JP2010206933A

JP2010206933A - 電力供給装置

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Publication number: JP2010206933A
Application number: JP2009049384A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kosaka; 裕紀小坂; Susumu Komiyama; 晋小宮山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: JP5375202B2

Abstract

【課題】複数の電源間の電位差を低減させつつ補機駆動用電源への充電を適切に行うことが可能な電力供給装置を提供する。
【解決手段】主電源として用いる第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２と補機駆動用電源として用いる第３蓄電モジュールＢ３とが共通トランスにより磁気結合され、第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３のオン／オフの切替えにより第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の負荷への接続状態が切替えられ、また、第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａの動作により第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２から共通トランスへ流れる電流が制御される構成とする。そして、コントローラ３０が、負荷要求電圧と第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差とに基づいて、第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３及び第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａの動作を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電源を有する電力供給装置に関する。

従来、複数の電源を有する電力供給装置として、特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載の電力供給装置は、電気自動車の電動モータに電力供給するものであり、アクセルペダルの踏み込み量に応じて複数の電源の直列と並列を切り換えることで、電動モータへの供給電圧を制御するようにしている。具体的には、アクセルペダルの踏み込み量が小さく要求駆動力が小さいときは、複数電源を並列接続して電源電圧を小さくすることで、電動モータにおける損失を低減させる。一方、アクセルペダルの踏み込み量が大きく要求駆動力が大きいときは、複数電源を直列接続して電源電圧を高くすることで、最大出力を向上させるようにしている。

特開平５−２３６６０８号公報

ところで、電気自動車では、電動モータに電力供給する主電源（主バッテリ）のほかに補機駆動用の電源（補機バッテリ）が搭載されている場合が多く、補機バッテリの充電状態が低下した際は主バッテリからの電力で補機バッテリを充電するのが一般的である。ここで、主電源として特許文献１に記載されているような複数の電源を有する電力供給装置を用いる場合には、複数電源の接続切替えにより電源電圧が大きく変動するため、この電源電圧をＤＣＤＣコンバータで電圧変換して補機バッテリに充電しようとすると、ＤＣＤＣコンバータに使用するスイッチに高い耐圧性を持たせる必要があり、コストアップに繋がる。また、複数電源のうちで補機バッテリの充電に使用する電源を定めておいて当該電源を直接ＤＣＤＣコンバータに接続する構成とすれば素子耐圧を低減できるが、この構成の場合には、複数電源間の残容量のばらつき、つまり電源間の電位差が大きくなり易く、複数電源を並列接続した際に電圧の低い電源に過電流が流れて異常の原因となる虞がある。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、複数の電源間の電位差を低減させつつ補機駆動用電源への充電を適切に行うことが可能な電力供給装置を提供することを目的としている。

本発明に係る電力供給装置は、負荷に電力供給する複数のバッテリと、複数のバッテリ同士及び負荷との接続状態を切替える第１のスイッチ手段と、補機駆動用の補機バッテリと、複数のバッテリと補機バッテリとを磁気結合するトランスと、複数のバッテリからトランスに流れる電流を個別に制御可能な第２のスイッチ手段と、第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段の動作を制御する制御手段とを備える。

本発明に係る電力供給装置によれば、複数のバッテリと補機バッテリとがトランスにより磁気結合され、第１のスイッチ手段及び第２のスイッチ手段の動作制御により、複数のバッテリの接続状態とトランスに流れる電流が制御されるので、複数のバッテリ間の電位差を低減させながら補機バッテリを適切に充電することが可能となる。

本発明に係る電力供給装置の一例を示す構成図である。本発明に係る電力供給装置を電気自動車における電動パワートレインに適用した状態を示す図である。負荷要求電圧（インバータへの印加電圧）と二次電池装置の蓄電モジュール間の電位差とに応じた動作モードを説明する図である。モード１の場合の電力供給装置の動作状態を等価的に示す回路図である。モード１の場合の電力供給装置の各部における電流・電圧推移を示す概略図である。モード２の場合の電力供給装置の動作状態を等価的に示す回路図である。モード２の場合の電力供給装置の各部における電流・電圧推移を示す概略図である。モード３の場合の電力供給装置の動作状態を等価的に示す回路図である。モード３の場合の電力供給装置の各部における電流・電圧推移を示す概略図である。モード４の場合の電力供給装置の各部における電流・電圧推移を示す概略図である。本発明に係る電力供給装置の動作の概要を示すフローチャートである。本発明に係る電力供給装置の他の例を示す図であり、二次電池装置が３つの蓄電モジュールを備える場合の電力供給装置の構成図である。本発明に係る電力供給装置の他の例を示す図であり、２つのトランスを用いた場合の電力供給装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る電力供給装置の一例を示す構成図である。この図１に示す電力供給装置１は、二次電池装置１０と、補機用電源充電回路２０と、これらを制御するコントローラ３０とから構成される。

二次電池装置１０は、第１蓄電モジュールＢ１、第２蓄電モジュールＢ２、第１接続スイッチ１１、第２接続スイッチ１２、第３接続スイッチ１３を備える。第１及び第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２は、負荷に電力供給する主電源として用いられるものであり、例えばリチウムイオン二次電池などが用いられる。なお、電池の代わりにキャパシタを用いて第１及び第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を構成してもよい。

第１接続スイッチ１１は、第１蓄電モジュールＢ１の負極と負荷出力端子１００Ｌとの導通を断接するスイッチであり、この第１接続スイッチ１１がオンすると負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌ間に第１蓄電モジュールＢ１が接続される。また、第２接続スイッチ１２は、第２蓄電モジュールＢ２の正極と負荷出力端子１００Ｈとの導通を断接するスイッチであり、この第２接続スイッチ１２がオンすると負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌ間に第２蓄電モジュールＢ１が接続される。また、第３接続スイッチ１３は、第１蓄電モジュールＢ１の負極と第２蓄電モジュールＢ２の正極との導通を断接するスイッチであり、この第３接続スイッチ１３がオンすると負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌ間に第１蓄電モジュールＢ１と第２蓄電モジュールＢ２とが直列状態で接続される。

二次電池装置１０は、以上のように、第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３のオン／オフの切替えにより、第１及び第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の負荷に対する接続状態が切替えられる構成である。接続スイッチ１１〜１３のオン／オフと、負荷に接続される蓄電モジュールＢ１，Ｂ２との関係は、以下のようになる。
第１蓄電モジュールＢ１の単独接続：第１接続スイッチ１１オン、第２接続スイッチ１２オフ、第３接続スイッチ１３オフ
第２蓄電モジュールＢ２の単独接続：第１接続スイッチ１１オフ、第２接続スイッチ１２オン、第３接続スイッチ１３オフ
第１蓄電モジュールＢ１と第２蓄電モジュールＢ２の直列接続：第１接続スイッチ１１オン、第２接続スイッチ１２オフ、第３接続スイッチ１３オン
第１蓄電モジュールＢ１と第２蓄電モジュールＢ２の並列接続：第１接続スイッチ１１オン、第２接続スイッチ１２オン、第３接続スイッチ１３オフ

補機用電源充電回路２０は、補機用電源として用いられる第３蓄電モジュールＢ３と、第１乃至第３の蓄電モジュールＢ１〜Ｂ３に対応する第１乃至第３のコイル２１〜２３及びそれらを磁気的に結合するコア２４とからなる共通トランスと、この共通トランスの第１コイル２１に流れる電流を制御する第１充電制御スイッチ２５ａ及びダイオード２５ｂと、共通トランスの第２コイル２２に流れる電流を制御する第１充電制御スイッチ２６ａ及びダイオード２６ｂと、第３蓄電モジュールＢ３から共通トランスの第３コイル２３への電流を遮断するダイオード２７とを備える。

この補機用電源充電回路２０では、第１及び第２の充電制御スイッチ２４ａ，２５ａのオン／オフの操作により、二次電池装置１０の第１蓄電モジュールＢ１或いは第２蓄電モジュールＢ２から共通トランスを介して第３蓄電モジュールＢ３に電力供給され、第３蓄電モジュールＢ３が充電される。

コントローラ３０は、二次電池装置１０の第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３と補機用電源充電回路２０の第１及び第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａのオン／オフをコントロールする。このコントローラ３０は、例えば、中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。なお、コントローラ３０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

図２は、以上のように構成される電力供給装置１を電気自動車における電動パワートレインに適用した状態を示す図である。電気自動車に搭載する場合、電力供給装置１の負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌは、インバータ５を介してモータジェネレータ６に接続される。また、電気自動車の電動パワートレインでは、第１乃至第３の蓄電モジュールＢ１〜Ｂ３として内部インピーダンスの大きいバッテリモジュールが用いられるため、補機用電源充電回路２０内に各蓄電モジュールＢ１〜Ｂ３と並列接続した平滑コンデンサＣ１〜Ｃ３を追加する。なお、図中、Ｉ_{Ｃｏｉｌ１}は共通トランスの第１コイル２１に流れる電流、Ｉ_{Ｃｏｉｌ２}は第２コイル２２に流れる電流、Ｉ_{Ｃｏｉｌ３}は第３コイル２３に流れる電流であり、Ｖ_{Ｃｏｉｌ１}は共通トランスの第１コイル２１の端子間電圧、Ｖ_{Ｃｏｉｌ２}は第２コイル２２の端子間電圧、Ｖ_{Ｃｏｉｌ３}は第３コイル２３の端子間電圧である。また、Ｖｂ_ＳＷ１は第１充電制御スイッチ２５ａの両端電圧、Ｖｂ_ＳＷ２は第２充電制御スイッチ２６ａの両端電圧、Ｖｂ３は第３蓄電モジュールＢ３の電圧である。

電気自動車に搭載した電力供給装置１は、二次電池装置１０の第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２からモータジェネレータ６に電力を供給して力行運転するとともに、回生時にモータジェネレータ６が発電した電力を二次電池装置１０の第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２に充電する。その際、モータジェネレータ６の運転状態に応じて、負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌ間の第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の接続状態を切替えて、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴを選択して出力する。

具体的には、電力供給装置１は、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴとして低い電圧が要求されているときは、第１，第２の接続スイッチ１１，１２のうち片方もしくは両方をオンすることにより、第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１もしくは第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２をインバータ５へ印加する（Ｖ_ＯＵＴ＝Ｖｂ１ or Ｖｂ２）。また、電力供給装置１は、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴとして高い電圧が要求されているときは、第３接続スイッチ１３をオンすることにより、第１及び第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２を足し合わせた電圧をインバータ５へ印加する（Ｖ_ＯＵＴ＝Ｖｂ１＋Ｖｂ２）。ただし、第１及び第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２がそれぞれ短絡することを回避するため、第１接続スイッチ１１と第３接続スイッチ１３もしくは第２接続スイッチ１２と第３接続スイッチ１３は同時にオンしない。

また、電力供給装置１は、インバータ５に電圧Ｖ_ＯＵＴを印加しながら、必要に応じて、補機用電源充電回路２０により二次電池装置１０の第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２から補機駆動用の第３蓄電モジュールＢ３への充電を行う。この第３蓄電モジュールＢ３への充電動作は、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴと第１，２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２とによってその動作が異なるため、図３に示すように、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴ及び各蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２の状態に応じてモードを分けて説明する。本実施形態では、同図に示す通り、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間に電位差がある場合、その大きさに応じて、２つの蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を並列接続できるかどうかによりモードを分けている。

［モード１］
モード１は、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴが低く、且つ、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間に電位差ΔＶｂ（＝｜Ｖｂ１−Ｖｂ２｜）があるものの、その電位差ΔＶｂが閾値Ｖｂ＿ｔｈ以下であり、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を並列接続できる場合の動作モードである。なお、閾値Ｖｂ＿ｔｈは、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を並列接続したときに過電流（例えば１００Ａ程度）が流れない電位差の上限値として、事前の実験等により求めた最適値（例えばＶｂ１，Ｖｂ２＝２００Ｖのとき１０Ｖ程度）に設定される。

このモード１の場合、電力供給装置１は、以下の動作により、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減しつつ、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。なお、以下では、第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１が第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２より大きいものとして、モード１における電力供給装置１の動作を説明する。

モード１では、コントローラ３０の制御により、第１，第２の接続スイッチ１１，１２をオン、第３接続スイッチ１３をオフし、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を並列接続することで、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減する。さらに、第２充電制御スイッチ２６ａをＰＷＭ駆動することで、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。ＰＷＭ駆動の指令は、第３蓄電モジュールＢ３の充電電力を大きくしたい場合は第２充電制御スイッチ２６ａのオン時間を長くし、充電電力を小さくしたい場合は第２充電制御スイッチ２６ａのオン時間を短くする。このとき、電力供給装置１は図４に示す回路と等価になる。なお、図中のＩｂ１２は、第１蓄電モジュールＢ１から第２蓄電モジュールＢ２に流れる電流である。

モード１における各部の電流・電圧推移の概略図を図５に示す。モード１の場合、コントローラ３０は、時刻ｔ１において第１，第２の接続スイッチ１１，１２をオン、第３接続スイッチ１３をオフした状態で、第２の充電制御スイッチ２６ａのＰＷＭ駆動を開始する。これにより、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間において、第１，第２の接続スイッチ１１，１２を介して第１蓄電モジュールＢ１から第２蓄電モジュールＢ２に電流Ｉｂ１２が流れるため、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂが低減される。さらに、第２充電制御スイッチ２６ａのＰＷＭ駆動により、第２蓄電モジュールＢ２から補機用電源充電回路２０を介して第３蓄電モジュールＢ３に電力供給され、第３蓄電モジュールＢ３が充電される。

時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間における各部の電流の流れを確認すると、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減するための電流は第１，第２の接続スイッチ１１，１２を通過して二次電池装置１０内を流れ、補機用電源充電回路２０には第３蓄電モジュールＢ３を充電する電流のみが流れる。このため、補機用電源充電回路２０における発生損失を低減しつつ、第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することができる。つまり、第３蓄電モジュールＢ３を充電するために電圧が高い方の第１蓄電モジュールＢ１に接続された第１充電制御スイッチ２５ａをＰＷＭ駆動すると、電圧が高い第１蓄電モジュールＢ１から共通トランスを介して電圧が低い第２蓄電モジュールＢ２へと充電電流が流れ、補機用電源充電回路２０における損失が増えることが懸念されるが、第２充電制御スイッチ２６ａのＰＷＭ駆動により第３蓄電モジュールＢ３の充電を行うことで、以上の問題を有効に回避することができる。

なお、以上は第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１が第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２より大きいものとして説明したが、第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１が第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２よりも小さい場合は、第２充電制御スイッチ２６ａの代わりに第１充電制御スイッチ２５ａをＰＷＭ駆動すればよい。つまり、モード１では、第１,第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を並列接続し、電圧の低い方の蓄電モジュールに接続された充電制御スイッチをＰＷＭ駆動することにより、以上の例と同様に、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することができる。

［モード２］
モード２は、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴが低く、且つ、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂ（＝｜Ｖｂ１−Ｖｂ２｜）が閾値Ｖｂ＿ｔｈ越えていて、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を並列接続した際に過電流が流れる可能性のある場合の動作モードである。

このモード２の場合、電力供給装置１は、以下の動作により、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減しつつ、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。なお、以下では、第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１が第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２より大きいものとして、モード２における電力供給装置１の動作を説明する。

モード２では、コントローラ３０の制御により、第１接続スイッチ１１をオン、第２，第３の接続スイッチ１２，１３をオフし、第１蓄電モジュールＢ１からインバータ５に電力供給することで第１蓄電モジュールＢ１の電力を消費し、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減する。さらに、第１充電制御スイッチ２５ａをＰＷＭ駆動することで、第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３を充電する。ＰＷＭ駆動の指令は、第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３の充電電力を大きくしたい場合は第１充電制御スイッチ２５ａのオン時間を長くし、充電電力を小さくしたい場合は第１充電制御スイッチ２５ａのオン時間を短くする。このとき、電力供給装置１は図６に示す回路と等価になる。

モード２における各部の電流・電圧推移の概略図を図７に示す。モード２の場合、コントローラ３０は、時刻ｔ１において第１接続スイッチ１１をオン、第２，第３の接続スイッチ１２，１３をオフした状態で、第１の充電制御スイッチ２５ａのＰＷＭ駆動を開始する。これにより、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間において、第１蓄電モジュールＢ１からインバータ５に電力供給され、さらに、第１充電制御スイッチ２５ａのＰＷＭ駆動により、第１蓄電モジュールＢ１から補助用電源充電回路２０を介して第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３に電力供給されて、第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３が充電される。

このモード２においては、第１充電制御スイッチ２５ａのＰＷＭ波形を制御することにより、第１蓄電モジュールＢ１から第２蓄電モジュールＢ２に流れる電流を抑制することができるため、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間に過電流を発生されることなく、これら第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することができる。

なお、以上は第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１が第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２より大きいものとして説明したが、第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１が第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２よりも小さい場合は、第１充電制御スイッチ２５ａの代わりに第２充電制御スイッチ２６ａをＰＷＭ駆動することで、以上の例と同様に、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することができる。

［モード３］
モード３は、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴが高く、且つ、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間に電位差ΔＶｂ（＝｜Ｖｂ１−Ｖｂ２｜）がある場合の動作モードである。

このモード３の場合、電力供給装置１は、以下の動作により、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減しつつ、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。なお、以下では、第１蓄電モジュールＢ１の電圧Ｖｂ１が第２蓄電モジュールＢ２の電圧Ｖｂ２より大きいものとして、モード２における電力供給装置１の動作を説明する。

モード３では、コントローラ３０の制御により、第１，第２の接続スイッチ１１，１２をオフ、第３の接続スイッチ１３をオンし、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を直列に接続した電圧をインバータ５に印加する。さらに、．第１蓄電モジュールＢ１からインバータ５に電力供給することで第１蓄電モジュールＢ１の電力を消費し、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減する。さらに、第１充電制御スイッチ２５ａをＰＷＭ駆動することで、第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３を充電する。ＰＷＭ駆動の指令は、第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３の充電電力を大きくしたい場合は第１充電制御スイッチ２５ａのオン時間を長くし、充電電力を小さくしたい場合は第１充電制御スイッチ２５ａのオン時間を短くする。このとき、電力供給装置１は図８に示す回路と等価になる。

モード３における各部の電流・電圧推移の概略図を図９に示す。モード３の場合、コントローラ３０は、時刻ｔ１において第１，第２の接続スイッチ１１，１２をオフ、第３接続スイッチ１３をオンした状態で、第１の充電制御スイッチ２５ａのＰＷＭ駆動を開始する。これにより、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間において、直列に接続された第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２からインバータ５に電力供給され、さらに、第１充電制御スイッチ２５ａのＰＷＭ駆動により、第１蓄電モジュールＢ１から補助用電源充電回路２０を介して第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３に電力供給されて、第２，第３の蓄電モジュールＢ２，Ｂ３が充電される。

第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２は、共通トランスの第１，第２のコイル２１，２２及びコア２４により磁気的に結合されている。このため、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２が直列接続状態であっても、第１蓄電モジュールＢ１から第２蓄電モジュールＢ２を充電して、これら第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することが可能である。

［モード４］
モード４は、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂ（＝｜Ｖｂ１−Ｖｂ２｜）がほぼゼロの場合の動作モードである。ただし、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２を計測するセンサの精度等により、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂがゼロであることを正確に計測することは困難であるため、実機においては、電位差ΔＶｂが規定値以下であるときに、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂがゼロであると判断する。なお、このときの規定値は、センサ精度等に応じて計測誤差と見做せる程度の最適な値を設定すればよく、上述した閾値Ｖｂ＿ｔｈよりも十分に小さい値に設定される。

このモード４の場合、電力供給装置１は、インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴの大きさによらず、コントローラ３０の制御によって第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａを共にＰＷＭ駆動することで、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。このときのＰＷＭ駆動の指令は、第３の蓄電モジュールＢ３の充電電力を大きくしたい場合は第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａのオン時間を長くし、充電電力を小さくしたい場合は第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａのオン時間を短くする。

モード４における各部の電流・電圧推移の概略図を図１０に示す。モード４の場合、コントローラ３０は、第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３の状態によらず、時刻ｔ１において第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａのＰＷＭ駆動を開始する。これにより、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間において、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２から補助用電源充電回路２０を介して第３蓄電モジュールＢ３に電力供給されて、第３蓄電モジュールＢ３が充電される。

図１１は、本実施形態の電力供給装置における動作の概要を示すフローチャートである。本実施形態の電力供給装置では、コントローラ３０がこの図１１に示す一連の処理を所定周期ごとに繰り返し実行することで、負荷要求電圧と第１，２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂとに応じて、最適な方法を選択しながら第３蓄電モジュールＢ３に対する充電を行う。

すなわち、コントローラ３０は、まずステップＳ１において、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の電圧Ｖｂ１，Ｖｂ２を計測し、その電位差ΔＶｂを算出する。そして、次のステップＳ２において、ステップＳ１で算出した電位差ΔＶｂがほぼゼロであるかどうかを判定する。ここで、ステップＳ１で算出した電位差ΔＶｂがほぼゼロであれば、ステップＳ８に進んで上述したモード４の動作制御を実施する。すなわち、コントローラ３０は、負荷要求電圧（インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴ）の大きさによらず、第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａをＰＷＭ駆動することで、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２からの電力で第３蓄電モジュールＢ３を充電する。

一方、ステップＳ１で算出した電位差ΔＶｂがほぼゼロではない、つまり第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間に電位差ΔＶｂが生じている場合は、コントローラ３０は、次のステップＳ３において、負荷要求電圧（インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴ）が低電圧（蓄電モジュール１つ分の電圧）かどうかを判定する。ここで、負荷要求電圧が低電圧でない、つまり第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を直列接続した電圧が要求されている場合は、ステップＳ７に進んで上述したモード３での動作制御を実施する。すなわち、コントローラ３０は、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を直列接続した状態で、電圧が高い方の蓄電モジュールに接続された充電制御スイッチをＰＷＭ駆動することにより、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。

一方、負荷要求電圧が低電圧の場合には、コントローラ３０は、次のステップＳ４において、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂが閾値Ｖｂ＿ｔｈ以下であるかどうかを判定する。ここで、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂが閾値Ｖｂ＿ｔｈを越えていれば、ステップＳ６に進んで上述したモード２の動作制御を実施する。すなわち、コントローラ３０は、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２のうちで電圧が高い方の蓄電モジュールをインバータ５に接続した状態で、この電圧が高い方の蓄電モジュールに接続された充電制御スイッチをＰＷＭ駆動することにより、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。

一方、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂが閾値Ｖｂ＿ｔｈ以下の場合には、コントローラ３０は、ステップＳ５において、上述したモード１の動作制御を実施する。すなわち、コントローラ３０は、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を並列接続した状態で、電圧が低い方の蓄電モジュールに接続された充電制御スイッチをＰＷＭ駆動することにより、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を充電する。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の電力供給装置１は、主電源として用いる第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２と補機駆動用電源として用いる第３蓄電モジュールＢ３とが共通トランスにより磁気結合されており、第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３のオン／オフの切替えにより第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の接続状態が切替えられ、また、第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａの動作により第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２から共通トランスへ流れる電流が制御される構成となっている。したがって、本実施形態の電力供給装置１によれば、第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３及び第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａの動作をコントローラ３０により適切に制御することで、主電源として用いる第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、補機駆動用電源として用いる第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することが可能となる。

特に、本実施形態の電力供給装置１によれば、コントローラ３０が、負荷の要求電圧（インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴ）と第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂとに基づいて、第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３及び第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａの動作を制御するようにしているので、負荷要求電圧を実現するための第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２の接続状態として、これらの間の電位差ΔＶｂの程度に応じた最適な状態を選択しながら、第３蓄電モジュールＢ３に対する充電を適切に行うことができる。

具体的には、本実施形態の電力変換装置１によれば、負荷要求電圧（インバータ５への印加電圧Ｖ_ＯＵＴ）が低く、且つ、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂが閾値Ｖｂ＿ｔｈ以下の場合（モード１の場合）には、コントローラ３０が、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２が並列接続状態で負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌに接続されるように第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３のオン／オフを制御し、さらに、第１，第２の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａのうち、電圧が低い方の蓄電モジュールに接続された充電制御スイッチをＰＷＭ駆動して第３蓄電モジュールＢ３を充電するようにしているので、負荷要求電圧を実現しつつ、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂをこれらの並列接続により低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３への充電を適切に行うことができる。

また、本実施形態の電力変換装置１によれば、負荷要求電圧が低く、且つ、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂが閾値Ｖｂ＿ｔｈを越える場合（モード２の場合）には、コントローラ３０が、電圧が高い方の蓄電モジュールが負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌに接続されるように第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３のオン／オフを制御し、さらに、この電圧が高い方の蓄電モジュールに接続された充電制御スイッチをＰＷＭ駆動して第３蓄電モジュールＢ３を充電するようにしているので、電位差が大きい蓄電モジュール同士を並列接続することによる過電流の発生を未然に防止しながら負荷要求電圧を実現し、さらに、電圧が高い方の蓄電モジュールから電圧が低い方の蓄電モジュールを充電することでこれらの間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３への充電も適切に行うことができる。

また、本実施形態の電力変換装置１によれば、負荷要求電圧が高く、且つ、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間に電位差ΔＶｂが生じている場合（モード３の場合）には、コントローラ３０が、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２が直列接続状態で負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌに接続されるように第１乃至第３の接続スイッチ１１〜１３のオン／オフを制御し、さらに、電圧が高い方の蓄電モジュールに接続された充電制御スイッチをＰＷＭ駆動して第３蓄電モジュールＢ３を充電するようにしているので、負荷要求電圧を実現しつつ、電圧が高い方の蓄電モジュールから充電電流を供給することで第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３への充電を適切に行うことができる。

なお、以上説明した本発明の実施形態は、本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が上記の実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

例えば、上記の実施形態では、二次電池装置１０が２つの蓄電モジュールＢ１，Ｂ２を備える構成の電力供給装置１を例に挙げて説明したが、二次電池装置１０が３つ以上の蓄電モジュールを備える構成であっても、上記の実施形態と同様に、各蓄電モジュール同士及び負荷出力端子との接続状態を切替える接続スイッチを二次電池装置１０に設け、各蓄電モジュールに対応した共通トランスのコイル及び充電制御スイッチを補機用電源充電回路２０に設けて、これら接続スイッチと充電制御スイッチのオン／オフを、負荷要求電圧と蓄電モジュール間の電位差とに応じてコントローラ３０で適切に制御することにより、各蓄電モジュール間の電位差を低減させながら、補機用電源である第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することができる。

すなわち、図１２に示すように、二次電池装置１０が第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２に加えて第４蓄電モジュールＢ４を備える構成（３つの蓄電モジュールを備える構成）であれば、第４蓄電モジュールＢ４と第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２との接続状態及び負荷出力端子１００Ｈ，１００Ｌとの接続状態を切替えるための第４乃至第６の接続スイッチ１４，１５，１６を二次電池装置１０に付加する。また、補機用電源充電回路２０には、第４蓄電モジュールＢ４に対応する共通トランスの第４コイル２８と、この第４コイル２８に流れる電流を制御する第３充電制御スイッチ２９ａ及びダイオード２９ｂと、第４蓄電モジュールＢ４と並列の平滑コンデンサＣ４とを付加する。そして、コントローラ３０が、上記の実施形態と同様に、負荷要求電圧と蓄電モジュールＢ１，Ｂ２，Ｂ４間の電位差とに応じて、第１乃至第６の接続スイッチ１１〜１６のオン／オフを切替えるとともに、第１乃至第３の充電制御スイッチ２５ａ，２６ａ，２９ａの少なくとも何れかをＰＷＭ駆動することにより、各蓄電モジュールＢ１，Ｂ２，Ｂ４間の電位差を低減させながら、補機用電源である第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することができる。

また、上記の実施形態では、１つの共通トランスを用いて第１蓄電モジュールＢ１から第３蓄電モジュールＢ３への充電経路と第２蓄電モジュールＢ２から第３蓄電モジュールＢ３への充電経路とを共通化した構成の電力供給装置１を例に挙げて説明したが、図１３に示すように、２つのトランスを用いて、第１蓄電モジュールＢ１から第３蓄電モジュールＢ３への充電経路と、第２蓄電モジュールＢ２から第３蓄電モジュールＢ３への充電経路とを独立の経路としてもよい。この場合は、第３コイル２３をコイル２３ａとコイル２３ｂとで構成してこれらを並列に接続し、一方のトランスのコア２４ａに第１コイル２１とコイル２３ａを巻回し、他方のトランスのコア２４ｂに第２コイル２２とコイル２３ｂを巻回すればよい。この場合にも、上記の実施形態と同様の動作制御を行うことで、第１，第２の蓄電モジュールＢ１，Ｂ２間の電位差ΔＶｂを低減させながら、第３蓄電モジュールＢ３を適切に充電することができる。

１電力供給装置
１０二次電池装置
１１〜１３接続スイッチ
２１〜２３コイル
２５ａ，２６ａ充電制御スイッチ
３０コントローラ
Ｂ１〜Ｂ３蓄電モジュール

Claims

負荷に電力供給する複数のバッテリと、
前記複数のバッテリ同士及び前記負荷との接続状態を切替える第１のスイッチ手段と、
補機駆動用の補機バッテリと、
前記複数のバッテリと前記補機バッテリとを磁気結合するトランスと、
前記複数のバッテリから前記トランスに流れる電流を個別に制御可能な第２のスイッチ手段と、
前記第１のスイッチ手段及び前記第２のスイッチ手段の動作を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする電力供給装置。
前記トランスは、前記複数のバッテリ及び前記補機バッテリの各々に対応する複数のコイルを１つのコアに巻回した共通トランスであることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
前記制御手段は、負荷の要求電圧と前記複数のバッテリ間の電位差とに基づいて、前記第１のスイッチ手段及び前記第２のスイッチ手段の動作を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
前記制御手段は、負荷の要求電圧が前記複数のバッテリを並列接続又は単独で使用する場合に相当する低電圧であり、且つ、前記複数のバッテリ間に所定閾値以下の電位差が生じていると判断した場合に、前記複数のバッテリが並列接続状態で前記負荷に接続されるように前記第１のスイッチ手段の動作を制御するとともに、前記複数のバッテリのうちで最も電圧が低い低電圧バッテリから前記トランスに電流が流れるように、前記第２のスイッチ手段の動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の電力供給装置。
前記制御手段は、負荷の要求電圧が前記複数のバッテリを並列接続又は単独で使用する場合に相当する低電圧であり、且つ、前記複数のバッテリ間に所定閾値を越える電位差が生じていると判断した場合に、前記複数のバッテリのうちで最も電圧が高い高電圧バッテリが単独で前記負荷に接続されるように前記第１のスイッチ手段の動作を制御するとともに、前記高電圧バッテリから前記トランスに電流が流れるように、前記第２のスイッチ手段の動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の電力供給装置。
前記制御手段は、負荷の要求電圧が前記複数のバッテリを直列接続で使用する場合に相当する高電圧であり、且つ、前記複数のバッテリ間に電位差が生じていると判断した場合に、前記複数のバッテリが直列接続状態で前記負荷に接続されるように前記第１のスイッチ手段の動作を制御するとともに、前記複数のバッテリのうちで最も電圧が高い高電圧バッテリから前記トランスに電流が流れるように、前記第２のスイッチ手段の動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の電力供給装置。
前記制御手段は、前記第２のスイッチ手段をＰＷＭ駆動することで、前記補機バッテリへの充電量を制御することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の電力供給装置。