CN116742735A - 电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源系统，具备不依赖于栅极驱动信号而从串联连接强制地断开电池模块所包括的电池的强制断开部，根据能够串联连接的电池的最大电压和表示应输出的电压的电压指令值，求出能够从串联连接强制地断开的电池模块所包括的电池的个数，通过强制断开部将该个数的电池从串联连接强制地断开。

Description

电源系统
技术领域
本发明涉及电源系统。
背景技术
利用一种将多个电池模块串联地连接而向负载供给电力(动力运行(power-run))的电源装置。在将电池模块中包括的电池设为二次电池的情况下，也能够从负载侧向电池进行充电(再生)。在这样的电源装置中，提出了具备基于栅极驱动信号将各电池模块与负载连接或断开的开关电路的电源装置(日本特开2018-174607)。
发明内容
另外，在以往的电源系统中，通过与电压指令值、导通时间无关地从串联连接移除构成各相的串(string)的多个电源模块之中的任意的电源模块，从而使各电源模块所包括的电池的SOC均衡化。另一方面，在为了使SOC均衡化而从串联连接移除了电源模块的状态下，为了确保输出电压的最大值，需要额外地设置电源模块。因而，有可能使电源系统的制造成本增加、或招致电池的利用率降低。
本发明的第一形态所涉及的电源系统使用多组电池模块组，所述电池模块组包括多个具有电池的电池模块，所述电源系统能够基于来自控制器的栅极驱动信号将多个所述电池模块内的所述电池相互串联连接，所述电源系统的特征在于，所述电源系统具备强制断开部，该强制断开部不依赖于所述栅极驱动信号而从所述串联连接强制地断开所述电池模块所包括的所述电池，所述电源系统根据能够进行所述串联连接的所述电池的最大电压和表示应输出的电压的电压指令值，求出能够从所述串联连接强制地断开的所述电池模块所包括的所述电池的个数，通过所述强制断开部将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开。
本发明的第二形态所涉及的电源系统使用多组电池模块组，所述电池模块组包括多个具有电池的电池模块，所述电源系统能够基于来自控制器的栅极驱动信号将多个所述电池模块内的所述电池相互串联连接，所述电源系统的特征在于，所述电源系统具备强制断开部，该强制断开部不依赖于所述栅极驱动信号而从所述串联连接强制地断开所述电池模块所包括的所述电池，所述电源系统根据最大容许导通时间和导通时间指令，求出能够从所述串联连接强制地断开的所述电池模块所包括的所述电池的个数，通过所述强制断开部将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开。
在此，在上述第一形态以及第二形态中，所述电源系统也可以在相对于能够进行所述串联连接的所述电池的最大电压而言输出电压有余量的情况下，通过所述强制断开部进行将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开的处理。
另外，在上述第一形态以及第二形态中，所述电源系统也可以在放电时，按照SOC从小到大的顺序，通过所述强制断开部进行将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开的处理。
另外，在上述第一形态以及第二形态中，所述电源系统也可以在充电时，按照SOC从大到小的顺序，通过所述强制断开部进行将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开的处理。
另外，在上述第一形态以及第二形态中，所述电源系统也可以将至少3组的所述电池模块组进行Y形接线，并且输出分别相差120°相位的交流电压。
根据本发明的各形态，可提供一种能够减少额外设置的电源模块并且有效地利用电池的电源系统。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中如下。
图1是示出本发明的实施方式中的电源装置的基本结构的图。
图2是说明本发明的实施方式中的电池模块的控制的时序图。
图3A是示出本发明的实施方式中的电池模块的作用的图。
图3B是示出本发明的实施方式中的电池模块的作用的图。
图4是说明本发明的实施方式中的电源装置的控制的时序图。
图5是说明本发明的实施方式中的强制断开控制的具体例的时序图。
图6是示出本发明的实施方式中的三相交流电源的结构的图。
图7是示出从本发明的实施方式中的三相交流电源输出的三相平衡时的串电压(string voltage)的图。
图8是示出从本发明的实施方式中的三相交流电源输出的三相平衡时的相间电压的图。
图9A是示出本发明的实施方式中的相电压、串电流(string current)、电池电流以及占空比的时间变化的例子的图。
图9B是示出本发明的实施方式中的相电压、串电流、电池电流以及占空比的时间变化的例子的图。
图9C是示出本发明的实施方式中的相电压、串电流、电池电流以及占空比的时间变化的例子的图。
图10示出本发明的第一控制方法中的长周期控制的流程图。
图11示出本发明的第一控制方法中的短周期控制的流程图。
图12是示出本发明的实施方式中的三相交流电源的具体结构例的图。
图13是本发明的实施方式中的三相交流电源的系统互连控制的框图。
图14是本发明的实施方式中的三相交流电源的系统互连控制的框图。
图15示出本发明的第二控制方法中的短周期控制的流程图。
图16是示出本发明的实施方式中的仿真所使用的电池容量的总体的分布的图。
图17是示出本发明的实施方式中的AC有源平衡控制的仿真结果的图。
图18是示出本发明的实施方式中的DC有源平衡控制的仿真结果的图。
图19是示出本发明的实施方式中的无有源平衡控制的仿真结果的图。
图20是示出本发明的实施方式中的仿真所使用的电池容量的总体的分布的图。
图21是示出本发明的实施方式中的AC有源平衡控制的仿真结果的图。
图22是示出本发明的实施方式中的DC有源平衡控制的仿真结果的图。
图23是示出本发明的实施方式中的无有源平衡控制的仿真结果的图。
图24是示出本发明的实施方式中的电池容量的用尽率(exhaustion rate)的平均值的仿真结果的图。
图25是示出本发明的实施方式中的电池容量的用尽率的最小值的仿真结果的图。
具体实施方式
电源电路的基本结构
如图1所示，本实施方式中的电源电路100(电源模块组)构成为包括电池模块102和控制器104。电源电路100构成为包括多个电池模块102(102a、102b、……102n)。电源电路100所包括的多个电池模块102能够对连接于端子T1以及T2的负载(未图示)供给电力(动力运行)，或者从连接于端子T1以及T2的电源(未图示)充入电力(再生)。
电池模块102构成为包括电池10、扼流线圈12、电容器14、第一开关元件16、第二开关元件18、栅极驱动信号处理电路20、AND(逻辑与)元件22、OR(逻辑或)元件24以及NOT(逻辑非)元件26。在本实施方式中，各电池模块102具备相同的结构。各电源电路100所包括的电池模块102内的电池10能够在控制器104的控制下相互串联地连接。
电池10包括至少一个二次电池。电池10例如能够成为将锂离子电池、镍氢电池等串联或/和并联连接多个而成的结构。扼流线圈12以及电容器14构成将来自电池10的输出进行平滑化而输出的平滑电路(低通滤波器电路)。即，由于使用二次电池作为电池10，因此为了抑制由内部电阻损耗的增加引起的电池10的劣化，通过电池10、扼流线圈L以及电容器14来形成RLC滤波器而实现了电流的平均化。此外，扼流线圈12以及电容器14并非是必须的结构，也可以不设置它们。
第一开关元件16包括用于使电池10的输出端进行短路的开关元件。在本实施方式中，第一开关元件16成为针对作为开关元件的场效应晶体管并联地连接续流二极管而成的结构。第二开关元件18在电池10与第一开关元件16之间串联连接于电池10。在本实施方式中，第二开关元件18成为针对作为开关元件的场效应晶体管并联地连接续流二极管而成的结构。第一开关元件16以及第二开关元件18根据来自控制器104的栅极驱动信号而被进行开关控制。此外，在本实施方式中，第一开关元件16以及第二开关元件18为场效应晶体管，但也可以应用IGBT等其它种类的开关元件。
栅极驱动信号处理电路20是基于从控制器104输入到电池模块102的栅极驱动信号来控制电池模块102的电路。栅极驱动信号处理电路20包括使栅极驱动信号延迟预定的时间的延迟电路。在电源电路100中，对各电池模块102(102a、102b、……102n)分别设置有栅极驱动信号处理电路20，它们被串联连接。因而，从控制器104输入的栅极驱动信号被各延迟预定的时间的同时依次被输入到各电池模块102(102a、102b、……102n)。在后面叙述基于栅极驱动信号的控制。
AND元件22构成根据强制切断信号将电池模块102内的电池10从串联连接状态强制地断开的切断部。另外，OR元件24构成根据强制连接信号将电池模块102内的电池10强制地连接为串联连接状态的连接部。AND元件22以及OR元件24从控制器104接收强制切断信号或强制连接信号而被控制。向AND元件22的一个输入端子输入来自控制器104的控制信号，向另一个输入端子输入来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号。另外，向OR元件24的一个输入端子输入来自控制器104的控制信号，向另一个输入端子输入来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号。来自AND元件22以及OR元件24的输出信号被输入到第二开关元件18的栅极端子。另外，来自AND元件22以及OR元件24的输出信号经由NOT元件26被输入到第一开关元件16的栅极端子。
在通常控制时，从控制器104对AND元件22输入高(H)电平的控制信号，对OR元件24输入低(L)电平的控制信号。因而，栅极驱动信号直接被输入到第二开关元件18的栅极端子，将栅极驱动信号进行反转得到的信号被输入到第一开关元件16的栅极端子。由此，在栅极驱动信号为高(H)电平时第一开关元件16成为截止状态且第二开关元件18成为导通状态，在栅极驱动信号为低(L)电平时第一开关元件16成为导通状态且第二开关元件18成为截止状态。即，在栅极驱动信号为高(H)电平时电池模块102内的电池10成为与其它的电池模块102内的电池10串联地连接的状态，在栅极驱动信号为低(L)电平时电池模块102内的电池10成为与其它的电池模块102内的电池10断开的穿通状态(through state)。
在强制切断时，控制器104向成为强制地断开的对象的电池模块102的AND元件22以及OR元件24发送强制切断信号。从控制器104向AND元件22输入低(L)电平的控制信号(强制切断信号)，向OR元件24输入低(L)电平的控制信号(强制切断信号)。由此，从AND元件22输出低(L)电平，经由OR元件24，并通过NOT元件26向第一开关元件16的栅极端子输入高(H)电平，向第二开关元件18的栅极端子输入低(L)电平。因而，第一开关元件16始终成为导通状态，第二开关元件18始终成为截止状态，电池模块102内的电池10不依赖于栅极驱动信号的状态而成为从串联连接强制地被断开的状态(直通状态(pass-through state))。
这样的强制切断控制能够利用于对电源电路100中的电池模块102内的电池10的SOC的失衡进行抑制的控制。即，在电源电路100处于放电状态的情况下，参与电源电路100的输出的电池模块102内的电池10的SOC降低，与此相对，通过将电池模块102内的电池10设为强制切断状态，能够维持该电池模块102内的电池10的SOC。另外，在电源电路100处于充电状态的情况下，参与电源电路100的充电的电池模块102内的电池10的SOC增加，与此相对，通过将电池模块102内的电池10设为强制切断状态，能够维持该电池模块102内的电池10的SOC。
在强制连接时，控制器104对成为强制地连接的对象的电池模块102的AND元件22以及OR元件24发送强制连接信号。从控制器104向电池模块102的OR元件24输入高(H)电平的控制信号(强制连接信号)。由此，从OR元件24输出高(H)电平，通过NOT元件26向第一开关元件16的栅极端子输入低(L)电平，向第二开关元件18的栅极端子输入高(H)电平。因而，第一开关元件16始终成为截止状态，第二开关元件18始终成为导通状态，电池模块102内的电池10不依赖于栅极驱动信号的状态而成为强制地以串联连接方式连接的状态。
这样的强制连接控制能够利用于对电源电路100中的电池模块102内的电池10的SOC的失衡进行抑制的控制。即，在电源电路100处于放电状态的情况下，针对根据栅极驱动信号而被间歇地串联连接的电池模块102内的电池10的SOC的降低，能够使被设为强制连接状态的电池模块102内的电池10的SOC更快地降低。另外，在电源电路100处于充电状态的情况下，针对根据栅极驱动信号而被间歇地串联连接的电池模块102内的电池10的SOC的增加，能够使被设为强制连接状态的电池模块102内的电池10的SOC更快地增加。
此外，在本实施方式的电源电路100中，设为从控制器104直接控制AND元件22以及OR元件24中的任一方或两方的结构，但也可以设为从控制器104经由栅极驱动信号处理电路20来控制AND元件22以及OR元件24的结构。
通常控制
下面，参照图2对电源电路100的控制进行说明。在通常控制时，从控制器104向各电池模块102(102a、102b、……102n)的AND元件22输入高(H)电平的控制信号。另外，从控制器104向各电池模块102(102a、102b、……102n)的OR元件24输入低(L)电平的控制信号。因而，来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号经由NOT元件26作为反转信号而被输入到第一开关元件16的栅极端子，来自栅极驱动信号处理电路20的栅极驱动信号直接被输入到第二开关元件18的栅极端子。
图2示出与电池模块102a的动作有关的时序图。另外，在图2中，示出了对电池模块102a进行驱动的栅极驱动信号D1的脉冲波形、表示第一开关元件16的开关状态的矩形波D2、表示第二开关元件18的开关状态的矩形波D3以及由电池模块102a输出的电压Vmod的波形D4。
在电池模块102a的初始状态下、即在未输出栅极驱动信号的状态下，第一开关元件16为导通状态，第二开关元件18为截止状态。然后，当从控制器104向电池模块102a输入栅极驱动信号时，通过PWM控制对电池模块102a进行开关控制。在该开关控制中，第一开关元件16与第二开关元件18交替地被切换为导通状态/截止状态。
如图2所示，当从控制器104输出栅极驱动信号D1时，根据该栅极驱动信号D1来驱动电池模块102a的第一开关元件16以及第二开关元件18。第一开关元件16根据与栅极驱动信号D1的上升相应的来自NOT元件26的信号的下降，从导通状态切换为截止状态。另外，第一开关元件16从栅极驱动信号D1的下降起延迟少许的时间(失效时间(dead time)dt)而从截止状态切换为导通状态。
另一方面，第二开关元件18从栅极驱动信号D1的上升起延迟少许的时间(失效时间dt)而从截止状态切换为导通状态。另外，第二开关元件18与栅极驱动信号D1的下降同时地从导通状态切换为截止状态。这样，第一开关元件16与第二开关元件18以交替地切换导通状态/截止状态的方式被开关控制。
此外，第一开关元件16在栅极驱动信号D1的下降时延迟少许的时间(失效时间dt)而进行动作、以及第二开关元件18在栅极驱动信号D1的上升时延迟少许的时间(失效时间dt)而进行动作这是为了防止第一开关元件16和第二开关元件18同时成为导通状态。即，防止第一开关元件16和第二开关元件18同时导通而使电池10短路。使该动作延迟的失效时间dt例如被设定为100ns，但能够适当地设定。此外，在失效时间dt中电流在二极管中回流，成为与和该回流的二极管并联的开关元件导通时相同的状态。
通过这样的控制，电池模块102a在栅极驱动信号D1为截止时(即，第一开关元件16导通且第二开关元件18截止)，电容器14和电池10从电池模块102a的输出端子断开。因而，从电池模块102a不会向输出端子输出电压。在该状态下，如图3A所示成为电池模块102a的电池10(电容器14)被旁通的穿通状态。
另外，在栅极驱动信号D1为导通时(即，第一开关元件16截止且第二开关元件18导通)，电容器14以及电池10与电池模块102a的输出端子连接。因而，从电池模块102a向输出端子输出电压。在该状态下，如图3B所示，经由电池模块102a中的电容器14向输出端子输出电压Vmod。
返回到图1，说明控制器104对电源电路100的控制。控制器104控制电池模块102整体。即，控制多个电池模块102a、102b、……102n来控制作为电源电路100的输出电压。
控制器104向各电池模块102输出矩形波的栅极驱动信号。按照电池模块102a所包括的栅极驱动信号处理电路20、电池模块102b所包括的栅极驱动信号处理电路20……那样依次向后级的电池模块102传递栅极驱动信号。即，从在电源电路100中被串联地连接的电池模块102的最上游侧起，使栅极驱动信号依次各延迟预定的延迟时间后向下游侧传递。
在通常控制时，向AND元件22输入高(H)电平的控制信号，向OR元件24输入低(L)电平的控制信号，因此从各电池模块102的栅极驱动信号处理电路20输出的栅极驱动信号直接被输入到第二开关元件18的栅极端子，使栅极驱动信号反转得到的信号被输入到第一开关元件16的栅极端子。因而，在栅极驱动信号为高(H)电平时第一开关元件16成为截止状态且第二开关元件18成为导通状态，在栅极驱动信号为低(L)电平时第一开关元件16成为导通状态且第二开关元件18成为截止状态。
即，在栅极驱动信号为高(H)电平时，电池模块102内的电容器14以及电池10成为与其它的电池模块102内的电容器14以及电池10串联地连接的状态(连接状态)，在栅极驱动信号为低(L)电平时，电池模块102内的电容器14以及电池10成为与其它的电池模块102内的电容器14以及电池10断开的穿通状态。
图4示出使电池模块102a、102b、……102n中的预定个数的电池模块依次以连接状态进行动作而输出电力的控制序列。如图4所示，根据栅极驱动信号，电池模块102a、102b、……102n以具有一定的延迟时间的方式从上游侧向下游侧依次被驱动。在图4中，期间E1表示电池模块102a、102b、……102n的第一开关元件16截止且第二开关元件18导通而电池模块102a、102b、……102n从输出端子输出电压的状态(连接状态)。另外，期间E2表示电池模块102a、102b、……102n的第一开关元件16导通且第二开关元件18截止而电池模块102a、102b、……102n未从输出端子输出电压的状态(穿通状态)。这样，电池模块102a、102b、……102n以具有一定的延迟时间的方式依次被驱动。
参照图4，对栅极驱动信号、延迟时间的设定进行说明。通过将电池模块102a、102b、……102n的延迟时间进行合计来设定栅极驱动信号的周期T。因此，使延迟时间越长，则栅极驱动信号的频率变得越低。相反地，使延迟时间越短，则栅极驱动信号的频率变得越高。在后面叙述如何设定该频率(开关频率)。
下面，为了简化说明，说明对各电池模块102不进行强制切断以及强制连接的情况。利用电源电路100的输出电压/电池模块102a、102b、……102n的合计电压(在各电池模块102的电池电压相等的情况下是电池模块102的电池电压×电池模块数)，计算栅极驱动信号在周期T中的导通时间比率D(导通占空比)、即栅极驱动信号处于高(H)电平的时间TON相对周期T的比率。即，导通时间比率D＝(电源电路100的输出电压)/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数)。此外，严格来说，导通时间比率会偏移失效时间dt，因此优选为如在斩波电路中通常进行的那样通过反馈或前馈来进行导通时间比率的校正。
如上所述，在各电池模块102的电池电压相等的情况下，电源电路100的输出电压通过对电池模块102的电池电压乘以处于连接状态的电池模块102的数量而得到的值来表示。如果电源电路100的输出电压是能被一个电池模块102的电池电压除尽的值，则在电池模块102从穿通状态切换为连接状态的瞬间，其它的电池模块102从连接状态切换为穿通状态，因此电池模块102的整体的输出电压没有变动。
但是，如果电源电路100的输出电压是不能被各电池模块102的电池电压除尽的值，则电源电路100的输出电压(整体的输出电压)会变动。但是，此时的变动振幅是一个电池模块量的电压，另外该变动周期为栅极驱动信号的周期T/电池模块102的总数。能够通过增加电池模块102的总数来缩短变动周期，另外能够将电源电路100整体的寄生电感设为大的值，因此该电压变动被滤波而能够使电源电路100的输出电压变稳定。
接着，对具体例进行说明。在图4中，例如假设作为电源电路100的期望的输出电压为400V，各电池模块102的电池电压为15V，电池模块102a、102b、……102n的数量为40个，延迟时间为200ns。此外，这个情况相当于电源电路100的输出电压(400V)不能被电池模块102的电池电压(15V)除尽的情况。
基于这些数值，栅极驱动信号的周期T通过延迟时间×电池模块总数来计算，因此成为200ns×40个＝8μs。因而，栅极驱动信号成为相当于125kHz的频率的矩形波。另外，通过电源电路100的输出电压/(电池模块102的电池电压×电池模块102的总数)来计算栅极驱动信号的导通时间比率D，因此导通时间比率D成为400V/(15V×40个)≈0.67。
当基于这些数值来依次驱动电池模块102a、102b、……102n时，作为电源电路100而言，得到图4中的矩形波状的输出电压H1。该输出电压H1在390V与405V之间变动。即，输出电压H1以通过栅极驱动信号的周期T/电池模块总数来计算出的周期、即8μs/40个＝200ns(相当于5MHz)进行变动。该变动通过由电池模块102a、102b、……102n的布线产生的寄生电感而被滤波，作为电源电路100整体而言输出约400V的输出电压H2。
此外，在连接状态的情况下，在各电池模块102的第二开关元件18中流过电流，如图4所示，第二开关元件18的电流波形J1成为矩形波。另外，由于电池10和电容器14形成了RLC滤波器，因此在各电池模块102内的电池10中流过被滤波并被平均化的电流J2。这样，在所有的电池模块102a、102b、……102n中电流波形是一样的，另外能够从所有的电池模块102a、102b、……102n均衡地输出电流。
如以上说明那样，在控制电源电路100时，使输出到最上游侧的电池模块102a的栅极驱动信号延迟一定时间而输出到下游侧的电池模块102b，进而使该栅极驱动信号延迟一定时间而依次传递到下游侧的电池模块102，因此电池模块102a、102b、……102n一边延迟一定时间一边分别依次输出电压。然后，通过将这些电压进行合计，输出作为电源电路100的电压。由此，能够从电源电路100输出期望的电压。
根据电源电路100，不需要DCDC转换器，能够使电路的结构简单化。另外，也不需要发生电力损耗的平衡电路等，能够提高电源电路100的效率。而且，从多个电池模块102a、102b、……102n大致均衡地输出电压，因此驱动也不会集中到特定的电池模块102，能够减小电源电路100的内部电阻损耗。
另外，通过调整导通时间比率D，能够生成电池电压的总和以下的期望的输出电压，能够提高作为电源电路100的通用性。
强制断开控制
接着，说明将多个电池模块102(102a、102b、……102n)之中的所选择的电池模块102内的电池10强制地断开的控制。控制器104向作为强制地断开的对象的电池模块102的AND元件22以及OR元件24输出强制切断信号。即，向属于成为强制切断的对象的电池模块102的AND元件22输出低(L)电平的控制信号，向OR元件24输出低(L)电平的控制信号。由此，从AND元件22输出低(L)电平，经由OR元件24，并通过NOT元件26向第一开关元件16的栅极端子输入高(H)电平，向第二开关元件18的栅极端子输入低(L)电平。因而，第一开关元件16始终成为导通状态，第二开关元件18始终成为截止状态，相应的电池模块102内的电池10不依赖于栅极驱动信号的状态而成为被强制地断开的状态(直通状态)。通过使用这样的强制断开控制，在特定的电池模块102内的电池10发生了故障的情况下进行断开从而能够使动作继续。强制切断的情况下的导通时间比率D通过(电源电路100的输出电压)/(除了强制切断状态的电池模块102以外的电池模块102的合计电压)来表示。在电池模块102a、102b、……102n内的电池10发生了故障的情况下，排除发生了故障的该电池10，仅使用正常的电池模块102来重新设定栅极驱动信号的周期T、导通时间比率D，由此能够得到期望的电压。即，即使在电池模块102a、102b、……102n内的电池10发生了故障的情况下，也能够继续输出期望的电压。另外，能够利用于在各电池模块102的电池容量存在偏差的情况下对电池模块102内的电池10的SOC的失衡进行抑制的控制。
例如，在电源电路100处于动力运行状态的情况下，从电源电路100所包括的电池模块102的电池10中将SOC相对低的电池模块102内的电池10设为强制切断状态，从而被强制切断的电池10的电力消耗量(每单位时间的放电电流累计量)变少，能够消除电池模块102内的电池10的SOC的失衡。其结果，能够使电池模块102内的电池10的SOC接近SOC控制目标值。另外，能够高效地用尽各电池模块102内的电池10的充电能量。
另外，也可以并非在动力运行状态时而是在再生状态时进行将电池模块102内的电池10的SOC的失衡消除的控制。在该情况下，进行将SOC相对高的电池模块102内的电池10强制地断开的控制，优先向SOC相对低的电池模块102内的电池10再生电力，由此消除电池模块102内的电池10的SOC的失衡。即，向电池模块102内的电池10之中的SOC相对高的电池模块102内的电池10的电力供给(每单位时间的充电电流累计量)变少，能够消除电池模块102内的电池10的SOC的失衡。其结果，能够使电池模块102内的电池10的SOC接近SOC控制目标值。另外，能够平衡良好地对电源电路100所包括的所有的电池模块102内的电池10进行充电。而且，能够防止充电容量小的电池模块102内的电池10的过充电。
强制连接控制
接着，说明将多个电池模块102(102a、102b、……102n)内的电池10之中的所选择的电池强制地连接的控制。控制器104向作为强制地连接的对象的电池模块102的OR元件24输出强制连接信号。即，向属于成为强制连接的对象的电池模块102的OR元件24输出高(H)电平的控制信号。
由此，从OR元件24输出高(H)电平，通过NOT元件26向第一开关元件16的栅极端子输入低(L)电平，向第二开关元件18的栅极端子输入高(H)电平。因而，第一开关元件16始终成为截止状态，第二开关元件18始终成为导通状态，电池模块102内的电池10不依赖于栅极驱动信号的状态而成为被强制地以串联连接方式连接的状态。这样的强制连接控制能够利用于对电源电路100中的电池模块102内的电池10的SOC的失衡进行抑制的控制。
例如，在电源电路100处于再生状态的情况下，从电源电路100所包括的电池模块102内的电池10中将SOC相对低的电池模块102内的电池10设为强制连接状态，从而优先地利用再生电力对被强制连接的电池10进行充电，每单位时间的充电电流累计量变多，能够消除电池模块102内的电池10的SOC的失衡。其结果，能够使电池模块102内的电池10的SOC接近SOC控制目标值。另外，能够平衡良好地对电源电路100所包括的所有的电池模块102内的电池10进行充电。
另外，也可以并非在再生状态时而是在动力运行状态时进行将电源电路100所包括的电池模块102内的电池10的SOC的失衡消除的控制。在该情况下，进行将SOC相对高的电池模块102内的电池10强制地连接的控制，增大SOC相对高的电池模块102内的电池10的电力消耗量，从而消除SOC的失衡。即，从电池模块102内的电池10中，来自SOC相对高的电池模块102内的电池10的电力供给(每单位时间的放电电流累计量)变大，能够消除电池模块102内的电池10的SOC的失衡。其结果，能够使电池模块102内的电池10的SOC接近SOC控制目标值。另外，能够高效地用尽电源电路100所包括的所有的电池模块102内的电池10的充电能量。
强制断开的具体例
图5呈现示出了应用强制断开控制的电源电路100的电池模块102内的电池10各自的电池连接状态的时序图的具体例。为了使说明容易理解，作为具体的事例，说明使用14个电池模块102的情况。
在期间A是如下状态：使针对所有的电池模块102的强制断开指令成为截止，所有的电池模块102被进行开关控制。在各电池模块102中，在强制断开指令为截止的情况下，使栅极驱动信号延迟延迟时间tdelay而传送到下一个电池模块102。因而，栅极周期成为(延迟时间tdelay×14)。
在来自控制器104的栅极驱动信号中，作为导通时间而被设为延迟时间tdelay×8，控制成使8个电池模块102同时连接。
另一方面，在期间B，针对从上游起第10个电池模块102的强制切断信号被设为导通。由此，第10个电池模块102的输出电压变为0V。另外，在附属于第10个电池模块102的栅极驱动信号处理电路20中，使栅极驱动信号不延迟而传输到接下来的第11个电池模块102。由此，从控制器104输出的栅极驱动信号的上升沿再次返回到控制器104为止的周期成为延迟时间tdelay×13，变短延迟时间tdelay×1的量。在控制器104中检测返回来的栅极驱动信号的上升沿，输出仅导通延迟时间tdelay×8的信号作为下一个栅极驱动信号。这样，在期间B中始终是8个电池模块102被串联连接而对负载输出电压。即，在期间B中也能够输出与期间A相同的电压。
当第10个电池模块102接收到强制切断信号时，与栅极驱动信号无关地，第10个电池模块102被断开的定时(timing)在栅极驱动信号变为截止之后执行。即，即便电池模块102在连接状态时接收到强制切断信号，在栅极驱动信号为导通的期间也不执行强制断开控制，而是在栅极驱动信号变为截止之后才进行强制断开。然后，在接下来的周期中，即使栅极驱动信号变为导通，也继续强制断开状态。
转移到期间C，当第10个电池模块102的强制切断信号成为截止时，在第10个电池模块102中再次开始依照栅极驱动信号的通常的开关控制。但是，即使在针对第10个电池模块102的栅极驱动信号为导通的定时强制切断信号变为截止，也不会立即使电池模块102内的电池10串联连接，而是等待栅极驱动信号变为截止的定时来恢复到通常的开关控制。由此，能够防止9个电池模块102瞬间地连接到负载。
第一实施例(三相交流电源)
图6示出利用了电源电路100的三相交流电源200的结构。将3组电源电路100进行组合而构成三相交流电源200。
3组电源电路100(串(string)a、串b、串c)以使各串的输出电压极性在中性点(neutral point)处相同的方式被Y形接线。在图6中，将3组电源电路100(串a、串b、串c)的负极侧与中性点连接，但关于所有的串，也可以设为将正极侧与中性点连接。
在三相交流电源200中，通过在串a～c的3组电源电路100各自中控制电池模块102内的电池10的连接数量，由此分别产生交流电压Ea、Eb、Ec。电源电路100各自只能产生0V以上的电压，因此如图7所示，作为交流电压Ea、Eb、Ec而产生具有偏移且分别具有120°的相位差的电压。
此外，通过在串a～c各自中产生具有相同的偏移电压的交流电压，由此如图8所示能够生成作为交流电压的线间电压Vuv、Vvw、Vwu。由此，在电源电路100所包括的电池模块102中不使用利用四个开关的全桥电路，而是使用半桥电路，从而能够降低制造成本。
图9A～图9C分别示出电源电路100的相电压Va(t)及串电流Ia(t)、电池电流Ibat(t)以及占空比D(t)的时间变化的例子。相电压Va(t)、串电流Ia(t)、电池电流Ibat(t)以及占空比D(t)分别通过数学式(1)～数学式(4)来表示。
[数学式(1)]
Va(t)＝Vpeaksin(2πflt)···(1)
在此，Vpeak为相电压峰值，fl为系统频率。
[数学式(2)]
Ia(t)＝Ipeaksin(2πflt)···(2)
在此，Ipeak为串电流峰值，fl为系统频率。
[数学式(3)]
Ibat(t)＝Ia(t)·D(t)···(3)
[数学式(4)]
在此，Voft为偏移电压，Vall为串总电压。
在输出图9A所示的交流电压以及交流电流时，如图9B所示那样的电池电流流过电源电路100内的电池10。另外，此时的栅极驱动的占空比(导通时间比率D)成为如图9C所示。
在生成交流波形时，根据栅极驱动的占空比(导通时间比率D)，各串中的电池10的连接数量随时间变化。因此，在本实施方式中，在电池10的连接数量少的低占空比以及低输出电压的状态下，通过将期望的电池模块102设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)，由此调整电源电路100的系统内的电池10的电流累计值而对SOC进行控制。由此，无需在电源电路100中为了SOC控制而设置富余的电池模块(电池)，能够使SOC均衡化并且更高效地利用电池容量。
电源电路的第一控制方法
图10以及图11是示出电源电路100的第一控制方法的流程图。图10是相对于系统周期(10ms程度，例如16.6ms)而言几百倍至几千倍的长周期中的处理的流程图。图11是比系统周期短的短周期(电流控制周期以及载波周期)中的处理的流程图。
在长周期处理中，首先取得电源电路100所包括的电池10的SOC(步骤S10)。然后，根据各串的电池模块102内的电池10的SOC的状况，决定设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)的电池模块102的优先级(直通优先级(pass-through priority))(步骤S12)。
具体地说，在电源电路100输出电力的动力运行(放电)时，按照SOC从小到大的顺序决定设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)的优先级。在电源电路100回收电力的再生(充电)时，按照SOC从大到小的顺序决定设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)的优先级。
电流控制周期处理是在系统互连中对交流电流进行控制的处理。在短周期处理中，在步骤S20～S40中以电流控制周期执行处理，在步骤S42～S44中以载波周期执行处理。
首先，在步骤S20～步骤S28中，计算针对电源电路100的各串的电压指令值以及导通时间指令值。首先，通行执行数(pass executionnumber)Npass被初始化为0(步骤S20)。通行执行数Npass表示在电源电路100的各串中设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)的电池模块102的数量。
串a～c的输出端与滤波器202连接。如图12所示，滤波器202能够构成为包括互连电抗器Lm(Lmu、Lmv、Lmw)、滤波电容器Cf(Cfu、Cfv、Cfw)以及滤波电抗器Lf(Lfu、Lfv、Lfw)。滤波器202被设置于串a～c的各相。滤波电容器连接于中性点。滤波器202的输出连接于变压器204的次级侧。也可以在滤波器202与变压器204之间设置继电器。
另外，为了测定串a～c的输出电流而设置电流传感器(Ia、Ib、Ic)。也可以仅对两个相设置电流传感器，剩余的一个相根据所测定的两个相电流来计算。例如，在测定a相的电流Ia和b相的电流Ib的情况下，c相的电流Ic能够通过数学式(5)来计算。
[数学式(5)]
Ic＝-Ia-Ib···(5)
另外，设置有对滤波器202的三个滤波电容器电压进行测定的电压传感器(Vu、Vv、Vw)。通过测定滤波电容器电压，能够测定系统的各相电压。
下面，对三相交流电源200的系统互连控制的详情进行说明。图13以及图14示出系统互连控制的框图。
在图13中，对串a～c的电压指令值的计算进行说明。首先，使用由设置于滤波器202的三个滤波电容器Cfu、Cfv、Cfw的电压传感器测定出的系统相电压的测定值Vu、Vv、Vw，通过PLL(Phase Locked Loop，锁相环)来计算系统电压的相位θg。
接着，利用电压相位θg和系统相电压Vu、Vv、Vw进行abc/dq变换，从而计算dq轴电压vd、vq。能够通过数学式(6)以及数学式(7)进行abc/dq变换。在此，将系统相电压Vu、Vv、Vw代入到数学式(6)的ua、ub、uc即可。
[数学式(6)]
另外，将串a～c的输出电流Ia、Ib、Ic代入到数学式(6)的ua、ub、uc来进行dq变换，从而能够计算d轴电流id、q轴电流iq。
[数学式(7)]
θa＝θg
接着，求出dq轴的电流指令值。当设为针对三相交流电源200整体的指令电力P时，使用d轴电压vd和指令电力P，根据数学式(8)计算d轴指令电流idcom。此外，在将无效电力控制为零的情况下，q轴电流指令值iqcom设定为0。
[数学式(8)]
接着，使用d轴指令电流idcom及q轴指令电流iqcom和d轴电流id及q轴电流iq，通过PI控制来计算dq轴指令电压反馈项vdfb*以及vqfb*。通过将这些反馈项与vd指令前馈项以及vq指令前馈项相加，从而计算dq轴电压指令值vd＊、vq＊。而且，通过进行从dq轴向三相的abc轴的变换，从而计算各串电压指令值Vstr，com(Va*、Vb*、Vc*)。dq/abc变换使用数学式(9)即可。
[数学式(9)]
接着，使用串电压指令值Vstr，com，利用数学式(10)来计算a相、b相、c相的电源电路100的导通时间指令Ton(ton_a、ton_b、ton_c)。
[数学式(10)]
在此，V＊abc为a相、b相、c相的各电压指令值Vstr，com(Va*、Vb*、Vc*)中的任一个，Vst_offset为电压指令偏移值，tdelay为各电源电路模块中的栅极(Gate)信号的延迟时间，Vb_ave_abc是作为电源电路100的串a、b、c各自的电池模块平均电压。与串a、b、c各自的电压指令值相加的偏移值优选在a相、b相、c相中设定为相同的值。
针对每个串进行下面的处理。以下，将每个串的ton_a、ton_b、ton_c简单地表示为导通时间指令Ton。接着，计算导通时间余量Tmargin(步骤S30)。如数学式(11)所示，导通时间余量Tmargin是从各串a、b、c中的最大导通时间Tall减去利用数学式(10)计算出的导通时间指令Ton(ton_a、ton_b、ton_c)而得到的值。
[数学式(11)]
Tmargin＝Tall-Ton···(11)
将导通时间余量Tmargin与一个电池模块102中的延迟时间Tdelay进行比较(步骤S32)，如果导通时间余量Tmargin大于延迟时间Tdelay则处理转移到步骤S34，如果导通时间余量Tmargin为延迟时间Tdelay以下则处理转移到步骤S38。即，当连接一个电池模块102时，导通时间指令Ton增加延迟时间Tdelay的量，因此如果有延迟时间Tdelay以上的导通时间余量Tmargin，则判断为能够直通(pass-through)。当处理转移到步骤S34时，通行执行数Npass被相加1(步骤S34)，进行将从导通时间余量Tmargin减去导通时间指令Ton而得到的值设为新的导通时间余量Tmargin的处理(步骤S36)。通过重复进行步骤S32～步骤S36的处理来计算通行执行数Npass。
当处理转移到步骤S38时，判定通行执行数Npass是否为通行执行最大数Npass，max以上(步骤S38)。如果通行执行数Npass为通行执行最大数Npass，max以上，则通行执行数Npass成为通行执行最大数Npass，max(步骤S40)。在此，关于通行执行最大数Npass，max，设定AC有源平衡中的能够执行通行(pass)的电池模块102的最大数即可。
通过以上的处理，求出导通时间指令Ton和通行执行数Npass，基于这些值来生成栅极信号的波形。即，如图11所示，生成在针对各串的栅极周期Tgate中仅在导通时间指令Ton的期间成为高电平的脉冲波形即栅极信号(步骤S42)。由此，确定通行执行数Npass，按照在长周期处理中求出的电池模块102的优先级(直通优先级)，将该通行执行数Npass的数量的电池模块102设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)(步骤S44)。
电源电路的第二控制方法
在上述第一控制方法中，设为基于导通时间指令Ton来决定通行执行数Npass的处理，但也可以设为基于电压指令值Vstr，com来决定通行执行数Npass的处理。
图15是示出电源电路100的第二控制方法的流程图。第二控制方法中的长周期处理与第一控制方法相同，因此省略说明。图15是比系统周期短的短周期(电流控制周期以及载波周期)中的处理的流程图。
在短周期处理中，在步骤S20～S26、步骤S46～S52、步骤S38～S40中以电流控制周期来执行处理，在步骤S42～S44中以载波周期来执行处理。
首先，在步骤S20～步骤S26中，计算针对从电源电路100的各串应输出的电压的指令值即电压指令值Vstr，com。这个处理与上述第一控制方法相同，因此省略说明。
接着，计算电压余量Vmargin(步骤S46)。如数学式(12)所示，电压余量Vmargin是从各串a、b、c中的最大电压(能够从各串输出的电池总电压)Vall减去电压指令值Vstr，com而得到的值。
[数学式(12)]
Vmargin＝Vall-Vstr，com···(12)
将电压余量Vmargin与表示一个电池模块102中的输出电压的盒电压(cartridgevoltage)Vctrg进行比较(步骤S48)，如果电压余量Vmargin大于盒电压Vctrg则处理转移到步骤S50，如果电压余量Vmargin为盒电压Vctrg以下则处理转移到步骤S38。即，当连接一个电池模块102时，输出电压会增加盒电压Vctrg的量，因此如果有盒电压Vctrg以上的电压余量Vmargin，则判断为能够直通。当处理转移到步骤S50时，通行执行数Npass被相加1(步骤S50)，进行将从电压余量Vmargin减去盒电压Vctrg而得到的值设为新的电压余量Vmargin的处理(步骤S52)。通过重复进行步骤S48～步骤S52的处理来计算通行执行数Npass。
计算出通行执行数Npass之后的步骤S38～步骤S44的处理与上述第一控制方法相同，因此省略说明。
本实施方式中的作用和效果
图16～图23示出在串各自中对电池模块102的电池容量的用尽率进行仿真得到的结果。
将容量按照两个正态分布的叠加状态来分布的电池模块102的分布(图16以及图20)作为总体，从其中随机地选择N个电池模块102，用所选择的N个电池模块102构成串而进行了仿真。电池模块102的两个分布分别设为电池容量的平均值为70Ah及标准偏差为5Ah的分布1、和电池容量的平均值为100Ah及标准偏差为5Ah的分布2。针对进行了本实施方式中的控制的情况(AC有源平衡控制)、进行了以往的DC有源平衡控制的情况、不进行有源平衡控制的情况这3个条件，进行仿真。在仿真中，使用电池，在任一个电池达到最低容量的时间点结束所有的电池使用，将此时剩余的各电池模块102的盒容量(cartridge capacity)设为剩余容量，计算出从初始容量使用了多少，作为电池容量的用尽率。重复进行1万次这样的处理，计算出电池容量的用尽率的分布以及平均值。
图17～图19分别示出在串中未设置具有富余的缓冲电池的电池模块102的串结构中进行了AC有源平衡控制的情况、进行了DC有源平衡控制的情况以及未进行有源平衡控制的情况。
如图18和图19所示，在串中未设置缓冲电池的结构中，在DC有源平衡控制中无法将电池模块102设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)，示出了与无有源平衡控制的情况大致相同的电池容量的用尽率。在DC有源平衡控制中电池容量的用尽率的平均值约为73％、最小值约为62％，在无有源平衡控制时电池容量的用尽率的平均值约为73％、最小值约为60％。与此相对，如图17所示，在本实施方式的AC有源平衡控制中，即使在串中未设置缓冲电池的结构中，电池容量的用尽率也变高。在AC有源平衡控制中，电池容量的用尽率的平均值约为92％，最小值约为87％。
图21～图23分别示出在串中设置了具有1个缓冲电池的电池模块102的串结构中进行了AC有源平衡控制的情况、进行了DC有源平衡控制的情况以及不进行有源平衡控制的情况。
在串中设置了1个缓冲电池的结构中，即使在DC有源平衡控制中也能够将电池模块102设为从串联连接强制地断开的状态(直通状态)。由此，如图22以及图23所示，在DC有源平衡控制中，与无有源平衡控制的情况相比，电池容量的用尽率得到提高。在DC有源平衡控制中电池容量的用尽率的平均值约为87％、最小值约为82％，在无有源平衡控制时电池容量的用尽率的平均值约为76％、最小值约为66％。而且，如图21所示，在本实施方式的AC有源平衡控制中，在串中设置了1个缓冲电池的结构中电池容量的用尽率进一步提高。在AC有源平衡控制中，电池容量的用尽率的平均值约为97％，最小值约为92％。
图24以及图25汇总示出仿真的结果。图24示出汇总电池容量的用尽率的平均值得到的结果。另外，图25示出汇总电池容量的用尽率的最小值得到的结果。在图24以及图25中，实心条表示在串中未设置缓冲电池的结构(由20个电池模块102构成串)中的结果，阴影条表示在串中设置了1个缓冲电池的结构(由21个电池模块102构成串)中的结果。
通过应用本实施方式中的AC有源平衡控制，即使在串中未设置缓冲电池的结构中也能够使电池容量的用尽率的平均值成为90％以上。另外，在将本实施方式中的AC有源平衡控制与以往的DC有源平衡控制进行比较的情况下，在未设置缓冲电池的结构中能够使电池容量的用尽率提高18.5％，在设置了1个缓冲电池的结构中能够使电池容量的用尽率提高9.5％。
即，通过应用本实施方式中的AC有源平衡控制，能够更高效地用尽构成串的电池模块102所包括的电池的电池容量。

Claims (6)

1.一种电源系统，使用多组电池模块组，所述电池模块组包括多个具有电池的电池模块，所述电源系统能够基于来自控制器的栅极驱动信号将多个所述电池模块内的所述电池相互串联连接，所述电源系统的特征在于，
所述电源系统具备强制断开部，该强制断开部不依赖于所述栅极驱动信号而从所述串联连接强制地断开所述电池模块所包括的所述电池，
所述电源系统根据能够进行所述串联连接的所述电池的最大电压和表示应输出的电压的电压指令值，求出能够从所述串联连接强制地断开的所述电池模块所包括的所述电池的个数，
通过所述强制断开部将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开。
2.一种电源系统，使用多组电池模块组，所述电池模块组包括多个具有电池的电池模块，所述电源系统能够基于来自控制器的栅极驱动信号将多个所述电池模块内的所述电池相互串联连接，所述电源系统的特征在于，
所述电源系统具备强制断开部，该强制断开部不依赖于所述栅极驱动信号而从所述串联连接强制地断开所述电池模块所包括的所述电池，
所述电源系统根据最大容许导通时间和导通时间指令，求出能够从所述串联连接强制地断开的所述电池模块所包括的所述电池的个数，
通过所述强制断开部将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开。
3.根据权利要求1或者2所述的电源系统，其特征在于，
在相对于能够进行所述串联连接的所述电池的最大电压而言输出电压有余量的情况下，通过所述强制断开部进行将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开的处理。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电源系统，其特征在于，
在放电时，按照SOC从小到大的顺序，通过所述强制断开部进行将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开的处理。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的电源系统，其特征在于，
在充电时，按照SOC从大到小的顺序，通过所述强制断开部进行将所述个数的所述电池从所述串联连接强制地断开的处理。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的电源系统，其特征在于，
将至少3组的所述电池模块组进行Y形接线，并且输出分别相差120°相位的交流电压。
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