JP2015149801A - バッテリ制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく、コストを低減できるバッテリの制御装置を提供する。
【解決手段】制御部は、切換部を切り換えて、充電部を、交流電流を直流電流に変換するように動作させ、変換された直流電流を、第１蓄電部及び第２蓄電部の少なくとも一方に供給するか、又は、充電部を、第２の蓄電部の電圧変換を行うよう動作させ、第１蓄電部の電力及び充電部により電圧変換された第２蓄電部の電力を負荷に供給する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の蓄電部からなるバッテリ制御装置及び制御方法に関する。

複数のバッテリを備える電源装置において、モータジェネレータに電力を供給する第１の二次電池及び第２の二次電池と、第１の二次電池及び第２の二次電池との間に接続され、モータジェネレータの要求電力に応じて第２の二次電池からモータジェネレータに供給する電力を変化させる昇圧コンバータとを備えるものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１１−１９９９３４号公報

前述の特許文献のように、複数のバッテリを備える場合は、バッテリの充放電回路の他に、負荷に対してバッテリ間の電圧を一致させるためのＤＣ／ＤＣコンバータ等の電源回路（昇圧コンバータ）が必要となる。このために、制御回路が大型し、コストも増加する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされてものであり、バッテリを制御する制御回路を大型化することなく、コストを低減できるバッテリの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある実施態様は、電力を蓄積及び供給する第１蓄電部と、電力を蓄積及び供給する第２蓄電部と、外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換する充電部と、外部電源、第１蓄電部及び第２蓄電部の接続関係を切り換える切換部と、充電部と切換部との動作を制御する制御部と、を備えるものである。この制御部は、切換部を切り換えて、充電部を、交流電流を直流電流に変換するように動作させ、変換された直流電流を、第１蓄電部及び第２蓄電部の少なくとも一方に供給するか、又は、充電部を、第２の蓄電部の電圧変換を行うよう動作させ、第１蓄電部の電力及び充電部により電圧変換された第２蓄電部の電力を負荷に供給する。

本発明によれば、交流電流を直流電流に変換する充電部が、第２蓄電部の電圧変換を行うことで負荷に供給することができる。このように、充電部の一部を電圧変換に用いることにより、バッテリ制御装置の構成を簡略化することができるので、装置の大型化、コストの増加を防止することができる。

本発明の第１実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。 本発明の第１実施形態のモータを駆動する場合の動作を示す説明図である。 本発明の第１実施形態の第２電池の充放電の様子を示す説明図である。 本発明の第２実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。 本発明の第３実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。 本発明の第３実施形態のモータを駆動する場合の動作を示す説明図である。 本発明の第３実施形態の第２コンバータの動作を示す説明図である。 本発明の第４実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。 本発明の第４実施形態のモータを駆動する場合の動作を示す説明図である。 本発明の第５実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。 本発明の第５実施形態の第１モードの動作を示す説明図である。 本発明の第５実施形態の第２モードの動作を示す説明図である。 本発明の第５実施形態の第３モードの動作を示す説明図である。 本発明の第５実施形態の第４モードの動作を示す説明図である。 本発明の第５実施形態の第５モードの動作を示す説明図である。 本発明の第６実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。 本発明の第６実施形態のモータを駆動する場合の動作を示す説明図である。 本発明の第７実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。 本発明の第８実施形態のバッテリ制御装置の構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

バッテリ制御装置１は、充電回路２、コントローラ５０、第１電池１００、第２電池２００及びバッテリ結合回路６０を備えて構成される。充電回路２は、コンバータ３０、力率制御回路４０、フィルタ回路７０及び接続ポート８０により構成される。

バッテリ制御装置１は、インバータ２０を備え、第１電池１００及び第２電池２００の少なくとも一方の電力をモータ１０供給して、負荷としてのモータ１０を駆動する。

充電回路２は、外部電源９０からの交流電流を直流電流に変換して第１電池１００及び第２電池２００に充電する充電部として機能する。

コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）３０は、コンデンサＣ１、インダクタＬ１（第１インダクタ）、スイッチング素子Ｓ５、Ｓ６（第１スイッチング素子）、コンデンサＣ２、電流センサ３１、電圧センサ３２及び電圧センサ３３を備える。コンバータ３０は、スイッチング素子Ｓ５、Ｓ６の断続によりインダクタＬ１に発生する誘導電流をコンデンサＣ２に蓄積することで電圧を昇圧、降圧する。これにより、コンバータ３０は、第２電池２００に供給する電圧又は第２電池２００から出力する電圧を昇降圧する昇降圧部として機能する。

電流センサ３１は、第２電池２００の正極側の電流Ａ１を検出する。電圧センサ３２は、コンデンサＣ１の電圧Ｖ３を検出する。電圧センサ３３は、コンデンサＣ２の電圧Ｖ２を検出する。

力率制御回路４０は、Ｈブリッジ接続された４個のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４（第２スイッチング素子）と、インダクタＬ１０（第２インダクタ）、コンデンサＣ１０、第１切換スイッチ４１及び第２切換スイッチ４２を備える。力率制御回路４０は、外部電源９０から入力される交流電圧を直流電流に変換する。これにより、力率制御回路４０は、交流電流を直流電流に変換する整流部として機能する。力率制御回路４０は、また、交流電流と直流電流の位相が１となるように、各スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の開閉を制御する。

力率制御回路４０は、第１電池１００と第２電池２００との間で電力を充放電させる機能も有する。第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とは、力率制御回路４０とフィルタ回路７０とを接続するか、力率制御回路４０のＨブリッジを構成するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４とインバータ２０とを接続するかを切り換える。コンデンサＣ１０及びインダクタＬ１０は、交流電流の高周波成分（ノイズ）を除去する。

力率制御回路４０及びコンバータ３０は、外部電源９０の電力を第１電池１００及び第２電池２００に充電すると共に、第１電池１００及び第２電池２００の電力を用いてインバータ２０を介してモータ１０を駆動する充放電部としても機能する。

フィルタ回路７０は、コイル７１及びコンデンサ７２を備え、外部電源９０の電圧の変動やリプルの除去、接続ポート８０挿抜時の突入電流等を除去する。

インバータ２０は、複数のスイッチング素子からなり、各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することでモータ１０を駆動するための交流電力を供給する。インバータ２０は、モータ１０が回生動作する場合には、各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して、モータ１０が発電した電力を直流電流に変換する。

第１電池１００及び第２電池２００は、例えばリチウムイオン二次電池等の二次電池により構成される。第１電池１００は、第２電池２００と比較して充電容量が大きく構成される。第２電池２００は、第１電池１００と比較して容量は小さいが内部抵抗が小さく、出力が大きく構成される。第１電池１００と第２電池２００との電圧は同等に構成されている。

第１電池１００及び第２電池２００は、それぞれ充放電が行われることによりＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：充電状態）が変化し、ＳＯＣの変化に対応してバッテリ電圧が変化する。一例として、第１電池１００及び第２電池２００は満充電時のバッテリ電圧が４００Ｖであり、ＳＯＣの低下に伴ってバッテリ電圧が３００Ｖまで低下する。

バッテリ結合回路６０は、第１スイッチ６１、第２スイッチ６２及び抵抗６３を備え、第１電池１００及び第２電池２００を電気的に直列させて、これら電池間の電位差を解消させる。

コントローラ５０は、インバータ２０、コンバータ３０、力率制御回路４０及びバッテリ結合回路６０の動作を制御する。コントローラ５０は、これら各回路のスイッチング素子やスイッチの開閉を制御することで、以降に説明するような動作を行い、第１電池１００及び第２電池２００の充放電を制御する。

バッテリ制御装置１は、例えば車両に搭載され、モータ１０により車両を駆動する。車両は、商用電源等の外部電源９０から接続ポート８０を介して充電することができるいわゆるプラグインハイブリッドカーとして構成される。

次に、このように構成されたバッテリ制御装置１の動作を説明する。

まず、外部電源９０から第１電池１００及び第２電池２００を充電する動作を説明する。

充電に先立って、コントローラ５０は、バッテリ結合回路６０の接続動作を行う。まず第２スイッチ６２をＯＮとし、第１スイッチ６１を抵抗６３側に接続する。これにより、第１電池１００及び第２電池２００のうち、電圧が高い方から低い方へと電力が供給され、両者の電圧が次第に一致する。電圧が一致した後に、第１スイッチを直結側に切り換えて、第１電池１００と第２電池２００とを直結状態とする。

この状態で、接続ポート８０にケーブル等を接続すると、外部電源９０の電力が入力される。入力された電力は、フィルタ回路７０、力率制御回路４０、コンバータ３０を介して第１電池１００及び第２電池２００を充電する。コントローラ５０は、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを、力率制御回路４０とフィルタ回路７０とが接続する側に切り換える。

力率制御回路４０は、入力された交流電流、交流電圧及び直流側の電圧Ｖ３に基づいて、交流電流と交流電圧との位相が１となるように、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を制御する。具体的には、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４のみをＯＮにするとコンデンサＣ１に電荷が充電される。スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３のみをＯＮにするとコンデンサＣ１から放電が行われる。

このように、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４とスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３との組を交互にＯＮとすることで、コンデンサＣ１に直流電圧を保ちながら、入力側の力率が１となるように各スイッチング素子のデューティー比を決定する。このようにして外部電源９０からの交流電力が直流電力に変換される。

コンバータ３０は、力率制御回路４０によって充電されたコンデンサＣ１の電力をスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６の開閉により第２電池２００に充電する。具体的には、スイッチング素子Ｓ６をＯＦＦからＯＮにすると、コンデンサＣ１の電荷がスイッチング素子Ｓ５を通過して第２電池２００を充電する。コントローラ５０は、コンデンサＣ１における電圧Ｖ３と、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２と、電流センサ３１における電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ６のデューティー比を制御することで、第２電池２００に充電する電圧を制御する。

第１電池１００と第２電池２００とはバッテリ結合回路６０により正極と負極が直結されているので、第２電池２００に充電される電力は、第１電池１００にも充電される。前述のように、第２電池２００は高出力であるが容量が小さく、満充電時の電圧を第１電池１００よりも大きく設定しておくことにより、過充電を防止することができる。

このような制御により、外部電源９０の電力を第１電池１００及び第２電池２００に充電することができる。

次に、第１電池１００及び第２電池２００に充電された電力によりモータ１０を駆動する動作を説明する。

図２は、本実施形態のバッテリ制御装置１におけるモータ１０を駆動する場合の動作を示す説明図である。なお、図２において、動作に関与しない力率制御回路４０の一部、フィルタ回路７０、バッテリ結合回路６０等は省略している。

コントローラ５０は、バッテリ結合回路６０の第１スイッチ６１及び第２スイッチ６２をそれぞれＯＦＦとする。コントローラ５０は、力率制御回路４０の第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを、力率制御回路４０とインバータ２０とが接続する側に切り換える。

この状態で、コントローラ５０は、力率制御回路４０のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をＯＮとし、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３をＯＦＦとすることで、第１電池１００と第２電池２００とがコンバータ３０を介して並列に接続された状態とする。コントローラ５０は、インバータ２０を動作させて、第１電池１００の電力によりインバータ２０を介してモータ１０を駆動する。

コントローラ５０は、第１電池１００の蓄電量（ＳＯＣ）が十分に大きい場合は、コンバータ３０のスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６をいずれもＯＦＦとしてコンバータ３０の動作を停止する。この場合は、第１電池１００の電力のみでモータ１０を駆動、又は、モータ１０の回生電力を第１電池１００に充電する。

また、第２電池２００のＳＯＣが第１電池１００のＳＯＣよりも小さい場合は、コンバータ３０により第２電池２００側を昇圧して第１電池１００の電力を第２電池２００に充電させることもできる。

図３は、本実施形態のバッテリ制御装置１における第２電池２００の充放電の様子を示す説明図である。なお、図３においても同様に、動作に関与しない構成は省略している。

コントローラ５０は、コンデンサＣ１における電圧Ｖ３と、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２と、電流センサ３１における電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ６のＯＮ／ＯＦＦのデューティー比を制御する。スイッチング素子Ｓ６をＯＮ／ＯＦＦすることにより、インダクタＬ１の誘導電流をコンデンサＣ２に充電する。これにより、コントローラ５０が第１電池１００の電圧を昇圧して第２電池２００を充電する。この制御において、第１電池１００の電力により第２電池２００を充電するだけでなく、モータ１０の回生電力を第２電池２００に充電することもできる。

第１電池１００のＳＯＣが低下して出力電圧が低下した場合は、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いることができる。この場合、コントローラ５０は、コンデンサＣ１における電圧Ｖ３と、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２と、電流センサ３１における電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ５のデューティー比を制御することで、第２電池２００の電圧を降圧する。降圧された電力は、第１電池１００の出力電圧に加えられてインバータ２０に供給される。このように、第１電池１００のＳＯＣが低下した場合は、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いることができる。

一例として、第１電池１００の電圧が３００Ｖ、第２電池２００の電圧が３５０Ｖである場合を考える。より具体的には、第１電池１００が満充電時に４００Ｖであり、電力の消費によりＳＯＣが徐々に低下することで電圧が３００Ｖとなったとする。このとき、第２電池２００の電圧が３５０Ｖである。コントローラ５０は、コンバータ３０により第２電池２００を降圧して３００Ｖとすることで、第２電池２００の電圧を第１電池１００の出力に加えることができる。このようにして第１電池１００の出力の低下分を第２電池２００によって補うことができる。

このように、本発明の第１実施形態のバッテリ制御装置１は、充電回路２と第１電池１００及び第２電池２００を備える。充電回路２は、外部電源９０からの電力を第１電池１００及び第２電池２００に充電する。充電回路２は、充放電部を構成する回路（コンバータ３０、力率制御回路４０）を切り換えることにより、第２電池２００の電圧変換を行う。充電回路２によって、第１電池１００と第２電池２００との電力を、負荷であるインバータ２０及びモータ１０に供給する。

このような構成により、特性の異なる第１電池１００と第２電池２００との電圧を制御するため、充電回路２の構成を切り換えて電圧変換を行う。このように、充電回路２の一部を電圧変換に用いることにより、バッテリ制御装置１の構成を簡略化することができ、モータ１０を駆動させるバッテリ制御装置１の大型化、コストの増加を防止することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態のバッテリ制御装置１を説明する。第２実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図４は、本発明の第２実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

第２実施形態では、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２との構成が異なる。充電回路２において、力率制御回路４０のＨブリッジを構成するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、コンバータ３０のコンデンサＣ１との間に、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを備える。第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とは、コンバータ３０と力率制御回路４０とを接続するか、コンバータ３０とインバータ２０とを接続するかを切り換える。

このように構成された第２実施形態の動作は、前述した第１実施形態と同様である。すなわち、外部電源により第１電池１００と第２電池２００とを充電するときは、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを、コンバータ３０と力率制御回路４０とを接続する側に切り換える。

第１電池１００及び第２電池２００に充電された電力によりモータ１０を駆動する場合は、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを、コンバータ３０とインバータ２０とを接続する側に切り換える。

このように、本発明の第２実施形態のバッテリ制御装置１は、第１実施形態と同様の構成により、バッテリ制御装置１の構成を簡略化することができ、バッテリ制御装置の大型化、コストの増加を防止することができる。

特に第２実施形態においては、モータ１０を駆動するときに、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にバッテリの電流が流れないので、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４における損失が発生しないため、モータ１０を駆動させるときの効率を高くできる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態のバッテリ制御装置１を説明する。第３実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図５は、本発明の第３実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

第３実施形態では、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２との構成が異なる。充電回路２において、力率制御回路４０とフィルタ回路７０との間に第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを備える。第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とは、力率制御回路４０とフィルタ回路７０を接続するか、力率制御回路４０とインバータ２０とを接続するかを切り換える。

このように構成された第３実施形態の動作は、前述した第１実施形態と同様である。すなわち、外部電源により第１電池１００と第２電池２００とを充電するときは、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを、力率制御回路４０とフィルタ回路７０とを接続する側に切り換える。

第１電池１００及び第２電池２００に充電された電力によりモータ１０を駆動する場合は、第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを、力率制御回路４０とインバータ２０とを接続する側に切り換える。

このとき、コントローラ５０は、力率制御回路４０のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をＯＮとし、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３をＯＦＦとすることで、第１電池１００と第２電池２００とがコンバータ３０を介して並列に接続された状態となる。

図６は、第３実施形態のバッテリ制御装置１におけるモータ１０を駆動する場合の動作を示す説明図である。図６において、動作に関与しない構成は省略している。

第３実施形態において、モータ１０を駆動するときに、力率制御回路４０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、インダクタＬ１０とコンデンサＣ１０とにより、コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が構成される。

第３実施形態では、これらにより構成されるコンバータを第２コンバータ１３０と呼び、コンバータ３０を第１コンバータ３０と呼ぶ。

この第２コンバータ１３０の動作を説明する。図７は、第３実施形態のバッテリ制御装置１における第２コンバータ１３０の動作を示す説明図である。図７において、第２コンバータ１３０以外の回路は省略している。

第１電池１００のＳＯＣが大きい場合は、第１コンバータ３０のスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６、及び第２コンバータ１３０のスイッチング素子Ｓ１〜４をいずれもＯＦＦとしてコンバータ３０の動作を停止して、第１電池１００の電力のみでモータ１０を駆動、又は、モータ１０の回生電力を第１電池１００に充電する。

第１電池１００の電力を第２電池２００に充電させる場合は、コントローラ５０は、コンデンサＣ１０における電圧Ｖ１と、コンデンサＣ１における電圧Ｖ３と、電流センサ３１における電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４とスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３とを互いにＯＮ、ＯＦＦする（図７（Ａ）と図７（Ｂ）とを交互に動作する）。コントローラ５０は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４とスイッチング素子Ｓ２、Ｓ３とのデューティー比を制御する。これにより第２コンバータ１３０により、第１電池１００の電圧を昇圧する。

さらに、第１コンバータ３０において、第１実施形態と同様に、電圧Ｖ３と、電圧Ｖ２と、電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ６のデューティー比を制御することで、第２コンバータ１３０により昇圧された電圧をさらに昇圧する。このようにして昇圧された電力は第２電池２００を充電する。

また、第１電池１００だけでなく、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いる場合は、コントローラ５０は、第１実施形態と同等に、第１コンバータ３０において第２電池２００の電圧を降圧する。降圧された電力は、さらに第２コンバータ１３０においても同様の制御で降圧される。このようにして、第１電池１００のＳＯＣが低下した場合は、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いることができる。

一例として、第１電池１００の電圧を２００Ｖ、第２電池２００の電圧を６００Ｖである場合を考える。第１電池１００のＳＯＣの低下により電圧が１５０Ｖとなったとする。このとき、第２電池２００の電圧が６００Ｖに対して、第２コンバータ１３０において３００Ｖまで降圧し、第１コンバータ３０において１５０Ｖまで降圧する。

このように、本発明の第３実施形態のバッテリ制御装置１は、第１コンバータ３０及び第２コンバータ１３０の二つのコンバータにより昇圧、降圧を二段階で行うことができる。スイッチング素子とコイルコンデンサを用いる一般的なコンバータでは、昇圧比、降圧比が２程度の時に最も効率がよい。従って、前述の例のように、第１電池１００と第２電池２００との電圧差が大きい場合には、力率制御回路４０を第２コンバータとして機能させることにより、電力変換を効率よく行うことができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態のバッテリ制御装置１を説明する。第４実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図８は、本発明の第４実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

第４実施形態では、コンバータ３０を、スイッチング素子と絶縁トランス１３５とによる絶縁型のコンバータとして構成した。

コンバータ３０は、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４からなる一次側Ｈブリッジ１３１（第３スイッチング素子）と、スイッチング素子Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０からなる二次側Ｈブリッジ１３２（第４スイッチング素子）と、絶縁トランス１３５と、から構成される。

まず、外部電源９０から第１電池１００及び第２電池２００を充電する動作を説明する。

この場合は、力率制御回路４０によってコンデンサＣ１に直流電圧が充電される。
コンデンサＣ１の電力は、コンバータ３０において、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１４の組とＳ１２、Ｓ１３の組とを交互にＯＮ、ＯＦＦすることにより絶縁トランス１３５の一次側に交流電流と逆起電圧が発生させる。逆起電圧は絶縁トランス１３５の二次側にも発生する。一次側Ｈブリッジ１３１の動作と同期して二次側のスイッチング素子Ｓ７、Ｓ１０の組とＳ８、Ｓ９の組とを交互にＯＮ、ＯＦＦすることによりコンデンサＣ２に直流電圧として蓄積される。これらスイッチング素子のデューティー比を制御することで、第２電池２００に充電する電圧を制御する。

次に、第４実施形態におけるモータ１０を駆動する場合の動作を説明する。

図９は、バッテリ制御装置１におけるモータ１０を駆動する場合の動作を示す説明図である。

第１電池１００のＳＯＣが大きい場合は、コンバータ３０の動作を停止して、第１電池１００の電力のみでモータ１０を駆動、又は、モータ１０の回生電力を第１電池１００に充電する。

第１電池１００の電力を第２電池２００に充電させる場合は、コントローラ５０は、電圧Ｖ１と、電圧Ｖ３と、電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１４の組とＳ１２、Ｓ１３の組とを交互にＯＮ、ＯＦＦし、これと同期して、二次側のスイッチング素子Ｓ７、Ｓ１０の組とＳ８、Ｓ９の組とを交互にＯＮ、ＯＦＦする。これらスイッチング素子のデューティー比を制御することで、第１電池１００の電圧を昇圧して第２電池２００を充電する。

第２電池２００のＳＯＣが第１電池１００のＳＯＣよりも小さい場合は、コンバータ３０により第２電池２００側を昇圧して第１電池１００の電力を第２電池２００に充電させることもできる。

この場合も同様に、コントローラ５０は、電圧Ｖ３と、電圧Ｖ２と、電流Ａ１とに基づいて、一次側のスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１４の組とＳ１２、Ｓ１３の組と、二次側のスイッチング素子Ｓ７、Ｓ１０の組とＳ８、Ｓ９の組とをＯＮ、ＯＦＦ制御する。このときの各スイッチング素子のデューティー比を制御することで、第１電池１００の電圧を昇圧して、第２電池２００を充電する。

第１電池１００のＳＯＣが低下し出力電圧が低下した場合は、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いることができる。この場合も同様に、各スイッチング素子のデューティー比を制御することで、第２電池２００の電圧を降圧する。降圧された電力は、第１電池１００の出力電圧に加えられてインバータ２０に供給される。

このようにして、第１電池１００のＳＯＣが低下した場合は、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いることができる。

このように、本発明の第４実施形態のバッテリ制御装置１は、コンバータ３０を一次側Ｈブリッジ１３１と、二次側Ｈブリッジ１３２と、絶縁トランス１３５と、から構成した。このように、コンバータ３０を絶縁型とすることにより、大容量の第２電池２００を、これを制御する制御回路から絶縁構造とできる。これにより、バッテリ制御装置１の全体の絶縁設計を簡素化することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態のバッテリ制御装置１を説明する。第５実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１０は、本発明の第５実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

第５実施形態は図１に示す第１実施形態のバッテリ制御装置１の変形例であり、第１電池１００と、第２電池２００及び充電回路２とが直列に接続されるように構成した。

より具体的には、図１０に示す第５実施形態のバッテリ制御装置１は、力率制御回路４０の第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを介して、第１電池１００と第２電池２００とが直列に接続される。

第５実施形態において、外部電源９０から第１電池１００及び第２電池２００を充電する動作は、前述の第１実施形態と同様である。

次に、第５実施形態におけるモータ１０を駆動する場合の動作を説明する。

第５実施形態において、次の５つのモードが設定される。

（第１モード）第１電池１００の電力のみでモータ１０を駆動するモード
（第２モード）第１電池１００の電力でモータ１０を駆動しつつ、第１電池１００の電力を第２電池２００に充電するモード
（第３モード）第１電池１００と第２電池２００との両方の電力でモータ１０を駆動するモード
（第４モード）第２電池２００の電力でモータ１０を駆動しつつ、第２電池２００の電力を第１電池１００に充電するモード
（第５モード）第１電池１００と第２電池２００との両方をモータ１０の回生電力により充電するモード
以下、第５実施形態における各モードについて説明する。図１１は、第５実施形態の第１モードの動作を示す説明図である。

第１電池１００のＳＯＣが十分に大きく、第１電池１００の電力のみでモータ１０を駆動する場合は、コントローラ５０は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３をＯＮとし、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ４をＯＦＦに設定する。

この場合は、第１電池１００の電流はスイッチング素子Ｓ３及びスイッチング素子Ｓ３を通過して、インバータ２０へと供給され、その他の回路には供給されない。このように設定することで、第１電池１００の電力のみでモータ１０を駆動することができる。

第１モードでは、第１電池１００の電流はコンバータ３０のインダクタＬ１を通過しないので、インダクタＬ１における銅損が発生せず、電流の損失が発生しないため、モータ１０を効率よく駆動させることができる。

図１２は、第５実施形態の第２モードの動作を示す説明図である。

第２モードは、第１電池１００のＳＯＣが十分に大きく、第１電池１００の電力でモータ１０を駆動し、さらにＳＯＣが小さい第２電池２００を充電するモードである。第２モードでは、コントローラ５０は、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３をＯＮとし、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をＯＦＦに設定する。

この場合は、第１電池１００の電流はスイッチング素子Ｓ３からインダクタＬ１に流れ、スイッチング素子Ｓ３を通過してインバータ２０に供給される。この電流によりモータ１０を駆動する。

このとき同時にコントローラ５０は、電圧Ｖ３と、電圧Ｖ２と、電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ６のデューティー比を制御する。これにより昇圧された電流がインダクタＬ１からスイッチング素子Ｓ５を経由して第２電池２００に供給される。このように、第１電池の電流をモータ１０に供給しつつ、インダクタＬ１、コンデンサＣ１及びスイッチング素子Ｓ６の動作によって第１電池１００の電圧を昇圧して、第２電池２００を充電することができる。

図１３は、第５実施形態の第３モードの動作を示す説明図である。

第３モードでは、第１電池１００の電力と第２電池２００の電力との双方を用いてモータ１０を駆動する。第３モードでは、コントローラ５０は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をＯＮとし、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３をＯＦＦに設定する。

この場合は、第１電池１００の電流はスイッチング素子Ｓ１からスイッチング素子Ｓ６、インダクタＬ１を通り、スイッチング素子Ｓ４を通過してインバータ２０に供給される。

このとき同時に、コントローラ５０は、電圧Ｖ３と、電圧Ｖ２と、電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ５のデューティー比を制御することで、第２電池２００の電圧を昇圧する。昇圧された電圧は、スイッチング素子Ｓ１を通過して第１電池１００の電流と共にインバータ２０に供給される。

図１４は、第５実施形態の第４モードの動作を示す説明図である。

第２電池２００のＳＯＣが大きく、第２電池２００の電力でモータ１０を駆動し、ＳＯＣが小さい第１電池１００に、第２電池２００から電力を充電する場合は、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３をＯＮとし、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をＯＦＦに設定する。

この場合は、第２電池２００の電流はコンバータ３０のインダクタＬ１に流れる。コンバータ３０において、電圧Ｖ３と、電圧Ｖ２と、電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ５のデューティー比を制御することで、第２電池２００の電圧を昇圧する。昇圧された電圧により第１電池１００を充電すると共に、インバータ２０に供給された電力によりモータ１０を駆動する。

図１５は、第５実施形態の第５モードの動作を示す説明図である。

モータ１０の回生電力を第１電池１００と第２電池２００との双方に充電する場合は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４をＯＮとし、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３をＯＦＦに設定する。

この場合は、モータ１０の回生電力はインバータ２０により直流電流とされて、第１電池１００に充電される。コンバータ３０において、電圧Ｖ３と、電圧Ｖ２と、電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ６のデューティー比を制御することで、第２電池２００の電圧に供給する電圧を制御することにより、第２電池２００を充電することができる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態のバッテリ制御装置１を説明する。第６実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１６は、本発明の第６実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

第６実施形態では、コンバータ３０を、図８に示す第４実施形態と同様に、スイッチング素子と絶縁トランス１３５とによる絶縁型のコンバータとして構成した。

そして、第１電池１００と第２電池２００とが、力率制御回路４０の第１切換スイッチ４１と第２切換スイッチ４２とを介して直列に接続されている。

第６実施形態においても、外部電源９０から第１電池１００及び第２電池２００を充電する動作は、前述の第１実施形態と同様である。

次に、第６実施形態におけるモータ１０を駆動する場合の動作を説明する。

図１７は、第６実施形態のバッテリ制御装置１におけるモータ１０を駆動する場合の動作を示す説明図である。

第１電池１００のＳＯＣが大きい場合は、コンバータ３０の動作を停止して、第１電池１００の電力のみでモータ１０を駆動、又は、モータ１０の回生電力を第１電池１００に充電する。

第１電池１００の電力を第２電池２００に充電させる場合は、コントローラ５０は、電圧Ｖ１と、電圧Ｖ３と、電流Ａ１とに基づいて、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１４の組とＳ１２、Ｓ１３の組とを交互にＯＮ、ＯＦＦし、これと同期して、二次側のスイッチング素子Ｓ７、Ｓ１０の組とＳ８、Ｓ９の組とを交互にＯＮ、ＯＦＦする。これらスイッチング素子のデューティー比を制御することで、第１電池１００の電圧を昇圧して第２電池２００を充電する。

第２電池２００のＳＯＣが第１電池１００のＳＯＣよりも小さい場合は、コンバータ３０により第２電池２００側を昇圧して第１電池１００の電力を第２電池２００に充電させることもできる。

この場合も同様に、コントローラ５０は、電圧Ｖ３と、電圧Ｖ２と、電流Ａ１とに基づいて、一次側のスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１４の組とＳ１２、Ｓ１３の組と、二次側のスイッチング素子Ｓ７、Ｓ１０の組とＳ８、Ｓ９の組とをＯＮ、ＯＦＦ制御する。このときの各スイッチング素子のデューティー比を制御することで、第１電池１００の電圧を昇圧して、第２電池２００を充電する。

第１電池１００のＳＯＣが低下し出力電圧が低下した場合は、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いることができる。この場合も同様に、各スイッチング素子のデューティー比を制御することで、第２電池２００の電圧を降圧する。降圧された電力は、第１電池１００の出力電圧に加えられてインバータ２０に供給される。

このようにして、第１電池１００のＳＯＣが低下した場合は、第２電池２００の電力をモータ１０の駆動に用いることができる。

このように、本発明の第６実施形態のバッテリ制御装置１は、コンバータ３０を一次側Ｈブリッジ１３１と、二次側Ｈブリッジ１３２と、絶縁トランス１３５と、から構成した。このように、コンバータ３０を絶縁型とすることにより、大容量の第２電池２００を、これを制御する制御回路から絶縁構造とできる。これにより、バッテリ制御装置１の全体の絶縁設計を簡素化することができる。

＜第７実施形態＞
次に、本発明の第７実施形態のバッテリ制御装置１を説明する。第７実施形態において、基本構成は第１実施形態と同様であり、また、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１８は、本発明の第７実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

第７実施形態では、図１７に示す第６実施形態の変形例であり、第１切換スイッチ４１及び第２切換スイッチ４２の位置が異なる。

この第７実施形態においては、前述した第３実施形態と同様に、力率制御回路４０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、インダクタＬ１０とコンデンサＣ１０とにより、第２コンバータ１３０が構成される。

このように、本発明の第７実施形態のバッテリ制御装置１は、第１コンバータ３０及び第２コンバータ１３０の二つのコンバータにより昇圧、降圧を二段階で行うことができる。スイッチング素子とコイルコンデンサを用いる一般的なコンバータでは、昇圧比、降圧比が２程度の時に最も効率がよい。従って、第３実施形態と同様に、力率制御回路４０を第２コンバータとして機能させることにより、電力変換を効率よく行うことができる。

＜第８実施形態＞
次に、本発明の第８実施形態のバッテリ制御装置１を説明する。第８実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１９は、本発明の第８実施形態のバッテリ制御装置１の構成を示す説明図である。

第８実施形態では、図１８に示す第７実施形態の変形例であり、バッテリ結合回路１６０の構成が異なる。

バッテリ結合回路１６０は、４つのスイッチング素子Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８と、インダクタＬ１６と、コンデンサＣ１６、Ｃ１７とを備えるＤＣ−ＣＤコンバータとして構成される。これらスイッチング素子Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８は、コントローラ５０により動作が制御される。

このように構成された８実施形態において、外部電源９０から第１電池１００及び第２電池２００を充電する動作を説明する。

外部電源からの充電において、コントローラ５０は、充電回路２を、第２電池２００に対応する電圧に設定して、第２電池２００を充電する。

このとき、コントローラ５０は、バッテリ結合回路１６０のスイッチング素子を動作させて、第１電池１００と第２電池２００との電位差を解消するように制御する。

例えば、第１電池１００の電圧よりも第２電池２００の電圧が高い場合には、バッテリ結合回路１６０を降圧コンバータとして動作させ、第２電池２００の電力を第１電池１００に充電するように制御する。

具体的には、コントローラ５０は、スイッチング素子Ｓ１５をオン、スイッチング素子Ｓ１６をオフとし、スイッチング素子Ｓ１７のＯＮ／ＯＦＦのデューティー比を制御することにより、スイッチング素子Ｓ１７がＯＦＦ時の慣性電流がＳ１８の環流ダイオードを流れる。

また、第２電池２００の電圧よりも第１電池１００の電圧が高い場合には、バッテリ結合回路１６０を昇圧コンバータとして動作させ、第２電池２００の電力を第１電池１００に充電するように制御する。

具体的には、コントローラ５０は、スイッチング素子Ｓ１７をオン、スイッチング素子Ｓ１８をオフとし、スイッチング素子Ｓ１５のＯＮ／ＯＦＦのデューティー比を制御することにより、スイッチング素子Ｓ１５がＯＦＦ時の慣性電流がスイッチング素子Ｓ１６をＯＮにすることにより流れる。

コントローラ５０がバッテリ結合回路１６０をこのように制御することにより、外部電源９０からの電力を、第１電池１００及び第２電池のそれぞれに積極的に分配することができる。

例えば、前述のように第２電池２００の容量が第１電池１００よりも小さ区構成されている場合は、第２電池２００の充電が先に終了するが、この場合にも引き続きバッテリ結合回路１６０を介して第１電池１００に充電されるように制御することができる。この結果、第２電池２００の過充電を防止できると共に、第１電池１００及び第２電池２００を共に効率よく充電を行うことができる。

さらに、これら第１及び第３電池の電位（すなわち出力）に対する制約がなくなるので、バッテリ及び充電回路２の設計自由度が大きくなる。

なお、第８実施形態において、バッテリ結合回路１６０以外の構成は、前述した第７実施形態における動作と同様である。すなわち、第１電池１００及び第２電池２００によりモータ１０を駆動する場合は、コントローラ５０は、バッテリ結合回路１６０のスイッチング素子をいずれのオフとして、充電回路２により制御を行う。なお、前述の第１から第７実施形態においても、バッテリ結合回路６０を、第８実施形態のバッテリ結合回路１６０として構成することができる。

Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｃ１０ コンデンサ
Ｌ１ インダクタ（第１インダクタ）
Ｌ１０ インダクタ（第２インダクタ）
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチング素子（第２、第３スイッチング素子）
Ｓ５〜Ｓ６ スイッチング素子（第１スイッチング素子）
Ｓ７〜Ｓ１０ スイッチング素子
Ｓ１１〜Ｓ１４ スイッチング素子（第４スイッチング素子）
Ｓ１５〜Ｓ１８ スイッチング素子
１ バッテリ制御装置
２ 充電回路
１０ モータ（負荷）
２０ インバータ
３０ コンバータ（昇降圧部）
３１ 電流センサ
３２、３３ 電圧センサ
４０ 力率制御回路（整流部）
４１ 第１切換スイッチ（切換部）
４２ 第２切換スイッチ（切換部）
５０ コントローラ（制御部）
６０ バッテリ結合回路
６１ 第１スイッチ
６２ 第２スイッチ
６３ 抵抗
７０ フィルタ回路
８０ 接続ポート
９０ 外部電源
１００ 第１電池
２００ 第２電池

Claims (18)

1. 電力を蓄積及び供給する第１蓄電部と、
   電力を蓄積及び供給する第２蓄電部と、
   外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換する充電部と、
   前記外部電源、前記第１蓄電部及び前記第２蓄電部の接続関係を切り換える切換部と、
   前記充電部と前記切換部との動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記切換部を切り換えて、
   前記充電部を、交流電流を直流電流に変換するように動作させ、変換された前記直流電流を、前記第１蓄電部及び前記第２蓄電部の少なくとも一方に供給するか、又は、
   前記充電部を、前記第２の蓄電部の電圧変換を行うよう動作させ、前記第１蓄電部の電力及び前記充電部により電圧変換された第２蓄電部の電力を負荷に供給する
   ことを特徴とするバッテリ制御装置。
2. 前記充電部は、
   複数の第１スイッチング素子と第１インダクタとからなり、前記第１スイッチング素子の導通状態により電圧を昇降圧する昇降圧部と、を備え、
   複数の第２スイッチング素子の導通状態により交流電流を直流電流に変換する整流部と、
   前記制御部は、
   前記切換部を、前記外部電源、前記整流部、前記昇降圧部及び前記第２蓄電部が導通状態となるように切り換えて、前記外部電源の電力を前記第２充電部に充電し、
   前記切換部を、前記第２蓄電部、前記昇降圧部及び前記負荷が導通状態になるように切り換えて、前記第２蓄電部の電力を前記負荷に供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記切換部を、前記第１蓄電池、前記整流部、前記昇降圧部及び前記第２蓄電部が導通状態となるように切り換え、
   複数の前記第２スイッチング素子の導通状態を制御して、前記第１蓄電部から前記第２蓄電部に電力を供給するか、又は、前記第２蓄電部から前記第１蓄電部に電力を供給することを特徴とする請求項２に記載のバッテリ制御装置。
4. 前記整流部は、直流電流を平滑化する第２インダクタをさらに備え、
   前記制御部は、前記切換部を切り換え、複数の前記第２スイッチング素子の導通状態を制御して、前記第２インダクタの誘導電流により前記第２蓄電部に供給する電力の電圧変換を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載のバッテリ制御装置。
5. 前記昇降圧部は絶縁トランスを備え、
   前記第１スイッチング素子は、複数の第３スイッチング素子と複数の第４スイッチング素子とからなり、
   前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間に前記絶縁トランスが介装されることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
6. 前記昇降圧部は、前記第２蓄電部に接続され、前記第２蓄電部の電圧を昇降圧することを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
7. 前記切換部は、前記第１蓄電部と前記第２蓄電部とを並列に接続する請求項３から６のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
8. 前記切換部は、前記第１蓄電部と前記第２蓄電部とを直列に接続する請求項３から６のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
9. 前記切換部は、前記整流部と前記昇降圧部との間に備えられることを特徴とする請求項２から８のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
10. 前記切換部は、前記整流部と前記外部電源との間に備えられることを特徴とする請求項２から８のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
11. 前記切換部は、前記整流部において、第２スイッチング素子と第２インダクタとの間に備えられることを特徴とする請求項４に記載のバッテリ制御装置。
12. 前記第１蓄電部と前記第２蓄電部とを並列に接続させる結合回路を備え、
    前記制御部は、前記切換部を切り換えるとともに前記結合回路を接続して、前記直流電流を、前記第１蓄電部及び前記第２蓄電部に供給することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
13. 前記結合回路は、前記第１蓄電部と前記第２蓄電部とを抵抗器を介して接続する第１の回路と、前記抵抗器を短絡する第２の回路とを備えることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ制御装置。
14. 前記結合回路は、前記第１蓄電部と前記第２蓄電部との間で電圧を昇降可能な第２の昇降圧回路により接続されることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ制御装置。
15. 前記第２蓄電部の満充電時の電圧が、前記第１蓄電部の満充電時の電圧よりも高く設定されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
16. 前記第２蓄電部の内部抵抗及び充電容量は、前記第１蓄電部の内部抵抗及び充電容量よりも小さく設定されることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
17. 前記負荷は、インバータにより駆動される電動機であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一つに記載のバッテリ制御装置。
18. 電力を蓄積及び供給する第１蓄電部と、電力を蓄積及び供給する第２蓄電部と、外部電源から供給される交流電流を直流電流に変換する充電部と、前記外部電源、前記第１蓄電部及び前記第２蓄電部の接続関係を切り換える切換部と、前記充電部と前記切換部との動作を制御する制御部と、を備えるバッテリ制御装置におけるバッテリ制御方法であって、
    前記充電部が交流電流を直流電流に変換し、変換された前記直流電流を、前記第１蓄電部及び前記第２蓄電部の少なくとも一方に供給し、
    前記充電部が前記第２の蓄電部の電圧変換を行い、前記第１蓄電部の電力及び前記充電部により電圧変換された第２蓄電部の電力を負荷に供給することを特徴とするバッテリ制御方法。

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