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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024081078
(43)【公開日】2024-06-17
(54)【発明の名称】バッテリ用交流電流供給回路
(51)【国際特許分類】
H02J 7/00 20060101AFI20240610BHJP
H01M 10/615 20140101ALI20240610BHJP
H01M 10/633 20140101ALI20240610BHJP
H01M 10/44 20060101ALI20240610BHJP
H01M 10/48 20060101ALI20240610BHJP
【ＦＩ】
H02J7/00 Y
H01M10/615
H01M10/633
H01M10/44 P
H01M10/48 301
H02J7/00 302A
【審査請求】有
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022194536
(22)【出願日】2022-12-05
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-06-30
(71)【出願人】
【識別番号】392029742
【氏名又は名称】田中 正一
(72)【発明者】
【氏名】田中 正一
【テーマコード（参考）】
5G503
5H030
5H031
【Ｆターム（参考）】
5G503BA02
5G503BB02
5G503BB03
5G503CB11
5G503EA08
5H030AA09
5H030AS08
5H030BB06
5H030BB21
5H030FF22
5H031CC09
(57)【要約】 （修正有）
【課題】バッテリの容量変化を抑止しつつ、バッテリの内部状態を改善するバッテリ用交流電流供給回路を提供する。
【解決手段】バッテリ１としての２つのサブバッテリ１１、１２は、降圧トランス３の二次コイル３２を通じて接続される。他例において、バッテリは、降圧トランスの二次コイルを通じてキャパシタに接続される。キャパシタは、パワースイッチング回路の一対の直流入力端に接続される平滑キャパシタ５からなる。これにより、バッテリに交流電流を供給することにより、複雑な回路無しにバッテリを充放電することができる。二次コイルに誘導された二次交流電圧は、バッテリを充放電する。これにより、バッテリの容量変化を抑止しつつ、バッテリの内部状態を改善することができる。
【選択図】図３
【解決手段】バッテリ１としての２つのサブバッテリ１１、１２は、降圧トランス３の二次コイル３２を通じて接続される。他例において、バッテリは、降圧トランスの二次コイルを通じてキャパシタに接続される。キャパシタは、パワースイッチング回路の一対の直流入力端に接続される平滑キャパシタ５からなる。これにより、バッテリに交流電流を供給することにより、複雑な回路無しにバッテリを充放電することができる。二次コイルに誘導された二次交流電圧は、バッテリを充放電する。これにより、バッテリの容量変化を抑止しつつ、バッテリの内部状態を改善することができる。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気負荷に直流電力を供給するためのバッテリに接続される二次コイルを有する降圧トランスと、
一次交流電圧を前記降圧トランスの一次コイルに印加することにより前記一次コイルに一次交流電流を供給するオシレータと、
前記オシレータを制御するコントローラと、
前記二次コイルを通じて前記バッテリと接続される蓄電素子と、
を備えるバッテリ用交流電流供給回路において、
前記バッテリは、前記蓄電素子として働くための少なくとも２つのバッテリユニットを含み、
前記２つのバッテリユニットは、前記二次コイルを通じて互いに接続されることを特徴とするバッテリ用交流電流供給回路。
一次交流電圧を前記降圧トランスの一次コイルに印加することにより前記一次コイルに一次交流電流を供給するオシレータと、
前記オシレータを制御するコントローラと、
前記二次コイルを通じて前記バッテリと接続される蓄電素子と、
を備えるバッテリ用交流電流供給回路において、
前記バッテリは、前記蓄電素子として働くための少なくとも２つのバッテリユニットを含み、
前記２つのバッテリユニットは、前記二次コイルを通じて互いに接続されることを特徴とするバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項2】
前記電気負荷は、前記二次コイルの中間端子に接続される請求項１記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項3】
前記２つのバッテリユニットはそれぞれ、前記二次コイルを通じて互いに接続される中間端子をもつ請求項１記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項4】
前記コントローラは、前記バッテリの温度が所定値未満である場合に、前記一次交流電圧を前記一次コイルに印加することにより、前記バッテリを加温するバッテリ加温モードをもつ請求項１記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項5】
前記コントローラは、前記バッテリを放電する正パルス電圧と前記バッテリを充電する負パルス電圧とを交互に繰り返す前記一次交流電圧を前記一次コイルに印加することにより、前記バッテリ内のデンドライトの成長を抑制するデンドライト抑制モードをもつ請求項１記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項6】
前記正パルス電圧は、前記負パルス電圧よりも高い振幅値と、より短い持続時間とをもつ請求項５記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項7】
前記降圧トランスは、直列接続された複数の一次コイルをもち、
前記オシレータは、前記各一次コイルの端部に別々に接続される３個以上のハーフブリッジをもち、
前記コントローラは、前記ハーフブリッジの選択により前記降圧トランスの降圧比を変更する請求項１記載のバッテリ用交流電流供給回路。
前記オシレータは、前記各一次コイルの端部に別々に接続される３個以上のハーフブリッジをもち、
前記コントローラは、前記ハーフブリッジの選択により前記降圧トランスの降圧比を変更する請求項１記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項8】
電気負荷に直流電力を供給するためのバッテリに接続される二次コイルを有する降圧トランスと、
一次交流電圧を前記降圧トランスの一次コイルに印加することにより前記一次コイルに一次交流電流を供給するオシレータと、
前記オシレータを制御するコントローラと、
前記二次コイルを通じて前記バッテリと交流電力を授受する蓄電素子と、
を備えるバッテリ用交流電流供給回路において、
前記蓄電素子は、前記電気負荷としてのパワースイッチング回路の一対の直流入力端を接続する平滑キャパシタからなることを特徴とするバッテリ用交流電流供給回路。
一次交流電圧を前記降圧トランスの一次コイルに印加することにより前記一次コイルに一次交流電流を供給するオシレータと、
前記オシレータを制御するコントローラと、
前記二次コイルを通じて前記バッテリと交流電力を授受する蓄電素子と、
を備えるバッテリ用交流電流供給回路において、
前記蓄電素子は、前記電気負荷としてのパワースイッチング回路の一対の直流入力端を接続する平滑キャパシタからなることを特徴とするバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項9】
前記バッテリ及び前記平滑キャパシタはそれぞれ、前記二次コイルを通じて互いに接続される中間端子をもつ請求項８記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項10】
前記コントローラは、前記バッテリの温度が所定値未満である場合に、前記一次交流電圧を前記一次コイルに印加することにより、前記バッテリを加温するバッテリ加温モードをもつ請求項８記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項11】
前記コントローラは、前記バッテリを放電する正パルス電圧と前記バッテリを充電する負パルス電圧とを交互に繰り返す前記一次交流電圧を前記一次コイルに印加することにより、前記バッテリ内のデンドライトの成長を抑制するデンドライト抑制モードをもつ請求項８記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項12】
前記正パルス電圧は、前記負パルス電圧よりも高い振幅値と、より短い持続時間とをもつ請求項１１記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【請求項13】
前記降圧トランスは、直列接続された複数の一次コイルをもち、
前記オシレータは、前記各一次コイルの端部に別々に接続される３個以上のハーフブリッジをもち、
前記コントローラは、前記ハーフブリッジの選択により前記降圧トランスの降圧比を変更する請求項８記載のバッテリ用交流電流供給回路。
前記オシレータは、前記各一次コイルの端部に別々に接続される３個以上のハーフブリッジをもち、
前記コントローラは、前記ハーフブリッジの選択により前記降圧トランスの降圧比を変更する請求項８記載のバッテリ用交流電流供給回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バッテリの内部状態改善のために交流電流をバッテリに供給するバッテリ用交流電流供給回路に関する。
【背景技術】
【0002】
交流電流をバッテリに供給することにより、バッテリの内部状態を改善する技術が提案されている。
【0003】
特許文献１は、充電動作と放電動作とを交互に繰り返すことにより、バッテリのデンドライトを抑制することを提案する。
【0004】
特許文献２は、キャパシタを介してバッテリに交流電流を供給することにより、バッテリを加熱する交流加熱法を提案する。この交流加熱法が図１を参照して説明される。オシレータ２０１が発生する交流電圧はキャパシタ２０２－２０３を通じてバッテリ１００に印加される。これにより、バッテリ１００の内部抵抗１０１が加熱される。
【0005】
特許文献３は、バッテリに交流電流を供給することにより、バッテリ電極の固相状態を改善することを提案している。
【0006】
温度状態、デンドライト析出状態、及び電極の固相状態のようなバッテリ内部状態を改善するためにバッテリに交流電流を供給する上記提案技術はバッテリ用交流電流供給技術と呼ばれる。
【0007】
リチウムのようなアルカリ金属イオンをキャリヤとする二次電池において、デンドライトは、バッテリの充電期間に負極から正極に向けて成長する。正極及び負極は、デンドライトの先端部が正極に達した瞬間に短絡され、大きな短絡電流が流れる。一般に、デンドライトの細い先端部は抵抗熱により溶けて消えるため、バッテリの内部抵抗はこの短絡直後に回復する。リークタッチ現象と呼ばれるこの現象は、固体電解質をもつ固体二次電池においても発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０１１-２１６４２８
【特許文献2】特開２０１３-３７８５９
【特許文献3】U.S.P．Application No．11,145,861
【0009】
次に、従来のバッテリ用交流電流供給技術の課題が説明される。交流電流がバッテリに供給される時、バッテリは充電及び放電を繰り返す。その結果、バッテリに交流電流を供給するために、バッテリはキャパシタと充放電電力を交換する必要がある。しかし、大きな交流電流を高電圧バッテリに供給する時、このキャパシタは高価となってしまう。
【0010】
冬期において交流電流によりEV用バッテリを急速に加温するケースが説明される。冷たいバッテリの加温を短時間で完了するために、大きな交流電流がバッテリに供給されねばならない。たとえば、０．１オームの内部抵抗値をもつバッテリに１００Aの交流電流が供給される時、バッテリは１ｋWの抵抗損失を発生することができる。
【0011】
しかし、バッテリ電圧が４００Vである時、バッテリの充放電電力は４０KWとなる。言い換えると、１ｋWの内部抵抗損失をバッテリ内に発生するために、バッテリは４０ｋWの電力の放出動作及び吸収動作を繰り返す必要がある。このような大きな充放電電力エネルギーを蓄積する大型かつ高価なキャパシタの採用は、電気自動車において困難である。
【0012】
たとえば、図１に示される特許文献２において、キャパシタ２０２－２０３は、バッテリ１００と逆の充放電動作を行って、バッテリ１００の充放電電力を吸収する。
【0013】
しかし、キャパシタ２０２－２０３の静電容量が小さい時、オシレータが出力する交流電圧のほとんどはキャパシタ２０２－２０３の電圧変化により消費されてしまうため、低い抵抗値をもつ内部抵抗１０１は、十分な抵抗損失を発生することができない。大きな静電容量と大きな耐圧とをもつキャパシタ２０２－２０３は、経済的に採用が困難である。
【発明の概要】
【0014】
本発明は、バッテリの内部状態改善のための簡素なバッテリ用交流電流供給回路を提供することをその目的としている。
【0015】
本発明の第１及び第２の様相によれば、降圧トランスの二次コイルがバッテリと蓄電素子とを接続する。二次コイルに誘導される二次交流電圧は、バッテリを充放電する。蓄電素子はバッテリと逆の動作を行う。これにより、バッテリの内部状態を改善することができる。
【0016】
さらに、本発明の第１の様相によれば、バッテリは、共通の電気負荷に接続される２つのバッテリユニットを含む。各バッテリユニットはそれぞれ、直列接続された多数の二次電池セルを含む。２つのバッテリユニットは降圧トランスの二次コイルを通じて互いに接続される。二次交流電圧が降圧トランスの二次コイルに誘導される時、２つのバッテリユニットは互いに逆位相で充放電を繰り返す。その結果、バッテリの充放電電力を一時的に保持するための蓄電素子を省略することができる。言い換えれば、２つのバッテリユニットの一方は他方のための蓄電素子として機能する。
【0017】
好適な態様において、降圧トランスの二次コイルは中間端子をもち、電気負荷はこの中間端子に接続される。言い換えれば、２つのバッテリユニットは、直列接続された２つの二次コイルを個別に通じて接続される。これにより、二次コイルが電気負荷に与える影響を低減することができる。
【0018】
好適な態様において、２つのバッテリユニットはそれぞれ、中間端子をもつ。降圧トランスの二次コイルは、２つのバッテリユニットの中間端子を接続する。これにより、バッテリから電気負荷へ供給される直流電流は二次コイルを経由せずに流れることができる。
【0019】
本発明の第２の様相によれば、平滑キャパシタが、蓄電素子として採用される。インバータや昇圧チョッハ゛のようなパワースイッチング回路の一対の直流電源端子に接続される平滑キャパシタは、パワースイッチング回路のスイッチングノイズを吸収する。これにより、蓄電素子の新たな追加が不要となり、回路コストが低減される。
【0020】
好適な態様において、降圧トランスの二次コイルは、バッテリの中間端子と平滑キャパシタの中間端子とを接続する。これにより、バッテリから電気負荷へ供給される直流電流は二次コイルを経由せずに流れることができる。
【0021】
本発明の好適な態様において、降圧トランスは、バッテリが低温である時、バッテリに交流電流を供給する。これにより、バッテリは加温される。けれども、バッテリ温度が低い時、バッテリの充放電能力が低下することが知られている。したがって、交流電流の振幅値はバッテリ温度に基づいて調節されることが好ましい。たとえば、バッテリ温度が低い時、バッテリに印加される二次交流電圧は低減される。これにより、低温のバッテリの充放電電力による悪影響を回避することができる。
【0022】
本発明の好適な態様において、デンドライトの先端部とバッテリの正極との間に存在する比較的高抵抗の境界領域を流れる電流成分が、バッテリに印加される交流電圧により増加される。この電流成分は、疑似短絡電流と呼ばれる。その結果、デンドライトの細い先端部がこの疑似短絡電流成分により焼失するため、バッテリのデンドライトによる短絡事故を回避することができる。
【0023】
好適には、降圧トランスの二次交流電圧は短パルス波形である。これにより、疑似短絡電流の望ましくない持続を防止することができる。交流電圧の重畳によるこの意図的なデンドライト先端部の除去は、バッテリの充電期間の初期に実施されることが好適である。好適には、降圧トランスがバッテリに二次交流電圧を印加する時、降圧トランスの一次コイルを流れる一次交流電流が計測される。これにより、一次交流電圧及び一次交流電流に基づいて検出されたバッテリ内部抵抗の低下により、デンドライトの成長の程度を推測することができる。
【0024】
好適には、この内部抵抗の検出された低下が所定値を超える時、降圧トランスは、バッテリに高い二次交流電圧を印加する。これにより、デンドライトによる短絡発生の直前にデンドライト先端部の意図的な除去を実現することができる。好適には、一次交流電圧を一次コイルに印加することにより判定したバッテリ抵抗の低下状態により、デンドライトの成長レベルが判定される。この一次交流電圧はデンドライト判定用の電圧値をもつ。さらに、デンドライトの成長レベルが深刻であると推定した時、もう一つの一次交流電圧が一次コイルに印加される。このもう一つの一次交流電圧は、デンドライト判定用の電圧値よりも高い短絡防止用の電圧値をもつ。これにより、デンドライトの成長による短絡事故を防止することができる。
【0025】
好適な態様において、降圧トランスがバッテリに印加する交流電圧は、交互に繰り返される正パルス電圧及び負パルス電圧からなる。正パルス電圧はバッテリを放電し、負パルス電圧はバッテリを充電する。さらに、正パルス電圧は、負パルス電圧よりも高い振幅値と、より短い持続時間とをもつ。これにより、バッテリ内のデンドライトの成長を抑制することができる。
【0026】
好適な態様において、降圧トランスは複数の一次コイルをもち、オシレータは、多数のハーフブリッジからなる。各ハーフブリッジは、一次コイルの各端部に別々に接続される。これにより、降圧トランスは、多数の降圧比をもつことができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【発明を実施するための形態】
【0028】
第１実施例
第１実施例が図１を参照して説明される。内部抵抗１ｒをもつバッテリ１の正極端子は、降圧トランス３の二次コイル３２を通じて３相インバータ４の高電位側の直流電源端子４１に接続されている。バッテリ１の負極端子は、３相インバータ４の低電位側の直流電源端子４２に接続されている。平滑キャパシタ５が、３相インバータ４の一対の直流電源端子４１及び４２に接続されている。降圧トランス３の二次コイル３２は、一次コイル３１と磁気結合している。たとえば、一次コイル３１は二次コイル３２の２５倍の巻数値をもつ。一次コイル３１に交流電圧を印加するオシレータ６はコントローラ７により制御される。バッテリ１はオシレータ６に直流電力を供給している。
第１実施例が図１を参照して説明される。内部抵抗１ｒをもつバッテリ１の正極端子は、降圧トランス３の二次コイル３２を通じて３相インバータ４の高電位側の直流電源端子４１に接続されている。バッテリ１の負極端子は、３相インバータ４の低電位側の直流電源端子４２に接続されている。平滑キャパシタ５が、３相インバータ４の一対の直流電源端子４１及び４２に接続されている。降圧トランス３の二次コイル３２は、一次コイル３１と磁気結合している。たとえば、一次コイル３１は二次コイル３２の２５倍の巻数値をもつ。一次コイル３１に交流電圧を印加するオシレータ６はコントローラ７により制御される。バッテリ１はオシレータ６に直流電力を供給している。
【0029】
コントローラ７がオシレータ６に発振動作を指令する時、オシレータ６は一次コイル３１に一次交流電圧を印加する。これにより、二次コイル３２、平滑キャパシタ５、及びバッテリ１からなる電流循環回路に交流電流Iacが流れ、バッテリ１の内部抵抗１ｒは抵抗損失を発生する。この実施例によれば、オシレータ６が降圧トランス３の一次コイル３１に交流電圧を印加する時、交流電流Iacがバッテリ１に流れる。その結果、バッテリ１が充放電される。バッテリ１及び平滑キャパシタ５の間を繰り返し往復するこの充放電電力は、バッテリ電圧Vｂと交流電流Iacとの積に等しい。したがって、バッテリ１の電圧Vｂ及び交流電流Iacがそれぞれ高い時、この充放電電力は非常に増大する。
【0030】
一般に、平滑キャパシタ５は、高い耐圧と大きな静電容量をもつ。このため、平滑キャパシタ５は、上記充放電電力のエネルギーを良好に蓄積することができる。さらに、降圧トランス３の二次コイル３２は、３相インバータ４からバッテリ１へのスイッチングノイズの侵入を阻止する。
【0031】
第２実施例
第２実施例が図３を参照して説明される。この実施例によれば、バッテリ１は、直列接続されたサブバッテリ１１及び１２からなる。同様に、平滑キャパシタ５は、直列接続されたサブキャパシタ５１及び５２からなる。それぞれほぼ等しい電圧をもつサブバッテリ１１及び１２の接続点１３は、バッテリ１の中間端子と呼ばれる。同様に、それぞれほぼ等しい静電容量をもつサブキャパシタ５１及び５２の接続点５３は、平滑キャパシタ５の中間端子と呼ばれる。２つの中間端子１３及び５３は、降圧トランス３の二次コイル３２により接続されている。バッテリ１は、並列接続された３相インバータ４及び平滑キャパシタ５にバッテリ電圧を印加している。
第２実施例が図３を参照して説明される。この実施例によれば、バッテリ１は、直列接続されたサブバッテリ１１及び１２からなる。同様に、平滑キャパシタ５は、直列接続されたサブキャパシタ５１及び５２からなる。それぞれほぼ等しい電圧をもつサブバッテリ１１及び１２の接続点１３は、バッテリ１の中間端子と呼ばれる。同様に、それぞれほぼ等しい静電容量をもつサブキャパシタ５１及び５２の接続点５３は、平滑キャパシタ５の中間端子と呼ばれる。２つの中間端子１３及び５３は、降圧トランス３の二次コイル３２により接続されている。バッテリ１は、並列接続された３相インバータ４及び平滑キャパシタ５にバッテリ電圧を印加している。
【0032】
この実施例の回路動作が説明される。この動作は実施例１と本質的に同じである。しかし、この実施例によれば、降圧トランス３の二次コイル３２は、バッテリ１の中間端子１３と平滑キャパシタ５の中間端子５３との間に二次交流電圧を印加する。その結果、交流電流は２つの閉回路（電流ループ）を通じて循環する。第１の電流ループは、サブバッテリ１１、サブキャパシタ５１、及び二次コイル３２からなる。第２の電流ループは、サブバッテリ１２、サブキャパシタ５２、及び二次コイル３２からなる。
【0033】
中間端子１３が中間端子５３よりも高い電位をもつ期間において、サブバッテリ１１及びサブキャパシタ５２は放電され、サブバッテリ１２及びサブキャパシタ５１は充電される。中間端子１３が中間端子５３よりも低い電位をもつ期間において、サブバッテリ１１及びサブキャパシタ５２は充電され、サブバッテリ１２及びサブキャパシタ５１は放電される。
【0034】
これにより、この実施例の回路は蓄電デバイスの追加を必要としない。さらに、この実施例によれば、バッテリ１は、降圧トランス３の二次コイル３２を介すること無しに３相インバータ４に直流電流を供給することができる。このため、二次コイル３２による抵抗損失を低減することができる。さらに、３相インバータ４のスイッチングノイズは降圧トランス３に印加されない。
【0035】
第３実施例
第３実施例が図４を参照して説明される。この実施例によれば、降圧トランス３は、それぞれ一次コイル３１と磁気結合する２つの二次コイル３３及び３４をもつ。二次コイル３３及び３４は互いに同じ向きに巻かれている。これは、降圧トランス３の二次コイルが中間端子３５をもつことと同じである。
第３実施例が図４を参照して説明される。この実施例によれば、降圧トランス３は、それぞれ一次コイル３１と磁気結合する２つの二次コイル３３及び３４をもつ。二次コイル３３及び３４は互いに同じ向きに巻かれている。これは、降圧トランス３の二次コイルが中間端子３５をもつことと同じである。
【0036】
バッテリ１は、二次コイル３３を通じて３相インバータ４及び平滑キャパシタ５に接続されている。この実施例はさらに、第２のバッテリ８を採用する。バッテリ１及び８はそれぞれ、バッテリユニットと呼ばれることができる。バッテリ８は、二次コイル３４を通じて３相インバータ４及び平滑キャパシタ５に接続されている。この実施例のバッテリは、本質的に並列接続された２つのバッテリ１及び８からなる。２つの二次コイル３３及び３４の中間端子３５は、図４に示されるように３相インバータ４の高電位直流端子に接続されている。
【0037】
図５に示されるオシレータ６は、２つのレグをもつHブリッジからなる。レグは良く知られているハーフブリッジである。レグ６１は、相補的に動作する上アームスイッチ６３及び下アームスイッチ６４からなる。レグ６２は、相補的に動作する上アームスイッチ６５及び下アームスイッチ６６からなる。オシレータ６は、降圧トランス３の一次コイル３１に要求された波形をもつ一次交流電流を供給し、２つの二次コイル３３及び３４は、それぞれ二次交流電圧Vacを同じ向きに発生する。
【0038】
この実施例の回路動作が図６を参照して説明される。二次コイル３３及び３４はそれぞれ、互いに等しい電圧値をもつ二次交流電圧Vacを発生する。バッテリ１及びバッテリ８はそれぞれ等しいバッテリ電圧Vｂをもつ。バッテリ１の内部抵抗１ｒ及びバッテリ８の内部抵抗８ｒはそれぞれ同じ抵抗値をもつ。バッテリ１は二次コイル３３を通じて３相インバータ４に直流電流I1を供給し、バッテリ８は二次コイル３４を通じて３相インバータ４に直流電流I２を供給する。
【0039】
２つの二次コイル３３及び３４は、２つのバッテリ１及び８を通じて循環する交流電流成分Iacを発生する。二次コイル３３が３相インバータ４に供給する交流電流成分は、二次コイル３４が３相インバータ４に供給する交流電流成分と相殺される。内部抵抗１ｒ及び８ｒの電圧降下はそれぞれ、二次コイル３３及び３４の交流電圧値Vacに等しくなる。
【0040】
結局、３相インバータ４のような電気負荷は、二次コイル３３及び３４に誘導される二次交流電圧Vacにより影響を受けない。換言すれば、オシレータ６から降圧トランス３に供給された交流電力は、３相インバータ４のような電気負荷により消費されない。
【0041】
さらに、二次コイル３３及び３４が３相インバータ４のスイッチングノイズ電圧がバッテリ１に侵入するのを抑制するため、バッテリ１及び８の無駄な抵抗損失を低減することができる。
【0042】
第４実施例
第４実施例が図７を参照して説明される。この実施例によれば、互いに並列接続された２つのバッテリ１及び８が、３相インバータのような電気負荷（図示せず）に接続される。バッテリ１及び８はそれぞれ、バッテリユニットと呼ばれることができる。バッテリ１は、直列接続されたサブバッテリ１１及び１２からなる。同様に、バッテリ８は、直列接続されたサブバッテリ８１及び８２からなる。それぞれほぼ等しい電圧をもつサブバッテリ１１及び１２の接続点１３は、バッテリ１の中間端子と呼ばれる。同様に、それぞれほぼ等しい電圧をもつサブバッテリ８１及び８２の接続点８３は、バッテリ８の中間端子と呼ばれる。２つの中間端子１３及び８３は、降圧トランス３の二次コイル３２により接続されている。
第４実施例が図７を参照して説明される。この実施例によれば、互いに並列接続された２つのバッテリ１及び８が、３相インバータのような電気負荷（図示せず）に接続される。バッテリ１及び８はそれぞれ、バッテリユニットと呼ばれることができる。バッテリ１は、直列接続されたサブバッテリ１１及び１２からなる。同様に、バッテリ８は、直列接続されたサブバッテリ８１及び８２からなる。それぞれほぼ等しい電圧をもつサブバッテリ１１及び１２の接続点１３は、バッテリ１の中間端子と呼ばれる。同様に、それぞれほぼ等しい電圧をもつサブバッテリ８１及び８２の接続点８３は、バッテリ８の中間端子と呼ばれる。２つの中間端子１３及び８３は、降圧トランス３の二次コイル３２により接続されている。
【0043】
この実施例の回路動作が説明される。この動作は実施例２と本質的に同じである。しかし、この実施例によれば、降圧トランス３の二次コイル３２は、バッテリ１の中間端子１３とバッテリ８５の中間端子８３との間に二次交流電圧を印加する。その結果、交流電流は２つの閉回路（電流ループ）を通じて循環する。第１の電流ループは、サブバッテリ１１、サブバッテリ８１、及び二次コイル３２からなる。第２の電流ループは、サブバッテリ１２、サブバッテリ８２、及び二次コイル３２からなる。
【0044】
中間端子１３が中間端子８３よりも高い電位をもつ期間において、サブバッテリ１１及び８２は放電され、サブバッテリ１２及び８１は充電される。中間端子１３が中間端子８３よりも低い電位をもつ期間において、サブバッテリ１１及び８２は充電され、サブバッテリ１２及び８１は放電される。
【0045】
これにより、この実施例は、蓄電デバイスの追加を必要としない。さらに、この実施例によれば、バッテリ１及び８は、降圧トランス３の二次コイル３２を介すること無しに電気負荷に直流電流を供給することができる。このため、二次コイル３２による抵抗損失を低減することができる。さらに、３相インバータのような電気負荷のスイッチングノイズは降圧トランス３に印加されない。
【0046】
第５実施例
既述された各実施例において、バッテリに印加される交流電圧の振幅値を変更することが好ましい。さらに、バッテリに印加される交流電圧の正半波成分及び負半波成分が互いに異なる電圧値をもつことも好適である。たとえば、バッテリの放電側のパルス電圧が、充電側のパルス電圧よりも高い電圧値と短い持続期間とをもつケースは、デンドライト抑制に有利である。この実施例によれば、バッテリに印加される交流電圧の振幅を変更可能なシンプルなバッテリ用交流電流供給回路が開示される。
既述された各実施例において、バッテリに印加される交流電圧の振幅値を変更することが好ましい。さらに、バッテリに印加される交流電圧の正半波成分及び負半波成分が互いに異なる電圧値をもつことも好適である。たとえば、バッテリの放電側のパルス電圧が、充電側のパルス電圧よりも高い電圧値と短い持続期間とをもつケースは、デンドライト抑制に有利である。この実施例によれば、バッテリに印加される交流電圧の振幅を変更可能なシンプルなバッテリ用交流電流供給回路が開示される。
【0047】
図８は、この実施例を示す回路図である。この回路は、降圧トランス３及びオシレータ６からなる。オシレータ６は、それぞれハーフブリッジからなる３つのレグ６１、６２、及び６７からなる。降圧トランス３は、直列に接続され、互いに同じ方向に巻かれた２つの一次コイル３１A及び３１Bをもつ。一次コイル３１Aは巻数N1をもち、一次コイル３１Bは巻数N２をもつ。降圧トランス３の二次コイルは、他の実施例と同じである。レグ６１は、直列接続された上アームスイッチ６３及び下アームスイッチ６４からなる。レグ６２は、直列接続された上アームスイッチ６５及び下アームスイッチ６６からなる。レグ６７は、直列接続された上アームスイッチ６８及び下アームスイッチ６９からなる。
【0048】
レグ６１の出力端子は一次コイル３１Aの一端に接続されている。レグ６２の出力端子は一次コイル３１Bの一端に接続されている。レグ６７の出力端子は２つの一次コイル３１A及び３１Bからなるの各他端に接続されている。
【0049】
この出力電圧可変タイプの交流電流供給回路の動作が説明される。この実施例によれば、降圧トランス３の降圧比を選択することにより、降圧トランス３がバッテリに印加する二次交流電圧の振幅値を変更する。第１モードにおいて、レグ６１及び６２からなるHブリッジが運転され、レグ６７が休止される。これにより、降圧トランス３の一次コイル３１は、巻数値N1と巻数値N２との和に等しい巻数値をもつ。その結果、降圧トランス３は、最も高い降圧比をもつ。
【0050】
第２モードにおいて、レグ６１及び６７からなるHブリッジが運転され、レグ６２が休止される。これにより、降圧トランス３の一次コイル３１は巻数値N1をもち、第１モードよりも低い降圧比をもつ。同様に、第３モードにおいて、レグ６７及び６２からなるHブリッジが運転され、レグ６１が休止される。これにより、降圧トランス３の一次コイル３１は巻数値N２をもち、第１モードよりも低い降圧比をもつ。
【0051】
第４モードにおいて、レグ６１及び６２が同じタイミングでスイッチングされ、レグ６７がレグ６１及び６２と相補的にスイッチングされる。その結果、一次コイル３１Aを流れる一次交流電流は、一次コイル３１Bを流れる一次交流電流と逆向きに流れる。その結果、降圧トランス３は、巻数値N1と巻数値N2との差値に等しい巻数値をもつ。結局、降圧トランス３の一次コイル３１は、第１モードよりも低い降圧比をもつ。降圧トランス３は、巻数値N1及びN2を適宜選択することにより、４種類の降圧比を簡素な回路構成により実現することができる。
【0052】
一例において、巻数N1は６０ターンであり、巻数N２は４０ターンである。これにより、降圧トランス３の一次コイルは等価的に１００ターン、６０ターン、４０ターン、及び２０ターンのうちからその一つを選択することができる。その結果、降圧トランス３の降圧比を大幅に変更することができる。
【0053】
第６実施例
既述された各実施例を用いるデンドライト抑制技術が図９-図１１を参照して説明される。図９は、バッテリ１の一つの二次電池セルにおいて、デンドライトが正極近傍まで到達した状態を示す模式断面図である。この二次電池セルは、負極集電体９１、負極９２、セパレータ９４、正極９６、正極集電体９７をもち、電解液が負極９２と正極９６との間に充填されている。その結果、負極９２とセパレータ９４との間の隙間９３に電解液が充填されている。同様に、正極９６とセパレータ９４との間の隙間９５に電解液が充填されている。図９において、負極９２から成長したデンドライト９の先端部９８は、隙間９５内にて狭い隙間９９を挟んで正極９６と対面している。
既述された各実施例を用いるデンドライト抑制技術が図９-図１１を参照して説明される。図９は、バッテリ１の一つの二次電池セルにおいて、デンドライトが正極近傍まで到達した状態を示す模式断面図である。この二次電池セルは、負極集電体９１、負極９２、セパレータ９４、正極９６、正極集電体９７をもち、電解液が負極９２と正極９６との間に充填されている。その結果、負極９２とセパレータ９４との間の隙間９３に電解液が充填されている。同様に、正極９６とセパレータ９４との間の隙間９５に電解液が充填されている。図９において、負極９２から成長したデンドライト９の先端部９８は、隙間９５内にて狭い隙間９９を挟んで正極９６と対面している。
【0054】
図１０は、バッテリ１の充電中においてバッテリ１に交流電圧Vacを印加するケースを示す模式等価回路図である。説明を簡単とするために、バッテリ１は一つの二次電池セルからなることが仮定される。
【0055】
したがって、直流充電電圧Vcと交流電圧Vacとの合計がバッテリ１に印加される。デンドライト９が存在しない時、バッテリ１の内部抵抗１ｒは、正極抵抗Rpと、電解液抵抗Reと、負極抵抗Rnとの合計となる。正極抵抗Rpは、正極９６の電気抵抗と正極集電体９７の電気抵抗との合計となる。負極抵抗Rｎは、負極９２の電気抵抗と負極集電体９１の電気抵抗との合計となる。
【0056】
デンドライト９が存在する時、デンドライト９の電気抵抗と隙間９９の電気抵抗との合計に等しいデンドライト抵抗Rdが電解液抵抗Reと並列に接続される。デンドライト９は導体であるため、デンドライト抵抗Rdはほぼ隙間９９の電気抵抗に等しくなる。図９に示されるようにデンドライト９の先端部９８が正極９６の近傍まで成長した状態において、デンドライト抵抗Rｄは無視できない低値となる。その結果、バッテリ１の内部抵抗１ｒの抵抗値は、デンドライト９無しの各抵抗値（Rp、Re、及びRn）の和よりも低くなる。
【0057】
したがって、内部抵抗１ｒの予め記憶している初期抵抗値と現在の抵抗値との比較により、デンドライト抵抗Rdを推定することができる。図１０において、インダクタンス成分及び静電容量成分は説明を簡単とするために無視されている。降圧トランス３は、内部抵抗１ｒの抵抗値を検出するのに有効である。
【0058】
次に、バッテリ１の内部抵抗値が所定しきい値未満となる時、デンドライト９が正極９６にもうすぐに達すると推定することができる。この実施例では、この推定に基づいて、降圧トランス３は比較的高い交流電圧Vacをバッテリ１に印加する。
【0059】
デンドライト９の電圧降下が無視できるため、非常に狭い隙間９９に充電電圧Vcと交流電圧Vacとの合計が印加される。これにより、大きなデンドライト電流が正極９６からデンドライト９の先端部９８に流れる。このデンドライト電流は、疑似短絡電流と呼ばれる。その結果、細い先端部９８は抵抗損失により溶解して消える。デンドライト抵抗Rdは、リークタッチ現象と呼ばれるこの現象が生じた直後に再び高くなる。短絡事故は、このリークタッチ現象の直後の一定期間は防止される。
【0060】
抵抗成分の変化の代わりに、バッテリ１のインダクタンス成分の変化に基づいて、デンドライトの成長を判定してもよい。デンドライトは一種の導線であるため、そのインダクタンス成分の増加はデンドライトの成長を意味する。
【0061】
図１１は、コントローラ７により意図的に実施されるリークタッチ現象の制御を説明するためのフローチャートである。まず、ステップS100にて、バッテリ１に交流電圧Vacが印加され、交流電流Iacが検出される。次のステップS１０２にて、内部抵抗１Rの抵抗値が算出される。次に、この抵抗値の低下量がしきい値を超えたか否かが判定される（ステップS１０４）。この抵抗値の低下量がしきい値を超える時、好適な高値が、バッテリ１に印加される交流電圧Vacとして選択される（ステップS１０６）。
【0062】
次に、選択した交流電圧Vacをバッテリ１に印加し、上記リークタッチ現象を発生させる（S１０８）。これにより、バッテリ１の充電中にデンドライト９を通じて大きな短絡電流が流れる事故を回避することができる。
【0063】
このリークタッチ現象は、バッテリ１の充電期間中以外の期間に意図的な発生されることができる。バッテリ１に印加される交流電圧Vac は交互に繰り返される正負の矩形波形状のパルス電圧からなることが好適である。図８に示される回路を用いることにより、正のパルス電圧は、負のパルス電圧と異なる振幅値をもつことができる。
【0064】
第７実施例
既述された各実施例を用いるもう一つのデンドライト抑制技術が図１２を参照して説明される。図１２は、バッテリ１に印加される交流電圧Vac及びバッテリ１に供給される交流電流Iacを示す。交流電圧Vacは、交互に繰り返される正パルス電圧Vp及び負パルス電圧Vnからなる。
既述された各実施例を用いるもう一つのデンドライト抑制技術が図１２を参照して説明される。図１２は、バッテリ１に印加される交流電圧Vac及びバッテリ１に供給される交流電流Iacを示す。交流電圧Vacは、交互に繰り返される正パルス電圧Vp及び負パルス電圧Vnからなる。
【0065】
この実施例によれば、正パルス電流Ipはバッテリ１の放電電流成分からなり、負パルス電流Iｎはバッテリ１の充電電流成分からなる。正パルス電流Ipの積分値は負パルス電流Inの積分値に等しい。正パルス電圧Vpは、負パルス電圧Vnよりも高い振幅値と、負パルス電圧Vnよりも短い持続時間をもつ。たとえば、正パルス電圧Vpは、負パルス電圧Vnの約４倍の振幅値と、負パルス電圧Vnの約２５％の持続時間をもつ。
【0066】
これにより、バッテリ１のデンドライト成長を抑制することができることがわかった。充電電流の積分値が等しい時、高い振幅値及び短い持続時間をもつ充電電流は、低い振幅値及び長い持続時間をもつ充電電流と比べて、デンドライトがより成長することがわかった。さらに、放電電流の積分値が等しい時、高い振幅値及び短い持続時間をもつ放電電流は、低い振幅値及び長い持続時間をもつ放電電流と比べて、デンドライトがより溶解することがわかった。
【0067】
したがって、低い振幅値及び長い持続時間をもつ充電電流波形と、高い振幅値及び短い持続時間をもつ放電電流波形からなる交流電流を供給することにより、バッテリ内のデンドライト成長を抑制できる。
【0068】
このデンドライト抑制法において、放電電流の積分値と充電電流の積分値がほぼ等しいため、バッテリのSOC値はほぼ一定となる。具体的な２つの制御例がさらに説明される。
【0069】
第１の制御例によれば、オシレータ６として、図５に示されるフルブリッジが採用される。Hブリッジとも呼ばれるこのフルブリッジは、２つのレグ６１及び６２からなる。
【0070】
正パルス電圧Vpが一次コイル３１に印加される時、上アームスイッチ６３がオンされ、上アームスイッチ６５及び下アームスイッチ６４はオフされる。下アームスイッチ６６は所定のキャリヤ周波数でPWMスイッチングされる。これにより、下アームスイッチ６６のPWMテ゛ューティ比に比例する平均電圧に等しい振幅値をもつ正パルス電圧Vpが一次コイル３１に印加される。
【0071】
同様に、負パルス電圧Vnが一次コイル３１に印加される時、上アームスイッチ６５がオンされ、上アームスイッチ６３及び下アームスイッチ６６はオフされる。下アームスイッチ６４は所定のキャリヤ周波数でPWMスイッチングされる。これにより、下アームスイッチ６４のPWMテ゛ューティ比に比例する平均電圧に等しい振幅値をもつ負パルス電圧Vnが一次コイル３１に印加される。
【0072】
第２の制御例によれば、オシレータ６として、図８に示されるオシレータ６が採用される。負パルス電圧Vｎが一次コイル３１に印加される時、レグ６１及び６２からなるHブリッジが運転される。これにより、一次コイル３１の巻数値は、N1+N２となる。たとえば、巻数値N1が６０、巻数値N2が４０である時、一次コイル３１の巻数値は１００となるため、降圧トランス３は高い降圧比をもつ。その結果、充電パルス電圧Vｎは低くなる。
【0073】
正パルス電圧Vpが一次コイル３１に印加される時、レグ６１及び６７からなる第１のHブリッジと、レグ６２及び６７からなる第２のHブリッジが使用される。レグ６１および６２は同じ動作を実施し、レグ６７はレグ６１および６２と反対の動作を実施する。これにより、一次コイル３１の等価的な巻数値は、N1-N２となる。たとえば、巻数値N1が６０、巻数値N2が４０である時、一次コイル３１の巻数値は等価的に２０となるため、降圧トランス３は低い降圧比をもつ。その結果、放電パルス電圧Vｐは高くなる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】