特許 7496189 バッテリ内蔵直流電源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-29

(45)【発行日】2024-06-06

(54)【発明の名称】バッテリ内蔵直流電源

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240530BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240530BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240530BHJP

   H01M 10/615 20140101ALI20240530BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302A

H01M10/44 P

H01M10/48 P

H01M10/615

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2024035866

(22)【出願日】2024-03-08

【審査請求日】2024-03-10

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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

【審査官】辻丸 詔

(56)【参考文献】

【文献】特許第７３０１２０８（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】米国特許第０６０２０７３２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０９－２９４０２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｍ １０／４４

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０１Ｍ １０／６１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列接続された多数のセルをもつバッテリと、
前記バッテリと直列接続される二次コイルをもつ降圧トランスと、
前記バッテリ及び前記二次コイルとともに電流循環回路を形成する蓄電素子と、
前記降圧トランスの一次コイルに一次電流を供給するオシレータと、
前記一次電流を制御するために前記オシレータを制御するコントローラと、
を備えるバッテリ内蔵ＤＣ電源において、
前記コントローラは、前記バッテリから前記二次コイルを通じて外部負荷に供給される負荷電流により前記降圧トランスの磁気コアに形成されるＤＣ磁束を低減するために、前記一次電流を制御することを特徴とするバッテリ内蔵ＤＣ電源。

【請求項2】

前記降圧トランスは、互いに等しい巻数をもつ２つの二次コイルを有し、
前記バッテリ及び前記蓄電素子は、直列接続された多数のセルをもつ第１バッテリパック及び第２バッテリパックからなり、
前記第１バッテリパックは、前記２つの二次コイルの一つを通じて外部負荷に接続され、
前記第２バッテリパックは、前記２つの二次コイルのもう一つを通じて前記外部負荷に接続され、
前記２つの二次コイルに誘導される２つの二次電圧は、前記電流循環回路において同じ方向をもつ請求項１記載のバッテリ内蔵ＤＣ電源。

【請求項3】

前記バッテリは、前記二次コイル及びコンタクタを通じて外部負荷に負荷電流を供給し、
前記コントローラは、前記コンタクタが開かれる過渡期間に前記一次コイルにパルス電圧を印加することにより、前記負荷電流を低減する請求項１記載のバッテリ内蔵ＤＣ電源。

【発明の詳細な説明】

【関連技術の参照】

【0001】

本出願人により保有されている日本特許番号７３０１２０８及び７３５７１７５はこの出願に関連する先行特許である。それらの全内容は参照により取り入れられる。

【技術分野】

【0002】

本発明は、バッテリ内蔵直流電源に関し、特に推進モータにＤＣ電力を供給するバッテリ内蔵直流電源に関する。

【背景技術】

【0003】

電気自動車は、リチウムイオンバッテリのような二次電池を内蔵する直流電源をもつ。このバッテリにAC電流を供給するAC内部加熱回路が知られている。AC電流が供給される時、バッテリはそのオーム損失により加熱される。

【0004】

図１は、従来のAC内部加熱回路の一例を示す。この回路は、変圧器T、スイッチS、及びダイオードDをもつ。変圧器Tは一次コイルW1及び二次コイルW2をもつ。一次コイルW1、スイッチS、及びバッテリEの抵抗Rは放電用閉ループ回路を形成している。さらに、ダイオードD、二次コイルW２、及びバッテリEの抵抗Rは充電用閉ループ回路を形成している。スイッチSがオンされる時、放電電流Idが放電用閉ループ回路を流れる。スイッチSがオフされる時、充電電流Icが充電用閉ループ回路を流れる。

【0005】

特許文献１及び２は、バッテリ、蓄電素子、及び降圧トランスの二次コイルにより形成された電流循環回路を開示する。一次AC電流が降圧トランスの一次コイルに供給される時、二次AC電流がこの循環回路を循環する。その結果、バッテリはコンパクトな降圧トランスにより加熱されることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】日本特許７３０１２０８号

【文献】日本特許７３５７１７５号

【発明の概要】

【0007】

本発明の目的は、優れた信頼性をもつバッテリ内蔵ＤＣ電源を提供することである。好ましくは、このバッテリ内蔵ＤＣ電源は電気ビークルに適用される。本発明の電気ビークルは、トラクションモータをもつ車両に加えて、推進モータをもつ船、潜水艦、飛行機、及びドローンなどを含む。

【0008】

本発明のバッテリ内蔵ＤＣ電源は、バッテリ、蓄電素子、及び降圧トランスの二次コイルにより形成された電流循環回路をもつ。蓄電素子は、バッテリ又は平滑キャパシタにより構成される。オシレータから降圧トランスの一次コイルに一次AC電流が供給される時、二次AC電流がこの電流循環回路を循環する。さらに、バッテリは降圧トランスの二次コイルを通じて電気負荷に負荷電流を供給する。

【0009】

本発明の第１の様相において、負荷電流が降圧トランスの磁気コア内に形成するＤＣ磁束を低減するために、降圧トランスの一次コイルにＤＣ磁束低減電流が供給される。これにより、コンパクトな磁気コアを採用することができる。

【0010】

本発明の第２の様相において、降圧トランスの二次コイルは、交互に繰り返される正パルス電圧及び負パルス電圧をバッテリの各セルに印加する。さらに、正パルス電圧及び負パルス電圧の差と、バッテリ電流とに基づいて、各セルの内部抵抗に関連する電気パラメータが検出される。これにより、各セルの内部抵抗に関連する電気パラメータを正確に検出することができる。

【0011】

本発明の第３の様相において、降圧トランスは２つの二次コイル及び２つのバッテリパックをもつ。２つの二次コイル及び２つのバッテリパックは電流循環回路を形成する。第１バッテリパックは第１二次コイルを通じて外部負荷に接続され、第２バッテリパックは第２二次コイルを通じて外部負荷に接続される。等しい巻数をもつ２つの二次コイルにより誘導される２つの二次電圧は、電流循環回路において同じ方向をもつ。２つのバッテリパックの一方が放電される時、他方は充電される。言い換えれば、循環電流により一つのバッテリパックから放電されたバッテリ電力は、もう一つのバッテリパックにより一時的に蓄えられる。したがって、降圧トランスの一次コイルに接続されるオシレータは、２つのバッテリパックの内部抵抗による交流電力損失に相当する電力だけを一次コイルに供給すればよい。

【0012】

好適態様において、電流循環回路は、第１コンタクタ及び第２コンタクタをもつ。第１コンタクタは、第１バッテリパック及び第１二次コイルと直列接続される。第２コンタクタは、第２バッテリパック及び第２二次コイルと直列接続される。これにより、２つのバッテリパックの一方が不良となっても、外部負荷に負荷電流を供給することができる。

【0013】

好適態様において、電流循環回路はコンタクタを含む。コンタクタが開かれる過渡期間に、降圧トランスは、二次コイルを流れる負荷電流を低減するための二次電圧を発生する。これにより、コンタクタの火花を減らすことができる。

【0014】

好適態様において、コントローラは、循環電流により低温のバッテリパックを加熱するためのバッテリ加熱モードをもつ。このバッテリ加熱モードは、バッテリの放電動作又は充電動作とともに実施されることができる。

【0015】

好適態様において、コンタクタは、直列接続されたキャパシタ及びダイオードを含むバイパス回路と並列接続される。このダイオードは、コンタクタが開かれる時にコンタクタのサージ電流によるキャパシタの充電を許可する。したがって、このダイオードは、コンタクタがオフされる時に発生するコンタクタのサージ電流をバイパスする。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、交流電流が変圧器とバッテリとの間を流れる従来のバッテリ加熱回路を示す回路図である。

【図2】実施例のバッテリ内蔵ＤＣ電源を示す回路図である。

【図3】図３は、バッテリパックの接続切替を示すフローチャートである。

【図4】図４は、交流電流循環回路を循環する二次電流の正成分を示す模式回路図である。

【図5】図５は、交流電流循環回路を循環する二次電流の負成分を示す模式回路図である。

【図6】図６は、第１コンタクタのアークを低減するための二次電流を示す模式回路図である。

【図7】図７は、第２コンタクタのアークを低減するための二次電流を示す模式回路図である。

【図8】図８は、各セルの内部抵抗を検出する回路を示す模式回路図である。

【図9】図９は、各セルの内部抵抗を順番に検出する動作を示すタイミングチャートである。

【図10】図１０は、共通の降圧トランスを用いる種々のモードを示すフローチャートである。

【図11】図１１は、オシレータとしてのＨブリッジを流れる正電流を示す回路図である。

【図12】図１２は、オシレータとしてのＨブリッジを流れる負電流を示す回路図である。

【図13】図１３は、図１１及び図１２に示されるＨブリッジの電流及び電圧を示すタイミングチャートである。

【図14】図１４は、内部抵抗検出モードを示すフローチャートである。

【図15】図１５は、電流循環回路の一つの変形例を示す回路図である。

【図16】図１６は、電流循環回路のもう一つの変形例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

バッテリ電気自動車（BEV)に適用される本発明のDC電源が図１-図１０を参照して説明される。しかしながら、本発明は定置型DC電源のような他のDC電源にも適用されることができる。

【0018】

図２に示されるこのDC電源は、バッテリ回路１０、ケーブル１４１-１４３、及びコンタクタボックス３を有する。バッテリ回路１０は、第１バッテリパック１１、第２バッテリパック１２、第１バッテリ管理システム（BMS）１１０、及び第２バッテリ管理システム（BMS)１２０を有する。バッテリパック１１は、直列接続された４つのセル１１１-１１４からなる。バッテリパック１２は、直列接続された４つのセル１２１-１２４からなる。コンタクタボックス３は、バッテリパック１１及び１２のDC電力を後述されるモータ駆動回路２へ供給する。このモータ駆動回路２は、３相交流電圧を図略のトラクションモータに印加する３相インバータを含む。

【0019】

バッテリパック１１及び１２の各正極端子は、コモンケーブル１４３を通じてコンタクタボックス３に接続されている。バッテリパック１１の負極端子は、ケーブル１４２を通じてコンタクタボックス３に接続されている。バッテリパック１２の負極端子は、ケーブル１４１を通じてコンタクタボックス３に接続されている。

【0020】

バッテリパック１１はバッテリ管理システム（ＢＭＳ）１１０により監視され、バッテリパック１２はバッテリ管理システム（ＢＭＳ）１２０により監視されている。BMS１１０は、バッテリパック１１の電流、及び、セル１１１-１１４の各セル電圧を検出する。同様に、BMS１２０は、バッテリパック１２の電流、及び、セル１２１-１２４の各セル電圧を検出する。

【0021】

コンタクタボックス３は、ハイサイド回路３１、ローサイド回路３２、降圧トランス５、オシレータ６、及びコントローラ７を収容している。コンタクタボックス３は、モータ駆動回路２へのDC電力供給のためのハイサイド端子９H及びローサイド端子９Lをもつ。

【0022】

ハイサイド端子９Hはハイサイド回路３１を通じてケーブル１４３に接続されている。ハイサイド回路３１は、コモンコンタクタ４３、プリチャージコンタクタ４４、低抵抗素子４５、キャパシタ８１C、ダイオード８１Dをもつ。コモンコンタクタ４３はケーブル１４３とハイサイド端子９Hとを接続する。直列接続されたプリチャージコンタクタ４４及び低抵抗素子４５は、コモンコンタクタ４３と並列接続されたプリチャージ回路を形成している。

【0023】

よく知られているように、コモンコンタクタ４３がオンされる以前に、プリチャージコンタクタ４４が予めオンされる。これにより、ハイサイド端子９H及びローサイド端子９Lに接続された平滑キャパシタ（図示せず）は、低抵抗素子４５を通じて緩慢に充電される。この平滑キャパシタは、モータ駆動回路２から発生するスイッチングノイズ電圧を低減する。

【0024】

さらに、直列接続されたキャパシタ８１C及びダイオード８１Dは、コモンコンタクタ４３と並列接続されたバイパス回路を形成している。このバイパス回路は、コモンコンタクタ４３がオフされる時に生じる接点火花を抑止する。このバイパス回路の動作は後述される。

【0025】

ローサイド端子９Lはローサイド回路３２を通じてケーブル１４１及び１４２に接続されている。ローサイド回路３２は、コンタクタ４１及び４２、並びに、二次コイル５２及び５３を有する。ローサイド端子９Lはコンタクタ４１を通じてケーブル１４１に接続されている。さらに、ローサイド端子９Lはコンタクタ４２を通じてケーブル１４２に接続されている。

【0026】

降圧トランス５は、それぞれ磁気コア５０に巻かれた一次コイル５１及び２つの二次コイル５２及び５３をもつ。二次コイル５２はコンタクタ４２と直列接続され、二次コイル５３はコンタクタ４１と直列接続されている。たとえば、二次コイル５２及び５３の巻数はそれぞれ１ターンであり、一次コイル５１の巻数は１００ターンである。二次コイル５２及び５３の巻数は互いに等しい。一次コイル５１の巻数は適宜選択されることができる。オシレータ６は一次コイル５１に一次AC電圧を印加する。オシレータ６は４つのMOSFETからなるHブリッジ回路からなる。

【0027】

コントローラ７は、BMS１１０及びBMS１２０により算出された各セルの内部抵抗値に基づいてコンタクタ４１-４４及びオシレータ６の動作を制御する。

【0028】

２つのバッテリパック１１及び１２の切替制御が図３を参照して説明される。コモンコンタクタ４３は、このバッテリパック切替制御の開始前にオンされている。まず、バッテリパック１１が正常かどうかが判定される（S１００）。この実施例では、バッテリパック１１のすべてセルが所定の許容範囲の内部抵抗値をもつかどうかが判定される。バッテリパック１１の少なくとも一つのセルの内部抵抗値がこの許容範囲外にあれば、コンタクタ４２が遮断される（S１０２）。これにより、モータ駆動回路２はバッテリパック１２だけにより運転される。

【0029】

次に、バッテリパック１２が正常かどうかが判定される（S１０４）。この実施例では、バッテリパック１２のすべてセルが所定の許容範囲の内部抵抗値をもつかどうかが判定される。バッテリパック１２の少なくとも一つのセルの内部抵抗値がこの許容範囲外にあれば、コンタクタ４１が開かれる（S１０６）。これにより、モータ駆動回路２はバッテリパック１１だけにより運転される。次に、バッテリパック１１及び１２に含まれるすべてのセルの内部抵抗値がこの許容範囲内であれば、２つのコンタクタ４１及び４２が閉じられる（S１０８）。これにより、バッテリパック１１及び１２の損失を低減することができる。さらに、バッテリパック１１及び１２の間のSOC差が拡大するのを防止することができる。

【0030】

結局、図２に示されるDC電源は、直列接続されたバッテリパック１１及びコンタクタ４２のペアと、直列接続されたバッテリパック１２及びコンタクタ４１のペアとをもつ。さらに、これら２つのペアは並列接続される。これにより、２つのバッテリパック１１、１２の並列運転及び個別運転のどちらか一つを選択することができる。

【0031】

次に、降圧トランス５によるバッテリパック１１及び１２へのAC電流供給動作が図４及び図５を参照して説明される。このAC電流供給動作は、典型的には寒冷環境において実施されるが、バッテリパックの電気特性改善のために実施されることも可能である。オシレータ６は、一次コイル５１にAC電圧VT1を印加する。AC電圧VT１は、交互に繰り返される正パルス電圧と負パルス電圧からなる。AC電圧VT1が一次コイル５１に印加される時、二次電圧VT2が、二次コイル５２及び５３に別々に誘導される。これら２つの二次電圧VT2の向きは同じである。

【0032】

バッテリパック１１は開回路電圧VB及び内部抵抗ｒをもつ。バッテリパック１２は開回路電圧VB及び内部抵抗ｒ２０をもつ。２つのバッテリパック１１及び１２の開回路電圧は正確には異なる。簡単な説明のために、バッテリパック１１及び１２は等しい開回路電圧VBをもつことが仮定される。２つの二次電圧VT2は、２つのバッテリパック１１及び１２からなる電流循環回路を通じて二次電流ICを循環させる。２つのバッテリパック１１及び１２は、２つの二次コイル５２及び５３の接続点５４を通じてモータ駆動回路２に負荷電流ILを供給する。二次コイル５２によりモータ駆動回路２に供給される電流成分は、二次コイル５３によりモータ駆動回路２に供給される電流成分と等しい振幅及び反対の方向をもつ。その結果、二次コイル５２及び５３は、モータ駆動回路２に二次電流を供給しない。

【0033】

図４は、正パルス電圧が印加される期間における電流の流れを示す。二次コイル５２の二次電圧VT2は、バッテリパック１１によりモータ駆動回路２に供給される電流成分を減らす。逆に、二次コイル５３の二次電圧VT2は、バッテリパック１２によりモータ駆動回路２に供給される電流成分を増やす。結局、負荷電流ILは、２つの二次コイル５２及び５３により影響されない。

【0034】

図５は、負パルス電圧が印加される期間における電流の流れを示す。二次コイル５２の二次電圧VT2は、バッテリパック１１がモータ駆動回路２に供給する電流成分を増やす。逆に、二次コイル５３の二次電圧VT2は、バッテリパック１２がモータ駆動回路２に供給する電流成分を減らす。結局、負荷電流ILは、２つの二次コイル５２により影響されない。

【0035】

結局、バッテリパック１１と直列接続された二次コイル５２が、バッテリパック１２と直列接続された二次コイル５３と等しい巻数をもつ時、交流電流ICはバッテリパック１１及び１２だけを循環することができる。結局、二次コイル５２及び５３は、負荷電流ILに影響を与えない。

【0036】

しかし、二次コイル５２又は５３のインダクタンスは、コンタクタ４１又は４２の火花を強化する。この問題を解決するためのコンタクタ保護動作が、図６及び図７を参照して説される。

【0037】

図６は、コンタクタ４２が開放される過渡期間における電流の流れを示す。バッテリパック１１は電流I1をモータ駆動回路２に供給し、バッテリパック１２は電流I２をモータ駆動回路２に供給している。オシレータ６は、この過渡期間に正パルス電圧VT１を一次コイル５１に印加する。これにより、二次コイル５１及び５２は、正方向の循環電流ICPをバッテリパック１１及び１２並びにコンタクタ４１及び４２を通じて循環させる。その結果、バッテリパック１１は充電され、バッテリパック１２は放電される。結局、コンタクタ４２が開く過渡期間にコンタクタ４２を通じて流れる電流は（I1-ICP）となる。その結果、コンタクタ４２の火花は低減される。

【0038】

図７は、コンタクタ４１が開放される過渡期間における電流の流れを示す。バッテリパック１１は電流I1をモータ駆動回路２に供給し、バッテリパック１２は電流I２をモータ駆動回路２に供給している。オシレータ６は、この過渡期間に負パルス電圧VT１を一次コイル５１に印加する。
これにより、二次コイル５１及び５２は、負方向の循環電流ICNをバッテリパック１１及び１２並びにコンタクタ４１及び４２を通じて循環させる。その結果、バッテリパック１１は放電され、バッテリパック１２が充電される。結局、コンタクタ４１が開く過渡期間にコンタクタ４１を通じて流れる電流は（I２-ICN）となる。その結果、コンタクタ４２の火花は低減される。

【0039】

コモンコンタクタ４３が開かれる期間に生じる火花は、図２に示されるバイパス回路８１により低減される。コモンコンタクタ４３と並列接続されているバイパス回路８１は、直列接続されたキャパシタ８１C及びダイオード８１Dからなる。ダイオード８１Dはコモンコンタクタ４３の火花電流をバイパスする。コモンコンタクタ４３が閉じた状態から開いた状態に移行する過渡期間において、バイパス電流がキャパシタ８１C及びダイオード８１Dを通じて流れる。その結果、コモンコンタクタ４３のアークは良好に消去される。

【0040】

コモンコンタクタ４３が閉じられる時、キャパシタ８１Cはコモンコンタクタ４３を通じて短絡される。しかし、ダイオード８１Dが、この短絡による電流を阻止する。
その結果、キャパシタ８１Cに蓄積された電荷は、コモンコンタクタ４３が閉じているオン期間に、ダイオード８１Dの高い逆抵抗値を通じてゆっくりと放電される。

【0041】

この実施例において、バッテリパック１１の少なくとも一つのセルが不良である場合にコンタクタ４２が開かれ、バッテリパック１２の少なくとも一つのセルが不良である場合にコンタクタ４１が開かれる。その結果、一つのセルが不良となっても、電気自動車の運転を継続することができる。

【0042】

デンドライト成長によるセルの内部短絡が重要なセル故障として知られている。セルの熱暴走に起因するバッテリ火災がこの内部短絡により発生することも知られている。さらに、セルの内部抵抗はデンドライト成長により次第に低下することが知られている。したがって、セルの内部抵抗を監視することにより、近い将来におけるセルの内部短絡の発生を予想することができる。しかし、セルの内部短絡発見のためのセルの内部抵抗検出は、本質的に常に実施される必要がある。これは、各セルの内部抵抗検出動作をバッテリの放電中又は充電中においても実施しなければならないことを意味する。しかし、この放電中又は充電中における各セルの内部抵抗の検出は、放電電流又は充電電流の変動のため難しい。

【0043】

図８及び図９は、降圧トランス５を用いる新規なセル抵抗検出動作を開示する。図８は、バッテリパック１１のセル電圧を検出するBMS１１０の一部を示す。バッテリパック１２のセル電圧を検出するBMS１２０もBMS１１０と本質的に同じである。図８において、バッテリパック１１の４つのセル１１A-１１Dだけが示される。BMS１１０は、セル１１A-１１Dの各セル電圧V１１-V１４を順番にコントローラ７に送信する。

【0044】

セル１１Aは開回路電圧（OCV)V1及び内部抵抗（IR)ｒ１をもつ。セル１１Bは開回路電圧V２及び内部抵抗ｒ２をもつ。セル１１Cは開回路電圧V３及び内部抵抗ｒ３をもつ。セル１１Dは開回路電圧V４及び内部抵抗ｒ４をもつ。セル１１A-１１Dはモータ駆動回路２に負荷電流ILを供給している。さらに、二次コイル５２及び５３に誘導された二次電圧は、セル１１A-１１Dを通じて循環電流ICを循環させている。その結果、セル１１A-１１Dの内部抵抗ｒ１-ｒ４はそれぞれ、負荷電流IL及び循環電流ICにより電圧降下を発生する。したがって、セル１１Aのセル電圧V11はV１+ｒ１（IL+IC）となり、セル１１Bのセル電圧V1２はV２+ｒ２（IL+IC）となる。同様に、セル１１Cのセル電圧V1３はV３+ｒ３（IL+IC）となり、セル１１Dのセル電圧V1４はV４+ｒ４（IL+IC）となる。

【0045】

オシレータ６は、降圧トランス５の一次コイル５１に正パルス電圧と負パルス電圧とを交互に印加する。二次コイル５２及び５３は、正パルス電圧が一次コイル５１に印加される正パルス期間にバッテリパック１１及び１２にほぼ定電流の正パルス電流ICPを循環させる。さらに、二次コイル５２及び５３は、負パルス電圧が一次コイル５１に印加される負パルス期間にバッテリパック１１及び１２にほぼ定電流の負パルス電流ICNを循環させる。正パルス電流ICPの積分値は負パルス電流ICNの積分値に等しい。

【0046】

セル電圧V１１-V１４は、正パルス期間にBMS１１０により順番に選択され、A/Dコンバータ６０によりデジタル信号に変換された後、コントローラ７に送られる。同様に、セル電圧V１１-V１４は、負パルス期間に第１BMS１１０により順番に選択され、A/Dコンバータ６０によりデジタル信号に変換された後、コントローラ７に送られる。これにより、８つのセル電圧がコントローラ７に送信される。

【0047】

セル１１Aの内部抵抗ｒ１の検出動作が説明される。まず、正パルス電流ICPがセル１１Aを通じて流れる正パルス期間に、セル電圧V１１が検出される。このセル電圧V11は正のセル電圧V11Pと呼ばれる。次に、負パルス電流ICNがセル１１Aを通じて流れる負パルス期間に、セル電圧V11が検出される。このセル電圧V11は、負のセル電圧V１１Nと呼ばれる。正パルス電流ICP及び負パルス電流ICNは互いに等しい振幅をもつことが仮定される。さらに、正パルス期間及び負パルス期間において、セル１１Aは一定の開回路電圧V1をもつことが仮定される。

【0048】

次に、２つのセル電圧V１１P及びV11Nの間の電圧差ΔV（＝V１１P-V11N）が検出される。この電圧差ΔVはセル１１Aの開回路電圧V1を含まない。さらに、負荷電流ILが一定である時、電圧差ΔVは負荷電流ILによる内部抵抗ｒ１の電圧降下（ｒ１・IL）を含まない。したがって、電圧差ΔVは２IC・ｒ１となり、内部抵抗ｒ１はΔV/２ICとなる。結局、降圧トランス５がバッテリパック１１に供給するAC循環電流を利用することにより、バッテリパック１１がモータ駆動回路２に放電している期間において、負荷電流ILや開回路電圧V１の影響無しに内部抵抗ｒ１を検出することができる。セル１１B-１１Dの各内部抵抗も同様に検出される。

【0049】

BMS１１０の回路が図８を参照してさらに説明される。セル１１Aの正極はスイッチS1を通じて信号線７１に接続されている。セル１１Bの正極はスイッチS２を通じて信号線７２に接続されている。セル１１Cの正極はスイッチS３を通じて信号線７１に接続されている。セル１１Dの正極はスイッチS４を通じて信号線７２に接続されている。セル１１Dの負極はスイッチS５を通じて信号線７１に接続されている。スイッチS1-S５はそれぞれ、逆向きに直列接続された２つのMOSFETからなる。２つの信号線７１及び７２はキャパシタ７０に接続されている。

【0050】

スイッチS１及びS2がオンされる時、キャパシタ７０の電圧はセル１１Aのセル電圧V11に等しくなる。スイッチS２及びS３がオンされる時、キャパシタ７０の電圧はセル１１Bのセル電圧V1２に等しくなる。スイッチS３及びS４がオンされる時、キャパシタ７０の電圧はセル１１Cのセル電圧V1３に等しくなる。スイッチS４及びS５がオンされる時、キャパシタ７０の電圧はセル１１Dのセル電圧V1４に等しくなる。

【0051】

キャパシタ７０の各電圧は、４つのスイッチS6-S９のうちの２つをオンすることによりA/Dコンバータ６０に送られる。A/Dコンバータ６０は受信したキャパシタ７０の各電圧をデジタル信号に変換し、これらのデジタル信号はコントローラ７に送信される。スイッチS6-S９は、スイッチS1-S４と同様に、逆向きに直列接続された２つのMOSFETからなる。

【0052】

図９は、スイッチS1-S９のスイッチ動作を示すタイミングチャートである。周期T1の前半及び後半において、スイッチS１、S２がオンされ、キャパシタ７０の電圧はセル電圧V１１と等しくなる。同様に、周期T２の前半及び後半において、スイッチS２、S３がオンされ、キャパシタ７０の電圧はセル電圧V１２と等しくなる。周期T３の前半及び後半において、スイッチS３、S４がオンされ、キャパシタ７０の電圧はセル電圧V１３と等しくなる。同様に、周期T４の前半及び後半において、スイッチS４、S５がオンされ、キャパシタ７０の電圧はセル電圧V１４と等しくなる。

【0053】

周期T1の前半において、スイッチS6、S９はスイッチS１、S２がオフされた直後にオンされる。周期T1の後半において、スイッチS７、S８はスイッチS１、S２がオフされた直後にオンされる。同様に、周期T２の前半において、スイッチS6、S９はスイッチS２、S３がオフされた直後にオンされる。周期T２の後半において、スイッチS７、S８はスイッチS２、S３がオフされた直後にオンされる。

【0054】

周期T３の前半において、スイッチS6、S９はスイッチS３、S４がオフされた直後にオンされる。周期T３の後半において、スイッチS７、S８はスイッチS３、S４がオフされた直後にオンされる。同様に、周期T４の前半において、スイッチS6、S９はスイッチS４、S５がオフされた直後にオンされる。周期T４の後半において、スイッチS７、S８はスイッチS４、S５がオフされた直後にオンされる。

【0055】

結局、各セル電圧はスイッチS１-S４の制御によりキャパシタ７０に順番に伝送される。さらに、キャパシタ７０の電圧は、スイッチS1-S４がオフされた後に実施されるスイッチS6-S9の制御によりA/Dコンバータ６０に送られる。スイッチS6-S9はキャパシタ７０の電圧方向を反転する機能をもつ。正パルス電流ICPは循環電流ICの周期T１-T4の前半に流れ、負パルス電流ICNは循環電流ICの周期T１-T4の後半に流れる。

【0056】

したがって、一つのセルの２種類のセル電圧が各周期T１-T4毎に検出される。たとえばバッテリパック１１が互いに直列接続された１００個のセルからなる時、すべてのセルの内部抵抗の検出は１００周期を必要とする。変形態様において、キャパシタ７０及びスイッチS6-S９kを省略することも可能である。この態様によれば、A/Dコンバータ６０は、セル電圧V１１-V１４をデジタル信号に直接変換する。

【0057】

セルの内部抵抗ｒはΔV/（ICP+ICN）となる。ΔVは、正パルス電流ICPがバッテリパックに流れる期間のセル電圧値と負パルス電流ICNがバッテリパックに流れる期間のセル電圧値との間の電圧差である。正パルス電流ICP及び負パルス電流ICNの方向が逆であるため、電圧差ΔVを増加することができる。

【0058】

セル１１A-１１Dの内部抵抗ｒ１-ｒ４に基づいて、各セルの他の電気パラメータを算出することもできる。たとえば、内部抵抗ｒ１-ｒ４に基づいてセル１１A-１１Dの劣化を推定することができる。さらに、セル１１A-１１Dの内部抵抗値ｒ１-ｒ４から各内部抵抗ｒ１-ｒ４の電圧降下を算出することができる。各セル１１A-１１Dの開回路電圧V1-V4はこれらの電圧降下及びセル電圧V１１-V１４から算出されることができる。

【0059】

コントローラ７の制御例が、図１０に示されるフローチャートを参照して説明される。コンタクタ４１-４３は予め閉じられていることが仮定される。まず、バッテリパック１１及び１２の温度Tｂが所定のしきい値Tthより低いか否かが判定される（S1000）。判定結果がYesであれば、バッテリパック１１及び１２にAC電流を供給するAC加熱サブルーチン（S1020)が実施される。判定結果がNoであれば、このAC加熱サブルーチンは実施されない。

【0060】

このAC加熱サブルーチンにおいて、オシレータ６は一次コイル５１に一次AC電流を供給する。これにより、同一方向の二次電圧が二次コイル５１及び５２に誘導され、二次循環電流がバッテリパック１１及び１２に供給される。その結果、バッテリパック１１及び１２は加熱される。バッテリパック１１及び１２の温度が所定値に達する時、このAC加熱サブルーチンは終了される。

【0061】

次に、内部抵抗検出サブルーチンが実施される（S1040)。この内部抵抗検出サブルーチンにおいて、バッテリパック１１及び１２の各セルの内部抵抗を検出するために、正パルス電流及び負パルス電流が各セルに交互に供給される。これにより、BMS110はバッテリパック１１の内部抵抗値を検出し、BMS120はバッテリパック１２の各セルの内部抵抗値を検出する。

【0062】

次に、バッテリパック１１から検出された全ての内部抵抗値が所定の許容範囲内か否かが判定され（S1060)、判定結果がNoであれば、ステップS1080に進む。ステップS1080において、コンタクタ４２を保護するためのコンタクタ保護サブルーチンが実施される。このコンタクタ保護サブルーチンによれば、オシレータ６は二次循環電流を流す。この二次循環電流はコンタクタ４２を流れる電流を減らす。好適には、この二次循環電流は負荷電流ILと略等しい。これにより、コンタクタ４２を流れる電流はほぼゼロとなる。次に、コンタクタ４２が開放される（S1100）。その結果、アークはコンタクタ４２上に生じない。

【0063】

バッテリパック１１の全ての内部抵抗値が許容範囲内であれば、バッテリパック１２の全ての内部抵抗値が許容範囲内か否かが判定される（S1120)。その判定結果がNoであれば、ステップS1140に進む。

【0064】

ステップS1140において、コンタクタ４１を保護するためのコンタクタ保護サブルーチンが実施される。このコンタクタ保護サブルーチンによれば、オシレータ６は二次循環電流を流す。この二次循環電流はコンタクタ４１を流れる電流を減らす。好適には、この二次循環電流は負荷電流ILと略等しい。これにより、コンタクタ４１を流れる電流はほぼゼロとなる。次に、コンタクタ４１が開放される（S1160）。その結果、アークはコンタクタ４１上に生じない。

【0065】

もしバッテリパック１１及び１２のすべての内部抵抗値が所定の許容範囲内であれば、コンタクタ４１及び４２が閉じられる（S1180)。これにより、バッテリパック１１及び１２が負荷電流ILをモータ駆動回路２に供給する。特に、各セルの内部抵抗ｒが所定の最低値より高いかどうかを判定することは重要である。内部抵抗ｒがこの最低値より低い時、セルの内部短絡が推定される。

【0066】

既述されたこの実施例により、バッテリ回路１０にAC電流を供給するための降圧トランス５をもつDC電源の一例が説明された。降圧トランス５の二次コイル５２及び５３は、バッテリ回路１０からモータ駆動回路２にDC電流を供給する負荷電流経路に配置される。その結果、バッテリ回路１０がモータ駆動回路２に負荷電流ILを供給する時、負荷電流ILは、降圧トランス５の磁気コア５０に磁束を形成する。この磁束は負荷磁束と呼ばれる。一般に３相インバータからなるモータ駆動回路２は、図２に示される高電位端子９H及び低電位端子９Lに接続される平滑キャパシタを含む。したがって、バッテリ回路１０からモータ駆動回路２のような電気負荷に供給される負荷電流ILは主としてDC電流からなる。このDC電流成分は低周波電流成分を含むことができる。

【0067】

負荷電流ILは、バッテリパック１１を流れるDC電流I1と、バッテリパック１２を流れるDC電流I２からなる。DC電流I1が二次コイル５２を流れる時、DC磁束F1が磁気コア５０内に形成される。DC電流１２が二次コイル５３を流れる時、DC磁束F２が磁気コア５０内に形成される。

【0068】

バッテリパック１１及び１２が互いに等しい開回路電圧値及び内部抵抗値をもつ時、電流I1は電流I2に等しくなり、電流I1及びI2はそれぞれ負荷電流ILの半分となる。したがって、バッテリパック１１及び１２が互いに等しい開回路電圧値及び内部抵抗値をもつ時、磁気コア５０に形成されるDC磁束差（F1-F２）はゼロとなる。

【0069】

しかし、バッテリパック１１及び１２が互いに異なる開回路電圧値をもつ時、電流I1及び電流I2は異なる。同様に、バッテリパック１１及び１２が互いに異なる内部抵抗値をもつ時、電流I1及び電流I2は異なる。したがって、磁気コア５０に形成されるDC磁束差（F1-F２）はゼロとならない。その結果、一次コイル５１が磁気コア５０にAC磁束を形成する時、このAC磁束は、DC磁束差（F1-F２）によりバイアスされる。

【0070】

結局、このAC磁束及びDC磁束差（F1-F２）の両方が磁気コア５０を流れるため、磁気コア５０は飽和し易くなる。この磁気飽和により、二次コイル５２及び５３に生じる二次AC電圧の歪みが増加する。DC磁束差（F1-F２）による磁気コア５０の磁気飽和は、磁気コア５０の断面積拡大により解決される。しかし、降圧トランス５のサイズ、重量、及び損失が増加する。DC磁束差（F1-F２）の低減による降圧トランス５の小型化技術が以下に説明される。

【0071】

図１１及び図１２はHブリッジにより形成されたオシレータ６を示す。オシレータ６は４つのMOSトランジスタ（MOSFETs）６１-６４からなる。Hブリッジは、直列接続されたMOSトランジスタ６１及び６２からなる第１レグと、直列接続されたMOSトランジスタ６３及び６４からなる第２レグとからなる。第１レグの出力端子は一次コイル５１の一端に接続され、第２レグの出力端子は一次コイル５１の他端に接続されている。オシレータ６は一次コイル５１に一次AC電流Ipを供給する。

【0072】

図１１は、正の半周期（P+）における一次AC電流Ipの流れを示す。スイッチ６１は常にオンされ、スイッチ６２は常にオフされる。第２レグはPWMスイッチングされる。スイッチ６４がオンされる時、一次AC電流Ipがスイッチ６１から一次コイル５１を通じてスイッチ６４へ流れる。スイッチ６４がオフされる時、フリーホィール電流Ifがスイッチ６３及びスイッチ６１を通じて流れる。

【0073】

図１２は、負の半周期（P-）における一次AC電流Ipの流れを示す。スイッチ６３は常にオンされ、スイッチ６４は常にオフされる。第１レグはPWMスイッチングされる。スイッチ６２がオンされる時、一次AC電流Ipがスイッチ６３から一次コイル５１を通じてスイッチ６２へ流れる。スイッチ６２がオフされる時、フリーホィール電流Ifがスイッチ６１及びスイッチ６３を通じて流れる。

【0074】

図１３は、一次AC電流Ipに関連する波形を示すタイミングチャートである。図１１に示される正の半周期（P+）、及び、図１２に示される負の半周期（P-）は交互に実施される。正の半周期（P+）においてPWMスイッチンク゛されるスイッチ６４のテ゛ューティ比D+は、負の半周期（P-）においてPWMスイッチンク゛されるスイッチ６４のテ゛ューティ比D-よりも大きい。その結果、正の半周期（P+）における一次AC電流Ipの正成分は、負の半周期（P-）における一次AC電流Ipの負成分よりも高い振幅をもつ。

【0075】

一次AC電流Ipは、AC電流成分IAC及びDC電流成分IDCに分割される。AC電流成分IACの正成分及び負成分は互いに等しい振幅をもつ。スイッチ６４のPWMテ゛ューティ比は正の半周期（P+）においてD+となり、スイッチ６２のPWMテ゛ューティ比は負の半周期（P-）においてD-となる。テ゛ューティ比D+及びD-が実質的に等しい時、DC電流成分IDCはゼロとなる。テ゛ューティ比D+がテ゛ューティ比D-よりも大きい時、DC電流成分IDCは正値となる。テ゛ューティ比D+がテ゛ューティ比D-よりも小さい時、DC電流成分IDCは負値となる。図１３において、DC電流成分IDCは正値である。結局、Hブリッジ６は、要求された波形をもつAC電流成分IACと、要求された振幅をもつDC電流成分IDCとの両方を一次コイル５１に供給することができる。

【0076】

一般に、バッテリパック１１及び１２の開回路電圧値及び内部抵抗値は互いに異なる。したがって、それぞれ負荷電流の一部からなる電流I1及びI2は一般的に互いに異なる。同様に、それぞれ充電電流の一部からなる電流I1及びI2は一般に異なる。

【0077】

DC磁束Fｄｃが電流差（I1-I2）により磁気コア５０内に形成される。結局、一次コイル５１を流れるAC電流成分IAC及びDC電流成分IDC、二次コイル５２を流れる電流I1、及び二次コイル５３を流れる電流I2が、磁気コア５０内に磁束を形成する。

【0078】

たとえば、磁気コア５０の磁気抵抗がRmであり、一次コイル５１の巻数が１００であり、二次コイル５２及び５３の巻数がそれぞれ１であることが仮定される。磁気コア５０内の全磁束は、（１００IAC+１００IDC+（I1-I2））/Rmとなる。したがって、DC磁束Fｄｃ（＝（I1-I2）/Rm））が、DC電流成分IDCにより形成されるDC磁束（１００IDC/Rm）と等しい振幅をもち、かつ、それらの方向が反対である時、磁束はAC電流成分IACだけにより形成される。

【0079】

結局、一次コイル５１に流れるDC電流成分IDCを電流差（I1-I2）に応じて調整することにより、磁気コア５０内のDC磁束を大幅に低減することができる。その結果、コンパクトな降圧トランス５を実現することができる。

【0080】

図１４は、磁気コア５０内のDC磁束を低減するための制御を示すフローチャートである。このDC磁束低減制御は、コントローラ７によるスイッチ６２及び６４のPWMテ゛ューティの調整により実施される。まず、バッテリパック１１を流れる電流I1、及び、バッテリパック１２を流れる電流I2が検出される（S200)。電流I1はバッテリパック１１の放電電流又は充電電流である。電流I２はバッテリパック１２の放電電流又は充電電流である。

【0081】

次に、２つの電流I1及びI2の間の電流差（Ｉ１-Ｉ２）が算出される（S202)。次に、オシレータ６により降圧トランス５の一次コイル５１に供給されるDC電流成分Idcが決定される。二次コイル５２及び５３の巻数がそれぞれ１であり、一次コイル５１の巻数がNである時、DC電流成分Idc（＝I2-I1）/N）が一次コイル５１に供給される。DC電流成分Idcにより磁気コア５０に形成されるDC磁束は、電流差（I1-I2）により磁気コア５０に形成されるDC磁束と比べて反対方向に流れる。これにより、磁気コア５０内を流れるDC磁束はほぼゼロとなる。

【0082】

次に、オシレータ６が一次コイル５１に供給する一次AC電流IACが決定される。この一次AC電流IACは、二次AC電流と降圧トランス５の巻数比から算出されることができる（S２０４）。

【0083】

次に、スイッチ６４のPWMテ゛ューティ比D+、及び、スイッチ６２のPWMテ゛ューティ比D-が決定される（S206）。スイッチ６２及び６４のテ゛ューティ比（D+、D-）と、一次コイル５１を流れる一次電流Ipとの関係は予めマップに記憶されている。

【0084】

次に、ステップＳ２０８において、正の半周期（P+）にスイッチ６４のPWMテ゛ューティ比をD+に制御し、負の半周期（P-）にスイッチ６２のPWMテ゛ューティ比をD-に制御する。これにより、オシレータ６が一次コイル５１に供給する一次電流Ipは、一次AC電流IACと一次DC電流IDCとの和となる。したがって、バッテリパック１１及び１２を循環する循環AC電流Icだけが実質的に磁気コア５０に磁束を形成する。その結果、磁気コア５０はコンパクトとなる。結局、負荷電流又は充電電流が磁気コア５０に与える磁気的な影響は、一次コイル５１に供給されるDC電流により低減される。

【0085】

図２において、降圧トランス５は、バッテリパック１１と直列接続される二次コイル５２と、バッテリパック１２と直列接続される二次コイル５３とをもつ。2つの二次コイルに誘起される二次電圧は、２つのバッテリパックを循環するAC電流を形成する。さらに、Hブリッジ６は、公知の種々のPWM制御方式により制御されることができる。

【0086】

図１５は第１の変形態様を示す回路図である。図１５において、降圧トランス５の二次コイル５４に誘起される二次AC電圧は、バッテリパック１１と二次コイル５４と平滑キャパシタ８とからなる電流循環回路にAC電流を循環させる。バッテリパック１１からモータ駆動回路２に供給される負荷電流は二次コイル５４を通じて流れる。

【0087】

図１６は第２の変形態様を示す回路図である。図１６において、バッテリパック１１は、直列接続された２つのバッテリモジュール１６０及び１７０からなる。バッテリパック１２は、直列接続された２つのバッテリモジュール１８０及び１９０からなる。降圧トランス５の二次コイル５４は、バッテリパック１１の中間電位点C1と、バッテリパック１２の中間電位点C2とを接続している。バッテリパック１１及び１２はモータ駆動回路２に負荷電流を供給する。２つの中間電位点C1及びC2が等しい電位をもつ時、負荷電流は二次コイル５４を流れない。

【0088】

しかし、４つのバッテリモジュール１６０、１７０、１８０、及び１９０の開路電圧及び内部抵抗は互いに異なるのが一般的である。その結果、２つの中間電位点C1及びC2は異なる電位をもち、負荷電流の一部は二次コイル５４を流れる。

【0089】

結局、図１５及び図１６に示される変形態様においても、既述されたＤＣ磁束キャンセル用のDC電流を一次コイル５１に供給することができる。さらに、図１５及び図１６に示される変形態様においても、降圧トランス５からバッテリパック１１へ供給される二次循環電流を利用して、バッテリパック１１の各セルの内部抵抗を検出することができる。

【要約】

２つのバッテリ及び降圧トランスの２つの二次コイルにより形成された電流循環回路に降圧トランスの二次電流が循環される。バッテリはこれらの二次コイルを通じて電気負荷に負荷電流を供給する。負荷電流が降圧トランスの磁気コア内に形成するＤＣ磁束は、降圧トランスの一次コイルに供給されるＤＣ磁束低減電流により低減される。二次コイルは、交互に繰り返される正パルス電圧及び負パルス電圧をバッテリの各セルに印加する。各セルの内部抵抗が、正パルス電圧及び負パルス電圧の間の電圧差とバッテリ電流とに基づいて検出される。２つのバッテリの一つは２つの二次コイルの一つを通じて外部負荷に接続され、２つのバッテリの他の一つは２つの二次コイルの他の一つを通じて外部負荷に接続される。２つの二次コイルに誘起されるＡＣ電圧は同じ方向及び等しい巻数をもつ。
【選択図】なし

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】