JP6008956B2 - 共通acバスを用いた容量結合型セルバランサ - Google Patents
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Description
1.“Pascual”,“自動バッテリー均一化のためのスイッチトキャパシタシステム”,米国特許第5710504号,1998年1月20日
2.“Schmidt”,“複数の直列接続されたエネルギー畜圧器またはエネルギー変換器間の充電交換装置”,米国特許第5814970号,1998年9月
3.“Lundquist”,“マルチセルバッテリーの電圧均一化促進のためのシステムおよび方法”,米国特許第6624612号,2003年9月
4.“Marten” ,“充電均一化システム”,米国特許第6518725号,2003年2月11日
5.“Castelaz” ,“バッテリーパック内の電荷均一化のシステムおよび方法”,米国特許第6624612号,2010年9月
6.“Patel” ,“セル均一化回路”,米国特許第7061207号,2006年2月11日
図1の回路は、1つのハーフブリッジに各セルと接続される2つのスイッチを含む。これらのスイッチは、セル1(Cell−1)については、“S−low−1”および“S−high−1”と符号が付され、同様に、セルN(Cell−N)については“S−low−N”および“S−high−N”と符号が付されている。ロー側のスイッチ“S−low−(1〜N)”は全てがロー側のスイッチ制御(Low Side Switch control)信号によって同期してオン状態、およびオフ状態にスイッチングされなくてはならない。ハイ側のスイッチ“S−high−(1〜N)”は全てがハイ側のスイッチ制御(High Side Switch control)信号によって同期してオン状態、およびオフ状態にスイッチングされなくてはならない。ハイ側、およびロー側のスイッチは、おおよそ50%のデューティーサイクルの逆位相で切り替える必要がある。例えば、ロー側のスイッチが、おおよそ50%の時間でオン状態である一方でハイ側のスイッチがオフ状態であり、逆の場合もまた同様である。デューティーサイクルは厳密に50%である必要はないが、これから大きく外れることは回路の性能を低下させることになる。実際のところ、クロスオーバーによる導電損失(cross conduction losses)を減らすために、スイッチングの遷移中に両方のスイッチがオフとなるわずかなデッドタイムを設けてもよい。これらのスイッチの全ては、スイッチング周波数と呼ばれるレートでオン状態とオフ状態と切り替える。
1.電流が、より電圧の高いセルから、より電圧の低いセルへと共通ACバスを経由して直接に流れ、これらの間に相互接続されたセルのいずれかを通って電流が流れることはない。
2.もし1つのセルだけがその他のセルよりも電圧が高い場合、電流はこのセルから流れてACバスに流れ込み、その後、その他のセルの全てに均等に分配されて等しい量の電流がその他のセルのそれぞれに流れ込む。
3.もし1つのセルだけがその他のセルよりも電圧が低い場合、等しい量の電流がその他の電圧の高いセルの全てから均等にACバスに流れ出て、その後、これらの電流が全て合わさって、この電圧の低いセルに流れ込む。
4.もし1つのセルについてバランスがとれていれば、そのセルに対して電流が流れ込むことも流れ出ることもない。
5.もし全てのセルでバランスがとれていれば、均一化回路で電流が流れない、すなわちセルに電流が流れない。
図4のようにセル毎にフルブリッジを設ける構成は、ハーフブリッジに比べて、均一化のための電流を2倍以上に改善するが、帰還キャパシタを必要としないため、2つのカップリングキャパシタだけの使用で済む。フルブリッジの動作は、第1のブリッジの全てのロー側(low side)のスイッチS1−low−(1〜N)が、“S1−low control”信号に同期してオン状態となり、同時に、第2のブリッジの全てのハイ側(high side)のスイッチS2−high−(1〜N)が、“S2−high control”信号に同期してオン状態となることを要求する。第1のブリッジの全てのハイ側(high side)のスイッチS1−high−(1〜N)が、“S1−high control”信号に同期して切り替えられ、同時に、第2のブリッジの全てのロー側(low side)のスイッチS2−low−(1〜N)が、“S2−low control”信号に同期して切り替えられる。つまり、“S1−low control”信号と“S2−high control”信号とは同相であり、“S1−high control”信号と“S2−low control”信号とは同相である。それぞれのロー側制御信号とハイ側制御信号は、おおよそ50%のデューティーサイクルで互いに逆位相であって、少しのデッドタイムを有するべきである。
実際上、特に6以上のセルを直列に接続するために、この回路の実装で考慮、設計しなければならないいくつかの追加的な特性がある。もし、ACバスが単純に長い直線のトラック(track)であれば、かなりの高周波数(例えば1MHz)、かつ、かなりの低インピーダンス(ミリΩ)で動作するので、ACバスは伝送線のようにふるまい始めて、ACバスにある種のリンギングもしくは定在波が生じることとなる。ACバスは異なった点にそれぞれのセルを接続するマルチドロップライン(multi drop line)であるので、このリンギングは、定常化して(または定常状態で)互いに数mVずれたセル電圧を生じる原因となり、例えばセル電圧間でいくらかのオフセットが生じることとなる。任意の2つのセル間の交流インピーダンスもまた同じではない。
Claims (2)
- 直列に接続された、またはフローティングの2つ以上のセルまたはキャパシタを均一化させる回路であって、前記回路は、
直列に接続された、またはフローティングのN個のセルと、
第1および第2のレールを含む共通ACバスと、
前記N個のセルのうち第1のセルの正極端子と負極端子とに接続された第1のハーフブリッジと、
同様に、前記第1のセルの正極端子と負極端子とに接続された第2のハーフブリッジと、を含み、
組み合わされた前記第1および第2のハーフブリッジは、前記第1のセルと接続されたフルブリッジを構成し、
前記第1のハーフブリッジは、ブリッジ1ハイ側スイッチとブリッジ1ロー側スイッチとを含み、
前記第2のハーフブリッジは、ブリッジ2ハイ側スイッチとブリッジ2ロー側スイッチとを含み、
その第1端と前記第1のハーフブリッジの中間点とを接続し、その第2端と前記共通ACバスの第1のレールとを接続する第1のブリッジ1カップリングキャパシタと、
その第1端と前記第2のハーフブリッジの中間点とを接続し、その第2端と前記共通ACバスの第2のレールとを接続する第1のブリッジ2カップリングキャパシタと、を含み、
前記第1のハーフブリッジ、第1のブリッジ1ロー側スイッチ、第1のブリッジ1ハイ側スイッチ、第1のブリッジ1カップリングキャパシタが、N個のセルに対してN回繰り返され、これら全てが前記第1のセルについて記載されたようにそれぞれのセルについて全く同じ構成で接続され、
前記共通ACバスの前記第1のレールに接続された1からNの前記ブリッジ1カップリングキャパシタの全ての第2端と、を含み、
前記第2のハーフブリッジ、第1のブリッジ2ロー側スイッチ、第1のブリッジ2ハイ側スイッチ、第1のブリッジ2カップリングキャパシタが、N個のセルに対してN回繰り返され、これら全てが前記第1のセルについて記載されたようにそれぞれのセルについて全く同じ構成で接続され、
前記共通ACバスの前記第2のレールに接続された1からNの前記ブリッジ2カップリングキャパシタの全ての第2端と、
1つの共通のブリッジ1ロー側制御信号によって同期してオン状態、およびオフ状態に駆動される1からNの全ての前記ブリッジ1ロー側スイッチと、
1つの共通のブリッジ1ハイ側制御信号によって同期してオン状態、およびオフ状態に駆動される1からNの全ての前記ブリッジ1ハイ側スイッチと、
1つの共通のブリッジ2ロー側制御信号によって同期してオン状態、およびオフ状態に駆動される1からNの全ての前記ブリッジ2ロー側スイッチと、
1つの共通のブリッジ2ハイ側制御信号によって同期してオン状態、およびオフ状態に駆動される1からNの全ての前記ブリッジ2ハイ側スイッチと、を含み、
前記ブリッジ1ロー側制御信号および前記ブリッジ1ハイ側制御信号は、おおよそ50%のデューティーサイクルであり、
前記ブリッジ2ロー側制御信号および前記ブリッジ2ハイ側制御信号は、おおよそ50%のデューティーサイクルであり、
前記ブリッジ1ロー側制御信号と前記ブリッジ2ハイ側制御信号は、同位相であって同期してスイッチングし、
前記ブリッジ1ハイ側制御信号と前記ブリッジ2ロー側制御信号は、同位相であって同期してスイッチングし、
各セルのフルブリッジは、N個の前記フルブリッジが、おおよそ同じ角度の間隔をおいて、中心のスターポイントの周りにおおよそ円形の並びで配置されるように構成され、
円形配置の中心に向かって走る2つのACバスを備えるそれぞれ固有のトラックを有する各セルと、
共通のスターポイントで、つまり円形配置の中心で接続されるそれぞれのセルの第1のACバスのトラックと、
前記第1のACバスのスターポイントの空間的に上方または下方にある共通のスターポイントで、つまり円形配置の中心で接続されるそれぞれのセルの第2のACバスのトラックと、を含むことを特徴とする回路。 - 請求項1に記載の回路において、
カップリングキャパシタの共通側で、2つの前記ACバスの間に1つのインダクタが接続されていることを特徴とする回路。
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