(57)【要約】【課題】複数の電池セルを接続して構成される組電池の電圧の均等化制御において、トランス結合方式による均等化時間短縮の特徴を生かしながら、均等化の精度を向上させる。【解決手段】  トランスバランス回路１０５は、スタック１０３ごとに、個別に接続されるスイッチング素子１１０、トランス１０９、および整流回路１１１を介して、個別の均等化の動作を実行する。ＤＳＰ１０７は、電圧監視部１０６が検出した各電池セル１０２の電圧に基づいて、スタック１０３の電圧を算出し、その算出された電圧に基づいて均等化の動作を実行すべきスタック１０３を決定し、その決定したスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０に対して均等化の動作に対応するスイッチング動作を指示して均等化の動作を実行させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが直列接続されて構成される組電池における該複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化装置であって、
前記複数の電池セルのうち、所定数の電池セルからなる複数のスタックのスタックごとに電荷の放電または充電を行わせることによって前記スタック間の電圧を均等化させる回路であって、前記スタックごとに、個別に接続されるスイッチング素子、トランス、および整流回路を介して、個別の均等化の動作を実行するトランスバランス回路と、
前記各電池セルの電圧を監視して検出する電圧監視部と、
前記電圧監視部が検出した前記各電池セルの電圧に基づいて、前記スタックの電圧を算出し、該算出された電圧に基づいて前記均等化の動作を実行すべきスタックを決定し、該決定したスタックに対応するスイッチング素子に対して前記均等化の動作に対応するスイッチング動作を指示して前記均等化の動作を実行させるバランス制御部と、
を備えることを特徴とする電池均等化装置。
【請求項２】
前記トランスの一次巻線には該トランスに接続される前記スイッチング素子を介して前記組電池の両端子が接続され、該トランスの二次巻線には前記スタックの両端子が前記整流回路を介して接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の電池均等化装置。
【請求項３】
前記バランス制御部は、
前記電圧監視部が検出した前記各電池セルの電圧に基づいて前記組電池全体の電圧を算出し、該電圧を前記組電池における前記スタックの数で除算することでスタック平均電圧を算出し、
前記各スタックごとに、該スタックについて算出した電圧が前記スタック平均電圧よりも低いと判定したならば、該スタックに対応する前記トランスバランス回路内の前記スイッチング素子にスイッチング動作を行わせ、
前記各スタックごとに、該スタックについて算出した電圧が前記スタック平均電圧よりも高いと判定したならば、該スタックに対応する前記トランスバランス回路内の前記スイッチング素子にスイッチング動作を行わせず、
前記各スタックごとに、該スタックについて算出した電圧が前記スタック平均電圧と同等になったと判定したならば、該スタックに対する均等化の動作を終了する、
ことを特徴とする請求項２に記載の電池均等化装置。
【請求項４】
前記各スタックごとに、該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電される電荷を該スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させることによって該スタック内の電池セルの電圧を均等化させるコンバータバランス回路をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電池均等化装置。
【請求項５】
前記コンバータバランス回路は、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の電池セルから放電される電力を、スイッチング素子およびインダクタを含む回路を介して、前記スタック内の電池セルのうちの１つ以上の他の電池セルに充電させる、
ことを特徴とする請求項４に記載の電池均等化装置。
【請求項６】
複数の電池セルが直列接続されて構成される組電池における該複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化方法であって、
前記複数の電池セルのうち、所定数の電池セルからなる複数のスタックのスタックごとに電荷の放電または充電を行わせることによって前記スタック間の電圧を均等化させる動作として、前記スタックごとに、個別に接続されるスイッチング素子、トランス、および整流回路を介して、個別の均等化の動作を実行し、
前記各電池セルの電圧を監視して検出し、
前記検出した前記各電池セルの電圧に基づいて、前記スタックの電圧を算出し、該算出された電圧に基づいて前記均等化の動作を実行すべきスタックを決定し、該決定したスタックに対応するスイッチング素子に対して前記均等化の動作に対応するスイッチング動作を指示して前記均等化の動作を実行させる、
ことを特徴とする電池均等化方法。
【請求項７】
前記トランスの一次巻線には該トランスに対応する前記スイッチング素子を介して前記組電池の両端子を接続し、
該トランスの二次巻線には前記スタックの両端子を前記整流回路を介して接続する、
ことを特徴とする請求項６に記載の電池均等化方法。
【請求項８】
前記電圧監視部が検出した前記各電池セルの電圧に基づいて前記組電池全体の電圧を算出し、該電圧を前記組電池における前記スタックの数で除算することでスタック平均電圧を算出し、
前記各スタックごとに、該スタックについて算出した電圧が前記スタック平均電圧よりも低いと判定したならば、該スタックに対応する前記トランスバランス回路内の前記スイッチング素子にスイッチング動作を行わせ、
前記各スタックごとに、該スタックについて算出した電圧が前記スタック平均電圧よりも高いと判定したならば、該スタックに対応する前記トランスバランス回路内の前記スイッチング素子にスイッチング動作を行わせず、
前記各スタックごとに、該スタックについて算出した電圧が前記スタック平均電圧と同等になったと判定したならば、該スタックに対する均等化の動作を終了する、
ことを特徴とする請求項７に記載の電池均等化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電池セルを接続して構成される組電池の電圧の均等化を制御する電池均等化装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるハイブリッドカー、プラグインハイブリッドカー、あるいはハイブリッドビークル、ハイブリッドエレクトリックビークルなどと呼ばれる、エンジンに加えてモータ（電動機）を動力源として備えた車両または輸送機械（以下、「車両等」と称する）が実用化されている。さらには、エンジンを備えずモータのみで車両を駆動する電気自動車も実用化されつつある。それらのモータを駆動する電源として、小型、大容量の特徴を有するリチウムイオン電池などが多く使用されるようになってきている。そして、このような用途においては、複数の電池セルが例えば直列に接続されて電池ブロックが構成され、さらにこの電池ブロックを組み合わして接続される組電池として供給される場合がある。電池セルの直列接続により車両のモータを駆動するのに必要な高電圧が得られ、電池ブロックをさらに直列や並列に組み合わして接続することにより必要な電流容量やさらなる高電圧が得られる。
【０００３】
この場合、リチウムイオン電池などは温度による特性の変化が大きく、電池が使用される環境の温度によって電池の残存容量や充電効率も大きく変化する。自動車のような使用環境ではなおさらである。
【０００４】
この結果、電池ブロックを構成する電池セル等において、各セル等の残存容量および出力電圧にばらつきが生じる。各セル等が発生する電圧にばらつきが発生すると、１つのセルの電圧が駆動可能な閾値を下回ったような場合に、全体の電源供給を止めたり抑制したりする必要が生じ、電力効率が低下してしまう。このため、各セルの電圧の均等化を行う電池均等化制御が必要となる。さらには、電池ブロック間でも電圧の均等化を行う必要も生じる。
【０００５】
電池均等化制御の従来技術としては、放電が必要な電池セルからの放電電力を充電が必要な電池セルに充電させる、いわゆるアクティブ方式の電池均等化制御技術が知られている。
【０００６】
さらにこのアクティブ方式の具体的な第１の従来技術として、インダクタ（コンバータ）結合方式が知られている。この方式では、隣接する第１および第２の電池セルが共通に接続される各第１の接続端子に、インダクタの第１の接続端子が接続される。また、第１のセルの第２の接続端子とインダクタの第２の接続端子間に、第１のスイッチング素子が接続される。さらに、第２のセルの第２の接続端子とインダクタの第２の接続端子間に、第２のスイッチング素子が接続される。そして、第１の電池セルの電圧が第２の電池セルの電圧よりも高ければ、まず第１のスイッチング素子をオンさせて第１の電池セルから電荷を放電させてインダクタに充電し、続いて、第１のスイッチング素子をオフさせるとともに第２のスイッチング素子をオンさせてインダクタの電荷を第２の電池セルに充電する動作を繰り返し実行する。逆に、第２の電池セルの電圧が第１の電池セルの電圧よりも高ければ、まず第２のスイッチング素子をオンさせて第２の電池セルから電荷を放電させてインダクタに充電し、続いて、第２のスイッチング素子をオフさせるとともに第１のスイッチング素子をオンさせてインダクタの電荷を第１の電池セルに充電する動作を繰り返し実行する。そして、第１および第２の電池セルの電圧が同等になった時点で、第１および第２のスイッチング素子をともにオフさせて隣接する第１および第２の電池セルに対する均等化動作を終了する。
【０００７】
インダクタ結合方式は、隣接する２つの電池セルの電位差に基づいてインダクタを介して電荷を移動させるため、エネルギーの交換効率および精度がよく、各電池セルの電圧を所定の精度で監視できれば、その精度に応じた精度で隣接する電池セル間の電圧の均等化を行うことが可能である。
【０００８】
しかし、このインダクタ結合方式では、隣接セル同士でエネルギーをやり取りするため、電池セルの直列接続数が多い場合にバランス時間が長くかかってしまうという問題点を有していた。例えば、電池セル１，２，３，４がその順で直列に接続されている場合、電池セル１の電圧が低いとき、電池セル２の電荷を電池セル１に移し、電池セル２の電圧が低下するため、電池セル３の電荷を電池セル２に移し、というように順番に電荷を移動させるため、時間がかかってしまう。
【０００９】
アクティブ方式の第２の従来技術として、インダクタ＋トランス方式が知られている（例えば特許文献１に記載の技術）。この方式は、インダクタ結合方式の回路構成に加えて、直列する電池セル内の連続する数セルずつの電池セルをスタックとしてまとめ、各スタックの両端子にトランスの各巻線を接続した方式である。この方式では、トランスの各巻線の巻数を同一にすることにより、数セルずつの電池セルからなるスタックを単位として各スタック間の両端電圧が均等化され、各スタック内の電池セル間の電圧はインダクタ結合方式により均等化される。この方式では、インダクタ結合方式よりも均等化時間を短縮することができる。
【００１０】
しかし通常、トランスの各巻線数には数％バラツキがあるため、第２の従来方式では、巻き線間のバラツキによりスタック間に等しく電力が供給されないため、スタック間電圧にバラツキが発生してしまう。このため、第２の従来方式では、トランスの巻線間のバラツキにより、数十ミリボルト程度の電池セルの均等化精度を出すことができないという問題点を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−３５６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、トランス結合方式による均等化時間短縮の特徴を生かしながら、均等化の精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
態様の一例は、複数の電池セルが直列接続されて構成される組電池におけるその複数の電池セルの電圧を均等化させる電池均等化装置として構成され、複数の電池セルのうち、所定数の電池セルからなる複数のスタックのスタックごとに電荷の放電または充電を行わせることによってスタック間の電圧を均等化させる回路であって、スタックごとに、個別に接続されるスイッチング素子、トランス、および整流回路を介して、個別の均等化の動作を実行するトランスバランス回路と、各電池セルの電圧を監視して検出する電圧監視部と、電圧監視部が検出した各電池セルの電圧に基づいて、スタックの電圧を算出し、その算出された電圧に基づいて均等化の動作を実行すべきスタックを決定し、その決定したスタックに対応するスイッチング素子に対して均等化の動作に対応するスイッチング動作を指示して均等化の動作を実行させるバランス制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、トランス結合方式による均等化時間短縮の特徴を生かしながら、均等化の精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態のシステム構成図である。
【図２】本実施形態におけるコンバータバランス回路の構成図である。
【図３】本実施形態におけるトランスタバランス回路の構成図である。
【図４】本実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の基本構成図である。
複数の電池セル１０２が直列に接続されて組電池１０１が構成される。本実施形態では、組電池１０１は、連続的に直列接続された所定数の電池セル１０２からなるスタック１０３の集合として構成される。
【００１７】
トランスバランス回路１０５は、スタック１０３に対して電荷の放電または充電を行わせることによってスタック１０３間の電圧を均等化させる回路である。より具体的には、トランスバランス回路１０５は、スタック１０３ごとに、個別に接続されるスイッチング素子１１０、トランス１０９、および整流回路であるダイオード１１１を介して、個別の均等化の動作を実行する。
【００１８】
図１の実施形態では、トランスバランス回路１０５において、各トランス１０９の一次巻線には、そのトランス１０９に接続されるスイッチング素子１１０を介して、組電池１０１の両端子が接続される。また、そのトランス１０９の二次巻線には、スタック１０３の両端子が整流回路であるダイオード１１１を介して接続される。
【００１９】
また、トランスバランス回路１０５内のスイッチ制御部１０８は、後述するＤＳＰ１０７から指定される所定の周波数およびデューティー比を有するパルス信号を発振する発振回路である。各スイッチング素子１１０は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、スイッチ制御部１０８からのパルス信号によりスイッチング動作を行う。このスイッチング動作により、例えば組電池１０１の全体電圧から算出されたスタック１０３ごとの平均電圧が、各スイッチング素子１１０に接続されているスタック１０３の両端電圧よりも高ければ、両者間の電圧が等しくなるまで、トランス１０９の二次巻線およびダイオード１１１を介してそのスタック１０３に充電が行われる。この充電動作に基づいて、スタック１０３の均等化の動作が実行される。
【００２０】
コンバータバランス回路１０４は、組電池１０１を構成する各スタック１０３について、スタック１０３内の電池セル１０２のうちの１つ以上の電池セル１０２から放電される電荷をそのスタック１０３内の電池セル１０２のうちの１つ以上の他の電池セルに充電させることによってそのスタック１０３内の電池セル１０２の電圧を均等化させる。このコンバータバランス回路１０４は例えば、スタック１０３内の各電池セル１０２から放電される電力を、スイッチング素子およびインダクタを含む回路を介して、そのスタック１０３内の隣接する電池セルに充電させる。
【００２１】
電圧監視部１０６は、各電池セル１０２の電圧を監視しデジタル信号値として検出する。
デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：以下「ＤＳＰ」と呼ぶ）１０７は、バランス制御部として機能し、電圧監視部１０６が検出した各電池セル１０２の電圧のデジタル信号値に基づいて、デジタル信号処理によって、コンバータバランス回路１０４またはトランスバランス回路１０５のいずれかを選択して動作させる。
【００２２】
具体的には、ＤＳＰ１０７は、電圧監視部１０６が検出した各電池セル１０２の電圧に基づいて、スタック１０３の電圧を算出する。そして、ＤＳＰ１０７は、その算出した電圧に基づいて均等化の動作を実行すべきスタック１０３を決定する。そして、ＤＳＰ１０７は、その決定したスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０に対して、均等化の動作に対応するスイッチング動作を指示して均等化の動作を実行させる。例えば、ＤＳＰ１０７は、決定したスタック１０３の両端にトランス１０９を介して所定の電圧を与えて充電を行うために、周波数およびデューティー比を指定したパルス信号をスイッチング素子１１０に与える。
【００２３】
さらに具体的には、ＤＳＰ１０７は、電圧監視部１０６が検出した各電池セル１０３の電圧に基づいて組電池１０１全体の電圧を算出し、その電圧を組電池１０１におけるスタック１０３の数で除算することでスタック平均電圧を算出する。ＤＳＰ１０７は、各スタック１０３ごとに、そのスタック１０３について算出した電圧がスタック平均電圧よりも低いと判定したならば、トランスバランス回路１０５内のスイッチ制御部１０８に対して、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０によるスイッチング動作を指示する。具体的には、ＤＳＰ１０７は、スイッチ制御部１０８に対して、パルス信号を出力すべきスイッチング素子１１０の識別情報を与え、また、そのパルス信号の周波数およびデューティー比を指定する。これにより、トランスバランス回路１０５内のスイッチ制御部１０８は、指定されたスイッチング素子１１０に対して、指定された周波数およびデューティー比を有するパルス信号を出力する。この結果、指定されたスイッチング素子１１０がスイッチング動作を開始し、そのスイッチング素子１１０が接続されるトランス１０９およびダイオード１１１を介して、そのトランス１０９の二次巻線が接続されるスタック１０３内の各電池セル１０２への充電が開始される。逆に、ＤＳＰ１０７は、各スタック１０３ごとに、そのスタック１０３について算出した電圧がスタック平均電圧よりも高いと判定したならば、トランスバランス回路１０５に対して、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０によるスイッチング動作を指示しない。この場合には、均等化の動作時に組電池１０１全体から他のスタック１０３に対応するトランス１０９に電荷が供給されることにより、電圧が高いと判定されたスタック１０３を構成する各電池セル１０２から徐々に放電が行われる。この結果、最終的には、組電池１０１内の各電池セル１０２の電圧が揃ってゆくことになる。
【００２４】
最後に、ＤＳＰ１０７は、各スタック１０３ごとに、そのスタック１０３について算出した電圧がスタック平均電圧と同等になったら、そのスタック１０３に対する均等化の動作を終了し、他の残っている未処理のスタック１０３に対して、同様の均等化の動作を実行する。
【００２５】
以上のように、本実施形態では、トランスバランス回路１０５において、各スタック１０３ごとに、スイッチング素子１１０、トランス１０９、およびダイオード１１１を含む回路が個別に備えられる。そして、ＤＳＰ１０７は、スタック１０３ごとに、そのスタック１０３の電圧がスタック平均電圧に揃うように均等化制御を実施するときに、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０に印加するパルス信号の周波数およびデューティー比を精密に決定する。この結果、各スタック１０３に充電される電圧を高い精度で制御することが可能となる。
【００２６】
図１のコンバータバランス回路１０４の詳細は、図２に示される。
図２において、スタック１０３および電圧監視部１０６は、図１の同じ番号の部分と同じである。
【００２７】
コンバータバランス回路１０４は、バランス回路２０１、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）２０２、およびスイッチ制御部２０３を備える。バランス回路２０１は、スタック１０３を構成する例えば＃１から＃４の４つの電池セル１０２に対して、複数のインダクタＬと複数のスイッチング素子ＳＷとを備える。具体的には、＃１と＃２の電池セル１０２の共通の接続端子に＃１のインダクタＬの第１の端子が、＃２と＃３の電池セル１０２の共通接続端子に＃２のインダクタＬの第１の端子が、＃３と＃４の電池セル１０２の共通接続端子に＃３のインダクタＬの第１の端子がそれぞれ接続される。また、＃１のインダクタＬの第２の端子は＃１と＃２のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に、＃２のインダクタＬの第２の端子は＃３と＃４のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に、＃３のインダクタＬの第２の端子は＃５と＃６のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子にそれぞれ接続される。さらに、＃１の電池セル１０２の出力端子側は、＃１のスイッチング素子ＳＷの単独接続端子に接続される。＃１と＃２の電池セル１０２の共通接続端子は、＃２のスイッチング素子ＳＷに接続される。＃２と＃３の電池セル１０２の共通接続端子は、＃２および＃５のスイッチング素子ＳＷの共通接続端子に接続される。＃４の電池セル１０２の出力端子側は、＃６のスイッチング素子ＳＷの単独接続端子に接続される。
【００２８】
スイッチ制御部２０３は、ＤＳＰ２０２から指定される所定の周波数およびデューティー比を有するパルス信号を発振する発振回路である。＃１から＃６の各スイッチング素子ＳＷは、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、スイッチ制御部２０３からのパルス信号によりスイッチング動作を行う。
【００２９】
電圧監視部１０６は、スタック１０３を構成する＃１から＃４の各電池セル１０２の各両端電圧を検出し、その検出した電圧をデジタル値として図１のＤＳＰ１０７および図２のＤＳＰ２０２に出力する。
【００３０】
上述のコンバータバランス回路１０４の構成において、ＤＳＰ２０２は、例えば＃１と＃２の電池セル１０２間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチ制御部２０３に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃１と＃２のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、ＤＳＰ２０２が、電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、＃１の電池セル１０２の電圧が＃２の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃１のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１の電池セル１０２から放電された電荷が＃１のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃２のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１のインダクタＬに蓄積された電荷が＃２の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、ＤＳＰ２０２が、電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、＃２の電池セル１０２の電圧が＃１の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃２のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２の電池セル１０２から放電された電荷が＃１のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃１のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃１のインダクタＬに蓄積された電荷が＃１の電池セル１０２に充電される。
【００３１】
また、ＤＳＰ２０２は、＃２と＃３の電池セル１０２間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチ制御部２０３に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃３と＃４のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、ＤＳＰ２０２が、電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、＃２の電池セル１０２の電圧が＃３の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃３のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２の電池セル１０２から放電された電荷が＃２のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃４のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２のインダクタＬに蓄積された電荷が＃３の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、ＤＳＰ２０２が、電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、＃３の電池セル１０２の電圧が＃２の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃４のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３の電池セル１０２から放電された電荷が＃２のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃３のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃２のインダクタＬに蓄積された電荷が＃２の電池セル１０２に充電される。
【００３２】
さらに、ＤＳＰ２０２は、＃３と＃４の電池セル１０２間のバランス制御を実施すると判定したときには、スイッチ制御部２０３に対して、所定の周波数とデューティー比を指定して、＃５と＃６のスイッチング素子ＳＷを動作させるように指示する。そして例えば、ＤＳＰ２０２が、電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、＃３の電池セル１０２の電圧が＃４の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃５のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３の電池セル１０２から放電された電荷が＃３のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃６のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３のインダクタＬに蓄積された電荷が＃４の電池セル１０２に充電される。逆に例えば、ＤＳＰ２０２が、電圧監視部１０６の電圧監視結果に基づいて、＃４の電池セル１０２の電圧が＃３の電池セル１０２の電圧よりも高いと判定する。この場合はまず、＃６のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃４の電池セル１０２から放電された電荷が＃３のインダクタＬに蓄積される。続いて、デューティー比分だけ遅れた＃５のスイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により、＃３のインダクタＬに蓄積された電荷が＃３の電池セル１０２に充電される。
【００３３】
以上のようにして、コンバータバランス回路１０４では、電圧監視部１０６でのスタック１０３内の各電池セル１０２の電圧監視の結果、スタック１０３内でのバランス制御が必要であると判定されたときには、＃１から＃３のインダクタＬおよび＃１から＃６のスイッチング素子ＳＷが順次選択的に動作させられる。この結果、＃１から＃４の各電池セル１０２のそれぞれ隣接する電池セル１０２間でバランス制御が順次実施され、その動作が繰り返されることにより、最終的にスタック１０３内の＃１から＃４の電池セル１０２の電圧が均一になる。
【００３４】
上述の構成において、図２のＤＳＰ２０２は、図１のＤＳＰ１０７と同一のＤＰＳによって実現されてもよい。
図１の実施形態におけるトランスバランス回路１０５の動作について、更に詳細に説明する。図３は、図１のトランスバランス回路１０５において、２つのスタック１０３の分の回路構成を抜き出した図である。
【００３５】
図３において、例えば＃１および＃２の各スタック１０３ごとに図１の電圧監視部１０４によって各両端電圧が測定される。そして、図１のＤＳＰ１０７は、各両端電圧を、あらかじめ組電池１０１全体の電圧から計算したスタック平均電圧と比較する。この結果、ＤＳＰ１０７は、例えば＃１および＃２のスタック１０３ともに、各両端電圧がスタック平均電圧よりも低いと判定した場合には、スイッチ制御部１０８に対して、＃１および＃２の両方のスイッチング素子１１０でのスイッチング動作を指定する。具体的には、ＤＳＰ１０７は、スイッチ制御部１０８に対して、＃１および＃２のスイッチング素子１１０を動作させることの指示と、スイッチ制御部１０８から各スイッチング素子１１０へ供給される各パルス信号の周波数とデューティー比の値の組を指示する。これにより、スイッチ制御部１０８から＃１および＃２のスイッチング素子１１０にそれぞれパルス信号が供給され、各スイッチング素子１１０が動作を開始する。この結果、組電池１０１の両端子からの電荷が＃１および＃２のトランス１０９の一次巻線側に供給され、各トランス１０９の二次巻線側に電荷が伝達され、各スタック１０３に電荷が充電されてゆく。
【００３６】
ここで、＃１および＃２の各スタック１０３における電圧状態は、それぞれ内部抵抗値や温度特性等が異なるため、それぞれ個別の電圧、電流特性で制御することが理想的である。
【００３７】
本実施形態では、各スタック１０３に供給する電圧、電流値は、以下に示すようにして、スイッチ制御部１０８から各スイッチング素子１１０に供給するパルス信号の周波数とデューティー比によって、精密に決定することができる。いま、トランス１０９の一次巻線の巻数をＮ１、二次巻線２０２の巻数をＮ２とする。また、スイッチ制御部１０８からスイッチング素子１１０に与えられるパルス信号の周波数をｆｒｅｑ、周期をＴ、パルスオン時間をｔon、デューティー比をＤ、一次巻線側の電圧をＶin、二次巻線側の電圧をＶo とすれば、次式が成り立つ。
【００３８】
【数１】
2013162540.tif 000003
この式に基づいて図１のスイッチ制御部１０８からスイッチング素子１１０に与えるパルス信号の周波数ｆｒｅｑとデューティー比Ｄを制御することにより、スタック１０３に対する充放電の出力電圧Ｖo を変化させることができる。また、出力電力は次式に基づいて出力されることから、デューティー比の制御によって出力電力を変化させることができる。ただし、Ｌp は一次巻線のインダクタンス、Ｐは出力電力である。
【００３９】
【数２】
2013162540.tif 000004
上記数１式および数２式に基づいて、スタック１０３の電圧値や別途算出された内部抵抗値に対応して設定した供給電圧値、電流許容値、出力したい電力、パルス周波数ｆｒｅｑから、スイッチ制御部１０８よりスイッチング素子１１０に与えるパルス信号のデューティー比を計算することができる。または、逆にデューティー比を任意で決定しおき、パルス周波数ｆｒｅｑを決定してもよい。ＤＳＰ１０７は、＃１および＃２のスタック１０３ごとに決定したパルス周波数ｆｒｅｑおよびデューティー比Ｄの各値組を、図１のスイッチ制御部１０８に指定する。この結果、スイッチ制御部１０８から＃１および＃２のスイッチング素子１１０に、それぞれ個別の周波数およびデューティー比を有するパルス信号が出力され、個別のスイッチング動作が実行される。以上のようにして、本実施形態では、各スタック１０３ごとに、精度の高い均等化動作を実施することが可能となる。
【００４０】
ここで、ＤＳＰ１０７は、あるスタック１０３、例えば＃２のスタック１０３において、両端電圧がスタック平均電圧よりも高いと判定した場合には、スイッチ制御部１０８に対して、＃２のスイッチング素子１１０でのスイッチング動作は指定しない。この場合には、均等化の動作時に組電池１０１全体から例えば＃１のスタック１０３に対応する＃１のトランス１０９に電荷が供給されることにより、＃２のスタック１０３を構成する各電池セル１０２から徐々に放電が行われる。この結果、最終的には、組電池１０１を構成する各スタック１０３の電圧が揃ってゆくことになる。
【００４１】
図４は、図１のＤＳＰ１０７が実行する制御動作を示すフローチャートである。この制御動作は、ＤＳＰ１０７内の特には図示しないプロセッサが、特には図示しないメモリに記憶された制御プログラムを実行する動作として実現される。この制御プログラムは、例えば本実施形態のシステムを搭載した車両のイグニッションオフ時またはアイドリング開始時に、１回、もしくは所定の時間間隔で繰返し、実行される。
【００４２】
まず、図１のＤＳＰ１０７は、電圧監視部１０６が検出した各電池セル１０３の電圧に基づいて組電池１０１全体の電圧を算出し、その電圧を組電池１０１におけるスタック１０３の数で除算することでスタック平均電圧を算出する（ステップＳ４０１）。
【００４３】
次に、ＤＳＰ１０７は、各スタック１０３ごとに、そのスタック１０３について電圧監視部１０６が算出した電圧をステップＳ４０１で算出したスタック平均電圧と比較する（ステップＳ４０２）。
【００４４】
ＤＳＰ１０７は、ステップＳ４０２の比較処理で、スタック平均電圧よりも低い電圧を有すると判定したスタック１０３については、トランスバランス回路１０５内のスイッチ制御部１０８に対して、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０の識別情報を与える。また、ＤＳＰ１０７は、スイッチ制御部１０８からそのスイッチング素子１１０に出力されるパルス信号の周波数およびデューティー比を指定する（ステップＳ４０３）。これにより、トランスバランス回路１０５内のスイッチ制御部１０８は、指定されたスイッチング素子１１０に対して、指定された周波数およびデューティー比を有するパルス信号を出力する。この結果、指定されたスイッチング素子１１０がスイッチング動作を開始し、そのスイッチング素子１１０が接続されるトランス１０９およびダイオード１１１を介して、そのトランス１０９の二次巻線が接続されるスタック１０３内の各電池セル１０２への充電が開始される。
【００４５】
一定時間経過後に、スイッチング動作が停止される（ステップＳ４０４）。
一方、ＤＳＰ１０７は、ステップＳ４０２の比較処理で、スタック平均電圧よりも高い電圧を有すると判定したスタック１０３については、トランスバランス回路１０５に対して、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０によるスイッチング動作を指示しない（ステップＳ４０５）。この結果、そのスタック１０３については、前述したように、放電が行われる。
【００４６】
ステップＳ４０４またはＳ４０５の処理の後一定時間が経過してから、ＤＳＰ１０７は再び、各スタック１０３ごとに、そのスタック１０３について電圧監視部１０６が算出した電圧をステップＳ４０１で算出したスタック平均電圧と比較する（ステップＳ４０６）。
【００４７】
ＤＳＰ１０７は、ステップＳ４０６の比較処理で、スタック平均電圧よりも低い電圧を有すると判定したスタック１０３については、トランスバランス回路１０５内のスイッチ制御部１０８に対して、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０のスイッチング制御を指定する（ステップＳ４０６→Ｓ４０３）。
【００４８】
また、ＤＳＰ１０７は、ステップＳ４０６の比較処理で、スタック平均電圧よりも高い電圧を有すると判定したスタック１０３については、トランスバランス回路１０５に対して、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０によるスイッチング動作を指示しない。ＤＳＰ１０７は、そのスタック１０３がいままでスイッチング動作をしていた場合には、そのスタック１０３に対応するスイッチング素子１１０のスイッチング動作を停止させる（以上、ステップＳ４０５）。
【００４９】
ＤＳＰ１０７は、ステップＳ４０６の比較処理で、スタック平均電圧と同等の電圧を有すると判定したスタック１０３については、そのスタック１０３に対する均等化の動作を終了する。
【００５０】
上述の実施形態において、図１のコンバータバランス回路１０４の具体的な構成としては、図２に示される回路構成が採用されたが、コンバータバランス回路１０４の構成はこれに限られるものではない。各スタック１０３ごとに、そのスタック１０３内の電池セル１０２のうちの１つ以上の電池セルから放電される電荷をそのスタック１０３内の電池セル１０２のうちの１つ以上の他の電池セル１０２に充電させることによってそのスタック１０３内の電池セル１０２の電圧を均等化させる構成であれば、どのようなコンバータバランス回路１０４の構成が採用されてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０１  組電池
１０２  電池セル
１０３  スタック
１０４  コンバータバランス回路
１０５  トランスバランス回路
１０６  電圧監視部
１０７、２０２  ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）
１０８、２０３  スイッチ制御部
１０９  トランス
１１０  スイッチング素子
１１１  ダイオード
【図１】
2013162540.tif 000005
【図２】
2013162540.tif 000006
【図３】
2013162540.tif 000007
【図４】
2013162540.tif 000008