JP2020072545A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置の制御や状態確認を行うために通信線を追加することによるコスト上昇やシステムの複雑化を防止する。【解決手段】電池モジュール１０２を複数含み、制御コントローラ１０４からのゲート駆動信号に応じて電池モジュール１０２が相互に直列接続され、ゲート駆動信号を電池モジュール１０２の各々に含まれるゲート駆動信号処理回路２０において遅延させた後に直列接続の上流から下流に向けて伝達させる電源装置１００であって、電池モジュール１０２に対する制御信号をゲート駆動信号に重畳させることによって電池モジュール１０２を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、電池モジュールを直列接続して電力を供給する電源装置に関する。

複数の電池モジュールを直列に接続して、負荷に電力を供給（力行）する電源装置が利用されている。電池モジュールに含まれる電池を二次電池とした場合、負荷側から電池へ充電（回生）を行うこともできる。

このような電源装置において、ゲート駆動信号に基づいて各電池モジュールを負荷に接続したり、切り離したりするスイッチング回路を備えた構成が提案されている。このような回路構成において、遅延回路を介したゲート駆動信号で各電池モジュールのスイッチング回路を駆動させることで電圧制御を行っている。また、バランス回路を各電池モジュールに設けることで電池モジュール間の充電率（ＳＯＣ）のアンバランスを解消する技術も提案されている（特許文献１）。また、ゲート駆動信号線を共用してゲート駆動回路の故障信号を送信する構成が開示されている（特許文献２）。

特開２０１３−１７９７３９号公報 特開２００８−２８２２３６号公報

しかしながら、従来の電源装置では、ゲート駆動信号以外の制御信号により制御を行う際に当該制御信号を通信する手段を別途設ける必要があった。また、特許文献２に記載の技術においては、スイッチをオフにしてゲート駆動信号を伝送していない期間に故障信号を送信する構成のみが開示されており、ゲート駆動信号を用いて駆動中に故障信号を送信する構成について言及されていない。

本発明の１つの態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続され、前記ゲート駆動信号を前記電池モジュールの各々に含まれるゲート駆動信号処理回路において遅延させた後に前記直列接続の上流から下流に向けて伝達させる電源装置であって、前記電池モジュールに対する制御信号を前記ゲート駆動信号に重畳させることによって前記電池モジュールを制御することを特徴とする電源装置である。

ここで、前記ゲート駆動信号処理回路は、前記制御信号が重畳された前記ゲート駆動信号から前記制御信号を除去して波形整形した整形ゲート駆動信号を生成し、前記制御信号及び当該整形ゲート駆動信号を用いて自らの前記電池モジュールを制御すると共に、下流の前記電池モジュールに対して前記制御信号が重畳された前記ゲート駆動信号を伝搬させることが好適である。

また、前記電池モジュールは、前記ゲート駆動信号に関わらず、前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、前記制御信号は、前記切断手段によって前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離すための信号であることが好適である。

また、前記電池モジュールは、前記ゲート駆動信号に関わらず、前記直列接続に強制的に接続する接続手段を備え、前記制御信号は、前記接続手段によって前記電池モジュールを前記直列接続に強制的に接続するための信号であることが好適である。

本発明の別の態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続され、前記ゲート駆動信号を前記電池モジュールの各々に含まれるゲート駆動信号処理回路において遅延させた後に前記直列接続の上流から下流に向けて伝達させ、最下流の前記電池モジュールから前記制御コントローラに戻す電源装置であって、前記電池モジュールの状態を示す状態信号を前記ゲート駆動信号に重畳させることによって前記電池モジュールの状態を前記制御コントローラに伝達することが好適である。

ここで、前記ゲート駆動信号処理回路は、前記状態信号が重畳された前記ゲート駆動信号から前記状態信号を除去して波形整形した整形ゲート駆動信号を生成し、当該整形ゲート駆動信号を用いて自らの前記電池モジュールを制御すると共に、下流の前記電池モジュールに対して前記状態信号が重畳された前記ゲート駆動信号を伝搬させることが好適である。

また、前記状態信号は、前記電池モジュールの電圧、温度、ＳＯＣの少なくとも１つの情報を含むことが好適である。

本発明によれば、ゲート駆動信号を用いて電源装置の制御や状態確認を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る電源装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るゲート駆動信号を用いたスイッチング制御を説明する図である。 本発明の実施の形態に係るゲート駆動信号を用いたスイッチング制御を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る電源装置の制御を示す図である。 本発明の実施の形態に係るゲート駆動信号への制御信号の重畳方法について説明する図である。 本発明の実施の形態に係るゲート駆動信号を用いた強制切断処理を示す図である。 本発明の実施の形態に係るゲート駆動信号への制御信号の重畳方法の別例について説明する図である。 本発明の実施の形態に係るゲート駆動信号への状態信号の重畳方法について説明する図である。

本実施の形態における電源装置１００は、図１に示すように、電池モジュール１０２及び制御コントローラ１０４を含んで構成される。電源装置１００は、複数の電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）を含んで構成される。複数の電池モジュール１０２は、制御コントローラ１０４による制御によって互いに直列に接続可能である。電源装置１００に含まれる複数の電池モジュール１０２は、端子Ｔ１及びＴ２に接続される負荷（図示しない）に対して電力を供給（力行）し、又は、端子Ｔ１及びＴ２に接続される電源（図示しない）から電力を充電（回生）することができる。

電池モジュール１０２は、電池１０、チョークコイル１２、コンデンサ１４、第１スイッチ素子１６、第２スイッチ素子１８、ゲート駆動信号処理回路２０、ＡＮＤ素子２２、ＯＲ素子２４及びＮＯＴ素子２６を含んで構成される。本実施の形態において、各電池モジュール１０２は同一の構成を備える。

電池１０は、少なくとも１つの二次電池を含む。電池１０は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を複数直列又は／及び並列接続した構成とすることができる。チョークコイル１２及びコンデンサ１４は、電池１０からの出力を平滑化して出力する平滑回路（ローパスフィルタ回路）を構成する。すなわち、電池１０として二次電池を使用しているので、内部抵抗損失の増加による電池１０の劣化を抑制するため、電池１０、チョークコイル１２及びコンデンサ１４によってＲＬＣフィルタを形成して電流の平準化を図っている。なお、チョークコイル１２及びコンデンサ１４は、必須の構成ではなく、これらを設けなくてもよい。

第１スイッチ素子１６は、電池１０の出力端を短絡するためのスイッチング素子を含む。本実施の形態では、第１スイッチ素子１６は、スイッチング素子である電界効果トランジスタに対して並列に環流ダイオードを接続した構成としている。第２スイッチ素子１８は、電池１０と第１スイッチ素子１６との間において電池１０に直列接続される。本実施の形態では、第２スイッチ素子１８は、スイッチング素子である電界効果トランジスタに対して並列に環流ダイオードを接続した構成としている。第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８は、制御コントローラ１０４からのゲート駆動信号によってスイッチング制御される。なお、本実施の形態では、第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８は、電界効果トランジスタとしたが、これ以外のスイッチング素子を適用してもよい。

ゲート駆動信号処理回路２０は、制御コントローラ１０４から電池モジュール１０２に入力されるゲート駆動信号（後述するように制御信号や状態信号が重畳されることがある）に基づいて電池モジュール１０２を制御する回路である。ゲート駆動信号処理回路２０は、ゲート駆動信号を所定の時間だけ遅延させる遅延回路を含む。電源装置１００では、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）にそれぞれゲート駆動信号処理回路２０が設けられており、それらが直列接続されている。したがって、制御コントローラ１０４から入力されたゲート駆動信号は所定の時間ずつ遅延させられながら各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）に順次入力されることになる。ゲート駆動信号に基づく制御については後述する。

ＡＮＤ素子２２は、制御コントローラ１０４からの強制切断信号に応じて電池モジュール１０２ａを直列接続状態から強制的に切り離す切断手段を構成する。また、ＯＲ素子２４は、制御コントローラ１０４からの強制接続信号に応じて電池モジュール１０２ａを直列接続状態に強制的に接続する接続手段を構成する。ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４は、ゲート駆動信号処理回路２０によって制御される。ＡＮＤ素子２２の一方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からの制御信号が入力され、他方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からのゲート駆動信号が入力される。また、ＯＲ素子２４の一方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からの制御信号が入力され、他方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からのゲート駆動信号が入力される。ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４からの出力信号は、第２スイッチ素子１８のゲート端子に入力される。また、ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４からの出力信号は、ＮＯＴ素子２６を介して第１スイッチ素子１６のゲート端子に入力される。

通常制御時においては、ＡＮＤ素子２２に対してゲート駆動信号処理回路２０からハイ（Ｈ）レベルの制御信号が入力され、ＯＲ素子２４に対してゲート駆動信号処理回路２０からロー（Ｌ）レベルの制御信号が入力される。したがって、ゲート駆動信号がそのまま第２スイッチ素子１８のゲート端子に入力され、ゲート駆動信号を反転した信号が第１スイッチ素子１６のゲート端子に入力される。これによって、ゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルのときに第１スイッチ素子１６がオフ状態及び第２スイッチ素子１８がオン状態となり、ゲート駆動信号がロー（Ｌ）レベルのときに第１スイッチ素子１６がオン状態及び第２スイッチ素子１８がオフ状態となる。すなわち、ゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルのときに電池モジュール１０２は他の電池モジュール１０２と直列に接続された状態となり、ゲート駆動信号がロー（Ｌ）レベルのときに電池モジュール１０２は他の電池モジュール１０２と切り離されたスルー状態となる。

強制切断時においては、強制的に切り離す対象となった電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０は、ＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力する。また、ゲート駆動信号処理回路２０は、当該電池モジュール１０２のＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力する。これによって、ＡＮＤ素子２２からはロー（Ｌ）レベルが出力され、ＯＲ素子２４を介して、第１スイッチ素子１６のゲート端子にはＮＯＴ素子２６によってハイ（Ｈ）レベルが入力され、第２スイッチ素子１８のゲート端子にはロー（Ｌ）レベルが入力される。したがって、第１スイッチ素子１６は常時オン状態となり、第２スイッチ素子１８は常時オフ状態とされ、電池モジュール１０２はゲート信号の状態によらず強制的に切り離された状態（パススルー状態）となる。このような強制切断制御は、電源装置１００における電池モジュール１０２のＳＯＣのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しに利用することができる。

強制接続時には、ゲート駆動信号処理回路２０は、強制的に接続する対象とする電池モジュール１０２のＯＲ素子２４にハイ（Ｈ）レベルの制御信号を出力する。これによって、ＯＲ素子２４からはハイ（Ｈ）レベルが出力され、第１スイッチ素子１６のゲート端子にはＮＯＴ素子２６によってロー（Ｌ）レベルが入力され、第２スイッチ素子１８のゲート端子にはハイ（Ｈ）レベルが入力される。したがって、第１スイッチ素子１６は常時オフ状態となり、第２スイッチ素子１８は常時オン状態とされ、電池モジュール１０２はゲート信号の状態によらず強制的に直列接続に繋がれた状態となる。このような強制接続制御は、電源装置１００における電池モジュール１０２のＳＯＣのアンバランスを抑制する制御に利用することができる。

なお、強制切断状態又は強制接続状態となった電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０は、受信したゲート駆動信号を遅延させずに次の電池モジュール１０２へ伝達させる。

［通常制御］
以下、電源装置１００の制御について図２を参照して説明する。通常制御時において、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のＡＮＤ素子２２に対してゲート駆動信号処理回路２０からハイ（Ｈ）レベルの強制切断信号が入力される。また、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のＯＲ素子２４に対してゲート駆動信号処理回路２０からロー（Ｌ）レベルの強制接続信号が入力される。したがって、第１スイッチ素子１６のゲート端子にはゲート駆動信号処理回路２０からのゲート駆動信号がＮＯＴ素子２６を介して反転信号として入力され、第２スイッチ素子１８のゲート端子にはゲート駆動信号処理回路２０からのゲート駆動信号がそのまま入力される。

図２は、電池モジュール１０２ａの動作に関するタイムチャートを示す。また、図２では、電池モジュール１０２ａを駆動するゲート駆動信号Ｄ１のパルス波形、第１スイッチ素子１６のスイッチング状態を示す矩形波Ｄ２、第２スイッチ素子１８のスイッチング状態を示す矩形波Ｄ３、及び、電池モジュール１０２ａにより出力される電圧Ｖ_ｍｏｄの波形Ｄ４を示している。

電池モジュール１０２ａの初期状態、すなわち、ゲート駆動信号が出力されていない状態では、第１スイッチ素子１６はオン状態、第２スイッチ素子１８はオフ状態である。そして、制御コントローラ１０４からゲート駆動信号が電池モジュール１０２ａに入力されると、電池モジュール１０２ａはＰＷＭ制御によってスイッチング制御される。このスイッチング制御では、第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とが交互にオン状態／オフ状態にスイッチングされる。

図２に示すように、制御コントローラ１０４からゲート駆動信号Ｄ１が出力されると、このゲート駆動信号Ｄ１に応じて、電池モジュール１０２ａの第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８が駆動される。第１スイッチ素子１６は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち上がりに応じたＮＯＴ素子２６からの信号の立ち下がりによって、オン状態からオフ状態に切り替わる。また、第１スイッチ素子１６は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち下がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、オフ状態からオン状態に切り替わる。

一方、第２スイッチ素子１８は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち上がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、オフ状態からオン状態に切り替わる。また、第２スイッチ素子１８は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち下がりと同時に、オン状態からオフ状態に切り替わる。このように、第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とは交互にオン状態／オフ状態が切り替わるようにスイッチング制御される。

なお、第１スイッチ素子１６がゲート駆動信号Ｄ１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スイッチ素子１８がゲート駆動信号Ｄ１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スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８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スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とが同時にオン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に設定しているが、適宜設定することができる。なお、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オンしたときと同じ状態になる。

このような制御によって、電池モジュール１０２ａは、図２に示すように、ゲート駆動信号Ｄ１がオフ時（すなわち、第１スイッチ素子１６がオン、第２スイッチ素子１８がオフ）では、コンデンサ１４が電池モジュール１０２ａの出力端子から切り離される。したがって、出力端子には電池モジュール１０２ａから電圧が出力されない。この状態では、図３（ａ）に示すように、電池モジュール１０２ａの電池１０（コンデンサ１４）がバイパスされたパススルー状態となっている。

また、ゲート駆動信号がオン時（すなわち、第１スイッチ素子１６がオフ、第２スイッチ素子１８がオン）では、コンデンサ１４が電池モジュール１０２ａの出力端子に接続される。したがって、出力端子には電池モジュール１０２ａから電圧が出力される。この状態では、図３（ｂ）に示すように、電池モジュール１０２ａにおけるコンデンサ１４を介して電圧Ｖ_ｍｏｄが出力端子に出力されている。

図１に戻り、制御コントローラ１０４による電源装置１００の制御について説明する。制御コントローラ１０４は、電源装置１００の全体を制御する。すなわち、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・の動作をそれぞれ制御して電源装置１００としての出力電圧を制御する。

制御コントローラ１０４は、矩形波のゲート駆動信号を出力する。電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・に含まれているゲート駆動信号処理回路２０は、制御コントローラ１０４から出力されたゲート駆動信号を遅延させて順次出力する遅延回路を備えている。ゲート駆動信号処理回路２０は、遅延回路によってゲート駆動信号を一定時間遅延させて隣接する電池モジュール１０２に出力する。この結果、制御コントローラ１０４から出力されたゲート駆動信号は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・に順次遅延されて伝達される。

図１において、制御コントローラ１０４から最上流側の電池モジュール１０２ａにゲート駆動信号が出力されると、電池モジュール１０２ａが駆動されて、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、電池モジュール１０２ａにおける電圧が出力端子ＯＴに出力される。また、ゲート駆動信号は、電池モジュール１０２ａのゲート駆動信号処理回路２０よって一定時間遅延された後、隣接する電池モジュール１０２ｂに入力される。このゲート駆動信号により電池モジュール１０２ｂが電池モジュール１０２ａと同様に駆動される。また、ゲート駆動信号は、電池モジュール１０２ｂのゲート駆動信号処理回路２０によってさらに一定時間遅延されて、次に隣接する電池モジュール１０２ｃに入力される。以下、同様に、ゲート駆動信号は遅延されて下流側の電池モジュールにそれぞれ入力される。そして、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・は、順次駆動されて、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・の電圧が各出力端子ＯＴに順次出力される。

電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・が順次駆動される状態を図４に示す。図４に示すように、ゲート駆動信号に応じて、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・が、一定の遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を持って上流側から下流側に次々と駆動される。

図４において、符号Ｅ１は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・の第１スイッチ素子１６がオフ、第２スイッチ素子１８がオンの状態であって、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・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、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・の第１スイッチ素子１６がオン、第２スイッチ素子１８がオフの状態であって、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・が出力端子ＯＴから電圧を出力していない状態（パススルー状態）を示す。このように、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・は、一定の遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を持って順次駆動される。

次に、ゲート駆動信号やゲート駆動信号の遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）の設定について説明する。ゲート駆動信号の周期Ｔは、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・の遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を合計することによって設定される。例えば、Ｎ個の電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・１０２ｎが同じ遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）で動作する場合、ゲート駆動信号の周期Ｔは、Ｔ＝Ｎ×Ｔ_{ｄｅｌａｙ}で表される。このため、遅延時間（Ｔｄｅｌａｙ）を長く設定すると、ゲート駆動信号の周波数は低周波になる。逆に、遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）を短く設定すると、ゲート駆動信号の周波数は高周波になる。また、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間（Ｔ_{ｄｅｌａｙ}）は、電源装置１００に求められる仕様に応じて適宜設定することができる。

ゲート駆動信号の周期Ｔにおけるオン時比率（オンデューティ）Ｄ、すなわち、周期Ｔのうちのオン期間Ｔ_ＯＮの比率は、（電源装置１００の出力電圧）／（すべての電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・の合計電圧）により算出することができる。すべての電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・の合計電圧は、電池モジュール電池電圧×電池モジュール数により算出することができる。すなわち、オン時比率Ｄ＝電源装置出力電圧／（電池モジュール電池電圧×電池モジュール数）となる。なお、厳密には、デッドタイムｄｔだけオン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オン時比率の補正を行う。

電源装置１００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、上述したように、電池モジュール電池電圧（の平均電圧Ｖ_ｍｅａｎ）×接続状態の電池モジュール数（Ｎ_ＯＮ）によって表すことができる。このとき、オン期間Ｔ_ＯＮは、電源装置１００の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ、電池モジュール電池電圧の平均電圧Ｖ_ｍｅａｎ、遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}を用いて、Ｔ_ＯＮ＝Ｖ_ｏｕｔ×Ｔ_{ｄｅｌａｙ}／Ｖ_ｍｅａｎで表される。

電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・を順次駆動すると、図４における符号Ｈ１で示す矩形波状の出力特性が得られる。すなわち、ゲート駆動信号の周期Ｔ／電池モジュール数により算出される周期で変動する電圧となる。この変動は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・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、符号Ｈ２で示すように、電源装置１００全体としてより安定した電圧Ｖ_ｏｕｔが出力される。

以上説明したように、電源装置１００を駆動する場合、最上流側の電池モジュール１０２ａに出力したゲート駆動信号を、下流側の電池モジュール１０２ｂに一定時間遅延して出力して、さらに、このゲート駆動信号を一定時間遅延して下流側の電池モジュールに順次伝達するので、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・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１００としての電圧が出力されることになり、所望の電圧を得ることができる。

また、オン時比率Ｄ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１００としての汎用性を向上することができる。特に、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・に故障が発生して、使用困難な電池モジュールが発生した場合でも、その故障した電池モジュールを除外して、正常な電池モジュールを使用して所望の電圧を得ることができる。すなわち、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，・・・に故障が発生しても所望の電圧の出力を継続することができる。

さらに、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を長く設定することによって、ゲート駆動信号の周波数が低周波になるので、第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８のスイッチング周波数も低くなり、スイッチング損失を低減することができ、電力変換効率を向上することができる。逆に、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を短くすることによって、ゲート駆動信号の周波数が高周波になるので、電圧変動の周波数が高くなり、フィルタリングが容易になって、安定した電圧を得ることができる。また、電流変動をＲＬＣフィルタによって平準化することも容易になる。このように、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を調整することによって、求められる仕様、性能に応じた電源装置１００を提供することができる。

以上の説明では、使用する電池モジュール１０２の数を制御することで所望の電圧を出力できることを示したが、電圧を制御することで出力電流を制御することも可能である。一定電圧のＤＣバスに電源装置１００が接続された場合において、出力端に設置された電流センサの測定値を指定電流値を用いることでＰＩ制御等のフィードバック制御によりオン時間（Ｔ_ＯＮ）を算出し、所望の指令電流に電源装置１００の出力電流を追従させることができる。

［電池モジュールの強制切断処理］
次に、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２のいずれかが故障して常時切り離し（パススルー状態）にしたい場合の電池モジュール１０２の強制切断処理について説明する。本実施の形態では、所望の電池モジュール１０２に対するパススルー指令をゲート駆動信号に重畳させて伝達することで電池モジュール１０２の強制切断処理を実行する。

図５は、制御コントローラ１０４からのゲート駆動信号に電池モジュール１０２に対する制御情報を重畳させる方法の一例を示す。制御コントローラ１０４は、ゲート駆動信号のオン期間中に１か所の短期間のオフ状態を加えるか、加えないかにより電池モジュール１０２に対する制御信号を重畳させたゲート駆動信号を生成する。

電池モジュール１０２では、このように制御信号が重畳されたゲート駆動信号を受け取ると、ゲート駆動信号処理回路２０においてオン期間の中間で所定の時間のオフ期間がある場合を１、無い場合は０と判断する。このようにすることで、１スイッチング周期で１ビットの情報伝達が可能となる。ゲート駆動信号処理回路２０は、ゲート駆動信号に対して所定の遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の遅延処理を行った後、信号の波形整形を行い、制御信号であるオフ期間を取り除いた整形ゲート駆動信号を生成する。そして、当該整形ゲート駆動信号に基づいて第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８のスイッチングを制御する。

図５には、電池モジュール１０２ａに対するゲート駆動信号Ａ、電池モジュール１０２ｂに対するゲート駆動信号Ｂ及び整形ゲート駆動信号Ｂ’を例示している。電池モジュール１０２ａは、ゲート駆動信号に対して所定の遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の遅延処理を行った後、当該信号を電池モジュール１０２ｂへ転送する。また、ゲート駆動信号の波形整形を行い、制御信号であるオフ期間を取り除いた整形ゲート駆動信号を生成し（図示しない）、当該整形ゲート駆動信号によって第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８のスイッチングを制御する。ゲート駆動信号の波形整形を行うことで、制御信号の重畳に関わらずオン期間Ｔ_ＯＮを維持できる。電池モジュール１０２ｂは、電池モジュール１０２ａから受け取ったゲート駆動信号に対して所定の遅延時間Ｔ_{ｄｅｌａｙ}の遅延処理を行った後、当該信号を電池モジュール１０２ｃへ転送する。また、ゲート駆動信号の波形整形を行い、制御信号であるオフ期間を取り除いた整形ゲート駆動信号を生成し（整形ゲート駆動信号Ｂ’）、当該整形ゲート駆動信号によって第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８のスイッチングを制御する。このような処理を電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の上流から下流に向けて繰り返す。

図６は、制御信号を用いて強制切断対象となる電池モジュール１０２を特定する処理を説明する図である。まず、データ通信開始を知らせるスタートビットとして、最初のスイッチング周期Ｔのゲート駆動信号のオン期間中に１の情報（オフ状態）を重畳させる。電源装置１００にＮ個の電池モジュール１０２が含まれる場合、それに続くＮ周期をデータ伝送期間とする。そして、スタートビットを含むゲート駆動信号を送出した後、各スイッチング周期Ｔのオン期間における短期間のオフ状態の有無で各電池モジュールへ強制切断指令を伝達する。すなわち、ｘ番目の電池モジュール１０２ｘを強制切断状態にするためには、スタートビットを送出後、ｘ番目のスイッチング周期Ｔにおけるゲート駆動信号に制御信号を重畳させて送出する。

各電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０は、スタートビットが重畳されたゲート駆動信号を受信した後、Ｎ回のスイッチング周期Ｔにおけるゲート駆動信号の受信回数をカウントする。そして、強制切断指令のための制御信号が重畳されたゲート駆動信号を受信した時のカウント数に基づいて、ゲート駆動信号処理回路２０は、当該カウント数が自己の電池モジュール１０２に該当する場合にＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４を制御して強制切断状態（パススルー状態）とする。また、ゲート駆動信号処理回路２０は、当該カウント数が自己の電池モジュール１０２に該当しない場合には強制切断状態（パススルー状態）にしない。例えば、図６に示すＮ個のゲート駆動信号を送出した場合、電池モジュール１０２ａ，１０２ｅ，・・・１０２ｎが強制切断状態（パススルー状態）に制御され、電池モジュール１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ，・・・が通常状態に制御される。

このとき、強制切断状態になった電池モジュール１０２から次の電池モジュール１０２に伝達するゲート駆動信号は遅延回路を介さず、遅延されない状態で伝達される。したがって、スイッチング周期Ｔは、強制切断状態（パススルー状態）となっている次の電池モジュール１０２のモジュール数をＮ_ｐａｓｓとすると、スイッチング周期Ｔ＝Ｔ_{ｄｅｌａｙ}×（Ｎ−Ｎ_ｐａｓｓ）となる。

［電池モジュールの強制接続処理］
強制切断のための制御信号に代えて、又は、データビットの長さを長くすることで強制切断のための制御信号に加えて、他の制御情報を同様にして各電池モジュール１０２に対して通信することも可能である。

例えば、強制切断指令のためのＮ［ビット］に続けて、強制接続指令のＮ［ビット］を送信するようにしてもよい。スタートビットに相当する制御信号が重畳されたゲート駆動信号を受信後、各電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０は、ゲート駆動信号の受信回数をカウントする。そして、カウント数に基づいて、ｘ番目の電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０は、（Ｎ＋ｘ）番目のスイッチング周期Ｔのオン期間における短期間のオフ状態の有無を検出する。オフ状態を検出した場合、当該ゲート駆動信号に当該電池モジュール１０２に対する強制接続命令の制御信号が重畳されているものと判定して強制接続制御を行う。具体的には、ゲート駆動信号処理回路２０は、ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４を制御して強制接続状態とする。また、ゲート駆動信号処理回路２０は、自己の電池モジュール１０２に対して強制接続状態とする制御信号を受信しない場合には強制接続状態にしない。

このとき、強制接続状態になった電池モジュール１０２から次の電池モジュール１０２に伝達するゲート駆動信号は遅延回路を介さず、遅延されない状態で伝達される。したがって、スイッチング周期Ｔは、強制接続状態となっている次の電池モジュール１０２のモジュール数をＮ_ｆｏｎとすると、スイッチング周期Ｔ＝Ｔ_{ｄｅｌａｙ}×（Ｎ−Ｎ_ｐａｓｓ−Ｎ_ｆｏｎ）となる。

＜変形例＞
図７は、制御コントローラ１０４が出力するゲート駆動信号への制御情報の重畳のさせ方の別の例を示す。

本変形例では、ゲート駆動信号に対して時間Ｔ_ｉのオフ状態を加えるが、スイッチング周期Ｔにおけるオン期間Ｔ_ＯＮを維持するようにゲート駆動信号を生成する。このようなゲート駆動信号とすることで、ゲート駆動信号処理回路２０にてゲート駆動信号に対して波形整形を行う必要が無くなる。

［電池モジュールの状態伝達処理］
各電池モジュール１０２の状態を示す状態信号をゲート駆動信号に重畳させて伝達することも可能である。すなわち、電源装置１００では、ゲート駆動信号は各電池モジュール１０２を介しながら制御コントローラ１０４に戻されるように構成されているので、各電池モジュール１０２におけるゲート駆動信号処理回路２０にてゲート駆動信号にモジュールの状態を示す状態信号を重畳させることで、各電池モジュール１０２の状態情報を外部へ出力することができる。

状態信号は、強制切断のための制御信号又は強制接続のための制御信号に代えて、又は、データビットの長さを長くすることでこれらの制御信号に加えて、各電池モジュール１０２から制御コントローラ１０４に対して通信することができる。

図８は、強制切断及び強制接続のための制御信号に加えて、電池モジュール１０２の状態を示す状態信号を通信する場合のシーケンスを示す。制御コントローラ１０４は、スタートビットが重畳された最初のゲート駆動信号を送出させた後、電池モジュール１０２の個数Ｎ分（Ｎ周期）のゲート駆動信号を利用して強制切断のための制御信号、続いて、個数Ｎ分（Ｎ周期）のゲート駆動信号を利用して強制接続のための制御信号を送出する。その後、Ｍ周期分のゲート駆動信号にＭビットの状態情報を伝達する。すなわち、電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０は、ゲート駆動信号の各々において１ビットの情報を重畳させて伝達させる。具体的には、ゲート駆動信号処理回路２０は、ゲート駆動信号のオン期間Ｔ_ＯＮに重畳させるようにオフ期間を付加することにより１を示し、オフ期間を付加しないことにより０を示す情報を伝達させることができる。

例えば、スタートビットを受信後、（２Ｎ＋１）周期目のゲート駆動信号のオン期間Ｔ_ＯＮには制御コントローラ１０４からの制御情報は付加されていないので、このゲート駆動信号に一段目の電池モジュール１０２ａの状態情報を重畳させて制御コントローラ１０４まで伝達させる。（２Ｎ＋１）〜（２Ｎ＋１６）周期目までのゲート駆動信号を利用することで、一段目の電池モジュール１０２ａについて１６ビットの状態信号を伝達させることができる。制御コントローラ１０４は、最終段の電池モジュール１０２ｎから戻されたゲート駆動信号の（２Ｎ＋１）〜（２Ｎ＋１６）周期目のオン期間Ｔ_ＯＮに短いオフ期間が重畳されているか否かを検出し、状態情報を取り出すことができる。なお、各電池モジュール１０２では、ゲート駆動信号に重畳された状態信号を取り除いて整形した整形ゲート駆動信号を用いて第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８のスイッチングを制御する。

電池モジュール１０２ｂ〜１０２ｎの状態量についても、続く周期のゲート駆動信号を利用して伝達させることが可能である。

ここで、電池モジュール１０２の状態情報は、例えば、電池モジュール１０２の電圧、温度、ＳＯＣ等に関する情報とすることができる。ただし、これらに限定されるものではない。

以上のように、本実施の形態における電源装置１００では、ゲート駆動信号を利用して制御コントローラ１０４と各電池モジュール１０２との間で双方向の通信を行うことが可能となる。

１０ 電池、１２ チョークコイル、１４ コンデンサ、１６ 第１スイッチ素子、１８ 第２スイッチ素子、２０ ゲート駆動信号処理回路、２２ ＡＮＤ素子、２４ ＯＲ素子、２６ ＮＯＴ素子、１００ 電源装置、１０２ 電池モジュール、１０４ 制御コントローラ。

Claims (7)

1. 二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続され、前記ゲート駆動信号を前記電池モジュールの各々に含まれるゲート駆動信号処理回路において遅延させた後に前記直列接続の上流から下流に向けて伝達させる電源装置であって、
   前記電池モジュールに対する制御信号を前記ゲート駆動信号に重畳させることによって前記電池モジュールを制御することを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記ゲート駆動信号処理回路は、
   前記制御信号が重畳された前記ゲート駆動信号から前記制御信号を除去して波形整形した整形ゲート駆動信号を生成し、前記制御信号及び当該整形ゲート駆動信号を用いて自らの前記電池モジュールを制御すると共に、下流の前記電池モジュールに対して前記制御信号が重畳された前記ゲート駆動信号を伝搬させることを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置であって、
   前記電池モジュールは、前記ゲート駆動信号に関わらず、前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、
   前記制御信号は、前記切断手段によって前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離すための信号であることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置であって、
   前記電池モジュールは、前記ゲート駆動信号に関わらず、前記直列接続に強制的に接続する接続手段を備え、
   前記制御信号は、前記接続手段によって前記電池モジュールを前記直列接続に強制的に接続するための信号であることを特徴とする電源装置。
5. 二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続され、前記ゲート駆動信号を前記電池モジュールの各々に含まれるゲート駆動信号処理回路において遅延させた後に前記直列接続の上流から下流に向けて伝達させ、最下流の前記電池モジュールから前記制御コントローラに戻す電源装置であって、
   前記電池モジュールの状態を示す状態信号を前記ゲート駆動信号に重畳させることによって前記電池モジュールの状態を前記制御コントローラに伝達することを特徴とする電源装置。
6. 請求項５に記載の電源装置であって、
   前記ゲート駆動信号処理回路は、
   前記状態信号が重畳された前記ゲート駆動信号から前記状態信号を除去して波形整形した整形ゲート駆動信号を生成し、当該整形ゲート駆動信号を用いて自らの前記電池モジュールを制御すると共に、下流の前記電池モジュールに対して前記状態信号が重畳された前記ゲート駆動信号を伝搬させることを特徴とする電源装置。
7. 請求項５又は６に記載の電源装置であって、
   前記状態信号は、前記電池モジュールの電圧、温度、ＳＯＣの少なくとも１つの情報を含むことを特徴とする電源装置。
   

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