JP2019126205A - 電源装置及び電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池回路モジュールが使用困難となった場合に円滑に切り離す。【解決手段】電池Ｂと、電池Ｂに並列接続された第１のスイッチング素子Ｓ１と、第１のスイッチング素子Ｓ１のオン時にオフする第２のスイッチング素子Ｓ２とを備えた電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，・・・と、第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２をオンオフ駆動するゲート信号を、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，・・・に対して一定時間毎にそれぞれ出力し、使用困難となった電池回路モジュールを切り離すデジタル出力回路１４を有する制御回路１１を備える。制御回路１１は、電池回路モジュールを切り離す際に、デジタル出力回路１４の応答時間分だけ遅延させたタイミングでゲート信号の周期を変更する。【選択図】図６

Description

本発明は、複数の電池回路モジュールを備えた電源装置及び電源装置の制御方法に関する。

従来から様々の電源装置が知られており、例えば、ハイブリッド車両や電動車両における走行モータの駆動に用いられる電源装置では、電池電圧を昇圧コンバータで昇圧してインバータに供給している。

特許文献１には、バッテリ等の電池からの直流電圧をスイッチング素子のスイッチングによりＤＣ／ＤＣ変換して走行モータに出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの損失特性に基づいてスイッチング素子のスイッチング周波数を設定する周波数設定手段と、設定された周波数に基づきスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えた電源装置が記載されている。この電源装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの損失を小さくするスイッチング周波数を設定することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率良く駆動できる。

特開２００３−１１６２８０号公報

特許文献１に記載の電源装置において、スイッチング素子やＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる昇圧用リアクトルは、必要とされる電流容量や出力電圧に応じて設計される。また、それを収納する筐体も、使用する部品の大きさに応じて設計される。このため、スイッチング素子や昇圧用リアクトル、また、これらに関係する周辺部品等は、必要とされる電流容量や出力電圧に基づいて毎回、設計する必要がある。

すなわち、電源装置は、求められる仕様（必要とされる電流容量や出力電圧）に基づいて毎回新たに設計する必要があり汎用性が低く、車両に搭載する場合も多車種に展開することが困難である。このため、複数の電池回路モジュールを備え、各電池回路モジュールに指令信号を出力してＰＷＭ駆動することで出力電圧を可変とし、多車種に展開することを可能とする技術が検討されている。但し、複数の電池回路モジュールのいずれかに異常が生じた場合には当該電池回路モジュールを強制的に回路から切り離す必要が生じるところ、単に特定の電池回路モジュールの切り離しとともに指令信号を変更したのでは、出力電圧にゆれが生じ得る。

本発明の目的は、構成が簡素であり、所望の出力電圧に応じて容易に対応することができるとともに、特定の電池回路モジュールに異常等が生じて使用困難となった場合にこれを強制的に切り離し得る電源装置を提供することにある。

本発明の電源装置は、電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群と、前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力する制御回路を備え、前記制御回路は、複数の前記電池回路モジュールの少なくともいずれかが使用困難となった場合に、使用困難な電池回路モジュールを前記電池回路モジュール群から切り離すための切り離し信号を出力する切り離し回路を備え、前記切り離し回路による切り離し実行タイミングに同期したタイミングで前記ゲート信号を変更することを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記切り離し回路は、切り離し指令を受けてから切り離し実行までに一定の応答時間を有し、前記制御回路は、前記切り離し回路に対する切り離し指令の出力タイミングから前記応答時間分だけ遅延させたタイミングで前記ゲート信号を変更する。

また、本発明の他の実施形態では、前記ゲート信号は、前記電池回路モジュール群を構成する複数の前記電池回路モジュールの数に応じた周期を有し、前記ゲート信号の変更は前記周期の変更を含む。

また、本発明のさらに他の実施形態では、前記切り離し回路は、使用困難な電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子を常時オンし、前記第２のスイッチング素子を常時オフすることにより切り離す。

また、本発明の電源装置の制御方法は、電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群を備えた電源装置の制御方法であって、前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力し、複数の前記電池回路モジュールの少なくともいずれかが使用困難となった場合に、使用困難な電池回路モジュールを前記電池回路モジュール群から切り離すための切り離し信号を切り離し回路から出力するとともに、前記切り離し回路による切り離し実行タイミングに同期したタイミングで前記ゲート信号を変更することを特徴とする。

本発明によれば、構成が簡素であり、所望の出力電圧に応じて容易に対応することができる、すなわち、汎用性が高い電源装置を得ることができるとともに、電池回路モジュールが使用困難となった場合に、当該電池回路モジュールを回路から強制的に切り離すことができる。そして、強制的に切り離す場合に、出力電圧のゆれを効果的に抑制できる。

前提となる電源装置の概略ブロック図である。 電池回路モジュールの概略構成図である。 電池回路モジュールの動作を説明するタイミングチャートである。 電池回路モジュールの動作説明図であり、（ａ）は第１のスイッチング素子がＯＮ、第２のスイッチング素子がＯＦＦした状態を示し、（ｂ）は第１のスイッチング素子がＯＦＦ、第２のスイッチング素子がＯＮした状態を示す。 電源装置全体の動作を説明するタイミングチャートである。 実施形態における電源装置の概略ブロック図である。 実施形態における動作フローチャートである。 比較例の動作フローチャートである。 比較例のタイミングチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。まず、実施形態において前提となる複数の電池回路モジュールを備えた電源装置について説明する。

図１は、電源装置１の構成ブロック図を示す。電源装置１は、複数の電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に指令信号としてのゲート信号を出力して電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・をＯＮ／ＯＦＦ駆動する制御回路１１とを備える。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は互いに直列接続されており、電池回路モジュール群１００を構成する。電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の構成は同様であるので、電池回路モジュール１０ａの構成及び駆動について説明する。なお、制御回路１１の詳細及び制御回路１１による電源装置１の制御については後述する。

電池回路モジュール１０ａは、複数の電池セルが互いに直列接続された電池Ｂと、電池Ｂの電圧を出力する出力端子ＯＴと、出力端子ＯＴに接続されるとともに電池Ｂに並列接続された第１のスイッチング素子Ｓ１と、電池Ｂと第１のスイッチング素子Ｓ１との間において電池Ｂに直列接続された第２のスイッチング素子Ｓ２と、電池Ｂと第２のスイッチング素子Ｓ２との間に直列接続されたチョークコイルＬと、電池Ｂに並列接続されたコンデンサＣとを備える。

第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２は、例えば電界効果トランジスタとしてのＭＯＳ−ＦＥＴ等である。第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２は、制御回路１１からのゲート信号によってスイッチング動作される。スイッチング動作可能な素子であれば、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外のスイッチング素子を使用し得る。

電池Ｂは充電可能な二次電池であり、内部抵抗損失の増加による電池Ｂの劣化を抑制するため、電池Ｂ、チョークコイルＬ及びコンデンサＣによってＲＬＣフィルタを形成して電流の平準化が図られる。

次に、電池回路モジュール１０ａの動作について図２及び図３を参照して説明する。図２は、電池回路モジュール１０ａの概略動作図を、図３は電池回路モジュール１０ａの動作に関するタイムチャートをそれぞれ示す。また、図３において、符号Ｄ１は、電池回路モジュール１０ａを駆動するゲート信号の矩形波を、符号Ｄ２は、第１のスイッチング素子Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ３は、第２のスイッチング素子Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ４は、電池回路モジュール１０ａにより出力される電圧Ｖ_ｍｏｄの特性をそれぞれ示す。

電池回路モジュール１０ａの初期状態、すなわち、ゲート信号が出力されていない状態では、第１のスイッチング素子Ｓ１はＯＮ状態、第２のスイッチング素子Ｓ２はＯＦＦ状態となっている。そして、制御回路１１からゲート信号が電池回路モジュール１０ａに供給されると、電池回路モジュール１０ａはＰＷＭ制御によりスイッチング動作する。このスイッチング動作は、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより実行される。

図３の符号Ｄ１で示すように、制御回路１１からゲート信号が出力されると、このゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａの第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２が駆動される。第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち上がりに応じて、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる。また、第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち下がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる（符号Ｄ２参照）。

一方、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち上がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。また、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち下がりと同時に、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる（符号Ｄ３参照）。このように、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とは交互にＯＮ／ＯＦＦ動作する。

なお、第１のスイッチング素子Ｓ１がゲート信号の立ち下がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することと、第２のスイッチング素子Ｓ２がゲート信号の立ち上がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することは、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが同時に動作することを防止するためである。すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが同時にＯＮして短絡することを防止している。この動作を遅らせているデッドタイムｄｔは、例えば、１００ｎｓであるが、適宜設定し得る。デッドタイムｄｔ中はダイオードを還流し、その還流したダイオードと並列にあるスイッチング素子がＯＮしたときと同じ状態になる。

そして、この動作によって、電池回路モジュール１０ａは、図３の符号Ｄ４で示すように、ゲート信号がＯＦＦ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０ａの出力端子ＯＴから切り離されて出力端子ＯＴには電圧が出力されない。この状態を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、電池回路モジュール１０ａの電池Ｂ（コンデンサＣ）をバイパス（スルー状態）している。

また、ゲート信号がＯＮ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０ａの出力端子ＯＴに接続されて出力端子ＯＴに電圧が出力される。この状態を、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０ａにおけるコンデンサＣを介して電圧Ｖ_ｍｏｄが出力端子ＯＴに出力される。

図１に戻り、制御回路１１による電源装置１の制御について説明する。制御回路１１は、電池回路モジュール群１００の全体を制御する。すなわち、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の動作をそれぞれ制御して電源装置１としての出力電圧を制御する。

制御回路１１は、矩形波のゲート信号を出力するゲート回路１２と、ゲート回路１２から出力されるゲート信号を、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に遅延させて順次出力する遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・とを備える。制御回路１１は、これ以外にもゲート回路１２、遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・の動作を制御する１個又は複数個のプロセッサ及びメモリを備えるが、電子制御装置（ＥＣＵ）等で構成される制御回路１１は公知であるため図示は省略している。

ゲート回路１２は、電池回路モジュール群１００において直列接続されている電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・のうちの最上流側の電池回路モジュール１０ａに接続される。

遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に対応してそれぞれ設けられる。遅延回路１３ａは、ゲート回路１２からのゲート信号を、一定時間遅延させて隣接する電池回路モジュール１０ｂに出力するとともに、遅延回路１３ｂに出力する。この結果、ゲート回路１２から出力されたゲート信号は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に順次遅延されて伝達される。

遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・は、電気的な回路構成としては制御回路１１に含まれるものであるが、ハード構成としては電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・と一体化して構成してもよい。図１において、例えば、破線Ｍで示すように、遅延回路１３ｂと電池回路モジュール１０ｂとを一体化（モジュール化）して構成する。

図１において、ゲート回路１２から最上流側の電池回路モジュール１０ａにゲート信号を出力すると、電池回路モジュール１０ａが駆動されて、図４（ａ），（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０ａにおける電圧が出力端子ＯＴに出力される。また、ゲート回路１２からのゲート信号は、遅延回路１３ａに供給されて、一定時間遅延された後、隣接する電池回路モジュール１０ｂに供給される。このゲート信号により電池回路モジュール１０ｂが駆動する。

一方、遅延回路１３ａからのゲート信号は、遅延回路１３ｂにも供給されて、遅延回路１３ａと同様に、一定時間遅延されて、次に隣接する電池回路モジュール１０ｃに供給される。以下、同様に、ゲート信号は遅延されて下流側の電池回路モジュールにそれぞれ供給される。そして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は、順次駆動されて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の電圧が各出力端子ＯＴに順次出力される。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が順次駆動される状態を図５に示す。図５に示すように、ゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が、一定の遅延時間を持って上流側から下流側に次々と駆動される。図５において、符号Ｅ１は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が出力端子ＯＴから電圧を出力している状態（接続状態）を示している。また、符号Ｅ２は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が出力端子ＯＴから電圧を出力していない状態（スルー状態）を示す。このように、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は、一定の遅延時間を持って順次駆動される。

図５を参照して、ゲート信号やゲート信号の遅延時間の設定について説明する。指令信号としてのゲート信号の指令周期Ｆは、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の遅延時間を合計することによって設定される。このため、遅延時間を長く設定すると、ゲート信号の周波数は低周波になる。逆に、遅延時間を短く設定すると、ゲート信号の周波数は高周波になる。また、ゲート信号を遅延する遅延時間は、電源装置１に求められる仕様に応じて適宜設定し得る。

ゲート信号の指令周期ＦにおけるＯＮ時比率Ｇ１、すなわち、指令周期ＦのうちのＯＮ時間の比率は、電源装置１の出力電圧／電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の合計電圧（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出することができる。なお、厳密には、デッドタイムｄｔだけＯＮ時比率がずれてしまうので、チョッパ回路で一般的に行われているようにフィードバックまたはフィードフォワードでＯＮ時比率の補正を行う。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の合計電圧は、説明の都合上、全ての電池回路モジュールの電圧が等しい場合で説明すると、電池回路モジュール電池電圧×接続状態の電池回路モジュール数によって表すことができる。この場合、電源装置１の出力電圧が、一つの電池回路モジュール１０ａの電池電圧で割り切れる値であれば、電池回路モジュール１０ａが通過（スルー状態）から接続に切り替わる瞬間に、他の電池回路モジュールが接続から通過（スルー状態）に切り替わるので、電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧に変動はない。

しかし、電源装置１の出力電圧が、電池回路モジュール１０ａの電池電圧で割り切れない値であれば、電源装置１の出力電圧と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の合計電圧とは整合しない。換言すると、電源装置１の出力電圧（電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧）が変動してしまう。ただし、このときの変動振幅は１つの電池回路モジュール分の電圧であり、また、この変動周期は、ゲート信号の指令周期Ｆ／電池回路モジュール数となる。ここでは、数十個の電池回路モジュールを直列接続しているので、電池回路モジュール全体の寄生インダクタンスは大きな値となっており、この電圧変動はフィルタされて結果的には電源装置１の出力電圧を得ることができる。

図５において、例えば、電源装置１としての所望の出力電圧が４００Ｖ、電池回路モジュール１０ａの電池電圧が１５Ｖ、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・数が４０個、遅延時間が２００ｎｓであるとする。なお、この場合は、電源装置１の出力電圧（４００Ｖ）が、電池回路モジュール１０ａの電池電圧（１５Ｖ）で割り切れない場合に相当する。

これらの数値に基づくと、ゲート信号の指令周期Ｆは、遅延時間×電池回路モジュール数により算出されるので、２００ｎｓ×４０個＝８μｓとなり、ゲート信号は１２５ｋＨｚ相当の矩形波になる。また、ゲート信号のＯＮ時比率Ｇ１は、電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出されるので、ＯＮ時比率Ｇ１は、４００Ｖ／（１５Ｖ×４０個）≒０．６７となる。

これらの数値に基づいて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・を順次駆動すると、電源装置１として、図５中、符号Ｈ１で示す矩形波状の出力特性が得られる。この出力特性は、３９０Ｖと４０５Ｖとの間で変動する電圧出力特性となる。すなわち、ゲート信号の周期Ｆ／電池回路モジュール数により算出される周期で変動する出力特性となり、８μｓ／４０個＝２００ｎｓ（５ＭＨｚ相当）で変動する出力特性となる。この変動は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の配線による寄生インダクタンスでフィルタリングされるので、符号Ｈ２で示すように、電源装置１としては、４００Ｖの電圧が出力される。

そして、最上流側の電池回路モジュール１０ａのコンデンサＣには、接続状態の場合に電流が流れるため、図５中符号Ｊ１で示すように、コンデンサ電流波形は矩形波になる。
電池ＢとコンデンサＣはＲＬＣフィルタを形成しているので、電源装置１にはフィルタリングされて平準化された電流が出力される（図５中、符号Ｊ２参照）。

このように、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・において電流波形は同様であり、また、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・から均等に電流を出力することができる。

このように、電池回路モジュール群１００を駆動する場合、最上流側の電池回路モジュール１０ａに出力したゲート信号を、下流側の電池回路モジュール１０ｂに一定時間遅延して出力して、さらに、このゲート信号を一定時間遅延して下流側の電池回路モジュールに順次伝達するので、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は、一定時間遅延しながら順次電圧をそれぞれ出力する。そして、これらの電圧が合計されることによって、電源装置１としての電圧が出力されることになり、所望の電圧が得られる。このため、昇圧回路が必要なくなり、電源装置１の構成を簡素化し得、小型化、低コスト化し得る。また、構成が簡素化されるので、損失が発生する部分が減少して昇圧効率が向上する。さらに、複数の電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・から略均等に電圧を出力しているので、特定の電池回路モジュールに駆動が集中することもなく、電源装置１の内部抵抗損失を低減し得る。また、ＯＮ時比率Ｇ１を調整することによって、所望の電圧に容易に対応することができ、電源装置１としての汎用性を向上し得る。

他方で、特に、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・のいずれかがフェイル（故障）し、あるいはＳＯＣ（充電状態）が著しく低下する等により、使用困難な電池回路モジュールが発生した場合、当該電池回路モジュールを回路から強制的に切り離して正常な電池回路モジュールのみを使用し、ゲート信号の指令周期Ｆ、ＯＮ時比率Ｇ１、遅延時間を再設定することにより、所望の電圧が得られる。

フェイル等により使用困難となった電池回路モジュールを強制的に切り離すには、ゲート信号とは独立して、制御回路１１から電池回路モジュール１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、・・・に切り離し信号を供給して図４（ａ）に示す状態、すなわち第１のスイッチング素子Ｓ１をＯＮし、第２のスイッチング素子Ｓ２をＯＦＦしてスルーする状態に遷移させればよく、これとともに、動作する電池回路モジュールの数が減少したことに応じてゲート信号の指令周期Ｆを変更すればよい。

但し、制御回路１１から電池モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に切り離し信号を供給する場合に、その出力ポート、例えばフォトカプラ等のデジタル出力が実際に特定の電池回路モジュールを回路から切り離すには一定の応答時間があるため、当該応答時間（応答遅れ）を考慮せずに直ちに指令周期Ｆを変更してしまうと、実際に動作している電池回路モジュールの数と指令周期Ｆとが一致しないため、所望の出力電圧が得られない問題が生じる。

そこで、本実施形態では、フェイル等して使用困難となった特定の電池回路モジュールを回路から強制的に切り離す際に、実際に切り離しが完了するまでの応答時間の遅れを考慮することで円滑な切り離しを実現する。

図６は、実施形態の電源装置１の構成ブロック図を示す。基本的には図１に示す電源装置１の構成ブロック図と同様であるが、制御回路１１にさらにデジタル出力回路１４が設けられる。

デジタル出力回路１４は、具体的にはフォトカプラ等で構成され、各電池モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・のそれぞれに切り離し信号を供給する。デジタル出力回路１４は、特定の電池回路モジュールを回路から強制的に切り離す場合には切り離し信号をＯＮとして当該電池回路モジュールの第１のスイッチング素子Ｓ１を常にＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２を常にＯＦＦとする。これにより、当該電池回路モジュールは図４（ａ）に示すような回路構成となり、出力電圧は０Ｖでスルー状態（切り離し状態）となる。他方、これ以外の強制的に切り離さない電池回路モジュールについては切り離し信号をＯＦＦとする。これらの強制的に切り離さない電池回路モジュールについては、既述したように指令信号としてのゲート信号のＯＮ／ＯＦＦにより第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２が交互にＯＮ／ＯＦＦする。

制御回路１１は、デジタル出力回路１４から切り離し信号を出力する際には、ゲート信号の指令周期Ｆを変更する。但し、制御回路１１は、デジタル出力回路１４により実際に特定の電池回路モジュールが回路から強制的に切り離されるまでの応答時間（応答遅れ）を考慮し、当該応答遅れの分だけゲート信号の指令周期Ｆの変更タイミングを遅延させる。例えば、デジタル出力回路１４での応答時間をΔｔとし、特定の電池回路モジュールの切り離し指令タイミングをｔ１、実際に切り離しが完了するタイミングをｔ２とすると、ゲート信号の指令周期Ｆの変更タイミングはｔ１ではなくｔ２＝ｔ１＋Δｔまで遅延させる。

このように、切り離し指令に同期したタイミングで指令周期Ｆを変更するのではなく、実際に切り離しが完了するタイミングまで指令周期Ｆの変更タイミングを遅延させることで、実際に動作している電池回路モジュールの数と変更後の指令周期Ｆとが正しく対応することとなり、所望の出力電圧が得られる。

なお、デジタル出力回路１４における応答時間（応答遅れ）は、予め計測する、あるいはデジタル出力回路１４のデータシートあるいは公称値を取得して制御回路１１のメモリに記憶しておき、指令周期Ｆを変更する際にメモリに記憶された応答時間を参照してその分だけ指令周期Ｆの変更タイミングを遅延させればよい。

また、制御回路１１は、指令周期Ｆとともに、ゲート信号のＯＮ時比率Ｇ１も変更する。ＯＮ時比率Ｇ１は、電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出されるので、４０個の電池回路モジュールから１個の電池回路モジュールを強制的に切り離して３９個とする場合、ＯＮ時比率Ｇ１は、４００Ｖ／（１５Ｖ×３９個）となる。

さらに、制御回路１１は、指令周期Ｆとともに、回路から強制的に切り離す電池回路モジュールに対応する遅延回路の遅延時間を無視し得る程度の十分に小さな値に変更する。例えば、図６において、電池回路モジュール１０ｂを切り離す場合、電池回路モジュール１０ｂに対応する遅延回路１３ａの遅延時間を十分小さな値に変更し、遅延回路１３ａを実質的にスルーする。

指令周期Ｆの変更、ＯＮ時比率の変更、及び遅延時間の変更は、電池回路モジュールの切り離しに伴う電池回路モジュール数の変更に応じたゲート信号の変更と総称することができる。

図７は、本実施形態における電池回路モジュールの強制切り離し時の処理フローチャートである。この処理フローチャートは、一定時間間隔毎に繰り返し実行される。

まず、制御回路１１のプロセッサは、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の中の特定の電池回路モジュールの切り離しを実行するか否かを判定する（Ｓ１０１）。この判定は、各電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の状態を監視する電池ＥＣＵから供給される監視信号に基づき実行される。電池ＥＣＵは、電池モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の電池Ｂの電圧や電流、ＳＯＣを監視し、異常が検出された場合にフェイル信号を制御回路１１に供給する。例えば、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ、１０ｃ，・・・の中で電池回路モジュール１０ｃが使用困難となった場合（電池Ｂの電圧あるいはＳＯＣが著しく低下した等）、電池ＥＣＵは電池回路モジュール１０ｃを特定してフェイル信号を供給する。

制御回路１１のプロセッサは、電池ＥＣＵからフェイル信号が供給されると、電池回路モジュールの強制的な切り離しの実行が必要と判定し（Ｓ１０１でＹＥＳ）、デジタル出力回路１４に対してフェイル信号で特定された電池回路モジュールの切り離し指令を出力する（Ｓ１０２）。

また、制御回路１１のプロセッサは、この切り離し指令と並行して、ゲート回路に対してゲート信号の指令周期Ｆの変更を指令する。但し、この指令周期Ｆの変更指令は、デジタル出力回路１４における応答時間Δｔ、すなわち切り離し指令を出力してから実際に電池回路モジュールが回路から切り離されるまでの時間分だけ遅延させて指令周期Ｆの変更指令を出力する（Ｓ１０４）。ゲート信号の指令周期Ｆは、遅延時間×電池回路モジュール数により算出されるので、例えば遅延時間を２００ｎｓ、切り離す前の電池回路モジュール数を４０個、１個の電池回路モジュールを切り離すものとすると、２００ｎｓ×４０個＝８μｓから２００ｎｓ×３９個＝７．８μｓに指令周期Ｆを変更する。また、指令周期Ｆの変更とともに、ＯＮ時比率を変更し、対応する遅延回路の遅延時間を無視し得る程度の小さな値に変更する。

デジタル出力回路１４は、プロセッサからの指令を受けてフェイルした電池回路モジュールに対して切り離し信号をＯＮとし、切り離しを実行する（Ｓ１０３）。切り離し指令を受けてから実際にフェイルした電池回路モジュールが回路から切り離されるまでは既述したように一定の応答時間Δｔを要する。従って、フェイルした電池回路モジュールの切り離しタイミングと、指令周期Ｆの変更タイミングは同期する。

図８は、比較例としての処理フローチャートを示す。フェイルした電池回路モジュールの切り離し指令と、指令周期Ｆの変更指令とを同時に出力した場合である。

制御回路１１のプロセッサは、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の中の特定の電池回路モジュールの切り離しを実行するか否かを判定する（Ｓ２０１）。

制御回路１１のプロセッサは、電池ＥＣＵからフェイル信号が供給されると、電池回路モジュールの強制的な切り離しの実行が必要と判定し（Ｓ２０１でＹＥＳ）、デジタル出力回路１４に対してフェイル信号で特定された電池回路モジュールの切り離し指令を出力する（Ｓ２０２）。

また、制御回路１１のプロセッサは、この切り離し指令と同時に、ゲート回路１２に対してゲート信号の指令周期Ｆの変更を指令する（Ｓ２０４）。

デジタル出力回路１４は、プロセッサからの指令を受けてフェイルした電池回路モジュールに対して切り離し信号をＯＮとし、切り離しを実行する（Ｓ２０３）。切り離し指令を受けてから実際にフェイルした電池回路モジュールが回路から切り離されるまでは既述したように一定の応答時間Δｔを要する。従って、フェイルした電池回路モジュールの切り離しタイミングと、指令周期Ｆの変更タイミングは一致せず、指令周期Ｆの変更が実際の切り離しよりも先行して実行されてしまう。従って、例えば４０個の電池回路モジュールの中の１個の電池回路モジュールを切り離す場合、未だ切り離されていない期間では４０個の電池回路モジュール用の指令周期Ｆ（上記の例では８μｓ）であるべきところ、３９個の電池回路モジュール用の指令周期Ｆ（上記の例では７．８μｓ）で駆動してしまうことになり、出力電圧にゆらぎ（電圧リプル）が生じてしまう。

図９は、比較例における電池回路モジュール全体の出力電圧のタイミングチャートを示す。ある時刻ｔ１で電池回路モジュールの切り離し指令が出力されると同時にゲート信号の指令周期Ｆの変更指令を出力する。電池切り離しまでの応答時間内では実際には切り離しが実行されていないため、電池回路モジュール数と指令周期Ｆとが一致しておらず、この期間は出力電圧にゆれが生じる。図において、遅延時間＝２μｓ、１０個の電池回路モジュールがあり、指令電圧を７．５モジュール相当とし、そのうちの５番目の電池回路モジュールが使用困難となったためこれを強制的に切り離す場合において、ＯＮ時間を１５μｓに維持し、切り離し指令と同時に指令周期ＦをＦ＝２０μｓからＦ＝１８μｓに変更する。切り離しの指令を送っても、フォトカプラ等のデジタル出力回路１４の応答時間により実際の切り離しは少し遅れて実行されるので、切り離し指令と切り離し実行の間は指令周期とモジュール数が合致していないため７．５モジュール相当と８．５モジュール相当の間で電圧がゆれ、電圧リプルが生じてしまう。本実施形態のように、指令周期Ｆの変更タイミングを実際の切り離し実行タイミングに同期させることで、このような出力電圧のゆらぎ（電圧リプル）が抑制される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。以下、変形例について説明する。

＜変形例１＞
電池回路モジュール１０ａの構成として、図６に示す電池回路モジュール１０ａのチョークコイルＬと電池Ｂとの配置位置（接続位置）を入れ替えてもよい。また、第２のスイッチング素子Ｓ２を、第１のスイッチング素子Ｓ１に対して出力端子ＯＴの反対側に配置してもよい。すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とのスイッチング動作により電池Ｂ（コンデンサＣ）の電圧を出力端子ＯＴに出力できるのであれば、電池回路モジュール１０ａにおける各素子、電気部品の配置を適宜変更し得る。他の電池回路モジュール１０ｂ，１０ｃ，・・・についても同様である。

＜変形例２＞
電池Ｂの電圧出力特性が優れている場合、すなわち、電源電流がコンデンサ電流と一致して、出力波形が矩形波となっても電源回路において問題がないときには、ＲＬＣフィルタを省略してもよい。また、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の配線による寄生インダクタンスを利用していたが、配線による寄生インダクタンスを利用する代わりに、必要なインダクタンス値を担保するためにインダクタンス部品を実装してもよい。

＜変形例３＞
実施形態では、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・からいずれか１個の電池回路モジュールを強制的に切り離す場合について説明したが、フェイル等して使用困難となった電池回路モジュールが複数の場合には、複数個の電池回路モジュールを強制的に切り離すことはいうまでもなく、切り離しの個数に上限を設定してもよい。

＜変形例４＞
実施形態では、図６に示すようにフォトカプラ等のデジタル出力回路１４から電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に個別に切り離し信号を供給しているが、デジタル出力回路１４から１本のシリアル線を介して切り離しデータ信号を電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の全てに供給し、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・で個別に切り離しデータ信号をデコードする構成としてもよい。

１ 電源装置、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 電池回路モジュール、１１ 制御回路、１２ ゲート回路、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 遅延回路、１００ 電池回路モジュール群、Ｂ 電池、Ｃ コンデンサ、Ｌ チョークコイル、ＯＴ 出力端子、Ｓ１ 第１のスイッチング素子、Ｓ２ 第２のスイッチング素子。

Claims (5)

1. 電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、
   複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群と、
   前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、複数の前記電池回路モジュールの少なくともいずれかが使用困難となった場合に、使用困難な電池回路モジュールを前記電池回路モジュール群から切り離すための切り離し信号を出力する切り離し回路を備え、前記切り離し回路による切り離し実行タイミングに同期したタイミングで前記ゲート信号を変更する
   ことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   前記切り離し回路は、切り離し指令を受けてから切り離し実行までに一定の応答時間を有し、
   前記制御回路は、前記切り離し回路に対する切り離し指令の出力タイミングから前記応答時間分だけ遅延させたタイミングで前記ゲート信号を変更する
   ことを特徴とする電源装置。
3. 請求項１，２のいずれかに記載の電源装置において、
   前記ゲート信号は、前記電池回路モジュール群を構成する複数の前記電池回路モジュールの数に応じた周期を有し、
   前記ゲート信号の変更は前記周期の変更を含む
   ことを特徴とする電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置において、
   前記切り離し回路は、使用困難な電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子を常時オンし、前記第２のスイッチング素子を常時オフすることにより切り離す
   ことを特徴とする電源装置。
5. 電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、
   複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群と、
   を備えた電源装置の制御方法であって、
   前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力し、
   複数の前記電池回路モジュールの少なくともいずれかが使用困難となった場合に、使用困難な電池回路モジュールを前記電池回路モジュール群から切り離すための切り離し信号を切り離し回路から出力するとともに、前記切り離し回路による切り離し実行タイミングに同期したタイミングで前記ゲート信号を変更する
   ことを特徴とする電源装置の制御方法。