JP6146321B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、１個の電池セル又は隣接する複数個の電池セルの直列接続体である単位電池、複数の前記単位電池の直列接続体から構成された高圧蓄電池、及び端子間電圧が前記高圧蓄電池の端子間電圧よりも低い低圧蓄電池を備えるシステムに適用される電源装置に関する。

従来、下記特許文献１に見られるように、複数の電池セルの直列接続体から構成された組電池（高圧蓄電池）を備えるシステムに適用され、これら各電池セルの端子間電圧を均等化する装置が知られている。この装置は、１次側コイル、２次側コイル、１次側スイッチ及び２次側スイッチを備えている。各１次側，２次側コイル及び各１次側，２次側スイッチは、各電池セルのそれぞれに対応して設けられている。詳しくは、各１次側コイル及び各２次側コイルのそれぞれは、互いに磁気結合され、各電池セルに並列接続されている。各１次側スイッチは、各電池セル及び各１次側コイルの間を電気的に導通状態及び遮断状態に切り替えるためのスイッチである。各２次側スイッチは、各電池セル及び各２次側コイルの間を電気的に導通状態及び遮断状態に切り替えるためのスイッチである。

こうした構成において、高圧蓄電池を構成する複数の電池セルのうち端子間電圧が最も高い電池セルを電力供給源とし、端子間電圧が最も低い電池セルを電力供給先として選択する。そして、電力供給源となる電池セルに対応する１次側スイッチのオン操作により、電力供給源となる電池セルに対応する１次側コイルに磁気エネルギを蓄積する。その後、電力供給先となる電池セルに対応する２次側スイッチのオン操作により、上記磁気エネルギを元にして、電力供給先となる電池セルを充電する。これにより、各電池セル同士の端子間電圧を均等化する。

特開２０１２−２５７３９２号公報

ところで、上記高圧蓄電池に加えて、端子間電圧が高圧蓄電池よりも低い低圧蓄電池を有するシステムも存在する。この場合、高圧蓄電池を電力供給源とし、各単位電池や低圧蓄電池を電力供給先にする等、高圧蓄電池、各単位電池及び低圧蓄電池の間の電力供給の自由度を高めることが望まれる。

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、高圧蓄電池、各単位電池及び低圧蓄電池の間の電力供給の自由度を高めることのできる電源装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明は、１個の電池セル又は隣接する複数個の電池セルの直列接続体である単位電池（Ｃ１〜Ｃ４）、複数の前記単位電池の直列接続体から構成された高圧蓄電池（６０）、及び端子間電圧が前記高圧蓄電池の端子間電圧よりも低い低圧蓄電池（７０）を備えるシステムに適用され、第１コイル（４０ａ；４２ａ）、第２コイル（４０ｂ；４２ｂ，４４ｂ）及び第３コイル（４０ｃ；４４ａ）を有し、これら各コイルが互いに磁気結合されたトランス（４０；４２，４４）と、前記高圧蓄電池から出力される直流電圧を交流電圧に変換して前記第１コイルに印加可能に構成された第１電力変換部（１０）と、前記第２コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して前記低圧蓄電池に印加可能に構成された第２電力変換部（２０）と、前記第３コイルと前記各単位電池のそれぞれとの間を電気的に導通状態及び遮断状態に切り替え可能に構成された第３電力変換部（３０）と、を備えることを特徴とする。

上記発明では、第１電力変換部により、高圧蓄電池から出力される直流電圧を交流電圧に変換して第１コイルに印加することができる。第１コイルと第２コイルとは磁気結合されているため、第１コイルに交流電圧が印加されることにより、第２コイルからは交流電圧が出力される。ここで、第２電力変換部により、第２コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して低圧蓄電池に印加することができる。これにより、高圧蓄電池から低圧蓄電池へと電力を供給することができる。

一方、第１コイルと第３コイルとは磁気結合されているため、第１コイルに交流電圧が印加されることにより、第３コイルからは交流電圧が出力される。ここで、第３電力変換部により、第３コイルから出力される電圧を単位電池に印加することができる。これにより、高圧蓄電池から単位電池へと電力を供給することができる。

このように、上記発明によれば、高圧蓄電池、各単位電池及び低圧蓄電池の間の電力供給の自由度を高めることができる。

第１の実施形態にかかる車載システムの全体構成図。 同実施形態にかかるトランスの構成図。 同実施形態にかかるスイッチング素子の詳細を示す図。 同実施形態にかかる低圧蓄電池の充電処理を示す図。 同実施形態にかかる電圧均等化処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態にかかる電圧均等化処理の一例を示すタイムチャート。 第２の実施形態にかかる車載システムの全体構成図。 第３の実施形態にかかる車載システムの全体構成図。 第４の実施形態にかかる車載システムの全体構成図。 第５の実施形態にかかる車載システムの全体構成図。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる電源装置を車載システムに適用した第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、電源装置１００は、第１電力変換部１０、第２電力変換部２０、第３電力変換部３０、トランス４０、及び制御装置５０を備えている。電源装置１００は、高圧蓄電池６０、高圧蓄電池６０を構成する複数の電池セル、及び低圧蓄電池７０の間で電力の授受を行うための装置である。

高圧蓄電池６０は、複数の電池セルの直列接続体としての組電池であり、その端子間電圧が例えば百Ｖ（例えば２８８Ｖ）以上となるものである。本実施形態では、高圧蓄電池６０を構成する各電池セルとして、その端子間電圧が数Ｖ（例えば３Ｖ）のものを用いている。本実施形態では、各電池セルとして、リチウムイオン電池等の蓄電池を用いている。本実施形態において、各電池セルは、個体差を除き、互いに等しい構成である。具体的には、充電率（ＳＯＣ：満充電電荷量に対する実際の充電電荷量の比率）に対する開放端電圧の関係や、満充電電荷量、内部抵抗値等が互いに同一のものを用いている。

ちなみに、本実施形態では、説明の便宜上、電池セルの数を４個としている。本実施形態では、これら電池セルを第１〜第４電池セルＣ１〜Ｃ４と称すこととする。

高圧蓄電池６０の正極端子及び負極端子は、システムメインリレー６２を介して、高圧負荷の入力側に接続されている。本実施形態では、高圧負荷として、多相インバータ（３相インバータ６４）を用いている。３相インバータ６４の出力側には、モータジェネレータ６６が接続されている。モータジェネレータ６６は、車載主機としての多相回転機（３相回転機）であり、車両の駆動輪６８に連結されている。なお、モータジェネレータ６６としては、例えば、同期機（永久磁石同期機）や、誘導機を用いることができる。また、システムメインリレー６２は、高圧蓄電池６０と３相インバータ６４との間を電気的に導通状態及び遮断状態に切り替えるべくオンオフ操作されるものである。

トランス４０は、図２に示すように、高圧側コイル４０ａ、低圧側コイル４０ｂ、セル側コイル４０ｃ、及びこれら各コイル４０ａ，４０ｂ，４０ｃに共通のコア４０ｄを備えている。すなわち、トランス４０は、各コイル４０ａ，４０ｂ，４０ｃが互いに磁気結合されて構成された３相トランスである。各コイル４０ａ，４０ｂ，４０ｃの巻数Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃは、「Ｎａ＞Ｎｂ＞Ｎｃ」の関係となるように設定されている。ちなみに、本実施形態において、高圧側コイル４０ａが「第１コイル」に相当し、低圧側コイル４０ｂが「第２コイル」に相当し、セル側コイル４０ｃが「第３コイル」に相当する。

先の図１の説明に戻り、第１電力変換部１０は、高圧蓄電池６０から出力される直流電圧を交流電圧に変換して高圧側コイル４０ａに印加可能なフルブリッジ回路である。第１電力変換部１０は、第１〜第４高圧側スイッチング素子１０ａ〜１０ｄを備えている。詳しくは、第１高圧側スイッチング素子１０ａと第２高圧側スイッチング素子１０ｂとは直列接続され、第３高圧側スイッチング素子１０ｃと第４高圧側スイッチング素子１０ｄとは直列接続されている。第１，第２高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｂの直列接続体と、第３，第４高圧側スイッチング素子１０ｃ，１０ｄの直列接続体とは、高圧蓄電池６０に並列接続されている。第１，第２高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｂの接続点には、高圧側コイル４０ａの一端が接続され、第３，第４高圧側スイッチング素子１０ｃ，１０ｄの接続点には、高圧側コイル４０ａの他端が接続されている。

ここで、各スイッチング素子１０ａ〜１０ｄは、電子操作されない場合にスイッチング素子の両端のうち一方から他方及び他方から一方への電流の流通を阻止する機能を有する。本実施形態では、各スイッチング素子１０ａ〜１０ｄとして、図３に示すように、ソース同士が接続された一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。

第２電力変換部２０は、低圧側コイル４０ｂから出力される交流電圧を直流電圧に変換して低圧蓄電池７０に印加可能に構成されている。また、第２電力変換部２０は、低圧蓄電池７０から出力される直流電圧を交流電圧に変換して低圧側コイル４０ｂに印加可能に構成されている。第２電力変換部２０は、第１〜第４低圧側スイッチング素子２０ａ〜２０ｄを備えるフルブリッジ回路である。詳しくは、第１低圧側スイッチング素子２０ａと第２低圧側スイッチング素子２０ｂとは直列接続され、第３低圧側スイッチング素子２０ｃと第４低圧側スイッチング素子２０ｄとは直列接続されている。第１，第２低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｂの直列接続体と、第３，第４低圧側スイッチング素子２０ｃ，２０ｄの直列接続体とは、低圧蓄電池７０に並列接続されている。第１，第２低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｂの接続点には、低圧側コイル４０ｂの一端が接続され、第３，第４低圧側スイッチング素子２０ｃ，２０ｄの接続点には、低圧側コイル４０ｂの他端が接続されている。ちなみに、本実施形態では、第１〜第４低圧側スイッチング素子２０ａ〜２０ｄも、先の図３に示したスイッチング素子と同じである。

低圧蓄電池７０は、その端子間電圧（例えば１２Ｖ）が高圧蓄電池６０の端子間電圧よりも低いものである。本実施形態では、低圧蓄電池７０として、鉛蓄電池を用いている。低圧蓄電池７０には、電気負荷としての低圧負荷７２が接続されている。

ちなみに、本実施形態にかかる車載システムは、低圧蓄電池７０の負極端子の電位と、高圧蓄電池６０の負極端子の電位とが相違するように構成されている。ここで、低圧蓄電池７０の負極端子の電位は、具体的には例えば、高圧蓄電池６０の正極端子の電位と負極端子の電位との中央値である車体電位に設定されている。

第３電力変換部３０は、各電池セルＣ１〜Ｃ４とセル側コイル４０ｃとを電気的に接続可能に構成され、第１〜第５スイッチング素子３０ａ〜３０ｅを備えている。詳しくは、高圧蓄電池６０の負極端子（第１電池セルＣ１の負極端子），各電池セルＣ１〜Ｃ４のうち低電位側から偶数番目の第２，第４電池セルＣ２，Ｃ４の正極端子のそれぞれと、セル側コイル４０ｃの一端とは、第１電気経路Ｌ１のそれぞれによって接続されている。各第１電気経路Ｌ１には、第１，第３，第５スイッチング素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅが設けられている。各スイッチング素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅがオン操作されることにより、各第１電気経路Ｌ１が電気的に導通状態とされ、各スイッチング素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅがオフ操作されることにより、各第１電気経路Ｌ１が電気的に遮断状態とされる。

各電池セルＣ１〜Ｃ４のうち低電位側から奇数番目の第１，第３電池セルＣ１，Ｃ３の正極端子とセル側コイル４０ｃの他端とは、第２電気経路Ｌ２のそれぞれによって接続されている。各第２電気経路Ｌ２には、第２，第４スイッチング素子３０ｂ，３０ｄが設けられている。各スイッチング素子３０ｂ，３０ｄがオン操作されることにより、各第２電気経路Ｌ２が電気的に導通状態とされ、各スイッチング素子３０ｂ，３０ｄがオフ操作されることにより、各第２電気経路Ｌ２が電気的に遮断状態とされる。

ちなみに、本実施形態では、第１〜第５スイッチング素子３０ａ〜３０ｅも、先の図３に示したスイッチング素子と同じである。また、本実施形態において、第１，第３，第５スイッチング素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅが「第１スイッチ」に相当し、第２，第４スイッチング素子３０ｂ，３０ｄが「第２スイッチ」に相当する。

本実施形態において、トランス４０を構成する各コイル４０ａ〜４０ｃの極性は、以下のように設定されている。詳しくは、第１，第２高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｂの接続点から第３，第４高圧側スイッチング素子１０ｃ，１０ｄの接続点へと向かう方向に高圧側コイル４０ａに電流が流れる場合、低圧側コイル４０ｂの両端のうち、第１，第２低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｂの接続点側の極性が正とされ、第３，第４低圧側スイッチング素子２０ｃ，２０ｄの接続点側の極性が負とされる。また、第１，第２高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｂの接続点から第３，第４高圧側スイッチング素子１０ｃ，１０ｄの接続点へと向かう方向に高圧側コイル４０ａに電流が流れる場合、セル側コイル４０ｃの両端のうち、第２電気経路Ｌ２側の極性が正とされ、第１電気経路Ｌ１側の極性が負とされる。

制御装置５０には、高圧蓄電池６０に流れる電流を検出する高圧側電流センサ８０や、第１〜第４電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧を検出する第１〜第４セル側電圧センサ８２ａ〜８２ｄ、低圧蓄電池７０に流れる電流を検出する低圧側電流センサ８４、さらには低圧蓄電池７０の端子間電圧を検出する低圧側電圧センサ８６の検出値が入力される。

制御装置５０は、第１〜第３電力変換部１０，２０，３０を構成する各スイッチング素子や、システムメインリレー６２を操作する。なお、各スイッチング素子の操作は、例えば、フォトカプラ等の絶縁素子を介して行われる。

特に、制御装置５０は、高圧蓄電池６０の出力電圧を降圧して低圧蓄電池７０に印加する低圧蓄電池７０の充電処理（「降圧操作手段」に相当）と、低圧蓄電池７０の出力電圧を昇圧して高圧蓄電池６０に印加する高圧蓄電池６０の充電処理と、各電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧のばらつきを低減する電圧均等化処理とを行う。ここで、高圧蓄電池６０，低圧蓄電池７０の双方の充電処理が実行可能なのは、第１電力変換部１０、トランス４０、第２電力変換部２０により、高圧蓄電池６０及び低圧蓄電池７０のうち一方から他方へと直流電圧を変圧して印加可能な双方向ＤＣＤＣコンバータが構成されているためである。

まず、図４を用いて、低圧蓄電池７０の充電処理について説明する。詳しくは、図４（ａ）は、低圧側コイル４０ｂの出力電圧Ｖ２の推移を示し、図４（ｂ）は、第１，第４低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｄの操作状態の推移を示し、図４（ｃ）は、第２，第３低圧側スイッチング素子２０ｂ，２０ｃの操作状態の推移を示す。なお、図４（ａ）に示す出力電圧Ｖ２については、低圧側コイル４０ｂの両端のうち、第３，第４低圧側スイッチング素子２０ｃ，２０ｄの接続点側の電位に対して第１，第２低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｂの接続点側の電位が高い場合を正としている。

低圧蓄電池７０の充電処理は、高圧蓄電池６０から出力される直流電圧を第１電力変換部１０において正弦波状の交流電圧に変換して高圧側コイル４０ａに印加する処理と、低圧側コイル４０ｂから出力される交流電圧を第２電力変換部２０における同期整流によって直流電圧に変換する処理とを含む。ここで、高圧側コイル４０ａに交流電圧を印加することは、例えば、キャリア信号（例えば三角波信号）と、上記交流電圧の指令値（正弦波）との大小比較に基づくパルス幅変調により、第１，第４高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｄと、第２，第３高圧側スイッチング素子１０ｂ，１０ｃとを相補的にオンオフ操作することによって実現できる。本実施形態において、相補的なオンオフ操作とは、例えば各スイッチング素子１０ａ〜１０ｄのオンオフ操作１周期（出力電圧Ｖ２の１周期）を３６０°とする場合、第１，第４高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｄのオン操作期間と、第２，第３高圧側スイッチング素子１０ｂ，１０ｃのオン操作期間とが１８０°ずれていることである。また、上記同期整流は、第１，第４低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｄと、第２，第３低圧側スイッチング素子２０ｂ，２０ｃとを相補的にオンオフ操作することによって実現できる。

同期整流について詳しく説明すると、図４（ｂ）に示すように、低圧側コイル４０ｂの出力電圧Ｖ２が正となる期間のうち、低圧側電流センサ８４によって検出された低圧蓄電池７０の端子間電圧Ｖｐｂよりも上記出力電圧Ｖ２が高くなる期間（時刻ｔ１〜ｔ２，ｔ５〜ｔ６）において、第１，第４低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｄがオン操作される。なお、上記出力電圧Ｖ２は、例えば、高圧側コイル４０ａに対する低圧側コイル４０ｂの巻数比と、高圧側コイル４０ａに印加する上記指令値とから算出すればよい。

一方、図４（ｃ）に示すように、低圧側コイル４０ｂの出力電圧Ｖ２が負となる期間のうち、この出力電圧Ｖ２の絶対値が低圧蓄電池７０の端子間電圧Ｖｐｂよりも高くなる期間（時刻ｔ３〜ｔ４，ｔ７〜ｔ８）において、第２，第３低圧側スイッチング素子２０ｂ，２０ｃがオン操作される。

ちなみに、本実施形態では、低圧蓄電池７０の充電処理が実行されている期間において、第３電力変換部３０における各スイッチング素子３０ａ〜３０ｅがオフ操作される。

続いて、高圧蓄電池６０の充電処理について説明する。

この処理は、低圧蓄電池７０から出力される直流電圧を第２電力変換部２０において正弦波状の交流電圧に変換して低圧側コイル４０ｂに印加する処理と、高圧側コイル４０ａから出力される交流電圧を第１電力変換部１０における同期整流によって直流電圧に変換する処理とを含む。ここで、低圧側コイル４０ｂに交流電圧を印加することは、例えば、パルス幅変調により、第１，第４低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｄと、第２，第３低圧側スイッチング素子２０ｂ，２０ｃとを相補的にオンオフ操作することによって実現できる。また、同期整流は、第１，第４高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｄと、第２，第３高圧側スイッチング素子１０ｂ，１０ｃとを相補的にオンオフ操作することによって実現できる。

ちなみに、高圧蓄電池６０の充電処理における同期整流は、低圧蓄電池７０の充電処理における同期整流に準じた手法で行うことができる。詳しくは、高圧側コイル４０ａの出力電圧Ｖ１について、高圧側コイル４０ａの両端のうち第３，第４高圧側スイッチング素子１０ｃ，１０ｄの接続点側の電位に対して第１，第２高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｂの接続点側の電位が高い場合を正とする。高圧側コイル４０ａの出力電圧Ｖ２が正となる期間のうち、この出力電圧Ｖ１が高圧蓄電池６０の端子間電圧よりも高くなる期間において、第１，第４高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｄがオン操作される。なお、上記出力電圧Ｖ１は、例えば、低圧側コイル４０ｂに対する高圧側コイル４０ａの巻数比と、低圧側コイル４０ｂに印加する交流電圧の指令値とから算出すればよい。また、高圧蓄電池６０の端子間電圧は、例えば、各セル側電圧センサ８２ａ〜８２ｅによって検出された各電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧Ｖｈｃ１〜Ｖｈｃ４の合計値として算出すればよい。

一方、高圧側コイル４０ａの出力電圧Ｖ１が負となる期間のうち、この出力電圧Ｖ１の絶対値が高圧蓄電池６０の端子間電圧よりも高くなる期間において、第２，第３高圧側スイッチング素子１０ｂ，１０ｃがオン操作される。ちなみに、本実施形態では、高圧蓄電池６０の充電処理が実行されている期間において、第３電力変換部３０における各スイッチング素子３０ａ〜３０ｅがオフ操作される。

続いて、図６を用いて、上記電圧均等化処理について説明する。ここで、図６は、電圧均等化処理の手順を示すフローチャートである。なお、図６に示す処理は、制御装置５０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、高圧側電流センサ８０によって検出された高圧蓄電池６０に流れる電流値Ｉｈと、第１〜第４セル側電圧センサ８２ａ〜８２ｄによって検出された各電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧Ｖｈｃ１〜Ｖｈｃ４と、高圧蓄電池６０の端子間電圧Ｖｈｂとを取得する。ここで、高圧蓄電池６０の端子間電圧Ｖｈｂは、上述したように、各電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧Ｖｈｃ１〜Ｖｈｃ４の合計値として算出される。

続くステップＳ１２では、取得された電流値Ｉｈと、各電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧Ｖｈｃ１〜Ｖｈｃ４とに基づき、各電池セルＣ１〜Ｃ４の充電率ＳＯＣ１〜ＳＯＣ４を推定する。

続くステップＳ１４では、低圧側電流センサ８４によって検出された低圧蓄電池７０に流れる電流値Ｉｐｂと、低圧側電圧センサ８６によって検出された低圧蓄電池７０の端子間電圧Ｖｐｂとを取得する。

続くステップＳ１６では、取得された電流値Ｉｐｂと、低圧蓄電池７０の端子間電圧Ｖｐｂとに基づき、低圧蓄電池７０の充電率ＳＯＣｐｂを推定する。

続くステップＳ１８では、第１〜第４電池セルＣ１〜Ｃ４の中から、端子間電圧が最低の電池セルの充電率（以下、最低充電率ＳＯＣｍｉｎ）を算出し、また、各電池セルＣ１〜Ｃ４の充電率の平均値（以下、平均充電率ＳＯＣａｖｅ）を算出する。

続くステップＳ２０では、平均充電率ＳＯＣａｖｅから最低充電率ＳＯＣｍｉｎを減算した値が第１判定値Ｔｈ１（＞０）よりも大きいか否かを判断する。ここで、第１判定値Ｔｈ１は、平均充電率ＳＯＣａｖｅからの各充電率ＳＯＣ１〜ＳＯＣ４のばらつきの許容値である。この処理は、電圧均等化処理を実行するか否かを判断するための処理である。

ステップＳ２０において肯定判断された場合には、電圧均等化処理を実行すると判断し、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、第１〜第４電池セルＣ１〜Ｃ４のうち、平均充電率ＳＯＣａｖｅ（「基準値」に相当）よりも充電率の低い電池セルを電力供給先の電池セルとして選択する。この処理は、平均充電率ＳＯＣａｖｅからの充電率のばらつきが許容値を超えた電池セルを特定するための処理である。なお、本実施形態において、本ステップの処理が「供給先選択手段」に相当する。

続くステップＳ２４では、低圧蓄電池７０の充電率ＳＯＣｐｂが第２判定値Ｔｈ２よりも大きいか否かを判断する。この処理は、電圧均等化処理を実行するにあたり、電力供給源を高圧蓄電池６０とするか低圧蓄電池７０とするかを選択するための処理である。なお、本実施形態において、本ステップの処理が「供給源選択手段」に相当する。

ステップＳ２４において肯定判断された場合には、電力供給源として低圧蓄電池７０を選択すると判断し、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、低圧蓄電池７０から出力される直流電圧を交流電圧に変換して低圧側コイル４０ｂに印加すべく、第２電力変換部２０を構成する各低圧側スイッチング２０ａ〜２０ｄをオンオフ操作する。また、セル側コイル４０ｃから出力される交流電圧を、電力供給先となる電池セルに充電可能な電圧に変換して印加すべく、第３電力変換部３０を構成する各スイッチング素子をオンオフ操作する。ここで、本実施形態では、本ステップの処理が実行されている期間において、第１電力変換部１０における各スイッチング素子１０ａ〜０ｄをオフ操作する。

図６に、ステップＳ２６の処理の一例を示す。図６には、平均充電率ＳＯＣａｖｅよりも充電率が低い電池セルとして、第１，第２電池セルＣ１，Ｃ２が選択された場合を示した。ここで、図６（ａ）の実線は、セル側コイル４０ｃの出力電圧Ｖ３の推移を示し、図６（ｂ）は、第１電池セルＣ１の負極端子側を基準とした場合の上記出力電圧Ｖ３（以下、奇数電圧Ｖｏｄｄ）の推移を示し、図６（ｃ）は、第１，第２スイッチング素子３０ａ，３０ｂの操作状態の推移を示す。また、図６（ｄ）は、第２電池セルＣ２の負極端子側を基準とした場合の上記出力電圧Ｖ３（以下、偶数電圧Ｖｅｖｅｎ）の推移を示し、図６（ｅ）は、第２，第３スイッチング素子３０ｂ，３０ｃの操作状態の推移を示す。

なお、図６（ａ）のセル側コイル４０ｃの出力電圧Ｖ３については、セル側コイル４０ｃの両端のうち、第１電気経路Ｌ１側の電位に対して第２電気経路Ｌ２側の電位が高い場合を正としている。

本実施形態では、第３電力変換部３０の構成が先の図１に示すものである。このため、図６（ｂ），（ｄ）に示すように、奇数電圧Ｖｏｄｄと、偶数電圧Ｖｅｖｅｎとの位相が１８０°ずれている。

このため、セル側コイル４０ｃの出力電圧Ｖ３が正となる期間のうち、第１セル側電圧センサ８２ａによって検出された第１電池セルＣ１の端子間電圧Ｖｈｃ１よりも上記出力電圧Ｖ３が高くなる期間（時刻ｔ１〜ｔ２，ｔ５〜ｔ６）において、第１，第２スイッチング素子３０ａ，３０ｂがオン操作される。一方、セル側コイル４０ｃの出力電圧Ｖ３が負となる期間のうち、第２セル側電圧センサ８２ｂによって検出された第２電池セルＣ２の端子間電圧Ｖｈｃ２よりも上記出力電圧Ｖ３が高くなる期間（時刻ｔ３〜ｔ４，ｔ７〜ｔ８）において、第２，第３スイッチング素子３０ｂ，３０ｃがオン操作される。すなわち、第１，第２スイッチング素子３０ａ，３０ｂのオン操作期間と、第２，第３スイッチング素子３０ｂ，３０ｃのオン操作期間との位相差が１８０°とされる。なお、図６（ｃ）では、上記出力電圧Ｖ３が第１電池セルＣ１の端子間電圧Ｖｈｃ１よりも高くなる期間全てにおいて第１，第２スイッチング素子３０ａ，３０ｂがオン操作されることを示したが、上記期間の一部において各スイッチング素子３０ａ，３０ｂがオン操作されてもよい。このことは、図６（ｅ）の第２，第３スイッチング素子３０ｂ，３０ｃの操作についても同様である。

先の図５の説明に戻り、上記ステップＳ２４において否定判断された場合には、電力供給源として高圧蓄電池６０を選択すると判断し、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、高圧蓄電池６０から出力される直流電圧を交流電圧に変換して高圧側コイル４０ａに印加すべく、第１電力変換部１０を構成する各高圧側スイッチング１０ａ〜１０ｄをオンオフ操作する。また、セル側コイル４０ｃから出力される交流電圧を、電力供給先となる電池セルに充電可能な電圧に変換して印加すべく、第３電力変換部３０を構成する各スイッチング素子をオンオフ操作する。ここで、本実施形態では、本ステップの処理が実行されている期間において、第２電力変換部２０を構成する各スイッチング素子２０ａ〜２０ｄをオフ操作する。ちなみに、本実施形態において、上記ステップＳ２６、Ｓ２８の処理が「入力側操作手段」及び「出力側操作手段」に相当する。

なお、ステップＳ２８の処理が実行される場合におけるセル側コイル４０ｃの出力電圧Ｖ３の推移を先の図６（ａ）に破線にて示した。高圧蓄電池６０の端子間電圧が低圧蓄電池７０の端子間電圧よりも高いことから、電力供給源として高圧蓄電池６０が選択された場合の出力電圧Ｖ３の振幅は、電力供給源として低圧蓄電池７０が選択された場合の出力電圧Ｖ３の振幅よりも大きい。

なお、上記ステップＳ２０において否定判断された場合や、ステップＳ２６、Ｓ２８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。

図５に示す処理が例えば所定周期で繰り返し実行されることで、各電池セルＣ１〜Ｃ４同士の端子間電圧のばらつきを低減させることができる。

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）電源装置１００に、高圧側コイル４０ａ、低圧側コイル４０ｂ及びセル側コイル４０ｃが互いに磁気結合されたトランス４０と、第１，第２，第３電力変換部１０，２０，３０とを備えた。こうした構成によれば、高圧蓄電池６０、各電池セルＣ１〜Ｃ４及び低圧蓄電池７０といった各要素の間の絶縁が維持されることにより、異なる基準電位を有する各要素間において電力供給の自由度を高めることができる。

（２）第３電力変換部３０において、高圧蓄電池６０の負極端子，各電池セルＣ１〜Ｃ４のうち低電位側から偶数番目の第２，第４電池セルＣ２，Ｃ４の正極端子のそれぞれと、セル側コイル４０ｃの一端とを接続する各第１電気経路Ｌ１に、各スイッチング素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅを設けた。また、第３電力変換部３０において、各電池セルＣ１〜Ｃ４のうち低電位側から奇数番目の第１，第３電池セルＣ１，Ｃ３の正極端子とセル側コイル４０ｃの他端とを接続する各第２電気経路Ｌ２に各スイッチング素子３０ｂ，３０ｄを設けた。

こうした構成に対し、セル側コイル４０ｃと各電池セルＣ１〜Ｃ４とを接続する構成として、以下に説明する構成（以下、比較技術）を採用することも考えられる。詳しくは、各電池セルＣ１〜Ｃ４の正極端子のそれぞれとセル側コイル４０ｃの一端とを、各正極端子に対応したスイッチング素子によって接続する。また、各電池セルＣ１〜Ｃ４の負極端子のそれぞれとセル側コイル４０ｃの他端とを、各負極端子に対応したスイッチング素子によって接続する。電池セルの数は、実際には非常に多いことから、こうした構成を採用すると、各電池セルとセル側コイル４０ｃとを接続するスイッチング素子の数が非常に多くなる。

これに対し、本実施形態によれば、比較技術に対して、第３電力変換部３０が備えるスイッチング素子の数を略半減（８個→５個）させることができる。これにより、電源装置１００のコストを削減したり、電源装置１００の体格を小さくしたりすることができる。

（３）高圧蓄電池６０及び低圧蓄電池７０のうち、充電率の高い方を電力供給源として電圧均等化処理を行った。このため、例えば、高圧蓄電池６０の充電率が低い場合であっても、低圧蓄電池７０を電力供給源にできる等、電圧均等化処理の実行機会を拡大することができる。

（４）トランス４０を、各コイル４０ａ〜４０ｃで共通のコア４０ｄを有するトランスとした。このため、トランスの体格を小さくでき、ひいては電源装置１００の体格を小さくすることができる。

（５）セル側コイル４０ｃの出力電圧が電力供給先の電池セルの端子間電圧よりも高い期間において、電力供給先となる電池セルとセル側コイル４０ｃとを電気的に導通状態とすべく、第３電力変換部３０を構成するスイッチング素子をオン操作した。車両の走行等のためにモータジェネレータ６６が駆動される期間は、高圧蓄電池６０に電流が流れる期間となる。この期間においては、各電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧が変動する。ここで、本実施形態では、各電池セルＣ１〜Ｃ４の端子間電圧の変動を考慮して、セル側コイル４０ｃの出力電圧が各電池セルの端子間電圧よりも高くなる期間が存在するように電源装置１００（例えば、トランス４０の各コイル間の巻数比）を構成している。このため、電池セルの端子間電圧が変動する場合であっても、電圧均等化処理によって電池セルを的確に充電することができる。すなわち、車両の走行中においても電圧均等化処理を行うことができる。

（６）低圧蓄電池７０の充電処理を行った。このため、高圧蓄電池６０から低圧蓄電池７０へと電力を供給することができる。

（７）高圧蓄電池６０の充電処理を行った。このため、低圧蓄電池７０から高圧蓄電池６０へと電力を供給することができる。

（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、図７に示すように、トランスの構成を変更する。ここで、図７は、本実施形態にかかる車載システムの全体構成図である。なお、図７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、電源装置１００は、２相トランスである第１トランス４２及び第２トランス４４を備えている。第１トランス４２は、高圧側コイル４２ａ、第１低圧側コイル４２ｂ及び第１コア４２ｃを備えている。第２トランス４４は、セル側コイル４４ａ、第２低圧側コイル４４ｂ及び第２コア４４ｃを備えている。ここで、各コイル４２ａ，４２ｂ，４４ａの巻数Ｎａ，Ｎｂ，Ｎｃは、「Ｎａ＞Ｎｂ＞Ｎｃ」の関係となるように設定され、第１低圧側コイル４２ｂ及び第２低圧側コイル４４ｂの巻数Ｎｂは、同一に設定されている。ちなみに、本実施形態において、高圧側コイル４２ａが「第１コイル」に相当し、第１低圧側コイル４２ｂ，第２低圧側コイル４４ｂが「第２コイル」に相当し、セル側コイル４４ａが「第３コイル」に相当する。

高圧側コイル４２ａの一端には、第１，第２高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｂの接続点が接続され、他端には、第３，第４高圧側スイッチング素子１０ｃ，１０ｄの接続点が接続されている。また、セル側コイル４４ａの一端には、第１電気経路Ｌ１が接続され、他端には、第２電気経路Ｌ２が接続されている。一方、第１，第２低圧側コイル４２ｂ，４４ｂの一端には、第１，第２低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｂの接続点が接続され、他端には、第３，第４低圧側スイッチング素子２０ｃ，２０ｄの接続点が接続されている。こうした構成により、高圧側コイル４２ａが、第１，第２低圧側コイル４２ｂ，４４ｂを介してセル側コイル４４ａと磁気結合されている。

第１，第２トランス４２，４４を構成する各コイルの極性は、以下のように設定されている。詳しくは、第１，第２高圧側スイッチング素子１０ａ，１０ｂの接続点から第３，第４高圧側スイッチング素子１０ｃ，１０ｄの接続点へと向かう方向に高圧側コイル４２ａに電流が流れる場合、第１，第２低圧側コイル４２ｂ，４４ｂの両端のうち、第１，第２低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｂの接続点側の極性が正とされ、第３，第４低圧側スイッチング素子２０ｃ，２０ｄの接続点側の極性が負とされる。また、第１，第２低圧側スイッチング素子２０ａ，２０ｂの接続点から第３，第４低圧側スイッチング素子２０ｃ，２０ｄの接続点へと向かう方向に第２低圧側コイル４４ｂに電流が流れる場合、セル側コイル４４ａの両端のうち、第２電気経路Ｌ２側の極性が正とされ、第１電気経路Ｌ１側の極性が負とされる。

以上説明した本実施形態によれば、上記第１の実施形態の（１）〜（３），（５）〜（７）の効果を得ることはできる。

（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、図８に示すように、第１，第２電力変換部１０，２０を構成するスイッチング素子の構成を変更する。ここで、図８は、本実施形態にかかる車載システムの全体構成図である。なお、図８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、第１電力変換部１０を構成する第１〜第４高圧側スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとして、ＩＧＢＴを用いている。各スイッチング素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄには、ダイオード１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄが逆並列に接続されている。一方、第２電力変換部２０を構成する第１〜第４低圧側スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとして、ＩＧＢＴを用いている。各スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄには、ダイオード２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが逆並列に接続されている。

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

（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、図９に示すように、第１電力変換部１０を、フルブリッジ回路からハーフブリッジ回路に変更する。ここで、図９は、本実施形態にかかる車載システムの全体構成図である。なお、図９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、第１電力変換部１０は、第１，第２コンデンサ１６ａ，１６ｂの直列接続体と、第１，第２変換用スイッチング素子１８ａ，１８ｂの直列接続体とを備えている。第１，第２コンデンサ１６ａ，１６ｂの接続点には、高圧側コイル４０ａの一端が接続され、第１，第２変換用スイッチング素子１８ａ，１８ｂの接続点には、高圧側コイル４０ａの他端が接続されている。なお、本実施形態では、各変換用スイッチング素子１８ａ，１８ｂとして、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。

以上説明した本実施形態によれば、上記第１の実施形態の（１）〜（６）の効果を得ることはできる。

（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、図１０に示すように、第２電力変換部２０の構成を変更する。ここで、図１０は、本実施形態にかかる車載システムの全体構成図である。なお、図１０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、第２電力変換部２０は、第１，第２ダイオード２６ａ，２６ｂと、チョークコイル２６ｃとを備えている。また、低圧側コイル４０ｂは、中点タップｍｔを備えている。低圧側コイル４０ｂの一端には、第１ダイオード２６ａのアノードが接続され、他端には、第２ダイオード２６ｂのアノードが接続されている。各ダイオード２６ａ，２６ｂのカソードには、チョークコイル２６ｃの一端が接続され、チョークコイル２６ｃの他端には、低圧蓄電池７０の正極端子が接続されている。低圧蓄電池７０の負極端子には、中点タップｍｔが接続されている。

以上説明した本実施形態によれば、上記第１の実施形態の（２），（４）〜（６）の効果が得られるとともに、高圧蓄電池６０を電力供給源とした電圧均等化処理を行うことができる。

（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。

・「単位電池に蓄えられた電気エネルギと正の相関を有するパラメータ」としては、電池セルの充電率に限らない。例えば、電池セルの端子間電圧であってもよい。

・電圧均等化処理において電力供給先の電池セルを選択するための「基準値」としては、平均充電率ＳＯＣａｖｅに限らない。例えば、平均充電率ＳＯＣａｖｅよりもやや低かったり、高かったりする値を基準値として用いてもよい。

・上記各実施形態では、各電池セル同士の端子間電圧のばらつき低減のために電源装置１００を用いたがこれに限らない。例えば、高圧蓄電池６０又は低圧蓄電池７０と、各電池セルとの間で電力を授受することで、各電池セルを昇温させるために電源装置１００を用いてもよい。

・上記第１の実施形態において、各セル側電圧センサ８２ａ〜８２ｅとは別に、高圧蓄電池６０の端子間電圧を検出する電圧センサを車載システムに備え、この電圧センサによって高圧蓄電池６０の端子間電圧を検出してもよい。

・「単位電池」としては、１個の電池セルに限らず、隣接する複数個の電池セルの直列接続体であってもよい。

１０…第１電力変換部、２０…第２電力変換部、３０…第３電力変換部、４０…トランス、４０ａ…高圧側コイル、４０ｂ…低圧側コイル、４０ｃ…セル側コイル、６０…高圧蓄電池、７０…低圧蓄電池、Ｃ１〜Ｃ４…第１〜第４電池セル。

Claims (6)

1. １個の電池セル又は隣接する複数個の電池セルの直列接続体である単位電池（Ｃ１〜Ｃ４）、複数の前記単位電池の直列接続体から構成された高圧蓄電池（６０）、及び端子間電圧が前記高圧蓄電池の端子間電圧よりも低い低圧蓄電池（７０）を備えるシステムに適用され、
   第１コイル（４０ａ；４２ａ）、第２コイル（４０ｂ；４２ｂ，４４ｂ）及び第３コイル（４０ｃ；４４ａ）を有し、これら各コイルが互いに磁気結合されたトランス（４０；４２，４４）と、
   前記高圧蓄電池から出力される直流電圧を交流電圧に変換して前記第１コイルに印加可能に構成された第１電力変換部（１０）と、
   前記第２コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して前記低圧蓄電池に印加可能に構成された第２電力変換部（２０）と、
   前記第３コイルと前記各単位電池のそれぞれとの間を電気的に導通状態及び遮断状態に切り替え可能に構成された第３電力変換部（３０）と、
   を備え、
   前記第３電力変換部は、
   前記高圧蓄電池を構成する前記各単位電池のうち低電位側から偶数番目の単位電池の正極端子と前記高圧蓄電池の負極端子とのそれぞれと、前記第３コイルの一端とを接続する第１電気経路（Ｌ１）のそれぞれに設けられ、かつ前記各第１電気経路を電気的に導通状態及び遮断状態に切り替えるべくオンオフ操作される第１スイッチ（３０ａ，３０ｃ，３０ｅ）と、
   前記高圧蓄電池を構成する前記各単位電池のうち低電位側から奇数番目の単位電池の正極端子と前記第３コイルの他端とを接続する第２電気経路（Ｌ２）のそれぞれに設けられ、かつ前記各第２電気経路を電気的に導通状態及び遮断状態に切り替えるべくオンオフ操作される第２スイッチ（３０ｂ，３０ｄ）と、を有していることを特徴とする電源装置。
2. 前記第２電力変換部は、前記低圧蓄電池から出力される直流電圧を交流電圧に変換して前記第２コイルに印加可能に構成され、
   前記高圧蓄電池及び前記低圧蓄電池のいずれかを電力供給源として選択する供給源選択手段と、
   前記高圧蓄電池を構成する前記各単位電池の中から、前記単位電池に蓄えられた電気エネルギと正の相関を有するパラメータの値がその基準値よりも低い単位電池を電力供給先として選択する供給先選択手段と、
   前記供給源選択手段によって選択された電力供給源から出力される直流電圧を元に、前記第３コイルから交流電圧を出力させるべく、前記第１電力変換部及び前記第２電力変換部のうち前記電力供給源に対応する電力変換部を操作する入力側操作手段と、
   前記供給先選択手段によって選択された単位電池に、前記第３コイルから出力される電圧を印加すべく、前記第３電力変換部を操作する出力側操作手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記出力側操作手段は、前記供給先選択手段によって選択された単位電池の負極端子に対する正極端子の電位差よりも前記第３コイルの出力電圧が高い期間において、前記供給先選択手段によって選択された単位電池と前記第３コイルとの間を導通状態とすべく、前記第３電力変換部を操作することを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 前記出力側操作手段は、前記供給先選択手段によって選択された前記奇数番目の単位電池に対応する前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン操作と、前記供給先選択手段によって選択された前記偶数番目の単位電池に対応する前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのオン操作とを相補的に行うことを特徴とする請求項３記載の電源装置。
5. 前記トランス（４０）は、前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルで共通のコア（４０ｄ）を有するトランスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記高圧蓄電池から出力される直流電圧を交流電圧に変換して前記低圧蓄電池に印加すべく、前記第１電力変換部及び前記第２電力変換部を操作する降圧操作手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置。

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