JP5221665B2 - 直列接続バッテリーストリングのための２段式均等充電装置 - Google Patents

直列接続バッテリーストリングのための２段式均等充電装置 Download PDF

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Description

本発明は、直列接続されたバッテリーストリングの均等充電のための装置に関し、詳細には、２段のＤＣ/ＤＣコンバーターを使用する均等充電装置に関する。
リチウムイオン電池を動力源として使用するハイブリッド自動車のように、単位バッテリー(セル)の基本電位より高い電位が必要な場合、多数の単位バッテリーを直列接続して使用することが通常的である。しかしながら、通常的な製造方法により製造されたバッテリーは、同一な陽極、陰極及び電解質物質を利用して同一な構造で製造されたとしても、直列接続されたバッテリーのそれぞれの充電または放電(及び自己放電)特性に差が存在してしまう。
したがって、直列接続されたバッテリーの使用時、単位バッテリーの電位差が存在し、これにより直列接続された単位バッテリーの中、他のバッテリーの電位にかかわらず、一つのバッテリーが完全放電された場合でも、全体電圧(直列接続されたバッテリーの全体電圧)が０となり、再充電が必要となって、再充電時も、それぞれのバッテリーの電位が異なっていることから、一定電圧に先に到達したバッテリーの過充電問題、及び一部バッテリーの過充電にもかかわらず、一定電圧にまだ到達していないバッテリーが存在するといった充電効率の問題がある。
なお、充放電回数が多くなると、バッテリーを構成する物質のdegradationが発生し、バッテリーの特性が変わって、このような老化現象は、個別電池間の偏差をさらに深化させる結果につながる。
したがって、このような問題点を解決するために、直列に接続されたバッテリーの均等充電を得るための多様な均等充電装置が活発に提案されている実情である。
その一例として、大韓民国特許公開２００３−００９６９７８号は、複数個との単位セル、充電手段、放電手段、直列並列切換スイッチを含んで構成されて、複数個の単位セルをそれぞれ均等に放電させた後、放電された単位セルを、直列並列切換スイッチを利用し直列に接続させて充電を行うシステムに関する。大韓民国特許公開２００７−００６４２４４号は、電池部、電池部に接続された電界効果トランジスター部、電界効果トランジスター部に接続された増幅部、増幅部の出力信号を制御するマルチフレクサー部、電池部の電圧信号の偏差を比較判断する比較部、比較部の出力をデジタル信号に変換させるＡ/Ｄ変換部、Ａ/Ｄ変換部から出力された信号を入力されて、充放電条件に該当する信号を出力するマイコン部、マイコン部の信号に応じて動作し、バッテリー均衡電流を供給するスイッチング部、及び公知の充放電回路を含んで構成されるシステムに関する。
また、日本特開１９９８−０３２９３６号は、複数個の電池要素、各電池要素の残存容量検出手段、各電池要素の充電と放電を行う電池要素切換手段、各電池要素の充電と放電を個別に制御する制御手段、及び各電池要素個別の充電と放電を行う直流/直流変換器を含んで構成されるシステムに関する。日本特開２００４−１９４４１０は、二つ以上の単位セルグループ、第一のセルグループ及び第二のセルグループのそれぞれを流れる電流の差を検出する電流差検出手段、電流の差を用いてセルグループの充放電電流を制御する手段を含んで構成されるシステムに関する。
しかしながら、前記従来の均等充電装置は、直列接続されたバッテリーのそれぞれに均等充電装置が備えられて個別バッテリーの充電または放電を行い、均等充電装置の複雑性及び体積の増加により生産性が低下して、製造コストを上昇させる要因となってきて、均等充電装置または制御のためのスイッチモジュールを構成する素子が高い電圧ストレスに耐えなければならないという問題点があった。
本発明の２段式均等充電装置は、全体バッテリーをモジュールに分けて、バッテリーモジュール別にＤＣ/ＤＣコンバーターを共有する特徴により、均等充電装置の複雑性を減らすと同時に、効率的な均等充電を得ることができ、バッテリーモジュール別に共有されるＤＣ/ＤＣコンバーターの入力と接続される単一なＤＣ/ＤＣコンバーターを有する２段式ＤＣ/ＤＣコンバーターの構成により、通常的に高い電圧ストレスを有するＤＣ/ＤＣコンバーター及び制御スイッチの電圧ストレスを画期的に減少させる効果があって、バッテリーモジュール別に共有されるＤＣ/ＤＣコンバーターが個別バッテリーと並列に接続されることにより、従来の各バッテリーに充電回路が備えられたものと同じ充電効率を有する長所がある。
上述の問題点を解決するための本発明の目的は、直列接続されたバッテリーストリングの均等充電を行う均等充電装置において、複雑性を減らすと共に、効率的な均等充電が可能であり、また、均等化及び動作の制御のために使用される素子の電圧ストレスを下げて、耐電圧の低い素子を使用できる、均等充電装置を提供することである。
直列接続されたバッテリーストリングのための本発明の２段式均等充電装置は、複数のバッテリーが直列接続されたバッテリーモジュールと、Ｍ(Ｍ≧２)個の前記バッテリーモジュールが直列接続されたバッテリーストリングと、前記Ｍ個のバッテリーモジュールのそれぞれに並列に接続されたＭ個の充電制御スイッチモジュールと、前記Ｍ個の充電制御スイッチモジュールのそれぞれに接続されたＭ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと、前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと接続された単一の第１ＤＣ/ＤＣコンバーターと、前記充電制御スイッチモジュールを制御するマイクロプロセッサーとを備え、前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターは、前記バッテリーストリングの全体電位を入力として入力された電位より低い電位を出力し、前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターは、前記充電制御スイッチモジュールにより、前記バッテリーモジュールを構成するバッテリーのそれぞれに共有され、前記充電制御スイッチモジュールは、両方向ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)スイッチまたはダイオードが備えられた単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを含み、前記両方向または単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのターンオン時に加えられるＶｇｓは、前記バッテリーモジュールの一部分である二つ以上の直列接続されたバッテリーの電位である。
前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの入力は、前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力に並列接続されることが好ましく、前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力は、前記充電制御スイッチモジュールにより、前記バッテリーモジュールを構成するバッテリーのそれぞれに並列接続されることが好ましい。
前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターは、負帰還回路(Negative feedback)が備えられたＤＣ/ＤＣコンバーターであることが好ましい。
前記２段式均等充電装置は、前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーター及び第２ＤＣ/ＤＣコンバーターのそれぞれに、ＤＣ/ＤＣコンバーターの動作(on/off)を制御するスイッチ素子が備えられて、前記スイッチ素子が、前記マイクロプロセッサーで生成されたＰＷＭ信号またはＰＷＭ専用制御チップで生成されたＰＷＭにより制御されることが好ましい。
前記充電制御スイッチモジュールは、前記バッテリーモジュールを構成する直列接続されたバッテリーがＫ個である時、前記バッテリーモジュールを構成するそれぞれのバッテリーの陰極と陽極にそれぞれ接続された２Ｋ個のスイッチ素子を含むことが好ましい。
前記両方向または単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに電子式リレーが備えられていることが好ましい。
前記電子式リレーは、Ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｒｅｌａｙまたはＯｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒであり、好ましくは、発光ダイオードと受光素子を含む。前記発光ダイオードは、充電制御スイッチモジュールを制御するためのマイクロプロセッサーの制御信号により発光する。前記受光素子は、ＢＪＴであって、前記発光ダイオードの光を受光し、低いインピーダンス状態(ターンオン状態)となって、前記バッテリーモジュールの一部分である二つ以上の直列接続されたバッテリーの電位が、前記スイッチ素子を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに印加される。
前記２段式均等充電装置は、前記バッテリーストリングを構成するそれぞれのバッテリーの電位を入力として有するマルチプレクサー(multiplexer)及び前記マルチプレクサーの出力に接続された電圧センサーを含んでよい。前記マルチプレクサーは、前記マイクロプロセッサーにより制御されて、前記電圧センサーにより測定された前記バッテリーストリングを構成するそれぞれのバッテリーの電位は、前記マイクロプロセッサーに入力されることが好ましい。
直列接続されたバッテリーストリングのための本発明の参考例に係る均等充電方法は、複数のバッテリーが直列接続されたバッテリーモジュールと、Ｍ(Ｍ≧２)個の前記バッテリーモジュールが直列接続されたバッテリーストリングと、前記Ｍ個のバッテリーモジュールのそれぞれに並列に接続されたＭ個の充電制御スイッチモジュールと、前記Ｍ個の充電制御スイッチモジュールのそれぞれに接続されたＭ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと、前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと接続された単一の第１ＤＣ/ＤＣコンバーターと、マルチプレクサー、電圧センサー及びＡ/Ｄコンバータを含む電圧センシングモジュールと、前記充電制御スイッチモジュール、前記マルチプレクサー、前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーター及び前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターを制御するマイクロプロセッサーとを含んで構成された２段式均等充電装置の均等充電方法であって、(ａ)前記電圧センシングモジュールを利用して、前記バッテリーストリングを構成するバッテリーのそれぞれの電位を測定する段階と、(ｂ)前記測定された電位に基づき、低充電されたバッテリーを選択する段階と、(ｃ)前記低充電されたバッテリーと前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力とが並列接続されるように、前記充電制御スイッチモジュールを制御する段階と、(ｄ)前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターを動作させる段階と、(ｅ)前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターを動作させて、前記低充電されたバッテリーを充電させる段階と、を含んで行われる特徴がある。
前記均等充電方法は、前記(ａ)段階で前記バッテリーストリングを構成する全てのバッテリーのそれぞれの電位が測定されて、前記(ｂ)乃至(ｅ)の段階が前記バッテリーモジュール別に独立して進行されることができる。
前記均等充電方法は、前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの入力が前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力に並列接続されて、前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力は、前記充電制御スイッチモジュールにより、前記バッテリーモジュールを構成するそれぞれのバッテリーと並列接続される特徴があり、前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターの入力は、前記バッテリーストリングの全体電位であり、前記(ｅ)段階の充電は、前記バッテリーストリングの全体電位に基づくことが好ましい。
前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力は、入力された前記バッテリーストリングの全体電位より低い特徴がある。
前記均等充電方法は、同一な前記バッテリーモジュールに属するバッテリーの場合、同一な前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターによりバッテリーが充電される特徴がある。
本発明の２段式均等充電装置は、全体バッテリーをモジュールに分けて、バッテリーモジュール別にＤＣ/ＤＣコンバーターを共有する特徴により、均等充電装置の複雑性を減らすと同時に、効率的な均等充電を得ることができ、バッテリーモジュール別に共有されるＤＣ/ＤＣコンバーターの入力と接続される単一なＤＣ/ＤＣコンバーターを有する２段式ＤＣ/ＤＣコンバーターの構成により、通常的に高い電圧ストレスを有するＤＣ/ＤＣコンバーター及び制御スイッチの電圧ストレスを画期的に減少させる効果があって、バッテリーモジュール別に共有されるＤＣ/ＤＣコンバーターが個別バッテリーと並列に接続されることにより、従来の各バッテリーに充電回路が備えられたものと同じ充電効率を有する長所がある。
本発明の２段式均等充電装置の一構成図である。 本発明の２段式均等充電装置の他の構成図である。 本発明の２段式均等充電装置の一回路図の一部分である。 本発明の２段式均等充電装置の充電制御スイッチモジュールの一回路図である。 本発明の参考例に係る２段式均等充電方法を示した一順番図である。
以下、添付の図面を参照し、本発明の均等充電装置及び本発明の参考例に係る均等充電方法を詳細に説明する。以下紹介される図面は、当業者に本発明の思想が十分伝えられるようにするために例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下提示される図面に限定されず、他の形態で具体化されることもできる。また、本明細書において、同一な参照符号は、同一な構成要素を示す。
ここで使用される技術用語及び科学用語に当たって、他に定義がなければ、この発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が通常的に理解している意味を有し、下記の説明及び添付図面において、本発明の要旨を曖昧にするような公知機能及び構成に対する説明は省く。
なお、下記の説明において、説明の明確性のために、装置内の直列接続されたバッテリーの全体ストリングをバッテリーストリングと称し、前記複数のバッテリーが直列に接続されたバッテリーストリングの一部分をバッテリーモジュールと称して、単一な前記バッテリーモジュールを構成する任意の単一なバッテリーをバッテリーセルと称する。
図１は、本発明の２段式均等充電装置の構成図の一例であって、図１に基づいて本発明の核心特徴を説明する。
図１は、本発明の二段のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０、１１２０にスイッチモジュール１１３０を使用した２段式均等充電装置である。バッテリーストリング１１４０は、Ｍ個のバッテリーモジュール１１４１〜１１４６から構成され、各バッテリーモジュールは、Ｋ個のバッテリーが直列接続されたものであって、その一例として、３番目のバッテリーモジュールＢＭ３は、バッテリーＢ３，１〜バッテリーＢ３、Ｋから構成される。Ｍ個のバッテリーモジュール１１４１〜１１４６のそれぞれには、充電制御スイッチモジュール１１３１〜１１３６が接続されており、Ｍ個のスイッチモジュール１１３１〜１１３６のそれぞれには、二段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２０を構成するＤＣ/ＤＣコンバーター１１２１〜１１２６が接続されている。したがって、Ｍ個のバッテリーモジュールには、Ｍ個のスイッチモジュール及びＭ個のＤＣ/ＤＣコンバーターが備えられる。２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２０の全ての入力は、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０の出力に、図１のように並列に接続されるようになる。２段目を構成するＤＣ/ＤＣコンバーターとは違って、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０は、入力としてバッテリーストリングの全体電位が接続された単一なＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０から構成される。ここで、図１で全てのバッテリーモジュールにおいて、バッテリーモジュールを構成するバッテリーセルの数がＫ個として同一であると仮定しているが、これは、説明の容易さのためであって、バッテリーモジュール別にバッテリーセルの数が異なっていても(Ｋが異なっていても)構わない。
前記スイッチモジュール１１３０は、充電制御スイッチモジュール１１３１〜１１３６から構成されて、前記充電制御スイッチモジュール１１３１〜１１３６は、前記２段目のＤＣ/ＤＣコンバーターをバッテリーセルが共有するための電流経路を提供する。詳細には、３番目のバッテリーモジュールＢＭ３に属するバッテリーセルＢ３，１〜Ｂ３，Ｋの均等充電を例として、バッテリーセルＢ３，３の均等充電が行われる場合、充電制御スイッチモジュール１１３３により、該当バッテリーセルＢ３，３と２段目に属するＤＣ/ＤＣコンバーター１１２３の出力が接続され、電荷移動経路を提供し、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０に接続されたバッテリーストリングの全体電位により、バッテリーセルＢ３，３の均等充電が行われるようになる。
この際、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０は、入力された電位より低い電位を出力するＤＣ/ＤＣコンバーターであることが好ましい。このような１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０と、バッテリーストリングではなくバッテリーモジュール概念の均等充電により前記充電制御スイッチモジュール１１３０を構成するスイッチ素子は、低電圧の両方向スイッチ素子または低電圧の単方向スイッチ素子を使用して構成することができる。
即ち、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０は、入力としてバッテリーストリングの全体電位を使用し、低い出力電圧を生成する機能を担当して、２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２０は、入力として一段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０出力を使用し、実際低充電されたバッテリーセルを充電する機能を担当する。そして、低充電されたバッテリーセルの選択は、充電制御スイッチを通じてなされる。
図１のように、本発明の核心特徴は、２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２０の数を減らすために、バッテリーセルがＤＣ/ＤＣコンバーターを共有できるように充電制御スイッチモジュール１１３１〜１１３６を採用したことであって、充電制御スイッチモジュールを構成するスイッチ素子及び２段目のＤＣ/ＤＣコンバーターの電圧ストレスを減らし、効果的な均等充電を得るために、入力された電位より低い電位を出力するＤＣ/ＤＣコンバーターを１段目に構成して、全体バッテリーをＭ個のバッテリーモジュールに分けて、バッテリーモジュール別に電荷の均等化が得られるようにしたことである。
より詳細には、本発明の２段式均等充電装置は、バッテリーストリングにおいてバッテリーの充電、放電時に生じ得るバッテリー間の電位差を解決するために、バッテリーセルに充電電荷を制御して均等充電を達成するものである。この際、バッテリーセルを個別的に制御しつつ、効果的に充電電荷をバッテリー側に入れるために、全体バッテリーのエネルギーを、相対的に低い電位を持ったバッテリーセルにエネルギーを渡し、全体的なエネルギーの消費を減らしつつ、自体的にバッテリー間の均等充電がなされる。また、多数のバッテリーを直列接続する時、それぞれのバッテリーセルに入る回路を最小限に減らすために、バッテリーストリングに直接接続される制御装置は比較的簡単に構成しながら、バッテリーに入る充電エネルギーを効果的に伝達するために、共通のＤＣ/ＤＣコンバーターを使用したものである。また、バッテリーストリングを一定なバッテリーの数だけモジュール別に束ねて、バッテリーモジュール間にも共通のＤＣ/ＤＣコンバーターを使用し、モジュール間のＤＣ/ＤＣコンバーターから出る出力電流は、簡単なスイッチ制御により電流経路を形成できる充電制御スイッチを通じてバッテリーセル側に入れることにより、均等充電が行われる。
上述のように、本発明の２段式均等充電装置は、優れた性能を有した均等充電装置を開発するに際して、多数のバッテリー制御をするために、複雑度を増加させる個別回路をバッテリーセル毎に使用することなく、一つのＤＣ−ＤＣコンバーターを共通に使用しつつ、バッテリーセル毎に充電制御スイッチのみを接続することにより、その複雑度とコスト、体積を大いに減らすと同時に、バッテリーセルに入る電荷の量を効果的に制御することができるようになる。
図２は、図１に基づいて詳述した本発明の２段式均等充電装置の好ましい構成図である。図２に基づいて、本発明の均等充電装置の制御方法を詳細に説明する。装置１１１０乃至１１４０は、図１と類似した装置及び構成である。バッテリーストリングを構成する個別バッテリーの電位を測定する電圧センシングモジュール２１００は、通常的な電圧センシングモジュールを使用してもよいが、好ましくは、バッテリーストリングを構成する個別バッテリーの電位を入力としたマルチプレクサー(ＭＵＸ)２１１０及びマルチプレクサーの出力と接続されたキャパシター２１２０が備えられたものが好ましい。キャパシター２１２０を通じて測定された個別バッテリーの電位は、アナログ−デジタルコンバーター(ＡＤＣ)１２３０を通じてデジタル値に変換されて、マイクロプロセッサー２２００に入力されることが好ましい。
１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０と２段目のモジュール別の各ＤＣ/ＤＣコンバーター１１２１〜１１２６には、それぞれメインスイッチが備えられることが好ましく、前記メインスイッチは、各ＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０、１１２１〜１１２６の動作(on/off)を担当する部分であって、マイクロプロセッサー２２２０またはＰＷＭ専用制御チップ(図示せず)から生成されたＰＷＭ信号を入力されて制御されることが好ましい。この際、マイクロプロセッサーで生成されたＰＷＭ信号を使用する場合、マイクロプロセッサーで生成されたＰＷＭ信号の電流容量が制限的であって、パワースイッチ駆動に制約があるため、追加回路をさらに備えることが好ましい。
前記マイクロプロセッサー２２００は、マルチプレクサー２１１０を調節して個別バッテリーの電位を測定し、入力された個別バッテリーの電位に基づき低充電されたバッテリーセルを決定して、スイッチモジュール１１３０、２段目のモジュール別の各ＤＣ/ＤＣコンバーター１１２１〜１１２６のメインスイッチ及び１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０のメインスイッチを制御し、低充電されたバッテリーセルの均等充電が行われる。ここで、好ましくは、スイッチモジュール１１３０、２段目のモジュール別の各ＤＣ/ＤＣコンバーター１１２１〜１１２６のメインスイッチ、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０のメインスイッチの順番に制御されて均等充電が行われることが好ましい。
図３は、３番目のバッテリーモジュール１１４３、ＢＭ３の２番目のバッテリーセルＢ３，２を中心に、本発明の２段式均等充電装置の一回路図を示したものである。
上述のように、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０は、負帰還回路を有するＤＣ/ＤＣコンバーターであることが好ましく、３番目のバッテリーモジュール１１４３、ＢＭ３と２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２３は、充電制御スイッチモジュール１１３３を通じて接続される。前記充電制御スイッチモジュール１１３３は、低電圧、両方向充電制御スイッチ素子を含んで構成され、マイクロプロセッサーのＯｎ、Ｏｆｆ信号を受けて動作がなされるため、充電制御スイッチの入力(ゲート)に、Ｏｎ、Ｏｆｆ信号を形成できる電子式リレーが接続されている。
前記電子式リレーは、Ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｒｅｌａｙまたはＯｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒであり、好ましくは、図３に示したように、発光ダイオードと受光素子であるＢＪＴ(Bipolar Junction Transistor)を含んで構成される。前記ＢＪＴは、前記発光ダイオードの光を受光し、低いインピーダンス状態(ターンオン状態)となって、前記バッテリーモジュールの一部分である二つ以上の直列接続されたバッテリーの電位が、前記スイッチ素子を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに印加されるようになる。
詳細には、前記発光ダイオードは、充電制御スイッチモジュール１１３３を制御するためのマイクロプロセッサー２２２０の制御信号により発光し、前記発光ダイオードの発光によりＢＪＴがターンオンされ、充電制御スイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートにターンオン電圧が加えられるようになる。この際、図３に示したように、充電制御スイッチを構成するＭＯＳＦＥＴをターンオンさせるＶｇｓ(Ｖｇｓは、ＭＯＳＦＥＴのソース電圧を基準としたゲート電圧である)は、バッテリーモジュールの一部分である二つ以上の直列接続されたバッテリーの電位であって、図３の場合、三つのバッテリーが直列接続された電位が、ＭＯＳＦＥＴをターンオン時に印加されるＶｇｓになる。このように、充電制御スイッチモジュール１１３３を構成するそれぞれのスイッチを駆動させる電源として、バッテリーモジュールの一部電圧が使用される。
上述のように、充電制御スイッチモジュール１１３３は、図３のようにバッテリー電圧を電源装置として使用し、信頼度の高いＯｎ、Ｏｆｆスイッチ動作をすることが好ましい。
図３のように、低充電されたバッテリーセルＢ３，２が決定され、それに該当する充電制御スイッチモジュール１１３３のスイッチがオンになっていて、そのバッテリーセルが属しているバッテリーモジュール１１４３、ＢＭ３のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２３がオンになっている場合、共通に有する１段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１１０のメインスイッチがオンになると、一段目の変圧器の１次巻線には、全体バッテリーの電圧により電流が誘導されて、その結果、変圧器に同じ量の磁気エネルギーが貯蔵される。その後、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーターのメインスイッチがオフになると、変圧器に貯蔵された磁気エネルギーは、２次巻線とダイオードを通じて次の２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２３に移動するが、この際、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーターの出力電圧は、次の２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２３の入力端として使用されるため、負帰還回路をかけて一定電圧に維持しなければならない。そして、２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター１１２３は、固定された時比率(duty ratio)を有するスイッチ動作により、スイッチがオンになっている時に貯蔵された変圧器の１次側エネルギーが、スイッチがオフになると２次側に移動するが、２次側に移動するエネルギーは、充電制御スイッチモジュール１１３３のスイッチがオンになっているバッテリーセルにのみ移動することにより、所望のバッテリーへの電荷供給がなされるようになる。
上述の説明において、本発明の思想は、使用されるＤＣ/ＤＣコンバーターの種類に構わず具現できるため、本発明の２段式均等充電装置は、既存の種々のＤＣ/ＤＣコンバーターの組合せから構成できる。例えば、１段目に使用したＤＣ/ＤＣコンバーターと同じ種類を、次の２段目のＤＣ/ＤＣコンバーターに使用でき、あるいは異なる種類のＤＣ/ＤＣコンバーターの使用も可能である。但し、本発明では、低電圧の充電制御スイッチを各バッテリーセル毎に接続し、信頼度の高いバッテリーセル電圧制御を達成するために、２段のＤＣ/ＤＣコンバーターを使用して、バッテリーストリングの全体電圧を、１段目の共通ＤＣ/ＤＣコンバーターで一回のエネルギー伝達をなすと同時に、次の段に接続される各バッテリーモジュール別のＤＣ/ＤＣコンバーター入力電圧は、全体バッテリー電圧ではなく、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーターで全体電圧を低い電圧に低めた電圧にならなければならない。このように、１段目のＤＣ/ＤＣコンバーターから各バッテリーモジュール別のＤＣ/ＤＣコンバーター側入力に低い電圧を印加することにより、各バッテリーモジュール別のＤＣ/ＤＣコンバーターの各素子の電圧耐圧が、バッテリー全体電圧ではない、１段目で低められた電圧を電圧耐圧として有するようになり、２段目の各バッテリーモジュール別のＤＣ/ＤＣコンバーターは、小さい容量のコンバーターに設計できる長所を有する。また、バッテリーストリングを、Ｋ個のバッテリーで構成されたＭ個のバッテリーモジュールに束ねて使用することにより、バッテリーストリングの全体電圧を耐圧として有する充電制御スイッチの代わりに、Ｋ個のバッテリー電圧のみを耐圧として有する低電圧の充電制御スイッチを使用することができる長所を有する。
図４は、本発明の２段式均等充電装置において、Ｍ番目のバッテリーモジュール(ＢＭＭ)１１４６に接続される充電制御スイッチモジュール１１３６を示した一例である。充電制御スイッチモジュール１１３６として使用できる制御器には、両方向ＭＯＳＦＥＴスイッチ(図４(ａ))、または単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチをダイオードと共に使用(図４(ｂ))する二つの方法がある。この際、使用する制御器の電流制御方向は、一つの方向であって、両方向スイッチや単方向スイッチにダイオードを使用する場合、動作によって、電流流れが一方の方向にのみ設定される。ここで、前記充電制御スイッチモジュールは、前記バッテリーモジュールを構成する直列接続されたバッテリーがＫ個である場合、前記バッテリーモジュールを構成するそれぞれのバッテリーの陰極と陽極にそれぞれ接続された２Ｋ個のスイッチ素子を含んで構成されることを特徴とする２段式均等充電装置である。図４は、Ｋ/２個のバッテリーから構成されたバッテリーモジュールの場合であって、この場合、Ｋ個のスイッチ素子を含んで充電制御スイッチモジュールが構成される。
図５に基づいて、本発明の参考例に係る均等充電方法を詳細に説明する。直列接続されたバッテリーストリングのための本発明の参考例に係る均等充電方法は、複数のバッテリーが直列接続されたバッテリーモジュールと、Ｍ(Ｍ≧２)個の前記バッテリーモジュールが直列接続されたバッテリーストリングと、前記Ｍ個のバッテリーモジュールのそれぞれに並列に接続されたＭ個の充電制御スイッチモジュールと、前記Ｍ個の充電制御スイッチモジュールのそれぞれに接続されたＭ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと、前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと接続された単一の第１ＤＣ/ＤＣコンバーターと、マルチプレクサー、電圧センサー及びＡ/Ｄコンバータを含む電圧センシングモジュールと、前記充電制御スイッチモジュール、前記マルチプレクサー、前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーター及び前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターを制御するマイクロプロセッサーとを含んで構成された２段式均等充電装置、好ましくは図１乃至図４の均等充電装置の均等充電方法において、(ａ)前記電圧センシングモジュールを利用して、前記バッテリーストリングを構成するバッテリーのそれぞれの電位を測定する段階(ｓ１０、ｓ２０、ｓ３０)と、(ｂ)マイクロプロセッサーで測定された各バッテリー電位が入力されて、前記測定された電位に基づき、低充電されたバッテリーを選択する段階(ｓ４０)と、(ｃ)前記低充電されたバッテリーと前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力とが並列接続されるように、前記充電制御スイッチモジュールを制御する段階と、(ｄ)前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターを動作させる段階(ｓ５０、ｓ６０)と、(ｅ)前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターを動作させて、前記低充電されたバッテリーを充電させる段階(ｓ６０、ｓ７０、ｓ８０)とを含んで行われる特徴がある。
この際、前記(ａ)段階において、前記バッテリーストリングを構成する全てのバッテリーのそれぞれの電位が測定でき、(ａ)段階において、バッテリーストリングを構成する一部バッテリーの電位が測定できて、(ａ)段階において、一つ以上のバッテリーモジュールの電位が測定できる。
また、前記(ｂ)乃至(ｅ)の段階が、マイクロプロセッサーの制御により、前記バッテリーモジュール別に独立して進行できる。
以上のように、本発明では、具体的な構成素子などのような特定の事項と限定された実施例及び図面を参照して説明したが、これらは、本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたもので、本発明がこれらに限定されるものではなく、本発明の属する分野で通常の知識を有する者なら、このような記載から多様な修正及び変形が可能である。
したがって、本発明の思想は、説明された実施例に局限して定められてはならず、添付の特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等なあるいは等価的な変形のあるあらゆるものは、本発明の思想の範疇に属すると言える。
本発明を利用すれば、直列接続されたバッテリーストリングの均等充電を行う均等充電装置において、複雑性を減らすと共に、効率的な均等充電が可能であり、また、均等化及び動作の制御のために使用される素子の電圧ストレスを下げて、耐電圧の低い素子を使用できる。
１１４０ バッテリーストリング
１１４１〜１１４６ バッテリーモジュール
１１３０ スイッチモジュール
１１３１〜１１３６ 充電制御スイッチモジュール
１１２０ ２段目のＤＣ/ＤＣコンバーター
１１２１〜１１２６ ＤＣ/ＤＣコンバーター
１１１０ １番段目のＤＣ/ＤＣコンバーター
２１００ 電圧センシングモジュール
２２００ マイクロプロセッサー
２１１０ マルチプレクサー
２１２０ キャパシター
２１３０ アナログ−デジタルコンバーター

Claims (11)

  1. 直列接続されたバッテリーストリングのための均等充電装置であって、
    複数のバッテリーが直列接続されたバッテリーモジュールと、
    Ｍ(Ｍ≧２)個の前記バッテリーモジュールが直列接続されたバッテリーストリングと、
    前記Ｍ個のバッテリーモジュールのそれぞれに並列に接続されたＭ個の充電制御スイッチモジュールと、
    前記Ｍ個の充電制御スイッチモジュールのそれぞれに接続されたＭ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと、
    前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターと接続された単一の第１ＤＣ/ＤＣコンバーターと、
    前記充電制御スイッチモジュールを制御するマイクロプロセッサーと、
    を備え、
    前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターは、前記バッテリーストリングの全体電位を入力として入力された電位より低い電位を出力し、
    前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターは、前記充電制御スイッチモジュールにより、前記バッテリーモジュールを構成するバッテリーのそれぞれに共有され、
    前記充電制御スイッチモジュールは、両方向ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)スイッチまたはダイオードが備えられた単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを含み、
    前記両方向または単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのターンオン時に加えられるＶｇｓは、前記バッテリーモジュールの一部分である二つ以上の直列接続されたバッテリーの電位であることを特徴とする２段式均等充電装置。
  2. 前記Ｍ個の第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの入力は、前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力に並列接続されることを特徴とする、請求項１に記載の２段式均等充電装置。
  3. 前記第２ＤＣ/ＤＣコンバーターの出力は、前記充電制御スイッチモジュールにより、前記バッテリーモジュールを構成するバッテリーのそれぞれに並列接続されることを特徴とする、請求項２に記載の２段式均等充電装置。
  4. 前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーターは、負帰還回路(Negative feedback)が備えられたＤＣ/ＤＣコンバーターであることを特徴とする、請求項１に記載の２段式均等充電装置。
  5. 前記第１ＤＣ/ＤＣコンバーター及び第２ＤＣ/ＤＣコンバーターのそれぞれに、ＤＣ/ＤＣコンバーターの動作(on/off)を制御するスイッチ素子が備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の２段式均等充電装置。
  6. 前記スイッチ素子は、前記マイクロプロセッサーで生成されたＰＷＭ信号により制御されることを特徴とする、請求項５に記載の２段式均等充電装置。
  7. 前記充電制御スイッチモジュールは、前記バッテリーモジュールを構成する直列接続されたバッテリーがＫ個である時、前記バッテリーモジュールを構成するそれぞれのバッテリーの陰極と陽極にそれぞれ接続された２Ｋ個のスイッチ素子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の２段式均等充電装置。
  8. 前記両方向または単方向ＭＯＳＦＥＴスイッチを構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに電子式リレーが備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の２段式均等充電装置。
  9. 前記電子式リレーは、発光ダイオードと受光素子を含み、
    前記発光ダイオードは、充電制御スイッチモジュールを制御するためのマイクロプロセッサーの制御信号により発光することを特徴とする、請求項８に記載の２段式均等充電装置。
  10. 前記バッテリーストリングを構成するそれぞれのバッテリーの電位を入力として有するマルチプレクサー(multiplexer)及び前記マルチプレクサーの出力に接続された電圧センサーを含むことを特徴とする、請求項１に記載の２段式均等充電装置。
  11. 前記マルチプレクサーは、前記マイクロプロセッサーにより制御されて、前記電圧センサーにより測定された前記バッテリーストリングを構成するそれぞれのバッテリーの電位は、前記マイクロプロセッサーに入力されることを特徴とする、請求項１０に記載の２段式均等充電装置。
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