JP2012105539A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の負荷に電力を供給する電力供給装置を提供する。
【解決手段】電池モジュールＥ４からＥ１へ充電するときは交流発生回路ＰＬ４Ａの出力側に３個のコンデンサ（Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５）と３個のインダクタ（Ｌ１,Ｌ３,Ｌ５）が介在され、Ｅ４からＥ２へ充電するときはＰＬ４Ａの出力側に２個のコンデンサ（Ｃ３，Ｃ５）と２個のインダクタ（Ｌ３,Ｌ５）が介在され、Ｅ４からＥ３へ充電するときはＰＬ４の出力側に１個のコンデンサ（Ｃ５）と１個のインダクタ（Ｌ５）が介在されるが、それぞれ充電電流の共振周波数が同じになる。これにより、何れの電池モジュールの組み合わせにおいても共振周波数が同じになるので、全ての電池モジュールへ同じ値の充電電流を流すことができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、複数の電池モジュール、複数の電池制御モジュール、複数の電圧測定装置等の複数の負荷に電力を供給する電力供給装置に関する。

近年、環境への配慮、低騒音化、及びガソリン消費の低減化などを図るために、電気自動車、燃料電池自動車及びハイブリッド自動車といった電動車両が実用化されており、これらの電動車両には、走行用モータを駆動するための高圧バッテリが搭載されている。一般的に、このような用途に用いられる高圧バッテリは、複数の電池モジュールを直列に接続することによって実現される。このようにしてバッテリを高電圧化することにより、走行用モータに流れる電流を低く抑えることができるので、低電圧・同出力の走行用モータに比較して、電線の質量を低減化することができると共に消費電力による熱損失を低減させることができる。

ところで、直列に接続された複数の電池モジュール（バッテリセル）は、充放電を繰り返すとバッテリセルの特性ばらつき（例えば、バッテリセルの内部インピーダンスのばらつき）により、バッテリセル毎の充電量は徐々に差が発生する。従って、何れかのバッテリセルが充電量上限に達した時点で、他のバッテリセルが満充電でなくとも充電動作を停止させなければならない。また、何れかのバッテリセルが充電量下限（放電終止電圧）に達した時点で、他のセルが放電終止電圧に達していなくても放電動作を停止させなければならない。すなわち、直列接続された全体の電池群（組電池）としては、何れかのバッテリセルに依存されて充電上限あるいは充電下限のレベルに早期に到達するため、全体の電池群としての使用可能な充電容量は実質的に少なくなる。

そこで、このような不具合を解消するために、蓄電器セル（バッテリセル）の各極と周期電源とがコンデンサを介して絶縁され、このコンデンサに各極の電位と周期電源の出力電圧との電位差に相当する電圧が充電されることによりバッテリセルを充電する充電装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この充電装置は、複数の蓄電器セルが直列接続され、何れかの蓄電器セルの極を基準電位点とする蓄電器（高圧バッテリ）と、各蓄電器セルの何れか一方の極と複数の蓄電器セルの何れかの他方の極との電位に、整流手段を介して一端の電位が固定される複数の直列コンデンサと、複数の直列コンデンサの任意の他端と蓄電器の基準電位点との間に接続され、繰り返し信号を生成する蓄電器の基準電位点に接続された周期電源とを備えている。このような構成により、充電電圧の高いバッテリセルから充電電圧の低いバッテリセルへ充電電流を流すことができるので、各バッテリセルの電圧ばらつきを少なくして、全体の電池群の使用可能な充電容量の増大化を図ることができる。

また、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ及びＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子を用いて、電池群を構成する各電池モジュールの電圧を切替え測定する電圧測定装置の技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ及びＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴからなる高速スイッチ素子を用いているので、電池群の充放電中において、高精度かつ高速で各電池モジュールの電圧を測定することができる。その結果、各電池モジュールの電圧ばらつきを早期に検出して、しかるべき対応を施すことが可能となる。

さらに、組電池を構成する各電池モジュールの電圧を監視ユニットで測定し、監視ユニットが測定した電圧を、フォトカプラを介して電気的に絶縁して外部の制御装置へ伝送する技術も開示されている（例えば、特許文献３参照）。この技術によれば、組電池の電圧経路と制御装置の電圧経路はフォトカプラによって絶縁されているので、例えば、組電池が高電圧であっても制御装置に高電圧が印加されることはない。そのため、制御装置が組電池の高電圧によって電圧破壊するおそれはなくなる。また、制御装置を低耐圧化することが可能となるので、制御装置の低コスト化を図ることができる。

特開２００８−９２７１７号公報 特許第４０９５０８９号公報 特開平８−１４０２０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の充電装置は、繰り返し信号である交流電圧を生成するための周期電源が必要である。また、特定の蓄電池セル（あるいは、蓄電池セルを複数直列接続して構成された電池モジュール）を充電することができるが、放電することはできない。すなわち、特定の電池モジュールを放電するためには、抵抗器による放電回路などと組み合わせる必要があり、電池モジュールが有する充電量をジュール熱にして廃棄することになり、電池エネルギを有効に利用する観点からして好ましくない。また、特許文献２及び特許文献３の技術は、電池モジュールの電圧を計測するための計測回路を動作させるためには、組電池の電圧以上の高耐圧（例えば、４００Ｖ）のＤＣ／ＤＣ変換電源（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を用いるか、または、計測対象の電池（つまり、電池モジュール）を電源とする必要があるので、電池モジュールの電圧を計測するための計測回路の構成が複雑になる。

さらに、特許文献２及び特許文献３の技術は、電池制御モジュール回路を組電池に対して順次接続する構成を開示しているが、この電池制御モジュール回路を動作させるための電源として、電池制御モジュール回路ごとにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる場合は、組電池のセル数が多くなるとＤＣ／ＤＣコンバータに高耐圧が求められるため、電源装置が高価なものになってしまう。また、計測対象とする組電池を電源として使用する場合は、非動作で放置している間に電池制御モジュール回路が組電池を放電させてしまうおそれがある。そこで、組電池の放電量を減らすために電池制御モジュール回路を電源から遮断する構成にすると、電池制御モジュール回路を起動するために何らかの電力が必要となる。また、計測対象が燃料電池の場合は、電池側の電圧が電池制御モジュール回路の動作下限電圧を下回る場合があるので、電源としては使用できないおそれがある。

これら、複数の電池モジュールの充電、複数の電池モジュールの電圧を計測するための複数の計測回路、複数の電池制御モジュール回路等の複数の負荷へ電力を供給する電力供給装置が必要であった。
そこで、本発明は、複数の負荷に電力を供給する電力供給装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、複数の負荷に電力を供給し、さらに少なくとも一つ以上のセルからなる電池モジュールが直列に接続された組電池に接続され、前記電池モジュールが前記負荷の一部として接続され、前記電池モジュールを充電する電力供給装置であって、前記複数の負荷にそれぞれ接続される整流回路と、前記整流回路の間を順次接続する交流電路と、前記交流電路に交流電圧を印加する交流発生回路と、を備え、前記交流電路は直列に接続されたコンデンサとインダクタを具備し、前記負荷と前記整流回路との間に開閉可能なスイッチ素子が接続され、前記複数の負荷のうち電力を供給する負荷を選択するために前記スイッチ素子の開閉が制御されることを特徴とする。
これによれば、複数の負荷が、それぞれ、整流回路と、この整流回路の間を順次接続する交流電路と、この交流電路に交流を印加する交流発生回路とを備えていて、この交流電路にはコンデンサとインダクタが直列に接続され、また負荷と前記整流回路との間に開閉可能なスイッチ素子が接続されスイッチ素子の開閉が制御される構成となっている。
この結果、何れの負荷においても共振周波数が同じになるので、全ての負荷へ同じ値の電流を流すことができる。

本発明によれば、複数の負荷に電力を供給する電力供給装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電力供給システムの構成図である。 図１に示す電力供給システムに用いられる整流回路の回路図である。 図１に示す電力供給システムに用いられる交流発生回路の回路図である。 図１に示す電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ １を充電する場合の等価回路である。 図４において交流成分のみを考慮した等価回路である。 電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２を充電する場合の交流成分のみ を考慮した等価回路である。 電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する場合の交流成分のみ を考慮した等価回路である。 図５，図６，図７の各等価回路における電流ゲインの周波数特性を示す図で ある。 本発明の第２実施形態に係る電力供給システムの構成図である。 図９に示す電力供給システムに用いられる交流発生回路の回路図である。 図９に示す電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュール Ｅ１を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。 図９に示す電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュール Ｅ２を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。 図９に示す電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュール Ｅ３を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。 図１１，図１２，図１３の各等価回路における電流ゲインの周波数特性で ある。 本発明の第３実施形態に係る電力供給装置において、電池モジュールＥ４ から電池モジュールＥ１を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。 本発明の第３実施形態に係る電力供給装置において、電池モジュールＥ４ から電池モジュールＥ２を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。 本発明の第３実施形態に係る電力供給装置において、電池モジュールＥ４ から電池モジュールＥ３を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。 図１５，図１６，図１７の各等価回路における電流ゲインの周波数特性で ある。 一般的な倍電圧整流回路の回路図である。 本発明の第４実施形態に係る電力供給装置の充放電回路に接続されるＬ， Ｃ，Ｒの直列回路のモデル図である。 本発明の第４実施形態に係る電力供給装置の充放電回路に接続されるＬＣ 直列回路の多段構成のモデル図である。 図２１のＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加したときのモ デル図である。 図１１に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した等価 回路である。 図１２に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した等価 回路である。 図１３に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した等価 回路である。 図２３，図２４，図２５の各等価回路における電流ゲインの周波数特性で ある。 図１０の交流発生回路にインダクタΔＬを追加した第４実施形態の交流発 生回路である。 図１９の倍電圧整流回路にインダクタΔＬを追加した第４実施形態の倍電 圧整流回路である。 図２２に示すＬＣ及びインダクタΔＬの直列回路にさらにＬＣの直列抵抗 成分ｒを追加したときのモデル図である。 インダクタΔＬを追加しないときの電流ゲインの周波数特性と、インダク タΔＬを追加したときの電流ゲインの周波数特性と、を示す図である。 図２１のＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加したときのモ デル図である。 図１１に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加した等価 回路である。 図１２に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加した等価 回路である。 図１３に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加した等価 回路である。 図３２，図３３，図３４の各等価回路における電流ゲインの周波数特性で ある。 図１９の倍電圧整流回路にコンデンサを追加した第５実施形態の倍電圧整 流回路である。 図１９とは異なる構成の倍電圧整流回路にコンデンサを追加した第５実施 形態の倍電圧整流回路である。 図１０の交流発生回路にコンデンサΔＣを追加した第５実施形態の交流発 生回路である。 図３１のＬＣ直列回路に直列抵抗成分ｒを追加した回路図である。 コンデンサΔＣを追加しないときの電流ゲインの周波数特性と、コンデン サΔＣを追加したときの電流ゲインの周波数特性とを示す図である。 第６実施形態に係る電力供給装置の第１実施例を示すブロック図である。 第６実施形態に係る電力供給装置の第２実施例を示すブロック図である。 第６実施形態に係る電力供給装置の第３実施例を示すブロック図である。 第６実施形態に係る電力供給装置の第４実施例を示すブロック図である。 第６実施形態に係る電力供給装置の第５実施例を示すブロック図である。 第６実施形態に係る電力供給装置の第６実施例を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る電力供給装置の幾つかの実施形態について説明する。尚、以下の各実施形態で用いる図面については、同一の構成要素は原則として同一の符合を付し、重複する説明は省略するものとする。

《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力供給システムの構成図である。また、図２は、図１に示す電力供給システムに用いられる整流回路の回路図であり、図３は、図１に示す電力供給システムに用いられる交流発生回路の回路図である。

図１において、電力供給システム１５５は、複数の蓄電池セルからなる電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が直列接続された組電池１０と、各電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を充放電する電力供給装置１１０とを備え、充電電圧が高い何れかの電池モジュールを放電し、放電した電力量を利用して充電電圧が低い何れかの電池モジュールを充電するように構成されている。なお、図１の電力供給システムにおいては、説明の便宜上、電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が４個直列に接続された場合を示しているが、さらに多くの個数（ｎ個）の電池モジュールＥ１，Ｅ２…Ｅｎが直列に接続されていても構わない。

電力供給装置１１０は、電力供給対象である電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４に対応する制御モジュールＭＯＤ１，ＭＯＤ２，ＭＯＤ３，ＭＯＤ４と、複数のコンデンサＣ１，Ｃ２，…，Ｃ６と、各部を制御する制御部ＣＰＵ（制御手段）とを備える。
また、制御モジュールＭＯＤｎは、スイッチ素子ＳＷｎと、整流回路ＢＲｎと、交流発生回路ＰＬｎとを備える。但し、ｎは１，２，３，４である。
制御部ＣＰＵは、例えば、制御モジュールＭＯＤｎのスイッチ素子ＳＷｎのオン・オフを制御し、交流発生回路ＰＬｎの周波数を制御する。
なお、蓄電池セルは、例えばリチウムイオン電池等の二次電池で構成され、かつ、複数の電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４は、同一規格で構成されているが、内部インピーダンスは各電池モジュールごとにばらつきがある。

また、制御モジュールＭＯＤｎは、正極端子Ｐｎが電池モジュールＥｎの陽極に接続され、負極端子Ｎｎが電池モジュールＥｎの陰極に接続されている。正極端子Ｐｎがスイッチ素子ＳＷｎの一端と、交流発生回路ＰＬｎの正極入力端子ＶＰに接続され、負極端子Ｎｎが交流発生回路ＰＬｎの負極入力端子ＶＮと、整流回路ＢＲｎの負極端子Ｎに接続され、スイッチ素子ＳＷｎの他端が整流回路ＢＲｎの正極端子Ｐに接続されている。また、整流回路ＢＲｎの交流入力端子ＡＩと交流発生回路ＰＬｎの交流出力端子ＡＯと制御端子Ａｎとが接続されている。

また、コンデンサＣ１が制御端子Ａ１と制御端子Ａ２との間に接続され、コンデンサＣ２が制御端子Ｂ１と制御端子Ｂ２との間に接続され、コンデンサＣ３が制御端子Ａ２と制御端子Ａ３との間に接続され、コンデンサＣ４が制御端子Ｂ２と制御端子Ｂ３との間に接続され、コンデンサＣ５が制御端子Ａ３と制御端子Ａ４との間に接続され、コンデンサＣ６が制御端子Ｂ３と制御端子Ｂ４との間に接続され交流電路が構成されている。すなわち、図１に示す電力供給システム１５５は、一系統で直列接続された３個のコンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５と、他の系統で直列接続された３個のコンデンサＣ２，Ｃ４，Ｃ６との２列の場合における電力供給システムの回路図である。なお、本実施形態における複数の負荷は、電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４である。

さらに詳しく述べると、図１において、電力供給システム１５５は、組電池１０と電力供給装置１１０とを備え、電力供給装置１１０は、制御モジュールＭＯＤ１，ＭＯＤ２，ＭＯＤ３，ＭＯＤ４と、コンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５の直列回路と、コンデンサＣ２，Ｃ４，Ｃ６の直列回路とを備え、それぞれの制御モジュールＭＯＤｎは、整流回路ＢＲｎと、交流発生回路ＰＬｎと、スイッチ素子ＳＷｎとを備えている。また、整流回路ＢＲｎは、正極端子Ｐ及び負極端子Ｎと、２つの交流入力端子ＡＩ，ＢＩとを備えて交流電圧を整流している。また、交流発生回路ＰＬｎは、正極入力端子ＶＰ、及び負極入力端子ＶＮと、２つの交流出力端子ＡＯ，ＢＯを備え、電池モジュールＥｎの電圧を用いて２相の矩形波電圧を発生している。

また、整流回路ＢＲｎの正極端子Ｐ及び負極端子Ｎと、交流発生回路ＰＬｎの正極入力端子ＶＰ及び負極入力端子ＶＮのそれぞれの入力側は、各電池モジュールＥｎのプラス端子Ｐｎ及びマイナス端子Ｎｎに接続されている。

次に、整流回路ＢＲｎの交流入力端子ＡＩ，ＢＩと、交流発生回路ＰＬｎの交流出力端子ＡＯ，ＢＯの各出力側の構成について説明する。制御モジュールＭＯＤ１は、整流回路ＢＲ１の交流入力端子ＡＩと交流発生回路ＰＬ１の交流出力端子ＡＯと制御端子Ａ１とが接続され、整流回路ＢＲ１の交流入力端子ＢＩと交流出力端子ＢＯと制御端子Ｂ１とが接続されている。以下同様に、制御モジュールＭＯＤ４は、整流回路ＢＲ４の交流入力端子ＡＩと交流発生回路ＰＬ４の交流出力端子ＡＯと制御端子Ａ４とが接続され、交流入力端子ＢＩと交流出力端子ＢＯと制御端子Ｂ４とが接続されている。

また、コンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５は、それぞれ、制御端子Ａ１，Ａ２，Ａ３と制御端子Ａ２，Ａ３，Ａ４との間に接続され、コンデンサＣ２，Ｃ４，Ｃ６は、制御端子Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と制御端子Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４との間に接続されている。

図２は、図１に示す整流回路ＢＲ１，ＢＲ２，…，ＢＲ４の回路図である。整流回路ＢＲｎは、４本のダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８を備えてブリッジ整流回路を構成している。すなわち、整流回路ＢＲｎは、ダイオードＤ５，Ｄ７のカソード端と正極端子Ｐとが接続され、ダイオードＤ６，Ｄ８のアノード端が負極端子Ｎに接続され、ダイオードＤ５のアノード端とダイオードＤ６のカソード端とが交流入力端子ＡＩに接続され、ダイオードＤ７のアノード端とダイオードＤ８のカソード端とが交流入力端子ＢＩに接続されている。これにより、整流回路ＢＲｎは、交流入力端子ＡＩ，ＢＩに印加された交流入力電圧が全波整流されて、整流電圧が正極端子Ｐ、及び負極端子Ｎに出力される。言い換えれば、交流入力端子ＡＩを介して流れる交流電流が整流されて正極端子Ｐ及び負極端子Ｎを介して直流電流が流れる。また、交流入力端子ＢＩを介して流れる交流電流が整流されて正極端子Ｐ及び負極端子Ｎを介して直流電流が流れる。すなわち、図２に示す整流回路ＢＲｎは一般的な全波整流回路である。

図３は、図１に示す交流発生回路ＰＬ１，ＰＬ２，…，ＰＬ４の回路図である。交流発生回路ＰＬｎは、ＯＲゲートＯＲａ，ＯＲｂと、ＡＮＤゲートＡＮＤａ，ＡＮＤｂと、インバータＩＮＶと、バッファＢＦと、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３，Ｍ５と、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４，Ｍ６とダイオードＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２と、矩形波電源ＥＰと、配線インダクタＬ１，Ｌ２とを備えている。

矩形波電源ＥＰはバッファＢＦとインバータＩＮＶの入力に接続され、バッファＢＦの出力がＯＲゲートＯＲａの入力端子ＢとＡＮＤゲートＡＮＤａの入力端子Ｃに接続され、かつ、インバータＩＮＶの出力がＯＲゲートＯＲｂの入力端子ＦとＡＮＤゲートＡＮＤｂの入力端子Ｇに接続されている。また、インヒビット端子ＩＮＨが、インバータＩＮＶａを介してＯＲゲートＯＲａの入力端子Ａと、ＡＮＤゲートＡＮＤａの入力端子Ｄと、インバータＩＮＶｂを介してＯＲゲートＯＲｂの入力端子Ｅと、ＡＮＤゲートＡＮＤｂの入力端子Ｈとに接続されている。さらに、ＯＲゲートＯＲａの出力ＯＵＴ１がｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３のゲート端子に接続され、ＡＮＤゲートＡＮＤａの出力ＯＵＴ２がｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のゲート端子に接続され、ＯＲゲートＯＲｂの出力ＯＵＴ３がｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５のゲート端子に接続され、ＡＮＤゲートＡＮＤｂの出力ＯＵＴ４がｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のゲート端子に接続されている。

ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３のソース端子は正極入力端子ＶＰに接続され、ドレイン端子はダイオードＤ９，Ｄ１０を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のドレイン端子に接続されている。ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４のソース端子は、負極入力端子ＶＮに接続されている。さらに、ダイオードＤ９，Ｄ１０の接続端子から配線インダクタＬ１を介して交流出力端子ＡＯに接続されている。また、ダイオードＤ１１，Ｄ１２の接続端子から配線インダクタＬ１を介して交流出力端子ＢＯに接続されている。

ＯＲゲートＯＲｂの出力端子ＯＵＴ３は、ｐ一ＭＯＳトランジスタＭ５のゲート端子に接続され、ＡＮＤゲートＡＮＤｂの出力端子ＯＵＴ４は、ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のゲート端子に接続されている。ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５のソース端子は、正極入力端子Ｖｐに接続され、ドレイン端子はダイオードＤｌｌ，Ｄ１２を介してｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のドレイン端子に接続されている。ｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６のソース端子は、負極入力端子ＶＮに接続されている。また、ダイオードＤ１１，Ｄ１２の接続端子から配線インダクタＬ２を介して交流出力端子ＢＯに接続されている。

このような構成により、交流発生回路ＰＬｎは、交流出力端子ＡＯ，ＢＯに、矩形波電源ＥＰに同期して、互いに反転した矩形波電圧が出力される。すなわち、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ３とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ４とを交互にオン・オフさせ、ｐ−ＭＯＳトランジスタＭ５とｎ−ＭＯＳトランジスタＭ６とを逆位相でオン・オフさせることにより、交流出力端子ＡＯ，ＢＯを介して位相反転した矩形波電流を出力する。

図１において、例えば、電池モジュールＥ４の電圧は、電池モジュールＥ１の電圧よりも充電電圧のばらつき分だけ高いとする。ここで、スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にし、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態に設定する。交流発生回路ＰＬ４が動作して交流出力端ＡＯ，ＢＯに交流電圧を出力すると、制御端子Ａ４，Ｂ４の電位は、各々、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４、及び負極端子Ｎ４の電位を往復する。制御端子Ａ１，Ｂ１の電位が交互に反転することにより、電池モジュールＥ４は放電され、その放電エネルギによって整流回路ＢＲ１及びスイッチ素子ＳＷ１を介して電池モジュールＥ１が充電される。すなわち、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の選定により、制御モジュールＭＯＤ１，ＭＯＤ２，ＭＯＤ３，ＭＯＤ４をどのように組み合わせても同様に動作して、電圧の高い電池モジュールの放電エネルギが電圧の低い電池モジュールに充電される。

また、電力供給装置１１０は、直列接続されたコンデンサ列を２列にして構成したが、３列以上にすることもできる。この場合は、交流発生回路でｍ相交流電圧（多相交流電圧）を発生させ、整流回路でｍ相ブリッジ（多相ブリッジ）を構成すればよい。この場合、制御端子Ａｎで一の相電圧を出力し、他の制御端子Ｂｎ，Ｃｎ，Ｄｎ，…で残りの（ｍ−１）相の相電圧を出力することになる。また、整流回路ＢＲｎは、合計ｍ個の制御端子に印加されるｍ相交流電圧をｍ相全波整流し、隣接する制御モジュールのｍ個の制御端子相互間をｍ個のコンデンサＣｎで接続することになる。

ここで、電圧の高い電池モジュールＥ４を放電し、電圧の低い電池モジュールＥ１を充電する場合の充放電動作について、図１，２，３を用いてさらに詳しく説明する。電池モジュールＥ４に接続された制御モジュールＭＯＤ４の交流発生回路ＰＬ４が動作すると、制御端子Ａ４の電位は、電池モジュールＥ４の正極端子Ｐ４の電位と負極端子Ｎ４の電位とを往復する。なお、電池モジュールＥ４の充電電圧は、電池モジュールＥ１の充電電圧よりも充電電圧ばらつき分だけ高いとする。制御端子Ａ４の電位が電池モジュールＥ４の陰極の電位のときには、コンデンサＣ１の充電電圧は電池モジュールＥ２の電圧Ｖ２に略等しく、コンデンサＣ３の充電電圧は電池モジュールＥ３の電圧Ｖ３に略等しく、コンデンサＣ５の充電電圧は電池モジュールＥ４の電圧Ｖ４に略等しい。

ここで、スイッチ素子ＳＷ１をオン状態に設定し、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態に設定するとする。制御端子Ａ４の電位が電池モジュールＥ４の負極の負極端子Ｎ４の電位から正極端子Ｐ４の電位に遷移すると、制御端子Ａ２，Ａ３には電流の流入が無く、コンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５は制御端子Ａ１、整流回路ＢＲ１、スイッチ素子ＳＷ１、正極端子Ｐ１経由で電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３を充電する。

次に、制御端子Ａ４の電位が正極端子Ｐ４の電位から負極端子Ｎ４の電位に遷移すると、電池モジュールＥ２，Ｅ３，Ｅ４がコンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５を充電する。これを繰り返すと、電池モジュールＥ２，Ｅ３は充電と放電とを交互に繰り返し、電池モジュールＥ４は放電し、電池モジュールＥ１は充電される。すなわち、電池モジュールＥ４が放電されて、放電された電力量が電池モジュールＥ１に充電される。

また、その他の組み合わせでも同様に動作する。例えば、電池モジュールＥ２の電圧が低く、電池モジュールＥ３の電圧が高いとき、スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にし、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４をオフ状態にすればよい。この場合、制御モジュールＭＯＤ３の制御端子Ａ３の電位が、電池モジュールＥ３の正極端子Ｐ３の電位と負極端子Ｎ３の電位とを往復する。これにより、コンデンサＣ３、整流回路ＢＲ２、及びスイッチ素子ＳＷ２を介して、充電電流が電池モジュールＥ２に流れる。これによって、電池モジュールＥ３が放電して電池モジュールＥ２を充電する。

ところが、図１に示すような第１実施形態の電力供給装置を用いて、電圧の高い電池モジュールから電圧の低い電池モジュールへ充電する場合、充放電ルートの電池モジュールの組合せによって交流回路に接続されるコンデンサの直列個数が異なってくる。そのため、交流回路の伝達特性が均一にならないために、充放電ルートの電池モジュールの組合せによって充電電流の共振周波数がずれてしまい、電池モジュールごとに均一な充電を行うことができないおそれがある。例えば、図１において、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する場合は交流回路にはコンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５が直列に接続されるが、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する場合は交流回路にはコンデンサＣ５のみが接続され、前者の方がトータルのコンデンサ容量が小さくなる。その結果、両者における充電電流の共振周波数がずれてしまう。

このことについて等価回路を用いてさらに詳しく説明する。図４は、図１に示す電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する場合の等価回路であり、図５は、図４において交流成分のみを考慮した等価回路である。また、図６は、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。さらに、図７は、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。また、図８は、図５，図６，図７の各等価回路における電流ゲインの周波数特性であり、横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。

すなわち、図１に示す電力供給装置において、最下段の電池モジュールＥ４の制御モジュールＭＯＤ４に接続された交流発生回路ＰＬ４から最上段の電池モジュールＥ１を充電する場合の電流経路を簡略化して図示すると、図４に示すような等価回路になる。そして、図４の等価回路において交流成分のみを考慮してさらに簡略化すると図５に示すような等価回路になる。言い換えると、図５は、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。

このとき、交流発生回路ＰＬ４の周波数が、図５の電流経路を形成しているコンデンサＣとインダクタＬの回路の共振周波数と等しい場合に、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１への充電電流Ｉ１が最大となる。すなわち、図８に示すように、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１への充電電流Ｉ１の共振周波数（ｆ＝１／ωＬＣ）は、図５に示すように、等価回路の直列コンデンサの数が多くなるのでトータルのＣ値が小さくなるために、高い周波数の方へシフトしている（図８における充電電流Ｉ１の周波数特性参照）。

また、図１に示す電力供給装置１１０において、最下段の電池モジュールＥ４の制御モジュールＭＯＤ４に接続された交流発生回路ＰＬ４から２段目の電池モジュールＥ２を充電する場合の交流成分のみの等価回路は図６のようになる。これにより、直列コンデンサの数が図５よりやや少なくなるのでトータルのＣ値がやや大きくなるために、図８に示すように、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２への充電電流Ｉ２の共振周波数はやや低い周波数の方へシフトしている（図８における充電電流Ｉ２の周波数特性参照）。

また、図１に示す電力供給装置１１０において、最下段の電池モジュールＥ４の制御モジュールＭＯＤ４に接続された交流発生回路ＰＬ４から３段目の電池モジュールＥ３を充電する場合の交流成分のみの等価回路は図７のようになる。これにより、直列コンデンサの数が最も少なくなるのでトータルのＣ値が大きくなるために、図８に示すように、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３への充電電流Ｉ３の共振周波数はさらに低い周波数の方へシフトしている（図８における充電電流Ｉ３の周波数特性参照）。

なお、図８では、コンデンサＣの容量を全て等しく１ｕＦとし、インダクタＬのインダクタンスを１０ｕＨ、インダクタＬの直流抵抗成分を１Ωとしたときの、それぞれの等価回路（つまり、図５，図６，図７の等価回路）における電流ゲインの周波数特性を示している。すなわち、図８から分かるように、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１への充電電流Ｉ１、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２への充電電流Ｉ２、及び電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３への充電電流Ｉ３のそれぞれの共振周波数が異なるので、各交流発生回路ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３，ＰＬ４の周波数が同じ場合は、各充電回路を流れる電流値が異なってしまう。その結果、各電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４を均等に充電することができなくなり、各電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の電圧を均一にすることができない。

そこで、第１実施形態の電力供給装置１１０では、図８に示すように、放電する電池モジュールＥ４と充電する電池モジュールＥ１との組み合わせにおいては、充電電流Ｉ１が共振周波数となる周波数ｆ１を選択し、放電する電池モジュールＥ４と充電する電池モジュールＥ２との組み合わせにおいては、充電電流Ｉ２が共振周波数となる周波数ｆ２を選択し、放電する電池モジュールＥ４と充電する電池モジュールＥ３との組み合わせにおいては、充電電流Ｉ３が共振周波数となる周波数ｆ３を選択する。すなわち、放電する電池モジュールと充電する電池モジュールとの組み合わせ時のコンデンサの段数に応じて、交流発生回路ＰＬ４の周波数が共振周波数になるように周波数を可変にすることで、各電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３の充電電流の値を一定値（例えば、ピーク値）にすることができる。この場合、制御部ＣＰＵが、交流発生回路ＰＬ４の周波数を可変制御する。

なお、交流発生回路の周波数は共振周波数に限られるものではなく、任意の周波数を選択して電流ゲインが均一になるように設定してもよい。あるいは、任意の周波数を設定することで電流の量を任意に調整することも可能である。すなわち、選択された２つの電池モジュール間に形成される交流電路の伝達特性に合わせて、交流発生回路の発振周波数を可変にすることにより、各電池モジュールの充電電流を均一にすることができる。

すなわち、本発明の第１実施形態の電力供給装置は、複数の電池モジュールが直列に接続され、これらの複数の電池モジュールは、それぞれ、整流回路と、この整流回路の間を順次接続する交流電路と、この交流電路に交流を印加する交流発生回路とを備えていて、この交流電路にはコンデンサが直列に接続された構成となっている。そして、選択された放電電池モジュールと充電電池モジュールとの組み合せに応じて交流発生回路の周波数を可変にすることで、充電電流の量を一定にすることができるようになっている。

《第２実施形態》
図９は、本発明の第２実施形態に係る電力供給システム１５５Ａの構成図であり、図１０は、図９に示す電力供給システム１５５Ａに用いられる交流発生回路ＰＬｎＡの回路図である。すなわち、第２実施形態の電力供給装置１１０Ａにおいては、図１に示す電力供給装置１１０におけるコンデンサＣの直列回路を、図９に示すようにコンデンサＣとインダクタＬの直列回路に置き換え、図３に示す交流発生回路ＰＬｎにおける出力段のインダクタＬ１，Ｌ２を抵抗Ｒ１，Ｒ２に置き換えている。このような回路構成にすることにより各電池モジュールの充電電流を均一にすることができるので、その動作原理について詳細に説明する。

また、コンデンサＣ１とインダクタＬ１とが制御端子Ａ１と制御端子Ａ２との間に接続され、コンデンサＣ２とインダクタＬ２とが制御端子Ｂ１と制御端子Ｂ２との間に接続され、コンデンサＣ３とインダクタＬ３とが制御端子Ａ２と制御端子Ａ３との間に接続され、コンデンサＣ４とインダクタＬ４とが制御端子Ｂ２と制御端子Ｂ３との間に接続され、コンデンサＣ５とインダクタＬ５とが制御端子Ａ３と制御端子Ａ４との間に接続され、コンデンサＣ６とインダクタＬ６とが制御端子Ｂ３と制御端子Ｂ４との間に接続され交流電路が構成されている。すなわち、図９に示す電力供給システム１５５Ａは、一系統で直列接続された３個のコンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ５と３個のインダクタＬ１，Ｌ３，Ｌ５と、他の系統で直列接続された３個のコンデンサＣ２，Ｃ４，Ｃ６と３個のインダクタＬ２，Ｌ４，Ｌ６との２列の場合における電力供給システムの回路図である。なお、本実施形態における複数の負荷は、電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４である。

ここでは、図９に示す第２実施形態の電力供給装置１１０Ａにおいて、最下段の電池モジュールＥ４の制御モジュールＭＯＤ４Ａに接続された交流発生回路ＰＬ４Ａから、最上段の電池モジュールＥ１を充電する場合、２段目の電池モジュールＥ２を充電する場合、及び３段目の電池モジュールＥ３を充電する場合について説明する。

図１１は、図９に示す電力供給装置１１０Ａにおいて電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路であり、図１２は、図９に示す電力供給装置１１０Ａにおいて電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。さらに、図１３は、図９に示す電力供給装置１１０Ａにおいて電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。また、図１４は、図１１，図１２，図１３の各等価回路における電流ゲインの周波数特性であり、横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。

すなわち、最下段の電池モジュールＥ４の交流発生回路ＰＬ４Ａから最上段の電池モジュールＥ１を充電する場合の簡略化した交流等価回路は図１１のようになり、同じ交流発生回路ＰＬ４Ａから２段目の電池モジュールＥ２を充電する場合の等価回路は図１２のようになり、さらに、同じ交流発生回路ＰＬ４Ａから３段目の電池モジュールＥ３を充電する場合の等価回路は図１３のようになり、それぞれ直列個数の異なるＬＣの共振回路となっている。

このようなＬＣの共振回路にすることにより、図１１，図１２，図１３の各等価回路における電流ゲインの周波数特性は、図１４に示すように、充電電流のピーク値を示す共振周波数ｆ４が同じで電流ゲインの減衰特性が異なる特性を示している。すなわち、図１１，図１２，図１３のいずれの等価回路の場合も、交流発生回路ＰＬ４Ａの共振周波数が同じ値において各充電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３のピーク値はほぼ同じ値となっている。これにより、各電池モジュールの交流発生回路の共振周波数を同じ値に設定すれば、いずれの電池モジュールの組合せの充放電ルートにおいても同じ値の充放電電流を流すことができるので、各電池モジュールの充電電圧を均一にすることができる。

なお、図１４における電流ゲインの周波数特性は、コンデンサＣの値は全て等しく１ｕＦとし、抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗値は１Ω、Ｌのインダクタンスは１０ｕＨ、ＬとＣの直流抵抗成分はＲ１、Ｒ２に対して無視できる程度に小さいものとしたときの各等価回路（すなわち、図１１、図１２，図１３の等価回路）における電流ゲインの周波数特性である。図１４から分かるように、各等価回路でＱ値は異なるものの共振周波数は均一（すなわち、ｆ４＝５０．３５ｋＨｚ）であるので、各電池モジュールの交流発生回路の周波数を共振周波数と等しくすることで、放電電池モジュールと充電電池モジュールとの選択の如何によらず充放電の電流量を一定にすることができる。

すなわち、第２実施形態の電力供給装置は、複数の電池モジュールが直列に接続され、これらの複数の電池モジュールは、それぞれ、整流回路と、この整流回路の間を順次接続する交流電路と、この交流電路に交流を印加する交流発生回路とを備えていて、この交流電路にはコンデンサとインダクタが直列に接続された構成となっている。そして、交流発生回路から各整流回路までの、複数のコンデンサＣの合成キャパシタンスと、複数のインダクタＬの合成インダクタンスの積が、何れの電池モジュールの組み合わせにおいても等しくなるように設定されている。また、交流電路は２相以上の交流を伝達するように構成され、交流発生回路は、コンデンサＣとインダクタＬの直列回路の共振周波数に近似した周波数の交流を発生するように構成されている。これにより、何れの電池モジュールの組み合わせにおいても共振周波数が同じになるので、全ての電池モジュールへ同じ値の充電電流を流すことができる。

《第３実施形態》
第３実施形態に係る電力供給装置の構成は、基本的には、図９に示した第２実施形態の電力供給装置１１０Ａの構成と同じであるが、第３実施形態では、各ＬとＣの直列抵抗成分が無視できない程度に大きくなっている。そこで、第３実施形態の電力供給装置では、各ＬとＣの直列回路に、それぞれの抵抗分をｒ１〜ｒ６として置いた場合について説明する。

図１５は、第３実施形態に係る電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路であり、図１６は、第３実施形態に係る電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。さらに、図１７は、第３実施形態に係る電力供給装置において電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する場合の交流成分のみを考慮した等価回路である。また、図１８は、図１５，図１６，図１７の各等価回路における電流ゲインの周波数特性であり、横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。

図１８の各等価回路における電流ゲインの周波数特性図を参照して説明すると、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する場合は、図１５の等価回路に示すように、ＬＣの抵抗分がｒ１〜ｒ６まで全て直列に挿入されるので、充電電流Ｉ１の電流ゲインが最も低下する。また、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２を充電する場合は、図１６の等価回路に示すように、ＬＣの抵抗分としてｒ３〜ｒ６までが直列に挿入されるので、充電電流Ｉ２の電流ゲインは充電電流Ｉ１よりもやや上昇する。さらに、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する場合は、図１７の等価回路に示すように、ＬＣの抵抗分としてｒ５，ｒ６のみが直列に挿入されるので、充電電流Ｉ３の電流ゲインは充電電流Ｉ２よりもさらに上昇する。なお、各充電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３のピーク値を示す共振周波数は何れの等価回路においても一致している。

図１８に示す電流ゲインの周波数特性は、第２実施形態と同様に、それぞれのＣの値は１ｕＦ、それぞれのＬのインダクタンスは１０ｕＨとし、第２実施形態と異なる値として、直列抵抗成分ｒ１〜ｒ６をそれぞれ０．５Ωとした場合の特性図である。すなわち、ＬＣに直列抵抗分がある場合は、図１５，図１６，図１７の各等価回路における電流ゲインの周波数特性は図１８のようになる。図１８に示すように、ＬＣの直列抵抗成分ｒが無視できないときは、放電電池モジュールと充電電池モジュールとの間の段数が多くなるほど、直列抵抗成分ｒが増加するので電流ゲインが低下する。

そこで、放電電池モジュールと充電電池モジュールとの間のＬＣの段数に合わせて交流発生回路ＰＬ４Ａの周波数を調整することにより、放電電池モジュールと充電電池モジュールの組み合せの選択如何にかかわらず、充放電電流の量を一定にすることができる。すなわち、図１８に示すように、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１を充電する充電電流Ｉ１のとき（図１５の等価回路のとき）は交流発生回路ＰＬ４Ａの周波数をｆ５に調整し、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ２を充電する充電電流Ｉ２のとき（図１６の等価回路のとき）は交流発生回路ＰＬ４Ａの周波数をｆ６に調整し、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ３を充電する充電電流Ｉ３のときは（図１７の等価回路のとき）は交流発生回路ＰＬ４Ａの周波数をｆ７に調整する。これによって、選択された電池モジュールの如何にかかわらず充電電流を一定にすることができる。

すなわち、第３実施形態の電力供給装置は、複数の電池モジュールが直列に接続され、これらの複数の電池モジュールは、それぞれ、整流回路と、この整流回路の間を順次接続する交流電路と、この交流電路に交流を印加する交流発生回路とを備えていて、この交流発生回路は、コンデンサとインダクタの直列回路の共振周波数に近似した周波数の交流を発生し、各整流回路の入力電圧振幅にばらつきがある場合には、周波数を調整して電圧振幅を一定に保つように構成されている。

《第４実施形態》
前記の第１実施形態においては、電力供給装置１１０の整流回路ＢＲｎとして図２に示すようなブリッジ型の全波整流回路を用いた。しかしながら、各電池モジュールの電圧がほぼ同等である場合には、放電する電池モジュールの交流発生回路ＰＬｎの電源電圧と、充電する電池モジュールの整流回路ＢＲｎに接続される充電負荷（充電電池モジュール）の電圧とがほぼ同等であるので、整流回路ＢＲｎのダイオードの電圧降下などがあるために、放電電池モジュールから充電電池モジュールへ充電することができない。

すなわち、図１の電力供給装置１１０において、各電池モジュールＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４の充電電圧のばらつきが少ないときには、図２に示すようなブリッジ型の整流回路ＢＲｎを用いた場合には、例えば、充電電圧の高い電池モジュールＥ４から充電電圧の低い電池モジュールＥ１へ充電しようとしても、整流回路ＢＲｎのダイオードの順方向電圧降下によって電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１へ充電することはできない。そこで、このような不具合を解決するために、電池モジュールＥ４の電圧を昇圧することによって電池モジュールＥ１への充電を行う。すなわち、電池モジュールＥ４の整流回路を昇圧型整流回路にしてチャージポンプ作用によって電池モジュールＥ１への充電を行う。

図１９は一般的な倍電圧整流回路ＢＲｎＡの回路図である。図１９のような倍電圧整流回路ＢＲｎＡにおいては、ＡＩ、ＢＩ端子に交流電圧が印加されると、正の半サイクルでＡＩ→Ｄ１３→Ｐ→負荷（コンデンサ）→Ｎ→Ｄ１４→ＢＩの径路で充電され、負の半サイクルでＢＩから供給された電気エネルギはＤ１５→Ｄ１３→Ｐ→負荷（コンデンサ）→Ｎ→Ｄ１４→Ｄ１５の径路で負荷（コンデンサ）へ追加充電されるので、結果的に負荷（コンデンサ）には交流電圧の２倍の電圧が印加されることになる。従って、図２で示したブリッジ型の整流回路ＢＲｎを図１９で示す倍電圧整流回路ＢＲｎＡに置換して昇圧機能を持たせることで、各電池モジュールの電圧がほぼ同等であっても、放電電池モジュールから充電電池モジュールへ充電することが可能となる。例えば、電池モジュールＥ４の電圧を図１９で示す倍電圧整流回路ＢＲｎＡによって２倍の電圧に昇圧することにより、電池モジュールＥ４から電池モジュールＥ１へ充電を行うことができる。

しかしながら、倍電圧整流回路ＢＲｎＡを用いた場合は、交流電路の電圧振幅に対し整流回路の出力電圧が２倍に近い電圧になるため、充電電池モジュールへ過剰な充電電流を流すおそれがある。そこで、過剰な充電電流を抑制する手段として、充電回路に直列に挿入した抵抗の抵抗値を大きくする方法がある。しかしながら、充電回路の抵抗値を大きくすると電力損失が増大してしまうので好ましくない。そこで、倍電圧整流回路ＢＲｎＡを用いた場合において、充電回路の抵抗値を大きくしないで過剰な充電電流を抑制する方法について詳細に説明する。

図２０は、第４実施形態の電力供給装置の充放電回路に接続されるＬ，Ｃ，Ｒの直列回路のモデル図である。図２０に示すようなＬ，Ｃ，Ｒの直列回路のインピーダンスＺは次の式（１）で表わすことができる。

但し、ｂは次の式（２）で表わされ、Ｑは次の式（３）で表わされる。

ここで、式（２）及び式（３）を用いて式（１）のｂとＱを整理すると、Ｌ，Ｃ，Ｒの直列回路のインピーダンスＺは次の式（４）で表わすことができる。

ここで、前記第２実施形態で示したＬとＣの組合せを多段に接続した構成について説明する。図２１は、第４実施形態の電力供給装置の充放電回路に接続されるＬＣ直列回路の多段構成のモデル図である。すなわち、図２１のようにＬＣの組合せを多段に接続した構成においては、ＬＣの組合せ段数をｎとすれば、ＬはｎＬで置換され、ＣはＣ／ｎで置換されるので、ＬＣの多段組合せにおけるインピーダンスＺは次の式（５）で表わされる。

ここで、共振周波数を示す式（２）のｂはｎの値に依らず一定となり、周波数ωがｂ（共振周波数）に等しいときのインピーダンスＺは、ｎの値によらず抵抗値Ｒに等しくなる。すなわち、交流発生回路の周波数が共振周波数となったときは、図２１のＬＣ直列回路の多段構成は抵抗Ｒの成分のみとなる。

ここで、図２１のＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した場合について説明する。図２２は、図２１のＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加したときのモデル図である。図２２に示すようなＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した場合のインピーダンスＺは、前記の式（５）のｎＬを（ｎＬ＋ΔＬ）に置き換えればよいので次の式（６）で表わされる。

ここで、周波数ωは次の式（７）で表わされるので、前記の式（６）は式（８）で表わすことができる。

すなわち、周波数ωが式（７）で表わされるときのインピーダンスＺを求めると式（８）のようになるので、ＬＣの多段構成の段数ｎによらず、インピーダンスＺは一定であることがわかる。

ここで、図１１、図１２、図１３に示すＬＣ直列回路の多段構成の等価回路にΔＬのインダクタを追加した構成について説明する。図２３は、図１１に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した等価回路であり、図２４は、図１２に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した等価回路であり、図２５は、図１３に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＬのインダクタを追加した等価回路である。また、図２６は、図２３，図２４，図２５の各等価回路における電流ゲインの周波数特性であり、横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。

すなわち、図１１、図１２、図１３に示すＬＣ直列回路にそれぞれΔＬのインダクタを追加した図２３，図２４，図２５の等価回路にすることにより、図２６に示すように、それぞれの等価回路の共振周波数は異なるが、充電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の電流ゲイン（振幅）が等しくなる周波数ｆ８が存在することが分かる。例えば、追加したインダクタΔＬの値をＬ１〜Ｌ６と同じ１０ｕＨとした場合には、図２３，図２４，図２５の各等価回路の周波数特性は、図２６に示すように、各々の等価回路の共振周波数は異なるものの、電流振幅が等しくなる周波数ｆ８が存在する。このとき、その周波数ｆ８はインダクタΔＬを追加する前の共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）と等しい。

図２７は、図１０の交流発生回路ＰＬｎＡにインダクタΔＬ（第１のインダクタ）を追加した第４実施形態の交流発生回路ＰＬｎＢであり、図２８は、図１９の倍電圧整流回路ＢＲｎＡにインダクタΔＬ（第２のインダクタ）を追加した第４実施形態の倍電圧整流回路ＢＲｎＢである。すなわち、図９の電力供給装置１１０Ａ、図１０の交流発生回路ＰＬｎＡ、及び図１９の倍電圧整流回路ＢＲｎＡの構成に対し、図１０の交流発生回路ＰＬｎＡにインダクタΔＬを追加した図２７の交流発生回路ＢＲｎＢの構成にすることで、各電池モジュールにおけるＬＣの段間のゲイン特性を均一に保ったまま、抵抗損失を増やすことなく、倍電圧整流回路ＢＲｎＢによる過剰な充電電流を抑制することができる。なお、倍電圧整流回路ＢＲｎＢによる過剰な充電電流の抑制効果が充分であれば、図２７に示す電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２は省略してもよい。また、図２７に示すようにインダクタΔＬを追加した交流発生回路ＰＬｎＢではなく、図２８に示すようにインダクタΔＬを追加した倍電圧整流回路ＢＲｎＢにしても、倍電圧整流回路による過剰な充電電流を抑制することができる。

次に、前記第３実施形態の図１５、図１６，図１７の等価回路で示したように、各段を接続するＬとＣの等価直列抵抗ｒが無視できない場合について説明する。図２９は、図２２に示すＬＣ及びインダクタΔＬの直列回路にさらにＬＣの直列抵抗成分ｒを追加したときのモデル図である。

図２９に示す回路のインピーダンスＺは次の式（９）で表わされる。

ここで、周波数ωが前記の式（７）であるときのインピーダンスＺは次の式（１０）で表わされる。

また、インダクタΔＬが無い場合のインピーダンスＺは次の式（１１）となる。

すなわち、ΔＬが無い場合のインピーダンスＺは式（１１）となるから、ＬＣの段数ｎによる影響が式（１０）では相対的に小さくなっていることが分かる。

図３０の（ａ）は、インダクタΔＬを追加しないときの電流ゲインの周波数特性を示し、図３０の（ｂ）は、インダクタΔＬを追加したときの電流ゲインの周波数特性を示す図であり、何れも横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。すなわち、図３０の（ａ）は、図１５，図１６，図１７のようにΔＬがないときのＬＣ等価回路の周波数特性（つまり、図１８の周波数特性）を示し、図３０の（ｂ）は、図２３，図２４，図２５のようにΔＬがあるときのＬＣ等価回路の周波数特性（つまり、図２６の周波数特性）を示している。なお、図３０の（ｂ）は、図１５，図１６，図１７の等価回路に対してΔＬの値をＬ１〜Ｌ６と同じ１０ｕＨとして追加した場合の周波数特性を示し、ΔＬがないときのＬＣ等価回路の周波数特性（図１８の周波数特性）と対比して示している。

すなわち、図３０の（ａ）に示すように、インダクタΔＬがないときは、共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）の近傍において各等価回路の充電電流のピーク値に差が見られる。ところが、図３０の（ｂ）に示すように、インダクタΔＬがあるときは、ΔＬがないときの共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）の近傍において各等価回路の充電電流の値が近似している。すなわち、図３０に示す周波数特性から分かるように、インダクタΔＬを追加することにより、ΔＬがないときの共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）の近傍においては、段数違いによる充電電流の差異が小さくなっている。また，充電電流の電流量はインダクタΔＬの追加前に比べて抑制されている。

これにより、倍電圧整流回路を用いた場合において、ＬＣ回路に直列に挿入した抵抗値を増加させることなく、インダクタΔＬを追加することによって、電力損失を増大させることなく過剰な充電電流を抑えることができる。

すなわち、第４実施形態の電力供給装置は、交流発生回路がコンデンサとインダクタの直列回路の共振周波数に近似した周波数の交流を発生し、交流発生回路と交流電路との間にインダクタを挿入することにより、倍電圧整流回路を用いても過剰な充電電流を抑制することができる。または、交流電路と整流回路との間にインダクタを挿入しても過剰な充電電流を抑制することができる。

《第５実施形態》
第５実施形態では、ＬＣの直列回路にインダクタΔＬを追加する代わりにコンデンサΔＣを追加した場合について説明する。図３１は、図２１のＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加したときのモデル図である。

ここで、前記の第４実施形態でＬＣ直列回路にインダクタΔＬを追加した場合と同様に、ＬＣ直列回路にコンデンサΔＣを追加した図３１の回路についてインピーダンスＺを求める。ＬＣ直列回路にコンデンサΔＣを追加した場合は、前記の式（５）におけるＣ／ｎをＣ・ΔＣ／（ｎΔＣ＋Ｃ）に置き換えればよいので、インピーダンスＺは次の式（１２）で表わされる。

ここで、周波数ωが前記の式（７）で表わされるときのインピーダンスＺを求めると、次の式（１３）のようになり、段数ｎによらずインピーダンスＺは一定であることが分かる。

次に、図１１、図１２、図１３に示すＬＣ直列回路の多段構成の等価回路にΔＣのコンデンサを追加した構成について説明する。図３２は、図１１に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加した等価回路であり、図３３は、図１２に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加した等価回路であり、図３４は、図１３に示すＬＣ直列回路の多段構成にΔＣのコンデンサを追加した等価回路である。また、図３５は、図３２，図３３，図３４の各等価回路における電流ゲインの周波数特性であり、横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。

すなわち、図１１、図１２、図１３に示すＬＣ直列回路の多段構成の等価回路にΔＣのコンデンサを追加した構成は図３２，図３３，図３４のようになり、追加したコンデンサΔＣの値をＣ１〜Ｃ６と同じ１ｕＦとした場合に、それぞれの等価回路における電流ゲインの周波数特性は図３５のようになる。図３５の周波数特性から分かるように、各々の等価回路の共振周波数は異なるものの、充電電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の電流振幅が等しくなる周波数ｆ９が存在し、その周波数ｆ９は、コンデンサΔＣを追加する前の共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）に等しい。

図３６は、図１９の倍電圧整流回路ＢＲｎＡにコンデンサ（第２のコンデンサ）を追加した第５実施形態の倍電圧整流回路ＢＲｎＣであり、図３７は、図１９とは異なる構成の倍電圧整流回路にコンデンサ（第２のコンデンサ）を追加した第５実施形態の倍電圧整流回路ＢＲｎＤであり、図３８は、図１０の交流発生回路ＰＬｎＡにコンデンサΔＣ（第１のコンデンサ）を追加した第５実施形態の交流発生回路ＰＬｎＣである。
図３６の倍電圧整流回路ＢＲｎＣは、ダイオードＤ１３，Ｄ１４，Ｄ１５で構成される倍電圧整流回路に対して、ＡＩ端子との間にコンデンサＣ１１を追加し、ＢＩ端子との間にコンデンサＣ１２を追加した構成である。
図３７の倍電圧整流回路ＢＲｎＤは、ダイオードＤ１５，Ｄ１６，Ｄ１９とダイオードＤ１７，Ｄ１８，Ｄ２０とで構成される倍電圧整流回路に対して、ＡＩ端子との間にコンデンサＣ１３，Ｃ１６を追加し、ＢＩ端子との間にコンデンサＣ１４，Ｃ１５を追加した構成である。

すなわち、図９の電力供給装置１１０Ａ、図１０の交流発生回路ＰＬｎＡ、及び図１９の倍電圧整流回路ＢＲｎＡの構成に対し、図１０の交流発生回路ＰＬｎＡにコンデンサΔＣを追加した図３８の交流発生回路ＰＬｎＣの構成にすることで、各電池モジュールの段間のゲイン特性を均一に保ったまま、抵抗損失を増やすことなく、倍電圧整流回路による過剰な充電電流を抑制することができる。
なお、倍電圧整流回路による過剰な充電電流の抑制効果が充分であれば、図３８に示す電流制限抵抗Ｒ１，Ｒ２は省略してもよい。
また、図３８に示すコンデンサΔＣを追加した交流発生回路ＰＬｎＣではなく、図３６、図３７に示すコンデンサを追加した倍電圧整流回路ＢＲｎＣ、倍電圧整流回路ＢＲｎＤにしても、倍電圧整流回路による過剰な充電電流を抑制することができる。

次に、前記第３実施形態で示したように、各段を接続するＬＣの等価直列抵抗が無視できない場合について説明する。図３９は、図３１のＬＣ直列回路に直列抵抗成分ｒを追加した回路図である。図３９の回路のインピーダンスＺは次の式（１４）で表わされる。

周波数ωが前記の式（７）で表わされるときのインピーダンスＺを求めると次の式（１５）のようになる。

ここで、コンデンサΔＣが無い場合のインピーダンスＺは前記の式（１１）であるから、ＬＣの段数による影響が式（１５）では相対的に小さくなっていることが分かる。

図４０の（ａ）は、コンデンサΔＣを追加しないときの電流ゲインの周波数特性であり、図４０の（ｂ）は、コンデンサΔＣを追加したときの電流ゲインの周波数特性であり、何れも横軸に周波数、縦軸に電流ゲインを表わしている。すなわち、図４０の（ａ）は、図１５，図１６，図１７のようにΔＣがないときのＬＣ等価回路の周波数特性（つまり、図１８の周波数特性）を示し、図４０の（ｂ）は、図３２，図３３，図３４のようにΔＣがあるときのＬＣ等価回路の周波数特性（つまり、図３５の周波数特性）を示している。なお、図４０では、図１５，図１６，図１７の等価回路に対してΔＣの値をＣ１〜Ｃ６と同じ１ｕＦとして追加した場合の周波数特性と、ΔＣがないときのＬＣ等価回路の周波数特性（図１８の周波数特性）とを対比して示している。

すなわち、図４０の（ａ）の周波数特性に示すように、コンデンサΔＣがないときは共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）の近傍においては、各等価回路の充電電流のピーク値に差が見られる。ところが、図４０の（ｂ）の周波数特性に示すように、コンデンサΔＣがあるときは、ΔＣがないときの共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）の近傍においては各等価回路の充電電流の値が近似している。すなわち、図４０の（ｂ）の周波数特性から分かるように、コンデンサΔＣを追加することにより、図４０の（ａ）の周波数特性に示すようなΔＣがないときの共振周波数（５０．３５ｋＨｚ）の近傍においては、段数違いによる充電電流の差異が小さくなっている。また、充電電流の電流量はΔＣの追加前に比べて抑制されている。

これにより、倍電圧整流回路を用いた場合において、ＬＣ回路に直列に挿入した抵抗値を増加させることなく、コンデンサΔＣを追加することによって、電力損失を増大させることなく過剰な充電電流を抑えることができる。

すなわち、第５実施形態の電力供給装置は、交流発生回路がコンデンサとインダクタの直列回路の共振周波数に近似した周波数の交流を発生し、交流発生回路と交流電路との間にコンデンサを挿入することにより、倍電圧整流回路を用いても過剰な充電電流を抑制することができる。または、交流電路と整流回路との間にコンデンサを挿入しても過剰な充電電流を抑制することができる。

《第６実施形態》
第６実施形態では、複数の回路モジュール（負荷）に適正な電圧の電力を供給することができる電力供給装置について説明する。すなわち、本発明の電力供給装置は、前記の第１実施形態乃至第５実施形態で述べたような電池モジュール相互間で充放電を行って各電池モジュールの電圧の均一化を図る用途に限定されるものではなく、別電源から複数の回路モジュール（負荷）に電力を供給する用途にも適用することができる。例えば、複数の電池モジュールの電圧を計測するための複数の計測回路（負荷）へ電力を供給する場合、複数の電池モジュールの電圧を測定する複数の電圧測定装置（負荷）へ電力を供給する場合などがある。

すなわち、交流発生回路から各回路モジュールの前段の各整流回路までの、合成キャパシタンスと合成インダクタンスとの積がそれぞれ等しくなるようにコンデンサとインダクタを配置することにより、各々の電流供給系統の共振周波数は一致するため、各回路モジュールに均一な電力を供給することができる。

図４１は、第６実施形態に係る電力供給装置の第１実施例を示すブロック図であり、図４２は、第６実施形態に係る電力供給装置の第２実施例を示すブロック図である。また、図４３は、第６実施形態に係る電力供給装置の第３実施例を示すブロック図であり、図４４は、第６実施形態に係る電力供給装置の第４実施例を示すブロック図である。さらに、図４５は、第６実施形態に係る電力供給装置の第５実施例を示すブロック図であり、図４６は、第６実施形態に係る電力供給装置の第６実施例を示すブロック図である。

例えば、図４１の電力供給装置の構成について説明すると、交流発生回路ＰＬから、それぞれ、インダクタＬとコンデンサＣとの直列回路を介して、各整流回路ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４が並列に接続され、各整流回路ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４からそれぞれ回路モジュール２０，３０，４０，５０に接続されている。このとき、それぞれの回路モジュール２０，３０，４０，５０への電力供給系統において、合成キャパシタンスと合成インダクタンスとの積がそれぞれ等しくなるようにコンデンサＣとインダクタＬが配置されている。

このような構成により、図示しない電源から交流発生回路ＰＬへ電力を供給すると、合成キャパシタンスと合成インダクタンスとの積がそれぞれ等しいＬＣを介して、各整流回路ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４からそれぞれの回路モジュール２０，３０，４０，５０へ、均一な電流（電力）が供給される。すなわち、各電流供給系統の合成キャパシタンスと合成インダクタンスとの積が等しいので、回路モジュール２０，３０，４０，５０へ同一の共振周波数で均一の電流を供給することができる。

また、各整流回路ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４への系統の合成キャパシタンスと合成インダクタンスとの積がそれぞれ異なるようにコンデンサＣとインダクタＬを配置すれば、それぞれの回路モジュール２０，３０，４０，５０へ所望の電流（つまり、それぞれ異なった電流）を供給することができる。

なお、インダクタＬとコンデンサＣの直列抵抗成分が無視できない程度に大きい場合は、前記の第３実施形態乃至第５実施形態で述べたように、コンデンサΔＣあるいはインダクタΔＬをさらに追加する構成によって直列抵抗成分ｒの影響を小さくすることができる。

図４２乃至図４６に示す回路構成の電力供給装置においても、図４１に示す電力供給装置と同様に、各電流供給系統の合成キャパシタンスと合成インダクタンスとの積を同じにすることにより、各回路モジュール２０，３０，４０，５０へ同一の共振周波数で均一の電流を供給することができる。また、各回路モジュール２０，３０，４０，５０へ、異なった共振周波数で異なった電流を供給することもできる。なお、これらの実施例の回路に限らず、各電流供給系統の合成キャパシタンスと合成インダクタンスとの積が等しくなるようにコンデンサＣとインダクタＬを配置すれば、各回路モジュール２０，３０，４０，５０へ同一の共振周波数で均一の電流を供給することができることは言うまでもない。

１０ 組電池
２０，３０，４０，５０ 回路モジュール（負荷）
１１０，１１０Ａ 電力供給装置
１５５，１５５Ａ 電力供給システム
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４ 電池モジュール（負荷）
Ａｎ，Ｂｎ 制御端子
Ｃｎ コンデンサ
Ｄｎ ダイオード
Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６ ＭＯＳトランジスタ
Ｐｎ 正極端子
Ｎｎ 負極端子
ＭＯＤｎ，ＭＯＤｎＡ 制御モジュール（負荷）
ＳＷｎ スイッチ素子
ＢＲｎ，ＢＲｎＡ，ＢＲｎＢ，ＢＲｎＣ，ＢＲｎＤ 整流回路
ＰＬｎ，ＰＬｎＡ，ＰＬｎＢ，ＰＬｎＣ 交流発生回路
ＡＩ，ＢＩ 交流入力端子
ＡＯ，ＢＯ 交流出力端子
ＶＰ 正極入力端子
ＶＮ 負極入力端子
ＥＰ 矩形波電源
ＩＮＨ インヒビット端子
ＩＮＶ インバータ
ＢＦ バッファ

Claims (2)

1. 複数の負荷に電力を供給し、さらに少なくとも一つ以上のセルからなる電池モジュールが直列に接続された組電池に接続され、前記電池モジュールが前記負荷の一部として接続され、前記電池モジュールを充電する電力供給装置であって、
   前記複数の負荷にそれぞれ接続される整流回路と、
   前記整流回路の間を順次接続する交流電路と、
   前記交流電路に交流電圧を印加する交流発生回路と、を備え、
   前記交流電路は直列に接続されたコンデンサとインダクタを具備し、
   前記負荷と前記整流回路との間に開閉可能なスイッチ素子が接続され、前記複数の負荷のうち電力を供給する負荷を選択するために前記スイッチ素子の開閉が制御されることを特徴とする電力供給装置。
2. 前記交流発生回路からそれぞれの前記整流回路まで直列に接続された複数のコンデンサの合成キャパシタンスと、複数のインダクタの合成インダクタンスとの積が、前記負荷の何れの組み合わせにおいても等しくなるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。

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