JPWO2014115200A1 - 蓄電池均等化装置 - Google Patents

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Abstract

短時間で蓄電池モジュールの均等化可能な蓄電池均等化装置を得る。少なくとも１個の蓄電池セルからなる複数の蓄電池モジュールＢ１が直列に接続された組電池１と、蓄電池モジュールＢ１ごとに並列に接続されたＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１とＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１に接続された可変コンデンサＣ１と可変コンデンサに直列または並列に１次巻線が接続された変圧器Ｔ１とを備えた複数の均等化回路と、各変圧器Ｔ１〜Ｔ４の２次巻線の相互間を並列に接続する外部配線と、各蓄電池モジュールＢ１の両極間に接続された電圧モニター１０１と、各電圧モニター１０１の測定値に基いて、１つ以上の放電用蓄電池モジュールＢ１と１つ以上の充電用蓄電池モジュールＢ１とからなる均等化グループを定め、同じ均等化グループ内の蓄電池モジュールＢ１が接続された各均等化回路ごとに共振周波数とすべき所定の静電容量を可変コンデンサＣ１に与え、均等化回路のＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１から出力される交流電流の周波数を各均等化回路の共振周波数とする制御を行う均等化制御部２と、を有するものである。

Description

本発明は、蓄電池モジュールを直列に複数個接続した組電池に関するものであり、各蓄電池モジュール間の充電状態を均等にする蓄電池均等化装置に関するものである。
電気をエネルギー源とする自動車、鉄道車両では、その電動モータの駆動に高電圧を要するため、複数の蓄電池セルを直列に接続して蓄電池モジュールを構成し、さらに複数の蓄電池モジュールを直列接続して組電池を構成して用いられている。
この蓄電池セルは、製造上のばらつきなどにより、出力電圧、充放電特性等のいわゆる電池特性が個々に異なっており、これらの蓄電池セルの集合である蓄電池モジュールも個々に異なった電池特性を示す。
この蓄電池モジュールの電池特性がばらついた組電池について充電を行う場合、出力電圧が高く、より充電が進行した蓄電池モジュールが先に充電限界に達し、それ以上充電を継続すると過充電となって電池特性が劣化する。そのため、組電池の中で最も出力電圧が高く、より充電が進行した蓄電池モジュールが充電限界に達した段階で充電を終了する必要があり、その他の蓄電池モジュールが充電限界となるまで充電を継続することができない。
また、放電を行う場合には、出力電圧の低く、あまり充電されていない蓄電池モジュールが先に放電限界に達し、それ以上放電を継続すると電池特性が劣化する。そのため、蓄電池の中で最も出力電圧が低く、あまり充電されていない蓄電池モジュールが放電限界に達した段階で放電を終了することが必要であり、その他の蓄電池モジュールが放電限界となるまで放電を継続することができない。
すなわち、組電池を構成する蓄電池モジュールの出力電圧がばらつき、充電状態が異なっている場合、充電過程においてすべての蓄電池モジュールを十分に充電することができず、放電過程においてはすべての蓄電池モジュールを十分に放電することができない。言い換えれば、組電池を構成する蓄電池モジュールの電池特性がばらついているため、組電池が持っている本来の電池特性を発揮することができない。そのため組電池を構成する各蓄電池モジュールの充電状態のばらつきをなくし、出力電圧を始めとする電池特性を均等にすることが蓄電池モジュールの電池特性を高めるために重要である。
これまでに、組電池を構成する蓄電池モジュールの電池特性のばらつきを解消する様々な方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。また 特許文献１には、M個の蓄電池セルを直列に接続した蓄電池モジュールをN個直列接続した組電池において、M個の蓄電池セルの出力電圧を均等化するモジュール内電荷均等部と、N個の蓄電池モジュールの出力電圧を均等化するモジュール間電荷均等部とから構成される均等化装置が記載されている。
この特許文献１に記載された蓄電池均等化装置は、すべての蓄電池モジュールから放電し、選択された蓄電池モジュールのみが充電を行う構成となっている。つまり、組電池を構成するすべての蓄電池モジュールが等しくエネルギーを放出して充電状態を低下させ、この放出されたエネルギーが選択された蓄電池モジュールに接続したリアクトルに蓄積され充電に用いられる。
N個の蓄電池モジュールのうち、出力電圧が平均電圧より低い蓄電池モジュールを選択することで、選択した蓄電池モジュールに充電、その他の蓄電池モジュールの放電を行うことができ、組電池を構成する蓄電池モジュールの電圧の均等化を行うことができる。
特表２０１０−５２９８１７
Mohamed Daowd, et al.,「Passive and Active Battery Balancing comparison based on MATLAB Simulation」, Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC), 2011 IEEE.
このような蓄電池均等化装置においては、充電状態が同程度の蓄電池モジュールを１グループとして複数のグループを形成し、各グループを構成する蓄電池モジュールの充電状態に合わせた充電工程をそれぞれのグループについて繰り返すことで、組電池を構成する蓄電池モジュールの均等化を行うことができる。
しかし、本蓄電池均等化装置にあっては、同時に均等化を行うことができるのは１グループの蓄電池モジュールだけであり、複数の蓄電池モジュールのグループが形成されている場合、そのグループの数だけ均等化の工程を繰り返すことが必要である。１グループについての均等化工程に要する時間は、蓄電池モジュールのグループの出力電圧の差によって異なるが、一般に数十分程度であり、複数のグループの均等化を行う場合、１０時間から数十時間を要する場合もあり、非常に長い時間を要するという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、組電池を構成する蓄電池モジュールのうち、出力電圧が高い蓄電池モジュールと出力電圧が低い蓄電池モジュールで構成された複数の蓄電池モジュールとからなるグループの均等化を、電気的な切り替え等を行うこと無く、同時に複数のグループについて行うことができ、均等化に要する時間を大幅に短縮した蓄電池均等化装置を得ることを目的とする。
本発明の蓄電池均等化装置は、少なくとも１個の蓄電池セルからなる複数の蓄電池モジュールが直列に接続された組電池と、蓄電池モジュールごとに並列に接続されたＤＣ／ＡＣ相互変換回路とＤＣ／ＡＣ相互変換回路に接続された可変コンデンサと可変コンデンサに直列または並列に１次巻線が接続された変圧器とを備えた複数の均等化回路と、各変圧器の２次巻線の相互間を並列に接続する外部配線と、各蓄電池モジュールの両極間に接続された電圧モニターと、各電圧モニターの測定値に基いて、１つ以上の放電用蓄電池モジュールと１つ以上の充電用蓄電池モジュールとからなる均等化グループを定め、同じ均等化グループ内の蓄電池モジュールが接続された各均等化回路ごとに共振周波数とすべき所定の静電容量を前記可変コンデンサに与え、前記均等化回路の前記ＤＣ／ＡＣ相互変換回路から出力される交流電流の周波数を前記各均等化回路の前記共振周波数とする制御を行う均等化制御部と、を有するものである。
この発明の蓄電池均等化装置は、複数の均等化グループに属する蓄電池モジュールを同時に均等化することができ、複数の蓄電池モジュールからなる組電池の均等化を短時間で行うことができる。
本発明の実施の形態１の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る均等化制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る出力電圧の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る出力電圧の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る可変コンデンサの構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る共振周波数の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る均等化装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る均等化制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る均等化装置の一部を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る均等化制御部の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る均等化制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る蓄電量の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態４の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態５の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態６の構成の一例を示す図である。
実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。また、実施の形態の説明において、単一の蓄電池を蓄電池セル、複数の蓄電池セルを直列に接続した状態を蓄電池モジュール、複数の蓄電池モジュールを直列に接続した状態を組電池と呼ぶ。
実施の形態１．
＜蓄電池均等化装置の構成＞
図１は本発明の実施の形態１に係る蓄電池均等化装置の構成の一例を示す図である。以下、図面を参照しながら本発明に係る蓄電池均等化装置の構成を説明する。本実施の形態においては、複数の蓄電池セルからなる蓄電池モジュールを４つ用いた構成を例に、蓄電池均等化装置の構成、動作を説明するが、組電池を構成する蓄電池モジュールの数は必要とする出力電圧に応じて定めることができる。
４つの蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４が直列に接続されて組電池を構成している。それぞれの蓄電池モジュールには、ＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１〜１４と、可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と、変圧器Ｔ１〜Ｔ４と、を各１つずつ含む回路が組電池に対して並列に接続されている。変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と直列に接続され、２次巻線は、１次巻線と極を互いに反対とする方向、いわゆるフライバック式に配置され、２次巻線どうしは、外部配線により同一の極の端子を共通に接続されている。変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線と２次巻線の巻線比は１：１とした。
ここでＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１〜１４は、通常のＤＣ／ＡＣ変換回路とは必ずしも同一ではなく、入力された直流電流を交流電流に変換し、逆に交流電流が入力された場合直流電流として出力する、直流と交流とを相互に変換する特性を有する回路である。なお、本発明の説明において、蓄電池モジュールが直列に接続された組電池の接続に対し、並列に接続されたＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１〜１４、可変コンデンサＣ１〜Ｃ１４、変圧器Ｔ１〜Ｔ４を各々１つずつ有する回路を均等化回路と呼ぶ。
さらに、各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４は、電圧モニター１０１〜１０４を有しており、各電圧モニター１０１〜１０４の測定結果に基いてＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１〜１４、可変コンデンサＣ１〜Ｃ４に制御信号を出力して蓄電池均等化を行う、均等化制御部２を備えている。
＜蓄電池均等化装置の動作＞
図２は、均等化制御部２の動作を示すフローチャートである。また図２のフローチャートに沿った信号の入出力、電流の方向は、図１に各々一点鎖線、破線で示した。各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の出力電圧Ｖ１〜Ｖ４を各々に接続した電圧モニター１０１〜１０４を用いて測定する（工程３１）。各出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の測定結果に基いて、出力電圧が高い蓄電池モジュールと低い蓄電池モジュールを選択した、蓄電池モジュールの均等化グループを決定する（工程３２）。この蓄電池モジュールの均等化グループの決定方法を図３を用いて説明する。
均等化グループを決定した後、各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４が直列に接続された組電池に対して並列に接続された均等化回路の可変コンデンサＣ１〜Ｃ４を調整し、同一の均等化グループに属する蓄電池モジュールの均等化回路ごとに、同じ共振周波数となるよう各可変コンデンサＣ１〜Ｃ４に静電容量を与える均等化静電容量信号Ｓ２１〜Ｓ２４に出力し、同時にグループとなった蓄電池モジュールに接続した回路ごとに、同じ共振周波数を与える均等化周波数信号Ｓ１１〜Ｓ１４を生成し、ＤＣ／ＡＣ相互変換器１１〜１４に出力し（工程３３）、放電・充電を実施する（工程３４）。
図３は各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の一例を棒グラフで示したもので、破線で示したＶａｖは、すべての出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の平均電圧で、各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の出力電圧を比較する時の基準電圧として用いる。図３より、蓄電池モジュールＢ１は、電圧Ｖａだけ基準電圧より高く、蓄電池モジュールＢ２はＶａだけ基準電圧より低い。また蓄電池モジュールＢ３はＶｂだけ基準電圧より高く、蓄電池モジュールＢ４はＶｂだけ基準電圧より低い。
この例においては、蓄電池モジュールＢ１とＢ２、Ｂ３とＢ４は、それぞれ基準電圧からの差が等しく、一方の蓄電池モジュールを放電し、他方を同時に充電することで両者の蓄電池モジュールの出力電圧を等しく基準電圧とすることができるため、蓄電池モジュールＢ１とＢ２、Ｂ３とＢ４をそれぞれ均等化グループとする。
例えば、別の例を用いて均等化グループの作り方を説明する。図４は各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の別の一例を棒グラフで示したもので、破線で示したＶａｖは、すべての出力電圧Ｖ１〜Ｖ４の平均電圧で、各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の出力電圧を比較する時の基準電圧として用いる。図４より、蓄電池モジュールＢ１は、電圧Ｖａだけ基準電圧より高く、蓄電池モジュールＢ２は電圧Ｖｂだけ基準電圧より低い。また蓄電池モジュールＢ３は電圧Ｖｃだけ基準電圧より低く、蓄電池モジュールＢ４は電圧Ｖｄだけ基準電圧より高い。ここで、Ｖａ＞Ｖｂ＞Ｖｃ＞ＶｄかつＶａ−Ｖｂ−Ｖｃ＋Ｖｄ＝０の関係であるとする。
この時の均等化グループの作り方の一例を説明する。第一段階として、蓄電池モジュールＢ１とＢ２、Ｂ３とＢ４をそれぞれ均等化グループとする。Ｖａ＞Ｖｂの関係であるため、蓄電池モジュールＢ１とＢ２のグループではＶｂだけ出力電圧が変化した時点で、蓄電池モジュールＢ２の出力電圧Ｖ２がＶａｖに等しくなる。このとき、蓄電池モジュールＢ１の出力電圧Ｖ１はＶａｖよりＶａ−Ｖｂだけ大きい。同様に、Ｖｃ＞Ｖｄの関係であるため、蓄電池モジュールＢ３とＢ４のグループではＶｄだけ出力電圧が変化した時点で蓄電池モジュールＢ４の出力電圧Ｖ４がＶａｖに等しくなる。このとき、蓄電池モジュールＢ３の出力電圧Ｖ３はＶａｖよりＶｃ−Ｖｄだけ小さい。
第二段階として、蓄電池モジュールＢ１とＢ３を均等化グループとする。Ｖａ−Ｖｂ＝Ｖｃ−Ｖｄの関係であるため、Ｖａ−Ｖｂだけ出力電圧が変化した時点で蓄電池モジュールＢ１の出力電圧Ｖ１および蓄電池モジュールＢ３の出力電圧Ｖ３がＶａｖと等しくなる。このように、均等化を二段階に分け、段階ごとに異なる均等化グループを決定することでも、各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の出力電圧Ｖ１〜Ｖ４を均等化することができる。
可変コンデンサＣ１〜Ｃ４は、例えば図５に示すように、コンデンサを並列に追加できるようにしたコンデンサ群として構成されており、均等化制御部２から出力される均等化静電容量信号Ｓ２１〜Ｓ２４に基いて、コンデンサスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を開閉することで静電容量値を調整し、同じ均等化グループに属する蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の均等化回路ごとに共振周波数を等しくする。共振周波数の値は、下記の式（１）から得ることができる。
Figure 2014115200
図６に共振周波数ｆａ、ｆｂの関係を示す。各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の均等化回路に含まれる変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線のインダクタンスは等しいので、可変コンデンサＣ１とＣ２には同じ静電容量Ｃａとすることで共振周波数ｆａ、可変コンデンサＣ３とＣ４には同じ静電容量Ｃｂとすることで共振周波数ｆｂと、同じ均等化グループに属する均等化回路ごとに共振周波数を等しくすることができる。
この状態で、変圧器Ｔ１の２次巻線には、電圧Ｖ１、周波数ｆａの起電力が誘起される。変圧器Ｔ１〜Ｔ４の２次巻線は各々並列に接続されているので、変圧器Ｔ１の２次巻線に誘起された周波数ｆａ、起電力Ｖ１の電圧は、変圧器Ｔ２〜Ｔ４の２次巻線に等しく印加され、共振周波数が等しい同じ均等化グループに属する均等化回路の変圧器Ｔ２の１次巻線に対してのみ起電力を生じる。同様に、変圧器Ｔ２の２次巻線の起電力は変圧器Ｔ１の１次巻線にのみ起電力を生じ、変圧器Ｔ３の２次巻線の起電力は変圧器Ｔ４の１次巻線に、変圧器Ｔ４の２次巻線からは変圧器Ｔ３の１次巻線に対してのみ起電力を生じる。図５に示すようにそれぞれの共振周波数は重なり合わないように設定することが、共振周波数が異なる均等化回路に起電力を生じないために重要である。
以上の共振周波数が等しい同じ均等化グループに属する均等化回路では、変圧器Ｔ１とＴ２、Ｔ３とＴ４で相互に起電力を生じることになり、起電力差に基いて均等化のための電流が生じる。すなわち本実施の形態の場合、起電力が大きい蓄電池モジュールＢ１が起電力の小さな蓄電池モジュールＢ２を充電する方向に電流を生じ、起電力が大きい蓄電池モジュールＢ３が起電力の小さな蓄電池モジュールＢ４を充電する方向に電流を生じるため、各均等化グループを形成した蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の均等化を同時に実施することができる。
本実施の形態においては、基準電圧より電圧の高い蓄電池モジュールと低い蓄電池モジュールを各１個ずつ選択し均等化グループとしたが、それぞれ複数の蓄電池モジュールを抽出し均等化グループとしても良いし、均等化を数段階に分け、段階ごとに異なる均等化グループを決定し、電圧均等化を行っても良い。
実施の形態２．
図７は実施の形態２に係る蓄電池均等化装置の構成を示している。本実施の形態においても、蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４を４個直列に接続した組電池を例として示したが、これに限定されるものではなく、蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４を構成する蓄電池セルの構成数、組電池を構成する蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の構成数は自由に設定することができる。
実施の形態１に記載した蓄電池均等化装置では、入力された直流電流を交流電流に変換し、逆に交流電流が入力された場合直流電流として出力する特性を有するＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１〜１４を用いていた。これに対し、本実施の形態の蓄電池均等化装置では、入力された直流電流を交流電流に変換して出力するＤＣ／ＡＣ変換回路２１〜２４と、逆に入力された交流電流を直流電流に変換して出力するＡＣ／ＤＣ変換回路３１〜３４とを並列に配置し，切り替えスイッチＳW２１〜ＳW２４によりどちらか一方を選択して接続する構成としている点で異なっており、それ以外の構成は基本的に実施の形態１と同様である。また本実施の形態の説明において、各蓄電池モジュールの出力電圧は実施の形態１と同様に図３に示した順序であると仮定する。
図８は均等化制御部３の動作を示すフローチャートである。また、図８のフローチャートに沿った信号の入出力は、図７に一点鎖線で示した。各々の蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の出力電圧を電圧モニター１０１〜１０４を用いて測定し（工程４１）、実施の形態１と同様に均等化グループを決定する（工程４２）。
次に可変コンデンサＣ１〜Ｃ４を調整する均等化静電容量信号Ｓ２１〜Ｓ２４、同じ均等化グループに属する蓄電池モジュールに接続した均等化回路ごとに、同じ共振周波数を与える均等化周波数信号Ｓ１１〜Ｓ１４、および蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の平均電圧Ｖａｖより高い蓄電池モジュールＢ１、Ｂ３については切り替えスイッチＳＷ２１、ＳＷ２３をＤＣ／ＡＣ変換回路２１、２３側に切り替え、平均電圧Ｖａｖより低い蓄電池モジュールＢ２、Ｂ４については切り替えスイッチＳＷ２２、ＳＷ２４をＡＣ／ＤＣ変換回路３２、３４に切り替える均等化切り替え信号Ｓ３１〜Ｓ３４を生成し、それぞれの回路等へ出力し（工程４３）、充電・放電を実施する（工程４４）。
図７を用いて蓄電池均等化装置の動作を説明する。それぞれの均等化グループのうち、基準電圧より出力電圧が高い方はＤＣ／ＡＣ変換回路２１、２３を、基準電圧より出力電圧の低い方は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３２、３４を選択するように均等化切り替え信号Ｓ３１〜Ｓ３４が均等化制御部３から切り替えスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２４に出力される。また蓄電池モジュールＢ１とＢ２、Ｂ３とＢ４を含む均等化回路の共振周波数がそれぞれ一致するように、均等化周波数信号Ｓ１１〜Ｓ１４をＤＣ／ＡＣ変換回路２１〜２４及びＡＣ／ＤＣ変換回路３１〜３４に出力し、均等化静電容量信号Ｓ２１〜Ｓ２４を可変コンデンサＣ１〜Ｃ４に出力する。
図９には図７に示した蓄電池均等化装置の、一つの均等化グループである蓄電池Ｂ１、Ｂ２の部分のみを示したもので、均等化制御部３からの信号（図示せず）により、スイッチ操作による変換回路の選択、共振周波数の設定により、具体的に充放電がどのように行われるか、電流の方向を破線で示す。
図９に示した２つの蓄電池モジュールＢ１、Ｂ２の出力電圧はＢ１の方が大きいので、切り替えスイッチＳＷ２１、２２は、蓄電池モジュールＢ１を含む均等化回路ではＤＣ／ＡＣ変換回路２１へ、蓄電池モジュールＢ２を含む均等化回路ではＡＣ／ＤＣ変換回路３２へ接続される。また蓄電池モジュールＢ１、Ｂ２を含む均等化回路の共振周波数は両回路で同一となるように可変コンデンサＣ１、Ｃ２を設定する。
まず、蓄電池モジュールＢ１が放電し、ＤＣ／ＡＣ変換回路２１を経て変圧器Ｔ１に至り、１次巻線を図の上から下に電流流れる。２次巻線はフライバック式に構成されているので、図の下から上へ電流は流れ、変圧器Ｔ２の２次巻線には反対に上から下に電流は流れる。蓄電池モジュールＢ１を含む均等化回路と、蓄電池モジュールＢ２を含む均等化回路は共振周波数が等しいので、変圧器Ｔ２の１次巻線には電流が誘起され、２次巻線とは反対方向の下から上へ電流が流れる。さらにＳＷ２２の切り替えに応じてＡＣ／ＤＣ変換回路３２を経て、蓄電池モジュールＢ２に充電する電流が流れる。
以上の工程を、各均等化グループの蓄電池モジュールごとに実施することにより、複数の均等化グループによる充放電を同時に行うことができ、蓄電池モジュールの均等化を短時間に行うことができる。
実施の形態３．
図１０は実施の形態３に係る蓄電池均等化装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態に係る蓄電池均等化装置は、各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の蓄電量を基準として均等化グループを形成する。また、ＤＣ／ＡＣ相互変換回路４１〜４４は、実施の形態１のＤＣ−ＡＣ相互変換回路１１〜１４と同様に直流電流と交流電流を相互に変換し、周波数を調整するものであり、さらに出力電圧のデューティー比を調整して実効的な電圧値を調整する。つまり、均等化回路の共振周波数を調整する機能だけでなく、出力電圧のデューティー比を調整するする機能を有する点が実施の形態１のＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１〜１４と異なっている。
本実施の形態においては、蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４が４個直列に配列した組電池１の場合について説明するが、組電池１を構成する蓄電池モジュールの数、蓄電池モジュールを構成する蓄電池セルの数は特に限定するものではないことは言うまでもない。
図１１を用いて、本実施の形態に係る蓄電池均等化装置の動作を説明する。また、図１１のフローチャートに沿った信号の入出力を一点鎖線で図１０に示している。まず各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４について、蓄電池内の電荷量が既知の状態からの電流値を測定し（工程５１）、その時間積分の値から残存電荷量を求める（工程５２）。実施の形態１又は２では、各蓄電池モジュールの電圧値に基いて充放電による均等化グループを形成したが、本実施の形態においては図１２に示すように、各蓄電池モジュールの残留電荷量に基づき充放電による均等化グループを形成した（工程５３）。
次に均等化グループ内の、蓄電池モジュールを含む各均等化回路の共振周波数と、実効的な電圧値を調整するためのデューティー比を与える信号Ｓ４１〜Ｓ４４、及び共振周波数を一定にするための可変コンデンサＣ１〜Ｃ４の静電容量値を与える均等化静電容量信号Ｓ２１〜Ｓ２４を決定し、ＤＣ／ＡＣ相互変換回路４１〜４４及び可変コンデンサＣ１〜Ｃ４へ出力する（工程５４）。
蓄電池モジュールに充電することができる最大電荷量は、蓄電池モジュールの劣化とともに一般に低下する。実施の形態１では、各蓄電池モジュールの出力電圧を求め、充電側と放電側の蓄電池モジュールを決定した。つまり出力電圧の高い側が放電を行い、出力電圧の低い方が充電することで均等化を図ることができた。しかし、残留電荷量を基準とする場合、充電可能な最大電荷量は劣化の状況によって蓄電池セルごと、蓄電池モジュールごとに異なるので、各蓄電池モジュールの最大充電電荷量に対する残存電荷量の割合を基準として、割合が多い方が放電側、少ない方を充電側とすること必要である。つまり、必ずしも蓄電池モジュールの出力電圧が高い方から低い方へ電荷を移動させるとは限らない点で注意が必要である。
そこで、最大充電電荷量に対する残存電荷量の割合に基づき、蓄電池モジュールごとにデューティー比を調整し、実効的な電圧を調整する。具体的には、残存電荷量の割合が高い蓄電池モジュールの実効電圧を高く、残存電荷量の割合の低い蓄電池モジュールの実効電圧が低くなるようにデューティー比を調整する。この実効的な電圧の高い方が放電側の蓄電池モジュール、低い方が充電側の蓄電池モジュールとすることができる。
充放電の過程において、各蓄電池モジュールが過充電、過放電とならないよう、蓄電池モジュールの電圧を測定し（工程５５）、一定の電圧以下かつ一定の電圧以上にならないよう監視する（工程５６）ことが重要である。この蓄電池モジュールの電圧測定による過充電、過放電の防止は、実施の形態１、２でも必要な操作であるが、実施の形態１，２では、電圧モニターにより、蓄電池モジュールの出力電圧を監視しているが、本実施の形態では、蓄電池モジュールの電流値に基いて電荷量を求め、均等化グループを形成しており、充放電の工程に電圧モニターを必要としないので、特にここで確認のために、過充電、過放電監視のための電圧モニターを記載した。
以上の工程を、各均等化グループごとに実施することにより、複数の均等化グループに属する複数の蓄電池モジュール充放電を同時に行う（工程５７）ことができ、蓄電池モジュールの均等化を短時間に行うことができる。
実施の形態４．
図１３は実施の形態４に係る蓄電池均等化装置の構成の一例を示す図である。実施の形態１に係る蓄電池均等化装置のとの相違点は、実施の形態１に係る蓄電池均等化装置では、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と直列に接続するよう構成していたが、本実施の形態に係る蓄電池均等化装置では、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と並列に接続するよう構成する点である。
変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と並列に接続するようにした場合についても、共振周波数は前述の式（１）で与えることができる。
このように、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線と可変コンデンサＣ１〜Ｃ４の共振回路の構成は直列接続に限ったものではなく、並列に接続するよう構成することでも、実施の形態１における蓄電池均等化装置が有する上述した効果を得ることができる。
実施の形態５．
図１４は実施の形態５に係る蓄電池均等化装置の構成の一例を示す図である。実施の形態２に係る蓄電池均等化装置との相違点は、実施の形態２に係る蓄電池均等化装置では、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と直列に接続するよう構成していたが、本実施の形態に係る蓄電池均等化装置では、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と並列に接続するよう構成する点である。
変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と並列に接続するようにした場合についても、共振周波数は前述の式（１）で与えることができる。
このように、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線と可変コンデンサＣ１〜Ｃ４の共振回路の構成は直列接続に限ったものではなく、並列に接続するよう構成することでも、実施の形態２における蓄電池均等化装置が有する上述した効果を得ることができる。
実施の形態６．
図１５は実施の形態６に係る蓄電池均等化装置の構成の一例を示す図である。実施の形態３に係る蓄電池均等化装置との相違点は、実施の形態３に係る蓄電池均等化装置では、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と直列に接続するよう構成していたが、本実施の形態に係る蓄電池均等化装置では、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と並列に接続するよう構成する点である。
変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線は可変コンデンサＣ１〜Ｃ４と並列に接続するようにした場合についても、共振周波数は前述の式（１）で与えることができる。
このように、変圧器Ｔ１〜Ｔ４の１次巻線と可変コンデンサＣ１〜Ｃ４の共振回路の構成は直列接続に限ったものではなく、並列に接続するよう構成することでも、実施の形態３における蓄電池均等化装置が有する上述した効果を得ることができる。
１ 組電池、２〜４ 均等化制御部、１１〜１４ ＤＣ／ＡＣ相互変換装置、２１〜２４ ＤＣ／ＡＣ変換回路、３１〜３４ ＡＣ／ＤＣ変換回路、４１〜４４ ＤＣ／ＡＣ相互変換回路、１０１〜１０４ 電圧モニター、１１１〜１１４ 電圧・電流モニター、Ｂ１〜Ｂ４ 蓄電池モジュール、Ｃ１〜Ｃ４ 可変コンデンサ、Ｔ１〜Ｔ４ 変圧器、Ｓ１１〜Ｓ１４ 均等化周波数信号、Ｓ２１〜Ｓ２４ 均等化静電容量信号、Ｓ３１〜Ｓ３４ 均等化切替信号、Ｓ４１〜Ｓ４４ 均等化デューティー比信号、Ｖ１〜Ｖ４ 出力電圧、Ｉ１〜Ｉ４ 出力電流、ＳＷ１〜ＳＷ４ コンデンサスイッチ、工程３１ 出力電圧測定工程、工程３２ 均等化グループ決定工程、工程３３ 均等化信号生成工程、工程３４ 放電充電実施工程、工程４１ 出力電圧測定工程、工程４２ 均等化グループ決定工程、工程４３ 均等化信号生成工程、工程４４ 放電充電実施工程、工程５１ 電流測定工程、工程５２ 残存電荷量算出工程、工程５３ 均等化グループ決定工程、工程５４ 均等化信号生成工程、工程５５ 出力電圧測定工程、工程５６ 過電圧過放電監視工程、工程５７ 放電充電実施工程。
本発明の蓄電池均等化装置は、少なくとも１個の蓄電池セルからなる複数の蓄電池モジュールが直列に接続された組電池と、蓄電池モジュールごとに並列に接続されたＤＣ／ＡＣ相互変換回路とＤＣ／ＡＣ相互変換回路に接続された可変コンデンサと可変コンデンサに直列または並列に１次巻線が接続された変圧器とを備えた複数の均等化回路と、各変圧器の２次巻線の相互間を並列に接続する外部配線と、各蓄電池モジュールの両極間に接続された電圧モニターと、各電圧モニターの測定値に基いて、１つ以上の放電用蓄電池モジュールと１つ以上の充電用蓄電池モジュールとからなる均等化グループを定め、同じ均等化グループ内の蓄電池モジュールが接続された各均等化回路ごとに異なった共振周波数とすべき所定の静電容量を前記可変コンデンサに与え、前記均等化回路の前記ＤＣ／ＡＣ相互変換回路から出力される交流電流の周波数を前記各均等化回路の前記共振周波数とする制御を行う均等化制御部と、を有するものである。
この状態で、変圧器Ｔ１の２次巻線には、電圧Ｖ１、周波数ｆａの起電力が誘起される。変圧器Ｔ１〜Ｔ４の２次巻線は各々並列に接続されているので、変圧器Ｔ１の２次巻線に誘起された周波数ｆａ、起電力Ｖ１の電圧は、変圧器Ｔ２〜Ｔ４の２次巻線に等しく印加され、共振周波数が等しい同じ均等化グループに属する均等化回路の変圧器Ｔ２の１次巻線に対してのみ起電力を生じる。同様に、変圧器Ｔ２の２次巻線の起電力は変圧器Ｔ１の１次巻線にのみ起電力を生じ、変圧器Ｔ３の２次巻線の起電力は変圧器Ｔ４の１次巻線に、変圧器Ｔ４の２次巻線からは変圧器Ｔ３の１次巻線に対してのみ起電力を生じる。図６に示すようにそれぞれの共振周波数は重なり合わないように設定することが、共振周波数が異なる均等化回路に起電力を生じないために重要である。
実施の形態３．
図１０は実施の形態３に係る蓄電池均等化装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態に係る蓄電池均等化装置は、各蓄電池モジュールＢ１〜Ｂ４の蓄電量を基準として均等化グループを形成する。また、ＤＣ／ＡＣ相互変換回路４１〜４４は、実施の形態１のＤＣ−ＡＣ相互変換回路１１〜１４と同様に直流電流と交流電流を相互に変換し、周波数を調整するものであり、さらに出力電圧のデューティー比を調整して実効的な電圧値を調整する。つまり、均等化回路の共振周波数を調整する機能だけでなく、出力電圧のデューティー比を調整する機能を有する点が実施の形態１のＤＣ／ＡＣ相互変換回路１１〜１４と異なっている。

Claims (8)

  1. 少なくとも１個の蓄電池セルからなる複数の蓄電池モジュールが直列に接続された組電池と、
    前記蓄電池モジュールごとに並列に接続されたＤＣ／ＡＣ相互変換回路と前記ＤＣ／ＡＣ相互変換回路に接続された可変コンデンサと前記可変コンデンサに直列または並列に１次巻線が接続された変圧器とを備えた複数の均等化回路と、
    前記各変圧器の２次巻線の相互間を並列に接続する外部配線と、
    前記各蓄電池モジュールの両極間に接続された電圧モニターと、
    前記各電圧モニターの測定値に基いて、１つ以上の放電用蓄電池モジュールと１つ以上の充電用蓄電池モジュールとからなる均等化グループを定め、同じ前記均等化グループ内の前記蓄電池モジュールが接続された前記各均等化回路ごとに共振周波数とすべき所定の静電容量を前記可変コンデンサに与え、前記均等化回路の前記ＤＣ／ＡＣ相互変換回路から出力される交流電流の周波数を前記各均等化回路の前記共振周波数とする制御を行う均等化制御部と、
    を有する蓄電池均等化装置。
  2. 前記均等化グループは、
    各々の前記蓄電池モジュールの両極間に接続した電圧モニターの測定結果の平均電圧を基準電圧とし、
    前記均等化制御部が抽出する前記基準電圧より電圧が高い少なくとも１つの前記蓄電池モジュールと、前記基準電圧よりも電圧が低い少なくとも１つの前記蓄電池モジュールとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄電池均等化装置。
  3. 同一の前記均等化グループに属する前記各蓄電池モジュールの両極間に接続された前記電圧モニターの電圧値の平均が、前記基準電圧と略同一であることを特徴とする請求項２に記載の蓄電池均等化装置。
  4. 前記可変コンデンサが、複数の所定容量のコンデンサと、前記コンデンサ同士が接続される複数のスイッチから構成され、
    前記均等化制御部から出力される信号に基づき、前記スイッチの切り替えを行い、所定の静電容量を得る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蓄電池均等化装置。
  5. 前記ＤＣ／ＡＣ相互変換回路が、
    直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換回路と、
    交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路と、
    前記均等化制御部から出力される信号に基づきいずれの変換回路を選択するかを決定する切替スイッチと、からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蓄電池均等化装置。
  6. 前記電圧モニターで検出した電圧が、
    基準電圧より高い均等化回路では前記ＤＣ／ＡＣ変換回路を、
    基準電圧より低い均等化回路では前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を、
    前記切替スイッチにより選択される請求項５に記載の蓄電池均等化装置。
  7. 前記均等化制御部が、蓄電量が少ない前記蓄電池モジュールに接続される前記ＤＣ／ＡＣ相互変換装置の出力電圧が、蓄電量が多い前記蓄電池モジュールに接続される前記ＤＣ／ＡＣ相互変換装置の出力電圧より小さくなるようにデューティー比を与える信号を前記ＤＣ／ＡＣ相互変換装置に出力する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の蓄電池均等化装置。
  8. 前記均等化制御部が、前記蓄電池モジュールの入出力電流に基づいて蓄電量を求める請求項７に記載の蓄電池均等化装置。
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