(57)【要約】【課題】直列に接続された複数の蓄電素子の電圧をバランスさせる電圧バランス回路であって、高い効率で常時各電圧バランスさせることができる電圧バランス回路を提供する。【解決手段】直列に接続された複数の蓄電素子の電圧をバランスさせる電圧バランス回路において、自己インダクタンス成分の他に、バランスさせる任意の二つの蓄電素子の間で相互インダクタンスが生じるように接続されるインダクタンス素子と、所定の周波数の信号を生成する信号生成部と、信号生成部からの信号によって二つの蓄電素子とインダクタンス素子とが接続された状態と切断された状態を切り換える複数のスイッチング素子と、インダクタンス素子と各蓄電素子との間に挿入されたコンデンサとを設け、インダクタンス素子の自己インダクタンス成分とコンデンサが前記所定の周波数において共振することを利用して前記複数の蓄電素子の電圧をバランスさせる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の蓄電素子の電圧をバランスさせる電圧バランス回路において、
自己インダクタンス成分の他に、バランスさせる任意の二つの蓄電素子の間で相互インダクタンスが生じるように接続されるインダクタンス素子と、
所定の周波数の信号を生成する信号生成部と、
前記信号生成部からの信号によって前記二つの蓄電素子と前記インダクタンス素子とが接続された状態と切断された状態を切り換える複数のスイッチング素子と、
前記インダクタンス素子と前記各蓄電素子との間に挿入されたコンデンサとを有し、
前記インダクタンス素子の自己インダクタンス成分と前記コンデンサが前記所定の周波数において共振することを利用して前記複数の蓄電素子の電圧をバランスさせることを特徴とする電圧バランス回路。
【請求項２】
前記各スイッチング素子の前に、抵抗素子と整流素子を並列に接続するとともに、当該並列回路と前記信号生成部との間にコンデンサを挿入したことを特徴とする請求項１に記載の電圧バランス回路。
【請求項３】
前記蓄電素子はリチウムイオン電池である、請求項１又は２に記載の電圧バランス回路。
【請求項４】
前記スイッチング素子は半導体スイッチング素子である、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の電圧バランス回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の蓄電素子（電池、コンデンサなどのエネルギーを蓄える素子）のセル電圧をバランスさせる蓄電素子のための電圧バランス回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、過充電・過放電に弱く、時に発火を伴う場合がある。また、過充電・過放電は電池の劣化を進行させる原因ともなる。このため、リチウムイオン電池は保護回路と共に用いられることも多い。保護回路には様々な種類があるが、その中の一つに、複数の電池を直列に接続した場合に用いられる、各電池の電圧を平均化するバランス回路がある。
【０００３】
複数のリチウムイオン電池を直列接続した構成の場合、個々のリチウムイオン電池の電圧によって充電・放電を制御することは少なく、直列の合計電圧で制御することが多い。このため、充電時における各電池の平均電圧は一定となるように制御されるが、個々の電池に注目した場合、劣化の進んでいる電池とそうでない電池との間、もしくは充電量に差がある電池の間などにおいて電圧のばらつきが発生する。このように電圧にばらつきのある状態で充電を行うと、直列に接続された電池のうちで電圧の高い電池は過充電されていることになる。このため、電池の安全性及び電池の寿命が短縮するのを防止する観点から、各電池の電圧をバランスさせて過充電を防ぐためのバランス回路が用いられている。これについては、例えば下記文献を参照できる。
【０００４】
【非特許文献１】「直列接続されたバッテリの電圧バランス回路」（西嶋他、電子情報通信学会論文誌 B Vol. J84-B No.9 pp.1701-1708 2001年9月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでに、複数の蓄電素子のセル電圧をバランスさせるために、数種類の方式のバランス回路が提案されている。その中で広く用いられている方式の一つは、複数の電池の中で電圧の高い電池のエネルギーを抵抗素子を用いて放電し、複数セルの電圧を均一化させ方式である。しかしながら、この方法は、抵抗放電を行っているため、電圧をバランスさせるためにエネルギーを熱エネルギーとして放出することになるため、充電効率が悪く、複雑な熱制御が必要になるという欠点もある。
【０００６】
これとは別に、コンデンサを用いてセルバランスを行う方式も知られている。この方式は、電池とコンデンサとを並列に接続し、スイッチで切り換えることによって電圧の高いセルから低いセルへエネルギーを移すことによって各セルの電圧をバランスさせる。しかしながら、この方式の場合、コンデンサの容量が小さいと、バランスさせる際にコンデンサの電圧変動が大きくなり、バランスさせるのに時間がかかってしまう。時間を短縮するためにコンデンサの容量を大きくしようとすると、エネルギーを移す際のコンデンサの電圧変動は小さくなるが、バランス回路の抵抗分とコンデンサの容量分で決まる回路の時定数が大きくなり、各セルをバランスさせるのに時間を必要とする。
【０００７】
また、トランスを用いて複数のセルの電圧を均一にするよう動作させる方式も提案されている。トランスを用いる方法では、仮に抵抗成分がないとしても、漏れインダクタンスによるｊωＬＩの電圧降下が生じる（ωは、スイッチによる切り換えの角周波数）。この電圧降下による電力損失はないが、一次側と二次側で電圧降下分の電圧差が発生し、各セルの電圧は一次側と二次側に流れる電流が同一にならない限りセルの電圧がバランスすることはない。このため、複数のセルをバランスさせるにはある程度の時間がかかる。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明では、直列に接続された複数の蓄電素子の電圧をバランスさせる電圧バランス回路において、自己インダクタンス成分の他に、バランスさせる任意の二つの蓄電素子の間で相互インダクタンスが生じるように接続されるインダクタンス素子と、所定の周波数の信号を生成する信号生成部と、前記信号生成部からの信号によって前記二つの蓄電素子と前記インダクタンス素子とが接続された状態と切断された状態を切り換える複数のスイッチング素子と、前記インダクタンス素子と前記各蓄電素子との間に挿入されたコンデンサとを設け、前記インダクタンス素子の自己インダクタンス成分と前記コンデンサが前記所定の周波数において共振することを利用して前記複数の蓄電素子の電圧をバランスさせる。
【００１０】
さらに、前記各スイッチング素子の前に、抵抗素子と整流素子を並列に接続するとともに、当該並列回路と前記信号生成部との間にコンデンサを挿入する。これにより、信号発生部から各スイッチング素子に供給する信号の電圧は、単一のスイッチング素子をスイッチングするのに必要な電圧でよい。
本発明の電圧バランス回路は、例えば直列に接続した複数のリチウムイオン電池それぞれの電圧をバランスさせる場合に好適に適用できる。スイッチングとしては、半導体スイッチング素子、例えばＦＥＴなどが一般的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下で、本発明の実施の一形態について説明するが、まず、本発明に係る共振バランス回路の基本的な動作原理について簡単に説明する。図１は、動作を分かり易くする目的で、実際の装置よりも構成を簡単化し、バランスさせる蓄電素子も二つだけとしたバランス回路の回路図である。ただし、ここで説明する考え方は、これよもずっと多くの蓄電素子をバランスさせる場合にも適用できる。
【００１２】
図１の回路は、トランスＴ、コンデンサＣ1、Ｃ2、スイッチＳＷ1H、ＳＷ1L、ＳＷ2H、ＳＷ2L、電圧をバランスさせたい蓄電素子ＳＣ1、ＳＣ2、そして不図示の信号発生部から構成される。信号発生部は、各スイッチに対して、角周波数ω（周波数ｆの２π倍）のパルス状の信号を継続的に供給する。各スイッチは、信号発生部から供給される信号がハイのときは閉成し（オン）、ローのときは開成する（オフ）。各スイッチは、信号発生部からの信号によってオン、オフ動作ができるものであればよく、例えばトランジスタなどのスイッチング素子を用いることができる。また、スイッチＳＷ1H及びスイッチＳＷ2Hへ供給される信号と、スイッチＳＷ1L及びスイッチＳＷ2Lへ供給される信号とは、位相を１８０度ずらしてある。
【００１３】
図２は、図１の回路において、信号発生部からスイッチＳＷ1H及びＳＷ2Hがオフ、スイッチＳＷ1L及びＳＷ2Lがオンとなる信号が供給された時の状態を示した回路である。図３は、図２のトランスＴを三つのコイルからなる周知の等価回路で置き換えた回路である。ここで、Ｌ1はトランスＴの一次側における漏れインダクタンス成分に相当し、Ｌ2は同二次側における漏れインダクタンス成分に相当し、Ｌ3は相互インダクタンス成分に相当する。また、一次側に接続した蓄電素子ＳＣ1の電圧をＶ1、二次側に接続した蓄電素子ＳＣ2の電圧をＶ2とおく。
【００１４】
ここでまず、図４に示すようにコンデンサＣ1、Ｃ2を挿入しなかった場合を考える。一次側に流れる電流をＩ1、二次側に流れる電流をＩ2とすると、
Ｖ1＝ｊωＬ1Ｉ1＋ｊωＬ3（Ｉ1＋Ｉ2）      （１）
Ｖ2＝ｊωＬ2Ｉ2＋ｊωＬ3（Ｉ1＋Ｉ2）      （２）
となる。ここで、ｊは虚数単位である。電圧Ｖ1と電圧Ｖ2に差があるとすると、Ｉ1及びＩ2に差が生じ、これによってｊωＬ1Ｉ1、ｊωＬ2Ｉ2の項に異なる電圧降下が生じる。このことから、Ｌ1、Ｌ2の成分によってＶ1、Ｖ2をバランスさせるのに時間がかかることになる。
【００１５】
次に、図３に示すように、コンデンサＣ1、Ｃ2が挿入された場合を考える。上記と同様にＶ1、Ｖ2を求めると、
Ｖ1＝ｊωＬ1Ｉ1＋ｊωＬ3（Ｉ1＋Ｉ2）＋Ｉ1／ｊωＣ1      （３）
Ｖ2＝ｊωＬ2Ｉ2＋ｊωＬ3（Ｉ1＋Ｉ2）＋Ｉ2／ｊωＣ2      （４）
となる。したがって二つの蓄電素子ＳＣ1とＳＣ2の電圧差は、
Ｖ1−Ｖ2＝ｊωＬ1Ｉ1＋Ｉ1／ｊωＣ1−（ｊωＬ2Ｌ2＋Ｉ2／ｊωＣ2）  （５）
となる。ここで、静電容量Ｃ1、Ｃ2がそれぞれ漏れインダクタンスＬ1、Ｌ2と共振する値に設定されていたとすれば、（５）式の右辺はゼロとなってＶ1とＶ2は等しくなる。これは、二つの電池が直接並列に接続されているのと等価と考えることができるので、両蓄電素子の電圧は迅速に等しい値にバランスされる。
【００１６】
次に、図１において、信号発生部からの信号によって、スイッチＳＷ1H及びＳＷ2Hがオン（閉成）、スイッチＳＷ1L及びＳＷ2Lがオフ（閉成）となるように切り替わった状態を考える。この状態では、蓄電素子ＳＣ1、ＳＣ2は切り離された状態になっているが、その後にスイッチＳＷ1H及びＳＷ2Hがオフ（開成）、スイッチＳＷ1L及びＳＷ2Lがオン（閉成）に切り替わるので、再度バランス動作が働き、以後同様の動作が繰り返されることによって、蓄電素子ＳＣ1とＳＣ2の電圧がバランスされた状態が維持される。すなわち、高速かつ高効率のバランス動作が実現される。
【００１７】
図５は、図１に示した基本回路において、電源のグランド側とトランスとの間にそれぞれコンデンサＣ3、Ｃ4を追加したものである。コンデンサＣ3、Ｃ4を追加し、これらの静電容量を上記の説明と同様に共振する値に設定することによって、図１の回路で蓄電素子ＳＣ1、ＳＣ2が回路から切り離された状態となるスイッチＳＷ1HおよびＳＷ2Hがオン、スイッチＳＷ1L及びＳＷ2Lがオフの期間においても、蓄電素子ＳＣ1、ＳＣ2のバランス動作を行わせるができる。これにより蓄電素子ＳＣ1、ＳＣ2を常時バランスさせることが可能となり、より高い効率を実現することができる。
【００１８】
図６は、上記の原理的説明に基づいて構成した、実際の装置として実用できるバランス回路の一例を示した回路図である。図６の回路では、直列に接続された３個のリチウムイオン電池Ｌｉ1、Ｌｉ2、Ｌｉ3を、電圧をバランスさせる対象としている。各コイルＬは、互いに相互インダクタンスを有している。したがって、これらのリチウムイオン電池のうちの任意の２個を取り出せば、図１乃至図５における説明が適用される。
【００１９】
図６の実施形態では、スイッチ素子としては、半導体素子であるＦＥＴを用いている。各ＦＥＴのゲートとソースの間には、ダイオードＤと抵抗Ｒを図のよう並列に接続した回路を挿入し、さらに、信号発生部から各ＦＥＴのゲートとの間には、直流遮断用のコンデンサＣiを挿入してある。また、各リチウムイオン電池と並列に挿入されたコンデンサＣnは、ノイズがリチウムイオン電池に与える影響を取り除くために挿入されたものである。
【００２０】
ハーフブリッジの下側のＦＥＴのソースはリチウムイオン電池の−側に接続されている。したがって、図６の右側に矢印で示した各部の電圧、即ち、ハーフブリッジの下側のＦＥＴのそれぞれのゲート電圧は、ゲート駆動信号電圧がゼロのとき、それぞれ、Ｌ1＝ゼロ、Ｌ3＝ＶＬｉ、Ｌ5＝２ＶＬｉ、である。また、ゲート駆動信号電圧がハイ、即ち、ＦＥＴをオンにする電圧Ｖｇのとき、それぞれ、Ｌ1＝ゼロ＋Ｖｇ、Ｌ3＝ＶＬｉ＋Ｖｇ、Ｌ5＝２ＶＬｉ＋Ｖｇである。ハーフブリッジの上側のＦＥＴのソースは、そのＦＥＴがオフのときリチウムイオン電池の−側に接続され、オンのときリチウムイオン電池の＋側と同電位になる。それぞれのゲート電圧は、ゲート駆動信号電圧がゼロのとき、Ｌ2＝ゼロ、Ｌ4＝ＶＬｉ、Ｌ6＝２ＶＬｉ、である。また、ゲート駆動信号電圧がハイ、即ち、ＦＥＴをオンにするゲート・ソース間電圧Ｖｇのとき、それぞれ、Ｌ2＝ＶＬｉ＋Ｖｇ、Ｌ4＝２ＶＬｉ＋Ｖｇ、Ｌ６＝３ＶＬｉ＋Ｖｇである。
【００２１】
それぞれのゲートにはコンデンサを通して信号が与えられ、ゲートはハイインピーダンスのため、ダイオードＤと抵抗Ｒが接続されなければ、ゲートの直流値は定まらない。抵抗Ｒのみが接続されたならば、ゲート信号は、コンデンサにより直流分がカットされ、ゼロを中心に＋−の交流分がゲートに印加され、時比率が５０％程度とすれば、駆動電圧のピーク・トゥ・ピークの値はＦＥさをオンにするのに必要なＶｇの２倍以上となる。
【００２２】
ダイオードＤと抵抗Ｒが接続されれば、ゲート・ソース間に加わる電圧の−のピーク値はゼロにクランプされ、＋のピーク値はＶｇにクランプされるので、駆動電圧はＦＥＴをオンにするゲート・ソース間電圧Ｖｇ以上に設定すればよい。
【００２３】
このような信号を継続してスイッチング素子に入力することによって、常時高い効率で各リチウム電池の電圧をバランスさせておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】共振バランス回路の基本的な動作原理を説明するために、構成を簡単化したバランス回路の回路図である。
【図２】図１の回路において、信号発生部からスイッチＳＷ1H及びＳＷ2Hがオフ、スイッチＳＷ1L及びＳＷ2Lがオンとなる信号が供給された時の状態を示した回路である。
【図３】図２のトランスＴを三つコイルからなる周知の等価回路で置き換えた回路である。
【図４】本発明の共振バランス回路の基本的な動作原理を説明するための図である。
【図５】図１に示した基本回路において、電源のグランド側とトランスとの間にコンデンサＣ3、Ｃ4を追加した回路の回路図である。
【図６】実際の装置として実用できるバランス回路の一例を示した回路図である。
【符号の説明】
【００２５】
ＳＣ1、ＳＣ2    蓄電素子
ＳＷ1H、ＳＷ2H、ＳＷ1L、ＳＷ2L    スイッチング素子
Ｃ、Ｃ1、Ｃ2、Ｃn、Ｃi    コンデンサ
Ｌｉ1、Ｌｉ2、Ｌｉ3    リチウムイオン電池
Ｔ    トランス
Ｄ    ダイオード
Ｒ    抵抗
【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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