(57)【要約】      （修正有）【課題】エネルギー効率に優れ、開閉回路を制御するための二次側駆動用電源が不要で、回路全体を小型でコンパクトにすることが可能な充電残量バランス回路を提供する。【解決手段】充電残量バランス回路は、直列に接続された複数の蓄電池１と、蓄電器４と、蓄電池１と蓄電器４とに接続して電荷の移動を可能とした複数の開閉回路２と、開閉回路２を切換制御するための制御回路５と、を備える。複数の開閉回路の切換えにて蓄電池１と蓄電器４の間で電荷を移動させて各蓄電池１の充電残量のバランスをとるように構成する。制御回路５は、電源部が共通の制御部６と、制御部６と開閉回路２の間に介装された変換手段３と、を備える。変換手段３は、制御部６から出力され制御部６とグラウンドレベルが同じである一次側制御出力Ｓを、各開閉回路２とグラウンドレベルが同じとなる二次側制御出力Ｋに、変換して、二次側制御出力Ｋにて開閉回路２の切換えを行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の蓄電池（１）（１）と、蓄電器（４）と、該蓄電池（１）と該蓄電器（４）とに接続して電荷の移動を可能とした複数の開閉回路（２）（２）と、該開閉回路（２）を切換制御するための制御回路（５）と、を備え、複数の上記開閉回路（２）（２）の切換えにて上記蓄電池（１）と上記蓄電器（４）の間で電荷を移動させて各上記蓄電池（１）の充電残量のバランスをとるように構成した充電残量バランス回路であって、
上記制御回路（５）は、電源部が共通の制御部（６）と、該制御部（６）と上記開閉回路（２）の間に介装された変換手段（３）と、を備え、
上記変換手段（３）は、上記制御部（６）から出力され該制御部（６）とグラウンドレベルが同じである一次側制御出力（Ｓ）を、各上記開閉回路（２）とグラウンドレベルが同じとなる二次側制御出力（Ｋ）に、変換して、上記二次側制御出力（Ｋ）にて上記開閉回路（２）の切換えを行うことを特徴とする充電残量バランス回路。
【請求項２】
上記変換手段（３）をパルストランスにて構成した請求項１記載の充電残量バランス回路。
【請求項３】
上記開閉回路（２）をＦＥＴにて構成した請求項１又は２記載の充電残量バランス回路。
【請求項４】
上記蓄電池（１）は、リチウムイオン蓄電池である請求項１，２又は３記載の充電残量バランス回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電残量バランス回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池等の蓄電池（二次電池）は、技術の発達により、様々な分野で使用されるようになってきた。リチウムイオン蓄電池等の蓄電池は、容量は大きいが、一つのセルの起電力は限られるので、所望の電圧となるように必要な数だけ直列に接続して組電池として使用することが従来から行われている。
【０００３】
しかし、組電池を構成する各蓄電池の充電残量の差が大きいと、充電時には過充電を起こしやすく、使用時には過放電を起こしやすいため、蓄電池の寿命が著しく短くなる虞れがある。つまり、各蓄電池の充電残量が等しくなるようにバランスをとる必要があった。
そこで、図４に示すように、複数の蓄電池91，91と、複数の抵抗92，92とを、開閉回路93，93を介して接続し、各開閉回路93，93を切換制御して、充電残量の大きな蓄電池91の電荷を、抵抗92で消費させて、充電残量のバランスをとる回路があった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、図５及び図６に示すように、直列に接続された複数の蓄電池95と、コンデンサや電気二重層キャパシタ等の蓄電器96と、蓄電池95と蓄電器96とに接続して電荷の移動を可能とした複数の開閉回路97，97と、制御部98と開閉回路97の間に介装されたフォトカプラ99と、を備える充電残量バランス回路があった。
【０００５】
図５及び図６の回路は、第１の蓄電池95Ａの充電残量が第２の蓄電池95Ｂよりも大きい場合に、第１の開閉回路97Ａと第３の開閉回路97Ｃとを閉状態（ＯＮ）として、充電残量の大きな第１の蓄電池95Ａのアンバランス分の電荷を一旦、第１の蓄電器96Ａに移し、次に、第１・第３の開閉回路97Ａ，97Ｃを開状態（ＯＦＦ）とし、第２の開閉回路97Ｂと第４の開閉回路97Ｄを閉状態にして、電荷が移された第１の蓄電器96Ａから、充電残量の小さな第２の蓄電池95Ｂへ、電荷を移動させて、第１・第２の蓄電池95Ａ，95Ｂの充電残量が等しくなるようにバランスを取る回路である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. Daowd, N. Omar, P. Van Den Bossche, and Joeri. Van Mierlo,“Passive and active battery balancing comparison based on MATLAB simulation,”Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC), 2011 IEEE,pp.1-7,Sept.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図４の回路は、アンバランス分（余剰分）の電気エネルギーを、抵抗92で消費してしまうため、エネルギーを無駄に消費してしまい、エネルギー効率が悪くなるという問題がある。
また、図５及び図６の回路は、開閉回路97として、ＦＥＴを用い、制御部98と各開閉回路97との間には、電気的に分離（隔離）のためにフォトカプラ99を介装している。
フォトカプラ99により、制御回路９は、一次側（制御部98側）と、二次側（開閉回路97側）とに、電気的に分離されるが、二次側に、開閉回路97（ＦＥＴのゲート）を制御するための二次側駆動用電源90が必要となる。
この二次側駆動用電源90は、各開閉回路97Ａ，97Ｂ，97Ｃ，97Ｄが、蓄電池95Ａ，95Ｂの陽極側又は陰極側、或いは、蓄電器96（96Ａ），96（96Ｂ）のプラス側又はマイナス側に、接続されているため、電位的にグラウンドレベル（グラウンド）を共通にできず、各二次側駆動用電源90Ａ，90Ｂ，90Ｃ，90Ｄは、夫々、全く独立した（グラウンドレベルが分離した）構成にする必要がある。即ち、開閉回路97の数だけ、独立した二次側駆動用電源90が必要になり、回路全体が、大規模なものとなる問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、エネルギー効率に優れ、開閉回路を制御するための二次側駆動用電源が不要で、回路全体を小型でコンパクトにすることが可能な充電残量バランス回路の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、直列に接続された複数の蓄電池と、蓄電器と、該蓄電池と該蓄電器とに接続して電荷の移動を可能とした複数の開閉回路と、該開閉回路を切換制御するための制御回路と、を備え、複数の上記開閉回路の切換えにて上記蓄電池と上記蓄電器の間で電荷を移動させて各上記蓄電池の充電残量のバランスをとるように構成した充電残量バランス回路であって、上記制御回路は、電源部が共通の制御部と、該制御部と上記開閉回路の間に介装された変換手段と、を備え、上記変換手段は、上記制御部から出力され該制御部とグラウンドレベルが同じである一次側制御出力を、各上記開閉回路とグラウンドレベルが同じとなる二次側制御出力に、変換して、上記二次側制御出力にて上記開閉回路の切換えを行うものである。
また、上記変換手段をパルストランスにて構成したものである。
また、上記開閉回路をＦＥＴにて構成したものである。
また、上記蓄電池は、リチウムイオン蓄電池である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、開閉回路を制御するための二次側駆動用電源が不要で、回路全体を小型かつコンパクトな形状とすることができる。回路構成を簡略化できる。部品点数を削減でき、製造を容易（安価）に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の一形態を示す簡略ブロック図である。
【図２】実施形態を示し、蓄電池から蓄電器への電荷の移動を説明するための回路図である。
【図３】実施形態を示し、蓄電器から蓄電池への電荷の移動を説明するための回路図である。
【図４】従来技術を説明するための簡略ブロック図である。
【図５】別の従来技術を説明するための簡略ブロック図である。
【図６】別の従来技術を説明するための回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図示の実施形態に基づき本発明を詳説する。
本発明の充電残量バランス回路は、図１乃至図３に示すように、直列に接続された複数の蓄電池１，１と、複数の蓄電器４，４と、蓄電池１と蓄電器４とに接続して電荷の移動を可能とした複数の開閉回路２，２と、開閉回路２を切換制御するための制御回路５と、を備えている。複数の蓄電池１，１を直列接続して組電池を構成している。
【００１３】
蓄電池（二次電池）１は、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、鉛蓄電池等であれば良い。特に、リチウムイオン蓄電池とするのが、エネルギー密度が高い点、メモリー効果（充放電の繰り返しで容量が減ってしまう現象）が無い点、自己放電が少ない点、充電・放電効率が良い点、長寿命などの利点で好ましい。
【００１４】
蓄電器４は、電荷を一時的に保持可能かつ充放電が可能であれば良く、コンデンサ又は電気二重層キャパシタ等である。
【００１５】
開閉回路２は、電力（電圧又は電流）によってスイッチ動作（開閉動作）を行うものであれば良く、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）又はトランジスタ回路等である。特に、ＦＥＴとするのが、回路構成を簡素化できる点で好ましい。
【００１６】
制御回路５は、制御用の出力（電力）を変換手段３へ供給可能な制御部６と、制御部６と開閉回路２の間に介装された変換手段３と、を備えている。
【００１７】
変換手段３は、パルストランスであって、開閉回路２と、制御部６と、の間を電気的に分離（隔離）しており、制御部６に接続された一次側部と、開閉回路２（ＦＥＴのゲート）に接続された二次側部と、を有している。
【００１８】
変換手段３は、制御部６からの電力（一次側制御出力）Ｓによって、二次側部に、電力（二次側制御出力）Ｋを、誘起させ、誘起された電力（二次側制御出力）Ｋａ，Ｋｂ，Ｋｃ，Ｋｄを、各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに、作用させて、切換制御（ＯＮ−ＯＦＦ制御）を行うものである。
【００１９】
各変換手段３の一次側部は制御部６に接続され、制御部６は（一次側制御用の）電源部が共通（１つ）であるため、各変換手段３の一次側部のグラウンドレベルは同じである。
【００２０】
各変換手段３の二次側部は、各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに接続されているため、各変換手段３の二次側部のグラウンドレベルは、各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのグラウンドレベルと同じである。
各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、蓄電池１の陽極側又は陰極側、或いは、蓄電器４のプラス側又はマイナス側に、接続されているため、各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄのグラウンドレベル（基準電位）は、夫々、異なる。なお、複数の開閉回路２，２の内、いくつかの開閉回路２では、グラウンドレベルが同じとなる場合もある。
【００２１】
つまり、変換手段３は、制御部６から出力されその制御部６とグラウンドレベルが同じである一次側制御出力（電力）Ｓを、各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄとグラウンドレベルが同じとなる二次側制御出力（電力）Ｋａ，Ｋｂ，Ｋｃ，Ｋｄに変換し、各二次側制御出力（電力）Ｋａ，Ｋｂ，Ｋｃ，Ｋｄにて、各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの切換を行う。
そして、二次側制御出力Ｋは、一次側制御出力Ｓにより誘起された電力であるため、図５及び図６に示す従来技術のような二次側駆動用電源90は不要である。
【００２２】
制御部６は、図示省略するが、各蓄電池１の充電残量を測定（読み取り）可能であり、各蓄電池１の充電残量の差を演算可能なマイコン又はＣＰＵ等の演算処理部と、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶部と、を有している。
制御部６（演算処理部）は、演算した充電残量差に基づいて、各変換手段３へ、所定範囲の電圧値（又は電流値）をもった一次側制御出力Ｓを出力するか否か、の判定を行う。
上記「所定範囲」は、各変換手段３に応じて、範囲の値（幅）が異なる場合もある。
そして、制御部６は電源部が共通であるため、各変換手段３へ出力する各一次側制御出力Ｓは、同じグラウンドレベルとなる。
【００２３】
次に、本発明の充電残量バランス回路の作用（動作）について説明する。
先ず、図１乃至図３の回路は、第１の蓄電池１Ａと、第１の蓄電池１Ａの陰極側に直列に接続された第２の蓄電池１Ｂと、第１の蓄電器４Ａと、第１の蓄電器４Ａのマイナス側に直列に（プラス側が）接続された第２の蓄電器４Ｂと、第１の蓄電池１Ａの陽極側から第１の蓄電器４Ａのプラス側へ電荷の移動を可能にするための第１の開閉回路２Ａと、第１の蓄電器４Ａのプラス側から第２の蓄電池１Ｂの陽極側へ電荷の移動を可能にするための第２の開閉回路２Ｂと、第１の蓄電器４Ａのマイナス側から第１の蓄電池１Ａの陰極側へ電荷の移動を可能にするための第３の開閉回路２Ｃと、第２の蓄電池１Ｂの陰極側から第１の蓄電器４Ａのマイナス側へ電荷の移動を可能にするための第４の開閉回路２Ｄと、各開閉回路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに夫々対応する第１・第２・第３・第４の変換手段３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを備えている。
【００２４】
そして、第１の蓄電池１Ａの充電残量が、第２の蓄電池１Ｂの充電残量よりも大きい（多い）場合は、制御部６は、図２に示すように、第１・第３の変換手段３Ａ，３Ｃへ、一次側制御出力Ｓを出力（供給）する。
【００２５】
図２に於て、第１の変換手段３Ａは、制御部６からの一次側制御出力Ｓを、第１の開閉回路２Ａとグラウンドレベルが同じとなる（グラウンドが共通である）二次側制御出力Ｋａに変換する。二次側制御出力Ｋａによって、第１の開閉回路２Ａは閉（ＯＮ）状態となる。
【００２６】
第３の変換手段３Ｃは、制御部６からの一次側制御出力Ｓを、第３の開閉回路２Ｃとグラウンドレベルが同じとなる二次側制御出力Ｋｃに変換する。二次側制御出力Ｋｃによって、第３の開閉回路２Ｃは閉状態となる。他の開閉回路２は開（ＯＦＦ）状態である。
【００２７】
つまり、第１の蓄電池１Ａと第１の蓄電器４Ａとの両極を夫々接続して、第１の蓄電池１Ａから余剰な電荷（所定量の電荷）を第１の蓄電器４Ａへ移す（図２の太線参照）。
【００２８】
なお、第１の蓄電池１Ａから電荷を第１の蓄電器４Ａへ移す場合に於て（図２に於て）、第１の蓄電池１Ａの陰極側から第１の蓄電器４Ａのマイナス側へ電荷の移動を可能にする第５の開閉回路２Ｅを切換えるための第５の変換手段３Ｅへ、一次側制御出力Ｓを供給して、第５の開閉回路２Ｅを閉状態とするのが好ましい。
なお、第５の開閉回路２Ｅは、第２の蓄電池１Ｂの陽極側から、第２の蓄電器４Ｂのプラス側へ、電荷の移動を可能にするためのものでもある。
【００２９】
その後、図３に示すように、制御部６は、第２・第４の変換手段３Ｂ，３Ｄへ、一次側制御出力Ｓを供給して、第２・第４の開閉回路２Ｂ，２Ｄを閉状態にする。なお、他の開閉回路２は開状態にする。第２の蓄電池１Ｂと第１の蓄電器４Ａの両極が夫々接続され、第１の蓄電器４Ａに蓄えた電荷（所定量の電荷）が、第２の蓄電池１Ｂへ移される（図３の太線参照）。
【００３０】
なお、第１の蓄電器４Ａから電荷を第２の蓄電池１Ｂへ移す場合に於て（図３に於て）、第１の蓄電器４Ａのマイナス側から第２の蓄電池１Ｂの陰極側へ電荷を移動可能にする第６の開閉回路２Ｆを切換えるための第６の変換手段３Ｆへ、一次側制御出力Ｓを供給して、第６の開閉回路２Ｆを閉状態とするのが好ましい。
なお、第６の開閉回路２Ｆは、第２の蓄電器４Ｂのプラス側から、第２の蓄電池１Ｂの陰極側に直列に接続される図外の（第３の）蓄電池１の陽極側へ、電荷の移動を可能にするためのものでもある。
【００３１】
上述のように電荷を移動させる電荷調整制御を、図外の他の蓄電池１についても適宜（必要に応じて）繰り返して、行うことで、各蓄電池１の充電残量を均一に揃えて、バランスを取る。
【００３２】
なお、図１乃至図３に於て、蓄電池１と蓄電器４を夫々２つしか図示していないが、実際は（図外に）、複数の蓄電池１と、複数の蓄電器４が設けられ、各蓄電池１と各蓄電器４の間で、上述のような電荷の移動（充放電）が可能なように複数の開閉回路２と、各開閉回路２に対応する変換手段３を複数設けている。つまり、蓄電池１の直列方向に、図２及び図３に図示した回路を繰り返すように設けている。
【００３３】
なお、本発明は、設計変更可能であって、蓄電池１、蓄電器４、開閉回路２、変換手段３の数は自由である。ＦＥＴは、接合型（Junction型）、ＭＯＳ型のいずれであっても良い。また、本発明に於て、「第１の」や「第４の」等の番号は、説明を容易にするために付したものであって、動作の順番や回路内での設置位置を限定するものではない。
【００３４】
以上のように、本発明の充電残量バランス回路は、直列に接続された複数の蓄電池１，１と、蓄電器４と、蓄電池１と蓄電器４とに接続して電荷の移動を可能とした複数の開閉回路２，２と、開閉回路２を切換制御するための制御回路５と、を備え、複数の開閉回路２，２の切換えにて蓄電池１と蓄電器４の間で電荷を移動させて各蓄電池１の充電残量のバランスをとるように構成した充電残量バランス回路であって、制御回路５は、電源部が共通の制御部６と、制御部６と開閉回路２の間に介装された変換手段３と、を備え、変換手段３は、制御部６から出力され制御部６とグラウンドレベルが同じである一次側制御出力Ｓを、各開閉回路２とグラウンドレベルが同じとなる二次側制御出力Ｋに、変換して、二次側制御出力Ｋにて開閉回路２の切換えを行うので、開閉回路２の数だけ独立した二次側駆動用電源90が不要で、回路全体を小型かつコンパクトな形状とすることができる。部品点数を削減でき、製造を容易（安価）に行うことができる。回路構成を簡略化できる。
【００３５】
また、変換手段３をパルストランスにて構成したので、回路全体を容易に製造できる。高精度な制御を行うことができる。
【００３６】
また、開閉回路２をＦＥＴにて構成したので、回路全体を簡素化でき容易に製造できる。
【００３７】
蓄電池１は、リチウムイオン蓄電池であるので、エネルギー密度が高く、自己放電が少なく、エネルギー効率をより向上させることができる。メモリー効果（充放電の繰り返しで容量が減ってしまう現象）が無く、長寿命で、優れた耐久性を得ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  蓄電池
２  開閉回路
３  変換手段
４  蓄電器
５  制御回路
６  制御部
Ｋ  二次側制御出力
Ｓ  一次側制御出力
【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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【図６】
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