JP2023032026A - アクティブバランサー - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、低価格化が可能なアクティブバランサーを提供する。
【解決手段】本発明のアクティブバランサー１は、複数のセル１１，１２の電圧を均等化する。アクティブバランサー１は、セル１１，１２との間に配置されたコンデンサ２およびインダクタンス３を備えており、さらに、複数のセル１１，１２の間の接続状態を切り替える複数のスイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４と、スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４ の電圧を検出する検出回路Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４とを備えている。検出回路Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４は、スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４の電圧共振と電流共振とを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブバランサーに関する。特に、直列に接続した複数のセルを含む電池モジュールに接続して、充放電制御を行うためのアクティブバランサーに関する。

高電圧で電力を供給するための二次電池として、複数のセルを直列接続した電池モジュールが広く用いられている。このような電池モジュールでは、充電と放電を繰り返す間に充電状態のばらつきが発生する。充電状態のばらつきは、電池モジュール全体の実効容量を低下させ、また過充電や過放電によって個々のセルの劣化を招く。このため、セルごとに充放電制御を行い、セルの充電状態を均等化するバランス制御装置、すなわちバランサーが必要となる。バランサーには、アクティブバランサーとパッシブバランサーがあるが、近年では、電圧の高いセルからの放電を低いセルに回生充電するアクティブバランサーが多く用いられている。

アクティブバランサーは、セルに供給する電力の方向を切り替えるための、スイッチング素子を複数備えている。スイッチング素子のオンとオフを効率よく行う方式として、ソフトスイッチング方式が知られている。ソフトスイッチング方式は、スイッチングのタイミングを決定するための、インダクタンス素子とコンデンサからなるＬＣ共振回路を備えている。アクティブバランサーは、このＬＣ共振回路によって、電流または電圧を正弦波状に制御し、スイッチング素子に流れる電流及び電圧のいずれかがほぼ０の状態で、それぞれのスイッチング素子のオンとオフを切り替える。これにより、スイッチング損失及びノイズを低減することができる。特許文献１には、セルの電圧を均等化する際のセルの負担を抑える蓄電装置において、リアクトル及びコンデンサを含む直列共振回路と、セルと直列共振回路との接続状態を制御する蓄電制御装置と、を備え、蓄電制御装置が、直列共振回路を介してセル間でエネルギーを授受させる電源装置が開示されている。

従来のアクティブバランサーが、２つのセルの充電状態を均等化するための回路構成の例を示す回路図を、図８に示す。従来のアクティブバランサー１０においては、ＬＣ共振回路の電圧と電流の共振を検出するために、一つのアクティブバランサーにつき、符号Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４で示した４個の電圧検出回路と、符号Ｃで示した１個の電流検出回路が必要となっていた。

特開２０１５－６５７９５公報

近年、アクティブバランサーには、一層の小型化と、製造コストの低減が求められている。そのため、アクティブバランサーの回路の共振を検出するための電流検出回路や電圧検出回路においても、小型化、簡略化が求められている。

本発明は上記解決すべき課題に鑑みてなされたものであって、アクティブバランサーの新規な共振回路の構成を提供し、これによりアクティブバランサー全体の小型化とコストの削減を行うことを解決すべき課題としている。

請求項１にかかる発明は、直列に接続された複数のセルの電圧を均等化するアクティブバランサーに関する。本発明のアクティブバランサーは、複数のセルとの間に配置されたコンデンサおよびインダクタンスと、複数のセルの間の接続状態を切り替える複数のスイッチング素子と、スイッチング素子の電圧を検出する検出回路と、を備えている。本発明のアクティブバランサーは、検出回路が、スイッチング素子の電圧共振と電流共振とを検出することを特徴とする。

本発明のアクティブバランサーは、一個のセルに対して、二個のスイッチング素子が並列に配置され、それぞれのスイッチング素子に対して、検出回路が一個ずつ配置されて、スイッチング素子の電流と電圧を検出することで、スイッチング素子の電圧共振と電流共振とを検出することが好ましい。

本発明に係るアクティブバランサーは、検出回路がスイッチング素子の電圧共振と電流共振の両方を検出する構成によって、従来よりも検出回路の構成を簡略化することができる。その結果、より低コストで小型化されたアクティブバランサーを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に従ったアクティブバランサーの基本的な回路構成の概要を示す回路図である。 図２は、本発明のアクティブバランサーが図中下側のセルから図中上側のセルを充電する場合に、アクティブバランサーを通る電流の経路を矢印で示した図である。 図３は、本発明のアクティブバランサーが図中上側のセルから図中下側のセルを充電する場合に、アクティブバランサーを通る電流の経路を矢印で示した図である。 図４は、本発明のアクティブバランサーが図中上側のセルから図中下側のセルを充電する場合に、アクティブバランサーを通る電流の経路を矢印で示した図である。 図５は、本発明のアクティブバランサーが図中上側のセルから図中下側のセルを充電する場合に、アクティブバランサーを通る電流の経路を矢印で示した図である。 図６は、本発明のアクティブバランサーの検出回路が検出する電圧波形と電流波形の例を示す図である。 図７は、本発明のアクティブバランサーの検出回路が検出する電圧波形と電流波形の例を示す図である。 図８は、従来のアクティブバランサーの基本的な回路構成の概要を示す回路図である。

以下、本発明のアクティブバランサー１の好適な実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、直列に接続された２つのセル１１，１２の充放電制御を行う場合の、本発明のアクティブバランサー１の回路構成の概要を示す。

本実施形態のアクティブバランサー１は、セル１１，１２との間に配置されたコンデンサ２およびインダクタンス３と、セル１１，１２の間の接続状態を切り替える複数のスイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４と、スイッチング素子の電流と電圧を検出する検出回路Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４を備えている。

本実施形態に於いて、アクティブバランサー１が充放電制御を行うセル１１，１２は、正極と、負極と、電極の間に充填される電解質とからなり、充放電を繰り返すことのできる二次電池である。また、本発明に於いては、二以上の電池を直列に接続し、終端部分に正極端子と負極端子を配置したものも、セルと称している。外部負荷への電力の供給は、セルの端子から行うことができる。本実施形態においては、セル１１，１２として、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタ、もしくは電解二重層キャパシタが好適に用いられる。

本実施形態のアクティブバランサー１は、セル１１，１２のうち、充電状態の大きな一方のセルの電力をキャパシタに一時蓄電し、充電状態の小さな他方のセルに再配分するような制御を行う。アクティブバランサー１のスイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４は、スイッチングを行うハーフブリッジ回路を構成する。セルの電力を一時蓄電するキャパシタは、ハーフブリッジ回路を介して、セル１１，１２に接続されている。

スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４としては、一般に、トランジスタが用いられる。本実施形態において、最も好適に用いられるスイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴである。

コンデンサ２およびインダクタンス３は、ＬＣ直列回路を構成している。この回路構成は、電圧共振と電流共振が発生し、電流と電圧がそれぞれ正弦波関数状に変化し、電流と電圧のいずれかがゼロとなるタイミングが発生する。

図２は、本実施形態のアクティブバランサー１が、セル１２からセル１１を充電する場合に、アクティブバランサー１を通る電流の経路の一例を太線の矢印で示した図である。図２に示した経路で、セル１２からセル１１を充電する場合は、スイッチング素子Ｑ_１とスイッチング素子Ｑ_３がオンであり、スイッチング素子Ｑ_２とスイッチング素子Ｑ_４をオフとする。

図２に示した方向で電流を通電させる場合、インダクタンス３を流れる電流値と、スイッチング素子を流れる電流値は等しくなる。そこで、スイッチング素子をシャント抵抗と見なし、一つの検出回路に電流と電圧の両方の検出機能を持たせることによって、検出回路の削減を行うことができる。

スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４は、電流及び電圧がゼロでないときに、オンとオフの切り替えを行うと、大きな電力損失が発生する。そこで、アクティブバランサー１は、電流と電圧のいずれかがゼロとなるタイミング、すなわちゼロクロスの検出タイミングでスイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４のそれぞれのオンとオフを切り替えることで、スイッチング損失を大幅に減らすことができる。

オンとオフの切り替えタイミングを検出するために、スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４に一対一で対応している検出回路Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４が用いられる。それぞれのスイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４に対して、オペアンプ（演算増幅器）ＯＰ_１，ＯＰ_２，ＯＰ_３，ＯＰ_４が並列に接続されており、オペアンプの出力端子に、検出回路Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４が接続されている。

検出回路Ｍ_１がスイッチング素子Ｑ_１のソース－ドレイン間の電圧を検出する。検出回路Ｍ_２がスイッチング素子Ｑ_２のソース－ドレイン間の電流を検出する。検出回路Ｍ_２はスイッチング素子Ｑ_２のソース－ドレイン間の電圧を検出することもできる。検出回路Ｍ_３がスイッチング素子Ｑ_３のソース－ドレイン間の電流を検出する。検出回路Ｍ_３は、スイッチング素子Ｑ_３のソース－ドレイン間の電圧を検出することもできる。検出回路Ｍ_４がスイッチング素子Ｑ_４のソース－ドレイン間の電圧を検出する。

特に、電流検出をする検出回路Ｍ_２，Ｍ_３は、オペアンプのような演算増幅器を備えることで、検出精度を向上させることができる。

検出回路の検出結果に基づいて、スイッチング素子のオンとオフの切り替えタイミングが決定され、スイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４のそれぞれのゲート電圧Ｇ_１，Ｇ_２，Ｇ_３，Ｇ_４が図示されない制御手段によって制御される。

図６に、本実施形態のアクティブバランサー１が、セル１２からセル１１を充電する場合の、検出回路Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４が検出した電圧波形及び電流波形の例と、検出結果に対応して行われたスイッチングのためのゲート電圧の制御結果を示す。

図７に、本実施形態のアクティブバランサー１が、セル１１からセル１２を充電する場合の、検出回路Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４が検出した電圧波形及び電流波形の例と、検出結果に対応して行われたスイッチングのためのゲート電圧の制御結果を示す。

図６および図７において、Ｉ＿Ｌは、検出回路Ｍ_２で検出した、インダクタンスであるコイル３を流れる電流の時間ごとの変化を示している。Ｇ_１に、制御回路がスイッチング素子Ｑ_１に与えたゲート電圧Ｇ_１の時間ごとの波形を示す。ＶＱ_１に、検出回路Ｍ_１で測定したスイッチング素子Ｑ_１のソース－ドレイン間の電圧の時間ごとの変化を示す。Ｇ_２に、制御回路がスイッチング素子Ｑ_２に与えたゲート電圧Ｇ_２の時間ごとの波形を示す。ＶＱ_２に、検出回路Ｍ_２で測定したスイッチング素子Ｑ_１のソース－ドレイン間の電圧の時間ごとの変化を示す。Ｇ_３に、制御回路がスイッチング素子Ｑ_３に与えたゲート電圧Ｇ_３の時間ごとの波形を示す。ＶＱ_３に、検出回路Ｍ_３で測定したスイッチング素子Ｑ_３のソース－ドレイン間の電圧の時間ごとの変化を示す。Ｇ_４に、制御回路がスイッチング素子Ｑ_４に与えたゲート電圧Ｇ_４の時間ごとの波形を示す。ＶＱ_４に、検出回路Ｍ_４で測定したスイッチング素子Ｑ_４のソース－ドレイン間の電圧の時間ごとの変化を示す。

図６に示したように、セル１２からセル１１を充電する場合のアクティブバランサー１の制御では、スイッチング素子Ｑ_１のゲート電圧Ｇ_１は、スイッチング素子Ｑ_１のソース－ドレイン電圧がゼロとなるタイミング、又は、コイル３の電流がゼロとなるタイミングでオンとオフの切り替えが行われている。スイッチング素子Ｑ_２のゲート電圧Ｇ_２は、スイッチング素子Ｑ_２のソース－ドレイン電圧がゼロとなるタイミング、又は、電流がゼロとなるタイミングでオンとオフの切り替えが行われている。スイッチング素子Ｑ_３のゲート電圧Ｇ_３は、スイッチング素子Ｑ_３のソース－ドレイン電圧がゼロとなるタイミング、又は、電流がゼロとなるタイミングでオンとオフの切り替えが行われている。スイッチング素子Ｑ_４のゲート電圧Ｇ_４は、スイッチング素子Ｑ_３とはオンとオフのタイミングが逆になるように切り替えられている。スイッチング素子Ｑ_３とスイッチング素子Ｑ_４を同時にオンとすると、コイル３に下のセル１２からエネルギーを蓄えるだけの動作となるため、ＬＣ共振は発生しない。

図３－５及び図７を参照しつつ、セル１１からセル１２を充電する場合のアクティブバランサー１の制御について説明する。図３から図５は、本実施形態のアクティブバランサー１が、セル１１からセル１２を充電する場合の、アクティブバランサー１を通る電流の経路を太線の矢印で示した図である。アクティブバランサー１は、セル１１からセル１２を充電する場合、スイッチング素子のオンとオフの制御によって、電流の経路を、図３から図５に示した３とおりで変化させる。

スイッチング素子の切り替えのタイミングは、セル１２からセル１１を充電する場合と同様に、スイッチング素子のソース－ドレイン電圧がゼロとなるタイミング、又は、コイル３の電流がゼロとなるタイミングである。図３から図５に示した方向で電流を通電させる場合もまた、インダクタンス３を流れる電流値と、スイッチング素子を流れる電流値は等しくなる。そこで、スイッチング素子をシャント抵抗と見なして電流検出回路を配置することで、一つの検出回路によって電流と電圧の両方を検出することができる。

図７中の、符号Ａを付与して示した期間Ａは、コイル３の電流がゼロになったタイミングで開始し、スイッチング素子Ｑ_４のソース－ドレイン電圧がゼロとなるタイミングまで継続される。アクティブバランサー１は、期間Ａにおいて、スイッチング素子Ｑ_１とＱ_３をオンにし、スイッチング素子Ｑ_２とＱ_４をオフに制御している。期間Ａでアクティブバランサー１を通る電流の経路を図３に示す。

図７中の、期間Ａに続く期間Ｂは、コイル３の電流がゼロになるタイミングまで継続される。アクティブバランサー１は、期間Ｂにおいて、スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_３、Ｑ_４をオンにし、スイッチング素子Ｑ_２をオフに制御している。期間Ｂでアクティブバランサー１を通る電流の経路を図４に示す。

図７中の、期間Ｂに続く期間Ｃは、スイッチング素子Ｑ_４のソース－ドレイン電圧がゼロとなるタイミングまで継続される。アクティブバランサー１は、期間Ｃにおいて、スイッチング素子Ｑ_２、Ｑ_４をオンにし、スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_３をオフに制御している。期間Ｃでアクティブバランサー１を通る電流の経路を図５に示す。

図７中の、期間Ｃに続く期間Ｄは、再びコイル３の電流がゼロになるタイミングまで継続される。アクティブバランサー１は、期間Ｄにおいて、期間Ｂと同様にスイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_３、Ｑ_４をオンにし、スイッチング素子Ｑ_２をオフに制御している。期間Ｄでアクティブバランサー１を通る電流の経路は、期間Ｂと同一の図４に示した経路となる。

以上、詳細に説明したとおり、本実施形態のアクティブバランサーは、たとえば、２個の直列に接続されたセルの充放電制御を行う場合に、スイッチング素子と一対一対応して電流と電圧の両方を検出する回路を備えることで、スイッチングの際の電力損失を低減した、効率のよいスイッチング制御を行うことができる。図８に示した、従来のアクティブバランサーと比較すると、同じ２個のセルの充放電制御を行う場合であっても、より少ない数の検出回路によって充分にスイッチング制御をおこなうことができ、アクティブバランサーの小型化と低価格化を達成することができる。

本発明のアクティブバランサーは、より多くのセルの電圧を均等化する場合にも適用可能である。たとえば、４個のセルの電圧を均等化する場合には、アクティブバランサーを３個用いて、多段の階層構造とすることで、同様に、充放電を繰り返すときの電圧の均等化を行うことができる。

本発明に係るアクティブバランサーは、二次電池を使用する各種車両のほか、任意の産業用機器に好適に搭載される。

１，１０ アクティブバランサー
２ コンデンサ
３ インダクタンス（コイル）
１１，１２ セル
Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４ スイッチング素子
Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３，Ｍ_４ 検出回路
ＯＰ_１，ＯＰ_２，ＯＰ_３，ＯＰ_４ オペアンプ

Claims (2)

1. 直列に接続された複数のセルの電圧を均等化するアクティブバランサーであって、
   前記アクティブバランサーは、
   複数の前記セルとの間に配置されたコンデンサおよびインダクタンスと、
   複数の前記セルの間の接続状態を切り替える複数のスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子の電圧を検出する検出回路と、
   を備えており、
   前記検出回路が、前記スイッチング素子の電圧共振と電流共振とを検出することを特徴とするアクティブバランサー。
2. 一個の前記セルに対して、二個の前記スイッチング素子が並列に配置され、
   それぞれの前記スイッチング素子に対して、検出回路が一個ずつ配置されて、前記スイッチング素子の電流と電圧を検出することで、前記スイッチング素子の電圧共振と電流共振とを検出することを特徴とする請求項１記載のアクティブバランサー。

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