JP7129860B2

JP7129860B2 - 蓄電池電圧平準化装置

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Publication number: JP7129860B2
Application number: JP2018181143A
Authority: JP
Inventors: 正二羽田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: JP2020054109A

Description

本発明は、複数の蓄電池が直列に接続された組電池において、各蓄電池の電圧を平準化する蓄電池電圧平準化装置に関する。

組電池が内部抵抗の高い劣化した蓄電池を含む場合、例えば、その組電池をフロート充電（浮動充電）すると、劣化した蓄電池は電圧が上昇し易くなり、劣化が促進されるおそれがある。
また、組電池が内部抵抗の高い劣化した蓄電池を含む場合、その組電池に負荷を接続し、その組電池を電源として使用しているとき、すなわち、各蓄電池が放電しているときにも、内部抵抗が高い蓄電池の電圧は他の蓄電池より降下し易くなり、劣化が促進されるおそれがある。

そこで、特許文献１には、組電池に含まれる各蓄電池に並列に接続され、それらの電圧のバラツキを抑制する蓄電池電圧平準化回路が記載されている。この蓄電池電圧平準化回路は、各蓄電池の端子間の電圧が所定の電圧値以上であった場合、各蓄電池の端子間に抵抗を接続する。抵抗に電流が流れると、その蓄電池は、電力が消費されて、電圧が低下する。

国際公開第２０１４／０７６８３９号

しかし、特許文献１に記載の蓄電池電圧平準化装置では、抵抗で消費された電力は無駄になる。

本発明の目的は、複数の蓄電池が直列に接続された組電池において、電力を無駄に消費することなく、各蓄電池の電圧を平準化することができる蓄電池電圧平準化装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の蓄電池電圧平準化装置は、
各蓄電池の一方の電極と他方の電極がそれぞれ正極と負極である複数の蓄電池が直列に接続された組電池に接続され、各蓄電池の電圧を平準化する蓄電池電圧平準化装置であって、
前記各蓄電池に対応して設けられており、一次コイルと二次コイルとを有するトランスと、前記各蓄電池の電圧が所定の電圧以上であるときに前記各蓄電池の電圧に応じたデューティ比でハイレベルとローレベルを繰り返すパルス電圧であるＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、当該ＰＷＭ信号によって電流の導通と非導通が制御されると共に直列に接続されたＮＭＯＳトランジスタと電流制限用の抵抗とを具備するスイッチング部とを有し、前記一次コイルの一端と前記各蓄電池の一方の電極とが接続され、前記一次コイルの他端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記スイッチング部を介して接続される複数の電圧平準化回路を備え、
前記各電圧平準化回路に含まれる二次コイルが、並列に接続されている。

好ましくは、本発明の蓄電池電圧平準化装置は、
前記各電圧平準化回路が、前記各蓄電池の他方の電極から前記一次コイルの他端に電流が流れる向きに接続されたダイオードを有する。

好ましくは、本発明の蓄電池電圧平準化装置は、
前記並列に接続された二次コイルの他端と一端の間に、並列に接続された抵抗とコンデンサにダイオードが直列に前記二次コイルの他端から一端に電流が流れる向きに接続された電力消費回路が配置されている。

好ましくは、本発明の蓄電池電圧平準化装置は、
前記各電圧平準化回路において、前記トランスが三次コイルを有し、当該三次コイルの他端と前記一次コイルの一端とが接続されており、当該三次コイルの一端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記各蓄電池の他方の電極から当該三次コイルの一端に向けて電流が流れるダイオードを介して接続されている。

好ましくは、本発明の蓄電池電圧平準化装置は、
前記各電圧平準化回路において、前記トランスが三次コイルを有し、当該三次コイルの他端と前記一次コイルの一端とが接続されており、当該三次コイルの一端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記各蓄電池の他方の電極から当該三次コイルの一端に向けて電流が流れるダイオードを介して接続されており、前記一次コイルの他端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記スイッチング部に加えて前記一次コイルの他端から前記スイッチング部に向けて電流が流れるダイオードを介して接続されている。

本発明によれば、複数の蓄電池が直列に接続された組電池において、電力を無駄に消費することなく、各蓄電池の電圧を平準化することができる。

本発明の第１の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置のフォワードモードにおける動作の一例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置のリセットモードにおける動作の一例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置のフォワードモードにおける動作の一例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置のフライバックモードにおける動作の一例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置のフォワードモードにおける動作の一例を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置のフライバックモードにおける動作の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置１のフォワードモードにおける動作の一例を示す。
蓄電池１０Ａと蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃとは、組電池を形成する。蓄電池１０Ａは、正極が端子Ｔ１に接続されており、負極が蓄電池１０Ｂの正極に接続されている。蓄電池１０Ｂの負極は蓄電池１０Ｃの正極に接続されている。蓄電池１０Ｃの負極は端子Ｔ２に接続されている。
端子Ｔ１と端子Ｔ２には、外部の充電装置および／または外部の負荷が接続される。端子Ｔ１と端子Ｔ２に充電装置が接続されているとき、蓄電池１０Ａと蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃは充電される。端子Ｔ１と端子Ｔ２に負荷が接続されているとき、蓄電池１０Ａと蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃは放電する。
蓄電池電圧平準化装置１は、電圧平準化回路２０Ａと、電圧平準化回路２０Ｂと、電圧平準化回路２０Ｃと、三角波生成回路４０とを有する。電圧平準化回路２０Ａと電圧平準化回路２０Ｂと電圧平準化回路２０Ｃとは、それぞれ蓄電池１０Ａと蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃとに対応して設けられている。三角波生成回路４０は、三角波電圧を生成する。以下では、各蓄電池１０Ａ～１０Ｃの定格電圧は１２Ｖ、三角波電圧の最小電圧は６．５Ｖ、その最大電圧は８．５Ｖであり、各蓄電池１０Ａ～１０Ｃの電圧が抵抗Ｒ２１と抵抗Ｒ２２により１／２に分圧される場合を例として説明する。

電圧平準化回路２０Ａは、トランス２３と、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号生成部と、スイッチング部と、ダイオードＤ２１とを有する。
トランス２３は、一次コイル２４と二次コイル２５とを有する。一次コイル２４の一端は、蓄電池１０Ａの正極に接続される。
ＰＷＭ信号生成部は、抵抗Ｒ２１と、抵抗Ｒ２２と、コンパレータ２１とを有する。抵抗Ｒ２１と抵抗Ｒ２２は、蓄電池１０Ａの電圧を分圧する。分圧された電圧はコンパレータ２１の正入力端子に入力される。コンパレータ２１の負入力端子には三角波生成回路４０によって生成された三角波電圧が入力される。コンパレータ２１は、分圧された電圧と三角波電圧を比較し、パルス電圧を出力する。パルス電圧は、蓄電池１０Ａの電圧が三角波電圧の最小電圧以上であるときに蓄電池１０Ａの電圧に応じたデューティ比でハイレベルとローレベルを繰り返す。なお、パルス電圧は、本発明のＰＷＭ信号の一例である。
スイッチング部は、直列に接続されたＮＭＯＳトランジスタ２２と電流制限用の抵抗Ｒ２３とを有する。ＮＭＯＳトランジスタ２２は、パルス電圧がハイレベルのときに導通し、ローレベルのときに非導通となる。一次コイル２４の他端は、スイッチング部を介して蓄電池１０Ａの負極に接続される。
ダイオードＤ２１は、蓄電池１０Ａの負極から一次コイル２４の他端に電流が流れる向きに接続されている。

電圧平準化回路２０Ｂと電圧平準化回路２０Ｃは、電圧平準化回路２０Ａと同一の構造である。
電圧平準化回路２０Ａに含まれる二次コイル２５と、電圧平準化回路２０Ｂに含まれる二次コイル２５と、電圧平準化回路２０Ｃに含まれる二次コイル２５とは、並列に接続されている。すなわち、これらの各二次コイル２５の一端は全て接続されており、かつ他端も全て接続されている。

例えば、蓄電池１０Ａが劣化しているため、充電器によって端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に３６Ｖの電圧が印加されたとき、蓄電池１０Ａの正極と負極間に１５Ｖ、蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃの正極と負極間にそれぞれ１０．５Ｖの電圧が生じたとする。
この場合、フォワードモードでは、電圧が高い蓄電池１０Ａに接続されている電圧平準化回路２０ＡのＮＭＯＳトランジスタ２２は導通する。このとき、一次コイル２４に一次側電流ｉ１が流れ、二次コイル２５に二次側電流ｉ２が流れる。電圧平準化回路２０Ａでは、一次側電流ｉ１は一次コイル２４の一端に流れ込み、他端から流れ出す。二次側電流ｉ２は二次コイル２５の一端から流れ出し、他端に流れ込む。
電圧平準化回路２０Ｂと電圧平準化回路２０Ｃでは、ＮＭＯＳトランジスタ２２は非導通である。電圧平準化回路２０Ｂと電圧平準化回路２０Ｃでは、電流ｉ２は二次コイル２５の一端に流れ込み、他端から流れ出す。電圧平準化回路２０Ｂと電圧平準化回路２０Ｃでは、この電流ｉ２により、ダイオードＤ２１と一次コイル２４を流れる電流ｉ３が生じる。電流ｉ３は、一次コイル２４の他端から流れ込み、一端から流れ出す。電流ｉ３は、蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃの充電電流を増加させる。
このため、蓄電池１０Ａの充電電圧は低下し、蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃの充電電圧は上昇する。この結果、各蓄電池１０Ａ～１０Ｃの充電電圧は平準化される。

ＮＭＯＳトランジスタ２２は、通常ボディダイオードを有する。図１では、電圧平準化回路２０Ｂと電圧平準化回路２０ＣにおけるＮＭＯＳトランジスタ２２のボディダイオードを破線で示す。ただし、図１では、電圧平準化回路２０Ａのボディダイオードは省略されている。
上述したように、電流ｉ３はダイオードＤ２１を通って流れるが、ダイオードＤ２１が無い場合には、電流ｉ３はＮＭＯＳトランジスタ２２のボディダイオードと抵抗Ｒ２３を通って流れることができる。従って、抵抗Ｒ２３による電力の損失を許容できる場合には、ダイオードＤ２１は無くてもよい。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置１のリセットモードにおける動作の一例を示す。
蓄電池電圧平準化装置１は、更に、電力消費回路３０を有する。電力消費回路３０は、並列に接続された二次コイル２５の他端と一端の間に配置されている。電力消費回路３０は、並列に接続された抵抗Ｒ３１とコンデンサＣ３１にダイオードＤ３１が直列に二次コイル２５の他端から一端に電流が流れる向きに接続されている。
上述したフォワードモードの間、トランス２３のコアにエネルギーが蓄積される。リセットモードでは、電力消費回路３０がコアに蓄積されたエネルギーを消費する。
上述したフォワードモードでは、電圧平準化回路２０ＡのＮＭＯＳトランジスタ２２は導通している。リセットモードでは、このＮＭＯＳトランジスタ２２が非導通に変わる。このとき、電圧平準化回路２０Ａの二次コイル２５に逆起電力が生じ、電流ｉ４が流れる。電流ｉ４は、二次コイル２５の他端から流れ出し、電力消費回路３０を通り、二次コイル２５の一端に流れ込む。
電圧平準化回路２０Ｂの二次コイル２５と電圧平準化回路２０Ｃの二次コイル２５にも逆起電力が印加され、電流ｉ５が流れる。電流ｉ５は、電圧平準化回路２０Ｂと電圧平準化回路２０Ｃの二次コイル２５の他端から流れ込み、一端から流れ出すが、電力消費回路３０にも流れる。

図３と図４は、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置２のフォワードモードとフライバックモードにおける動作の一例を示す。
蓄電池電圧平準化装置２は、電圧平準化回路５０Ａと、電圧平準化回路５０Ｂと、電圧平準化回路５０Ｃと、三角波生成回路４０とを有する。
蓄電池電圧平準化装置２の三角波生成回路４０は、第１の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置１のものと同一である。蓄電池電圧平準化装置２は、電力消費回路３０が無い点が第１の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置１と異なる。

電圧平準化回路５０Ａは、トランス５１と、ＰＷＭ信号生成部と、スイッチング部と、ダイオードＤ２１と、ダイオードＤ５１とを有する。
電圧平準化回路５０Ａは、トランス５１が三次コイル５２を含む点と、ダイオードＤ５１を有する点が第１の実施形態に係る電圧平準化回路２０Ａと異なる。その他の点については、電圧平準化回路５０Ａと電圧平準化回路２０Ａは同一である。
三次コイル５２の他端は、一次コイル２４の一端と接続されている。三次コイル５２の一端は、ダイオードＤ５１のカソードと接続されている。ダイオードＤ５１のアノードは蓄電池１０Ａの負極に接続される。従って、三次コイル５２の一端と蓄電池１０Ａの負極とは、蓄電池１０Ａの負極から三次コイル５２の一端に向けて電流が流れるダイオードＤ５１を介して接続される。
電圧平準化回路５０Ｂと電圧平準化回路５０Ｃは、電圧平準化回路５０Ａと同一の構造である。

第１の実施形態と同様に、例えば、蓄電池１０Ａが劣化しているため、充電器によって端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に３６Ｖの電圧が印加されたとき、蓄電池１０Ａの正極と負極間に１５Ｖ、蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃの正極と負極間にそれぞれ１０．５Ｖの電圧が生じたとする。
蓄電池電圧平準化装置２のフォワードモードの動作は、第１の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置１と同一である。
蓄電池電圧平準化装置２も、フライバックモードでは、電圧平準化回路５０ＡのＮＭＯＳトランジスタ２２は非導通となる。ＮＭＯＳトランジスタ２２が非導通になると、電圧平準化回路５０Ａの二次コイル２５に逆起電力が生じ、電流ｉ６が流れる、電流ｉ６は、電圧平準化回路５０Ａの二次コイル２５の他端から流れ出し、電圧平準化回路５０Ｂと電圧平準化回路５０Ｃの二次コイル２５の他端に流れ込んで一端から流れ出し、電圧平準化回路５０Ａの二次コイル２５の一端に流れ込む。

電圧平準化回路５０Ｂと電圧平準化回路５０Ｃでは、この電流ｉ６により、ダイオードＤ５１と三次コイル５２を流れる電流ｉ７が生じる。電流ｉ７は、三次コイル５２の一端に流れ込み、他端から流れ出す。電流ｉ７は、蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃの充電電流を増加させる。
このように、蓄電池電圧平準化装置２は、フォワードモードのみならずフライバックモードでも電圧平準化回路５０Ａのトランス５１のコアに蓄積されたエネルギーにより、電圧の低い蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｂを充電する。

図５と図６は、それぞれ本発明の第３の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置３のフォワードモードとフライバックモードにおける動作の一例を示す。
蓄電池電圧平準化装置３は、電圧平準化回路６０Ａと、電圧平準化回路６０Ｂと、電圧平準化回路６０Ｃと、三角波生成回路４０とを有する。蓄電池電圧平準化装置３の三角波生成回路４０は、第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置２のものと同一である。

電圧平準化回路６０Ａは、トランス５１と、ＰＷＭ信号生成部と、スイッチング部と、ダイオードＤ５１と、ダイオードＤ６１とを有する。
電圧平準化回路６０Ａは、ダイオードＤ６１を有する点と、ダイオードＤ２１が無い点が第２の実施形態に係る電圧平準化回路５０Ａと異なる。その他の点については、電圧平準化回路６０Ａと電圧平準化回路５０Ａは同一である。
ダイオードＤ６１は、一次コイル２４の他端と抵抗Ｒ２３との間に、一次コイル２４の他端から抵抗Ｒ２３に向けて電流が流れるように配置されている。
電圧平準化回路６０Ｂと電圧平準化回路６０Ｃは、電圧平準化回路６０Ａと同一の構造である。

第２の実施形態と同様に、例えば、蓄電池１０Ａが劣化しているため、充電器によって端子Ｔ１と端子Ｔ２の間に３６Ｖの電圧が印加されたとき、蓄電池１０Ａの正極と負極間に１５Ｖ、蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃの正極と負極間にそれぞれ１０．５Ｖの電圧が生じたとする。
蓄電池電圧平準化装置３は、フォワードモードにおいて、第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置２と同様に、１次側電流ｉ１と２次側電流ｉ２が流れる。しかし、フォワードモードでは、電圧平準化回路６０Ｂと電圧平準化回路６０Ｃにおいて電流ｉ３が流れない点が第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置２と異なる。なぜならば、ダイオードＤ２１が無く、ＮＭＯＳトランジスタ２２のボディダイオードを通って流れる電流はダイオードＤ６１により阻止されるためである。
このため、蓄電池電圧平準化装置３では、フォワードモードにおいて、電流ｉ１と電流ｉ２によって各トランス５１のコアにエネルギーが蓄積される。
蓄電池電圧平準化装置３のフライバックモードの動作は、第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置２と略同一である。蓄電池電圧平準化装置３は、フライバックモードでは、各トランス５１のコアに蓄積されたエネルギーにより、電流ｉ６と電流ｉ７が流れる。電流ｉ７は、三次コイル５２の一端に流れ込み、他端から流れ出す。電流ｉ７は、蓄電池１０Ｂと蓄電池１０Ｃの充電電流を増加させる。
ただし、蓄電池電圧平準化装置３では、フォワードモードで電流ｉ３が流れないため、蓄電池電圧平準化装置３で流れる電流ｉ７は、第２の実施形態に係る蓄電池電圧平準化装置２で流れる電流ｉ７よりも大きい。

なお、一次コイル２４と三次コイル５２の巻数に対して二次コイル２５の巻数を十分に大きくして、一次側と三次側の電圧に対して二次側の電圧を高くしてもよい。例えば、一次側と三次側の電圧が１２Ｖのときに二次側の電圧が１００Ｖ～１０００Ｖとなるように、一次コイル２４と三次コイル５２に対する二次コイル２５の巻数比を設定すると、各二次コイル２５間の配線が細い場合であっても電圧降下が小さくなる。

また、上述した実施形態では、蓄電池と電圧平準化回路がそれぞれ３個である例について説明したが、蓄電池と電圧平準化回路はそれぞれ２個であってもよいし、４個以上であってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、複数の蓄電池が直列に接続された組電池において、電力を無駄に消費することなく、各蓄電池の電圧を平準化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。

１，２，３…蓄電池電圧平準化装置、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…蓄電池、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…電圧平準化回路、２１…コンパレータ、２２…ＮＭＯＳトランジスタ、２３…トランス、２４…一次コイル、２５…二次コイル、Ｄ２１…ダイオード、Ｒ２１～Ｒ２３…抵抗、３０…電力消費回路、Ｄ３１…ダイオード、Ｒ３１…抵抗、Ｃ３１…コンデンサ、４０…三角波生成回路、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…電圧平準化回路、５１…トランス、５２…三次コイル、Ｄ５１…ダイオード、６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ…電圧平準化回路、Ｄ６１…ダイオード

Claims

各蓄電池の一方の電極と他方の電極がそれぞれ正極と負極である複数の蓄電池が直列に接続された組電池に接続され、各蓄電池の電圧を平準化する蓄電池電圧平準化装置であって、
前記各蓄電池に対応して設けられており、一次コイルと二次コイルとを有するトランスと、前記各蓄電池の電圧が所定の電圧以上であるときに前記各蓄電池の電圧に応じたデューティ比でハイレベルとローレベルを繰り返すパルス電圧であるＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、当該ＰＷＭ信号によって電流の導通と非導通が制御されると共に直列に接続されたＮＭＯＳトランジスタと電流制限用の抵抗とを具備するスイッチング部と、を有し、前記一次コイルの一端と前記各蓄電池の一方の電極とが接続され、前記一次コイルの他端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記スイッチング部を介して接続される複数の電圧平準化回路を備え、
前記各電圧平準化回路に含まれる二次コイルが、並列に接続されている、
蓄電池電圧平準化装置。
前記各電圧平準化回路が、前記各蓄電池の他方の電極から前記一次コイルの他端に電流が流れる向きに接続されたダイオードを有する請求項１に記載の蓄電池電圧平準化装置。
前記並列に接続された二次コイルの他端と一端の間に、並列に接続された抵抗とコンデンサにダイオードが直列に前記二次コイルの他端から一端に電流が流れる向きに接続された電力消費回路が配置されている請求項１または２に記載の蓄電池電圧平準化装置。
前記各電圧平準化回路において、前記トランスが三次コイルを有し、当該三次コイルの他端と前記一次コイルの一端とが接続されており、当該三次コイルの一端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記各蓄電池の他方の電極から当該三次コイルの一端に向けて電流が流れるダイオードを介して接続されている請求項１または２に記載の蓄電池電圧平準化装置。
前記各電圧平準化回路において、前記トランスが三次コイルを有し、当該三次コイルの他端と前記一次コイルの一端とが接続されており、当該三次コイルの一端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記各蓄電池の他方の電極から当該三次コイルの一端に向けて電流が流れるダイオードを介して接続されており、前記一次コイルの他端と前記各蓄電池の他方の電極とが前記スイッチング部に加えて前記一次コイルの他端から前記スイッチング部に向けて電流が流れるダイオードを介して接続されている請求項１に記載の蓄電池電圧平準化装置。