(57)【要約】【課題】  トランス方式による多直列蓄電セルの充電バランス補正回路において、トランスとセルモジュール間の配線の本数低減と細径化により、配線の混雑回避と低コスト化を可能にするとともに、トランスや配線から発生されるノイズを低減させる。【解決手段】  各セルモジュールＭ１〜Ｍｎにそれぞれ、１次巻線と２次巻線が互いに絶縁状態で磁気結合されている絶縁トランスＴ１〜Ｔｎを個別に設置し、そのトランスの２次巻線に誘導される２次電流でセルモジュールを個別充電する一方。各トランスの１次巻線は共通配線を介して共振電流発生回路２０に共通接続され、共振電流発生回路２０は共振電流を発生して各トランスの１次巻線に分配する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された多数の蓄電セルの電圧を、１または複数の直列接続された蓄電セルからなるセルモジュール単位で均等化する多直列蓄電セルの充電バランス補正回路であって、
各セルモジュールにはそれぞれ、１次巻線と２次巻線が互いに磁気結合されている絶縁トランスが個別に設置されるとともに、そのトランスの２次巻線に誘導される２次電流を整流してセルモジュールに充電供給する整流回路が設けられている、
各トランスの１次巻線は共振電流発生回路に接続されている、
共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタからなる共振回路と、この共振回路にバランス補正用電源をパルス通電させて共振駆動するスイッチング素子とを有し、パルス通電ごとに生成される共振電流を各トランスの１次巻線に分配する、
ことを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
【請求項２】
請求項１において、共振電流発生回路にて生成した共振電流を各トランスの１次巻線に共通配線によって分配することを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
【請求項３】
請求項１または２において、共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタからなる直列共振回路を用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、各モジュールの電圧が互いに均等な場合にモジュール間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧を、多直列蓄電セルの出力電圧を抵抗分圧して得る分圧回路と、この分圧回路の分圧電圧と、この分圧電圧に対応する中間電圧との差分の絶対値を検出する差検出回路を有し、この差検出回路の検出出力がパルス制御回路にフィードバックさせられることを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
【請求項５】
請求項４において、差検出回路は、分圧回路の分圧電圧と、この分圧電圧に対応する中間電圧との絶対値差分を所定の増幅利得で比例検出することを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、多直列蓄電セルの出力を、この多直列蓄電セルのバランス補正用電源として用いることを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多直列蓄電セルの充電バランス補正回路に関し、とくに、直列接続された多数の蓄電セルの電圧を、トランスを用いてモジュール単位で均等化する充電バランス補正回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の充電バランス補正回路としては、たとえば特許文献１，２に記載されているようなトランス方式の充電バランス補正回路が知られている。
【０００３】
図３は、本発明者らが本発明に先立って検討したトランス方式の充電バランス補正回路を例示する。同図に示す充電バランス補正回路はフライバック型とも呼ばれ、直列接続された多数の蓄電セル１１の電圧を、セルモジュールＭ１〜Ｍｎ単位で均等化させるために、各セルモジュールＭ１〜Ｍｎへの充電を、フライバック型の多巻線トランス（フライバックトランス）Ｔｘを用いて、モジュールＭ１〜Ｍｎごとに独立して行う。
【０００４】
多巻線のフライバックトランスＴｘは、１つの１次巻線Ｌ１１に対して複数の２次巻線Ｌ２１〜Ｌ２ｎを有する。複数の２次巻線Ｌ２１〜Ｌ２ｎ間は互いに絶縁された状態でそれぞれに１次巻線Ｌ１１に磁気結合している。
【０００５】
１次巻線Ｌ１１には、バランス補正用電源Ｅ１がスイッチング素子Ｓ１を介してパルス通電される。これにともない、各２次巻線Ｌ２１〜Ｌ２ｎにそれぞれ２次電流が誘導される。２次巻線Ｌ２１〜Ｌ２ｎは個別配線３１を介して、セルモジュールＭ１〜Ｍｎに１対１の対応で個別接続されている。
【０００６】
各２次巻線Ｌ２１〜Ｌ２ｎに誘導された２次電流は、その個別配線３１を介してセルモジュールＭ１〜Ｍｎに個別に給電される。各モジュールＭ１〜Ｍｎでは、その２次電流を整流回路Ｄ１で整流してセルモジュールＭ１〜Ｍｎに充電供給する。これにより、多直列蓄電セル１０の電圧を、モジュールＭ１〜Ｍｎ単位で均等化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３２６７２２１号公報
【特許文献２】特許３６３０３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したフライバック型の充電バランス補正回路には、次のような問題点があった。
【０００９】
フライバック型の多巻線トランスは、所定の巻線のインダクタを得るために、磁気ギャップを有する磁気コアを使用するが、その磁気ギャップからの漏れ磁束が大きく、この漏れ磁束がノイズ発生原因となりやすい。
【００１０】
２次巻線Ｌ２１〜Ｌ２ｎとセルモジュールＭ１〜Ｍｎ間の配線３１は、配線本数の多い個別配線であることに加えて、各配線は比較的大きな２次電流が流れることにより、線径を太くする必要があった。このため、配線が混雑するとともにコストが高くなってしまうという問題があった。
【００１１】
トランスＴｘと各セルモジュールＭ１〜Ｍｎ間の個別配線３１は、モジュールＭ１〜Ｍｎの配置に合わせるために、ある程度長く引き回さざるを得ないが、この引き回した配線３１からは高調波ノイズが輻射される。
【００１２】
図示の回路例では、説明の簡略化のために２次巻線数Ｌ２１〜Ｌ２ｎが３つだけだが、たとえば電気自動車、プラグインハイブリッド車、系統連携用蓄電システムなどに使用される多直列蓄電セルは、セルモジュール数が数ケ〜数百の規模になることがある。このような場合、多巻線トランスの２次巻線数もそれに応じて多くなるため、上述した問題はさらに顕著化してしまう。
【００１３】
本発明は以上のような問題を鑑みたものであって、その目的は、トランスとセルモジュール間の配線本数を低減するとともにその線径を細くすることができ、これにより、配線の混雑回避と低コスト化を可能にするとともに、トランスや配線から発生されるノイズを低減させることができる多直列蓄電セルの充電バランス補正回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の手段は、次の（１）〜（４）により特定されるものである。  
（１）直列接続された多数の蓄電セルの電圧を、１または複数の直列接続された蓄電セルからなるセルモジュール単位で均等化する多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。  
（２）各セルモジュールにはそれぞれ、１次巻線と２次巻線が互いに磁気結合されている絶縁トランスが個別に設置されるとともに、そのトランスの２次巻線に誘導される２次電流を整流してセルモジュールに充電供給する整流回路が設けられている。  
（３）各トランスの１次巻線は共振電流発生回路に接続されている。  
（４）共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタからなる共振回路と、この共振回路にバランス補正用電源をパルス通電させて共振駆動するスイッチング素子とを有し、パルス通電ごとに生成される共振電流を各トランスの１次巻線に分配する。
【００１５】
本発明の第２の手段は、第１の手段において、共振電流発生回路にて生成した共振電流を各トランスの１次巻線に共通配線によって分配することを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。
【００１６】
本発明の第３の手段は、第１または第２の手段において、共振電流発生回路は、インダクタとキャパシタからなる直列共振回路を用いて構成されていることを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。
【００１７】
本発明の第４の手段は、第１〜第３の手段のいずれかにおいて、各モジュールの電圧が互いに均等な場合にモジュール間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧を、多直列蓄電セルの出力電圧を抵抗分圧して得る分圧回路と、この分圧回路の分圧電圧と、この分圧電圧に対応する中間電圧との差分の絶対値を検出する差検出回路を有し、この差検出回路の検出出力がパルス制御回路にフィードバックさせられることを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。
【００１８】
本発明の第５の手段は、第４の手段において、差検出回路は、分圧回路の分圧電圧と、この分圧電圧に対応する中間電圧との絶対値差分を所定の増幅利得で比例検出することを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。
【００１９】
本発明の第６の手段は、第１〜第５の手段のいずれかにおいて、多直列蓄電セルの出力を、この多直列蓄電セルのバランス補正用電源として用いることを特徴とする多直列蓄電セルの充電バランス補正回路である。
【発明の効果】
【００２０】
トランス方式による多直列蓄電セルの充電バランス補正回路において、トランスとセルモジュール間の配線本数を低減するとともにその線径を細くすることができ、これにより、配線の混雑回避と低コスト化が可能になるとともに、トランスや配線から発生されるノイズを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態をなす多直列蓄電セルの充電バランス補正回路を示す回路図である。
【図２】本発明のさらに好ましい実施形態の要部を示す回路図である。
【図３】本発明に先だって検討された従来型の充電バランス補正回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の一実施形態をなす多直列蓄電セルの充電バランス補正回路を示す。  
同図に示すバランス補正回路は、多直列蓄電セル１０を構成するセルモジュールＭ１〜Ｍｎの電圧（モジュール電圧）をトランスＴ１〜Ｔｎを用いて均等化する。
【００２３】
セルモジュールＭ１〜Ｍｎは、この実施形態の場合、複数の直列接続された蓄電セル１１からなる。このセルモジュールＭ１〜Ｍｎを任意数直列接続することにより所定の端子電圧を有する多直列蓄電セル１０が構成されている。
【００２４】
この実施形態のバランス補正回路はトランス方式であるが、従来のフライバック型とは異なり、多巻線のフライバックトランスは使用せず、その代わり、１次巻線と２次巻線を１つずつ有する絶縁トランスＴ１〜ＴｎがセルモジュールＭ１〜Ｍｎごとに設けられている。電圧均等化はセルモジュールＭ１〜Ｍｎ単位で行われる。
【００２５】
各セルモジュールＭ１〜Ｍｎにはそれぞれ、１次巻線と２次巻線が互いに絶縁状態で磁気結合されている絶縁トランスＴ１〜Ｔｎが個別に設置されるとともに、そのトランスＴ１〜Ｔｎの２次巻線に誘導される２次電流を整流してセルモジュールＭ１〜Ｍｎに充電供給する整流回路Ｄ１〜Ｄ４が設けられている。
【００２６】
各トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線は共通配線３０を介して共振電流発生回路２０に共通接続されている。共振電流発生回路２０は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１，Ｃ２からなる共振回路と、この共振回路にバランス補正用電源Ｅ１をパルス通電させて共振駆動するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とを有し、パルス通電ごとに生成される共振電流を、共通配線３０を介して各トランスＴ１〜Ｔｎの１次巻線に分配する。
【００２７】
ここで、各トランスＴ１〜Ｔｎは同じ巻数比で構成されており、各トランスのＴ１〜Ｔｎの１次電圧はそれぞれ、二次側に接続されているモジュールＭ１〜Ｍｎの電圧によって制限される。このため、モジュールＭ１〜Ｍｎ間に電圧差がある場合、１次電流として各トランスＴ１〜Ｔｎに分配された共振電流は、もっとも電圧が低いモジュールに接続されているトランスに集中する。
【００２８】
共振回路は直列共振回路（直列共振型電流共振回路）であって、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、キャパシタＣ１，Ｃ２、インダクタＬ１、トランスＴ１〜Ｔｎにより形成され、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の導通（交互のパルス通電動作）により共振駆動されて共振電流を流す。この共振電流は共通配線３０を介して各トランスＴ１〜Ｔｎに１次電流として分配される。
【００２９】
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はたとえばバックダイオードが等価的に接続されたＭＯＳＦＥＴが使用され、そのスイッチング動作はＰＦＭ（パルス周波数変調）制御回路３５によって制御される。ＰＦＭ制御回路（パルス制御回路）３５は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２によるパルス通電の間隔（要すればパルス幅も）を、セルモジュールＭ１〜Ｍｎ間の電圧差を検出するバランス検出回路１５の検出に基づいて可変制御する。すなわち、ＰＦＭ制御回路３５は、バランス検出回路１５が検出するセルモジュールＭ１〜Ｍｎ間の電圧差が最小となるようにフィードバック制御する負帰還制御ループを形成する。
【００３０】
バランス検出回路１５は、各モジュールＭ１〜Ｍｎの電圧が互いに均等な場合にモジュールＭ１〜Ｍｎ間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧を、多直列蓄電セル１０の出力電圧を抵抗分圧して得る分圧回路１６と、この分圧回路１６の分圧電圧と、この分圧電圧に対応する中間電圧との差分の絶対値を検出する差検出回路１７を有し、この差検出回路１７の検出出力がＰＦＭ制御回路３５にフィードバックさせられることにより、上記負帰還制御ループが形成される。
【００３１】
分圧回路１６は抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ３１，Ｒ３２を用いて構成され、モジュールＭ１〜Ｍｎ間の接続点数に対応する数の分圧出力を有する。図示の例では、モジュールＭ１〜Ｍｎ間の接続点数が２箇所であることから、各箇所にそれぞれ現れる中間電圧に対応する２つの分圧電圧を得るような分圧回路１６が形成されている。
【００３２】
差検出回路１７は、演算増幅器Ｈ１，Ｈ２を用いて構成されている。図示の例では、比較対象となる中間電圧と分圧電圧が２組あることにより、演算増幅器Ｈ１，Ｈ２も２組設けられている。各演算増幅器Ｈ１，Ｈ２の差動増幅出力は、絶対値検出回路１８で絶対値に変換されて出力される。各絶対値検出回路１８の出力は論理加算されてＰＦＭ制御回路３５にフィードバックさせられる。この論理加算はアナログ値の論理加算であって、複数の絶対値（アナログ値）の中のもっとも大きな絶対値が出力される。
【００３３】
これにより、ＰＦＭ制御回路３５は、各絶対値検出回路１８の絶対値出力が共に最小となるようにスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の通電間隔（周波数）をフィードバック制御する。
【００３４】
上述した充電バランス補正回路は、漏れ磁束の大きい多巻線のフライバックトランスは使用せず、１次巻線と２次巻線を１つずつ有する絶縁トランスＴ１〜Ｔｎを使用している。このトランスＴ１〜Ｔｎは、巻線インダクタンスを調整するための磁気ギャップを不要にできるので、漏れ磁束によるノイズ放射を小さくすることができる。
【００３５】
トランスＴ１〜Ｔｎにはバランス補正用電流が分配されるが、この電流分配は共通配線３０により、少ない配線本数で行わせることができる。しかも、共通配線３０で分配する電流は、比較的電流値の小さな１次巻線電流なので、配線３０の線径を細くすることができる。これにより、配線の混雑回避と低コスト化が可能になる。
【００３６】
さらに注目すべきことは、共通配線３０で分配されるバランス補正用電流は共振電流であって、この共振電流は高調波成分が少ないことである。したがって、モジュールＭ１〜Ｍｎの配置に合わせるために共通配線３０を長く引き回しても、この引き回した配線３１からの高調波ノイズの輻射を少なくすることができる。
【００３７】
このように、上述した充電バランス補正回路は、トランスＴ１〜ＴｎとセルモジュールＭ１〜Ｍｎ間の配線本数を低減するとともにその線径を細くすることができ、これにより、配線の混雑回避と低コスト化を可能にするとともに、トランスＴ１〜Ｔｎや配線３０から発生されるノイズを低減させることができる。
【００３８】
さらに、共振電流発生回路にて生成した共振電流を各トランスの１次巻線に共通配線によって分配することで、配線本数を大幅に減らすことができ、これにより、配線の混雑回避や低コスト化をさらに徹底して行わせることができるようになる。
【００３９】
上記効果は、たとえば電気自動車、プラグインハイブリッド車、系統連携用蓄電システムなどに使用される多直列蓄電セルのように、セルモジュール数が数ケ〜数百の規模になる多直列蓄電セルにおいてとくに有効である。
【００４０】
ここで示す実施形態では、セルモジュールＭ１〜Ｍｎがそれぞれ、直列接続された複数の蓄電セル１１によって構成されているが、セルモジュールは１つの蓄電セルで構成してもよい。この場合、セルモジュールの起電力（充放電電圧）が低くなるため、整流回路Ｄ１〜Ｄ４は、順方向電圧を持つダイオードではなく、オン抵抗の小さなＭＯＳＦＥＴによるスイッチングダイオードを用いて構成するとよい。
【００４１】
上述した構成に加えて、図１に示した実施形態の回路では、上記差検出回路１７を構成する演算増幅器Ｈ１，Ｈ２にそれぞれ、利得調整（利得抑制）のための負帰還抵抗素子Ｒａ，Ｒｂが接続されている。これにより、差検出回路１７は比例動作し、分圧電圧に対応する中間電圧との絶対値差分を所定の増幅利得で比例検出する。
【００４２】
差検出回路１７が比例動作（線形動作）することにより、たとえば電圧バランス状態が大きく外れた場合には、それに応じた制御量での補正動作が行われる一方、電圧バランスがほぼ取れている均等状態では、制御量を小さく絞った状態での補正動作または補正動作が停止される。この結果、充電バランス補正の動作を、モジュールＭ１〜Ｍｎの電圧バランス状態に応じた制御量で過不足無く行わせることができ、過剰な補正動作を抑制して均等化の動作を安定化させることができる。
【００４３】
バランス補正用電源Ｅ１については、バランス補正専用の電源を別途用意してもよいが、本発明では、多直列蓄電セル１０の出力を用いてもよい。多直列蓄電セル１０のバランス補正用電源Ｅ１として、その多直列蓄電セル１０の出力を使用することにより、充電時のみならず、放電時や保管時でも電圧の均等化動作を行わせることができる。
【００４４】
図２は、図１に示した回路のさらに好ましい実施形態の要部を示す。  
上述した実施形態において、バランス検出回路１５は、各モジュールＭ１〜Ｍｎの電圧が互いに均等な場合にモジュールＭ１〜Ｍｎ間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧を、多直列蓄電セル１０の出力電圧を抵抗分圧して得る分圧回路１６と、この分圧回路１６の分圧電圧と、この分圧電圧に対応する中間電圧との差分の絶対値を検出する差検出回路１７を有する。
【００４５】
ここで、図２に示す回路では、基準電圧を得るための分圧回路１６を、単一系列の直列抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３列により構成している。各抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３は同値であって、その接続点（タップ）からは、モジュールＭ１〜Ｍｎ間の接続点に現れると期待される中間電圧と同じ基準電圧が分圧される。
【００４６】
この単一系列の直列抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３列による分圧回路１６は、多直列蓄電セル１０のセルモジュール数が多い場合にとくに有効である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  多直列蓄電セル
１１  蓄電セル
１５  バランス検出回路
１６  分圧回路
１７  差検出回路
１８  絶対値検出回路
２０  共振電流発生回路
３０  共通配線
３５  パルス制御回路としてのＰＦＭ（パルス周波数変調）制御回路
Ｍ１〜Ｍｎ  セルモジュール
Ｔ１〜Ｔｎ  絶縁トランス
Ｄ１〜Ｄ４  整流回路
Ｌ１  インダクタ
Ｃ１，Ｃ２  キャパシタ
Ｅ１  バランス補正用電源
Ｓ１，Ｓ２  スイッチング素子
Ｈ１，Ｈ２  演算増幅器
Ｒａ，Ｒｂ  利得調整のための負帰還抵抗素子
【図１】
2011087377.tif 000003
【図２】
2011087377.tif 000004
【図３】
2011087377.tif 000005