(57)【要約】【課題】組電池の各電池の各電圧を均等化する電池電圧均等化装置に関し、電池の数が増加しても、均等化の制御信号を生成する制御回路を増加させることなく、電圧均等化の制御を行うことを可能にする。【解決手段】隣接する２つの電池間で、一方の電池から他方の電池へ電流を流す、インダクタＬ１〜Ｌ３及び電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６を備えた複数のコンバータと、各電流断続スイッチの制御端子に対して、共通に高位電圧側の電池から低位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する降圧制御の制御信号を送出する１つの降圧用制御回路１１と、低位電圧側の電池から高位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する昇圧制御の制御信号を送出する１つの昇圧用制御回路１２と、降圧用制御回路又は昇圧用制御回路からの制御信号の何れか一方を、各電流断続スイッチの制御端子に出力するよう制御される、複数の制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池が直列に接続された組電池内の前記各電池の電圧を均等化する電池電圧均等化装置であって、
前記直列に接続された隣接する２つの電池間で、一方の電池から他方の電池へ電流を流す、インダクタ及び電流断続スイッチを備えた複数のコンバータと、
前記複数のコンバータの各電流断続スイッチの制御端子に対し、共通に高位電圧側の電池から低位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する降圧制御の制御信号を送出する１つの降圧用制御回路と、
前記複数のコンバータの各電流断続スイッチの制御端子に対し、共通に低位電圧側の電池から高位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する昇圧制御の制御信号を送出する１つの昇圧用制御回路と、
前記降圧用制御回路からの制御信号又は昇圧用制御回路からの制御信号の何れか一方を、前記各コンバータの各電流断続スイッチの制御端子に出力するよう制御される、複数の制御信号選択スイッチと、
前記複数の制御信号選択スイッチのオン／オフを制御する電圧均等化制御部と、
を備えたことを特徴とする電池電圧均等化装置。
【請求項２】
前記制御信号選択スイッチと前記電流断続スイッチの制御端子との間に接続され、前記制御信号選択スイッチから出力される前記制御信号のレベルを変換し、該変換後のレベルの制御信号を前記電流断続スイッチの制御端子に出力するレベルシフト回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の電池電圧均等化装置。
【請求項３】
前記降圧用制御回路の制御信号は、前記昇圧用制御回路の制御信号を反転して生成されることを特徴とする請求項１記載の電池電圧均等化装置。
【請求項４】
前記昇圧用制御回路の制御信号は、前記降圧用制御回路の制御信号を反転して生成されることを特徴とする請求項１記載の電池電圧均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列に接続され組電池を構成する充電可能な複数の電池の各電圧を均等化する電池電圧均等化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池等の充電可能な複数の電池を直列に接続して高電圧を出力する組電池は、フォークリフトや電気自動車やハイブリッドカー等の電源として利用されている。組電池を構成する各電池は、製造時や経年劣化のばらつき等により、同一の特性とはならず、残存容量又は電池の電圧にばらつきが生じる。各電池の電圧が不均一になると、組電池の充放電の際に、一部の電池が充電可能な上限電圧又は放電可能な下限電圧に到達し、一部の電池の劣化を早めてしまう。
【０００３】
また、１つの電池の電圧が放電可能な電圧の閾値を下回ると、該電池の過放電を回避するために、組電池全体の給電を停止又は抑制する必要が生じ、組電池の使用効率が低下してしまう。そのため、組電池の各電池の電圧を均等化する電圧均等化が実施される。
【０００４】
図３はアクティブ方式の電圧均等化装置の構成例を示す。アクティブ方式の電圧均等化装置は、図３に示すように、組電池を構成する充電可能な各電池Ｂ１〜Ｂ４に対して、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３及びＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等による電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６から成るコンバータを接続する。
【０００５】
即ち、図３に示すように、電池Ｂ１及び電池Ｂ２に対して、電流断続スイッチＳ１、インダクタＬ１及び電流断続スイッチＳ２から成るコンバータを接続し、電池Ｂ２及び電池Ｂ３に対して、電流断続スイッチＳ３、インダクタＬ２及び電流断続スイッチＳ４から成るコンバータを接続し、電池Ｂ３及び電池Ｂ４に対して、電流断続スイッチＳ５、インダクタＬ３及び電流断続スイッチＳ６から成るコンバータを接続する。
【０００６】
より詳しく説明すると、図３に示すように、電池Ｂ１に、電流断続スイッチＳ１及びインダクタＬ１の直列回路を並列に接続する。また、電池Ｂ２に、電流断続スイッチＳ２及びインダクタＬ１の直列回路を並列に接続するとともに、電流断続スイッチＳ３及びインダクタＬ２の直列回路を並列に接続する。
【０００７】
また、電池Ｂ３に、電流断続スイッチＳ４及びインダクタＬ２の直列回路を並列に接続するとともに、電流断続スイッチＳ５及びインダクタＬ３の直列回路を並列に接続する。また、電池Ｂ４に、インダクタＬ３及び電流断続スイッチＳ６の直列回路を並列に接続する。
【０００８】
電圧均等化装置は、マイクロコントローラ等を用いた電圧均等化制御部３０を備える。各電池Ｂ１〜Ｂ４には、電圧を検出する電圧センサＶ１〜Ｖ４がそれぞれ備えられ、該電圧センサＶ１〜Ｖ４で検出される電圧信号は、電圧均等化制御部３０に入力される。
【０００９】
電圧均等化制御部３０は、各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧の平均電圧を算出し、該平均電圧を、各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧の均等化の目標電圧として設定する。電圧均等化制御部３０は、該目標電圧より高い電圧の電池Ｂｉ（ｉは１から４の何れかの番号）から、隣接する他の電池Ｂｊ（ｊは１から４の何れかの番号、ｉ≠ｊ）に電流を流し、電池Ｂｉの電圧を低下させ、電池Ｂｊの電圧を上昇させて、該電池Ｂｉ又は電池Ｂｊの電圧が目標電圧に一致するよう、該電池Ｂｉ、Ｂｊ間で流れる電流を制御して各電池の電圧を均等化する。
【００１０】
例えば、電池Ｂ１の電圧が目標電圧より高い場合、電圧均等化制御部３０は、電流断続スイッチＳ１及び電流断続スイッチＳ２のオンオフを制御する制御回路３１により、電流断続スイッチＳ１をオンにし、電流断続スイッチＳ２をオフにする。すると、電池Ｂ１→電流断続スイッチＳ１→インダクタＬ１→電池Ｂ１の閉ループ電流路が形成され、電池Ｂ１からインダクタＬ１に所定量の電流が流れ出る。
【００１１】
その後、電流断続スイッチＳ１をオフにし、電流断続スイッチＳ２をオンにすると、インダクタＬ１→電池Ｂ２→電流断続スイッチＳ２→インダクタＬ１の閉ループ電流路が形成され、インダクタＬ１に流れた所定量の電流が電池Ｂ２に流れ込む。このような動作を、図４の（ａ）に示すように、電池Ｂ１の電圧を測定しながら繰返し、電池Ｂ１の電圧が目標電圧となるように均等化する。
【００１２】
一方、電池Ｂ２の電圧が目標電圧より高い場合、電圧均等化制御部３０は、電池Ｂ２に隣接する電池Ｂ１，Ｂ３のうち、より電圧の低い電池Ｂｋ（ｋは１又は３）を決定する。ここで、例えば電池Ｂ１の方が電池Ｂ３より電圧が低いとする。
【００１３】
その場合、電圧均等化制御部３０は、電流断続スイッチＳ２をオンにし、電流断続スイッチＳ１をオフにする。すると、電池Ｂ２→インダクタＬ１→電流断続スイッチＳ２→電池Ｂ２の閉ループ電流路が形成され、電池Ｂ２からインダクタＬ１に所定量の電流が流れ出る。
【００１４】
その後、電流断続スイッチＳ２をオフにし、電流断続スイッチＳ１をオンにすると、インダクタＬ１→電流断続スイッチＳ１→電池Ｂ１→インダクタＬ１の閉ループ電流路が形成され、インダクタＬ１に流れた電流が、電池Ｂ１に流れ込む。このような動作を、図４の（ｂ）に示すように、電池Ｂ２の電圧を測定しながら繰返し、電池Ｂ２の電圧が目標電圧となるように均等化する。
【００１５】
電池Ｂ３についても、同様に、電池Ｂ３の電圧が目標電圧より高い場合には、電池Ｂ３から電池Ｂ２又は電池Ｂ４へ電流を流し、電池Ｂ３の電圧が目標電圧より低い場合には、電池Ｂ３へ電池Ｂ２又はＢ４から電流を流し、電池Ｂ３の電圧が目標電圧となるように均等化する。
【００１６】
電池Ｂ４についても、同様に、電池Ｂ４の電圧が目標電圧より高い場合には、電池Ｂ４から電池Ｂ３へ電流を流し、電池Ｂ４の電圧が目標電圧より低い場合には、電池Ｂ４へ電池Ｂ３から電流を流し、電池Ｂ４の電圧が目標電圧となるように均等化する。
【００１７】
図４は、電流断続スイッチＳ１、Ｓ２を制御する制御回路３１の制御信号の波形の例を示す。図４の（ａ）は降圧制御の制御信号の波形、（ｂ）は昇圧制御の制御信号の波形の例を示す。ここで、降圧制御とは、高位電圧電池から低位電圧の電池側へ、電流を流す制御を意味し、昇圧制御とは、低位電圧電池から高位電圧の電池側へ、電流を流す制御を意味する。
【００１８】
図３の例では、最も低位電圧の電池は電池Ｂ４であり、最も高位電圧の電池は電池Ｂ１である。従って、降圧制御は、電池Ｂ１から電池Ｂ２へ、電池Ｂ２から電池Ｂ３へ、又は電池Ｂ３から電池Ｂ４へ、電流を流す制御である。また、昇圧制御は、電池Ｂ４から電池Ｂ３へ、電池Ｂ３から電池Ｂ２へ、又は電池Ｂ２から電池Ｂ１へ、電流を流す制御である。
【００１９】
図４に示す制御信号の波形において、オン−オフの１周期に対するオン期間の比率であるデューティ比は、電圧均等化のために各電池Ｂｉ、Ｂｊ間で流す電流が、所定の目標電流値となるように定められる。アクティブ方式の電池電圧均等化装置は、例えば下記の特許文献１等に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２０１３−１２１２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従来のアクティブ方式の電圧均等化装置では、図３に示すよう、各コンバータに対してそれぞれ電流断続スイッチの制御信号を生成する制御回路３１、３２、３３を配置していた。そのため、組電池を構成する各電池の数が増加すると、該制御回路の数も増加し、コストの増加を招く一因となっていた。
【００２２】
上記課題に鑑み、本発明は、各コンバータに対してそれぞれ電流断続スイッチの制御信号を生成する制御回路を配置することなく、従って、組電池を構成する各電池の数が増加しても、制御信号を生成する制御回路を増加させることなく、電圧均等化の制御を行うことができる電池電圧均等化装置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】
【００２３】
本発明にかかる電池電圧均等化装置は、電池が直列に接続された組電池内の前記各電池の電圧を均等化する電池電圧均等化装置であって、前記直列に接続された隣接する２つの電池間で、一方の電池から他方の電池へ電流を流す、インダクタ及び電流断続スイッチを備えた複数のコンバータと、前記複数のコンバータの各電流断続スイッチの制御端子に対し、共通に高位電圧側の電池から低位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する降圧制御の制御信号を送出する１つの降圧用制御回路と、前記複数のコンバータの各電流断続スイッチの制御端子に対し、共通に低位電圧側の電池から高位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する昇圧制御の制御信号を送出する１つの昇圧用制御回路と、前記降圧用制御回路からの制御信号又は昇圧用制御回路からの制御信号の何れか一方を、前記各コンバータの各電流断続スイッチの制御端子に出力するよう制御される、複数の制御信号選択スイッチと、前記複数の制御信号選択スイッチのオン／オフを制御する電圧均等化制御部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、コンバータをスイッチングする電流断続スイッチに印加する制御信号を生成する制御回路を、昇圧用及び降圧用の各１つとし、各コンバータで共有することにより、組電池を構成する電池数が増加した場合でも、コンバータをスイッチングする制御信号を生成する制御回路を増加する必要がなく、コスト増加を抑えることが可能となる。また、部品点数を減少させることができるため、電池電圧均等化装置の小型化が可能となる。これらの効果は、組電池を構成する電池数が多くなるほど大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のアクティブ方式の電圧均等化装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明のコンバータの制御信号の波形の例を示す図である。
【図３】従来のアクティブ方式の電圧均等化装置の構成例を示す図である。
【図４】従来のコンバータの制御信号の波形の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明のアクティブ方式の電圧均等化装置の構成例を示す。本実施形態として、一例として電池Ｂ１〜Ｂ４が直列に接続された組電池内の各電池Ｂ１〜Ｂ４の電圧を均等化する例について説明するが、本実施形態は、電池の数が４つに限定されるものではなく、任意の複数の電池数に対して適用可能である。
【００２７】
本実施形態の電圧均等化装置は、隣接する２つの電池Ｂｉ、Ｂｊ（ｉ、ｊは１から４の何れかの番号、）間で、一方の電池Ｂｉから他方の電池Ｂｊへ電流を流す、インダクタＬ１〜Ｌ３及び電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６を備えた複数のコンバータと、複数のコンバータの各電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６の制御端子に対して、共通に高位電圧側の電池から低位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する降圧制御の制御信号を送出する１つの降圧用制御回路１１と、複数のコンバータの各電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６の制御端子に対し、共通に低位電圧側の電池から高位電圧側の電池へ、電流を流すよう制御する昇圧制御の制御信号を送出する１つの昇圧用制御回路１２と、降圧用制御回路１１からの制御信号又は昇圧用制御回路１２からの制御信号の何れか一方を、各コンバータの各電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６の制御端子に出力するよう制御される、複数の制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６と、複数の制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６のオン／オフを制御する電圧均等化制御部１０と、を備える。
【００２８】
降圧用制御回路１１からの制御信号は、図１では点線で示す信号線を介して、制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６に分配され、昇圧用制御回路１２からの制御信号は、図１では実線で示す信号線を介して、制御信号選択スイッチＳｕ１〜Ｓｕ６に分配される。
【００２９】
電圧均等化制御部１０は、制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６のオン／オフを制御し、電池Ｂ１と電池Ｂ２との間で、降圧制御を行う場合には、制御信号選択スイッチＳｄ１、Ｓｄ２をオンにし、制御信号選択スイッチＳｕ１、Ｓｕ２をオフにする。また、昇圧制御を行う場合には、制御信号選択スイッチＳｕ１、Ｓｕ２をオンにし、制御信号選択スイッチＳｄ１、Ｓｄ２をオフにする。
【００３０】
同様に、電池Ｂ２と電池Ｂ３との間で、降圧制御を行う場合には、制御信号選択スイッチＳｄ３、Ｓｄ４をオンにし、制御信号選択スイッチＳｕ３、Ｓｕ４をオフにする。また、昇圧制御を行う場合には、制御信号選択スイッチＳｕ３、Ｓｕ４をオンにし、制御信号選択スイッチＳｄ３、Ｓｄ４をオフにする。
【００３１】
同様に、電池Ｂ３と電池Ｂ４との間で、降圧制御を行う場合には、制御信号選択スイッチＳｄ５、Ｓｄ６をオンにし、制御信号選択スイッチＳｕ５、Ｓｕ６をオフにする。また、昇圧制御を行う場合には、制御信号選択スイッチＳｕ５、Ｓｕ６をオンにし、制御信号選択スイッチＳｄ５、Ｓｄ６をオフにする。
【００３２】
制御信号選択スイッチＳｕ１、Ｓｄ１から出力される制御信号は、電流断続スイッチＳ１の制御端子に、レベルシフト回路Ｌｓ１を介して印加される。制御信号選択スイッチＳｕ２、Ｓｄ２から出力される制御信号は、電流断続スイッチＳ２の制御端子に、レベルシフト回路Ｌｓ２を介して印加される。制御信号選択スイッチＳｕ３、Ｓｄ３から出力される制御信号は、電流断続スイッチＳ３の制御端子に、レベルシフト回路Ｌｓ３を介して印加される。
【００３３】
制御信号選択スイッチＳｕ４、Ｓｄ４から出力される制御信号は、電流断続スイッチＳ４の制御端子に、レベルシフト回路Ｌｓ４を介して印加される。制御信号選択スイッチＳｕ５、Ｓｄ５から出力される制御信号は、電流断続スイッチＳ５の制御端子に、レベルシフト回路Ｌｓ５を介して印加される。制御信号選択スイッチＳｕ６、Ｓｄ６から出力される制御信号は、電流断続スイッチＳ６の制御端子に、レベルシフト回路Ｌｓ６を介して印加される。
【００３４】
レベルシフト回路Ｌｓ１〜Ｌｓ６は、各制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６から出力される、それぞれ同一レベル波形の制御信号のレベルを、ソース及びドレインがそれぞれ低電位から高電位の異なる電位に配置された各電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６のオン／オフ制御に適した電位レベルとなるようにシフトする。
【００３５】
図２に、本発明のコンバータの制御信号の波形の例を示す。図２の（ａ）は、降圧用制御回路１１の制御信号の波形の例を示す。図２の（ｂ）は、昇圧用制御回路１２の制御信号の波形の例を示す。
【００３６】
降圧用制御回路１１及び昇圧用制御回路１２は、それぞれ、独立した動作で、それぞれの制御信号を生成する構成としてもよいが、降圧用制御回路１１又は昇圧用制御回路１２の何れか一方を、他方の制御信号を反転して生成する回路としてもよい。
【００３７】
降圧用制御回路１１及び昇圧用制御回路１２を、それぞれ、独立した動作でそれぞれの制御信号を生成する構成とした場合、降圧用制御回路１１及び昇圧用制御回路１２から出力される制御信号は、異なるデューティ比の波形とすることができる。一方、降圧用制御回路１１又は昇圧用制御回路１２の何れか一方を、他方の制御信号を反転して生成する回路とした場合、デューティ比は同一の波形となる。
【００３８】
電圧均等化制御部１０は、コンバータの電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６の前段に配置された制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６のオン／オフを制御することにより、コンバータによる昇圧用又は降圧用の制御信号の何れかを選択して印加し、各コンバータの動作モードを切り替える。コンバータを動作させないときは、制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６をオフにすることにより、昇圧用又は降圧用の制御信号のコンバータへの送出を停止させる。
【００３９】
制御信号選択スイッチＳｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６は、昇圧用又は降圧用の制御信号の何れかを印加し、又はその何れの印加を停止するよう、オン／オフが切り替えられるだけであるので、高速なスイッチングを行う必要はない。
【００４０】
本実施形態の電池電圧均等化装置では、コンバータによる電池電圧の昇圧又は降圧は、各コンバータの電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６に、所定のデューティ比の波形の制御信号を共通に与える。制御信号の波形のデューティ比は、コンバータのインダクタＬ１〜Ｌ３に流れる目標電流の大きさによって決定される。
【００４１】
例えば、昇圧用のコンバータの制御信号のデューティ比は、昇圧を行うコンバータを選択し、該コンバータを動作させ、それらのインダクタに流れる電流を計測し、それらの平均値が所定の目標電流となるように、デューティ比のフィードバック制御を行う。
【００４２】
或いは、電池Ｂ１〜Ｂ４の平均電圧を求め、該平均電圧を基に各インバータのインダクタに流れる電流が所定の目標電流となるように、コンバータの制御信号のデューティ比を算定し、該算定したデューティ比の制御信号を生成するように構成しても良い。
【００４３】
このように、本発明の電池電圧均等化装置は、コンバータをスイッチングする電流断続スイッチＳ１〜Ｓ６に印加する制御信号を生成する制御回路を、昇圧用及び降圧用の各１つとし、各コンバータで共有することにより、電池数が増加した場合でも、制御信号を生成する制御回路が増加せず、コスト増加を抑えることが可能となる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、以上に述べた実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成又は実施形態を取ることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  電圧均等化制御部
１１  降圧制御回路
１２  昇圧用制御回路
Ｂ１〜Ｂ４  電池
Ｖ１〜Ｖ４  電圧センサ
Ｌ１〜Ｌ３  インダクタ
Ｓ１〜Ｓ６  電流断続スイッチ
Ｓｄ１〜Ｓｄ６、Ｓｕ１〜Ｓｕ６  制御信号選択スイッチ
Ｌｓ１〜Ｌｓ６  レベルシフト回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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