JP5624678B2 - 充放電装置 - Google Patents

Description

この発明は、少なくとも１つ以上の二次電池のセルからなる電池モジュールが直列に接続された組電池の前記電池モジュールの充電量をそれぞれ独立に調整する充放電装置に関する。

近時、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、又は燃料電池自動車（ＦＣＶ）等の少なくともモータの駆動力により走行する車両においては、前記モータの電力源としての組電池が電池ボックスに収納されている。なお、前記組電池は、充放電可能な少なくとも１つ以上の二次電池のセルからなる電池モジュールが直列に接続された構成を備える。前記組電池が発生する直流高電圧によりインバータを通じて前記モータが駆動される。

直列接続された前記電池モジュールは、使用当初はそれぞれの充電量が均等になっているが、充放電を繰り返すと電池モジュール毎の特性のばらつき等により、電池モジュール毎の充電量に徐々に差が発生する。

通常、充電は、組電池に対して行われ、当該組電池を構成する何れかの電池モジュールが充電量上限に達した時点において、他の電池モジュールが満充電でなくとも当該組電池の充電動作を停止させなければならない。

その一方、当該組電池の放電中に、何れかの電池モジュールが充電量下限（放電終止電圧）に達した時点で当該組電池の放電動作を停止させなければならない。

このように、組電池の搭載車両では、車両の走行距離が延びるにつれ、換言すれば、車両の使用時間が増加するにつれ、電池モジュールの直列接続全体、すなわち、組電池での充電上限あるいは充電下限に早期に到達するようになるため当該組電池として使用できる充電容量が事実上少なくなる。

そこで、当該組電池を構成する各電池モジュールの残容量を表す電圧を監視し、適時、相対的に高電圧の電池モジュールを放電し、この放電電力を相対的に低電圧の電池モジュールに充電することで、各電池モジュールの残容量を均等にするようにした技術が提案されている｛特開２０１０−２１３４７４号（ＪＰ２０１０−２１３４７４Ａ）公報（要約、図１、図２及び図３）、特開２０１１−６７０２１号（ＪＰ２０１１−６７０２１Ａ）公報（要約、図２、図９及び図１０）。

ＪＰ２０１０−２１３４７４Ａ公報、ＪＰ２０１１−６７０２１Ａ公報に係る技術では、組電池を構成する各電池モジュールに対し、それぞれ交流発生回路ブロックと整流回路ブロックとを接続し、それらの回路ブロック間をコンデンサ（ＪＰ２０１０−２１３４７４Ａ公報）又はコンデンサとインダクタの直列回路（ＪＰ２０１１−６７０２１Ａ）を用いて接続し、各電池モジュールの充電量を調整できるようになっている。

ところで、組電池のメンテナンスやサービスの便宜のために、前記電池モジュールが直列接続された前記組電池を電圧的に２分する中央部付近に、手動の遮断用のスイッチを設けることが推奨されている｛ＧＵＩＤＥＬＩＮＥＳ ＦＯＲ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＶＥＨＩＣＬＥ ＳＡＦＥＴＹ−ＳＡＥ Ｊ２３４４ ＪＵＮ１９９８（４．３．２．１ Ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｙｐｅ）｝。

ＪＰ２０１０−２１３４７４Ａ公報に係る図３７の充放電システム１０１の模式回路図に示すように、負荷１０６が接続された組電池１０２（理解の便宜のために、直列接続された電池モジュール１０４の個数は４個としている。）に対し、組電池１０２の中間に位置し、電池モジュール１０４に直列に接続された遮断用のスイッチ１０８を、図３８に示すように、閉状態から開状態にすると、そのスイッチ１０８を挟んだ両側の電圧検出用配線１１０、１１２間には、詳細を後述する充放電用の回路ブロック１０５のダイオードＤ２を通じて組電池１０２の合成電圧４×Ｖ０（実際上は、例えば、数百ボルト）の逆電圧がかかり、図３８中、コンデンサＣ２には、前記合成電圧４×Ｖ０から１個の電池モジュール１０４（図３８中、スイッチ１０８の共通端子に正極が接続された電池モジュール）の電圧Ｖ０（実際上は、例えば、数ボルト）を差し引いた高電圧（４×Ｖ０−Ｖ０＝３Ｖ０であるが、実際上は、数百ボルト）が印加される。

ＪＰ２０１１−６７０２１Ａ公報に係る発明では、コンデンサが、コンデンサとインダクタの直列回路に代替されるので、遮断用のスイッチを閉状態から開状態にしたとき、同様に、コンデンサに高電圧が印加される。

そのため、コンデンサＣ２に耐電圧性能が高耐圧の部品を用いることが必要となる。

しかしながら、高耐圧のコンデンサは、回路部品として高価であり、かつ大型であることから、基板上の沿面距離の確保等を含めて装置全体の小形化やコストダウンの障害になるという問題がある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、メンテナンスの便宜等のために組電池に遮断用のスイッチを設けた場合であっても、高耐圧のコンデンサを用いる必要のない充放電装置を提供することを目的とする。

この発明に係る充放電装置は、少なくとも１つ以上のセルからなる電池モジュールが直列に接続された組電池の前記電池モジュールの充電量をそれぞれ独立に調整する充放電装置であって、各前記電池モジュールの正極と負極とに接続される回路ブロックを備え、前記回路ブロックは、各前記電池モジュールに接続する正極端子及び負極端子と、前記正極端子と前記負極端子とに接続され、前記電池モジュールを電力源として交流電圧を発生する交流発生回路と、前記交流電圧を整流する整流回路と、前記交流発生回路の出力側と前記整流回路の入力側とを接続し、前記交流電圧が印加される制御端子と、前記正極端子と前記負極端子との少なくとも一方と前記整流回路の出力端子との間を断続するスイッチ素子と、隣接する前記回路ブロックの前記制御端子間を接続するコンデンサと、少なくとも１組の隣接する電池モジュールの間に介在された電流遮断スイッチと、前記隣接する電池モジュールに対応する制御端子間に介在された絶縁トランスと、を有することを特徴とする。

この発明によれば、少なくとも１組の隣接する電池モジュールの間に介在された電流遮断スイッチが開放されたとき、前記隣接する電池モジュールに対応する制御端子間に介在された絶縁トランスの直流絶縁作用下に、コンデンサに高電圧が印加されなくなるので、電流遮断スイッチを介在させても、高耐圧のコンデンサを用いる必要がない。前記絶縁トランスに接続されたコンデンサは、前記絶縁トランスで交流電力を伝送することができるので、省略することができる。

この場合、前記交流発生回路は、前記交流電圧に対して位相が反転した他の交流電圧を発生し、前記回路ブロックは、前記他の交流電圧を出力する他の制御端子をさらに備え、前記整流回路は、前記制御端子と、前記他の制御端子との間に印加される電圧を全波整流するものであり、隣接する前記回路ブロックの他の制御端子間を他のコンデンサで接続する構成であり、前記絶縁トランスの一次巻線及び二次巻線の一端側を前記制御端子と接続し、他端側を前記他の制御端子と接続したことを特徴とする。

この発明によれば、１つの電圧モジュールを放電して、他の１つの電池モジュールに充電する際、全波整流により充電効率を高くすることができる。

なお、前記制御端子又は前記他の制御端子を、前記コンデンサと直列に配置されたインダクタを介して前記絶縁トランスと接続することで、１つの電圧モジュールを放電して、他の１つの電池モジュールに充電する際、電路を前記コンデンサと前記インダクタの直列共振線路とすることができるので、その直列共振周波数の前記交流発生回路を用いることで、電力伝送損失を少なくすることができる。

この発明によれば、少なくとも１組の隣接する電池モジュールの間に介在された電流遮断スイッチが開放されたとき、前記隣接する電池モジュールに対応する制御端子間に介在された絶縁トランスの直流絶縁作用下に、コンデンサに高電圧が印加されなくなるので、電流遮断スイッチを介在させても、高耐圧のコンデンサを用いる必要がないという効果が達成される。

比較例１の構成を示す回路図である。 比較例１及び実施例１に係る整流回路の回路図である。 比較例１及び実施例１に係る交流発生回路の回路図である。 比較例１及び実施例１に係る一の電池モジュールを放電し他の電池モジュールに充電する場合の動作説明図（その１）である。 比較例１及び実施例１に係る一の電池モジュールを放電し他の電池モジュールに充電する場合の動作説明図（その２）である。 比較例１の課題説明図である。 この発明の充放電装置の実施例１の構成を示す回路図である。 比較例１の課題解決の動作説明に供される実施例１の回路説明図である。 実施例１の充放電動作の動作説明図である。 実施例１の変形例Ａの充放電装置を備える充放電システムの構成と動作を示す回路説明図である。 実施例１の変形例Ｂの充放電装置を備える充放電システムの構成と動作を示す回路説明図である。 実施例１の変形例Ｃの充放電装置を備える充放電システムの構成と動作を示す回路説明図である。 実施例１の変形例Ｄの充放電装置を備える充放電システムの構成と動作を示す回路説明図である。 比較例２の構成を示す回路図である。 比較例２及び実施例２、３に係る整流回路の回路図である。 比較例２及び実施例２に係る交流発生回路の回路図である。 比較例２の課題説明図である。 この発明の充放電装置の実施例２の構成を示す回路図である。 比較例２の課題解決の動作説明に供される実施例２の回路説明図である。 実施例２の変形例Ａの充放電装置を備える充放電システムの回路図である。 実施例２の変形例Ｂの充放電装置を備える充放電システムの回路図である。 比較例３の構成を示す回路図である。 比較例３及び実施例３に係る交流発生回路の回路図である。 比較例３の充放電装置において一の電池モジュールから他の電池モジュールを充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路図（交流等価回路図）である。 比較例３の充放電装置において一の電池モジュールから他の電池モジュールを充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路図（交流等価回路図）である。 比較例３の充放電装置において一の電池モジュールから他の電池モジュールを充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路図（交流等価回路図）である。 図２４〜図２６の各等価回路における電流ゲインの周波数特性図である。 比較例３の課題説明図である。 この発明の充放電装置の実施例３の構成を示す回路図である。 比較例３の課題解決の動作説明に供される実施例３の回路説明図である。 実施例３の変形例Ａの充放電装置を備える充放電システムの回路図である。 実施例３の変形例Ｂの充放電装置を備える充放電システムの回路図である。 実施例３の変形例Ｃの充放電装置を備える充放電システムの回路図である。 実施例３の変形例Ｄの充放電装置を備える充放電システムの回路図である。 漏れインダクタンスを考慮しない場合において、一の電池モジュールを放電し、他の電池モジュールを充電する場合の、インダクタもしくはコンデンサの値を調整した実施例３の変形例Ｅの等価回路図である。 漏れインダクタンスを考慮した場合において、一の電池モジュールを放電し、他の電池モジュールを充電する場合の、トランスに隣接して配置するインダクタもしくはコンデンサの値を調整した実施例３の変形例Ｆの等価回路図を示している。 従来技術の課題説明図（その１）である。 従来技術の課題説明図（その２）である。

以下、この発明に係る充放電装置の実施形態について図面を参照して、以下の順序で説明する。

１．比較例１の構成及び動作の説明
２．実施例１及びその変形例の構成及び動作の説明
３．比較例２の構成及び動作の説明
４．実施例２及びその変形例の構成及び動作の説明
５．比較例３の構成及び動作の説明
６．実施例３の構成及び動作の説明
なお、以下に参照する図面においては、煩雑さを回避するためと理解の便宜のために、多数の電池モジュールが直列接続されて構成される端子間電圧が数百ボルト程度（一例）の組電池が、直列接続された４個の電池モジュールから構成されているものとして説明する。

［１．比較例１の構成及び動作の説明］
図１は、比較例１の構成を示す回路図である。

図１において、充放電システム２０は、少なくとも１つ以上の二次電池のセルからなる電池モジュールＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４（代表して電池モジュールＥｎともいう。）が直列接続された組電池２２と、各電池モジュールＥｎを充放電する充放電装置２４とを備えている。充放電装置２４は、充電電圧が高いいずれかの電池モジュールＥｎを放電し、放電した電力量を利用して充電電圧が低い他のいずれかの電池モジュールＥｎを充電するように構成されている。

電池モジュールＥｎを構成するセルは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池から構成され、複数の電池モジュールＥｎは、同一規格で構成されている。なお、図１では、それぞれ公称電圧値の等しい電池モジュールＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の電圧を、理解の便宜のために電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４と描いている。

充放電装置２４は、測定対象である電池モジュールＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４に対応する回路ブロック（制御モジュールともいう。）ＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４（代表して回路ブロックＭＯＤｎともいう。）と、複数のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３（代表してＣｎともいう。）と、各部を制御する制御部としてのＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２６と、を備える。

ＥＣＵ２６は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、駆動部、及び処理部等として機能する。

回路ブロックＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４は、それぞれ、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４（代表してＳＷｎともいう。）と、整流回路ＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３、ＢＲ４（代表してＢＲｎともいう。）と、交流発生回路ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４（代表してＰＬｎともいう。）と、を備える。

回路ブロックＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４の各正極端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４（代表してＰｎともいう。）は、それぞれ、電池モジュールＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の各正極端子に接続され、回路ブロックＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４の各負極端子Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４（代表してＮｎともいう。）は、それぞれ、電池モジュールＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４の各負極端子に接続されている。なお、以下の説明においては、理解の便宜のために、回路ブロックＭＯＤｎの正極端子Ｐｎは、電池モジュールＥｎの正極端子と共通に接続されているので電池モジュールＥｎの正極端子Ｐｎともいい、回路ブロックＭＯＤｎの負極端子Ｎｎは、電池モジュールＥｎの負極端子と共通に接続されているので電池モジュールＥｎの負極端子Ｎｎともいう。

回路ブロックＭＯＤ１を構成する正極端子Ｐ１がスイッチ素子ＳＷ１の一端と、交流発生回路ＰＬ１の正極入力端子ＶＰに接続され、回路ブロックＭＯＤ１を構成する負極端子Ｎ１が交流発生回路ＰＬ１の負極入力端子ＶＮと、整流回路ＢＲ１の負極端子Ｎに接続され、スイッチ素子ＳＷ１の他端が整流回路ＢＲ１の正極端子Ｐに接続されている。また、整流回路ＢＲ１の交流入力端子Ａと交流発生回路ＰＬ１の交流出力端子Ａと回路ブロックＭＯＤ１の制御端子Ａ１とが接続されている。なお、図面中の説明の煩雑さを回避するために、整流回路ＢＲ１の交流入力端子Ａと交流発生回路ＰＬ１の交流出力端子Ａの符号として、同じアルファベットＡを用いている点に留意する。

回路ブロックＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４も回路ブロックＭＯＤ１と同一の構成かつ接続とされている。

コンデンサＣ１が回路ブロックＭＯＤ１の制御端子Ａ１と回路ブロックＭＯＤ２の制御端子Ａ２との間に接続され、コンデンサＣ２が回路ブロックＭＯＤ２の制御端子Ａ２と回路ブロックＭＯＤ３の制御端子Ａ３との間に接続され、同様に、コンデンサＣ３が回路ブロックＭＯＤ３の制御端子Ａ３と回路ブロックＭＯＤ４の制御端子Ａ４との間に接続されている。

図２は、図１に示した整流回路ＢＲｎの内部回路図（後述する実施例１も同じ。）である。整流回路ＢＲｎには、２本のダイオードＤ１、Ｄ２が内蔵され、ダイオードＤ１のアノード端子とダイオードＤ２のカソード端子と交流入力端子Ａとが接続され、ダイオードＤ１のカソード端子と正極端子Ｐとが接続され、ダイオードＤ２のアノード端子と負極端子Ｎとが接続されている。

これにより、整流回路ＢＲｎは、交流入力端子ＡからダイオードＤ１を通じて正極端子Ｐに電流が流れ、負極端子ＮからダイオードＤ２を通じて交流入力端子Ａに電流が流れ、交流入力端子Ａを介して流れる交流電流を整流する。

図３は、図１に示した交流発生回路ＰＬｎの内部回路図（後述する実施例１も同じ）である。交流発生回路ＰＬｎは、ＡＮＤゲートとＯＲゲートとインバータＩＮＶとｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２とダイオードＤ３、Ｄ４と配線等によるインダクタＬ１と矩形波電源（矩形波発生電源）ＥＰとを備えている。

なお、インダクタＬ１は、波形の高周波成分の抑制のためであるので配線のインダクタンスで代替することができる場合がある。

正極入力端子ＶＰは、ＡＮＤゲートとＯＲゲートとインバータＩＮＶの正極電源として使われるとともに、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１のソース端子（アルファベットＳを付している。）に接続され、負極入力端子ＶＮは、ＡＮＤゲートとＯＲゲートとインバータＩＮＶの負極電源として使われるとともに、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２のソース端子に接続される。

ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン端子（アルファベットＤを付している。）は、ダイオードＤ３、Ｄ４の直列回路を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン端子に接続されている。ダイオードＤ３、Ｄ４の接続点は、インダクタＬ１を介して交流出力端子Ａに接続されている。

矩形波電源ＥＰは、ＯＲゲートの入力ＢとＡＮＤゲートの入力Ｃに接続されている。また、インヒビット端子ＩＮＨは、ＡＮＤゲートの入力ＤとインバータＩＮＶの入力とに接続され、このインバータＩＮＶの出力がＯＲゲートの入力Ａに接続されている。さらにＯＲゲートの出力ＯＵＴ１がｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端子に接続され、ＡＮＤゲートの出力ＯＵＴ２がｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２のゲート端子に接続されている。

この回路構成により、交流発生回路ＰＬｎは、インヒビット端子ＩＮＨがハイレベルのとき活性状態とされる。すなわち、ＯＲゲートの入力ＡがローレベルでＡＮＤゲートの入力Ｄがハイレベルのときに、矩形波電源ＥＰの電圧遷移、すなわちＯＲゲートの入力ＢとＡＮＤゲートの入力Ｃへのハイレベルとローレベルの繰り返し電位に応じて、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ１とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ２とが交互にオン状態とオフ状態とを繰り返す。

これにより、交流発生回路ＰＬｎは、交流出力端子Ａの電位が正極入力端子ＶＰの電位と負極入力端子ＶＮの電位との間で変化する交流電圧（矩形波交流電圧）を発生する。また、交流発生回路ＰＬｎは、交流出力端子Ａを介して、矩形波電流を流す（流し出す又は流し込む。）。なお、インダクタＬ１は、交流出力端子Ａの電位が遷移するときの電流変化を制限する。

さらに、充放電システム２０は、図１に示すように、少なくとも１組の隣接する電池モジュールＥｎ間、この実施形態では、電位が中央の電池モジュールＥ２と電池モジュールＥ３との組の間に直列に電流遮断用のスイッチ（遮断スイッチ）３０が介在される（配される。）。

このように構成される比較例１の充放電システム２０は、組電池２２の最大電位端、すなわち電池モジュールＥ１の正極端子Ｐ１と、組電池２２の最小電位端、すなわち電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４間に、インバータ（直流／交流の両方向変換回路）を通じてモータ（電動モータ）が接続されることで、電気自動車（ＥＶ）等の車両として使用に供される。この場合、組電池２２の負荷は、前記インバータ及び前記モータ等となる。組電池２２は、走行中には、前記モータの回生電力等により充電され、駐車中には、外部電源から充電器を通じて充電される。

なお、充放電システム２０は、電気自動車（ＥＶ）に搭載される他、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、又は燃料電池自動車（ＦＣＶ）等の少なくともモータの駆動力により走行する車両に搭載され使用に供される。

また、後述する比較例２、実施例１〜３及びその変形例の充放電装置も同様に前記のような車両に搭載され使用に供される。

次に比較例１の充放電装置２４の動作について、遮断スイッチ３０が閉じられているとき、任意の１つ、例えば、電池モジュールＥ４を放電し、電池モジュールＥ４を除く他の電池モジュールＥｎの任意の１つ、例えば電池モジュールＥ１を充電する場合の充放電動作について説明する。この場合、電池モジュールＥ４の充電電圧（充電量）が、電池モジュールＥ１の充電電圧（充電量）よりも高くなっている。

このとき、ＥＣＵ２６は、まず、電池モジュールＥ１のスイッチ素子ＳＷ１をオン状態に設定し、スイッチ素子ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４をオフ状態に設定する。

次に、ＥＣＵ２６により回路ブロックＭＯＤ１〜ＭＯＤ３のインヒビット端子ＩＮＨがローレベルとされ回路ブロックＭＯＤ４のインヒビット端子ＩＮＨのみがハイレベルにされると、交流発生回路ＰＬ４のみが動作する（活性化される）。

交流発生回路ＰＬ４が動作すると、その交流出力端子Ａの電位は、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４の電位と負極端子Ｎ４の電位とを往復する（遷移する）。

交流発生回路ＰＬ４の動作により、図４に示すように、整流回路ＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３のダイオードＤ２が一時的に導通し、かつ交流発生回路ＰＬ４のダイオードＤ４が一時的に導通して、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３が充電される。そして、制御端子Ａ４の電位が電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４の電位（図４中、０［Ｖ］としている。）のときには、コンデンサＣ３の充電電圧は電池モジュールＥ４の電圧Ｖ４に略等しく（例えば、制御端子Ａ３の電位は、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４の電位Ｖ４が、回路ブロックＭＯＤ３の負極端子Ｎ３及び整流回路ＢＲ３のダイオードＤ２を通じて印加される点に留意する。）、コンデンサＣ２の充電電圧は電池モジュールＥ３の電圧Ｖ３に略等しく、コンデンサＣ１の充電電圧は電池モジュールＥ２の電圧Ｖ２に略等しい。

図５に示すように、制御端子Ａ４の電位が電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４の電位から正極端子Ｐ４の電位、すなわち電圧Ｖ４［Ｖ］に遷移すると、制御端子Ａ２、Ａ３には電流の流入が無く、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の直列回路の電圧Ｖ２＋Ｖ３＋２×Ｖ４により、制御端子Ａ１、整流回路ＢＲ１（ダイオードＤ１）、スイッチ素子ＳＷ１、正極端子Ｐ１を経由して、電池モジュールＥ１、Ｅ２、Ｅ３が充電される。

次に、図４に示したように、制御端子Ａ４の電位が正極端子Ｐ４の電位Ｖ４［Ｖ］から負極端子Ｎ４の電位０［Ｖ］に遷移すると、電池モジュールＥ２、Ｅ３、Ｅ４がコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３を充電する。

この場合、コンデンサＣ３は、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４、整流回路ＢＲ３のダイオードＤ２、コンデンサＣ３、及びダイオードＤ４を経て電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４の経路で充電され、コンデンサＣ２は、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４、電池モジュールＥ３、遮断スイッチ３０、整流回路ＢＲ２のダイオードＤ２、コンデンサＣ２、コンデンサＣ３、及びダイオードＤ４を経て電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４の経路で充電され、コンデンサＣ１は、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４、電池モジュールＥ３、電池モジュールＥ２、整流回路ＢＲ１のダイオードＤ２、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、及びコンデンサＣ３を経て電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４の経路で充電される。

以降、図５の状態と図４の状態を繰り返すと、電池モジュールＥ２、Ｅ３は充電と放電とを交互に繰り返し、電池モジュールＥ４は放電し、電池モジュールＥ１は充電される。すなわち、電池モジュールＥ４が放電されて、放電された電力量が電池モジュールＥ１に充電されることになる。

なお、その他の組み合わせでも同様に動作する。例えば、電池モジュールＥ２の電圧が低く、電池モジュールＥ３の電圧が高いとき、スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にし、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４をオフ状態にし、交流発生回路ＰＬ３を動作させればよい。

この場合、回路ブロックＭＯＤ３の制御端子Ａ３の電位が、電池モジュールＥ３の正極端子Ｐ３の電位と負極端子Ｎ３の電位とを往復する。これにより、コンデンサＣ２、整流回路ＢＲ２、及びスイッチ素子ＳＷ２を介して、充電電流が電池モジュールＥ２に流れる。これにより、電池モジュールＥ３が放電して、電池モジュールＥ２を充電する。

このようにして、比較例１の充放電装置２４では、遮断スイッチ３０が閉じられているときに、充電電圧が相対的に高電圧のいずれかの電池モジュールＥｎを放電し、充電電圧が相対的に低電圧のいずれかの電池モジュールＥｎを充電することができる。

しかしながら、比較例１の充放電装置２４では、図３７及び図３８を参照して説明したように、組電池２２の最高電位（図１例の場合には、電池モジュールＥ１の正極端子Ｐ１に現れる電位Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４［Ｖ］）と最小電位（図１例の場合には、電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４に現れる電位０［Ｖ］）間に、図６の電圧印加状態に示すように、負荷１０６が接続されているとき、遮断スイッチ３０を開放状態にすると、コンデンサＣ２には、Ｖ２＋Ｖ１＋Ｖ４の逆電圧がかかってしまう。実際上、電池モジュールＥｎの数は多数であり、合成電圧として、数百Ｖ程度である場合には、その逆電圧ほとんどが、コンデンサＣ２にかかってしまう。

そこで、次に、組電池２２に遮断スイッチ３０を設けた場合であっても、コンデンサＣ２に高耐圧のコンデンサを用いる必要のないこの発明の実施例１及びその変形例の構成及び動作について説明する。

なお、以下に参照する図面において、上記した図１〜図６に示したものと対応するものには同一の符号をつけてその詳細な説明は省略する。

［２．実施例１及びその変形例の構成及び動作の説明］
図７は、実施例１の充放電装置２４Ａを備える充放電システム２０Ａの構成を示す回路図である。

図１に示した比較例１の充放電装置２４に対し、実施例１の充放電装置２４Ａでは、回路ブロックＭＯＤ２の制御端子Ａ２と回路ブロックＭＯＤ３の制御端子Ａ３間を接続するコンデンサＣ２を、コンデンサＣ２ａとコンデンサＣ２ｂの直列接続した２つのコンデンサに置き換え、その２つのコンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂの間にトランス３２（絶縁トランス）を配置する。コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂの各静電容量は、例えば、コンデンサＣ２の静電容量の２倍とする。

トランス３２の１次巻線（一次巻線）の一端をコンデンサＣ２ａに接続し、他端を遮断スイッチ３０の固定接点に共通接続された電池モジュールＥ２の負極端子Ｎ２に接続する。また、トランス３２の２次巻線（二次巻線）の一端をコンデンサＣ２ｂに接続し、他端を遮断スイッチ３０の可動接点に共通接続された電池モジュールＥ３の正極端子Ｐ３に接続する。

図７の構成によれば、図８に示すように、遮断スイッチ３０が開放された場合において、交流を伝達する経路がトランス３２により直流的に分離（絶縁）されているため、コンデンサＣ２ａには、電池モジュールＥ２の電圧Ｖ２が印加されるに過ぎなく、コンデンサＣ２ａに高電圧が印加されることがない。また、コンデンサＣ２ｂには、電池モジュールＥ３の電圧Ｖ３が印加されるに過ぎなく、コンデンサＣ２ｂに高電圧が印加されることがない。

トランス３２の両巻線ともに直列にコンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂが接続されるため、交流発生回路ＰＬｎの出力状態に関わらず、トランス３２の両巻線に直流電流が流れることはない。

相対的に電圧Ｖｎの高い任意の電池モジュールＥｎを放電させ、他の相対的に電圧Ｖｎの低い任意の電池モジュールＥｎを充電する交流動作については、トランス３２が直結している（トランス結合している）と考えればよく、上記した比較例１の場合と同様になる。

一例を示せば、図９の動作説明図に示すように、遮断スイッチ３０とスイッチ素子ＳＷ１が閉状態のときに、交流発生回路ＰＬ４を動作させると、図４及び図５を参照して説明したように、制御端子Ａ４には、０［Ｖ］とＶ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生し、制御端子Ａ３には、Ｖ４［Ｖ］と２×Ｖ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生し、制御端子Ａ２には、Ｖ３＋Ｖ４［Ｖ］とＶ３＋２×Ｖ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生し、制御端子Ａ１には、Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４［Ｖ］とＶ２＋Ｖ３＋２×Ｖ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生するので、電池モジュールＥ４を放電して電池モジュールＥ１を充電することができる。

なお、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂの充電方向と放電方向の双方向で均一な動作をさせるためには、トランス３２の巻線比は１：１とすることが好ましい。

トランス３２の１次インダクタンス及び２次インダクタンスについては、交流発生回路ＰＬｎの発振周波数に対しインピーダンスが充分に大きくなるよう選択することが好ましい。１次巻線と２次巻線間の双方向で、トランス３２を伝送する交流波形（特に、繰り返し方形波の中域部分と低域部分）の歪（ドループ）を少なくするためである。換言すれば、繰り返し方形波である交流信号について、１次巻線と２次巻線間で波形がそのまま伝送される理想トランス的にトランス３２を動作させるためである。

実施例１では、遮断スイッチ３０に並列的にトランス３２を挿入しているが、他の電池モジュールＥｎ間に、さらに遮断スイッチが設けられた場合には、その遮断スイッチに並列的にトランスを挿入し、該当のコンデンサを直列に２分割すればよい。以下の例でも同様である。

［実施例１の構成、作用効果のまとめ］
上述した実施例１に係る充放電装置２４Ａは、図８に示すように、少なくとも１つ以上のセルからなる電池モジュールＥｎが直列に接続された組電池２２の電池モジュールＥｎの充電量をそれぞれ独立に調整する充放電装置２４Ａであって、各電池モジュールＥｎの正極と負極とに接続される、回路ブロックＭＯＤｎを備え、回路ブロックＭＯＤｎは、各電池モジュールＥｎに接続する正極端子Ｐｎ及び負極端子Ｎｎと、正極端子Ｐｎと負極端子Ｎｎとに接続され、電池モジュールＥｎを電力源として交流電圧を発生する交流発生回路ＰＬｎと、前記交流電圧を整流する整流回路ＢＲｎと、交流発生回路ＰＬｎの出力側と整流回路ＢＲｎの入力側とを接続し、前記交流電圧が印加される制御端子Ａｎと、正極端子Ｐｎと負極端子Ｎｎとの少なくとも一方と整流回路ＢＲｎの出力端子との間を断続するスイッチ素子ＳＷｎと、隣接する回路ブロックＭＯＤｎ、ＭＯＤｎの制御端子Ａｎ、Ａｎ間を接続するコンデンサＣｎと、少なくとも１組の隣接する電池モジュールＥ２、Ｅ３の間に介在された遮断スイッチ３０と、隣接する電池モジュールＥ２、Ｅ３に対応する制御端子Ａ２、Ａ３間に介在されたトランス３２と、を有する。

この実施例１によれば、少なくとも１組の隣接する電池モジュールＥ２、Ｅ３の間に介在された遮断スイッチ３０が開放されたとき、隣接する電池モジュールＥ２、Ｅ３に対応する制御端子Ａ２、Ａ３間に介在されたトランス３２の直流絶縁作用下に、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂに高電圧が印加されなくなるので、遮断スイッチ３０を介在させても、高耐圧のコンデンサを用いる必要がない。

［実施例１の変形例Ａ］
図１０は、実施例１の変形例Ａの充放電装置２４Ｂを備える充放電システム２０Ｂの構成と動作を示す回路説明図である。

図３に示したように、交流発生回路ＰＬｎは、当該交流発生回路ＰＬｎの交流出力端子Ａと、ダイオードＤ３のカソード端子とダイオードＤ４のアノード端子の接続点と、の間にインダクタＬ１を備える。このインダクタＬ１のインピーダンスが矩形波電源ＥＰの発振周波数で、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂのインピーダンスに比較してハイインピーダンス（高インピーダンス）となるように選択すれば、すなわち、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂのインピーダンスが交流発生回路ＰＬｎの出力インピーダンスに比較して無視できるほど小さくなるように設計すれば、図１０の実施例１の変形例Ａに示すように、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂは、当該発振周波数で短絡（図１０で、コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂは、短絡線３４ａ、３４ｂとしている。）しているのと等価となる。

この場合においても、動作について、一例を示せば、図１０中で説明しているように、遮断スイッチ３０とスイッチ素子ＳＷ１が閉状態のときに、交流発生回路ＰＬ４を動作させると、図４及び図５を参照して説明したように、制御端子Ａ４には、０［Ｖ］とＶ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生し、制御端子Ａ３には、Ｖ４［Ｖ］と２×Ｖ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生し、制御端子Ａ２には、Ｖ３＋Ｖ４［Ｖ］とＶ３＋２×Ｖ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生し、制御端子Ａ１には、Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４［Ｖ］とＶ２＋Ｖ３＋２×Ｖ４［Ｖ］間で変化する繰り返し方形波が発生するので、電池モジュールＥ４を放電して電池モジュールＥ１を充電することができる。

このように、実施例１の変形例Ａでは、トランス３２に接続されたコンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂ（図９参照）は、トランス３２で交流電力を伝送することができるので、省略することができる。

［実施例１の変形例Ｂ］
図１１は、実施例１の変形例Ｂの充放電装置２４Ｃを備える充放電システム２０Ｃの構成と動作を示す回路説明図である。

コンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂをトランス３２の、いわゆるホット側（電位が動く側）ではなく、いわゆるコールド側（電位が動かない側）である基準電位（交流アース）側に挿入している。

この場合には、トランス３２の１次インダクタンス及び２次インダクタンスが、交流発生回路ＰＬｎの発振周波数及びコンデンサＣ２ａ、Ｃ２ｂに対しインピーダンスが充分に大きくなるよう選択することが好ましい。

この場合の作用効果は、制御端子Ａ１〜Ａ４の交流電圧の変化を図１１に記載しているように、図１０例と同様であるので、その説明を省略する。

［実施例１の変形例Ｃ及び変形例Ｄ］
図１２は、実施例１の変形例Ｃの充放電装置２４Ｄを備える充放電システム２０Ｄの構成と動作を示す回路説明図である。

図１３は、実施例１の変形例Ｄの充放電装置２４Ｅを備える充放電システム２０Ｅの構成と動作を示す回路説明図である。

すなわち、図７及び図９に示した実施例１の充放電装置２４Ａに対して、トランス３２の基準電位側は、交流発生回路ＰＬｎの出力信号である繰り返し方形波に対して基準電位（交流アース）として作用する回路点であればよいので、遮断スイッチ３０の両端に限られるものではなく、例えば、トランス３２の１次コイルの基準電位側を電池モジュールＥ２の正極端子Ｐ２に接続したり（図１２）、トランス３２の２次コイルの基準電位側を電池モジュールＥ３の負極端子Ｎ３に接続したり（図１３）しても、回路の作用効果は同様である。

［３．比較例２の構成及び動作の説明］
図１４は、比較例２の構成を示す回路図である。

上述した図１の比較例１では、直列接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３が一列であったが、比較例２では、２列になっている。３列以上にすることもできる。

図１４は、直列接続された３個のコンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５と、直列接続された他の３個のコンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ６と２列の場合の充放電装置４４を備える充放電システム４０の回路図である。

図１５は、この充放電システム４０に用いる整流回路ＢＲｎの回路図である。

図１６は、この充放電システム４０に用いる交流発生回路ＰＬｎの回路図である。

図１４において、充放電システム４０は、中央に遮断スイッチ３０が接続された直列接続の電池モジュールＥ１〜Ｅ４からなる組電池２２と、充放電装置４４とを備え、充放電装置４４は、回路ブロック（制御モジュールともいう。）ＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４（代表して回路ブロックＭＯＤｎともいう。）と、コンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５と、コンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ６と、各部を制御する制御部としてのＥＣＵ２６とを備える。

回路ブロックＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４は、それぞれ、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４（代表してＳＷｎともいう。）と、整流回路ＢＲ１、ＢＲ２、ＢＲ３、ＢＲ４（代表してＢＲｎともいう。）と、交流発生回路ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４（代表してＰＬｎともいう。）と、を備える。

図１５に示すように、整流回路ＢＲｎは、正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎと、２つの交流入力端子Ａ、Ｂと、を備え、交流電圧を整流する。

図１６に示すように、交流発生回路ＰＬｎは、正極入力端子ＶＰ、及び負極入力端子ＶＮと、２つの交流出力端子Ａ、Ｂを備え、電池モジュールＥｎの電圧を用いて２相（互いに逆相）の矩形波電圧（一の交流電圧とこの一の交流電圧に対して位相が反転した逆相の他の交流電圧）を発生している。

整流回路ＢＲｎの正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎと、交流発生回路ＰＬｎの正極入力端子ＶＰ、及び負極入力端子ＶＮの入力側は、比較例１（図１）の構成と同様であるので、整流回路ＢＲｎの交流入力端子Ａ、Ｂと、交流発生回路ＰＬｎの交流出力端子Ａ、Ｂの出力側の構成について説明する。

図１４に示すように、回路ブロックＭＯＤ１は、整流回路ＢＲ１の交流入力端子Ａと交流発生回路ＰＬ１の交流出力端子Ａと制御端子Ａ１とが接続され、整流回路ＢＲ１の交流入力端子Ｂと交流発生回路ＰＬ１の交流出力端子Ｂと制御端子Ｂ１（他の制御端子）とが接続されている。

以下、回路ブロックＭＯＤ２、ＭＯＤ３も同様に接続され、回路ブロックＭＯＤ４も同様に、整流回路ＢＲ４の交流入力端子Ａと交流発生回路ＰＬ４の交流出力端子Ａと制御端子Ａ４とが接続され、整流回路ＢＲ４の交流入力端子Ｂと交流発生回路ＰＬ４の交流出力端子Ｂと制御端子Ｂ４（他の制御端子）とが接続されている。

図１４において、コンデンサＣ１は、制御端子Ａ１と制御端子Ａ２との間に、コンデンサＣ３は、制御端子Ａ２と制御端子Ａ３との間に、コンデンサＣ５は、制御端子Ａ３と制御端子Ａ４との間に接続されている点は、比較例１（図１参照）と同様である。

しかしながら、図１４において、コンデンサＣ２が、制御端子Ｂ１と制御端子Ｂ２との間に、コンデンサＣ４が、制御端子Ｂ２（他の制御端子）と制御端子Ｂ３（他の制御端子）との間に、コンデンサＣ６が、制御端子Ｂ３と制御端子Ｂ４との間に接続されている点が比較例１と異なる。

上記したように、図１５は、図１４の比較例２の整流回路ＢＲｎの詳細回路図である。整流回路ＢＲｎは、４本のダイオードＤ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８を備え、ブリッジ整流回路を構成している。すなわち、整流回路ＢＲｎは、ダイオードＤ５、Ｄ７のカソード端子が正極端子Ｐに接続され、ダイオードＤ６、Ｄ８のアノード端子が負極端子Ｎに接続され、ダイオードＤ５のアノード端子とダイオードＤ６のカソード端子とが交流入力端子Ａに接続され、ダイオードＤ７のアノード端子とダイオードＤ８のカソード端子とが交流入力端子Ｂに接続されている。これにより、整流回路ＢＲｎは、交流入力端子Ａ、Ｂに印加された交流入力電圧が全波整流され、整流電圧が正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎに出力される。言い換えれば、交流入力端子Ａを介して流れる交流電流が整流されて正極端子Ｐ及び負極端子Ｎを介して直流電流が流れる。また、交流入力端子Ｂを介して流れる交流電流が整流されて正極端子Ｐ及び負極端子Ｎを介して直流電流が流れる。

上記したように、図１６は、図１４の比較例２の交流発生回路ＰＬｎの回路図である。交流発生回路ＰＬｎは、ＯＲゲートＯＲａ、ＯＲｂと、ＡＮＤゲートＡＮＤａ、ＡＮＤｂと、インバータＩＮＶ、ＩＮＶａ、ＩＮＶｂと、バッファＢＦと、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３、Ｍ５と、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４、Ｍ６と、ダイオードＤ９、Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ１２と、矩形波電源ＥＰと、インダクタＬ２、Ｌ３とを備えている。インダクタＬ２、Ｌ３は、配線のインダクタンスを利用することもできる。

矩形波電源ＥＰは、インバータＩＮＶとバッファＢＦに接続されており、バッファＢＦの出力はＯＲゲートＯＲａの入力端子ＢとＡＮＤゲートＡＮＤａの入力端子Ｃとに接続され、インヒビット端子ＩＮＨは、ＡＮＤゲートＡＮＤａの入力端子ＤとインバータＩＮＶａの入力端子とに接続され、このインバータＩＮＶａの出力がＯＲゲートＯＲａの入力端子Ａに接続されている。

ＯＲゲートＯＲａの出力端子ＯＵＴ１は、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３のゲート端子に接続され、ＡＮＤゲートＡＮＤａの出力端子ＯＵＴ２は、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のゲート端子に接続されている。

ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３のソース端子は正極入力端子ＶＰに接続され、ドレイン端子はダイオードＤ９、Ｄ１０を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のドレイン端子に接続されている。ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のソース端子は、負極入力端子ＶＮに接続されている。ダイオードＤ９、Ｄ１０の接続点がインダクタＬ２を介して交流出力端子Ａに接続されている。

ＯＲゲートＯＲｂとＡＮＤゲートＡＮＤｂとインバータＩＮＶｂと、矩形波電源ＥＰと、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５と、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６とダイオードＤ１１、Ｄ１２との回路は、図３の交流発生回路ＰＬｎの回路と同様であるので説明を省略する。

インバータＩＮＶの出力は、ＯＲゲートＯＲｂの入力端子ＦとＡＮＤゲートＡＮＤｂの入力端子Ｇとに接続され、インヒビット端子ＩＮＨは、ＡＮＤゲートＡＮＤｂの入力端子ＨとインバータＩＮＶｂの入力端子とに接続され、このインバータＩＮＶｂの出力がＯＲゲートＯＲｂの入力端子Ｅに接続されている。

ＯＲゲートＯＲｂの出力端子ＯＵＴ３は、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５のゲートに接続され、ＡＮＤゲートＡＮＤｂの出力端子ＯＵＴ４は、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のゲートに接続されている。

ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５のソース端子は、正極入力端子ＶＰに接続され、ドレイン端子はダイオードＤ１１、Ｄ１２を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のドレイン端子に接続されている。ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のソース端子は、負極入力端子ＶＮに接続されている。

ダイオードＤ１１、Ｄ１２の接続点からインダクタＬ３を介して交流出力端子Ｂに接続されている。

この構成により、交流発生回路ＰＬｎは、交流出力端子Ａ（Ａｎ）、Ｂ（Ｂｎ）に、矩形波電源ＥＰに同期して、互いに反転した矩形波電圧（矩形波繰り返し電圧）を出力する。

すなわち、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４とを交互にオン・オフし、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６とが逆位相で交互にオン・オフすることにより、交流出力端子Ａ、Ｂを介して位相反転した矩形波電流を出力することができる。

図１４において、遮断スイッチ３０を、閉状態とし、電池モジュールＥ４の電圧Ｖ４は、電池モジュールＥ１の電圧Ｖ１よりも高いとする。ここで、スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にし、スイッチ素子ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４をオフ状態に設定する。そして、交流発生回路ＰＬ４を動作させ、その交流出力端子Ａ、Ｂに交流電圧を出力すると、制御端子Ａ４、Ｂ４の電位は、各々、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４、及び負極端子Ｎ４の電位を往復（遷移）する。

制御端子Ａ１、Ｂ１の電位が交互に反転することにより、整流回路ＢＲ１、及びスイッチ素子ＳＷ１を介して電池モジュールＥ１が充電され、電池モジュールＥ４は放電される。

なお、スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４の選択により、制御モジュールＭＯＤ１、ＭＯＤ２、ＭＯＤ３、ＭＯＤ４が同様に動作する。

このようにして、比較例２の充放電装置４４では、遮断スイッチ３０が閉じられているときに、充電電圧が相対的に高電圧のいずれかの電池モジュールＥｎを放電し、充電電圧が相対的に低電圧のいずれかの電池モジュールＥｎを充電することができる。

しかしながら、比較例２の充放電装置４４では、図３７及び図３８を参照して説明したように、組電池２２の最高電位（図１７例の場合には、電池モジュールＥ１の正極端子に現れる電位Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４［Ｖ］）と最小電位（図１７例の場合には、電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４に現れる電位０［Ｖ］）間に、図１７に示すように、負荷１０６が接続されているとき、遮断スイッチ３０を開放状態にすると、コンデンサＣ３、Ｃ４には、Ｖ２＋Ｖ１＋Ｖ４の逆電圧がかかってしまう。実際上、電池モジュールＥｎの数は多数であり、合成電圧として、数百Ｖ程度である場合には、ほとんどその数百Ｖ程度の逆電圧が、遮断スイッチ３０の開放を原因としてコンデンサＣ３、Ｃ４にかかってしまうので、コンデンサＣ３、Ｃ４には高耐圧のコンデンサが必要とされる。

そこで、次に、図１４に示したように、組電池２２に遮断スイッチ３０を設けた場合であっても、コンデンサＣ３、Ｃ４に高耐圧のコンデンサを用いる必要がないこの発明の実施例２及びその変形例の構成及び動作について説明する。なお、考え方の基本は実施例１及びその変形例と同様であるので、その詳細な説明は省略し、簡易に説明する。

［４．実施例２及びその変形例の構成及び動作の説明］
図１４に示した比較例２の構成に対し、実施例２では、図１８に示すように、充放電システム４０Ａの充放電装置４４Ａを構成する回路ブロックＭＯＤ２と回路ブロックＭＯＤ３を接続するコンデンサＣ３、Ｃ４をそれぞれ２つずつの直列接続したコンデンサＣ３ａ、Ｃ３ｂとコンデンサＣ４ａ、Ｃ４ｂに置き換え、それぞれのコンデンサの間にトランス４６を配置する。

トランス４６の１次巻線の一端をコンデンサＣ３ａに接続し、他端をコンデンサＣ４ａに接続する。また、トランス４６の２次巻線の一端をコンデンサＣ３ｂに接続し、他端をコンデンサＣ４ｂに接続する。

遮断スイッチ３０が開状態となった場合において、交流を伝達する経路がトランス４６により直流的に１次側と２次側とに分離されているので、図１９の電圧印加図に示すように、コンデンサＣ３ａ、Ｃ３ｂ、Ｃ４ａ、Ｃ４ｂに高電圧が印加されることがない。

この場合においても、トランス４６の両巻線ともに直列にコンデンサが接続されるため、交流発生回路ＰＬｎの出力状態に係わらず、トランス４６の巻線に直流電圧が連続的に印加されることはない。

なお、任意の電池モジュールＥｎを放電させて、別の任意の電池モジュールＥｎを充電する動作については比較例１及び実施例１で説明した場合と同様であるので省略するが、この実施例２によれば、１つの電池モジュールＥ４を放電して、他の１つの電池モジュールＥ１に充電する際、全波整流により充電効率を高くすることができ、又充電時間を短くすることができる。

図７の実施例１と同様に、トランス４６の両巻線の双方向で均一な動作をさせるためには、トランス４６の巻線比は１：１が好適である。

この場合においても、トランス４６の１次インダクタンス及び２次インダクタンスについては、交流発生回路ＰＬｎの発振周波数に対しインピーダンスが充分に大きくなるよう選択することが好適である。

図１８例の実施例２の充放電装置４４Ａを備える充放電システム４０Ａに対し、種々の変形例を説明する。

図２０は、実施例２の変形例Ａの充放電装置４４Ｂを備える充放電システム４０Ｂの構成を示す回路図である。

図２１は、実施例２の変形例Ｂの充放電装置４４Ｃを備える充放電システム４０Ｃの構成を示す回路図である。

上述した図１８の実施例２の充放電装置４４Ａでは、コンデンサＣ３ａとトランス４６の１次巻線とコンデンサＣ４ａとが、直列に接続されている。そこで、図２０例の充放電装置４４Ｂ及び図２１例の充放電装置４４Ｃでは、２つのコンデンサＣ３ａ、Ｃ４ａを１つにまとめた構成として、コンデンサＣ３ａとコンデンサＣ４ａのいずれかを省略することができる。同様に、２次巻線側のコンデンサＣ３ｂとコンデンサＣ４ｂのいずれかを省略することができる。

［５．比較例３の構成及び動作の説明］
図２２は、比較例３の充放電装置５２を備える充放電システム５０の構成を示す回路図である。

図２３は、図２２の充放電装置５２を構成する交流発生回路ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４（代表してＰＬｎという。）の回路図である。

すなわち、比較例３の充放電装置５２では、図１４に示した比較例２の充放電装置４４におけるコンデンサＣ１、Ｃ３、及びＣ５の直列回路を、図２２の充放電装置５２に示すように、コンデンサＣ１とインダクタＬ１の直列回路、コンデンサＣ３とインダクタＬ３の直列回路、及びコンデンサＣ５とインダクタＬ５の直列回路に置き換えるとともに、図１４に示した比較例２の充放電装置４４におけるコンデンサＣ２、Ｃ４、Ｃ６の直列回路を、図２２の充放電装置５２に示すように、コンデンサＣ２とインダクタＬ２の直列回路、コンデンサＣ４とインダクタＬ４の直列回路、及びコンデンサＣ６とインダクタＬ６の直列回路に置き換えている。

また、図２２の充放電装置５２を構成する図２３に示した交流発生回路ＰＬｎは、図１６に示した比較例２の充放電装置４４を構成する交流発生回路ＰＬｎにおける出力段のインダクタＬ２、Ｌ３を抵抗Ｒ１、Ｒ２に置き換えている。

このような回路構成にすることにより各制御モジュールＭＯＤｎの充電電流を均一にすることができるので、さらに構成を説明するとともに、その動作について以下に説明する。

図２２の充放電装置５２において、コンデンサＣ１とインダクタＬ１との直列回路が制御端子Ａ１と制御端子Ａ２との間に接続され、コンデンサＣ２とインダクタＬ２の直列回路が制御端子Ｂ１と制御端子Ｂ２との間に接続され、コンデンサＣ３とインダクタＬ３の直列回路が制御端子Ａ２と制御端子Ａ３との間に接続され、コンデンサＣ４とインダクタＬ４の直列回路が制御端子Ｂ２と制御端子Ｂ３との間に接続され、コンデンサＣ５とインダクタＬ５の直列回路が制御端子Ａ３と制御端子Ａ４との間に接続され、コンデンサＣ６とインダクタＬ６の直列回路が制御端子Ｂ３と制御端子Ｂ４との間に接続され交流電路が構成されている。

ここで、図２２に示す比較例３の充放電装置５２において、最下段の電池モジュールＥ４の制御モジュールＭＯＤ４に接続された交流発生回路ＰＬ４から、最上段の電池モジュールＥ１を充電する場合と、最下段の電池モジュールＥ４の制御モジュールＭＯＤ４に接続された交流発生回路ＰＬ４から、２段目の電池モジュールＥ２を充電する場合と、最下段の電池モジュールＥ４の制御モジュールＭＯＤ４に接続された交流発生回路ＰＬ４から、３段目の電池モジュールＥ３を充電する場合について説明する。

図２４は、図２２に示す比較例３の充放電装置５２において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路（交流等価回路）１２４であり、図２５は、図２２に示す比較例３の充放電装置５２において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路（交流等価回路）１２５である。さらに、図２６は、図２２に示す比較例３の充放電装置５２において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路（交流等価回路）１２６である。

なお、図２４の等価回路１２４は、図２２の充放電装置５２の回路ブロックＭＯＤ１〜ＭＯＤ４のスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４中、回路ブロックＭＯＤ１のスイッチ素子ＳＷ１のみをオン状態とし、かつ図２２の充放電装置５２の回路ブロックＭＯＤ１〜ＭＯＤ４の交流発生回路ＰＬ１〜ＰＬ４中、交流発生回路ＰＬ４のみ交流動作させた場合に対応する。また、図２５の等価回路１２５は、図２２の充放電装置５２の回路ブロックＭＯＤ１〜ＭＯＤ４のスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４中、回路ブロックＭＯＤ２のスイッチ素子ＳＷ２のみをオン状態とし、かつ図２２の充放電装置５２の回路ブロックＭＯＤ１〜ＭＯＤ４の交流発生回路ＰＬ１〜ＰＬ４中、交流発生回路ＰＬ４のみ交流動作させた場合に対応する。さらに、図２６の等価回路１２６は、図２２の充放電装置５２の回路ブロックＭＯＤ１〜ＭＯＤ４のスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４中、回路ブロックＭＯＤ１のスイッチ素子ＳＷ３のみをオン状態とし、かつ図２２の充放電装置５２の回路ブロックＭＯＤ１〜ＭＯＤ４の交流発生回路ＰＬ１〜ＰＬ４中、交流発生回路ＰＬ４のみ交流動作させた場合に対応する。

図２７は、図２４、図２５、図２６の各等価回路１２４、１２５、１２６における電流ゲインの周波数特性であり、横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。

すなわち、最下段の電池モジュールＥ４の交流発生回路ＰＬ４から最上段の電池モジュールＥ１を充電する場合の簡略化した等価回路１２４は図２４のようになり、同じ交流発生回路ＰＬ４から２段目の電池モジュールＥ２を充電する場合の等価回路１２５は図２５のようになり、さらに、同じ交流発生回路ＰＬ４から３段目の電池モジュールＥ３を充電する場合の等価回路１２６は図２６のようになり、それぞれ直列個数の異なるＬＣ（ＬｎＣｎ）の共振回路となっている。

このようなＬＣの共振回路にすることにより、図２４、図２５、図２６の各等価回路１２４、１２５、１２６における電流ゲインの周波数特性は、図２７に示すように、充電電流のピーク値を示す共振周波数ｆ４が同じで電流ゲインの減衰特性が異なる特性を示している。すなわち、図２４、図２５、図２６のいずれの等価回路１２４、１２５、１２６の場合も、交流発生回路ＰＬ４の共振周波数ｆ４が同じ値において各充電電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３のピーク値はほぼ同じ値となっている。これにより、各電池モジュールＥ１〜Ｅ４に対する交流発生回路ＰＬ１〜ＰＬ４の矩形波電源（矩形波発生電源）ＥＰの交流繰り返し周波数を共振周波数ｆ４と同じ値に設定すれば、いずれの電池モジュールＥｎの組合せの充放電ルートにおいても同じ値の充放電電流を流すことができるので、各電池モジュールＥｎの充電電圧を均一にすることができる。

なお、図２７に示す電流ゲインの周波数特性は、コンデンサＣ１〜Ｃ６のキャパシタンスは全て等しく１［μＦ］とし、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値はそれぞれ１Ω、インダクタＬ１〜Ｌ６のインダクタンスは全て等しく１０［μＨ］とし、コンデンサＣ１〜Ｃ６とインダクタＬ１〜Ｌ６の直流抵抗成分は、抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値に対して無視できる程度に小さいものとしたときの各等価回路１２４、１２５、１２６における電流ゲインの周波数特性である。

図２７から分かるように、各等価回路でＱ値は異なるものの共振周波数は均一（すなわち、ｆ４＝５０．３５［ｋＨｚ］）であるので、上述したように、各交流発生回路ＰＬ１〜ＰＬ４の矩形波電源ＥＰの交流繰り返し周波数を共振周波数ｆ４と等しくすることで、放電する電池モジュールＥｎと充電される電池モジュールＥｎとの選択の如何によらず充放電の電流量を一定にすることができる。

しかしながら、図２２に示す比較例３の充放電装置５２では、図３７及び図３８を参照して説明したように、組電池２２の最高電位（図１例の場合には、電池モジュールＥ１の正極端子Ｐ１に現れる電位Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３＋Ｖ４［Ｖ］）と最小電位（図１例の場合には、電池モジュールＥ４の負極端子Ｎ４に現れる電位０［Ｖ］）間に、図２８に示すように、負荷１０６が接続されているとき、遮断スイッチ３０を開放状態にすると、コンデンサＣ３、Ｃ４には、Ｖ２＋Ｖ１＋Ｖ４の逆電圧がかかってしまう。実際上、電池モジュールＥｎの数は多数であり、合成電圧として、数百Ｖ程度である場合には、ほとんどその数百Ｖ程度の逆電圧が、コンデンサＣ３、Ｃ４にかかってしまい高耐圧のコンデンサが必要になる。

そこで、次に、組電池２２に遮断スイッチ３０を設けた場合であっても、コンデンサＣ３、Ｃ４に高耐圧のコンデンサを用いる必要のないこの発明の実施例３及びその変形例の構成及び動作について説明する。なお、考え方の基本は実施例１及びその変形例と同様であるので、その詳細な説明は省略し、簡易に説明する。

［６．実施例３の構成及び動作の説明］
図２２に示した比較例３の構成に対し、図２９に示す実施例３では、充放電システム５０Ａの充放電装置５２Ａを構成する回路ブロックＭＯＤ２と回路ブロックＭＯＤ３を接続するコンデンサＣ３、Ｃ４をそれぞれ２つずつの直列接続したコンデンサＣ３ａ、Ｃ３ｂとコンデンサＣ４ａ、Ｃ４ｂに置き換え、それぞれのコンデンサの間にトランス５６を配置する。

トランス５６の１次巻線の一端をコンデンサＣ３ａに接続し、他端をコンデンサＣ４ａに接続する。また、トランス５６の２次巻線の一端をコンデンサＣ３ｂに接続し、他端をコンデンサＣ４ｂに接続する。

遮断スイッチ３０が開状態となった場合において、交流を伝達する経路がトランス５６により直流的に１次側と２次側とに分離されているので、図３０の電圧印加図に示すように、コンデンサＣ３ａ、Ｃ３ｂ、Ｃ４ａ、Ｃ４ｂには、高電圧が印加されることがない。

この場合においても、トランス５６の両巻線ともに直列にコンデンサが接続されるため、交流発生回路ＰＬｎの出力状態に関わらず、トランス４６の巻線に直流電圧が連続的に印加されることはない。

任意の電池モジュールＥｎを放電させて、別の任意の電池モジュールＥｎを充電する動作については比較例２で説明した場合と同様であるので、その説明を省略する。

実施例１、２と同様に、図２９の実施例３においても、トランス５６の両巻線の双方向で均一な動作をさせるためには、トランス５６の巻線比は１：１が好適である。

この場合においても、トランス５６の１次インダクタンス及び２次インダクタンスについては，交流発生回路ＰＬｎの発振周波数に対しインピーダンスが充分に大きくなるよう選択することが好適である。

図２９の実施例３の充放電装置５２Ａを備える充放電システム５０Ａに対して、種々、変形例を挙げる。

図３１は、実施例３の変形例Ａの充放電装置５２Ｂを備える充放電システム５０Ｂの構成を示す回路図である。

図３２は、実施例３の変形例Ｂの充放電装置５２Ｃを備える充放電システム５０Ｃの構成を示す回路図である。

図３３は、実施例３の変形例Ｃの充放電装置５２Ｄを備える充放電システム５０Ｄの構成を示す回路図である。

図３４は、実施例３の変形例Ｄの充放電装置５２Ｅを備える充放電システム５０Ｅの構成を示す回路図である。

上述した図２９の実施例３の充放電装置５２Ａでは、コンデンサＣ３ａとトランス５６の１次巻線とコンデンサＣ４ａとが直列に接続されているので、図３１、図３２の実施例３の変形例Ａ、Ｂの充放電装置５２Ｂ、５２Ｃでは、２つのコンデンサを１つにまとめた構成とし、コンデンサＣ３ａとコンデンサＣ４ａのいずれかを省略することができる。同様にコンデンサＣ３ｂとコンデンサＣ４ｂのいずれかを省略することができる。

図３３の実施例３の変形例Ｃの充放電装置５２Ｄの構成を示す回路図、及び図３４の実施例３の変形例Ｄの充放電装置５２Ｅの構成を示す回路図に示すように、コンデンサ、インダクタとトランスの位置関係は、順番を入れ替えても同様の効果を得ることができ、入れ替える際に、任意の回路ブロックＭＯＤｎ間に形成される交流電路の合成インダクタンスと合成キャパシタンスの積を一定とする条件を維持していれば、素子の数量を増減させても同様の効果を得ることができる。

例えば、図３３の実施例３の変形例Ｃの充放電装置５２Ｄでは、制御端子Ａ３と制御端子Ａ４間のコンデンサＣ５とインダクタＬ５のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ｂ３と制御端子Ｂ４間のコンデンサＣ６とインダクタＬ６のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ａ３と制御端子Ｂ３間のコンデンサＣ４ｂとインダクタＬ４のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ａ２と制御端子Ｂ２間のコンデンサＣ３ａとインダクタＬ３のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ｂ２と制御端子Ｂ１間のコンデンサＣ２とインダクタＬ２のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ａ１と制御端子Ａ２間のコンデンサＣ１とインダクタＬ１のキャパシタンスとインダクタンスの積とが、それぞれ同一の値になっていればよい。

同様に、図３４の実施例３の変形例Ｄの充放電装置５２Ｅでは、制御端子Ａ３と制御端子Ａ４間のコンデンサＣ５とインダクタＬ５のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ｂ３と制御端子Ｂ４間のコンデンサＣ６とインダクタＬ６のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ａ３と制御端子Ｂ３間のコンデンサＣ３ｂとインダクタＬ４キャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ａ２と制御端子Ｂ２間のコンデンサＣ３ａとインダクタＬ３のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ｂ２と制御端子Ｂ１間のコンデンサＣ２とインダクタＬ２のキャパシタンスとインダクタンスの積と、制御端子Ａ１と制御端子Ａ２間のコンデンサＣ１とインダクタＬ１のキャパシタンスとインダクタンスの積とが、それぞれ同一の値になっていればよい。

図２９の実施例３の充放電装置５２Ａにおいて、トランス５６の漏れインダクタンスが無視できない大きさである場合、インダクタとコンデンサで形成される交流電路に対して、漏れインダクタンス成分を直列に挿入したことと等価であるため、トランス５６を経由した場合の交流電路と経由しない場合の交流電路とでは、合成インダクタンスと合成キャパシタンスの積が一致しなくなる。

そこで、この場合には、トランス５６に隣接して配置するインダクタもしくはコンデンサの値を調整することで、同様の効果を得ることができる。

図３５は、漏れインダクタンスを考慮しない場合において、電圧Ｖ１の電池モジュールＥ１を放電し、電圧Ｖ４（Ｖ４＜Ｖ１）の電池モジュールＥ４を充電する場合の、インダクタもしくはコンデンサの値を調整した実施例３の変形例Ｅの等価回路１３５の回路図を示す。

図３６は、漏れインダクタンスＬｅ１、Ｌｅ２を考慮した場合において、電圧Ｖ１の電池モジュールＥ１を放電し、電圧Ｖ４（Ｖ４＜Ｖ１）の電池モジュールＥ４を充電する場合の、トランス５６に隣接して配置するインダクタもしくはコンデンサの値を調整した実施例３の変形例Ｆの等価回路１３６の回路図を示している。

なお、トランス５６に隣接して配置するインダクタもしくはコンデンサの値を調整するのに代替して、トランス５６を経由する場合としない場合で交流発生回路ＰＬｎの発振周波数を可変とすることで、同様の効果を得ることができる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

Claims (3)

1. 少なくとも１つ以上のセルからなる電池モジュール（Ｅｎ）が直列に接続された組電池（２２）の前記電池モジュール（Ｅｎ）の充電量をそれぞれ独立に調整する充放電装置（２４Ａ）であって、
   各前記電池モジュール（Ｅｎ）の正極と負極とに接続される回路ブロック（ＭＯＤｎ）を備え、
   前記回路ブロック（ＭＯＤｎ）は、
   各前記電池モジュール（Ｅｎ）に接続する正極端子（Ｐｎ）及び負極端子（Ｎｎ）と、
   前記正極端子（Ｐｎ）と前記負極端子（Ｎｎ）とに接続され、前記電池モジュール（Ｅｎ）を電力源として交流電圧を発生する交流発生回路（ＰＬｎ）と、
   前記交流電圧を整流する整流回路（ＢＲｎ）と、
   前記交流発生回路（ＰＬｎ）の出力側と前記整流回路（ＢＲｎ）の入力側とを接続し、前記交流電圧が印加される制御端子（Ａｎ）と、
   前記正極端子（Ｐｎ）と前記負極端子（Ｎｎ）との少なくとも一方と前記整流回路（ＢＲｎ）の出力端子との間を断続するスイッチ素子（ＳＷｎ）と、
   隣接する前記回路ブロック（ＭＯＤｎ，ＭＯＤｎ）の前記制御端子（Ａｎ，Ａｎ）間を接続するコンデンサ（Ｃｎ）と、
   少なくとも１組の隣接する電池モジュール（Ｅ２，Ｅ３）の間に介在された電流遮断スイッチ（３０）と、
   前記隣接する電池モジュール（Ｅ２，Ｅ３）に対応する制御端子（Ａ２，Ａ３）間に介在された絶縁トランス（３２）と、
   を有することを特徴とする充放電装置。
2. 請求項１記載の充放電装置において、
   前記交流発生回路（ＰＬｎ）は、前記交流電圧に対して位相が反転した他の交流電圧を発生し、
   前記回路ブロック（ＭＯＤｎ）は、前記他の交流電圧を出力する他の制御端子（Ｂｎ）をさらに備え、
   前記整流回路（ＢＲｎ）は、前記制御端子（Ａｎ）と、前記他の制御端子（Ｂｎ）との間に印加される電圧を全波整流するものであり、隣接する前記回路ブロック（ＭＯＤｎ，ＭＯＤｎ）の前記他の制御端子（Ｂｎ）間を他のコンデンサ（Ｃｎ）で接続する構成であり、
   前記絶縁トランス（４６）の一次巻線及び二次巻線の一端側を前記制御端子（Ａｎ）と接続し、他端側を前記他の制御端子（Ｂｎ）と接続した
   ことを特徴とする充放電装置。
3. 請求項２記載の充放電装置において、
   前記制御端子（Ａｎ）は、前記コンデンサ（Ｃｎ）と直列に配置されたインダクタ（Ｌｎ）を介して前記絶縁トランス（５６）の一次巻線及び二次巻線の前記一端側と接続され、
   前記他の制御端子（Ｂｎ）は、前記他のコンデンサ（Ｃｎ）と直列に配置されたインダクタ（Ｌｎ）を介して前記絶縁トランス（５６）の一次巻線及び二次巻線の前記他端側と接続されている
   ことを特徴とする充放電装置。

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