JP5394919B2

JP5394919B2 - 多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置

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Publication number: JP5394919B2
Application number: JP2009515302A
Authority: JP
Inventors: ジョンクンオ; ジュンフィイ; スウヨップジャン; コンウムン; ゾンウンキム; ホンソンパク
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2027-06-12
Also published as: EP2036186A4; CN101467324A; US20090322155A1; US7939965B2; WO2007145460A1; EP2036186A1; CN101467324B; KR20070119433A; KR101188944B1; JP2009540793A; EP2036186B1

Description

本発明は、直列接続バッテリーセルの電荷均等化装置に係り、より詳しくは、直列に接続されたバッテリーセルを変圧器の１次巻線に並列に接続し、１次巻線の電流流れを制御するためのスイッチを１次巻線に直列に接続し、１次巻線に対応する複数の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置に関する。

多数のシステムは、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（ｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ）またはバッテリーアレイ（ｂａｔｔｅｒｙａｒｒａｙ）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に、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。

もし直列接続バッテリー中の一つ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。

これまで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、従来の技術に係る電流切替を用いた直列接続バッテリーセルの電荷均等化装置の構成図である。

図１を参照すると、複数のバッテリーセルＢ１〜ＢＮが直列に接続されており、それぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮには変圧器Ｔの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎが並列に接続されている。１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１ＮのそれぞれにはスイッチＳ１〜ＳＮが直列に接続されており、直列に接続された複数のバッテリーセルＢ１〜ＢＮには変圧器Ｔの２次巻線Ｍ２が並列に接続されている。ここで、全ての１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎは一つの共通コアに巻き付けられている。

変圧器Ｔの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎは全て同一の巻線数と同一の極性を持っており、変圧器Ｔの２次巻線Ｍ２は１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎと極性が反対であり、整流ダイオードＤが直列に接続されており、整流ダイオードＤの陰極は直列接続バッテリーＢ１〜ＢＮの陽極に接続されており、整流ダイオードＤの陰極から流出した電流は直列接続されたバッテリーセルＢ１〜ＢＮの陽極に流れ込む。

そして、電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部１００は、それぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮの陽端の電圧をセンシングし、定められた方式でスイッチＳ１〜ＳＮをオン／オフさせる。

具体的に、電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部１００は、それぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧をセンシングし、特定のバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧が所定の電圧より高い場合、当該スイッチＳ１〜ＳＮを駆動させてバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電荷を放電させる。ここで、放電した電荷は、変圧器Ｔで磁気エネルギーに変換されて流れ、相対的に電位の低いバッテリーセルＢ１〜ＢＮと出会えば、さらに電荷に変換されて当該バッテリーセルＢ１〜ＢＮに流れ込む。この際、相対的にさらに低い電位のバッテリーセルＢ１〜ＢＮにさらに多量の電荷が流れ込むことにより、電荷均等化がなされる。

ところが、前述した従来の技術によれば、一つの共通コアにバッテリーセルの数に相当する複数の１次巻線を巻き付けなければならないため、直列接続されたバッテリーセルの数が増加すると、変圧器の製作に難しさが発生するという問題点があった。

また、従来の技術では、変圧器の飽和（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）を防ぐために、スイッチがオフされる間に、直列接続されたバッテリーセルの電圧を１次巻線に印加するが、この際、２次巻線の１次巻線に対する巻線比がＮ（直列接続されたバッテリーの数）になって、バッテリーセルの数が増加するほど変圧器の２次巻線の製作に難しさがある。

そこで、本発明は、かかる問題点を解決するためのに案出されたもので、その目的は、バッテリーセルの数に相当する複数の変圧器を使用し、それぞれの変圧器の１次巻線にバッテリーセルを並列に接続し、全ての２次巻線を並列接続することにより、既存の電流切替器の優れた電荷均等化性能を維持しながら変圧器の製作を容易にする電荷均等化装置を提供することにある。

また、本発明は、バッテリーセルの数に相当する数だけの変圧器を用いて空間配置の面で設計の柔軟性を持つことができるようにする、電荷均等化装置を提供することを目的と
する。

本発明のある観点によれば、１次巻線と２次巻線がそれぞれ巻き付けられており、前記１次巻線がバッテリーセルに並列に接続されており、前記２次巻線が互いに並列に接続されている複数の変圧器と、前記複数の変圧器の前記１次巻線のそれぞれに直列に接続され、前記１次巻線の第１方向と第２方向の電流流れを制御する複数の第１スイッチと、互いに直列に接続されており、それぞれは前記複数の変圧器の１次巻線にそれぞれ並列に接続されている複数のバッテリーセルと、前記複数のバッテリーセルの電圧をセンシングして前記第１スイッチをオン／オフする電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部とを含み、前記複数の第１スイッチの少なくとも一つがオンされると、オンされた前記第１スイッチに接続された前記第１巻線の少なくとも一つに第１方向に電流が流れて前記第２巻線に電流が誘導され、前記第２巻線に誘導された電流によって前記第１巻線に電流が誘導されることにより、前記複数のバッテリーセルに均等な電荷が分配されることを特徴とする。

また、本発明の他の観点によれば、一つのコアに複数の１次巻線と一つの２次巻線がそれぞれ巻き付けられており、前記１次巻線がバッテリーセルに並列に接続されており、前記２次巻線が互いに並列に接続されている複数の変圧器と、前記複数の変圧器の前記１次巻線のそれぞれに直列に接続され、前記１次巻線の第１方向と第２方向の電流流れを制御する複数の第１スイッチと、互いに直列に接続されており、それぞれは前記複数の変圧器の１次巻線にそれぞれ並列に接続されている複数のバッテリーセルと、前記複数のバッテリーセルの電圧をセンシングし、前記複数の第１スイッチをオン／オフする電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部とを含み、前記複数の第１スイッチの少なくとも一つがオンされると、オンされた前記第１スイッチに接続された前記第１巻線の少なくとも一つに第１方向に電流が流れて前記第２巻線に電流が誘導され、前記第２巻線に誘導された電流によって前記第１巻線に電流が誘導されることにより、前記複数のバッテリーセルに均等な電荷が分配されることを特徴とする。

本発明によれば、従来の技術の電流切替を用いた電荷均等化装置の優れた電荷均等化性能を維持し且つ実現し易い電荷均等化装置を提供するという効果がある。

すなわち、従来の電流切替を用いた電荷均等化装置は、電荷均等化を実現するために体積の大きい一つの共通コアにバッテリーセルの数だけの１次巻線を巻き付けなければならないため、バッテリーセルの数が増加するほど実際に実現し難いという欠点があったが、本発明では、体積の小さい、バッテリーセルの数だけの変圧器を使用し、２次巻線を電気的に並列に接続することにより、電流切替を用いた電荷均等化装置の優れた電荷均等化性能を維持し且つ実現し易くするという効果がある。

また、本発明によれば、２次巻線と１４Ｖバッテリーとの間に第２スイッチを用いて直列接続バッテリーセルを構成する任意のバッテリーが低充電状態の場合には、第２スイッチを用いて１４Ｖバッテリーの電位を低めることができるようにするという効果がある。

また、本発明によれば、第１スイッチがオフされる間に、自動車に基本的に装着された１４Ｖバッテリーの電圧を２次巻線に印加することにより、変圧器の飽和を防ぐと共に第２スイッチの電圧ストレスを減らし、変圧器の巻数比を低くして変圧器の２次巻線の実現を容易にするという効果がある。

すなわち、従来の電流切替を用いた電荷均等化装置は、第１スイッチがオフされる間に
、直列接続バッテリーセルの全体電圧を２次巻線に印加することにより、変圧器の飽和を防いでいるが、このような構成では変圧器の巻数比を１：Ｎ（ここで、Ｎは直列接続バッテリーの数）にする場合、第１スイッチの電圧ストレスは低くなるが、ダイオードの電圧ストレスが増加し、バッテリーセルの数が増加するほど変圧器の２次巻線の製作には難しさが伴う。ところが、本発明では、第１スイッチがオフされる間に、自動車に基本的に装着された１４Ｖバッテリーの電圧を２次巻線に印加することにより、変圧器の飽和を防ぐと共に第２スイッチの電圧ストレスを減らし、変圧器の巻数比を低くして変圧器の２次巻線の実現を容易にした。

図２は、本発明の一実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図２を参照すると、多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置は、バッテリーセルＢ１〜ＢＮのそれぞれに対応する変圧器Ｔ１〜ＴＮがあり、それぞれの変圧器Ｔ１〜ＴＮにはそれぞれコアがあり、それぞれのコアにはそれぞれの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎと２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎが巻き付けられている。

すなわち、従来の技術の電流切替を用いた電荷均等化装置の場合は、共通コアにバッテリーセルＢ１〜ＢＮの数に相当する複数の１次巻線が巻き付けられており、一つの２次巻線が巻き付けられていたが、本発明では、バッテリーセルＢ１〜ＢＮの数に相当する複数の変圧器Ｔ１〜ＴＮを使用するため、バッテリーセルＢ１〜ＢＮの数に相当するだけのコアがあり、それぞれのコアにそれぞれ１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎと２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎが巻き付けられている。

１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎは、互いに同一の巻線数Ｎ１を持つようにすることが好ましいが、応用に応じては相異なる巻線数を持つようにすることができる。そして、本発明では、バッテリーセルＢ１〜ＢＮの数に相当するだけの変圧器Ｔ１〜ＴＮを使用するため、コアが互いに分離されており、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎに関連して巻線比がさらに重要であり、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮが同一の巻線比（Ｎ１：Ｎ２）を持つことが好ましいが、応用に応じては相異なる巻線比を持つようにすることができる。ここで、巻線比は、１次巻線の巻線数Ｎ１に対する２次巻線の巻線数Ｎ２の比（Ｎ１：Ｎ２）を意味し、電圧および電流の量に関連している。１次巻線の電圧と２次巻線の電圧は巻線数に比例し、１次巻線の電流と２次巻線の電流は巻線数に反比例する。

ここで、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎの極性は２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの極性と反対である。これは、図面において変圧器Ｔ１〜ＴＮのドットが１次巻線で上方にあれば、２次巻線では下方にあることを意味する。また、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎの極性はいずれも同一であり、図面では上方にドットが表示されている。これは全セルのＤＣ／ＤＣコンバータがフライバックコンバータから構成されていることを意味する。

そして、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎはバッテリーに並列に接続されており、それぞれの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎの一端にはそれに対応する第１スイッチＳ１〜ＳＮが直列に接続されている。

それぞれの第１スイッチＳ１〜ＳＮは、第１ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）、および第１ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）のドレインとソースとの間に逆方向に接続されている第１本体ダイオードＢＤ１〜ＢＤＮから構成されており、第１ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）のゲートには電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部２００のスイッ
チ駆動回路部２３０が接続されている。ここでは、説明の便宜上、第１スイッチＳ１〜ＳＮをＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）と本体ダイオードＢＤ１〜ＢＤＮに分けたが、実質的に本体ダイオードＢＤ１〜ＢＤＮはＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）の本質的な特性によって互いに分離できない。このような第１スイッチＳ１〜ＳＮは、一例としてＭＯＳＦＥＴスイッチを挙げたが、ダイオード、ＢＪＴスイッチ、リレースイッチなども使用可能である。

このような第１スイッチＳ１〜ＳＮの第１ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）は、電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部２００のスイッチ駆動回路部２３０から入力される制御信号に基づいてオン／オフ動作を行い、オンされる間にはドレインからソースに電流が流れるようにし、オフされる間にはドレインからソースへの電流の流れを遮断する。それぞれの第１スイッチＳ１〜ＳＮにある第１本体ダイオードＢＤ１〜ＢＤＮは、第１ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）のドレインからソースへ流れる電流は遮断し、ソースからドレインへ電流が流れるようにする。したがって、第１スイッチＳ１〜ＳＮは、第１ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）がオフされる間にも、ソース端からドレイン端への逆方向の電流を第１本体ダイオードＢＤ１〜ＢＤＮを介して流れるようにすることができる。

一方、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎのそれぞれには対応するバッテリーセルＢ１〜ＢＮが並列に接続されている。

ここで、バッテリーセルＢ１〜ＢＮは、一定の電圧で充電されており、電流が流出または充電され、電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部２００が接続されている。バッテリーセルＢ１〜ＢＮは、直列に接続されており、直列接続された一端は変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎと並列に接続されている。

一方、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎは、配列に接続されており、同一の巻線数Ｎ２を有し、応用に応じては相異なる巻線数を持つことができる。また、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの極性はいずれも同一の極性を持っており、図面では２次巻線の下方にドットが表示されている。

また、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの並列接続の一端には第２スイッチＳＯが直列に接続されており、第２スイッチＳＯと２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの直列接続の一端にバッテリーＢＯが並列に接続されている。ここで、第２スイッチＳＯは、ドレインが第２バッテリーＢＯに接続され、ソースが２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの並列接続の一端に接続された第２ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦＯ）、および第２ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦＯ）のドレインとソース端に逆方向に接続された第２本体ダイオードＢＤＯから構成されており、バッテリーＢＯは一般に自動車に使用される１４Ｖバッテリーが好ましい。勿論、バッテリーＢＯは電荷充電手段の一例であり、キャパシタも使用可能である。

このような構成の第２スイッチＳＯを使用すると、バッテリーセルＢ１〜ＢＮを電源として使用する電荷均等化の動作中には２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎから生成された磁気エネルギーが第２スイッチＳＯの第２本体ダイオードＢＤを介してバッテリーＳＯに充電され、任意のバッテリーセルＢ１〜ＢＮが低充電状態にある場合には第２スイッチＳＯをオンさせてバッテリーＢＯを用いて当該バッテリーセルＢ１〜ＢＮを充電させることができる。ここで、バッテリーセルＢ１〜ＢＮの充電効率を高めるために、低充電状態にあるバッテリーセルの第１スイッチＳ１〜ＳＮのみをオンさせることができる。このような第２スイッチＳＯは、一例としてＭＯＳＦＥＴスイッチを挙げたが、ダイオード、ＢＪＴスイッチ、リレースイッチなども使用可能である。一方、電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部２００はセンシング部２１０、マイクロプロセッサ２２０およびスイッチ駆動回路部２３０を含んでいる。

センシング部２１０は、それぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮに並列接続され、それぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧をセンシングし、センシングされた電圧を出力する。

マイクロプロセッサ２２０は、予め定められた方式（ｓｃｈｅｍｅ）によって、センシング部２１０から入力されたそれぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧状態に基づいて第１および第２スイッチＳ１〜ＳＮ、ＳＯのオン／オフ時間を決定する。

この際、マイクロプロセッサ２２０が第１スイッチＳ１〜ＳＮのオン／オフ時間を決定する方式の一例として、バッテリーセルＢ１〜ＢＮの全ての電圧値の入力を受け、最大値と最小値との差が一定値以上になる場合にオンするように決定し、他の例としては隣接したバッテリーセルＢ１〜ＢＮ間の電圧値を比較し、所定の範囲から外れる場合にオンするように決定することができる。

一方、スイッチ駆動回路部２３０は、マイクロプロセッサ２２０からオン信号が入力されると、それに応えて第１および第２スイッチＳ１〜ＳＮ、ＳＯをオンさせるための駆動信号を生成して出力し、マイクロプロセッサ２２０からオフ信号が入力されると、それに応えてスイッチＳ１〜ＳＮ、ＳＯをオフさせるための駆動信号を生成して出力する。

この際、スイッチ駆動回路部２３０が発生する駆動信号はＰＷＭ信号であってもよい。

次に、図２を参照して本発明の好適な一実施例に係る電荷均等化装置の動作について説明する。

センシング部２１０は、それぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧をセンシングし、センシングされた電圧をマイクロプロセッサ２２０に出力する。

マイクロプロセッサ２２０は、予め定められた方式によって、センシング部２１０から入力されたそれぞれのバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧状態に基づいて第１スイッチＳ１〜ＳＮのオンまたはオフを決定し、それによる駆動制御信号をスイッチ駆動回路部２３０へ出力する。この際、マイクロプロセッサ２２０が選択可能な方式の一例は、１）電位が最も高いバッテリーセルＢ１〜ＢＮの当該第１スイッチＳ１〜ＳＮをオンさせる方式、２）全ての第１スイッチＳ１〜ＳＮをオンさせる方式、および３）高い電位を持つバッテリーセルＢ１〜ＢＮを選択して当該バッテリーセルＢ１〜ＢＮの第１スイッチＳ１〜ＳＮをオンさせる方式を含む。

上述したように、マイクロプロセッサ２２０が、予め定められた方式によって、第１スイッチＳ１〜ＳＮをオン／オフさせる駆動制御信号を出力すると、スイッチ駆動回路部２３０は、それに応えて第１スイッチＳ１〜ＳＮをオンさせるための駆動信号を生成して出力し、マイクロプロセッサ２２０からオフ信号が入力されると、それに応えて第１スイッチＳ１〜ＳＮをオフさせるための駆動信号を生成して出力する。

一方、第１スイッチＳ１〜ＳＮがオンされる場合の多重変圧器Ｔ１〜ＴＮの動作はどの第１スイッチＳ１〜ＳＮがオンされるかによって異なる。その動作について以下に説明する。

１）最も高い電位のバッテリーセルに接続された第１スイッチのみをオンさせる場合（すなわち、一つの第１スイッチのみがオンされる場合）
最も高い電位のバッテリーセル（Ｂ１〜ＢＮのいずれか一つ）に接続された第１スイッ
チ（Ｓ１〜ＳＮのいずれか一つ）のみをオンさせる場合について説明すると、まず、当該第１スイッチ（Ｓ１〜ＳＮのいずれか一つ）が所定の時比率でオンされるとき、当該変圧器（Ｔ１〜ＴＮのいずれか一つ）の１次巻線（ＭＮ１１〜Ｍ１Ｎのいずれか一つ）には最も高い電圧が印加される。

また、１次巻線（Ｍ１１〜Ｍ１Ｎのいずれか一つ）に印加された電圧は、当該変圧器（Ｔ１〜ＴＮのいずれか一つ）を介して当該２次巻線（Ｍ２１〜Ｍ２Ｎのいずれか一つ）に誘導され、全ての２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎは電気的に並列に接続されており、誘導された２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの電圧（最も電位が高いバッテリーセルの電圧）は全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎに同様に印加される。すると、各変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの電圧はさらに当該変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導され、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導された電圧がバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧より大きく高いため、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１ＮからバッテリーセルＢ１〜ＢＮへ電荷の流れを誘導すると同時に、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに並列に接続されている磁化インダクタ（図示せず）に磁化電流を供給する。この際、第１スイッチＳ１〜ＳＮはＭＯＳＦＥＴ（ＭＦ１〜ＭＦＮ）がオフされているため、第１本体ダイオードＢＤ１〜ＢＤＮを介してソースからドレインへ逆方向の電流が流れる。

最後に、スイッチ（Ｓ１〜ＳＮのいずれか一つ）（ここでは最も高いバッテリーセルＢ１〜ＢＮに接続されたスイッチＳ１〜ＳＮ）がオフされると、バッテリーセルＢ１〜ＢＮに移動する電荷の流れ（低電位のバッテリーセルＢ１〜ＢＮに電荷が移動していた場合）は停止し、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの磁化インダクタ（図示せず）の磁化電流は、変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎと第２スイッチＳＯの第２本体ダイオードＢＤＯを介して、自動車に基本的に装着された１４ＶバッテリーＢＯに流れ込む。

２）全てのスイッチを同時にオンさせる場合
まず、全ての第１スイッチＳ１〜ＳＮが所定の時比率でオンされるとき、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎには当該バッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧がそのまま印加されようとする。そして、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに印加された電圧は変圧器Ｔ１〜ＴＮを介して２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎに誘導される。

ところが、全ての２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎは、電気的に並列に接続されており、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎに誘導された電圧の中でも最も高い電圧が２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの代表電圧として残る。

その後、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの代表電圧はさらに全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導され、次の２つの動作を発生させる。その第１の動作は、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導された代表電圧がバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧より大きく高いため、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１ＮからバッテリーセルＢ１〜ＢＮへ電荷の流れを誘導すると同時に、磁化インダクタ（図示せず）に磁化電流を供給する動作である。第２の動作は、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導された代表電圧とバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧とが類似であって１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１ＮとバッテリーセルＢ１〜ＢＮから同時に電荷が流れ出て磁化インダクタに磁化電流を形成する動作である。

最後に、全ての第１スイッチＳ１〜ＳＮが同時にオフされると、バッテリーセルＢ１〜ＢＮに移動する電荷の流れ（低電位のバッテリーに電荷が移動していた場合）は停止し、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの磁化インダクタの磁化電流は、変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎと第２スイッチＳＯの第２本体ダイオードを介して、自動車に基本的に装着された１４ＶバッテリーＢＯに流れ込む。

３）高い電位を持つバッテリーセルを選択し、当該バッテリーセルの第１スイッチを同時にオンさせる場合（幾つか選択された第１スイッチのみがオンされる場合）
まず、選択されたバッテリーセルＢ１〜ＢＮの第１スイッチＳ１〜ＳＮが所定の時比率で同時にオンされるとき、当該変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１ＮにはバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧がそのまま印加されようとする。

そして、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに印加された電圧は、変圧器Ｔ１〜ＴＮを介して２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎに誘導され、全ての２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎは電気的に並列に接続されており、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎに誘導された電圧の中でも最も高い電圧が２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの代表電圧として残る。参考として、この場合、代表電圧は選別されたバッテリーセルＢ１〜ＢＮの中でも電位が最も高いバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧になる。その後、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎの代表電圧はさらに全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導され、次の２つの動作を発生させる。その第１の動作は、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導された代表電圧がバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧より大きく高いため、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１ＮからバッテリーセルＢ１〜ＢＮへ電荷の流れを誘導し、同時に磁化インダクタ（図示せず）に磁化電流を供給する動作である。第２の動作は、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに誘導された代表電圧とバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電圧とがほぼ類似であって１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１ＮとバッテリーセルＢ１〜ＢＮから同時に電荷が流れ出て磁化インダクタの磁化電流を形成する動作である。ここで、電荷が流出するバッテリーセルは、第１スイッチをオンさせた幾つかのバッテリーにのみ該当する。最後に、選択された全ての第１スイッチＳ１〜ＳＮが同時にオフされると、バッテリーセルＢ１〜ＢＮに移動する電荷の流れ（低電位のバッテリーに電荷が移動していた場合）は停止し、全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの磁化インダクタの磁化電流は、変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎと第２スイッチＳＯの第２本体ダイオードＢＤＯを介して、自動車に基本的に装着された１４ＶバッテリーＢＯに流れ込む。

一方、もし直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮを構成する任意のバッテリーセルＢ１〜ＢＮが低充電状態の場合には電荷均等化の動作を停止し、変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎと１４ＶバッテリーＢＯとの間に位置した第２スイッチＳＯを駆動させて１４ＶバッテリーＢＯから直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮへ電荷の流れを誘導することができる。具体的に、第２スイッチＳＯがオンされると、１４ＶのバッテリーＢＯから流出する電流は、並列接続された全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎを介して全ての変圧器Ｔ１〜ＴＮで磁気エネルギーとして蓄積され、第２スイッチＳＯがオフされると、１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎを介して各バッテリーセルＢ１〜ＢＮに電荷が移動する。ここで、注目すべきことは、１４ＶのバッテリーＢＯから直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮの低充電バッテリーセルＢ１〜ＢＮへ電荷が移動するとき、相対的に低い電位のバッテリーセルＢ１〜ＢＮにさらに多くの電荷が移動することにより、電荷均等化がさらになされるという点である。

図３は、本発明の他の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図３に示した多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成と動作は図２で説明したところとほぼ類似であり、以下ではその差異点を中心として説明する。

図３に示したように、電気的に並列に接続された変圧器の２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２ＮとバッテリーＢＯとの間には単方向の第１整流ダイオードＤ１が図２の第２スイッチＳＯを代替しており、第２変圧器ＴＯ、第３スイッチＳＯ、および第２整流ダイオードＤ２からなる実現し易いＤＣ／ＤＣコンバータ（一例としてフライバック（ｆｌｙｂａｃｋ）コンバータ）がバッテリーＢＯに並列に接続されている。

ここで、第２変圧器ＴＯの１次巻線ＭＯ１の巻線数は、第１変圧器Ｔ１〜ＴＮの２次巻線数Ｎ２と同じまたは異なるが、但し、巻線比はＮ２：Ｎ３を維持し、その極性が反対であり、変圧器ＴＯの２次巻線ＭＯ２には第２整流ダイオードＤ２が直列に接続されている。そして、第３スイッチＳＯは、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＦＯ）、およびＭＯＳＦＥＴ（ＭＦＯ）のドレインとソースとの間に逆方向に接続されている第３本体ダイオードＢＤＯから構成されている。

このような構成によれば、１次巻線側Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに位置する磁化インダクタ（図示せず）に流れていた磁化電流は、スイッチＳ１〜ＳＮがオフされると、２次巻線Ｍ２１〜Ｍ２Ｎと第１整流ダイオードＤ１を介してバッテリーＢＯにのみ流れ込む。

また、図３に示した電荷均等化装置では、直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮを構成する任意のバッテリーセルＢ１〜ＢＮが低充電状態の場合、或いは電荷均等化装置が動作する間にバッテリーＢＯの電位が所定の電位まで上昇する或いは上昇するおそれがある場合には、バッテリーＢＯに並列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを駆動させ、すなわち第３スイッチＳＯをオンさせることにより、バッテリーＢＯから直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮへ電荷の流れを誘導することができる。

このような２段構成では、第１段（第１整流ダイオードＤ１以前）の動作と関係なく第２段（第１整流ダイオードＤ１以後）を独立に駆動することができるため、第２段の電力容量に応じてバッテリーＢＯの電圧を融通よく管理することができるという利点を持つ。

図４は、本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図４に示した多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成と動作は図３で説明したところと類似であり、以下ではその差異点を中心として説明する。

図４の電荷均等化装置では、キャパシタＣが図３のバッテリーＢＯを代替しており、キャパシタＣは自動車に装着された１４ＶのバッテリーＢＯよりエネルギー蓄積容量が小さいため、第２変圧器ＴＯ、第３スイッチＳＯおよび第２整流ダイオードＤ２からなる第２段のＤＣ／ＤＣコンバータは、キャパシタＣにエネルギーが蓄積されていると、動作を直ちに開始し、その結果、直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮにエネルギーを遅滞なく伝達することができる。

図５は、本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図５に示した電荷均等化装置は図３に示した電荷均等化装置と類似であり、以下では差異点を中心として説明する。

図５では図３でバッテリーＢＯに並列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを除去した。これは過充電されたバッテリーＢＯの電荷がバッテリーＢＯにのみ放電されるようにしている。このような構成では、放電される電荷の量が少なく、放電される電荷を収容する程度にバッテリーＢＯの容量が大きい場合に適した電荷均等化方法である。

図６は、本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図６の電荷均等化装置を図２に示したところと類似であり、以下では差異点を中心として説明する。

図６の電荷均等化装置は、第２スイッチＳＯに直列に直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮが接続されている。このような電荷均等化装置では、第１スイッチＳ１〜ＳＮがオフされるとき、変圧器Ｔ１〜ＴＮに残っている磁気エネルギーが第２スイッチＳＯを介して直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮに再充電され、特定のバッテリーセルＢ１〜ＢＮの電位が低い場合、第２スイッチＳＯを駆動させて直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮから低電位のバッテリーセルＢ１〜ＢＮへ高電位のバッテリーセルより相対的に多量の電荷流れを誘導することもできる。

図７は、本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図７の電荷均等化装置を図６に示したところと類似であり、以下では差異点を中心として説明する。

図７に示した電荷均等化装置は、図６の第２スイッチＳＯの代わりに整流ダイオードＤが置かれている。このような構成では、第１スイッチＳ１〜ＳＮがオフされるとき、変圧器Ｔ１〜ＴＮに残っている磁気エネルギーが整流ダイオードＤを介して直列接続バッテリーセルＢ１〜ＢＮに再充電される。

図８は、本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図８の電荷均等化装置は図２に示したところと類似であり、以下では差異点を中心として説明する。

図８の電荷均等化装置は、一つの変圧器Ｔ１〜Ｔ（Ｎ／２）に２つの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎを巻き付けてそれぞれの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎに直列に第１スイッチＳ１〜ＳＮを接続した後、並列にバッテリーセルＢ１〜ＢＮを接続する形態を持っている。

このような構成の電荷均等化装置の動作は２つの動作が結合しているが、その第１の動作は２つのバッテリーセルＢ１〜Ｂ２、Ｂ３〜Ｂ４、・・・、ＢＮ−１〜ＢＮを一対にする場合に対する動作であり、第２の動作は一対にした２つのバッテリーセルＢ１〜Ｂ２、Ｂ３〜Ｂ４、・・・、ＢＮ−１〜ＢＮ間の動作である。前者は図２に示した電荷均等化装置の動作をそのまま従い、後者は従来の技術（図１）による電流切替を用いた電荷均等化装置の動作を従う。

図８で提案した電荷均等化装置は、その２つの動作が結合して新しい構成と動作を持つ。また、提案した電荷均等化装置は、一つの変圧器Ｔ１〜Ｔ（Ｎ／２）に２つの１次巻線Ｍ１１〜Ｍ１Ｎを実現することにより、変圧器Ｔ１〜Ｔ（Ｎ／２）の数を半分に減らすという利点を持つ。

図９は、本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

図９の電荷均等化装置は図８に示したところと類似であり、以下では差異点を中心として説明する。

図９の電荷均等化装置は、一つの変圧器Ｔ１にｎ個の１次巻線を巻き付けてそれぞれの１次巻線Ｍ１−１１〜Ｍ１−１Ｎに直列に第１スイッチＳ１〜Ｓ１−Ｎを接続した後、並列にバッテリーセルＢ１〜Ｂ１−Ｎを接続する形態を持っている。

そのような構造を基本単位（モジュール）とすると、図９の電荷均等化装置はｍ個の基本単位を持つ。図９の電荷均等化装置は、本発明で提案する電荷均等化装置の一般な形態であり、ｎ＝１の場合が図２の電荷均等化装置であり、ｎ＝２の場合が図８の電荷均等化装置である。
一方、本発明では、直列接続バッテリーセルに電気的充電装置または電気的負荷が接続されていない状況で直列接続バッテリーセルのそれぞれのバッテリーセルの電位が相異なる場合に電荷均等化の動作が行われるようにする。ところが、電気的充電装置または電気的負荷が接続されているとしても、変圧器の１次巻線とスイッチが迂回回路として作用する程度に電流収容容量が大きい場合、或いは充電電流または放電電流の大きさが小さい場合には、電気的充電装置または電気的負荷が接続される状況でも行われ得る。

従来の技術に係る電流切替を用いた直列接続バッテリーセルの電荷均等化装置の構成図である。本発明の一実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。本発明の他の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。本発明の別の実施例に係る多重変圧器の２次巻線を並列に接続した電荷均等化装置の構成図である。

符号の説明

Ｔ１〜ＴＮ、ＴＯ：変圧器
Ｍ１１〜Ｍ１Ｎ、ＭＯ１：１次巻線
Ｍ２１〜Ｍ２Ｎ、ＭＯ２：２次巻線
Ｓ１〜ＳＮ、ＳＯ：スイッチ
Ｂ１〜ＢＮ：バッテリーセル
ＢＯ：バッテリー
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２：ダイオード
Ｃ：キャパシタ

Claims

１次巻線と２次巻線がそれぞれ巻き付けられており、前記１次巻線がバッテリーに並列に接続されており、前記２次巻線が互いに並列に接続されている複数の変圧器と、
前記複数の変圧器の前記１次巻線のそれぞれに直列に接続され、前記１次巻線の第１方向と第２方向の電流流れを制御する複数の第１スイッチと、
互いに直列に接続されており、それぞれは前記複数の変圧器の１次巻線にそれぞれ並列に接続されている複数のバッテリーセルと、
前記複数のバッテリーセルの電圧をセンシングして前記第１スイッチをオン／オフする電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部とを含み、更に、
並列に接続された前記２次巻線に並列に接続されている電荷充電手段と、
並列に接続された前記２次巻線の一端と前記電荷充電手段との間に接続されており、前記２次巻線から前記電荷充電手段への電流の流れを提供する電流伝達素子と、
前記電荷充電手段に１次巻線が接続されており、２次巻線は前記直列接続されたバッテリーセルに接続されている第２変圧器と、
前記第２変圧器の前記１次巻線に直列に接続されている第３スイッチと、
前記第２変圧器の前記２次巻線と前記バッテリーセルとの間に接続されている第２電流伝達素子とを含み、
前記複数の第１スイッチの少なくとも一つがオンされると、オンされた前記第１スイッチに接続された前記１次巻線の少なくとも一つに第１方向に電流が流れて前記２次巻線に電流が誘導され、前記２次巻線に誘導された電流によって前記１次巻線に電流が誘導されることにより、前記複数のバッテリーセルに均等な電荷が分配されることを特徴とする、電荷均等化装置。
前記複数の変圧器の前記１次巻線と前記２次巻線はフライバックコンバータの構造を形成することを特徴とする、請求項１に記載の電荷均等化装置。
前記複数の変圧器のそれぞれの巻線比は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。
前記複数の第１スイッチは、ＭＯＳＦＥＴスイッチ、ＢＪＴスイッチ、およびリレースイッチの中から選ばれたいずれか一つであって、両方向性を持つことを特徴とする、請求項１に記載の電荷均等化装置。
一つのコアに複数の１次巻線と一つの２次巻線がそれぞれ巻き付けられており、前記１次巻線がバッテリーセルに並列に接続されており、前記２次巻線が互いに並列に接続されている複数の変圧器と、
前記複数の変圧器の前記１次巻線のそれぞれに直列に接続され、前記１次巻線の第１方向と第２方向の電流流れを制御する複数の第１スイッチと、
互いに直列に接続されており、それぞれは前記複数の変圧器の１次巻線にそれぞれ並列に接続されている複数のバッテリーセルと、
前記複数のバッテリーセルの電圧をセンシングし、前記複数の第１スイッチをオン／オフする電圧センシングおよびスイッチドライブ信号発生部とを含み、更に、
並列に接続された前記２次巻線に並列に接続されている電荷充電手段と、
並列に接続された前記２次巻線の一端と前記電荷充電手段との間に接続されており、前記２次巻線から前記電荷充電手段への電流の流れを提供する電流伝達素子と、
前記電荷充電手段に１次巻線が接続されており、２次巻線は前記直列接続されたバッテリーセルに接続されている第２変圧器と、
前記第２変圧器の前記１次巻線に直列に接続されている第３スイッチと、
前記第２変圧器の前記２次巻線と前記バッテリーセルとの間に接続されている第２電流伝達素子とを含み、
前記複数の第１スイッチの少なくとも一つがオンされると、オンされた前記第１スイッチに接続された前記１次巻線の少なくとも一つに第１方向に電流が流れて前記２次巻線に電流が誘導され、前記２次巻線に誘導された電流によって前記１次巻線に電流が誘導されることにより、前記複数のバッテリーセルに均等な電荷が分配されることを特徴とする、電荷均等化装置。
前記複数の変圧器の前記１次巻線と前記２次巻線はフライバックコンバータの構造を形成することを特徴とする、請求項５に記載の電荷均等化装置。