JP7145392B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電池と回路を含むモジュールを複数備えた電源システムに関する。

電池と回路を含むモジュールを複数備え、複数のモジュールの各々を制御することで、外部への電力の出力、および、外部から入力される電力の蓄電の少なくともいずれかを行う電源システムが知られている。例えば、特許文献１に記載されている電源装置（電源システム）は、電池、第１のスイッチング素子、および第２のスイッチング素子を含む電池回路モジュールを複数備える。複数の電池回路モジュールは、各々の出力端子を介して直列に接続されている。電源装置の制御回路は、第１のスイッチング素子および第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、各々の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。これにより、複数の電池回路モジュールから目標とする電力を出力する。

特開２０１８－７４７０９号公報

特許文献１に記載されているような電源装置では、各々の電池回路モジュールに設けられたスイッチング素子に、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられている。このＭＯＳＦＥＴは、構造上、ボディダイオード（寄生ダイオード）を有しているため、スイッチング素子の駆動回路などに断線故障が生じた場合でも、ボディダイオードを通じて電源装置自体の回路に電流が流れることがある。この場合、スイッチング素子が断線故障しているにも関わらず、電源装置全体で電力の入出力が可能なままのため、当該故障の発見が遅れるおそれがある。一方で、スイッチング素子が故障した箇所を早期に検知したいという要請がある。

ここに開示される電源システムは、メインラインと、メインラインに接続された複数のスイープモジュールと、故障検知装置とを有している。上記スイープモジュールは、電池モジュールと、電池モジュールをメインラインに接続するように構成された入出力回路と、入出力回路に配置され、電池モジュールをメインラインとの間の接続と切断を切り替える、ＭＯＳＦＥＴからなる少なくとも１つのスイッチング素子と、スイッチング素子にゲート信号を送るように構成されたスイッチング制御ユニットとを有している。そして、ここに開示される電源システムの故障検知装置は、複数のスイープモジュールの温度をそれぞれ検知するように構成された温度検知部と、複数のスイープモジュールの中から選択される１つのスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと、他のスイープモジュールの温度に基づいて定められる基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを判定するように構成された故障判定部とを有している。

本発明者は、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子のボディダイオードを通じて電流が流れた場合に、スイッチング素子が発熱してスイープモジュールの温度が上昇することに着目し、上記構成の電源システムを創作した。すなわち、ここに開示される電源システムの故障判定部は、複数のスイープモジュールの中から選択される１つのスイープモジュール（検査対象のスイープモジュール）の温度Ｔ_ｍと、他のスイープモジュールの温度に基づいて定められる基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを判定する。このように、検査対象のスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと、他のスイープモジュールに基づいた基準温度Ｔ_Ｓとを比較し、閾値ΔＴ_ｔｈを超えるような過剰な温度上昇が生じているかを判定することにより、検査対象のスイープモジュールのスイッチング素子が故障しているか否かを容易に検知することができる。

ここに開示される電源システムの好適な一態様では、故障判定部は、複数のスイープモジュールについて選択される１つのスイープモジュールを変更しつつ、差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを順に判定するように構成されている。
このように、複数のスイープモジュールの各々に対して、上述した故障判定処理を順に実施することによって、スイッチング素子が故障したスイープモジュールを容易に特定することができる。

ここに開示される電源システムの好適な一態様では、基準温度Ｔ_Ｓは、複数のスイープモジュールのうち選択される１つのスイープモジュールを除く他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}である。
上記故障判定処理における基準温度Ｔ_Ｓとして、検査対象のスイープモジュールを除く他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}を用いることによって、温度検出部の周囲の環境や電源システムの運転状況によって若干の測定誤差が生じた場合であっても、スイッチング素子の故障判定を正確に実施することができる。

ここに開示される電源システムの好適な一態様では、スイープモジュールは、メインラインに対して直列に、かつ、電池モジュールに対して並列に取り付けられた第１スイッチング素子と、メインラインに電池モジュールを直列に接続するように、入出力回路に取り付けられた第２スイッチング素子とを有している。また、本態様におけるスイッチング制御ユニットは、第１スイッチング素子をオフにすると共に第２スイッチング素子をオンにすることによりメインラインに電池モジュールを接続する接続信号と、第１スイッチング素子をオンにすると共に第２スイッチング素子をオフにすることによりメインラインから電池モジュールを切断する切断信号とを送信できるように構成されている。そして、温度検知部は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との中間位置に配置された温度センサと、温度センサから送信された信号に基づいて、スイープモジュールの温度を検知する処理部とを有する。
本態様のように、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を設けた場合には、各々のスイッチング素子の中間位置に温度センサを配置すると、スイッチング素子の断線故障に伴う発熱を一つの温度センサで正確に検知できるため、部品点数削減の観点から好ましい。

さらに、上述した２つのスイッチング素子を設けた態様において、故障判定部は、メインラインに充電電流が流れている際に、スイッチング制御ユニットから接続信号が送信されているスイープモジュールを選択し、当該選択されたスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えている場合に、選択されたスイープモジュールの第２スイッチング素子が故障していると判定するように構成されていると好ましい。
上記第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを設けた態様では、スイッチング制御ユニットから接続信号が送信され、かつ、メインラインに充電電流が流れている状態において第２スイッチング素子が故障していると、当該第２スイッチング素子においてボディダイオードを介した電流が流れ、第２スイッチング素子が発熱する。本態様によると、かかる第２スイッチング素子の発熱が生じているか否かを判定することにより、検査対象のスイープモジュールの第２スイッチング素子が故障しているか否かを容易に検知することができる。

さらに、上述した２つのスイッチング素子を設けた態様において、故障判定部は、メインラインに放電電流が流れている際に、スイッチング制御ユニットから切断信号が送信されているスイープモジュールを選択し、当該選択されたスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えている場合に、選択されたスイープモジュールの第１スイッチング素子が故障していると判定するように構成されていると好ましい。
上記第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを設けた態様では、スイッチング制御ユニットから切断信号が送信され、かつ、メインラインに放電電流が流れている状態において第１スイッチング素子が故障していると、当該第１スイッチング素子においてボディダイオードを介した電流が流れ、第１スイッチング素子が発熱する。本態様によると、かかる第１スイッチング素子の発熱が生じているか否かを判定することにより、検査対象のスイープモジュールの第１スイッチング素子が故障しているか否かを容易に検知することができる。

電源システム１の概略構成図である。 スイープモジュール２０の概略構成図である。 スイープ動作におけるタイミングチャートの一例である。 強制スルー動作におけるタイミングチャートの一例である。 第２スイッチング素子の故障判定を説明する概略構成図である。 第１スイッチング素子の故障判定を説明する概略構成図である。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係は実際の寸法関係を反映するものではない。

＜全体の概略構成＞
図１を参照して、本実施形態における電源システム１の全体構成について概略的に説明する。電源システム１は、上位の電力系統８に接続された配電装置５に対する電力の出力、および、配電装置５から入力される電力の蓄電の少なくともいずれか（以下、単に「電力の入出力」という場合もある）を行う。一例として、本実施形態では、配電装置５としてＰＣＳ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ）が用いられている。ＰＣＳは、電力系統８から電源システム１等へ入力される電力および電源システム１等から電力系統８へ出力される電力を、電源システム１等と電力系統８との間で相互に変換する機能を有する。

電力系統８で電力が余った場合に、配電装置５は余剰の電力を電源システム１に出力する。この場合、電源システム１は、配電装置５から入力された電力を蓄電する。また、電源システム１は、上位の電力系統８を制御する上位システム６からの指示に応じて、電源システム１に蓄電されている電力を配電装置５に出力する。図１では、上位システム６は、電力系統８および配電装置５を制御するシステムとして、電力系統８および配電装置５とは別で設けられているように図示されている。しかし、上位システム６は、電力系統８または配電装置５に組み込まれていてもよい。

電源システム１は、少なくとも１つのストリング１０を備えている。本実施形態の電源システム１は、複数（Ｎ個：Ｎ≧２）のストリング１０（１０Ａ，１０Ｂ，・・・，１０Ｎ）を備えている。図１では、便宜上、Ｎ個のストリング１０のうち、２つのストリング１０Ａ，１０Ｂのみを図示している。ストリング１０は、配電装置５との間の電力の入出力の単位となる。複数のストリング１０は、配電装置５に対して並列に接続されている。配電装置５と各々のストリング１０の間の電力の入出力（通電）は、メインライン７を通じて行われる。

ストリング１０は、ＳＣＵ（Ｓｔｒｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１、および、複数（Ｍ個：Ｍ≧２）のスイープモジュール２０（２０Ａ，２０Ｂ，・・・，２０Ｍ）を備える。各々のスイープモジュール２０は、電池および制御回路を備える。ＳＣＵ１１は、ストリング１０毎に設けられている。ＳＣＵ１１は、１つのストリング１０に含まれる複数のスイープモジュール２０を統合制御するコントローラである。各々のＳＣＵ１１は、電力制御装置としてのＧＣＵ（Ｇｒｏｕｐ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２との間で通信を行う。ＧＣＵ２は、複数のストリング１０を含むグループ全体を統合制御するコントローラである。ＧＣＵ２は、上位システム６および各々のＳＣＵ１１との間で通信を行う。上位システム６、ＧＣＵ２、およびＳＣＵ１１の間の通信の方法には、種々の方法（例えば、有線通信、無線通信、ネットワークを介した通信等の少なくともいずれか）を採用できる。

なお、ストリング１０およびスイープモジュール２０等を制御するコントローラの構成を変更することも可能である。例えば、ＧＣＵ２とＳＣＵ１１が別々に設けられていなくてもよい。つまり、１つのコントローラが、少なくとも１つのストリング１０を含むグループ全体と、ストリング１０に含まれる複数のスイープモジュール２０を共に制御してもよい。

＜スイープモジュール＞
図２を参照して、スイープモジュール２０について詳細に説明する。スイープモジュール２０は、電池モジュール３０、電力回路モジュール４０、およびスイープユニット（ＳＵ（Ｓｗｅｅｐ Ｕｎｉｔ））５０を備える。

電池モジュール３０は、少なくとも１つの電池３１を備えている。本実施形態の電池モジュール３０には、複数の電池３１が設けられている。複数の電池３１は直列に接続されている。本実施形態では、電池３１として二次電池が使用されている。電池３１には、種々の二次電池（例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池等）の少なくともいずれかを使用できる。なお、電源システム１において、複数種類の電池３１を混在させることも可能である。もちろん、全ての電池モジュール３０内の電池３１の種類が全て同じであってもよい。

電池モジュール３０には、電圧検出部３５および温度検出部３６が装着されている。電圧検出部３５は、電池モジュール３０が備える電池３１（本実施形態では、直列に接続された複数の電池３１）の電圧を検出する。温度検出部３６は、電池モジュール３０が備える電池３１の温度、または、電池３１の近傍の温度を検出する。温度検出部３６には、温度を検出する各種素子（例えばサーミスタ等）を使用できる。

電池モジュール３０は、電力回路モジュール４０に対して着脱可能に設けられている。詳細には、本実施形態では、複数の電池３１を備えた電池モジュール３０が１つの単位となって、電力回路モジュール４０からの取り外し、および、電力回路モジュール４０への装着が行われる。従って、電池モジュール３０に含まれる電池３１が１つずつ交換される場合に比べて、作業者が電池３１を交換する際の作業工数が減少する。なお、本実施形態では、電圧検出部３５および温度検出部３６は、電池モジュール３０とは別で交換される。しかし、電圧検出部３５および温度検出部３６の少なくとも一方が、電池モジュール３０と共に交換されてもよい。

電力回路モジュール４０は、電池モジュール３０における電力の入出力を適切に実現させるための回路を形成する。本実施形態では、電力回路モジュール４０は、電池モジュール３０とメインライン７の間の接続および切り離しを切り替える少なくとも１つのスイッチング素子を備えている。本実施形態では、電力回路モジュール４０は、電池モジュール３０をメインライン７に接続するための入出力回路４３と、入出力回路４３に配置された第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２を備える。第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２は、スイープユニット５０から入力される信号（例えばゲート信号等）に応じてスイッチング動作を行う。

本実施形態では、図２に示されているように、第１スイッチング素子４１は、入出力回路４３において、メインライン７に対して直列に、かつ、電池モジュール３０に対して並列に取り付けられている。第２スイッチング素子４２は、入出力回路４３において、メインライン７に電池モジュール３０を直列に接続する部分に取り付けられている。第１スイッチング素子４１は、メインライン７に放電電流が流れる方向に沿って順方向となるように、ソースとドレインが配置される。第２スイッチング素子４２は、メインライン７に電池モジュール３０を直列に取り付ける入出力回路４３において、電池モジュール３０に充電電流が流れる方向に沿って順方向となるように、ソースとドレインが配置される。本実施形態では、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２は、それぞれＭＯＳＦＥＴ（例えば、Ｓｉ－ＭＯＳＦＥＴ）であり、上述した順方向に向いたボディダイオード４１ａ，４２ａをそれぞれ備えている。ここで、第１スイッチング素子４１のボディダイオード４１ａは、第１ボディダイオードと適宜に称される。第２スイッチング素子４２のボディダイオード４２ａは、第２ボディダイオードと適宜に称される。

なお、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２は、図２の例に限定されない。第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２には、導通と非導通を切り替えることが可能な種々の素子を使用することが可能である。本実施形態では、第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２の両方に、ＭＯＳＦＥＴ（詳細にはＳｉ－ＭＯＳＦＥＴ）が使用されている。しかし、ＭＯＳＦＥＴ以外の素子（例えば、トランジスタ等）が採用されてもよい。

また、電力回路モジュール４０は、インダクタ４６およびコンデンサ４７を備える。インダクタ４６は、電池モジュール３０と第２スイッチング素子４２の間に設けられている。コンデンサ４７は、電池モジュール３０と並列に接続されている。本実施形態では、電池モジュール３０の電池３１に二次電池が使用されているので、内部抵抗損失の増加による電池３１の劣化を抑制する必要がある。従って、電池モジュール３０、インダクタ４６、およびコンデンサ４７によってＲＬＣフィルタを形成することで、電流の平準化が図られている。

また、電力回路モジュール４０には温度検出部４８が設けられている。温度検出部４８は、第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２の少なくとも一方の発熱を検出するために設けられている。本実施形態では、第１スイッチング素子４１、第２スイッチング素子４２、および温度検出部４８は、１つの基盤に組み込まれている。従って、第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２の一方の故障が発見された時点で、基盤ごと交換される。よって、本実施形態では、１つの温度検出部４８が第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２の近傍に設けられることで、部品点数が削減されている。ただし、第１スイッチング素子４１の温度を検出する温度検出部と、第２スイッチング素子４２の温度を検出する温度検出部が別々に設けられていてもよい。温度検出部４８には、温度を検出する各種素子（例えばサーミスタ等）を使用できる。

図１および図２に示すように、ストリング１０内の複数の電池モジュール３０は、それぞれ電力回路モジュール４０を介在させてメインライン７に対して直列に接続されている。そして、電力回路モジュール４０の第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２が適宜に制御されることによって、電池モジュール３０はメインライン７に接続されたり、切り離されたりする。図２に示された電力回路モジュール４０の構成例では、第１スイッチング素子４１がオフとされ、且つ第２スイッチング素子４２がオンとされると、電池モジュール３０はメインライン７に接続される。第１スイッチング素子４１がオンとされ、且つ第２スイッチング素子４２がオフとされると、電池モジュール３０はメインライン７から切り離される。

スイープユニット（ＳＵ（Ｓｗｅｅｐ Ｕｎｉｔ））５０は、スイープモジュール２０に関する各種制御を行うようにスイープモジュール２０に組み込まれた制御ユニットであり、スイープ制御ユニットとも称される。詳細には、スイープユニット５０は、電力回路モジュール４０における第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２を駆動させる信号を出力する。また、スイープユニット５０は、スイープモジュール２０の状態（例えば、電池モジュール３０の電圧、電池３１の温度、および、スイッチング素子４１，４２の温度等）を、上位のコントローラ（本実施形態では、図１に示すＳＣＵ１１）に通知する。スイープユニット５０は、ストリング１０の複数のスイープモジュール２０にそれぞれ組み込まれている。ストリング１０の複数のスイープモジュール２０に組み込まれたスイープユニット５０は、順に繋がっており、ＳＣＵ１１から出力されたゲート信号ＧＳを順に伝搬するように構成されている。図２に示されているように、本実施形態では、スイープユニット５０は、ＳＵ処理部５１、遅延／選択回路５２、およびゲートドライバ５３を備えている。

ＳＵ処理部５１は、スイープユニット５０における各種処理を司るコントローラである。ＳＵ処理部５１には、例えばマイコン等を使用できる。ＳＵ処理部５１には、電圧検出部３５、温度検出部３６、および温度検出部４８からの検出信号が入力される。また、ＳＵ処理部５１は、上位のコントローラ（本実施形態ではストリング１０のＳＣＵ１１）との間で各種信号の入出力を行う。

ＳＣＵ１１からＳＵ処理部５１に入力される信号には、強制スルー信号ＣＳＳ、および強制接続信号ＣＣＳが含まれる。強制スルー信号ＣＳＳは、配電装置５からストリング１０に延びるメインライン７（図１参照）からの、電池モジュール３０を切り離すことを指示する信号である。つまり、強制スルー信号ＣＳＳが入力されたスイープモジュール２０は、配電装置５との間で電力を入出力するための動作をスルーする。強制接続信号ＣＣＳは、メインライン７に対する電池モジュール３０の接続の維持を指示する信号である。

遅延／選択回路５２にはゲート信号ＧＳが入力される。ゲート信号（本実施形態ではＰＷＭ信号）ＧＳは、第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２のオン状態とオフ状態の交互の繰り返しスイッチング動作を制御する信号である。ゲート信号ＧＳは、オンとオフが交互に繰り返されるパルス状の信号である。ゲート信号ＧＳは、まず、ＳＣＵ１１（図１参照）から、１つのスイープモジュール２０内の遅延／選択回路５２に入力される。次いで、ゲート信号ＧＳは、１つのスイープモジュール２０の遅延／選択回路５２から、他のスイープモジュール２０の遅延／選択回路５２に順に伝播されていく。

ストリング１０では、図３および図４に例示するスイープ制御が実行される。
ここで、図３は、スイープ動作におけるタイミングチャートの一例である。具体的には、図３には、全てのスイープモジュール２０にスイープ動作を実行させた場合の、各スイープモジュール２０の接続状態と、配電装置５に出力される電圧との関係が一例として示されている。図４は、強制スルー動作におけるタイミングチャートの一例である。具体的には、図４には、一部のスイープモジュール２０に強制スルー動作を実行させた場合の、各スイープモジュール２０の接続状態と、配電装置５に出力される電圧との関係が一例として示されている。

ストリング１０において実行されるスイープ制御では、ストリング１０に組み込まれた複数のスイープモジュール２０（例えば、Ｍ個）のうち、同じタイミングでＯＮになるスイープモジュール２０の数ｍが定められる。スイープ制御でのゲート信号ＧＳは、例えば、パルス波形で構成されている。ゲート信号ＧＳは、例えば、メインライン７に電池モジュール３０を接続するための信号波形と、電池モジュール３０をメインライン７から切り離すための信号波形とを順に並べられているとよい。ゲート信号ＧＳにおいて、メインライン７に電池モジュール３０を接続するための信号波形は、ストリング１０をスイープする予め定められた周期Ｔにおいて、メインライン７に接続する電池モジュール３０の数が組み込まれているとよい。また、電池モジュール３０をメインライン７から切り離すための信号波形は、ストリング１０に組み込まれた電池モジュール３０のうち、電池モジュール３０をメインライン７から切り離すことが必要な所要数が組み込まれている。電池モジュール３０をメインライン７から切り離すための信号波形や、電池モジュール３０をメインライン７から切り離すための信号波形は、適宜に波長などが調整される。

本実施形態のストリング１０では、Ｍ個のスイープモジュール２０が、配電装置５側からスイープモジュール２０Ａ，２０Ｂ，・・・，２０Ｍの順に直列に接続されている。以下では、配電装置５に近い側を上流側、配電装置５から遠い側を下流側とする。まず、ゲート信号ＧＳは、ＳＣＵ１１から、最も上流側のスイープモジュール２０Ａ内のスイープユニット５０の遅延／選択回路５２に入力される。次いで、ゲート信号ＧＳは、スイープモジュール２０Ａの遅延／選択回路５２から、下流側に隣接するスイープモジュール２０Ｂの遅延／選択回路５２に伝播される。下流側に隣接するスイープモジュール２０へのゲート信号の伝播が、最も下流側のスイープモジュール２０Ｍまで順に繰り返される。

ここで、遅延／選択回路５２は、ＳＣＵ１１または上流側のスイープモジュール２０から入力したパルス状のゲート信号ＧＳを、定められた遅延時間だけ遅延させて、下流側のスイープモジュール２０に伝播させることができる。この場合、遅延時間を示す信号が、ＳＣＵ１１からスイープユニット５０（例えば、本実施形態ではスイープユニット５０内のＳＵ処理部５１）に入力される。遅延／選択回路５２は、信号によって示された遅延時間に基づいて、ゲート信号ＧＳを遅延させる。また、遅延／選択回路５２は、入力したゲート信号ＧＳを遅延させずに、そのまま下流側のスイープモジュール２０に伝播させることもできる。

また、ゲートドライバ５３は、第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２のスイッチング動作を駆動する。遅延／選択回路５２は、ゲートドライバ５３の駆動を制御する信号を、ゲートドライバ５３に対して出力する。ゲートドライバ５３は、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２とにそれぞれ制御信号を出力する。電池モジュール３０をメインライン７に接続する場合、ゲートドライバ５３は、第１スイッチング素子４１をオフとし、且つ第２スイッチング素子４２をオンとするための制御信号を出力する。電池モジュール３０をメインライン７から切り離す場合、ゲートドライバ５３は、第１スイッチング素子４１をオンとし、且つ第２スイッチング素子４２をオフとするための制御信号を出力する。

本実施形態の遅延／選択回路５２は、ＳＣＵ１１などの制御装置によって制御され、スイープ動作、強制スルー動作、および強制接続動作を選択的に実行する。

例えば、スイープ動作では、ゲート信号ＧＳによって第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２が操作される。ストリング１０に含まれた複数の電池モジュール３０は、メインライン７に所定の順番で接続され、かつ、所定の順番で切り離される。その結果、ストリング１０は、メインライン７に接続される電池モジュール３０を短い制御周期で順次入れ替えながら、予め定められた数の電池モジュール３０がメインライン７に常時接続されたような状態で駆動する。かかるスイープ動作によって、ストリング１０は、メインライン７に接続される電池モジュール３０を短い制御周期で順次入れ替えつつも、予め定められた数の電池モジュール３０が直列に接続された１つの組電池のように機能する。かかるスイープ動作が実現するように、ストリング１０の各スイープモジュール２０がＳＣＵ１１によって制御される。かかる制御において、ＳＣＵ１１は、ストリング１０に対してゲート信号ＧＳを出力するとともに、各スイープモジュール２０に組み込まれたＳＵ処理部５１に制御信号を出力する。スイープ動作の一例の詳細な説明は、図３および図４に例示して後述する。

スイープ動作中には、遅延／選択回路５２は、入力されたゲート信号ＧＳをゲートドライバ５３にそのまま出力すると共に、ゲート信号ＧＳを遅延時間だけ遅延させて、下流側のスイープモジュール２０に伝播させる。その結果、スイープ動作中のスイープモジュール２０の電池モジュール３０は、ストリング１０内でタイミングがずらされつつ、メインライン７に順次接続され、かつ、メインライン７から順次切り離される。

強制スルー動作中には、遅延／選択回路５２は、入力されたゲート信号ＧＳに関わらず、第１スイッチング素子４１をオンで維持させ、且つ第２スイッチング素子４２をオフで維持させる信号を、ゲートドライバ５３に出力する。その結果、強制スルー動作中のスイープモジュール２０の電池モジュール３０は、メインライン７から切り離される。また、強制スルー動作中のスイープモジュール２０の遅延／選択回路５２は、ゲート信号ＧＳを遅延させずに、そのまま下流側のスイープモジュール２０に伝播させる。

強制接続動作中には、遅延／選択回路５２は、入力されたゲート信号ＧＳに関わらず、第１スイッチング素子４１をオフで維持させ、且つ第２スイッチング素子４２をオンで維持させる信号を、ゲートドライバ５３に出力する。その結果、強制接続動作中のスイープモジュール２０の電池モジュール３０は、メインライン７に常時接続される。また、強制接続動作中のスイープモジュール２０の遅延／選択回路５２は、ゲート信号ＧＳを遅延させずに、そのまま下流側のスイープモジュール２０に伝播させる。

遅延／選択回路５２は、上述のような所要の機能を奏する１つの集積回路として構成されていてもよい。また、遅延／選択回路５２は、ゲート信号ＧＳを遅延させる回路と、ゲートドライバ５３に選択的にゲート信号ＧＳを送る回路と組み合わせてもよい。以下に本実施形態における遅延／選択回路５２の構成例を説明する。

本実施形態では、図２に示されているように、遅延／選択回路５２は、遅延回路５２ａと、選択回路５２ｂとを備えている。遅延／選択回路５２に入力されたゲート信号ＧＳは、遅延回路５２ａに入力される。遅延回路５２ａは、ゲート信号ＧＳを所定の遅延時間だけ遅延させて選択回路５２ｂに出力する。また、遅延／選択回路５２に入力されたゲート信号ＧＳは、遅延回路５２ａを通らない別のルートでそのまま選択回路５２ｂに出力される。選択回路５２ｂは、ＳＵ処理部５１から指示信号を受けて、指示信号に応じて出力する。

ＳＵ処理部５１からの指示信号が、スイープ動作の実施を指示する場合には、選択回路５２ｂは、入力されたゲート信号ＧＳをそのまま当該スイープモジュール２０のゲートドライバ５３に出力する。ゲートドライバ５３は、電力回路モジュール４０に制御信号を出力し、第１スイッチング素子４１をオフとし、且つ第２スイッチング素子４２をオンとし、電池モジュール３０をメインライン７に接続する。他方で選択回路５２ｂは、１つ下流のスイープモジュール２０の遅延／選択回路５２に、遅延されたゲート信号ＧＳを出力する。つまり、電池モジュール３０がスイープ動作においてメインライン７に接続された場合には、１つ下流のスイープモジュール２０に所定の遅延時間だけ遅延したゲート信号ＧＳが送られる。

ＳＵ処理部５１からの指示信号が強制スルー信号ＣＳＳである場合には、選択回路５２ｂは、電池モジュール３０をスルーするための信号をゲートドライバ５３に出力する。強制スルー信号ＣＳＳが継続されることによって、強制スルー信号ＣＳＳを受けたスイープモジュール２０の電池モジュール３０は、メインライン７から切り離された状態で維持される。この場合、選択回路５２ｂによって、遅延回路５２ａを通らない別のルートで選択回路５２ｂに入力されたゲート信号ＧＳが、１つ下流のスイープモジュール２０に出力される。

ＳＵ処理部５１からの指示信号が強制接続信号ＣＣＳである場合には、選択回路５２ｂは、電池モジュール３０をメインライン７に接続するための信号をゲートドライバ５３に出力する。つまり、ゲートドライバ５３は、第１スイッチング素子４１をオフとし、且つ第２スイッチング素子４２をオンとし、電池モジュール３０をメインライン７に接続する。強制接続信号ＣＣＳが継続されることによって、電池モジュール３０は、メインライン７に接続された状態が維持される。この場合、選択回路５２ｂによって、遅延回路５２ａを通らない別のルートで選択回路５２ｂに入力されたゲート信号ＧＳが、１つ下流のスイープモジュール２０に出力される。

図１および図２に示されているように、本実施形態では、１つのストリング１０に含まれる複数のスイープユニット５０（詳細には、複数の遅延／選択回路５２）が、デイジーチェーン方式で順に接続されている。その結果、ＳＣＵ１１から１つのスイープユニット５０に入力されるゲート信号ＧＳが、複数のスイープユニット５０の間で順に伝播される。従って、ＳＣＵ１１における処理が簡素化され易く、信号性が増加することも容易に抑制される。しかし、ＳＣＵ１１は、複数のスイープユニット５０の各々に対して個別にゲート信号ＧＳを出力することも可能である。

スイープユニット５０は、インジケータ５７を備えている。インジケータ５７は、例えば、電池モジュール３０や電力回路モジュール４０などを含むスイープモジュール２０の状態を作業者に通知する。インジケータ５７は、例えば、スイープモジュール２０内の電池モジュール３０に不具合（例えば、故障および電池３１の劣化等）が検出されたこと（つまり、電池モジュール３０が交換すべき状態であること）を、作業者に通知することができる。

一例として、本実施形態のインジケータ５７には、発光素子の一種であるＬＥＤが用いられている。しかし、ＬＥＤ以外のデバイス（例えばディスプレイ等）がインジケータ５７として使用されてもよい。また、音声を出力するデバイス（例えばスピーカー等）がインジケータ５７として使用されてもよい。また、インジケータ５７は、アクチュエータ（例えば、モータまたはソレノイド等）によって部材を駆動させることで、スイープモジュール２０の状態を作業者に通知してもよい。また、インジケータ５７は、スイープモジュール２０の状態に応じて、異なる方法で状態が示されるように構成されているとよい。

本実施形態では、インジケータ５７の動作は、スイープユニット５０内のＳＵ処理部５１によって制御される。しかし、ＳＵ処理部５１以外のコントローラ（例えばＳＣＵ１１等）が、インジケータ５７の動作を制御してもよい。

本実施形態では、スイープユニット５０毎にインジケータ５７が設けられている。従って、作業者は、並べて配置された複数のスイープモジュール２０の中から、インジケータ５７によって状態が通知されているスイープモジュール２０を容易に識別することができる。しかし、インジケータ５７の構成を変更することも可能である。例えば、スイープユニット５０毎に設けられたインジケータ５７とは別に、またはインジケータ５７と共に、複数のスイープモジュール２０の状態を纏めて通知する状態通知部が設けられていてもよい。この場合、状態通知部は、例えば、１つのモニタに複数のスイープモジュール２０の状態（例えば、不具合が生じているか否か等）を纏めて表示させてもよい。

＜スイープ制御＞
ストリング１０において実行されるスイープ制御について説明する。ここで、スイープ制御は、ストリング１０の各電池モジュール３０にスイープ動作をさせるための制御である。ストリング１０において実行されるスイープ制御では、ＳＣＵ１１は、パルス状のゲート信号ＧＳを出力する。また、ストリング１０の複数のスイープモジュール２０におけるスイッチング素子４１，４２は、適宜にオンとオフが切り替えられて駆動する。その結果、電池モジュール３０のメインライン７に対する接続と、メインライン７からの切り離しが、スイープモジュール２０毎に高速で切り替えられる。さらに、ストリング１０は、上流側からＸ番目のスイープモジュール２０に入力するゲート信号ＧＳを、（Ｘ－１）番目のスイープモジュール２０に入力するゲート信号ＧＳに対して遅延させることができる。その結果、ストリング１０に含まれるＭ個のスイープモジュール２０のうち、メインライン７に接続されるｍ個（ｍ＜Ｍ）のスイープモジュール２０が、順次切り替えられる。これにより、ストリング１０に含まれた複数の電池モジュール３０が、メインライン７に所定の順番で接続され、かつ、所定の順番で切り離される。そして、予め定められた数の電池モジュール３０がメインライン７に常時接続されたような状態になる。かかるスイープ動作によって、ストリング１０は、予め定められた数の電池モジュール３０が直列に接続された１つの組電池として機能する。

図３は、ストリング１０に含まれる全てのスイープモジュール２０にスイープ動作を実行させた場合の、各スイープモジュール２０の接続状態と、配電装置５に出力される電圧の関係の一例を示すタイミングチャートである。１つのストリング１０に含まれるスイープモジュール２０の数Ｍは、適宜変更できる。図３に示す例では、１つのストリング１０に５個のスイープモジュール２０が含まれており、５個のスイープモジュール２０の全てにスイープ動作を実行させている。

また、図３に示す例では、ストリング１０のＳＣＵ１１に対し、配電装置５へ出力する電圧ＶＨ[Ｖ]を１００ＶとするＶＨ指令信号が入力されている。各々のスイープモジュール２０における電池モジュール３０の電圧Ｖｍｏｄ[Ｖ]は、４３．２Ｖである。また、ゲート信号ＧＳを遅延させる遅延時間ＤＬ[μｓｅｃ]は、電源システム１に求められる仕様に応じて適宜設定される。ゲート信号ＧＳの周期Ｔ（つまり、スイープモジュール２０の接続と切り離しの周期）は、スイープ動作を実行させるスイープモジュール２０の数Ｐ（≦Ｍ）に、遅延時間ＤＬを掛けた値となる。従って、遅延時間ＤＬを長く設定すると、ゲート信号ＧＳの周波数は低周波となる。逆に、遅延時間ＤＬを短く設定すると、ゲート信号ＧＳの周波数は高周波となる。図３に示す例では、遅延時間ＤＬは２．４μｓｅｃに設定されている。従って、ゲート信号ＧＳの周期Ｔは、「２．４μｓｅｃ×５＝１２μｓｅｃ」となる。

本実施形態では、第１スイッチング素子４１がオフとされ、且つ第２スイッチング素子４２がオンとされたスイープモジュール２０の電池モジュール３０が、メインライン７に接続される。つまり、第１スイッチング素子４１がオフとされ、且つ第２スイッチング素子４２がオンとされると、入出力回路４３に電池モジュール３０に対して並列になるように設けられたコンデンサ４７が接続されて、電力が入出力される。スイープモジュール２０のスイープユニット５０は、ゲート信号ＧＳがオンとなっている間に、電池モジュール３０をメインライン７に接続する。一方で、第１スイッチング素子４１がオフとされ、且つ第２スイッチング素子４２がオンとされたスイープモジュール２０の電池モジュール３０は、メインライン７から切り離される。スイープユニット５０は、ゲート信号ＧＳがオフとなっている間は、電池モジュールをメインライン７から切り離す。

なお、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２が同時にオン状態となると、短絡が発生してしまう。従って、スイープユニット５０は、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２を切り替える場合、一方の素子をオンからオフに切り替えた後、僅かな待機時間が経過した後に、他方の素子をオフからオンに切り替える。その結果、短絡の発生が防止される。

ＶＨ指令信号によって指令されたＶＨ指令値をＶＨ＿ｃｏｍ、各電池モジュール３０の電圧をＶｍｏｄ、スイープ動作を実行させるスイープモジュール２０の数（つまり、スイープ制御においてメインライン７への接続対象とするスイープモジュール２０の数）をＰとする。この場合、ゲート信号ＧＳにおいて、周期Ｔに対してオンの期間が占めるデューティー比は、「ＶＨ＿ｃｏｍ／（Ｖｍｏｄ×Ｐ）」で求められる。図３に示す例では、ゲート信号ＧＳのデューティー比は、約０．４６となる。なお、厳密には、短絡の発生を防止するための待機時間の影響で、デューティー比がずれる。従って、スイープユニット５０は、フィードバック処理またはフィードフォワード処理を用いて、デューティー比の補正を行ってもよい。

図３に示すように、スイープ制御が開始されると、まず、Ｐ個のスイープモジュール２０のうちの１つ（図３に示す例では、最も上流側のＮｏ．１のスイープモジュール２０）が接続状態となる。その後、遅延時間ＤＬが経過すると、次のスイープモジュール２０（図３に示す例では、上流側から２番目のＮｏ．２のスイープモジュール２０）も接続状態となる。この状態では、配電装置５へ出力される電圧ＶＨは、２つのスイープモジュール２０の電圧の合算値となり、ＶＨ指令値に達していない。さらに遅延時間ＤＬが経過すると、Ｎｏ．３のスイープモジュール２０が接続状態となる。この状態では、メインライン７に接続されるスイープモジュール２０の数は、Ｎｏ．１～Ｎｏ．３の３個となる。従って、配電装置５へ出力される電圧ＶＨは、３つのスイープモジュール２０の電圧の合算値となり、ＶＨ指令値よりも大きくなる。その後、Ｎｏ．１のスイープモジュール２０がメインライン７から切り離されると、電圧ＶＨは２つのスイープモジュール２０の電圧の合算値へ戻る。Ｎｏ．３の接続が開始されてから遅延時間ＤＬが経過すると、Ｎｏ．４のスイープモジュール２０が接続状態となる。その結果、メインライン７に接続されるスイープモジュール２０の数は、Ｎｏ．２～Ｎｏ．４の３つとなる。以上のように、スイープ制御によると、Ｍ個（図３では５個）のスイープモジュール２０のうち、メインライン７に接続されるｍ個（図３では３個）のスイープモジュール２０が、順次切り替えられる。

図３に示すように、ＶＨ指令値が、各電池モジュール３０の電圧Ｖｍｏｄで割り切れない場合もある。この場合、配電装置５へ出力される電圧ＶＨは変動する。しかし、電圧ＶＨは、ＲＬＣフィルタによって平準化されて、配電装置５へ出力される。なお、配電装置５から入力される電力を、各スイープモジュール２０の電池モジュール３０に蓄電する場合も、図３に例示したタイミングチャートと同様に、各スイープモジュール２０の接続状態が制御される。

＜強制スルー動作＞
図４を参照して、一部のスイープモジュール２０に強制スルー動作を実行させ、他のスイープモジュール２０にスイープ動作を実行させる場合の制御について説明する。前述したように、強制スルー動作の実行を指示されたスイープモジュール２０は、電池モジュール３０をメインライン７から切断した状態を維持する。図４に示す例では、Ｎｏ．２のスイープモジュール２０に強制スルー動作を実行させる点が、図３に示す例とは異なる。つまり、図４に示す例では、１つのストリング１０に含まれる５個のスイープモジュール２０のうち、スイープ動作を実行させるスイープモジュール２０の数（つまり、メインライン７への接続対象とするスイープモジュール２０の数）Ｐが４個となっている。ＶＨ指令値、各々の電池モジュール３０の電圧Ｖｍｏｄ、および遅延時間ＤＬは、図３に示す例と同じである。図４に示す例では、ゲート信号ＧＳの周期Ｔは、「２．４μｓｅｃ×４＝９．６μｓｅｃ」となる。ゲート信号ＧＳのデューティー比は、約０．５８となる。

図４に示すように、一部のスイープモジュール２０（図４ではＮｏ．２のスイープモジュール２０）に強制スルー動作を実行させる場合には、図３に例示した場合に比べて、スイープ動作を実行させるスイープモジュール２０の数Ｐが減少する。しかし、ストリング１０は、スイープ動作を実行させるスイープモジュール２０の数Ｐの減少に応じて、ゲート信号ＧＳの周期Ｔと、ゲート信号ＧＳのデューティー比を調整する。その結果、配電装置５に出力される電圧ＶＨの波形は、図３に例示した電圧ＶＨの波形と同じになる。従って、ストリング１０は、スイープ動作を実行させるスイープモジュール２０の数Ｐを増減させる場合でも、指令された電圧ＶＨを適切に配電装置５に出力することができる。

ストリング１０は、例えば、いずれかのスイープモジュール２０内の電池３１に不具合（例えば、劣化または故障等）が発生した場合には、不具合が発生した電池３１を含むスイープモジュール２０に強制スルー動作を実行させることができる。従って、ストリング１０は、不具合が発生していないスイープモジュール２０を用いて、指令された電圧ＶＨを適切に配電装置５に出力することができる。また、作業者は、ストリング１０を正常に作動させたまま、不具合が発生した電池３１を含む電池モジュール３０（つまり、強制スルー動作を行っているスイープモジュール２０の電池モジュール３０）を交換することができる。換言すると、本実施形態の電源システム１では、電池モジュール３０を交換する際に、ストリング１０全体の動作を停止させる必要が無い。

なお、一部のスイープモジュール２０に強制接続動作を実行させる場合には、強制接続動作を実行させるスイープモジュール２０の接続状態が、常時接続となる。例えば、図４に示すＮｏ．２のスイープモジュール２０に対し、強制スルー動作でなく強制接続動作を実行させる場合には、Ｎｏ．２の接続状態は、「切断」でなく「接続」で維持される。

電源システム１が複数のストリング１０を備える場合、上記で説明したスイープ制御は、複数のストリング１０の各々において実行される。電源システム１の全体を統合制御するコントローラ（本実施形態ではＧＣＵ２）は、上位システム６からの指令を満たすように、複数のストリング１０の動作を制御する。例えば、１つのストリング１０のみでは、上位システム６から要求されたＶＨ指令値を満たせない場合には、ＧＣＵ２は、複数のストリング１０に電力を出力させることで、ＶＨ指令値を満たすことも可能である。

＜ストリング＞
図１を参照して、ストリング１０および電源システム１の全体構成について詳細に説明する。前述したように、ストリング１０は、ＳＣＵ１１と、メインライン７に電力回路モジュール４０を介して直列に接続された複数のスイープモジュール２０を備えている。さらに、ストリング１０のメインライン７は、配電装置５から延びるバスライン９に接続されている。ストリング１０は、メインライン７における配電装置５側（上流側）から順に、バスライン電圧検出部２１、システム遮断器（システム遮断器は、適宜に、「ＳＭＲ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｍａｉｎ Ｒｅｌａｙ）」と称される。）２２、ストリングコンデンサ２３、ストリング電流検出部２４、ストリングリアクトル２５、およびストリング電圧検出部２６を備える。なお、一部の部材の配置を変更することも可能である。例えば、システム遮断器２２は、ストリングコンデンサ２３よりも下流側に設けられていてもよい。

バスライン電圧検出部２１は、配電装置５からストリング１０へ延びるバスライン９における電圧を検出する。システム遮断器２２は、ストリング１０と配電装置５の間の接続および遮断を切り替える。本実施形態では、システム遮断器２２は、ＳＣＵ１１から入力される信号に従って駆動される。ストリングコンデンサ２３およびストリングリアクトル２５は、ＲＬＣフィルタを形成することで、電流の平準化を図る。ストリング電流検出部２４は、ストリング１０と配電装置５の間に流れる電流を検出する。ストリング電圧検出部２６は、ストリング１０においてメインライン７に直列に接続された複数のスイープモジュール２０の電圧を足し合せた電圧、つまり、ストリング１０のストリング電圧を検出する。

図１に示された形態では、システム遮断器２２は、スイッチ２２ａとヒューズ２２ｂとを備えている。スイッチ２２ａは、ストリング１０を、配電装置５から接続したり、遮断したりするための装置である。スイッチ２２ａは、適宜に、ストリングスイッチと称されうる。このスイッチ２２ａをオンにすることにより、ストリング１０のメインライン７と、配電装置５のバスライン９とが接続される。このスイッチ２２ａをオフにすることにより、ストリング１０が配電装置５から切り離される。スイッチ２２ａは、ストリング１０を制御するＳＣＵ１１によって制御される。スイッチ２２ａが操作されることによって、ストリング１０は、配電装置５から適宜に遮断されたり、接続されたりする。ヒューズ２２ｂは、ストリング１０のメインライン７に、ストリング１０の設計上、予定されていない大電流が流れた場合にこれを停止するための装置である。ヒューズ２２ｂは、適宜にストリングヒューズと称される。

ここで、１つの電池モジュール３０に組み込まれる電池が同じ規格の電池であれば、組み込まれた電池の数が多ければ多いほど、１つの電池モジュール３０の電圧は高くなる。他方で、電池モジュール３０の電圧が高いと、作業者が扱う上で危険であり、かつ、重たくなる。かかる観点で、１つの電池モジュール３０には、満充電の状態で作業人が触れても、重大な事故にならない程度の電圧（例えば、６０Ｖ未満、好ましくは、例えば、４２Ｖ未満）で、かつ、一人の作業者で交換容易な程度の重量になる範囲内で、多くの電池が組み込まれているとよい。そして、ストリング１０に組み込まれる電池モジュール３０は、全て同じ電池で構成されている必要はなく、電池モジュール３０に組み込まれる電池の種類や規格などに応じて、１つの電池モジュール３０に組み込まれる電池の数が定められるとよい。ストリング１０では、かかる電池モジュール３０が組み込まれたスイープモジュール２０が、直列に組み合わされることで、所要の電圧が出力可能なように構成されている。さらに、この電源システム１は、複数のストリング１０が組み合わされることによって、電力系統８に接続されるための所要の電力を出力可能なように構成されている。

本実施形態では、電源システム１の複数のストリング１０が接続される配電装置５は、ストリング１０Ａ，１０Ｂ毎に接続されるサブ配電装置５Ａ，５Ｂを備えている。サブ配電装置５Ａ，５Ｂを通じて、サブ配電装置５Ａ，５Ｂに接続された各ストリング１０Ａ，１０Ｂは、並列に接続される。配電装置５は、各ストリング１０に接続されたサブ配電装置５Ａ，５Ｂを通じて、電力系統８から各ストリング１０Ａ，１０Ｂに入力される電力の分配や、各ストリング１０Ａ，１０Ｂから電力系統８に出力される電力の統合などを制御する。配電装置５およびサブ配電装置５Ａ，５Ｂは、上位システム６に接続されたＧＣＵ２と、各ストリング１０を制御するＳＣＵ１１との協働によって、複数のストリング１０が組み込まれた電源システム１が全体として１つの電源装置として機能するように制御される。

例えば、本実施形態では、配電装置５の下流側、つまり、各ストリング１０Ａ，１０Ｂ側は、直流電流で制御されている。配電装置５の上流側、つまり、電力系統８は、交流で制御されている。各ストリング１０Ａ，１０Ｂの電圧は、配電装置５を通じて、電力系統８の電圧に対して概ね均衡するように制御されている。電力系統８よりも各ストリング１０Ａ，１０Ｂの電圧が低くなるように制御されると、電力系統８から各ストリング１０Ａ，１０Ｂに電流が流れる。このとき、各ストリング１０Ａ，１０Ｂにおいてスイープ制御が行われると、適宜、電池モジュール３０が充電される。電力系統８よりも各ストリング１０Ａ，１０Ｂの電圧が高くなるように制御されると、各ストリング１０Ａ，１０Ｂから電力系統８へ電流が流れる。このとき、各ストリング１０Ａ，１０Ｂにおいてスイープ制御が行われると、適宜、電池モジュール３０から放電される。配電装置５は、各ストリング１０Ａ，１０Ｂの電圧を、電力系統８の電圧に対して均等に保ち、各ストリング１０Ａ，１０Ｂに電流がほとんど流れないように制御することもできる。本実施形態では、このような制御は、ストリング１０Ａ，１０Ｂが接続されたサブ配電装置５Ａ，５Ｂ毎に制御されうる。例えば、ストリング１０Ａ，１０Ｂ毎に電圧が調整されることによって、配電装置５に繋がれた複数のストリング１０Ａ，１０Ｂのうち一部のストリング１０には、ほとんど電流が流れないように制御することもできる。

この電源システム１では、配電装置５に並列に接続されたストリング１０の数を増やすことにより、電源システム１全体としての容量を大きくできる。例えば、この電源システム１によれば、電力系統８の急な需要増を吸収しうるような出力を出したり、電力系統８の急な電力不足を補ったりするような大型のシステムを組むことができる。例えば、電源システム１の容量を大きくすることによって、電力系統８の大きな余剰電力を適宜に電源システム１の充電に廻すことができる。例えば、深夜の電力需要が低い時間帯で発電所の出力が余る場合や、大型の太陽光発電システムで発電量が急増するような場合には、電源システム１は、配電装置５を通じて余剰電力を吸収しうる。反対に、電力系統８に電力需要が急増するような場合でも、上位システム６からの指令に従い、配電装置５を通じて電源システム１から電力系統８に適宜に所要の電力を出力することができる。これによって、電源システム１によって、電力系統８の電力不足が適宜に補われる。

この電源システム１では、ストリング１０に組み込まれた複数の電池モジュール３０のうち、全ての電池モジュール３０を常時接続する必要はない。上述のように電池モジュール３０毎に強制スルー動作を実行することができるので、電池モジュール３０に異常が生じた場合には、異常が生じた電池モジュール３０をストリング１０のスイープ制御から切り離すことができる。従って、この電源システム１では、電池モジュール３０に用いられる電池は、必ずしも未使用の新しい電池である必要はない。

例えば、ハイブリッド車や電気自動車などの電動車両の駆動用電源として用いられた二次電池が適宜に再利用されうる。かかる駆動電源として用いられた二次電池は、例えば、１０年程度使用されても、二次電池としての機能を十分に奏する。この電源システム１では、異常が生じた電池モジュール３０を直ぐに切り離すことができるので、例えば、必要な所要の性能を奏することを確認して、電池モジュール３０に組み込むとよい。電動車両の駆動用電源として用いられた二次電池は、順次回収される時期に来ている。電源システム１は、例えば、電動車両で１万台分の二次電池を組み込むようなこともでき、回収された二次電池を相当量吸収することができると考えられる。なお、電動車両の駆動用電源として用いられた二次電池の性能は、いつ劣化するか分からない。このような二次電池が電源システム１の電池モジュール３０に再利用されるような場合には、電池モジュール３０に不具合がいつ生じるか予測できない。

ここで提案される電源システム１によれば、スイープモジュール２０を通じて電池モジュール３０を適宜に切り離すことができる。このため、突発的に電池モジュール３０や電池モジュール３０に組み込まれた二次電池に不具合が生じても電源システム１全体は止める必要がない。

＜スイッチング素子の故障検知＞
ところで、上記したように、本実施形態に係る電源システム１では、スイッチング素子４１、４２にＭＯＳＦＥＴが用いられている。このＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子４１、４２は、ボディダイオード４１ａ，４２ａを有しているため、スイッチング素子４１、４２が断線故障した場合でも、ボディダイオード４１ａ，４２ａを通じて電流が流れることがある。このため、ストリング１０に組み込まれた複数のスイープモジュール２０のうち１つのスイープモジュール２０で、スイッチング素子４１、４２が断線故障した場合でも、ストリング１０全体では、正常な電圧、電流で電力の入出力が可能であるため、スイッチング素子４１、４２が断線故障した箇所を早期に検知することが難しい。

ここに提案される電源システム１は、スイッチング素子４１、４２の断線故障を検知する故障検知装置を備えている。この故障検知装置は、温度検知部４８と故障判定部とを備えている。温度検知部４８は、複数のスイープモジュール２０の温度をそれぞれ検知するように構成されている。また、故障判定部は、複数のスイープモジュール２０の中から選択される１つのスイープモジュール２０（検査対象のスイープモジュール２０）の温度Ｔ_ｍと、他のスイープモジュール２０の温度に基づいて定められる基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを判定するように構成されている。かかる故障検知装置を備えた電源システム１によると、検査対象のスイープモジュール２０のスイッチング素子４１、４２が故障しているか否かを容易に検知することができる。なお、上記故障判定部は、例えば、スイープユニット５０やＳＣＵ１１などの制御装置の一部の機能として構成されているとよい。

以下、本実施形態に係る電源システム１におけるスイッチング素子４１、４２の故障判定処理について具体的に説明する。
まず、ＳＣＵ１１は、検査対象のスイープモジュール２０を含む複数のスイープモジュール２０の各々に対して接続信号を送信する。この接続信号が入力されたスイープモジュール２０は、電力回路モジュール４０の第１スイッチング素子４１をオフにすると共に、第２スイッチング素子４２をオンにし、電池モジュール３０をメインライン７に接続する。図５に示すように、このようにスイッチング素子４１、４２が切り替えられた状態でメインライン７に充電電流が流れると、図中の矢印イの方向に電流が流れる。このとき、第２スイッチング素子４２が正常であれば、電流が第２スイッチング素子４２を通過するため、スイープモジュール２０の温度上昇の程度は小さいものになる。一方、第２スイッチング素子４２が断線故障している場合に矢印イの方向の充電電流が流れると、第２ボディダイオード４２ａに電流が流れ込み、当該第２ボディダイオード４２ａが発熱する。このように、第２スイッチング素子４２が断線故障しているスイープモジュール２０では、接続信号が送信された際にメインライン７に充電電流が流れると、第２ボディダイオード４２ａが発熱して基板温度が大きく上昇する。

本実施形態は、上述した第２ボディダイオード４２ａの発熱による基板温度の上昇が生じているか否かを温度検出部４８の検出結果に基づいて判定する。図２に示すように、温度検出部４８は、第１のスイッチング素子４１と第２のスイッチング素子４２との中間位置に配置された温度センサを備えており、当該中間位置における温度情報を検出し、ＳＵ処理部５１に送信する。ＳＵ処理部５１は、受信した温度情報を「スイープモジュール２０の温度」として処理し、ＳＣＵ１１（図１参照）に送信する。本実施形態では、ストリング１０内に存在する複数のスイープモジュール２０の各々の温度がＳＣＵ１１に送信される。

そして、ＳＣＵ１１は、受信した複数のスイープモジュール２０の温度の中から１つのスイープモジュールの温度Ｔ_ｍを選択し、これを「検査対象のスイープモジュールの温度Ｔ_ｍ」とする。さらに、ＳＣＵ１１は、選択した検査対象のスイープモジュールを除く他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}を算出し、この「他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}」を「基準温度Ｔ_Ｓ」とする。次に、ＳＣＵ１１は、上記「検査対象のスイープモジュールの温度Ｔ_ｍ」と「他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}」との差（Ｔ_ｍ－Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}）を算出する。そして、ＳＣＵ１１は、当該差（Ｔ_ｍ－Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを判定する。この故障判定処理の結果、上記（Ｔ_ｍ－Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}）が閾値ΔＴ_ｔｈを超えていると、検査対象のスイープモジュールにおいて、第２ボディダイオード４２ａの発熱による過剰な温度上昇が生じている、すなわち、第２スイッチング素子４２に断線故障が生じていると判断される。このように、本実施形態によると、ＭＯＳＦＥＴからなる第２スイッチング素子４２を用いている場合でも、検査対象のスイープモジュール２０の第２スイッチング素子４２が故障しているか否かを容易に検知することができる。

そして、本実施形態におけるＳＣＵ１１は、ストリング１０内に存在する複数のスイープモジュール２０に対して、検査対象のスイープモジュールを変更しつつ上記差（Ｔ_ｍ－Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}）が閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを順に判定する。すなわち、本実施形態におけるＳＣＵ１１は、検査対象のスイープモジュールを変更しながら、全てのスイープモジュールに対して故障判定処理を順次実施する。これによって、多数のスイープモジュール２０を備えた電源システム１において、第２スイッチング素子４２が故障したスイープモジュールを容易に特定することができる。

なお、上記故障判定処理における閾値ΔＴ_ｔｈは、第２スイッチング素子４２の性能や使用環境等を考慮して予め設定されていると好ましい。かかる閾値ΔＴ_ｔｈを設定する手順の一例を説明する。ここでは、第２スイッチング素子４２をオンにした際のドレイン－ソース間の抵抗を「Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}」とし、第２ボディダイオード４２ａの順方向に流れる電圧を「Ｖ_ＳＤ」とする。また、スイープモジュール２０周囲の温度を「Ｔ_ａ」とし、温度検出部４８で検出されるスイープモジュール２０の温度を「Ｔ_ｂ」とし、電池モジュール３０の電流を「Ｉ（Ａ）」とする。この場合、第２スイッチング素子４２が正常な場合のスイープモジュール２０の上昇温度（ΔＴ）は下記の式（１）で表され、第２スイッチング素子４２が断線故障している場合のスイープモジュール２０の上昇温度（ΔＴ’）は下記の式（２）で表される。
ΔＴ＝Ｔ_ｂ－Ｔ_ａ∝Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}・Ｉ^２ （１）
ΔＴ’＝Ｔ_ｂ－Ｔ_ａ∝Ｖ_ＳＤ・Ｉ （２）

そして、上記ΔＴに対する上記ΔＴ’の温度変化率（ΔＴ’／ΔＴ）は下記の式（３）で表される。
ΔＴ’／ΔＴ∝Ｖ_ＳＤ・Ｉ／Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}・Ｉ^２ （３）
故障判定処理における閾値ΔＴ_ｔｈは、例えば、上記式（３）に基づいて設定することができる。具体例として、第２スイッチング素子４２に株式会社インフィニオン製のＭＯＳＦＥＴ（型式：ＩＰＢ０６５Ｎ１５Ｎ３）を使用した場合には、上記Ｒ_{ＤＳ（ＯＮ）}が５ｍΩになり、Ｖ_ＳＤが１．０Ｖになる。そして、電池モジュール３０の電流Ｉを５０Ａと仮定すると、ΔＴ’／ΔＴ∝４となる。このことに基づいて上記閾値ΔＴ_ｔｈは、下記式（４）のように仮設定される。ＳＣＵ１１は、故障判定処理を実施する際に、下記の式（４）の「Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}－Ｔ_ａ」に温度情報を代入して具体的な閾値ΔＴ_ｔｈを設定する。
ΔＴ_ｔｈ＝（Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}－Ｔ_ａ）×０．５ （４）

次に、第１スイッチング素子４１の故障判定処理について説明する。第１スイッチング素子４１の故障を検知する場合、ＳＣＵ１１は、検査対象のスイープモジュール２０を含む複数のスイープモジュール２０の各々に対して切断信号を送信する。この切断信号が入力されたスイープモジュール２０は、電力回路モジュール４０の第１スイッチング素子４１をオンにすると共に、第２スイッチング素子４２をオフにし、電池モジュール３０をメインライン７から切断する。図６に示すように、この状態でメインライン７に放電電流が流れると、矢印ロの方向に電流が流れる。このとき、第１スイッチング素子４１が正常であれば、第１スイッチング素子４１を通過する電流が流れるため、スイープモジュール２０の温度上昇の程度は小さいものになる。一方、第１スイッチング素子４１が断線故障している場合に矢印ロの方向の放電電流が流れると、第１ボディダイオード４１ａに電流が流れ込み、当該第１ボディダイオード４１ａが発熱する。このように、第１スイッチング素子４１が断線故障しているスイープモジュール２０では、切断信号が送信された際にメインライン７に放電電流が流れると、第１ボディダイオード４１ａが発熱して基板温度が大きく上昇する。

ＳＣＵ１１は、上述した第２スイッチング素子４２の故障判定と同様に、切断信号が送信された各々のスイープモジュール２０のＳＵ処理部５１から「スイープモジュール２０の温度」を受信する。そして、受信した複数のスイープモジュール２０の温度の中から「検査対象のスイープモジュールの温度Ｔ_ｍ」を選択すると共に、「他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}」を算出し、これを「基準温度Ｔ_Ｓ」とする。次に、ＳＣＵ１１は、これらの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}）を算出し、当該差（Ｔ_ｍ－Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}）が閾値ΔＴ_ｔｈを超えているか否かを判定する。そして、当該差（Ｔ_ｍ－Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}）が閾値ΔＴ_ｔｈを超えている場合に、検査対象のスイープモジュール２０に第１スイッチング素子４１の断線故障が生じていると判断する。このように、本実施形態によると、検査対象のスイープモジュール２０の第１スイッチング素子４２が故障しているか否かを容易に検知することができる。

そして、ＳＣＵ１１は、上記第２スイッチング素子４２の故障判定処理と同様に、第１スイッチング素子４１の故障判定処理においても、検査対象のスイープモジュールを変更しながら、全てのスイープモジュール２０に対して故障判定処理を順次実施する。これによって、多数のスイープモジュール２０を備えた電源システム１において、第１スイッチング素子４１が故障したスイープモジュールを容易に特定することができる。

なお、第１スイッチング素子４１の故障判定処理における閾値ΔＴ_ｔｈも、上記第２スイッチング素子４２の故障判定処理における閾値ΔＴ_ｔｈと同様の手順で設定することができるため、ここでは詳しい説明を省略する。

そして、上述した故障判定処理の結果、第１スイッチング素子４１および第２スイッチング素子４２の何れかが故障したスイープモジュール２０が特定されると、ＳＣＵ１１は、このスイープモジュール２０のＳＵ処理部５１に故障信号を送信する。ＳＵ処理部５１は、この故障信号をインジケータ５７に伝播させ、スイッチング素子４１、４２が断線故障していることを、インジケータ５７を介して作業者に通知する。このように、本実施形態に係る電源システム１によると、スイッチング素子４１、４２の断線故障によって昇温したスイープモジュールを他のスイープモジュールとの比較によって特定することができるため、電源システム１の安全性向上に貢献することができる。

以上、本発明の一実施形態に係る電源システム１を説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されない。

例えば、上述の実施形態では、部品点数削減の観点から、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２との中間位置に温度センサを一個設け、当該中間位置で検出された温度を「スイープモジュールの温度」としている。しかし、温度センサの個数や配置位置は、上述の実施形態に限定されない。例えば、温度検出部は、第１スイッチング素子の近傍に配置される第１温度センサと、第２スイッチング素子の近傍に配置される第２温度センサとを個別に備えていてもよい。このように２つの温度センサを設けた場合、第１スイッチング素子の故障判定処理を行う際に第１温度センサからの温度情報を「スイープモジュールの温度」とみなし、第２スイッチング素子の故障判定処理を行う際に第２温度センサからの温度情報を「スイープモジュールの温度」とみなすと好ましい。このように、判定対象に応じて、使用する温度センサを切り替えることによってスイッチング素子の故障をより正確に検知できる。

また、ここに開示される電源システム１における故障判定部は、検査対象のスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを判定できるように構成されていればよく、故障判定処理の手順は上述した実施形態に限定されない。

例えば、上記差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かの判定を複数回実施し、閾値ΔＴ_ｔｈを超えた回数が、予め定めた基準値を超えた場合に、検査対象のスイープモジュールのスイッチング素子が断線故障していると判断してもよい。これにより、周囲の温度等のノイズによって誤作動することを防止し、より正確にスイッチング素子の断線故障を検出することができる。

また、上述した実施形態では、基準温度Ｔ_Ｓとして「検査対象のスイープモジュールを除く他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}」を採用しているが、基準温度Ｔ_Ｓには、これ以外の値を採用することもできる。例えば、「他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}」を算出する際に、強制スルー信号や強制接続信号が送信されているスイープモジュールを除外してもよい。これによって、より正確な故障判定処理を行うことができる。また、基準温度設定用のスイープモジュールを任意に複数選択し、当該「基準温度設定用のスイープモジュールの温度の平均値」を基準温度Ｔ_Ｓとして使用することもできる。さらに、基準温度Ｔ_Ｓは、複数のスイープモジュールの温度の平均値に限定されず、当該平均値以外の値を採用することもできる。例えば、スイッチング素子が正常であることが確認されているスイープモジュールの温度を基準温度Ｔ_Ｓとすることもできる。また、基準温度Ｔ_Ｓおよび検査モジュールの温度Ｔ_ｍは、単位時間あたりの上昇温度（温度上昇率）であってもよい。ただし、周囲の環境や電源システムの運転状況による影響を小さくするという観点から、基準温度Ｔ_Ｓには複数のスイープモジュールの温度の平均値を用いた方が好ましい。

また、上述した実施形態では、検査対象のスイープモジュールを変更しながら、全てのスイープモジュール２０に対して故障判定処理を順次実施している。しかし、全てのスイープモジュール２０を検査対象にする必要はなく、必要に応じて検査対象のスイープモジュールを適宜選択してもよい。例えば、スイッチング素子の故障が疑われるスイープモジュールを検査対象とし、故障判定処理を実施することによって、当該スイープモジュールのスイッチング素子が故障しているか否かを確認することができる。また、強制スルー信号や強制接続信号が送信されたスイープモジュールを検査対象から外し、他のスイープモジュールを順に検査対象にすることもできる。

以上、具体的な実施形態を挙げて本発明を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に記載した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。

１ 電源システム
２ ＧＣＵ（Ｇｒｏｕｐ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
５ 配電装置
５Ａ，５Ｂ サブ配電装置
６ 上位システム
７ メインライン
８ 電力系統
９ バスライン
１０ ストリング
１１ ＳＣＵ（Ｓｔｒｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）
２０ スイープモジュール
２１ バスライン電圧検出部
２２ システム遮断器
２２ａ スイッチ
２２ｂ ヒューズ
２３ ストリングコンデンサ
２４ ストリング電流検出部
２５ ストリングリアクトル
２６ ストリング電圧検出部
３０ 電池モジュール
３１ 電池
３５ 電圧検出部
３６ 温度検出部
４０ 電力回路モジュール
４１ 第１スイッチング素子
４２ 第２スイッチング素子
４１ａ，４２ａ ボディダイオード
４３ 入出力回路
４６ インダクタ
４７ コンデンサ
４８ 温度検出部
５０ スイープユニット（ＳＵ）
５１ ＳＵ処理部
５２ 遅延／選択回路
５２ａ 遅延回路
５２ｂ 選択回路
５３ ゲートドライバ
５７ インジケータ

Claims (6)

1. メインラインと、
   メインラインに接続された複数のスイープモジュールと、
   故障検知装置と
   を有し、
   前記スイープモジュールは、
   電池モジュールと、
   前記電池モジュールを前記メインラインに接続するように構成された入出力回路と、
   前記入出力回路に配置され、電池モジュールを前記メインラインとの間の接続と切断を切り替える、ＭＯＳＦＥＴからなる少なくとも１つのスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子にゲート信号を送るように構成されたスイッチング制御ユニットと
   を有し、
   前記故障検知装置は、
   前記複数のスイープモジュールのそれぞれの前記スイッチング素子の近傍の温度をスイープモジュールの温度として検知するように構成された温度検知部と、
   複数のスイープモジュールの中から選択される１つのスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと、他のスイープモジュールの温度に基づいて定められる基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを判定するように構成された故障判定部と
   を有する、電源システム。
2. 前記故障判定部は、前記複数のスイープモジュールについて前記選択される１つのスイープモジュールを変更しつつ、前記差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えたか否かを順に判定するように構成されている、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記基準温度Ｔ_Ｓは、複数のスイープモジュールのうち前記選択される１つのスイープモジュールを除く他のスイープモジュールの温度の平均値Ｔ_{ａｖｅ－ｍ}である、請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記スイープモジュールは、
   前記メインラインに対して直列に、かつ、前記電池モジュールに対して並列に取り付けられた第１スイッチング素子と、
   前記メインラインに前記電池モジュールを直列に接続するように、前記入出力回路に取り付けられた第２スイッチング素子と
   を有し、
   前記スイッチング制御ユニットは、
   前記第１スイッチング素子をオフにすると共に前記第２スイッチング素子をオンにすることにより前記メインラインに前記電池モジュールを接続する接続信号と、
   前記第１スイッチング素子をオンにすると共に前記第２スイッチング素子をオフにすることにより前記メインラインから前記電池モジュールを切断する切断信号と
   を送信できるように構成されており、
   前記温度検知部は、
   前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との中間位置に配置された温度センサと、
   前記温度センサから送信された信号に基づいて、前記スイープモジュールの温度を検知する処理部と
   を有する、請求項１から３までの何れか一項に記載の電源システム。
   
5. 前記故障判定部は、前記メインラインに充電電流が流れている際に、前記スイッチング制御ユニットから前記接続信号が送信されているスイープモジュールを選択し、当該選択されたスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと前記基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えている場合に、選択されたスイープモジュールの前記第２スイッチング素子が故障していると判定するように構成されている、請求項４に記載の電源システム。
6. 前記故障判定部は、前記メインラインに放電電流が流れている際に、前記スイッチング制御ユニットから前記切断信号が送信されているスイープモジュールを選択し、当該選択されたスイープモジュールの温度Ｔ_ｍと前記基準温度Ｔ_Ｓとの差（Ｔ_ｍ－Ｔ_Ｓ）が、予め定められた閾値ΔＴ_ｔｈを超えている場合に、選択されたスイープモジュールの前記第１スイッチング素子が故障していると判定するように構成されている、請求項４または５に記載の電源システム。

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