JP2014087214A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組電池１０の直流電圧を交流電圧に変換する場合に生じるスイッチング損失を低減させることのできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）（ｉ＝１〜６）の正極端子には、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）を介してコンデンサ１６の一端が接続され、第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の負極端子には、第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を介してコンデンサ１６の他端が接続されている。ここで、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ），第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）は、互いにソース同士を短絡させた一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。こうした構成において、コネクタ１８から交流電圧を出力させるように第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を開閉操作する交流電圧生成処理を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の単位電池の直列接続体である組電池に適用される電力変換装置に関する。

従来、下記特許文献１に見られるように、バッテリの直流電圧を交流電圧に変換して外部負荷に出力する技術が知られている。この技術について詳しく説明すると、バッテリの正極端子は、第１の電気経路を介して出力端子（コネクタ）の一端に接続されている。また、バッテリの正極端子及び負極端子のそれぞれは、３相インバータを介してモータジェネレータに接続され、モータジェネレータを構成する３相コイルの中性点は、第２の電気経路を介してコネクタの他端に接続されている。

こうした構成において、ＰＷＭ処理によって生成された操作信号を用いてインバータを構成するスイッチング素子を開閉操作することで、商用電源の周波数を有する交流電圧を中性点に生じさせる。これにより、出力端子に接続された外部負荷に対して交流電圧を出力することができる。

特開２００６−３２００７４号公報

ここで、上記特許文献１に記載された技術では、交流電圧を出力させるべくＰＷＭ処理に基づきスイッチング素子を開閉操作するため、スイッチング周波数が高くなる傾向にある。スイッチング周波数が高くなると、スイッチング損失が増大するおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、直流電圧を交流電圧に変換する場合に生じるスイッチング損失を低減させることのできる新たな電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、請求項１記載の発明は、複数の単位電池（Ｃ（ｉ）：ｉ＝１〜６）の直列接続体である組電池（１０）に適用され、前記複数の単位電池のうち複数であってかつ少なくとも一部を選択対象とし、前記選択対象のそれぞれと外部に電圧を出力する電圧出力手段（１８，２２，２０ｃ，２０ｄ，Ｑ５〜Ｑ８）とを接続する電気経路のそれぞれに設けられてかつ、該電気経路を開閉すべく開閉操作される開閉手段（Ｓｐ（ｉ），Ｓｎ（ｉ），Ｓｐ０，Ｓｎ７）と、前記電圧出力手段から交流電圧を出力させるように前記開閉手段を開閉操作する操作手段（１２）と、を備えることを特徴とする。

上記発明では、上記態様にて開閉手段を開閉操作することで、電圧出力手段と接続される単位電池の数が漸増又は漸減し、組電池側から電圧出力手段に印加される電圧が漸増又は漸減する。これにより、例えば上記特許文献１に記載された技術と比較して、直流電圧を交流電圧に変換する場合に生じるスイッチング損失を低減させつつ、電圧出力手段から外部へと出力される電圧を交流電圧とすることができる。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるモジュールの選択モードを示す図。 同実施形態にかかるモジュールの選択モードの一例を示す図。 同実施形態にかかる交流電圧生成処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる交流電圧生成処理の一例を示す図。 同実施形態にかかる交流電圧の計測結果。 同実施形態にかかるスイッチング損失の低減効果を示す図。 第２の実施形態にかかるモジュールの選択モードを示す図。 同実施形態にかかるモジュールの選択モードの一例を示す図。 同実施形態にかかる交流電圧の計測結果。 第３の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるモジュールの選択モードを示す図。 第４の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるモジュールの選択モードを示す図。 第５の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる交流電圧の計測結果。 第６の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる交流電圧の計測結果。 第７の実施形態にかかる交流電圧生成処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる交流電圧生成処理の一例を示す図。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる電力変換装置を、車載主機として回転機（モータジェネレータ）を備える車両（例えば、ハイブリッド車や電気自動車）に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、組電池１０は、車載高圧システムを構成し、モータジェネレータ等の電源となる。組電池１０は、単位電池としてのモジュールの直列接続体であり、その端子電圧は、所定の高電圧（例えば数百Ｖ）となる。ここで、モジュールは、１個又は隣接する複数個の単電池（電池セル）の直列接続体であり、１つの電池セルの端子電圧は、例えば数Ｖである。ここで、本実施形態では、説明の便宜上、モジュールの数を６つとしている。このため、以降、これらモジュールのそれぞれを第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）（ｉ＝１〜６）と称すこととする。ちなみに、本実施形態では、組電池１０としてリチウムイオン２次電池を用いている。

第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の正極端子には、信号線Ｌ（ｉ＋１）が接続され、第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の負極端子には、信号線Ｌ（ｉ）が接続されている。すなわち、信号線Ｌ１，Ｌ７を除いて、互いに隣接するモジュールのうちの高電位側のモジュールの負極端子側の信号線と低電位側のモジュールの正極端子側の信号線とは共有化されている。

第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の電圧は、信号線Ｌ（ｉ），Ｌ（ｉ＋１）と、抵抗体及びコンデンサを備えて構成される第（ｉ）のローパスフィルタＲＣ（ｉ）とを介して制御回路１２に取り込まれる。ここで、第（ｉ）のローパスフィルタＲＣ（ｉ）は、電圧信号に重畳する高周波ノイズを除去し、第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の電圧の検出精度を高めるために設けられる。

第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）には、第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）に過電圧が印加されることを回避するための第（ｉ）のツェナーダイオードＺＤ（ｉ）が並列接続されている。より具体的には、第（ｉ）のツェナーダイオードＺＤ（ｉ）のカソード側が信号線Ｌ（ｉ＋１）に接続されており、第（ｉ）のツェナーダイオードＺＤ（ｉ）のアノード側が信号線Ｌ（ｉ）に接続されている。

第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の両端は、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を備えて構成されるコンバータ１４を介して蓄電手段としてのコンデンサ１６の両端に接続可能とされている。詳しくは、第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の正極端子には、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）を介してコンデンサ１６の一端が接続され、第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の負極端子には、第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を介してコンデンサ１６の他端が接続されている。

本実施形態では、これらスイッチング素子として、互いにソース同士が短絡された一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。ここで、ソース同士を短絡させたのは、一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴの開閉操作を容易とするための設定である。すなわち、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴは、ソースに対するゲートの電位によって開閉操作されるため、ソース同士を短絡させることで、一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴのソースの電位を同一とすることができ、ひいては開閉操作を単一の開閉操作信号（電圧信号）によって行うことができる。

コンデンサ１６の両端は、コネクタ１８に接続されている。コネクタ１８は、コンデンサ１６の両端の電圧を外部負荷に対して出力するための出力端子である。コネクタ１８には、例えば、電気機器（例えば、冷蔵庫）の電源用コンセントが接続される。

上記制御回路１２は、マイクロコンピュータを主体として構成され、第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）に対応する第（ｉ）の駆動回路ＤＵ（ｉ）を介して、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を開閉操作する。

特に、制御回路１２は、交流電圧生成処理を行う。この処理は、組電池１０の直流電圧を交流電圧に変換してコネクタ１８から出力させるべく、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）の開閉操作によってコネクタ１８と接続されるモジュールを選択する処理である。本実施形態では、図２に示す１２個のモードを順次選択することでコネクタ１８から交流電圧を出力させる。ここで、例えばモード２が選択された場合、図３に示すように、第２のｐ側スイッチング素子Ｓｐ２及び第１のｎ側スイッチング素子Ｓｎ１のみが閉操作されることで、第２のモジュールＣ２の正極端子及び第１のモジュールＣ１の負極端子がコンデンサ１６に接続されることとなる。すなわち、第１のモジュールＣ１及び第２のモジュールＣ２の直列接続体の両端の電圧がコンデンサ１６に印加されることとなる。なお、本実施形態において、図２に示したモード１〜１２が交流電圧の１周期に対応する。

図４に、本実施形態にかかる交流電圧生成処理の手順を示す。この処理は、制御回路１２によって例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、組電池１０の負極端子（第１のモジュールＣ１の負極端子）と、第（ｉ）のモジュール（ｉ＝１〜Ｍ）の正極端子との電位差（以下、端子間電圧Ｖ（ｉ））のそれぞれを取得する。なお、「Ｍ」は、組電池１０を構成するモジュールの数「６」を示す。

続くステップＳ１２では、パラメータｉを初期化し、続くステップＳ１４では、端子間電圧Ｖ（ｉ）が指令値Ｖ＊を上回るか否かを判断する。この処理は、コンデンサ１６と接続すべきモジュールの数を決定するための処理である。ここで、本実施形態では、指令値Ｖ＊を、系統電源（商用電源）の周期（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を有してかつ「０」以上の正弦波とする。なお、本実施形態において、指令値Ｖ＊の最大値は、組電池１０の両端の電圧（第１〜第６のモジュールＣ１〜Ｃ６の直列接続体の両端の電圧）未満の値に設定されている。

ステップＳ１４において否定判断された場合には、ステップＳ１６においてパラメータｉの値を１インクリメントし、上記ステップＳ１４に戻る。一方、上記ステップＳ１４において肯定判断された場合には、ステップＳ１８に進み、コンデンサ１６と接続すべきモジュールの数を現在のパラメータｉの値に決定する。

続くステップＳ２０では、電圧勾配フラグＦの値が「０」であるか否かを判断する。ここで、電圧勾配フラグＦは、「０」によってコンデンサ１６と接続すべきモジュールの数を増大させる状況であることを示し、「１」によってモジュールの数を減少させる状況であることを示す。なお、本実施形態では、電圧勾配フラグＦの初期値が「０」に設定されている。

ステップＳ２０において肯定判断された場合には、ステップＳ２２に進み、コンデンサ１６と接続すべきモジュール数を増大させる状況であってかつ、上記ステップＳ１８で決定されたモジュール数に対応するモード（Ｋ）（Ｋ＝１〜６）を選択する。具体的には、モード１〜６のうち、決定されたモジュール数と同じモジュール数を有するモードを選択する。

続くステップＳ２４では、指令値Ｖ＊がその最大値となったか否かを判断する。この処理は、コンデンサ１６と接続すべきモジュールの数を増大させる状況から減少させる状況に移行するか否かを判断するための処理である。

ステップＳ２４において肯定判断された場合には、減少させる状況に移行すると判断し、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、電圧勾配フラグＦの値を「１」とする。

一方、上記ステップＳ２０において否定判断された場合には、ステップＳ２８に進み、コンデンサ１６と接続すべきモジュール数を減少させる状況であってかつ、上記ステップＳ１８で決定されたモジュール数に対応するモード（Ｋ）（Ｋ＝７〜１２）を選択する。具体的には、モード７〜１２のうち、決定されたモジュール数と同じモジュール数を有するモードを選択する。

続くステップＳ３０では、指令値Ｖ＊がその最小値となったか否かを判断する。この処理は、コンデンサ１６と接続すべきモジュールの数を減少させる状況から増大させる状況に移行するか否かを判断する処理である。

ステップＳ３０において肯定判断された場合には、増大させる状況に移行すると判断し、ステップＳ３２に進む。ステップＳ３２では、電圧勾配フラグＦの値を「０」とする。

なお、上記ステップＳ２４、Ｓ３０において否定判断された場合や、ステップＳ２６、Ｓ３２の処理が完了した場合には、この一連の処理を一旦終了する。

上述した交流電圧生成処理によれば、図５に示すように、端子間電圧Ｖ（ｉ）と指令値Ｖ＊との大小比較がなされる。これにより、選択モードが「１」から「１２」に向かって順次切り替えられることにより、コンデンサ１６と接続されるモジュールの数が漸増した後、漸減することとなる。したがって、図６に示すように、コネクタ１８から交流電圧を模擬した階段状の交流電圧を出力することができる。

そして、上述した交流電圧生成処理によれば、図７に示すように、上記特許文献１に記載された技術（以下、従来技術）を用いて交流電圧を生成する場合と比較して、直流電圧を交流電圧に変換する場合に生じるスイッチング損失を大きく低減させることができる。これは、本実施形態において、交流電圧を生成する場合における第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）のスイッチング周波数を従来技術におけるスイッチング周波数よりも大きく低下させることができることによる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）組電池１０の直流電圧を交流電圧に変換してコネクタ１８から出力させるべく、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）の開閉操作によってコネクタ１８と接続されるモジュールを選択する交流電圧生成処理を行った。こうした処理によれば、直流電圧を交流電圧に変換する場合における第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）のスイッチング周波数を大きく低下させることができる。このため、交流電圧を生成する場合の電力変換効率を高い水準とすることができ、また、スイッチングノイズを低減させることができる。

（２）交流電圧生成処理において、コネクタ１８から出力される交流電圧の１周期において、コンデンサ１６に対する全てのモジュールＣ（ｉ）のそれぞれの接続回数が同一となるように第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を開閉操作した。このため、全てのモジュールＣ（ｉ）のそれぞれの容量のばらつきを好適に抑制することができる。

（３）交流電圧生成処理において、コンデンサ１６と接続されるモジュールの増減１周期（モード１が開始されてからモード１２が終了するまでの期間）毎においてコンデンサ１６と最初に接続するモジュールを第１のモジュールＣ１に固定した。このため、各モジュールのそれぞれに放熱させる時間（モード５つ分の時間）を等しく与えることができ、一部のモジュールの温度が過度に高くなることを回避できる。ちなみに、上記効果を奏する上で交流電圧の１周期において最初に選択されるモードとしては、モード１に限らず、モード２〜１２のいずれかであってもよい。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、系統電源と同様の交流電圧をコネクタ１８から出力させる交流電源生成処理を行う。詳しくは、図８に示す選択モードを採用することによって、コンデンサ１６に印加する電圧の極性を正及び負に交互に切り替える。ここで、モード１〜モード１２は、先の図２に示したモードと同じであり、コンデンサ１６に印加する電圧の極性が正となるモードである。また、モード１３及びモード２２は、モジュールの選択数を「０」とすべく、全てのｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及びｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を開操作するモードである。さらに、モード１４〜モード２１は、コンデンサ１６に印加する電圧の極性が負となるモードである。

具体的には、モード１４が選択された場合、図９に示すように、第１のｐ側スイッチング素子Ｓｐ１及び第３のｎ側スイッチング素子Ｓｎ３のみが閉操作されることで、第２のモジュールＣ２の正極端子及び負極端子がコンデンサ１６に接続されることとなる。

そして、上述した選択モードを「１」から「２２」に向かって順次切り替えることにより、図１０に示すように、コネクタ１８から交流電圧を出力させることができる。なお、本実施形態において、コンデンサ１６と接続されるモジュールの増減１周期とは、先の図８に示したモード１が開始されてからモード１２が終了するまでの期間と、モード１４が開始されてからモード２１が終了するまでの期間とのそれぞれのことである。

以上説明した本実施形態によれば、上記第１の実施形態で説明した（１），（３）の効果と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、電力変換装置の回路構成を変更する。

図１１に、本実施形態にかかるシステムの全体構成を示す。なお、図１１において、先の図１に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、コンバータ１４は、さらに、第０のｐ側スイッチング素子Ｓｐ０及び第７のｎ側スイッチング素子Ｓｎ７を備える。詳しくは、第１のモジュールＣ１の負極端子には、第０のｐ側スイッチング素子Ｓｐ０を介して、コンデンサ１６の両端のうち第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）（ｉ＝１〜６）が接続される側が接続されている。また、第６のモジュールＣ６の正極端子には、第７のｎ側スイッチング素子Ｓｎ７を介して、コンデンサ１６の両端のうち第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）が接続される側が接続されている。ここで、本実施形態では、第０のｐ側スイッチング素子Ｓｐ０，第７のｎ側スイッチング素子Ｓｎ７として、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ），第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）と同様に、ソース同士を短絡させた一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。なお、本実施形態において、第０のｐ側スイッチング素子Ｓｐ０は、制御回路１２によって第１の駆動回路ＤＵ１を介して開閉操作され、第７のｎ側スイッチング素子Ｓｎ７は、制御回路１２によって第６の駆動回路ＤＵ６を介して開閉操作されることとする。

続いて、図１２に、本実施形態にかかるモジュールの選択モードを示す。

第０のｐ側スイッチング素子Ｓｐ０及び第７のｎ側スイッチング素子Ｓｎ７の追加により、出力電圧の極性が負となるモード１３〜モード２４を実現することができる。こうした選択モードによれば、極性が反転する交流電圧の１周期においてコネクタ１８に対する全てのモジュールＣ（ｉ）のそれぞれの接続回数を同一とすることができ、全てのモジュールＣ（ｉ）のそれぞれの容量のばらつきを好適に抑制することができる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、電力変換装置の回路構成を変更する。

図１３に、本実施形態にかかるシステムの全体構成を示す。なお、図１３において、先の図１に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、本実施形態では、極性を有する一対のコンデンサ（以下、第１のコンデンサ２０ａ，第２のコンデンサ２０ｂ）が備えられている。詳しくは、第１のコンデンサ２０ａ及び第２のコンデンサ２０ｂの負極端子同士は短絡されている。なお、本実施形態では、これらコンデンサ２０ａ，２０ｂとして、電解コンデンサを用いている。

第１のコンデンサ２０ａの正極端子には、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）を介して第ｉのモジュールＣ（ｉ）の正極端子が接続されている。また、第２のコンデンサ２０ｂの正極端子には、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）を介して第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の正極端子が接続されている。さらに、第１のコンデンサ２０ａ及び第２のコンデンサ２０ｂのそれぞれの負極端子には、第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を介して第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の負極端子が接続されている。

第１のコンデンサ２０ａの正極端子には、コネクタ１８の一端が接続され、第１のコンデンサ２０ａの負極端子には、第３のスイッチング素子Ｑ３を介してコネクタ１８の他端に接続されている。また、第２のコンデンサ２０ｂの正極端子には、コネクタ１８の上記他端が接続されている。さらに、第１のコンデンサ２０ａの両端は、第４のスイッチング素子Ｑ４を介して短絡されている。

なお、本実施形態では、第１〜第４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４として、互いにソース同士を短絡させた一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。また、本実施形態において、これらスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、図示しないが、制御回路１２によっていずれかの駆動回路ＤＵ（ｉ）を介して開閉操作されることとする。

続いて、本実施形態にかかる交流電圧生成処理について説明する。

本実施形態では、上記第２，第３の実施形態で説明したように、極性が反転する交流電圧をコネクタ１８から出力させる。これは、図１４に示す選択モードによって実現することができる。詳しくは、本実施形態にかかる選択モードは、第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）について先の図２に示したモードと同一である。こうした構成を前提として、出力電圧の極性を正とする期間において、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３を閉操作してかつ、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４を開操作する。これにより、第１のコンデンサ２０ａを介してコネクタ１８から正の極性を有する電圧が出力される。一方、出力電圧の極性を負とする期間において、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３を開操作に切り替えてかつ、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４を閉操作に切り替える。これにより、第２のコンデンサ２０ｂを介してコネクタ１８から負の極性を有する電圧が出力される。

以上説明した本実施形態によれば、極性が反転する交流電圧を出力可能な構成において上記第１の実施形態で説明した（１）〜（３）の効果と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
以下、第５の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、電力変換装置の回路構成を変更する。

図１５に、本実施形態にかかるシステムの全体構成を示す。なお、図１５において、先の図１に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、コンデンサ１６には、トランス２２の１次側コイル２２ａが接続されている。トランス２２の２次側コイル２２ｂには、コネクタ１８が接続されている。ここで、本実施形態では、トランス２２の２次側コイル２２ｂの巻数Ｎｂを１次側コイル２２ａの巻数Ｎａよりも多くしている。すなわち、トランス２２は、入力電圧を昇圧する昇圧手段を構成する。

以上説明した本実施形態によれば、図１６に示すように、コネクタ１８から出力される交流電圧を高くすることができる。すなわち、組電池１０の端子電圧が外部負荷の要求電圧より低い場合であっても、コネクタ１８から出力される交流電圧を外部負荷の要求電圧に応じた電圧とすることができる。

さらに、本実施形態によれば、組電池１０と外部負荷とを絶縁することもできる。

（第６の実施形態）
以下、第６の実施形態について、先の第５の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、電圧の昇圧手法を変更する。

図１７に、本実施形態にかかるシステムの全体構成を示す。なお、図１７において、先の図１５に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、第３のコンデンサ２０ｃには、第５のスイッチング素子Ｑ５を介して第４のコンデンサ２０ｄが接続されている。第３のコンデンサ２０ｃの両端のうち第５のスイッチング素子Ｑ５と反対側には、コネクタ１８の一端が接続され、第４のコンデンサ２０ｄの両端のうち第５のスイッチング素子Ｑ５と反対側には、コネクタ１８の他端が接続されている。

第３のコンデンサ２０ｃの両端のうちコネクタ１８側には、第６のスイッチング素子Ｑ６及び第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）を介して第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の正極端子が接続されている。また、第３のコンデンサ２０ｃの両端のうち第５のスイッチング素子Ｑ５側には、第７のスイッチング素子Ｑ７及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を介して第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の負極端子が接続されている。

第４のコンデンサ２０ｄの両端のうち第５のスイッチング素子Ｑ５側には、第８のスイッチング素子Ｑ８及び第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）を介して第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の正極端子が接続されている。また、第４のコンデンサ２０ｄの両端のうちコネクタ１８側には、第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を介して第（ｉ）のモジュールＣ（ｉ）の負極端子が接続されている。

なお、本実施形態では、第５〜第８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８として、互いにソース同士を短絡させた一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。また、本実施形態において、これらスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、図示しないが、制御回路１２によっていずれかの駆動回路ＤＵ（ｉ）を介して開閉操作されることとする。

続いて、本実施形態にかかる交流電圧生成処理について説明する。

本実施形態では、基本的には、先の図２に示した選択モードによって第（ｉ）のｐ側スイッチング素子Ｓｐ（ｉ）及び第（ｉ）のｎ側スイッチング素子Ｓｎ（ｉ）を開閉操作しつつ、第５〜第８のスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８を開閉操作する。詳しくは、各選択モードにおいて、まず、第５のスイッチング素子Ｑ５を開操作してかつ、第６〜第８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ８を閉操作する。これにより、第３のコンデンサ２０ｃ及び第４のコンデンサ２０ｄのそれぞれが充電される。その後、第５のスイッチング素子Ｑ５を閉操作に切り替えてかつ、第６〜第８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ８を開操作に切り替える。これにより、第３のコンデンサ２０ｃ及び第４のコンデンサ２０ｄの両端の電圧がコネクタ１８から出力されることとなる。このため、図１８に示すように、交流電圧を高くしてコネクタ１８から出力することができる。

以上説明した本実施形態によっても、コネクタ１８から出力される交流電圧を高くすることができる。

（第７の実施形態）
以下、第７の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、交流電圧生成処理を変更する。

図１９に、本実施形態にかかる交流電圧生成処理の手順を示す。この処理は、制御回路１２によって例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図１９において、先の図４に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一のステップ番号を付している。

この一連の処理では、まずステップＳ３４において、現在選択されているモードに対応するモジュールの両端の電圧（以下、モジュール電圧Ｖｍ）を取得する。具体的には、例えば、モード２が選択されている場合、モジュール電圧Ｖｍは、第１のモジュールＣ１及び第２のモジュールＣ２の直列接続体の両端の電圧となる。

ステップＳ３４の処理が完了した場合には、ステップＳ２０に進む。そして、ステップＳ２０において肯定判断された場合には、ステップＳ３６に進み、モジュール電圧Ｖｍが指令値Ｖ＊未満であるか否かを判断する。この処理は、選択モードを変更すべき状況であるか否かを判断するための処理である。なお、本実施形態において、指令値Ｖ＊の最大値は、組電池１０の両端の電圧（第１〜第６のモジュールＣ１〜Ｃ６の直列接続体の両端の電圧）よりやや高い値に設定され、指令値Ｖ＊の最小値は、単一のモジュールの両端の電圧よりも低い値に設定されている。

ステップＳ３６において否定判断された場合には、選択モードを変更すべき状況でないと判断し、ステップＳ３８に進む。ステップＳ３８では、現在の選択モード（Ｋ）（Ｋ＝１〜１２）を維持する。

一方、上記ステップＳ３６において肯定判断された場合には、選択モードを変更すべき状況であると判断し、ステップＳ４０に進む。ステップＳ４０では、選択パラメータＫの値を１インクリメントする。これにより、続く上記ステップＳ３８において、選択モードが変更される。なお、本実施形態において、選択パラメータＫの初期値は「１」に設定されている。

続くステップＳ４２では、選択パラメータＫの値が「Ｍ」を超えたか否かを判断する。ここで、「Ｍ」は、交流電圧生成処理において選択対象とされるモジュールの数「６」に設定されている。この処理は、コンデンサ１６と接続すべきモジュールの数を増大させる状況から減少させる状況に移行するか否かを判断するための処理である。

ステップＳ４２において肯定判断された場合には、減少させる状況に移行すると判断し、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６において電圧勾配フラグＦの値が「１」とされると、上記ステップＳ２０において否定判断され、ステップＳ４４に進むこととなる。ステップＳ４４では、モジュール電圧Ｖｍが指令値Ｖ＊以上となったか否かを判断する。この処理は、上記ステップＳ３６の処理と同様に、選択モードを変更すべき状況であるか否かを判断するための処理である。

ステップＳ４４において否定判断された場合には、選択モードを変更すべき状況でないと判断し、ステップＳ４６において現在の選択モード（Ｋ）を維持する。

一方、上記ステップＳ４４において肯定判断された場合には、選択モードを変更すべき状況であると判断し、ステップＳ４８に進む。ステップＳ４８では、選択パラメータＫの値を１インクリメントする。これにより、続く上記ステップＳ４６において、選択モードが変更される。

続くステップＳ５０では、選択パラメータＫの値が「２×Ｍ」を超えたか否かを判断する。この処理は、コンデンサ１６と接続すべきモジュールの数を減少させる状況から増大させる状況に移行するか否かを判断する処理である。

ステップＳ５０において肯定判断された場合には、増大させる状況に移行すると判断し、ステップＳ３２ａに進む。ステップＳ３２ａでは、電圧勾配フラグＦの値を「０」としてかつ、選択パラメータＫの値を「１」とする。

なお、上記ステップＳ４２、Ｓ５０において否定判断された場合や、ステップＳ２６、Ｓ３２ａの処理が完了した場合には、この一連の処理を一旦終了する。

上述した交流電圧生成処理によれば、図２０に示すように、モジュール電圧Ｖｍと指令値Ｖ＊との大小比較がなされ、選択モードが「１」から「１２」に向かって順次切り替えられることとなる。

以上説明した本実施形態によっても、上記第１の実施形態の（１）〜（３）と同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・「選択対象」としては、上記第１の実施形態に例示したものに限らない。例えば、入力電圧を変圧する手段（例えばトランス）を備えない構成において、外部負荷の要求電圧を満足するように交流電圧を生成すべく、組電池１０を構成する全てのモジュールのうち複数であってかつ一部のみを選択対象としてもよい。この場合、例えば、制御回路１２は、外部負荷の要求電圧を算出又は外部から取得する手段と、算出又は取得された要求電圧を実現可能な選択対象とすべきモジュールの数を算出する手段とを備えればよい。

また、「選択対象」としては、直列接続された複数のモジュールに限らず、組電池１０のうち互いに離間したモジュールを含むものであってもよい。この場合であっても、例えば上記第１の実施形態において、選択対象とされるモジュールとコンデンサ１６とを接続する電気経路及び該経路を開閉する開閉手段を適切に配置するなら、交流電圧生成処理を行うことができると考えられる。

・上記各実施形態では、選択対象を１個ずつ増減することで交流電圧を出力させたがこれに限らず、選択対象の複数個ずつ増減することで交流電圧を出力させてもよい。また、上記各実施形態では、「選択対象」の最小接続数を「１」としたり、「０」としたりしたがこれに限らず、外部負荷の要求電圧に応じて「２」以上としてもよい。

・「変圧手段」としては、上記第５の実施形態に例示したものに限らない。例えば、１次側コイル２２ａの巻数Ｎａを２次側コイル２２ｂの巻数Ｎｂよりも多くして、入力電圧を降圧する降圧手段としてもよい。また、「変圧手段」としては、上記第６の実施形態に例示したものに限らず、例えば、コンデンサの直列接続数を３つ以上とするものであってもよい。

・「組電池」としては、上記第１の実施形態に例示したものに限らず、例えば燃料電池であってもよい。

・「電力変換装置」としては、車両に搭載されるものに限らない。

１０…組電池、１２…制御回路、１８…コネクタ、Ｃ（ｉ）（ｉ＝１〜６）…モジュール、Ｓｐ（ｉ）…ｐ側スイッチング素子、Ｓｎ（ｉ）…ｎ側スイッチング素子。

Claims (10)

1. 複数の単位電池（Ｃ（ｉ）：ｉ＝１〜６）の直列接続体である組電池（１０）に適用され、
   前記複数の単位電池のうち複数であってかつ少なくとも一部を選択対象とし、
   前記選択対象のそれぞれと外部に電圧を出力する電圧出力手段（１８，２２，２０ｃ，２０ｄ，Ｑ５〜Ｑ８）とを接続する電気経路のそれぞれに設けられてかつ、該電気経路を開閉すべく開閉操作される開閉手段（Ｓｐ（ｉ），Ｓｎ（ｉ），Ｓｐ０，Ｓｎ７）と、
   前記電圧出力手段から交流電圧を出力させるように前記開閉手段を開閉操作する操作手段（１２）と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電圧出力手段は、出力端子（１８）であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記電圧出力手段は、
   前記開閉手段を介して前記選択対象のそれぞれと接続されてかつ入力電圧を変圧する変圧手段（２２，２０ｃ，２０ｄ，Ｑ５〜Ｑ８）と、
   該変圧手段によって変圧された電圧を外部に出力する出力端子（１８）と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記変圧手段は、トランス（２２）であることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記変圧手段は、
   直列接続された複数のコンデンサ（２０ｃ，２０ｄ）と、
   該複数のコンデンサのそれぞれの間に介在してかつ、前記選択対象から前記開閉手段を介して該複数のコンデンサを充電する場合において開操作され、該複数のコンデンサから前記出力端子に対して放電する場合において閉操作される第１のスイッチ手段（Ｑ５）と、
   前記複数のコンデンサを充電する場合において前記開閉手段と該複数のコンデンサとを接続すべく閉操作され、該複数のコンデンサから放電する場合において該開閉手段と該複数のコンデンサとの接続を遮断すべく開操作される第２のスイッチ手段（Ｑ６〜Ｑ８）と、
   を備えることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
6. 前記開閉手段は、前記選択対象のそれぞれの正極端子及び負極端子と、前記電圧出力手段とを接続する電気経路に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記選択対象は、前記複数の単位電池のうち直列接続された少なくとも一部であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記操作手段は、前記電圧出力手段から出力される交流電圧の１周期において、前記電圧出力手段に対する前記選択対象のそれぞれの接続回数が互いに同一となるように前記開閉手段を開閉操作することを特徴とする請求項７記載の電力変換装置。
9. 前記操作手段は、前記電圧出力手段と接続される前記選択対象の増減１周期毎において該電圧出力手段と最初に接続する該選択対象を固定することを条件として、前記開閉手段を開閉操作することを特徴とする請求項７又は８記載の電力変換装置。
10. 前記電圧出力手段に接続された前記選択対象のそれぞれの両端の電圧を検出する検出手段（１２）を更に備え、
    前記操作手段は、交流電圧の指令値（Ｖ＊）と前記検出手段の検出値（Ｖｍ）との大小比較に基づき前記開閉手段を開閉操作することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。