JP6493172B2 - 電池の接続方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数個の電池を並列接続して構成した電池電源装置における電池の並列接続方法に関する。

ここでいう「電池」とは、原理的には１つの電池を含み得るが、むしろ多数の直列接続された電池からなるいわゆる列電池もしくは電池集合体のことである。このような列電池を複数個並列接続して構成した電池電源装置は、電池を充電するための発電装置を有する例えば電気自動車又は電気推進船舶などのいわゆるハイブリッド電源システムにおいて使用されている。この種のシステムにおいては、電池電源の組み立て時に複数の電池を相互に並列接続する必要があり、また、使用中に特性の劣化した電池の交換のために、新しい電池を既存電池に並列接続する必要がある。このように電池の並列接続を行うとき、並列接続する電池間に僅かでも電圧差があると、電池間に過大な突入電流が流れ、電池にダメージを与えるとともに、回路に設けた保護装置を作動させるなどの問題が発生する。

特に、リチウムイオン電池を用いた大容量の電池電源では、電池の内部抵抗が微小であることから、並列接続する２つの電池間に電池特性のバラツキ等に起因してほんの僅かな電圧差が生じても、電池を並列接続するとき、過大な突入電流が流れるため、これを防止することが重要な課題となっている。

このような、電池電源における電池の並列接続時の過大な突入電流を防止するために、特許文献１に示すように、並列接続する両電池間に双方向チョッパ回路を接続し、このチョッパ回路により両電池間に流れる電流を抑制しながら両電池の電圧を等しい電圧になるように均圧したうえで、並列接続を行う方法がすでに知られている。

特開２０１５‐０１９４４７号公報

前記の従来の双方向チョッパ回路を用いた電池の並列接続方法によれば、電池を並列接続するとき、並列接続する電池間に流れる電圧差による突入電流を抑制することができるので、過大な突入電流による電池のダメージを回避することができる。

この発明は、前記の双方向チョッパ回路を用いた電池の並列接続方法を改良して、並列接続の前の均圧動作時に電池間に流れる電流を、電池に許容される最大電流まで流すことにより、並列接続する電池間の電圧の均圧時間を短縮し、並列接続作業を迅速に行うことが可能な電池の並列接続方法を提供することを課題とするものである。

この発明は、前記の課題を解決するため、電池電源等を構成する既存電池に新たな電池を並列接続する際、前記既存電池に接続スイッチを介して前記新たな電池を並列接続するとともに、前記並列接続した両電池の間に前記接続スイッチをバイパスして双方向チョッパ回路を接続し、前記接続スイッチを開放して、前記両電池間の電圧差に基づいて両電池間に流れる充放電電流を前記双方向チョッパ回路の断続制御により両電池の電圧を等しくする均圧動作を行った後、前記接続スイッチを投入して前記両電池を並列接続する電池の並列接続方法において、
前記双方向チョッパ回路の断続制御により前記両電池の均圧動作を行う際、前記双方向チョッパ回路を通して前記両電池間に流れる充放電電流の最大値が、前記各電池の最大許容電流以下になるように前記双方向チョッパ回路の断続比を制御することを特徴とするものである。

この発明おいては、前記双方向チョッパ回路の断続比を１にして断続制御し、かつ、前記双方向チョッパ回路のオン期間において前記双方向チョッパ回路の通流する電流が前記各電池の最大許容電流に達するように前記双方向チョッパ回路のリアクトルのリアクタンスを選定することができる。

また、この発明においては、前記双方向チョッパ回路を複数（Ｎ）個設け、これらの複数の双方向チョッパ回路を並列接続し、前記各双方向チョッパ回路の断続制御を互いにその断続周期の１／Ｎの期間ずつずらして多重運転することができる。

この発明においては、前記双方向チョッパ回路の通流電流がゼロのときにこの双方向チョッパ回路のスイッチング素子をオンにし、前記通流電流が前記各電池の最大許容電流に達したところでオンしている前記スイッチング素子をオフにすることにより前記双方向チョッパ回路の断続制御を行うのがよい。

２つの電池を相互に並列接続する前に、両電池間に接続した双方向チョッパ回路を断続制御して両電池電圧を等しくする均圧過程で、両電池間の電圧差によって相互間に流れる充放電電流の最大値を前記各電池の最大許容電流に保って両電池間の充放電を行うので、両電池間の充放電電流を許容される最大電流とすることができるため、両電池間の電圧の均圧時間を短縮することができ、電池の並列接続作業を迅速に行うことが可能なとなる。

この発明の接続方法を実施するための第１の実施例を示す回路構成図。 この発明の第１の実施例の動作を説明するための電流経路図。 この発明の第１の実施例の動作を説明するためのチョッパ回路の動作波形図。 この発明の第１の実施例の動作を説明するための電圧および電流の時間経過図。 この発明の接続方法を実施するための第２の実施例を示す回路構成図。 この発明の第２の実施例の動作を説明するためのチョッパ回路の動作波形図。 この発明の接続方法を実施するための第３の実施例を示す回路構成図。 この発明の第３の実施例の動作を説明するためのチョッパ回路の動作波形図。 この発明の第３の実施例の応用動作を説明するためのチョッパ回路の動作波形図。 この発明の接続方法を実施するための第４の実施例を示す回路構成図。 この発明の第４の実施例の動作を説明するためのチョッパ回路の動作波形図。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１は、この発明の接続方法を実施するための第１の実施例を示す回路構成である。

図１において、１は、電池電源を構成する既存の電池回路である。この電池回路１は、例えば、小さい内部抵抗ＲＢ１を有するリチウムイオン電池からなる電池Ｂ１とこれに直列接続された好ましくは機械的スイッチで構成された電池回路を開閉するスイッチＳ１とで構成される。

２は、電池電源を構成する既存の電池回路１に並列接続する新たな電池回路である。この電池回路２も、電池回路１と同様に小さな内部抵抗ＲＢ２を有するリチウムイオン電池で構成された電池Ｂ２と、これに直列接続された好ましくは機械的スイッチで構成されたスイッチＳ２とで構成される。

電池Ｂ１、Ｂ２は、１個の電池であっても、または複数個の電池を直列接続して構成した列電池あってもよいので、ここでは単に電池という。

３は、双方向チョッパ回路である。この双方向チョッパ回路３は、ダイオードブリッジ回路ＤＢとチョッパ回路ＣＨとを備える。ダイオードブリッジ回路ＤＢは、４個のダイオードＤ１１〜Ｄ１４をブリッジ接続して構成される。チョッパ回路ＣＨは、スイッチングトランジスタＴとダイオードＤ５を逆並列接続して構成したスイッチング素子ＱとリアクトルＬとを直列接続し、スイッチング素子ＱとリアクトルＬの接続点に還流ダイオードＤ６を接続して構成される。ダイオードブリッジ回路ＤＢの直流側端子間にチョッパ回路ＣＨを接続して双方向チョッパ回路３が構成される。

双方向チョッパ回路３には、ダイオードブリッジ回路ＤＢから引き出した入出力端子Ａ１、Ａ２、還流ダイオードＤ６から引き出しした負側端子ＦおよびスイッチングトランジスタＴのゲート端子から引き出した制御端子Ｇを備える。

電池回路１に、電池回路２を並列接続する場合は、電池回路２のスイッチＳ２をオフにしてその両端の端子Ｔ２、Ｎ２を電池回路１の両端の端子Ｔ１、Ｎ１に接続する。そして、電池回路２側のスイッチＳ２をバイパスするように、電池回路２の正端子Ｐ２と、端子Ｔ２との間に双方向チョッパ回路３の入出力端子Ａ１、Ａ２を接続する。これにより、電池回路２の電池Ｂ２が双方向チョッパ回路３を介して、電池回路１の電池Ｂ１に並列に接続される。双方向チョッパ回路３の負側端子Ｆは、電池回路１の負側端子Ｎ１および電池回路２の負側端子Ｎ２共通に接続する。制御端子Ｇは、チョッパ制御回路ＣＴＲに接続する。

ダイオードブリッジ回路ＤＢのチョッパ回路ＣＨの接続された直流側端子間には、電圧検出器ＶＤが接続され、電池Ｂ１の電圧ＶＢ１と電池Ｂ２の電圧ＶＢ２の差電圧ΔＶＢを検出する。電圧検出器ＶＤによって検出された電池Ｂ１と電池Ｂ２の差電圧ΔＶＢは、電圧判定部ＶＣに入力される。電圧判定部ＶＣは、電池Ｂ１の電圧ＶＢ１と電池Ｂ２の電圧ＶＢ２が等しくなってΔＶＢがゼロになると、判定出力Ｖｃを発生し、チョッパ制御回路ＣＴＲに加える。チョッパ制御回路ＣＴＲは、電圧判定部ＶＣから判定出力Ｖｃが加わると、チョッパ回路ＣＨのスイッチング素子Ｑへの断続制御信号ＧＳを停止して、チョッパ回路ＣＨの動作を停止させる。

この発明において双方向チョッパ回路３を使用するのは、電池電源側の既存の電池Ｂ１の電圧ＶＢ１とこれに並列接続する側の電池Ｂ２の電圧ＶＢ２のどちらの電圧が高いか、低いかに関係なしに、両電池間に電流調整用のチョッパ回路ＣＨを自由に接続できるようにするためである。

すなわち、電池Ｂ２の電圧ＶＢ２が電池Ｂ１の電圧ＶＢ１より高い場合は、チョッパ回路ＣＨのスイッチング素子Ｑがオンしたとき、図２に実線矢印で示すようにチョッパ回路ＣＨを通して電池Ｂ２から電池Ｂ１側へ充電電流Ｉ２が流れ、電池Ｂ２によって電池Ｂ１を充電することができる。また、電池Ｂ１の電圧ＶＢ１が電池Ｂ２の電圧ＶＢ２より高い場合は、双方向チョッパ回路３の接続は変更しないでも、チョッパ回路ＣＨのスイッチング素子Ｑがオンすると、図２に点線矢印で示すようにチョッパ回路ＣＨを通して電池Ｂ１から電池Ｂ２側に充電電流Ｉ１が流れ、電池Ｂ１によって電池Ｂ２を充電することができる。

この発明においては、このように並列接続された２つの電池の電圧の高い方の電池から電圧の低い方の電池を充電し、これを、両電池の電圧が等しくなるまで実行する。両電池の電圧が等しくなると、両電池の差電圧ΔＶＢが０となり、電圧判定部ＶＣがこれを検知し、判定出力Ｖｃをチョッパ制御回路ＣＴＲに加える。これにより、チョッパ回路ＣＨが断続動作を停止したところで、並列接続する方の電池回路のスイッチを投入（オンに）することにより、突入電流なしで安全に両電池の並列接続を行うことができる。

次に、この発明の実施例１の並列接続方法について説明する。

図１における電池電源を構成する既存の電池回路１の電池Ｂ１に、この電池Ｂ１の交換等のために、電池Ｂ２を有する外部の新たな電池回路２を並列に接続する場合の接続方法である。

ここでは、初期充電された電池Ｂ２の電圧ＶＢ２が、既存の電池Ｂ１の電圧ＶＢ１より高い（ＶＢ２＞ＶＢ１）状態にあるとして説明する。もちろん、電池Ｂ１の電圧ＶＢ１が電池Ｂ２の電圧ＶＢ２より高い（ＶＢ１＞ＶＢ２）状態であってもよい。

電池電源を構成する電池回路１のスイッチＳ１は、電池Ｂ１からここには図示しない負荷に給電するためにオンにされている。

この電池回路１の両端の端子Ｔ１、Ｎ１に、スイッチＳ２をオフにして電池回路２の両端の端子Ｔ２、Ｎ２を接続する。電池回路２のスイッチＳ２の両端の端子Ｐ２、Ｔ２に、双方向チョッパ回路３の入出力端子Ａ１、Ａ２を接続し、チョッパ回路３の負端子Ｆを電池回路１、２の負端子Ｎ１、Ｎ２に共通に接続する。これにより電池回路２の電池Ｂ２が、スイッチＳ２をバイパスして、双方向チョッパ回路３を介して電池回路１の電池Ｂ１に並列接続される。

このような接続を行った後に、チョッパ制御回路ＣＴＲからチョッパ回路３のスイッチング素子Ｑのゲートに図３（ａ）に示すように所定の周期Ｔで、通流率を５０％にした断続制御信号ＧＳを加え、スイッチング素子Ｑを断続（オンオフ）制御する。通流率５０％は、断続制御信号ＧＳのオン期間αが断続周期Ｔに対して５０％になることである。これは、断続制御信号ＧＳのオン期間αとオフ期間βが等しくなるので、断続制御信号の断続比（α／β）を１にすることと同じである。

スイッチング素子Ｑがオンする期間αにおいて、チョッパ回路ＣＨには、スイッチング素子Ｑ、リアクトルＬを通して電圧の高い側の電池Ｂ２から図３（ｂ）に示すように電流ＩＱが流れる。この電流ＩＱは、図２に示すように、電池回路２の電池Ｂ２から放電し、電池回路１の電池Ｂ１を充電する電流Ｉ２となる。

チョッパ回路ＣＨを流れる電流ＩＱは、ｔ０時点で断続制御信号ＧＳが立ち上がってオン状態になると、スイッチング素子Ｑがオンして流れ始めるが、リアクトルＬにより制限されるため、図３（ｂ）に示すように、時間とともに上昇する。この電流ＩＱは、オン期間αの終りの時点、すなわちｔ１時点で、電池Ｂ１およびＢ２の予め規定された最大許容電流Ｉｐに達するようにリアクトルＬのリアクタンスＬｘの値を選定する。このため、電流ＩＱはチョッパ回路ＣＨのオン期間αにおいてＩｐまでしか上昇せず、これ以上の大きさにはならない。

断続制御信号ＧＳが、立ち下がってオフ状態になると、スイッチング素子Ｑがオフする。スイッチング素子Ｑがオフすると電池Ｂ２から供給される電流は遮断されるが、リアクトルＬにはスイッチング素子Ｑがオンしているときの電流によって蓄積されたエネルギにより還流ダイオードＤ６を通して電池Ｂ１に還流電流ＩＬが流れ続け、充電が継続される。この還流電流ＩＬは、リアクトルＬに蓄えたエネルギが消費されることにより、図３（ｂ）に点線で示すようにＩｐから次第に減少し、オフ期間βが、オン期間αと等しい期間に選ばれているので、オフ期間βの終わる時点、すなわち断続制御信号ＧＳがオフ状態からオン状態に立ち上がるｔ２時点で０となる。

引き続き、オン、オフする断続制御信号ＧＳに応じてスイッチング素子Ｑが両電池間の電流を断続することにより、リアクトルＬには、図３（ｂ）に実線と点線で示すように、最大値が規定された電池の最大許容電流Ｉｐとなる三角波状の電流が所定の周期Ｔで流れ、電池Ｂ２、Ｂ１間に流れる充放電電流の最大値が電池の最大許容電流Ｉｐに制限される。

この結果、双方向チョッパ回路３を通して、電圧の高い方の電池Ｂ２からは、図３（ｃ）に示すように最大値がＩｐに制限された鋸歯状波の放電電流ＩＢ２が流れる。そして電圧の低い方の電池Ｂ１には、この電流にリアクトルＬの還流電流ＩＬが加わるので、図３（ｄ）に示すように、最大値がＩｐに制限された３角波状の充電電流ＩＢ１が流れる。これにより、電圧の高い方の電池Ｂ２から電圧の低い方の電池Ｂ１が充電される。

このように、電池電源１を構成する既存の電池Ｂ１に新たな電池Ｂ２を並列接続する際、電池Ｂ２を、双方向チョッパ回路３を介して電池Ｂ１に並列接続し、この双方向チョッパ回路３を断続制御することにより、両電池間に流れる充放電電流の最大値を規定された電池の最大許容電流に制限しながら両電池間の充放電を行うことができる。これにより、電圧の高い方の電池Ｂ２は、電池電圧ＶＢ２が次第に低下し、電圧の低い方の電池Ｂ１は、電池電圧ＶＢ１が次第に上昇するので両電池の電圧は急速に接近し、短時間で等しくなる。

両電池Ｂ１、Ｂ２の電池電圧が等しくなると、図１における電圧検出器ＶＤから検出される電圧ΔＶＢが０になるので、電圧判定部ＶＣがこれを検知し、判定出力Ｖｃを発生し、チョッパ制御回路ＣＴＲに加える。これにより、チョッパ制御回路ＣＴＲがスイッチング素子Ｑに与える断続制御信号ＧＳを停止するので、チョッパ回路ＣＨが断続動作を停止する。チョッパ回路ＣＨが断続動作を停止したところで、自動または手動で電池回路２のスイッチＳ２を投入し、これをオンにすれば、突入電流なしで電池回路２を電池回路１に並列接続することができる。

図４に、このような電池電圧を等しくする均圧動作過程におけるチョッパＣＨの電圧（ＶＬ）および電圧の低い側の電池Ｂ１に供給される充電電流（ＩＢ１）の時間的変化を示す。ここで電圧（ＶＬ）は、電圧の低い方の電池Ｂ１の電圧ＶＢ１を基準にして、電圧の高い方の電池Ｂ２の電圧ＶＢ２との差電圧であり、実線で示す。また電流は、電圧の低い方の電池Ｂ１を充電する電流ＩＢ１を点線で示す。

この図から明らかなように、両電圧の差電圧ΔＶＢが最大のΔＶＢ１となる開始時点ｔ０からこの電圧差ΔＶＢが所定のΔＶＢｍに低下するまでは、差電圧ΔＶＢが大きくても充電電流ＩＢ１の最大電流が電池の最大許容電流Ｉｐに抑えられている。

差電圧ΔＶＢが所定の電圧ΔＶＢｍより低下すると、この差電圧ΔＶＢの低下によって充電電流ＩＢ１の最大電流が抑えられるので、差電圧ΔＶＢの低下とともに最大電流が最大許容電流Ｉｐから次第に減少し、ｔｘ時点で、両電池の電圧が等しくなり、差電圧ΔＶＢが０となったところで、０となる。これによって、チョッパ回路ＣＨの断続動作が停止され、両電池の電圧均圧動作が停止される。

ここで、スイッチＳ２を投入して電池回路２を電池回路１に並列接続する。この時は両電池の差電圧ΔＶＢが０となっているので、突入電流なしに安全に両電池の並列接続を行うことができる。

この発明の第２の実施例を図５示す。

この第２の実施例は、電池電源を構成する電池回路１とこれに並列接続する新たな電池回路２との間に、２個の双方向チョッパ回路３１、３２を、スイッチＳ３を介して並列接続したものである。

電池の並列接続を行うときは、実施例１と同様に、スイッチＳ１をオン、スイッチＳ２をオフ、スイッチＳ３をオンにし、双方向チョッパ回路３１、３２を断続動作して両電池の電圧の均圧動作を行い、両電池間の差電圧ΔＶＢを０になったところで、スイッチＳ２をオンにして並列投入を行う。

双方向チョッパ回路３１、３２による電池電圧の均圧動作を、図６に示す動作波形図を参照して説明する。

双方向チョッパ回路３１、３２のチョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２へは、それぞれ図６（ａ１）、（ａ２）に示すように周期Ｔにおける断続期間αとβとの比が１となる断続制御信号ＧＳ１、ＧＳ２が、相互にＴ／２だけ位相をずらして与えられる。

これにより、チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２は、図６（ｂ１）、（ｂ２）に示すように断続制御信号の周期Ｔの１／２だけずれた位相で電圧、電流の断続制御を行う。各チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２に流れる電流ＩＱ１、ＩＱ２は、それぞれの周期の半周期（Ｔ／２）において予め規定された電池Ｂ１、Ｂ２の最大許容電流Ｉｐになるように、各チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２のリアクトルＬ１、Ｌ２のリアクタンスが選定されているので、各チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２に流れる電流ＩＱ１、ＩＱ２の最大値はＩｐに制限される。

チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２が互いに断続周期Ｔの半周期（Ｔ／２）ずれて動作するので、並列接続する側の新たな電池Ｂ２から、既存の電池Ｂ１へ放電する電流ＩＢ２は、図６（ｃ）に示すように、Ｔ／２周期で変化する最大値がＩｐの鋸歯状波となる。

電池Ｂ１へは、チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２からこの電池Ｂ２からの放電電流ＩＢ２による充電電流と各チョッパ回路のリアクトルＬ１、Ｌ２の蓄積エネルギによる充電電流が供給される。チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２から電池Ｂ１へ供給される充電電流ＩＱ１、ＩＱ２は最大値がＩｐとなる３角波状の電流となり図６（ｄ）で示すように互いに半周期（Ｔ／２）ずれて流れる。電池Ｂ１に供給される充電電流ＩＢ１は、チョッパ回路ＣＨ１、ＣＨ２の電流ＩＱ１、ＩＱ２を合成（加算）した電流となるので、図６（ｄ）に実線の直線ＩＢ１で示すようにＩｐ一定の電流となる。

このように、この第２の実施例によれば、電圧の高い方の電池から電圧の低い方の電池を充電して両電池電圧を均圧にするとき、充電電流を電池の最大許容電流Ｉｐに維持することができるので、両電池電圧の均圧時間をより短縮することができる。

このような２個のチョッパ回路３１、３２により、２つの電池Ｂ１，Ｂ２間の電池電圧の均圧動作を実行することよって、両電池間電圧の差電圧ΔＶＢが０となったところで、並列接続する側の新たな電池回路２のスイッチＳ２を投入（オン）して、電池回路２を電池回路１に並列接続する。その後、スイッチＳ３をオフしてから、双方向チョッパ回路３１、３２を電池回路１、２から切り離すことができる。

この発明の第３の実施例を図７に示す。

この実施例は、電池の並列接続のために両電池間に複数の双方向チョッパ回路を並列に多重接続する場合の例である。

図７の実施例は、複数の電池回路１１〜１ｎを並列接続して構成された電池電源ＢＰを備える。この電池電源ＢＰには、スイッチＳＬを介して負荷ＬＯが接続されるとともに、電池電源ＢＰを構成する電池Ｂ１１〜Ｂ１ｎを充電するために、スイッチＳＧを介して発電機Ｇを備えた充電装置ＢＣが接続される。

電池電源ＢＰの任意の１つの電池回路を交換する等のために、外部に新たな電池回路２が設けられる。この新たな電池回路２を電池電源ＢＰに並列接続する場合は、その両端の端子Ｔ２、Ｎ２を、スイッチＳ２をオフにして電池電源ＢＰの出力端に並列接続する。

そして、電池回路Ｂ２の電池Ｂ２と電池電源の電池（Ｂ１１〜Ｂ１ｎ）との間に両電池間の電圧を均圧にするために接続する双方向チョッパ回路３０は、複数の双方向チョッパ回路３１〜３４を並列接続して構成されている。この複数の双方向チョッパ回路３１〜３４を備えた双方向チョッパ回路３０は、スイッチＳ３を介して、電池回路２の正極端子Ｐ２と出力端子Ｔ２との間および負極端子Ｎ２に接続される。

図７において、双方向チョッパ回路３０のチョッパ回路３３および３４は、内部構成を省略したブロックで示されているが、チョッパ回路３１および３２と同様に構成された双方向チョッパ回路を備えている。チョッパ制御回路ＣＴＲも協調して動作可能に並列に接続される。

この実施例において、双方向チョッパ回路３０の複数の双方向チョッパ回路３１〜３４を実施例２と同様に２重並列運転を行う場合は、例えば２個の双方向チョッパ回路３１と３２を選択して、それぞれの断続周期Ｔを１／２周期ずつずらして２重並列運転を行う。

また、３重並列運転を行う場合は、複数個の双方向チョッパ回路３１〜３４の中から３個の例えば双方向チョッパ回路３１、３２、３３を選択し、それぞれの断続周期Ｔを１／３周期ずつずらして断続運転を行う。

３重並列運転を行う場合の各部の電圧、電流および信号の波形を図８に示す。

制御回路ＣＴＲからのチョッパ回路３１、３２、３３への断続制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、図８（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）に示すように、断続周期Ｔの１／３周期ずつずれた信号となり、チョッパ回路３１、３２、３３は、断続周期Ｔの１／３周期ずつずれて断続動作する。各断続制御信号の断続比（α／β）は１にされている。

このため、チョッパ回路３１、３２、３３に加わる電圧および電流は図６（ｂ１）、（ｂ２）、（ｂ３）のように変化する。この場合、各チョッパ回路の電流は、各チョッパの断続周期Ｔの１／２周期の時点で電池Ｂ１１〜Ｂ１ｎ、Ｂ２の規定された最大許容電流Ｉｐに達するように各チョッパ回路のリアクトルＬのリアクタンスＬｘが選定されている。このため、各チョッパ回路の電流ＩＱ１、ＩＱ２、ＩＱ３は、最大値がこの最大許容電流Ｉｐに制限されて、互いに断続周期Ｔの１／３周期ずつずれて流れる。

並列接続する側の新たな電池Ｂ２の電圧ＶＢ２が電池電源ＢＰの電池Ｂ１の電圧ＶＢ１より高い場合は、チョッパ回路３１、３２、３３の断続動作によって、電池Ｂ２からチョッパ回路電流ＩＱ１、ＩＱ２、ＩＱ３を合成（加算）した放電電流ＩＢ２が流れる。この放電電流ＩＢ２は、図８（ｃ）に示すように鋸歯状波となり、最大値が電池の最大許容電流Ｉｐを超えるが、平均電流Ｉａは、最大許容電流Ｉｐ以下に抑えられる。

充電される電池電源側の電池Ｂ１〜Ｂｎは、電池Ｂ２からの放電電流と各チョッパ回路３１，３２、３３のスイッチング素子ＱがオンしているときにリアクトルＬに蓄えられたエネルギがスイッチング素子Ｑ（１〜３）のオフ時に還流ダイオードを通して放出される電流とを合成した電流ＩＱ１、ＩＱ２、ＩＱ３により充電される。この電流ＩＱ１、ＩＱ２、ＩＱ３を合成（加算）した充電電流ＩＢ１は、図８（ｄ）に示すような最大値が最大許容電流Ｉｐを越えた脈動電流となり、平均値ＩａもＩｐを超える。電池電源ＢＰでは、この電流ＩＢ１が複数の電池回路１１〜１ｎに分配されるので、各電池回路の電池の充電電流が最大許容電流Ｉｐを超えることはない。

このようにして２つの電池間で、電圧の高い方の電池から電圧の低い方の電池を充電することにより、両電池間の差電圧ΔＶＢが、急速に０に向かって低減される。差電圧ΔＶＢが０となったところで、チョッパ回路の断続動作による均圧動作を停止し、並列接続する側の電池回路２のスイッチＳ２を投入（オン）して、電池回路２を電池回路１に並列接続する。これにより、電池の並列接続時の突入電流なくすことができるので、電池の並列接続を安全に行うことができる。

第３の実施例において、４個の双方向チョッパ回路を４重並列運転して均圧動作を行う場合は、図７における双方向チョッパ回路３０を４個の双方向チョッパ回路３１〜３４を４重並列運転する。

この４重並列運転のときの電圧、電流および信号の波形を図９に示すので、この図を参照して均圧動作を説明する。

図９（ａ１）〜（ａ４）に示すように４個のチョッパ回路の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に断続周期Ｔの１／４周期ずつずらして断続制御信号Ｇ１〜Ｇ４が与えられる。各断続制御信号の断続比α／βは、前記各実施例と同様に１にされている。

このため、チョッパ回路３１〜３４に流れる電流ＩＱ１〜ＩＱ４は、図９（ｂ１）〜（ｂ４）のように変化する。この場合、各チョッパ回路３１〜３４の電流は、各チョッパ回路の断続周期Ｔの１／２周期の時点で電池Ｂ１１〜Ｂ１ｎ、Ｂ２の規定された最大許容電流Ｉｐに達するように各チョッパ回路のリアクトルＬ１〜Ｌ４のリアクタンスが選定されている。このため、各チョッパ回路の電流ＩＱ１〜ＩＱ４は、最大値がこの最大許容電流Ｉｐに制限されて、互いに断続周期Ｔの１／４周期ずつずれて流れる。

並列接続する側の新たな電池Ｂ２の電圧ＶＢ２が電池電源ＢＰの電池Ｂ１の電圧ＶＢ１より高い場合は、チョッパ回路３１〜３４の断続動作によって、電池Ｂ２から各チョッパ回路に流れる電流は、図９（ｃ）に示すような鋸歯状波の電流ＩＱ１〜ＩＱ４となる。これらの電流は、最大値が電池の最大許容電流Ｉｐを超えないが、電池Ｂ２から流れる放電電流ＩＢ２は、これらの電流を合成した電流となるので、最大許容電流Ｉｐの１．５倍の電流となる。

充電される電池電源側の電池Ｂ１は、電池Ｂ２からの放電電流とチョッパ回路３１〜３４の各スイッチング素子Ｑがオンしている時にリアクトルＬに蓄えられた磁気エネルギがスイッチング素子Ｑのオフ時に還流ダイオードを通して放出される電流とを合成した電流ＩＱ１〜ＩＱ４により充電される。この電流ＩＱ１〜ＩＱ４を合成した充電電流ＩＢ１は、図９（ｄ）に示すように、最大許容電流Ｉｐの２倍の直線状の電流となる。

このため、このように４個のチョッパ回路を４重並列運転して均圧動作を行う場合は、放電電流ＩＢ２および充電電流ＩＢ１が最大許容電流Ｉｐに保たれるように、各チョッパ回路３１〜３４の通流率（スイッチング素子Ｑの断続周期Ｔに対するオン期間αの割合）を５０％以下に低減することにより、放電側の電池および充電側の電池の損傷を避けるようにする。

このようにして２つの電池間で、電圧の高い方の電池から電圧の低い方の電池を充電することにより、両電池間の差電圧ΔＶＢが、急速に０に向かって低減される。差電圧が０となったところで、チョッパ回路の断続動作による均圧動作を停止し、並列接続する側の電池回路２のスイッチＳ２を投入（オン）して、電池回路２を電池回路１に並列接続する。これにより、電池の並列接続時に突入電流が流れることが防止され、電池の並列接続を安全に行うことができる。

この発明の第４の実施例を図１０に示す。

この図４の第４の実施例は、基本的には図１に示す第１の実施例と同一の構成を有する。ただ、チョッパ回路ＣＨのリアクトルＬと直列にこのチョッパ回路ＣＨの電流ＩＬを検出する電流検出器ＩＤとこの電流検出器ＩＤの検出出力ＩＬを予め設定した電流設定値ＩＰと比較し、検出電流ＩＬが設定電流ＩＰ以上になると、判定出力Ｉｃを発生する電流判定部ＩＣを備えた点が実施例１とは異なる。

電流判定部ＩＣの判定出力Ｉｃは、差電圧ΔＶＢが０になったことを判定する電圧判定部ＶＣの判定出力Ｖｃとともにチョッパ制御部ＣＴＲに加えられる。

チョッパ制御部ＣＴＲは、内部に断続制御信号ＧＳを発生する断続制御信号発生部ＣＳＧを備える。この断続制御信号発生部ＣＳＧは、一定の周期Ｔでオン信号を発生するが、電流判定部ＩＣから判定出力Ｉｃが加わると、その時点からオン信号をオフとする断続制御信号ＧＳを発生する動作をする。また、チョッパ制御部ＣＴＲは、電圧判定部ＶＣから判定出力Ｖｃが加わると、断続制御信号発生部ＣＳＧからチョッパ回路ＣＨへ加える断続制御信号ＧＳを停止する。

この第４の実施例において、図１０に示すように、電池電源を構成する既存の電池回路１に新たな電池回路２を接続する際の電池電圧均圧動作を、図１１の動作波形図を参照して説明する。

電池回路２は、スイッチＳ２をオフにしてその両端の端子Ｔ２、Ｎ２を、電池回路１の両端の端子Ｔ１、Ｎ１に接続する。そして、双方向チョッパ回路３の入出力端子Ａ１、Ａ２をスイッチＳ２の両端の端子Ｐ２、Ｔ２に接続し、負端子Ｆを電池回路１、２の負極端子Ｎ１、Ｎ２に共通に接続するとともに、チョッパ制御部ＣＴＲから一定周期Ｔで断続される断続制御信号ＧＳをゲート端子Ｇに加える。

これにより、双方向チョッパ回路３は断続動作し、電池回路１の電池Ｂ１と電池回路２の電池Ｂ２との間で流れる電流を断続制御する。この電流は、電圧の高い方の例えば電池Ｂ２から電圧の低い方の電池Ｂ１に流れ、電池Ｂ１が電池Ｂ２より充電される。

チョッパ回路ＣＨは、ｔ０時点で、チョッパ制御回路ＣＴＲから加えられる断続制御信号ＧＳがオンレベルになるとオンし、両方の電池Ｂ２の電圧ＶＢ２と電池Ｂ１の電圧ＶＢ１との差電圧ΔＶＢ（＝ＶＢ２−ＶＢ１）とリアクトルＬに基づいて決まる傾斜で図１１（ｃ）示すように電流ＩＬが立ち上がる。電流検出回路ＩＤがこのときの電流ＩＬを検出し、この電流ＩＬが予め電池の最大許容電流に設定された判定設定電流Ｉｐに達した否かを電流判定部ＩＣで判定する。ｔ１時点で電流ＩＬが設定電流Ｉｐに達すると、電流判定部ＩＣが判定出力Ｉｃを発生し、チョッパ制御部ＣＴＲの断続制御信号は発生部ＣＳＧに加える。

これによって、断続制御信号発生部ＣＳＧは、図１１（ｂ）に示すようにオンレベルとなっている断続制御信号ＧＳを直ちにオフしてオフレベルにする。これにしがってチョッパ回路ＣＨはオフして電池Ｂ２から電池Ｂ１に供給される充電電流を遮断するが、電池Ｂ１には、リアクトルＬに蓄積されたエネルギにより還流電流が流れ続けるので、チョッパ回路電流ＩＬは、図１１（ｃ）に示すように一定の傾斜で立ち下がる。

次の周期Ｔが開始されるｔ２時点で、再び断続制御信号ＧＳがオンされオンレベルとなる。これによりチョッパ回路ＣＨがオンし、チョッパ回路電流ＩＬが再び立ち上がる。この電流が再びｔ３時点で設定電流Ｉｐに達すると、電流判定部ＩＣでこれが検知され、判定出力Ｉｃが断続制御信号発生部ＣＳＧに加わる。これにより、チョッパ回路ＣＨへの断続制御信号ＧＳがオフされるので、電流ＩＬは所定の傾斜で立下る、次の周期Ｔとなるｔ４時点で、断続制御信号発生部ＣＳＧからの断続制御信号ＧＳがオンとなり、チョッパ回路ＣＨが、またオンして電流ＩＬが立ち上がり、以後同様の動作を繰り返し行う。

これにより、電圧の高い方の電池Ｂ２から供給される電流により電圧の低い方の電池Ｂ１が充電されるようになり、電圧の高い方の電池Ｂ２は放電によりその電圧ＶＢ２が低下し、電圧の低い方の電池Ｂ１は充電によりその電圧ＶＢ１が上昇するので、両電池の差電圧ΔＶＢは、図１１（ａ）に示すように急速に０へ向かい、所定時間経過後のｔｘ時点で０となる。

差電圧ΔＶＢが０になると電圧判定部ＶＣがこれを検知し、判定出力Ｖｃを断続制御信号発生部ＣＳＧに加え、これの動作を止める。これにより、断続制御信号発生部ＣＳＧから出力される断続制御信号ＧＳが停止されるので、チョッパ回路ＣＨが断続動作を停止する。

このようにして両電池電圧の均圧動作が終了したところで、自動または手動で電池回路２のスイッチＳ２を投入（オン）して、電池回路２を電池回路１に並列に接続する。電池回路２を電池回路１に並列接続する際は、両電池Ｂ１、Ｂ２間の差電圧が０となっているので、突入電流なしで安全に並列接続を実行することができる。

この第４の実施例では、このように、チョッパ電流ＩＬを監視しながら、これが電池の最大許容電流Ｉｐを越えないようにチョッパ回路ＣＨの断続制御を行うので、電圧の高い方の電池から電圧の低い方の電池への充電電流は、図１１（ｃ）示すように一定の周期Ｔで断続されてその最大値が電池の最大許容電流Ｉｐに制限される。断続周期におけるオン期間αは、均圧動作開始時は、両電池間の差電圧ΔＶＢが大きいので、狭くなり、均圧動作時間の経過とともに両電池電圧の差電圧ΔＶＢが小さくなるのでオン期間αは広くなる。

この第４の実施例４によれば、双方向チョッパ回路３による並列接続を行う両電池の電圧の均圧動作時の電流の最大値が設定された電流値に制限される。このため、設定電流を、例えば電池の最大許容電流Ｉｐに設定することにより、均圧動作時に両電池間に流れる電流の最大値を電池の最大許容電流Ｉｐ以下に保つことができるので、均圧動作を電池にダメージを与えることなく安全に行うことができる。

１：電池電源を構成する電池回路
２：新たな電池回路
Ｂ１、Ｂ２：電池
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３：スイッチ
３：双方向チョッパ回路
ＤＢ：ダイオードブリッジ回路
ＣＨ：チョッパ回路
Ｑ：スイッチング素子
Ｌ：リアクトル
Ｄ６：還流ダイオード

Claims (3)

1. 電池電源等を構成する既存電池に新たな電池を並列接続する際、前記既存電池に接続スイッチを介して前記新たな電池を並列接続するとともに、前記並列接続した両電池の間に前記接続スイッチをバイパスして双方向チョッパ回路を接続し、前記接続スイッチを開放して、前記両電池間の電圧差に基づいて両電池間に流れる充放電電流を前記双方向チョッパ回路の断続制御により両電池の電圧を等しくする均圧動作を行った後、前記接続スイッチを投入して前記両電池を並列接続する電池の並列接続方法において、
   前記双方向チョッパ回路の断続制御により前記両電池の均圧動作を行う際、前記双方向チョッパ回路を通して前記両電池間に流れる充放電電流の最大値が、前記各電池の最大許容電流以下になるように、前記双方向チョッパ回路を所定の断続周期で断続比を１にして断続制御し、かつ、前記双方向チョッパ回路のオン期間の終期において前記双方向チョッパ回路の通流電流が前記各電池の最大許容電流に達するように前記双方向チョッパ回路のリアクトルのリアクタンスを選定することにより前記電池間の電圧の均圧化を行うことを特徴とする電池の並列接続方法。
2. 前記双方向チョッパ回路を複数（Ｎ）個設け、各双方向チョッパ回路の断続制御を互いにその断続周期の１／Ｎの期間ずつずらして行うことを特徴とする請求項１に記載の電池の並列接続方法。
3. 電池電源等を構成する既存電池に新たな電池を並列接続する際、前記既存電池に接続スイッチを介して前記新たな電池を並列接続するとともに、前記並列接続した両電池の間に前記接続スイッチをバイパスして双方向チョッパ回路を接続し、前記接続スイッチを開放して、前記両電池間の電圧差に基づいて両電池間に流れる充放電電流を前記双方向チョッパ回路の断続制御により両電池の電圧を等しくする均圧動作を行った後、前記接続スイッチを投入して前記両電池を並列接続する電池の並列接続方法において、
   前記双方向チョッパ回路の断続制御により前記両電池の均圧動作を行う際、前記双方向チョッパ回路を通して前記両電池間に流れる充放電電流の最大値が、前記各電池の最大許容電流以下になるように前記双方向チョッパ回路の断続比を制御することにより前記電池間の電圧の均圧化を行い、
   前記双方向チョッパ回路の通流電流がゼロになったところでこの双方向チョッパ回路のスイッチング素子をオンにし、前記通流電流が前記各電池の最大許容電流に達したところでオンしている前記スイッチング素子をオフにすることにより前記双方向チョッパ回路の断続制御を行うことを特徴とする電池の並列接続方法。
   

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