JP6540896B2 - バッテリモジュール電圧制御装置、バッテリモジュールおよび電源システム - Google Patents

バッテリモジュール電圧制御装置、バッテリモジュールおよび電源システム Download PDF

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Description

本発明は、負荷への電力供給をアシストするバッテリモジュール、その電圧制御装置、およびバッテリモジュールを備える電源システムに関する。
コンピュータの動作中に停電等が起きると、データ消失、システム障害等、さまざまなトラブルが生じる。このため、突然の停電でも、安定して負荷（コンピュータ等）へ電力を供給する無停電電源装置がある。特許文献１には、負荷へ電力を供給する電源ユニットの停止時に、蓄電池から負荷への電力供給を継続することにより、負荷へ安定した電力供給を行う無停電電源装置が開示されている。
特許文献１に記載の無停電電源装置は、負荷に電力を供給する蓄電池と、並列接続された複数の電源ユニットとを備える。各電源ユニットは、出力電流を所定値に制限し、所定値以上の出力電流を出力する必要がある場合には出力電圧を垂下させる定電力垂下特性を有し、出力電力を一定に制御している。そして、負荷へ電力を供給すると共に蓄電池を充電する。無停電電源装置は、電源ユニット一台あたりの最大出力電力を算出し、この最大出力電力の値を各電源ユニットに設定して、各電源ユニットの定電力垂下特性を制御する。
特開２０１５−１５４５５２号公報
しかしながら、負荷がサーバ等の情報処理システム機器である場合、電圧低下は不安定な動作を引き起こすおそれがある。このため、定電力垂下特性を有する特許文献１の電源装置は、サーバ等の情報処理システム機器には適さない。
そこで、本発明の目的は、安定した電圧を負荷へ供給するバッテリモジュール、その電圧制御装置、およびバッテリモジュールを備える電源システムを提供することにある。
本発明に係るバッテリモジュール電圧制御装置は、負荷と二次電池との間に接続され、前記二次電池の放電電圧を、前記負荷へ出力する電圧の目標値である出力電圧目標値に変圧して、前記負荷へ出力する電圧制御部と、出力電流が所定値以下の範囲で所定の定電圧を出力する定電圧制御を行って、前記負荷へ電圧を出力するコンバータ部の出力電流値を取得する出力電流値取得部と、を備える。前記出力電圧目標値は、前記出力電流値取得部が取得する出力電流値が、前記所定値より低い第１閾値以上で、前記出力電流値の増大に伴って上昇し、かつ、前記出力電流値が前記所定値より低く、かつ前記第１閾値より高い第２閾値と、前記第１閾値との間で、前記コンバータ部の出力電圧よりも高くなるように設定されたことを特徴とする。
また、本発明に係るバッテリモジュールは、前記バッテリモジュール電圧制御装置と前記二次電池とで構成される。
また、本発明に係る電源システムは、前記コンバータ部と前記バッテリモジュールとで構成される。
この構成では、コンバータ部の出力電流値が第１閾値以上で、コンバータ部が定電圧制御を行う状態では、バッテリモジュールの出力電圧目標値を上昇させる。これにより、負荷が重負荷状態となった際に、バッテリモジュールからの電力を負荷へ供給することで、安定した電圧を負荷へ供給できる。その結果、電圧低下による負荷の誤動作を防止できる。
前記電圧制御部は、前記出力電流値取得部が取得する出力電流値が前記第１閾値より値が低い第３閾値以下であるとき、電圧制御を停止する構成でもよい。
この構成では、例えば、軽負荷の場合に電圧制御を停止することで、スイッチング損失などを低減できる。
前記電圧制御部は、前記出力電流値と前記出力電圧目標値との関係をプログラム可能状態で保持する構成でもよい。
この構成では、二次電池の充電電圧を負荷へ供給する条件（状態）を調整できる。そして、コンバータ部の変換効率がよい条件（状態）で二次電池の充電電圧を負荷へ供給して、負荷へ一定電圧が供給され続けるようにして、効率のよい状態を保つことができる。
前記コンバータ部は、並列接続され、カレントシェア信号に基づくカレントシェア機能を有する複数のコンバータを備え、前記出力電流値取得部は、前記コンバータ部から受信する、前記カレントシェア信号を受信することで前記コンバータ部の前記出力電流値を取得する構成でもよい。
この構成では、カレントシェア信号を利用することで、電流検出用の回路を設ける必要がない。
前記電圧制御部は、前記出力電流値取得部が取得する出力電流値が前記第１閾値未満である場合、前記コンバータ部の出力電力で前記二次電池を充電する構成でもよい。
この構成では、二次電池の充電電圧の低下を防ぐことができる。
前記電圧制御部の負荷接続側は、ＯＲ接続用スイッチ素子を介して前記コンバータ部とＯＲ接続され、前記電圧制御部は、前記コンバータ部の前記出力電流値が、前記出力電流値と前記出力電圧目標値との関係における前記コンバータ部の前記定電圧に対応する電流値である臨界電流値より低い第４閾値以下になったとき、前記ＯＲ接続用スイッチ素子を一時的に遮断する信号を出力する、構成であることが好ましい。
この構成により、コンバータ部の出力電流値が臨界電流値（電圧制御部が電流のアシストを開始する電流値）より低い第４閾値以下になったとき、すなわち、ＯＲ接続用スイッチ素子に逆流電流が流れる状態となったとき、ＯＲ接続用スイッチ素子が一時的に遮断されるので、逆流状態が確実に防止できる。また、ＯＲ接続用スイッチ素子の両端電圧を検出し、その電圧だけに基づいてＯＲ接続用スイッチ素子を遮断する構成に比べて、誤差が小さくできるので、小さな逆流状態でもＯＲ接続用スイッチ素子を確実に遮断でき、実際には逆流状態ではない状態でＯＲ接続用スイッチ素子が遮断される、といった誤動作が抑制される。
本発明によれば、重負荷状態で、コンバータ部の出力電圧が低下した場合であっても、バッテリモジュールから、安定した電圧を負荷へ供給できる。その結果、電圧低下による負荷の誤動作を防止できる。
図１は、第１の実施形態に係る電源システムのブロック図である。 図２は、ＡＣ−ＤＣコンバータの出力電圧特性を示す図である。 図３は、ＡＣ−ＤＣコンバータとバッテリモジュールの出力電圧特性を示す図である。 図４は、負荷側から見た負荷電流と負荷に印加される電圧の特性図である。 図５（Ａ）（Ｂ）は、制御部が行う処理のフローチャートである。 図６は、第２の実施形態に係る電源システムのブロック図である。 図７（Ａ）はＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷの回路図であり、図７（Ｂ）はＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃ，ＳＷｄの回路図である。 図８は、コンバータ部１０２の出力電流に対する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値との関係、および双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧の時間経過に伴う変化の例を示す図である。 図９は制御部が行う処理の別の例に関するフローチャートである。
《第１の実施形態》
図１は、第１の実施形態に係る電源システム１００のブロック図である。
電源システム１００は、商用電源１０１に接続されたコンバータ部１０２と、負荷１０３と、バッテリモジュール１０とを含む。
負荷１０３は、負荷１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃを備える。これら負荷１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃは、例えばブレードサーバであり、筐体内に収められる。負荷１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃは、並列接続され、コンバータ部１０２に接続される。そして、負荷１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃには、コンバータ部１０２およびバッテリモジュール１０から電力が供給される。
コンバータ部１０２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａと、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ｂと、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ｃと、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ｄとを有する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれは、商用電源１０１と、負荷１０３との間に並列接続される。そして、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれは、商用電源１０１からの交流電圧（例えば２００Ｖ）を直流電圧（例えば１２Ｖ）に変換して、負荷１０３へ供給する。
コンバータ部１０２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄを並列化して冗長性を持たせている。このため、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄの一つが故障等で停止しても、残りのＡＣ−ＤＣコンバータで負荷１０３へ電力供給できる。そして、コンバータ部１０２は常時稼動した状態で、障害が発生したＡＣ−ＤＣコンバータの交換が可能である。
ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれは、自身の出力電流を他の出力電流と比較し、出力電流を平衡化する機能（所謂カレントシェア機能）を有している。つまり、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄの出力電流はそれぞれ同じである。この機能を有することで、コンバータ１台あたりの定格電力の並列台数倍の電力を負荷に供給することができる。また、並列動作する各コンバータの負荷を平衡化することで長寿命化が図れる。
また、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれは、出力電流が所定値を超えるに伴い、出力電圧を垂下させる機能を有する。
図２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれの出力電流に対する出力電圧の特性を示す図である。
ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれは、出力電流が閾値Ａ１になるまでは、定電圧Ｖ１を出力する定電圧制御を行う。閾値Ａ１は、本発明に係る「所定値」の一例である。出力電流が閾値Ａ１を超え、重負荷となると、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれは、焼損等を防ぐために過電流制限が働く。このとき、負荷１０３の動作を維持するために、重負荷状態でも電力供給をし続けるために、出力電流が所定値を超える状態では、出力電流の増加に応じて出力電圧を低下させる。出力電流が閾値Ａ２に達すると、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれは、定電流制御を行う。
つまり、負荷１０３が軽負荷では、コンバータ部１０２から定電圧Ｖ１が供給されるが、負荷１０３が重負荷となり、負荷電流の増加に伴い、コンバータ部１０２から負荷１０３へ供給される電圧は低下する。この電圧低下に伴い、ブレードサーバである負荷１０３の動作は不安定となる。
本実施形態では、バッテリモジュール１０（図１参照）が、負荷１０３に対して、コンバータ部１０２と並列に接続される。バッテリモジュール１０は、負荷１０３の重負荷時に電圧低下を引き起こさないように、負荷１０３への電流供給をアシストする。そして、負荷１０３へ安定した電圧を供給することで、負荷１０３の動作を安定化させる。
バッテリモジュール１０は、制御部１１と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、二次電池１３とを有する。二次電池１３は、例えばリチウムイオン電池等である。制御部１１と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、本発明に係る「電圧制御部」の一例である。また、制御部１１は、本発明に係る「出力電流値取得部」の一例である。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、コンバータ部１０２の出力部と、二次電池１３との間に接続される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、例えば、昇圧チョッパと降圧チョッパとを組み合わせた回路であって、コンバータ部１０２の出力部と、二次電池１３との間で双方向に電圧変換する。すなわち、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、二次電池１３の放電電圧を電圧変換して負荷１０３へ出力し、また、コンバータ部１０２の出力電圧を電圧変換して二次電池１３を充電する。
制御部１１は、例えばマイコンであって、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれからカレントシェア信号を適宜受信して、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２をスイッチング制御して、前記した二次電池１３の充放電制御を行う。カレントシェア信号は、カレントシェア機能により平衡化されるＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれの出力電流値を含む。
図３は、コンバータ部１０２の、出力電流に対する出力電圧の特性、コンバータ部１０２の出力電流に対する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値との関係をそれぞれ示す図である。図３において、コンバータ部１０２の出力電流に対する出力電圧の特性を一点鎖線で示している。また、コンバータ部１０２の出力電流に対する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値との関係を実線で示している。
図１に示した制御部１１は、図３中一点鎖線で示すように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値を定める。すなわち、出力電圧目標値は、コンバータ部１０２の出力電流値が、閾値Ａ１より低い第１閾値Ｔｈ１以上で、出力電流値の増大に伴って上昇し、かつ、出力電流値が閾値Ａ１より低く、かつ第１閾値Ｔｈ１より高い第２閾値Ｔｈ２と、第１閾値Ｔｈ１との間で、コンバータ部１０２が出力する定電圧Ｖ１よりも高くなるように設定されている。
上記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値の設定によって、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値が定電圧Ｖ１を超える条件（状態）Ｘで、負荷１０３への電流供給が開始される。
図３におけるＸ点は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値と、コンバータ部１０２の出力電圧とが一致する点である。コンバータ部１０２の出力電流がこのＸ点を超えると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値は、コンバータ部１０２が出力する定電圧Ｖ１を超える。
図４は、負荷側から見た負荷電流と負荷に印加される電圧の特性図である。図３と図４とを対比すると明らかなように、コンバータ部１０２の出力電流がＸ点を超えて、バッテリモジュール１０から負荷に電流が供給されても、負荷に印加される電圧は実際には変わらない。そのため、負荷に印加される電圧はおおよそＶ１で安定し、フラットな特性となる。
重負荷時には、負荷電流は増加する。これに伴い、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれの負荷率が上がり、出力電流が増大する。そうすると、導通損等により、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄの効率は低下する。しかし、上述のとおり、重負荷時に、バッテリモジュール１０により、コンバータ部１０２の電流供給がアシストされるので、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれの負荷率が下がり、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれを効率よく駆動させることができる。
なお、本実施形態では、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄは、出力電流の増加に伴い、出力電圧を垂下させる機能を有するものとしているが、この機能を有していなくてもよい。この場合であっても、閾値Ｔｈ２を、負荷１０３が重負荷での負荷電流に応じて設定すれば、重負荷時でもバッテリモジュール１０から一定の電圧（定電圧Ｖ１）を負荷１０３へ供給できる。
図５（Ａ）（Ｂ）は、制御部１１が行う処理のフローチャートである。
図５（Ａ）に示す例では、制御部１１は、カレントシェア信号を適宜受信する（Ｓ１）。制御部１１は、カレントシェア信号に基づいてコンバータ部１０２の出力電流値が第１閾値Ｔｈ１以上である場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、コンバータ部１０２の出力電流に応じた出力電圧目標値を設定する（Ｓ３）。これにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、その出力電圧が出力電圧目標値となるように、動作する。
コンバータ部１０２からの出力電流値が第１閾値Ｔｈ１以上でない場合（Ｓ２：ＮＯ）、制御部１１は、上記出力電流値が第３閾値Ｔｈ３（図３参照）以下であるかを判定する（Ｓ４）。第３閾値Ｔｈ３は第１閾値Ｔｈ１未満であり、負荷１０３が軽負荷状態の場合であり、適宜変更可能である。
カレントシェア信号に含まれる出力電流値が閾値Ｔｈ３以下である場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、制御部１１は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２のスイッチング制御を停止する（Ｓ５）。これにより、スイッチング制御によるスイッチング損失などを低減できる。
コンバータ部１０２の出力電流値が閾値Ｔｈ３以下でない場合（Ｓ４：ＮＯ）、カレントシェア信号の受信に戻る。
図５（Ｂ）に示す例では、コンバータ部１０２の出力電流値が閾値Ｔｈ３Ｂ以下の場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、制御部１１は、コンバータ部１０２の出力電力により二次電池１３を充電する充電制御を行う（Ｓ５）。このような軽負荷時に、二次電池１３を充電することで、コンバータ部１０２の負荷率を高めることなく、二次電池１３の充電電圧の低下を防ぐことができ、負荷１０３の急激な負荷変動に備えることができる。
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、電圧制御部が、ＯＲ接続用スイッチ素子を介してコンバータ部にＯＲ接続された電源システムの例を示す。
図６は第２の実施形態に係る電源システムのブロック図である。この電源システム１００は、商用電源１０１に接続されたコンバータ部１０２と、負荷１０３と、バッテリモジュール１０とを含む。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の負荷接続側にはＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷが接続されている。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２はこのＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷを介してバス９に対してＯＲ接続されている。このＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷは、このＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷに流れる電流、および双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２から出力される制御信号によって制御される。制御部１１はＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄおよび双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電流の合計出力電流、すなわち負荷電流、を検知して、負荷電流が、後述する第４閾値を下回るとき、ＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷをターンオフする。
ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄの負荷接続部側にはＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃ，ＳＷｄがそれぞれ接続されている。ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２ＤはＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃ，ＳＷｄを介してバス９に対してＯＲ接続されている。
その他の構成は、第１の実施形態で図１に示した電源システム１００と同じである。
図７（Ａ）は上記ＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷの回路図であり、図７（Ｂ）は上記ＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃ，ＳＷｄの回路図である。
図７（Ａ）に示すＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷは、ＯＲ接続用ＦＥＴ Ｑ、コンパレータＣＯＭ、ＡＮＤゲートＡＮＤを備える。図中のダイオードＤはＦＥＴ Ｑのボディダイオードである。コンパレータＣＯＭはＦＥＴ Ｑのドレイン・ソース間に接続され、ドレイン・ソース間電圧が、ソース電圧＞ドレイン電圧になったとき、出力を“Ｈ”レベルにする。ＡＮＤゲートはコンパレータＣＯＭの出力が“Ｈ”レベルであり、且つ制御信号Ｖａが“Ｈ”レベルであるとき、ＦＥＴ Ｑをオンする。
図７（Ｂ）に示すＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃ，ＳＷｄは、ＯＲ接続用ＦＥＴ ＱおよびコンパレータＣＯＭを備える。図中のダイオードＤはＦＥＴ Ｑのボディダイオードである。コンパレータＣＯＭはＦＥＴ Ｑのドレイン・ソース間に接続され、ドレイン・ソース間電圧が、ソース電圧＞ドレイン電圧になったとき、ＦＥＴ Ｑをオンする。
図８は、コンバータ部１０２の出力電流に対する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値との関係、および双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧の時間経過に伴う変化の例を示す図である。図８において、Vbusはバス９の定格バス電圧（例えば12.3V）であり、Vpreは、ＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷがオフ状態での双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧である。また、図８において、コンバータ部の出力電流Ａ０は、第１の実施形態で図３に示した、バッテリモジュール１０が電流アシストを開始する電流値（臨界電流値）である。この臨界電流値Ａ０は、「出力電流値と出力電圧目標値との関係における、コンバータ部１０２の定電圧（バス電圧）に対応する電流値」である。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に逆流電流が流れて、ＯＲ接続用ＦＥＴ Ｑがターンオフされる電流の閾値（第４閾値）Ｔｈ４は上記臨界電流値Ａ０より低く設定している。
本実施形態の電源システムの動作例は次のとおりである。
先ず、バッテリモジュール１０（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２）がバス９に対して電流アシストをする状態になれば、図７（Ａ）に示したコンパレータＣＯＭの出力が“Ｈ”レベルになり、また、制御信号Ｖａは“Ｈ”レベルになる。そのため、ＦＥＴ Ｑはターンオンする。
その後、バッテリモジュール１０がバス９に対して電流アシストをしている状態から、負荷１０３に流れる電流（負荷電流）が減少する場合を考える。この変化は、図８において斜め左下方向の矢印で示すとおりである。コンバータ部１０２の出力電流が臨界電流値Ａ０を下回ると、電流アシストが無くなる。コンバータ部１０２の出力電流がさらに減少して、閾値Ｔｈ４を下回ると、図７（Ａ）に示した制御信号Ｖａが一時的に“Ｌ”レベルとなって、ＦＥＴ Ｑはターンオフする。正方向電流が生じている状態ではＦＥＴ Ｑをターンオンしたいため、コンパレータＣＯＭはある程度の逆流を許容する設定になっている。すなわち、逆流電流が流れる状態になってもなおコンパレータＣＯＭは“Ｈ”レベルを出力する場合がある。このような場合でも、ＯＲ接続用スイッチ素子ＳＷは制御信号Ｖａによって、ＦＥＴ Ｑは確実にターンオフされる。
図９は、制御信号Ｖａの“Ｌ”レベル信号によりＦＥＴ Ｑの状態が変化する際の動作例を示す図である。
正方向電流が生じている状態では、ＦＥＴ Ｑをターンオンさせるため、コンパレータＣＯＭの出力を“Ｌ”から“Ｈ”にする（Vbus−Vpre）の閾値：Ｔｈ５は正の値とする。また、ＦＥＴ Ｑ が頻繁にＯＮ／ＯＦＦを繰り返さないようにするために、コンパレータＣＯＭの出力が“Ｈ”から“Ｌ”になる（Vbus−Vpre）の閾値：Ｔｈ６はＴｈ５よりも大きな値とする。例えばＴｈ５＝２ｍＶ、Ｔｈ６＝１０ｍＶ、ＦＥＴ＿Ｑのオン抵抗＝１ｍΩとすると、従来のコンパレータＣＯＭのみを使用する方法ではＦＥＴ＿ＱがＯＮからＯＦＦに変わるためには１０Ａの逆流電流が生じる必要がある。これに対し、本発明では正方向電流が生じない出力電圧目標値の条件（仮にVbus＝12.3V， Vpre＝12.292Vとする）において制御信号Ｖａ（“Ｌ”信号）によりＦＥＴ Ｑを一時的にターンオフすることにより、Vbus−Vpre＝８ｍＶの電位差が生じる。ＦＥＴ Ｑを一時的にターンオフする閾値としてＦＥＴ＿Ｑがオフした場合の（Vbus−Vpre）がＴｈ５よりも大きくなる条件に設定することで、ＦＥＴ Ｑが一時的にターンオフした後はコンパレータＣＯＭによりＦＥＴ＿Ｑのオフ状態が継続する。従って大きな逆流電流が生じなくてもＦＥＴ＿Ｑがターンオフできるため、Vbusから大きな電流がＦＥＴ＿Ｑに流れ込むことがなくなり、Vbusを安定に保つ給電システムが実現できる。
以上、各実施形態に係る電源システム１００について説明したが、電源システム１００の具体的な構成は適宜変更可能である。
制御部１１は、コンバータ部１０２の出力電流に対する、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧目標値の関係が図３に示したように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２をスイッチング制御するが、この電圧特性は、例えばプログラムにより定められている。また、出力電流値と出力電圧目標値との関係をプログラム可能な状態で保持されていて、書き換え等により変更可能である。例えば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧を線形的に上昇させるときの傾斜を変更可能としておいてもよい。この傾斜を緩やかにすれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２でのチャタリングの発生を防止できる。
また、制御部１１は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧を、指数関数的な飽和曲線のように上昇させるように制御してもよい。このように、電圧特性を変更可能とすることで、二次電池１３の充電電圧を負荷へ供給する条件（状態）を調整できる。そして、コンバータ部１０２の変換効率がよい条件（状態）で二次電池１３の充電電圧を負荷１０３へ供給して、負荷１０３へ一定電圧が供給され続けるようにして、効率のよい状態を保つことができる。
また、電圧特性（閾値Ｔｈ１およびＴｈ２等）を変更することで、コンバータの出力電圧特性を変更することなく、電源システムの入力（商用電源）の仕様に応じて商用電源からの給電電力の制限を任意に設定することができる。
また、電圧特性の変更は、電源システム１００の動作中であってもよい。この場合、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄそれぞれの負荷率を逐次調整（例えば周囲温度、コンバータ温度が高い場合に負荷率を下げる等）して、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄのストレスを下げることができ、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄの長寿命化が図れる。
また、瞬時停電時にコンバータの負荷率を一時的に下げることで、コンバータの瞬時停電保持時間が長い状態で使用することができ、長い瞬時停電時でもシステムを継続して稼働することができる。また、商用電源の積算電力に応じてコンバータの出力電力とバッテリモジュール１０の出力電力の比率を調整することで、商用電源の契約電力を超えないようにすることができる。
また、二次電池１３の充電容量を検出し、充電容量が低下した際に、閾値Ｔｈ１を高くしてもよい。そして、二次電池１３の放電開始を遅らせて、その間に二次電池１３を充電するようにしてもよい。これにより、二次電池１３の充電容量の低下を防止できる。
さらに、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄが停止した場合、制御部１１は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄから給電停止信号を取得するようにし、バッテリモジュール１０の出力電圧を、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄの通常出力電圧（例えば、１２Ｖ）と等しくなるように制御してもよい。これにより、停電時でも負荷１０３へ一定の電圧を供給することができる。
また、コンバータ部１０２は、並列接続されるＡＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄを有しているが、電源が直流電源である場合には、コンバータ部１０２は、並列接続されるＤＣ−ＤＣコンバータを有する構成であってもよい。また、コンバータ部１０２は一般的な定電圧出力特性のものを使用することが可能であり、バッテリモジュール１０を、既存の電源システムに追加することが容易である。
Ａ１…閾値（所定値）
Ａ２…閾値
ＡＮＤ…ＡＮＤゲート
ＣＯＭ…コンパレータ
Ｑ…ＦＥＴ
ＳＷ，ＳＷａ，ＳＷｂ，ＳＷｃ，ＳＷｄ…ＯＲ接続用スイッチ素子
Ｖ１…定電圧
Ｔｈ１…（第１閾値）
Ｔｈ２…（第２閾値）
Ｔｈ３…（第３閾値）
Ｔｈ４…（第４閾値）
９…バス
１０…バッテリモジュール
１１…制御部
１２…双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３…二次電池
１００…電源システム
１０１…商用電源
１０２…コンバータ部
１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ，１０２Ｄ…ＡＣ−ＤＣコンバータ
１０３…負荷
１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ…負荷

Claims (8)

  1. 出力電流値が所定出力電流値以下の範囲で所定の定電圧を出力する定電圧制御を行って、負荷へ電圧を出力するコンバータ部と、二次電池と、の間に接続されるバッテリモジュール電圧制御装置であって、
    前記二次電池の放電電圧を、出力電圧目標値に対応する電圧に変圧して、前記負荷へ出力する電圧制御部と、
    前記出力電流値を取得する出力電流値取得部と、
    を備え、
    前記出力電圧目標値は、
    前記所定出力電流値より低い第１閾値以上で、前記出力電流値の増大に伴って前記コンバータ部の出力電圧よりも高くなるまで上昇し、かつ、前記出力電流値が、前記所定出力電流値より低く、かつ前記第１閾値より値が高い第２閾値と、前記第１閾値との間で、前記定電圧の電圧値よりも高くなるように設定された、
    バッテリモジュール電圧制御装置。
  2. 前記電圧制御部は、前記出力電流値が、前記第１閾値より値が低い第３閾値以下であるとき、前記定電圧制御を停止する、
    請求項１に記載のバッテリモジュール電圧制御装置。
  3. 前記電圧制御部は、前記出力電流値と前記出力電圧目標値との関係をプログラム可能状態で保持する、
    請求項１または２に記載のバッテリモジュール電圧制御装置。
  4. 出力電流値が所定出力電流値以下の範囲で所定の定電圧を出力する定電圧制御を行って、負荷へ電圧を出力するコンバータ部に接続され、二次電池を有するバッテリモジュールであって、
    前記二次電池の放電電圧を、出力電圧目標値に対応する電圧に変圧して、前記負荷へ出力する電圧制御部と、
    前記出力電流値を取得する出力電流値取得部と、
    を備え、
    前記出力電圧目標値は、
    前記所定出力電流値より低い第１閾値以上で、前記出力電流値の増大に伴って前記コンバータ部の出力電圧よりも高くなるまで上昇し、かつ、前記出力電流値が、前記所定出力電流値より低く、かつ前記第１閾値より値が高い第２閾値と、前記第１閾値との間で、前記定電圧の電圧値よりも高くなるように設定された、
    バッテリモジュール。
  5. 出力電流値が所定出力電流値以下の範囲で所定の定電圧を出力する定電圧制御を行って、負荷へ電圧を出力するコンバータ部と、二次電池と、を有する電源システムであって、
    前記二次電池の放電電圧を、出力電圧目標値に対応する電圧に変圧して、前記負荷へ出力する電圧制御部と、
    前記出力電流値を取得する出力電流値取得部と、
    を備え、
    前記出力電圧目標値は、
    前記所定出力電流値より低い第１閾値以上で、前記出力電流値の増大に伴って前記コンバータ部の出力電圧よりも高くなるまで上昇し、かつ、前記出力電流値が、前記所定出力電流値より低く、かつ前記第１閾値より値が高い第２閾値と、前記第１閾値との間で、前記定電圧の電圧値よりも高くなるように設定された、
    電源システム。
  6. 前記コンバータ部は、それぞれカレントシェア信号に基づくカレントシェア機能を有する、並列接続された複数のコンバータで構成され、
    前記出力電流値取得部は、前記コンバータ部から前記カレントシェア信号を受信することで前記コンバータ部の前記出力電流値を取得する、
    請求項５に記載の電源システム。
  7. 前記電圧制御部は、前記出力電流値が前記第１閾値未満である第３閾値以下である場合、前記コンバータ部の出力電力で前記二次電池を充電する、
    請求項５または６に記載の電源システム。
  8. 前記電圧制御部の負荷接続側は、ＯＲ接続用スイッチ素子を介して前記コンバータ部にＯＲ接続され、
    前記電圧制御部は、前記出力電流値が、前記出力電流値と前記出力電圧目標値との関係における前記コンバータ部の前記定電圧に対応する電流値である臨界電流値より低い第４閾値以下になったとき、前記ＯＲ接続用スイッチ素子を一時的に遮断する信号を出力する、
    請求項５から７のいずれかに記載の電源システム。
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