JP5438931B2 - 蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路に関し、とくに、二次電池やキャパシタ等の蓄電セルを多数直列接続して使用する場合に用いて有効な技術に関する。

二次電池やキャパシタなどの蓄電セルは、たとえば、瞬低・停電（瞬時電圧低下・瞬時停電）補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムに使用される。このような蓄電システムでは、単体の蓄電セルの使用可能電圧が数Ｖ程度しかないため、多数の蓄電セルを直列に接続して使用する。

この場合、一定数の蓄電セルが直列接続された蓄電モジュールをあらかじめ多数作成し、この蓄電モジュールを必要数だけ直列接続して目的とする使用電圧を得るようにした方が効率的である。蓄電セルをある程度の直列数でモジュール化すれば、モジュールの規格化や量産による低コスト化などが可能となり、ユーザーはその規格化されたモジュールを使って目的の電圧の蓄電システムを簡単かつ自由に構築できる。

複数の蓄電セルを直列接続した直列セルにおいて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。このセル間の電圧バラツキによる問題は直列接続数が多くなるほど顕著になる。

したがって、蓄電セルの直列接続使用では、セル間の電圧バラツキを補償するバランス補正回路が必要となる。セル間の電圧バラツキを補償するバランス補正回路については従来から種々の技術が提案されている（たとえば、特許文献１，２）。
特開２００３−１８９４８０ 特開２００６−６７７４２

多数の蓄電セルを直列接続した蓄電システムでは、上述したように、セル間の電圧バラツキを補償するバランス補正回路が従来からいろいろ提案されている。しかし、蓄電セルをモジュール化して使用する場合は、セルの交換などの保守がモジュール単位で行われるようになるので、電圧バラツキはセル間よりもモジュール間で補償することが望まれる。つまり、モジュール間の電圧バランス補正回路が必要となる。

ところが、モジュール間での電圧バラツキ、とくに、長期の充電継続中に徐々に生じるようなモジュール間電圧バラツキについては、これを簡単かつ低コストで、簡潔に補償できるような回路はなかった。

本発明は以上のような技術背景を鑑みたものであって、その目的は、たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなモジュール間での電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、蓄電モジュールの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、簡潔に補償することができる蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路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。

本発明は次のような解決手段を提供する。
（１）複数の蓄電セルが直列接続された蓄電モジュールを複数直列接続してなる蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、
直列接続された第１の蓄電モジュールと第２の蓄電モジュールの直列電圧を等分割する抵抗分圧回路と、
前記第１，第２の蓄電モジュールの中間接続点と前記抵抗分圧回路の分圧点との間に現れる電圧によって相補的にオン／オフ駆動される一対のトランジスタとを有し、
前記一対のトランジスタのベース同士およびエミッタ同士は共通接続されており、
前記共通接続された前記ベースと前記共通接続されたエミッタとの間に接続される抵抗素子を有し、
前記一対のトランジスタのうち、一方のトランジスタは、前記分圧点に現れる分圧電圧が前記中間接続点に現れる中間電圧よりも高くなったときにオン駆動されることにより、直列接続された前記蓄電モジュールの正側に位置する蓄電モジュールにバイパス放電用抵抗素子を接続させ、他方のトランジスタは、前記分圧電圧が前記中間電圧よりも低くなったときにオン駆動されることにより、直列接続された前記蓄電モジュールの負側に位置する蓄電モジュールにバイパス放電用抵抗素子を接続させることを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。

（２）上記手段（１）において、３以上の蓄電モジュールが直列接続されている場合、直列接続順で前後する２つの蓄電モジュールごとにそれぞれ、上記抵抗分圧回路と上記トランジスタからなる補正回路ユニットを設置することを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。

（３）上記手段（２）において、各補正回路ユニットの抵抗分圧回路に流れる電流の通電条件を同一に揃えるために通電補正用抵抗素子を設けたことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。

（４）上記手段（１）〜（３）のいずれかにおいて、上記一対のトランジスタにはそれぞれ、多段直結増幅回路を形成するトランジスタが付加されていることを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。

（５）上記手段（４）において、上記付加トランジスタがダーリントン接続されたバイポーラトランジスタであることを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。

（６）上記手段（１）〜（５）のいずれかにおいて、各前記蓄電モジュールにはそれぞれ、直列接続された複数の前記蓄電セルの電圧を個別に監視し、電圧の高い蓄電セルが生じた場合にその蓄電セルを前記バイパス放電用抵抗素子に接続させるようにした過充電保護回路が備えられ、
前記一対のトランジスタは、オン駆動されることによって前記過充電保護回路内の前記バイパス放電用抵抗素子をすべて前記蓄電モジュール内の蓄電セルに一斉接続させる
ことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。

たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなモジュール間での電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、蓄電モジュールの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、簡潔に補償することができる。

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は本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第１実施形態を示す。同図に示す回路１０は、複数の蓄電セルＣ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎが直列接続された蓄電モジュールＭ１，Ｍ２を複数直列接続してなる蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）と一対のトランジスタＱ１，Ｑ２を用いて構成される。

抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）は同値の抵抗素子Ｒ１，Ｒ２（Ｒ１＝Ｒ２）によって形成され、直列接続された第１の蓄電モジュールＭ１と第２の蓄電モジュールＭ２の直列電圧（Ｅ１＋Ｅ２）を等分割する。

一対のトランジスタＱ１，Ｑ２はｎｐｎとｐｎｐの相補バイポーラトランジスタであって、第１の蓄電モジュールＭ１と第２の蓄電モジュールＭ２の中間接続点ｐ２と、上記抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）の分圧点ｐ１との間に現れる電圧（Ｖｐ１−Ｖｐ２）によって相補的にオン／オフ駆動される。

上記一対のトランジスタＱ１，Ｑ２のうち、ｎｐｎバイポーラトランジスタＱ１は、ベースが上記分圧点ｐ１、エミッタが上記中間接続点ｐ２にそれぞれ接続されるとともに、コレクタが抵抗素子Ｒｄを介して２直列モジュールの正側端子（Ｔ１）に接続されている。

また、ｐｎｐバイポーラトランジスタＱ２は、ベースが上記分圧点ｐ１、エミッタが上記中間接続点ｐ２にそれぞれ接続されるとともに、コレクタが抵抗素子Ｒｄを介して２直列モジュールの負側端子（Ｔ２）に接続されている。

トランジスタＱ１とＱ２のベースおよびエミッタはそれぞれに共通接続されるとともに、その共通ベースと共通エミッタ間に共通の入力抵抗素子Ｒｓが接続されている。この入力抵抗素子ＲｓはトランジスタＱ１とＱ２のベース・エミッタ間に所定の入力インピーダンスを持たせるためであるが、理論的には省略（抵抗値が無限大）可能である。しかし、実際は、ベース蓄積電荷が抜けるようにするため、有限抵抗値の抵抗素子Ｒｓを接続した方がよい。

バイパス放電用抵抗素子Ｒｄは、トランジスタＱ１，Ｑ２がオン駆動されたときにモジュールＭ１，Ｍ２のバイパス放電路を形成する。

すなわち、上記分圧点ｐ１に現れる分圧電圧Ｖｐ１が上記中間接続点ｐ２に現れる中間電圧Ｖｐ２よりも高くなると、トランジスタＱ１がオン駆動されて、バイパス放電用抵抗素子ＲｄによるモジュールＭ１のバイパス放電路が形成される。これにより、モジュールＭ１の電圧Ｅ１がＭ２の電圧Ｅ２よりも一定以上高くなると、これを均等化させるような放電電流が通電される。

また、上記分圧電圧Ｖｐ１が上記中間電圧Ｖｐ２よりも低くなると、トランジスタＱ２がオン駆動されて、バイパス放電用抵抗素子ＲｄによるモジュールＭ２のバイパス放電路が形成される。これにより、モジュールＭ２の電圧Ｅ２がＭ１の電圧Ｅ２よりも一定以上高くなると、これを均等化させるような放電電流が通電される。

上記により、たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなモジュール間での電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、しかも蓄電モジュールの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、簡潔に補償することができる。

上述した補正回路１０は、図示のように、単体のトランジスタＱ１，Ｑ２と抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒｂ，Ｒｂで構成できる非常に単純な回路であるが、これは信頼性を高める上で非常に有効である。したがって、とくに長期間無保守で使用されるような蓄電システムには非常に好適である。

また、上述した補正回路１０は、図２に示すように、抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）と単体のトランジスタＱ１，Ｑ２からなる回路ユニットとして構成することができる。

たとえば、図２に示すように、３以上の蓄電モジュールＭ１〜Ｍ３が直列接続されている場合、直列接続順で前後する２つの蓄電モジュール（Ｍ１とＭ２），（Ｍ２とＭ３）ごとにそれぞれ、ユニット化された補正回路１０を設置すればよい。これにより、蓄電モジュールの直列接続数の増減にも容易に対応できる。

この場合、同図に示すように、各補正回路１０内の抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）に流れる電流の通電条件を同一に揃えるために、通電補正用抵抗素子Ｒｃを設けるとよい。この通電補正用抵抗素子Ｒｃは、抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）の抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と同値（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒｃ）であって、この直列抵抗回路（Ｒ１−Ｒ２−Ｒｃ）の両端に全モジュールＭ１〜Ｍ３の直列電圧が直接印加されることにより、各抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）に流れる電流の通電条件を同一に揃えて、電圧分圧動作を安定化および高精度化させることができる。

図３は本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第２実施形態を示す。同図に示す回路１０では、上記分圧電圧Ｖｐ１と上記中間電圧Ｖｐ２の差（Ｖｐ１−Ｖｐ２）でオン／オフ駆動される一対のトランジスタＱ１，Ｑ２にそれぞれ、多段直結増幅回路を形成するトランジスタＱ３，Ｑ４が付加されている。

すなわち、トランジスタＱ１，Ｑ２の各コレクタはそれぞれ、２つの直列接続された負荷抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２を介してモジュールＭ１，Ｍ２の直列端子（Ｔ１，Ｔ２）に接続されている。これにより、Ｑ１，Ｑ２はそれぞれエミッタ接地増幅回路を形成し、その増幅出力はそれぞれ負荷抵抗素子Ｒ１１，Ｒ１２の中間接続点から取り出されてＱ３，Ｑ４のベースに入力される。

トランジスタＱ３，Ｑ４はそれぞれ、エミッタがモジュールＭ１，Ｍ２の直列端子（Ｔ１，Ｔ２）に接続されるとともに、コレクタがバイパス放電用抵抗素子Ｒｄを介して中間接続点ｐ２に接続されている。

このようにて多段直結増幅回路を形成させると、抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）から取り出される電流を非常に小さくすることができる。これにより、抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）の抵抗値を非常に高く設定し、抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）に定常的に流れる電流をほぼ無視し得るほどに小さくすることができる。

この結果、たとえば蓄電システムの出荷から使用までの在庫／滞留期間が長くなっても、その間にモジュールＭ１，Ｍ２内の蓄電セル（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）が過放電になってしまうのを回避させることができる。したがって、出荷から使用開始までの時間管理もほぼ不要にすることができる。

図４は本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第３実施形態を示す。図３に示した実施形態との相違に着目すると、この実施形態では、多段直結増幅回路を形成する付加トランジスタとしてダーリントン接続されたバイポーラトランジスタ（Ｑ３１−Ｑ３２），（Ｑ４１−Ｑ４２）が使用されている。

これにより、抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）の抵抗値をさらに高めて、定常的に流れる電流をさらに極限まで小さくすることができる。これにより、出荷してから使用開始までの時間管理も確実に不要にすることができる。

また、この実施形態では、ダーリントン接続されたバイポーラトランジスタ（Ｑ３１−Ｑ３２），（Ｑ４１−Ｑ４２）の見かけ上のベース・エミッタ電圧が高くなるということにより、補正が不要な小さな電圧バラツキでは無駄な補償動作を回避させられるという利点もある。

図５は本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第４実施形態を示す。同図に示すように、各モジュールＭ１，Ｍ２内の蓄電セル（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）については、たとえば特許文献１に開示されているような従来の過充電保護回路２０を用いて保護することができる。

この保護回路２０は、制御回路２１、バイパス放電用抵抗素子（Ｒｂ，Ｒｂ，・・・，Ｒｂ）、および半導体スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎ）によって構成される。バイパス放電用抵抗素子（Ｒｂ，Ｒｂ，・・・，Ｒｂ）はそれぞれ半導体スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎ）を介して蓄電セル（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）に接続される。

制御回路２１は、蓄電セル（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）の電圧を個別に監視し、電圧の高いセルが生じた場合に、そのセルに対応するスイッチ（Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎ）をオンさせることにより、そのセルをバイパス放電用抵抗素子Ｒｂに接続して放電させる。

ここで、上記一対のトランジスタＱ１，Ｑ２は、上記分圧電圧Ｖｐ１と上記中間電圧Ｖｐ２の差（Ｖｐ１−Ｖｐ２）でオン駆動されたときに、そのオン状態でもって上記保護回路２０内のバイパス放電用抵抗素子ＲｂをすべてモジュールＭ１，Ｍ２内のセル（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）に一斉接続させるように動作させられる。つまり、Ｑ１，Ｑ２は上記制御回路２１の動作に割込介在してモジュールＭ１，Ｍ２内のセル（Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ）を一斉放電させる。

これにより、モジュールＭ１，Ｍ２内に過充電保護回路２０が設けられている場合には、これを利用してモジュールＭ１，Ｍ２間の電圧バランス補正を行わせることができる。

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、上記トランジスタはＭＯＳトランジスタに置き換えることが可能である。

たとえば瞬低・停電補償装置、鉄道用電力貯蔵装置などのような蓄電システムにおいて、長期の充電継続中に徐々に生じるようなモジュール間での電圧バラツキを、簡単かつ低コストで、蓄電モジュールの直列接続数の増減にも容易に対応可能な回路でもって、簡潔に補償することができる。

本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第１実施形態を示す回路図である。 ３以上の蓄電モジュールが直列接続されている場合の構成例を示す回路図である。 本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第２実施形態を示す回路図である。 本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第３実施形態を示す回路図である。 本発明による蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路の第４実施形態を示す回路図である。

符号の説明

１０ 補正回路（ユニット）
Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｎ 蓄電セル
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 蓄電モジュール
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）を形成する抵抗素子
Ｒｃ 通電補正用抵抗素子（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒｃ）
Ｑ１，Ｑ２ 一対のトランジスタ（相補トランジスタ）
ｐ１ 抵抗分圧回路（Ｒ１−Ｒ２）の分圧点
ｐ２ 蓄電モジュールの中間接続点
Ｖｐ１ 分圧電圧
Ｖｐ２ 中間電圧
Ｒｄ バイパス放電用抵抗素子
Ｑ３，Ｑ４ トランジスタ
Ｑ３１，Ｑ３２，Ｑ４１，Ｑ４２ トランジスタ
Ｒ１１，Ｒ１２ 負荷抵抗素、
２０ 過充電保護回路
２１ 制御回路
Ｒｂ，Ｒｂ，・・・，Ｒｂ バイパス放電用抵抗素子
Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓｎ 半導体スイッチ

Claims (6)

1. 複数の蓄電セルが直列接続された蓄電モジュールを複数直列接続してなる蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、
   直列接続された第１の蓄電モジュールと第２の蓄電モジュールの直列電圧を等分割する抵抗分圧回路と、
   前記第１，第２の蓄電モジュールの中間接続点と前記抵抗分圧回路の分圧点との間に現れる電圧によって相補的にオン／オフ駆動される一対のトランジスタとを有し、
   前記一対のトランジスタのベース同士およびエミッタ同士は共通接続されており、
   前記共通接続された前記ベースと前記共通接続されたエミッタとの間に接続される抵抗素子を有し、
   前記一対のトランジスタのうち、一方のトランジスタは、前記分圧点に現れる分圧電圧が前記中間接続点に現れる中間電圧よりも高くなったときにオン駆動されることにより、直列接続された前記蓄電モジュールの正側に位置する蓄電モジュールにバイパス放電用抵抗素子を接続させ、他方のトランジスタは、前記分圧電圧が前記中間電圧よりも低くなったときにオン駆動されることにより、直列接続された前記蓄電モジュールの負側に位置する蓄電モジュールにバイパス放電用抵抗素子を接続させる
   ことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。
2. 請求項１に記載の蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、
   ３以上の蓄電モジュールが直列接続されている場合、直列接続順で前後する２つの蓄電モジュールごとにそれぞれ、前記抵抗分圧回路と前記トランジスタからなる補正回路ユニットを設置する
   ことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。
3. 請求項２に記載の蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、
   前記補正回路ユニットの各前記抵抗分圧回路に流れる電流の通電条件を同一に揃えるために通電補正用抵抗素子を設けた
   ことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、
   前記一対のトランジスタにはそれぞれ、多段直結増幅回路を形成するトランジスタが付加されている
   ことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。
5. 請求項４に記載の蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、
   前記付加トランジスタがダーリントン接続されたバイポーラトランジスタである
   ことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路であって、
   各前記蓄電モジュールにはそれぞれ、直列接続された複数の前記蓄電セルの電圧を個別に監視し、電圧の高い蓄電セルが生じた場合にその蓄電セルを前記バイパス放電用抵抗素子に接続させるようにした過充電保護回路が備えられ、
   前記一対のトランジスタは、オン駆動されることによって前記過充電保護回路内の前記バイパス放電用抵抗素子をすべて前記蓄電モジュール内の蓄電セルに一斉接続させる
   ことを特徴とする蓄電システムのモジュール間電圧バランス補正回路。

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