JP2008043002A - 直列蓄電セル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品数およびコストの増大あるいは実装の困難化をともなうことなく、セル間の電圧バランス補正機能と、過充電時のセル保護機能とを共に備えた直列蓄電セル装置を提供する。
【解決手段】複数の蓄電セルＢ１，Ｂ２が直列接続されるとともに、セル間の電圧を均等化させるために、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を用いた電圧バランス補正回路３１が設置された直列蓄電セル装置において、過充電時に上記蓄電セルを保護するための電流バイパス回路を、上記電圧バランス補正回路３１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を用いて形成させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の蓄電セルが直列接続されるとともに、セル間の電圧を均等化させる電圧バランス補正回路が設置された直列蓄電セル装置に関する。

二次電池やキャパシタなどの蓄電セルは多数を直列に接続して使用する場合が多い。たとえば電気自動車の動力電源あるいや負荷平準化用の蓄電システムなどでは、数十〜数百のセルを直列接続して使用する場合が多い。

このような場合、セル間に電圧バラツキが生じると、特定のセルに電圧が集中することによりセルの寿命が短くなってしまうという問題が生じる。たのため、蓄電セルを直列接続して使用する場合は、セル間の電圧を均等化させる電圧バランス補正回路が設置される（特許文献１参照）。

図３は、電圧バランス補正回路３１が設置された直列蓄電セル装置の概略を示す。同図に示す直列蓄電セル装置では、直列接続された２つの蓄電セルＢ１，Ｂ２に対して、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とインダクタＬｃを用いたインダクタ結合式の電圧バランス補正回路３１が設置されている。

この電圧バランス補正回路３１は、同図の（ａ）（ｂ）（ｃ）に動作状態別に示すように、直列接続されている２つの蓄電セルＢ１，Ｂ２の両端に、直列接続されて交互にオンさせられる２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の両端が並列に接続されるとともに、セルＢ１，Ｂ２の中間接続点とスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の中間接続点間にインダクタＬｃが架橋接続されることにより構成される。

スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にはパワーＭＯＳ−ＦＥＴが使用されている。各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にはそれぞれ、蓄電セルＢ１，Ｂ２に対して逆方向となるダイオードが並列接続されているが、このダイオードは、ＦＥＴのソース・ドレイン間に等価的に形成される寄生ダイオード（ボディダイオード）である。

２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、制御回路（図示省略）から与えられる２相パルスの制御信号で交互にオンさせられることにより、セルＢ１，Ｂ２の間の電圧を均等化させる。

すなわち、（ａ）に示すように、一方のスイッチング素子Ｓ１がオンのときには、このＳ１を介して一方のセルＢ１からインダクタＬｃにインダクタ電流が充電される。また、（ｂ）に示すように、Ｓ２がオンのときには、このＳ２を介して他方のセルＢ２からインダクタＬｃにインダクタ電流が充電される。

一方のセルＢ１によって充電されたインダクタ電流は、他方のスイッチング素子Ｓ２がオンになったときに、このＳ２を介して他方のセルＢ２を充電しながら放電される。また、他方のセルＢ２によって充電されたインダクタ電流は、一方のスイッチング素子Ｓ１がオンになったときに、このＳ１を介して一方のセルＢ２を充電しながら放電される。

このように、両セルＢ１，Ｂ２がインダクタＬｃを介して間接的に結合されることにより、両セルＢ１，Ｂ２の電圧を互いに同電圧に均等化させるバランス補正が行われる。これにより、特定のセルに電圧が集中することによるセルの劣化を防止することができる。
特開２００１−１８５２２９

上述した直列蓄電セル装置は、電圧バランス補正回路３１の設置により、特定のセルに電圧が集中することによるセルの劣化を防止することができる。しかし、この電圧バランス補正だけでは、蓄電セルの劣化や破損を確実に防止することはできない。

直列接続された蓄電セルＢ１，Ｂ２には外部から充電電流Ｉｃが通電されるが、特定のセルＢ１またはＢ２が過充電状態になった場合、そのセルＢ１またはＢ２への通電を選択的に遮断または低減させる必要がある。

このためには、直列セル列内の各セルにそれぞれ、過充電時だけ動作して充電電流を迂回させる電流バイパス回路を設けるとよい。この電流バイパス回路は、パワーＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子を用いて構成することができる。

しかしながら、直列接続されている多数の蓄電セルに対し、上記電圧バランス補正回路と上記電流バイパス回路の両方を設置しようとすると、部品数およびコストの増大、実装の困難化といった問題が生じる。

本発明は、以上のような問題を鑑みたものであって、その目的は、部品数およびコストの増大あるいは実装の困難化をともなうことなく、セル間の電圧バランス補正機能と、過充電時のセル保護機能とを共に備えた直列蓄電セル装置を提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。

（１）複数の蓄電セルが直列接続されるとともに、セル間の電圧を均等化させるために、半導体スイッチング素子を用いた電圧バランス補正回路が設置された直列蓄電セル装置において、過充電時に上記蓄電セルを保護するための電流バイパス回路を、上記電圧バランス補正回路のスイッチング素子を用いて形成するようにしたことを特徴とする直列蓄電セル装置。

（２）上記手段（１）において、電圧バランス補正回路は、直列接続順で隣接する２つの蓄電セルの両端に、直列接続されて交互にオンさせられる２つのスイッチング素子の両端を並列に接続するとともに、上記２つの蓄電セルの中間接続点と上記２つのスイッチング素子の中間接続点間にインダクタを架橋接続することにより構成されることを特徴とする直列蓄電セル装置。

（３）上記手段（１）または（２）において、電流バイパス回路は、オンされていないときのスイッチング素子を抵抗素子として動作させることにより形成されることを特徴とする直列蓄電セル装置。

（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、電圧バランス補正回路のスイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用するとともに、このＭＯＳ−ＦＥＴをオン・オフ制御する２値制御信号のオフ設定レベルを、そのＦＥＴに所定の抵抗値を設定するレベルに変換するレベル変換回路を設けたことを特徴とする直列蓄電セル装置。

部品数およびコストの増大あるいは実装の困難化をともなうことなく、セル間の電圧バランス補正機能と、過充電時のセル保護機能とを共に備えた直列蓄電セル装置を提供することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は、本発明の一実施形態をなす直列蓄電セル装置の要部を示す。図１において、（ａ）は構成の要部を示す回路図、（ｂ）は動作の要部を示す波形図である。また、図２は、本発明の一実施形態をなす直列蓄電セル装置の動作を状態別の等価回路図で示す。図２において、（ａ）〜（ｃ）は、正常状態における電圧バランス補正の動作を状態別に示し、（ｄ）〜（ｆ）は過充電状態が生じたときに動作を状態別に示す。

この実施形態の直列蓄電セル装置は、図１の（ａ）に示すように、直列接続された蓄電セルＢ１，Ｂ２の主要な付加装置として、電圧バランス補正回路３１と過充電検出回路５１が設けられている。

電圧バランス補正回路３１は、直列接続順で隣接する２つの蓄電セルＢ１，Ｂ２の両端に、直列接続されて交互にオンさせられる２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の両端が並列に接続されるとともに、セルＢ１，Ｂ２の中間接続点とスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の中間接続点間にインダクタＬｃが架橋接続されることにより構成される。

スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にはパワーＭＯＳ−ＦＥＴが使用されている。各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にはそれぞれ、蓄電セルＢ１，Ｂ２に対して逆方向となるダイオードが並列接続されているが、このダイオードは、ＦＥＴのソース・ドレイン間に等価的に形成される寄生ダイオード（ボディダイオード）である。

上記電圧バランス補正回路３１は、２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が、制御回路６１からレベル変換回路６２を介して与えられる２相パルスの制御信号Φ１，Φ２で交互にオンさせられることにより、セルＢ１，Ｂ２の間の電圧を均等化させる。

図２の（ａ）に示すように、一方のスイッチング素子Ｓ１がオンのときには、このＳ１を介して一方のセルＢ１からインダクタＬｃにインダクタ電流が充電される。また、同図の（ｂ）に示すように、Ｓ２がオンのときには、このＳ２を介して他方のセルＢ２からインダクタＬｃにインダクタ電流が充電される。

一方のセルＢ１によって充電されたインダクタ電流は、他方のスイッチング素子Ｓ２がオンになったときに、このＳ２を介して他方のセルＢ２を充電しながら放電される。また、他方のセルＢ２によって充電されたインダクタ電流は、一方のスイッチング素子Ｓ１がオンになったときに、このＳ１を介して一方のセルＢ１を充電しながら放電される。

このように、両セルＢ１，Ｂ２がインダクタＬｃを介して間接的に結合されることにより、両セルＢ１，Ｂ２の電圧が互いに同電圧に均等化されるバランス補正が行われる。これにより、特定のセルに電圧が集中することによるセルの劣化を防止することができる。

さらに、この実施形態の直列蓄電セル装置では、図１の（ａ）に示すように、上記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の制御信号Φ１，Φ２が、レベル変換回路６２を介して与えられるようになっている。レベル変換回路６２は、バイアス電圧Ｖｂ、ダイオードＤ６１，Ｄ６２、抵抗Ｒ６１，６２を用いて構成されている。

このレベル変換回路６２は、過充電検出回路５１がセルＢ１，Ｂ２のいずれかの過充電状態を検出したときだけ動作して、制御信号Φ１，Φ２のレベル変換を行うが、それ以外の正常時には御信号Φ１，Φ２に干渉しない非動作状態にある。

過充電検出回路５１は、電圧検出器３５と論理和回路３８を用いて構成されている。電圧検出器３５はセルＢ１，Ｂ２ごとに設置され、セルＢ１，Ｂ２の電圧が所定の過充電判定基準電圧Ｖｍを越えたか否かをアナログ比較して検出する。この検出結果は２値論理信号で出力される。論理和回路３８は、各電圧検出器３５の検出出力の論理和を過充電検出信号ｘ１として出力する。この過充電検出信号ｘ１は、レベル変換回路６２に動作制御信号として与えられる。

レベル変換回路６２は、過充電検出信号ｘ１によって動作し、図１の（ｂ）に示すように、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の制御信号Φ１，Φ２のオフ設定レベルであるロウレベルを、所定のバイアス電圧Ｖｂにシフトさせる。バイアス電圧Ｖｂは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をなすＭＯＳ−ＦＥＴを、所定の抵抗値を持つ抵抗素子（Ｒ１，Ｒ２）として動作させるような電圧（ゲート制御電圧）に、あらかじめ設定されている。

すなわち、正常時には、制御信号Φ１，Φ２が、オン設定レベルであるハイレベルＶｏｎと、オフ設定レベルであるロウレベルＶｏｆｆの間で変化する。この場合、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は完全なオン状態と完全なオフ状態のいずれかに切換設定される。

一方、過充電時には、制御信号Φ１，Φ２が、オン設定レベルであるハイレベルＶｏｎと、バイアス電圧Ｖｂの間で変化する。この場合、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は完全なオン状態と、所定抵抗値の抵抗素子（Ｒ１，Ｒ２）として動作する状態のいずれかに切換設定される。

上記により、セルＢ１，Ｂ２のいずれかが過充電状態となると、図２の（ｄ）〜（ｆ）に示すように、正常時にはオンまたはオフのいずれかの状態しかとらないスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が、そのオフとなるべき期間で所定抵抗値の抵抗素子（Ｒ１，Ｒ２）として動作し、充電電流ＩｃをセルＢ１，Ｂ２から迂回させる電流バイパス回路を形成する。図中の矢印ｉｐは、その電流バイパス回路によって流されるバイパス電流を示す。

上述した実施形態の直列蓄電セル装置は、過充電時に蓄電セルを保護するための電流バイパス回路を、電圧バランス補正回路のスイッチング素子を用いて形成させるという構成により、部品数およびコストの増大あるいは実装の困難化をともなうことなく、セル間の電圧バランス補正機能と、過充電時のセル保護機能とを共に備えることができる。

また、上述した実施形態の直列蓄電セル装置は、スイッチング素子とインダクタを用いたインダクタ結合方式の電圧バランス補正回路を備えているが、この方式のバランス補正回路は、上述した過充電時のセル保護機能を形成する上でとくに好適である。

過充電時のセル保護機能は電流バイパス回路によって形成されるが、この電流バイパス回路は、オンされていないときのスイッチング素子を抵抗素子として動作させることにより形成されるようにした構成が、とくに好適である。

スイッチング素子を抵抗素子として動作させる構成としては、上述した実施形態のように、スイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用するとともに、このＭＯＳ−ＦＥＴをオン・オフ制御する２値制御信号のオフ設定レベルを、そのＦＥＴに所定の抵抗値を設定するレベルに変換するレベル変換回路を設けるという構成が、最適である。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は、上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、本発明は、２本のセルを単独で使っているが、セルバランスの入った直列電池をＢ１，Ｂ２にそれぞれ使うことで、４本以上の多数の蓄電セルが直列接続された多直列蓄電セル装置にも好適に適用することができる。

部品数およびコストの増大あるいは実装の困難化をともなうことなく、セル間の電圧バランス補正機能と、過充電時のセル保護機能とを共に備えた直列蓄電セル装置を提供することができる。

本発明による直列蓄電セル装置の一実施形態をその要部に着目して示す回路図および波形図である。 本発明の一実施形態による蓄電セルを動作状態別に示す等価回路図である。 従来の蓄電セルを動作状態別に示す等価回路図である。

符号の説明

３１ 電圧バランス補正回路 ３５ 電圧検出器
３８ 論理和回路 ５１ 過充電検出回路
６１ 制御回路 ６２ レベル変換回路
Ｂ１，Ｂ２ 蓄電セル Ｄ６１，Ｄ６２ ダイオード
Ｉｃ 充電電流 ｉｐ パイバス電流
Ｌｃ インダクタ Ｒ６１，６２ 抵抗
Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子 Ｖｂ バイアス電圧
Φ１，Φ２ 制御信号

Claims (4)

1. 複数の蓄電セルが直列接続されるとともに、セル間の電圧を均等化させるために、半導体スイッチング素子を用いた電圧バランス補正回路が設置された直列蓄電セル装置において、過充電時に上記蓄電セルを保護するための電流バイパス回路を、上記電圧バランス補正回路のスイッチング素子を用いて形成するようにしたことを特徴とする直列蓄電セル装置。
2. 請求項１において、電圧バランス補正回路は、直列接続順で隣接する２つの蓄電セルの両端に、直列接続されて交互にオンさせられる２つのスイッチング素子の両端を並列に接続するとともに、上記２つの蓄電セルの中間接続点と上記２つのスイッチング素子の中間接続点間にインダクタを架橋接続することにより構成されることを特徴とする直列蓄電セル装置。
3. 請求項１または２において、電流バイパス回路は、オンされていないときのスイッチング素子を抵抗素子として動作させることにより形成されることを特徴とする直列蓄電セル装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、電圧バランス補正回路のスイッチング素子としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用するとともに、このＭＯＳ−ＦＥＴをオン・オフ制御する２値制御信号のオフ設定レベルを、そのＦＥＴに所定の抵抗値を設定するレベルに変換するレベル変換回路を設けたことを特徴とする直列蓄電セル装置。
   
   

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