(57)【要約】【課題】還流電流を抑止し、効率よく電池セル各々の電圧を均等にする電池充電装置および電池充電方法を提供する。【解決手段】複数の電池セルが直列に接続される組電池と、第１の巻線と電池セル各々に並列に接続される複数の第２の巻線を有するトランスと、第１の巻線と直列に接続され、組電池と並列に接続される第１のスイッチと、電池セルと第２の巻線とを接続する配線の間に設けられる複数の第２のスイッチと、電池セル各々の電圧を計測する計測部と、第２の巻線から電池セルへ一定方向の電流を流すダイオードと、計測部が計測した電池セルの電圧を取得し、最も低い電圧の電池セルを特定し、特定した電池セルに対応する第２のスイッチを接続状態にさせ、他の第２のスイッチを遮断状態にさせ、特定した電池セルの電圧が全ての電池セルの平均電圧と同じまたは超えるまで第１のスイッチに接続と遮断を繰り返させる制御をする制御部と、を備える電池充電装置である。【選択図】図３
2013223320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが直列に接続される組電池と、
第１の巻線と前記電池セル各々に並列に接続される複数の第２の巻線を有するトランスと、
前記第１の巻線と直列に接続され、前記組電池と並列に接続される第１のスイッチと、
前記電池セルと前記第２の巻線とを接続する配線の間に設けられる複数の第２のスイッチと、
前記電池セル各々の電圧を計測する計測部と、
前記第２の巻線から前記電池セルへ一定方向の電流を流すダイオードと、
前記計測部が計測した前記電池セル電圧を取得し、最も低い電圧の電池セルを特定し、特定した電池セルに対応する第２のスイッチを接続状態にさせ、他の第２のスイッチを遮断状態にさせ、特定した電池セル電圧が全ての前記電池セルの平均電圧に同じまたは超えるまで前記第１のスイッチに接続と遮断を繰り返させる制御をする制御部と、
を備えることを特徴とする電池充電装置。
【請求項２】
前記第２のスイッチは、前記電池セルの正極端子とダイオードのカソードとの間に設けることを特徴とする請求項１に記載の電池充電装置。
【請求項３】
複数の電池セルが直列に接続される組電池と、第１の巻線と前記電池セル各々に並列に接続される複数の第２の巻線を有するトランスと、前記第１の巻線と直列に接続され、前記組電池と並列に接続される第１のスイッチと、前記電池セルと前記第２の巻線とを接続する配線の間に設けられる複数の第２のスイッチと、前記電池セル各々の電圧を計測する計測部と、前記第２の巻線から前記電池セルへ一定方向の電流を流すダイオードと、を有する電池充電装置の前記電池セル各々の電圧均等化方法であって、
前記電池セル各々の電圧を計測する計測部が計測した前記電池セル電圧を取得し、
取得した前記電池セルの電圧を比較して最も低い電圧の電池セルを特定し、
特定した電池セルに対応する第２のスイッチを接続状態にするとともに他の第２のスイッチを遮断状態にし、
特定した電池セル電圧が全ての前記電池セルの平均電圧と同じまたは超えるまで前記第１のスイッチの接続と遮断を繰り返す、
処理を行うことを特徴とする電圧均等化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セル電圧を均等にする電池充電装置および電圧均等化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
組電池に含まれる直列に接続される複数の電池セル電圧を均等にするセルバランス回路としてトランス結合方式が知られている。トランス結合方式のセルバランス回路は、組電池に並列に接続される入力巻線と電池セル各々に対応し電池セル各々に並列に接続される出力巻線を有するトランスを有し、入力巻線から出力巻線に電磁誘導を利用して複数の電池セル電圧を均等にする回路である。そして、上記のようなトランス結合方式のセルバランス回路においては、効率よく電池セル各々の電圧を均等にすることが望まれている。
【０００３】
関連する技術として、二次バッテリを構成する各単位セルの充電状態を均等化させるうえで電力ロスの低減を図ることを目的とするバッテリ充電制御装置が開示されている。そのバッテリ充電制御装置によれば、直列接続する複数の単位セルにより構成される二次バッテリと、共通トランスの一次側へ供給された電気エネルギを二次側コイルを介して各単位セルへ分配する均等化回路と、を設ける。各二次側コイルと各単位セルとの間に、両者の導通・非導通をそれぞれ切り替える導通スイッチを介挿する。二次バッテリの均等化処理が行われる際、充電状態が満充電に近い状態に至っていない単位セルに対応する導通スイッチをオンとし、該単位セルへの充電電流の流通を許容する。一方、充電状態が満充電に近い状態に至っている単位セルに対応する導通スイッチをオフとし、該単位セルへの充電電流の流通を阻止する。
【０００４】
また、他の関連する技術として、組電池を構成する各単位セルの放電時の過放電を防止しながら、単位セル毎の容量のばらつきによる組電池全体としての容量の低下を抑える技術が開示されている。その技術によれば、電気自動車の電源となる組電池を、リチウム系二次電池からなる単位セルを多数個直列接続して構成する。各単位セルの電圧を検出する電圧検出回路を設ける。制御電源を兼用する補助電池を設ける。補助電池の電力を各単位セルに選択的に転送するための電力転送回路を設ける。電力転送回路を、リレー、ＤＣ／ＡＣインバータ、補助電池用変圧器、切替スイッチ、セル用変圧器、整流回路、ＦＥＴ等から構成する。制御装置は、放電時において、電圧が下限値まで低下した単位セルが検出されると、リレー及びＤＣ／ＡＣインバータを駆動させると共に、対応するＦＥＴをオンさせて補助電池の電力を転送させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０７９１９１号公報
【特許文献２】特開平１１−１１３１８３号公報
【特許文献３】特開２００８−１２５２１１号公報
【特許文献４】特表２０１０−５２２５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、還流電流を抑止し、効率よく電池セル各々の電圧を均等にする電池充電装置および電池充電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】
【０００７】
本実施形態のひとつである電池充電装置は組電池、トランス、第１のスイッチ、第２のスイッチ、計測部、ダイオード、制御部を備える。組電池は、複数の電池セルが直列に接続されている。トランスは、第１の巻線と上記電池セル各々に並列に接続される複数の第２の巻線を有する。第１のスイッチは、上記第１の巻線と直列に接続され、上記組電池と並列に接続される。第２のスイッチは、上記電池セルと上記第２の巻線とを接続する配線の間に設けられる。計測部は、上記電池セル各々の電圧を計測する。ダイオードは、上記第２の巻線から上記電池セルへ一定方向の電流を流す。制御部は、上記計測部が計測した上記電池セルの電圧を取得し、最も低い電圧の電池セルを特定する。そして、特定した電池セルに対応する第２のスイッチを接続状態にさせ、他の第２のスイッチを遮断状態にさせ、特定した電池セルの電圧が全ての上記電池セルの平均電圧と同じまたは超えるまで上記第１のスイッチに接続と遮断を繰り返させる制御をする。なお、第２のスイッチは上記電池セルの正極端子とダイオードのカソードとの間に設けることが望ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本実施形態によれば、還流電流を抑止して効率よく電池セル各々の電圧を均等に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】
【０００９】
【図１】図１は、トランス結合方式のセルバランス回路の一実施例を示す図である。
【図２】図２は、図１の回路においてセルバランス処理を実施した際に還流電流が発生したときの各電流値を示す図である。
【図３】図３は、電池充電装置の一実施例を示す図である。
【図４】図４は、電池充電装置の動作の一実施例を示すフロー図である。
【図５】図５は、本実施形態の電流の流れを示す図である。
【図６】図６は、図５の回路においてセルバランス処理を実施した際の回生電流の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、トランス結合方式のセルバランス回路の一実施例を示す図である。図１のセルバランス回路は複数の電池セル２ａ〜２ｄが直列に接続されている組電池、トランスＴ１、第１のスイッチＳＷ５、ダイオードＤ１〜Ｄ４を有し、セルバランス処理を行う回路である。セルバランス処理は、第１のスイッチＳＷ５は接続と遮断をして交流電流を生成させ、生成された交流電流を入力巻線Ｌ０から電磁誘導を利用して複数の出力巻線Ｌ１〜Ｌ４に送電して複数の電池セル電圧を均等にする処理である。
【００１１】
例えば、電池セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに対応する出力巻線Ｌ１〜Ｌ４各々から平均電圧を出力し、電圧の低い電池セルに電流を流して充電をする。すなわち、電圧の高い電池セルから放電をして電圧の低い電池セルを充電する。例えば、図１のセルバランス回路において電池セル２ａ、２ｂ、２ｃが同じ電圧でかつ電池セル２ｄの電圧より高い場合、第１のスイッチＳＷ５を用いてセルバランス処理をすると、電池セル２ｄのみに回生電流Ｉ２ｄ（破線）が流れる。回生電流とは、平均電圧より高い電圧の電池セルから平均電圧より低い電圧の電池セルに充電が行われる際に流れる電流である。
【００１２】
しかし、発明者はセルバランス回路において、電池セル２ａ〜２ｄ各々に対応するトランスＴ１の出力巻線Ｌ１〜Ｌ４各々の端子間の電圧の合計値が電池セル２ａ〜２ｄの電圧の合計値と同じかそれより大きいとき、出力巻線を介して入力巻線側に流れる還流電流Ｉｋ（実線）が発生することを発見した。例えば、電池セル２ａ、２ｂ、２ｃが同じ電圧でかつ電池セル２ｄの電圧より高い場合に、トランスＴ１の出力巻線Ｌ１〜Ｌ４各々の端子間の電圧の合計値が電池セル２ａ〜２ｄの電圧の合計値より大きくなると、図１に示すように回生電流Ｉ２ｄと還流電流Ｉｋが流れてしまう。その結果、回生電流に利用できない無効電流である還流電流の発生により、電池セル各々の電圧を均等にするセルバランス処理の効率が低下してしまう。なお、還流電流の発生はトランスＴ１の特性に起因するもので、電圧の高い電池セルに対応する出力巻線Ｌ１〜Ｌ４の電圧は上昇する傾向にあるためである。
【００１３】
図２は、図１の回路においてセルバランス処理を実施した際に還流電流が発生したときの各電流値を示す図である。図２の縦軸は電流値を示し、横軸は時間を示している。ＴＰ０は図１のＴＰ０で計測した還流電流Ｉｋの電流値を示し、ＴＰ１〜ＴＰ３は図１のＴＰ１〜ＴＰ３で計測した電流値が示され、ＴＰ４は図１のＴＰ４で計測した回生電流と還流電流を含む電流値が示されている。図２のＴＰ１〜ＴＰ３に示されている電流は出力巻線Ｌ１〜Ｌ４を介して入力巻線Ｌ０に流れる還流電流があることを示している。
【００１４】
そこで、本実施形態ではトランスの出力巻線を介して入力巻線側に流れる還流電流の流れを遮断し、セルバランス処理の効率を向上させる。
以下図面に基づいて、本実施形態について詳細を説明する。
【００１５】
図３は、電池充電装置の一実施例を示す図である。図３の電池充電装置は組電池、トランスＴ１、第１のスイッチＳＷ５、第２のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４、計測部３ａ〜３ｄ、ダイオードＤ１〜Ｄ４、制御部４、記憶部５を有している。
【００１６】
組電池は複数の電池セル２ａ〜２ｄが直列に接続されている。電池セル２ａ〜２ｄは二次電池などを用いることが考えられる。二次電池として、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池などが考えられる。なお、本例では４つの電池セルを用いて説明しているが４つに限定されるものではない。
【００１７】
トランスＴ１は、第１の巻線Ｌ０と電池セル２ａ〜２ｄ各々に並列に接続される複数の第２の巻線Ｌ１〜Ｌ４を有する。
第１のスイッチＳＷ５は、第１の巻線Ｌ０と直列に接続され、組電池と並列に接続されている。本例では、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を用いているが限定されるものではない。
【００１８】
複数の第２のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、電池セル２ａ〜２ｄと第２の巻線Ｌ１〜Ｌ４とを接続する配線の間に設けられ、還流電流の流れを遮断する。また、第２のスイッチＳＷ１は電池セル２ａの正極端子とダイオードＤ１のカソードとの間に設ける。第２のスイッチＳＷ２は電池セル２ｂの正極端子とダイオードＤ２のカソードとの間に設ける。第２のスイッチＳＷ３は電池セル２ｃの正極端子とダイオードＤ３のカソードとの間に設ける。第２のスイッチＳＷ４は電池セル２ｄの正極端子とダイオードＤ４のカソードとの間に設ける。例えば、ＭＯＳＦＥＴなどを用いてもよい。
【００１９】
計測部３ａ〜３ｄは電池セル２ａ〜２ｄ各々の電圧を計測する。例えば、電圧計などが考えられる。また、計測部３ａ〜３ｄが計測したデータは制御部４に出力される。
ダイオードＤ１は第２の巻線Ｌ１から電池セル２ａへ一定方向の電流を流す。ダイオードＤ２は第２の巻線Ｌ２から電池セル２ｂへ一定方向の電流を流す。ダイオードＤ３は第２の巻線Ｌ３から電池セル２ｃへ一定方向の電流を流す。ダイオードＤ４は第２の巻線Ｌ４から電池セル２ｄへ一定方向の電流を流す。
【００２０】
制御部４は、計測部３ａ〜３ｄ各々が計測した電池セル２ａ〜２ｄの電圧を取得し、最も低い電圧の電池セルを特定する。そして、電池セル２ａ〜２ｄのうちの特定した電池セルに対応する第２のスイッチを接続状態にさせる。また、特定した電池セル以外に対応する他の第２のスイッチを遮断状態にさせる。続いて、特定した電池セルの電圧が全ての電池セルの平均電圧と同じまたは超えるまで第１のスイッチＳＷ５に接続と遮断を繰り返させる制御をする。接続と遮断は、例えば、デューティ５０％の決められた周期のパルス信号を用いて接続と遮断を制御することが考えられる。ただし、接続と遮断の制御は上記制御に限定されるものではない。
【００２１】
図３の充電装置の構成について説明する。
トランスＴ１の一方の端子は組電池の電池セル２ａの正極端子に接続され、トランスＴ１の他方の端子は第１のスイッチＳＷ５の一方の端子に接続される。第１のスイッチＳＷ５の他方の端子は組電池の電池セル２ｄの負極端子に接続される。また、第１のスイッチＳＷ５の接続と遮断を制御するための端子は制御部４に接続されている。
【００２２】
また、第２のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４各々の接続と遮断を制御するための端子は制御部４に接続されている。
第２のスイッチＳＷ１の一方の端子はダイオードＤ１のカソードに接続され、第２のスイッチＳＷ１の他方の端子は電池セル２ａの正極端子と計測部３ａの一方の端子に接続されている。ダイオードＤ１のアノードとトランスＴ１の第２の巻線Ｌ１の一方の端子と接続されている。計測部３ａの他方の端子は電池セル２ａの負極端子とトランスＴ１の第２の巻線Ｌ１の他方の端子と接続されている。
【００２３】
第２のスイッチＳＷ２の一方の端子はダイオードＤ２のカソードに接続され、第２のスイッチＳＷ２の他方の端子は電池セル２ｂの正極端子と計測部３ｂの一方の端子に接続されている。ダイオードＤ２のアノードとトランスＴ１の第２の巻線Ｌ２の一方の端子と接続されている。計測部３ｂの他方の端子は電池セル２ｂの負極端子とトランスＴ１の第２の巻線Ｌ２の他方の端子と接続されている。
【００２４】
第２のスイッチＳＷ３の一方の端子はダイオードＤ３のカソードに接続され、第２のスイッチＳＷ３の他方の端子は電池セル２ｃの正極端子と計測部３ｃの一方の端子に接続されている。ダイオードＤ３のアノードとトランスＴ１の第２の巻線Ｌ３の一方の端子と接続されている。計測部３ｃの他方の端子は電池セル２ｃの負極端子とトランスＴ１の第２の巻線Ｌ３の他方の端子と接続されている。
【００２５】
第２のスイッチＳＷ４の一方の端子はダイオードＤ４のカソードに接続され、第２のスイッチＳＷ４の他方の端子は電池セル２ｄの正極端子と計測部３ｄの一方の端子に接続されている。ダイオードＤ４のアノードとトランスＴ１の第２の巻線Ｌ４の一方の端子と接続されている。計測部３ｄの他方の端子は電池セル２ｄの負極端子とトランスＴ１の第２の巻線Ｌ４の他方の端子と接続されている。
【００２６】
計測部３ａ〜３ｄの出力端子は制御部４に接続されている。
図４の充電装置の制御部の動作について説明する。
図４は、電池充電装置の動作の一実施例を示すフロー図である。ステップＳ４０１では、電池セル２ａ〜２ｄの電圧をそれぞれ計測した計測部３ａ〜３ｄからデータを制御部４が取得する。続いて、制御部４は取得した電池セル２ａ〜２ｄ各々の電圧を用いて電圧の平均値を求める。例えば、データ（電圧値）や平均値は記憶部５に記憶してもよい。
【００２７】
ステップＳ４０２では、制御部４がデータ（電圧値）の最大値と最小値を特定し、最大値と最小値の差を求め、求めた差が記憶部５に記憶されているセルバランス範囲より大きいか否かを判定する。セルバランス範囲より大きい場合（Ｙｅｓ）はステップＳ４０３に移行し、セルバランス範囲以下の場合（Ｎｏ）は処理を終了する。またはステップＳ４０１に移行する。または決められた周期でステップＳ４０１に移行してもよい。
【００２８】
ステップＳ４０３では、制御部４が取得した電池セル２ａ〜２ｄうちで最も低い電圧の電池セルに対応する第２のスイッチを接続状態（オン）にする。また、それ以外の第２のスイッチを遮断状態（オフ）にする。図４では第２のスイッチＳＷ４を接続状態（オン）にし、第２のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を遮断状態（オフ）にする。
【００２９】
ステップＳ４０４では、セルバランス処理を実行する。
ステップＳ４０５では、制御部４が最も低い電圧の電池セルの現在の電圧が平均値であるかまたは平均値より大きいか否かを判定し、平均値である場合（Ｙｅｓ）または平均値より大きい場合はステップＳ４０６に移行し、平均値より小さい場合（Ｎｏ）はステップＳ４０４に移行してセルバランス処理を継続する。なお、平均値とはある所定範囲（ばらつき範囲）を有するものとする。
【００３０】
ステップＳ４０６では制御部４がセルバランス処理を停止する。すなわち、制御部４が第１のスイッチＳＷ５の制御を停止する。
図５は本実施形態の電流の流れを示す図である。図６は、図５の回路においてセルバランス処理を実施した際の回生電流の流れを示す図である。図６の縦軸は電流値を示し、横軸は時間を示している。ＴＰ０は図５のＴＰ０で計測した電流の電流値を示し、ＴＰ１〜ＴＰ３は図５のＴＰ１〜ＴＰ３で計測した電流値が示され、ＴＰ４は図５のＴＰ４で計測した回生電流の電流値が示されている。
【００３１】
図６のＴＰ０の電流値はＴＰ４の回生電流Ｉ２ｄ（破線）の約１／４の値になる。また、出力巻線Ｌ１〜Ｌ４を介して入力巻線Ｌ０に流れる還流電流を遮断するための第２のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３により、還流電流は遮断されるため図６のＴＰ１〜ＴＰ３に示されている電流値が略０Ａになる。
【００３２】
本実施形態によれば、トランスの出力巻線を介して入力巻線側に流れる還流電流の流れを遮断し、セルバランス処理の効率を向上させることができる。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  電池充電装置、
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ  電池セル、
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  計測部、
４  制御部、
５  記憶部、
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４  ダイオード、
Ｌ０  入力巻線（第１の巻線）、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４  出力巻線（第２の巻線）、
Ｔ１  トランス、
ＳＷ５  第１のスイッチ、
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４  第２のスイッチ、
【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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