JP2019193476A

JP2019193476A - 蓄電池充電装置

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Publication number: JP2019193476A
Application number: JP2018085555A
Authority: JP
Inventors: 羽田　正二; Shoji Haneda; 正二羽田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: JP6994428B2

Abstract

【課題】複数の蓄電池モジュールを充電するときにエネルギーの損失を減少させる。【解決手段】蓄電池１０は、複数の蓄電池モジュール１１が直列に接続されている。トランスＴ１は、一次コイルと二次コイルと三次コイルとを有する。トランスＴ１の二次コイルは、ダイオードＤ１を介して各蓄電池モジュール１１の正極と負極に接続されている。また、蓄電池充電装置１はスイッチング素子１２と、駆動回路１３とを有する。駆動回路１３は、スイッチング素子１２のオンとオフを制御するＰＷＭ信号を出力する。各充電回路に含まれるトランスＴ１の一次コイルの巻き数は同一である。また、蓄電池充電装置１に含まれる複数のトランスＴ１の一次コイルとスイッチング素子１２の電流路とは直列に接続されている。スイッチング素子１２がオフしたときに、並列接続回路１４は各充電回路に含まれるトランスＴ１の三次コイルを並列に接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電池を充電する蓄電池充電装置に関する。

特許文献１には、電気自動車等に搭載される組電池を充電するための充電装置が記載されている。
特許文献１に記載されている充電装置２を図４に示す。組電池２０は、直列に接続された３個の蓄電池モジュール２１を有する。各蓄電池モジュール２１は、直列に接続された複数の蓄電池セルを有する。各蓄電池モジュール２１に対してそれぞれフライバックトランスＴ２とダイオードＤ２とコンデンサＣ２が設けられている。各フライバックトランスＴ２の二次コイルはダイオードＤ２を介して各蓄電池モジュール２１の正極と負極に接続されている。なお、コンデンサＣ２が蓄電池モジュール２１と並列に接続されているのは、フライバックトランスＴ２の二次コイルから出力される電流を平滑化するためであり、コンデンサＣ２は必ずしも必要ではない。

各フライバックトランスＴ２の一次コイルは、スイッチング素子（ＮＭＯＳトランジスタ）２２の一端（ドレイン）と電流の入力端子の一方ＩＮ１とに並列に接続されている。スイッチング素子２２の他端（ソース）は電流の入力端子の他方ＩＮ２に接続されている。入力端子ＩＮ１と入力端子ＩＮ２には、直流電源が接続される。
駆動回路２３はスイッチング素子２２のオンとオフを制御するＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｎ）信号を出力する。スイッチング素子２２の制御入力（ソース）には、駆動回路２３によって出力されるＰＷＭ信号が入力される。

スイッチング素子２２のオン時に各フライバックトランスＴ２の一次コイルに励磁電流ｉ１〜ｉ３が流れ、各フライバックトランスＴ２のコアにエネルギーが蓄積される。
そして、スイッチング素子２２がオフになると、二次コイルから電流が流れて各蓄電池モジュール２１が充電される。このとき、複数の蓄電池モジュール２１の電圧に差がある場合、電圧の高い蓄電池モジュール２１を充電するフライバックトランスＴ２の一次コイルから電圧の低い蓄電池モジュール２１を充電するフライバックトランスＴ２の一次コイルに励磁電流が回り込む。電圧の低い蓄電池モジュール２１を充電するフライバックトランスＴ２のコアに蓄えられたエネルギーとともに回り込んだ励磁電流も電圧の低い蓄電池モジュール２１の充電に使用される。このため、電圧が低い蓄電池モジュール２１の充電が促進される。やがては、全ての蓄電池モジュール２１は同一の電圧まで充電される。この励磁電流の回り込みは、主に各蓄電池モジュール２１の電圧によって生じるので、各フライバックトランス２１の特性が不揃いであっても同様の効果を得ることができる。

特開２００２−１２５３２５号公報

特許文献１に記載の充電装置２では、各フライバックトランス２１の特性が不揃いである場合、スイッチング素子２２のオン時に各フライバックトランスＴ２の一次コイルに流れる励磁電流ｉ１〜ｉ３の大きさが異なる。このため、各フライバックトランス２１のコアに蓄積されるエネルギーが異なる。その結果、全ての蓄電池モジュール２１の電圧が同一である場合でも、スイッチング素子２２がオフしたときに各フライバックトランス２１の間で励磁電流の回り込みが生じる。フライバックトランス２１のコアに蓄積されたエネルギーが励磁電流の形で別のフライバックトランス２１のコアに移動すると、エネルギーの損失を生じる。

本発明の目的は、複数の蓄電池モジュールを同一の電圧に充電することができ、エネルギーの損失が少ない蓄電池充電装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の蓄電池充電装置は、
複数の蓄電池モジュールが直列に接続されている蓄電池を充電する蓄電池充電装置であって、
一次コイルと二次コイルと三次コイルとを有するトランスと、アノードが当該二次コイルの一端に接続されたダイオードとを含み、当該ダイオードのカソードと前記二次コイルの他端との間に前記各蓄電池モジュールが接続される複数の充電回路と、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオンとオフを制御するＰＷＭ信号を出力する駆動回路と、
を備え、
前記各充電回路に含まれるトランスの一次コイルの巻き数が同一であって、当該複数の一次コイルと前記スイッチング素子の電流路とが直列に接続されており、前記スイッチング素子がオンしている間に前記各充電回路に含まれるトランスの一次コイルに同一の電流が流れ、
前記各充電回路において、前記スイッチング素子がオフしたときに前記トランスの二次コイルから前記ダイオードのカソードと二次コイルの他端との間に接続される蓄電池モジュールに電流が流れ、
前記スイッチング素子がオフしたときに前記各充電回路に含まれるトランスの三次コイルを並列に接続する並列接続回路を、前記各充電回路が備える、
ことを特徴とする。

好ましくは、本発明の蓄電池充電装置は、
前記並列接続回路が、前記各充電回路に含まれるトランスの三次コイルにおいて前記スイッチング素子がオフしたときに負極となる側の一端にドレインが接続されており、ボディダイオードを有するＮＭＯＳトランジスタと、当該三次コイルにおいて前記スイッチング素子がオフしたとき正極となる側の他端に一端が接続されており、他端に前記ＮＭＯＳトランジスタのゲートが接続された抵抗と、当該抵抗の他端にカソードが接続され、前記ＮＭＯＳトランジスタのソースにアノードが接続されたチェナーダイオードとを有しており、
チェナーダイオードのアノードとＮＭＯＳトランジスタのソースとの接続部分において他の充電回路に含まれる並列接続回路と接続されている、
ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の蓄電池モジュールを充電するときにエネルギーの損失を減少させることができる。

本発明の実施形態に係る蓄電池充電装置の構成の一例を示す図である。図１の蓄電池充電装置においてスイッチング素子がオンである間に流れる励磁電流の一例を示す図である。図１の蓄電池充電装置においてスイッチング素子がオフになったときに流れる電流の一例を示す図である。特許文献１に記載されている充電装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る蓄電池充電装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る蓄電池充電装置１の構成の一例を示す。
蓄電池１０は、直列に接続された３個の蓄電池モジュール１１を有する。各蓄電池モジュール１１は、直列に接続された複数の蓄電池セルを有する。
蓄電池充電装置１では、各蓄電池モジュール１１に対してそれぞれトランスＴ１とダイオードＤ１とコンデンサＣ１と並列接続回路１４とを有する充電回路が設けられている。
トランスＴ１は、一次コイルと二次コイルと三次コイルとを有する。ダイオードＤ１は、アノードがトランスＴ１の二次コイルの一端に接続され、カソードが蓄電池モジュール１１の正極に接続されている。トランスＴ１の二次コイルの他端は、蓄電池モジュール１１の負極に接続されている。なお、コンデンサＣ１が蓄電池モジュール１１と並列に接続されているのは、トランスＴ１の二次コイルから出力される電流を平滑化するためであり、コンデンサＣ１は必ずしも必要ではない。
また、蓄電池充電装置１はスイッチング素子１２と、駆動回路１３とを有する。駆動回路１３は、スイッチング素子１２のオンとオフを制御するＰＷＭ信号を出力する。スイッチング素子１２は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。スイッチング素子１２の制御入力（ソース）には、駆動回路１３によって出力されるＰＷＭ信号が入力される。

各充電回路に含まれるトランスＴ１の一次コイルの巻き数は同一である。また、蓄電池充電装置１に含まれる複数のトランスＴ１の一次コイルとスイッチング素子１２の電流路（ドレイン・ソース間）とは直列に接続されている。複数のトランスＴ１の一次コイルとスイッチング素子１２の電流路とが直列に接続された回路の両端は、電流の入力端子ＩＮ１と入力端子ＩＮ２に接続される。入力端子ＩＮ１と入力端子ＩＮ２には、直流電源が接続される。

図２に示すように、スイッチング素子１２がオンしている間に各充電回路に含まれるトランスＴ１の一次コイルには全て同一の電流ｉが流れる。従って、スイッチング素子１２がオンしている間にそれらの一次コイルに生じる起磁力（電流ｉ×一次コイルの巻き数）は同一となり、複数のトランスＴ１のコアには同一のエネルギーが蓄えられる。なお、それらの一次コイルのインダクタンスが異なっている場合であっても、複数のトランスＴ１のコアには同一のエネルギーが蓄えられる。

図３に示すように、スイッチング素子１２がオフしたときに、各充電回路において、トランスＴ１の二次コイルからダイオードＤ１のカソードと二次コイルの他端との間に接続された蓄電池モジュール１１に電流ｉｃが流れる。

スイッチング素子１２がオフしたときに、並列接続回路１４は各充電回路に含まれるトランスＴ１の三次コイルを並列に接続する。
並列接続回路１４は、ＮＭＯＳトランジスタ１５と、抵抗Ｒ１と、チェナーダイオードＺＤ１とを有する。ＮＭＯＳトランジスタ１５は、ボディダイオードを有する。ＮＭＯＳトランジスタ１５は、各充電回路に含まれるトランスＴ１の三次コイルにおいてスイッチング素子１２がオフしたときに負極となる側の一端にドレインが接続されている。抵抗Ｒ１は、各充電回路に含まれるトランスＴ１の三次コイルにおいてスイッチング素子１２がオフしたとき正極となる側の他端に一端が接続されており、他端にＮＭＯＳトランジスタ１５のゲートが接続されている。チェナーダイオードＺＤ１は、抵抗Ｒ１の他端にカソードが接続され、前記ＮＭＯＳトランジスタのソースにアノードが接続されている。
並列接続回路１４は、チェナーダイオードＺＤ１のアノードとＮＭＯＳトランジスタ１５のソースとの接続部分において他の充電回路に含まれる並列接続回路１４と接続されている。

スイッチング素子１２がオンしている間、各ＮＭＯＳトランジスタ１５はオフであるため、各充電回路に含まれるトランスＴ１の三次コイルはお互いに分離されている。
スイッチング素子１２がオフすると、三次コイルに逆起電力が生じ、各ＮＭＯＳトランジスタ１５のドレインの電位が負となる。このとき、各ＮＭＯＳトランジスタ１５のボディダイオードを経由して各ＮＭＯＳトランジスタ１５のソースも負となる。一方、各ＮＭＯＳトランジスタ１５のゲートには、抵抗Ｒ１を介して正の電圧が印加される。このため、ＮＭＯＳトランジスタ１５は、オンとなり、双方向に導通する。従って、各充電回路に含まれるトランスＴ１の三次コイルは全て並列に結合された状態となる。
なお、抵抗Ｒ１の抵抗値は、チェナーダイオードＺＤ１を通って電流ｉｅ２が流れない程度に十分に大きい。

例えば、図３に示すように、電圧の低い蓄電池モジュール１１（図３における上側の蓄電池モジュール１１）と電圧の高い蓄電池モジュール１１（図３における真ん中の蓄電池モジュール１１）がある場合、スイッチング素子１２がオフしたとき、電圧の高い真ん中の蓄電池モジュール１１を充電するトランスＴ１の三次コイルから電圧の低い上側の蓄電池モジュール１１を充電するトランスＴ１の三次コイルに励磁電流ｉｅ１が回り込む。電圧の低い上側の蓄電池モジュール１１では、その蓄電池モジュール１１を充電するトランスＴ１のコアに蓄えられたエネルギーとともに回り込んだ励磁電流ｉｅ１も充電に使用される。このため、電圧が低い上側の蓄電池モジュール１１には大きな充電電流ｉｃが流れ、その充電が促進される。やがては、全ての蓄電池モジュール１１は同じ電圧まで充電される。

なお、蓄電池１０は、電気自動車等に搭載される組電池であってもよいし、蓄電池１０の両端が外部の組電池に接続され、それを蓄電池１０により充電する構成であってもよい。

以上説明したように、スイッチング素子１２がオンしている間に複数のトランスＴ１のコアには同一のエネルギーが蓄えられる。このため、本発明によれば、複数の蓄電池モジュールを充電するときにエネルギーの損失を減少させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。

１…蓄電池充電装置、１０…蓄電池、１１…蓄電池モジュール、１２…スイッチン素子、１３…駆動回路、１４…並列接続回路、１５…ＮＭＯＳトランジスタ、Ｃ１…コンデンサ、Ｄ１…ダイオード、Ｔ１…トランス、Ｒ１…抵抗、チェナーダイオード…ＺＤ１

Claims

複数の蓄電池モジュールが直列に接続されている蓄電池を充電する蓄電池充電装置であって、
一次コイルと二次コイルと三次コイルとを有するトランスと、アノードが当該二次コイルの一端に接続されたダイオードとを含み、当該ダイオードのカソードと前記二次コイルの他端との間に前記各蓄電池モジュールが接続される複数の充電回路と、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオンとオフを制御するＰＷＭ信号を出力する駆動回路と、
を備え、
前記各充電回路に含まれるトランスの一次コイルの巻き数が同一であって、当該複数の一次コイルと前記スイッチング素子の電流路とが直列に接続されており、前記スイッチング素子がオンしている間に前記各充電回路に含まれるトランスの一次コイルに同一の電流が流れ、
前記スイッチング素子がオフしたときに、前記各充電回路において、前記トランスの二次コイルから前記ダイオードのカソードと二次コイルの他端との間に接続される蓄電池モジュールに電流が流れ、
前記スイッチング素子がオフしたときに前記各充電回路に含まれるトランスの三次コイルを並列に接続する並列接続回路を、前記各充電回路が備える、
ことを特徴とする蓄電池充電装置。
前記並列接続回路が、前記各充電回路に含まれるトランスの三次コイルにおいて前記スイッチング素子がオフしたときに負極となる側の一端にドレインが接続されており、ボディダイオードを有するＮＭＯＳトランジスタと、当該三次コイルにおいて前記スイッチング素子がオフしたとき正極となる側の他端に一端が接続されており、他端に前記ＮＭＯＳトランジスタのゲートが接続された抵抗と、当該抵抗の他端にカソードが接続され、前記ＮＭＯＳトランジスタのソースにアノードが接続されたチェナーダイオードとを有しており、
チェナーダイオードのアノードとＮＭＯＳトランジスタのソースとの接続部分において他の充電回路に含まれる並列接続回路と接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電池充電装置。