(57)【要約】【課題】任意にツェナー電圧を設定することにより、効率よく均等化することができる均等化装置を提供する。【解決手段】均等化装置１は、互いに直列接続された複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端に各々、ツェナーダイオードＺＤを接続することにより、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧をツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧に均等化する装置である。上記ツェナーダイオードＺＤが、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの各々に対して複数個ずつ接続されている。そして、均等化装置１は、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの各々に対して接続されるツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧を可変にするためのスイッチＳＷと、スイッチＳＷを制御するマイコン２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列接続された複数の二次電池セルの両端に各々、ツェナーダイオードを接続することにより、前記複数の二次電池セルの両端電圧を前記ツェナーダイオードのツェナー電圧に均等化する均等化装置であって、
前記ツェナーダイオードが、前記二次電池セルの各々に対して複数個ずつ接続され、
前記二次電池セルの各々に対して接続されるツェナーダイオードのツェナー電圧を可変にするためのスイッチと、
前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、
を備えたことを特徴とする均等化装置。
【請求項２】
前記スイッチ制御手段は、充電又は放電が終了した後、連続して接続された複数の二次電池セルの両端電圧の平均を求め、当該連続して接続された複数の二次電池セルに接続される前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が、前記求めた平均に基づいた目標値になるように、前記スイッチを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の均等化装置。
【請求項３】
前記スイッチ制御手段が、充電中において、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が前記複数の二次電池セルの両端電圧の最高値又は満充電電圧に基づいた目標値になるように、前記スイッチを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の均等化装置。
【請求項４】
前記スイッチ制御手段が、充電中において、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が段階的に増加するように、前記スイッチを制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均等化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動モータによって走行するハイブリッド自動車（以下ＨＥＶ）や電気自動車（以下ＥＶ）が普及してきている。これらＨＥＶ又はＥＶには、電動モータ駆動用の高圧バッテリが搭載されている。この高圧バッテリは、ニッケル−水素電池やリチウム電池などの二次電池から構成された二次電池セルを複数直列接続して高電圧を得ている。
【０００３】
上述した高圧バッテリは充放電を繰り返すうちに各単位セルの両端電圧、即ち充電状態（ＳＯＣ）にばらつきが生じる。このようにＳＯＣがばらつくと、二次電池セルの劣化が加速的に進行したり、利用可能なエネルギー量が低下したりする。そこで、各二次電池セルにツェナーダイオードを接続して、ツェナーダイオードのツェナー電圧に均等化する電池回路が提案されている（特許文献１）。
【０００４】
上述した従来の電池回路は、ツェナー電圧を二次電池セルの満充電電圧やＳＯＣの６０％に固定し、充電時に二次電池セルをツェナーダイオードに接続することにより均等化を行っている。このため、従来の電池回路では、充電するタイミングでしか二次電池セルを均等化することができない。
【０００５】
このため、現在の二次電池セルの充電状態や、充電中か、充電又は放電終了後かなどの状況に合わせた値にツェナー電圧を設定することができないため、効率が悪いという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−４５９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、任意にツェナー電圧を設定することにより、効率よく均等化することができる均等化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、互いに直列接続された複数の二次電池セルの両端に各々、ツェナーダイオードを接続することにより、前記複数の二次電池セルの両端電圧を前記ツェナーダイオードのツェナー電圧に均等化する均等化装置であって、前記ツェナーダイオードが、前記二次電池セルの各々に対して複数個ずつ接続され、前記二次電池セルの各々に対して接続されるツェナーダイオードのツェナー電圧を可変にするためのスイッチと、前記スイッチを制御するスイッチ制御手段と、を備えたことを特徴とする均等化装置に存する。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記スイッチ制御手段は、充電又は放電が終了した後、連続して接続された複数の二次電池セルの両端電圧の平均を求め、当該連続して接続された複数の二次電池セルに接続される前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が、前記求めた平均に基づいた目標値になるように、前記スイッチを制御することを特徴とする請求項１に記載の均等化装置に存する。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記スイッチ制御手段が、充電中において、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が前記複数の二次電池セルの両端電圧の最高値又は満充電電圧に基づいた目標値になるように、前記スイッチを制御することを特徴とする請求項１に記載の均等化装置に存する。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記スイッチ制御手段が、充電中において、前記ツェナーダイオードのツェナー電圧が段階的に増加するように、前記スイッチを制御することを特徴とする請求項１に記載の均等化装置に存する。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、二次電池セルに複数個ずつツェナーダイオードを接続し、スイッチによりツェナーダイオードのツェナー電圧を可変とすることにより、任意にツェナー電圧を設定することができ、効率よく均等化することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、充電又は放電が終了した後、連続して接続された複数の二次電池セルの両端電圧の平均に基づいた目標値に均等化することができる。これにより、目標値よりも高い二次電池セルが放電され、その放電電流により目標値よりも低い二次電池セルが充電されるため、効率よく均等化することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明によれば、充電中は、複数の二次電池セルの両端電圧の最高値又は満充電電圧に基づいた目標値に均等化することができる。これにより、目標値に達していない二次電池セルのみを充電することができ、目標値に達している二次電池セルについては充電されることがなく、劣化を軽減できる。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、充電中、ツェナー電圧を段階的に増加させることにより、段階的に均等化させつつ二次電池セルを充電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の均等化装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】充電又は放電終了時の均等化の詳細を説明するための説明図である。
【図３】充電中の均等化の詳細を説明するための説明図である。
【図４】充電時間と目標値との関係を示すグラフである。
【図５】他の実施形態における本発明の均等化装置を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、第１実施形態における本発明の均等化装置について図１を参照して説明する。図１は、本発明の均等化装置の一実施形態を示す回路図である。図１に示すように、均等化装置１は、互いに直列接続された複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧を均等化する装置である。二次電池セルＣ１〜Ｃｎは、本実施形態では、１つの二次電池から構成されているが、複数の二次電池から構成されていてもよい。
【００１８】
上記複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎは、例えば、電動モータ（図示せず）を走行駆動源として用いるＨＥＶやＥＶにおいて電動モータの電源として用いられ、その両端には、電動モータが必要に応じて負荷として接続されると共に、オルタネータ等（図示せず）が必要に応じて充電器として接続される。
【００１９】
均等化装置１は、複数のツェナーユニットＵ１１〜Ｕ１ｎと、複数のスイッチユニットＵ２１〜Ｕ２ｎと、マイコン２と、を備えている。ツェナーユニットＵ１１〜Ｕ１ｎは、二次電池セルＣ１〜Ｃｎ毎に設けられ、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端に各々接続された複数個のツェナーダイオードＺＤから各々、構成されている。
【００２０】
本実施形態においては、ツェナーユニットＵ１１〜Ｕ１ｎは各々、互いに並列接続された６個のツェナーダイオードＺＤから構成されている。即ち、ツェナーダイオードＺＤが、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの各々に対して６個ずつ接続されている。これら６個のツェナーダイオードＺＤは、互いに異なるツェナー電圧となっている。
【００２１】
スイッチユニットＵ２１〜Ｕ２ｎは、二次電池セルＣ１〜Ｃｎ毎に設けられ、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの各々に対して接続されるツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧を可変にするための複数のスイッチＳＷから構成されている。このスイッチＳＷは、各ユニットＵ１１〜Ｕ１ｎを構成する６個のツェナーダイオードＺＤの各々に対して直列接続されている。即ち、本実施形態において、スイッチユニットＵ２１〜Ｕ２ｎは各々、６個のスイッチＳＷから構成されている。
【００２２】
マイコン２は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されている。マイコン２は、スイッチ制御手段として働き、スイッチＳＷのオンオフを制御することにより、二次電池セルＣ１〜Ｃｎに接続されるツェナーダイオードＺＤを切り替える。これにより、二次電池セルＣ１〜Ｃｎに接続されるツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧が可変となる。また、マイコン２には、図示しない電圧検出部が検出した各二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧が供給されている。
【００２３】
次に、上述した構成の均等化装置１の動作について参照して説明する。マイコン２は、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの充電又は放電が終了して、放電も充電もされていない状態になる毎に、図示しない電圧検出部により各二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧を検出する。
【００２４】
次に、マイコン２は、上記両端電圧の検出結果から二次電池セルＣ１〜Ｃｎにばらつきが生じているか否かを判定する。ばらつき判定の一例としては、マイコン２は、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧のうち最低値と最高値との差が一定値以上であれば、ばらつきがあると判定し、一定値未満であれば、ばらつきがないと判定する。
【００２５】
マイコン２は、ばらつきがあると判定すると、上記両端電圧の検出結果から二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧の平均を求めて、求めた平均を均等化の目標値として設定する。そして、マイコン２は、各二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端に接続されるツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧が上記目標値になるようにスイッチＳＷをオンオフ制御する。
【００２６】
このスイッチＳＷのオンオフ制御について詳しく説明すると、マイコン２は、各ツェナーユニットＵ１１〜Ｕ１ｎを構成する６個のツェナーダイオードＺＤのうちツェナー電圧が目標値に近いものに直列接続されたスイッチＳＷをオンして、その他のスイッチＳＷをオフする。マイコン２は、例えば充電又は放電が開始されるまで、又は、定期的に二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧を監視して、ばらつきが解消されるまで、上記スイッチＳＷのオンオフ状態を維持する。
【００２７】
これにより、平均よりも高い両端電圧の二次電池セルＣ１〜Ｃｎはツェナー電圧（＝平均）にクランプされて放電される。このときの放電電流は下位（なお、本実施形態では、二次電池セルＣ１〜Ｃｎのマイナス側を下位、二次電池セルＣ１〜Ｃｎのプラス側を上位とする。）の二次電池セルＣ１〜Ｃｎに流れ、平均よりも低い両端電圧の二次電池セルＣ１〜Ｃｎが充電される。結果、二次電池セルＣ１〜Ｃｎのばらつきが低減される。
【００２８】
この充電又は放電終了時における均等化の詳細について、図２を参照して説明する。図２では説明を簡単にするために４つの二次電池セルＣ１〜Ｃ４を平均に均等化した場合について例示している。まず、図２（Ａ）に示すように、二次電池セルＣ１の両端電圧が平均よりも低く、二次電池セルＣ２の両端電圧が平均と等しく、二次電池セルＣ３、Ｃ４の両端電圧が平均よりも高い場合について説明する。
【００２９】
図２（Ａ）に示す場合、平均よりも両端電圧が高い二次電池セルＣ３、Ｃ４は、ツェナーダイオードＺＤにより平均にクランプされ、放電される。二次電池セルＣ４の放電電流は自身よりも下位の二次電池セルＣ３〜Ｃ１に供給されるが、二次電池セルＣ３、Ｃ２は、ツェナーダイオードＺＤによりクランプされるため充電されない。一方、平均よりも低い両端電圧の二次電池セルＣ１は、ツェナーダイオードＺＤにクランプされないため、充電される。
【００３０】
また、二次電池セルＣ３の放電電流は自身よりも下位の二次電池セルＣ２、Ｃ１に供給されるが、同様に、二次電池セルＣ２は充電されず、二次電池セルＣ１は充電される。即ち、平均よりも両端電圧が高い二次電池セルＣ３、Ｃ４に蓄電されたエネルギーを平均よりも両端電圧が低い二次電池セルＣ１に移動することができ、二次電池セルＣ１〜Ｃ４が無駄に放電されることがなくなり、より効率よく均等化することができる。
【００３１】
次に、図２（Ｂ）に示すように、二次電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ４の両端電圧が平均よりも高く、二次電池セルＣ３の両端電圧が平均よりも低い場合について説明する。図２（Ｂ）に示す場合、平均よりも両端電圧が高い二次電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ４は、ツェナーダイオードＺＤにより平均にクランプされ、放電される。二次電池セルＣ４の放電電流は自身よりも下位の二次電池セルＣ３〜Ｃ１に供給されるが、二次電池セルＣ１、Ｃ２は、ツェナーダイオードＺＤによりクランプされるため充電されない。一方、平均よりも低い両端電圧の二次電池セルＣ３は、ツェナーダイオードＺＤにクランプされないため、充電される。この場合、二次電池セルＣ１、Ｃ２は自身より下位に平均よりも高い両端電圧を持つセルがないため、その放電電流で他のセルを充電することはできないものの、二次電池セルＣ４についてはその放電電流で二次電池セルＣ３を充電することができるため、同様に、効率よく均等化することができる。
【００３２】
上述した第１実施形態によれば、二次電池セルＣ１〜Ｃｎに複数個ずつツェナーダイオードＺＤを接続し、スイッチＳＷによりツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧を可変とすることにより、任意にツェナー電圧を設定することができ、効率よく均等化することができる。
【００３３】
また、上述した第１実施形態によれば、充電又は放電が終了した後、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧の平均に基づいた目標値にツェナー電圧を設定して、均等化することができる。これにより、目標値よりも高い二次電池セルＣ１〜Ｃｎが放電され、その放電電流により目標値よりも低い二次電池セルＣ１〜Ｃｎが充電されるため、効率よく均等化することができる。
【００３４】
上述した実施形態によれば、充電又は放電が終わって均等化を行うときに、平均を目標値としていたが、これに限ったものではない。充電又は放電が終わって均等化を行うときは、平均に基づいた値に目標値を設定すればよく、例えば、平均＋α、または、平均−α（αは所定値）を目標値に設定することも考えられる。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態における均等化装置１について説明する。上述した第１実施形態によれば、充電又は放電が終わる毎に均等化を行っていたが、これに限ったものではない。充電中に均等化することも考えられる。このときの動作について以下説明する。
【００３６】
マイコン２は、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの充電中であれば、図示しない電圧検出部により各二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧を検出する。次に、マイコン２は、上記両端電圧の検出結果から二次電池セルＣ１〜Ｃｎにばらつきが生じているか否かを判定する。
【００３７】
マイコン２は、ばらつきがあると判定すると、上記両端電圧の検出結果から二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧のうち最高値を求めて、求めた最高値を均等化の目標値として設定する。そして、マイコン２は、各二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端に接続されるツェナーダイオードＺＤのツェナー電圧が上記目標値となるようにスイッチＳＷをオンオフ制御する。
【００３８】
このスイッチＳＷのオンオフ制御について詳しく説明すると、マイコン２は、各ツェナーユニットＵ１１〜Ｕ１ｎを構成する６個のツェナーダイオードＺＤのうちツェナー電圧が目標値に近いものに直列接続されたスイッチＳＷをオンして、その他のスイッチＳＷをオフする。マイコン２は、例えば充電が終了するまで、又は、定期的に二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧を監視して、ばらつきが解消されるまで、上記スイッチＳＷのオンオフ状態を維持する。
【００３９】
これにより、充電中は、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧の最高値に均等化することができる。これにより、最高値に達していない二次電池セルＣ１〜Ｃｎのみを充電することができ、最高値に達している二次電池セルＣ１〜Ｃｎについては充電されることがなく、劣化を軽減できる。
【００４０】
この充電中における均等化の詳細について、図３を参照して説明する。図３では説明を簡単にするために３つの二次電池セルＣ１〜Ｃ３を最高値に均等化した場合について例示している。まず、図３に示すように、二次電池セルＣ１の両端電圧が最高値であり、二次電池セルＣ２よりも二次電池セルＣ３の両端電圧が低い場合について説明する。
【００４１】
図示しない充電器により二次電池セルＣ１〜Ｃ３に充電電流が供給されるが、二次電池セルＣ１はツェナーダイオードＺＤによりクランプされるため充電されず、最高値を保ったままである。一方、二次電池セルＣ２、Ｃ３は充電される。充電された結果、二次電池セルＣ３よりも先に二次電池セルＣ２が最高値に達すると、ツェナーダイオードＺＤによりクランプされ充電されず、最高値を保つ。最後に、二次電池セルＣ３が最高値に達すると、ツェナーダイオードＺＤによりクランプされ、充電が行われないようになり、二次電池セルＣ１〜Ｃ３の両端電圧が最高値に均等化される。
【００４２】
上述した第２実施形態によれば、充電中は、複数の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧の最高値に基づいた目標値に均等化することができる。これにより、目標値に達していない二次電池セルＣ１〜Ｃｎのみを充電することができ、目標値に達している二次電池セルＣ１〜Ｃｎについては充電されることがなく、劣化を軽減できる。
【００４３】
なお、上述した第２実施形態によれば、充電中に均等化を行うときに、最高値を目標値としていたが、これに限ったものではない。充電中に均等化を行うときは、最高値に基づいた値に目標値を設定すればよく、例えば、最高値＋αを目標値に設定することも考えられる。さらに、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの満充電電圧や満充電電圧の６０％などを目標値に設定することも考えられる。
【００４４】
また、上述した実施形態によれば、充電中は目標値を二次電池セルＣ１〜Ｃｎの最高値や満充電電圧に固定していたが、これに限ったものではない。例えば、図４に示すように、所定時間毎に段階的に目標値を増加させて最高値や満充電電圧に達するようにスイッチＳＷをオンオフ制御することが考えられる。これによれば、二次電池セルＣ１〜Ｃｎがばらばらのタイミングで最高値や満充電電圧に到達することなく、同じタイミングで最高値や満充電電圧に到達することができ、より均等な状態を長く保つことができる。この場合、目標値を増加させるタイミングは、所定時間毎だけでなく、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧を検出して、全ての二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧が設定した目標値に対して所定範囲以内に近づいたら目標値を増加させるようにしてもよい。
【００４５】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態における本発明の均等化装置１について説明する。上述した第１実施形態によれば充電又は放電終了時のみ、第２実施形態によれば充電中のみに均等化を行っていたが、これに限ったものではない。例えば、充電又は放電終了時の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧に基づいて、充電又は放電終了時に均等化を行うか、次の充電時に均等化を行うか、を選択できるようにしてもよい。このときの動作について以下説明する。
【００４６】
まず、マイコン４は、充電又は放電終了が終了して、放電も充電もされていない状態になる毎に、図示しない電圧検出部により各二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧を検出し、ばらつきが生じているか否かを判定する。マイコン４は、ばらつきが生じていると判定すると、そのときの二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧に基づいて、今（充電又は放電終了時）、ツェナー電圧を二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧の平均値に設定して均等化するか、今均等化しないで次の充電時にツェナー電圧を二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧の最高値に設定して均等化するか、を判定する。
【００４７】
この判定の一例について説明する。例えば、充電又は放電終了時に、図３に示すように、下位になるに従って二次電池セルＣ１〜Ｃｎの両端電圧が徐々に高くなる場合について考えてみる。このような場合、ツェナー電圧を平均値に設定して均等化を行うと、平均よりも高い両端電圧の二次電池セルＣ１〜Ｃｎは、放電されるだけで下位の二次電池セルＣ１〜Ｃｎの充電には一切使われないため、効率が悪い。そこで、図４に示すような場合、充電又は放電終了時に均等化を行わずに、次の充電でツェナー電圧を最高値に設定して均等化すると、判定させる。
【００４８】
マイコン４は、この判定で、充電又は放電終了時に均等化すると判定すると、ツェナー電圧を平均値に設定して第１実施形態と同様に均等化を行う。一方、次の充電時に均等かすると判定すると、次の充電時にツェナー電圧を最高値に設定して第２実施形態と同様に均等化を行う。
【００４９】
なお、上述した第１〜第３実施形態によれば、ツェナーユニットＵ１１〜Ｕ１ｎを構成する複数のツェナーダイオードＺＤは互いに並列に接続されていたが、これに限ったものではない。例えば、図５に示すように、二次電池セルＣ１〜Ｃｎの各々に対して複数のツェナーダイオードＺＤが直列接続することも考えられる。この場合、スイッチＳＷは、隣接するツェナーダイオードＺＤ間に設けられ、隣接するツェナーダイオードＺＤ同志を接続するか又は隣接するツェナーダイオードＺＤの下位側（一方）と二次電池セルＣ１〜Ｃｎの＋端子（一端）とを接続するか切り替える。これにより、二次電池セルＣ１〜Ｃｎに接続されるツェナーダイオードＺＤの個数を制御して、ツェナー電圧を可変にすることができる。
【００５０】
また、例えば二次電池セルＣ１〜Ｃｎの温度が急上昇したり、搭載している車両が衝突するなど二次電池セルＣ１〜Ｃｎに異常が発生した場合、ツェナー電圧を二次電池セルＣ１〜Ｃｎの最低値に設定して、最低値以外の二次電池セルＣ１〜Ｃｎを放電させて、迅速に均等化を行うようにしてもよい。
【００５１】
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  均等化装置
２  マイコン（スイッチ制御手段）
Ｃ１〜Ｃｎ  二次電池セル
ＺＤ  ツェナーダイオード
ＳＷ  スイッチ
【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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