JP5171846B2 - 電荷均等化装置 - Google Patents

Description

本発明はバッテリーの電圧を均等化させる電荷均等化装置に係り、特に直列で連結されたバッテリーを一定大きさのモジュールに分け、モジュール内電荷均等化とモジュール間電荷均等化を同時に行い、電荷均等化性能を向上させ、回路のサイズを減らすことができる電荷均等化装置に関するものである。

多くのシステムは、直列で連結される複数のバッテリーセルを含むバッテリーパックまたはバッテリーアレイとして構成されるバッテリーを用いている。

このような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かあるいは定格充電範囲より低く放電される場合、危険になることがある。

そして、バッテリーセルの充電状態の不均衡はさまざまな原因で発生し、製造中にまたはバッテリーの充電または放電中に発生する。特に、リチウムイオンセルの場合、工場でのセルの製造は、バッテリーアレイのセル間の容量の差を最小化するように厳密に制御される。しかし、セルの不平衡または不一致は、最初に工場での製造後に一致していた状態にかかわらず、多くの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は、例えば、各セルの化学反応、セルのインピーダンス、自己放電の速度、容量減少、動作温度の変動とそれぞれのセル間の他の変動が含まれる。

セルの温度の不一致はセル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（ｓｅｌｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）”があるが、これはバッテリー温度の関数で
あり、高温のバッテリーが低温のバッテリーより通常高い自己放電率を表す。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に対する低充電状態を表す。

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。例えば、電気車両において典型的に発生し得るもので、バッテリーのエネルギー供給能力は最低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消耗されると、他のバッテリーセルはエネルギー供給を持続する能力を喪失する。これは、他のバッテリーセルがまだ電力を供給することができる能力があるとしても同じである。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。

もちろん、前述したものは、一つまたはそれ以上のバッテリーセルが消耗された場合に他のバッテリーセルによる電力供給がまったくできないというのではない。ただ、直列連結の場合、一つまたはそれ以上のバッテリーセルがまったく放電してしまっても、残りのバッテリーセルにまだ電荷が残っていたらそれでも続けて使用することができるが、そうなれば、放電が完了したバッテリーセルに反転極性の電圧が生じ、その結果、そのバッテリーセルが過熱するとかガスが発生して爆発してしまう危険性があるため電力供給能力を喪失するという意味である。

バッテリーセルの充電状態の不均衡を矯正するさまざまな方法が提案されており、その中で一方法が図１に示されている。

図１は従来技術による電荷均等化装置を示す図である。

図１を参照すれば、従来の電荷均等化装置は、変圧器Ｔ、制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ及び電圧検出及び駆動信号生成部１０を含む。

変圧器ＴはＮ個の１次巻線と１個の２次巻線でなり、Ｎ個の１次巻線が一つの共通コアに連結され、１次巻線と２次巻線は互いに異なる極性、つまり１次巻線のドット（ｄｏｔ）と２次巻線のドットは互いに異なるところに位置し、Ｎ個の１次巻線のそれぞれは同一巻線比を持ち、１次巻線と２次巻線はＮ１：Ｎ２の巻線比を持つ。

このような変圧器Ｔにおいて、Ｎ個の１次巻線のそれぞれは直列で連結されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎのそれぞれに並列で連結され、２次巻線と直列で連結されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの第１バッテリーＢとの間には、直列で連結されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎから２次巻線にエネルギーが供給されないように、ダイオードＤが連結される。

制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、変圧器Ｔの１次巻線の他端（ドットが形成されていない端子）とバッテリーＢ１〜Ｂｎの陰極（−）との間にそれぞれ連結されて、電圧検出及び駆動信号生成部１０から供給される駆動信号によって、バッテリーＢ１〜Ｂｎからのエネルギーが変圧器Ｔ１の１次巻線に供給されるように閉ループを形成する。

電圧検出及び駆動信号生成部１０は、直列で連結されたバッテリーＢ１〜Ｂｎの各電圧を検出し、検出された電圧を基準電圧と比較し、基準電圧より高い電圧で充電、つまり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。

このような従来の電荷均等化装置の電荷均等化方法を説明すれば次のようである。

まず、電圧検出及び駆動信号生成部１０が直列で連結されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの各電圧を検出する。

電圧検出結果、直列で連結されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎの間に電荷不均衡が発生すれば、電圧検出及び駆動信号生成部１０はすべての制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを同時にオンさせる。

すると、制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎがオンされた時間の間に電圧の高いバッテリーから電圧の低いバッテリーに自動で電荷が移動して電荷均等化がなされる。そして、制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎが同時にオフされると、すべての１次巻線の磁化誘電子（インダクタ）に保存されたエネルギーは２次側整流ダイオードＤを介して直列で連結されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎに再充電される。

このように、図１に示す電荷均等化装置は直列で連結されたＮ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎを構成するそれぞれのバッテリーの間の電圧差によって電荷が移動して電荷均等化がなされる。

しかし、リチウムイオンバッテリーの場合、それぞれのバッテリーの間にＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の差があると言っても、電圧差が非常に小さいため、電荷移動がほとんどできない欠点がある。これにより、従来の電荷均等化装置は、Ｎ個のリチウムイオンバッテリーが直列で連結される場合、バッテリーの電荷均等化特性が低下する問題がある。

また、従来の電荷均等化装置は、一つの共通コアにバッテリー数だけの１次巻線が連結されているため、バッテリーの数が増加すれば変圧器の製作が難しい問題がある。

そして、従来の電荷均等化装置は、変圧器の飽和を防ぐために、磁化電流の電流経路を提供するダイオードの電圧ストレスがバッテリーの数が増えるほど増加する欠点がある。

したがって、本発明は、電荷均等化特性を向上させ、変圧器の製作を容易にすることができる電荷均等化装置を提供しようとする。

また、本発明は、直列で連結されたバッテリーを一定大きさのモジュールに分け、モジュール内電荷均等化とモジュール間電荷均等化を同時になすことができる電荷均等化装置を提供しようとする。

本発明の一面によれば、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーが直列で連結されてＮ個のバッテリーモジュールに分けられ、それぞれのバッテリーモジュールが直列で連結されたＭ個のバッテリーで構成されるＭ＊Ｎ個のバッテリー電荷均等化装置において、それぞれのモジュール内に直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結されて前記直列で連結されたＭ個のバッテリーから電荷を受けて、過充電されたバッテリーは放電させ、低充電されたバッテリーは充電させることで、直列で連結されたＭ個のバッテリーの電荷を均等化させるＮ個のモジュール内電荷均等化部；前記Ｎ個のバッテリーモジュールに並列で連結され、前記Ｎ個のバッテリーモジュールの中で過充電されたバッテリーモジュールは放電させ、低充電されたバッテリーモジュールは充電させることで、前記Ｎ個のバッテリーモジュールの電荷を均等化させるモジュール間電荷均等化部；前記Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出し、検出された電圧の平均電圧を基準電圧に設定し、前記検出された電圧値と前記基準電圧を用いて駆動信号を生成し、前記生成された駆動信号を前記Ｎ個のモジュール内電荷均等化部及びモジュール間電荷均等化部に供給して前記Ｎ個のモジュール内電荷均等化部及びモジュール間電荷均等化部の駆動を制御する電圧検出及び駆動信号生成部；を含む電化均等化装置が提供される。

したがって、本発明は、直列で連結されたバッテリーをモジュールに分け、モジュール内電荷均等化とモジュール間電荷均等化を同時に成して全体電荷均等化を成すので、所望の電荷均等化性能を得ることができる。

また、本発明は、磁化電流を低充電されたバッテリーに誘導して付加の電荷均等化を成すことにより、電荷均等化性能を向上させることができる。

また、本発明は、モジュール内電荷均等化部とモジュール間電荷均等化部を分離してモジュール内電荷均等化とモジュール間電荷均等化を同時に進めることができるだけではなく独立的に行うことができる。

最後に、本発明は、磁化電流が直列で連結されたバッテリーの中で低充電されたバッテリーに充電されるので、モジュール間電荷均等化部内の変圧器の巻数比が１：１になって変圧器の製作が容易になる。

従来技術による電荷均等化装置を示す図である。 本発明の実施例による電荷均等化装置を示す図である。 図２に示す電圧検出及び駆動信号生成部を示す図である。 図２に示すモジュール内電荷均等化部における電荷均等化方法を示す図である。 図２に示すモジュール内電荷均等化部における電荷均等化方法を示す図である。 図２に示すモジュール間電荷均等化部における電荷均等化方法を示す図である。 図２に示す本発明の実施例による電荷均等化装置における磁化電流リセット方法を示す図である。 本発明の他の実施例による電荷均等化装置を示す図である。 図８に示す本発明の他の実施例による電荷均等化装置における磁化電流リセット方法を示す図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

図２は本発明の実施例による電荷均等化装置を示す図、図３は図２に示す電圧検出及び駆動信号生成部１２０を示す図である。

図２及び図３を参照すれば、本発明の実施例による電荷均等化装置は、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーが直列で連結されてＮ個のバッテリーモジュールに分けられ、それぞれのバッテリーモジュールが直列で連結されたＭ個のバッテリーで構成されるとき、直列で連結されたＭ個のバッテリーに並列で連結され、直列で連結されたＭ個のバッテリーから電荷を受け、過充電されたバッテリーは放電させ、低充電されたバッテリーは充電させることで、直列で連結されたＭ個のバッテリーの電荷を均等化させるＮ個のモジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎ、Ｎ個のバッテリーモジュールに並列で連結され、Ｎ個のバッテリーモジュールの中で過充電されたバッテリーモジュールは放電させ、低充電されたバッテリーモジュールは充電させて、Ｎ個のバッテリーモジュールの電荷を均等化させるモジュール間電荷均等化部１１０、及びＭ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出し、検出された電圧の平均電圧を基準電圧に設定し、検出された電圧と基準電圧を用いて駆動信号を生成し、生成された駆動信号をＮ個のモジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎ及びモジュール間電荷均等化部１１０に供給して、Ｎ個のモジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎ及びモジュール間電荷均等化部１１０の駆動を制御する電圧検出及び駆動信号生成部１２０を含む。

ここで、直列で連結されたＭ個のバッテリーはモジュール化されているので、バッテリーモジュールと名付けることができる。

Ｎ個のモジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎのそれぞれは直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で低充電されたバッテリーに供給して、直列で連結されたＭ個のバッテリーの電荷を均等化させるＭ個の第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍ、直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷を第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給するために、Ｍ個の第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線の一端（ドットが形成されている端子）と直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）との間に連結されたＭ個の充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍ、及び直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの２次巻線に供給されることを防止す
るために、第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの２次巻線の一端（ドットが形成されていない端子）と直列で連結されたＭ個のバッテリーのそれぞれの陽極（＋）との間に連結されたＭ個の半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍを含む。

Ｍ個の第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍのそれぞれは、バッテリーモジュールの中で第１基準電圧より高い電圧を持つバッテリー、つまり過充電されたバッテリーの電圧を第１基準電圧に低め、第１基準電圧より低い電圧を持つバッテリー、つまり低充電されたバッテリーの電圧を第１基準電圧に高めるために、直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結される。

ここで、第１基準電圧とは、バッテリーモジュール、つまり直列で連結されたＭ個のバッテリーの平均電圧を意味する。

このようなＭ個の第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍのそれぞれは、直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で低充電されたバッテリーに供給する第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍ、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線の一端と充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎとの間に連結された第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍ、及び直列で連結されたＭ個のバッテリーＢ１〜Ｂｎからの電荷を磁化電流として保存するために、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線の両端に連結された第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍで構成される。

これにより、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線の一端は第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍに連結され、他端（ドットが形成されていない端子）は共通に連結され、２次巻線の一端（ドットが形成されていない端子）は半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍのアノードに連結され、他端（ドットが形成されている端子）はバッテリーの陰極（−）にそれぞれ連結される。

このような第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍは、１次巻線と２次巻線の極性が互いに反対、つまり１次巻線に設置されたドット（ｄｏｔ）と２次巻線に設置されたドットの位置が互いに異なるフライバック（Ｆｌｙｂａｃｋ）形態に構成され、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍのそれぞれの１次巻線と２次巻線はＮ１：Ｎ２の巻線比を持つ。

ここで、第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍは、極性が異なる、つまり１次巻線と２次巻線に設置されたドットの位置が異なるフライバック形態が使用されたが、極性が同一である、つまり１次巻線と２次巻線に設置されたドットの位置が同一であるフォーワード（Ｆｏｒｗａｒｄ）形態が使用されることもできる。

第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍはそれぞれ第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線の両端に連結され、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍとモジュール間電荷均等化部１１０の内部に設置された再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎがオンされるとき、バッテリーモジュールから供給される電荷を磁化電流として保存することになる。

充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）と第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍとの間にそれぞれ連結され、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるハイ（ＨＩＧＨ）状態の第１駆動信号によってオンされて、バッテリーモジュールからの電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給されるように閉ループを形成する。

言い換えれば、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは電圧検出及び駆動信号生成部１２
０から供給されるハイ状態の第１駆動信号によってオンされて、直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に連結された第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍと第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍに供給されるように閉ループを形成する。

これにより、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍがオンされるとき、第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍには磁化電流が保存される。

また、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍは電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるロー（ＬＯＷ）状態の第２駆動信号によってオフされて、バッテリーモジュールから供給される電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給されることを防止する。

このような充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍには、直列で連結されたＭ個のバッテリーの中でもっと低い電圧値を持つバッテリーがもっと長い時間のうちに充電されるようにする状態の第１駆動信号がもっと長い時間のうちに供給され、相対的に高い電圧値を持つバッテリーはもっと短い時間のうちに充電されるようにする状態の第１駆動信号がもっと短い時間のうちに供給される。

すなわち、Ｍが３である場合、言い換えれば、一つのモジュールに三つのバッテリーが直列で連結されており、三つの中で第２バッテリーは過充電されており、残りのバッテリーが低充電されている場合、第１及び第３バッテリーの中でもっと高い電圧値を持つバッテリーセルにおいてはハイ状態の第１駆動信号が充放電制御スイッチにもっと短い時間のうちに供給され、二つの中でもっと低い電圧を持つバッテリーセルにおいてはハイ状態の第１駆動信号が充放電制御スイッチにもっと長い時間のうちに供給される。

このような充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、電気的に絶縁されており、両方向への電流の流れが可能なソリッドステートリレー（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｒｅｌａｙ）
が使用される。

半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍは第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの２次巻線の一端と直列で連結されたＭ個のバッテリーの陽極（＋）との間にそれぞれ連結されて、第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの２次巻線に供給されたエネルギーがバッテリーモジュールに供給されるときに整流する役目をする。

また、半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍは、バッテリーモジュールからの電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの２次巻線に供給されることを防止する。

このような半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄ１ｍはダイオードで構成されているが、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチング素子のいずれか１種で構成されることもできる。

モジュール間電荷均等化部１１０は、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの中で低充電されたバッテリーモジュールに供給して、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの電荷を均等化させるＮ個の第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎ、及びバッテリーモジュールからの電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線と第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの１次巻線に供給されるように閉ループを形成するために、第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線の他端（ドットが形成されていない端子）の共通端及び第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲ
ｎの１次巻線の他端とバッテリーモジュールの中で最後のバッテリーＢ１ｍ、Ｂ２ｍ、．．．、Ｂｎｍの陰極（−）との間にそれぞれ連結されたＮ個の再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎを含む。

第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎのそれぞれは、Ｎ個のバッテリーモジュールの中で過充電されたバッテリーモジュールの電圧を第２基準電圧に低め、低充電されたバッテリーモジュールの電圧を第２基準電圧に高めるために、バッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結される。

ここで、第２基準電圧とは、Ｎ個のバッテリーモジュールの平均電圧を意味する。

このような第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎのそれぞれは、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの中で低充電されたバッテリーモジュールに供給する第２トランスＴ１〜Ｔｎ、第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の一端（ドットが形成されている端子）とバッテリーモジュールの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）との間に連結されたＮ個の第３インダクタＬ３１〜Ｌ３ｎ、及び直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールからの電荷を磁化電流として保存するために、第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の両端の間に連結されたＮ個の第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎで構成される。

この際、第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の一端は第３インダクタＬ３１〜Ｌ３ｎに連結され、他端（ドットが形成されていない端子）はモジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎの内部に設置された第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線の他端の共通端及び再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎに連結され、２次巻線の一端（ドットが形成されない端子）は一端同士共通に連結され、他端（ドットが形成されている端子）は他端同士共通に連結される。

このような第２トランスＴ１〜Ｔｎは、１次巻線と２次巻線の極性が互いに反対、つまり１次巻線に設置されたドット（ｄｏｔ）と２次巻線に設置されたドットの位置が異なるフライバック（Ｆｌｙｂａｃｋ）形態に構成され、第２トランスＴ１〜Ｔｎのそれぞれの１次巻線と２次巻線は１：１、つまり同一巻線比を持つ。

ここで、第２トランスＴ１〜Ｔｎはフライバック形態が使用されたが、極性が同一である、つまり１次巻線と２次巻線に設置されたドットの位置が同一であるフォーワード（Ｆｏｒｗａｒｄ）形態が使用されることもできる。

第３インダクタＬ３１〜Ｌ３ｎはそれぞれ第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線とバッテリーモジュールの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）との間に連結され、第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎはそれぞれ第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の両端に連結される。

この際、第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎは、再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎがオンされるとき、Ｎ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を磁化電流として保存する役目をする。

再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎは第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの１次巻線の他端とバッテリーモジュールの中で最後のバッテリーＢ１ｍ、Ｂ２ｍ、．．．、Ｂｎｍの陰極（−）との間に連結され、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるハイ状態の第１駆動信号によってオンされて、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給さ
れる電荷が第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎ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ＣＳＷ１〜ＣＳＷｎは、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるハイ状態の第１駆動信号によってオンされて、バッテリーモジュールからの電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍ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、再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎは、モジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎがバッテリーモジュールの電圧を均等化させるようにするだけでなく、モジュール間電荷均等化部１１０がＮ個のバッテリーモジュールの電圧を均等化させるように動作する。

このような再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎはＮ型ＭＯＳＦＥＴで構成されたが、これに限定されず、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか１種で構成されることもできる。

また、再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎはモジュール間電荷均等化部１１０の内部に設置されているが、モジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎの内部に設置されることだけではなく、モジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎとモジュール間電荷均等化部１１０の外部に設置されることもできる。

電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出し、バッテリーモジュール、つまり直列で連結されたＭ個のバッテリーの平均電圧である第１基準電圧とＮ個のバッテリーモジュールの平均電圧である第２基準電圧を設定する。

その後、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を第１基準電圧または第２基準電圧と比較し、検出された電圧が第１基準電圧または第２基準電圧より高い場合、つまり過充電されている場合、過充電されたバッテリーは放電させ、検出された電圧が第１基準電圧または第２基準電圧より低い場合、つまり低充電されている場合、低充電されたバッテリーまたはバッテリーモジュールを充電させるための駆動信号を生成してモジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎとモジュール間電荷均等化部１１０に供給する。

これにより、モジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎとモジュール間電荷均等化部１１０は、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給される駆動信号によってモジュール内Ｍ個のバッテリーの電圧を均等化させるだけでなく、Ｎ個のバッテリーモジュールの電圧を均等化させる。

この際、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、ほぼすべての充放電制御スイッチがオンされた時点あるいはバッテリーの電荷均等化がほとんど完了する時点で任意の少数のバッテリーにだけ電荷が充電されるとき、低い時比率のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を持つ駆動信号を再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎに供給する。これは、現在充電されているバッテリーで電流が過度に流れることを防ぐために、直列で連結されたバッテリーで最初から少量の電荷を放電させるためである。

このような電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、図３に示すように、センシング部１２２、マイクロプロセッサ１２４、及びスイッチ駆動回路部１２６を含む。

センシング部１２２は、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーにそれぞれに連結されて、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出する。

マイクロプロセッサ１２４は、センシング部１２２によって検出されたＭ＊Ｎ個のバッテリーの中で直列で連結されたＭ個のバッテリー、つまりモジュール内バッテリーの平均電圧を第１基準電圧に設定し、Ｎ個のバッテリーモジュールの平均電圧を第２基準電圧に設定し、第１基準電圧または第２基準電圧とセンシング部１２２によって検出された電圧が第１基準電圧または第２基準電圧より高いか高くなるおそれがあると判断される場合、バッテリーまたはバッテリーモジュールを充／放電させるための充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍ及び再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎのオン／オフ時間を設定する。

スイッチ駆動回路部１２６は、マイクロプロセッサ１２４から入力される信号によって駆動信号を生成して充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍ及び再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎにそれぞれ供給する。

このような本発明の実施例による電荷均等化装置によるバッテリーモジュールの電荷均等化方法を図４及び図５に基づいて説明すれば次のようである。

ここで、本発明の実施例による電荷均等化装置は、直列で連結されたバッテリーに電気的充電装置または電気的負荷が連結されていない状態で、直列で連結されたバッテリーの電荷均等化を行うことを原則とするが、モジュール内電荷均等化部１００１〜１００ｎとモジュール間電荷均等化部１１０がバイパス回路（ｂｙｐａｓｓ ｃｉｒｃｕｉｔ）とし
て作用する程度に電流収容量が大きいか充電される電流や放電される電流の大きさが小さい場合には、直列で連結されたバッテリーに電気的充電装置または電気的負荷がかかっていても直列で連結されたバッテリーの電荷を均等化することができる。

まず、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、直列で連結されたＭ個のバッテリーの各電圧を検出する。

この際、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、直列で連結されたＭ個のバッテリー電圧、つまりＭ個のバッテリーが一つのモジュールで構成されたバッテリーモジュールの平均電圧を第１基準電圧に設定した後、検出された電圧と第１基準電圧を比較し、第１基準電圧より高いか高くなるおそれがあると判断される場合、直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で過充電されたバッテリーまたは過充電されようとするバッテリーは放電させ、第１基準電圧より低い電圧で低充電されたバッテリーは充電させるために、過充電されたバッテリーに並列で連結された第１変圧器の１次巻線に直列で連結された充放電制御スイッチにロー状態の第２駆動信号を供給し、低充電されたバッテリーに並列で連結された第１変圧器の１次巻線に直列で連結された充放電制御スイッチにハイ状態の第１駆動信号を供給する。

例えば、図４に示すように、直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で第１バッテリーが低充電されており、残りのバッテリーは過充電されている場合、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、第１充放電制御スイッチＳＷ１にハイ状態の第１駆動信号を供給して第１充放電制御スイッチＳＷ１をオンさせ、残りの充放電制御スイッチＳＷ２〜ＳＷｍはオフさせる。

また、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、ハイ状態の第１駆動信号を再分配スイッチＣＳＷ１に供給する。

これにより、図４に示すように、バッテリーモジュールからの電荷が第１充放電制御スイッチＳＷ１を介して、低充電された第１バッテリーＢ１に並列で連結された第１第１トランスＴ１１の１次巻線に供給される。この際、第２インダクタＬ２１にはバッテリーモジュールからの電流が磁化電流として保存される。

その後、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、再分配スイッチＣＳＷ１にロー状態の第２駆動信号を供給して再分配スイッチＣＳＷ１をオフさせる。

これにより、第２インダクタＬ２１に保存されたエネルギーは、図５に示すように、第１第１トランスＴ１１の１次巻線から２次巻線に伝達され、２次巻線に伝達されたエネルギーはダイオードＤ１によって電荷に変換されて低充電された第１バッテリーＢ１１に供給される。

これにより、低充電された第１バッテリーＢ１１は、２次巻線から供給される電荷を充電して、モジュール内の直列で連結されたＭ個のバッテリーすべての電荷均等化を成すことになる。

このような構成の電荷均等化装置によるそれぞれのモジュール間電荷均等化方法を図６及び図７に基づいて説明する。

例えば、図６に示すように、ＭとＮが２である場合、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、ロー状態の第２駆動信号を各モジュール内電荷均等化部内にある第１充放電制御スイッチＳＷ１及び第２充放電制御スイッチＳＷ２に供給して第１充放電制御スイッチＳＷ１及び第２充放電制御スイッチＳＷ２をオフさせる。

その後、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、二つのバッテリーモジュールの各電圧を検出した後、二つのバッテリーモジュールの平均電圧を第２基準電圧に設定する。

第２基準電圧を設定した後、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、検出された二つのバッテリーモジュールの中で第２基準電圧より高い電圧で過充電されたバッテリーモジュールを放電させ、第２基準電圧より低い電圧で低充電されたバッテリーモジュールを充電させるために、ハイ状態の第１駆動信号を第１再分配スイッチＣＳＷ１及び第２再分配スイッチＣＳＷ２に供給して第１再分配スイッチＣＳＷ１及び第２再分配スイッチＣＳＷ２をオンさせる。

これにより、第１再分配スイッチＣＳＷ１は、第１バッテリーモジュールＢ１１、Ｂ１２の電圧が第２トランスＴ１の１次巻線に供給されるように閉ループを形成し、第２再分配スイッチＣＳＷ２は、第２バッテリーモジュールＢ２１、Ｂ２２の電圧が第２トランスＴ２の１次巻線に供給されるように閉ループを形成する。

この際、第２トランスＴ１、Ｔ２の１次巻線に印加された電圧はそれぞれ２次巻線に誘導される。

しかし、第１バッテリーモジュールＢ１１、Ｂ１２の電圧が第２バッテリーモジュールＢ２１、Ｂ２２の電圧より低い場合には、第２トランスＴ１、Ｔ２の２次巻線が並列で連結されているので、第１バッテリーモジュールＢ１１、Ｂ１２と第２バッテリーモジュールＢ２１、Ｂ２２の電圧差によって電流の移動が生じることになる。

これにより、第２バッテリーモジュールＢ２１、Ｂ２２から第１バッテリーモジュールＢ１１、Ｂ１２に電荷が移動して第１バッテリーモジュールＢ１１、Ｂ１２と第２バッテリーモジュールＢ２１、Ｂ２２の電圧が均等化することになる。

以上の説明においては電圧検出及び駆動信号生成部１２０が第１基準電圧と第２基準電圧を別に設定するものとして説明したが、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、第１基
準電圧のみでもモジュール内電荷均等化及びモジュール間電荷均等化を行うための駆動信号を生成することができる。

すなわち、モジュール間電荷均等化の際、電圧検出及び駆動信号生成部１２０はＮ個のバッテリーモジュールの電圧を検出せず、再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎをオンさせてモジュール間電荷均等化を行うことができる。

以上説明した本発明の実施例による電荷均等化装置の電荷均等化方法においては、モジュール内電荷均等化とモジュール間電荷均等化を別に説明したが、モジュール内電荷均等化部とモジュール間電荷均等化部は同時にモジュール内電荷均等化及びモジュール間電荷均等化を行うことになる。

参考として、モジュール間電荷均等化部１１０が駆動するうち、第４インダクタＬ４１、Ｌ４２のリセットは低充電バッテリーモジュールの任意の低充電バッテリーによってなされる。

例えば、図７において、第１再分配スイッチＣＳＷ１と第２再分配スイッチＣＳＷ２が同時にオンされてからオフされると、第１モジュールの第１バッテリーセルの１次側電圧がモジュール間の第２トランスＴ１、Ｔ２の１次側電圧に印加されることにより磁化電流がリセットされるので、本発明の実施例による電荷均等化装置は、従来の電荷均等化装置で使用されたダイオードを除去することができることになる。

さらに、第４インダクタＬ４１、Ｌ４２に流れる磁化電流は低充電されたバッテリーに並列で連結された第１トランスの１次巻線と両方向スイッチである充放電制御スイッチを介して低充電されたバッテリーに流れることになって、電荷充電時間が短縮される効果も得ることができることになる。

また、本発明の実施例による電荷均等化装置は、リセット電流が低充電バッテリーに流れて入るため、変圧器の巻数比が１：１になるので、変圧器の製作が容易になる。

図８は本発明の他の実施例による電荷均等化装置を示す図である。

図８を参照すれば、本発明の他の実施例による電荷均等化装置は、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーが直列で連結されてＮ個のモジュールに分けられ、それぞれのモジュールが直列で連結されたＭ個のバッテリーで構成されるとき、直列で連結されたＭ個のバッテリーに並列で連結され、直列で連結されたＭ個のバッテリーから電荷を受け、過充電されたバッテリーは放電させ、低充電されたバッテリーは充電させることで、直列で連結されたＭ個のバッテリーの電荷を均等化させるＮ個のモジュール内電荷均等化部２００１〜２００ｎ、Ｎ個のバッテリーモジュールに並列で連結され、Ｎ個のバッテリーモジュールの中で過充電されたバッテリーモジュールは放電させ、低充電されたバッテリーモジュールは充電させることで、Ｎ個のバッテリーモジュールの電荷を均等化させるモジュール間電荷均等化部２１０、及びＭ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出し、検出された電圧の平均電圧を基準電圧に設定し、検出された電圧と基準電圧を用いて駆動信号を生成し、生成された駆動信号をＮ個のモジュール内電荷均等化部２００１〜２００ｎ及びモジュール間電荷均等化部２１０に供給してＮ個のモジュール内電荷均等化部２００１〜２００ｎ及びモジュール間電荷均等化部２１０の駆動を制御する電圧検出及び駆動信号生成部１２０を含む。

ここで、直列で連結されたＭ個のバッテリーはモジュール化されているので、バッテリーモジュールと名付けることができる。

Ｎ個のモジュール内電荷均等化部２００１〜２００ｎのそれぞれは、直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で低充電されたバッテリーに供給して直列で連結されたＭ個のバッテリーの電荷を均等化させるＭ個の第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍ、直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷を第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給するために、Ｍ個の第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線の一端（ドットが形成されている端子）と直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）との間に連結されたＭ個の充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍ、直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷が第１変圧器の２次巻線に供給されることを防止するために、第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの２次巻線の一端（ドットが形成されていない端子）と直列で連結されたＭ個のバッテリーのそれぞれの陽極（＋）との間に連結されたＭ個の第１半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍ、及びバッテリーモジュールからの電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給されるように閉ループを形成するために、第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線の他端（ドットが形成されていない端子）の共通端とバッテリーモジュールの中で最後のバッテリーＢ１ｍ、Ｂ２ｍ、．．．、Ｂｎｍの陰極（−）との間にそれぞれ連結されたＮ個の第１再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎを含む。

第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍのそれぞれは、バッテリーモジュールの中で第１基準電圧より高い電圧を持つバッテリー、つまり過充電されたバッテリーの電圧を第１基準電圧に低め、第１基準電圧より低い電圧を持つバッテリー、つまり低充電されたバッテリーの電圧を第１基準電圧に高めるために、直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結される。

ここで、第１基準電圧とは、バッテリーモジュール、つまり直列で連結されたＭ個のバッテリーの平均電圧を意味する。

このようなＭ個の第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲｍのそれぞれは、直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で低充電されたバッテリーに供給する第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍ、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線の一端と充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎとの間に連結された第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍ、及び直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷を磁化電流として保存するために、第１トランスＴ１１の１次巻線の両端に連結された第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍで構成される。

この際、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線の一端は第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍに連結され、他端（ドットが形成されていない端子）は共通に連結されて第１再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷの一端に連結され、２次巻線の一端（ドットが形成されていない端子）は半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍのアノードに連結され、他端（ドットが形成されている端子）はバッテリーの陰極（−）にそれぞれ連結される。

このような第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍは、１次巻線と２次巻線の極性が互いに反対、つまり１次巻線に設置されたドット（ｄｏｔ）と２次巻線に設置されたドットの位置が異なるフライバック（Ｆｌｙｂａｃｋ）形態に構成され、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍのそれぞれの１次巻線と２次巻線はＮ１：Ｎ２の巻線比を持つ。

ここで、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍはフライバック形態が使用されたが、極性が同一である、つまり１次巻線と２次巻線に設置されたドットの位置が同一であるフォーワード（Ｆｏｒｗａｒｄ）形態が使用されることもできる。

第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍは第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線と充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍとの間に連結され、第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍは第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線の両端にそれぞれ連結される。

この際、第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍは、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍと第１再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎがオンされるとき、バッテリーモジュールから供給される電荷を磁化電流として保存することになる。

充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）と第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍとの間にそれぞれ連結され、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるハイ（ＨＩＧＨ）状態の第１駆動信号によってオンされて、バッテリーモジュールからの電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給されるように閉ループを形成する。

言い換えれば、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるハイ状態の第１駆動信号によってオンされて、直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷が第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの１次巻線に連結された第１インダクタＬ１１〜Ｌ１ｍと第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍに供給されるように閉ループを形成する。

これにより、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍがオンされるとき、第２インダクタＬ２１〜Ｌ２ｍには磁化電流が保存される。

また、充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍは電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるロー（ＬＯＷ）状態の第２駆動信号によってオフされて、バッテリーモジュールから供給される電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給されることを防止する。

このような充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍには、直列で連結されたＭ個のバッテリーの中でもっと低い電圧値を持つバッテリーがもっと長い時間のうちに充電されるようにする状態の第１駆動信号がもっと長い時間のうちに供給され、相対的に高い電圧値を持つバッテリーがもっと短い時間のうちに充電されるようにする状態の第１駆動信号がもっと短い時間のうちに供給される。

すなわち、Ｍが３である場合、言い換えれば、一つのモジュールに三つのバッテリーが直列で連結されており、三つの中で第２バッテリーは過充電されており、残りのバッテリーが低充電されている場合、第１及び第３バッテリーの中でもっと高い電圧値を持つバッテリーセルにおいては、ハイ状態の第１駆動信号が充放電制御スイッチにもっと短い時間のうちに供給され、二つの中でもっと低い電圧値を持つバッテリーセルにおいては、ハイ状態の第１駆動信号が充放電制御スイッチにもっと長い時間のうちに供給される。

このような充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、電気的に絶縁されており、両方向への電流の流れが可能なソリッドステートリレーが使用される。

第１半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍは第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの２次巻線の一端と直列で連結されたＭ個のバッテリーの陽極（＋）との間にそれぞれ連結されて、第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの２次巻線に供給されたエネルギーがバッテリーモジュールに供給されるとき、整流する役目をする。

また、第１半導体スイッチング素子Ｄ１〜Ｄｍは、バッテリーモジュールからの電荷が第１トランスＴ１１〜Ｔ１ｍの２次巻線に供給されることを防止する。

このような第１半導体スイッチング素子Ｄ１１〜Ｄ１ｍはダイオードで構成されているが、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチング素子のいずれか１種で構成されることもできる。

第１再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎは第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線の他端の共通端とバッテリーモジュールの中で最後のバッテリーＢ１ｍ、Ｂ２ｍ、．．．、Ｂｎｍの陰極（−）との間に連結され、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるハイ状態の第１駆動信号によってオンされて、直列で連結されたＭ個のバッテリー、つまりバッテリーモジュールから供給される電荷が第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線に供給されるように閉ループを形成する。

このような第１再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎはＮ型ＭＯＳＦＥＴで構成されたが、これに限定されず、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか１種で構成されることもできる。

モジュール間電荷均等化部２１０は、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの中で低充電されたバッテリーモジュールに供給して直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの電荷を均等化させるＮ個の第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎ、バッテリーモジュールからの電荷が第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの１次巻線に供給されるように閉ループを形成するために、第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの１次巻線の他端とバッテリーモジュールの中で最後のバッテリーＢ１ｍ、Ｂ２ｍ、．．．、Ｂｎｍの陰極（−）との間にそれぞれ連結されたＮ個の第２再分配スイッチＣＳＷ１１〜ＣＳＷ１ｎ、及び第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎの磁化電流を直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの中で低充電されたバッテリーで供給するために、直列で連結されたＭ＊Ｎ個のバッテリーの中で第１バッテリーＢ１１の陽極（＋）と第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの２次巻線の一端の共通端との間に連結された第２半導体スイッチング素子Ｄで構成される。

第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎのそれぞれは、Ｎ個のバッテリーモジュールの中で過充電されたバッテリーモジュールの電圧を第２基準電圧に低め、低充電されたバッテリーモジュールの電圧を第２基準電圧に高めるために、バッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結される。

ここで、第２基準電圧とは、Ｎ個のバッテリーモジュールの平均電圧を意味する。

このようなＮ個の第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎは、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結され、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの中で低充電されたバッテリーモジュールに供給する第２トランスＴ１〜Ｔｎ、第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の一端（ドットが形成されている端子）とバッテリーモジュールの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）との間に連結された第３インダクタＬ３１〜Ｌ３ｎ、及び直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールからの電荷を磁化電流として保存するために、第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の両端の間に連結された第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎで構成される。

これにより、第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の一端は第３インダクタＬ３１〜Ｌ３
ｎに連結され、他端（ドットが形成されていない端子）はモジュール内電荷均等化部２００１〜２００ｎの内部に設置された第１変圧器ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍの１次巻線の他端の共通端及び第２再分配スイッチＣＳＷ１１〜ＣＳＷ１ｎに連結され、２次巻線の一端（ドットが形成されない端子）は共通に連結され、他端（ドットが形成されている端子）は接地（ＧＮＤ）に連結される。

このような第２トランスＴ１〜Ｔｎは１次巻線と２次巻線の極性が互いに反対、つまり１次巻線に設置されたドット（ｄｏｔ）と２次巻線に設置されたドットの位置が異なるフライバック（Ｆｌｙｂａｃｋ）形態に構成され、第２トランスＴ１〜Ｔｎのそれぞれの１次巻線と２次巻線は１：Ｎの巻線比を持つ。

ここで、第２トランスＴ１〜Ｔｎはフライバック形態が使用されたが、極性が同一である、つまり１次巻線と２次巻線に設置されたドットの位置が同一であるフォーワード（Ｆｏｒｗａｒｄ）形態が使用されることもできる。

第３インダクタＬ３１〜Ｌ３ｎはそれぞれ第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線とバッテリーモジュールの中で第１バッテリーＢ１１、Ｂ２１、．．．、Ｂｎ１の陽極（＋）との間に連結され、第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎはそれぞれ第２トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線の両端に連結される。

この際、第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎは、第２再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎがオンされるとき、Ｎ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を磁化電流として保存する。

第２再分配スイッチＣＳＷ１１〜ＣＳＷ１ｎは第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの２次巻線の他端とバッテリーモジュールの中で最後のバッテリーＢ１ｍ、Ｂ２ｍ、．．．、Ｂｎｍの陰極（−）との間に連結され、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給されるハイ状態の第１駆動信号によってオンされて、直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給される電荷が第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの１次巻線に供給されるとともに電圧が相対的に高いバッテリーモジュールから電圧が相対的に低いバッテリーモジュールに電荷が移動するように閉ループを形成する。

このような第２再分配スイッチＣＳＷ１１〜ＣＳＷ１ｎはＮ型ＭＯＳＦＥＴで構成されたが、これに限定されず、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチ素子のいずれか１種で構成されることもできる。

第２半導体スイッチング素子Ｄは直列で連結されたＭ＊Ｎ個のバッテリーの中で第１バッテリーＢ１１の陽極（＋）と第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの２次巻線の一端の共通端との間に連結されて、直列で連結されたＭ＊Ｎ個のバッテリーからの電荷が第２変圧器ＴＲ１〜ＴＲｎの２次巻線に供給されることを防止し、第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎの磁化電流が直列で連結されたＭ＊Ｎ個のバッテリーに再充電されるようにする。

このような第２半導体スイッチング素子Ｄはダイオードで構成されているが、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーなどのスイッチング素子のいずれか１種で構成されることもできる。

電圧検出及び駆動信号生成部１２０はＭ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出して、バッテリーモジュール、つまり直列で連結されたＭ個のバッテリーの平均電圧である第１基準電圧とＮ個のバッテリーモジュールの平均電圧である第２基準電圧を設定する。

その後、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を第１基準電圧または第２基準電圧と比較し、検出された電圧が第１基準電圧または第２基準電圧より高い場合、つまり過充電されている場合、過充電されたバッテリーは放電させ、検出された電圧が第１基準電圧または第２基準電圧より低い場合、つまり低充電されている場合、低充電されたバッテリーまたはバッテリーモジュールを充電させるための駆動信号を生成してモジュール内電荷均等化部２００１〜２００ｎとモジュール間電荷均等化部２１０に供給する。

これにより、モジュール内電荷均等化部２００１〜２００ｎとモジュール間電荷均等化部２１０は、電圧検出及び駆動信号生成部１２０から供給される駆動信号によってバッテリーモジュールの電圧を均等化させるだけでなく、Ｎ個のバッテリーモジュールの電圧を均等化させる。

この際、電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、ほぼすべての充放電制御スイッチがオンされた時点あるいはバッテリーの電荷均等化がほとんど完了する時点で任意の少数のバッテリーにだけ電荷が充電されるとき、低い時比率のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を持つ駆動信号を再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎに供給する。これは、現在充電されているバッテリーで電流が過度に流れることを防ぐために、直列で連結されたバッテリーで最初から少量の電荷を放電させるためである。

このような電圧検出及び駆動信号生成部１２０は、図３に示すように、センシング部１２２、マイクロプロセッサ１２４、及びスイッチ駆動回路部１２６を含む。

センシング部１２２はＭ＊Ｎ個のバッテリーにそれぞれに連結され、Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出する。

マイクロプロセッサ１２４は、センシング部１２２によって検出されたＭ＊Ｎ個のバッテリーの中で直列で連結されたＭ個のバッテリー、つまりバッテリーモジュールの平均電圧を第１基準電圧に設定し、Ｎ個のバッテリーモジュールの平均電圧を第２基準電圧に設定し、第１基準電圧または第２基準電圧とセンシング部１２２によって検出された電圧が第１基準電圧または第２基準電圧より高いか高くなるおそれがあると判断される場合、バッテリーまたはバッテリーモジュールを充／放電させるための充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍ、第１再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎ及び第２再分配スイッチＣＳＷ１１〜ＣＳＷ１ｎのオン／オフ時間を設定する。

スイッチ駆動回路部１２６は、マイクロプロセッサ１２４から入力される信号によって駆動信号を生成して充放電制御スイッチＳＷ１〜ＳＷｍ、第１再分配スイッチＣＳＷ１〜ＣＳＷｎ及び第２再分配スイッチＣＳＷ１１〜ＣＳＷ１ｎにそれぞれ供給する。

このような本発明の他の実施例による電荷均等化装置によるモジュール内電荷均等化方法及びモジュール間電荷均等化方法は本発明の以前の実施例による電荷均等化装置による電荷均等化方法と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

ただ、本発明の他の実施例による電荷均等化装置は、図９に示すように、第４インダクタＬ４１〜Ｌ４ｎに保存された磁化電流を第２半導体スイッチング素子Ｄを介して、直列で連結されたＭ＊Ｎ個のバッテリーに供給して磁化電流をリセットさせる。

また、本発明の他の実施例による電荷均等化装置は、モジュール内バッテリーの電荷を均等化させた後、モジュール間バッテリーの電荷を均等化させるか、モジュール内バッテリーの電荷均等化とモジュール間バッテリーの電荷均等化を同時になすことができる。

１０、１２０：電圧検出及び駆動信号生成部
１００１〜１００ｎ、２００１〜２００ｎ：モジュール内電荷均等化部
１１０、２１０：モジュール間電荷均等化部 １２２：センシング部
１２４：マイクロプロセッサ １２６：スイッチ駆動回路部

Claims (19)

1. Ｍ＊Ｎ個のバッテリーが直列で連結されてＮ個のバッテリーモジュールに分けられ、それぞれのバッテリーモジュールが直列で連結されたＭ個のバッテリーで構成されるＭ＊Ｎ個のバッテリー電荷均等化装置において、
   それぞれのモジュール内に直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結され、前記直列で連結されたＭ個のバッテリーから電荷を受け、過充電されたバッテリーは放電させ、低充電されたバッテリーは充電させることで、直列で連結されたＭ個のバッテリーの電荷を均等化させるＮ個のモジュール内電荷均等化部；
   前記Ｎ個のバッテリーモジュールに並列で連結され、前記Ｎ個のバッテリーモジュールの中で過充電されたバッテリーモジュールは放電させ、低充電されたバッテリーモジュールは充電させることで、前記Ｎ個のバッテリーモジュールの電荷を均等化させるモジュール間電荷均等化部；及び
   前記Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出し、検出された電圧の平均電圧を基準電圧に設定し、前記検出された電圧値と前記基準電圧を用いて駆動信号を生成し、前記生成された駆動信号を前記Ｎ個のモジュール内電荷均等化部及びモジュール間電荷均等化部に供給して前記Ｎ個のモジュール内電荷均等化部及びモジュール間電荷均等化部の駆動を制御する電圧検出及び駆動信号生成部；を含み、
   前記Ｎ個のモジュール内電化均等化部は、
   前記直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結され、前記直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で低充電されたバッテリーに供給して直列で連結されたＭ個のバッテリーの電荷を均等化させるＭ個の第１変圧器；
   前記直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷を前記第１変圧器の１次巻線に供給するために、前記第１変圧器の１次巻線の一端と直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で第１バッテリーの陽極との間にそれぞれ連結されたＭ個の充放電制御スイッチ；及び
   前記直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷が前記第１変圧器の２次巻線に供給されることを防止するために、前記第１変圧器の２次巻線の一端と直列で連結されたＭ個のバッテリーのそれぞれの陽極との間に連結されたＭ個の第１半導体スイッチング素子；
   を含むことを特徴とする電荷均等化装置。
2. 前記第１変圧器は、
   前記直列で連結されたＭ個のバッテリーにそれぞれ並列で連結され、前記直列で連結されたＭ個のバッテリーから供給される電荷を保存し、保存された電荷を直列で連結されたＭ個のバッテリーの中で低充電されたバッテリーに供給する第１トランス；
   前記第１トランスの１次巻線の一端と前記充放電制御スイッチとの間に連結された第１インダクタ；及び
   前記直列で連結されたＭ個のバッテリーからの電荷を磁化電流として保存するために、前記第１トランスの両端の間に連結された第２インダクタ；を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電荷均等化装置。
3. 前記充放電制御スイッチは、両方向スイッチ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。
4. 前記充放電制御スイッチは、ソリッドステートリレー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変圧器の１次巻線と２次巻線の巻線比はＮ１：Ｎ２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。
6. 前記第１変圧器は、１次巻線に設置されたドットの位置と２次巻線に設置されたドットの位置が異な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. 前記第１変圧器は、１次巻線に設置されたドットの位置と２次巻線に設置されたドットの位置が同一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。
8. 前記モジュール間電荷均等化部は、
   直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結され、前記直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を保存し、保存された電荷を前記直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの中で低充電されたバッテリーモジュールに供給して直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの電荷を均等化させるＮ個の第２変圧器；及び
   前記バッテリーモジュールからの電荷が前記第１変圧器の１次巻線と前記第２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ために、前記第２変圧器の１次巻線の他端とバッテリーモジュールの中で最後のバッテリーの陰極との間にそれぞれ連結されたＮ個の第１再分配スイッチ；を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電荷均等化装置。
9. 前記第２変圧器は、
   直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールにそれぞれ並列で連結され、前記直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールから供給される電荷を保存し、保存された電荷を前記直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールの中で低充電されたバッテリーモジュールに供給する第２トランス；
   前記第２トランスの１次巻線の一端とバッテリーモジュールの中で第１バッテリーの陽極との間にそれぞれ連結された第３インダクタ；及び
   前記直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールからの電荷を磁化電流として保存するために、前記第２トランスの１次巻線の両端の間に連結された第４インダクタ；を含むことを特徴とする、請求項８に記載の電荷均等化装置。
10. 前記第２変圧器の１次巻線と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８に記載の電荷均等化装置。
11. 前記第２変圧器は、１次巻線に設置されたドットの位置と２次巻線に設置されたドットの位置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。
12. 前記第１変圧器は、１次巻線に設置されたドットの位置と２次巻線に設置されたドットの位置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。
13. 前記モジュール内電荷均等化部は、前記バッテリーモジュールからの電荷が前記第１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ために、前記第１変圧器の１次巻線共通端と前記バッテリーモジュールの中で最後のバッテリーの陰極との間にそれぞれ連結されたＮ個の第２再分配スイッチをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の電荷均等化装置。
14. 前記モジュール間電荷均等化部は、第４インダクタの磁化電流を前記直列で連結されたＮ個のバッテリーモジュールに供給するために、直列で連結されたＭ＊Ｎ個のバッテリーの中で第１バッテリーの陽極と前記第２変圧器の２次巻線の一端の共通端との間に連結された第２半導体スイッチング素子さらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載の電荷均等化装置。
15. 前記第１再分配スイッチ及び第２再分配スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレーのいずれか１種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。
16. 前記第１再分配スイッチ及び第２再分配スイッチは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ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. 前記第１半導体スイッチング素子及び第２半導体スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、リレー、ダイオードのいずれか１種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。
18. 前記第１半導体スイッチング素子及び第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１７に記載の電荷均等化装置。
19. 前記電圧検出及び駆動信号生成部は、
    Ｍ＊Ｎ個のバッテリーの各電圧を検出するセンシング部；
    前記センシング部で検出された電圧の平均電圧を基準電圧に設定し、前記基準電圧と前記センシング部によって検出された電圧値によって前記充放電制御スイッチ及び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；及び
    前記マイクロプロセッサから入力される信号によって前記充放電制御スイッチ及び再分配スイッチを駆動させるための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１に記載の電荷均等化装置。

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