JP4691064B2

JP4691064B2 - 組電池の残容量均等化装置

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Publication number: JP4691064B2
Application number: JP2007111760A
Authority: JP
Inventors: 哲郎重水; 健彦西田; 満文後藤; 克明小林; 英彦田島; 和之足立
Original assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kyushu Electric Power Co Inc; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: JP2008271708A

Description

本発明は、複数のセルが直列に接続されて構成される組電池において、セル間の残容量を均等化する組電池の残容量均等化装置に関するものである。

従来、複数のセルが直列に接続されて構成される組電池において、セル間の残容量を均等化する組電池の残容量均等化装置として、特許文献１に開示される回路が知られている。
特許文献１には、複数のセルの出力電圧を入力とし、各セルを充電する方向に出力を接続したＯＮ／ＯＦＦ方式のコンバータ回路を備え、負荷電流の大きさに応じて一次側電流を増減させる電流制御回路を備える組電池が開示されている。特許文献１の組電池では、残容量の多いセルから電気エネルギーを取り出し、残容量の少ないセルに充電することにより、各セルの残容量を均等化している。
特開平１１−１７６４８３号公報（第１図）

しかしながら、上記特許文献１の発明では、電気エネルギーを所定のセルに対して与えることしかできない。したがって、組電池を構成する複数のセルの中で１個のセルの電池電圧が低い場合には、そのセルを充電することにより効率的に均等化を行うことができるが、１つのセルの電池電圧が高くなる場合には、このセルの電池電圧のみを減少させることができず、効率的に均等化を行うことができないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、セルの残容量の均等化を効率的に行うことのできる組電池の残容量均等化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、複数のセルが直列に接続されて構成される組電池において、セル間の残容量を均等化する組電池の残容量均等化装置であって、前記セルの各々に対応して設けられた複数の充放電制御回路と、１つの前記充放電制御回路に対応して１つ設けられ、または複数の前記充放電制御回路に対応して１つ設けられ、対応する前記充放電制御回路との間で電力を授受する電力調整回路とを備え、各前記充放電制御回路は、前記セルの端子間に接続される第１のリアクトルと、前記第１のリアクトルと前記セルとを接続する配線に介挿される第１のスイッチと、前記第１のスイッチと直列に接続されるとともに、前記セルを充電する電流の向きを順方向として接続される第１のダイオードと、少なくとも前記第１のダイオードと並列に接続される第２のスイッチとを備え、各前記電力調整回路は、直流電源と、前記直流電源の端子間に接続されるとともに、対応する前記充放電制御回路の前記第１のリアクトルと磁気的に結合される第２のリアクトルと、前記直流電源と前記第２のリアクトルとを接続する配線に介挿されるとともに、前記電源を充電する電流の向きを順方向として接続される第２のダイオードと、前記第２のダイオードに並列に接続される第３のスイッチとを備える組電池の残容量均等化装置を提供する。

このような構成によれば、電力調整回路の第３のスイッチをオフ状態とし、充放電制御回路の第１のスイッチおよび第２のスイッチを所定のデューティ比で開閉制御することで、セルのエネルギーを第１のリアクトル及び第２のリアクトルを介して電力調整回路へ送ることが可能となる。これにより、セルの放電を実現させることができる。また、電力調整回路の第３のスイッチを所定のデューティ比で開閉制御するとともに、この第３のスイッチの開閉制御に同期して、第１のスイッチ及び第２のスイッチについても開閉制御を行うことで、電力調整回路からセルに対してエネルギーを送ることが可能となる。これにより、セルの充電を実現させることができる。
このように、本発明の組電池の残容量均等化装置によれば、放電だけでなく充電も行うことができる。この結果、セルの残容量の均等化を効率的に行うことができる。

上記組電池の残容量均等化装置において、各前記充放電制御回路は、前記第２のスイッチに直列に、かつ、前記第１のダイオードと逆向きに接続されるダイオードを備えていてもよい。

このような構成によれば、自動的に残容量の高いセルから優先的に放電させることが可能となるので、全てのセルに対応する充放電制御回路を一様に作動させることが可能となる。これにより、第１のスイッチおよび第２のスイッチの開閉制御を簡便化することができる。

上記組電池の残容量均等化装置において、前記セルの放電時には、例えば、制御部により、前記第３のスイッチがオフ状態とされ、前記第１のリアクトルに断続的に電流が流れるように、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチが所定のデューティ比で開閉制御される。

この場合において、以下の条件式を満たすように、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの少なくともいずれかが制御部により開閉制御されることが好ましい。これにより、充放電制御回路を安定して作動させることができる。

上記条件式において、Ｔｓは駆動周期、Ｔｏｎは駆動周期Ｔｓにおいて第１のリアクトルに電流が流れる期間、Ｌｃは第１のリアクトルの自己インダクタンス、Ｌｄは第２のリアクトルの自己インダクタンス、Ｖｃａｉは放電させるセルの端子間電圧、Ｖｄは電力調整回路の直流電源の電圧である。

上記組電池の残容量均等化装置において、前記セルの充電時には、例えば、制御部により、前記第２のリアクトルに断続的に電流が流れるように、前記第３のスイッチが所定のデューティ比で開閉制御されるとともに、前記第２のリアクトルに蓄積されたエネルギーに対応する電流が前記第１のリアクトルを介して充電対象の前記セルに流れるように、前記第１のスイッチが開閉制御される。

この場合において、以下の条件式を満たすように前記第３のスイッチが制御部により開閉制御されることが好ましい。これにより、充放電制御回路を安定して作動させることができる。

上記条件式において、Ｔｓは駆動周期、Ｔｏｎは駆動周期Ｔｓにおいて第２のリアクトルに電流が流れる期間、Ｌｃは第１のリアクトルの自己インダクタンス、Ｌｄは第２のリアクトルの自己インダクタンス、Ｖｃａｉは充電させるセルの端子間電圧、Ｖｄは電力調整回路の直流電源の電圧である。
また、上記態様は、可能な範囲で組み合わせて利用することができるものである。

本発明によれば、セルの残容量の均等化を効率的に行うことができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る組電池の残容量均等化装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る組電池の残容量均等化装置の概略構成を示したブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係る組電池の残容量均等化装置は、複数のセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３（以下、全てのセルを示すときは単に符号「Ｃ」を付し、各セルを示すときは符号「Ｃ１」、「Ｃ２」等を付す。他の構成要素においても同様とする。）が直列に接続されて構成される組電池１において、セル間の残容量を均等化するものであり、セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３の各々に対応して設けられた複数の充放電制御回路２ａ，２ｂ，２ｃと、前記充放電制御回路２ａ，２ｂ，２ｃに対応して設けられ、対応する充放電制御回路２ａ，２ｂ，２ｃとの間で電力を授受する電力調整回路３と、充放電制御回路２及び電力調整回路３の駆動を制御する制御部（図示略）とを備えている。

本実施形態では、組電池１を３つのセルＣにより構成し、また、３つのセルＣに対応する１つの電力調整回路３とを備えた構成としているが、組電池を構成するセルＣの個数並びにセルＣと電力調整回路３との対応比は設計の範囲内で任意に設定できるものとする。例えば、２つのセルＣに対して１つの電力調整回路３を設けてもよく、或いは、４つのセルＣに対して１つの電力調整回路３を設けることとしてもよい。

上記充放電制御回路２の各々は、セルＣの端子間に接続される第１のリアクトルＬ１と、第１のリアクトルＬ１とセルＣとを接続する配線に介挿される第１のスイッチＳＷ１と、第１のスイッチＳＷ１と直列に接続されるとともに、セルＣを充電する電流の向きを順方向として接続される第１のダイオードＤ１と、第１のダイオードＤ１と並列に接続される第２のスイッチＳＷ２とを備えている。

上記電力調整回路３は、直流電源４と、直流電源４の端子間に接続されるとともに、対応する充放電制御回路２ａ，２ｂ，２ｃの第１のリアクトルＬ１と磁気的に結合される第２のリアクトルＬ２と、直流電源４と第２のリアクトルＬ２とを接続する配線に介挿されるとともに、直流電源４を充電する電流の向きを順方向として接続される第２のダイオードＤ２と、第２のダイオードＤ２に並列に接続される第３のスイッチＳＷ３とを備えている。

このような構成において、セルＣの放電時には、制御部により、第３のスイッチがオフ状態とされ、かつ、第１のリアクトルＬ１に断続的に電流が流れるように、第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２が所定のデューティ比で開閉制御される。
例えば、組電池１のうち、セルＣ１の残容量が他のセルＣ２，Ｃ３に比べて高い値を示していることから、セルＣ１の残容量を低減させるべく、セルＣ１を放電させる場合には、制御部は、図２に示すように、電力調整回路４の第３のスイッチＳＷ３をオフにした状態で、セルＣ１に対応する充放電制御回路２ａの第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２を所定のデューティ比で開閉制御する。また、この場合において、放電させるセルＣ１以外のセルＣ２，Ｃ３に対応する充放電制御回路２ｂ，２ｃについては、少なくとも第１のスイッチＳＷ１がオフ状態とされる。

このように制御されることにより、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２がオン状態にあるときは、セルＣ１からリアクトルＬ１に電流が流れることから、第１のリアクトルＬ１にエネルギーが蓄えられる。また、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２がオフ状態にあるときは、第１のリアクトルＬ１に蓄えられたエネルギーが電力調整回路３へ誘導され、電力調整回路３に電流ｉｄが流れる。このようにして、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２の開閉制御が繰り返し行われることにより、セルＣ１から電力調整回路３へ電力を供給することが可能となり、セルＣ１を放電させることができる。

このとき、制御部は、第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２を以下の条件式（１）を満たすようなデューティ比にて開閉制御する。

条件式（１）において、Ｔｏｎは、第１のリアクトルＬ１に電流が流れている期間、換言すると、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２のオン時間、Ｔｓは第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２の開閉周期、Ｌｃは第１のリアクトルＬ１の自己インダクタンス、Ｌｄは第２のリアクトルＬ２の自己インダクタンス、Ｖｃａｉは放電させるセルＣの端子間電圧、Ｖｄは電力調整回路３の直流電源４の端子間電圧である。

以下、上述した条件式（１）の導出過程について簡単に説明する。
まず、充電制御回路２の第１のリアクトルＬ１に電流を流している期間Ｔｏｎにおいて、第１のリアクトルＬ１に流れる電流ｉｃａｉとセルＣの端子間電圧Ｖｃａｉとの関係は（１−１）式で表される。更に、期間Ｔｏｎにおける第１のリアクトルＬ１の最大許容電流値Ｉｃａｉｍａｘは、（１−１）式から（１−２）式のように求められる。

次に、第１のリアクトルＬ１に電流が流れていない期間Ｔｏｆｆ（＝Ｔｓ−Ｔｏｎ）、つまり、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２のオフ期間において、電力調整回路３の第２のリアクトルＬ２に流れる最大電流Ｉｄｍａｘは、リアクトルのエネルギー保存の関係から以下の（１−３）〜（１−５）にて与えられる。

ここで、充放電制御回路２が安定に動作するためには、オフ期間Ｔｏｆｆにおいて、第１のリアクトルＬ１に蓄えられたエネルギーが全て電力調整回路３へ伝達される必要がある。換言すると、第２のリアクトルＬ２に流れる電流ｉｄがオフ期間Ｔｏｆｆにおいてゼロに到達する必要がある。このことから、以下の（１−６）式が成立する。

そして、上記（１−６）式からオン時間Ｔｏｎを求めることにより、上述した条件式（１）が導出されることとなる。

なお、本実施形態では、制御部が、上述の条件式（１）を満たすように、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２のスイッチングのデューティ比、具体的には、オン時間Ｔｏｎを制御することとしたが、これに代えて、上記スイッチングのデューティ比を一定とし、電力調整回路３の電圧Ｖｄを上述した条件式（１）を満たすように調整することとしてもよい。
なお、条件式（１）を電力調整回路３の直流電源４の電圧Ｖｄについて表すと、以下の（１−７）式となる。

なお、本実施形態では、放電対象とされるセルＣに対応する充放電制御回路２の第１のスイッチＳＷ１と第２のスイッチＳＷ２とを同期してオンオフさせることとしたが、第１のスイッチＳＷ１をオフ状態としている期間においては、第２のスイッチＳＷ２はオン状態とされていてもよい。

次に、セルＣを充電する場合について説明する。
セルＣを充電する場合には、制御部により、第２のリアクトルＬ２に断続的に電流が流れるように、第３のスイッチＳＷ３が所定のデューティ比で開閉制御されるとともに、第２のリアクトルＬ２に蓄積されたエネルギーに対応する電流が第１のリアクトルＬ１を介して充電対象のセルＣに流れるように、第１のスイッチＳＷ１が制御される。

例えば、組電池１のうち、セルＣ２の残容量が他のセルＣ１，Ｃ３に比べて低い値を示していることから、セルＣ２の残容量を増加させるべく、セルＣ２を充電させる場合には、制御部は、図３に示すように、セルＣ２に対応する充放電制御回路２ｂの第２のスイッチＳＷ２をオフとした状態で、電力調整回路４の第３のスイッチＳＷ３およびセルＣ２に対応する充放電制御回路２ｂの第１のスイッチＳＷ１を所定のデューティ比で開閉制御する。このとき、制御部は、第３のスイッチＳＷ３がオンの場合に、第１のスイッチＳＷ１をオフとし、第３のスイッチＳＷ３がオフの場合に、第１のスイッチＳＷ１をオンとする。
また、この場合において、充電させるセルＣ２以外のセルＣ１，Ｃ３に対応する充放電制御回路２ａ，２ｃについては、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２がオフ状態とされる。

このように制御されることにより、電力調整回路３の第３のスイッチＳＷ３がオン状態にあるときは、電力調整回路３に電流が流れることにより、第２のリアクトルＬ２にエネルギーが蓄えられる。また、第３のスイッチＳＷ３がオフ状態にあるときは、第２のリアクトルＬ２に蓄えられたエネルギーが充電対象となっているセルＣ２の充放電制御回路２ｂに誘導されることにより、充放電制御回路２ｂに電流が流れることとなる。このようにして、第１のスイッチＳＷ１及び第３のスイッチＳＷ３の開閉制御が繰り返し行われることにより、セルＣ２にエネルギーが徐々に蓄えられ、セルＣ２を充電させることができる。

このとき、制御部は、第３のスイッチＳＷ３を以下の条件式（２）を満たすようなデューティ比にて開閉制御する。

ここで、条件式（２）における各要素については、上述した条件式（１）と同様であり、また、導出過程についても上述した条件式（１）の場合と同様であるので、詳しい説明を省略する。

なお、本実施形態では、制御部が、上述の条件式（２）を満たすように、第３のスイッチＳＷ３のスイッチングのデューティ比、つまり、オン時間Ｔｏｎを制御することとしたが、これに代えて、上記スイッチングのデューティ比は一定とし、電力調整回路３の電圧Ｖｄを上述した条件式（２）を満たすように調整することとしてもよい。
なお、条件式（２）を電力調整回路３の直流電源４の電圧Ｖｄについて表すと、以下の（２−１）式となる。

また、上記説明では、充電対象とするセルＣを１つのセルＣ２として説明したが、複数のセルＣを充電対象とすることも可能である。この場合には、充電対象とするセルＣに対応する充放電制御回路２の第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２を上述したセルＣ２の場合と同様に開閉制御すればよい。

以上説明してきたように、本実施形態に係る組電池の残容量均等化装置によれば、セルの放電だけでなくセルの充電も行うことができる。したがって、組電池を構成するセルの残容量の状況に応じて、セルの充電または放電を行うことにより、セル間の残容量の均等化を効率的に行うことができる。

〔変形例１〕
上述した実施形態においては、第１のダイオードＤ１と並列に第２のスイッチＳＷ２が接続されていたが、これに代えて、図４に示すように、第１のスイッチＳＷ１及び第１のダイオードＤ１と並列に、第２のスイッチＳＷ２を接続することとしてもよい。
このような接続とした場合には、セルＣの放電時には、第１のスイッチＳＷ１がオフ状態とされ、第２のスイッチＳＷ２のみが所定のデューティ比で開閉制御される。また、セルＣの充電時には、第２のスイッチＳＷ２がオフ状態とされ、第１のスイッチＳＷ１のみが所定のデューティ比で開閉制御される。なお、電力調整回路３における第３のスイッチＳＷ３の駆動については、上述と同様である。

〔変形例２〕
また、図５に示すように、上述した変形例１の構成に対して、更に、第２のスイッチＳＷ２と直列に、かつ、第１のダイオードと逆向きに第３のダイオードＤ３を接続することとしてもよい。このように、第３のダイオードを第２のスイッチＳＷ２と直列に接続することにより、自動的に残容量の高いセルから優先的に放電させることが可能となる。これにより、全てのセルに対応する充放電制御回路を一様に作動させることが可能となる。この結果、第１のスイッチＳＷ１および第２のスイッチＳＷ２の開閉制御を簡便化することができる。
なお、この場合において、第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２の駆動については、上述の変形例１と同様である。

〔変形例３〕
上述した実施形態では、複数の充放電制御回路２に対して１つの電力調整回路３を設けていたが、これに代えて、図６に示すように、各充放電制御回路２に対して１つの電力調整回路３を備えることとしてもよい。このようにすることで、各セルＣの充放電を個別に制御することが可能となる。これにより、端子間電圧の高いセルについては放電制御を行い、端子間電圧の低いセルについては充電制御を行うことで、効率よくセル間の端子間電圧のばらつきを解消させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態に係る組電池の残容量均等化装置の概略構成を示した図である。図１に示した組電池の残容量均等化装置において、セルの放電時のスイッチングについて説明するための図である。図１に示した組電池の残容量均等化装置において、セルの充電時のスイッチングについて説明するための図である。本発明の変形例１に係る組電池の残容量均等化装置の概略構成を示した図である。本発明の変形例２に係る組電池の残容量均等化装置の概略構成を示した図である。本発明の変形例３に係る組電池の残容量均等化装置の概略構成を示した図である。

符号の説明

１組電池
２ａ，２ｂ，２ｃ充放電制御回路
３電力調整回路
４直流電源
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３セル
Ｌ１第１のリアクトル
Ｌ２第２のリアクトル
Ｄ１第１のダイオード
Ｄ２第２のダイオード
ＳＷ１第１のスイッチ
ＳＷ２第２のスイッチ
ＳＷ３第３のスイッチ

Claims

複数のセルが直列に接続されて構成される組電池において、セル間の残容量を均等化する組電池の残容量均等化装置であって、
前記セルの各々に対応して設けられた複数の充放電制御回路と、
１つの前記充放電制御回路に対応して１つ設けられ、または複数の前記充放電制御回路に対応して１つ設けられ、対応する前記充放電制御回路との間で電力を授受する電力調整回路と
を備え、
各前記充放電制御回路は、
前記セルの端子間に接続される第１のリアクトルと、
前記第１のリアクトルと前記セルとを接続する配線に介挿される第１のスイッチと、
前記第１のスイッチと直列に接続されるとともに、前記セルを充電する電流の向きを順方向として接続される第１のダイオードと、
少なくとも前記第１のダイオードと並列に接続される第２のスイッチと
を備え、
各前記電力調整回路は、
直流電源と、
前記直流電源の端子間に接続されるとともに、対応する前記充放電制御回路の前記第１のリアクトルと磁気的に結合される第２のリアクトルと、
前記直流電源と前記第２のリアクトルとを接続する配線に介挿されるとともに、前記直流電源を充電する電流の向きを順方向として接続される第２のダイオードと、
前記第２のダイオードに並列に接続される第３のスイッチと
を備える組電池の残容量均等化装置。
各前記充放電制御回路は、前記第２のスイッチに直列に、かつ、前記第１のダイオードと逆向きに接続されるダイオードを備えている請求項１に記載の組電池の残容量均等化装置。
前記セルの放電時には、前記第３のスイッチをオフ状態とし、前記第１のリアクトルに断続的に電流が流れるように、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを所定のデューティ比で開閉制御可能な制御部を備える請求項１または請求項２に記載の組電池の残容量均等化装置。
前記制御部は、前記セルの放電時において、以下の条件式を満たすように、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの少なくともいずれかを開閉制御する請求項３に記載の組電池の残容量均等化装置。

上記条件式において、Ｔｓは駆動周期、Ｔｏｎは駆動周期Ｔｓにおいて第１のリアクトルに電流が流れる期間、Ｌｃは第１のリアクトルの自己インダクタンス、Ｌｄは第２のリアクトルの自己インダクタンス、Ｖｃａｉは放電させるセルの端子間電圧、Ｖｄは電力調整回路の直流電源の電圧である。
前記セルの充電時には、前記第２のリアクトルに断続的に電流が流れるように、前記第３のスイッチを所定のデューティ比で開閉制御するとともに、前記第２のリアクトルに蓄積されたエネルギーに対応する電流が前記第１のリアクトルを介して充電対象の前記セルに流れるように、前記第１のスイッチを制御可能な制御部を備える請求項１または請求項２に記載の組電池の残容量均等化装置。
前記制御部は、前記セルの充電時において、以下の条件式を満たすように前記第３のスイッチを開閉制御する請求項５に記載の組電池の残容量均等化装置。

上記条件式において、Ｔｓは駆動周期、Ｔｏｎは駆動周期Ｔｓにおいて第２のリアクトルに電流が流れる期間、Ｌｃは第１のリアクトルの自己インダクタンス、Ｌｄは第２のリアクトルの自己インダクタンス、Ｖｃａｉは充電させるセルの端子間電圧、Ｖｄは電力調整回路の直流電源の電圧である。