(57)【要約】【課題】単電池直列接続時、電池の電圧バランス確保のため、補正回路が必要である。従来の回路では半導体スイッチの数が多く、小形・低価格化、高信頼化の点で問題があった。  【解決手段】直列接続した2個の2次電池（単位組電池）が、２N組直列接続された組電池で、単位組電池にハーフブリッジ整流回路を、組電池にハーフブリッジコンバータ回路を並列接続し、ハーフブリッジコンバータの直列接続点と組電池の中間接続点との間にトランスの1次巻線を、各単位組電池の直列接続点とハーフブリッジ整流回路の直列接続点との間にトランスの2次巻線を接続する。【選択図】図１
2010104077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された2個の2次電池からなる単位組電池が、２N（Nは正の整数）組直列接続された構成の組電池において、
各々の単位組電池にはダイオードを直列接続したハーフブリッジ式ダイオード整流回路を、さらに前記組電池には半導体スイッチを直列接続したハーフブリッジ式コンバータ回路を、各々並列接続し、
前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の直列接続点と前記組電池の中間接続点との間には、２N（Nは正の整数）個の2次巻線を備えたトランスの1次巻線を、前記各単位組電池の直列接続点と前記ハーフブリッジ式ダイオード整流回路の直列接続点との間には、各々前記トランスの2次巻線を接続することを特徴とする電池バランス回路。
【請求項２】
直列接続された2個の2次電池からなる単位組電池が、２N（Nは正の整数）組直列接続された構成の組電池において、
各々の単位組電池にはダイオードを直列接続したハーフブリッジ式ダイオード整流回路を、さらに前記組電池には半導体スイッチを直列接続したハーフブリッジ式コンバータ回路を、各々並列接続し、
前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の直列接続点と前記組電池の中間接続点との間には、２N（Nは正の整数）個の2次巻線を備えたトランスの1次巻線を、前記各単位組電池の直列接続点と前記ハーフブリッジ式ダイオード整流回路の直列接続点との間には、各々前記トランスの2次巻線とインピーダンスの直列回路を接続することを特徴とする電池バランス回路。
【請求項３】
前記インピーダンスとして、抵抗器またはリアクトルを用いることを特徴とする請求項２に記載の電池バランス回路。
【請求項４】
前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の半導体スイッチを、各々交互に均等のパルス幅でオンオフを繰り返すことで、組電池を構成する全ての2次電池の電圧を均等にすることを特徴とする請求項１から３に記載の電池バランス回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばUPSや産業用電池式電力貯蔵装置のように直列接続された複数の2次電池を電源として用いる技術に関するもので、特に、各電池の電圧を均等化するための電池バランス回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に、従来の技術を用いた電池バランス回路を示す。図５において、ｂ１〜ｂ４は単電池、Ｓ１〜Ｓ４は半導体スイッチ、Ｌ１、Ｌ２はリアクトルである。回路構成は、単電池ｂ１、ｂ２、半導体スイッチＳ１、Ｓ２で構成された第１のハーフブリッジ式コンバータ回路と、単電池ｂ３、ｂ４、半導体スイッチＳ３、Ｓ４で構成された第２のハーフブリッジ式コンバータ回路とを直列接続したものである。第１のハーフブリッジ式コンバータ回路においては、単電池ｂ１、ｂ２の直列接続点と半導体スイッチＳ１、Ｓ２の直列接続点との間にリアクトルＬ１が、第２のハーフブリッジ式コンバータ回路においては、単電池ｂ３、ｂ４の直列接続点と半導体スイッチＳ３、Ｓ４の直列接続点との間にリアクトルＬ２が、各々接続されている。ここで、リアクトルＬ１とＬ２は磁気的に結合した構成となっている。
【０００３】
このような回路構成において、半導体スイッチＳ１とＳ２およびＳ３とＳ４を交互に均等なパルス幅でオンオフすることで、単電池ｂ１とｂ２およびｂ３とｂ４の電圧を均等化することが可能になる。ここで、リアクトルＬ１とＬ２が磁気的に結合していることで、単電池ｂ１〜ｂ４全ての電池電圧を均等化することが可能になる。
この図５の回路の詳細な動作については、特許文献１に開示されている。  
【特許文献１】特開２００１−１８５２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、図５の回路においては、必要とする半導体スイッチの数は直列接続する単電池の数と同じ個数となっている。しかし、産業用に用いる大容量ＵＰＳ（無停電電源装置）、電池電力貯蔵装置などでは、必要な電圧を確保するため、電池の直列接続個数は１００以上となるため、図５の回路構成では、必要となる半導体スイッチの数も電池と同じ１００以上となってしまう。さらに、それらの半導体スイッチは各々異なる電位点に接続されているため、駆動回路と駆動用電源も個別に準備する必要があり、回路全体の小形・低価格化が困難となり、さらに駆動回路を含め部品点数の増加による信頼性の低下といった問題がある。
そこで本発明の目的は、従来に比べ必要とする半導体スイッチの数を低減し装置の小形、低価格化が可能な電池バランス回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、直列接続された2個の2次電池からなる単位組電池が、２N（Nは正の整数）組直列接続された構成の組電池において、
各々の単位組電池にはダイオードを直列接続したハーフブリッジ式ダイオード整流回路を、さらに前記組電池には半導体スイッチを直列接続したハーフブリッジ式コンバータ回路を、各々並列接続し、前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の直列接続点と前記組電池の中間接続点との間には、２N（Nは正の整数）個の2次巻線を備えたトランスの1次巻線を、前記各単位組電池の直列接続点と前記ハーフブリッジ式ダイオード整流回路の直列接続点との間には、各々前記トランスの2次巻線を接続する。
【０００６】
第２の発明においては、直列接続された2個の2次電池からなる単位組電池が、２N（Nは正の整数）組直列接続された構成の組電池において、各々の単位組電池にはダイオードを直列接続したハーフブリッジ式ダイオード整流回路を、さらに前記組電池には半導体スイッチを直列接続したハーフブリッジ式コンバータ回路を、各々並列接続し、前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の直列接続点と前記組電池の中間接続点との間には、２N（Nは正の整数）個の2次巻線を備えたトランスの1次巻線を、前記各単位組電池の直列接続点と前記ハーフブリッジ式ダイオード整流回路の直列接続点との間には、各々前記トランスの2次巻線とインピーダンスの直列回路を接続する。
【０００７】
第３の発明においては、前記インピーダンスとして、抵抗器またはリアクトルを用いる。
【０００８】
第４の発明においては、前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の半導体スイッチを、各々交互に均等のパルス幅でオンオフを繰り返すことで、組電池を構成する全ての2次電池の電圧を均等にする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、直列接続された2個の2次電池からなる単位組電池が、２N（Nは正の整数）組直列接続された構成の組電池において、各々の単位組電池にはダイオードを直列接続したハーフブリッジ式ダイオード整流回路を、さらに前記組電池には半導体スイッチを直列接続したハーフブリッジ式コンバータ回路を、各々並列接続し、前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の直列接続点と前記組電池の中間接続点との間には、２N（Nは正の整数）個の2次巻線を備えたトランスの1次巻線を、前記各単位組電池の直列接続点と前記ハーフブリッジ式ダイオード整流回路の直列接続点との間には、各々前記トランスの2次巻線を接続する。従って、電池直列接続数が大きくなった場合でも、必要とする半導体スイッチの数を2個とすることが出来る。結果として、装置の低価格化・小形化及び部品点数削減による装置の高信頼性化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の要点は、直列接続された2個の2次電池からなる単位組電池が、２N（Nは正の整数）組直列接続された構成の組電池において、各々の単位組電池にはダイオードを直列接続したハーフブリッジ式ダイオード整流回路を、さらに前記組電池には半導体スイッチを直列接続したハーフブリッジ式コンバータ回路を、各々並列接続し、前記ハーフブリッジ式コンバータ回路の直列接続点と前記組電池の中間接続点との間には、２N（Nは正の整数）個の2次巻線を備えたトランスの1次巻線を、前記各単位組電池の直列接続点と前記ハーフブリッジ式ダイオード整流回路の直列接続点との間には、各々前記トランスの2次巻線を接続することである。
【実施例１】
【００１１】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。図１において、単電池b１１とｂ１２の直列接続による単位組電池ＢＢ１と、単電池ｂ２１とｂ２２の直列接続による単位組電池ＢＢ２とが直列に接続され、回路の直流電源部を構成している。さらに、この直流電源部のＰ−Ｎ間には半導体スイッチＳ１、Ｓ２を直列接続した半導体スイッチ直列回路が接続され、半導体スイッチＳ１、Ｓ２の直列接続点と単位組電池ＢＢ１、ＢＢ２の直列接続点との間にはトランスＴｒ１の一次巻線ｗ１が接続され、半導体スイッチ式ハーフブリッジコンバータ回路が構成されている。
【００１２】
また、単位組電池ＢＢ１の両極間には、ダイオードＤ１１とＤ１２の直列回路が並列に接続され、ダイオードＤ１１とＤ１２の直列接続点と単電池ｂ１１とｂ１２の直列接続点との間にはトランスＴｒ１の２次巻線ｗ２１が接続され、ハーフブリッジ式ダイオード整流回路を構成している。同様に、単位組電池ＢＢ２の両極間には、ダイオードＤ２１とＤ２２の直列回路が並列に接続され、ダイオードＤ２１とＤ２２の直列接続点と単電池ｂ２１とｂ２２の直列接続点との間にはトランスＴｒ１の２次巻線ｗ２２が接続され、ハーフブリッジ式ダイオード整流回路を構成している。ここで、トランスＴｒ１の巻数比は理想的には、ｗ１：ｗ２１：ｗ２２＝２：１：１とする。
【００１３】
このような回路構成において、半導体スイッチＳ１をオンすると巻線ｗ1には単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１が印加され（順方向と呼ぶ）、2次巻線ｗ２１とｗ２２には、ＶＢＢ１の１／２の電圧が誘起される（順方向と呼ぶ）。この時、単電池ｂ１１またはｂ２１の電圧が単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１の１／２より小さい場合は、各々巻線ｗ２１→単電池ｂ１１→ダイオードＤ１１、または巻線ｗ２２→単電池ｂ２１→ダイオードＤ２１の経路で、単電池ｂ１１およびｂ２１を単位組電池ＢＢ１のエネルギーにより単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１の１／２の電圧まで充電する。次に半導体スイッチＳ１をオフし、半導体スイッチＳ２をオンすると巻線ｗ１には単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２が逆方向に印加され、２次巻線ｗ２１とｗ２２にはＶＢＢ２の１／２の電圧が逆方向に誘起される。
【００１４】
この時、単電池ｂ１２またはｂ２２の電圧が単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２の１／２より小さい場合は、巻線ｗ２１→ダイオードＤ１２→単電池ｂ１２、または巻線ｗ２２→ダイオードＤ２２→単電池ｂ２２の経路で、単電池ｂ１２およびｂ２２を単位組電池ＢＢ２のエネルギーにより単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２の１／２の電圧まで充電する。これらの動作により、半導体スイッチＳ１がオンすると単電池ｂ１１の電圧Ｖｂ１１と単電池ｂ２１の電圧Ｖｂ２１は等しくなり、半導体スイッチＳ２がオンすると単電池ｂ１２の電圧Ｖｂ１２と単電池ｂ２２の電圧Ｖｂ２２は等しくなる。
【００１５】
ここで、単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１は、ＶＢＢ１＝Ｖｂ１１＋Ｖｂ１２であり、単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２は、ＶＢＢ２＝Ｖｂ２１＋Ｖｂ２２であるので、単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１と単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２は等しくなる。従って、全ての単電池の電圧Ｖｂ１１、Ｖｂ１２、Ｖｂ２１、Ｖｂ２２は等しい電圧となる。以上の説明のように、半導体スイッチＳ１とＳ２のオンオフを高周波で繰り返すことで全ての単電池電圧の均等化が可能となる。
【００１６】
この動作における半導体スイッチＳ１、Ｓ２の動作信号およびトランスＴｒ１の励磁電流例を図２に示す。半導体スイッチＳ１、Ｓ２を適切なパルス幅で均等に駆動することにより、励磁電流が正負対称に流れることがわかる。
【実施例２】
【００１７】
図３に、本発明の第２の実施例を示す。図３は、図１の回路における単電池の数を４個から８個に拡張した場合の回路図である。トランスＴｒ２の2次巻線の数も単電池の数に対応して2倍の4巻線としているが、半導体スイッチは第１の実施例と同様にＳ１、Ｓ２の２個で構成する。その動作については、図１の回路と同様で、下記のようになる。ここで、トランスＴｒ２の巻数比は理想的には、ｗ１：ｗ２１：ｗ２２：ｗ２３：ｗ２４＝４：１：１：１とする。
【００１８】
このような回路構成において、半導体スイッチＳ１をオンすると巻線ｗ1には、単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１と単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２の和が印加され（順方向と呼ぶ）、2次巻線ｗ２１〜ｗ２４には、（ＶＢＢ１＋ＶＢＢ２）の１／４の電圧が誘起される（順方向と呼ぶ）。この時、単電池ｂ１１、ｂ２１、ｂ３１、ｂ４１の電圧が単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１と単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２の和の１／４より小さい場合は、各々巻線ｗ２１→単電池ｂ１１→ダイオードＤ１１、巻線ｗ２２→単電池ｂ２１→ダイオードＤ２１、巻線ｗ２３→単電池ｂ３１→ダイオードＤ３１、巻線ｗ２４→単電池ｂ４１→ダイオードＤ４１の経路で、単電池ｂ１１、ｂ２１、ｂ３１、ｂ４１を、単位組電池ＢＢ１とＢＢ２のエネルギーにより、単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１と単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２の和の１／４の電圧まで充電する。また、単電池ｂ１１、ｂ２１、ｂ３１、ｂ４１の電圧が単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１と単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２の和の１／４より大きいものは、充電されない。
【００１９】
次に半導体スイッチＳ１をオフし、半導体スイッチＳ２をオンすると巻線ｗ１には単位組電池ＢＢ３の電圧ＶＢＢ３と単位組電池ＢＢ４の電圧ＶＢＢ４の和の電圧が逆方向に印加され、２次巻線ｗ２１、ｗ２２、ｗ２３、ｗ２４には、（ＶＢＢ３＋ＶＢＢ４）の１／４の電圧が逆方向に誘起される。この時、単電池ｂ１２、ｂ２２、ｂ３２、ｂ４２の電圧が単位組電池ＢＢ３の電圧ＶＢＢ３と単位組電池ＢＢ４の電圧ＶＢＢ４の和の１／４より小さい場合は、巻線ｗ２１→ダイオードＤ１２→単電池ｂ１２、巻線ｗ２２→ダイオードＤ２２→単電池ｂ２２、巻線ｗ２３→ダイオードＤ３２→単電池ｂ３２、巻線ｗ２４→ダイオードＤ４２→単電池ｂ４２の経路で、単電池ｂ１２、ｂ２２、ｂ３２、ｂ４２を単位組電池ＢＢ３とＢＢ４のエネルギーにより、単位組電池ＢＢ３の電圧ＶＢＢ３と単位組電池ＢＢ４の電圧ＶＢＢ４の和の１／４の電圧まで充電する。また、単電池ｂ１２、ｂ２２、ｂ３２、ｂ４２の電圧が単位組電池ＢＢ３の電圧ＶＢＢ３と単位組電池ＢＢ４の電圧ＶＢＢ４の和の１／４より大きいものは、充電されない。
【００２０】
これらの動作により、半導体スイッチＳ１がオンすると単電池ｂ１１の電圧Ｖｂ１１、単電池ｂ２１の電圧Ｖｂ２１、単電池ｂ３１の電圧Ｖｂ３１、単電池ｂ４１の電圧Ｖｂ４１は等しくなり、半導体スイッチＳ２がオンすると単電池ｂ１２の電圧Ｖｂ１２、単電池ｂ２２の電圧Ｖｂ２２、単電池ｂ３２の電圧Ｖｂ３２、単電池ｂ４２の電圧Ｖｂ４２は等しくなる。ここで、単位組電池ＢＢ１の電圧ＶＢＢ１はＶＢＢ１＝Ｖｂ１１＋Ｖｂ１２、単位組電池ＢＢ２の電圧ＶＢＢ２はＶＢＢ２＝Ｖｂ２１＋Ｖｂ２２、単位組電池ＢＢ３の電圧ＶＢＢ３はＶＢＢ３＝Ｖｂ３１＋Ｖｂ３２、単位組電池ＢＢ４の電圧ＶＢＢ４はＶＢＢ４＝Ｖｂ４１＋Ｖｂ４２であるので、単位組電池ＢＢ１〜ＢＢ４の電圧ＶＢＢ１〜ＶＢＢ４は等しくなる。従って、全ての単電池の電圧は等しい電圧となる。以上の説明のように、半導体スイッチＳ１とＳ２のオンオフを繰り返すことで全ての単電池電圧の均等化が可能となる。この動作における半導体スイッチＳ１、Ｓ２の動作信号およびトランスＴｒ２の励磁電流例は図２と同様である。
【実施例３】
【００２１】
図４に、本発明の第３の実施例を示す。図４は、図１の回路におけるトランスＴｒ１の2次巻線と直列に各々インピーダンス要素Ｚ１、Ｚ２を追加した構成である。これは各単電池の電圧不均衡が大きい状態で動作する場合の各充電電流の突入を抑制するための要素で、インピーダンス要素としては、抵抗器またはリアクトルを用いることが可能である。
また、図３の実施例においても適用可能である。
尚、二次電池としては、充放電可能な蓄電池であれば良く、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）、ハイブリッドキャパシタなどにも適用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、二次電池を多数個直列接続して使用するＵＰＳ（無停電電源装置）、電気自動車、電力系統補償装置などへの適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図。
【図２】図１の動作波形図。
【図３】本発明の第２の実施例を示す回路図。
【図４】本発明の第３の実施例を示す回路図。
【図５】従来例を示す回路図。
【符号の説明】
【００２４】
Ｌ１、Ｌ２・・・リアクトル          Ｓ１〜Ｓ４・・・半導体スイッチ
Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２・・・ダイオード
ｂ１〜ｂ４・・・単電池          Ｚ１、Ｚ２・・・インピーダンス
ｂ１１、ｂ１２、ｂ２１、ｂ２２、ｂ３１、ｂ３２、ｂ４１、ｂ４２・・・単電池
ＢＢ１〜ＢＢ４・・・単位組電池          Ｔｒ１、Ｔｒ２・・・トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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