JP5021732B2 - 電荷均等化装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリー電圧均等化装置に係り、より詳しくは、変圧器の１次巻線および２次巻線を容易に製作することができ、直列接続されたバッテリーの充電状態に応じて、バッテリーに注入される電荷の流れを制御することができるうえ、現在充電されるバッテリーに過電流が流れることを防止することができる、電荷均等化装置に関する。

多くのシステムは、直列に接続される複数のそれぞれのバッテリーセルを含む、バッテリーパック（ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ）またはバッテリーアレイ（ｂａｔｔｅｒｙ ａｒｒａｙ）からなるバッテリーを使用している。

この種のバッテリーセルは、定格充電範囲より著しく高く充電される場合、または定格充電範囲より低く放電される場合に危ない可能性がある。

このようなバッテリーセルの充電状態の不均衡は、様々な原因から発生し、製造中に、またはバッテリーを充放電する処理中に発生する。リチウムイオンセルの場合、工場におけるセルの製造はバッテリーアレイのセル間の容量差を最小化するように厳密に制御される。ところが、セルの不平衡または不一致は、当初の工場における製造の後に一致していた状態と関係なく、様々な他の要因によって発生する。

セルの不平衡に影響を及ぼす要因には、例えばそれぞれのセルの化学反応、セルのインピーダンス、自己放電の速度、容量の減少、動作温度の変動、およびそれぞれのセル間の他の変動などが含まれる。

セルの温度の不一致は、セルの不一致の重要な要因である。例えば、バッテリーセルには「自己放電」があるが、これはバッテリー温度の関数である。高温のバッテリーが低温のバッテリーより典型的にさらに大きい自己放電率を示す。その結果、高温のバッテリーは低温のバッテリーより時間経過に伴って低い充電状態を示す。

バッテリーのセルの充電状態において、不均衡は深刻な問題である。これは電気車両において典型的に発生しうる問題であって、バッテリーのエネルギー供給能力は最も低い充電状態にあるバッテリーセルによって制限される。

このバッテリーセルが完全に消耗すると、他のバッテリーセルはエネルギーの供給を続けることが可能な能力を失う。これは、バッテリーの他のバッテリーセルが未だ電力供給可能な能力を持っているとしても同様である。よって、バッテリーセルの充電状態の不均衡はバッテリーの電力供給能力を減少させる。

勿論、前述の説明は、一つまたはそれ以上のバッテリーセルが消耗した場合に全く異なるバッテリーセルによる電力供給が不可能であるという意味ではない。但し、直列接続の場合、一つまたはそれ以上のバッテリーセルが完全に放電してしまっても、残りのバッテリーセルに未だ電荷が残っていると、そのまま使用は続けることができるが、その場合には、放電済みのバッテリーセルに逆極性の電圧が発生し、その結果としてそのバッテリーセルが過熱し或いはガスが発生して爆発する危険性があるため、電力供給能力を失ってしまうという意味である。

バッテリーセルの充電状態の不均衡を正す様々な方法が提案されており、それらの一つ
が図１に示されている。

図１は従来の技術に係る中央集中型電荷均等化装置を示す図である。

図１を参照すると、従来の中央集中型電荷均等化装置は、変圧器Ｔ、Ｎ個の半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｎ、制御スイッチＳＷ、並びに電圧検出及び駆動信号生成部１０を含む。

変圧器Ｔは、１つの１次巻線とＮ個の２次巻線を有し、Ｎ個の２次巻線が一つの共通コアに巻き付けられており、１次巻線と２次巻線は互いに異なる極性を有する。言い換えれば、１次巻線のドットと２次巻線のドットは互いに異なるところに位置する。このような変圧器Ｔの２次巻線は全て同一の巻線数を有し、１次巻線と２次巻線の巻線比はＮ１：Ｎ２である。

半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｎは、２次巻線の一端とバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極（＋）との間に接続され、２次巻線からバッテリーＢ１〜Ｂｎに供給されるエネルギーを整流する。

制御スイッチＳＷは、１次巻線に直列に接続され、電圧検出および駆動信号生成部１０から供給される駆動信号に応じて閉回路を形成する。

電圧検出および駆動信号生成部１０は、直列接続されたバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出し、検出された電圧を基準電圧と比較して基準電圧より大きい電圧が充電、すなわち過充電されたバッテリーの電圧を放電させるための駆動信号を生成する。

次に、このような従来の中央集中型電荷均等化装置の電荷均等化方法について考察する。

まず、電圧検出および駆動信号生成部１０が、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出する。

その後、電圧検出および駆動信号生成部１０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのいずれか一つから検出された電圧が基準電圧より高い場合に制御スイッチＳＷをオンにする。

これにより、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎから供給されるエネルギーが変圧器Ｔの１次巻線に磁気エネルギーに変換されて蓄えられる。

その後、電圧検出および駆動信号生成部１０が制御スイッチＳＷをオフにすると、変圧器Ｔの１次巻線に蓄えられた磁気エネルギーは、電荷に変換され、２次巻線と半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｎを介して、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ充電される。

この際、制御スイッチＳＷがオフされた間、変圧器Ｔの共通コアに巻き付けられた２次巻線を介して、相対的に電位の低いバッテリーにさらに多くの電荷が移動することにより、電荷の均等化がなされる。

ところが、このような従来の中央集中型電荷均等化装置は、一つの共通コアにバッテリーに相当する数だけの２次巻線が巻き付けられているため、直列接続されたバッテリーの数が増加すると、増加したバッテリーの数だけ２次巻線を一つの共通コアに巻き付けなけ
ればならないため、変圧器Ｔの２次巻線の製作が難しくなるという問題がある。

また、従来の中央集中型電荷均等化装置は、変圧器Ｔの２次巻線に対する１次巻線の巻数比が直列接続されたバッテリーの数だけ増加するため、バッテリーの数が増加するほど１次巻線の製作が難しくなるという問題がある。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、変圧器の１次巻線および２次巻線を容易に製作することが可能な電荷均等化装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、直列接続されたバッテリーの充電状態に応じて、バッテリーに注入される電荷の流れを制御することが可能な電荷均等化装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、現在充電されるバッテリーに過電流が流れることを防止することが可能な電荷均等化装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施例によれば、直列接続されたＮ個のバッテリーとそれぞれ並列に接続され、前記Ｎ個のバッテリーのうち過充電されたバッテリーから放電されたエネルギーを蓄え、蓄えられたエネルギーで、前記過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させるＮ個の変圧器と、前記Ｎ個の変圧器それぞれの１次巻線の両端に接続されたＮ個の充電制御スイッチと、第Ｎの変圧器の１次巻線および第Ｎの充電制御スイッチの共通端と接地との間に接続された再分配スイッチと、前記Ｎ個の変圧器それぞれの２次巻線に直列接続されたＮ個の第１半導体スイッチング素子と、前記直列接続されたＮ個のバッテリーそれぞれの電圧を検出し、検出された電圧に応じて前記充電制御スイッチおよび再分配スイッチを駆動させるための第１駆動信号および第２駆動信号を生成する電圧検出および駆動信号生成部とを含む、電荷均等化装置を提供する。

本発明の他の実施例によれば、直列接続されたＮ個のバッテリーとそれぞれ並列に接続され、１つの１次巻線と２つの２次巻線を備え、過充電されたバッテリーから放電されたエネルギーで、前記過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させるＮ個の変圧器と、前記直列接続されたＮ個のバッテリーおよび前記Ｎ個のバッテリーに並列接続された第１電荷充電装置および第２電荷充電装置と、前記第１電荷充電装置および第２電荷充電装置と前記Ｎ個の変圧器との間に直列に接続された第１再分配スイッチおよび第２再分配スイッチと、前記Ｎ個の変圧器それぞれの１次巻線の両端に接続された充電制御スイッチと、前記Ｎ個の変圧器の第１の２次巻線と前記Ｎ個のバッテリーの陽極にそれぞれ接続された第１半導体スイッチング素子と、前記Ｎ個の変圧器の第２の２次巻線と前記Ｎ個のバッテリーの陽極にそれぞれ接続された第２半導体スイッチング素子とを含む、電荷均等化装置を提供する。

本発明によれば、直列接続されたバッテリーの数に関係なく、小容量の変圧器を直列接続されたバッテリーにそれぞれ並列に接続することにより、優れた電荷均等化特性を維持すると同時に変圧器の１次巻線および２次巻線を容易に製作することができる。

また、本発明に係る電荷均等化装置は、変圧器の１次巻線に並列接続された充電制御スイッチによって、直列接続されたバッテリーの充電状態に応じて、バッテリーに注入され
る電荷の流れを制御することができる。

最後に、本発明に係る電荷均等化装置は、バッテリーの電荷均等化がほぼ完了する時点またはほぼ全ての充電制御スイッチがオンされた時点で任意の少数のバッテリーに過電流が流れる場合、再分配スイッチに印加される第２駆動信号のＰＷＭ時比率を制御することにより、現在充電されているバッテリーに過電流が流れることを防止することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

図２は本発明の一実施例に係る電荷均等化装置を示す図、図３は図２に示した電圧検出および駆動信号生成部２０を示す図である。

図２および図３を参照すると、本発明の一実施例に係る電荷均等化装置は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続されたＮ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎと、Ｎ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線にそれぞれ並列に接続されたＮ個の充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、Ｎ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線にそれぞれ直列に接続されたＮ個の半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｎと、第Ｎの充電制御スイッチＳＷｎと接地ＧＮＤとの間に接続された再分配スイッチＣＳＷと、バッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧を検出し、検出された値を用いて充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷの動作を制御する電圧検出および駆動信号生成部２０とを含む。

変圧器Ｔ１〜Ｔｎそれぞれは、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち過充電されたバッテリーの電圧を低めるために、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続される。

さらに詳しく説明すると、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線の一端が半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｎのアノードに接続され、半導体スイッチング素子Ｄ１〜ＤｎのカソードがバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極（＋）に接続される。また、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線の他端はバッテリーＢ１〜Ｂｎの陰極（−）に接続される。

このような変圧器Ｔ１〜Ｔｎは、１次巻線の極性と２次巻線の極性が互いに反対である、すなわち１次巻線に形成されたドットの位置と２次巻線に形成されたドットの位置とが互いに異なるフライバック（Ｆｌｙｂａｃｋ）形態で構成されたが、１次巻線の極性と２次巻線の極性とが同一のフォワード（Ｆｏｒｗａｒｄ）形態で構成されてもよい。この際、変圧器Ｔ１〜Ｔｎそれぞれの１次巻線と２次巻線との巻線比はいずれもＮ１：Ｎ２で、同一である。

充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎそれぞれは、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線の両端の間に接続され、電圧検出および駆動信号生成部２０から供給される第１駆動信号に応じて、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーを、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に供給し、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路（ｂｙｐａｓｓ ｃｉｒｃｕｉｔ）を形成する。

このために、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは電圧検出および駆動信号生成部２０からハイ状態（ｈｉｇｈ−ｓｔａｔｅ）の第１駆動信号の供給を受け、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはロー状態（ｌｏｗ−ｓｔａｔｅ）の第１駆動信の供給を受ける。

これにより、過充電されたバッテリー以外のバッテリに並列接続された変圧器の１次巻線には電流が流れるが、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線には充電制御スイッチによって迂回回路が形成されるので電流が流れなくなる。

このような充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから構成されたが、これに限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｎは、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線の一端（ドットが形成されていない端子）とバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極との間に接続され、２次巻線からのエネルギーがバッテリーＢ１〜Ｂｎに供給されるように動作する。

このような半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｎは、ダイオードから構成されたが、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレー、ダイオードなどのスイッチング素子のいずれか一つから構成できる。

再分配スイッチＣＳＷは、第Ｎの変圧器Ｔｎの１次巻線の他端（ドットが形成されていない端子）、第Ｎの充電制御スイッチＳＷｎの他端（ソース端子）および接地（ＧＮＤ）の間に接続され、過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーが、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に供給されるように閉ループを形成し、過充電されていない変圧器の１次巻線に供給されたエネルギーを２次巻線に伝達する役割を果たす。

言い換えれば、再分配スイッチＣＳＷは、電圧検出および駆動信号生成部２０から供給されるハイ状態の第２駆動信号によってオンされ、過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーが、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に供給されるように閉ループを形成する。また、再分配スイッチＣＳＷは、電圧検出および駆動信号生成部２０からロー状態の第２駆動信号によってオフされ、過充電されていない変圧器の１次巻線に蓄えられたエネルギーを２次巻線に伝達させる。

このため、再分配スイッチＣＳＷは、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎと同時に動作し、或いは充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎが動作した後で動作する。

このような再分配スイッチＣＳＷは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから構成されたが、これに限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

電圧検出および駆動信号生成部２０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出し、検出された電圧を基準電圧と比較し、検出された電圧が基準電圧より大きい場合、基準電圧より大きい電圧が充電、すなわち過充電されたバッテリーは放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーは充電させるための第１駆動信号および第２駆動信号を生成し、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷに供給する。ここで、基準電圧はバッテリーＢ１〜Ｂｎから検出された電圧の平均電圧を意味する。

この際、電圧検出および駆動信号生成部２０は、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはハイ状態の第１駆動信号を供給し、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはロー状態の第１駆動信号を供給する。

また、電圧検出および駆動信号生成部２０は、過充電されたバッテリーからエネルギーを放電させる場合、ハイ状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給し、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させる場合、ロー状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給する。

ここで、電圧検出および駆動信号生成部２０は、ほぼ全ての充電制御スイッチがオンされた時点或いはバッテリーの電荷均等化がほぼ完了する時点で任意の少数のバッテリーにのみ電荷が充電されるとき、狭い時比率のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で形成された第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給する。これは、現在充電されているバッテリーに電流が過度に流れることを防ぐために、直列接続されたＮ個のバッテリーから最初から少ない量の電荷を放電させるためである。

これにより、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはオンされ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはオフされる。また、過充電されたバッテリーからエネルギーを放電させる場合には再分配スイッチＣＳＷはオンされ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させる場合には再分配スイッチＣＳＷはオフされる。

すなわち、再分配スイッチＣＳＷがオンされる場合、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路を形成し、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線には過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーが蓄えられる。

また、再分配スイッチＣＳＷがオフされる場合、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に蓄えられたエネルギーが２次巻線に伝達され、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させる。

このような電圧検出および駆動信号生成部２０は、第１駆動信号および第２駆動信号を充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷに同時に供給し、或いは充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎに第１駆動信号を供給した後、再分配スイッチＣＳＷに第２駆動信号を供給する。

このために、電圧検出および駆動信号生成部２０は、センシング部２２、マイクロプロセッサ２４、およびスイッチ駆動回路部２６を含む。

センシング部２２は、それぞれのバッテリーＢ１〜Ｂｎに接続され、バッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出する。

マイクロプロセッサ２４は、センシング部２２によって検出されたバッテリーＢ１〜Ｂｎの平均電圧を基準電圧として設定し、基準電圧とセンシング部２２によって検出された電圧との差が一定の値以上である場合にバッテリーを充／放電させるための充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷのオン／オフ時間を設定する。

スイッチ駆動回路部２６は、マイクロプロセッサ２４から入力される信号に応じて第１駆動信号および第２駆動信号を生成し、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷにそれぞれ供給する。

このような本発明の実施例に係る電荷均等化装置は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの数に関係なく、小容量の変圧器を直列接続されたバッテリーＢ１〜Ｂｎにそ
れぞれ並列に接続することにより、優れた電荷均等化特性を維持すると同時に、変圧器の１次巻線および２次巻線を容易に製作することができる。

また、本発明の実施例に係る電荷均等化装置は、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線に並列接続された充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎによって、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの充電状態に応じて、バッテリーに注入される電荷の流れを制御することができる。

最後に、本発明の一実施例に係る電荷均等化装置は、バッテリーの電荷均等化がほぼ完了する時点またはほぼ全ての充電制御スイッチがオンされた時点で任意の少数のバッテリーに過電流が流れる場合、再分配スイッチＣＳＷに印加される第２駆動信号のＰＷＭ時比率を制御することにより、現在充電されているバッテリーに過電流が流れることを防止することができる。

次に、このような本発明の一実施例に係る電荷均等化装置を用いて、直列接続されたバッテリーの電圧を均等にする方法について説明する。

まず、電圧検出および駆動信号生成部２０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出する。

この際、電圧検出および駆動信号生成部２０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち一部のバッテリーから基準電圧より大きい電圧が検出されると、過充電されたバッテリーを放電させるために、過充電されたバッテリーに並列に接続された充電制御スイッチを駆動させるための第１駆動信号を生成して充電制御スイッチに供給する。

例えば、第１のバッテリーＢ１と第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーが過充電されている場合、電圧検出および駆動信号生成部２０は第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された充電制御スイッチＳＷ１、ＳＷｎにはロー状態の第１駆動信号を供給し、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはハイ状態の第１駆動信号を供給する。

この際、電圧検出および駆動信号生成部２０は、ハイ状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給する。

これにより、図４に示すように、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された変圧器Ｔ１、Ｔｎの１次巻線には過充電されたバッテリーから放電される電荷が磁気エネルギーに変換されて蓄えられ、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路を形成する。

その後、電圧検出および駆動信号生成部２０は、ロー状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給して再分配スイッチＣＳＷをオフにする。

これにより、図５に示すように、逆起電力が発生して、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された変圧器Ｔ１、Ｔｎの１次巻線に蓄えられたエネルギーは、２次巻線に伝達されて電荷に変換され、２次巻線に直列接続された半導体スイッチング素子Ｄ１、Ｄｎを介して、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに供給される。これにより、過充電されたバッテリー以外のバッテリーは半導体スイッチング素子Ｄ１、Ｄｎを介して供給された電荷を充電する。

このような過程は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧が均等になるまで繰り返し行われる。このために、電圧検出および駆動信号生成部２０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧を継続的に検出して第１駆動信号および第２駆動信号を生成した後、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷのよび再分配スイッチＣＳＷに供給する。

図６は本発明の他の実施例に係る電荷均等化装置を示す図である。

図６を参照すると、本発明の他の実施例に係る電荷均等化装置は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続されたＮ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎと、Ｎ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線にそれぞれ並列に接続されたＮ個の充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、Ｎ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線にそれぞれ直列接続された第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１およびインダクタＬ１〜Ｌｎと、バッテリーＢ１〜Ｂｎの陰極と第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１およびインダクタＬ１〜Ｌｎの共通端子との間に接続された第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２と、第Ｎの充電制御スイッチＳＷｎと接地ＧＮＤとの間に接続された再分配スイッチＣＳＷと、バッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧を検出し、検出された値を用いて充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷの動作を制御する電圧検出および駆動信号生成部３０とを含む。

変圧器Ｔ１〜Ｔｎそれぞれは、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち過充電されたバッテリーの電圧を低めるために、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続される。

さらに詳しく説明すると、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線の一端が第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１のアノードに接続され、第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１のカソードがインダクタＬ１〜Ｌｎの一端に接続され、インダクタＬ１〜Ｌｎの他端はバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極（＋）に接続される。また、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線の他端はバッテリーＢ１〜Ｂｎの陰極（−）に接続される。

このような変圧器Ｔ１〜Ｔｎは、１次巻線の極性と２次巻線の極性とが同一である、すなわち１次巻線に形成されたドットの位置と２次巻線に形成されたドットの位置とが同一であるフォワード形態で構成されたが、フライバック形態で構成されてもよい。この際、変圧器Ｔ１〜Ｔｎそれぞれの１次巻線と２次巻線との巻線比はＮ１：Ｎ２である。

充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎそれぞれは変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線の両端の間に接続され、電圧検出および駆動信号生成部３０から供給される第１駆動信号に応じて、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーを過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に供給し、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路を形成する。

このために、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは電圧検出および駆動信号生成部３０からハイ状態の第１駆動信号の供給を受け、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはロー状態の第１駆動信号の供給を受ける。

これにより、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線には電流が流れるが、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線には充電制御スイッチによって迂回回路が形成されるので電流が流れなくなる。

このような充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから構成されたが、これに限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１は、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線の一端（ドットが形成された端子）とインダクタＬ１〜Ｌｎとの間に接続され、２次巻線からのエネルギーがバッテリーＢ１〜Ｂｎに供給されるように動作する。

このような第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１は、ダイオードから構成されたが、これに限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレー、ダイオードなどのスイッチング素子のいずれか一つから構成できる。

インダクタＬ１〜Ｌｎは、第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１のカソードとバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極との間に接続され、再分配スイッチＣＳＷがオンされるときには変圧器Ｔ１〜Ｔｎの２次巻線から供給されるエネルギーを蓄え、再分配スイッチＣＳＷがオフされるときには蓄えられたエネルギーをバッテリーＢ１〜Ｂｎに供給する。

第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２は、バッテリーＢ１〜Ｂｎの陰極と第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１およびインダクタＬ１〜Ｌｎの共通端との間に接続され、インダクタＬ１〜Ｌｎに蓄えられたエネルギーがバッテリーＢ１〜Ｂｎに供給されるように閉ループを形成する。

このために、第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２のアノードがバッテリーＢ１〜Ｂｎの陰極に接続され、カソードが第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１のカソードに接続される。

このような第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２は、ダイオードから構成されたが、これに限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレー、ダイオードなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

再分配スイッチＣＳＷは、第Ｎの変圧器Ｔｎの１次巻線の他端（ドットが形成されていない端子）と接地ＧＮＤとの間に接続され、過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーが、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器を介して、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに供給されるように閉ループを形成し、インダクタＬ１〜Ｌｎに蓄えられたエネルギーが、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに供給されるようにする。

言い換えれば、再分配スイッチＣＳＷは、電圧検出および駆動信号生成部３０から供給されるハイ状態の第２駆動信号によってオンされ、過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーが過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に供給されるように閉ループを形成する。

これにより、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に蓄えられたエネルギーは、２次巻線に伝達され、第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１およびインダクタＬ１〜Ｌｎを介して、過充電されたバッテリ以外のバッテリーに供給される。これにより、過充電されたバッテリー以外のバッテリが充電される。

また、再分配スイッチＣＳＷは、電圧検出および駆動信号生成部３０からロー状態の第２駆動信号によってオフされ、インダクタＬ１〜Ｌｎに逆起電力を発生させ、インダクタ
Ｌ１〜Ｌｎに蓄えられたエネルギーを過充電されたバッテリー以外のバッテリーに充電する。

このような再分配スイッチＣＳＷは、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎと同時に動作し、または充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎが動作した後で動作する。

再分配スイッチＣＳＷは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから構成されたが、これに限定されず、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

電圧検出および駆動信号生成部３０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出し、検出された電圧を基準電圧と比較し、検出された電圧が前記基準電圧より大きい場合、前記基準電圧より大きい電圧が充電、すなわち過充電されたバッテリーは放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーは充電させるための第１駆動信号および第２駆動信号を生成して充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷに供給する。

この際、電圧検出および駆動信号生成部３０は、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはハイ状態の第１駆動信号を供給し、過充電されたバッテリー以外のバッテリに並列接続された充電制御スイッチにはロー状態の第１駆動信号を供給する。

また、電圧検出および駆動信号生成部３０は、過充電されたバッテリーからエネルギーを放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させる場合、ハイ状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給し、インダクタＬ１〜Ｌｎに蓄えられたエネルギーを過充電されたバッテリー以外のバッテリーに充電させる場合、ロー状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給する。

ここで、電圧検出および駆動信号生成部３０は、ほぼ全ての充電制御スイッチがオンされた時点またはバッテリーの電荷均等化がほぼ完了する時点で任意の少数のバッテリーのみに電荷が充電されるとき、狭い時比率のＰＷＭで形成された第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給する。これは、現在充電されているバッテリーに電流が過度に流れることを防ぐために、直列接続されたＮ個のバッテリーから最初から少ない量の電荷を放電させるためである。

これにより、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはオンされ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはオフされる。また、過充電されたバッテリーからエネルギーを放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させる場合、再分配スイッチＣＳＷはオンされ、インダクタＬ１〜Ｌｎに蓄えられたエネルギーを過充電されたバッテリー以外のバッテリーに充電させる場合、再分配スイッチＣＳＷはオフされる。

すなわち、再分配スイッチＣＳＷがオンされる場合、過充填されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路を形成し、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線には過充電されたバッテリーから放電される電荷が磁気エネルギーに変換されて蓄えられる。そして、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の２次巻線には１次巻線に蓄えられたエネルギーが伝達され、２次巻線に伝達された磁気エネルギーは、電荷に変換された後、第１半導体スイッチング素子およびインダクタを介して、過充電されたバッテリー以外のバッテリに充電される。

また、再分配スイッチＣＳＷがオフされる場合、インダクタに蓄えられたエネルギーが、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに充電される。

このような電圧検出および駆動信号生成部３０は、第１駆動信号および第２駆動信号を充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷに同時に供給し、或いは充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎに第１駆動信号を供給した後、再分配スイッチＣＳＷに第２駆動信号を供給する。

このために、電圧検出および駆動信号生成部３０は、図３に示すように、センシング部２２、マイクロプロセッサ２４およびスイッチ駆動回路部２６を含む。

センシング部２２は、それぞれのバッテリーＢ１〜Ｂｎに接続され、バッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出する。

マイクロプロセッサ２４は、センシング部２２によって検出されたバッテリーＢ１〜Ｂｎの平均電圧を基準電圧に設定し、基準電圧とセンシング部２２によって検出された電圧との差が一定の値以上である場合にバッテリーを充／放電させるための充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷのオン／オフ時間を設定する。

スイッチ駆動回路部２６は、マイクロプロセッサ２４から入力される信号に応じて、第１駆動信号および第２駆動信号を生成して充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷにそれぞれ供給する。

このような本発明の他の実施例に係る電荷均等化装置は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの数に関係なく、小容量の変圧器を直列接続されたバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続することにより、優れた電荷均等化特性を維持すると同時に、変圧器の１次巻線および２次巻線を容易に製作することができる。

また、本発明の他の実施例に係る電荷均等化装置は、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線に並列接続された充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎによって、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの充電状態に応じて、バッテリーに注入される電荷の流れを制御することができる。

最後に、本発明の他の実施例に係る電荷均等化装置は、バッテリーの電荷均等化がほぼ完了する時点またはほぼ全ての充電制御スイッチがオンされた時点で任意の少数のバッテリーに過電流が流れる場合、再分配スイッチＣＳＷに印加される第２駆動信号のＰＷＭ時比率を制御することにより、現在充電されているバッテリーに過電流が流れることを防止することができる。

次に、このような本発明の他の実施例に係る電荷均等化装置を用いて、直列接続されたバッテリーの電圧を均等にする方法について説明する。

まず、電圧検出および駆動信号生成部３０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出する。

この際、電圧検出および駆動信号生成部３０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち一部のバッテリーから基準電圧より大きい電圧が検出されると、過充電されたバッテリーを放電させるために、過充電されたバッテリーに並列に接続された充電制御スイッチを駆動させるための第１駆動信号を生成して充電制御スイッチに供給する。

例えば、第１のバッテリーＢ１と第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーが過充電されている場合、電圧検出および駆動信号生成部３０は、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された充電制御スイッチＳＷ１、ＳＷｎにはロー状態の第１駆動信号を供給し、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはハイ状態の第１駆動信号を供給する。

また、電圧検出および駆動信号生成部３０は、ハイ状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給する。

これにより、図７に示すように、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された変圧器Ｔ１、Ｔｎの１次巻線には過充電されたバッテリーから放電される電荷が磁気エネルギーに変換されて蓄えられ、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路を形成する。

この際、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された変圧器Ｔ１、Ｔｎが１次巻線に蓄えられたエネルギーは２次巻線に伝達され、２次巻線に伝達された磁気エネルギーは電荷に変換されて第１半導体スイッチング素子Ｄ１１、Ｄｎ１およびインダクタＬ１、Ｌｎを介して第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに充電される。また、２次巻線に介して供給された電荷はインダクタＬ１、Ｌｎに磁気エネルギーに変換されて蓄えられる。

その後、電圧検出および駆動信号生成部３０は、ロー状態の第２駆動信号を再分配スイッチＣＳＷに供給して再分配スイッチＣＳＷをオフにする。

これにより、図８に示すように、逆起電力によって、インダクタＬ１、Ｌｎに蓄えられた磁気エネルギーは電荷に変換されて第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢに充電される。

このような過程は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧が均等になるまで繰り返し行われる。このために、電圧検出および駆動信号生成部３０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧を継続的に検出し、第１駆動信号および第２駆動信号を生成した後、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷに供給する。

図９は本発明の別の実施例に係る電荷均等化装置を示す図である。

図９は参照すると、本発明の別の実施例に係る電荷均等化装置は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続されたＮ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎ、第１電荷充電装置Ｃ１、第２電荷充電装置Ｃ２、第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２、Ｎ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線にそれぞれ並列に接続されたＮ個の充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ、Ｎ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの第１の２次巻線に直列接続された第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１、Ｎ個の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの第２の２次巻線に直列接続された第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２、並びにバッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧を検出し、検出された値を用いて充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷの動作を制御する電圧検出および駆動信号生成部４０を含む。

変圧器Ｔ１〜Ｔｎそれぞれは、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち過充
電されたバッテリーの電圧を低め、過充電バッテリー以外のバッテリーを充電させるために、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続される。

さらに詳しく説明すると、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの第１の２次巻線の一端（ドットが形成された端子）が第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１のアノードに接続され、第２の２次巻線の他端（ドットが形成されていない端子）が第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２のアノードに接続され、第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄ１ｎおよび第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２のカソードはバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極に接続される。

また、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの第１の２次巻線の他端と第２の２次巻線の一端はバッテリーＢ１〜Ｂｎの陰極に接続され、１次巻線の両端には充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎが接続される。

このような変圧器Ｔ１〜Ｔｎは、１次巻線、第１の２次巻線および第２の２次巻線の極性が同一、すなわち１次巻線に形成されたドットと第１の２次巻線および第２の２次巻線に形成されたドットの位置が同一であり、２次巻線が２つに分けられたハーフブリッジ（Ｈａｌｆ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）形態からなる。

この際、変圧器Ｔ１〜Ｔｎそれぞれの１次巻線と２次巻線の巻線比はＮ１：Ｎ２であり、第１の２次巻線と第２の２次巻線は同一の巻線比を持つ。

第１電荷充電装置Ｃ１と第２電荷充電装置Ｃ２は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎおよび変圧器Ｔ１〜Ｔｎに並列に接続され、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎから供給される電荷を蓄える。

このような第１電荷充電装置Ｃ１および第２電荷充電装置Ｃ２は、キャパシタから構成されたが、キャパシタおよびバッテリーのいずれかから構成できる。また、第１電荷充電装置Ｃ１と第２電荷充電装置Ｃ２は同一の容量を持つ。

第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２は、バッテリーＢ１〜Ｂｎと電荷充電装置Ｃ１、Ｃ２との間に並列に接続され、電圧検出および駆動信号生成部４０から供給される第２駆動信号に応じて、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち過充電されたバッテリーを放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させるための閉ループを形成する。

このような第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２は、電圧検出および駆動信号生成部４０からハイ状態の第２駆動信号が供給されるとオンされ、ロー状態の第２駆動信号が供給されるとオフされる。

すなわち、過充電されたバッテリーを放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させるとき、第１再分配スイッチＣＳＷ１がオンされると、第２再分配スイッチＣＳＷ２はオフされ、第１再分配スイッチＣＳＷ１がオフされると、第２再分配スイッチＣＳＷ２はオンされる。

このような第１再分配スイッチＣＳＷ１と第２再分配スイッチＣＳＷ２は、第１のバッテリーＢ１の陽極と接地ＧＮＤとの間に接続に接続される。また、第１の再分配スイッチＣＳＷ１と第２再分配スイッチＣＳＷ２間の共通端は、第１の変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線の一端に接続される。

ここで、第１の再分配スイッチＣＳＷ１と第２再分配スイッチＣＳＷ２は、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから構成されたが、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎそれぞれは、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線の両端に接続され、電圧検出および駆動信号生成部４０から供給される第１駆動信号に応じて、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち過充電されたバッテリーから放電されるエネルギーを過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に供給し、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路を形成する。

このために、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは、電圧検出および駆動信号生成部４０からハイ状態の第１駆動信号の供給を受け、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは、ロー状態の第１駆動信号の供給を受ける。

これにより、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線には電流が流れるが、過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線には充電制御スイッチによって迂回回路が形成されるので電流が流れなくなる。

このような充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴから構成されたが、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１は、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの第１の２次巻線の一端（ドットが形成された端子）とバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極との間に接続され、第１の２次巻線からのエネルギーがバッテリーＢ１〜Ｂｎに供給されるように動作する。

第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２は、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの第２の２次巻線の一端（ドットが形成された端子）とバッテリーＢ１〜Ｂｎの陽極との間に接続され、第２の２次巻線からのエネルギーがバッテリーＢ１〜Ｂｎに供給されるように動作する。

このような第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１および第２半導体スイッチング素子Ｄ１２〜Ｄｎ２は、ダイオードから構成されたが、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレー、ダイオードなどのスイッチ素子のいずれか一つから構成できる。

電圧検出および駆動信号生成部４０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出し、検出された電圧を基準電圧と比較し、検出された電圧が基準電圧より大きい場合、基準電圧より大きい電圧が充電、すなわち過充電されたバッテリーは放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーは充電させるための第１駆動信号および第２駆動信号を生成し、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ、第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２に供給する。

この際、電圧検出および駆動信号生成部４０は、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはハイ状態の第１駆動信号を供給し、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはロー状態の第１駆動信号を供給する。

また、電圧検出および駆動信号生成部４０は、過充電されたバッテリーからエネルギーを放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させる場合、ハイまたはロ
ー状態の第２駆動信号を第１再分配スイッチＣＳＷ１と第２再分配スイッチＣＳＷ２に交代に供給する。

ここで、電圧検出および駆動信号生成部４０は、ほぼ全ての充電制御スイッチがオンされた時点またはバッテリーの電荷均等化がほぼ完了する時点で任意の少数のバッテリーにのみ電荷が充電されるとき、狭い時比率のＰＭＷで形成されたハイまたはロー状態の第２駆動信号を第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２に交代に供給する。これは、現在充電されているバッテリーに電流が過度に流れることを防ぐために、直列接続されたＮ個のバッテリーから最初から少ない量の電荷を放電させるためである。

これにより、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはオンされ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチはオフされる。また、過充電されたバッテリーからエネルギーを放電させ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させる場合、第１再分配スイッチＣＳＷ１と第２再分配スイッチＣＳＷ２は交代にオンまたはオフされる。

すなわち、第１再分配スイッチＣＳＷ１がオンされ、第２再分配スイッチＣＳＷ２がオフされる場合、過充電されたバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは過充電されたバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れないように迂回回路の形成のためにオンされ、過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチは過充電されたバッテリー以外のバッテリーに並列接続された変圧器の１次巻線に電流が流れるようにオフされる。

このような電圧検出および駆動信号生成部４０は、第１駆動信号および第２駆動信号を充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ、第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２に同時に供給し、或いは充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎに第１駆動信号を供給した後、第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２に第２駆動信号を供給する。この際、第１再分配スイッチＣＳＷ１と第２再分配スイッチＣＳＷ２には相異なる状態の第２駆動信号が供給される。

このために、電圧検出および駆動信号生成部４０は、図３に示すように、センシング部２２、マイクロプロセッサ２４およびスイッチ駆動回路部２６を含む。

センシング部２２は、それぞれのバッテリーＢ１〜Ｂｎに接続され、バッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出する。

マイクロプロセッサ２４は、センシング部２２によって検出されたバッテリーＢ１〜Ｂｎの平均電圧を基準電圧として設定し、基準電圧とセンシング部２２によって検出された電圧との差が一定の値以上である場合にバッテリーを充／放電させるための充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷのオン／オフ時間を設定する。

スイッチ駆動回路部２６は、マイクロプロセッサ２４から入力される信号に応じて第１駆動信号および第２駆動信号を生成し、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎおよび再分配スイッチＣＳＷにそれぞれ供給する。

次に、このような本発明の別の実施例に係る電荷均等化装置は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの数に関係なく、小容量の変圧器を直列接続されたバッテリーＢ１〜Ｂｎにそれぞれ並列に接続することにより、優れた電荷均等化特性を維持すると同時に、変圧器の１次巻線および２次巻線を容易に製作することができる。

また、本発明の別の実施例に係る電荷均等化装置は、変圧器Ｔ１〜Ｔｎの１次巻線に並列接続された充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎによって、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの充電状態に応じて、バッテリーに注入される電荷の流れを制御することができる。

最後に、本発明の別の実施例に係る電荷均等化装置は、バッテリーの電荷均等化がほぼ完了する時点またはほぼ全ての充電制御スイッチがオンされた時点で任意の少数のバッテリーに過電流が流れる場合、第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２に印加される第２駆動信号のＰＷＭ時比率を制御することにより、現在充電されているバッテリーに過電流が流れることを防止することができる。

次に、このような本発明の別の実施例に係る電荷均等化装置を用いて、直列接続されたバッテリーの電圧を均等にする方法について説明する。

まず、電圧検出および駆動信号生成部４０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎそれぞれの電圧を検出する。

この際、電圧検出および駆動信号生成部４０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのうち一部のバッテリーから基準電圧より大きい電圧が検出され、過充電されたバッテリーを放電させるために、過充電されたバッテリーに並列に接続された充電制御スイッチを駆動させるための第１駆動信号を生成して充電制御スイッチに供給する。

例えば、第１のバッテリーＢ１と第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーが過充電されている場合、電圧検出および駆動信号生成部４０は、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された充電制御スイッチＳＷ１、ＳＷｎにはロー状態の第１駆動信号を供給し、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された充電制御スイッチにはハイ状態の第１駆動信号を供給する。

また、電圧検出および駆動信号生成部４０は、ハイ状態の第２駆動信号を第１再分配スイッチＣＳＷ１に供給し、ロー状態の第２駆動信号を第２再分配スイッチＣＳＷ２に供給する。

これにより、図１０に示すように、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された変圧器Ｔ１、Ｔｎの１次巻線に電流が流れることになり、１次巻線に供給されるエネルギーが２次巻線および第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１を介して第１のバッテリーＢ１と第ＮのバッテリーＢｎに供給される。

これにより、第１のバッテリーＢ１と第ＮのバッテリーＢｎは、過充電されたバッテリーから供給されるエネルギーを充電する。

この際、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーに並列接続された変圧器Ｔ２〜Ｔｎ−１の１次巻線には、充電制御スイッチによって迂回回路が形成されて電流が流れない。

これにより、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎ以外のバッテリーは電荷を放出しながらその内部電圧が低くなる。

その結果、図１０に示すように、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された変圧器Ｔ１、Ｔｎの１次巻線に電流が流れることになり、１次巻線に供給されるエネルギーが２次巻線および第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄｎ１を介して
第１のバッテリーＢ１と第ＮのバッテリーＢｎに供給される。

これにより、第１のバッテリーＢ１と第ＮのバッテリーＢｎは、過充電されたバッテリーから供給されるエネルギーを充電する。

この際、第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに並列接続された変圧器Ｔ１、Ｔｎの１次巻線に蓄えられたエネルギーは第２の２次巻線に伝達され、第２の２次巻線に伝達された磁気エネルギーは電荷に変換されて第２半導体スイッチング素子Ｄ１２、Ｄｎ２を介して第１のバッテリーＢ１および第ＮのバッテリーＢｎに充電される。

上述した過程は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧が均等になるまで繰り返し行われる。このために、電圧検出および駆動信号生成部４０は、直列接続されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの電圧を継続的に検出し、第１駆動信号および第２駆動信号を生成した後、充電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ、第１再分配スイッチＣＳＷ１および第２再分配スイッチＣＳＷ２に供給する。

従来の技術に係る中央集中型電荷均等化装置を示す図である。 本発明の一実施例に係る電荷均等化装置を示す図である。 図２に示した電圧検出および駆動信号生成部を示す図である。 図２に示した電荷均等化装置でバッテリーの電荷を均等にするための閉ループを示す図である。 図２に示した電荷均等化装置でバッテリーの電荷を均等にするための閉ループを示す図である。 本発明の他の実施例に係る電荷均等化装置を示す図である。 図２に示した電荷均等化装置でバッテリーの電荷を均等にするための閉ループを示す図である。 図２に示した電荷均等化装置でバッテリーの電荷を均等にするための閉ループを示す図である。 本発明の別の実施例に係る電荷均等化装置を示す図である。 図９に示した電荷均等化装置でバッテリーの電荷を均等にするための閉ループを示す図である。 図９に示した電荷均等化装置でバッテリーの電荷を均等にするための閉ループを示す図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０：電圧検出および駆動信号生成部
２２：センシング部
２４：マイクロプロセッサ
２６：スイッチ駆動回路部

Claims (21)

1. 直列接続されたＮ個のバッテリーとそれぞれ並列に接続され、前記Ｎ個のバッテリーのうち過充電されたバッテリーから放電されたエネルギーを蓄え、蓄えられたエネルギーで、前記過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させるＮ個の変圧器と、
   前記Ｎ個の変圧器それぞれの１次巻線の両端に接続されたＮ個の充電制御スイッチと、
   第Ｎの変圧器の１次巻線および第Ｎの充電制御スイッチの共通端と接地との間に接続された再分配スイッチと、
   前記Ｎ個の変圧器それぞれの２次巻線に直列接続されたＮ個の第１半導体スイッチング素子と、
   前記直列接続されたＮ個のバッテリーそれぞれの電圧を検出し、検出された電圧に応じて、前記充電制御スイッチおよび再分配スイッチを駆動させるための第１駆動信号および第２駆動信号を生成する電圧検出および駆動信号生成部とを含むことを特徴とする、電荷均等化装置。
2. 前記Ｎ個の変圧器それぞれの１次巻線および２次巻線の巻線比はいずれもＮ１：Ｎ２で、同一であることを特徴とする、請求項１に記載の電荷均等化装置。
3. 前記Ｎ個の第１半導体スイッチング素子と前記Ｎ個のバッテリーの陽極との間にそれぞれ接続されたＮ個のインダクタと、
   前記Ｎ個のバッテリーの陰極と前記第１半導体スイッチング素子および前記インダクタの共通端との間に接続された第２半導体スイッチング素子とをさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の電荷均等化装置。
4. 前記第１半導体スイッチング素子および前記第２半導体スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーおよびダイオードのいずれか一つであることを特徴とする、請求項３に記載の電荷均等化装置。
5. 前記第１半導体スイッチング素子および前記第２半導体スイッチング素子は、ダイオードであることを特徴とする、請求項４に記載の電荷均等化装置。
6. 前記充電制御スイッチおよび前記再分配スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴおよびリレーのいずれか一つであることを特徴とする、請求項５に記載の電荷均等化装置。
7. 前記充電制御スイッチおよび前記再分配スイッチは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする、請求項６に記載の電荷均等化装置。
8. 前記電圧検出および駆動信号生成部は、
   Ｎ個のバッテリー電圧を検出するセンシング部と、
   前記センシング部から検出された電圧に応じて、前記充電制御スイッチおよび前記再分配スイッチのオン／オフ時間を設定するマイクロプロセッサと、
   前記マイクロプロセッサから入力される信号に応じて、前記充電制御スイッチおよび前記再分配スイッチを駆動させるための第１駆動信号および第２駆動信号を生成するスイッチ駆動回路部を含むことを特徴とする、請求項７に記載の電荷均等化装置。
9. 前記変圧器は、前記１次巻線に形成されたドットの位置と前記２次巻線に形成されたドットの位置とが異なることを特徴とする、請求項８に記載の電荷均等化装置。
10. 前記変圧器は、前記１次巻線に形成されたドットの位置と前記２次巻線に形成されたドットの位置とが同一であることを特徴とする、請求項８に記載の電荷均等化装置。
11. 直列接続されたＮ個のバッテリーとそれぞれ並列に接続され、１つの１次巻線と２つの２次巻線を備え、過充電されたバッテリーから放電されたエネルギーで、前記過充電されたバッテリー以外のバッテリーを充電させるＮ個の変圧器と、
    前記直列接続されたＮ個のバッテリー、および前記Ｎ個のバッテリーに並列接続された第１電荷充電装置および第２電荷充電装置と、
    前記第１電荷充電装置および第２電荷充電装置と前記Ｎ個の変圧器との間に直列に接続された第１再分配スイッチおよび第２再分配スイッチと、
    前記Ｎ個の変圧器それぞれの１次巻線の両端に接続された充電制御スイッチと、
    前記Ｎ個の変圧器の第１の２次巻線と前記Ｎ個のバッテリーの陽極にそれぞれ接続された第１半導体スイッチング素子と、
    前記Ｎ個の変圧器の第２の２次巻線と前記Ｎ個のバッテリーの陽極にそれぞれ接続された第２半導体スイッチング素子とを含むことを特徴とする、電荷均等化装置。
12. 前記第１半導体スイッチング素子および前記第２半導体スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーおよびダイオードのいずれか一つであることを特徴とする、請求項１１に記載の電荷均等化装置。
13. 前記第１半導体スイッチング素子および前記第２半導体スイッチング素子は、ダイオードであることを特徴とする、請求項１２に記載の電荷均等化装置。
14. 前記充電制御スイッチ、前記第１再分配スイッチおよび前記第２再分配スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴおよびリレーのいずれか一つであることを特徴とする、請求項１３に記載の電荷均等化装置。
15. 前記充電制御スイッチ、前記第１再分配スイッチおよび前記第２再分配スイッチは、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする、請求項１４に記載の電荷均等化装置。
16. 前記Ｎ個の変圧器それぞれの１次巻線および２次巻線の巻線比はＮ１：Ｎ２であり、第１の２次巻線と第２の２次巻線の巻線比は同一であることを特徴とする、請求項１５に記載の電荷均等化装置。
17. 前記１次巻線の極性、前記１の２次巻線の極性および第２の２次巻線の極性は、同一であることを特徴とする、請求項１６に記載の電荷均等化装置。
18. 前記第１の２次巻線と前記第２の２次巻線との共通端は、前記バッテリーの陰極に接続されることを特徴とする、請求項１７に記載の電荷均等化装置。
19. 前記電圧検出および駆動信号生成部は、
    Ｎ個のバッテリー電圧を検出するセンシング部と、
    前記センシング部から検出された電圧に応じて、前記充電制御スイッチおよび前記再分配スイッチのオン／オフ時間を設定するマイクロプロセッサと、
    前記マイクロプロセッサから入力される信号に応じて、前記充電制御スイッチおよび前記再分配スイッチを駆動させるための第１駆動信号および第２駆動信号を生成するスイッチ駆動回路部とを含むことを特徴とする、請求項１８に記載の電荷均等化装置。
20. 前記第１電荷充電装置および前記第２電荷充電装置は、キャパシタおよびバッテリーのいずれか一つであることを特徴とする、請求項１９に記載の電荷均等化装置。
21. 前記第１電荷充電装置および前記第２電荷充電装置は、キャパシタであることを特徴と
    する、請求項２０に記載の電荷均等化装置。

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