(57)【要約】  均等化回路において、セル選択回路は、ｎ個のセルとインダクタ間に設けられ、ｎ個のセルのいずれかのセルの両端と、インダクタの両端を導通させることができる。エネルギー保持・消費回路は、セル選択回路がいずれのセルも選択していない状態で、インダクタを含む閉ループを形成することができる。エネルギー保持・消費回路は、閉ループの抵抗成分が小さい第１パターンの閉ループと、閉ループの抵抗成分が大きい第２パターンの閉ループを形成することができる。
2020049910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のセルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部により検出された前記ｎ個のセルの電圧をもとに、前記ｎ個のセル間の均等化処理を実行する制御部と、
インダクタと、
前記ｎ個のセルと前記インダクタ間に設けられ、前記ｎ個のセルのいずれかのセルの両端と、前記インダクタの両端を導通させることが可能なセル選択回路と、
前記セル選択回路がいずれのセルも選択していない状態で、前記インダクタを含む閉ループを形成するためのエネルギー保持・消費回路と、を備え、
前記エネルギー保持・消費回路は、閉ループの抵抗成分が小さい第１パターンの閉ループと、閉ループの抵抗成分が大きい第２パターンの閉ループを形成可能なことを特徴とする均等化回路。
【請求項２】
前記制御部は、前記ｎ個のセルの内、あるセルから別のセルに移動させるべき容量の値が設定値より大きいとき、
前記セル選択回路を制御して前記ｎ個のセルの内の放電対象とするセルの両端と前記インダクタの両端を所定時間、導通させ、
前記セル選択回路を制御して前記ｎ個のセルと前記インダクタを電気的に遮断するとともに、前記エネルギー保持・消費回路に前記第１パターンの閉ループを形成させ、
前記エネルギー保持・消費回路に前記第１パターンの閉ループを解除させるとともに、前記セル選択回路を制御して前記ｎ個のセルの内の充電対象とするセルの両端と前記インダクタの両端を所定時間、導通させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の均等化回路。
【請求項３】
前記制御部は、前記ｎ個のセルの内、あるセルから別のセルに移動させるべきエネルギー量が設定値より小さいとき、
前記セル選択回路を制御して前記ｎ個のセルの内の放電対象とするセルの両端と前記インダクタの両端を所定時間、導通させ、
前記セル選択回路を制御して前記ｎ個のセルと前記インダクタを電気的に遮断するとともに、前記エネルギー保持・消費回路に前記第２パターンの閉ループを形成させる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の均等化回路。
【請求項４】
前記制御部は、前記電圧検出部により検出された前記ｎ個のセルの電圧をもとに、前記ｎ個のセルの目標電圧／目標容量を決定し、前記目標電圧／目標容量より高いセルを放電対象のセルに決定し、前記目標電圧／目標容量より低いセルを充電対象のセルに決定することを特徴とする請求項１または２に記載の均等化回路。
【請求項５】
前記セル選択回路は、
前記インダクタの一端に接続される第１配線と、
前記インダクタの他端に接続される第２配線と、
前記直列接続されたｎ個のセルの各ノードと、前記第１配線間にそれぞれ接続される（ｎ＋１）個の第１配線側スイッチと、
前記直列接続されたｎ個のセルの各ノードと、前記第２配線間にそれぞれ接続される（ｎ＋１）個の第２配線側スイッチと、
を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の均等化回路。
【請求項６】
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のセルと、
請求項１から５のいずれか１項に記載の均等化回路と、
を備えることを特徴とする蓄電システム。
【請求項７】
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のモジュールのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部により検出された前記ｎ個のモジュールの電圧をもとに、前記ｎ個のモジュール間の均等化処理を実行する制御部と、
インダクタと、
前記ｎ個のモジュールと前記インダクタ間に設けられ、前記ｎ個のモジュールのいずれかのモジュールの両端と、前記インダクタの両端を導通させることが可能なモジュール選択回路と、
前記モジュール選択回路がいずれのモジュールも選択していない状態で、前記インダクタを含む閉ループを形成するためのエネルギー保持・消費回路と、を備え、
前記エネルギー保持・消費回路は、閉ループの抵抗成分が小さい第１パターンの閉ループと、閉ループの抵抗成分が大きい第２パターンの閉ループを形成可能なことを特徴とする均等化回路。
【請求項８】
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のモジュールと、
請求項７に記載の均等化回路と、
を備えることを特徴とする蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列接続された複数のセルやモジュール間の容量を均等化する均等化回路、及び蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が様々な用途で使用されている。例えば、ＥＶ(Electric Vehicle)、ＨＥＶ (Hybrid ElectricVehicle)、ＰＨＶ(Plug-in Hybrid Vehicle)の走行用モータに電力を供給することを目的とする車載（電動自転車を含む）用途、ピークシフト、バックアップを目的とした蓄電用途、系統の周波数安定化を目的としたＦＲ（Frequency Regulation）用途などに使用されている。【０００３】
一般的に、リチウムイオン電池などの二次電池では電力効率の維持および安全性担保の観点から、直列接続された複数のセル間において容量を均等化する均等化処理が実行される。均等化処理にはパッシブ方式とアクティブ方式がある。パッシブ方式は、直列接続された複数のセルにそれぞれ放電抵抗を接続し、最も電圧が低いセルの電圧に、他のセルの電圧を合わせるように他のセルを放電して、複数のセル間の容量を揃える方式である。アクティブ方式は、直列接続された複数のセル間でエネルギー移動を行うことにより、複数のセル間の容量を揃える方式である。アクティブ方式のほうが電力損失が少なく、発熱量を抑えることができるが、現在、回路構成がシンプルで低コストなパッシブ方式が主流となっている。【０００４】
近年、特に車載用途において、電池パックのエネルギー容量と出力が増加してきている。即ち、電池パック内の各セルの容量と、セルの直列数が増加してきている。それに伴い、複数のセル間において不均衡となっているエネルギー量が増大してきている。従って、均等化処理により、複数のセル間の不均衡を解消するために必要な時間も増大してきている。【０００５】
これに対して、特に車載用途において、均等化処理に必要な時間の短縮が求められている。大きなエネルギー不均衡を短時間で解消するには、大電流を流して均等化する必要がある。パッシブ方式では、電圧が高いセルの容量を抵抗で消費させることによりエネルギー不均衡を解消させるため、抵抗に流す電流が大きくなると発熱量も大きくなる。上述のように、セルの直列数が増加してくると、基板上に、抵抗発熱に対する放熱面積を確保することが難しくなってくる。【０００６】
そこで、エネルギーを熱に変換して消費させるのではなく、エネルギーを容量が少ないセルに移動させるアクティブ方式の必要性が高まっている。アクティブ方式の均等化回路として、インダクタを用いてセル間のエネルギー移動を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３２２５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したようにアクティブ方式は、複数のセル間において発熱を抑えつつエネルギーを移動させることができるため、大きなエネルギー移動に対して大きな効果を発揮する。これに対して、複数のセル間の不均衡が小さく、小さなエネルギー移動しか必要ない場合には、アクティブ方式が十分に効果を発揮しない場合がある。【０００９】
例えば、１つのセルのみの電圧が高く、他の複数のセルの電圧が揃っている場合、電圧が高いセルから他のどのセルにエネルギーを移動させても、他の複数のセルのバランスが崩れる。他の複数のセルに、エネルギーを分割して移動させることも考えられるが、分割させたエネルギーが、エネルギー移動が可能な最小の制御単位より小さい場合は、分割させたエネルギーを移動させても、複数のセル間の容量を揃えることができない。【００１０】
このような場合、パッシブ方式では、電圧が高い１つのセルを放電させるだけで、簡単に複数のセル間の容量を揃えることができる。しかしながら、アクティブ方式の均等化回路と、セルごとに抵抗とスイッチを設ける既存のパッシブ方式の均等化回路を併用する場合、回路面積が増大し、設計上の無駄も多い。【００１１】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、アクティブ方式の均等化回路において、回路面積の増大を抑えつつ、複数のセル間の容量の微調整を容易に行う技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の均等化回路は、直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のセルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された前記ｎ個のセルの電圧をもとに、前記ｎ個のセル間の均等化処理を実行する制御部と、インダクタと、前記ｎ個のセルと前記インダクタ間に設けられ、前記ｎ個のセルのいずれかのセルの両端と、前記インダクタの両端を導通させることが可能なセル選択回路と、前記セル選択回路がいずれのセルも選択していない状態で、前記インダクタを含む閉ループを形成するためのエネルギー保持・消費回路と、を備える。前記エネルギー保持・消費回路は、閉ループの抵抗成分が小さい第１パターンの閉ループと、閉ループの抵抗成分が大きい第２パターンの閉ループを形成可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アクティブ方式の均等化回路において、回路面積の増大を抑えつつ、複数のセル間の容量の微調整を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る蓄電システムの構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）−（ｈ）は、本発明の実施例に係る蓄電システムの均等化処理の動作シーケンス例を説明するための図である。
【図３】図３（ａ）−（ｃ）は、本発明の実施例に係る蓄電システムの均等化処理の具体例１を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例に係る蓄電システムの均等化処理の具体例２を説明するための図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例に係る蓄電システムの均等化処理の具体例３を説明するための図である。
【図６】比較例に係る蓄電システムの構成を示す図である。
【図７】本発明の変形例１に係る蓄電システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の変形例２に係る蓄電システムの構成を示す図である。
【図９】本発明の変形例３に係る蓄電システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る蓄電システム１の構成を示す図である。蓄電システム１は、均等化回路１０及び蓄電部２０を備える。蓄電部２０は、直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のセルを含む。図１では、４つのセルＣ１−Ｃ４が直列接続された例を描いている。なお、直列接続されるセル数は、蓄電システム１に要求される電圧仕様に応じて変わる。
【００１６】
各セルには、リチウムイオン電池セル、ニッケル水素電池セル、鉛電池セル、電気二重層キャパシタセル、リチウムイオンキャパシタセル等の充放電可能な蓄電素子を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル（公称電圧：３．６−３．７Ｖ）を使用する例を想定する。
【００１７】
均等化回路１０は、電圧検出部１４、セル選択回路１１、エネルギー保持・消費回路１２及び制御部１３を含む。電圧検出部１４は、直列接続されたｎ（図１では４）個のセルの各電圧を検出する。具体的には電圧検出部１４は、直列接続されたｎ個のセルの各ノードと、（ｎ＋１）本の電圧線で接続され、隣接する２本の電圧線間の電圧をそれぞれ検出することにより、各セルの電圧を検出する。電圧検出部１４は例えば、汎用のアナログフロントエンドＩＣまたはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成することができる。電圧検出部１４は、検出した各セルの電圧をデジタル値に変換し、制御部１３に出力する。
【００１８】
セル選択回路１１は、直列接続されたｎ個のセルと、エネルギー保持・消費回路１２に含まれるインダクタＬ１との間に設けられ、ｎ個のセルの内から選択されたセルの両端と、インダクタＬ１の両端を導通させることができる回路である。セル選択回路１１は、インダクタＬ１の第１端に接続される第１配線Ｗ１、インダクタＬ１の第２端に接続される第２配線Ｗ２、（ｎ＋１）個の第１配線側スイッチ、及び（ｎ＋１）個の第２配線側スイッチを有する。（ｎ＋１）個の第１配線側スイッチは、直列接続されたｎ個のセルの各ノードと、第１配線Ｗ１との間にそれぞれ接続される。（ｎ＋１）個の第２配線側スイッチは、直列接続されたｎ個のセルの各ノードと、第２配線Ｗ２との間にそれぞれ接続される。
【００１９】
図１に示す例ではｎ＝４、ノード数＝５であり、セル選択回路１１は、５個の第１配線側スイッチ、及び５個の第２配線側スイッチを有する。図１では、第１スイッチＳ１、第３スイッチＳ３、第５スイッチＳ５、第７スイッチＳ７及び第９スイッチＳ９が第１配線側スイッチであり、第２スイッチＳ２、第４スイッチＳ４、第６スイッチＳ６、第８スイッチＳ８及び第１０スイッチＳ１０が第２配線側スイッチである。
【００２０】
エネルギー保持・消費回路１２は、インダクタＬ１、クランプスイッチＳｃ、抵抗Ｒｃ及びバイパススイッチＳｂを含む。クランプスイッチＳｃは、インダクタＬ１の両端をエネルギー保持・消費回路１２内で導通させるためのスイッチである。抵抗Ｒｃは、エネルギーを消費させるための抵抗素子である。バイパススイッチＳｂは、抵抗Ｒｃと並列に接続され、抵抗Ｒｃをバイパスするための経路を形成するためのスイッチである。
【００２１】
エネルギー保持・消費回路１２は、セル選択回路１１がいずれのセルも選択していない状態で、インダクタＬ１を含む閉ループを形成することができる。さらにエネルギー保持・消費回路は、閉ループの抵抗成分が小さい第１パターンの閉ループと、閉ループの抵抗成分が大きい第２パターンの閉ループを形成することができる。
【００２２】
クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂがオン状態では、インダクタＬ１、クランプスイッチＳｃ、バイパススイッチＳｂを含む第１パターンの閉ループが形成される。クランプスイッチＳｃがオン状態でバイパススイッチＳｂがオフ状態では、インダクタＬ１、クランプスイッチＳｃ、抵抗Ｒｃを含む第２パターンの閉ループが形成される。第１パターンの閉ループは、エネルギー保持・消費回路１２内にエネルギーを保持するための閉ループである。第２パターンの閉ループは、エネルギー保持・消費回路１２内のエネルギーを消費するための閉ループである。
【００２３】
第１スイッチＳ１−第１０スイッチＳ１０、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂには、半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））を使用することができる。以下、第１スイッチＳ１−第１０スイッチＳ１０、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂに、ＭＯＳＦＥＴを使用する例を想定する。
【００２４】
制御部１３は、電圧検出部１４により検出されたｎ個のセルの電圧をもとに、直列接続されたｎ個のセル間の均等化処理を実行する。制御部１３は例えば、マイクロコンピュータで構成することができる。なお制御部１３と電圧検出部１４は、ワンチップに統合されて構成されてもよい。
【００２５】
本実施例では制御部１３は、アクティブセルバランス方式により直列接続されたｎ個のセル間の均等化処理を実行する。本実施例に係るアクティブセルバランス方式では、直列接続されたｎ個のセル間において、あるセル（放電対象のセル）から、別のセル（充電対象のセル）にエネルギー移動を行うことにより、あるセルと別のセルの容量を均等化する。このエネルギー移動を繰り返すことにより、直列接続されたｎ個のセル間の容量を均等化する。
【００２６】
まず制御部１３は、セル選択回路１１を制御してｎ個のセルの内の放電対象とするセルの両端とインダクタＬ１の両端を所定時間、導通させる。この状態では、放電対象のセルからインダクタＬ１に電流が流れ、インダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。
【００２７】
次に制御部１３は、セル選択回路１１を制御してｎ個のセルとインダクタＬ１を電気的に遮断するとともに、クランプスイッチＳｓ及びバイパススイッチＳｂをターンオンさせる。この状態では、上記第１パターンの閉ループに循環電流が流れ、エネルギー保持・消費回路１２内で、インダクタ電流がアクティブクランプされる。
【００２８】
次に制御部１３は、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをターンオフさせるとともに、セル選択回路１１を制御してｎ個のセルの内の充電対象とするセルの両端とインダクタＬ１の両端を所定時間、導通させる。この状態では、エネルギー保持・消費回路１２内にアクティブクランプされているインダクタ電流が、充電対象のセルに流れる。以上により、あるセルから別のセルへのエネルギー移動が完了する。
【００２９】
図２（ａ）−（ｈ）は、本発明の実施例に係る蓄電システム１の均等化処理の動作シーケンス例を説明するための図である。本動作シーケンス例では説明を簡略化するために、セルの直列数を２としている。図２（ａ）に示す第１状態では、制御部１３は、第１スイッチＳ１及び第４スイッチＳ４をオン状態に制御し、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第５スイッチＳ５、第６スイッチＳ６、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオフ状態に制御する。この状態では、第１セルＣ１からインダクタＬ１に電流が流れ、第１セルＣ１から放電されたエネルギーがインダクタＬ１に蓄積される。
【００３０】
図２（ｂ）に示す第２状態では、制御部１３は、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオン状態に制御し、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６をオフ状態に制御する。この状態では、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが、インダクタ電流として第１パターンの閉ループ内を流れ、アクティブクランプされる。
【００３１】
図２（ｃ）に示す第３状態では、制御部１３は、第４スイッチＳ４及び第５スイッチＳ５をオン状態に制御し、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第６スイッチＳ６、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオフ状態に制御する。この状態では、第１パターンの閉ループ内にアクティブクランプされているインダクタ電流が第２セルＣ２に流れ、第２セルＣ２が充電される。
【００３２】
図２（ｄ）に示す第４状態では、制御部１３は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５、第６スイッチＳ６、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオフ状態に制御する。この状態は、第１セルＣ１から第２セルＣ２へのエネルギー移動が完了した状態である。
【００３３】
図２（ｅ）に示す第５状態では、制御部１３は、第３スイッチＳ３及び第６スイッチＳ６をオン状態に制御し、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオフ状態に制御する。この状態では、第２セルＣ２からインダクタＬ１に電流が流れ、第１セルＣ１から放電されたエネルギーがインダクタＬ１に蓄積される。
【００３４】
図２（ｆ）に示す第６状態では、制御部１３は、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオン状態に制御し、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５及び第６スイッチＳ６をオフ状態に制御する。この状態では、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが、インダクタ電流として第１パターンの閉ループ内を流れ、アクティブクランプされる。
【００３５】
図２（ｇ）に示す第７状態では、制御部１３は、第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３をオン状態に制御し、第１スイッチＳ１、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５、第６スイッチＳ６、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオフ状態に制御する。この状態では、第１パターンの閉ループ内にアクティブクランプされているインダクタ電流が第１セルＣ１に流れ、第１セルＣ１が充電される。
【００３６】
図２（ｈ）に示す第８状態では、制御部１３は、第１スイッチＳ１、第２スイッチＳ２、第３スイッチＳ３、第４スイッチＳ４、第５スイッチＳ５、第６スイッチＳ６、クランプスイッチＳｃ及びバイパススイッチＳｂをオフ状態に制御する。この状態は、第２セルＣ２から第１セルＣ１へのエネルギー移動が完了した状態である。
【００３７】
第２状態または第６状態において、第１パターンの閉ループ内にインダクタ電流がアクティブクランプされることにより、インダクタ電流の連続性が確保されるため、セル選択回路１１の安全かつ確実なスイッチ切替が可能となる。
【００３８】
図３（ａ）−（ｃ）は、本発明の実施例に係る蓄電システム１の均等化処理の具体例１を説明するための図である。具体例１では、４つのセルＣ１−Ｃ４が直列接続されている例を想定する。図３（ａ）は、均等化処理の開始前の第１セルＣ１−第４セルＣ４の電圧の状態を模式的に示す図である。制御部１３は、電圧検出部１４により検出された第１セルＣ１−第４セルＣ４の電圧の平均値を算出し、算出した平均値を均等化目標電圧（以下、単に目標電圧という）に設定する。
【００３９】
制御部１３は、目標電圧より高いセルから、目標電圧より低いセルへエネルギーを移動させる。例えば、目標電圧より高いセルの内、最も電圧が高いセル（図３（ａ）では第１セルＣ１）から、目標電圧より低いセルの内、最も電圧が低いセル（図３（ａ）では第４セルＣ４）にエネルギーを移動させる。
【００４０】
制御部１３は、移動元のセル（放電対象のセル）の電圧が目標電圧以上となる範囲で、かつ移動先のセル（充電対象のセル）の電圧が目標電圧以下となる範囲で、エネルギー移動量を決定する。制御部１３は、決定したエネルギー移動量と、設計にもとづく放電電流及び充電電流に基づき、移動元のセルの放電時間と移動先のセルの充電時間を決定する。エネルギー保持・消費回路１２にアクティブクランプされている間に消費されるエネルギー量は無視できる程度であるため、基本的に移動元のセルの放電時間と移動先のセルの充電時間は同じになる。
【００４１】
図３（ｂ）は、移動元のセルである第１セルＣ１から、移動先のセルである第４セルＣ４へのエネルギー移動が完了した状態を示している。制御部１３は上述した処理を再び、実行する。具体的には、目標電圧より高いセルの内、最も電圧が高いセル（図３（ｂ）では第３セルＣ３）から、目標電圧より低いセルの内、最も電圧が低いセル（図３（ｂ）では第２セルＣ２）にエネルギーを移動させる。
【００４２】
図３（ｃ）は、移動元のセルである第３セルＣ３から、移動先のセルである第２セルＣ２へのエネルギー移動が完了した状態を示している。以上により、直列接続された４つのセルＣ１−Ｃ４の均等化処理が完了する。
【００４３】
図３（ａ）−（ｃ）に示した具体例１では、はじめに、直列接続された複数のセルの電圧の平均値を算出し、目標値を設定した。この点、目標値を設定しないアルゴリズムも可能である。制御部１３は各時点において、直列接続された複数のセルの電圧の内、最も電圧が高いセルから最も電圧が低いセルへエネルギーを移動させることにより、当該２つのセルの電圧を均等化する。制御部１３は、この処理を、直列接続された複数のセルの電圧が全て均等化されるまで繰り返し実行する。
【００４４】
また上記具体例１では、均等化目標値として電圧を使用する例を説明したが、電圧の代わりに、実容量、放電可能容量または充電可能容量を使用してもよい。
【００４５】
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例に係る蓄電システム１の均等化処理の具体例２を説明するための図である。図４（ａ）は、直列接続された第１セルＣ１−第４セルＣ４の内、最も電圧が高いセル（図４（ａ）では第１セルＣ１）の電圧と、最も電圧が低いセル（図４（ａ）では第４セルＣ４）の電圧との差分ΔＶに基づき当該セル間で移動させるべきエネルギー量が、設定値より小さい場合を示している。
【００４６】
あるセルから別のセルへ移動できる最小のエネルギー量には、スイッチの動作速度による限界がある。一般的に、ＭＯＳＦＥＴは動作速度が速くなるほど、オン抵抗が大きくなる傾向にある。オン抵抗による損失と発熱を抑えるために、オン抵抗が小さいＭＯＳＦＥＴを使用すると動作速度が遅くなる。スイッチの動作速度が遅くなると、スイッチのオン・オフにより通過させることができるエネルギー量の最小値が大きくなる。上記設定値は主に、使用しているスイッチの動作速度をもとに設計者により予め決定された値である。即ち、上記設定値は、セル間でエネルギーを移動させる際の最小の制御単位を規定した値である。
【００４７】
制御部１３は、あるセルから別のセルに移動させるべきエネルギー量が上記設定値より小さいとき、セル選択回路１１を制御して放電対象とするセルの両端とインダクタＬ１の両端を所定時間、導通させる。この状態では、放電対象のセルからインダクタＬ１に電流が流れ、インダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。
【００４８】
次に制御部１３は、セル選択回路１１を制御してｎ個のセルとインダクタＬ１を電気的に遮断するとともに、クランプスイッチＳｓをターンオンさせる。なお、バイパススイッチＳｂはターンオンさせない。この状態では、上記第２パターンの閉ループに循環電流が流れ、エネルギー保持・消費回路１２内で、インダクタ電流が消費される。
【００４９】
図４（ａ）において、差分ΔＶに基づく移動させるべきエネルギー量が、上記設定値より小さい場合、制御部１３は直列接続された第１セルＣ１−第４セルＣ４の内、最も電圧が低い第４セルＣ４の電圧を目標値に設定する。制御部１３は、第１セルＣ１の容量をエネルギー保持・消費回路１２内の抵抗Ｒｃで消費することにより、第１セルＣ１の電圧を目標値に合わせるために必要な放電時間を算出する。制御部１３は、セル選択回路１１を制御して第１セルＣ１の両端とインダクタＬ１の両端を、算出した放電時間、導通させる。同様に制御部１３は、第２セルＣ２の容量と第３セルＣ３の容量を放電し、直列接続された第１セルＣ１−第４セルＣ４の電圧を目標値に揃える。図４（ｂ）は、第１セルＣ１−第３セルＣ３のエネルギー消費により、直列接続された第１セルＣ１−第４セルＣ４の均等化処理が完了した状態を示している。
【００５０】
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例に係る蓄電システム１の均等化処理の具体例３を説明するための図である。図５（ａ）は、直列接続された複数のセルの内、最も電圧が高いセルの電圧と、最も電圧が低いセルの電圧との差分ΔＶに基づき当該セル間で移動させるべきエネルギー量が上記設定値より小さく、かつ最も電圧が高いセル以外の複数のセルの電圧が揃っている場合を示している。
【００５１】
直列接続された複数のセルの内、１つのセルのみの電圧が高い場合、当該セルから他のどのセルにエネルギーを移動させても、他のセルの電圧バランスが崩れる。図５（ａ）に示す例では、第１セルＣ１から、第２セルＣ２−第４セルＣ４のどのセルにエネルギーを移動させても、第２セルＣ２−第４セルＣ４間の電圧バランスが崩れる。この場合、第１セルＣ１のエネルギーを移動させるより、第１セルＣ１のエネルギーを消費させたほうが効率的である。図５（ｂ）は、第１セルＣ１のエネルギー消費により、直列接続された第１セルＣ１−第４セルＣ４の均等化処理が完了した状態を示している。
【００５２】
図５（ａ）に示すように、直列接続された複数のセルの内、１つのセルのみの電圧が高い場合、上記設定値に所定値を加算して上記設定値を大きくしてもよい。１つのセルのみの電圧が高い場合、エネルギーを分割して他の複数のセルに順次、分割したエネルギーを移動させるより、電圧が高い１つのセルのエネルギーを消費させたほうが、処理時間が大きく短縮する。従って、１つのセルのみの電圧が高い場合に、当該セルのエネルギーを消費させるケースを増やす設計は、有効な設計の１つである。
【００５３】
図６は、比較例に係る蓄電システム１の構成を示す図である。比較例に係る蓄電システム１の構成は、図１に示した実施例に係る蓄電システム１の構成と比較し、エネルギー保持・消費回路１２がエネルギー保持回路１２ａに置き換えられた構成である。エネルギー保持回路１２ａの構成は、エネルギー保持・消費回路１２から抵抗Ｒｃ及びバイパススイッチＳｂを取り除いた構成である。エネルギー保持回路１２ａは、インダクタＬ１に蓄積したエネルギーを抵抗Ｒｃで消費する機能を持たない回路である。
【００５４】
比較例に係る蓄電システム１の構成では、一般的なパッシブ方式の回路構成が追加されている。即ち、各セルと並列にそれぞれ放電回路が設けられている。具体的には、第１セルＥ１の両端に第１放電スイッチＳｄ１と第１放電抵抗Ｒｄ１が直列接続され、第２セルＥ２の両端に第２放電スイッチＳｄ２と第２放電抵抗Ｒｄ２が直列接続され、第３セルＥ３の両端に第３放電スイッチＳｄ３と第３放電抵抗Ｒｄ３が直列接続され、第４セルＥ４の両端に第４放電スイッチＳｄ４と第４放電抵抗Ｒｄ４が直列接続される。
【００５５】
図６に示す比較例に係る、アクティブセルバランスとパッシブセルバランスを併用した回路構成では、基板上に、パッシブセルバランス用の放電抵抗の放熱スペースをセル毎に確保しつつ、アクティブセルバランス回路の設置スペースも必要となり、設計上の無駄が多い。これに対して図１に示した実施例に係る回路構成では、パッシブセルバランス用の放電抵抗を、エネルギー保持・消費回路１２内の抵抗Ｒｃの１つにすることができる。従って、比較例に係る構成と比較して、放電抵抗の放熱スペースを１／ｎにすることができる。またパッシブセルバランスに必要な部品（抵抗とスイッチ）の数も１／ｎにすることができる。
【００５６】
以上説明したように本実施例によれば、アクティブ方式の均等化回路において、回路面積の増大を抑えつつ、複数のセル間の容量の微調整を容易に行うことができる。一般的なアクティブ方式の均等化回路は、複数のセル間において発熱を抑えつつエネルギーを移動させることができるため、大きなエネルギー移動に適しているが、小さなエネルギー移動には限界があり、複数のセル間の容量の微調整を行うことが難しい場合もある。一方、一般的なパッシブ方式の均等化回路は、複数のセル間においてエネルギー移動ができないが、複数のセル間の容量の微調整を容易に行うことができる。
【００５７】
本実施例に係る均等化回路では、エネルギー保持・消費回路１２を設けることにより、インダクタ電流をアクティブクランプすることによりアクティブセルバランスを実現しつつ、抵抗Ｒｃでエネルギーを消費することによりパッシブセルバランスも実現することができる。従って、複数のセル間における大きなエネルギー移動と、複数のセル間の容量の微調整の両方が可能となり、アクティブ方式とパッシブ方式の両方のメリットを享受することができる。
【００５８】
またエネルギーを消費するための回路部品をセルごとに設ける必要がなく、パッシブ方式に必要な部品数を大幅に削減することができ、基板上の放熱面積も大幅に削減することができる。これらの削減効果は、セルの直列数が多くなるほど大きくなる。
【００５９】
以上、本発明を実施例をもとに説明した。実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に容易に理解されるところである。
【００６０】
図７は、本発明の変形例１に係る蓄電システム１の構成を示す図である。変形例１では、エネルギー保持・消費回路１２において、バイパススイッチＳｂの代わりに導通スイッチＳｃｎが使用される。変形例１では、直列接続された抵抗Ｒｃと導通スイッチＳｃｎがクランプスイッチＳｃと並列に接続される。
【００６１】
クランプスイッチＳｃがオン状態で導通スイッチＳｃｎがオフ状態では、インダクタＬ１、クランプスイッチＳｃを含む第１パターンの閉ループが形成される。クランプスイッチＳｃがオフ状態で導通スイッチＳｃｎがオン状態では、インダクタＬ１、抵抗Ｒｃ、導通スイッチＳｃｎを含む第２パターンの閉ループが形成される。
【００６２】
図１に示した基本例と図７に示す変形例１を比較すると、第１パターンの閉ループにおいて電流が通過するスイッチの数は基本例で２、変形例１で１である。第２パターンの閉ループにおいて電流が通過するスイッチの数は基本例と変形例１のいずれも１である。従って、変形例１のほうがインダクタ電流をアクティブクランプする際の電力損失を少なくすることができる。
【００６３】
図８は、本発明の変形例２に係る蓄電システム１の構成を示す図である。変形例２では、エネルギー保持・消費回路１２内のクランプスイッチをフルブリッジ構成としている。変形例２に係るエネルギー保持・消費回路１２では、第１配線Ｗ１と第２配線Ｗ２間に、第１クランプスイッチＳｃ１と第２クランプスイッチＳｃ２が直列接続される。さらに第１配線Ｗ１と第２配線Ｗ２間に、第１クランプスイッチＳｃ１と第２クランプスイッチＳｃ２と並列に、第３クランプスイッチＳｃ３と第４クランプスイッチＳｃ４が直列接続される。インダクタＬ１の第１端は、第１クランプスイッチＳｃ１と第２クランプスイッチＳｃ２の中点に接続され、インダクタＬ１の第２端は、第３クランプスイッチＳｃ３と第４クランプスイッチＳｃ４の中点に接続される。また、直列接続された抵抗Ｒｃと導通スイッチＳｃｎがインダクタＬ１の両端間に接続される。
【００６４】
第１クランプスイッチＳｃ１及び第３クランプスイッチＳｃ３がオン状態で、第２クランプスイッチＳｃ２、第４クランプスイッチＳｃ４及び導通スイッチＳｃｎがオフ状態では、第１クランプスイッチＳｃ１、インダクタＬ１、第３クランプスイッチＳｃ３を含む第１パターンの閉ループ（順方向）が形成される。また、第２クランプスイッチＳｃ２及び第４クランプスイッチＳｃ４がオン状態で、第１クランプスイッチＳｃ１、第３クランプスイッチＳｃ３及び導通スイッチＳｃｎがオフ状態では、第２クランプスイッチＳｃ２、インダクタＬ１、第４クランプスイッチＳｃ４を含む第１パターンの閉ループ（逆方向）が形成される。また第１クランプスイッチＳｃ１−第４クランプスイッチＳｃ４がオフ状態で導通スイッチＳｃｎがオン状態では、インダクタＬ１、抵抗Ｒｃ、導通スイッチＳｃｎを含む第２パターンの閉ループが形成される。
【００６５】
変形例２に係る構成では、放電電流または充電電流の向きを任意に選択することができる。なお、図１に示した構成でも、第１スイッチＳ１−第１０スイッチＳ１０を双方向スイッチで構成すれば、放電電流または充電電流の向きを任意に選択することができる。
【００６６】
図９は、本発明の変形例３に係る蓄電システム１の構成を示す図である。変形例３も、エネルギー保持・消費回路１２内のクランプスイッチをフルブリッジ構成としている。直列接続された抵抗Ｒｃと導通スイッチＳｃｎが、第１配線Ｗ１と第２配線Ｗ２間に接続される。その他は変形例２と同様である。
【００６７】
上述した実施例では、直列接続された複数のセル間をアクティブ方式とパッシブ方式により均等化する例を説明した。この点、実施例に係る均等化回路を用いて、直列接続された複数のモジュール間を均等化することもできる。本明細書内の「セル」を「モジュール」に適宜、読み替えればよい。また、直列接続された複数のモジュール間の均等化処理と、各モジュール内の直列接続された複数のセル間の均等化処理を、多重的に実行する構成であってもよい。
【００６８】
また、エネルギー保持・消費回路１２内の抵抗Ｒｃ及びバイパススイッチＳｂ（導通スイッチＳｃｎ）を省略することもできる。その場合、インダクタＬ１の等価直列抵抗および／またはＭＯＳＦＥＴのオン抵抗で、抵抗Ｒｃを代用する。この場合、クランプスイッチＳｃをオンすることにより形成される閉ループの維持時間が短いほど、エネルギーを保持する作用が大きくなり、当該閉ループの維持時間が長くなるほど、エネルギーを消費する作用が大きくなる。均等化処理時間が長くなることを許容できる用途では、本変形例も有効な選択肢の１つとなる。
【００６９】
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
【００７０】
［項目１］
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のセル（Ｃ１−Ｃ４）のそれぞれの電圧を検出する電圧検出部（１４）と、
前記電圧検出部（１４）により検出された前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の電圧をもとに、前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）間の均等化処理を実行する制御部（１３）と、
インダクタ（Ｌ１）と、
前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）と前記インダクタ（Ｌ１）間に設けられ、前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）のいずれかのセルの両端と、前記インダクタ（Ｌ１）の両端を導通させることが可能なセル選択回路（１１）と、
前記セル選択回路（１１）がいずれのセルも選択していない状態で、前記インダクタ（Ｌ１）を含む閉ループを形成するためのエネルギー保持・消費回路（１２）と、を備え、
前記エネルギー保持・消費回路（１２）は、閉ループの抵抗成分が小さい第１パターンの閉ループと、閉ループの抵抗成分が大きい第２パターンの閉ループを形成可能なことを特徴とする均等化回路（１０）。
これによれば、アクティブ方式の均等化回路（１０）において、回路面積の増大を抑えつつ、複数のセル（Ｃ１−Ｃ４）間の容量の微調整を容易に行うことができる。
【００７１】
［項目２］
前記制御部（１３）は、前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の内、あるセルから別のセルに移動させるべき容量の値が設定値より大きいとき、
前記セル選択回路（１１）を制御して前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の内の放電対象とするセルの両端と前記インダクタ（Ｌ１）の両端を所定時間、導通させ、
前記セル選択回路（１１）を制御して前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）と前記インダクタ（Ｌ１）を電気的に遮断するとともに、前記エネルギー保持・消費回路（１２）に前記第１パターンの閉ループを形成させ、
前記エネルギー保持・消費回路（１２）に前記第１パターンの閉ループを解除させるとともに、前記セル選択回路（１１）を制御して前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の内の充電対象とするセルの両端と前記インダクタ（Ｌ１）の両端を所定時間、導通させる、
ことを特徴とする項目１に記載の均等化回路（１０）。
これによれば、セル（Ｃ１−Ｃ４）間のエネルギー移動によるアクティブセルバランスを実現することができる。
【００７２】
［項目３］
前記制御部（１３）は、前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の内、あるセルから別のセルに移動させるべきエネルギー量が設定値より小さいとき、
前記セル選択回路（１１）を制御して前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の内の放電対象とするセルの両端と前記インダクタ（Ｌ１）の両端を所定時間、導通させ、
前記セル選択回路（１１）を制御して前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）と前記インダクタ（Ｌ１）を電気的に遮断するとともに、前記エネルギー保持・消費回路（１２）に前記第２パターンの閉ループを形成させる、
ことを特徴とする項目１または２に記載の均等化回路（１０）。
これによれば、少ない素子数で、放電対象とするセルのエネルギーを消費させることができる。
【００７３】
［項目４］
前記制御部（１３）は、前記電圧検出部（１４）により検出された前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の電圧をもとに、前記ｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の目標電圧／目標容量を決定し、前記目標電圧／目標容量より高いセル（Ｃ１−Ｃ４）を放電対象のセルに決定し、前記目標電圧／目標容量より低いセルを充電対象のセルに決定することを特徴とする項目１または２に記載の均等化回路（１０）。
これによれば、セル（Ｃ１−Ｃ４）間のエネルギー移動によるアクティブセルバランスを実現することができる。
【００７４】
［項目５］
前記セル選択回路（１１）は、
前記インダクタ（Ｌ１）の一端に接続される第１配線（Ｗ１）と、
前記インダクタ（Ｌ１）の他端に接続される第２配線（Ｗ２）と、
前記直列接続されたｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の各ノードと、前記第１配線（Ｗ１）間にそれぞれ接続される（ｎ＋１）個の第１配線側スイッチ（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９）と、
前記直列接続されたｎ個のセル（Ｃ１−Ｃ４）の各ノードと、前記第２配線（Ｗ２）間にそれぞれ接続される（ｎ＋１）個の第２配線側スイッチ（Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０）と、
を含むことを特徴とする項目１から４のいずれか１項に記載の均等化回路（１０）。
これによれば、アクティブ方式の均等化回路（１０）を少ないスイッチ数で実現することができる。
【００７５】
［項目６］
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のセル（Ｃ１−Ｃ４）と、
項目１から５のいずれか１項に記載の均等化回路（１０）と、
を備えることを特徴とする蓄電システム（１）。
これによれば、アクティブ方式の均等化回路（１０）において、回路面積の増大を抑えつつ、複数のセル（Ｃ１−Ｃ４）間の容量の微調整を容易に行うことができる蓄電システム（１）を構築することができる。
【００７６】
［項目７］
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）のそれぞれの電圧を検出する電圧検出部（１４）と、
前記電圧検出部（１４）により検出された前記ｎ個のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）の電圧をもとに、前記ｎ個のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）間の均等化処理を実行する制御部（１３）と、
インダクタ（Ｌ１）と、
前記ｎ個のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）と前記インダクタ（Ｌ１）間に設けられ、前記ｎ個のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）のいずれかのモジュールの両端と、前記インダクタ（Ｌ１）の両端を導通させることが可能なモジュール選択回路（１１）と、
前記モジュール選択回路（１１）がいずれのモジュールも選択していない状態で、前記インダクタ（Ｌ１）を含む閉ループを形成するためのエネルギー保持・消費回路（１２）と、を備え、
前記エネルギー保持・消費回路（１２）は、閉ループの抵抗成分が小さい第１パターンの閉ループと、閉ループの抵抗成分が大きい第２パターンの閉ループを形成可能なことを特徴とする均等化回路（１０）。
これによれば、アクティブ方式の均等化回路（１０）において、回路面積の増大を抑えつつ、複数のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）間の容量の微調整を容易に行うことができる。
【００７７】
［項目８］
直列接続されたｎ（ｎは２以上の整数）個のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）と、
項目７に記載の均等化回路（１０）と、
を備えることを特徴とする蓄電システム（１）。
これによれば、アクティブ方式の均等化回路（１０）において、回路面積の増大を抑えつつ、複数のモジュール（Ｃ１−Ｃ４）間の容量の微調整を容易に行うことができる蓄電システム（１）を構築することができる。
【符号の説明】
【００７８】
１  蓄電システム、  １０  均等化回路、  １１  セル選択回路、  １２  エネルギー保持・消費回路、  １２ａ  エネルギー保持回路、  １３  制御部、  １４  電圧検出部、  ２０  蓄電部、  Ｃ１−Ｃ４  セル、  Ｓ１−Ｓ１０  スイッチ、  Ｗ１  第１配線、  Ｗ２  第２配線、  Ｌ１  インダクタ、  Ｓｃ−Ｓｃ４  クランプスイッチ、  Ｓｂ  バイパススイッチ、  Ｓｃｎ  導通スイッチ、  Ｒｃ  抵抗。
【図１】
2020049910.tif 000003
【図２】
2020049910.tif 000004
【図３】
2020049910.tif 000005
【図４】
2020049910.tif 000006
【図５】
2020049910.tif 000007
【図６】
2020049910.tif 000008
【図７】
2020049910.tif 000009
【図８】
2020049910.tif 000010
【図９】
2020049910.tif 000011
【国際調査報告】
2020049910.tif 000012
2020049910.tif 000013