JP5827019B2 - バランス補正装置および蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、バランス補正装置および蓄電システムに関する。

直列接続された多数の蓄電セルを使用するときに、蓄電セル間の電圧にバラつきが生じると、蓄電セルの寿命が短くなる場合がある。そこで、インダクタ、スイッチング素子およびスイッチング素子の駆動回路を備え、蓄電セル間の電圧を均等化させるバランス補正回路が提案されている（特許文献１〜３を参照。）。
［先行技術文献］
［特許文献］
（特許文献１）特開２００６−０６７７４８号公報
（特許文献２）特開２００８−０１７６０５号公報
（特許文献３）特開２００９−２３２６６０号公報

バランス補正回路は、電圧の高い蓄電セルから電圧の低い蓄電セルに電荷を移動させることで、蓄電セル間の電圧を均等化させる。しかし、発明者らは、バランス補正回路が電圧の低い蓄電セルから電圧の高い蓄電セルに電荷を移動させる場合があることを見出した。電圧の低い蓄電セルから電圧の高い蓄電セルに電荷が移動した場合、蓄電セル間の電圧の均等化かかる時間が長くなる。

本発明の第１の態様においては、直列に接続された第１の蓄電セルおよび第２の蓄電セルを備える蓄電システムにおいて、第１の蓄電セルおよび第２の蓄電セルの電圧を均等化させるバランス補正装置であって、第１の蓄電セルの一端と第２の蓄電セルの一端との接続点に、一端が電気的に接続されるインダクタと、インダクタの他端と第１の蓄電セルの他端との間に電気的に接続される第１のスイッチング素子と、インダクタの他端と第２の蓄電セルの他端との間に電気的に接続される第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子のオン・オフ動作を制御する制御信号を、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子に供給し、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを交互にオン・オフ動作させる制御信号発生部とを備え、制御信号発生部は、蓄電システムの稼働中に蓄電システムの状態が一時的に充電状態に切り替わることを示す状態遷移信号を受信すると、制御信号の発生を停止するバランス補正装置が提供される。

上記のバランス補正装置において、第１の蓄電セルの他端または第２の蓄電セルの他端と制御信号発生部との間に電気的に接続され、状態遷移信号に基づいて、制御信号発生部への電力の供給を制限する第３のスイッチング素子を有してよい。

上記のバランス補正装置において、第３のスイッチング素子はバイポーラジャンクショントランジスタであってよい。上記のバランス補正装置は、状態遷移信号が入力される状態遷移信号入力端子と、バイポーラジャンクショントランジスタのベースと状態遷移信号入力端子との間に電気的に接続される第１の抵抗素子と、一端が、バイポーラジャンクショントランジスタのベースと第１の抵抗素子との間に電気的に接続され、他端が、第１の蓄電セルの他端または第２の蓄電セルの他端と第３のスイッチング素子との間に電気的に接続される第２の抵抗素子と、をさらに有してよい。

本発明の第２の態様においては、直列に接続された第１の蓄電セルおよび第２の蓄電セルと、第１の蓄電セルおよび第２の蓄電セルの電圧を均等化させる上記のバランス補正装置とを備える蓄電システムが提供される。

本発明の第３の態様においては、輸送装置であって、上記の蓄電システムと、蓄電システムと電気的に接続され、輸送装置の制動時に、輸送装置の運動エネルギーおよび輸送装置の位置エネルギーの少なくとも一方を電気エネルギーに変換するモータと、輸送装置を制動させることまたは輸送装置が制動していることを示す制動信号を発生させる制動信号発生部と、制動信号を受信した場合に、状態遷移信号をバランス補正装置に通知する状態遷移信号発生部とを備える輸送装置が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

蓄電システム１１０を備える装置１００の一例を概略的に示す。 蓄電システム２１０の一例を概略的に示す。 蓄電システム２１０の動作の一例を概略的に示す。 蓄電システム４１０の一例を概略的に示す。 蓄電システム５１０の一例を概略的に示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、図面を参照して、実施形態について説明するが、図面の記載において、同一または類似の部分には同一の参照番号を付して重複する説明を省く場合がある。

図１は、蓄電システム１１０を備える装置１００の一例を概略的に示す。装置１００は、モータ１０２と、制動信号発生部１０４と、状態遷移信号発生部１０６と、蓄電システム１１０とを備える。装置１００は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電気二輪車、鉄道車両、昇降機などの輸送装置であってよい。装置１００は、ＰＣ、携帯電話などの電気機器であってよい。

蓄電システム１１０は、端子１１２と、端子１１４と、蓄電セル１２２、蓄電セル１２４、蓄電セル１２６および蓄電セル１２８を含む直列に接続された複数の蓄電セルと、バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６を含む複数のバランス補正回路とを有する。バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６は、バランス補正装置の一例であってよい。

「電気的に接続される」とは、ある要素と他の要素とが直接接続される場合に限定されない。ある要素と他の要素との間に、第三の要素が介在してもよい。また、ある要素と他の要素とが物理的に接続されている場合に限定されない。例えば、変圧器の入力巻線と出力巻線とは物理的には接続されていないが、電気的には接続されている。さらに、ある要素と他の要素とが現実に電気的に接続されている場合だけでなく、蓄電セルとバランス補正回路とが電気的に接続されたときに、ある要素と他の要素とが電気的に接続される場合をも含む。また、「直列に接続される」とは、ある要素と他の要素とが直列に電気的に接続されていることを示す。

モータ１０２は、蓄電システム１１０に電気的に接続され、蓄電システム１１０の供給する電力を利用する。モータ１０２は、電力負荷の一例であってよい。モータ１０２は、回生ブレーキとして使用されてもよい。モータ１０２は、装置１００の制動時に、装置１００の運動エネルギーおよび装置１００の位置エネルギーの少なくとも一方を電気エネルギーに変換してよい。

制動信号発生部１０４は、装置１００を制動させることを示すブレーキ信号φ１２を発生させてよい。制動信号発生部１０４は、ユーザ等によるブレーキ操作を検出した場合に、ブレーキ信号φ１２を発生させてよい。制動信号発生部１０４は、モータ１０２に駆動力を発生させる操作が解除されたことを検出した場合に、ブレーキ信号φ１２を発生させてよい。装置１００が電気自動車などの車両である場合、モータ１０２に駆動力を発生させる操作は、アクセル操作であってよい。制動信号発生部１０４は、ユーザがアクセルを緩めたことを検出した場合、または、ユーザがアクセルを離したことを検出した場合に、ブレーキ信号φ１２を発生させてよい。

制動信号発生部１０４は、装置１００が制動していることを示す回生信号φ１４を発生させてよい。制動信号発生部１０４は、モータ１０２と電気的に接続され、モータ１０２に流れる電流を検出してよい。制動信号発生部１０４は、モータ１０２が回生電流を発生させていることを検出した場合に、回生信号φ１４を発生させてよい。

制動信号発生部１０４は、ブレーキ信号φ１２および回生信号φ１４の少なくとも１つをバランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６の少なくとも１つに通知してよい。ブレーキ信号φ１２および回生信号φ１４は制動信号の一例であってよい。

状態遷移信号発生部１０６は、制動信号発生部１０４が発生させたブレーキ信号φ１２および回生信号φ１４の少なくとも１つを受信する。状態遷移信号発生部１０６は、ブレーキ信号φ１２および回生信号φ１４の少なくとも１つを受信した場合に、状態遷移信号φ１６をバランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６の少なくとも１つに通知する。

状態遷移信号φ１６は、蓄電システム１１０の稼動中に蓄電システム１１０の状態が一時的に充電状態に切り替わることを示す信号であってよい。状態遷移信号φ１６は、モータ１０２が回生電流を発生させている、または、モータ１０２が回生電流を発生させる可能性があることを示す信号であってよい。「切り替わることを示す」とは、これから切り替わることを示す場合だけでなく、既に切り替わっていることを示す場合をも含む。「これから切り替わる」とは、結果として切り替わった場合だけでなく、切り替わる可能性がある場合をも含む。

蓄電システム１１０は、モータ１０２に電力を供給する放電状態と、電気エネルギーを蓄える充電状態と、装置１００の稼動中に充電も放電もしていない待機状態と、装置１００の電源をオフにするまたはモータ１０２への電力の供給をオフにすることに伴う停止状態とを有してよい。蓄電システム１１０が「稼動中」であるとは、蓄電システム１１０の状態が停止状態でないことを意味する。蓄電システム１１０の状態が放電状態、充電状態および待機状態にあるとき、蓄電システム１１０は稼動中であってよい。

蓄電システム１１０は、装置１００の電源をオフにするまたはモータ１０２への電力の供給をオフにする操作がなされた後、予め定められた条件を満たす場合に停止状態に移行してよい。装置１００の電源をオフにするまたはモータ１０２への電力の供給をオフにする操作は、イグニッションスイッチをオフにする操作であってよい。予め定められた条件は、上記操作がなされた後、予め定められた時間が経過することであってよい。予め定められた条件は、隣接する蓄電セル間の電圧差が予め定められた値より小さいことであってよい。

例えば、モータ１０２が蓄電システム１１０の供給する電力を利用して電気自動車を駆動しているときに、ユーザがブレーキ操作をすると、モータ１０２は回生電流を発生させる。その後、ユーザがアクセル操作をすると、モータ１０２は蓄電システム１１０の供給する電力を利用して電気自動車を再び駆動する。

このように、回生電流が発生している間は、蓄電システム１１０が稼動中であるにもかかわらず、蓄電システム１１０の状態が、一時的に放電状態から充電状態に切り替わる。このとき、状態遷移信号発生部１０６は、バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６の少なくとも１つに、状態遷移信号φ１６を通知してよい。

一方、蓄電システム１１０が外部の充電装置と電気的に接続して、蓄電システム１１０を充電する場合には、蓄電システム１１０の停止状態において、蓄電システム１１０の状態が充電状態に切り替わる。したがって、この場合には、状態遷移信号発生部１０６は、バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６の少なくとも１つに、状態遷移信号φ１６を通知しなくてよい。

状態遷移信号φ１６は、バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６の少なくとも１つの稼動中に蓄電システム１１０の状態が一時的に充電状態に切り替わることを示す信号であってもよい。このとき、バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６は、それぞれの補正対象となる蓄電セル間の電圧差が予め定められた値より小さい場合には、バランス補正機能を停止することが好ましい。

状態遷移信号発生部１０６は、受信した信号に基づいて、状態遷移信号φ１６を発生させてよい。状態遷移信号発生部１０６は、受信した信号と、状態遷移信号φ１６の発生もしくは不発生または停止とを対応付けた信号発生条件を格納してよい。状態遷移信号発生部１０６は、受信した信号と、信号発生条件とに基づいて、状態遷移信号φ１６の発生もしくは不発生または停止を決定してよい。

状態遷移信号発生部１０６は、ブレーキ信号φ１２および回生信号φ１４の少なくとも一方を受信した場合に、状態遷移信号φ１６を発生させてよい。これにより、モータ１０２が回生電流を発生させる前に状態遷移信号φ１６を発生させることができる。また、モータ１０２が回生電流を発生させている場合には、確実に状態遷移信号φ１６を発生させることができる。上記の条件は信号発生条件の一例であってよい。

例えば、装置１００の一例である電気自動車が赤信号で停車している場合には、ユーザがブレーキを踏んでいたとしても、モータ１０２は回生電流を発生させない。そこで、状態遷移信号発生部１０６は、装置１００の速度および加速度が予め定められた値より小さい場合には、ブレーキ信号φ１２を受信しても状態遷移信号φ１６を発生させなくてもよい。状態遷移信号発生部１０６は、図示していない速度検出装置および加速度検出装置から、装置１００の速度および加速度を示す信号を取得してよい。状態遷移信号発生部１０６は、隣接する蓄電セル間の電圧差が予め定められた値より小さい場合には、状態遷移信号φ１６を発生させなくてもよい。上記の条件は信号発生条件の一例であってよい。

状態遷移信号発生部１０６は、ブレーキ信号φ１２を受信してから予め定められた時間が経過しても回生信号φ１４を受信しない場合に、状態遷移信号φ１６の発生を停止してもよい。状態遷移信号発生部１０６は、回生電流の電流値が予め定められた値より小さい場合には、状態遷移信号φ１６の発生を停止してよい。移信号発生部１０６は、蓄電システム１１０の状態が放電状態に切り替わることを示す信号を受信した場合に、状態遷移信号φ１６の発生を停止してよい。状態遷移信号発生部１０６は、装置１００および蓄電システム１１０の少なくとも一方を停止させる信号を受信した場合に、状態遷移信号φ１６の発生を停止してよい。上記の条件は信号発生条件の一例であってよい。

本実施形態において、装置１００が状態遷移信号発生部１０６を備え、状態遷移信号φ１６が、状態遷移信号発生部１０６から蓄電システム１１０に通知される場合について説明した。しかし、状態遷移信号はこれに限定されない。

制動信号発生部１０４は、ブレーキ信号φ１２および回生信号φ１４の少なくとも一方を、バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６の少なくとも１つに通知してよい。この場合、制動信号発生部１０４は、状態遷移信号発生部１０６の一例であってよい。ブレーキ信号φ１２および回生信号φ１４は、状態遷移信号φ１６の一例であってよい。また、ユーザ等によるブレーキ操作を検出する信号、モータ１０２に動力を発生させる操作が解除されたことを検出する信号、モータ１０２が回生電流を発生させていることを検出する信号などは、制動信号の一例であってよい。

蓄電システム１１０は、モータ１０２に電気的に接続され、モータ１０２に電力を供給する。蓄電システム１１０は、図示されない充電装置に電気的に接続され、電気エネルギーを蓄える。

端子１１２および端子１１４は、モータ１０２、充電装置などのシステム外部の装置と、蓄電システム１１０とを電気的に接続する。蓄電セル１２２、蓄電セル１２４、蓄電セル１２６および蓄電セル１２８は、直列に接続される。蓄電セル１２２、蓄電セル１２４、蓄電セル１２６および蓄電セル１２８は、二次電池またはキャパシタであってよい。蓄電セル１２２、蓄電セル１２４、蓄電セル１２６および蓄電セル１２８は、リチウムイオン電池またはリチウムポリマー電池であってよい。蓄電セル１２２、蓄電セル１２４、蓄電セル１２６および蓄電セル１２８のそれぞれは、複数の蓄電セルを含んでもよい。

例えば、蓄電セル１２２と蓄電セル１２４との間で、製造品質、劣化の程度などが異なる場合、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電池特性に差が生じる場合がある。電池特性としては、電池容量、または、放電時間に対する電池電圧の関係を示す放電電圧特性を例示することができる。例えば、蓄電セルの劣化が進行するにつれて、より短い放電時間で電池電圧が低下するようになる。

蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電池特性が異なる場合、蓄電システム１１０の充電完了時に蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧が略同一であったとしても、蓄電システム１１０の放電が進行するにつれて、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧にばらつきが生じる。また、蓄電システム１１０の充電開始時に蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧が略同一であったとしても、蓄電システム１１０の充電が進行するにつれて、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧にばらつきが生じる。

蓄電セル１２２および蓄電セル１２４は、利用可能な充電レベル（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣという場合がある。）の範囲が予め定められているので、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧にばらつきが生じると、蓄電システム１１０の利用効率が悪化する。そこで、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧を均等化させることで、蓄電システム１１０の利用効率を向上させることができる。

バランス補正回路１３２は、インダクタを有し、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧を均等化させる。バランス補正回路１３２は、蓄電セル１２２の端子１１２側の一端（正極側という場合がある。）と、蓄電セル１２２の端子１１４側の一端（負極側という場合がある。）と蓄電セル１２４の正極側との接続点１４３とに電気的に接続される。これにより、蓄電セル１２２およびインダクタを含む回路が形成される。バランス補正回路１３２は、接続点１４３と、蓄電セル１２４の負極側と蓄電セル１２６の正極側との接続点１４５とに電気的に接続される。これにより、蓄電セル１２４およびインダクタを含む回路が形成される。

バランス補正回路１３２は、蓄電セル１２２およびインダクタを含む回路と、蓄電セル１２４およびインダクタを含む回路とに交互に電流を流す。これにより、蓄電セル１２２と蓄電セル１２４との間でインダクタを介して電気エネルギーを授受することができる。その結果、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧を均等化させることができる。

発明者らは、バランス補正装置が、電圧の低い蓄電セルから電圧の高い蓄電セルに電荷を移動させる場合のあることを見出した。蓄電セルの劣化が進行するにつれて、蓄電セルの内部抵抗も増大する。そのため、正常な蓄電セルと劣化した蓄電セルとの間の電圧にバラつきが生じている状態で、バランス補正装置を動作させながら充電を行うと、充電電流の大きさによっては、劣化した蓄電セルにおける電圧降下が、正常な蓄電セルにおける電圧降下よりも大きくなると考えられる。

そこで、本実施形態において、バランス補正回路１３２は、状態遷移信号φ１６を受信すると機能を停止してよい。これにより、バランス補正回路１３２が、電圧の低い蓄電セルから電圧の高い蓄電セルに電荷を移動させることを防止することができる。

バランス補正回路１３４は、蓄電セル１２４および蓄電セル１２６の電圧を均等化させる。バランス補正回路１３４は、接続点１４３と、接続点１４５と、蓄電セル１２６の負極側と蓄電セル１２８の正極側との接続点１４７とに、電気的に接続される。バランス補正回路１３６は、蓄電セル１２６および蓄電セル１２８の電圧を均等化させる。バランス補正回路１３６は、接続点１４５と、接続点１４７と、蓄電セル１２８の負極側とに、電気的に接続される。バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６は、バランス補正回路１３２と同様の構成を有してよい。

図２は、蓄電システム２１０の一例を概略的に示す。蓄電システム２１０は、端子２１２と、端子２１４と、直列に接続された蓄電セル２２２および蓄電セル２２４と、バランス補正回路２３２とを備える。バランス補正回路２３２は、バランス補正装置の一例であってよい。蓄電セル２２２は、第１の蓄電セルの一例であってよい。蓄電セル２２４は、第２の蓄電セルの一例であってよい。

端子２１２および端子２１４は、それぞれ、蓄電システム１１０の端子１１２および端子１１４と同様の構成を有してよい。蓄電セル２２２および蓄電セル２２４は、蓄電セル１２２、蓄電セル１２４、蓄電セル１２６または蓄電セル１２８と同様の構成を有してよい。蓄電システム１１０は、蓄電システム２１０と同様の構成を有してよい。バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６は、バランス補正回路２３２と同様の構成を有してよい。

バランス補正回路２３２は、蓄電セル２２２および蓄電セル２２４の電圧を均等化させる。バランス補正回路２３２は、インダクタ２５０と、スイッチング素子２５２と、スイッチング素子２５４と、制御信号発生部２７２と、ダイオード２８２と、ダイオード２８４と、制御用電源オン・オフ回路２９０とを備える。スイッチング素子２５２は、第１のスイッチング素子の一例であってよい。スイッチング素子２５４は、第２のスイッチング素子の一例であってよい。

バランス補正回路２３２は、蓄電セル２２２の正極側と、蓄電セル２２２の負極側と蓄電セル２２４の正極側との接続点２４３とに電気的に接続される。これにより、蓄電セル２２２と、スイッチング素子２５２と、インダクタ２５０とを含む第１の開閉回路が形成される。バランス補正回路２３２は、接続点２４３と、蓄電セル２２４の負極側とに電気的に接続される。これにより、蓄電セル２２４と、インダクタ２５０と、スイッチング素子２５４とを含む第２の開閉回路が形成される。接続点２４３は、第１の蓄電セルの一端と第２の蓄電セルの一端との接続点の一例であってよい。

インダクタ２５０は、一端が接続点２４３に電気的に接続される。インダクタ２５０の他端は、スイッチング素子２５２およびスイッチング素子２５４の接続点２６３に電気的に接続されてよい。スイッチング素子２５２およびスイッチング素子２５４が交互にオン動作およびオフ動作（オン・オフ動作という場合がある。）を繰り返すと、インダクタ２５０にはインダクタ電流Ｉ_Ｌが生じる。

スイッチング素子２５２は、インダクタ２５０の他端と蓄電セル２２２の正極側との間に電気的に接続される。スイッチング素子２５２は、制御信号発生部２７２から制御信号φ２２を受信して、制御信号φ２２に基づきオン動作またはオフ動作を行う。これにより、第１の開閉回路を開閉する。スイッチング素子２５２は、ＭＯＳＦＥＴであってよい。スイッチング素子２５２は、制御信号φ２２を受信しない場合にはオフ動作をする素子であってよい。

スイッチング素子２５４は、インダクタ２５０の他端と蓄電セル２２４の負極側との間に電気的に接続される。スイッチング素子２５４は、制御信号発生部２７２から制御信号φ２４を受信して、制御信号φ２４に基づきオン動作またはオフ動作を行う。これにより、第２の開閉回路を開閉する。スイッチング素子２５４は、ＭＯＳＦＥＴであってよい。スイッチング素子２５４は、制御信号φ２４を受信しない場合にはオフ動作をする素子であってよい。

制御信号発生部２７２は、スイッチング素子２５２のオン・オフ動作を制御する制御信号φ２２と、スイッチング素子２５４のオン・オフ動作を制御する制御信号φ２４とを発生させる。制御信号発生部２７２は、制御信号φ２２をスイッチング素子２５２に供給する。制御信号発生部２７２は、制御信号φ２４をスイッチング素子２５４に供給する。

制御信号発生部２７２は、スイッチング素子２５２およびスイッチング素子２５４が交互にオン・オフ動作を繰り返すように、制御信号φ２２および制御信号φ２４を発生させてよい。これにより、スイッチング素子２５２とスイッチング素子２５４とを交互にオン・オフ動作させることができる。制御信号φ２２および制御信号φ２４は、それぞれ、デューティ比が５０％の方形波であってよい。デューティ比は、方形波の周期に対するＯＮ期間の割合として算出することができる。

制御信号発生部２７２は、予め定められた周期のパルス列を発生するパルス発生器であってよい。制御信号発生部２７２は、制御信号φ２２および制御信号φ２４の少なくとも一方のデューティ比を可変制御する可変パルス発生器であってもよい。制御信号発生部２７２は、スイッチング素子２５２およびスイッチング素子２５４と同一の基板に形成されてよい。

制御信号発生部２７２は、バランス補正回路２３２が状態遷移信号φ１６を受信すると、制御信号φ２２およびφ２４の発生を停止してよい。これにより、状態遷移信号発生部１０６が状態遷移信号φ１６を蓄電システム１１０に通知することで、バランス補正回路２３２の機能を停止させることができる。その結果、バランス補正回路１３２が、電圧の低い蓄電セルから電圧の高い蓄電セルに電荷を移動させることを防止することができる。

制御信号発生部２７２は、蓄電セル２２２の正極側および蓄電セル２２４の負極側と電気的に接続されてよい。制御信号発生部２７２は、蓄電セル２２２および蓄電セル２２４を基準電圧の電源として利用してよい。

ダイオード２８２は、スイッチング素子２５２と並列に配され、インダクタ２５０の他端から蓄電セル２２２の正極側への方向に電流を流す。ダイオード２８４は、スイッチング素子２５４と並列に配され、蓄電セル２２４の負極側からインダクタ２５０の他端への方向に電流を流す。ダイオード２８２およびダイオード２８４は、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン間に等価的に形成される寄生ダイオードであってよい。

ダイオード２８２およびダイオード２８４を設けることで、スイッチング素子２５２およびスイッチング素子２５４が共にオフ状態となった期間にインダクタ電流Ｉ_Ｌが残留した場合であっても、当該インダクタ電流Ｉ_Ｌがダイオード２８２またはダイオード２８４を通して流れ続けることができる。これにより、インダクタ２５０に一旦生じたインダクタ電流Ｉ_Ｌを無駄なく利用することができる。また、インダクタ電流Ｉ_Ｌを遮断した場合に生じるサージ電圧の発生を抑制することができる。

制御用電源オン・オフ回路２９０は、蓄電セル２２２の正極側と制御信号発生部２７２との間に配される。制御用電源オン・オフ回路２９０は、状態遷移信号φ１６を受信すると、制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。これにより、バランス補正回路２３２の機能を停止させることができる。

本実施形態においては、状態遷移信号φ１６が"Ｌ"レベルの場合に、制御用電源オン・オフ回路２９０が制御信号発生部２７２に電力を供給する。一方、状態遷移信号φ１６が"Ｈ"レベルの場合には、制御用電源オン・オフ回路２９０が制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。

制御用電源オン・オフ回路２９０は、信号入力端子２９２と、スイッチング素子２９４と、抵抗２９６と、ダイオード２９７とを有する。信号入力端子２９２には、状態遷移信号φ１６が入力される。信号入力端子２９２は、状態遷移信号入力端子の一例であってよい。

スイッチング素子２９４は、蓄電セル２２２の正極側と制御信号発生部２７２との間に電気的に接続される。スイッチング素子２９４は、状態遷移信号φ１６に基づいて、制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。スイッチング素子２９４は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラジャンクショントランジスタなどのトランジスタであってよい。スイッチング素子２９４は、ＰＮＰ型のバイポーラジャンクショントランジスタであってよい。スイッチング素子２９４は、第３のスイッチング素子の一例であってよい。

抵抗２９６は、スイッチング素子２９４と信号入力端子２９２との間に電気的に接続されてよい。スイッチング素子２９４がバイポーラジャンクショントランジスタである場合イ、抵抗２９６は、スイッチング素子２９４のベースと信号入力端子２９２との間に電気的に接続されてよい。ダイオード２９７は、信号入力端子２９２と抵抗２９６との間に電気的に接続されてよい。

図３は、蓄電システム２１０の動作の一例を概略的に示す。図３は、制御信号φ２２および制御信号φ２４の波形の一例に対応づけて、グラフ３０２、グラフ３０４およびグラフ３０６を示す。グラフ３０２、グラフ３０４およびグラフ３０６において、横軸は時間の経過を示す。また、縦軸はインダクタ電流Ｉ_Ｌの大きさを示す。図３において、インダクタ電流Ｉ_Ｌの大きさは、接続点２６３から接続点２４３に向かって流れる電流（図２において実線の矢印で示す。）を正として表す。

グラフ３０２は、蓄電セル２２２の電圧Ｅ_２が蓄電セル２２４の電圧Ｅ_４よりも大きい場合のインダクタ電流Ｉ_Ｌの経時変化の一例を概略的に示す。グラフ３０４は、蓄電セル２２２の電圧Ｅ_２が蓄電セル２２４の電圧Ｅ_４よりも小さい場合のインダクタ電流Ｉ_Ｌの経時変化の一例を概略的に示す。グラフ３０６は、蓄電セル２２２の電圧Ｅ_２と蓄電セル２２４の電圧Ｅ_４とが略同一である場合のインダクタ電流Ｉ_Ｌの経時変化の一例を概略的に示す。

図３において、制御信号φ２２および制御信号φ２４は、デューティ比が５０％の方形波である。図３に示すように、制御信号φ２２および制御信号φ２４は、スイッチング素子２５２およびスイッチング素子２５４の一方がオン状態の間は他方がオフ状態になるように、互いに相補な論理または位相極性を有する。

グラフ３０２に示すように、蓄電セル２２２の電圧Ｅ_２が蓄電セル２２４の電圧Ｅ_４よりも大きい場合には、スイッチング素子２５２がオン状態のときに、蓄電セル２２２の正極側−スイッチング素子２５２−接続点２６３−インダクタ２５０−接続点２４３−蓄電セル２２２の負極側の電流経路で電流が流れる。このとき、インダクタ２５０には、インダクタ電流Ｉ_Ｌが図２における実線矢印の方向に充電される。

次に、スイッチング素子２５２がオフ状態になり、スイッチング素子２５４がオン状態になると、インダクタ２５０に充電されたインダクタ電流Ｉ_Ｌがインダクタ２５０の一端−接続点２４３−蓄電セル２２４−スイッチング素子２５４−接続点２６３−インダクタ２５０の他端の電流経路で放電される。この放電は、蓄電セル２２４を充電しながら行われる。図３に示すように、インダクタ電流Ｉ_Ｌは放電により時間と共に減少し、放電電流が０になると、インダクタ２５０には、放電電流とは逆方向の充電電流が流れるようになる。

グラフ３０４に示すように、蓄電セル２２２の電圧Ｅ_２が蓄電セル２２４の電圧Ｅ_４よりも小さい場合には、スイッチング素子２５４がオン状態のときに、蓄電セル２２４の正極側−接続点２４３−インダクタ２５０−接続点２６３−スイッチング素子２５４−蓄電セル２２４の負極側の電流経路で電流が流れる。このとき、インダクタ２５０には、インダクタ電流Ｉ_Ｌが図２における点線矢印の方向に充電される。

次に、スイッチング素子２５４がオフ状態になり、スイッチング素子２５２がオン状態になると、インダクタ２５０に充電されたインダクタ電流Ｉ_Ｌがインダクタ２５０の他端−接続点２６３−スイッチング素子２５２−蓄電セル２２２−接続点２４３−インダクタ２５０の一端の電流経路で放電される。この放電は、蓄電セル２２２を充電しながら行われる。

上記のように、バランス補正回路２３２が第１の開閉回路と、第２の開閉回路とに交互に電流を流すことで、蓄電セル１２２と蓄電セル１２４との間でインダクタ２５０を介して電気エネルギーを授受することができる。その結果、蓄電セル１２２および蓄電セル１２４の電圧を均等化させることができる。

グラフ３０６に示すように、蓄電セル２２２の電圧Ｅ_２と蓄電セル２２４の電圧Ｅ_４とが略同一である場合には、スイッチング素子２５２またはスイッチング素子２５４がオン状態の期間において、インダクタ電流Ｉ_Ｌの放電と充電とがほぼ等量ずつ実施される。その結果、電圧がほぼバランスした状態を維持することができる。

ここで、蓄電セルの劣化が進行するにつれて、より短い放電時間で電池電圧が低下するようになるので、蓄電システム２１０の放電状態においては、劣化した蓄電セルほど電池電圧が低下しやすい。一方、蓄電セルの劣化が進行するにつれて、蓄電セルの内部抵抗も増大する。そのため、正常な蓄電セルと劣化した蓄電セルとの間の電圧にバラつきが生じている状態で、蓄電システム２１０の状態が充電状態に切り替わると、充電電流の大きさによっては、劣化した蓄電セルにおける電圧降下が、正常な蓄電セルにおける電圧降下よりも大きくなる。

その結果、実際に蓄積されている電気エネルギーは劣化した蓄電セルの方が少ないにもかかわらず、電池電圧は、見かけ上、劣化した蓄電セルの方が大きくなる。この状態でバランス補正回路２３２を稼動させると、劣化した蓄電セルから正常なセルに電荷を移動させることになる。

そこで、本実施形態において、バランス補正回路１３２は、信号入力端子２９２に状態遷移信号φ１６が入力され、スイッチング素子２９４のベース電圧が予め定められた値より大きくなると、スイッチング素子２９４が制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。これにより、バランス補正回路２３２の機能を停止させることができる。

本実施形態においては、説明を簡単にする目的で、制御信号φ２２および制御信号φ２４のデューティ比が５０％である場合について説明した。しかし、制御信号φ２２および制御信号φ２４はこれに限定されない。制御信号φ２２および制御信号φ２４のデューティ比は、蓄電セル２２２および蓄電セル２２４の電圧差に応じて変更されてよい。

図４は、蓄電システム４１０の一例を概略的に示す。蓄電システム４１０は、端子２１２と、端子２１４と、直列に接続された蓄電セル２２２および蓄電セル２２４と、バランス補正回路４３２とを備える。バランス補正回路４３２は、バランス補正装置の一例であってよい。

バランス補正回路４３２は、蓄電セル２２２および蓄電セル２２４の電圧を均等化させる。バランス補正回路４３２は、インダクタ２５０と、スイッチング素子２５２と、スイッチング素子２５４と、制御信号発生部２７２と、ダイオード２８２と、ダイオード２８４と、制御用電源オン・オフ回路４９０とを備える。

バランス補正回路４３２は、制御用電源オン・オフ回路４９０が蓄電セル２２４の負極側と制御信号発生部２７２との間に配される点でバランス補正回路２３２と相違する。本実施形態においては、状態遷移信号φ１６が"Ｈ"レベルの場合に、制御用電源オン・オフ回路４９０が制御信号発生部２７２に電力を供給する。一方、状態遷移信号φ１６が"Ｌ"レベルの場合には、制御用電源オン・オフ回路２９０が制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。その他の点については、バランス補正回路２３２と同様の構成を有してよい。

バランス補正回路２３２の各部と同一または類似の部分には同一の参照番号を付して重複する説明を除く。蓄電システム１１０は、蓄電システム４１０と同様の構成を有してよい。バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４およびバランス補正回路１３６は、バランス補正回路４３２と同様の構成を有してよい。

制御用電源オン・オフ回路４９０は、信号入力端子２９２と、スイッチング素子４９４と、抵抗２９６と、ダイオード２９７とを有する。スイッチング素子４９４は、蓄電セル２２４の負極側と制御信号発生部２７２との間に電気的に接続される。スイッチング素子４９４は、状態遷移信号φ１６に基づいて、制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。

スイッチング素子４９４は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラジャンクショントランジスタなどのトランジスタであってよい。スイッチング素子４９４は、ＮＰＮ型のバイポーラジャンクショントランジスタであってよい。スイッチング素子４９４は、第３のスイッチング素子の一例であってよい。

図５は、蓄電システム５１０の一例を概略的に示す。蓄電システム５１０は、信号入力端子５０２と、スイッチング素子５０４と、抵抗５０６と、ダイオード５０７と、端子５１２と、端子５１４と、蓄電セル５２２と、蓄電セル５２４と、蓄電セル５２６と、蓄電セル５２８と、バランス補正回路５３２と、バランス補正回路５３４と、バランス補正回路５３６とを有する。バランス補正回路５３２、バランス補正回路５３４およびバランス補正回路５３６は、バランス補正装置の一例であってよい。

端子５１２は、端子１１２または端子２１２と同様の構成を有してよい。端子５１４は、端子１１４または端子２１４と同様の構成を有してよい。蓄電セル５２２、蓄電セル５２４、蓄電セル５２６および蓄電セル５２８のそれぞれは、蓄電セル１２２、蓄電セル１２４、蓄電セル１２６、蓄電セル１２８、蓄電セル２２２または蓄電セル２２４と同様の構成を有してよい。

蓄電システム５１０は、信号入力端子５０２、スイッチング素子５０４、抵抗５０６およびダイオード５０７を有する点で蓄電システム２１０および蓄電システム４１０と相違する。バランス補正回路５３２、バランス補正回路５３４およびバランス補正回路５３６は、制御用電源オン・オフ回路５９０を有する点でバランス補正回路２３２およびバランス補正回路４３２と相違する。その他の点については、バランス補正回路２３２と同様の構成を有してよい。バランス補正回路２３２の各部と同一または類似の部分には同一の参照番号を付して重複する説明を除く。

蓄電システム１１０、蓄電システム２１０および蓄電システム４１０は、蓄電システム５１０と同様の構成を有してよい。バランス補正回路１３２、バランス補正回路１３４、バランス補正回路１３６は、バランス補正回路５３２と同様の構成を有してよい。制御用電源オン・オフ回路２９０および制御用電源オン・オフ回路４９０は、制御用電源オン・オフ回路５９０と同様の構成を有してよい。

なお、本実施形態において、バランス補正回路５３２、バランス補正回路５３４およびバランス補正回路５３６は、説明を簡単にする目的で、ダイオード２８２およびダイオード２８４を有していない。しかし、バランス補正回路５３２、バランス補正回路５３４およびバランス補正回路５３６は、バランス補正回路２３２と同様にダイオード２８２およびダイオード２８４を有してよい。

信号入力端子５０２には、状態遷移信号φ１６が入力される。信号入力端子５０２は、状態遷移信号入力端子の一例であってよい。

スイッチング素子５０４は、状態遷移信号φ１６に基づいて、制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。スイッチング素子５０４は、制御用電源オン・オフ回路５９０と、端子５１２または端子５１４と電気的に接続されてよい。スイッチング素子５０４は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラジャンクショントランジスタなどのトランジスタであってよい。

本実施形態において、スイッチング素子５０４は、ＮＰＮ型のバイポーラジャンクショントランジスタであり、端子５１４と電気的に接続される。つまり、スイッチング素子５０４は、バランス補正回路５３２、バランス補正回路５３４およびバランス補正回路５３６の制御用電源オン・オフ回路５９０のそれぞれと、蓄電セル５２８の負極側との間に電気的に接続される。

これにより、状態遷移信号φ１６が"Ｈ"レベルの場合に、スイッチング素子５０４がオン状態になる。一方、状態遷移信号φ１６が"Ｌ"レベルの場合に、スイッチング素子５０４がオフ状態になる。スイッチング素子５０４がオン状態の場合には、バランス補正回路５３４およびバランス補正回路５３６のスイッチング素子２９４のそれぞれもオン状態となり、制御用電源オン・オフ回路５９０が制御信号発生部２７２に電力を供給する。一方、スイッチング素子５０４がオフ状態の場合には、バランス補正回路５３４およびバランス補正回路５３６のスイッチング素子２９４のそれぞれもオフ状態となり、制御用電源オン・オフ回路５９０が制御信号発生部２７２への電力の供給を制限する。

抵抗５０６は、信号入力端子５０２とスイッチング素子５０４との間に電気的に接続されてよい。スイッチング素子５０４がバイポーラジャンクショントランジスタである場合イ、抵抗５０６は、スイッチング素子５０４のベースと信号入力端子５０２との間に電気的に接続されてよい。ダイオード５０７は、信号入力端子５０２と抵抗５０６との間に電気的に接続されてよい。

制御用電源オン・オフ回路５９０は、スイッチング素子２９４と、抵抗２９６と、ダイオード２９７と、抵抗５９５とを有する。抵抗５９５は、第２の抵抗素子の一例であってよい。

本実施形態において、スイッチング素子２９４はＰＮＰ型のバイポーラジャンクショントランジスタであり、抵抗５９５は、一端が、スイッチング素子２９４のベースと抵抗２９６との間に電気的に接続される。抵抗５９５の他端は、蓄電セル５２２の正極とスイッチング素子２９４との間に電気的に接続される。

抵抗２９６の抵抗値と抵抗５９５の抵抗値とを調整することで、スイッチング素子２９４のベース電流の電流値を適切な範囲に設定することができる。これにより、蓄電システム５１０が複数のバランス補正回路を有する場合であっても、単一の状態遷移信号φ１６により、複数のバランス補正回路を制御することができる。

なお、スイッチング素子２９４がＮＰＮ型のバイポーラジャンクショントランジスタである場合には、抵抗５９５は、一端が、スイッチング素子２９４のベースと抵抗２９６との間に電気的に接続されてよい。抵抗５９５の他端は、蓄電セル５２２の正極側とスイッチング素子２９４との間に電気的に接続されてよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 装置、１０２ モータ、１０４ 制動信号発生部、１０６ 状態遷移信号発生部、１１０ 蓄電システム、１１２ 端子、１１４ 端子、１２２ 蓄電セル、１２４ 蓄電セル、１２６ 蓄電セル、１２８ 蓄電セル、１３２ バランス補正回路、１３４ バランス補正回路、１３６ バランス補正回路、１４３ 接続点、１４５ 接続点、１４７ 接続点、２１０ 蓄電システム、２１２ 端子、２１４ 端子、２２２ 蓄電セル、２２４ 蓄電セル、２３２ バランス補正回路、２４３ 接続点、２５０ インダクタ、２５２ スイッチング素子、２５４ スイッチング素子、２６３ 接続点、２７２ 制御信号発生部、２８２ ダイオード、２８４ ダイオード、２９０ 制御用電源オン・オフ回路、２９２ 信号入力端子、２９４ スイッチング素子、２９６ 抵抗、２９７ ダイオード、３０２ グラフ、３０４ グラフ、３０６ グラフ、４１０ 蓄電システム、４３２ バランス補正回路、４９０ 制御用電源オン・オフ回路、４９４ スイッチング素子、５０２ 信号入力端子、５０４ スイッチング素子、５０６ 抵抗、５０７ ダイオード、５１０ 蓄電システム、５１２ 端子、５１４ 端子、５２２ 蓄電セル、５２４ 蓄電セル、５２６ 蓄電セル、５２８ 蓄電セル、５３２ バランス補正回路、５３４ バランス補正回路、５３６ バランス補正回路、５９０ 制御用電源オン・オフ回路、５９５ 抵抗

Claims (5)

1. 直列に接続された第１の蓄電セルおよび第２の蓄電セルを備える蓄電システムにおいて、前記第１の蓄電セルおよび前記第２の蓄電セルの電圧を均等化させるバランス補正装置であって、
   前記第１の蓄電セルの一端と前記第２の蓄電セルの一端との接続点に、一端が電気的に接続されるインダクタと、
   前記インダクタの他端と前記第１の蓄電セルの他端との間に電気的に接続される第１のスイッチング素子と、
   前記インダクタの他端と前記第２の蓄電セルの他端との間に電気的に接続される第２のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のオン・オフ動作を制御する制御信号を、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子に供給し、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを交互にオン・オフ動作させる制御信号発生部と、
   前記第１の蓄電セルの他端または前記第２の蓄電セルの他端と前記制御信号発生部との間に電気的に接続される第３のスイッチング素子と、
   を備え、
   前記制御信号発生部は、前記第３のスイッチング素子が、前記蓄電システムの稼働中に前記蓄電システムの状態が一時的に充電状態に切り替わることを示す状態遷移信号を受信すると、前記制御信号の発生を停止し、
   前記第３のスイッチング素子は、前記状態遷移信号に基づいて、前記制御信号発生部への電力の供給を制限することで、前記バランス補正装置の機能を停止させる、
   バランス補正装置。
2. 前記第３のスイッチング素子はバイポーラジャンクショントランジスタであり、
   前記状態遷移信号が入力される状態遷移信号入力端子と、
   前記バイポーラジャンクショントランジスタのベースと前記状態遷移信号入力端子との間に電気的に接続される第１の抵抗素子と、
   一端が、前記バイポーラジャンクショントランジスタのベースと前記第１の抵抗素子との間に電気的に接続され、他端が、前記第１の蓄電セルの他端または前記第２の蓄電セルの他端と前記第３のスイッチング素子との間に電気的に接続される第２の抵抗素子と、
   をさらに有する、
   請求項１に記載のバランス補正装置。
3. 直列に接続された第１の蓄電セルおよび第２の蓄電セルと、
   前記第１の蓄電セルおよび前記第２の蓄電セルの電圧を均等化させる、請求項１又は請求項２に記載のバランス補正装置と、
   を備える、蓄電システム。
4. 輸送装置であって、
   請求項３に記載の蓄電システムと、
   前記蓄電システムと電気的に接続され、前記輸送装置の制動時に、前記輸送装置の運動エネルギーおよび前記輸送装置の位置エネルギーの少なくとも一方を電気エネルギーに変換するモータと、
   前記輸送装置を制動させることまたは前記輸送装置が制動していることを示す制動信号を発生させる制動信号発生部と、
   前記制動信号を受信した場合に、前記状態遷移信号を前記バランス補正装置に通知する状態遷移信号発生部と、
   を備える、輸送装置。
5. 前記状態遷移信号発生部は、
   前記状態遷移信号を発生させた後、予め定められた時間が経過しても、前記モータが回生電流を発生させていることが検出されない場合、又は、
   前記輸送装置の制動時に前記モータが発生させる回生電流の電流値が予め定められた値より小さい場合に、
   前記状態遷移信号の発生を停止する、
   請求項４に記載の輸送装置。

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