JP2013121241A

JP2013121241A - 電池均等化装置および方法

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Publication number: JP2013121241A
Application number: JP2011267913A
Authority: JP
Inventors: Shinji Hirose; 慎司広瀬
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【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、効率のよい均等化動作を実現し、さらに均等化時間を短縮する。
【解決手段】均等化回路は、第１のスタック内の電池セルごとに設けられる回路であって、その電池セルの両端子に接続されてその電池セルに対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬおよび第１のスイッチング素子Ｓを含む第１の回路部分と、一端が第１のスタックに接続する第２のスタックの他端に接続されその第２のスタックに対してインダクタＬを介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓを含む第２の回路部分とを備える。電圧監視部は、各電池セルの電圧を監視して検出する。スイッチ制御部は、第１および第２のスイッチング素子を駆動する。均等化制御部は、電圧監視部が検出した各電池セルの電圧に基づいて、スイッチ制御部を制御して均等化回路のいずれか一つ以上を動作させる。
【選択図】図１

Description

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。

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スタックが構成され、さらにこのスタ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、スタ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。

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。

この結果、スタ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、スタック間でも電圧の均等化を行う必要も生じる。

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。

さらにこのアクティブ方式の第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。

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、例えば、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。

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。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（例えば特許文献１に記載の技術）。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。

しかし、この方式では、
均等化効率＝（インダクタ結合部の効率）×（トランス結合部の効率）
というように、均等化動作時のエネルギー効率が、インダクタ結合方式とトランス結合方式の掛け算となる。この結果、インダクタ結合部とトランス結合部の双方でエネルギー損失が発生し、均等化動作時のエネルギー効率が悪いという問題点を有していた。

特開２００８−３５６８０号公報

本発明は、効率のよい均等化動作を実現し、さらに均等化時間を短縮することを目的とする。

態様の一例は、複数の電池セルを接続し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、複数の電池セルを構成し連続的に直列接続された所定数の電池セルからなるスタックの集合におけるその各スタックである第１のスタック内の電池セルごとに設けられる回路であって、その電池セルの両端子に接続されてその電池セルに対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタおよび第１のスイッチング素子を含む第１の回路部分と、一端が第１のスタックに接続する第２のスタックの他端に接続されその第２のスタックに対してインダクタを介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子を含む第２の回路部分とからなる均等化回路と、各電池セルの電圧を監視して検出する電圧監視部と、第１および第２のスイッチング素子を駆動するスイッチ制御部と、電圧監視部が検出した各電池セルの電圧に基づいて、スイッチ制御部を制御して均等化回路のいずれか一つ以上を動作させる均等化制御部とを備える。

本発明によれば、スタック内の電池セルとそのスタックに隣接するスタック全体との間でインダクタ結合をすることで、効率のよい均等化動作が可能となり、さらに均等化終了までの時間を短縮することが可能となる。

本実施形態の構成図である。本実施形態の動作説明図（その１）である。本実施形態の動作説明図（その２）である。本実施形態の制御動作を示すフローチャートである。スイッチング素子の制御動作を示すタイミングチャートである。

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、例えば４個の電池セル１０２からなるスタック１０３の集合として構成される。図１では、＃ｉ−１、＃ｉ、＃ｉ＋１というサフィックスが付いた３つのスタック１０３が示されている。図１中では省略してあるが、例えば＃ｉのスタック１０３を構成する４個の電池セル１０２に、（＃ｉ、１）（＃ｉ、２）（＃ｉ、３）（＃ｉ、４）というサフィックスを付ける（後述する図２参照）。同様に、＃ｉ−１のスタック１０３を構成する４個の電池セル１０２に、（＃ｉ−１、１）（＃ｉ−１、２）（＃ｉ−１、３）（＃ｉ−１、４）というサフィックスを付ける。さらに同様に、＃ｉ＋１のスタック１０３を構成する４個の電池セル１０２に、（＃ｉ＋１、１）（＃ｉ＋１、２）（＃ｉ＋１、３）（＃ｉ＋１、４）というサフィックスを付ける。

これらの表記を用いて、本実施形態では、スタック１０３（＃ｉ）（以下これを「第１のスタック１０３（＃ｉ）」と呼ぶ）を構成する各電池セル１０２（＃ｉ、ｊ）（１≦ｊ≦４）ごとに、その電池セル１０２（＃ｉ、ｊ）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ、ｊ）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i,jおよび第１のスイッチング素子Ｓ_i,j1を含む第１の回路部分と、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）の他端に接続されその第２のスタック（＃ｉ＋１）に対してインダクタＬ_i,jを介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i,j2を含む第２の回路部分とを備える。これらのスイッチング素子は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であり、スイッチ制御部１０５からのパルス信号（後述する図３参照）によりスイッチング動作を行う。

より具体的には、第１のスタック１０３（＃ｉ）内の電池セル１０２（＃ｉ、１）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ、１）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ、１）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i,1および第１のスイッチング素子Ｓ_i,11の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）に対してインダクタＬ_i,1を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i,12を含む第２の回路部分を備える。

また、第１のスタック１０３（＃ｉ）内の電池セル１０２（＃ｉ、２）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ、２）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ、２）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i,2および第１のスイッチング素子Ｓ_i,21の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）に対してインダクタＬ_i,2を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i,22を含む第２の回路部分を備える。

同様に、第１のスタック１０３（＃ｉ）内の電池セル１０２（＃ｉ、３）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ、３）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ、３）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i,3および第１のスイッチング素子Ｓ_i,31の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）に対してインダクタＬ_i,3を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i,32を含む第２の回路部分を備える。

さらに、第１のスタック１０３（＃ｉ）内の電池セル１０２（＃ｉ、４）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ、４）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ、４）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i,4および第１のスイッチング素子Ｓ_i,41の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）に対してインダクタＬ_i,4を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i,42を含む第２の回路部分を備える。

スタック１０３（＃ｉ−１）（以下これを「第１のスタック１０３（＃ｉ−１）」と呼ぶ）を構成する各電池セル１０２（＃ｉ−１、ｊ）（１≦ｊ≦４）についても、同様の均等化回路が構成される。すなわち、各電池セル１０２（＃ｉ−１、ｊ）ごとに、その電池セル１０２（＃ｉ−１、ｊ）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ−１、ｊ）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i-1,jおよび第１のスイッチング素子Ｓ_i-1,j1を含む第１の回路部分と、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ−１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ）の他端に接続されその第２のスタック（＃ｉ）に対してインダクタＬ_i-1,jを介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i-1,j2を含む第２の回路部分とを備える。

具体的には、第１のスタック１０３（＃ｉ−１）内の電池セル１０２（＃ｉ−１、１）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ−１、１）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ−１、１）に対し電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i-1,1および第１のスイッチング素子Ｓ_i-1,11の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ−１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ）に対してインダクタＬ_i-1,1を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i-1,12を含む第２の回路部分を備える。

また、第１のスタック１０３（＃ｉ−１）内の電池セル１０２（＃ｉ−１、２）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ−１、２）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ−１、２）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i-1,2および第１のスイッチング素子Ｓ_i-1,21の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ−１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ）に対してインダクタＬ_i-1,2を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i-1,22を含む第２の回路部分を備える。

同様に、第１のスタック１０３（＃ｉ−１）内の電池セル１０２（＃ｉ−１、３）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ−１、３）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ−１、３）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i-1,3および第１のスイッチング素子Ｓ_i-1,31の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ−１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ）に対してインダクタＬ_i-1,3を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i,32を含む第２の回路部分を備える。

さらに、第１のスタック１０３（＃ｉ−１）内の電池セル１０２（＃ｉ−１、４）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ−１、４）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ−１、４）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i-1,4および第１のスイッチング素子Ｓ_i-1,41の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ−１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ）に対してインダクタＬ_i-1,4を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i-1,４2を含む第２の回路部分を備える。

さらに、スタック１０３（＃ｉ＋１）（以下これを「第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）」と呼ぶ）を構成する各電池セル１０２（＃ｉ＋１、ｊ）（１≦ｊ≦４）についても、同様の均等化回路が構成される。すなわち、各電池セル１０２（＃ｉ＋１、ｊ）ごとに、その電池セル１０２（＃ｉ＋１、ｊ）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ＋１、ｊ）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i+1,jおよび第１のスイッチング素子Ｓ_i+1,j1を含む第１の回路部分と、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）に接続する特には図示しない第２のスタック１０３（＃ｉ+２）の他端に接続されその第２のスタック（＃ｉ＋２）に対してインダクタＬ_i+1,jを介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i+1,j2を含む第２の回路部分とを備える。

具体的には、第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）内の電池セル１０２（＃ｉ＋１、１）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ＋１、１）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ＋１、１）に対し電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i+1,1および第１のスイッチング素子Ｓ_i+1,11の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）に対してインダクタＬ_i+1,1を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i+1,12を含む第２の回路部分を備える。

また、第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）内の電池セル１０２（＃ｉ＋１、２）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ＋１、２）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ＋１、２）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i+1,2および第１のスイッチング素子Ｓ_i+1,21の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）に対してインダクタＬ_i+1,2を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i+1,22を含む第２の回路部分を備える。

同様に、第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）内の電池セル１０２（＃ｉ＋１、３）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ＋１、３）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ＋１、３）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i+1,3および第１のスイッチング素子Ｓ_i+1,31の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）に対してインダクタＬ_i+1,3を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i,32を含む第２の回路部分を備える。

さらに、第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）内の電池セル１０２（＃ｉ＋１、４）の均等化回路は、その電池セル１０２（＃ｉ＋１、４）の両端子に接続されてその電池セル１０２（＃ｉ＋１、４）に対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタＬ_i+1,4および第１のスイッチング素子Ｓ_i+1,41の直列回路を含む第１の回路部分を備える。また、一端が第１のスタック１０３（＃ｉ＋１）に接続する第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）の他端に接続されその第２のスタック１０３（＃ｉ＋２）に対してインダクタＬ_i+1,4を介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子Ｓ_i+1,４2を含む第２の回路部分を備える。

次に、図１において、電圧監視部１０４は、制御線群１０７を介して、各電池セル１０２の両端の電圧を監視しデジタル信号値として検出する。
また、スイッチ制御部１０５は、制御線１０８とそこから各スイッチング素子Ｓ_i-1,j1、Ｓ_i-1,j2、Ｓ_i,j1、Ｓ_i,j2、Ｓ_i+1,j1、Ｓ_i+1,j2（１≦ｊ≦４）に伸びる破線で示される制御線群を介して、それらのスイッチング素子を選択的に駆動する。具体的には、スイッチ制御部１０５は、均等化制御部１０６からの指定に基づいて、いずれかの第１および第２のスイッチング素子のペアを選択し、それらに対して、均等化制御部１０６から指定された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（後述する図５参照）によって、各スイッチング素子を駆動する。

均等化制御部１０６は、電圧監視部１０４が検出した各電池セル１０２の電圧のデジタル値に基づいて、スイッチ制御部１０５を制御して上述した均等化回路のいずれか一つ以上を動作させる。この均等化制御部１０６は、例えばデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって構成される。

上述の構成を有する本実施形態の動作について、図２および図３の動作説明図を用いて説明する。
まず、図１の均等化制御部１０６は、電圧監視部１０４が検出する全ての電池セル１０２の電圧をその全ての電池セルの数で除算することにより平均電圧を算出する。そして、均等化制御部１０６は、各スタック１０３（これを「第１のスタック」と呼ぶ）の電池セル１０２ごとに、以下の制御を行う。

いま例として、均等化制御部１０６が、第１のスタックとしてスタック１０３（＃ｉ）内の１番目の電池セル１０２（＃ｉ、１）の均等化制御を行っているものとし、電池セル１０２（＃ｉ、１）の電圧が平均電圧よりも低いと判定したとする。

この場合、図２に示されるように、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して、電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応する第２のスイッチング素子Ｓ_i,12をオンさせる。この結果、図２の破線矢印２０１として示される流れで、第１のスタック１０３（＃ｉ）の１つ上の隣接する＃ｉ＋１のスタック１０３（これを「第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）」と呼ぶ）から電荷が放電されて、その電荷が電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応するインダクタＬ_i,1に充電される。

その後、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して第２のスイッチング素子Ｓ_i,12をオフさせるとともに電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応する第１のスイッチング素子Ｓ_i,11をオンさせる。この結果、図２の破線矢印２０２として示される流れで、電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応するインダクタＬ_i,1内の電荷が、電池セル１０２（＃ｉ、１）に充電される。

均等化制御部１０６は、以上の第２のスイッチング素子Ｓ_i,12のオン、第２のスイッチング素子Ｓ_i,12のオフおよび第１のスイッチング素子Ｓ_i,11のオンの動作を、電池セル１０２（＃ｉ、１）の電圧が平均電圧と同等になるまで、スイッチ制御部１０５に対して繰り返し実行させる。具体的には、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して、所定の周波数ｆ＝１／Ｔとデューティー比Ｄ＝ｔ_on／Ｔを指定する。この結果、スイッチ制御部１０５が、上記周波数およびデューティー比を有する例えば図３（ａ）および（ｂ）に示されるようなパルス信号を、第２のスイッチング素子Ｓ_i,12および第１のスイッチング素子Ｓ_i,11に供給する。各スイッチング素子は、このパルス信号がハイレベル値であるときにオン、ローレベル値であるときにオフとなる。第２のスイッチング素子Ｓ_i,12に供給される図３（ａ）に示されるパルス信号がハイレベル値となった後、その値がハイレベルからローレベルに立ち下がるときに、第１のスイッチング素子Ｓ_i,11に供給される図３（ｂ）に示されるパルス信号がローレベル値からハイレベル値に立ち上がる。これにより、図２に示されるスイッチング動作が実現される。

一方、均等化制御部１０６が、第１のスタック１０３（＃ｉ）内の１番目の電池セル１０２（＃ｉ、１）の電圧が平均電圧よりも高いと判定したとする。
この場合、図４に示されるように、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して、電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応する第１のスイッチング素子Ｓ_i,11をオンさせる。この結果、図４の破線矢印４０１として示される流れで、電池セル１０２（＃ｉ、１）から電荷が放電されて、その電荷が電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応するインダクタＬ_i,1に充電される。

その後、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して第１のスイッチング素子Ｓ_i,11をオフさせるとともに電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応する第２のスイッチング素子Ｓ_i,12をオンさせる。この結果、図４の破線矢印４０２として示される流れで、電池セル１０２（＃ｉ、１）に対応するインダクタＬ_i,1内の電荷が電池セル１０２（＃ｉ、１）が含まれる第１のスタック１０３（＃ｉ）に接続される１つ上の第２のスタック１０３（＃ｉ＋１）内の各電池セル１０２に充電される。

均等化制御部１０６は、以上の第１のスイッチング素子Ｓ_i,11のオン、第１のスイッチング素子Ｓ_i,11のオフおよび第２のスイッチング素子Ｓ_i,12のオンの動作を、電池セル１０２（＃ｉ、１）の電圧が平均電圧と同等になるまで、スイッチ制御部１０５に対して繰り返し実行させる。具体的には、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して、所定の周波数ｆ＝１／Ｔとデューティー比Ｄ＝ｔ_on／Ｔを指定する。この結果、スイッチ制御部１０５が、上記周波数およびデューティー比を有する例えば図３（ａ）および（ｂ）に示されるようなパルス信号を、図２の場合とは逆に、第１のスイッチング素子Ｓ_i,11および第２のスイッチング素子Ｓ_i,12に供給する。各スイッチング素子は、第1のスイッチング素子Ｓ_i,1１に供給される図３（ａ）に示されるパルス信号がハイレベル値となった後に、その値がハイレベルからローレベルに立ち下がるときに、第２のスイッチング素子Ｓ_i,12に供給される図３（ｂ）に示されるパルス信号がローレベル値からハイレベル値に立ち上がる。これにより、図４に示されるスイッチング動作が実現される。

以上の本実施形態の動作により、従来のインダクタ結合方式では上下の電池セルだけで電荷の移動をしていたのを、上側のスタックから電荷もってくることによりそのスタック内の電池セルの全てから電荷を供給することが可能となる。この結果、隣接する電池セル間で順繰りに電荷を運ぶよりも、一度に電荷を移動させることが可能となる。各電池セル電圧とスタック電圧を同時に均等化できるため、均等化時間を短縮することが可能となる。また、本実施形態はトランス結合回路を含まなくてもよいため、均等化効率もインダクタ結合回路の効率で決まり、高い均等化効率を維持することが可能となる。

図５は、図１の均等化制御部１０６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、均等化制御部１０６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。

まず、図１の均等化制御部１０６は、電圧監視部１０４が検出する全ての電池セル１０２の電圧をその全ての電池セルの数で除算することにより平均電圧を算出する（ステップＳ５０１）。

次に、均等化制御部１０６は、各スタック１０３（現在選択しているスタックを「第１のスタック」と呼ぶ）の電池セル１０２を選択しながら、ステップＳ５０２からＳ５０８の一連の制御動作を繰り返し実行する。

まず、均等化制御部１０６は、第１のスタック１０３内の選択した電池セル１０２（以下これを「対象電池セル１０２」と呼ぶ）の電圧を平均電圧と比較する（ステップＳ５０２）。

均等化制御部１０６は、ステップＳ５０２での比較処理の結果、対象電池セル１０２の電圧が平均電圧よりも低いと判定した場合、スイッチ制御部１０５に対して、電池セル１０２に対応する第２のスイッチング素子をオンさせる（ステップＳ５０３）。この結果、図２の破線矢印２０１として示したように、第１のスタック１０３の１つ上の隣接するスタック１０３（これを「第２のスタック１０３」と呼ぶ）から電荷が放電されて、その電荷が対象電池セル１０２に対応するインダクタに充電される。

その後、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して第２のスイッチング素子をオフさせるとともに対象電池セル１０２に対応する第１のスイッチング素子をオンさせる（ステップＳ５０４）。この結果、図２の破線矢印２０２として示したように、対象電池セル１０２に対応するインダクタ内の電荷が、対象電池セル１０２に充電される。

均等化制御部１０６は、電圧監視部１０４を介して、対象電池セル１０２の電圧をステップＳ５０１で算出した平均電圧と比較する（ステップＳ５０７）。
均等化制御部１０６は、対象電池セル１０２の電圧が依然として平均電圧よりも低ければ、ステップＳ５０３の処理に戻り、上述した第２のスイッチング素子のオン、第２のスイッチング素子のオフおよび第１のスイッチング素子のオンの動作を、ステップＳ５０７で対象電池セル１０２の電圧が平均電圧と同等になったと判定するまで、スイッチ制御部１０５に対して繰り返し実行させる。第１および第２のスイッチング素子に対するオン、オフの具体的な制御動作は、図３で説明した通りである。

均等化制御部１０６は、ステップＳ５０７で対象電池セル１０２の電圧が平均電圧と同等になったと判定すると、その電池セル１０２に対する均等化制御を終了し、ステップＳ５０８で全ての電池セル１０２に対して均等化制御が終了したか否かを判定する。

一方、均等化制御部１０６は、ステップＳ５０２での比較処理の結果、対象電池セル１０２の電圧が平均電圧よりも高いと判定した場合、スイッチ制御部１０５に対して、電池セル１０２に対応する第１のスイッチング素子をオンさせる（ステップＳ５０５）。この結果、図４の破線矢印４０１として示したように、対象電池セル１０２から電荷が放電されて、その電荷が対象電池セル１０２に対応するインダクタに充電される。

その後、均等化制御部１０６は、スイッチ制御部１０５に対して第１のスイッチング素子をオフさせるとともに対象電池セル１０２に対応する第２のスイッチング素子をオンさせる（ステップＳ５０６）。この結果、図４の破線矢印４０２として示したように、対象電池セル１０２に対応するインダクタ内の電荷が対象電池セル１０２が含まれる第１のスタック１０３に接続される１つ上の第２のスタック１０３内の各電池セル１０２に充電される。

均等化制御部１０６は、電圧監視部１０４を介して、対象電池セル１０２の電圧をステップＳ５０１で算出した平均電圧と比較する（ステップＳ５０７）。
均等化制御部１０６は、対象電池セル１０２の電圧が依然として平均電圧よりも高ければ、ステップＳ５０５の処理に戻り、上述した第１のスイッチング素子のオン、第１のスイッチング素子のオフおよび第２のスイッチング素子のオンの動作を、ステップＳ５０７で対象電池セル１０２の電圧が平均電圧と同等になったと判定するまで、スイッチ制御部１０５に対して繰り返し実行させる。

均等化制御部１０６は、ステップＳ５０８で未だ全ての電池セル１０２に対して均等化制御が終了していないと判定した場合には、ステップＳ５０２に戻り、未処理の電池セル１０２を選択して、ステップＳ５０２からＳ５０７までの均等化制御処理を実行する。

均等化制御部１０６は、ステップＳ５０８で全ての電池セル１０２に対して均等化制御が終了したと判定した場合には、今回の均等化制御の処理を終了する。
以上説明した本実施形態の構成および動作により、下記の効果を得ることができる。

本実施形態による電池均等化制御方式は、インダクタ（コンバータ）結合＋トランス結合方式より効率が良い。
本実施形態による電池均等化制御方式は、インダクタ（コンバータ）結合方式より均等化時間を短縮することが可能となる。

本実施形態による電池均等化制御方式は、トランス結合方式より均等化精度が良い。
本実施形態による電池均等化制御方式は、電池セルとスタック間の電荷移動ができることにより、極端に電圧の高い／低いセルの均等化にも柔軟に対応することが可能となる。

図１に示される本実施形態では、均等化回路を構成する第１の回路部分はインダクタと第１のスイッチング素子のみで構成され、第２の回路部分は第２のスイッチング素子のみで構成されているが、これらの素子は最低限必要な回路素子であり、必要に応じて他の回路素子が付加されてもよい。

１０１組電池
１０２電池セル
１０３スタック
１０４電圧監視部
１０５スイッチ制御部
１０６均等化制御部
１０７制御線群
１０８制御線

Claims

複数の電池セルを接続し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を構成し連続的に直列接続された所定数の電池セルからなるスタックの集合における該各スタックである第１のスタック内の電池セルごとに設けられる回路であって、該電池セルの両端子に接続されて該電池セルに対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタおよび第１のスイッチング素子を含む第１の回路部分と、一端が前記第１のスタックに接続する第２のスタックの他端に接続され該第２のスタックに対して前記インダクタを介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子を含む第２の回路部分とを備える均等化回路と、
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、
前記第１および第２のスイッチング素子を駆動するスイッチ制御部と、
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、前記スイッチ制御部を制御して前記均等化回路のいずれか一つ以上を動作させる均等化制御部と、
を備えることを特徴とする電池均等化装置。
前記均等化制御部は、
前記電圧監視部が検出する全ての前記電池セルの電圧を該全ての電池セルの数で除算することにより平均電圧を算出し、
前記第１のスタック内の電池セルごとに、
前記電圧監視部が検出する該電池セルの電圧が前記平均電圧よりも低い場合に、前記スイッチ制御部に対して該電池セルに対応する前記第２のスイッチング素子をオンさせて該電池セルが含まれる前記第１のスタックに接続される前記第２のスタックから電荷を放電させて該電池セルに対応する前記インダクタに充電し、その後に前記スイッチ制御部に対して該第２のスイッチング素子をオフさせるとともに該電池セルに対応する前記第１のスイッチング素子をオンさせて該電池セルに対応する前記インダクタ内の電荷を該電池セルに充電させる動作を繰り返し実行し、
前記電圧監視部が検出する該電池セルの電圧が前記平均電圧よりも高い場合に、前記スイッチ制御部に対して該電池セルに対応する前記第１のスイッチング素子をオンさせて該電池セルから電荷を放電させて該電池セルに対応する前記インダクタに充電し、その後に前記スイッチ制御部に対して該第１のスイッチング素子をオフさせるとともに該電池セルに対応する前記第２のスイッチング素子をオンさせて該電池セルに対応する前記インダクタ内の電荷を該電池セルが含まれる前記第１のスタックに接続される前記第２のスタック内の各電池セルに充電させる動作を繰り返し実行し、
前記電圧監視部が検出する該電池セルの電圧が前記平均電圧と同等になった場合に、前記スイッチ制御部に対して該電池セルに対応する前記第１および第２のスイッチング素子をともにオフさせて該電池セルに対する均等化動作を終了する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電池均等化装置。
複数の電池セルを接続し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、
前記各電池セルの電圧を監視して検出し、
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、前記複数の電池セルを構成し連続的に直列接続された所定数の電池セルからなるスタックの集合における該各スタックである第１のスタック内の電池セルごとに設けられる回路であって、該電池セルの両端子に接続されて該電池セルに対して電荷の充電または放電を行うためのインダクタおよび第１のスイッチング素子を含む第１の回路部分と、一端が前記第１のスタックに接続する第２のスタックの他端に接続され該第２のスタックに対して前記インダクタを介して放電または充電を行うための第２のスイッチング素子を含む第２の回路部分とを備える均等化回路のいずれか一つ以上の前記第１および第２のスイッチング素子を駆動させて、該電池セルに対して均等化動作を実行させる、
ことを特徴とする電池均等化方法。
前記検出する全ての前記電池セルの電圧を該全ての電池セルの数で除算することにより平均電圧を算出し、
前記第１のスタック内の電池セルごとに、
前記検出する該電池セルの電圧が前記平均電圧よりも低い場合に、該電池セルに対応する前記第２のスイッチング素子をオンさせて該電池セルが含まれる前記第１のスタックに接続される前記第２のスタックから電荷を放電させて該電池セルに対応する前記インダクタに充電し、その後に該第２のスイッチング素子をオフさせるとともに該電池セルに対応する前記第１のスイッチング素子をオンさせて該電池セルに対応する前記インダクタ内の電荷を該電池セルに充電させる動作を繰り返し実行し、
前記検出する該電池セルの電圧が前記平均電圧よりも高い場合に、該電池セルに対応する前記第１のスイッチング素子をオンさせて該電池セルから電荷を放電させて該電池セルに対応する前記インダクタに充電し、その後に該第１のスイッチング素子をオフさせるとともに該電池セルに対応する前記第２のスイッチング素子をオンさせて該電池セルに対応する前記インダクタ内の電荷を該電池セルが含まれる前記第１のスタックに接続される前記第２のスタック内の各電池セルに充電させる動作を繰り返し実行し、
前記検出する該電池セルの電圧が前記平均電圧と同等になった場合に、該電池セルに対応する前記第１および第２のスイッチング素子をともにオフさせて該電池セルに対する均等化動作を終了する、
ことを特徴とする請求項３に記載の電池均等化方法。