JP5815010B2 - バッテリーユニットのバランシングのためのバランシング回路 - Google Patents

Description

本発明はバッテリーのバランシングに係り、特に一種の、複数のバッテリーユニットのうち、比較的高い電圧を有するバッテリーユニットのエネルギーを、該複数のバッテリーユニットに提供することで、該複数のバッテリーユニットをバランシングする、アクティブ式バランシング回路に関する。

一般的に、比較的高い出力電圧を供給するためには、複数のバッテリーを直列に接続して電源供給装置となして必要な出力電圧を提供することができる。しかし、相互に直列に接続された複数のバッテリーを有する電源供給装置に充電を行う時は、該複数のバッテリーの間の電圧のアンバランスにより、総エネルギーの降下が形成されるか、或いは電源供給装置の損壊がもたらされ得る。たとえば、電源供給装置のうち、一部のバッテリーがほぼフルに充電され、その他のバッテリーは充電完成までにまだ時間がかかる時、続けて電源供給装置に充電を行うと、該一部のバッテリーに過充電（ｏｖｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ）の現象が形成されて、それにより該一部のバッテリーの寿命が短くなり得る。

伝統的な電源供給装置は、パッシブ式バッテリーバランシングメカニズムを使用して上述の状況が発生するのを防止している。しかし、パッシブ式バッテリーバランシングメカニズムは、余剰のエネルギー（すなわち、過充電のエネルギー）を消耗し、エネルギーの浪費と過量の熱を発生する。これにより、一種の、アクティブ式バッテリーバランシング回路（ａｃｔｉｖｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）により、上述の問題を解決することが必要である。

以上を鑑み、本発明の目的の一つは、一種の、複数のバッテリーユニット中の、比較的高い電圧を有するバッテリーユニットのエネルギーを、該複数のバッテリーユニットに提供することにより、該複数のバッテリーユニットをバランシングする、アクティブ式バッテリーバランシング回路を提供することで、上述の問題を解決することにある。

本発明のある実施例によると、それは、複数のバッテリーユニットをバランシングするためのバランシング回路を提示している。該バランシング回路は、コントロールユニット、インダクタユニット、及びエネルギー転移ユニットを包含する。該コントロールユニットは、該複数のバッテリーユニット中の少なくとも一つのバッテリーユニットに接続され、該コントロールユニットは少なくとも一つのスイッチ素子を包含する。該インダクタユニットは、該スイッチ素子と該インダクタユニットの間に接続され、該スイッチ素子の開閉状態に基づいて、該バッテリーユニットの余剰のエネルギーを取り去り、並びに該余剰のエネルギーに対応する誘導エネルギーを発生する。該エネルギー転移ユニットは、該インダクタユニットに接続され、該誘導エネルギーを該複数のバッテリーユニットに提供し、並びに該誘導エネルギーを保存する。

本発明の提供するバッテリーバランシング回路は、スピーディーにバッテリーシステムをバランシングし、モジュール化回路の構造を有し（たとえば、エネルギー変換効率が高いフライバック式コンバータ回路）、それにより回路設計を簡易化し設計の自由度を増し、並びに自走式発振器を採用することでコントロールメカニズムの簡易化と製造コストダウンが行える。

本発明のバッテリーシステムの実施例の表示図である。 図１に示されるバッテリーシステムの第１具体実施例の表示図である。 図２に示されるバランシング回路の局部回路の実施例の表示図である。 図１に示されるバッテリーシステムの第２具体実施例の表示図である。 図１に示されるバッテリーシステムの第３具体実施例の表示図である。

明細書及び後続の特許請求の範囲中、ある語彙が特定の素子を示すのに使用される。所属領域中の通常の知識を有する者であれば理解できるように、メーカーは異なる名詞を用いて同一の素子を呼称し得る。本明細書及び後続の特許請求の範囲は、名称の差異により素子を区別する方式ではなく、素子の機能上の差異により区別することを原則としている。明細書及び後続の特許請求の範囲全般にわたり、使用される「包含」とは開放式の用語であり、「包含するが、それに限定されるわけではない」と解釈されるべきである。このほか「接続」との用語は、任意の直接或いは間接の電気接続手段を包含する。これにより、もし文中に第１装置が第２装置に接続されるとの記述があれば、該第１装置は直接的に第２装置に電気的に接続されるか、或いはその他の装置或いは連接手段を介して間接的に該第２装置に電気的に接続されることを示す。

図１を参照されたい。それは本発明のバッテリーシステムの一つの実施例の表示図である。バッテリーシステム１００は、複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n （ｎは正の整数）、及び複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n をバランシングするためのバランシング回路１０２を包含する。複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n は、端子ＢＡＴ＋（たとえば、一つの高圧側（ｈｉｇｈ ｓｉｄｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ））と、端子ＢＡＴ−（たとえば、一つの低圧側（ｌｏｗ ｓｉｄｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ））により、外接電子装置（図１には示されていない）が必要とする電源を提供するか、或いは、端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−により、充電電源を受け取る。バッテリーシステム１００が、充電（ｃｈａｒｇｉｎｇ）、放電（ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ）或いはアイドル（ｉｄｌｅ）の状況にある時、バランシング回路１０２は、複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n 中の、比較的高い電圧（すなわち、比較的多くの電荷）を有するバッテリーユニットのエネルギーを取り出し、さらに、それは全ての複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n に提供し、これにより、バッテリーバランシングの目的を実現し、いいかえると、バランシング回路１０２はアクティブ式バランシング回路とされ、並びにエネルギーを直接全てのバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n に提供することにより、スピーディーで高効率のバッテリーバランシングメカニズムを実現する。

具体的には、バランシング回路１０２は（以下に限定されるわけではないが）、コントロールユニット１１２、インダクタユニット１２２及びエネルギー転移ユニット１３２を包含する。そのうち、コントロールユニット１１２は、複数のバッテリーユニットＶＢ₁〜ＶＢ_n に接続され、並びに複数のスイッチ素子ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n を包含する。そのうち、複数のスイッチ素子ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n は、それぞれ複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n に対応するように設置される（すなわち、一つのスイッチ素子が一つのバッテリーユニットに対応する）。スイッチ素子ＳＷ₁ とそれに対応するバッテリーユニットＶＢ₁ については、インダクタユニット１２２が、両者の間に接続されている。同様に、スイッチ素子ＳＷ₂ ／ＳＷ_n とそれぞれに対応するバッテリーユニットＶＢ₂ ／ＶＢ_n についても、インダクタユニット１２２が両者の間に接続されている。複数のスイッチ素子ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n は、それぞれインダクタユニット１２２の磁束の方向をコントロールし、これにより、複数のスイッチ素子ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n の開閉状態により、複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n とインダクタユニット１２２の間のエネルギー伝送がコントロールされる。

たとえば、バッテリーユニットＶＢ₁ の電圧が過高である状況下（たとえば、定格電圧の設定電圧範囲を超過するか、或いはその他のバッテリーユニットの電圧の間との差が過大である状況）で、インダクタユニット１２２はスイッチ素子ＳＷ₁ の開閉状態により、バッテリーユニットＶＢ₁ の余剰のエネルギーＥＯを取り去り、並びに余剰のエネルギーＥＯに対応する誘導エネルギー（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ）ＥＩを発生する。誘導エネルギーＥＩは、エネルギー転移ユニット１３２（インダクタユニット１２２に接続されている）を介して複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n に提供される。ある実施例においては、エネルギー転移ユニット１３２は、誘導エネルギーＥＩを端子ＢＡＴ＋に伝送でき、これにより、複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n に対して電圧バランシングを行う。別の実施例では、エネルギー転移ユニット１３２は端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−の間に接続され、誘導エネルギーＥＩを複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n に提供する。

この実施例において、インダクタユニット１２２は、発生した誘導エネルギーＥＩを保存でき、並びにスイッチ素子の開閉状態に基づき、誘導エネルギーＥＩをエネルギー転移ユニット１３２に伝送する。エネルギー転移ユニット１３２は、ろ波素子（図１中には表示されていない）を有し得て、それは、リップル（ｒｉｐｐｌｅ）を減らす或いは消去する。このほか、エネルギー転移ユニット１３２は、誘導エネルギーＥＩを保存して、安定したエネルギー供給を維持し、並びに実際の必要に応じて誘導エネルギーＥＩを調整して複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n に提供する。

ある設計の変更において、コントロールユニット１１２は、複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n の一つだけに接続され、たとえば、コントロールユニット１１２が包含するスイッチ素子は、ただスイッチ素子ＳＷ₁ だけであり、これにより、インダクタユニット１２２は僅かにスイッチ素子ＳＷ₁ とバッテリーユニットＶＢ₁ の間に接続される。すなわち、本発明が提供するバッテリーバランシングメカニズムは、また、ただ単一のバッテリーユニットに対して電圧モニタリングと調整を行い、該単一のバッテリーの余剰のエネルギーを、全てのバッテリーユニットに提供するのに用いられ得る。注意すべきことは以下のとおりである。上述の複数のバッテリーユニットＶＢ₁ 〜ＶＢ_n 中の、各一つのバッテリーユニットは、バッテリーセル（ｂａｔｔｅｒｙ ｃｅｌｌ）（単一バッテリー）、バッテリーブロック（ｂａｔｔｅｒｙ ｂｌｏｃｋ）（相互に並列に接続された複数のバッテリーを包含する）、バッテリーモジュール（ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｄｕｌｅ）（相互に直列に接続された複数の電池ブロックを包含する）或いはバッテリーパック（ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ）（直列接続と並列接続の複数の電池を包含する）とされ得る。

図１から分かるように、各一つのバッテリーユニットは、いずれも対応するスイッチ素子に接続され、ゆえに、バランシング回路１０２はモジュール化（ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の方式を採用して実施できる。図２を参照されたい。それは図１に示されるバッテリーシステム１００の第１の具体実施例の表示図である。この実施例中、バッテリーシステム２００は、複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_n 及びバランシング回路２０２を包含する。そのうち、複数のバッテリーユニットＢＭ１〜ＢＭｎはそれぞれ複数のバッテリーモジュールとされ、及び、バランシング回路２０２はフライバック式コンバータ（ｆｌｙｂａｃｋ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の設計を採用することでモジュール化の構造を実現する。しかし、この技術に習熟するものであれば分かるように、複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_n は並びにバッテリーモジュールの構造に限定されるわけではなく、またバランシング回路２０２もフライバック式コンバータの構造に限定されるわけではない。

同様に、複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_n は、端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−の間に、相互に直列に接続され、これにより、端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−を介して電源を提供するか或いは充電電源を受け取る。バランシング回路２０２はコントロールユニット２１２を包含し、それは、複数のスイッチ素子Ｑ₁ 〜Ｑ_n を包含する。そのうち、複数のスイッチ素子Ｑ₁ 〜Ｑ_n はそれぞれ複数のボデーダイオード（ｂｏｄｙ ｄｉｏｄｅ）ＢＤ₁ 〜ＢＤ_n を具えた複数のトランジスタにより実施される。たとえば、これに限定されるわけではないが、複数のスイッチ素子Ｑ₁ 〜Ｑ_n の少なくともそのうちの一つは、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により実施され得る。バランシング回路２０２はまた、インダクタユニット２２２とエネルギー転移ユニット２３２を包含し、そのうち、インダクタユニット２２２は一次側と二次側を包含し、該一次側は複数の第１捲線（ｗｉｎｄｉｎｇ）ＬＰ₁ 〜ＬＰ_n を包含し、該二次側は複数の第２捲線ＬＳ₁ 〜ＬＳ_n を包含し、エネルギー転移ユニット２３２は複数のダイオードＥＤ₁ 〜ＥＤ_n と複数のコンデンサＣ₁〜Ｃ_n を包含する。この実施例中、コントロールユニット２１２は図１に示されるコントロールユニット１１２を実施するために用いられ、インダクタユニット２２２は図１に示されるインダクタユニット１２２を実施するために用いられ、及び、エネルギー転移ユニット２３２は図１に示されるエネルギー転移ユニット１３２を実施するために用いられる。

図２から分かるように、インダクタユニット２２２のうちの各第１捲線は、対応するスイッチ素子と対応するバッテリーユニットの間に接続され、各第２捲線は、対応する第１捲線に接続され、複数のダイオードＥＤ₁ 〜ＥＤ_n は、それぞれ複数の第２捲線ＬＳ₁ 〜ＬＳ_n に接続され、そのうち、各ダイオードの二端は、それぞれ対応するコンデンサと対応する第２捲線に接続され（すなわち、各ダイオードは対応するコンデンサと対応する第２捲線の間に接続される）、及び各コンデンサの二端は、それぞれ対応するダイオードと対応する第２捲線に接続される（すなわち、各コンデンサは対応するダイオードと対応する第２捲線の間に接続される）。さらに具体的に説明すると、各一つのバッテリーユニットは、フライバック式コンバータ回路構造を有する回路モジュールと見なされ得る。バッテリーユニットＢＭ₁ を例に挙げると、それはスイッチ素子Ｑ₁ 、第１捲線ＬＰ₁ 、第２捲線ＬＳ₁ 、ダイオードＥＤ₁ とコンデンサＣ₁ で構成されるフライバック式コンバータ回路構造に接続される。

このほか、エネルギー転移ユニット２３２はまた、インピーダンス素子（この実施例中では、抵抗Ｒとされる）及びダイオードＤを包含し得る。そのうち、抵抗ＲとダイオードＤはそれぞれ端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−の間に接続され、これにより、エネルギー転移ユニット２３２は抵抗Ｒ／ダイオードＤを介して、端子ＢＡＴ＋に電気的に接続される。言い換えると、誘導エネルギーＥＩは、抵抗ＲとダイオードＤで構成された伝送経路をとおり、複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_n に提供される。これのよい所の一つは、エネルギー転移ユニット２３２が包含する複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n が、いずれも抵抗Ｒ（或いはインピーダンス素子）を介して予充電され、バランシング回路２０２が動作する時に好ましくないサージ電流（ｓｕｒｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）を発生するのを防止できることであり、すなわち、ソフトスタート（ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ）メカニズムを提供してサージ電流を除去或いは減少させることを考慮する必要がなく、これにより回路設計を簡易化し、製造コストを減らすことができる。さらに、複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n に対して予充電することで、回路動作の速度をアップできる。

ダイオードＤが導通する時、端子ＢＡＴ＋と端子Ｎ＋は、等電位と見なされ、複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n は端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−の間に並列に接続され、ゆえに、複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n は、端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−の間に並列接続されると見なされる。これにより、各一つのコンデンサが保存するエネルギー（すなわち、エネルギー転移ユニット２３２が保存するエネルギー）は、相互に流通可能であるのみならず、全てのバッテリーユニットに提供され得る。

注意すべきことは以下のとおりである。以上は僅かに説明のために供されたにすぎず、本発明を制限するためのものではないということである。ある設計変化においては、抵抗ＲとダイオードＤはそれぞれ端子ＢＡＴ＋と端子Ｎ−の間に接続される。別の設計変化中では、抵抗ＲとダイオードＤのうち、少なくとも一方が省略されてもよい。このほか、上述のインピーダンス素子（たとえば、抵抗Ｒ）とダイオード（たとえば、ダイオードＤ）は図１に示されるバッテリーシステム１００に設置されることで、バッテリーバランシングメカニズムの性能をアップできる。

バッテリーユニットＢＭ₁ の電圧過高の状況を考慮し（たとえば、定格電圧の設定電圧範囲を超過するか、或いは、その他のバッテリーユニットの電圧との間の差が過大となる）を考慮する。スイッチ素子が切断状態から導通状態に切り換えられる時、バッテリーユニットＢＭ₁ の余剰のエネルギーＥＯは、誘導エネルギーＥＩに変換され、並びに第１捲線ＬＰ₁ 内に保存される。続いて、スイッチ素子Ｑ₁ が再度切断されると、誘導エネルギーＥＩは、第１捲線ＬＰ₁ と第２捲線ＬＳ₁ の間のカプリング作用により、エネルギー転移ユニット２３２（たとえば、複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n ）に伝送され、並びに抵抗ＲとダイオードＤの構成する伝送経路をとおり、複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_n に送られる。フライバック式コンバータの動作に習熟した者であれば容易に上述のエネルギー変換／伝送の原理と細部を理解でき、ゆえにこれ以上の説明は省略する。

以上から分かるように、過高電圧を有するバッテリーユニットに対応するスイッチ素子に対して、開閉状態の切り換えを行うことで、余剰のエネルギーがエネルギー転移ユニットに転移され、これにより、全てのバッテリーユニットに提供される。これにより、単一バッテリーユニットの余剰のエネルギーが全てのバッテリーユニットに提供されるのみならず、本発明の提供するバッテリーバランシングメカニズムはまた、複数のバッテリーユニットの余剰のエネルギーを全てのバッテリーユニットに提供できる。

上述のスイッチ素子の開閉状態の切り換えは、コントロール回路によりコントロールされる。図２と共に図３も参照されたい。図３は図２に示されるバランシング回路２０２の局部回路の実施例の表示図である。この実施例中、バランシング回路２０２はコントロール回路２４２を包含し、それは駆動信号Ｓ_G を発生してバッテリーユニットＢＭ_X が接続されたフライバック式コンバータ回路の操作をコントロールするのに用いられる。そのうち、バッテリーユニットＢＭ_X は、複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_n のそのうちの一つを指し（すなわち、インデックス値ｘは１〜ｎの正の整数である）、スイッチ素子Ｑ_X （ボデーダイオードＢＤ_X を具える）、第１捲線ＬＰ_X 、第２捲線ＬＳ_X 、ダイオードＥＤ_X 、及びコンデンサＣ_X は、互いに対応するフライバック式コンバータ回路素子とされる。注意すべきことは以下のとおりである。コントロール回路２４２は、ロジック回路（ｌｏｇｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ）２４４、自走式発振器（ｆｒｅｅ−ｒｕｎｎｉｎｇｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）２４６及びゲート駆動回路（ｇａｔｅ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ）２４８を包含する。自走式発振器２４６は、自己トリガ可能であり、ゆえに、コントロール回路２４２は、簡易化された回路設計と低い製造コストの長所を有する。さらに具体的に説明すると、ロジック回路２４４は、複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_nの電圧を検出して電圧情報を取得し、並びに該電圧情報に基づいてイネーブル信号Ｓ_ENを発生できる。ゲート駆動回路２４８はイネーブル信号Ｓ_EN と、自走式発振器２４６の発生した発振信号Ｓ_O に基づき、駆動信号Ｓ_G を発生してスイッチ素子Ｑ_X の開閉状態をコントロールする。

たとえば、ロジック回路２４４が複数のバッテリーユニットＢＭ₁ 〜ＢＭ_n の間のバッテリーのアンバランスを検出して発生したイネーブル信号Ｓ_EN は、特定電圧レベル（たとえば、高電圧レベル）を有し得る。このほか、ゲート駆動回路２４８は発振信号Ｓ_O に基づき駆動信号Ｓ_G を発生し、いいかえると、駆動信号Ｓ_G は、発振信号Ｓ_O の周波数とデューティーサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）の情報を有し、これにより、バッテリーユニットＢＭ_X が釈放又は受け取るエネルギーの大きさは、発振信号Ｓ_O の周波数とデューティーサイクルによりコントロールされ得る。

注意すべきことは以下のとおりである。図３に示されるコントロール回路２４２の回路構造は、僅かに説明の必要のために供されたものであり、本発明を制限するためのものではない。ある設計変化においては、自走式発振器２４６はまた、直接イネーブル信号Ｓ_EN に基づき発振信号Ｓ_O を出力して駆動信号Ｓ_G となす。また別の設計変化においては、ゲート駆動回路２４８はまた、直接イネーブル信号Ｓ_EN に基づき駆動信号Ｓ_G を発生する。

再度図２を参照されたい。バランシング回路２０２は高電圧（たとえば、４００Ｖ以上）或いは低電圧（たとえば、２０Ｖ）のバッテリーシステムに応用可能である。バランシング回路２０２が高電圧のバッテリーシステムに応用される時、僅かにバランシング回路２０２の回路素子の耐電圧性をアップさせれば、バッテリーシステムの正常動作を維持できる。このほか、エネルギー調整回路を増加すれば、バランシング回路２０２の回路素子の耐電圧性をアップさせる必要がなく、バッテリーシステムの正常動作を維持できる。図４を参照されたい。それは図１に示されるバッテリーシステム１００の第２実施例の表示図である。バッテリーシステム４００の包含するバランシング回路４０２の構造は、図２に示されるバランシング回路２０２の構造に基づいており、両者の間の主要な違いは、バランシング回路４０２は別に少なくとも一つのエネルギー調整回路４４２_n を包含することにある。エネルギー調整回路４４２_n は複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n に接続されて、選択的に複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n に保存された誘導エネルギーＥＩを調整し、並びに調整後の誘導エネルギーＥＩを複数のバッテリーユニットＳＢＭ₁ 〜ＳＢＭ_n に提供するのに用いられる。

この実施例中、誘導エネルギーＥＩが比較的低い時（たとえば、４８Ｖを未超過）、エネルギー調整回路４４２_n は誘導エネルギーＥＩに対して調整を行わない。言い換えると、バランシング回路４０２のバッテリーバランシングメカニズムと図２に示されるバランシング回路２０２のバッテリーバランシングメカニズムはほぼ同じか類似する。バランシング回路４０２が高電圧のバッテリーシステムに応用される時（すなわち、複数のバッテリーユニットＳＢＭ₁ 〜ＳＢＭ_n の定格電圧が高電圧である）、誘導エネルギーＥＩは比較的高くなり得て（たとえば、４８Ｖを超過）、これにより、エネルギー調整回路４４２_n を利用して誘導エネルギーＥＩに対して昇圧変換し（すなわち、エネルギー調整回路４４２_n は昇圧変換回路（ｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ）とされ得る）、並びにこれにより複数のバッテリーユニットＳＢＭ₁ 〜ＳＢＭ_n に提供し、バッテリーシステムの正常動作を維持する。

実施上、エネルギー調整回路４４２_n は、第１端子ＮＡ、第２端子ＮＢ、第３端子ＮＣ及び第４端子ＮＤを有し得る。そのうち、第１端子ＮＡと第２端子ＮＢはそれぞれコンデンサＣ_n の二端に接続され、第３端子ＮＣと第４端子ＮＤはそれぞれ端子ＢＡＴ＋（すなわち、高圧側）と端子ＢＡＴ−（すなわち、低圧側）に接続され、これにより、エネルギー調整回路４４２ｎは第１端子ＮＡと第２端子ＮＢを介して誘導エネルギーＥＩを受け取り、第３端子ＮＣと第４端子ＮＤを介して調整後の誘導エネルギーＥＩを出力できる。

このほか、エネルギー調整回路４４２_n は、ロジックユニット（ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）４４６_n 及び調整ユニット４４８_n を包含し得る。ロジックユニット４４６_n は複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n が保存する誘導エネルギーＥＩが所定のエネルギー値に達したか否かを判断して、判断結果ＤＲを発生するのに用いられる。調整ユニット４４８_n はロジックユニット４４６_n に接続されて、判断結果ＤＲにより誘導エネルギーＥＩを調整するのに用いられる。たとえば、ロジックユニット４４６_n にはヒステリシスを有する電圧しきい値（ｖｏｌｔａｇｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｗｉｔｈ ａ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）の判断ロジックが採用され、これにより、判断結果ＤＲが、誘導エネルギーＥＩがヒステリシス幅（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｂａｎｄ）外にあることを指し示すとき、調整ユニット４４８_n は誘導エネルギーＥＩに対して調整を行う。

バランシング回路４０２はまた、自走式発振器４５２を包含し得る。それは発振信号Ｓ_C を発生することで、エネルギー調整回路４４２_n のエネルギー調整操作をコントロールする。たとえば、エネルギー調整回路４４２_n が昇圧変換回路とされる状況で、エネルギー調整回路４４２_n は発振信号Ｓ_C の周波数とデューティーサイクルに基づき、誘導エネルギーＥＩの増加量を調整する。このほか、図３に示されるコントロール回路２４２の設計概念を採用することで、エネルギー調整回路４４２_n に対応するコントロール回路（図４には表示されず）を実施できる。

注意すべきことは以下のとおりである。バランシング回路４０２はまた複数のエネルギー調整回路を包含し得て、それにより、モジュール化回路設計の概念を実現する。図４に示される実施例中、複数のコンデンサＣ₁ 〜Ｃ_n はそれぞれ複数のエネルギー調整回路４４２₁ 〜４４２_n に接続され、そのうち、複数のエネルギー調整回路４４２₁ 〜４４２_nは、実際の設計の必要により用いられ、並びにそれぞれ複数のロジックユニット４４６₁〜４４６_n 及び複数の調整ユニット４４８₁ 〜４４８_n を包含し得る。この実施例においては、僅かに複数のエネルギー調整回路４４２₁ 〜４４２_n のうちの一つ（たとえば、エネルギー調整回路４４２_n ）を用いて上述の昇圧変換操作を実現しており、そのうち、使用されないエネルギー調整回路は、点線で表示される。別の実施例では、単一のエネルギー調整回路（たとえばエネルギー調整回路４４２_n ）のみがバランシング回路４０２中に設置され得る。

図５を参照されたい。それは図１に示されるバッテリーシステム１００の第３実施例の表示図である。バッテリーシステム５００が包含するバランシング回路５０２の構造は、図２に示されるバッテリーシステム２００の構造に基づいており、両者の間の主要な違いは、インダクタユニットが包含する捲線の個数と接続方式である。バッテリーシステム５００は、複数のバッテリーユニットＢＰ₁ 〜ＢＰ_n （たとえば、複数のバッテリーブロック）、コントロールユニット５１２、インダクタユニット５２２及びエネルギー転移ユニット５３２を包含する。コントロールユニット５１２は、図２に示される複数のスイッチ素子Ｑ₁ 〜Ｑ_n を包含する。インダクタユニット５２２は一次側と二次側を包含し、そのうち、該一次側は複数の第１捲線ＬＰ₁ 〜ＬＰ_n を包含し、該二次側は、一つの第２捲線ＬＳを包含する。該第２捲線ＬＳは、複数の第１捲線ＬＰ₁ 〜ＬＰ_n にカップリングされる。エネルギー転移ユニット５３２は、ダイオードＥＤとコンデンサＣを包含し、そのうち、ダイオードＥＤは第２捲線ＬＳに接続され、コンデンサＣはダイオードＥＤと第２捲線ＬＳに接続される。この実施例では、ダイオードＥＤの二端はそれぞれコンデンサＣと第２捲線ＬＳに接続され（すなわち、ダイオードＥＤはコンデンサＣと第２捲線ＬＳの間に接続される）、コンデンサＣの二端はそれぞれダイオードＥＤと第２捲線ＬＳに接続される（すなわち、コンデンサＣはダイオードＥＤと第２捲線ＬＳの間に接続される）。

同様に、過高電圧を有するバッテリーユニットに対応するスイッチ素子に対して開閉状態の切り換えを行うことで、余剰のエネルギーをエネルギー転移ユニットに転移させ、これにより、全てのバッテリーユニットに提供することができる。このほか、図３に示されるコントロール回路２４２により複数のスイッチ素子Ｑ₁ 〜Ｑ_n の開閉操作をコントロールできる。

この実施例中、エネルギー転移ユニット５３２は別に、図２に示されるダイオードＤを包含する。この技術に習熟したものであれば、図２の関係説明を読んだ後、コンデンサＣがインピーダンス素子（たとえば、図２に示される抵抗Ｒ）及び又はダイオードＤにより端子ＢＡＴ＋と端子ＢＡＴ−の間に電気的に接続され、ゆえに、該インピーダンス素子、ダイオードＤとコンデンサＣはバッテリーシステム５００の中の配置方式と機能についてはここでは重複して説明しない。

注意すべきことは以下のとおりである。複数の第１捲線ＬＰ₁ 〜ＬＰ_n は相互にカップリングされ、これにより、バッテリーユニットの間の電圧差が過大であるとき、バッテリーユニットの間に過電流が発生し得る。たとえば、第１捲線ＬＰ₁ が取り去る余剰のエネルギーＥＯは第１捲線ＬＰ₂ にカップリングされ得て、且つバッテリーユニットＢＰ₁ の電圧がバッテリーユニットＢＰ₂ の電圧より非常に高いとき、過大の電流が端子Ｎよりスイッチ素子Ｑ₁ に流入して、バッテリーシステム５００の損壊を形成し得る。これにより、コントロールユニット５１２はまた複数のダイオードＤ₁ 〜Ｄ_n を包含してもよく、それはそれぞれ複数のスイッチ素子Ｑ₁ 〜Ｑ_n と複数のバッテリーユニットＢＰ₁ 〜ＢＰ_nの間に接続されて、過電流を防止又は遮断するのに用いられる。

ある設計変化において、複数のダイオードＤ₁ 〜Ｄ_n はまた、それぞれ複数の第１捲線ＬＰ₁ 〜ＬＰ_n と複数のバッテリーユニットＢＰ₁ 〜ＢＰ_n の間に接続されてもよい。また別の設計変化において、複数のダイオードＤ₁ 〜Ｄ_n は、それぞれ複数のスイッチ素子Ｑ₁ 〜Ｑ_n と複数の第１捲線ＬＰ₁ 〜ＬＰ_n の間に接続されてもよい。簡単に述べると、単一方向式スイッチ素子によりコントロールユニットが包含するスイッチ素子を実施することで、過電流を防止又は遮断できる。この技術に習熟した者であれば、図５に示されるバッテリーシステム５００の操作の細部を簡単に理解でき、ゆえに、さらなる説明はここでは省略する。

注意すべきことは以下のとおりである。上述の単一方向式スイッチ素子の構造は、図１又は図２又は図４に示されるバッテリーバランシングメカニズム中に応用可能であり、すなわち、コントロールユニット１１２／２１２も、少なくとも一つのダイオードを、包含し得てそれにより単一方向式スイッチ素子を実施できる。このほか、図１、２、４、５に示されるバッテリーバランシングメカニズムはまた、ただ単一のバッテリーユニットに対して電圧モニタリングと調整を行って、該単一バッテリーの余剰のエネルギーを全てのバッテリーユニットに提供するのに用いられ得る。

総合すると、本発明の提供するバッテリーバランシング回路は、スピーディーにバッテリーシステムをバランシングし、モジュール化回路の構造を有し（たとえば、エネルギー変換効率が高いフライバック式コンバータ回路）、これにより回路設計を簡易化し設計の自由度を増し、並びに自走式発振器を採用することでコントロールメカニズムの簡易化と製造コストダウンが可能である。

以上に述べたことは本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明のカバーする範囲に属するとされるべきである。

１００、２００、４００、５００ バッテリーシステム
１０２、２０２、４０２、５０２ バランシング回路
１１２、２１２、５１２ コントロールユニット
１２２、２２２、５２２ インダクタユニット
１３２、２３２、５３２ エネルギー転移ユニット
２４２ コントロール回路
２４４ ロジック回路
２４６、４５２ 自走式発振器
２４８ ゲート駆動回路
４４２₁ 〜４４２_n エネルギー調整回路
４４６₁ 〜４４６_n ロジックユニット
４４８₁ 〜４４８_n 調整ユニット
ＢＡＴ＋、ＢＡＴ−、Ｎ＋、Ｎ−、ＮＡ、ＮＢ、ＮＣ、ＮＤ、Ｎ 端子
ＶＢ₁ 〜ＶＢ_n 、ＢＭ₁ 〜ＢＭ_n 、ＢＭ_X 、ＳＢＭ₁ 〜ＳＢＭ_n 、ＢＰ₁ 〜ＢＰ_n バッテリーユニット
ＳＷ₁ 〜ＳＷ_n 、Ｑ₁ 〜Ｑ_n 、Ｑ_X スイッチ素子
ＬＰ₁ 〜ＬＰ_n 、ＬＰ_X 、ＬＳ₁ 〜ＬＳ_n 、ＬＳ_X 、ＬＳ 捲線
ＢＤ₁ 〜ＢＤ_n ボデーダイオード
Ｄ、ＥＤ₁ 〜ＥＤ_n 、ＥＤ_X 、ＥＤ、Ｄ₁ 〜Ｄ_n ダイオード
Ｃ₁ 〜Ｃ_n 、Ｃ_X 、Ｃ コンデンサ
Ｒ 抵抗

Claims (8)

1. 複数のバッテリーユニットをバランシングするためのバランシング回路において、
   コントロールユニットであって、該複数のバッテリーユニットのうちの少なくとも一つのバッテリーユニットに接続され、少なくとも一つのスイッチ素子を包含する、上記コントロールユニット、
   インダクタユニットであって、該スイッチ素子と該バッテリーユニットの間に接続されて、該スイッチ素子の開閉状態に基づいて該バッテリーユニットの余剰のエネルギーを取り去り、並びに該余剰のエネルギーに対応する誘導エネルギーを発生する、上記インダクタユニット、
   エネルギー転移ユニットであって、該インダクタユニットに接続され、該誘導エネルギーを該複数のバッテリーユニットに提供し、並びに該誘導エネルギーを保存する、上記エネルギー転移ユニット、
   エネルギー調整回路であって、該エネルギー転移ユニットのコンデンサに接続されて、選択的に該誘導エネルギーを調整し、並びに調整後の該誘導エネルギーを該複数のバッテリーユニットに提供する、上記エネルギー調整回路、
   を含み、
   該エネルギー調整回路は、
   ロジックユニットであって、該コンデンサが保存する該誘導エネルギーが所定のエネルギー値に到達したか否かを判断して判断結果を発生する、上記ロジックユニット、
   調整ユニットであって、該ロジックユニットに接続されて、該判断結果に基づき、該誘導エネルギーを調整し、判断結果が誘導エネルギーが該所定のエネルギー値より大きいことを指し示すとき、調整ユニットが該誘導エネルギーに対して昇圧変換し、判断結果が誘導エネルギーが該所定のエネルギー値より小さいことを指し示すとき、調整ユニットが該誘導エネルギーに対して調整を行わず直接誘導エネルギーを該複数のバッテリーユニットに提供する、上記調整ユニット、
   以上を包含することを特徴とする、バランシング回路。
2. 請求項１に記載のバランシング回路において、該インダクタユニットは、
   一次側であって、該スイッチ素子に接続された第１捲線を包含する、上記一次側と、
   二次側であって、該第１捲線にカップリングされた第２捲線を包含する、上記二次側と、
   を包含し、該第１捲線は、該スイッチ素子の開閉状態に基づいて該余剰のエネルギーを保存して該誘導エネルギーとなし、及び該誘導エネルギーは該第２捲線を介して該エネルギー転移ユニットに送られることを特徴とする、バランシング回路。
3. 請求項２に記載のバランシング回路において、該コントロールユニットはまた、
   少なくとも一つのダイオードであって、該スイッチ素子と該バッテリーユニットの間、該第１捲線と該バッテリーユニットの間、或いは該スイッチ素子と該第１捲線の間に接続される、上記少なくとも一つのダイオード、
   を包含することを特徴とする、バランシング回路。
4. 請求項２に記載のバランシング回路において、該エネルギー転移ユニットは、
   該第２捲線に接続されたダイオード、及び、
   コンデンサであって、該ダイオード及び該第２捲線に接続され、該ダイオードは該コンデンサと該第２捲線の間に接続され、該コンデンサは該ダイオードと該第２捲線の間に接続される、上記コンデンサ、
   を包含することを特徴とする、バランシング回路。
5. 請求項１に記載のバランシング回路において、該複数のバッテリーユニットは、高圧側と低圧側の間に、相互に直列に接続され、及び該コンデンサは、該高圧側と該低圧側の間に接続されることを特徴とする、バランシング回路。
6. 請求項１に記載のバランシング回路において、該複数のバッテリーユニットは相互に直列に、高圧側と低圧側の間に接続され、該エネルギー調整回路は、第１端子、第２端子、第３端子、及び第４端子を具え、該第１端子と該第２端子は、それぞれ該コンデンサの二端に接続され、該第３端子と該第４端子は、それぞれ該高圧側と該低圧側に接続されることを特徴とする、バランシング回路。
7. 請求項１に記載のバランシング回路において、該エネルギー調整回路は昇圧変換回路とされることを特徴とする、バランシング回路。
8. 請求項１に記載のバランシング回路において、該エネルギー調整回路は、
   自走式発振器であって、発振信号を発生することで該エネルギー調整回路のエネルギー調整操作をコントロールする、上記自走式発振器、
   を包含することを特徴とする、バランシング回路。

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