ…，２ｓｎ…には、変圧（昇圧，降圧）された直流出力電圧Ｅｏ…が出力する。この場合、スイッチング素子２１，２２…は、ＦＥＴ等を用いることによりゼロボルトスイッチングを行わせることができる。また、エネルギ検出装置１は、第一実施形態とは用途が異なるものの、基本的な動作は、第一実施形態の場合と同じであり、電流検出トランス５ｔによりトランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギに同期した同期電流Ｉｄを検出できる。例示は、特に、トランス２からのエネルギの放出終了時点を検出するものであり、制御部２４は、この放出終了時点に基づいて各スイッチング素子２１，２２…のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを設定する。

次に、図５を参照して第三実施形態について説明する。図５は、エネルギ検出装置１を第一実施形態とは異なる形式の電圧均等化装置Ａ２に用いたものである。即ち、電圧均等化装置Ａ２は、第一実施形態の電圧均等化装置Ａ１に比べて、特に、蓄電素子Ｂ…の最大端子電圧Ｖｏｍａｘを検出する最大電圧検出部３１と最小端子電圧Ｖｏｍｉｎを検出する最小電圧検出部３２を備える点、第一ループ回路１３…に第一ダイオードＤｓ…を直列接続するとともに、任意の第一ループ回路１３…における蓄電素子Ｂの正極端子と他の第一ループ回路１３…における蓄電素子の負極端子に接続する第一巻線２ｓ…の端子（巻始端子）間を第二ダイオードＤｒ…により接続し、エネルギの放出時に、第二のループ回路１３ｒ…を構成する点が異なる。

したがって、電圧均等化装置Ａ２では、トランス２に、最大電圧検出巻線２ｍと最小電圧検出巻線２ｃを設け、最大電圧検出巻線２ｍは、巻始端子を最大電圧検出部３１の一方の入力部に接続するとともに、巻終端子をダイオードＤｏを介して最大電圧検出部３１の他方の入力部に接続する。一方、最小電圧検出巻線２ｃは、巻終端子を最小電圧検出部３２の一方の入力部に接続するとともに、巻始端子をスイッチング素子３３を介して最小電圧検出部３２の他方の入力部に接続する。このスイッチング素子３３は、後述する最小端子電圧の取り込みのために用いられる。なお、３４，３５は最大電圧検出部３１，最小電圧検出部３２のそれぞれの入力部間に接続した電圧保持コンデンサを示す。

また、第一実施形態と同様に、このような電圧均等化装置Ａ２の基本構成に加えて、トランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギを検出するエネルギ検出装置１を備える。エネルギ検出装置１は、トランス２に設けた検出巻線２ｄを有し、この検出巻線２ｄの両端に、コイル部４及び電流検出トランス５ｔの一次巻線５ｔｆを直列接続した直列回路３を接続して検出用ループ回路Ｃｄを構成するとともに、電流検出トランス５ｔの二次巻線５ｔｒは、制御部３６に接続する。なお、制御部３６は、第一実施形態における制御部１７とは異なり、基本的には、スイッチング素子１２…をＯＮ／ＯＦＦ制御するパルス制御信号のみを出力し、スイッチング素子３３に対しては後述する最小端子電圧Ｖｏｍｉｎの取り込みのための取込信号を出力する。その他、図５において、図１と同一部分には、同一符号を付して、その構成を明確にした。

よって、このような電圧均等化装置Ａ２は、各スイッチング素子１２…のＯＮ時に、トランス２へのエネルギ蓄積に伴う蓄積電流Ｉｓが図５に示す一点鎖線矢印の経路により第一ループ回路１３に流れる。この際、全蓄電素子Ｂ…のうちの端子電圧Ｖｏ…が最も大きい蓄電素子Ｂ…から第一巻線２ｓ…に対して蓄積電流Ｉｓ…が流れるとともに、最大端子電圧Ｖｏｍａｘ…は、全第一巻線２ｓ…に発生するため、この最大端子電圧Ｖｏｍａｘ…よりも小さい端子電圧Ｖｏ…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Ｖｏｍａｘ…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。これにより、最大端子電圧Ｖｏｍａｘ…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Ｖｏｍａｘ…を低下させる均等化処理が行われる。また、最大電圧検出巻線２ｍの両端子（巻始端子と巻終端子）に発生する最大端子電圧Ｖｏｍａｘは、ダイオードＤｏを介して電圧保持コンデンサ３４に充電され、電圧保持コンデンサ３４の端子電圧として保持される。

一方、各スイッチング素子１２…がＯＦＦした場合は、図５に示すように、各第一巻線２ｓ…から各第二ダイオードＤｒ…を介して各蓄電素子Ｂ…に通電可能な第二のループ回路１３ｒ…が構成され、各ループ回路１３ｒ…が並列接続された状態になる。この結果、第一巻線２ｓ…から、全蓄電素子Ｂ…のうち端子電圧Ｖｏ…の最も小さい蓄電素子Ｂ、即ち、最小端子電圧Ｖｏｍｉｎ…の蓄電素子Ｂ…に対してトランス２からのエネルギ放出に伴う放出電流Ｉｒ…が図５に一点鎖線矢印で示す経路により流れる。また、最小端子電圧Ｖｏｍｉｎ…は、全第一巻線２ｓ…に発生するため、この最小端子電圧Ｖｏｍｉｎ…よりも大きい端子電圧Ｖｏ…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Ｖｏｍｉｎ…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。最小端子電圧Ｖｏｍｉｎ…の蓄電素子Ｂ…に放出電流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Ｖｏｍｉｎ…を上昇させる均等化処理が行われる。また、最小電圧検出巻線２ｃの両端子（巻始端子と巻終端子）に発生する最小端子電圧Ｖｏｍｉｎは、スイッチング素子３３を介して電圧保持コンデンサ３５に充電され、電圧保持コンデンサ３５の端子電圧として保持される。

ところで、この場合、放出電流Ｉｒ…は、各スイッチング素子１２…のＯＦＦ時点から徐々に減少、即ち、各スイッチング素子１２…がＯＦＦした直後は、第二ダイオードＤｒの電圧降下分が最も大きく加算された最小端子電圧Ｖｏｍｉｎ…が発生し、放出電流Ｉｒ…が減少するに従ってこの電圧降下分が小さくなる。したがって、スイッチング素子１２…がＯＦＦした後、トランス２からのエネルギ放出に伴う放出電流Ｉｒ…が零になる直前の電圧が、蓄電素子Ｂ…の最小端子電圧Ｖｏｍｉｎ…に対応する電圧となるため、このタイミングによりスイッチング素子３３をＯＮさせ、誤差分の最も少ない最小端子電圧Ｖｏｍｉｎを電圧保持コンデンサ３５に保持させている。

このようなスイッチング素子１２…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、最終的には、全蓄電素子Ｂ…の端子電圧Ｖｏ…が均等化する。第三実施形態に係る均等化処理装置Ａ２では、各スイッチング素子１２…のＯＮ時に、最大端子電圧Ｖｏｍａｘ…の蓄電素子Ｂ…から基本巻線（第一巻線）２ｓ…に対して、トランス２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１２…のＯＦＦ時に、基本巻線２ｓ…から最小端子電圧Ｖｏｍｉｎ…の蓄電素子Ｂ…に対して、トランス２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へのエネルギ蓄積時及びトランス２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られる。また、蓄電素子Ｂ…間における端子電圧Ｖｏ…のバラツキが大きい場合であっても、放出電流Ｉｒ…（蓄積電流Ｉｓ…）は、各ループ回路１３ｒ…（１３…）単位で流れるため、均等化処理時に過大な放出電流Ｉｒ…（蓄積電流Ｉｓ…）が発生する弊害が防止される。

一方、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Ｖｏｍａｘ及び最小端子電圧Ｖｏｍｉｎの検出処理を行う。この場合、最大端子電圧Ｖｏｍａｘは、電圧保持コンデンサ３４に保持されているため、最大電圧検出部３１により電圧保持コンデンサ３４の端子電圧を読取るのみで最大端子電圧Ｖｏｍａｘを検出することができる。同様に、最小端子電圧Ｖｏｍｉｎは、電圧保持コンデンサ３５に保持されているため、最小電圧検出部３２により電圧保持コンデンサ３５の端子電圧を読取るのみで最小端子電圧Ｖｏｍｉｎを検出することができる。

また、エネルギ検出装置１は、第一実施形態の場合と同様に、電流検出トランス５ｔによりトランス２に蓄積されるエネルギ又はトランス２から放出されるエネルギに同期した同期電流Ｉｄを検出することができる。例示は、特に、トランス２からのエネルギの放出終了時点を検出するものであり、制御部３６は、この放出終了時点に基づいてスイッチング素子１２…に付与するパルス制御信号を生成するとともに、スイッチング素子３３の制御タイミングを設定する。

次に、図６を参照して第四実施形態について説明する。図６は、第一実施形態の電圧均等化装置Ａ１をモジュールＭとして構成し、このモジュールＭ…を複数台（例示は二台）組合わせて構成した電圧均等化装置Ａ３を示す。電圧均等化装置Ａ３では、複数のモジュールＭ…の各バッテリ１１を直列に接続する。また、エネルギ検出装置１は、各モジュールＭ…における複数のトランス２…にそれぞれ設けた各検出巻線２ｄ…を並列接続し、この並列接続した検出巻線２ｄ…の両端に、少なくともコイル部４と電流検出トランス５ｔの一次巻線５ｔｆを直列接続した単一の直列回路３を接続して検出用ループ回路Ｃｄを構成するとともに、電流検出トランス５ｔの二次巻線５ｔｒは、制御部１７に接続する。その他、図６において、図１と同一部分には、同一符号を付して、その構成を明確にした。このような電圧均等化装置Ａ３を構成することにより、例えば、トランス２を標準化した場合であっても異なる任意の数量の第一巻線２ｓ…（蓄電素子Ｂ…）に対して臨機応変に対応できる利点がある。

以上、各種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，部品，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、いずれの実施形態も、検出巻線２ｄを独立した巻線としてトランス２に設けた場合を示したが、トランス２に設けた他の巻線２ｓ…，２ｘ，２ｍ，２ｃ等に兼用させることもできる。これにより、更なる構成簡略化，小型化及び低コスト化に寄与できる。また、いずれの実施形態も、電流検出部５として、電流検出トランス５ｔを用いた場合を示したが、特に、電流が一方向に流れる場合であれば、電流検出抵抗を用いることも可能である。この場合、検出用ループ回路Ｃｄに直列接続した電流検出トランス５ｔの一次巻線５ｔｆの代わりに電流検出抵抗を直列接続し、この電流検出抵抗の両端電圧を、制御部１７，２４，３６に付与すればよい。これにより、部品コストの低廉化により、更なるコストダウンに寄与できる。

さらに、スイッチング素子，ダイオード及び細部の回路等は、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。一方、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。また、エネルギ検出装置１の用途として、各種電圧均等化装置Ａ１…及びＤＣ−ＤＣコンバータＨを例示したが、他の同様の機能が要求される各種用途に適用することができる。

本発明に係るエネルギ検出装置を備える第一実施形態に係る電圧均等化装置を示す回路図、 同エネルギ検出装置の原理説明用回路図、 同エネルギ検出装置の原理説明用信号波形図、 同エネルギ検出装置を備える第二実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路図、 同エネルギ検出装置を備える第三実施形態に係る電圧均等化装置を示す回路図、 同エネルギ検出装置を備える第四実施形態に係る電圧均等化装置を示す回路図、

符号の説明

１ エネルギ検出装置
２ トランス
２ｓ… 基本巻線
２ｄ 検出巻線
３ 直列回路
４ 鉄心を有するコイル
５ 電流検出部
５ｔ 電流検出トランス
Ｉｄ 同期電流
Ｃｄ 検出用ループ回路
Ｂ… 蓄電素子
Ｖｏ 蓄電素子の端子電圧
Ａ１… 電圧均等化装置
Ｈ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (7)

1. 一又は二以上の基本巻線に対して通電又は通電解除した際におけるトランスに蓄積されるエネルギ又はトランスから放出されるエネルギを検出するトランスのエネルギ検出装置において、前記トランスに検出巻線を設けるとともに、この検出巻線の両端に、少なくとも鉄心を有するコイルと前記エネルギの蓄積又は放出に同期した同期電流を検出する電流検出部との直列回路を接続して構成した検出用ループ回路を備えることを特徴とするトランスのエネルギ検出装置。
2. 前記検出巻線は、前記トランスに独立して設けた巻線又は前記トランスに設けた他の巻線に兼用させた巻線を用いることを特徴とする請求項１記載のトランスのエネルギ検出装置。
3. 前記電流検出部には、電流検出トランスを用いることを特徴とする請求項１記載のトランスのエネルギ検出装置。
4. 前記電流検出部には、電流検出抵抗を用いることを特徴とする請求項１記載のトランスのエネルギ検出装置。
5. 前記トランスは、少なくとも複数の基本巻線を複数の蓄電素子にそれぞれ接続することにより各蓄電素子の端子電圧を均等化する電圧均等化装置に用いることを特徴とする請求項１記載のトランスのエネルギ検出装置。
6. 前記トランスは、少なくとも複数の基本巻線が二次巻線を構成するＤＣ−ＤＣコンバータに用いることを特徴とする請求項１記載のトランスのエネルギ検出装置。
7. 複数のトランスにそれぞれ設けた各検出巻線を並列接続し、この並列接続した検出巻線の両端に、少なくとも前記鉄心を有するコイルと前記電流検出部を直列接続した単一の直列回路を接続することにより前記検出用ループ回路を構成することを特徴とする請求項１記載のトランスのエネルギ検出装置。

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