JP7441692B2

JP7441692B2 - 電池電圧均等化装置

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Publication number: JP7441692B2
Application number: JP2020051201A
Authority: JP
Inventors: 健志 ▲濱▼田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2024-03-01
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN115315875A; EP4131695A1; WO2021192581A1; JP2021151154A; US20230083009A1

Description

本発明は、電池電圧均等化装置に関する。

直列に接続された複数の電池セルからなる組電池は、それぞれの電池セルの電池電圧が不均一になると、充放電可能な電力量が制限される等の問題が生じることが知られている。そのため、このような組電池は、例えば特許文献１に開示されるようなトランス方式のアクティブセルバランス回路により電池電圧の均等化が行われることが多い。

より具体的には、トランス方式のアクティブセルバランス回路は、組電池の出力電圧を変換してそれぞれの電池セルに充電電圧を印加することができるトランスを導通制御することにより、電池電圧が相対的に低い電池セルを充電して電池電圧の均等化を行うことができる。

しかし、特許文献１に係る従来技術では、それぞれの電池セルをバイパスするようにトランスの複数の二次側巻線を連続して流れる還流電流が生じ、セルバランス制御の効率が低下する。そこで、例えば特許文献２に開示されるセルバランス回路は、それぞれの電池セルと、これに対応する二次側巻線との間にスイッチを設けることにより、当該還流電流を遮断できるよう構成されている。

特開平１１－１７６４８３号公報特開２０１３－２２３３２０号公報

ところで、上記の特許文献１及び２に係るセルバランス回路は、電池セルに出力される充電電力を形成するため、トランスにおける複数の二次側巻線から出力される交流電力をダイオード及びコンデンサにより直流電圧に変換する変換回路が設けられる。尚、特許文献２ではコンデンサの図示が省略されている。

しかしながら、上記した従来のセルバランス回路は、組電池に接続されることにより、電池セルからコンデンサに過大な電流が突発的に流入するサージ電流が発生してしまう。このとき、たとえ特許文献２のように電池セルと二次側巻線との間に開状態のスイッチを設けたとしても、当該スイッチを最初に閉制御したタイミングでやはりサージ電流が発生してしまう。このため、従来のセルバランス回路は、組電池との接続におけるサージ電流の発生に伴い、電池セルを劣化させてしまう虞が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トランス方式のアクティブセルバランス回路に組電池を接続する場合のサージ電流を抑制する電池電圧均等化装置を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、直列接続された複数の電池からなる組電池の出力電圧が入力される一次側巻線、及びそれぞれの前記電池に対応する複数の二次側巻線を含むトランスと、前記二次側巻線が出力する交流電圧を直流電圧に変換する変換回路と、前記変換回路から前記電池への導電路を遮断可能に設けられる遮断回路と、それぞれの前記電池の電池電圧に基づいて前記一次側巻線を通電制御することにより前記電池電圧の均等化制御を行う制御部と、を備え、前記遮断回路は、前記導電路において直列に設けられ前記制御部により開閉制御される２つのスイッチ、互いの同極同士が接続されそれぞれの前記スイッチに並列に接続される２つのダイオード、及び２つの前記ダイオードのうち前記電池への充電電流の向きを順方向とする前記ダイオードに対して並列に接続される抵抗器を含む、電池電圧均等化装置である。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、上記した本発明の第１の態様において、前記スイッチは、前記ダイオードをボディダイオードとするＭＯＳＦＥＴである、電池電圧均等化装置である。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、上記した本発明の第１又は２の態様において、２つの前記スイッチは、制御入力端子が互いに接続されている、電池電圧均等化装置である。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、上記した本発明の第１乃至３のいずれかの態様において、前記遮断回路は、２つの前記スイッチに接続されるフォトカプラを含み、前記フォトカプラを介して前記制御部により制御される、電池電圧均等化装置である。

＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、上記した本発明の第１乃至４のいずれかの態様において、前記制御部は、前記電池電圧が平均電圧よりも高い前記電池に対応する前記遮断回路を遮断制御する、電池電圧均等化装置である。

＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、上記した本発明の第１乃至４のいずれかの態様において、前記制御部は、前記電池電圧が最小の最小電圧電池と平均電圧との電圧差が所定の第１閾値よりも大きいことを条件として、前記最小電圧電池を除く前記電池に対応する前記遮断回路を遮断制御する、電池電圧均等化装置である。

＜本発明の第７の態様＞
本発明の第７の態様は、上記した本発明の第１乃至４のいずれかの態様において、前記制御部は、前記電池電圧が最大の最大電圧電池と平均電圧との電圧差が所定の第２閾値よりも大きいことを条件として、前記最大電圧電池に対応する前記遮断回路のみを遮断制御する、電池電圧均等化装置である。

＜本発明の第８の態様＞
本発明の第８の態様は、上記した本発明の第１乃至７のいずれかの態様において、前記遮断回路は、２つの前記スイッチに直列接続される過電流保護素子を含む、電池電圧均等化装置である。

本発明によれば、トランス方式のアクティブセルバランス回路に組電池を接続する場合のサージ電流を抑制する電池電圧均等化装置を提供することができる。

電池電圧均等化装置の回路を表す全体構成図である。遮断回路の構成を表す回路図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

図１は、電池電圧均等化装置１の回路を表す全体構成図である。電池電圧均等化装置１は、直列接続された複数の電池Ｂからなる組電池ＢＰに接続されることにより、それぞれの電池Ｂの電池電圧を均等化するトランス方式のアクティブセルバランス回路である。ここで、それぞれの電池Ｂは、単一の電池セルからなる二次電池であってもよく、複数の電池セルが直列に接続されてそれ自体が組電池を構成する二次電池であってもよい。また、組電池ＢＰは、本実施形態においては４つの電池Ｂが接続されているものとして説明するが、電池Ｂの接続数は任意に変更することができる。

電池電圧均等化装置１は、全体構成として、トランスＴ、均等化用スイッチＳＷe、複数の変換回路２、複数の遮断回路３、計測部４、及び制御部５を備える。

トランスＴは、組電池ＢＰの出力電圧が入力される一次側巻線Ｔ１、及びそれぞれの電池Ｂに対応する複数の二次側巻線Ｔ２を含む。トランスＴは、組電池ＢＰとの間に設けられる均等化用スイッチＳＷeにより通電制御が行われることで、組電池ＢＰの出力電圧が交流電力に変換されて一次側巻線Ｔ１に入力される。また、トランスＴは、一次側巻線Ｔ１に入力された電圧を、それぞれの電池Ｂを充電するための充電電圧に変換して二次側巻線Ｔ２に出力する。

均等化用スイッチＳＷeは、本実施形態においては、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）であり、ドレインが一次側巻線Ｔ１の一端に接続され、ソースが組電池ＢＰの負側に接続されると共に、ゲートが後述する制御部５に接続されている。そして、均等化用スイッチＳＷeは、制御部５により連続的にＯＮ／ＯＦＦ制御されることにより、上記のようにトランスＴを通電制御することができる。

トランスＴのそれぞれの二次側巻線Ｔ２は、変換回路２、及び遮断回路３を介して対応する電池Ｂに接続される。電池電圧均等化装置１は、１つの二次側巻線Ｔ２から１つの電池Ｂまでの各充電経路の構成が共通であるため、ここではその中の一つについて説明することとする。

変換回路２は、ダイオードＤ及びコンデンサＣを含む整流・平滑回路であり、二次側巻線Ｔ２が出力する交流電圧を直流電圧に変換して個々の電池Ｂを充電するための充電電圧を形成する。

遮断回路３は、詳細を後述するように、変換回路２から電池Ｂへの導電路を遮断可能に設けられ、セルバランス制御において充電される電池Ｂを選択できるよう構成されている。

計測部４は、複数の電池Ｂのそれぞれの電池電圧を計測するセンサであり、当該電池電圧を制御部５に出力する。

制御部５は、例えば公知のマイコン制御回路からなり、計測部４を介して取得した複数の電池Ｂの電池電圧に基づいて充電対象の電池Ｂを特定し、当該充電対象の電池Ｂに対応する遮断回路３を接続状態に制御すると共に、その他の電池Ｂに対応する遮断回路３を遮断状態に制御して均等化用スイッチＳＷeをＯＮ／ＯＦＦ制御することで、充電対象の電池Ｂを優先的に充電する。

ここで、制御部５は、それぞれの電池電圧のばらつき方を判断し、１又は複数の電池Ｂを充電対象として特定してもよい。例えば、制御部５は、全ての電池Ｂの平均電圧を算出し、電池電圧が平均電圧よりも低い電池Ｂを充電対象として特定することができる。この場合、制御部５は、電池電圧が平均電圧よりも高い電池Ｂに対応する遮断回路３を遮断制御し、均等化用スイッチＳＷeをＰＷＭ制御する。これにより、組電池ＢＰは、充電対象の電池Ｂが充電されることにより、電池電圧が均等化される。

また、制御部５は、全ての電池Ｂのうち電池電圧が最小の最小電圧電池と平均電圧との電圧差が所定の第１閾値ＴＨ１よりも大きいことを条件として、最小電圧電池を除く電池Ｂに対応する遮断回路３を遮断制御してもよい。ここで、第１閾値ＴＨ１とは、全ての電池Ｂのうち突出して電池電圧が低い１つの電池Ｂが存在するか否かを判定するために予め任意に設定される電圧差の閾値である。そのため、制御部５は、極端に電池電圧が低い電池Ｂがある場合には、その１つの電池Ｂを充電対象として特定して優先的に充電することができる。

更に、制御部５は、全ての電池Ｂのうち電池電圧が最大の最大電圧電池と平均電圧との電圧差が所定の第２閾値ＴＨ２よりも大きいことを条件として、最大電圧電池に対応する遮断回路３のみを遮断制御してもよい。ここで、第２閾値ＴＨ２とは、全ての電池Ｂのうち突出して電池電圧が高い１つの電池Ｂが存在するか否かを判定するために予め任意に設定される電圧差の閾値である。そのため、制御部５は、極端に電池電圧が高い電池Ｂがある場合には、その最大電圧電池以外の電池Ｂを全て充電対象として特定し、組電池ＢＰを全体的に満遍なく充電しながら電池電圧を均等化することができる。

このように、制御部５は、充電対象以外の電池Ｂに対応する遮断回路３を遮断制御することにより、それぞれの電池Ｂをバイパスするように複数の二次側巻線Ｔ２を連続して流れる還流電流を抑制しつつ、必要に応じて充電対象の電池Ｂを選択することができる。

次に、遮断回路３の具体的な回路構成について説明する。図２は、遮断回路３の構成を表す回路図である。遮断回路３は、本実施形態においては、変換回路２の高電圧側の出力端と電池Ｂの正極との間に「２つのスイッチ」としての第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２が直列に接続されている。第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２は、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴであり、接続点Ｐにおいて両者のソースが互いに接続され、接続点Ｑにおいて両者の「制御入力端子」としてのゲートが互いに接続されている。

また、遮断回路３は、本実施形態においては、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２に対してそれぞれ並列に第１ボディダイオードＤｂ１及び第２ボディダイオードＤｂ２が接続されている。より具体的には、第１ボディダイオードＤｂ１は、アノード及びカソードが第１スイッチＳＷ１のドレイン及びソースにそれぞれ接続されている。同様に、第２ボディダイオードＤｂ２は、アノード及びカソードが第２スイッチＳＷ２のドレイン及びソースにそれぞれ接続されている。つまり、第１ボディダイオードＤｂ１及び第２ボディダイオードＤｂ２は、同極同士、すなわちここでは互いのカソード同士が接続されている。

ここで、「２つのダイオード」としての第１ボディダイオードＤｂ１及び第２ボディダイオードＤｂ２は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２とは別体のダイオード素子として設けられてもよいが、各ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードであることにより、部品点数の削減に寄与することができる。

また、遮断回路３は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２に直列接続されるフューズＦを含む。フューズＦは、本実施形態においては、第２スイッチＳＷ２と電池Ｂとの間に設けられ、例えば二次側巻線Ｔ２から電池Ｂへの意図しない過電流が流れないよう「過電流保護素子」として機能し、当該過電流から電池Ｂを保護する。尚、フューズＦは電池電圧均等化装置１において必須の構成ではない。

更に、遮断回路３は、接続点Ｐと接続点Ｑとの間に第１抵抗Ｒ１が設けられ、接続点Ｑと電池Ｂの負極との間には第２抵抗Ｒ２を介してフォトカプラＰＣの受光素子が設けられている。尚、第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２は、電流制限用抵抗である。フォトカプラＰＣは、図示しない発光素子が制御部５に接続されていることにより、制御部５からの制御信号によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。これにより、制御部５は、フォトカプラＰＣを介して絶縁を図りながら接続点Ｑの電位を制御し、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２を同時に開閉制御することができる。

ここで、制御部５は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２のそれぞれのゲートに制御信号を直接送信するよう構成してもよいが、本実施形態のように両者を纏めて制御できるよう構成することにより、制御信号の信号出力端子及び信号線を削減できるほか、両者の制御タイミングを同期させる機構も不要となる。

そして、遮断回路３は、第１ボディダイオードＤｂ１及び第２ボディダイオードＤｂ２のうち、電池Ｂへの充電電流の向きを順方向とするダイオードに対して並列に接続される「抵抗器」としてのサージ抑制抵抗Ｒｓｓを含む。すなわち、サージ抑制抵抗Ｒｓｓは、本実施形態においては第１ボディダイオードＤｂ１に対して並列に接続されている。ここで、仮に第１ボディダイオードＤｂ１及び第２ボディダイオードＤｂ２が互いのアノード同士を接続するように設けられている場合には、サージ抑制抵抗Ｒｓｓは、第２ボディダイオードＤｂ２に対して並列に接続されることになる。

続いて、遮断回路３の動作原理について説明する。まず、二次側巻線Ｔ２と電池Ｂとの間にスイッチを備えない従来技術においては、セルバランス回路に組電池ＢＰが接続されたタイミングで、それぞれの電池Ｂの正極から変換回路２のコンデンサＣにサージ電流が流れ込み、電池Ｂを劣化させてしまう虞が生じる。また、二次側巻線Ｔ２と電池Ｂとの間にスイッチを備える従来技術においても、組電池ＢＰを接続した後、当該スイッチを初めに閉制御したタイミングでサージ電流が発生し、同じく電池Ｂを劣化させてしまう虞が生じる。

これに対し、図２に示す構成の遮断回路３を備える電池電圧均等化装置１は、組電池ＢＰが接続された場合に、それぞれの電池Ｂの正極から出力される電流が、第２ボディダイオードＤｂ２、接続点Ｐ、サージ抑制抵抗Ｒｓｓを順に介してコンデンサＣに流入する。このため、電池ＢからコンデンサＣに流れる当該電流は、サージ抑制抵抗Ｒｓｓにより低減されているため、電池Ｂの劣化を抑制することができる。また、電池電圧均等化装置１は、フューズＦのような過電流保護素子が設けられる場合であっても、上記のサージ電流が抑制されることで、当該サージ電流が過電流となり誤動作する虞を低減することができる。

さらに、電池電圧均等化装置１は、組電池ＢＰに対する均等化制御において充電対象の電池Ｂを充電する場合、その電池Ｂに対応する遮断回路３を接続状態に制御する。このとき、二次側巻線Ｔ２から変換回路２を介して出力される充電電流は、同時に閉状態に制御された第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２を介して電池Ｂに供給されるため、サージ抑制抵抗Ｒｓｓによる影響を受けることなく電池Ｂを充電することができる。

以上のように、電池電圧均等化装置１は、トランス方式のアクティブセルバランス回路において、トランスＴからそれぞれの電池Ｂへの導電路を遮断回路３により断接制御することで充電対象の電池Ｂのみを充電できるよう構成されている。その上で、電池電圧均等化装置１は、組電池ＢＰが接続された場合に電池ＢからコンデンサＣに流れる電流の経路上にサージ抑制抵抗Ｒｓｓを設けていることにより、当該電流の大きさを低減することができる。従って、電池電圧均等化装置１によれば、組電池ＢＰを接続する場合のサージ電流を抑制することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、電池電圧均等化装置１は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば上記の遮断回路３における第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２は、変換回路２の高電圧側の出力端と電池Ｂの正極との間に設けられる構成として例示したが、変換回路２の低電圧側の出力端と電池Ｂの負極との間に設けられる構成であってもよい。

１電池電圧均等化装置
２変換回路
３遮断回路
４計測部
５制御部
Ｔトランス
Ｂ電池
ＢＰ組電池
ＳＷ１第１スイッチ
Ｄｂ１第１ボディダイオード
ＳＷ２第２スイッチ
Ｄｂ２第２ボディダイオード
Ｒｓｓサージ抑制抵抗

Claims

直列接続された複数の電池からなる組電池の出力電圧が入力される一次側巻線、及びそれぞれの前記電池に対応する複数の二次側巻線を含むトランスと、
前記二次側巻線が出力する交流電圧を直流電圧に変換する変換回路と、
前記変換回路から前記電池への導電路を遮断可能に設けられる遮断回路と、
それぞれの前記電池の電池電圧に基づいて前記一次側巻線を通電制御することにより前記電池電圧の均等化制御を行う制御部と、を備え、
前記遮断回路は、前記導電路において直列に設けられ前記制御部により開閉制御される２つのスイッチ、互いの同極同士が接続されそれぞれの前記スイッチに並列に接続される２つのダイオード、及び２つの前記ダイオードのうち前記電池への充電電流の向きを順方向とする前記ダイオードに対して並列に接続される抵抗器を含む、電池電圧均等化装置。
前記スイッチは、前記ダイオードをボディダイオードとするＭＯＳＦＥＴである、請求項１に記載の電池電圧均等化装置。
２つの前記スイッチは、制御入力端子が互いに接続されている、請求項１又は２に記載の電池電圧均等化装置。
前記遮断回路は、２つの前記スイッチに接続されるフォトカプラを含み、前記フォトカプラを介して前記制御部により制御される、請求項１乃至３のいずれかに記載の電池電圧均等化装置。
前記制御部は、前記電池電圧が平均電圧よりも高い前記電池に対応する前記遮断回路を遮断制御する、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池電圧均等化装置。
前記制御部は、前記電池電圧が最小の最小電圧電池と平均電圧との電圧差が所定の第１閾値よりも大きいことを条件として、前記最小電圧電池を除く前記電池に対応する前記遮断回路を遮断制御する、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池電圧均等化装置。
前記制御部は、前記電池電圧が最大の最大電圧電池と平均電圧との電圧差が所定の第２閾値よりも大きいことを条件として、前記最大電圧電池に対応する前記遮断回路のみを遮断制御する、請求項１乃至４のいずれかに記載の電池電圧均等化装置。
前記遮断回路は、２つの前記スイッチに直列接続される過電流保護素子を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の電池電圧均等化装置。