JP5604947B2 - 電源装置及び電圧調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のバッテリセルを備える電源装置及び電圧調整方法に関する。

近年、携帯電話機を始めとした携帯性を有する電子機器は、再充電が可能なリチウムイオン二次電池等の二次電池を電源として用いるものが殆どである。また、動力発生源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や、動力発生源としてモータのみを用いる電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）においても、二次電池が用いられている。このように、近年においては様々な用途に二次電池が用いられている。

二次電池をなすバッテリセルの定格電圧は数ボルト程度である。このため、バッテリセルの定格電圧以上の出力電圧が必要となる二次電池は、複数のバッテリセルが直列接続されたバッテリモジュールを備えている。このようなバッテリモジュールにおいては、個々のバッテリセルが過充電状態或いは過放電状態になるのを防止するため、バッテリモジュールをなす全てのバッテリセルの電圧が一定となるように調整される。

以下の特許文献１には、複数のバッテリセルが直列されたバッテリモジュールの充電方法であって、充電の途中で電圧の高いバッテリセルを放電させることによりバッテリセル間の電圧差を少なくし、その後に更に充電する充電方法が開示されている。また、以下の特許文献２には、直列接続された第１，第２バッテリセルに対して第１，第２コンデンサをそれぞれ並列に接続し、第１バッテリセルによって充電された第１コンデンサの電荷を第２コンデンサに移動させることによって第１バッテリセルの電圧検出誤差を低減し、更には電荷が移動された第２コンデンサによって第１，第２バッテリセルの何れかを充電する方法が開示されている。

特許第３２２９６９６号公報 特開２００４−４７４０７号公報

ところで、上述した特許文献１に開示された充電方法は、電圧の高いバッテリセルを抵抗に接続し、バッテリセルに充電された電気エネルギーを抵抗で消費させることによって電圧の高いバッテリセルの放電を行っている。このため、バッテリセルにせっかく充電された電気エネルギーが無駄に消費されてしまい、エネルギーロスが大きく効率が悪いという問題がある。

また、上述した特許文献２に開示された方法は、第１バッテリセルによって充電された第１コンデンサの電荷を第２コンデンサに移動させて第１バッテリセルの電圧検出に用い、更には第１，第２バッテリセルの充電に用いているため、第１バッテリセルに充電された電気エネルギーが無駄に消費されている訳ではない。しかしながら、特許文献２に開示された方法を実現するには大容量のコンデンサが必要になり、大型化してしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で効率を高めることができる電源装置及び電圧調整方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、複数のバッテリセル（１１）が直列接続されてなるバッテリモジュール（１０）を備える電源装置（１、２）において、前記バッテリセルの各々に対応して設けられた一次側巻線（２１）及びスイッチング素子（２２）を有する一次側回路と、前記一次側巻線の各々と磁気的に結合する二次側巻線（２７）を有する二次側回路とを含んでなるコンバータ（２０、６０）と、前記コンバータの二次側回路の出力を電源とし、前記二次側回路の出力電圧が一定となるように、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング素子を制御する制御部（５０）とを備える。
また、本発明の電源装置は、前記コンバータが、前記二次側巻線に対する巻線比が所定の値に設定され、前記一次側巻線の各々及び前記二次側巻線と磁気的に結合する三次側巻線（６１）を有する三次側回路を含み、前記制御部が、前記三次側回路の出力電圧が一定となるように、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。
また、本発明の電源装置は、前記複数のバッテリセルの電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出部（４０）を備えており、前記制御部が、前記セル電圧検出部によって検出される電圧に応じて、電圧が高いバッテリセルの放電量が多くなるように前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。
また、本発明の電源装置は、前記制御部が、前記セル電圧検出部の検出結果に基づき、前記スイッチング素子に対してパルス幅変調制御を行うことを特徴としている。
本発明の電圧調整方法は、複数のバッテリセル（１１）が直列接続されてなるバッテリモジュール（１０）を備える電源装置（１、２）の電圧調整方法であって、前記バッテリセルの各々に対応して設けられた一次側巻線（２１）及びスイッチング素子を（２２）有する一次側回路と、前記一次側巻線の各々と磁気的に結合する二次側巻線（２７）を有する二次側回路とを含んでなるコンバータ（２０、６０）の前記二次側回路から電源として用いる出力電圧を得て、前記二次側回路の出力電圧が一定となるように、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。
また、本発明の電圧調整方法において、前記コンバータは、前記二次側巻線に対する巻線比が所定の値に設定され、前記一次側巻線の各々及び前記二次側巻線と磁気的に結合する三次側巻線を有する三次側回路とを含み、前記三次側回路の出力電圧が一定となるように、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。
また、本発明の電圧調整方法は、前記複数のバッテリセルの電圧をそれぞれ検出し、検出される電圧に応じて、電圧が高いバッテリセルの放電量が多くなるように前記スイッチング素子を制御することを特徴としている。

本発明によれば、バッテリモジュールが備えるバッテリセルの各々に対応した一次側巻線及びスイッチング素子を有する一次側回路と、一次側巻線の各々と磁気的に結合する二次側巻線）を有する二次側回路とを含んでなるコンバータを設け、コンバータの二次側回路の出力を電源とする制御部によって、コンバータの二次側回路の出力が一定となるようにコンバータの一次側回路に設けられたスイッチング素子を制御しており、バッテリセルから放電された電力が電源部の電源として再利用されるため、簡素な構成で効率を高めることができるという効果がある。

本発明の第１実施形態による電源装置の要部構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態による電源装置の要部構成を示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による電源装置及び電圧調整方法について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による電源装置の要部構成を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の電源装置１は、バッテリモジュール１０、コンバータ２０、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０を備えており、バッテリモジュール１０から電源端子Ｔ１１，Ｔ１２を介して外部に電力を供給するとともに、外部から電源端子Ｔ１１，Ｔ１２を介して供給される電力によりバッテリモジュール１０の充電が可能である。

バッテリモジュール１０は、直列接続された複数のバッテリセル１１を備えており、一端に位置するバッテリセル１１の正極が電源端子Ｔ１１に接続され、他端に位置するバッテリセル１１の負極が電源端子Ｔ１２に接続されている。バッテリセル１１は、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、リチウムイオン電池等の再充電が可能な電池セルであり、電源装置１に要求される出力電圧に応じた数だけ（例えば、数十個程度）直列接続される。

コンバータ２０は、トランスＴｒと、トランスＴｒの一次側に設けられる一次側回路と、トランスＴｒの二次側に設けられる二次側回路とを備えており、制御部５０の制御の下でバッテリモジュール１０をなす個々のバッテリセル１１の充電又は放電を行う。このコンバータ２０は、所謂フライバック・コンバータであって、バッテリモジュール１０に設けられるバッテリセル１１の電圧を均一化しつつ、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０で必要となる電源を生成するために設けられる。

コンバータ２０の一次側回路は、一次側巻線２１、トランジスタ２２（スイッチング素子）、ダイオード２３，２４、コンデンサ２５、及び抵抗２５からなり、バッテリモジュール１０が備えるバッテリセル１１の各々に対応して設けられる。一次側巻線２１は、トランスＴｒの一次側に設けられる巻線であり、その一端は対応するバッテリセル１１の正極に接続され、他端はトランジスタ２２のコレクタ電極に接続される。

トランジスタ２２は、ゲート電極が制御部５０に接続されるとともに、エミッタ電極が対応するバッテリセル１１の負極に接続され、制御部５０の制御の下でオン状態又はオフ状態が切り替わる。トランジスタ２２のオン状態・オフ状態が切り替えられることにより、一次側巻線２１に流れる電流が変化して二次側回路に電圧が誘起される。尚、トランジスタ２２のエミッタ電極にはダイオード２３のアノード電極が接続され、コレクタ電極にはダイオード２３のカソード電極が接続される。

ダイオード２４は、アノード電極が一次側巻線２１とトランジスタ２２のコレクタ電極との接続点に接続され、カソード電極がコンデンサ２５の一方の電極及び抵抗２６の一端に接続されている。尚、コンデンサ２５の他方の電極及び抵抗２６の他端は一次側巻線２１の一端（即ち、バッテリセル１１の正極）に接続されている。

コンバータ２０の二次側回路は、二次側巻線２７、ダイオード２８、及びコンデンサ２９からなる。前述した一次側回路はバッテリセル１１の各々に対応して設けられるのに対し、二次側回路は１つのみ設けられる。二次側巻線２７は、トランスＴｒの二次側に設けられる巻線であり、一次側回路に設けられた一次側巻線２１の各々と磁気的に結合する。従って、一次側回路に設けられた一次側巻線２１の何れかに流れる電流が変化すると、二次側巻線２７にはその変化に応じた電圧が誘起される。この二次側巻線２７の一端はダイオード２８のアノード電極に接続され、他端は端子Ｔ２２に接続される。

ダイオード２８及びコンデンサ２９は整流回路をなし、二次側巻線２７に誘起された電圧を整流する。従って、この整流回路によって整流された直流電圧が端子Ｔ２１，Ｔ２２間に現れる。ここで、図１においては図示を省略しているが、端子Ｔ２１，Ｔ２２は、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０に接続されており、端子Ｔ２１，Ｔ２２間に現れる電圧がこれら各部の電源電圧として用いられる。

電圧検出部３０は、差動増幅器３１とフォトカプラ３２とを備えており、コンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に現れる電圧によって動作し、コンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２間に現れる電圧を検出する。差動増幅器３１は、非反転入力端が端子Ｔ２１に接続されるとともに、反転入力端が端子Ｔ２２に接続されており、端子Ｔ２１の電位と端子Ｔ２２の電位との差を示す信号を出力する。フォトカプラ３２は、差動増幅器３１から出力される信号を光信号に変換して制御部５０に出力する。このフォトカプラ３２は、トランスＴｒの二次側に接続される差動増幅器３１と、トランスＴｒの一次側に接続される制御部５０とを絶縁するために設けられる。

セル電圧検出部４０は、複数の差動増幅器４１と選択回路４２とを備えており、コンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に現れる電圧によって動作し、バッテリモジュール１０に設けられた複数のバッテリセル１１の電圧をそれぞれ検出する。差動増幅器４１は、バッテリモジュール１０が備えるバッテリセル１１の各々に対応して設けられており、対応するバッテリセル１１の正極に非反転入力端が接続され、負極に反転入力端が接続されている。選択回路４２は、差動増幅器４１の各々から出力される出力信号を、予め設定された周期毎に予め設定された順序で順次選択して制御部５０に出力する。

制御部５０は、制御回路５１と複数のドライバ回路５２とを備えており、コンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に現れる電圧によって動作し、コンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に現れる電圧が一定となるように、コンバータ２０の一次側回路に設けられたトランジスタ２２を制御する。例えば、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０で必要となる電源電圧が１２ボルトである場合には、端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に現れる電圧が１２ボルトとなるようにトランジスタ２２を制御する。

制御回路５１は、電圧検出部３０の検出結果に基づいて、コンバータ２０の一次側回路に設けられたトランジスタ２２を制御する制御信号を出力する。具体的に、制御回路５１は、トランジスタ２２のスイッチング制御をＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御により行うための制御信号を出力する。ここで、制御信号５１は、セル電圧検出部４０によって検出される電圧が相対的に高いバッテリセル１１の放電量が多くなるようにトランジスタ２２をＰＷＭ制御する。

つまり、制御回路５１は、セル電圧検出部４０によって検出された電圧が相対的に高いバッテリセル１１に対応して設けられたトランジスタ２２についてはオンデューティ比を高くし、逆に検出された電圧が相対的に低いバッテリセル１１に対応して設けられたトランジスタ２２についてはオンデューティ比を低くする制御を行う。ここで、オンデューティ比とは、ＰＷＭ制御の制御周期と、ＰＷＭ制御の制御周期内においてトランジスタ２２がオン状態である時間との比である。ドライバ回路５２は、コンバータ２０の一次側に設けられたトランジスタ２２の各々に対応して設けられており、制御回路５１から出力される制御信号に基づいて、対応するトランジスタ２２を駆動するための駆動信号を生成する。

上記構成において、制御回路５１からドライバ回路５２の各々に対してＰＷＭ制御のための制御信号が出力されると、ドライバ回路５２の各々において制御信号に応じた駆動信号が生成される。この駆動信号は、コンバータ２０の一次側に設けられた対応するトランジスタ２２にそれぞれ出力され、これによりトランジスタ２２の各々がスイッチングされる。すると、コンバータ２０の一次側に設けられた一次側巻線２１に流れる電流が変化して二次側巻線２７に電圧が誘起される。誘起された電圧はダイオード２８及びコンデンサ２９により整流され、端子Ｔ２１，Ｔ２２間には直流電圧が現れる。端子Ｔ２１，Ｔ２２に現れた直流電圧は、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０に電源電圧として供給される。

これにより、電圧検出部３０の検出結果が制御回路５１に入力され、制御回路５１は、電圧検出部３０の検出結果が一定になるように、コンバータ２０の一次側に設けられたトランジスタ２２の各々を制御するための制御信号を出力する。このとき、制御回路５１には、セル電圧検出部４０の検出結果も入力される。制御信号５１は、セル電圧検出部４０の検出結果を参照し、検出された電圧が相対的に高いバッテリセル１１の放電量が多くなるようにトランジスタ２２をＰＷＭ制御する制御信号を出力する。

具体的には、セル電圧検出部４０によって検出された電圧が相対的に高いバッテリセル１１に対応して設けられたトランジスタ２２についてはオンデューティ比を高くした制御信号を出力する。これに対し、セル電圧検出部４０によって検出された電圧が相対的に低いバッテリセル１１に対応して設けられたトランジスタ２２についてはオンデューティ比を低くした制御信号を出力する。このような制御を行うと、電圧が高いバッテリセル１１からの放電量が多くなり、逆に電圧が低いバッテリセル１１からの放電量が少なくなり、バッテリセル１１の電圧を均一化することができる。

また、バッテリセル１１から放電された電力は、トランスＴｒを介して電圧変換されてコンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力され、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０を動作させるために用いられる。このように、本実施形態では、バッテリセル１１から放電された電力を無駄に消費せずに再利用しているため、効率を高めることができる。しかも、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０を動作させるための電力を外部から供給する必要が無いため、簡素な構成で効率を高めることができる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態による電源装置の要部構成を示す回路図である。尚、図２においては、図１に示した構成と同じ構成については同一の符号を付してある。また、図２では、簡略化のために、セル電圧検出部４０及び制御部５０に設けられるドライバ回路５２の図示を省略するとともに、セル電圧検出部４０とバッテリセル１１との接続線及びドライバ回路５２とコンバータ２０の一次側回路に設けられるトランジスタ２２との接続線の図示を省略している。

図２に示す通り、本実施形態の電源装置２は、図１中のコンバータ２０に代えてコンバータ６０を設け、電圧検出部３０に代えて差動増幅器７０を設けた構成である。コンバータ６０は、前述した一次側回路及び二次側回路に加えて三次側回路を備える。この三次側回路は、三次側巻線６１、ダイオード６２、及びコンデンサ６３からなり、例えば５ボルトの直流電圧を出力する。

三次側回路に設けられる三次側巻線６１は、二次側回路に設けられる二次側巻線２７と同様に１つのみ設けられており、一次側回路に設けられた一次側巻線２１の各々及び二次側回路に設けられた二次側巻線２７と磁気的に結合する。また、三次側巻線６１は、二次側巻線２７に対する巻線比が所定の巻線比に設定されている。例えば、二次側回路から出力される電圧が１２ボルトである場合には、三次側回路から出力される電圧が５ボルトとなるように、二次側巻線２７に対する巻線比が設定されている。

三次側巻線６１の一端はダイオード６２のアノード電極に接続され、他端は差動増幅器７０の反転入力端に接続される。ダイオード６２及びコンデンサ６３は、二次側回路に設けられるダイオード２８及びコンデンサ２９と同様に整流回路をなし、三次側巻線６１に誘起された電圧を整流する。ダイオード６２のカソード電極及びコンデンサ６３の一方の電極は差動増幅器７０の非反転入力端に接続され、コンデンサ６３の他方の電極は差動増幅器７０の反転入力端に接続される。従って、この整流回路によって整流された直流電圧が差動増幅器７０の反転入力端と非反転入力端との間に現れる。

差動増幅器７０は、三次側回路に設けられるコンデンサ６３の電極間の電位差を示す信号を制御回路５１に出力する。尚、三次側巻線６１は、一次側巻線３１側に設けられており、絶縁の必要がないことから図１中のフォトカプラ３２に相当するものを設ける必要はない。ここで、前述した通り、三次側巻線６１は、二次側巻線２７に対して所定の巻線比に設定されているため、コンデンサ６３の電極間の電位差は、コンバータ６０の端子Ｔ２１，Ｔ２２間の電位差に対して、二次側巻線２７と三次側巻き線６１との巻線比に応じた値になる。

従って、制御回路５１が、差動増幅器７０から出力される信号を参照しつつ、三次側回路の出力電圧が一定となるようにコンバータ２０の一次側回路に設けられたトランジスタ２２を制御すれば、コンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に現れる電圧を一定にすることができる。例えば、三次側回路の出力電力が５ボルトとなるように制御すれば、端子Ｔ２１，Ｔ２２の間に現れる電圧を１２ボルトにすることができる。

尚、図２では図示を省略しているが、制御回路５１にはセル電圧検出部４０の検出結果が入力されている。そして、本実施形態においても、セル電圧検出部４０によって検出された電圧が相対的に高いバッテリセル１１に対応して設けられたトランジスタ２２についてはオンデューティ比を高くし、逆に検出された電圧が相対的に低いバッテリセル１１に対応して設けられたトランジスタ２２についてはオンデューティ比を低くする制御が制御回路５１によって行われる。このため、第１実施形態と同様に、バッテリセル１１の電圧を均一化することができる。

また、本実施形態においても、バッテリセル１１から放電された電力は、トランスＴｒを介して電圧変換されてコンバータ２０の端子Ｔ２１，Ｔ２２から出力され、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０を動作させるために用いられる。よって、バッテリセル１１から放電された電力が無駄に消費されずに再利用されるため効率を高めることができる。しかも、電圧検出部３０、セル電圧検出部４０、及び制御部５０を動作させるための電力を外部から供給する必要が無いため、簡素な構成で効率を高めることができる。

以上、本発明の実施形態による電源装置及び電圧調整方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、コンバータ２０，６０が所謂フライバック・コンバータである場合を例に挙げて説明したが、これらはフォーワード・コンバータ、プッシュプル・コンバータであってもよい。つまり、コンバータは、スイッチング・コンバータであれば良い。

１，２ 電源装置
１０ バッテリモジュール
１１ バッテリセル
２０ コンバータ
２１ 一次側巻線
２２ スイッチング素子
２７ 二次側巻線
４０ セル電圧検出部
５０ 制御部
６０ コンバータ
６１ 三次側巻線

Claims (5)

1. 複数のバッテリセルが直列接続されてなるバッテリモジュールを備える電源装置において、
   前記バッテリセルの各々に対応して設けられた一次側巻線及びスイッチング素子を有する一次側回路と、前記一次側巻線の各々と磁気的に結合する二次側巻線を有する二次側回路と、前記二次側巻線に対する巻線比が所定の値に設定されて前記一次側巻線の各々及び前記二次側巻線と磁気的に結合する三次側巻線を有する三次側回路とを含んでなるコンバータと、
   前記コンバータの二次側回路の出力を電源とし、前記三次側回路の出力電圧が、前記二次側巻線と前記三次側巻線との巻線比に応じた所定の電圧となるように、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング素子を制御する制御部と
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記複数のバッテリセルの電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出部を備えており、
   前記制御部は、前記セル電圧検出部によって検出される電圧に応じて、電圧が高いバッテリセルの放電量が多くなるように前記スイッチング素子を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記制御部は、前記セル電圧検出部の検出結果に基づき、前記スイッチング素子に対してパルス幅変調制御を行うことを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 複数のバッテリセルが直列接続されてなるバッテリモジュールを備える電源装置の電圧調整方法であって、
   前記バッテリセルの各々に対応して設けられた一次側巻線及びスイッチング素子を有する一次側回路と、前記一次側巻線の各々と磁気的に結合する二次側巻線を有する二次側回路と、前記二次側巻線に対する巻線比が所定の値に設定されて前記一次側巻線の各々及び前記二次側巻線と磁気的に結合する三次側巻線を有する三次側回路とを含んでなるコンバータの前記二次側回路から電源として用いる出力電圧を得て、前記三次側回路の出力電圧が、前記二次側巻線と前記三次側巻線との巻線比に応じた所定の電圧となるように、前記コンバータの一次側回路に設けられた前記スイッチング素子を制御することを特徴とする電圧調整方法。
5. 前記複数のバッテリセルの電圧をそれぞれ検出し、検出される電圧に応じて、電圧が高いバッテリセルの放電量が多くなるように前記スイッチング素子を制御することを特徴とする請求項４記載の電圧調整方法。

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