(57)【要約】【課題】回路規模の増大を抑えつつ、セルバランスと補機バッテリの充電を行うことが可能な電圧均等化装置を提供することを目的とする。【解決手段】コイルＬｃ１〜Ｌｃ４と、コイルＬｍと、コイルＬａからなるトランスＴと、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４と、スイッチＳＷｍと、スイッチＳＷａと、制御部６とを備えて電圧均等化装置１を構成し、制御部６は、セルバランスを行うとき、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オン、スイッチＳＷｍをオン、オフ、スイッチＳＷａを常時オフさせ、補機バッテリ３の充電を行うとき、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オフ、スイッチＳＷｍをオン、オフ、スイッチＳＷａを常時オンさせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインバッテリを構成する複数の電池セルの電圧の均等化、または、補機バッテリの充電を行う電圧均等化装置において、
前記複数の電池セルにそれぞれ並列接続される複数の第１コイルと、前記メインバッテリ全体に並列接続される第２コイルと、前記補機バッテリに並列接続される第３コイルからなるトランスと、
前記複数の第１コイルと前記複数の電池セルのそれぞれの間に設けられる第１スイッチと、
前記第２コイルと前記メインバッテリの間に設けられる第２スイッチと、
前記第３コイルと前記補機バッテリの間に設けられる第３スイッチと、
前記複数の電池セルの電圧の均等化を行うとき、前記各第１スイッチを常時オン、前記第２スイッチをオン、オフ、前記第３スイッチを常時オフさせることにより前記複数の第１コイルと前記第２コイルとを互いに電磁結合させ、前記補機バッテリの充電を行うとき、前記各第１スイッチを常時オフ、前記第２スイッチをオン、オフ、前記第３スイッチを常時オンさせることにより前記第２コイルと前記第３コイルとを互いに電磁結合させる制御部と、
を備えることを特徴とする電圧均等化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧均等化装置において、
前記複数の電池セルの電圧が不均一になると、セルバランス開始信号を出力するセルバランス開始判断部と、
前記補機バッテリの電圧が低下すると、充電開始信号を出力する充電開始判断部と、
を備え、
前記制御部は、前記セルバランス開始信号が入力されると、前記複数の電池セルの電圧の均等化を行うときであると判断し、前記充電開始信号が入力されると、前記補機バッテリの充電を行うときであると判断する
ことを特徴とする電圧均等化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列に接続される複数の電池セルの電圧を均等化する電圧均等化装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
複数の充電可能な電池セルを直列に接続して高電圧のバッテリを実現する技術が実用化されてきている。この種のバッテリは、近年では、例えば、エンジンとモータを併用するハイブリッド車や電気自動車への実装において注目されている。
【０００３】
ところが、多数の電池セルを直列に接続した状態で充電を行うと、各電池セルの出力電圧（または、電池セルの残容量）が不均一になることがある。また、上述の電池が電気自動車等に搭載される場合には、モータ駆動時の放電と回生時の充電が繰り返されるので、この充放電の繰り返しによっても電池セルの電圧が不均一になることがある。そして、電池セルの電圧の不均一は、一部の電池セルの劣化を促進させるおそれがあり、また、電池全体として効率の低下を引き起こすことがある。なお、電池セルの電圧の不均一は、各電池セルの製造ばらつきや、経年劣化等により生じ得る。このため、従来より、複数の電池セルの電圧を均等化する電圧均等化装置が提案または実用化されている。
【０００４】
また、複数の電池セルからなるメインバッテリの電力を、電子機器などが接続される補機バッテリに供給して、その補機バッテリを充電することが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
図４は、既存の電圧均等化装置を示す図である。
図４に示す電圧均等化装置４０は、電圧均等化回路４１やＤＣＤＣコンバータ４２を備える。
【０００６】
電圧均等化回路４１は、メインバッテリ４３の各電池セルの電圧のモニタの結果、各電池セルの電圧が不均一になると、各電池セルの電圧を均等化させるためのセルバランスが行う。このセルバランスは、例えば、電池セル間に設けられるインダクタ、及び各電池セルの電圧に応じてインダクタを流れる電流を制御するスイッチにより実現される。
【０００７】
ＤＣＤＣコンバータ４２は、補機バッテリ４４の電圧（または、補機バッテリ４４の残容量）が低下すると、メインバッテリ４３の電圧を降圧して補機バッテリ４４を充電する。
【０００８】
しかしながら、電圧均等化回路４１は、各電池セルに対してセルバランスのための部品が必要であり、メインバッテリ４３の高電圧化による電池セルの増加に伴って回路規模が増大する。また、ＤＣＤＣコンバータ４２も、メインバッテリ４３の高電圧化に伴って高耐圧の大きな部品が必要となり、電池セルの増加に伴って回路規模が増大する。そのため、図４に示すように、電圧均等化回路４１の他に、ＤＣＤＣコンバータ４２も備える電圧均等化装置４０では、回路規模が増大するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１９０６８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０６９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、メインバッテリの高電圧化に伴う回路規模の増大を抑えつつ、セルバランスや補機バッテリの充電を行うことが可能な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】
【００１１】
本発明の電圧均等化装置は、メインバッテリを構成する複数の電池セルの電圧の均等化、または、補機バッテリの充電を行う電圧均等化装置であって、前記複数の電池セルにそれぞれ並列接続される複数の第１コイルと、前記メインバッテリ全体に並列接続される第２コイルと、前記補機バッテリに並列接続される第３コイルからなるトランスと、前記複数の第１コイルと前記複数の電池セルのそれぞれの間に設けられる第１スイッチと、前記第２コイルと前記メインバッテリの間に設けられる第２スイッチと、前記第３コイルと前記補機バッテリの間に設けられる第３スイッチと、前記複数の電池セルの電圧の均等化を行うとき、前記各第１スイッチを常時オン、前記第２スイッチをオン、オフ、前記第３スイッチを常時オフさせることにより前記複数の第１コイルと前記第２コイルとを互いに電磁結合させ、前記補機バッテリの充電を行うとき、前記各第１スイッチを常時オフ、前記第２スイッチをオン、オフ、前記第３スイッチを常時オンさせることにより前記第２コイルと前記第３コイルとを互いに電磁結合させる制御部とを備える。
【００１２】
上記電圧均等化装置によれば、複数の電池セルの電圧を均等化するときや補機バッテリを充電するときに、複数の第１コイルを共用することができるため、複数の電池セルの電圧を均等化するための回路と補機バッテリを充電するための回路とを別々に備える電圧均等化装置に比べて、回路規模の増大を抑えることができる。
【００１３】
また、本発明の電圧均等化装置は、前記複数の電池セルの電圧が不均一になると、セルバランス開始信号を出力するセルバランス開始判断部と、前記補機バッテリの電圧が低下すると、充電開始信号を出力する充電開始判断部とを備え、前記制御部は、前記セルバランス開始信号が入力されると、前記複数の電池セルの電圧の均等化を行うときであると判断し、前記充電開始信号が入力されると、前記補機バッテリの充電を行うときであると判断するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回路規模の増大を抑えつつ、セルバランスと補機バッテリの充電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の電圧均等化装置を示す図である。
【図２】制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３】セルバランス開始信号、充電開始信号、及び各スイッチのオン、オフの一例を示す図である。
【図４】既存の電圧均等化装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態の電圧均等化装置を示す図である。
図１に示す電圧均等化装置１は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載され、メインバッテリ２を構成する複数の電池セルＢｃ（Ｂｃ１〜Ｂｃ４）の電圧の均等化や補機バッテリ３の充電を行う。メインバッテリ２は、例えば、走行用モータを駆動するインバータなどへ電力を供給したり、そのインバータなどから回生される電力により充電される。また、補機バッテリ３は、例えば、車両に搭載されるカーナビゲーション装置などの電子機器へ電力を供給する。なお、メインバッテリ２において直列接続される複数の電池セルＢｃの数、すなわち、電圧均等化装置１により電圧均等化される電池セルＢｃの数は４つに限定されない。また、各電池セルＢｃは、さらに、直列接続される２以上の電池セルから構成されてもよい。
【００１７】
また、電圧均等化装置１は、トランスＴと、複数のスイッチＳＷｃ（スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４）（複数の第１スイッチ）と、スイッチＳＷｍ（第２スイッチ）と、スイッチＳＷａ（第３スイッチ）と、複数の整流用ダイオードＤｃ（Ｄｃ１〜Ｄｃ４）と、整流用ダイオードＤａと、複数の電圧センサＳｃ（Ｓｃ１〜Ｓｃ４）と、電圧センサＳａと、セルバランス開始判断部４と、充電開始判断部５と、制御部６とを備える。なお、スイッチＳＷｃ、スイッチＳＷｍ、スイッチＳＷａをそれぞれ構成する部品は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはリレーなど、特に限定されない。
【００１８】
トランスＴは、複数のコイルＬｃ（Ｌｃ１〜Ｌｃ４）（複数の第１コイル）と、コイルＬｍ（第２コイル）と、コイルＬａ（第３コイル）とを有する。すなわち、トランスＴは、電池セルＢｃ１に並列接続されるコイルＬｃ１と、電池セルＢｃ２に並列接続されるコイルＬｃ２と、電池セルＢｃ３に並列接続されるコイルＬｃ３と、電池セルＢｃ４に並列接続されるコイルＬｃ４と、メインバッテリ２全体に並列接続されるコイルＬｍと、補機バッテリＢａに並列接続されるコイルＬａとを有する。
【００１９】
また、スイッチＳＷｃ１及び整流用ダイオードＤｃ１は電池セルＢｃ１とコイルＬｃ１との間に設けられ、スイッチＳＷｃ２及び整流用ダイオードＤｃ２は電池セルＢｃ２とコイルＬｃ２との間に設けられ、スイッチＳＷｃ３及び整流用ダイオードＤｃ３は電池セルＢｃ３とコイルＬｃ３との間に設けられ、スイッチＳＷｃ４及び整流用ダイオードＤｃ４は電池セルＢｃ４とコイルＬｃ４との間に設けられる。また、スイッチＳＷａ及び整流用ダイオードＤａはコイルＬａと補機バッテリ３との間に設けられる。
【００２０】
また、電圧センサＳｃ１は電池セルＢｃ１の電圧を電圧Ｖｃ１として検出し、電圧センサＳｃ２は電池セルＢｃ２の電圧を電圧Ｖｃ２として検出し、電圧センサＳｃ３は電池セルＢｃ３の電圧を電圧Ｖｃ３として検出し、電圧センサＳｃ４は電池セルＢｃ４の電圧を電圧Ｖｃ４として検出する。また、電圧センサＳａは補機バッテリ３の電圧を電圧Ｖａとして検出する。
【００２１】
また、セルバランス開始判断部４は、電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４に基づいて、電池セルＢｃ１〜Ｂｃ４の各電圧が不均一であるか否かを判断し、不均一であると判断した場合、セルバランス開始信号Ｓｂｓを出力する。例えば、セルバランス開始判断部４は、電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４のうちの最も高い電圧と最も低い電圧との差が閾値Ｖｔｈ１よりも大きい場合、電池セルＢｃ１〜Ｂｃ４の各電圧が不均一であると判断し、セルバランス開始信号Ｓｂｓを出力する。
【００２２】
また、充電開始判断部５は、電圧Ｖａに基づいて、補機バッテリ３の電圧が低下したか否かを判断し、低下したと判断した場合、充電開始信号Ｓｃｓを出力する。例えば、充電開始判断部５は、電圧Ｖａが閾値Ｖｔｈ２よりも小さい場合、補機バッテリ３の電圧が低下したと判断し、充電開始信号Ｓｃｓを出力する。
【００２３】
また、制御部６は、セルバランス開始判断部４から出力されるセルバランス開始信号Ｓｂｓや充電開始判断部５から出力される充電開始信号Ｓｃｓに基づいて、電池セルＢｃ１〜Ｂｃ４の各電圧の均等化（以下、セルバランスという）や補機バッテリ３の充電を行う。なお、制御部６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成され、不図示の記憶部に記憶されているプログラムをＣＰＵ又はプログラマブルなデバイスが読み出して実行することにより、セルバランスや補機バッテリ３の充電を行う。
【００２４】
図２は、制御部６の動作を示すフローチャートである。
まず、制御部６は、セルバランス開始信号Ｓｂｓが入力されると（Ｓ２１がＹｅｓ）、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オンさせるとともに（Ｓ２２）、スイッチＳＷｍをオン、オフさせて（Ｓ２３）、セルバランスを開始する。このとき、制御部６は、スイッチＳＷａを常時オフさせている。例えば、制御部６は、セルバランス開始信号Ｓｂｓがローレベルからハイレベルになると、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オンさせる。すると、コイルＬｃ１と電池セルＢｃ１とが電気的に接続され、コイルＬｃ２と電池セルＢｃ２とが電気的に接続され、コイルＬｃ３と電池セルＢｃ３とが電気的に接続され、コイルＬｃ４と電池セルＢｃ４とが電気的に接続される。次に、制御部６は、スイッチＳＷｍをオン、オフさせる。すると、メインバッテリ２からの電力によりコイルＬｍに交流電流が流れ、電磁誘導によりコイルＬｃ１〜Ｌｃ４にも交流電流が流れ、コイルＬｃ１〜Ｌｃ４及びコイルＬｍがそれぞれ互いに電磁結合する。このとき、ある電池セルＢｃの電圧がその電池セルＢｃに電気的に接続されるコイルＬｃにかかる電圧よりも小さいとき、コイルＬｃから電池セルＢｃへ電流が流れてその電池セルＢｃが充電する。そして、コイルＬｃ１〜Ｌｃ４にかかる各電圧が、それぞれ、電池セルＢｃ１〜Ｂｃ４の各電圧の平均値に等しくまたはほぼ等しくなる場合、セルバランスの継続により、電池セルＢｃ１〜Ｂｃ４の各電圧が均等化されていく。
【００２５】
その後、制御部６は、セルバランスが完了したと判断するまで（Ｓ２４がＹｅｓ）、セルバランスを継続する（Ｓ２２、Ｓ２３）。例えば、制御部６は、電圧センサＳｃ１〜Ｓｃ４により検出される電圧Ｖｃ１〜Ｖｃ４のうちの最も大きい電圧と最も小さい電圧との差が閾値Ｖｔｈ１以下になると、セルバランスが完了したと判断する。このとき、セルバランス開始信号Ｓｂｓがハイレベルからローレベルになる。また、制御部６は、セルバランスが完了したと判断すると、少なくとも、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４をそれぞれ常時オフさせる。
【００２６】
また、制御部６は、セルバランス開始信号Ｓｂｓが入力されず（Ｓ２１がＮｏ）、充電開始信号Ｓｃｓが入力されると（Ｓ２５がＹｅｓ）、スイッチＳＷａを常時オンさせるとともに（Ｓ２６）、スイッチＳＷｍをオン、オフさせて（Ｓ２７）、補機バッテリ３を充電する。このとき、制御部６は、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オフさせている。例えば、制御部６は、充電開始信号Ｓｃｓがローレベルからハイレベルになると、スイッチＳＷａを常時オンさせる。すると、コイルＬａと補機バッテリ３とが電気的に接続される。次に、制御部６は、スイッチＳＷｍをオン、オフさせる。すると、メインバッテリ２からの電力によりコイルＬｍに交流電流が流れ、電磁誘導によりコイルＬａにも交流電流が流れ、コイルＬａ及びコイルＬｍがそれぞれ互いに電磁結合する。このとき、コイルＬａにかかる電圧が補機バッテリ３の電圧よりも大きいとき、コイルＬａから補機バッテリ３へ電流が流れて補機バッテリ３が充電する。
【００２７】
その後、制御部６は、補機バッテリ３の充電が完了したと判断するまで（Ｓ２８がＹｅｓ）、補機バッテリ３の充電を継続する（Ｓ２６、Ｓ２７）。例えば、制御部６は、電圧センサＳａにより検出される電圧Ｖａが閾値Ｖｔｈ２以上になると、補機バッテリ３の充電が完了したと判断する。このとき、充電開始信号Ｓｃｓがハイレベルからローレベルになる。また、制御部６は、補機バッテリ３の充電が完了したと判断すると、少なくとも、スイッチＳＷａを常時オフさせる。
【００２８】
図３は、セルバランス開始信号Ｓｂｓ、充電開始信号Ｓｃｓ、及びスイッチＳＷｃ、ＳＷｍ、ＳＷａのオン、オフの一例を示す図である。
図３に示すように、セルバランス開始信号Ｓｂｓがローレベルからハイレベルになった後（Ｔ１）、充電開始信号Ｓｃｓがローレベルからハイレベルになった場合（Ｔ２）、まず、制御部６は、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オンさせ、スイッチＳＷｍをオン、オフさせ、スイッチＳＷａを常時オフさせる。これにより、セルバランスを行うことができる。次に、制御部６は、セルバランスが完了すると（Ｔ３）、スイッチＳＷａを常時オンさせ、スイッチＳＷｍをオン、オフさせ、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オフさせる。これにより、補機バッテリ３の充電を行うことができる。そして、制御部６は、補機バッテリ３の充電が完了すると（Ｔ４）、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４、スイッチＳＷａ、及びスイッチＳＷｍを常時オフさせる。
【００２９】
このように、本実施形態の電圧均等化装置１では、スイッチＳＷｃ１〜ＳＷｃ４を常時オンさせるとともに、スイッチＳＷｍをオン、オフさせることにより、セルバランスを行うことができ、スイッチＳＷａを常時オンさせるとともに、スイッチＳＷｍをオン、オフさせることにより、補機バッテリ３の充電を行うことができる。
【００３０】
また、本実施形態の電圧均等化装置１では、電池セルＢｃ１〜Ｂｃ４の電圧を均等化するときや補機バッテリＢａを充電するときに、コイルＬｃ１〜Ｌｃ４を共用することができるため、メインバッテリ２の高電圧化に伴い電池セルＢｃが増加しても、図４に示すように、電池セルＢｃの電圧を均等化するための電圧均等化回路４１と補機バッテリ３を充電するためのＤＣＤＣコンバータ４２とを別々に備える電圧均等化装置４０に比べて、回路規模の増大を抑えることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  電圧均等化装置
２  メインバッテリ
３  補機バッテリ
４  セルバランス開始判断部
５  充電開始判断部
６  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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