电源装置及充电电路的制作方法

专利名称：电源装置及充电电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备对可充放电的二次电池进行充电的充电电路的电源装置及充电电路。
背景技术：
例如，在使用电动马达来行驶的电动汽车、同时采用发动机和电动马达来行驶的混合动力电动汽车中，将镍-氢电池、锂离子电池、铅蓄电池这种二次电池作为单位单元电池，并将串联多个该单位单元电池而成的组电池用作为电动马达的电源。在这种组电池中，在反复进行充放电之后，各单位单元电池的基于充电状态(State of Charge :SOC ;也称为剩余容量等。)的端子电压之间产生偏差，若放任该偏差不管而进行充电，则有时一部分单 位单元电池会成为过充电状态。此外，当单位单元电池的劣化加速进展而劣化时，即使仅是 一部分的单位单元电池劣化，组电池整体也会变得不能够使用。对于这种问题，作为调整充电结束的构成组电池的多个单位单元电池之间的充电状态的偏差的方法，提出有如专利文献I所示那样的组电池的充电状态调整装置。如图26所示那样，该充电状态调整装置90调整通过串联连接多个由二次电池构成的单位单元电池91而构成的、并在两端连接有负载或充电器的闭路状态下进行充放电的组电池的充电状态。此外，该充电状态调整装置90具备平均充电用电容器92，与负载、充电器绝缘地设置；以及循环连接单元93，在组电池的开路状态下，将各单位单元电池91与平均充电用电容器92循环连接。由此，即使在多个串联而构成组电池的单位单元电池91的相互之间产生充电状态的偏差，也能够通过使电荷从单元电池电压较高的单位单元电池91经由平均充电用电容器92移动到单元电池电压较低的单位单元电池91，由此能够减少电压差。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开2002-17048号公报

发明内容
发明要解决的课题然而，图26的充电状态调整装置90仅是对充电结束的单位单元电池91的偏差进行调整，是在先对单位单元电池91进行了充电之后再使用充电状态调整装置90来抑制偏差的结构，因此充电工序和调整工序需要单独地进行，花费时间，而且也分别需要进行这些充电和调整的电路，因此还存在电路结构复杂化的问题。此外，在该充电状态调整装置90中，仅能够一边循环地依次切换单位单元电池91一边调整充电状态，因此还存在到组电池整体的充电结束为止花费时间而效率变差的缺点。特别是近年的组电池随着大容量化的要求而使用大量单位单元电池91的情况也变多，在这种循环式的切换充电中，充电时间与使用的二次电池数成正比例地变长，而且单位单元电池91的切换动作也变得繁琐，是不实用的。并且，在图26的电路例中开关元件使用光电MOS晶体管，因此还存在驱动电路复杂化而电路成本变高这种问题。特别是，在为了对各单位单元电池91进行平均充电控制而需要构成能够独立地对单位单元电池91进行充电的充电路径时，若在这种电路的构建中使用晶体管，就会产生电路结构复杂化这种问题。此外，在该电路中采用了先经由平均充电用电容器92积蓄电荷再使积蓄电荷移动到端子电压较低的单位单元电池91的方式，因此必须构成为大容量的平均充电用电容器92，而且该平均充电用电容器92为了在充电开始前的时刻成为与各单位单元电池91的充满电状态的开路端子电压极其接近、且不会超过其的端子电压，需要预先通过交流发电机等充电，必须进行这样的充电前准备，还存在结构进一步复杂化这种问题。本发明是鉴于以往这种问题点而进行的。本发明的主要目的在于，提供更低价、能够防止二次电池的过充电而进行最佳充电的电源装置及充电电路。用于解决课题的手段及发明的效果
·
为了实现上述目的，根据本发明第一方案的电源装置，其特征在于，具备多个二次电池体10，相互串联连接，分别具备正极和负极；恒流源产生电路20，具备供给用于对上述二次电池体10进行充电的电力的供给输出端子OT和供给输入端子IT ;以及选择开关切换电路30，使得能够通过上述恒流源产生电路20对各二次电池体10独立地供给不同的充电电流；上述选择开关切换电路30具有选择开关31，与各二次电池体10分别连接，能够独立地构成对该二次电池体10进行充电的充电路径；以及控制电路40，对多个上述选择开关31的导通/截止进行控制；上述控制电路40通过对上述选择开关31的导通/截止进行控制，来构成相对于任意的二次电池体10的充电路径并且解除相对于其他二次电池的充电路径；上述恒流源产生电路20具备斩波电路，该斩波电路包括电抗器L，连接在上述供给输出端子OT和供给输入端子IT之间；以及充电用开关22，与上述电抗器L串联连接，由上述控制电路40控制导通/截止；将上述斩波电路与外部电源EP连接，对上述二次电池体10进行充电。由此，能够得到如下优点能够利用一个恒流源产生电路对任意的二次电池体进行充电，并能够独立地进行与该二次电池体的电气特性相对应的适当的充电。此夕卜，通过斩波电路，例如作为升压斩波动作，能够使用较低电压的外部电源将二次电池体充电为较高电压。此外，根据第二方案的电源装置，能够具备多个二次电池体10，相互串联连接，分别具备正极和负极；恒流源产生电路20，具备供给用于对上述二次电池体10进行充电的电力的供给输出端子OT和供给输入端子IT ;多个正极侧充电路径PC和多个负极侧充电路径NC，为了通过上述恒流源产生电路20对各二次电池体10进行充电，该多个正极侧充电路径PC将各二次电池体10的正极与上述供给输出端子OT分别连接，该多个负极侧充电路径NC将各二次电池体10的负极与上述供给输入端子IT分别连接；多个选择开关31，分别设置在上述正极侧充电路径PC及负极侧充电路径NC中；以及控制电路40，对上述多个选择开关31的导通/截止进行控制。由此，能够利用一个恒流源产生电路对任意的二次电池体进行充电，并且能够根据二次电池体的剩余容量来调整充电量，因此与以串联连接的二次电池体整体进行充电的方式相比能够得到如下优点能够减少二次电池体之间的充电量的偏差，能够避免过充电而长期安全性较高地利用二次电池体。并且，根据第三方案的电源装置，能够构成为，还具备电压检测单元26，检测上述电抗器L的两端电压；上述控制电路40针对任意的二次电池体10，将配置在对该二次电池体10和上述电抗器L进行连接的正极侧充电路径PC及负极侧充电路径NC中的各选择开关31分别切换为导通，并且将其他选择开关31切换为截止，从而仅使该二次电池体10与上述电抗器L连接，由此，能够通过上述电压检测单元26检测该二次电池体10的电池电压。由此，能够通过一个电压检测单元检测任意的二次电池体的电池电压。即，能够仅通过一个电压检测单元来检测各二次电池体的电池电压，因此不需要对每个二次电池体单独设置电压传感器，能够得到使电路大幅度简化的优点。此外，根据第四方案的电源装置，上述控制电路40能够以时分割对各二次电池体10的电池电压进行测定。由此，能够通过一个电压检测单元依次检测全部二次电池体的电池电压。此外，根据第五方案的电源装置，能够构成为，上述控制电路40能够对上述选择开关31进行导通/截止控制，使得同时对任意的多个二次电池体10进行充电。由此，能够同时对多个二次电池体进行充电控制，能够高效地进行充电。并且此外，根据第六方案的电源装置，上述选择开关31是没有自灭弧能力的元件。由此，能够利用斩波电路的截止期间实现选择开关的灭弧，而不需要用于灭弧的特别的·附加电路等。此外，根据第七方案的电源装置，能够通过晶闸管32来构成上述选择开关31。由此，使用可靠性、特别是反向耐压特性优良的晶闸管，能够得到不用对每个二次电池体设置充电电路就能够独立地对串联的二次电池体进行充电的优点。此外，根据第八方案的电源装置，上述二次电池体10是通过将多个电池单元串联连接或并联连接而构成的。由此，能够实现由多个电池单元构成的二次电池体串联连接的平均充电。此外，根据第九方案的充电电路，能够对相互串联连接且分别具备正极和负极的多个二次电池体10进行充电，其中，具备恒流源产生电路20，具备供给用于对二次电池体10进行充电的电力的供给输出端子OT和供给输入端子IT ;多个正极侧充电路径PC和多个负极侧充电路径Ne，为了通过上述恒流源产生电路20对各二次电池体10进行充电，该多个正极侧充电路径PC能够将各二次电池体10的正极与上述供给输出端子OT分别连接，该多个负极侧充电路径NC能够将各二次电池体10的负极与上述供给输入端子IT分别连接；多个晶闸管32，分别设置在上述正极侧充电路径PC及负极侧充电路径NC中；以及控制电路40，能够独立地进行上述多个晶闸管32的导通控制，上述恒流源产生电路20具备斩波电路，该斩波电路包括电抗器L，连接在上述供给输出端子OT和供给输入端子IT之间；以及充电用开关22，与上述电抗器L串联连接，由上述控制电路40控制导通/截止；将上述斩波电路与外部电源EP连接，对上述二次电池体10进行充电。由此，能够利用一个恒流源产生电路对任意的二次电池体进行充电，能够根据二次电池体的剩余容量调整充电量，因此与以串联的二次电池体整体进行充电的方式相比，能够得到的优点为能够减少二次电池体之间的充电量的偏差，能够避免过充电，能够长期利用安全性较高的二次电池体。


图I是表示本发明的实施方式的电源装置的框图。图2是表示图I的电源装置的电路图。
图3是表示通过图2的电源装置对二次电池体IOA进行充电的形态的电路图。图4是表示通过图2的电源装置对二次电池体IOB进行充电的形态的电路图。图5是表示通过图2的电源装置对二次电池体IOC进行充电的形态的电路图。图6是表示通过图2的电源装置对二次电池体IOD进行充电的形态的电路图。图7是表示通过图2的电源装置对二次电池体10AU0B进行充电的形态的电路图。图8是表示通过图2的电源装置对二次电池体10AU0C进行充电的形态的电路
图。
图9是表示通过图2的电源装置对二次电池体IOA IOD进行充电的形态的电路图。图10是表示实施例I的电源装置的电路图。图11是表示图10的电源装置的电路例的电路图。图12是表示实施例2的电源装置的电路图。图13是表示图12的电源装置的电路例的电路图。图14是表示实施例3的电源装置的电路图。图15是表示图14的电源装置的电路例的电路图。图16是表示实施例4的电源装置的电路图。图17是表示图16的电源装置的电路例的电路图。图18是表示实施例5的电源装置的电路图。图19是表示图18的电源装置的电路例的电路图。图20是表示实施例6的电源装置的电路图。图21是表示图20的电源装置的电路例的电路图。图22是表示实施例7的电源装置的电路图。图23是表示图22的电源装置的电路例的电路图。图24 Ca)是表示对一个二次电池体进行充电的形态的时序图，图24 (b)是表示充电用开关导通时的电流路径的电路图，图24 (c)是表示充电用开关22截止时的电流路径的电路图。图25 Ca)是对多个二次电池体依次进行充电的时序图，图25 (b)是表示充电用开关导通时的电流路径的电路图，图25 (c)是表示第一二次电池体被选择时的电流路径的电路图，图25 (d)是表示第二二次电池体IOB被选择时的电流路径的电路图，图25 (e)是表示第N 二次电池体被选择时的电流路径的电路图。图26是表示以往的组电池的充电状态调整装置的电路图。
具体实施例方式以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。但是，以下所示的实施方式示例了用于将本发明的技术思想具体化的电源装置及充电电路，本发明不将电源装置及充电电路限定于以下的情况。此外，不将权利要求书所示的部件限定于实施方式的部件。特别是，关于实施方式所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等，只要没有特别限定的记载，则不将本发明的范围仅限定于此，而仅是说明例。此外，各附图所示的部件的大小、位置关系等有时为使说明明确而进行了夸张。并且，在以下的说明中，相同名称、附图标记表示相同或相同性质的部件，适当地省略详细说明。并且，构成本发明的各要素，也可以成为由相同部件构成多个要素而以一个部件兼作多个要素的方式，相反也能够通过多个部件来分担实现一个部件的功能。此外，在一部分实施方式、实施例中说明的内容有的也可以利用于其他实施例、实施方式等。图I 图10表示一个实施方式的电源装置100。在这些图中，图I是电源装置100的框图，图2是表示图I的电源装置100的一个例子的电路图，图3是表示通过图2的电源装置100对二次电池体IOA进行充电的形态的电路图，图4是表示对二次电池体IOB进行充电的形态的电路图，图5是表示对二次电池体IOC进行充电的形态的电路图，图6是表示对二次电池体IOD进行充电的形态的电路图，图7是表示对二次电池体10AU0B进行充电的形态的电路图，图8是表示对二次电池体10AU0C进行充电的形态的电路图，图9是表示对二次电池体IOA IOD进行充电的形态的电路图，图10是表示实施例I的电源装置100的电路图，图11是表示图10的电源装置100的电路例的电路图。如图I所示那样，电源装置100具备IOA ION的多个二次电池体10 ;恒流源产生电路20，与外部电源EP连接，供给用于对二次电池体10进行充电的电力；以及选择开关切换电路30，连接在恒流源产生电 路20和二次电池体10之间，能够对各二次电池体10独立地供给不同的充电电流。该电源装置与负载LD连接而驱动该负载。此外，外部电源EP是供给用于对电源装置进行充电的电力的电力源，例如在将本发明应用于混合动力车的快速充电站的情况下，相当于快速充电站所具备的用于对混合动力车驱动用电池进行充电的充电用电池。此外，也能够将对商用电源进行整流后的电源或商用电源本身用作为外部电源EP。在以下的例子中，将直流电压源用作为外部电源EP。(二次电池体10)各二次电池体10具备正极和负极，将多个二次电池体10串联连接。各二次电池体10除了由一个电池单元构成之外，还能够将多个电池单元串联连接或者并联连接而构成。电池单元能够利用锂离子二次电池、镍氢电池、镍镉电池、铅蓄电池等能够充电的二次电池。特别是锂离子二次电池，与镍氢电池相比每单位体积的电容量较大、小型化及高输出化方面优良，因此较优选。另外，在图2 图11的例子中，为了容易进行说明，将二次电池体10表示为连接有IOA IOD的四个的结构，但是当然二次电池体的连接数量并不局限于此，也能够为5个以上或3个以下等。(恒流源产生电路20)图I的恒流源产生电路20具备供给输出端子OT和供给输入端子IT，通过选择开关切换电路30对各二次电池体10进行充电。因此，恒流源产生电路20具备将外部电源EP的电压变换为适合于二次电池体10的充电的电流或者电压的变换电路。在此，产生恒电流。例如，在对锂离子二次电池进行充电的情况下，在二次电池体10的电压比第一电压低的状态下进行恒流充电，当超过第一电压时，切换为恒压充电，在达到比第一电压高的第二电压之前进行恒压充电，当达到第二电压时，判断为充满电而结束充电。另外，充电控制方法为一个例子，能够根据使用的二次电池体的种类等适当地利用其他已知的充电方法。此夕卜，通过对后述的充电用开关22进行导通/截止控制，来进行这种充电控制。(选择开关切换电路30)
选择开关切换电路30具有选择开关31，与各二次电池体10分别连接，能够独立地构成对该二次电池体10进行充电的充电路径；以及控制电路40，对多个选择开关31的导通/截止进行控制。具体地说，如图2的电路例所示那样，通过多个选择开关31的导通/截止来构成将恒流源产生电路20和各二次电池体10独立地连接的充电路径。更具体地说，选择开关切换电路30包括多个正极侧充电路径PC，将各二次电池体10的正极与供给输出端子OT分别连接；多个负极侧充电路径NC，将各二次电池体10的负极与供给输入端子IT分别连接；多个选择开关31，分别设置在正极侧充电路径PC及负极侧充电路径NC中；以及控制电路40，对多个选择开关31的导通/截止进行控制。如此，能够利用一个恒流源产生电路20，并且通过选择开关31将多个二次电池体10独立地连接而进行充电。特别是通过将各二次电池独立地与恒流源产生电路20连接，由此能够根据该二次电池体10的剩余容量来调整充电量，因此与以串联的二次电池体整体进行充电的方式相比，能够得到的优点为能够减少二次电池体之间的充电量的偏差，避免过充电而能够长期安全性较高地利用二次电池体。此外，不限定于一个一个地对二次电池体进行充电的结构，当然还能够对多个二次电池同时进行充电。(选择开关31)·
选择开关31能够利用半导体开关元件，例如能够列举晶闸管、GTO晶闸管、IGBT、双极晶体管及FET等。优选利用晶闸管。但是，还能够利用具有自灭弧功能的自灭弧元件、例如GTO晶闸管、IGBT等。其原因为，通过自灭弧功能能够容易地进行选择开关31的导通/截止控制。另外，在图2 图10的例子中，示意性地表示选择开关31，例如在选择开关能够双向通电的情况下，当然能够在充电路径中适当地附加阻止向相反方向通电的二极管等整流元件。整流元件相对于充电路径串联地插入，并且只要在充电路径中即可，能够设置在任意的位置上。此外，在作为选择开关利用晶闸管那样的具有整流特性的半导体元件的情况下，能够不需要这种整流元件。(晶闸管32)在此，图11示出了在图10的电源装置100中，选择开关31使用了晶闸管32的电路例。在图11中，晶闸管32A 32H分别对应于选择开关31A 31H。为了使各晶闸管32导通，而从控制电路40向晶闸管32的栅极端子输入导通信号。另一方面，为了使晶闸管32截止，而使后述的充电用开关22截止而使斩波电路的输出停止，使向晶闸管32通电的电流量为零。通过这种灭弧动作使晶闸管32截止，能够使向二次电池体10的充电停止。此外，晶闸管32的反向耐压特性优良，导通驱动也容易，还能够得到能够使驱动电路简化的优点。此外，在选择开关31使用了 IGBT的情况下，能够通过来自控制电路40的信号利用自灭弧功能容易地进行导通/截止的切换控制。即，能够不需要如上述的晶闸管那样的、暂时使电流停止的灭弧动作。相反，IGBT与晶闸管等相比反向耐压特性较差，因此优选与保护用的逆止二极管串联连接。(控制电路40)如图2所示那样，控制电路40对各选择开关31的导通/截止进行控制。该控制电路由ASIC等构成。在该例中，通过选择开关31的切换，在构成相对于任意的二次电池体10的充电路径的同时解除相对于其他二次电池的充电路径。例如在图3的例子中，通过仅使选择开关31A、31C导通、使其他选择开关31截止，由此仅将二次电池体IOA与恒流源产生电路20连接，将其他二次电池体10从恒流源产生电路20断离，由此能够进行与二次电池体IOA的特性相对应的充电。而且，当二次电池体IOA的充电结束时，接着如图4所示那样，通过使选择开关31A、31C截止、将选择开关31B及31E切换为导通，由此仅将二次电池体IOB与恒流源产生电路20连接，将其他二次电池体10从恒流源产生电路20断离，由此能够进行与二次电池体IOB的特性相对应的充电。同样，当二次电池体IOB的充电结束时，如图5所示那样，将选择开关31B及31E切换为截止，并且将选择开关31D及31G切换为导通，而开始二次电池体IOC的充电。并且，当二次电池体IOC的充电结束时，如图6所示那样，将选择开关31D及31G切换为截止，并且将选择开关31F及31H切换为导通，而开始二次电池体IOD的充电。如此，通过依次切换选择开关31的导通/截止，能够对全部二次电池体10进行充电。如此，能够利用一个恒流源产生电路20，通过选择开关切换电路30对任意的二次电池体进行适当的充电。并且，在该方法中，仅所充电的二次电池体与恒流源产生装置连接，因此与将充电对象的二次电池体并联的情况相比较，能够得到能够独立地进行与充电对象的各二次电池体的电气特性等相对应的适当的充电的优点。特别是，在各二次电池的 剩余容量不同的情况下，若同时以相同的电流进行充电，则剩余容量较多的特定的二次电池体被快速充电，结果，若到全部二次电池体的充电结束之前持续充电，则先成为充满电的二次电池体被过充电，劣化可能进展。相反，若与剩余容量较少的二次电池体相对应地使充电结束，则产生如下问题会产生未充满电的二次电池体，从而可利用的电气容量减少。如果由于这样就对每个二次电池体分别独立地设置专用的充电电路，那么电路结构就会变得复杂，成本也提高。因此，在本发明中，能够使用一个恒流源产生电路，并且通过选择开关切换电路实现与各二次电池体之间的独立连接，由此不设置独立的充电电路，通过共用的恒流源产生电路就能够进行独立充电。此外，根据该方法，特别适合于具有负性特性的镍氢电池、镍镉电池的充电。SP，镍氢电池等具有若充满电则电压降低的特性，因此若要将镍氢电池等以并联的状态进行充电，则各镍氢电池等的电压逐渐上升，并且由于先到达充满电的镍氢电池等的电压会降低因而会对该电池供给较多电流，存在反而会导致电压的降低、难以进行适当的充电电力的供给的问题。与此相对，根据上述本实施方式的方法，能够进行每个二次电池体的独立的充电，因此能够得到能够消除这种一律充电的问题的良好优点。此外，该充电装置除了将二次电池体独立地与外部电源连接而进行充电以外，还能够将多个二次电池体同时与外部电源连接而进行充电。例如在图7所示的例子中，为了对二次电池体10AU0B同时进行充电，而使选择开关31A、E导通、使其他选择开关31截止。由此，能够对相邻接的二次电池体10同时进行充电。此外，不限于相邻接的二次电池体彼此，还能够对远离的二次电池体同时进行充电。例如在图8所示的例子中，通过使选择开关31A、31C、31D、31G导通、使其他选择开关31截止，能够对二次电池体10AU0C同时进行充电。并且，如图9所示那样，通过使选择开关31A、31H导通、使其他选择开关31截止，还能够对二次电池体10A、10B、10CU0D的全部同时进行充电。如此，通过对多个二次电池体同时进行充电，能够高效地进行二次电池体的充电。另外，在该电路例中，由于从外部电源侧供给的电力为恒定，因此从理论上来讲与充电所需要的时间的缩短化无关。
(平均化再生动作)在以上的充电动作中，对独立的二次电池体分别以适当的条件进行充电，由此能够实现使结果所得到的二次电池体之间的电气容量的偏差减少的平均化充电。另一方面，在对多个二次电池体同时进行充电时，还能够更直接地抑制二次电池体之间的电气容量的偏差。即，在将电气容量不同的多个二次电池体与恒流源产生电路连接的状态下，向电池电压较高的二次电池体流入的电流量减少，向电池电压较低的二次电池体流入的电流量相应地增加，因此结果电池电压较低的二次电池体被较多地充电，而电气容量之差向变小的方向变化。此外，在供给充电用的电力的电源侧能够进行再生动作的情况下，使电气容量较大的二次电池体放电，向恒流源产生电路侧进行再生，结果还能够将该放电能量分配到其他二次电池体的充电中，由此能够进一步减少电气容量之差。在本说明书中,将这种再生动作也称为平均化再生。例如，在使用混合动力车、插电混合动力车那样的进行再生动作的电源的情况下，通过这种再生动作能够实现二次电池体之间的平均化，因此特别有利。另外，在将二次电池体单独与恒流源产生电路连接的情况、以及将多个二次电池体与恒流源产生 电路连接的情况的哪一种情况下，当然都能够实现再生动作。如此，通过在充电阶段对二次电池体之间的电气容量的偏差进行抑制，由此能够将全部二次电池体适当地充电到尽可能的电气容量，并且能够避免一部分二次电池体被过充电的事态，能够保护二次电池体而稳定、长期地以较高可靠性进行利用。此外，根据该结构，能够通过相同的电路来实现充电和容量偏差调整，因此能够实现电路结构的简化及处理的简化。(斩波电路)并且，作为实施例I在图10中表示充电电路的详细的电路例。该图所示的恒流源产生电路20具备斩波电路，该斩波电路由电抗器L及与该电抗器L串联连接的充电用开关22构成。充电用开关22相对于外部电源EP和电抗器L串联连接，通过充电用开关22的导通，构成将外部电源EP、电抗器L、充电用开关22连接了的闭路。此外，充电用开关22使用了半导体开关元件。在后述的图11所示的具体例中，作为半导体开关元件使用了 IGBT。IGBT能够控制电抗器L的电流，使得电抗器L向能够对二次电池体10供给电力的朝向(在图10向右)蓄积电能。此外，电抗器L连接在供给输出端子OT及供给输入端子IT之间，通过串联连接的充电用开关22的导通/截止，实现从外部电源EP供给的电力的斩波动作。即，当使充电用开关22导通时，来自外部电源EP的电力仅向电抗器L供给，当在该状态下使充电用开关22从导通切换为截止时，电抗器L所蓄积的电能被放出，经由充电路径向二次电池体10侧流入，进行充电。通过反复进行这种充电用开关22的导通/截止动作，由此向二次电池体10供给断续的充电电流，实现脉冲充电。通过控制电路40来进行充电用开关22的导通/截止。在该例子中，恒流源产生电路20由升压斩波电路构成。升压斩波电路通过升压斩波动作，能够使用较低电压的外部电源EP将二次电池体10充电为较高电压。但是，不限于该结构，例如也能够利用升降压斩波电路。在使恒流源产生电路20作为升压斩波器起作用的情况下，作为条件要求负载即被选择为充电对象的二次电池体10的电池电压(例如24V)比外部电源EP (例如20V)高。在图10的例中，恒流源产生电路20作为升降压斩波器起作用，因此没有这种电压值的限制、能够更灵活地利用。此外，图11示出了在图10的电路例中选择开关31使用了晶闸管32的电路例。根据该结构，利用被用作恒流源产生电路20的升压斩波器的截止期间，能够使被用作选择开关31的晶闸管截止，因此能够在没有特别的整流电路(Commutation Circuit)的情况下实现没有自灭弧能力的晶闸管的灭弧，能够实现极其良好地利用了晶闸管的充电控制。另外，在图2、图10等的例子中，通过一个控制电路40进行恒流源产生电路20的控制和选择开关切换电路30的控制。但是，不限于该结构，例如当然还能够分别独立地设置进行恒流源产生电路20的控制的恒流源产生电路用控制电路和进行选择开关切换电路30的控制的选择开关电路用控制电路。(实施例2平均化充电及平均化再生) 此外，在图10等中主要示出了进行平均化充电的电路例，但如上述那样通过再生动作还能够实现进一步平均化的平均化再生。作为实施例2在图12的电路图中表示能够实现这种平均化充电及平均化再生的电源装置的电路例。另外，在以下的例子中，为了使说明简化也仅图示3个(10A 10C)二次电池体10，而省略其他二次电池体的图示，但如上所述那样，二次电池体的连接数量能够任意地设定。此外，该图所示的电源装置200，作为外部电源EP连接有能够进行再生动作的电源(例如快速充电站所设置的锂离子电池)。(再生用开关24)图12的恒流源产生电路20除了图10的充电用开关22之外，还将再生用开关24与电抗器L连接。再生用开关24与充电用开关22同样，也能够利用IGBT等半导体开关元件。再生用开关24与充电用开关22相反朝向地规定再生用开关24的通电方向，使得电流在从二次电池体10侧放电的方向上(在图12中向左)流过电抗器L。因此，使再生用开关
24具有整流功能，或者与再生用开关24串联地在再生用的放电路径中连接二极管等整流元件。图13示出了在图12的电路例中作为选择开关31而使用了晶闸管32，作为充电用开关22及再生用开关24而使用了 IGBT的电路例。如此，充电用开关22及再生用开关24使用了整流元件的情况下，能够不再需要整流元件。此外，在各IGBT的发射极-集电极之间，分别反向并联地连接有二极管。这些二极管作为用于将电抗器L积蓄的能量向二次电池体10充电或者向外部电源EP再生的路径，起到对反向耐压特性不良的IGBT进行保护的作用。在该图所示的电源装置200的充电动作中，外部电源EP的外部电源电压Eep与二次电池体10的电池电压Eltl之间的关系为，在二次电池体10和恒流源产生电路20独立连接的情况下，Eep < E100另一方面，在再生动作中，若设二次电池体10的串联数量为η个、并忽略各二次电池体的电压偏差，则Eep > E10 * η。如此，在充电动作时，能够以比各电池电压低的外部电源电压进行充电，并且在通过再生动作向外部取出电力时，外部电源电压也需要高到所串联连接的电池电压体的总电压以上，相反地说即使较低的电池电压也能够进行再生动作，因此，实现使用了二次电池体的有效的充放电。(实施例3)此外，再生用开关24不限于如图12的连接例所示那样与电抗器L的两端分别连接的结构，例如当然能够如实施例3的图14所示那样，以在电抗器L的一端分支的方式进行连接。此外，图15示出了在图14的电源装置300的电路例中选择开关31使用了晶闸管32，充电用开关22及再生用开关24使用了 IGBT的电路例。此外，虽然未图示，但这些图所示的再生用开关24也与控制电路40连接，由控制电路40来控制再生用开关24导通/截止。在图12、图14所示的电源装置200、300中，在经由充电用开关22对二次电池体10进行充电时，由控制电路40将再生用开关24设定为截止。另一方面，在将二次电池体10的多余电力向外部电源EP侧进行放电的再生动作时，通过控制电路40进行切换，相反地放电用开关被切换为截止、再生用开关24成为导通。由此，能够使二次电池体放电而使电气容量减少，并且能够将放电能量向外部电源供给而进行再利用，获得了能够高效地利用能量的优点。特别是在电动汽车、混合动力汽车那样的要求较高能量效率的用途中是非常有效的。(实施例4)反之在不进行再生动作的情况下，作为实施例4能够采用图16所示那样的电路结构。该例所示的电源装置400，除了图10的充电用开关22之外，还在电抗器L的一端(图中右侧)与供给输出端子OT之间设置有充电用二极管23。充电用二极管23阻止从二次电池·体10侧向外部电源EP侧流入电流，因此在该电路中禁止再生动作，仅进行平均化充电。图17示出了在图16的电路例中选择开关31使用了晶闸管32，充电用开关22使用了 IGBT的例子。(实施例5)此外，不限于图16的电路例，作为实施例5例如还能够采用图18那样的结构。在图18所示的电源装置500的例子中，与电抗器L的端部连接的充电用二极管23，不是与充电用开关22在相同一侧连接，而是与电抗器L的另一端部连接。在该结构中，同样充电用二极管23也能够禁止从二次电池体10侧向外部电源EP侧流入电流。图19示出了在图18的电路例中选择开关31使用了晶闸管32，充电用开关22使用了 IGBT的例子。(实施例6)并且，另一方面，作为实施例6在图20中示出了用于仅进行平均化再生动作的电路例。在该电路例所示的电源装置600中，不设置充电用开关，代之将再生用开关24和再生用二极管25与电抗器L的一端连接。图21示出了在图20的电路例中选择开关31使用了晶闸管32,再生用开关24使用了 IGBT的电路例。(实施例7)此外，作为实施例7，在图22中示出了其他电源装置700的电路例。在实施例7中，如该图22所示那样，再生用开关24的连接位置，不是相对于电抗器L的端部位于与再生用二极管25相同的一侧，而是与另一端部侧连接。在该结构中，再生用开关24允许从二次电池体10侧向外部电源EP侧的再生动作，而且再生用二极管25禁止充电动作。此外，图23示出了在图22的电路例中，选择开关31使用了晶闸管32，再生用开关24使用了 IGBT的电路例。(电压检测单元26)并且，在电抗器L的两端具备用于检测电抗器两端电压的电压检测单元26。该电压检测单元26例如能够由差动放大器、电阻器等构成。电压检测单元26在通过选择开关切换电路30将恒流源产生电路20与任意的二次电池体10进行了连接的状态下，检测电抗器两端电压，由此能够检测二次电池体10的电压。例如，在图10的电路例中，通过控制电路40的控制而仅使选择开关31A及选择开关31C导通，使其他选择开关31截止。若在该状态下对二次电池体IOA进行充电，则电抗器两端电压所出现的电压与二次电池体10的电池电压相等，因此能够通过电压检测单元26检测出二次电池体10的电池电压。此外，如果通过控制电路40来切换充电路径，则能够依次检测出各二次电池体10的电池电压。如此，电压检测单元26能够通过控制电路40对各二次电池体10进行扫描、即时分割地测定全部二次电池体10的电池电压。即，通过一个电压检测单元26就能够检测多个二次电池体10的电池电压，并且二次电池体10的切换能够利用上述的充电用的选择开关31来进行，因此几乎不需要增加部件数量，就能得到能够使用于检测全部二次电池体10的电池电压的电路结构极其简化的优点。另外，各二次电池体10的电池电压的检测，优选在充电的开始前进行。特别是，由于能够根据二次电池体10的电池电压来运算S0C，因此能够在预先掌握了各二次电池体10的剩余容量的基础上调整成适当的充电电流。此外，在充电过程中，还能够一边在适当的定时、例如以一定周期通过电压检测单元26来检测二次电池体10的电池电压一边监视充电的形态。 如以上那样，二次电池体10的电池电压能够在充电开始前进行检测，或者在充电过程中以一定周期等的规定定时进行检测。而且，在二次电池体10的电池电压达到一定电压时，控制电路40使选择开关31截止，结束对该二次电池的充电。(时序图)接下来，图24 图25示出了对实施例I的电源装置的动作进行表示的时序图。在此，示出了充电用开关22导通时和截止时的晶闸管32A 32N的各选择电路和电流路径。此外，电源装置作为一个例子将电压检测单元26与取样保持电路SH连接。在这些图中，图
24(a) 图24 (c)示出了对二次电池体IOA进行充电的形态，图24 (a)示出了对各部分的波形进行表不的时序图，图24 (b)不出了充电用开关22导通时的电流路径，图24 (c)/j\出了充电用开关22截止时的电流路径。在图24 (a)中，在电感L的电压波形矩形波的栏中，如(b)所示那样，在充电用开关22导通时，朝向电感L的电流k增加，晶闸管32A中不流动有电流I32a而成为截止。另一方面，在图24 (aM^ex的栏中，如(C)所示那样，在充电用开关22截止时，晶闸管32A通过栅极信号而导通，流动有电流I32a，朝向电感L的电流Il减少。另外，在图24 (b) 图24 (c)中，晶闸管32的导通状态以涂黑表不,截止状态以空心表示。每当充电用开关22导通时，晶闸管32A能够截止。晶闸管32A的电流I324成为如图24 (a)所示那样的脉冲波形。此外，电感L的两端的电压ex，如图24 (a)所示那样，成为交替施加外部电源EP的电压Ep和二次电池体IOA的电压Eicia的矩形波状。并且，通过对电压检测单元26的取样保持动作，能够检测二次电池体IOA的电压E1QA。此外，图25 (a) 图25 (e)示出了对二次电池体IOA ION进行充电的形态。在该图中，图25 (a)示出了对各部分的波形进行表示的时序图，图25 (b)示出了充电用开关22导通时的电流路径，图25 (c)示出了充电用开关22截止而选择了二次电池体IOA时的电流路径，图25 (d)示出了充电用开关22截止而选择了二次电池体IOB时的电流路径，图
25Ce)表示充电用开关22截止而选择了二次电池体ION时的电流路径。在图25 (a)中，(b)/ (C)表示对二次电池体IOA进行充电的期间，进行上述的图
24的动作。在该期间中，首先如图25 (b)所示那样，在充电用开关22导通时，朝向电感L的电流增加，32A 32N中不流动有电流而成为截止。此外，如图25 (c)所示那样，在充电用开关22截止且选择了二次电池体IOA时，晶闸管32A通过栅极信号而导通，流动有电流I32a，朝向电感L的电流k减少。在该期间中，重复这些图25 (b)和图25 (c)的动作，因此电感L的两端的电压ex成为交替施加外部电源EP的电压EP和二次电池体IOA的电
SEicia的矩形波。并且，在图25 (a)中，(b)/ (d)表示对二次电池体IOB进行充电的的期间。在该(b)/ (d)期间中，与上述(b)/ (c)期间同样，如图25 (b)所示那样，在充电用开关22导通时，朝向电感L的电流L增加，晶闸管32A 32N中不流动有电流而成为截止。而且，在图25 (d)中，在充电用开关22截止且选择了二次电池体IOB时，晶闸管32B通过栅极信号而导通，流动有电流I32b，朝向电感L的电流込减少。在该(b)/ (d)期间中，电感L的两端的电压ex成为交替施加外部电源EP的电压EP和二次电池体IOB的电压Eicib的矩形波。并且，在图25 (a)中，(b)/ (e)表示对二次电池体ION进行充电的期间。在该(b)/ (e)期间中，也与上述的(b)/ (C)期间、(b)/ (d)期间同样，如图25 (b)所示那样，在充电用开关22导通时，朝向电感L的电流L增加，晶闸管32A 32N中不流动有电流而·成为截止。而且，在图25 (e)中，在充电用开关22截止且选择了二次电池体ION时，晶闸管32N通过栅极信号而导通，流动有电流I32n，朝向电感L的电流L减少。该(b)/ (e)期间的电感L的两端的电压ex为交替施加的外部电源EP的电压EP和电压E1QN。此外，在图25的例中，通过取样保持电路SH的取样保持动作，也能够在取样保持电路SH的输出eB中检测出所选择的各二次电池体的电压Eicia Eicin。另外，电压检测单元不限定于取样保持电路，也能够适当地利用其他结构。如以上说明的那样，根据本发明，通过极其简单的电路结构，能够进行各二次电池体的平均化充电控制，因此在构成需要较高电压的电动汽车、无停电电源等的直流电压源的情况下，系统结构能够极其简化，并且不产生过充放电，因此能够提高二次电池体的长寿命化和安全性,并且能够实现低成本化。工业可利用性本发明的电源装置及充电电路，能够良好地利用于混合动力车、插电混合动力车、电动汽车等的驱动用电源。此外，并不限于车辆用电源，还能够利用于在辅助自行车、电动工具、无停电电源(UPS)、工厂的驱动用电源等中利用的大容量的蓄电池单元等其他电源装置。附图标记说明100，200，300，400，500，600，700...电源装置10，10A, 10B, 10C, 10D, ION…二次电池体20…恒流源产生电路22…充电用开关23…充电用二极管24…再生用开关25…再生用二极管26…电压检测单元30…选择开关切换电路
31，31A 31H…选择开关32，32A 32H…晶闸管40…控制电路90…充电状态调整装置91…单位单元电池92…平均充电用电容器93…循环连接单元EP…外部电源 OT…供给输出端子IT…供给输入端子LD…负载PC…正极侧充电路径NC…负极侧充电路径L···电抗器
权利要求
1.一种电源装置，其特征在于，具备 多个二次电池体(10)，相互串联连接，分别具备正极和负极； 恒流源产生电路(20)，具备供给用于对上述二次电池体(10)进行充电的电力的供给输出端子(OT)和供给输入端子(IT);以及 选择开关切换电路(30)，使得能够通过上述恒流源产生电路(20)对各二次电池体(10)独立地供给不同的充电电流， 上述选择开关切换电路(30)具有 选择开关(31)，与各二次电池体(10)分别连接，能够独立地构成对该二次电池体(10)进行充电的充电路径；以及 控制电路(40)，对多个上述选择开关(31)的导通/截止进行控制； 上述控制电路(40 )通过对上述选择开关(31)的导通/截止进行控制，来构成相对于任意的二次电池体(10)的充电路径并且解除相对于其他二次电池的充电路径； 上述恒流源产生电路(20)具备斩波电路，该斩波电路包括 电抗器(L)，连接在上述供给输出端子(OT)和供给输入端子(IT)之间；以及 充电用开关(22)，与上述电抗器(L)串联连接，由上述控制电路(40)控制导通/截止； 将上述斩波电路与外部电源(EP)连接，对上述二次电池体(10)进行充电。
2.一种电源装置，其特征在于，具备 多个二次电池体(10)，相互串联连接，分别具备正极和负极； 恒流源产生电路(20)，具备供给用于对上述二次电池体(10)进行充电的电力的供给输出端子(OT)和供给输入端子(IT)； 多个正极侧充电路径(PC)和多个负极侧充电路径(NC)，为了通过上述恒流源产生电路(20 )对各二次电池体(10 )进行充电，该多个正极侧充电路径(PO将各二次电池体(10 )的正极与上述供给输出端子(OT)分别连接，该多个负极侧充电路径(NC)将各二次电池体(10)的负极与上述供给输入端子(IT)分别连接； 多个选择开关(31)，分别设置在上述正极侧充电路径(PC)及负极侧充电路径(NC)中；以及 控制电路(40 )，对上述多个选择开关(31)的导通/截止进行控制。
3.如权利要求I或2所述的电源装置，其特征在于， 还具备 电压检测单元(26)，检测上述电抗器(L)的两端电压； 上述控制电路(40)针对任意的二次电池体(10)，将配置在对该二次电池体(10)和上述电抗器(L)进行连接的正极侧充电路径(PC)及负极侧充电路径(NC)中的各选择开关(31)分别切换为导通，并且将其他选择开关(31)切换为截止，从而仅使该二次电池体(10)与上述电抗器(L)连接，由此，能够通过上述电压检测单元(26)检测该二次电池体(10)的电池电压。
4.如权利要求I 3中任一项所述的电源装置，其特征在于， 上述控制电路(40)以时分割对各二次电池体(10)的电池电压进行测定。
5.如权利要求I 4中任一项所述的电源装置，其特征在于， 上述控制电路(40 )能够对上述选择开关(31)进行导通/截止控制，使得同时对任意的多个二次电池体(10)进行充电。
6.如权利要求I 5中任一项所述的电源装置，其特征在于， 上述选择开关(31)是没有自灭弧能力的元件。
7.如权利要求I 6中任一项所述的电源装置，其特征在于， 上述选择开关(31)为晶闸管(32)。
8.如权利要求I 7中任一项所述的电源装置，其特征在于， 上述二次电池体(10 )是通过将多个电池单元串联连接或并联连接而构成的。
9.一种充电电路，能够对相互串联连接且分别具备正极和负极的多个二次电池体(10)进行充电，其特征在于，具备 恒流源产生电路(20)，具备供给用于对二次电池体(10)进行充电的电力的供给输出端子(OT)和供给输入端子(IT)； 多个正极侧充电路径(PC)和多个负极侧充电路径(NC)，为了通过上述恒流源产生电路(20)对各二次电池体(10)进行充电，该多个正极侧充电路径(PC)能够将各二次电池体(10)的正极与上述供给输出端子(OT)分别连接，该多个负极侧充电路径(NC)能够将各二次电池体(10)的负极与上述供给输入端子(IT)分别连接； 多个晶闸管(32)，分别设置在上述正极侧充电路径(PC)及负极侧充电路径(NC)中；以及 控制电路(40)，能够独立地进行上述多个晶闸管(32)的导通控制， 上述恒流源产生电路(20)具备斩波电路，该斩波电路包括 电抗器(L)，连接在上述供给输出端子(OT)和供给输入端子(IT)之间；以及 充电用开关(22)，与上述电抗器(L)串联连接，由上述控制电路(40)控制导通/截止； 将上述斩波电路与外部电源(EP)连接，对上述二次电池体(10)进行充电。
全文摘要
防止二次电池过充电，根据各二次电池的电气特性进行最佳充电。选择开关切换电路(30)具有晶闸管(32)，与各二次电池体(10)分别连接，能独立地构成对二次电池体(10)充电的充电路径；控制电路(40)，控制多个晶闸管(32)的导通/截止；控制电路(40)控制晶闸管(32)的导通/截止来构成任意二次电池体(10)的充电路径并解除其他二次电池的充电路径；恒流源产生电路(20)具备斩波电路，斩波电路包括电抗器(L)，连接在供给输出端子(OT)和供给输入端子(IT)间；充电用开关(22)，与电抗器(L)串联，由控制电路(40)控制导通/截止；将斩波电路与外部电源(EP)连接，对二次电池体(10)充电。
文档编号H01M2/10GK102934317SQ20118002332
公开日2013年2月13日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月11日
发明者大西德生 申请人:国立大学法人德岛大学