JP5046570B2 - 直列セルの電圧バランス回路 - Google Patents

Description

本発明は直列セルの電圧バランス回路に関し、とくに直列接続された複数の蓄電セルの電圧を急速に均等化するのに用いて有効である。

キャパシタや二次電池などの蓄電セルは多数を直列に接続して使用する場合が多い。この場合、セル間に電圧バラツキが生じると、特定のセルに電圧が集中することによりセルの寿命が短くなってしまうという問題が生じる。この問題は直列接続数が多くなるほど顕著になる。したがって、蓄電セルの直列接続使用では、各セルの電圧を均等化させる必要がある。

直列接続された蓄電セルの電圧を均等化させる手段としては、図１０に示すように、同一磁心１１に同一巻数で巻回されて相互に１対１の変圧比をなす複数のトランス・コイルＬ１，Ｌ２と、互いに連動してオン・オフ動作するスイッチＳ１，Ｓ２を用いた、直列セルの電圧バランス回路が知られている（特許文献１）。

同図に示す電圧バランス回路は、連動スイッチＳ１，Ｓ２をオン・オフさせることにより、各セルＥ１，Ｅ２がコイルＬ１，Ｌ２を介してトランス結合される。コイルＬ１，Ｌ２は互いに同一巻数であって相互に１対１の変圧比をなすので、各セルＥ１，Ｅ２が同じ電圧であれば、すなわち電圧バランスが保たれていれば、コイルＬ１，Ｌ２間での電力伝送は行われない。

しかし、ここで仮に、コイルＬ１側のセルＥ１の電圧がコイルＬ２側のセルＥ２のそれよりも高くなると、Ｌ１を一次コイルとし、Ｌ２を二次コイルとするトランス動作により、Ｅ１からＥ２へ電力伝送が行われる。これによりＥ１とＥ２の電圧が均等化される。反対に、Ｅ２の電圧がＥ１のそれよりも高い場合は、上とは逆に、Ｅ２からＥ１へ電力伝送が行われて電圧が均等化される。
特開２００４−２０１３６１（段落００４６）

上述した技術には次のような問題のあることが本発明者により明らかとされた。
すなわち、上述した電圧バランス回路では、コイルＬ１またはＬ２がトランスの一次コイルとして動作する場合、セルＥ１またはＥ２からコイルＬ１またはＬ２に供給される一次電流をスイッチＳ１またはＳ２で遮断した過渡時に、Ｌ１またはＬ２に自己誘導電流が流れようとする。この自己誘導電流を放電させずにおくと、異常に高圧な逆起電力（サージ）が生じてスイッチＳ１，Ｓ２等が破壊される恐れがある。

そこで、通常は、図１１に示すように、上記逆起電力を吸収するダンパー回路５１をコイルＬ１，Ｌ２に並列接続することが行われる。ダンパー回路５１はサージ吸収回路あるいはリセット回路などとも呼ばれ、一般的にはダイオードと抵抗の組み合わせで構成される。

しかし、上記ダンパー回路５１は、コイルＬ１，Ｌ２に通電によりいったん蓄えられた電気エネルギーを熱として消費させることにより逆起電力を抑制するものであって、そのためのエネルギー消費はスイッチＳ１またはＳ２がオンからオフに切り換る度に生じる。

このため、たとえばＥ１の電圧がＥ２よりも高かった場合は、Ｅ１からＥ２への電力伝送によって両者の電圧が均等化されるのであるが、これには大きな電力損失がともなう、という問題が生じる。

本発明は、以上のような問題を鑑みたものであって、その目的は、直列接続された複数の蓄電セルの電圧を、大きな電力損失をともなうことなく、急速かつ高効率に均等化させることができる直列セルの電圧バランス回路を提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。

（１）直列接続された複数の蓄電セルと、同一磁心に同一巻数で巻回されて相互に１対１の変圧比をなす複数のトランス・コイルとを、互いに連動してオン・オフ動作するスイッチを介して１対１の対応で接続することにより、各セルの電圧を均等化させるようにした直列セルの電圧バランス回路において、上記スイッチがオンからオフに切り換った過渡時に、蓄電セルから一次電流の供給を受けていたコイルに発生する自己誘導電流を、そのコイルに接続されていたセルとは別のセルを充電する経路で放電させる転流回路を設け、前記転流回路は２つのトランス・コイルの間に接続された第１および第２の放電回路によって形成され、第１の放電回路は、一方のコイルが一次電流の供給を受けたときに発生する自己誘導電流を、逆流阻止ダイオードを介して他方のコイル側の蓄電セルに充電させるように構成され、第２の放電回路は、他方のコイルが一次電流の供給を受けたときに発生する自己誘導電流を、逆流阻止ダイオードを介して一方のコイル側の蓄電セルに充電させるように構成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路

（２）前記手段（１）において、前記第１の放電回路と前記第２の放電回路は、隣り合わせで直列接続されている２つの蓄電セルにそれぞれ前記スイッチを介して接続されているトランス・コイルの間に設けられていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

（３）前記手段（１）または（２）において、前記転流回路は２つトランス・コイルおよび蓄電セルを１対とする単位で設置され、その対をなさないトランス・コイルおよび蓄電セルについては前記第１の放電回路または前記第２の放電回路のいずれか一方が設置されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

（４）前記手段（３）において、対をなさない蓄電セルの充放電容量を他のセルよりも大きくしたことを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

（５）前記手段（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記トランス・コイルが巻回される磁心に磁路ギャップを設けたことを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

（６）前記手段（１）〜（５）のいずれかにおいて、前記トランス・コイルは、コイル数分の被膜導線を平行に並べてなるフラットケーブル帯を使用し、このフラットケーブル帯を折り曲げて形成した平面ループ体によって形成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

（７）前記手段（１）〜（５）のいずれかにおいて、前記トランス・コイルは、プリント配線基板の表裏に形成された導体パターンをスルーホール配線で結線することにより形成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

（８）前記手段（１），（５）〜（７）のいずれかにおいて、多直列接続された蓄電セルのハイレベル側端に設置されたトランス・コイル又はロウレベル側端に設置されたトランス・コイルに生じる自己誘導電流を、他に接続された複数の直列セルを充電しながら放出させる第１又は第２又はその双方の放電ループを設けたことを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

（９）前記手段（１）〜（８）のいずれかにおいて、前記逆流阻止ダイオードは、２端子方非線形素子である整流ダイオードを用いて構成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

直列接続された複数の蓄電セルの電圧を、大きな電力損失をともなうことなく、急速かつ高効率に均等化させることができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。

図１は、本発明の第１実施形態をなす直列セルの電圧バランス回路を示す。同図に示す回路は、まず、同一磁心１１に巻回された２つのトランス・コイルＬ１，Ｌ２と、互いに連動してオン・オフ動作する２つのスイッチＳ１，Ｓ２を有する。磁心１１とコイルＬ１，Ｌ２は一種のトランスＴ１を構成する。各コイルＬ１，Ｌ２は同一巻数で巻回されて相互に１対１の変圧比をなす。

２つのコイルＬ１，Ｌ２は、直列接続された２つの蓄電セルＥ１，Ｅ２と、スイッチＳ１，Ｓ２を介して１対１の対応で接続されている。スイッチＳ１，Ｓ２は、図示を省略する制御回路により同一タイミングでオン・オフ動作させられる。

上記までの構成により、各セルＥ１，Ｅ２の電圧均等化動作が行われるようになっている。すなわち、２つのセルＥ１，Ｅ２は、スイッチＳ１，Ｓ２とトランスＴ１を介して交流的に結合され、一方のセルの電圧が他方のセルよりも高くなった場合は、その電圧の高い方のセルから低い方のセルにトランスＴ１による電力伝送が行われることにより、両セルの電圧が均等化される。

さらに、この実施形態では、上記構成に加えて、上記スイッチＳ１，Ｓ２がオンからオフに切り換った過渡時に、蓄電セルＥ１（またはＥ２）から一次電流の供給を受けていたコイルＬ１（またはＬ２）に発生する自己誘導電流を、そのコイルＬ１（またはＬ２）に接続されていたセルＥ１（またはＥ２）とは別のセルＥ２（またはＥ１）を充電する通電経路で放電させる転流回路が設けられている。この転流回路は後述するように、第１，第２の逆流阻止ダイオードＤ１，Ｄ２を用いて構成されている。

逆流阻止ダイオードＤ１，Ｄ２はそれぞれ、２つのトランス・コイルＬ１，Ｌ２の間に跨って接続されている。第１のダイオードＤ１は、カソード極が第１のコイルＬ１とスイッチＳ１の間に接続され、アノード極が第２のセルＥ２の負極に接続されている。この場合。スイッチＳ１は、トランス・コイルＬ１の一方極（同相極）と第１のセルＥ１の正極との間に設置されている。また、コイルＬ１の他方極（逆相極）は第１のセルＥ１の負極に直接接続されている。

第２のダイオードＤ２は、アノード極が第２のコイルＬ２とスイッチＳ２の間に接続され、カソード極が第１のセルＥ１の正極に接続されている。この場合。スイッチＳ２は、トランス・コイルＬ２の逆相極と第２のセルＥ２の負極との間に設置されている。また、コイルＬ２の同相極は第２のセルＥ２の正極に直接接続されている。

上記により、第１のダイオードＤ１は、第１のコイルＬ１が一次電流の供給を受けたときに発生する自己誘導電流を第２のコイルＬ２側の蓄電セルＥ２に充電させる第１の放電回路２１を形成する。第２のダイオードＤ２は、第２のコイルＬ２が一次電流の供給を受けたときに発生する自己誘導電流を第１のコイルＬ１側の蓄電セルＥ１に充電させる第２の放電回路２２を形成する。

図２は、図１に示した回路の動作を示す。同図の（ａ）は、第１のセルＥ１の電圧が第２のセルＥ２よりも高くなった場合の動作を示す。この場合、スイッチＳ１，Ｓ２がオンになったときに、セルＥ１からスイッチＳ１を介してコイルＬ１に一次電流が供給される。この一次電流はコイルＬ２に二次電流として誘起され、スイッチＳ２を介して第２のセルＥ２に充電される。この充電により、両セルＥ１，Ｅ２の電圧が均等化される。

ここで、スイッチＳ１，Ｓ２がオンからオフに切り換ると、スイッチＳ１を介して一次電流が供給されていたコイルＬ１に自己誘導電流が発生する。この誘導電流は、同図の（ａ）に点線で示すように、コイルＬ１、第２のセルＥ２、ダイオードＤ１が形成する放電ループを流れる。これにより、コイルＬ１の自己誘導電流を逃がして、そのコイルＬ１に高圧の逆起電力が発生するのを抑制することができる。

このとき注目すべきことは、上記放電電流（リセット電流）は、第２のセルＥ２を充電する方向に流れることである。これにより、コイルＬ１にいったん蓄えられた電気エネルギーも無駄にされることなく、電圧均等化に有効利用される。

同図の（ｂ）は、上記とは反対に、第１のセルＥ１の電圧が第２のセルＥ２よりも低くなった場合の動作を示す。この場合、スイッチＳ１，Ｓ２がオンになったときに、セルＥ２からスイッチＳ２を介してコイルＬ２に一次電流が供給される。この一次電流はコイルＬ１に二次電流として誘起され、スイッチＳ１を介して第２のセルＥ２に充電される。この充電により、両セルＥ１，Ｅ２の電圧が均等化される。

スイッチＳ１，Ｓ２がオンからオフに切り換ると、スイッチＳ２を介して一次電流が供給されていたコイルＬ２に自己誘導電流が発生する。この誘導電流は、同図の（ｂ）に点線で示すように、コイルＬ２、第１のセルＥ１、ダイオードＤ２が形成する放電ループを流れる。これにより、コイルＬ２の自己誘導電流を逃がして、そのコイルＬ２に高圧の逆起電力が発生するのを抑制することができる。

そして、この場合も、上記ループを流れる電流（リセット電流）が第１のセルＥ１を充電する方向に流れることにより、コイルＬ２にいったん蓄えられた電気エネルギーが無駄にされることなく、電圧均等化に有効利用される。

以上のようにして、直列接続された複数の蓄電セルの電圧を、大きな電力損失をともなうことなく、急速かつ高効率に均等化させることができる
図３は本発明の第２実施形態を示す。上述した第１実施形態の回路では２直列の蓄電セルＥ１，Ｅ２に対して電圧均等化を行うが、この回路は、同図に示すように、任意の数（ｎ）を直列に積み重ねて使用することができる。

同図に示す回路では、それぞれ２ｎ個のコイルＬ１〜Ｌ２ｎ、スイッチＳ１〜Ｓ２ｎ、ダイオードＤ１〜Ｄ２ｎを使用して、２ｎ個の直列セルＥ１〜Ｅ２ｎの電圧均等化を行うようにしている。

図４は本発明の第３実施形態を示す。上述した実施形態では、２つトランス・コイルおよび蓄電セルを１対とし、１対ごとに第１および第２の放電回路２１，２２による転流回路が設置されていた。このため、電圧均等化の対象となる蓄電セルの直列接続数は偶数個（２ｎ）であった。

しかし、本発明は、同図に示すように、奇数個の直列セルＥ１〜Ｅ３にも適用可能である。同図に示す回路では３個のセルＥ１〜Ｅ３が直列接続されているが、対をなさないトランス・コイルＬ１および蓄電セルＥ１については、第１の放電回路２１だけが設置されている。

このため、蓄電セルＥ１では、Ｓ１〜Ｓ３がオフに切り換ったときの自己誘導電流による電圧均等化動作が半端になってリップル電流が多くなる傾向がある。この場合は、セルＥ１の充放電容量を他のセルＥ２，Ｅ３よりも大きくするか、あるいは図５に示すように、セルＥ１にキャパシタＣ１を並列付加することでリップル電流を減らすことができる。

図６は本発明の第４実施形態を示す。この実施形態は、コイルＬ１〜Ｌ２ｎが巻回される磁心１１に磁路ギャップ１２を設けたことを特徴とする。磁心１１に磁路ギャップ１２を設けた場合、磁気回路の透磁率が低下してコイルＬ１〜Ｌ２ｎのインダクタンスが低下する一方、磁気飽和が生じにくくなる。

これにより、コイルＬ１〜Ｌ２ｎには大きな励磁電流を流すことができるようになるが、このことは、Ｓ１〜Ｓ２ｎがオフしている期間での電圧均等化性能が高められることを意味する。

図７は本発明の第５実施形態の要部を示す。この実施形態はトランスＴ１に特徴がある。すなわち、この実施形態で使用するトランスＴ１は、同図に示すように、トランス・コイルＬ１〜Ｌ２ｎが、コイル数分の被膜導線を平行に並べてなるフラットケーブル帯３５を使用し、このフラットケーブル帯３５を折り曲げて形成した平面ループ体によって形成されている。また、同図に示すトランスＴ１では、ケーブル帯３５の折り曲げ回数を奇数回とすることで各コイルＬ１〜Ｌ２ｎの誘起電圧のバラツキを小さくすることができる。

フラットケーブル帯３５はプリント配線基板３１上に貼着された状態で平面ループ体を形成し、両端は基板３１に実装されたコネクタ端子３３，３４に接続されている。このトランスＴ１の基本的構成は、巻回されているコイルがすべて同一巻数であるということを除いて、特許文献２に開示されているものと同じである。

このトランスＴ１は、多数のコイルＬ１〜Ｌ２ｎ間でインダクタンス特性等を高精度に揃えることができるので、電圧均等化動作を高精度に行わせるのにとくに有効である。

図８は本発明の第６実施形態の要部を示す。この実施形態もトランスＴ１に特徴がある。すなわち、この実施形態で使用するトランスＴ１は、同図の（ａ）と（ｂ）にコイル部分だけ示すように、プリント配線基板３１の表裏に形成された導体パターン３６，３７をスルーホール配線３８で結線することにより複数の平面コイルＬ１〜Ｌ２ｎが形成されている。

このトランスＴ１も、その基本的構成は、巻回されているコイルがすべて同一巻数であるということを除いて、特許文献２に開示されているものと同じである。そして、このトランスＴ１も、スルーホールにより奇数回パターンを折り返し接続することにより、多数のコイルＬ１〜Ｌ２ｎ間でインダクタンス特性等を高精度に揃えることができるので、電圧均等化動作を高精度に行わせるのにとくに有効である。

図９は本発明の第７実施形態を示す。同図に示す実施形態では、多直列接続された蓄電セルＥ１〜Ｅ５の両端のセルＥ１，Ｅ２にだけそれぞれ、逆流阻止ダイオードＤ１，Ｄ５による放電ループ２１，２２が形成されている。

この場合、多直列の上端（ハイレベル側端）に設置されたダイオードＤ１による放電ループ２１は、スイッチＳ１がオンからオフに切り換ったときに生じるコイルＬ１のリセット電流を、その多直列セルＥ１〜Ｅ５のすべてを直列に充電しながら放電させるように形成されている。

同様に、多直列の下端（ロウレベル側端）に設置されたダイオードＤ２による放電ループ２２も、スイッチＳ５がオンからオフに切り換ったときに生じるコイルＬ５のリセット電流を、上記多直列セルＥ１〜Ｅ５のすべてを直列に充電しながら放電させるように形成されている。

この実施形態では、前述した実施形態と同様、セルＥ１〜Ｅ５ごとに設置されたトランス・コイルＬ１〜Ｌ５と連動スイッチＳ１〜Ｓ５による電圧均等化動作が行われる。これとともに、コイルＬ１，Ｌ５のリセット電流は多直列セルＥ１〜Ｅ５に直列に通電されることにより、そのリセット電圧すなわちコイルＬ１，Ｌ５の逆起電圧を高く設定することができる。

その逆起電圧（リセット電圧）が高いことによりコイルＬ１〜Ｌ５への通電時間率すなわちスイッチＳ１〜Ｓ５のオン時間率（デューティ）を高くすることが可能になる。したがって、この実施形態では、Ｓ１〜Ｓ５のオン時間率（デューティ）をたとえば５０％以上に高く設定することができる。これともない、各セルＥ１〜Ｅ５がスイッチＳ１〜Ｓ５を介してコイルＬ１〜Ｌ５に接続することにより行われる電圧均等化の動作期間が長くなって、電圧バランスの補正効果が高められるという利点が得られる。

図示の実施形態は５直列接続の例であったが、５直列以外の多直列でも同様である。また、この実施形態は直列数の偶数／奇数に関係なく適用可能である。さらに、たとえば数十〜数百あるいはそれ以上の多直列の場合は、適当な直列数ごとに分けて上記実施形態の技術を適用させればよい。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、上述した実施形態では、逆流阻止ダイオードＤ１〜Ｄ２ｎとして単純な２端子型非線形素子である整流ダイオードを用いているが、これは、ＭＯＳ−ＦＥＴ等を用いたスイッチング方式（同期式）の整流回路（等価ダイオード）に置き換えることが可能である。
特許第３６５８１６号

直列接続された複数の蓄電セルの電圧を、大きな電力損失をともなうことなく、急速かつ高効率に均等化させることができる。

本発明による電圧バランス回路の第１実施形態を示す回路図である。 図１に示した電圧バランス回路の動作を示す回路図である。 本発明による電圧バランス回路の第２実施形態を示す回路図である。 本発明による電圧バランス回路の第３実施形態を示す回路図である。 図４に示した電圧バランス回路の改良例を示す回路図である。 本発明による電圧バランス回路の第４実施形態を示す回路図である。 本発明の第５実施形態の要部となる部分を抽出して示す斜視図である。 本発明の第６実施形態の要部となる部分を抽出して示す平面図である。 本発明による電圧バランス回路の第７実施形態を示す回路図である。 従来の電圧バランス回路の第１構成例を示す回路図である。 従来の電圧バランス回路の第２構成例を示す回路図である。

符号の説明

Ｌ１〜Ｌ２ｎ トランス・コイル
Ｓ１〜Ｓ２ｎ スイッチ
Ｔ１ トランス
Ｅ１〜Ｅ２ｎ 蓄電セル
Ｄ１〜Ｄ２ｎ ダイオード
１１ 磁心
１２ 磁路ギャップ
２１ 第１の放電回路
２２ 第２の放電回路
３１ プリント配線基板
３３，３４ コネクタ端子
３５ フラットケーブル帯
３６，３７ 導体パターン
３８ スルーホール配線

Claims (9)

1. 直列接続された複数の蓄電セルと、同一磁心に同一巻数で巻回されて相互に１対１の変圧比をなす複数のトランス・コイルとを、互いに連動してオン・オフ動作するスイッチを介して１対１の対応で接続することにより、各セルの電圧を均等化させるようにした直列セルの電圧バランス回路において、
   上記スイッチがオンからオフに切り換った過渡時に、蓄電セルから一次電流の供給を受けていたコイルに発生する自己誘導電流を、そのコイルに接続されていたセルとは別のセルを充電する経路で放電させる転流回路を設け、
   前記転流回路は２つのトランス・コイルの間に接続された第１および第２の放電回路によって形成され、第１の放電回路は、一方のコイルが一次電流の供給を受けたときに発生する自己誘導電流を、逆流阻止ダイオードを介して他方のコイル側の蓄電セルに充電させるように構成され、第２の放電回路は、他方のコイルが一次電流の供給を受けたときに発生する自己誘導電流を、逆流阻止ダイオードを介して一方のコイル側の蓄電セルに充電させるように構成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
2. 請求項１において、前記第１の放電回路と前記第２の放電回路は、隣り合わせで直列接続されている２つの蓄電セルにそれぞれ前記スイッチを介して接続されているトランス・コイルの間に設けられていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
3. 請求項１または２において、前記転流回路は２つトランス・コイルおよび蓄電セルを１対とする単位で設置され、その対をなさないトランス・コイルおよび蓄電セルについては前記第１の放電回路または前記第２の放電回路のいずれか一方が設置されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
4. 請求項３において、対をなさない蓄電セルの充放電容量を他のセルよりも大きくしたことを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記トランス・コイルが巻回される磁心に磁路ギャップを設けたことを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記トランス・コイルは、コイル数分の被膜導線を平行に並べてなるフラットケーブル帯を使用し、このフラットケーブル帯を折り曲げて形成した平面ループ体によって形成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
7. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記トランス・コイルは、プリント配線基板の表裏に形成された導体パターンをスルーホール配線で結線することにより形成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
8. 請求項１、５〜７のいずれかにおいて、多直列接続された蓄電セルのハイレベル側端に設置されたトランス・コイル又はロウレベル側端に設置されたトランス・コイルに生じる自己誘導電流を、他に接続された複数の直列セルを充電しながら放出させる第１又は第２又はその双方の放電ループを設けたことを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、前記逆流阻止ダイオードは、２端子型非線形素子である整流ダイオードを用いて構成されていることを特徴とする直列セルの電圧バランス回路。

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