JP4875320B2 - 蓄電素子の電圧均等化装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリ等を構成する複数の蓄電素子の各端子電圧を均等化するための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、各蓄電素子の各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、特に、正側半波電流と負側半波電流を交互に繰り返す全波電流を流して均等化するタイプとしては、米国特許第4084124号で開示される電圧均等化装置が知られている。この電圧均等化装置は、センタタップを有する一次巻線及び各蓄電素子に対応したセンタタップを有する複数の二次巻線を巻装したトランスを備え、一次巻線には所定の電源手段から全波電流(一次電流)を流すとともに、各二次巻線から対応する各蓄電素子に対しては全波整流回路を介して二次電流を流すように構成したものである。
米国特許第4084124号
しかし、上述した特許文献1で開示される従来の電圧均等化装置は、全波電流となる一次電流を生成するために、直流電源に対して二つのスイッチ(スイッチ素子)を交互にON/OFF制御する制御手段が必要になるとともに、トランスに全波電流を流す必要があることからセンタタップを有する一次巻線を巻装したトランスが必要になるなど、一次側の回路構成の複雑化を招くとともに、主要部品となるトランスの大型化を招き、結局、電圧均等化装置自身のコストアップ、更には大型化及び重量アップを招く問題があった。
特に、前述した電気自動車等に搭載するバッテリは、10個前後の蓄電素子を接続したモジュールを用意し、さらに、このモジュールを10台前後接続して構成するため、バッテリ全体では10台前後のトランスを使用することになり、この種のバッテリにとっては無視できない重要な問題となる。
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。
本発明は、上述した課題を解決するため、直列接続した複数の蓄電素子B…の各端子電圧V…を均等化する蓄電素子の電圧均等化装置1を構成するに際して、一次巻線2f及び少なくとも各蓄電素子B…に対応した複数の二次巻線2s…を有し、かつトランス2の鉄心11に設けたエアギャップGaによるエネルギ蓄積部3を付加したトランス2と、一次巻線2fとこの一次巻線2fに給電する直流電源Ef間に接続し、ON/OFFすることにより一次巻線2fに対して間欠電流となる一次電流Ifを流す単一のスイッチ手段13を有する電源手段4と、各二次巻線2s…から対応する各蓄電素子B…に対して全波整流手段6…を介して充電電流Is…(Isx…,Isy…)を流す充電回路5…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、直流電源Efには、蓄電素子B…を利用することができる。一方、充電回路5は、二次巻線2sをセンタタップ2ctにより分けた第一巻線2sxと第二巻線2syにより構成するとともに、センタタップ2ctを蓄電素子Bの負極側に接続し、かつ二次巻線2sの両端をそれぞれダイオードDx,Dyを介して蓄電素子Bの正極側に接続した全波整流手段6を備えて構成できる。また、充電回路5は、二次巻線2sをセンタタップの無い単純巻線により構成するとともに、二次巻線2sをブリッジ整流回路15を介して蓄電素子Bに接続した全波整流手段6を備えて構成することもできる。なお、トランス2には、一つのバランス用巻線16を設けることができる。
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) 全波整流した充電電流Is…を流して均等化処理を行う電圧均等化装置1であっても、基本的には、センタタップの無い単純巻線による一次巻線2fを巻装したトランス2を用いれば足り、しかも、この一次巻線2fに接続する電源手段4は、間欠電流(一次電流If)を流す回路構成で足りるため、一次側における回路構成の簡易化及び小型化を図ることができる。
(2) 主要部品であるトランス2の小型軽量化を図れるため、電圧均等化装置1自身のコストダウン、更には小型コンパクト化及び軽量化を実現できる。
(3) エネルギ蓄積部3として、トランス2の鉄心11に設けたエアギャップGaを用いたため、別途の部品を追加することなく、小型コンパクト化及び軽量化の実現を確保しつつ、容易に実施することができる。
(4) 電源手段4は、一次巻線2fとこの一次巻線2fに給電する直流電源Ef間に接続し、ON/OFFすることにより一次巻線2fに対して一次電流Ifを流す単一のスイッチ手段13を備えて構成するため、トランス2の一次側における回路構成の簡易化及び小型化を容易かつ確実に実現できる。
(5) 好適な態様により、直流電源Efに、蓄電素子B…を利用すれば、別途(追加)の直流電源が不要になるため、より実施の容易化に寄与できる。
(6) 好適な態様により、充電回路5は、二次巻線2sをセンタタップ2ctにより分けた第一巻線2sxと第二巻線2syにより構成するとともに、センタタップ2ctを蓄電素子Bの負極側に接続し、かつ二次巻線2sの両端をそれぞれダイオードDx,Dyを介して蓄電素子Bの正極側に接続した全波整流手段6を備えた構成,或いは二次巻線2sをセンタタップの無い単純巻線により構成するとともに、二次巻線2sをブリッジ整流回路15を介して蓄電素子Bに接続した全波整流手段6を備えた構成を採用できるなど、トランス2に対する二次側の構成は、各種タイプの全波整流手段を採用することができ、用途や目的等に応じた最適な回路構成を選択できる。
(7) 好適な態様により、トランス2に一つのバランス用巻線16を設ければ、電気自動車等に搭載するバッテリのように、複数のモジュールを直列に接続した構成であっても、バランス用巻線16…同士を並列接続することにより、各トランス2…間のエネルギ移動を可能にして各トランス2…間における二次側電圧の均一化を図ることができる。
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、21はバッテリ、特に、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搭載するバッテリを示す。このバッテリ21は、複数の蓄電素子B…を直列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利用することができる。なお、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。また、通常、10個前後の蓄電素子B…を直列接続することによりモジュールとして構成し、さらに、このモジュールを10台前後直列に接続することによりバッテリ21を構成しており、全蓄電素子B…は合計100個前後用いられる。
そして、このバッテリ21には、本実施形態に係る電圧均等化装置1を接続する。図1に示す電圧均等化装置1には一台のモジュールが含まれる。電圧均等化装置1は、鉄心11を有するトランス2を備え、このトランス2は、一次巻線2fと、各蓄電素子B…に対応した複数の二次巻線2s…を有する。また、このトランス2は、鉄心11を利用したエネルギ蓄積部3を備える。このエネルギ蓄積部3は、例えば、図2に示すように、E形コア11eとI形コア11iの組合わせにより構成する鉄心11の場合、E形コア11eの形状を選定し、E形コア11eとI形コア11iを組合わせた際に、E形コア11eとI形コア11i間にエアギャップGaを形成して実施できる。なお、例示のエアギャップGaには、絶縁紙Fが装填されている。エネルギ蓄積部3として、このようなエアギャップGaを用いれば、別途の部品を追加することなく、小型コンパクト化及び軽量化の実現を確保しつつ、容易に実施することができる。
一方、一次巻線2fは、センタタップの無い単純巻線により構成し、巻始端子は、スイッチ手段13を構成するスイッチ(スイッチ素子)Soを介してバッテリ21の負極端子21nに接続するとともに、巻終端子は、バッテリ21の正極端子21pに接続する。22は、スイッチSoを切換制御(ON/OFF制御)する制御回路である。この制御回路22は、内蔵するパルス発振器から発振する周波数が100〔kHz〕程度のパルス制御信号Poを出力し、このパルス制御信号PoによりスイッチSoをON/OFF制御する(図3参照)。
このような一次側の構成により、一次巻線2fに給電する直流電源EfをスイッチSoでON/OFFすることにより一次巻線2fに対して間欠電流となる一次電流Ifを流す電源手段4が構成される。この場合、直流電源Efは、バッテリ21(蓄電素子B…)が兼用する。このように、直流電源Efとして蓄電素子B…(バッテリ21)を利用すれば、別途(追加)の直流電源が不要になるため、より実施の容易化に寄与できる。
他方、一つの二次巻線2s(他の二次巻線2s…も同じ)は、センタタップ2ctにより分けた第一巻線2sxと第二巻線2syにより構成し、センタタップ2ctは、対応する蓄電素子Bの負極側に接続する。また、二次巻線2sの両端はそれぞれ順方向のダイオードDx,Dyを介して対応する蓄電素子Bの正極側に接続する。センタタップ2ctを有する二次巻線2sに一対のダイオードDx,Dyを接続することにより全波整流手段6が構成されるとともに、この全波整流手段6を蓄電素子Bに接続することにより、蓄電素子Bに対して充電電流Is(Isx,Isy)を流す充電回路5が構成される。
次に、このような構成を有する電圧均等化装置1の動作について、図3に示すタイムチャート、更には図1及び図2を参照して説明する。
まず、電圧均等化装置1の作動時には、制御回路22からスイッチSoに対してパルス制御信号Poが付与される。これにより、スイッチSoは、パルス制御信号Poに同期してON/OFF制御される。スイッチSoのON/OFF状態(パルス制御信号Po)を図3(a)に示す。
今、スイッチSoがONしたものとする。この場合、トランス2の一次巻線2fには一次電流Ifが流れる。一次電流Ifは、図1に点線矢印で示すように、バッテリ21(直流電源Ef)の正極側(正極端子21p)→一次巻線2f→スイッチSo→バッテリ21(直流電源Ef)の負極側(負極端子21n)の経路で流れる。図3(b)に、一次電流Ifを示す。
そして、この際、トランス2のフォワード動作により、トランス2の二次巻線2s…(第一巻線2sx…)には、一次電流Ifに対応した充電電流(二次電流)isx…が流れるとともに、トランス2のフライバック動作により、トランス2のエネルギ蓄積部3には、エネルギの蓄積が行われる。図3(b)における一次電流Ifのうち、斜線部分が蓄積されるエネルギ分を示す。充電電流isxは、図1に点線矢印で示すように、第一巻線2sxの巻終端子→ダイオードDx→蓄電素子Bの正極側→蓄電素子Bの負極側→センタタップ2ct(第一巻線2sxの巻始端子)の経路で流れる。図3(c)に、このときの充電電流isxを示す。
ところで、この場合、全ての二次巻線2s…は並列に接続した状態となるため、各蓄電素子B…の端子電圧V…間にバラツキが存在すれば、端子電圧Vの一番低い蓄電素子Bに対して充電電流isx…が集中して流れることになり、この結果、一番低い端子電圧Vの蓄電素子Bの端子電圧が上昇する電圧均等化作用が生じる。
次いで、スイッチSoがOFFしたものとする。これにより、トランス2の一次巻線2fに一次電流Ifは流れなくなるが、トランス2のフライバック動作により、トランス2のエネルギ蓄積部3に蓄積されたエネルギが放出され、このエネルギの放出に基づく充電電流isyが流れる。この充電電流isyは、図1に点線矢印で示すように、第二巻線2syの巻始端子→ダイオードDy→蓄電素子Bの正極側→蓄電素子Bの負極側→センタタップ2ct(第二巻線2syの巻終端子)の経路で流れる。図3(d)に、このときの充電電流isyを示す。
この場合も、全ての二次巻線2s…は並列に接続した状態となるため、各蓄電素子B…の端子電圧V…間にバラツキが存在すれば、端子電圧Vの一番低い蓄電素子Bに対して充電電流isy…が集中して流れることになり、この結果、一番低い端子電圧Vの蓄電素子Bの端子電圧が上昇する電圧均等化作用が生じる。よって、このような充電電流isx…とisy…による充電作用が交互に繰り返されることにより、全ての蓄電素子B…の端子電圧V…が均等化する電圧均等化処理が行われる。
なお、以上の電圧均等化処理では、充電電流isx…とisy…による充電作用が交互に繰り返されるため、蓄電素子B…に流れる充電電流Is…は、図3(e)に示すようになる。即ち、充電回路5…では、全波整流手段6…による全波整流が行われることになり、充電電流Is…は全波電流となる。ところで、蓄電素子B…に対して全波電流により充電を行う場合、半波電流により充電を行う場合に比べて、平均素子電流を同じにしてピーク値を抑えることができるとともに、電圧均等化精度を高くできる利点がある。本実施形態に係る電圧均等化装置1によっても、この全波電流による利点を享受できる。この場合、充電電流isx…とisy…の電流波形は、図3に示すような非対称波形となるが、電圧均等化装置1の場合、蓄電量により端子電圧Vを高めることを目的とするため、電流波形はその性能に影響しない。したがって、充電電流isx…とisy…の非対称性は何ら問題とならない。
他方、これに対して、一次電流Ifは全波電流ではなく、図3(b)に示すような間欠電流である。即ち、本実施形態に係る電圧均等化装置1は、全波整流した充電電流Is…を流して均等化処理を行うタイプであっても、基本的には、センタタップの無い単純巻線を用いた一次巻線2fを巻装したトランス2で足り、しかも、この一次巻線2fに接続する電源手段4は、間欠電流(一次電流If)を流す回路構成で足りるため、一次側における回路構成の簡易化及び小型化を図れるとともに、主要部品であるトランス2の小型軽量化を図れるため、電圧均等化装置1自身のコストダウン、更には小型コンパクト化及び軽量化を実現できる。
特に、電源手段4は、一次巻線2fとこの一次巻線2fに給電する直流電源Ef間に接続し、ON/OFFすることにより一次巻線2fに対して一次電流Ifを流すスイッチSoを備えて構成できるため、トランス2の一次側における回路構成の簡易化及び小型化を容易かつ確実に実現できる。
次に、本実施形態に係る電圧均等化装置1における各種変更例について、図4〜図8を参照して説明する。
図4は、エネルギ蓄積部3の変更例を示す。図4に示すエネルギ蓄積部3は、一次巻線2fに並列接続したチョークコイル12を用いたものである。特に、このチョークコイル12は、インダクタンスLcの大きさを可変可能に構成している。したがって、チョークコイル12によりエネルギ蓄積部3を構成するため、トランス2におけるエアギャップGa(図2)は不要である。例示のチョークコイル12は、一次巻線2fに直接並列接続したが、チョークコイル12を接続する方法としては、その他、トランス2にチョークコイル12を接続するための別途の補助巻線を追加し、この補助巻線にチョークコイル12を接続してもよい。なお、図4は、トランス2の一次巻線2fのみを示すが、他の省略した構成は基本的に図1と同じである。このため、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するとともに、その詳細な説明は省略する。
エネルギ蓄積部3として、このようなチョークコイル12を用いれば、一般的なトランス2を使用した場合であっても、後付接続により容易に実施することができる。そして、チョークコイル12は、インダクタンスLcの大きさを可変可能に構成したため、エネルギ蓄積量を可変することができる。即ち、インダクタンスLcを小さくすれば、エネルギ蓄積量は大きくなり、インダクタンスLcを大きくすれば、エネルギ蓄積量は小さくなる。電圧均等化装置1の場合、図5に示すように、インダクタンスLcを小さくしてエネルギ蓄積量を大きくすれば、均等化時間が速くなって均等化能力が高まるが、反面、均等化誤差が大きくなって均等化精度が低下することが知られている。したがって、インダクタンスLcの大きさを可変調整すれば、電圧均等化装置1の目的や用途に合わせた最適な電圧均等化性能(均等化時間の短縮化)と電圧均等化精度(均等化誤差の低減)のバランスを設定できる。なお、図2に示したトランス2の鉄心11に設けたエアギャップGaにおいても、当該エアギャップGaの間隔を可変可能な構成とすれば、同様にエネルギ蓄積量の大きさを変更することができる。
図6は、図1に示した電圧均等化装置1をモジュールMとして構成するとともに、複数のモジュールM…を直列に接続した変更例を示す。この場合、各モジュールM…におけるバッテリ21…は順次直列に接続する。また、各モジュールM…における一次巻線2f…同士も直列に接続する。そして、最上位電圧側に位置するモジュールMのバッテリ21の正極端子21pに、当該モジュールMの一次巻線2fを接続するとともに、最下位電圧側に位置するモジュールMのバッテリ21の負極端子21nに、当該モジュールMの一次巻線2fを、前述したスイッチSoを介して接続する。
ところで、このような複数のモジュールM…を直列に接続した場合、各モジュールM…間の電圧バランスが問題になる。このため、各トランス2…に、それぞれ一つのバランス用巻線16…を設け、各モジュールM…同士を接続した際に、各バランス用巻線16…を図6に示すように並列接続する。これにより、電気自動車等に搭載するバッテリのように、複数のモジュールM…を直列に接続した構成であっても、バランス用巻線16…同士を並列接続することにより、各トランス2…間のエネルギ移動を可能にして各トランス2…間における二次側電圧の均一化を図ることができる。なお、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するとともに、その詳細な説明は省略する。
図7は、充電回路5の変更例を示す。この充電回路5は、二次巻線2sをセンタタップの無い単純巻線により構成するとともに、この二次巻線2sを、四つのダイオードDa,Db,Dc及びDdにより構成したブリッジ整流回路15を介して蓄電素子Bに接続した全波整流手段6を備える。したがって、基本的には、図1に示した全波整流手段6と同様の全波整流を行うことができる。このように、トランス2に対する二次側の構成は、各種タイプの全波整流手段を採用できるため、用途や目的等に応じた最適な回路構成を選択できる。なお、図7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するとともに、その詳細な説明は省略する。
図8は、直流電源Efの変更例を示す。図1に示した実施形態では、直流電源Efとして、蓄電素子B…(バッテリ21)を利用したが、図8は、独立した別途の直流電源Efを採用したものである。このように、電源手段4(直流電源Ef)は、蓄電素子B…を直接利用する場合と別途の直流電源を用いる場合のいずれも利用することができる。なお、図8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するとともに、その詳細な説明は省略する。
以上、最良の実施形態(変更例)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、細部の回路構成,部品,数量,数値等において、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、エネルギ蓄積部3として、一次巻線2fに並列接続したチョークコイル12を用いる場合を例示したが、エネルギを蓄積可能な他の公知の手段を採用することができる。また、全波整流手段6として、二次巻線2sをセンタタップ2ctにより分けた第一巻線2sxと第二巻線2syにより構成するとともに、センタタップ2ctを蓄電素子Bの負極側に接続し、かつ二次巻線2sの両端をそれぞれダイオードDx,Dyを介して蓄電素子Bの正極側に接続した構成(センタタップ方式)、及び二次巻線2sをセンタタップの無い単純巻線により構成するとともに、二次巻線2sをブリッジ整流回路15を介して蓄電素子Bに接続した構成(ブリッジ方式)を例示したが、その他、公知の全波整流手段を採用することができる。なお、電圧均等化装置1を接続する対象として、電気自動車或いはハイブリッド自動車に搭載するバッテリ21を例示したが、複数の蓄電素子を備える場合の各種用途を対象とすることができる。
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、 同電圧均等化装置に用いるトランスの原理的構造図、 同電圧均等化装置の各部における信号のタイムチャート、 同電圧均等化装置における変更例に係るエネルギ蓄積部の回路図、 同エネルギ蓄積部の機能説明図、 同電圧均等化装置をモジュールとして用いる際の変更例に係る回路図、 同電圧均等化装置における変更例に係る充電回路の回路図、 同電圧均等化装置における変更例に係る直流電源の回路図、
符号の説明
1 電圧均等化装置
2 トランス
2f 一次巻線
2s… 二次巻線
2ct センタタップ
2sx 第一巻線
2sy 第二巻線
3 エネルギ蓄積部
4 電源手段
5… 充電回路
6… 全波整流手段
11 鉄心
12 チョークコイル
13 スイッチ手段
15 ブリッジ整流回路
16 バランス用巻線
B… 蓄電素子
V… 端子電圧
If 一次電流
Is… 充電電流
Isx… 充電電流
Isy… 充電電流
Ga エアギャップ
Lc インダクタンス
Ef 直流電源
Dx ダイオード
Dy ダイオード

Claims (5)

  1. 直列接続した複数の蓄電素子の各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、一次巻線及び少なくとも各蓄電素子に対応した複数の二次巻線を有し、かつ鉄心に設けたエアギャップによるエネルギ蓄積部を付加したトランスと、前記一次巻線とこの一次巻線に給電する直流電源間に接続し、ON/OFFすることにより前記一次巻線に対して間欠電流となる一次電流を流す単一のスイッチ手段を有する電源手段と、各二次巻線から対応する各蓄電素子に対して全波整流手段を介して充電電流を流す充電回路を備えることを特徴とする蓄電素子の電圧均等化装置。
  2. 前記直流電源は、前記蓄電素子を利用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. 前記充電回路は、前記二次巻線をセンタタップにより分けた第一巻線と第二巻線により構成するとともに、前記センタタップを前記蓄電素子の負極側に接続し、かつ前記二次巻線の両端をそれぞれダイオードを介して前記蓄電素子の正極側に接続した全波整流手段を備えることを特徴とする請求項1又は2記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
  4. 前記充電回路は、前記二次巻線をセンタタップの無い単純巻線により構成するとともに、前記二次巻線をブリッジ整流回路を介して前記蓄電素子に接続した全波整流手段を備えることを特徴とする請求項1又は2記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
  5. 前記トランスは、一つのバランス用巻線を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
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