(57)【要約】【課題】実装面積を小さく抑えたバランス補正回路、蓄電モジュール及びバランス補正方法を提供する。【解決手段】抵抗３０は、蓄電セル１１〜１３の数未満の数あり、直列接続された複数の蓄電セル１１〜１３のいずれか１つもしくは複数から電流の入力を受けて入力元の蓄電セルの電圧を下げる。スイッチ２０は、蓄電セル１１〜１３と抵抗３０との接続を切り替え、抵抗３０へ電流を入力する蓄電セル１１〜１３を選択する。電圧計測部４１は、各蓄電セル１１〜１３の電圧を計測する。制御部４２は、電圧計測部４１により計測された電圧を基に、スイッチ２０を制御して抵抗３０へ電流を入力する蓄電セルを選択させ、各蓄電セル１１〜１３の電圧を均等にする。【選択図】図１
2015186331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された複数の蓄電セルのいずれか１つもしくは複数から電流の入力を受けて入力元の蓄電セルの電圧を下げる、前記蓄電セルの数未満の数の放電素子と、
前記蓄電セルと前記放電素子との接続を切り替え、前記放電素子へ電流を入力する蓄電セルを選択するスイッチと、
各前記蓄電セルの電圧を計測する電圧計測部と、
前記電圧計測部により計測された電圧を基に、前記スイッチを制御して前記放電素子へ電流を入力する蓄電セルを選択させ、各前記蓄電セルの電圧を均等にする制御部と
を備えたことを特徴とするバランス補正回路。
【請求項２】
前記放電素子は抵抗であることを特徴とする請求項１に記載のバランス補正回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記電圧計測部による計測結果において最も低い電圧との差が閾値以上である電圧である蓄電セルから前記放電素子へ電力が入力されるように前記スイッチを切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載のバランス補正回路。
【請求項４】
前記放電素子は１つであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のバランス補正回路。
【請求項５】
直列接続された複数の蓄電セルと、
前記蓄電セルのいずれか１つもしくは複数から電流の入力を受けて入力元の蓄電セルの電圧を下げる、前記蓄電セルの数未満の数の放電素子と、
前記蓄電セルと前記放電素子との接続を切り替え、前記放電素子へ電流を入力する蓄電セルを選択するスイッチと、
各前記蓄電セルの電圧を計測する電圧計測部と、
前記電圧計測部により計測された電圧を基に、前記スイッチを制御して前記放電素子へ電流を入力する蓄電セルを選択させ、各前記蓄電セルの電圧を均等にする制御部と
を備えたことを特徴とする蓄電モジュール。
【請求項６】
直列接続された複数の蓄電セルにおける各蓄電セルの電圧を計測し、
計測した電圧を基に、前記蓄電セルと蓄電セルのいずれか１つもしくは複数から電流の入力を受けて入力元の蓄電セルの電圧を下げる放電素子との接続を切り替えて、各前記蓄電セルの電圧を均等にする
ことを特徴とするバランス補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バランス補正回路、蓄電モジュール及びバランス補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池やキャパシタなどの蓄電セルは、例えば、瞬低・停電（瞬時電圧低下・瞬時停電）補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムに使用される。ただし、単体の蓄電セルの使用可能電圧が数Ｖ程度しかない。そこで、蓄電システムでは、多数の蓄電セルを直列に接続して使用することが一般的である。
【０００３】
このように複数の蓄電セルを直列接続した場合、蓄電セル間に電圧の差が生じるおそれがある。そして、このように電圧の差が有る状態で、蓄電セルに充電していくといずれかの蓄電セルの電圧が上限値に達し満充電となり、充電が終了してしまう。この場合、特定の蓄電セルに電圧が集中するおそれがあり、電圧が集中した蓄電セルの寿命が短くなってしまうという問題が生じる。この蓄電セル間の電圧の差による問題は直列接続数が多くなるほど顕著になる。
【０００４】
そこで、蓄電セルを直列接続して使用する場合、蓄電セル間の電圧を均等化させ、蓄電セル間の電圧の差を補償するバランス補正回路が用いられることが多い。バランス補正回路には、一般的に高い電圧の蓄電セルから抵抗などの放電用素子を介して放電させるパッシブ方式がある。パッシブ方式を用いたバランス補正回路では、直列化した複数の蓄電セル又はいくつかの蓄電セルをまとめた蓄電モジュールそれぞれに放電用素子が設けられる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−００４１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、各蓄電セルの電圧の均等化のために、直列化した複数の蓄電セルそれぞれに放電用素子を設けた場合、回路基板の実装面積が広くなってしまう。そのため、蓄電セルの電圧のバランス補正回路や蓄電セルの保護回路が大型化してしまい、蓄電セルやバランス補正回路を搭載した蓄電モジュールなどの蓄電システムを小型化することは困難である。
【０００７】
上述の問題に鑑み、開示技術の実施形態の一例は、実装面積を小さく抑えたバランス補正回路、蓄電モジュール及びバランス補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示技術の実施形態の一例に係るバランス補正回路は、直列接続された複数の蓄電セルのいずれか１つもしくは複数から電流の入力を受けて入力元の蓄電セルの電圧を下げる、前記蓄電セルの数未満の数の放電素子と、前記蓄電セルと前記放電素子との接続を切り替え、前記放電素子へ電流を入力する蓄電セルを選択するスイッチと、前記蓄電セルの電圧を計測する電圧計測部と、前記電圧計測部により計測された電圧を基に、前記スイッチを制御して前記放電素子へ電流を入力する蓄電セルを選択させ、各蓄電セルの電圧を均等にする制御部とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
開示技術の実施形態の一例によれば、実装面積を小さく抑えるバランス補正回路、蓄電モジュール及びバランス補正方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例の蓄電モジュールを示す回路図である。
【図２】図２は、スイッチ制御テーブルの一例を示す図である。
【図３】図３は、蓄電セルを放電させる場合の接続を示す図である。
【図４】図４は、実施例に係るバランス補正回路によるバランス補正制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本願の開示するバランス補正回路、蓄電モジュール及びバランス補正方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示するバランス補正回路、蓄電モジュール及びバランス補正方法が限定されるものではない。
【００１２】
［実施形態］
（実施形態に係る蓄電モジュールの構成）
図１は、実施例の蓄電モジュールを示す回路図である。図１に示すように、蓄電モジュール１は、蓄電セル１１〜１３、スイッチ２０、抵抗３０、制御回路４０を有する。
【００１３】
蓄電セル１１〜１３は、直列に接続されている。図１には図示していないが、直列に並んだ蓄電セル１１〜１３の両端の端子は、電気を使用する外部装置に接続されている。そして、蓄電セル１１〜１３は、蓄えている電気を外部装置に供給する。蓄電セル１１〜１３は、電圧値の上限及び下限が決まっている。例えば、蓄電セル１１〜１３の電圧値の上限が３．８Ｖであり、下限が１．２Ｖである。
【００１４】
抵抗３０は、蓄電セル１１〜１３に蓄えられた電気を放電するために用いられる放電素子の一例である。
【００１５】
スイッチ２０は、スイッチ素子２１〜２８を有する。スイッチ素子２１〜２８は、いずれも、一端が抵抗３０に接続されている。
【００１６】
スイッチ素子２１及び２２の他端は、蓄電セル１１の正極側に接続されている。スイッチ素子２１は、蓄電セル１１〜１３のうち複数を同時に放電する場合に用いるスイッチである。スイッチ素子２２は、蓄電セル１１のみを放電する場合に用いるスイッチである。
【００１７】
スイッチ素子２３及び２６の他端は、蓄電セル１１の負極側及び蓄電セル１２の正極側に接続されている。スイッチ素子２３及び２６は、蓄電セル１１〜１３のうち１つを放電する場合及び複数を放電する場合のいずれの場合にも用いられる。
【００１８】
スイッチ素子２４及び２７の他端は、蓄電セル１２の負極側及び蓄電セル１３の正極側に接続されている。スイッチ素子２４及び２７は、蓄電セル１１〜１３のうち１つを放電する場合及び複数を放電する場合のいずれの場合にも用いられる。
【００１９】
スイッチ素子２５及び２８の他端は、蓄電セル１３の負極側に接続されている。スイッチ素子２５は、蓄電セル１３のみを放電する場合に用いるスイッチである。スイッチ素子２８は、蓄電セル１１〜１３のうち複数を同時に放電する場合に用いるスイッチである。
【００２０】
制御回路４０は、電圧計測部４１及び制御部４２を有している。制御回路４０は、蓄電セル１１〜１３に充電が行われている間、以下の電圧のバランス補正制御を繰り返す。
【００２１】
電圧計測部４１は、蓄電セル１１〜１３のそれぞれの電圧を計測する。そして、電圧計測部４１は、計測した電圧値を制御部４２へ出力する。
【００２２】
（スイッチ制御）
制御部４２は、蓄電セル１１〜１３の中から放電する蓄電セルを決定するための電圧閾値を記憶している。電圧閾値は、蓄電セル１１〜１３の容量や蓄電モジュール１の運用に合わせて設定することが好ましい。例えば、容量が大きければ蓄電セル１１〜１３の間に電圧の差が発生しても、差が小さければ最も電圧が高い蓄電セルが満充電の状態になった場合でも、他の蓄電セルもほぼ満充電の状態といえる。そこで、蓄電セル１１〜１３の容量が大きければ閾値を大きくすることができる。また、蓄電モジュール１において蓄電セル１１〜１３の間の電圧の差が厳しく管理される運用が行われている場合には、閾値は小さくすることが好ましい。
【００２３】
制御部４２は、蓄電セル１１〜１３のそれぞれの電圧値の入力を電圧計測部４１から受ける。そして、制御部４２は、蓄電セル１１〜１３の電圧のうちの最低電圧を特定する。次に、制御部４２は、蓄電セル１１〜１３のうち最低電圧との差が電圧閾値以上の電圧となる蓄電セルがあるか否かを判定する。以下では、最低電圧との差が電圧閾値以上の電圧となる蓄電セルを「高電圧セル」という。
【００２４】
また、制御部４２は、図２に示すようなスイッチ制御テーブル１００を記憶している。図２は、スイッチ制御テーブルの一例を示す図である。
【００２５】
高電圧セルがある場合、制御部４２は、高電圧セルから出力される電流が抵抗３０に入力されるように、スイッチ制御テーブル１００からスイッチ素子２１〜２３のオンオフを決定する。そして、制御部４２は、スイッチ素子２１〜２８を切り替える。
【００２６】
例えば、蓄電セル１２のみが高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２３及び２７をオンにして、他のスイッチをオフにする。この場合、蓄電セル１１〜１３と抵抗３０との接続は、図３に示すような状態となる。図３は、蓄電セル１２を放電させる場合の接続を示す図である。図３では、分かり易いように、スイッチ素子２１〜２８の中でオフになっているスイッチ素子と抵抗３０及び蓄電セル１１〜１３との接続経路は省略している。
【００２７】
図３に示すように、スイッチ素子２３及び２７をオンにすると、蓄電セル１２から出力された電流は、矢印で示すように抵抗３０を経由して流れる。この時、抵抗３０が電力を消費することで、蓄電セル１２に蓄えられた電気が放電される。
【００２８】
また、蓄電セル１１のみが高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２２及び２６をオンにして、他のスイッチをオフにする。
【００２９】
また、蓄電セル１３のみが高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２４及び２５をオンにして、他のスイッチをオフにする。
【００３０】
また、蓄電セル１１及び１２が高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２１及び２７をオンにして、他のスイッチをオフにする。
【００３１】
また、蓄電セル１２及び１３が高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２３及び２８をオンにして、他のスイッチをオフにする。
【００３２】
また、蓄電セル１１及び１３が高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２１，２４，２６及び２８をオンにして、他のスイッチをオフにする。
【００３３】
このように、スイッチ制御テーブル１００に示すように、本実施例に係る制御部４２は、高電圧セルが複数有る場合スイッチ素子２１又は２８のいずれかもしくは双方を用いる。ただし、制御部４２は、スイッチ素子２１及び２８を用いずに代わりにスイッチ素子２２及び２５を用いて制御を行ってもよい。
【００３４】
このように、複数の蓄電セル１１〜１３が高電圧セルの場合、制御部４２は、複数の高電圧セルから同時に放電を行う。そして、放電を行っている高電圧セルのうちのいずれかの電圧の最低電圧との差が電圧閾値未満になった場合、制御部４２は、残りの高電圧セルからのみ放電を行うように、スイッチ素子２１〜２８を切り替える。
【００３５】
例えば、蓄電セル１２及び１３が高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２３及び２８をオンにして、他のスイッチをオフにする。その後、蓄電セル１２の電圧の最低電圧との差が電圧閾値以下になった場合、制御部４２は、蓄電セル１３からのみ放電するように、スイッチ素子２４及び２５をオンにして、他のスイッチをオフにする。
【００３６】
また、高電圧セルの放電を行っている状態で、他の蓄電セル１０の電圧の最低電圧との差が電圧閾値以上になった場合、制御部４２は、新しく高電圧セルとなった蓄電セルを加えて放電を行うように、スイッチ素子２１〜２８を切り替える。
【００３７】
例えば、蓄電セル１３が高電圧セルの場合、制御部４２は、スイッチ素子２４及び２５をオンにして、他のスイッチをオフにする。その後、蓄電セル１２が高電圧セルとなった場合、制御部４２は、蓄電セル１２及び１３から放電するように、スイッチ素子２３及び２８をオンにして、他のスイッチをオフにする。
【００３８】
ここで、図２では、蓄電セル１１〜１３の３つの蓄電セルの場合で説明したが、１つの蓄電モジュール１に搭載される蓄電セルの数は特に制限は無い。
【００３９】
また、抵抗３０として１つの抵抗を用いる場合で説明したが、抵抗３０の個数は蓄電セル１１〜１３の個数未満の数であればいくつでもよい。抵抗３０が蓄電セル１１〜１３の個数未満の数であれば、各蓄電セル１１〜１３のそれぞれに抵抗３０を設けた場合よりも実装面積を小さくすることができ、バランス補正回路及びそれを搭載した蓄電モジュール１を小型化できる。ただし、抵抗３０の数が少ないほどバランス補正回路を小型化することができる。
【００４０】
そこで、１つのスイッチの切り替えで制御する蓄電セルの数やどこまでバランス補正回路を小型化するかなどの要件により、抵抗３０の数を決定することが好ましい。
【００４１】
（バランス補正制御処理の流れ）
次に、図４を参照して、本実施例に係るバランス補正回路によるバランス補正制御について説明する。図４は、実施例に係るバランス補正回路によるバランス補正制御のフローチャートである。
【００４２】
電圧計測部４１は、各蓄電セル１１〜１３それぞれの電圧を計測する（ステップＳ１）。そして、電圧計測部４１は、計測結果である各蓄電セル１１〜１３それぞれの電圧値を制御部４２へ出力する。
【００４３】
制御部４２は、各蓄電セル１１〜１３それぞれの電圧値の入力を電圧計測部４１から受ける。そして、制御部４２は、受信した電圧値のうちの最低電圧を特定する。次に、制御部４２は、各蓄電セル１１〜１３の中に最低電圧との差が電圧閾値以上である蓄電セルである高電圧セルがあるか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００４４】
高電圧セルがある場合（ステップＳ２：肯定）、制御部４２は、高電圧セルと抵抗３０とを接続する場合の各スイッチ素子２１〜２８の制御をスイッチ制御テーブル１００から取得する。そして、制御部４２は、各スイッチ素子２１〜２８を制御し、高電圧セルと抵抗３０とを接続する（ステップＳ３）。その後、制御回路４０は、処理をステップＳ１へ戻す。
【００４５】
これに対して、高電圧セルが無い場合（ステップＳ２：否定）、制御回路４０は、バランス補正制御を終了する。
【００４６】
ここで、図４では、バランス補正が行われ電圧を均等化する１回の処理の流れについて記載したが、実際には、制御回路４０は、蓄電セル１１〜１３に充電を行っている間、図４の各処理を何度も繰り返す。
【００４７】
以上に説明した制御回路４０は、例えば、電圧制御用の監視ＩＣ（Integrated  Circuit）により実現することができる。また、他の方法としては、各蓄電セル１１〜１３の電圧のそれぞれを比較器で比較し、差が電圧閾値以上の場合に所定のスイッチ素子２１〜２８をオンにする組み込みのアナログ回路により制御回路４０を実現することもできる。その他にも、ＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）なども用いてデジタル回路を構成することで制御回路４０を実現することもできる。
【００４８】
さらに、以上の説明では、放電素子として抵抗を例に説明したが、放電素子はこれに限らない。例えば、コンデンサやインダクタなどを用いてもよい。
【００４９】
（実施形態による効果）
以上に説明したように、本実施例に係るバランス補正回路は、蓄電モジュールが有する蓄電セルの数よりも少ない数の放電素子により蓄電セルの電圧を均等化させることができる。これにより、各蓄電セルそれぞれに放電素子を設けた場合と比べて、回路基板への部品点数を少なくすることができ、バランス補正回路及びそれを搭載した蓄電モジュールを小型化することができる。
【００５０】
具体的には、例えば、３つの蓄電セルを搭載した蓄電モジュールにおいて、１つの放電素子を用いた場合には、各蓄電セルそれぞれに放電素子を設けた場合と比べて実装面積を３分の１にすることができる。すなわち、１つの放電素子の大きさが、例えば、２ｃｍ２であれば、実装面積を４ｃｍ２小さくすることができる。
【００５１】
また、例えば、放電素子として抵抗を用いた場合、各蓄電セルそれぞれに放電素子を設けた場合と比べて、抵抗の数が少なくなるので、同じ面積であれば大きな抵抗を配置することができ、抵抗値を小さくして大電流で放電することができる。このように構成することで、バランス時間を短縮することも可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１  蓄電モジュール
１１〜１３  蓄電セル
２０  スイッチ
２１〜２８  スイッチ素子
３０  抵抗
４０  制御回路
４１  電圧計測部
４２  制御部
【図１】
2015186331.tif 000003
【図２】
2015186331.tif 000004
【図３】
2015186331.tif 000005
【図４】
2015186331.tif 000006