JP2007006552A - 組電池用均等化回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な回路構成を採用するにもかかわらずエネルギーロスや回路発生熱量を低減できるとともに各電池セル間の電圧ばらつきを良好に低減可能な組電池用均等化回路を実現する。
【解決手段】組電池１の各電池セルの電圧を検出するフライングキャパシタ式電圧検出回路を利用することにより、各電池セルの電圧を均等化させる。あるいは、組電池１の各電池セルの電圧均等化動作を、電圧が大きい電池セルから、フライングキャパシタを経由して電圧が小さい電池セルに電荷転送する電荷転送型均等化回路を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、組電池を構成する各電池セル間の電圧ばらつきを低減するための組電池用均等化回路の改良に関する。

たとえば車両用大電力用途向け二次電池として、エネルギー密度が高いニッケル水素電池やリチウム電池などが既に採用されているかあるいは採用が検討されている。特にリチウム電池（リチウムポリマー電池を含む）は優れたエネルギー密度を有しており、注目されている。この車両用大電力用途向け二次電池では、配線や負荷の抵抗電力損失の低減などのためにできるだけ高電圧で使用されることが好ましく、このため、各電池セルを直列接続した組電池として使用に供される。したがって、この組電池の各電池セルの充放電電流は本質的に等しくなるが、各電池セル間の充放電能力のばらつきなどのため、組電池の充放電が繰り返されると各電池セル間の蓄電レベル（容量）にばらつきが生じ、各電池セル間の電圧ばらつきが増大する。電池セルとりわけリチウム電池セルは過充電及び過放電に達しない所定の電圧範囲にて使用されるように厳重に管理される必要があるが、各電池セルの電圧が異なると、もっとも低い電圧をもつ電池セルが所定の最低電圧レベルに達したら組電池の放電を終了させる必要があり、同じくもっとも高い電圧をもつ電池セルが所定の最高電圧レベルに達したら組電池の充電を終了させる必要がある。つまり、各電池セルの電圧ばらつきが進行すると、組電池の使用可能な充放電能力が減少してしまう。

この問題は、組電池の各電池セルのうち、電圧が高い電池セルを電圧が低い電池セルの電圧レベルまで放電させて各電池セルの電圧を揃える回路処理（電池均等化処理と呼ばれる）により解消できることが知られている。たとえば下記の特許文献１、２は電池均等化を行う均等化回路を提案している。この種の電池均等化処理はたとえば放電抵抗と放電制御スイッチとを直列してなる放電用バイパス回路を各電池セルそれぞれと並列に接続し、放電制御スイッチを開閉制御して行うことができる。

また、上記したようにすべての電池セルにおいて過放電及び過充電の発生を防止することが重要であるため、組電池のすべての電池セルの電圧を個々に検出する必要がある。しかしながら、たとえば数十あるいは数百の電池セルを直列接続してなる組電池では各電池セルの電位レベルが大きく異なるため、各電池セルの電圧検出は簡単ではない。このため、組電池の各電池セルの電圧をマルチプレクサを用いて１個又は少数のフライングキャパシタに時間順次に転送するフライングキャパシタ式電池電圧検出回路がたとえば下記の特許文献３−５などにより提案されている。このフライングキャパシタ式電池電圧検出回路では、フライングキャパシタに読み込まれた電池セル電圧は、マルチプレクサの全遮断により各電池セルとフライングキャパシタとの接続を遮断した状態にてフライングキャパシタと電圧検出回路とをアナログスイッチにより接続してなされる。これにより、各電池セル間の電位差が大きくても、一個又は少数の電圧検出回路にて各電池セルの電圧を問題なく検出することが可能となる。
特開２００２−３２５３７０号公報 特開２００３−３２９０７号公報 特開平１１−２７２９８１号公報 特開２００２−２８９２６３号公報 特開２００２−３２５２１２号公報 特開２００３−０８４０１５号公報

しかしながら、上記した組電池用均等化回路は、本質的に相対的に高電圧の電池セルを放電抵抗へ放電させて熱に変えることにより、その電圧を相対的に低電圧の電池セルの電圧に収束させるものであり、貴重な電池蓄電エネルギーのロスが生じるという欠点があった。

また、放電抵抗の熱劣化やその熱が周辺の回路素子に悪影響も与えるという欠点もあった。

更に、各電池セルごとに上記した放電バイパス回路を設けることは回路構成が複雑化するという欠点を生じた。

なお、電池均等化処理を頻繁に行わないことにより上記欠点を軽減することができるが、このことは、組電池の各電池セル間の電圧ばらつき（ＳＯＣばらつきに強い正相関をもつ）が増大して組電池の実質的に使用可能な充放電能力が減少するため、必要な組電池の充放電能力を確保するため、組電池を大型化せねばならないという問題に帰結した。

本発明は、従来の組電池の上記問題点に鑑みなされたものであり、簡素な回路構成を採用するにもかかわらずエネルギーロスや回路発生熱量を低減できるとともに各電池セル間の電圧ばらつきを良好に低減可能な組電池用均等化回路を実現することをその目的としている。

上記課題を解決する本発明の組電池用均等化回路の特徴を以下に説明する。ただし、下記で言う電池セルは、単一の電池セル（単電池）で構成され得る他、互いに直列接続された複数（たとえば２ー８個）の電池セルにより構成されても良い。

電池均等化処理の本質は、過充電に相対的に早く接近する電池セルの充電を相対的に抑止し、かつ、過放電に相対的に早く接近する電池セルの放電を相対的に抑止する点にある。したがって、過充電に早期に接近する電池セルへの充電電流の流入を実質的に抑止し、過放電に早期に接近する電池セルの放電電流の流出を実質的に抑止する回路機能を実現できればよいことがわかる。つまり、相対的に蓄電超過状態の電池セルの蓄電エネルギーを、相対的に蓄電不足状態の電池セルに転送することができれば、逐電エネルギーを熱エネルギーとして周囲に悪影響を与えつつ無駄に消費することなく、各電池セル間の電圧レベル（又は蓄電レベル）を均等化することができる。

更に具体的に説明すると、本発明の組電池用均等化回路は、互いに直列接続されて組電池をなす複数の電池セルの間の複数の電池セルの間の電圧ばらつきを低減する組電池用均等化回路において、少なくとも一つのキャパシタをもつキャパシタ回路と、前記複数の電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷移動を個別に制御する電荷移動制御回路と、前記各電池セルの電圧を検出する電池電圧検出回路とを備え、前記電荷移動制御回路が、前記電池電圧検出回路により検出された前記各電池セルの電圧状態に基づいて、相対的に高い電圧をもつと判定された前記電池セルである高電圧セルから前記キャパシタ回路へ電荷を送電し、その後、相対的に低い電圧をもつと判定された前記電池セルである低電圧セルへ前記キャパシタ回路の電荷を送電する電荷転送型均等化処理を行うことにより前記各電池セル間の電圧ばらつきを低減することを特徴としている。

本発明の組電池用均等化回路を採用することにより、簡素な回路構成を採用するにもかかわらずエネルギーロスや回路発生熱量を低減できるとともに各電池セル間の電圧ばらつきを良好に低減可能な組電池用均等化回路を実現することができる。

更に詳しく説明すると、あらかじめ高電圧セルと低電圧セルとを検出しておき、高電圧セルの電荷を本質的にフライングキャパシタであるキャパシタへ転送し、次に、フライングキャパシタに蓄積された電荷を低電圧セルへ再度転送する。これにより、高電圧セルの過剰な蓄電エネルギーを熱に転換して無駄に消耗することなく、組電池の各電池セル間の電圧ばらつきを低減し、理想的な組電池の均等化を実現することができる。その結果、従来用いていた各電池セルに個別に設けていた放電回路を省略することができるとともにその発生熱が周辺の回路素子に悪影響も与えるという欠点も生じることもない。

なお、本発明は、各電池セルの電圧の相対比較に基づいて上記電荷転送を制御したが、本質的に重要なのは電池セルの充電状態（ＳＯＣ）であるため、各電池セルのＳＯＣに相対比較に基づいて上記電荷転送を制御してもよい。ただし、電池セルの電圧と電池セルのＳＯＣとは強い正相関をもつため、電池セルの電圧を均等化する処理により大きな支障は生じない。

なお、従来、組電池の電圧検出回路として知られている公知のフライングキャパシタ式電池電圧検出回路を作動させると、高電圧の電池セル（高電圧セル）から低電圧の電池セル（低電圧セル）へ、フライングキャパシタを通じて電荷が転送されて、結果的に各電池セル間の電圧ばらつきが低減されることもある。しかしながら、従来のフライングキャパシタ式電池電圧検出回路では、各電池セルの電圧状態に無関係に一定順序にて各電池セルとフライングキャパシタとの間の電荷転送がなされるため、この電荷転送はアトランダムとなり、各電池セル間の電圧ばらつき低減を適切に実施することができない。これに対して、本発明によれば、あらかじめ把握している各電池セルの電圧状態に基づいて適切な順序で各電池セル間の電荷転送を実施するため、少ない転送回数により大きな均等化効果を奏することができる。

なお、キャパシタ回路のキャパシタは好適にはフライングキャパシタが採用される。これにより、各電池セルの電位レベルが大幅に異なっても、たとえばマルチプレクサと一個のフライングキャパシタといった簡素な回路構成により、支障無く均等化処理を実施することができる。なお、キャパシタ回路のキャパシタ（好適にはフライングキャパシタ）の静電容量は必要な均等化能力に応じて適宜決定することができる。

好適な態様において、前記電荷移動制御回路は、前記組電池又はそれに所属する所定の電池ブロック内にて、電圧順にならべてその端から電圧がもっとも大きいか又は電圧がもっとも小さいセルから順番に前記キャパシタ回路に接続する。

たとえば、電荷移動制御回路は、電圧がもっとも大きい電池セルから順にキャパシタ回路に接続し、電圧がもっとも小さい電池セルをキャパシタ回路に接続した後、再び電圧がもっとも大きい電池セルをキャパシタ回路に接続する。又は、電荷移動制御回路は、電圧がもっとも小さい電池セルから順にキャパシタ回路に接続し、電圧がもっとも大きい電池セルをキャパシタ回路に接続した後、再び電圧がもっとも小さい電池セルをキャパシタ回路に接続する。このようにすれば、途中の電荷転送量を減らしつつ、過大な電圧をもつ電池セルの電荷を過小な電圧をもつ電池セルに大きく転送させることができる。

好適な態様において、前記電荷移動制御回路は、前記組電池又はそれに所属する所定の電池ブロック内にて、電圧がもっとも大きい前記電池セル、電圧がもっとも小さい前記電池セル、電圧が二番目に大きい前記電池セル、電圧が二番目に小さい前記電池セルの順に前記キャパシタ回路に接続する。このようにすれば、過大電圧セルと過小電圧セルとを交互にキャパシタ回路に接続するため、一回の電荷転送により各電池セル間の電圧ばらつきを効果的に低減することができる。

好適な態様において、前記電荷移動制御回路は、前記各電池セルのうち、電圧過剰度合い又は電圧不足度合いが相対的に小さい前記電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷転送を定期的に休止する。このようにすれば、適正電圧範囲にあり、電圧均等化のための追加の充放電を必要としない電池セルへのキャパシタ接続が必要ではないため、回路損失を低減できるとともに、均等化のために必要な時間を短縮することができる。

好適な態様において、前記電荷移動制御回路は、電圧過剰度合い又は電圧不足度合いが大きい電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷転送頻度を、電圧過剰度合い又は電圧不足度合いが小さい電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷転送頻度よりも増大させる。これにより、均等化のための必要時間の増大を抑止しつつ、均等化効果を増大することができる。

好適な態様において、前記電荷移動制御回路は、前記各電池セルの両極と前記キャパシタ回路とを個別に接続するマルチプレクサを含む。このようにすれば、各電池セルとキャパシタ回路との個別接続を簡素な回路構成で実現することができる。

好適な態様において、前記電池電圧検出回路は、前記マルチプレクサが前記各電池セルと前記キャパシタ回路との導通を遮断している期間に前記キャパシタ回路の蓄電電圧を読み取って外部に出力する。すなわち、この実施態様によれば、マルチプレクサ及びキャパシタ回路は、従来公知のフライングキャパシタ式電池電圧検出回路の主要部を兼ねる。これにより、回路構成を大幅に簡素化することができる。言い換えると、この実施態様によれば、従来公知のフライングキャパシタ式電池電圧検出回路のマルチプレクサとフライングキャパシタとにより本発明の組電池用均等化回路を実現できるため、回路構成の複雑化を回避することができる。

好適な態様において、前記キャパシタ回路は、一つのフライングキャパシタを有し、前記マルチプレクサは、奇数番目の前記電池セルの正極と前記フライングキャパシタの一端とを接続するアナログスイッチと、偶数番目の前記電池セルの正極と前記フライングキャパシタの他端とを接続するアナログスイッチとを有する。このようにすれば、組電池用均等化回路（及び／又は電池電圧検出回路）回路構成を簡素に実現することができる。

好適な態様において、前記キャパシタ回路は、奇数番目の前記電池セルから電圧を受け取るフライングキャパシタＣ１と、偶数番目の前記電池セルから電圧を受け取るフライングキャパシタＣ２と、一端が前記フライングキャパシタＣ１の一端に接続されるスイッチＳ１０と、一端が前記フライングキャパシタＣ２の一端に接続されるスイッチＳ１１と、前記スイッチＳ１０、Ｓ１１の前記他端と前記フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の他端とを接続するスイッチＳ１２とを有し、前記電荷移動制御回路は、互いに隣接する二つの前記電池セルの電圧を蓄積する前記二つのフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧を、前記スイッチＳ１０、Ｓ１１の一つをオンし、前記スイッチＳ１２をオフすることにより、前記二つの前記電池セルのうち電圧が小さい方の前記電池セルへ印加する。このようにすれば、互いに隣接する一対の電池セルのうち、高電圧セルの放電と低電圧セルの充電とのための一回あたりの電荷転送を大きくすることができるため、均等化能率を向上することができる。

好適な態様において、前記キャパシタ回路は、電気二重層コンデンサからなるフライングキャパシタを有する。このようにすれば、電気二重層コンデンサの単位体積当たりの大容量を利用して装置体格を増大することなく均等化電力を増大することができるとともに、このフライングキャパシタと直列に接続されるスイッチやマルチプレクサのスイッチのオン期間の初期に極めて大きな充放電電流が流れるのを電気二重層コンデンサの比較的大きな内部抵抗により緩和することができるため、放電規制抵抗などを追加することなく、これらスイッチの損失や発熱を軽減することができるため、高価なスイッチの小型化を図ることができる。

なお、その他、上記と同じ技術思想にしたがって、たとえば互いに直列接続された３個以上のフライングキャパシタの合計電圧を所定の電池セルに印加してもよい。

（変形態様）
なお、各電池セルの電圧検出動作と均等化動作との組み合わせには種々のバリエーションが可能である。たとえば、すべての電池セル電圧を検出した後、組電池全体の均等化処理を行ってもよく、あるいは組電池の一部の電池セル群の電圧を検出した後、これら一部の電池セル群の間で均等化処理を行ってもよい。

本発明の組電池用均等化回路を適用した電池管理装置の好適態様を以下、図面を参照して説明する。ただし、本発明は、下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の技術思想を公知技術又はそれと等しい必要機能を持つ技術の組み合わせにより実現してもよいことは明白である。

[実施形態１]
ハイブリッド自動車の走行エネルギー蓄積用の組電池の各電池セルの電圧と電圧均等化とを行う均等化回路兼用電池電圧検出回路の回路構成を図１に示すブロック回路図を参照して説明する。

（全体構成）
図１において、１は組電池、２はマルチプレクサ、３はキャパシタ回路、４はアナログスイッチ回路、５は電圧検出回路、６はマイコン内蔵のコントローラである。マルチプレクサ２、キャパシタ回路３、アナログスイッチ回路４、電圧検出回路５及びコントローラ６は、各電池セルの電圧を検出する電池電圧検出回路を構成するとともに、各電池セル間の電圧ばらつきを低減する均等化回路をしている。

組電池１の各電池セルの電圧はマルチプレクサ２により順次選択されてキャパシタ回路３に送られる。キャパシタ回路３が検出した各電池セルの電圧は、マルチプレクサ２のオフ期間にアナログスイッチ回路４をオンすることにより電圧検出回路５に読み込まれてデジタル信号に変換された後、コントローラ６に読み込まれる。コントローラ６は読み込んだ各電池セルの電圧に基づいて組電池１の充放電を制御し、かつ、各電池セルの均等化を行う。コントローラ６は、読み込んだ各電池セルの電圧（この電圧と組電池１の電流などから演算した各電池セルのＳＯＣでもよい）を各電池セルごとに記憶するメモリ領域を有しており、各電池セルの電圧が読み込まれるたびに、このメモリ領域は書き換えられる。図１において、マルチプレクサ２、キャパシタ回路３、アナログスイッチ回路４及び電圧検出回路５の回路構成及びその動作は、従来のフライングキャパシタ式電池電圧検出回路と同じである。この実施例では、各電池セルの電圧検出動作により各電池セルの均等化動作がなされる。

（キャパシタ回路３の詳細構成）
次に、キャパシタ回路３の詳細を図２に示す回路図を参照して説明する。図２において、Ｅ１〜Ｅ４は組電池１の各電池セルであり、電池セルＥ１〜Ｅ４は図示しない他の電池セルとともに直列接続されて、不図示の電気負荷や発電源と充放電を行っている。Ｓ１〜Ｓ５は、キャパシタ回路３を構成するフライングキャパシタと各電池セルとを接続するアナログスイッチであり、アナログスイッチＳ１〜Ｓ５はマルチプレクサ２と総称される。

キャパシタ回路３は、互いに直列接続されたフライングキャパシタＣ１、Ｃ２と、一端がフライングキャパシタＣ１の一端に接続されるスイッチＳ１０と、一端がフライングキャパシタＣ２の一端に接続されるスイッチＳ１１と、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の他端とスイッチＳ１０、Ｓ１１の他端とを接続するスイッチＳ１２とからなる。スイッチＳ１０〜Ｓ１２はアナログスイッチである。

フライングキャパシタＣ１の一端とスイッチＳ１０の一端はマルチプレクサ２の出力ラインＬ１に接続され、フライングキャパシタＣ２の一端とスイッチＳ１１の一端はマルチプレクサ２の出力ラインＬ３に接続され、スイッチＳ１０、Ｓ１１の他端とスイッチＳ１２の一端とはマルチプレクサ２の出力ラインＬ２に接続されている。Ｎを正の整数としたとき、出力ラインＬ１はマルチプレクサ２の１＋４Ｎ番目のアナログスイッチＳ１、Ｓ５に接続され、出力ラインＬ２はマルチプレクサ２の偶数番目のアナログスイッチＳ２、Ｓ４に接続され、出力ラインＬ３はマルチプレクサ２の３＋４Ｎ番目のアナログスイッチＳ３、Ｓ７に接続されている。

アナログスイッチ回路４はアナログスイッチＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３からなり、電圧検出回路５は二つの電圧増幅回路５１、５２を有している。なお、アナログスイッチ回路４をマルチプレクサ構成とすることにより、電圧検出回路５を一つの電圧増幅回路により構成しても良い。アナログスイッチＳ２１は出力ラインＬ１と電圧増幅回路５１の一つの入力端とを接続し、アナログスイッチＳ２３は出力ラインＬ３と電圧増幅回路５２の一つの入力端とを接続し、アナログスイッチＳ２２はフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の接続点と電圧増幅回路５１、５２の他の入力端とを接続している。電圧増幅回路５１、５２の出力電圧はデジタル信号に変換されてコントローラ６に送信される。

（電圧検出動作）
図２に示す回路による電池セル電圧読み出し動作を以下に説明する。この電池セル電圧読み出し動作は本質的に従来のフライングキャパシタ式電池電圧検出回路のそれと同じである。ただし、この実施例では、隣接する二つの電池セルの電圧をフライングキャパシタＣ１、Ｃ２に個別に蓄積し、その後、この二つの蓄積電圧を電圧増幅回路５１、５２に個別に読み出す。この電圧検出動作ではスイッチＳ１２は常時オンされており、他のアナログスイッチはオフされている。

最初に、電池セルＥ１、の電圧読み出しを説明する。まずアナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３をオンして、電池セルＥ１の電圧をフライングキャパシタＣ１に、電池セルＥ２の電圧をフライングキャパシタＣ２に読み出す。次に、アナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３をオフし、アナログスイッチＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３をオンすることにより、フライングキャパシタＣ１の電圧を電圧増幅回路５１に、フライングキャパシタＣ２の電圧を電圧増幅回路５２に所定期間送り、その後、アナログスイッチＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３をオフする。

次に、電池セルＥ３と電池セルＥ４の電圧読み出しを説明する。まずアナログスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５をオンして、電池セルＥ３の電圧をフライングキャパシタＣ２に、電池セルＥ４の電圧をフライングキャパシタＣ１に読み出す。次に、アナログスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５をオフし、アナログスイッチＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３をオンすることにより、フライングキャパシタＣ１の電圧を電圧増幅回路５１に、フライングキャパシタＣ２の電圧を電圧増幅回路５２に所定期間送り、その後、アナログスイッチＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３をオフする。以下、上記と同様の動作を繰り返すことにより、すべての電池セルの電圧をコントローラ６に送信することができる。なお、アナログスイッチＳ２２の省略は可能である。

（第１の均等化動作）
次に、第１の均等化動作を図３に示すフローチャートを参照して説明する。このフローチャートに示される動作ルーチンはコントローラ６により遂行される。ただし、この態様では均等化動作は互いに隣接する２つの電池セル間にてこれら２つの電池セルの電圧読み出しの直後に行われるものとする。説明を簡単するために、電池セルＥ１、Ｅ２間の均等化を例のみを説明する。

まず、電池セルＥ１、Ｅ２の電圧をフライングキャパシタＣ１、Ｃ２及び電圧検出回路５を通じてコントローラ６に読み込まれると（Ｓ１００）、コントローラ６は電池セルＥ１、Ｅ２の電圧差が所定しきい値以上かどうかを判定し（Ｓ１０２）、電圧差が小さければＳ１００に戻って次の電池セルペアの電圧読み出しを行う。電圧差が大きければ、電圧が小さい方の電池セルに対して充電を行うことにより均等化処理を実行し（Ｓ１０４）、その後でＳ１００に戻って次の電池セルペアの電圧読み出しを行う。

上記した電池セルＥ１、Ｅ２の電圧を読み出した直後において、フライングキャパシタＣ１には電池セルＥ１の電圧が、フライングキャパシタＣ２には電池セルＥ２の電圧が残留している。そこで、アナログスイッチＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３をオンし、その後アナログスイッチＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３をオフする電圧読み出し動作の後、電池セルＥ１の電圧が電池セルＥ２の電圧よりしきい値以上小さい場合には、アナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ１１のみをオンしてフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧を電池セルＥ１に印加する。これにより、電池セルＥ１が充電される。逆に、電池セルＥ２の電圧が小さい場合には、アナログスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ１０のみをオンしてフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧を電池セルＥ２に印加する。これにより、電池セルＥ２が充電される。

つまり、この第１の均等化動作では、電池セルペアの電圧を読み出した時にフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の充電電荷を電圧が小さい方の電池セルＥに返すことにより、均等化処理を行う。他の電池セルペアにおいても同じである。

（第２の均等化動作）
第２の均等化動作を図４、図５を参照して説明する。上記した第１の均等化動作は、電池セルペアの電圧読み出しごとにこれら電池セルペアの電圧均等化を行った。しかし、この方式では、すべての電池セル電圧の読み出しに要する時間が増大するという不満が生じる。そこで、この実施形態では、すべての電池セルの電圧読み出しを１回行って、各電池セルの電圧を記憶した後、各電池セルペアごとに電圧差が大きい電池セルペアを選択して第１の均等化動作で説明した均等化処理を行う。したがって、この場合には、この均等化処理の前に電池セルペアによりフライングキャパシタＣ１、Ｃ２を充電する動作が行われる必要がある。電池セルＥ１の充電による均等化処理の例を図４のフローチャート及び図５のタイミングチャートを参照して説明する。

まず、電池セルＥ１、Ｅ２によりフライングキャパシタＣ１、Ｃ２を充電する（Ｓ１０６）。次にすべてのスイッチをオフし（Ｓ１０８）、その後、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧を電池セルＥ１に印加して電池セルＥ１を充電する。この第２の均等化処理によれば、各電池セルの電圧検出に要する時間を短縮できる利点が生じる。

（第３の均等化動作）
この実施形態では、上記第２の均等化動作を連続して必要回数繰り返す。好適には、電圧差が大きいほどあるいは充電すべき電池セルの電圧が小さいほど第２の均等化動作の連続繰り返し回数を増大する。このようにすれば、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の容量が小さくても、均等化充電を強力に行うことができる。

（第４の均等化動作）
第４の均等化動作を図６を参照して説明する。上記均等化処理では、同時にフライングキャパシタＣ１、Ｃ２を充電する２つの電池セルが両方とも電圧が小さい場合に、他の電池セルに対する均等化が十分でない問題が生じる。そこで、この実施形態では、まず各電池セルの電圧を検出してコントローラ６のメモリに記憶し（Ｓ１１２）、次に、メモリのデータから選択した電圧が大きい二つの電池セルによりフライングキャパシタＣ１、Ｃ２を充電し、次に、メモリのデータから選択した電圧が小さい一つの電池セルにフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧を印加する。

すなわち、図２に示すマルチプレクサ２及びスイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２を使えば、任意の奇数番目の電池セルの電荷をフライングキャパシタＣ１に転送することができ、任意の偶数番目の電池セルの電荷をフライングキャパシタＣ２に転送することができ、しかも、奇数番目の電池セルからフライングキャパシタＣ１への上記転送と、偶数番目の電池セルからフライングキャパシタＣ２への上記転送とは独立に実施することもできる。したがって、各電池セルのうち電圧が大きい電池セルの蓄電エネルギーをフライングキャパシタＣ１、Ｃ２に蓄積することができるわけである。

同様に、フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧はマルチプレクサ２の各アナログスイッチとスイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２の制御により任意の電池セルに印加できるため、メモリの記憶データから選択した電圧が小さい電池セルにフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧を印加できるわけである。

好適には、電圧がなるべく大きな電池セルから電圧がなるべく小さい電池セルへ電荷転送がなされるべきである。また、時間が許す限り、この電荷転送は連続して繰り返してなされることが好適である。

（変形態様）
上記実施例では、２つのフライングキャパシタＣ１、Ｃ２を用いたが、更に多数のフライングキャパシタの合計直列電圧を電圧が小さい電池セルに印加えしてもよいことは明白である。

[実施形態２]
他の実施形態の均等化回路兼用電池電圧検出回路のキャパシタ回路３を図７に示す回路図を参照して説明する。図７の回路構成は、従来公知の１キャパシタ型電池電圧検出回路と同じであり、キャパシタ回路３は一つのキャパシタＣのみにより構成されている。図７の回路による各電池セルの電圧読み出し動作自体は実施形態１又は従来公知の１キャパシタ型電池電圧検出回路と同じであるため、説明を省略する。また、アナログスイッチ回路４をブリッジ構成にすることにより電圧検出回路５に常に同じ方向の電圧を読み出すことも公知である。

（第１の均等化動作）
図７において、均等化動作は、実施形態１の第２の均等化動作と同様に、まず各電池セルの電圧を読み出し、その後、電圧が大きい電池セルを選択してフライングキャパシタＣを充電し、次に、選択した電圧が小さい電池セルＥにフライングキャパシタＣから充電すればよい。もちろん、充放電を繰り返すことにより、必要な電力エネルギーを電圧が小さい電池セルに伝送することができる。

（第２の均等化動作）
上記第１の均等化動作では、フライングキャパシタＣの電圧と、それにより充電されるべき電池セルの電圧が小さく、充放電の繰り返し回数が増大するという問題がある。しかし、図７の回路を分析すると、互いに直列接続された奇数個の電池セルの合計電圧をフライングキャパシタＣに印加できることがわかる。たとえば、アナログスイッチＳ１、Ｓ４をオンすれば、電池セルＥ１〜Ｅ３の合計電圧をフライングキャパシタＣに印加することができる。

そこで、各電池セルの電圧を読み出した後、それぞれ電圧が大きく、かつ、互いに隣接する奇数個（たとえば３個）の電池セルの電圧をフライングキャパシタＣに印加し、その後、このフライングキャパシタＣの電圧を電圧が小さい所定の電池セルに印加すればよい。動作手順は図６のフローチャートに示す通りである。

（第３の均等化動作兼電圧検出動作）
図７に示す回路では、最高電位の電池セルＥ１から、あるいは、最低電位の電池セルから順番に電圧読み出しを行うと、フライングキャパシタＣの充電方向が電池セルごとに逆となるため、フライングキャパシタＣの充放電損失が大きくなる。そこで、この電圧検出動作では、まず奇数番目の電池セルの電圧を順番に読み出し、その後、偶数番目の電池セルの電圧を順番に読み出す。これにより、フライングキャパシタＣの充放電損失を低減することができる。

これにより、コントローラ６は各電池セルの電圧を把握することができるため、次の電圧読み出しは、奇数番目の電池セル群に対して電圧が高い順に行い、次に、偶数番目の電池セル群に対して電圧が高い順に行う。

このようにすると、奇数番目の電池セル群の各電池セルの電圧読み出しにおいて、電圧が最も高い最初の電池セルを除いて、電圧読み出し動作により各電池セルはすべて充電されることになる。また、奇数番目又は偶数番目の電池セル群の最初の電池セル（電圧が最も高い電池セル）は、フライングキャパシタＣをその充電方向と逆の方向へ大きく充電するため大きく放電することになる。したがって、この電圧読み出し方法を採用すると、電圧読み出しにおいて電圧が小さい各電池セルの電圧は消耗することがなく、かえって充電されることがわかる。また、電圧が最も大きい電池セルは大きく放電するため、電圧読み出し動作により均等化動作を効率よく同時に実行できることがわかる。

（第４の均等化動作兼電圧検出動作）
第３の均等化動作兼電圧検出動作では、２回目以降の電圧読み出しを奇数番目の電池セル群内で電圧が高い順に行い、次に偶数番目の電池セル群内で電圧が高い順に行った。しかし、この方法では、時間的に隣接する二つの電池セル間の電圧差が小さく、エネルギー移動量が小さい。

そこで、この実施形態では、２回目以降の電圧読み出しにおいて、奇数番目の電池セル群内にて電圧が最も高い電池セル、電圧が最も低い電池セル、電圧が二番目に高い電池セル、電圧が二番目に低い電池セルという順に行い、その後、偶数番目の電池セル群内にて電圧が最も高い電池セル、電圧が最も低い電池セル、電圧が二番目に高い電池セル、電圧が二番目に低い電池セルという順に行う。このようにすれば、時間的に隣接する二つの電池セル間の電圧差を大きくできるため、エネルギー移動量を大きくできる。

[実施形態３]
他の実施形態の均等化回路兼用電池電圧検出回路のキャパシタ回路３を図８に示す回路図を参照して説明する。

上記各実施例における問題は、各電池セルの電圧を短時間で読み出すためにはフライングキャパシタの静電容量の無駄な増大は好ましくないが、均等化動作のためにはフライングキャパシタの静電容量はできるだけ大きい方がよく、利害が対立する点である。この実施形態はこの矛盾に鑑みなされたものである。

この実施形態のキャパシタ回路３は、電圧検出用の小静電容量のキャパシタＣと、大容量の均等化動作用キャパシタＣ３、Ｃ４と、スイッチＳ１３、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１６とからなる。キャパシタＣには高周波損失が小さいフィルムコンデンサなどが好適であり、キャパシタＣ３、Ｃ４には大容量の電解コンデンサが好適である。スイッチＳ１３〜Ｓ１６には、ＮチャンネルMOSトランジスタを用いたが、これに限定されるものではない。たとえばＰチャンネルMOSトランジスタをもちいてもよい。スイッチＳ１３とキャパシタＣ３とスイッチＳ１４とは直列接続されてマルチプレクサ２の一対の出力ラインＬ１、Ｌ２間に接続される。同じく、スイッチＳ１５とキャパシタＣ４とスイッチＳ１６とは直列接続されてマルチプレクサ２の一対の出力ラインＬ１、Ｌ２間に接続される。

なお、スイッチＳ１３、Ｓ１５のＰウエル領域はそのソース端子及び出力ラインＬ１に接続され、スイッチＳ１４、Ｓ１６のＰウエル領域はそのソース端子及び出力ラインＬ２に接続されている。

（電圧読み出し動作）
電圧読み出し動作においては、スイッチＳ１３〜Ｓ１６は遮断される。これにより、電池セルの電圧がマルチプレクサ２を通じてフライングキャパシタＣに読み出され、アナログスイッチ回路４を通じて電圧検出回路５に読み出される電圧検出動作において、キャパシタＣ３、Ｃ４は充放電しない。上記電圧読み出しにおいて、マルチプレクサ２の出力ラインＬ１は出力ラインＬ２に対して正電位となったり、負電位となったりするが、スイッチＳ１３、Ｓ１４のどちらか、及び、スイッチＳ１５、Ｓ１６のどちらかはその寄生ダイオードを含めてかならずオフすることができるため、電圧読み出しキャパシタＣ３、Ｃ４が充放電されることはない。

（均等化動作）
次に、均等化動作を説明する。この均等化動作も前に読み出して記憶する組電池１の各電池セルの電圧マップに基づいて行われる。この実施形態の均等化動作も本質的に図７に示す第２の実施形態のそれと同じである。ただ、出力ラインＬ１が出力ラインＬ２よりも正となる均等化動作では、スイッチＳ１６がオンされる。これにより、キャパシタＣと並列にキャパシタＣ４が充電される。逆に、出力ラインＬ１が出力ラインＬ２よりも負となる均等化動作では、スイッチＳ１３がオンされる。これにより、キャパシタＣと並列にキャパシタＣ３が充電される。これにより、一回の均等化動作により大きな静電エネルギーを伝送することができる。

（変形態様）
キャパシタＣ３が電解コンデンサではなく、極性をもたない場合には、図８の回路のキャパシタＣ４及びスイッチＳ１５、Ｓ１６の省略が可能である。

[実施形態４]
他の実施形態の均等化回路兼用電池電圧検出回路のキャパシタ回路４を図９に示す回路図を参照して説明する。図９に示す回路は、図８に示す回路において均等化動作用キャパシタＣ３及びスイッチＳ１３、Ｓ１４を省略し、均等化動作用キャパシタＣ４を電気二重層コンデンサに変更したものである。回路動作は本質的に図８と同じである。

この実施形態では、均等化動作用キャパシタＣ４として電気二重層コンデンサを採用する。電気二重層コンデンサは電解コンデンサやその他のコンデンサに比べて格段に大きい静電容量をもつため、装置体格を増大することなく均等化電流を格段に増大することができる。更に、電気二重層コンデンサは他のコンデンサに比べて比較的内部抵抗を容易に大きくすることができるため、大容量の均等化用キャパシタの静電容量の増大により均等化回路特にスイッチS１５、S１６の抵抗損失とその発熱を軽減することができるため、スイッチS１５、S１６を小型化することができる。更に、図９ではスイッチS１５、S１６のソース電極同士を接続した双方向遮断型アナログスイッチを構成しているため、スイッチS１５、S１６のゲート電極に印加する制御電圧を共通とすることができるため、制御回路構成を簡素化することができる。なお、この制御電圧はスイッチS１５、S１６を基準として形成される。

（効果）
上記した各実施形態によれば、組電池１の各電池セルの電圧読み出しに用いるマルチプレクサ２を電荷転送型均等化動作のために高電圧セルと低電圧セルとをフライングキャパシタに接続するためのスイッチ回路として採用するため、回路構成を大幅に簡素化することができる。更に、各実施形態の均等化動作は、従来の抵抗放電型の均等化動作に比べてエネルギー損失が少なく、熱的悪影響も小さいという効果をもつ。

実施形態１の電圧検出回路兼均等化回路を示すブロック回路図である。 図１の要部を示す回路図である。 実施形態１の電圧検出動作と均等化動作とを示すフローチャートである。 他の均等化動作を示すフローチャートである。 図４の均等化動作を示すタイミングチャートである。 他の均等化動作を示すフローチャートである。 実施形態２の電圧検出回路兼均等化回路を示すブロック回路図である。 実施形態３の電圧検出回路兼均等化回路を示すブロック回路図である。 実施形態３の電圧検出回路兼均等化回路を示すブロック回路図である。

符号の説明

Ｃ フライングキャパシタ
Ｃ１、Ｃ２ フライングキャパシタ
Ｃ３、Ｃ４ 均等化動作用キャパシタ
Ｅ１〜Ｅ４ 電池セル
Ｌ１〜Ｌ３ マルチプレクサの出力ライン
Ｓ１〜Ｓ５ アナログスイッチ
Ｓ１０〜Ｓ１２ スイッチ（キャパシタ回路の一部）
Ｓ１３〜Ｓ１６ スイッチ（キャパシタ回路の一部）
Ｓ２１〜２３ アナログスイッチ回路のアナログスイッチ
１ 組電池
２ マルチプレクサ
３ キャパシタ回路
４ アナログスイッチ回路
５ 電圧検出回路
６ コントローラ
５１ 電圧増幅回路
５２ 電圧増幅回路

Claims (10)

1. 互いに直列接続されて組電池をなす複数の電池セルの間の複数の電池セルの間の電圧ばらつきを低減する組電池用均等化回路において、
   少なくとも一つのキャパシタをもつキャパシタ回路と、
   前記複数の電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷移動を個別に制御する電荷移動制御回路と、
   前記各電池セルの電圧を検出する電池電圧検出回路と、
   を備え、
   前記電荷移動制御回路は、
   前記電池電圧検出回路により検出された前記各電池セルの電圧状態に基づいて、相対的に高い電圧をもつと判定された前記電池セルである高電圧セルから前記キャパシタ回路へ電荷を送電し、その後、相対的に低い電圧をもつと判定された前記電池セルである低電圧セルへ前記キャパシタ回路の電荷を送電する電荷転送型均等化処理を行うことにより前記各電池セル間の電圧ばらつきを低減することを特徴とする組電池用均等化回路。
2. 請求項１記載の組電池用均等化回路において、
   前記電荷移動制御回路は、
   前記組電池又はそれに所属する所定の電池ブロック内にて、電圧順にならべてその端から電圧がもっとも大きいか又は電圧がもっとも小さいセルから順番に前記キャパシタ回路に接続することを特徴とする組電池用均等化回路。
3. 請求項１記載の組電池用均等化回路において、
   前記電荷移動制御回路は、
   前記組電池又はそれに所属する所定の電池ブロック内にて、電圧がもっとも大きい前記電池セル、電圧がもっとも小さい前記電池セル、電圧が二番目に大きい前記電池セル、電圧が二番目に小さい前記電池セルの順に前記キャパシタ回路に接続することを特徴とする組電池用均等化回路。
4. 請求項１記載の組電池用均等化回路において、
   前記電荷移動制御回路は、
   前記各電池セルのうち、電圧過剰度合い又は電圧不足度合いが相対的に小さい前記電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷転送を定期的に休止することを特徴とする組電池用均等化回路。
5. 請求項１記載の組電池用均等化回路において、
   前記電荷移動制御回路は、
   電圧過剰度合い又は電圧不足度合いが大きい電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷転送頻度を、電圧過剰度合い又は電圧不足度合いが小さい電池セルと前記キャパシタ回路との間の電荷転送頻度よりも増大させることを特徴とする組電池用均等化回路。
6. 請求項１記載の組電池用均等化回路において、
   前記電荷移動制御回路は、
   前記各電池セルの両極と前記キャパシタ回路とを個別に接続するマルチプレクサを含むことを特徴とする組電池用均等化回路。
7. 請求項６記載の組電池用均等化回路において、
   前記電池電圧検出回路は、
   前記電荷移動制御回路の前記マルチプレクサが前記各電池セルと前記キャパシタ回路との導通を遮断している期間に前記キャパシタ回路の蓄電電圧を読み取って外部に出力することを特徴とする組電池用均等化回路。
8. 請求項６又は７記載の組電池用均等化回路において、
   前記キャパシタ回路は、一つのフライングキャパシタＣを有し、
   前記マルチプレクサは、奇数番目の前記電池セルの正極と前記フライングキャパシタＣの一端とを接続するアナログスイッチと、偶数番目の前記電池セルの正極と前記フライングキャパシタＣの他端とを接続するアナログスイッチとを有することを特徴とする組電池用均等化回路。
9. 請求項６又は７記載の組電池用均等化回路において、
   前記キャパシタ回路は、
   奇数番目の前記電池セルから電圧を受け取るフライングキャパシタＣ１と、
   偶数番目の前記電池セルから電圧を受け取るフライングキャパシタＣ２と、
   一端が前記フライングキャパシタＣ１の一端に接続されるスイッチＳ１０と、
   一端が前記フライングキャパシタＣ２の一端に接続されるスイッチＳ１１と、
   前記スイッチＳ１０、Ｓ１１の前記他端と前記フライングキャパシタＣ１、Ｃ２の他端とを接続するスイッチＳ１２と、
   を有し、
   前記電荷移動制御回路は、
   互いに隣接する二つの前記電池セルの電圧を蓄積する前記二つのフライングキャパシタＣ１、Ｃ２の合計電圧を、前記スイッチＳ１０、Ｓ１１の一つをオンし、前記スイッチＳ１２をオフすることにより、前記二つの前記電池セルのうち電圧が小さい方の前記電池セルへ印加することを特徴とする組電池用均等化回路。
10. 請求項１乃至９のいずれか記載の組電池用均等化回路において、
    前記キャパシタ回路は、電気二重層コンデンサからなるフライングキャパシタを有することを特徴とする組電池用均等化回路。

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