(57)【要約】【課題】トランスの大型化を招いたりトランスの一方向磁化力に対する別途の対策手段が必要になる不具合を解消するとともに、部品点数の削減によるコストダウン、更には装置の単純化及び小型化を図る。【解決手段】各巻線２ａａ…と各スイッチング素子３ａａ…と各蓄電素子Ｂａ…をそれぞれ直列接続して複数のループ回路Ｒａａ…を構成し、かつ任意数のループ回路Ｒａａ…，Ｒｂａ…を含む複数のブロックＣａ，Ｃｂ…に分けるとともに、各ブロックＣａ…に異なるタイミングのパルス信号Ｓ１…を選択的に付与することにより、各ブロックＣａ…のスイッチング素子３ａａ…をブロックＣａ…毎に一括してＯＮ制御し、かつ各ブロックＣａ…における巻線２ａａ…の極性が交互に反転するように設定又は制御する制御手段４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続した複数の蓄電素子の端子電圧を均等化する蓄電素子の電圧均等化装置において、各蓄電素子に対応した複数の巻線を有するトランス及び各巻線に対応した複数のスイッチング素子を備え、各巻線と各スイッチング素子と各蓄電素子をそれぞれ直列接続して複数のループ回路を構成し、かつ任意数のループ回路を含む複数のブロックに分けるとともに、各ブロックに異なるタイミングのパルス信号を選択的に付与することにより、各ブロックのスイッチング素子をブロック毎に一括してＯＮ制御し、かつ各ブロックにおける巻線の極性が交互に反転するように設定又は制御する制御手段を備えることを特徴とする蓄電素子の電圧均等化装置。
【請求項２】
前記制御手段は、巻線の極性が交互に反転するように、予め対応する各巻線の極性を反対に接続することを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
【請求項３】
ｎ番目にＯＮ制御するスイッチング素子を有するブロックの蓄電素子の端子電圧をＥｎ、巻線の巻数をＮｎ、スイッチング素子のＯＮ時間をＴｎとし、ｎ＋１番目にＯＮ制御するスイッチング素子を有するブロックの蓄電素子の端子電圧をＥｎ＋１、巻線の巻数をＮｎ＋１、スイッチング素子のＯＮ時間をＴｎ＋１とした場合、Ｅｎ／Ｅｎ＋１＝（Ｎｎ／Ｎｎ＋１）・（Ｔｎ＋１／Ｔｎ）の条件を満たすように設定することを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記蓄電素子の端子電圧を監視し、端子電圧間のバラツキが所定範囲に入ったなら前記スイッチング素子に対するＯＮ制御を停止し又はＯＮ時間を短くする制御を行うことを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記蓄電素子に流れる電流を監視し、前記蓄電素子に所定値以上の電流が流れるときは、前記スイッチング素子に対するＯＮ制御を停止し又はＯＮ時間を短くする制御を行うことを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
【請求項６】
各蓄電素子は、１個のセル又は複数個のセルにより構成することを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
【請求項７】
各蓄電素子に対応した複数の巻線を有するトランス及び各巻線に対応した複数のスイッチング素子を備え、各巻線と各スイッチング素子と各蓄電素子をそれぞれ直列接続して複数のループ回路を構成し、かつ任意数のループ回路を含む複数のブロックに分けた複数のモジュールを有するとともに、各モジュール同士の蓄電素子を直列接続し、かつ各モジュールにおけるトランスに均等化巻線を設けることにより、各均等化巻線同士を並列に接続したことを特徴とする請求項１記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
【請求項８】
前記蓄電素子は、モータにより走行する電気自動車又はエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車に搭載するバッテリに用いることを特徴とする請求項１，６又は７記載の蓄電素子の電圧均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列接続した複数の蓄電素子の端子電圧を均等化する蓄電素子の電圧均等化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、モータにより走行する電気自動車或いはエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車には、多数の蓄電素子を直列に接続したバッテリを搭載する。そして、このバッテリには、充電容量の確保及び各蓄電素子の長寿命化、さらには安全性等を考慮して、各蓄電素子の端子電圧を均等化する電圧均等化装置を備えている。
【０００３】
従来、この種の電圧均等化装置としては、米国特許第５８２１７２９号で開示される直列接続された複数の蓄電器又は変換器間の電圧均等化装置及び方法が知られており、この電圧均等化装置は、直列接続された複数の蓄電素子及び複数の巻線を有するトランスを備えるとともに、各巻線を複数のスイッチを介して各蓄電素子にそれぞれ接続し、各スイッチのスイッチングにより、各蓄電素子の端子電圧を均等化するものである。
【特許文献１】
米国特許第５８２１７２９号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の電圧均等化装置及び方法は、次のような問題点があった。
【０００５】
第一に、トランスの磁心に対する磁化力が一方向の場合、磁心の磁束密度の変化幅が狭くなり利用率の低下を招くため、磁心の断面積を大きくする必要があり、トランスの大型化を招くとともに、リセット回路などによる別途の対策手段を講じる必要がある。
【０００６】
第二に、トランスの磁心に対する磁化力が両方向の場合、各蓄電素子に対して、複数のスイッチが必要になり、部品点数の増加に伴うコストアップを招くとともに、装置の複雑化及び大型化を招く。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術に存在する課題を解決したものであり、トランスの大型化を招いたりトランスの一方向磁化力に対する別途の対策手段が必要になる不具合を解消するとともに、部品点数の削減によるコストダウン、更には装置の単純化及び小型化を図ることができる蓄電素子の電圧均等化装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び実施の形態】
本発明は、直列に接続した複数の蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ…の端子電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ…を均等化する蓄電素子の電圧均等化装置１ｘを構成するに際して、各蓄電素子Ｂａ…に対応した複数の巻線２ａａ…を有するトランス２及び各巻線２ａａ…に対応した複数のスイッチング素子３ａａ…を備え、各巻線２ａａ…と各スイッチング素子３ａａ…と各蓄電素子Ｂａ…をそれぞれ直列接続して複数のループ回路Ｒａａ…を構成し、かつ任意数のループ回路２ａａ…，２ｂａ…を含む複数のブロックＣａ，Ｃｂ…に分けるとともに、各ブロックＣａ…に異なるタイミングのパルス信号Ｓ１…を選択的に付与することにより、各ブロックＣａ…のスイッチング素子３ａａ…をブロックＣａ…毎に一括してＯＮ制御し、かつ各ブロックＣａ…における巻線２ａａ…の極性が交互に反転するように設定又は制御する制御手段４を備えることを特徴とする。
【０００９】
この場合、好適な実施の形態により、制御手段４は、巻線２ａａ…の極性が交互に反転するように、予め対応する各巻線２ａａ…の極性を反対に接続することができる。また、ｎ番目にＯＮ制御するスイッチング素子３ａａ…を有するブロックＣａ…の蓄電素子Ｂａ…の端子電圧をＥｎ、巻線２ａａ…の巻数をＮｎ、スイッチング素子３ａａ…のＯＮ時間をＴｎとし、ｎ＋１番目にＯＮ制御するスイッチング素子３ｂａ…を有するブロックＣｂ…の蓄電素子Ｂｃ…の端子電圧をＥｎ＋１、巻線２ｂａ…の巻数をＮｎ＋１、スイッチング素子３ｂａ…のＯＮ時間をＴｎ＋１とした場合、Ｅｎ／Ｅｎ＋１＝（Ｎｎ／Ｎｎ＋１）・（Ｔｎ＋１／Ｔｎ）の条件を満たすように設定する。なお、制御手段４は、蓄電素子Ｂａ…の端子電圧Ｅａ…を監視し、端子電圧Ｅａ…間のバラツキが所定範囲に入ったならスイッチング素子３ａａ…に対するＯＮ制御を停止し又はＯＮ時間Ｔｎ…を短くする制御を行うことができるとともに、蓄電素子Ｂａ…に流れる電流を監視し、蓄電素子Ｂａ…に所定値以上の電流が流れるときは、スイッチング素子３ａａ…に対するＯＮ制御を停止し又はＯＮ時間Ｔｎ…を短くする制御を行うことができる。なお、各蓄電素子Ｂａ…は、１個のセル又は複数個のセルにより構成することができる。また、蓄電素子Ｂａ…は、モータにより走行する電気自動車又はエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車に搭載するバッテリＢに用いて好適である。
【００１０】
他方、他の形態に係る電圧均等化装置１ｙとして、各蓄電素子Ｂａ…に対応した複数の巻線２ａａ…を有するトランス２及び各巻線２ａａ…に対応した複数のスイッチング素子３ａａ…を備え、各巻線２ａａ…と各スイッチング素子３ａａ…と各蓄電素子Ｂａ…をそれぞれ直列接続して複数のループ回路Ｒａａ…を構成し、かつ任意数のループ回路Ｒａａ…を含む複数のブロックＣａ…に分けた複数のモジュールＭ１，Ｍ２…を有するとともに、各モジュールＭ１…同士の蓄電素子Ｂａ…を直列接続し、かつ各モジュールＭ１…におけるトランス２…に均等化巻線５…を設けることにより、各均等化巻線５…同士を並列に接続することもできる。
【００１１】
【実施例】
次に、本発明に係る好適な実施例を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
【００１２】
まず、第一実施例に係る電圧均等化装置１ｘの構成について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１３】
図中、Ｂはバッテリ、特に、モータにより走行する電気自動車及びエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車に搭載するバッテリを示す。このバッテリＢは、複数の蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ…Ｂｈを直列に接続して構成したものであり、この蓄電素子Ｂａ…には、リチウムイオン電池等のイオン電池や電気二重層コンデンサ等の各種蓄電素子を用いることができる。実施例は、リチウムイオン電池を用いた場合を示す。また、各蓄電素子Ｂａ…は、１個のセルにより構成してもよいし、複数個のセル、例えば、直列接続，並列接続又はこれらの組合わせからなる複数個のセルにより構成してもよい。そして、このバッテリＢには、各蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ…Ｂｈの端子電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ…Ｅｈを均等化する電圧均等化装置１ｘを接続する。
【００１４】
電圧均等化装置１ｘは、鉄心を有するトランス２を備え、このトランス２は、蓄電素子Ｂａ…と同数の巻線２ａａ，２ａｂ，２ａｃ，２ａｄ，２ｂａ，２ｂｂ，２ｂｃ，２ｂｄを有する。そして、トランス２における全巻線２ａａ…のうち、一部（半分）の巻線２ａａ，２ａｂ，２ａｃ，２ａｄは、巻始端子を蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｅ，Ｂｆの正極側にそれぞれ接続するとともに、巻終端子は、スイッチング素子３ａａ，３ａｂ，３ａｃ，３ａｄを介して蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｅ，Ｂｆの負極側に接続する。これにより、各蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｅ，Ｂｆに対応したループ回路Ｒａａ，Ｒａｂ，Ｒａｃ，Ｒａｄがそれぞれ構成され、これらのループ回路Ｒａａ…が一つのブロック、即ち、第一ブロックＣａとなる。また、残りの巻線２ｂａ，２ｂｂ，２ｂｃ，２ｂｄは、巻終端子を蓄電素子Ｂｃ，Ｂｄ，Ｂｇ，Ｂｈの正極側にそれぞれ接続するとともに、巻始端子は、スイッチング素子３ｂａ，３ｂｂ，３ｂｃ，３ｂｄを介して蓄電素子Ｂｃ，Ｂｄ，Ｂｇ，Ｂｈの負極側に接続する。これにより、各蓄電素子Ｂｃ，Ｂｄ，Ｂｇ，Ｂｈに対応したループ回路Ｒｂａ，Ｒｂｂ，Ｒｂｃ，Ｒｂｄがそれぞれ構成され、これらのループ回路Ｒｂａ…が一つのブロック、即ち、第二ブロックＣｂとなる。よって、図１に示す電圧均等化装置１ｘは、四つのループ回路Ｒａａ…，Ｒｂａ…をそれぞれ含む二つのブロックＣａ，Ｃｂに分けられる。
【００１５】
この場合、スイッチング素子３ａａ（他のスイッチング素子３ａｂ…も同じ）は、図２に示すようなＦＥＴ３０を用いることができる。ＦＥＴ３０を用いる場合には、巻線２ａａの巻終端子と蓄電素子Ｂａの負極側間に、ＦＥＴ３０のドレイン−ソース間を接続する。なお、図中、Ｃｐ及びＤｐはＦＥＴ３０の内部で発生する寄生コンデンサ及び寄生ダイオードをそれぞれ示す。
【００１６】
一方、４は制御手段を示す。制御手段４はドライブ回路１０を備える。ドライブ回路１０は、内蔵するパルス発振器から発振する周波数が数百〔ｋＨｚ〕程度のパルス信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。そして、一方のパルス信号Ｓ１は、第一ブロックＣａに付与して各スイッチング素子３ａａ…をＯＮ制御するとともに、他方のパルス信号Ｓ２は、第二ブロックＣｂに付与して各スイッチング素子３ｂａ…をＯＮ制御する。なお、各スイッチング素子３ａａ…，３ｂａ…に、ＦＥＴ３０を用いる場合には、対応するＦＥＴ３０の各ゲートに各パルス信号Ｓ１，Ｓ２が付与される。また、パルス信号Ｓ１及びＳ２は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように１８０〔°〕位相がズレた波形となる。これにより、第一ブロックＣａにおける各スイッチング素子３ａａ…がＯＮのときは、第二ブロックＣｂにおける各スイッチング素子３ｂａ…がＯＦＦとなり、第二ブロックＣｂにおける各スイッチング素子３ｂａ…がＯＮのときは、第一ブロックＣａにおける各スイッチング素子３ａａ…がＯＦＦとなる。
【００１７】
さらに、第一ブロックＣａと第二ブロックＣｂにおける各巻線２ａａ…と２ｂａ…は、それぞれ蓄電素子Ｂａ…，Ｂｃ…に対して極性が反対となるように接続する。これにより、パルス信号Ｓ１，Ｓ２が付与された際に、各ブロックＣａ，Ｃｂにおける巻線２ａａ…と２ｂａ…の極性は交互に反転することになる。このような各巻線２ａａ…と２ｂａ…の極性が反転となる接続構成及びドライブ回路１０により制御手段４が構成される。
【００１８】
ところで、制御手段４の他の構成としては、各巻線２ａａ…と各蓄電素子Ｂａ…間に、極性切換回路等を接続するとともに、この極性切換回路等にドライブ回路１０から切換信号を付与し、これにより、巻線２ａａ…の極性が交互に反転するように制御することも可能であるが、本実施例のように、予め対応する各巻線２ｂａ…の極性を反対に接続すれば、極性切換回路等は不要となり、容易かつ低コストに実施できる利点がある。
【００１９】
そして、以上の回路構成において、第一ブロックＣａにおける蓄電素子Ｂａ…の端子電圧をＥｎ、巻線２ａａ…の巻数をＮｎ、スイッチング素子３ａａ…のＯＮ時間をＴｎとし、第二ブロックＣｂにおける蓄電素子Ｂｃ…の端子電圧をＥｎ＋１、巻線２ｂａ…の巻数をＮｎ＋１、スイッチング素子３ｂａ…のＯＮ時間をＴｎ＋１とした場合、Ｅｎ／Ｅｎ＋１＝（Ｎｎ／Ｎｎ＋１）・（Ｔｎ＋１／Ｔｎ）の条件を満たすように設定する。したがって、Ｎｎ＝Ｎｎ＋１，Ｔｎ＝Ｔｎ＋１に設定することにより、Ｅｎ＝Ｅｎ＋１となる。
【００２０】
次に、第一実施例に係る電圧均等化装置１の動作（作用）について、図１〜図３を参照して説明する。なお、図３は、図１に示す電圧均等化装置１の各部における信号のタイムチャートを示す。また、各スイッチング素子３ａａ…は、ＦＥＴ３０を用いたものとして説明する。
【００２１】
今、第一ブロックＣａの各スイッチング素子３ａａ…がＯＮした場合を想定する。これにより、各巻線２ａａ…に、図３（ｃ）に示すループ回路電流Ｉａが流れ、トランス２には、斜線部分を除くループ回路電流Ｉａによって均等化のためのエネルギが蓄積される。なお、ＯＮ時における各スイッチング素子３ａａ…の両端電圧Ｖａ…の大きさは、図３（ｅ）のようになる。即ち、各両端電圧Ｖａ…は、直前における第二ブロックＣｂの各スイッチング素子３ｂａ…がＯＦＦしてから、第一ブロックＣａにおける各スイッチング素子３ａａ…の寄生コンデンサＣｐによる静電容量に蓄積された電荷が放電されるため、各スイッチング素子３ａａ…がＯＮするまでの休止期間にほぼ０〔Ｖ〕になる。
【００２２】
一方、第一ブロックＣａのスイッチング素子３ａａ…がＯＦＦした後は、第二ブロックＣｂの各スイッチング素子３ｂａ…がＯＮになり、トランス２に蓄積されたエネルギが、第二ブロックＣｂの各巻線２ｂａ…から放出され、各蓄電素子Ｂｃ…に対する充電が行われる。この場合、第二ブロックＣｂの蓄電素子Ｂｃ，Ｂｄ，Ｂｇ，Ｂｈにバラツキが存在すれば、図３（ｄ）の斜線期間を除くループ回路電流Ｉｂ…が、各蓄電素子Ｂｃ，Ｂｄ，Ｂｇ，Ｂｈにおける端子電圧の一番低い蓄電素子Ｂｃ（又はＢｄ，Ｂｇ，Ｂｈ）に集中して流れ、これにより、一番低い蓄電素子Ｂｃ（又はＢｄ，Ｂｇ，Ｂｈ）の電圧が上昇する。
【００２３】
また、トランス２に蓄積されたエネルギが全て放出された時点、即ち、図３（ｄ）に示す時点Ｘｃ以降も、各スイッチング素子３ｂａ…はＯＮしているため、Ｘｃ時点において各蓄電素子Ｂｃ，Ｂｄ，Ｂｇ，Ｂｈの端子電圧Ｅｃ，Ｅｄ，Ｅｇ，Ｅｈにバラツキが残っている場合には、電圧の高い蓄電素子から電圧の低い蓄電素子に対して充放電が行われ、更なる電圧の均等化が行われる。このときのループ回路電流Ｉｂ…が図３（ｄ）の斜線期間となる。そして、この際には、同時にトランス２にもエネルギの蓄積が行われ、この蓄積されたエネルギは、各スイッチング素子３ｂａ…がＯＦＦになった後に、第一ブロックＣａの各蓄電素子Ｂａ…への充電電流となって放出される。即ち、第二ブロックＣｂの各スイッチング素子３ｂａ…のＯＮ状態が、トランス２のエネルギ放出終了後も継続することにより、ループ回路電流Ｉｂ…の方向が反転し、図３（ｄ）に示す斜線期間のように、蓄電素子Ｂｃ…から巻線２ｂａ…にループ回路電流Ｉｂ…が流れ始める。この逆方向電流は、トランス２を励磁したり、端子電圧の高い蓄電素子から端子電圧の低い蓄電素子にエネルギの移送を行うことになる。この場合、斜線期間の初期には、各スイッチング素子３ａａ…はＯＮしていないが、寄生ダイオードＤｐを通ってループ回路電流Ｉａが流れる。なお、第二ブロックＣｂにおける各スイッチング素子３ｂａ…の両端電圧Ｖｂ…を図３（ｆ）に示す。
【００２４】
さらに、第二ブロックＣｂの各スイッチング素子３ｂａ…がＯＦＦすると、逆方向電流の一部によって蓄積されたエネルギが、第一ブロックＣａの各巻線２ａａ…に放出される。この際、放出されたループ回路電流Ｉａにより、各スイッチング素子３ａａ…に存在する寄生コンデンサＣｐによる静電容量に蓄積された電荷が放出され、この電荷の放出が終われば、各スイッチング素子３ａａ…の寄生ダイオードＤｐ…に順方向電流が流れている期間の両端電圧Ｖａ…は、寄生ダイオードＤｐの順方向電圧（０．５〔Ｖ〕程度）にクランプされる。したがって、図３（ｃ）の波形において、斜線期間は、寄生ダイオードＤｐに電流が流れており、この期間で各スイッチング素子３ａａ…をＯＮさせれば、両端電圧Ｖａ…はほぼ０〔Ｖ〕になっているので、ゼロボルトスイッチ動作を実現できる。これにより、ＯＮ時のスイッチング損失を低減できるとともに、スイッチングに伴うノイズを低減できる。
【００２５】
他方、ドライブ回路１０は、蓄電素子Ｂａ…の端子電圧（出力電圧）Ｅａ…及び蓄電素子Ｂａ…に流れる電流を監視する。そして、端子電圧Ｅａ…間のバラツキが所定範囲に入ったなら、ドライブ回路１０は、スイッチング素子３ａａ…に対するＯＮ制御を停止し又はＯＮ時間Ｔｎ…を短くする制御を行う。即ち、余分な損失を発生させないため、バラツキがある程度小さくなった時点で、スイッチング素子３ａａ…のＯＮ期間Ｔｎを短く（又は停止）して均等化電流を絞ることが有効となる。これにより、端子電圧（出力電圧）Ｅａ…のバラツキがほとんど無い時に電圧均等化動作を行なって損失が生じたりノイズが発生する弊害を防止できる。
【００２６】
さらに、蓄電素子Ｂａ…に流れる電流を監視し、蓄電素子Ｂａ…に所定値以上の電流が流れるときは、ドライブ回路１０は、スイッチング素子３ａａ…に対するＯＮ制御を停止し又はＯＮ時間Ｔｎ…を短くする制御を行う。これにより、直列接続された蓄電素子Ｂａ…に大電流が流れ、蓄電素子Ｂａ…の内部抵抗によって大きな電圧降下が生じることにより各蓄電素子Ｂａ…の電圧検出に影響を及ぼすときは、電圧均等化機能を実質的に停止させることができる。
【００２７】
そして、各ブロックＣａ，Ｃｂにおいて、このような充放電作用が交互に繰り返されることにより、蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ…Ｂｈに対する電圧均等化が行われる。
【００２８】
次に、第一実施例に係る電圧均等化装置１ｘの変更例について、図４〜図８を参照して説明する。
【００２９】
図１に示した電圧均等化装置１ｘは、四つのループ回路Ｒａａ…，Ｒｂａ…をそれぞれ含む二つのブロックＣａ，Ｃｂに分けた場合を示したが、図４，図７及び図８は、ブロックＣａ…の分け方の変更例を示す。
【００３０】
図４に示す変更例は、二つのループ回路Ｒａａ，Ｒａｂを含む第一ブロックＣａ、二つのループ回路Ｒｂａ，Ｒｂｂを含む第二ブロックＣｂ、二つのループ回路Ｒｃａ，Ｒｃｂを含む第三ブロックＣｃ、二つのループ回路Ｒｄａ，Ｒｄｂを含む第四ブロックＣｄを備えており、二つのループ回路Ｒａａ…，Ｒｂａ…，Ｒｃａ…，Ｒｄａ…を含む四つのブロックＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄに分けた例となる。したがって、本発明に係る電圧均等化装置１ｘは、基本的に、任意数のループ回路Ｒａａ…を含む複数のブロックＣａ…に分けることができる。
【００３１】
また、図４に示す電圧均等化装置１ｘでは、第一ブロックＣａにおける蓄電素子Ｂａ…の端子電圧をＥｎ、巻線２ａａ…の巻数をＮｎ、スイッチング素子３ａａ…のＯＮ時間をＴｎとし、第二ブロックＣｂにおける蓄電素子Ｂｃ…の端子電圧をＥｎ＋１、巻線２ｂａ…の巻数をＮｎ＋１、スイッチング素子３ｂａ…のＯＮ時間をＴｎ＋１とし、第三ブロックＣｃにおける蓄電素子Ｂｅ…の端子電圧をＥｎ＋２、巻線２ｃａ…の巻数をＮｎ＋２、スイッチング素子３ｃａ…のＯＮ時間をＴｎ＋２とし、第四ブロックＣｄにおける蓄電素子Ｂｇ…の端子電圧をＥｎ＋３、巻線２ｄａ…の巻数をＮｎ＋３、スイッチング素子３ｄａ…のＯＮ時間をＴｎ＋３とした場合、Ｅｎ／Ｅｎ＋１＝（Ｎｎ／Ｎｎ＋１）・（Ｔｎ＋１／Ｔｎ）、Ｅｎ＋１／Ｅｎ＋２＝（Ｎｎ＋１／Ｎｎ＋２）・（Ｔｎ＋２／Ｔｎ＋１）、Ｅｎ＋２／Ｅｎ＋３＝（Ｎｎ＋２／Ｎｎ＋３）・（Ｔｎ＋３／Ｔｎ＋２）の条件を満たすように設定する。したがって、Ｅｎ＝Ｅｎ＋１＝Ｅｎ＋２＝Ｅｎ＋３となるＮｎ〜Ｎｎ＋３及びＴｎ〜Ｔｎ＋３を決定すればよい。
【００３２】
さらに、図４の場合、各ブロックＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄに対して、図５に示すような異なるタイミングのパルス信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がそれぞれ付与され、各ブロックＣａ…のスイッチング素子３ａａ…がブロックＣａ…毎に一括してＯＮ制御される。即ち、第一ブロックＣａのスイッチング素子３ａａ，３ａｂがパルス信号Ｓ１により、Ｔｎ時間だけＯＮ制御され、次いで、第二ブロックＣｂのスイッチング素子３ｂａ，３ｂｂがパルス信号Ｓ２により、Ｔｎ＋１時間だけＯＮ制御され、次いで、第三ブロックＣｃのスイッチング素子３ｃａ，３ｃｂがパルス信号Ｓ３により、Ｔｎ＋２時間だけＯＮ制御され、次いで、第四ブロックＣｄのスイッチング素子３ｄａ，３ｄｂがパルス信号Ｓ４により、Ｔｎ＋３時間だけＯＮ制御されるとともに、この後は、再度、第一ブロックＣａのスイッチング素子３ａａ…がパルス信号Ｓ１によりＴｎ時間だけＯＮ制御される動作が順次繰り返される。また、このような順位でＯＮ制御されることから、各ブロックＣａ…の蓄電素子Ｂａ…に対する巻線２ａａ…の極性が交互に反転するように、巻線２ａａ，２ａｂ，２ｃａ，２ｃｂに対して、巻線２ｂａ，２ｂｂ，２ｄａ，２ｄｂは、巻線方向が反対となるように接続する。その他、図４において、図１と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
一方、図７に示す変更例は、二つのブロックＣａ，Ｃｂを備える点は、図１に示した電圧均等化装置１ｘと同じとなるが、特に、第一ブロックＣａにおけるループ回路Ｒａａ…の数量と第二ブロックＣｂにおけるループ回路Ｒｂａ…の数量を異ならせた場合を示す。このような場合であっても、基本的に図１に示した電圧均等化装置１ｘと同様の電圧均等化動作が行われる。図６は、図７の回路において、第一ブロックＣａにおけるループ回路Ｒａａ…の数量を八とし、第二ブロックＣｂにおけるループ回路Ｒｂａ…の数量を十二とした場合の均等化特性を示す。図６は、予め各蓄電素子Ｂａ…の端子電圧Ｅａ，Ｅｂ…が所定のバラツキで分布するように、故意に充放電させて初期設定するとともに、この状態において、図７に示す電圧均等化装置１ｘを作動させたものである。これにより、時間の経過に伴う各蓄電素子Ｂａ…の端子電圧Ｅａ，Ｅｂ…の変化が得られる。図６は、図７の電圧均等化装置１ｘであっても効果的に電圧均等化が行われることを示している。なお、図７中、３ａａ…３ａｎ及び３ｂａ，３ｂｂ…３ｂｍは、それぞれスイッチング素子を示すとともに、２ａａ…２ａｎ及び２ｂａ，２ｂｂ…２ｂｍは、それぞれ巻線を示す。その他、図７において、図１と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
他方、図８に示す変更例は、二つのブロックＣａ，Ｃｂを備える点は、図１に示した電圧均等化装置１ｘと同じになるが、特に、任意の接続位置における複数の蓄電素子Ｂａ…を一つのブロックＣａ…に含ませた場合を示す。即ち、各ブロックＣａ…の蓄電素子Ｂａ…は、必ずしも連続的に直列接続されている必要はなく、任意の接続位置であってもよい。図８は、直列接続した六つの蓄電素子Ｂａ…に対して、第一ブロックＣａには、一つおきの蓄電素子Ｂａ，Ｂｃ，Ｂｅを含ませるとともに、第二ブロックＣｂには、残りの蓄電素子Ｂｂ，Ｂｄ，Ｂｆを含ませた例を示している。なお、図８中、３ａａ，３ａｂ，３ａｃ，３ｂａ，３ｂｂ，３ｂｃは、それぞれスイッチング素子を示すとともに、２ａａ，２ａｂ，２ａｃ，２ｂａ，２ｂｂ，２ｂｃは、それぞれ巻線を示す。その他、図８において、図１と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
次に、本発明の第二実施例に係る電圧均等化装置１ｙについて、図９を参照して説明する。
【００３６】
図９に示す第二実施例は、図８に示した電圧均等化装置１ｘからドライブ回路１０を除いた部分を一つのモジュールとして構成するとともに、複数のモジュールＭ１，Ｍ２を組合わせて電圧均等化装置１ｙを構成する場合を示す。即ち、電圧均等化装置１ｙは、各蓄電素子Ｂａ…に対応した複数の巻線２ａａ…を有するトランス２及び各巻線２ａａ…に対応した複数のスイッチング素子３ａａ…を備え、各巻線２ａａ…と各スイッチング素子３ａａ…と各蓄電素子Ｂａ…をそれぞれ直列接続して複数のループ回路Ｒａａ…を構成し、かつ任意数のループ回路Ｒａａ…を含む複数のブロックＣａ，Ｃｂ…に分けた二つのモジュールＭ１，Ｍ２を備える。そして、各モジュールＭ１…同士の蓄電素子Ｂａ…をラインＬｃにより直列接続するとともに、各モジュールＭ１…におけるトランス２…に均等化巻線５…を設けることにより、各均等化巻線５…同士を並列に接続したものである。この場合であっても、基本的には図１に示した第一実施例と同様に、各蓄電素子Ｂａ…に対する電圧均等化を行うことができる。第二実施例は、複数のモジュールＭ１，Ｍ２…に対してドライブ回路１０を兼用できるとともに、モジュールＭ１，Ｍ２…の数量を任意に組合わせることができるため、コスト性，融通性及び汎用性の面で有利となる。その他、図９中、図８（図１）と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
このような本実施例に係る電圧均等化装置１ｘ…，１ｙによれば、複数に分けた各ブロックＣａ…に異なるタイミングのパルス信号Ｓ１…を選択的に付与することにより、各ブロックＣａ…のスイッチング素子３ａａ…をブロックＣａ…毎に一括してＯＮ制御し、かつ各ブロックＣａ…における巻線２ａａ…の極性が交互に反転するように設定した制御手段４を設けたため、トランス２の大型化を招いたりトランス２の一方向磁化力に対する別途の対策手段が必要になる不具合を解消できる。また、各巻線２ａａ…と各スイッチング素子３ａａ…と各蓄電素子Ｂａ…をそれぞれ直列接続して複数のループ回路Ｒａａ…を構成したため、部品点数の削減によるコストダウン、更には装置の単純化及び小型化を図ることができる。
【００３８】
以上、実施例について詳細に説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、細部の回路構成、手法等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更，追加，削除することができる。例えば、スイッチング素子３ａａ…としてＦＥＴ３０を例示したが、トランジスタ等の他の同様の機能を有するスイッチング素子に置換できる。また、蓄電素子Ｂａ…は、モータにより走行する電気自動車又はエンジンとモータを併用して走行するハイブリッド自動車に搭載するバッテリＢに用いて好適であるが、用途はこれらに限定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】
このように、本発明に係る電圧均等化装置は、各蓄電素子に対応した複数の巻線を有するトランス及び各巻線に対応した複数のスイッチング素子を備え、各巻線と各スイッチング素子と各蓄電素子をそれぞれ直列接続して複数のループ回路を構成し、かつ任意数のループ回路を含む複数のブロックに分けるとともに、各ブロックに異なるタイミングのパルス信号を選択的に付与することにより、各ブロックのスイッチング素子をブロック毎に一括してＯＮ制御し、かつ各ブロックにおける巻線の極性が交互に反転するように設定又は制御する制御手段を備えるため、次のような顕著な効果を奏する。
【００４０】
（１）  複数に分けた各ブロックに異なるタイミングのパルス信号を選択的に付与することにより、各ブロックのスイッチング素子をブロック毎に一括してＯＮ制御し、かつ各ブロックにおける巻線の極性が交互に反転するように設定又は制御するため、トランスの大型化を招いたりトランスの一方向磁化力に対する別途の対策手段が必要になる不具合を解消できる。
【００４１】
（２）  各巻線と各スイッチング素子と各蓄電素子をそれぞれ直列接続して複数のループ回路を構成したため、部品点数の削減によるコストダウン、更には装置の単純化及び小型化を図ることができる。
【００４２】
（３）  好適な実施の形態により、制御手段として、巻線の極性が交互に反転するように、予め対応する各巻線の極性を反対に接続すれば、極性切換回路等による制御が不要となり、容易かつ低コストに実施できる。
【００４３】
（４）  好適な実施の形態により、複数のブロックを含む複数のモジュールを備えるとともに、各モジュール同士の蓄電素子を直列接続し、かつ各モジュールにおけるトランスに均等化巻線を設けることにより、各均等化巻線同士を並列に接続すれば、複数のモジュールに対して制御手段の一部を兼用でき、しかもモジュールの数量を任意に組合わせることができるため、コスト性，融通性及び汎用性の面で有利にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例に係る電圧均等化装置の回路図、
【図２】同電圧均等化装置においてＦＥＴを用いた場合の一部抽出回路図、
【図３】同電圧均等化装置における各部の信号のタイムチャート、
【図４】第一実施例の変更例に係る電圧均等化装置の回路図、
【図５】図４の変更例に係る電圧均等化装置に用いるパルス信号のタイムチャート、
【図６】図７に示す電圧均等化装置の電圧均等化特性図、
【図７】第一実施例の他の変更例に係る電圧均等化装置の回路図、
【図８】第一実施例の他の変更例に係る電圧均等化装置の回路図、
【図９】本発明の第二実施例に係る電圧均等化装置の回路図、
【符号の説明】
１ｘ      電圧均等化装置
１ｙ      電圧均等化装置
２        トランス
２ａａ…  巻線
３ａａ…  スイッチング素子
４        制御手段
５…      均等化巻線
Ｂ        バッテリ
Ｂａ…    蓄電素子
Ｅａ…    蓄電素子の端子電圧
Ｒａａ…  ループ回路
Ｃａ…    ブロック
Ｓ１…    パルス信号
Ｍ１…    モジュール
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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