JP7079236B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、直列接続された複数の電池モジュールを備える装置に関する。

複数の電池モジュールが直列接続された電源装置につき、研究開発が行われている。電池モジュールは、電池およびスイッチ回路を備えており、スイッチ回路の切り換えによって、一対の端子から電池の電圧を出力するオン状態と、一対の端子の間を短絡するオフ状態のいずれかに状態が切り換えられる。

複数の電池モジュールが直列接続された電源装置では、最上段の電池モジュールと、最下段の電池モジュールとの間に負荷が接続される。各電池モジュールのオン状態およびオフ状態が切り換えられることで、オン状態にある電池モジュールによる電圧が負荷に印加される。

以下の特許文献１～６には、複数の電池モジュールが直列接続された電源装置が示されている。これらの特許文献に記載された電源装置では、上段から下段に向かって順に所定のアクティブ時間の間だけ電池モジュールがオン状態となるスイープスイッチングが行われる。スイープスイッチングでは、上流側の電池モジュールに対して、下流側に隣接する電池モジュールは、所定の遅延時間だけ遅れたタイミングでスイッチ回路のオンオフ制御が行われる。スイープスイッチングによって、所望の数の電池モジュールにおける電池の合成出力電圧が負荷に印加され、所望の数の電池モジュールにおける各電池から負荷に電力が供給される。

特開２０１８－７４７０９号公報 特開２０１８－１７４０２９号公報 特開２０１８－１７４６０７号公報 特開２０１８－１７４６２６号公報 特開２０１８－１８２７８２号公報 特開２０１８－１８２７８３号公報

複数の電池モジュールが直列接続され、スイープスイッチングを行う電源装置では、各電池モジュールのオンオフ制御によってノイズ電圧またはノイズ電流が発生する。これらのノイズによって電源装置の制御が適切に行われないことがある。

本発明の目的は、複数の電池モジュールが直列接続された電源装置につき、電源装置が発生するノイズが、自らの動作に与える影響を軽減することである。

本発明は、直列接続された複数の電池モジュールと、各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、前記制御ユニットは、アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、 上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする。

また、本発明は、直列接続された複数の電池モジュールと、各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、前記制御ユニットは、アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定めることを特徴とする。

望ましくは、前記制御ユニットは、最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定める。

望ましくは、前記制御ユニットは、複数の前記電池モジュールのうち、オン状態とするものの個数を変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して前記制御遅延時間をランダムに定める。

望ましくは、前記制御ユニットは、複数の前記電池モジュールのうち、オン状態とするものの個数を変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定める。

望ましくは、前記制御ユニットは、最上段よりも下段側のいずれかの前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングに応じて、最上段の前記電池モジュールに対するオンオフ制御を実行する。

本発明によれば、電源装置が発生するノイズが、自らの動作に与える影響を軽減することができる。

電源装置の構成を示す図である。 電池モジュールの詳細な構成を示す図である。 各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。 各制御信号のタイミングチャートの例を示す図である。 遅延時間変動モードにおける各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。 アクティブ時間変動モードにおける各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。 遅延時間・アクティブ時間変動モードにおける各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。 電源装置の構成を示す図である。 電源装置が基本モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。 電源装置が遅延時間変動モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。 電源装置がアクティブ時間変動モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。 電源装置が遅延時間・アクティブ時間変動モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。

（１）電源装置の構成
各図を参照して本発明の実施形態に係る電源装置について説明する。複数の図面に亘って示された同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１には、本発明の実施形態に係る電源装置の構成が示されている。電源装置は、電池モジュールＵ０～Ｕ１３、制御ユニット１２、負荷コンデンサＣＬ、システムメインリレースイッチＳＭＲ（以下、単にＳＭＲという）、電圧計Ｖおよび電流計Ａを備えている。電池モジュールＵ０～Ｕ１３は、それぞれ、本体回路ｕ０～ｕ１３を備えている。また、各電池モジュールＵｉは、本体回路ｕｉに両端が接続された電池１０を備えている。ここで、ｉは、０～１３のいずれかの整数である。図１には、電力を伝送するための電力線が実線で示され、制御信号を伝送するための制御線が破線によって示されている。電池モジュールＵ０～Ｕ１３は、後述する回路構成に基づき、電力線および制御線によって直列接続されている。本実施形態に係る電源装置には、１４個の電池モジュールＵ０～Ｕ１３が用いられているが、用いられる電池モジュールの個数は２以上の任意の個数であってよい。

最上段の電池モジュールＵ０は、電流計Ａの一端に接続されている。電流計Ａの他端はＳＭＲの一端に接続され、ＳＭＲの他端は負荷１４の一端に接続されている。最下段の電池モジュールＵ１３は負荷１４の他端に接続されている。また、最上段の電池モジュールＵ０と負荷１４との間の電力線と、最下段の電池モジュールＵ１３と負荷１４との間の電力線との間には、負荷コンデンサＣＬおよび電圧計Ｖが並列接続されている。

電圧計Ｖによる電圧測定値および電流計Ａによる電流測定値は、制御ユニット１２に出力されている。制御ユニット１２は、電圧測定値および電流測定値の少なくとも一方に基づいて、各電池モジュールＵｉを制御する。制御ユニット１２は、負荷１４に電力を供給するときはＳＭＲをオンにし、負荷１４に供給される電力を遮断するときは、ＳＭＲをオフにする。以下では、ＳＭＲがオンであるときの電源装置の状態について説明する。

（２）電池モジュールの構成
図２には、電池モジュールＵｉの詳細な構成が示されている。電池モジュールＵｉは、本体回路ｕｉおよび電池１０を備えている。本体回路ｕｉは、制御回路２０、スイッチ回路２２、上流電力端子２４、下流電力端子２６、上流制御端子２８および下流制御端子３０を備えている。スイッチ回路２２は、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、およびモジュール内コンデンサＣｍを備えている。第１スイッチング素子Ｓ１の一端は、上流電力端子２４に接続されている。第１スイッチング素子Ｓ１の他端は下流電力端子２６に接続されている。また、第２スイッチング端子Ｓ２の一端は上流電力端子２４に接続され、第２スイッチング端子Ｓ２の他端は、電池１０の正極端子に接続されている。電池１０の負極端子は下流電力端子２６に接続されている。第２スイッチング素子Ｓ２と電池１０との接続点と、下流電力端子２６との間にはモジュール内コンデンサＣｍが接続されている。

第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２のそれぞれには、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子が用いられてよい。第１スイッチング素子Ｓ１にＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、上流電力端子２４にドレイン端子が接続され、下流電力端子２６にソース端子が接続される。第２スイッチング素子Ｓ２にＭＯＳＦＥＴが用いられる場合、上流電力端子２４にソース端子が接続され、電池１０の正極端子にドレイン端子が接続される。各ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子とソース端子との間には、ドレイン端子側にカソード端子を向けてダイオードが接続される。

ＭＯＳＦＥＴに代えて、バイポーラトランジスタまたはＩＧＢＴが用いられる場合、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子およびソース端子が、バイポーラトランジスタおよびＩＧＢＴのコレクタ端子およびエミッタ端子にそれぞれ対応させる。コレクタ端子とエミッタ端子との間には、コレクタ端子側にカソード端子を向けてダイオードが接続される。

制御回路２０の一端は上流制御端子２８に接続され、制御回路２０の他端は下流制御端子３０に接続されている。制御回路２０からスイッチング素子Ｓ１には制御信号Ｆｉが出力され、制御回路２０からスイッチング素子Ｓ２には制御信号Ｇｉが出力される。制御信号Ｆｉの値がハイであるときにスイッチング素子Ｓ１がオンになり、制御信号Ｆｉの値がローであるときにスイッチング素子Ｓ１がオフになる。同様に、制御信号Ｇｉの値がハイであるときにスイッチング素子Ｓ２がオンになり、制御信号Ｇｉの値がローであるときにスイッチング素子Ｓ２がオフになる。制御信号Ｇｉは、制御信号Ｆｉのハイおよびローの値を反転した信号である。

スイッチング素子Ｓ１がオンであり、スイッチング素子Ｓ２がオフであるときは、上流電力端子２４と下流電力端子２６との間が短絡され、電池モジュールＵｉはオフ状態となる。スイッチング素子Ｓ１がオフであり、スイッチング素子Ｓ２がオンであるときは、上流電力端子２４に電池１０の正極が接続され、上流電力端子２４と下流電力端子２６との間に電池１０が接続される。これによって電池モジュールＵｉはオン状態となる。

図１に示されている電池モジュールＵ０～Ｕ１３は、電力線および制御線によって、以下に説明するように直列接続されている。上段側のスイッチ回路２２の下流電力端子２６は、下段側に隣接するスイッチ回路２２の上流電力端子２４に接続されている。最上段のスイッチ回路２２の上流電力端子２４は、電流計ＡおよびＳＭＲを介して負荷１４の一端に接続されている。最下段のスイッチ回路２２の下流電力端子２６は、負荷１４の他端に接続されている。

また、上段側の制御回路２０の下流制御端子３０は、下段側に隣接する制御回路２０の上流制御端子２８に接続されている。最上段の制御回路２０の上流制御端子２８、および最下段の制御回路２０の下流制御端子３０は、制御ユニット１２に接続されている。

（３）制御ユニットおよび制御回路のハードウエア等
制御ユニット１２および各制御回路２０は、外部から読み込まれたプログラム、または自らが記憶するプログラムを実行するプロセッサを含んでよい。図１および図２には、制御ユニット１２および各制御回路２０が個別のハードウエアによって構成された例が示されているが、制御ユニット１２および各制御回路２０の総てまたはいずれかは、１つのハードウエアによって一体的に構成されてもよい。

このように、電源装置は、直列接続された複数の電池モジュールＵ０～Ｕ１３と、各電池モジュールＵ０～Ｕ１３を制御する制御ユニット１２とを備え、最上段および最下段の電池モジュール（Ｕ０，Ｕ１３）から負荷１４に電力を供給する。制御ユニット１２は、アクティブ時間の間、電池モジュールＵｉをオン状態にし、非アクティブ時間の間、電池モジュールＵｉをオフ状態にし、アクティブ時間および非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行する。制御ユニット１２は、上段側の電池モジュールに対し、下段側に隣接する電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の電池モジュールをオンオフ制御する。これによって、上段から下段に向かって順に所定のアクティブ時間の間だけ電池モジュールがオン状態となるスイープスイッチングが行われる。

後述するように、制御ユニット１２は、最上段の電池モジュールＵ０よりも下段側の各電池モジュールＵ１～Ｕ１３に対して、制御遅延時間をランダム（無作為）に定めてよい。また、制御ユニット１２は、各電池モジュールＵ０～Ｕ１３に対し、アクティブ時間をランダムに定めてよい。

（４）電源装置の各動作モード
本実施形態に係る電源装置は、基本モードまたはノイズ対策モードのいずれかのモードで動作する。基本モードは、隣接する電池モジュールについての制御遅延時間が一定であり、かつ、制御信号の周期が一定である動作モードである。ノイズ対策モードは、隣接する電池モジュールについての制御遅延時間が変動し、あるいは、アクティブ時間が変動する動作モードである。

（４－１）基本モード
基本モードでの動作について説明する。図３には、電池モジュールＵ０～Ｕ１３において、制御回路２０から第２スイッチング素子Ｓ２に対して出力される制御信号Ｇ０～Ｇ１３のタイミングチャートが概念的に示されている。図３（Ｇ０）、（Ｇ１）、（Ｇ２）、（Ｇ３）・・・・・（Ｇ１３）には、それぞれ、電池モジュールＵ０、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３・・・・・Ｕ１３において、制御回路２０からスイッチング素子Ｓ２に出力される制御信号Ｇ０、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３・・・・・Ｇ１３が示されている。

時刻ｔ＝ｔ０において、制御信号Ｇ０の値はローからハイに立ち上がる。制御信号Ｇ０の値は、時刻ｔ＝ｔ０からアクティブ時間Ｔａが経過した時にハイからローに立ち下がる。制御信号Ｇ０のオンオフ周期はＴである。すなわち、制御信号Ｇ０の値は、時刻ｔ０から時間Ｔが経過した時刻にローからハイに立ち上がる。制御信号Ｇ０の値は、周期Ｔでハイおよびローを繰り返す。１周期におけるアクティブ時間の長さはＴａであり、１周期における非アクティブ時間の長さはＴ－Ｔａである。

制御信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３・・・・・Ｇ１３は、それぞれ、制御信号Ｇ０を制御遅延時間Ｄ、２Ｄ、３Ｄ・・・・・１３Ｄだけ遅延させた信号である。すなわち、制御信号Ｇｊは、制御信号Ｇ０を制御遅延時間ｊ・Ｄだけ遅延させた信号である。ただし、ｊは１～１３のいずれかの整数である。

オン状態の電池モジュールの個数をｎ個とする場合、制御ユニット１２は、周期Ｔ、アクティブ時間Ｔａ、および制御遅延時間Ｄを次のように設定する。すなわち、ｉ＋ｎが１３以下のときは、制御信号Ｇｉの値がハイからローに立ち下がる時刻に制御信号Ｇ（ｉ＋ｎ）がローからハイに立ち上がるように、制御ユニット１２は、周期Ｔ、アクティブ時間Ｔａ、および制御遅延時間Ｄを各制御回路２０に対して設定する。ｉ＋ｎが１３を超えるときは、制御信号Ｇｉの値がハイからローに立ち下がる時刻に制御信号Ｇ（ｉ＋ｎ－１４）がローからハイに立ち上がるように、制御ユニット１２は、周期Ｔ、アクティブ時間Ｔａ、および制御遅延時間Ｄを各制御回路２０に対して設定する。これによって、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のうちのｎ個がオン状態となり、１４－ｎ個がオフ状態となる。周期Ｔ、オン状態とする電池モジュールの個数ｎ、制御遅延時間Ｄおよびアクティブ時間Ｔａには、Ｔ＝（１４－ｎ）Ｄ＋Ｔａの関係がある。電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれにおける電池１０の出力電圧がＥである場合、負荷１４にはｎ・Ｅの電圧が印加される。

制御ユニット１２は、電圧計Ｖによる電圧測定値および電流計Ａによる電流測定値を取得する。制御ユニット１２は電圧測定値および電流測定値から電力測定値を求めてよい。制御ユニット１２は、電圧測定値が目標範囲内の値となるように、あるいは電流測定値が目標範囲内の値となるようにオン状態とする電池モジュールの個数ｎ、制御遅延時間Ｄ、アクティブ時間Ｔａおよび周期Ｔを決定してよい。あるいは、制御ユニット１２は、電力測定値が目標範囲内の値となるように、オン状態とする電池モジュールの個数ｎ、制御遅延時間Ｄ、アクティブ時間Ｔａおよび周期Ｔを決定してよい。

負荷コンデンサＣＬは、負荷１４に印加される電圧の変動を抑制する。負荷１４に印加される電圧の変動は、例えば、各電池モジュールＵｉが備えるスイッチ回路２２のスイッチングによって発生する。また、スイッチ回路２２が備えるモジュール内コンデンサＣｍは、上流電力端子２４と下流電力端子２６との間に発生する電圧の変動を抑制する。上流電力端子２４と下流電力端子２６との間に発生する電圧の変動は、例えば、スイッチ回路２２が備えるスイッチング素子のスイッチングによって発生する。

図４には、制御信号Ｇ０～Ｇ１３のタイミングチャートの例が示されている。この例では、オン状態の電池モジュールの個数ｎは、ｎ＝７であり、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のうちの７個がオン状態となり、７個がオフ状態となる。制御信号Ｇ７の値がハイからローに立ち下がる時刻に制御信号Ｇ０がローからハイとなるように、周期Ｔ、アクティブ時間Ｔａ、および遅延時間Ｄが決定されている。電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれにおける電池１０の出力電圧がＥである場合、負荷１４には７Ｅの電圧が印加される。

図２に示されている各電池モジュールＵｉの基本モードにおける動作について説明する。各電池モジュールＵｉにおける制御回路２０は、制御ユニット１２の制御に基づいて次のように動作をする。制御回路２０は、上流制御端子２８に入力される上流・制御電圧がローからハイに立ち上がったときは、上流・制御電圧がローからハイに立ち上がった時から制御遅延時間ｉ・Ｄだけ経過した時に、第２スイッチング素子Ｓ２をオフからオンにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオンからオフにする。制御回路２０は、第２スイッチング素子Ｓ２をオフからオンにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオンからオフにしたときからアクティブ時間Ｔａが経過した時に、第２スイッチング素子Ｓ２をオンからオフにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオフからオンにする。

制御回路２０は、上流・制御電圧がローからハイに立ち上がったときは、上流・制御電圧が立ち上がった時から制御遅延時間ｉ・Ｄだけ経過した時に、下流制御端子３０から出力される下流・制御電圧をローからハイに立ち上げる。そして、下流・制御電圧を立ち上げた時からアクティブ時間Ｔａが経過した時に、下流・制御電圧をハイからローに立ち下げる。

制御ユニット１２は、電池モジュールＵ０の上流制御端子２８に、図３に示されているような制御信号Ｇ０を入力する。電池モジュールＵ０は制御信号Ｇ０に従ってオン状態、またはオフ状態になる。各電池モジュールＵｉは、制御信号Ｇ０の値が立ち上がってから制御遅延時間ｉ・Ｄが経過した時にオン状態となり、アクティブ時間Ｔａの間オン状態を維持した後にオフ状態となる。

上記のように、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれにおけるスイッチ回路２２は、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２を備えており、これらのスイッチング素子Ｓ１およびＳ２は交互にオンオフを繰り返す。これによって、電力線および制御線に特定の周波数のノイズ電圧またはノイズ電流（以下、単にノイズという）が発生し、制御ユニット１２および各制御回路２０が適切に動作しないことがある。そこで、電源装置は、次に説明するノイズ抑制モードで動作してもよい。

（４－２）ノイズ抑制モード
ノイズ抑制モードには、遅延時間変動モードおよびアクティブ時間変動モードがある。遅延時間変動モードは、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれに対し、制御遅延時間をランダムにばらついた値とする動作モードである。アクティブ時間変動モードは、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれに対し、アクティブ時間をランダムにばらついた値とする動作モードである。アクティブ時間変動モードでは、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれに対し制御遅延時間は一定であってもよい。

（４－２－１）遅延時間変動モード
図５には、遅延時間変動モードにおける制御信号Ｇ０～Ｇ５のタイミングチャートが概念的に示されている。時刻ｔ＝ｔ０～ｔ５は、それぞれ、基本モードにおいて、制御信号Ｇ０～Ｇ５の値がローからハイに立ち上がる時刻である。図５に示されているように、制御信号Ｇ１～Ｇ５の値は、それぞれ、時刻ｔ＝ｔ１～ｔ５から前後にランダムにずれた時刻で立ち上がる。すなわち、制御信号Ｇ１～Ｇ５の値が立ち上がる時刻は、基本モードにおける立ち上がり時刻に対してランダムにばらついている。なお、時刻ｔ＝ｔ１～ｔ５のそれぞれから前後にランダムにずれた各時刻には、時刻ｔ＝ｔ１～ｔ５（立ち上がり時刻のずれが０である場合）も含まれる。制御信号Ｇ０～Ｇ５の値は、ローからハイに立ち上がった後、アクティブ時間Ｔａが経過した時に立ち下がる。

図５には、制御信号Ｇ０～Ｇ５が示されているが、制御信号Ｇ６～Ｇ１３も制御信号Ｇ０～Ｇ５と同様に変化する。すなわち、制御信号Ｇ６～Ｇ１３の値は、基本モードにおいて立ち上がる時刻からランダムにずれた時刻で立ち上がる。制御信号Ｇ６～Ｇ１３の値は、ローからハイに立ち上がった後、アクティブ時間Ｔａが経過した時に立ち下がる。

制御信号Ｇ０の周期Ｔｘは、基本モードでの周期Ｔに対し、電源ユニットＵ１～Ｕｎに対する制御遅延時間α１～αｎを加算合計した時間Ｔｘとなる。すなわち、制御信号Ｇ０の周期は、Ｔｘ＝Ｔ＋α１＋α２＋α３＋・・・・・＋αｎ＝（１４－ｎ）Ｄ＋Ｔａ＋Σαｊの関係によって定まる。ここで、Σは、ｊ＝１～ｎについて加算合計することを意味する。ｎはオン状態である電池モジュールの個数である。このように、制御信号Ｇ０の値は、ローからハイに立ち上がった後、アクティブ時間Ｔａが経過した時に立ち下がり、先の立ち上がり時刻からＴｘ＝（１４－ｎ）Ｄ＋Ｔａ＋Σαｊ経過した時に再び立ち上がる。

遅延時間変動モードにおける電源装置の具体的な動作について図１および図２を参照して説明する。制御ユニット１２は、電池モジュールＵ１～Ｕ１３のそれぞれに対し、基準遅延時間ｄ１～ｄ１３を決定する。基準遅延時間ｄ１～ｄ１３は、基本モードにおいて制御遅延時間を求める処理と同様の処理によって求められる。すなわち、電池モジュールＵ１の基準遅延時間ｄ１をＤとして、ｄｊ＝ｊ・Ｄの関係がある。

制御ユニット１２は、電池モジュールＵ１～Ｕ１３のそれぞれに対し、遅延調整時間δ１～δ１３をランダムにばらついた正負の値として決定する。制御ユニット１２は、基準遅延時間ｄ１～ｄ１３に、それぞれ、遅延調整時間δ１～δ１３を加算した値を、電池モジュールＵ１～Ｕ１３のそれぞれに対する制御遅延時間α１～α１３として求める。すなわち、制御ユニット１２は、αｊ＝ｄｊ＋δｊの関係に基づき、制御遅延時間αｊを求める。制御ユニット１２は、制御遅延時間α１～α１３を、それぞれ、電池モジュールＵ１～Ｕ１３の制御回路２０に出力する。遅延調整時間δｊは、基準遅延時間ｄｊに対して±５％の範囲内で定められてよい。すなわち、遅延調整時間δｊと基準遅延時間ｄｊとの間には、－０．０５ｄｊ≦δｊ≦０．０５ｄｊの関係があってよい。

制御ユニット１２は、基準遅延時間ｄ１～ｄ１３に加算する遅延調整時間δ１～δ１３に代えて、基準遅延時間ｄ１～ｄ１３に掛け合わせる遅延調整係数Δ１～Δ１３を、ランダムにばらついた正の値として決定してもよい。この場合、制御ユニット１２は、基準遅延時間ｄ１～ｄ１３に、それぞれ、遅延調整係数Δ１～Δ１３を乗じた値を、電池モジュールＵ１～Ｕ１３のそれぞれに対する制御遅延時間α１～α１３として求める。すなわち、制御ユニット１２は、αｊ＝Δｊ・ｄｊの関係に基づき、制御遅延時間αｊを求める。遅延調整係数Δｊは、基準遅延時間ｄｊを±５％の範囲で変化させる係数であってよい。すなわち、Δｊは０．９５以上、１．０５以下の値であってよい。

電池モジュールＵ０が備える制御回路２０の遅延時間変動モードにおける動作は、基本モードにおける動作と同様である。電池モジュールＵ１～Ｕ１３のそれぞれにおける制御回路２０は、制御ユニット１２の制御に基づいて次のように動作をする。制御回路２０は、上流制御端子２８に入力される上流・制御電圧がローからハイに立ち上がったときは、上流・制御電圧がローからハイに立ち上がった時から制御遅延時間αｊだけ経過した時に、第２スイッチング素子Ｓ２をオフからオンにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオンからオフにする。制御回路２０は、第２スイッチング素子Ｓ２をオフからオンにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオンからオフにした時からアクティブ時間Ｔａが経過した時に、第２スイッチング素子Ｓ２をオンからオフにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオフからオンにする。

制御回路２０は、上流・制御電圧がローからハイに立ち上がったときは、上流・制御電圧がローからハイに立ち上がった時から制御遅延時間αｊだけ経過した時に、下流制御端子３０から出力される下流・制御電圧をローからハイに立ち上げる。そして、下流・制御電圧をローからハイにした時からアクティブ時間Ｔａが経過した時に、下流・制御電圧をハイからローに立ち下げる。

制御ユニット１２は、電池モジュールＵ０の上流制御端子２８に、図５に示される制御信号Ｇ０を入力する。電池モジュールＵ０は制御信号Ｇ０に従ってオン状態、またはオフ状態になる。各電池モジュールＵｊは、制御信号Ｇ（ｊ－１）の値が立ち上がってから制御遅延時間αｊが経過した時にオン状態となり、アクティブ時間Ｔａの間オン状態を維持する。

制御ユニット１２は、電池モジュールＵｎにおける制御回路２０の下流制御端子３０の電圧が立ち下がったタイミングに応じて、電池モジュールＵ０に対する制御信号Ｇ０の値をローからハイに立ち上げる。制御信号Ｇ０の周期はＴｘ＝（１４－ｎ）Ｄ＋Ｔａ＋Σαｊとなり、制御信号Ｇ０の先の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間が、各電池モジュールＵｊの制御遅延時間αｊのばらつきに基づいて適切に設定される。

なお、制御ユニット１２は、最上段の電池モジュールＵ０よりも下段側の電池モジュールＵ１～Ｕ１３のうちいずれかにおける制御回路２０の下流制御端子３０の電圧が立ち上がるタイミングまたは立ち下がるタイミングに基づいて、電池モジュールＵ０に対する制御信号Ｇ０の値をローからハイに立ち上げるタイミングを認識し、制御信号Ｇ０の値をローからハイに立ち上げてもよい。

遅延時間変動モードの動作によれば、制御遅延時間α１～α１３がランダムにばらついた時間となるため、電力線および制御線に発生するノイズの周波数が変動する。これによって、特定の周波数のノイズが制御ユニット１２または各制御回路２０に与える影響が抑制される。

（４－２－２）アクティブ時間変動モード
ノイズ抑制モードのうちのアクティブ時間変動モードについて説明する。図６には、アクティブ時間変動モードにおける制御信号Ｇ０～Ｇ５のタイミングチャートが概念的に示されている。

図６に示されているように、制御信号Ｇ１～Ｇ５のアクティブ時間Ｔａ０～Ｔａ５は、それぞれ、基本モードにおけるアクティブ時間Ｔａに対してランダムにばらついている。図６には、制御信号Ｇ０～Ｇ５が示されているが、制御信号Ｇ６～Ｇ１３も制御信号Ｇ０～Ｇ５と同様に変化する。すなわち、制御信号Ｇ６～Ｇ１３のアクティブ時間は、基本モードにおけるアクティブ時間Ｔａに対してランダムにばらついている。

アクティブ時間変動モードにおける電源装置の動作について図１および図２を参照して説明する。制御ユニット１２は、電池モジュールＵｉのそれぞれに対し、基本モードにおける制御遅延時間と同一の制御遅延時間ｄｉ＝ｉ・Ｄを決定する。また、基準モードにおけるアクティブ時間Ｔａを、アクティブ時間変動モードにおける基準アクティブ時間ＴＴａとして決定する。

制御ユニット１２は、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれに対し、アクティブ調整時間γ０～γ１３をランダムにばらついた正負の値として決定する。制御ユニット１２は、基準アクティブ時間ＴＴａに、それぞれ、アクティブ調整時間γ０～γ１３を加算した値を、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれに対するアクティブ時間Ｔａ０～Ｔａ１３として求める。すなわち、制御ユニット１２は、Ｔａｉ＝ＴＴａ＋γｉの関係に基づき、アクティブ時間Ｔａｉを求める。制御ユニット１２は、制御遅延時間ｄ１～ｄ１３を、それぞれ、電池ユニットＵ１～１３の制御回路２０に出力する。また、制御ユニット１２は、アクティブ時間Ｔａ０～Ｔａ１３をそれぞれ、電池モジュールＵ０～Ｕ１３の制御回路２０に出力する。アクティブ調整時間γｉは、基本モードにおける周期Ｔに対して±２％の範囲内で定められてよい。すなわち、アクティブ調整時間γｉと基本モードにおける周期Ｔとの間には、－０．０２Ｔ≦γｉ≦０．０２Ｔの関係があってよい。

制御ユニット１２は、基準アクティブＴＴａに加算するアクティブ調整時間γ０～γ１３に代えて、基準アクティブ時間ＴＴａに掛け合わせるアクティブ調整係数Γ０～Γ１３を、ランダムにばらついた正の値として決定してもよい。この場合、制御ユニット１２は、基準アクティブ時間ＴＴａにアクティブ調整係数Γ０～Γ１３を乗じた値を、電池モジュールＵ１～Ｕ１３のそれぞれに対するアクティブ時間Ｔａ０～Ｔａ１３として求める。すなわち、制御ユニット１２は、Ｔａｉ＝Γｉ・ＴＴａの関係に基づき、アクティブ時間Ｔａｉを求める。アクティブ調整係数Γｉは、アクティブ時間を±２％の範囲で変化させる係数であってよい。すなわち、Γｉは０．９８以上、１．０２以下の値であってよい。

電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれにおける制御回路２０は、制御ユニット１２の制御に基づいて次のように動作する。制御回路２０は、上流制御端子２８に入力される上流・制御電圧がローからハイに立ち上がったときは、上流・制御電圧がローからハイに立ち上がった時から制御遅延時間ｄｉだけ経過した時に、第２スイッチング素子Ｓ２をオフからオンにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオンからオフにする。制御回路２０は、第２スイッチング素子Ｓ２をオフからオンにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオンからオフにしたときからアクティブ時間Ｔａｉが経過した時に、第２スイッチング素子Ｓ２をオンからオフにし、第１スイッチング素子Ｓ１をオフからオンにする。

制御回路２０は、上流・制御電圧がローからハイになったときは、上流・制御電圧がローからハイに立ち上がった時から制御遅延時間ｄｉだけ経過した時に、下流制御端子３０から出力される下流・制御電圧をローからハイに立ち上げる。そして、下流・制御電圧をローからハイにした時からアクティブ時間Ｔａｉが経過した時に、下流・制御電圧をハイからローに立ち下げる。

制御ユニット１２は、電池モジュールＵ０の上流制御端子２８に、図６に示される制御信号Ｇ０を入力する。電池モジュールＵ０は制御信号Ｇ０に従ってオン状態、またはオフ状態になる。各電池モジュールＵ１～Ｕ１３は、それぞれ、制御信号Ｇ０の値が立ち上がってから制御遅延時間ｄ１～ｄ１３が経過した時にオン状態となり、それぞれ、アクティブ時間Ｔａ１～Ｔａ１３の間オン状態を維持する。

制御ユニット１２は、電池モジュールＵｎにおける制御回路２０の下流制御端子３０の電圧が立ち下がったタイミングに基づいて、電池モジュールＵ０に対する制御信号Ｇ０の値をローからハイに立ち上げる。制御信号Ｇ０の周期はＴｘ＝（１４－ｎ）Ｄ＋Ｔａ＋γｎとなる。ただし、ｎはオン状態の電池モジュールの個数である。このように、制御信号Ｇ０の先の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間が、各電池モジュールのアクティブ時間のばらつきに基づいて適切に設定される。

なお、制御ユニット１２は、最上段の電池モジュールＵ０よりも下段側の電池モジュールＵ１～Ｕ１３のうちいずれかにおける制御回路２０の下流制御端子３０の電圧が立ち上がるタイミングまたは立ち下がるタイミングに基づいて、電池モジュールＵ０に対する制御信号Ｇ０の値をローからハイに立ち上げるタイミングを認識し、制御信号Ｇ０の値をローからハイに立ち上げてもよい。

アクティブ時間変動モードの動作によれば、アクティブ調整時間γ０～γ１３がランダムにばらついた時間となる。そのため、電力線および制御線に発生するノイズの周波数が変動する。これによって、特定の周波数のノイズが、制御ユニット１２または各制御回路２０に与える影響が抑制される。

（４－２－３）遅延時間・アクティブ時間変動モード
次に、遅延時間・アクティブ時間変動モードについて説明する。遅延時間・アクティブ時間変動モードは、遅延時間変動モードとアクティブ時間変動モードとを組み合わせたモードである。図７には、遅延時間・アクティブ時間変動モードにおける制御信号Ｇ０～Ｇ５のタイミングチャートが概念的に示されている。

時刻ｔ＝ｔ０～ｔ５は、それぞれ、基本モードにおいて、制御信号Ｇ０～Ｇ５の値がローからハイに立ち上がる時刻である。時刻ｔ＝τ０～τ５は、それぞれ、アクティブ時間を仮に一定値Ｔａとした場合に、制御信号Ｇ０～Ｇ５の値がハイからローに立ち下がる時刻である。

図７に示されているように、制御信号Ｇ１～Ｇ５の値は、それぞれ、時刻ｔ＝ｔ１～ｔ５から前後にランダムにずれた時刻で立ち上がる。すなわち、制御信号Ｇ１～Ｇ５の値が立ち上がる時刻は、基本モードにおいて各制御信号が立ち上がる時刻に対してランダムにばらついている。また、制御信号Ｇ１～Ｇ５のアクティブ時間Ｔａ０～Ｔａ５は、それぞれ、基本モードにおけるアクティブ時間Ｔａに対してランダムにばらついている。

図７には、制御信号Ｇ０～Ｇ５が示されているが、制御信号Ｇ６～Ｇ１３も制御信号Ｇ０～Ｇ５と同様に変化する。すなわち、制御信号Ｇ６～Ｇ１３の値は、基本モードにおいて立ち上がる時刻からランダムにずれた時刻で立ち上がり、制御信号Ｇ６～Ｇ１３のアクティブ時間は、基本モードにおけるアクティブ時間に対してランダムにばらつく。

遅延時間・アクティブ時間変動モードの動作によれば、制御信号Ｇ０～Ｇ１３の制御遅延時間およびアクティブ時間がばらついた時間となる。そのため、電力線および制御線に発生するノイズの周波数が変動する。これによって、特定の周波数のノイズが、制御ユニット１２または各制御回路２０に与える影響が抑制される。

（５）モード切り換え処理
電源装置が、基本モードの動作によって負荷１４に電力を供給しているときに、制御ユニット１２は、電圧計Ｖによる電圧測定値および電流計Ａによる電流測定値を取得し、次のような処理を実行してよい。制御ユニット１２は、電圧測定値が目標範囲内にない場合、電流測定値が目標範囲内にない場合、または電力測定値が目標範囲内にない場合には、基本モードにおける、アクティブ時間および制御遅延時間のうち少なくとも１つ（以下、アクティブ時間および制御遅延時間のうち少なくとも１つをパラメータ時間という）を変化させて、負荷１４に印加される電圧を変化させる。すなわち、制御ユニット１２は、電圧測定値が目標範囲内にない場合、電流測定値が目標範囲内にない場合、または電力測定値が目標範囲内にない場合には、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のうち、オン状態とする電池モジュールの個数を変化させる。

このように、基本モードの制御パラメータ時間を変化させて、負荷１４に対する電力供給状態を制御する電力制御処理では、制御信号Ｇ０～Ｇ１３のうちの複数に含まれる特定の周波数成分が、制御パラメータ時間を変化させる過程で強め合うことがある。これによって、制御線および電力線に発生するノイズが増大し、制御ユニット１２または各制御回路２０が適切に動作しないことがある。そこで、電源装置は、電力制御処理を実行していない通常時に基本モードで動作し、電力制御処理を実行している電力制御時には、遅延時間変動モード、アクティブ時間変動モードまたは遅延時間・アクティブ時間変動モードのいずれかのモードで動作してよい。

例えば、電力制御処理では、制御ユニット１２は、電圧測定値、電流測定値または電力測定値が目標範囲内に入るように、制御パラメータ時間を所定の時間間隔で所定の刻み幅で変化させる。制御ユニット１２は、制御パラメータ時間を所定の刻み幅で変化させている間は、遅延時間変動モード、アクティブ時間変動モードまたは遅延時間・アクティブ時間変動モードのいずれかのモードで動作する。そして、制御パラメータ時間を一定にしたときは、基本モードで動作する。

このようなモード切り換え処理によれば、制御パラメータ時間を変化させる過程において制御線および電力線に発生する、特定の周波数のノイズが抑制される。また、遅延時間変動モード、アクティブ時間変動モードまたは遅延時間・アクティブ時間変動モードの動作では、電力線に流れる電流のリプル成分が、基本モードに比べて大きくなることがある。そこで、通常時に基本モードで動作し、電力制御処理時に遅延時間変動モード、アクティブ時間変動モードまたは遅延時間・アクティブ時間変動モードのいずれかのモードで動作することで、電力線に流れる電流に大きいリプル成分が長時間に亘って流れることが回避される。

（６）各電池ユニットに対する直接的な制御
上記では、電池モジュールＵ０～Ｕ１３における制御回路２０が直列接続された実施形態について説明した。この実施形態では、上段側の制御回路２０が下段側の制御回路２０に下流・制御電圧を出力し、下段側の制御回路２０が、上段側の制御回路２０から出力された下流・制御電圧に応じてスイッチ回路２２を制御する。このように制御回路２０を直列接続する代わりに、制御ユニット１２が、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれにおける制御回路２０を直接制御してもよい。図８には、そのような制御を実行する電源装置の構成が示されている。制御ユニット１２は、電池モジュールＵ０～Ｕ１３のそれぞれが備える制御回路２０に制御遅延時間、アクティブ時間等の制御情報と、制御タイミングを示すタイミング信号を直接出力する。各制御回路２０は、制御ユニット１２から与えられた制御情報および制御タイミングを示すタイミング信号に応じてスイッチ回路２２を制御する。

（７）シミュレーション結果
図９には、電源装置が基本モードで動作した場合において、電力線に流れる電流の周波数スペクトラムを求めたシミュレーション結果が示されている。横軸は周波数を示し縦軸は周波数成分のレベルを示す。以下のシミュレーション結果の横軸および縦軸についても同様である。高調波成分のうち第７次高調波成分５０および第１３次高調波成分５２のレベルは、他の高調波成分よりもレベルが大きい。

図１０には、電源装置が遅延時間変動モードで動作した場合において、電力線に流れる電流の周波数スペクトラムを求めたシミュレーション結果が示されている。遅延調整時間δｊは、基準遅延時間ｄｊに対して±５％の範囲内で変動させている。このシミュレーション結果では、基本モードに対し、第７次高調波成分５０のレベルが２１％減少している。

図１１には、電源装置がアクティブ時間変動モードで動作した場合において、電力線に流れる電流の周波数スペクトラムを求めたシミュレーション結果が示されている。アクティブ時間は、基本モードにおける周期Ｔに対して±２％の範囲内で変動させている。このシミュレーション結果では、基本モードに対し、第７次高調波成分５０のレベルが４２％減少している。

図１２には、電源装置が遅延時間・アクティブ時間変動モードで動作した場合において、電力線に流れる電流の周波数スペクトラムを求めたシミュレーション結果が示されている。遅延調整時間δｊは、基準遅延時間ｄｊに対して±５％の範囲内で変動させている。また、アクティブ時間は、基本モードにおける周期Ｔに対して±２％の範囲内で変動させている。このシミュレーション結果では、基本モードに対し、第７次高調波成分５０のレベルが４５％減少している。

上記の各実施形態に係る電源装置は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電動自動車に搭載されてよい。一般に電動自動車には、駆動および回生用のモータジェネレータとの間で電力を授受する直流電源装置が搭載される。本発明の各実施形態に係る電源装置は、電動自動車に搭載される直流電源装置として用いられてよい。

１０ 電池、１２ 制御ユニット、１４ 負荷、２０ 制御回路、２２ スイッチ回路、２４ 上流電力端子、２６ 下流電力端子、２８ 上流制御端子、３０ 下流制御端子、５０ 第７次高調波成分、５２ 第１３次高調波成分、Ａ 電流計、ＣＬ 負荷コンデンサ、Ｃｍ モジュール内コンデンサ、Ｆ０～Ｆ１３，Ｇ０～Ｇ１３ 制御信号、Ｓ１ 第１スイッチング素子、Ｓ２ 第２スイッチング素子、ＳＭＲ システムメインリレースイッチ、Ｕ０～Ｕ１３ 電池モジュール、ｕ０～ｕ１３ 本体回路、Ｖ 電圧計。

Claims (6)

1. 直列接続された複数の電池モジュールと、
   各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、
   最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、
   前記制御ユニットは、
   アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、
   上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、
   最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
2. 直列接続された複数の電池モジュールと、
   各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、
   最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、
   前記制御ユニットは、
   アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、
   上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、
   各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置において、
   前記制御ユニットは、
   最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１または請求項３に記載の電源装置において、
   前記制御ユニットは、
   複数の前記電池モジュールのうち、オン状態とするものの個数を変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
5. 請求項２または請求項３に記載の電源装置において、
   前記制御ユニットは、
   複数の前記電池モジュールのうち、オン状態とするものの個数を変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電源装置において、
   前記制御ユニットは、
   最上段よりも下段側のいずれかの前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングに応じて、最上段の前記電池モジュールに対するオンオフ制御を実行することを特徴とする電源装置。

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