JP7318227B2

JP7318227B2 - 電源装置

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Publication number: JP7318227B2
Application number: JP2019022655A
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Inventors: 恭佑種村; 直樹柳沢; 修二戸村; 一雄大塚
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Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2023-08-01
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Description

本発明は、電池モジュールを直列接続した電源装置に関する。

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（特許文献１，２）。

特開２０１８－０７４７０９号公報特開２００２－３３０５８１号公報

ところで、特許文献１に記載された技術では、複数の電源回路モジュールから構成されるシステムにおいて、大電流で制御した場合に各電源回路モジュール内のコンデンサの容量を大きくする必要があり、製造コストが増大してしまう。

また、特許文献２に記載された技術では、チョッパ変換装置においてチョッパ出力電流値に対して連続的にスイッチング周波数を可変にする制御によってＩＧＢＴ（スイッチング素子）の損失が定格以下に抑制できる。スイッチング素子を保護するためには必要であるが、一方でコンデンサに対しての制約が記載されておらず、スイッチング周波数を可変とすることでコンデンサ電流が変化して、コンデンサが発熱する課題がある。

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の各々に設けられたスイッチ素子を制御することによって前記電池モジュールが相互に直列接続又は切断される電源装置であって、出力状態に応じて前記ゲート駆動信号による前記スイッチ素子のスイッチング周波数を変更することを特徴とする電源装置である。

ここで、前記出力状態は、出力電流の状態を含むことが好適である。前記出力状態は、出力電圧の状態を含むことが好適である。

また、前記出力電流を第１基準値以下に維持すると共に、前記電池モジュールの各々に含まれる二次電池に並列に接続されたコンデンサに流れるコンデンサ電流を第２基準値以下に維持するように前記スイッチング周波数を変更することが好適である。

本発明によれば、コンデンサに要するコストを低減しつつ、電源装置における過充電を避けて大電流での充電を可能にする。

本発明の実施の形態におけ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おける電池モジュールの制御を説明するタイムチャートである。本発明の実施の形態における電池モジュールの作用を示す図である。本発明の実施の形態における電源装置の制御を説明するタイムチャートである。本発明の実施の形態における数式（２）を示す図である。本発明の実施の形態におけるスイッチング周波数を設定する方法を説明する図である。本発明の実施の形態におけるスイッチング周波数を設定する方法を説明する図である。

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１６素子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、ＩＧＢＴ等の他の種類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の信号生成回路１０４ａから電池モジュール１０２に入力されるゲート駆動信号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、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、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、制御コントローラ１０４から強制切断信号又は強制接続信号を受けて制御される。ＡＮＤ素子２２の一方の入力端子には制御コントローラ１０４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制御コントローラ１０４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、制御コントローラ１０４からＡＮＤ素子２２に対してハイ（Ｈ）レベルの制御信号が入力され、ＯＲ素子２４に対してロー（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、制御コントローラ１０４は強制的に切り離す対象となる電池モジュール１０２のＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４に対して強制切断信号を送信する。制御コントローラ１０４からＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号（強制切断信号）が入力され、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号（強制切断信号）が入力される。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はゲート駆動信号の状態によらず直列接続から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に利用することができる。すなわち、電源装置１００が放電状態にある場合、電源装置１００の出力に関与している電池モジュール１０２のＳＯＣが低下するのに対して、電池モジュール１０２を強制切断状態とすることによって当該電池モジュール１０２のＳＯＣを維持することができる。また、電源装置１００が充電状態にある場合、電源装置１００の充電に関与している電池モジュール１０２のＳＯＣが増加するのに対して、電池モジュール１０２を強制切断状態とすることによって当該電池モジュール１０２のＳＯＣを維持することができる。

強制接続時には、制御コントローラ１０４は強制的に接続する対象となる電池モジュール１０２のＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４に対して強制接続信号を送信する。制御コントローラ１０４から電池モジュール１０２のＯＲ素子２４にハイ（Ｈ）レベルの制御信号（強制接続信号）を入力する。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はゲート駆動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。すなわち、電源装置１００が放電状態にある場合、ゲート駆動信号に応じて断続的に直列接続される電池モジュール１０２のＳＯＣの低下に対して、強制接続状態にされた電池モジュール１０２のＳＯＣをより早く低下させることができる。また、電源装置１００が充電状態にある場合、ゲート駆動信号に応じて断続的に直列接続される電池モジュール１０２のＳＯＣの増加に対して、強制接続状態にされた電池モジュール１０２のＳＯＣをより早く増加させることができる。

なお、本実施の形態における電源装置１００では、制御コントローラ１０４からＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４のいずれか又は両方を直接制御する構成としたが、制御コントローラ１０４からゲート駆動信号処理回路２０を介してＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４を制御する構成としてもよい。

［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に対して制御コントローラ１０４からハイ（Ｈ）レベルの制御信号が入力される。また、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のＯＲ素子２４に対して制御コントローラ１０４からロー（Ｌ）レベルの制御信号が入力される。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、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）がバイパスされたスルー状態となっている。

また、ゲート駆動信号Ｄ１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、電池モジュール１０２の全体を制御する。すなわち、複数の電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎを制御して電源装置１００としての出力電圧を制御する。

制御コントローラ１０４は、各電池モジュール１０２に対して矩形波のゲート駆動信号を出力する。ゲート駆動信号は、電池モジュール１０２ａに含まれるゲート駆動信号処理回路２０、電池モジュール１０２ｂに含まれるゲート駆動信号処理回路２０・・・と順次後段の電池モジュール１０２へと伝達される。すなわち、電源装置１００において直列に接続されている電池モジュール１０２の最上流側から順に所定の遅延時間ずつゲート駆動信号が遅延されて下流側へと伝達される。

通常制御時においては、ＡＮＤ素子２２に対してハイ（Ｈ）レベルの制御信号が入力され、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号が入力されているので、各電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０から出力された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。したがって、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。

図４は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎのうち所定の個数を順次直列に接続して電力を出力する制御シーケンスを示す。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，・・・１０２ｎが、一定の遅延時間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、期間Ｅ１は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの第１スイッチ素子１６がオフ、第２スイッチ素子１８がオンして、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎが出力端子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、期間Ｅ２は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの第１スイッチ素子１６がオン、第２スイッチ素子１８がオフして、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎが出力端子から電圧を出力していない状態（スルー状態）を示す。このように、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎは、一定の遅延時間を持って順次駆動される。

図４を参照して、ゲート駆動信号や遅延時間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，・・・１０２ｎの遅延時間を合計することによって設定される。このため、遅延時間を長くするほどゲート駆動信号の周波数は低周波となる。逆に、遅延時間を短くするほどゲート駆動信号の周波数は高周波となる。どのように当該周波数（スイッチング周波数）を設定するかについて後述する。

ゲート駆動信号の周期Ｔにおけるオン時比率Ｄ（オンデューティ）、すなわち、周期Ｔに対するゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルにある時間Ｔ_ＯＮの比率は、電源装置１００の出力電圧／電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの合計電圧（電池モジュール１０２の電池電圧×電池モジュール数）により算出される。すなわち、オン時比率Ｄ＝（電源装置１００の出力電圧）／（電池モジュール１０２の電池電圧×電池モジュール１０２の総数）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ことが好適である。

電源装置１００の出力電圧は、上述したように、電池モジュール１０２の電池電圧に接続状態にある電池モジュール１０２の数を乗算した値によって表される。電源装置１００の出力電圧が、一つの電池モジュール１０２の電池電圧で割り切れる値であれば、電池モジュール１０２がスルー状態から接続状態に切り替わる瞬間に、他の電池モジュール１０２が接続状態からスルー状態に切り替わるので、電池モジュール１０２の全体の出力電圧に変動はない。

しかし、電源装置１００の出力電圧が各電池モジュール１０２の電池電圧で割り切れない値であれば、電源装置１００の出力電圧（全体の出力電圧）が変動する。ただし、このときの変動振幅は１つの電池モジュール分の電圧であり、また、この変動周期は、ゲート駆動信号の周期Ｔ／電池モジュール１０２の総数となる。電池モジュール１０２の総数を多くすることによって、電源装置１００全体の寄生インダクタンスを大きな値とすることができ、この電圧変動はフィルタされて電源装置１００の出力電圧を安定化させることができる。

次に、具体例について説明する。図４において、例えば、電源装置１００としての所望の出力電圧が４００Ｖ、各電池モジュール１０２の電池電圧が１５Ｖ、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ数が４０個、遅延時間が２００ｎｓであるとする。なお、この場合は、電源装置１００の出力電圧（４００Ｖ）が、電池モジュール１０２の電池電圧（１５Ｖ）で割り切れない場合に相当する。

これらの数値に基づくと、ゲート駆動信号の周期Ｔは、遅延時間×電池モジュール総数により算出されるので２００ｎｓ×４０個＝８μｓとなる。したがって、ゲート駆動信号は１２５ｋＨｚ相当の周波数の矩形波とされる。また、ゲート駆動信号のオン時比率Ｄは、電源装置１００の出力電圧／（電池モジュール１０２の電池電圧×電池モジュール１０２の総数）により算出されるので、オン時比率Ｄは、４００Ｖ／（１５Ｖ×４０個）≒０．６７となる。

これらの数値に基づいて、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎを順次駆動すると、電源装置１００として、図４中、矩形波状の出力電圧Ｈ１が得られる。この出力電圧Ｈ１は、３９０Ｖと４０５Ｖとの間で変動する。すなわち、出力電圧Ｈ１は、ゲート駆動信号の周期Ｔ／電池モジュール総数により算出される周期、すなわち８μｓ／４０個＝２００ｎｓ（５ＭＨｚ相当）で変動する。この変動は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ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、電源装置１００全体としては約４００Ｖの出力電圧Ｈ２として出力される。

なお、各電池モジュール１０２のコンデンサ１４には、接続状態の場合に電流が流れ、図４に示すように、コンデンサ電流波形Ｊ１は矩形波になる。また、電池１０とコンデンサ１４はＲＬＣフィルタを形成しているので、電源装置１００にはフィルタリングされて平準化された電流Ｊ２が流れる。このように、全ての電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎにおいて電流波形は一様であり、また、全ての電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎから均等に電流を出力することができる。

以上説明したように、電源装置１００を制御する際、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１０２に順次伝達するので、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ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。これにより、電源装置１００から所望の電圧を出力させることができる。

電源装置１００によれば、昇圧回路が不要になり、電源回路の構成を簡素化することができる。また、電源装置１００を、小型化、低コスト化することができる。また、電力損失を生ずるバランス回路等も不要であり、電源装置１００の効率を向上させることができる。さらに、複数の電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎから略均等に電圧を出力しているので、特定の電池モジュール１０２に駆動が集中することもなく、電源装置１００の内部抵抗損失を低減することができる。

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，・・・１０２ｎに故障が発生して、使用困難な電池モジュール１０２が発生した場合でも、その故障した電池モジュール１０２を除外して、正常な電池モジュール１０２を使用して、ゲート駆動信号の周期Ｔ、オン時比率Ｄ、遅延時間を再設定することによって、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，・・・１０２ｎ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。

［強制切り離し制御］
次に、複数の電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のうち選択されたものを強制的に切り離す制御について説明する。制御コントローラ１０４は、強制的に切り離す対象とする電池モジュール１０２のＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４に対して強制切断信号を出力する。すなわち、強制切断の対象となる電池モジュール１０２に属するＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力し、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、該当する電池モジュール１０２はゲート駆動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。このような強制切り離し制御は、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。

例えば、電源装置１００が力行状態の場合、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の中からＳＯＣが相対的に低い電池モジュール１０２は電力消費量（単位時間当たりの放電電流積算量）が少なくなり、ＳＯＣのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２のＳＯＣをＳＯＣ制御目標値に近づけることができる。また、各電池モジュール１０２の充電エネルギーを効率良く使い切ることが可能となる。

また、力行状態でなく、回生状態のときにＳＯＣのアンバランスを解消する制御を行うこともできる。この場合、ＳＯＣが相対的に高い電池モジュール１０２を強制的に切り離す制御を行い、ＳＯＣが相対的に低い電池モジュール１０２へ優先的に電力を回生させることでＳＯＣのアンバランスを解消させる。すなわち、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の中からＳＯＣが相対的に高い電池モジュール１０２への電力供給（単位時間当たりの充電電流積算量）が少なくなり、ＳＯＣのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２のＳＯＣをＳＯＣ制御目標値に近づけることができる。また、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２に対してバランスよく充電することができる。さらに、充電容量の小さい電池モジュール１０２の過充電を防止することができる。

［強制接続制御］
次に、複数の電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のうち選択されたものを強制的に接続する制御について説明する。制御コントローラ１０４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に強制接続信号を出力する。すなわち、強制接続の対象となる電池モジュール１０２に属する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はゲート駆動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。

例えば、電源装置１００が回生状態の場合、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の中からＳＯＣが相対的に低い電池モジュール１０２への回生電力による充電が優先的に行われ、単位時間当たりの放電電流積算量が多くなり、ＳＯＣのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２のＳＯＣをＳＯＣ制御目標値に近づけることができる。また、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２に対してバランスよく充電することができる。

また、回生状態でなく、力行状態のときにＳＯＣのアンバランスを解消する制御を行うこともできる。この場合、ＳＯＣが相対的に高い電池モジュール１０２を強制的に接続する制御を行い、ＳＯＣが相対的に高い電池モジュール１０２の消費電力量を大きくすることでＳＯＣのアンバランスを解消させる。すなわち、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の中からＳＯＣが相対的に高い電池モジュール１０２からの電力供給（単位時間当たりの放電電流積算量）が大きくなり、ＳＯＣのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２のＳＯＣをＳＯＣ制御目標値に近づけることができる。また、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２の充電エネルギーを効率良く使い切ることが可能となる。

［スイッチング周波数の設定方法］
以下、電源装置１００におけるスイッチング周波数の設定方法について説明する。本実施の形態における電源装置１００では出力状態に応じてスイッチング周波数を設定する。

電源装置１００の出力電流Ｉｏの許容値及びコンデンサ電流Ｉｃの許容値は、電源装置１００を構成する要素のパラメータと出力電流Ｉｏの指令値（出力電流指令値Ｉａｖｅ）、スイッチング周波数ｆｓｗ等に対して以下の数式（１）及び数式（２）（図５）を満たす。

ここで、Ｔｓｗ：スイッチング周期、ｆｓｗ：スイッチング周波数、Ｎｍ：接続モジュール数、Ｖｂｕｓ：回路出力電圧、Ｌｃｈ：リアクトル、Ｖｂａｔ：車載電池電圧、Ｒｂａｔ：車載電池内部抵抗、Ｖｂａｔ＿ｍａｘ：車載電池満充電電圧、ｄｕｔｙ：デューティー比（スイッチング周期に対してＯＮ期間の割合）、Ｉｏ：出力電流、Ｉａｖｅ：出力電流指令値、Ｉｃ：コンデンサ電流、ｃ：コンデンサ静電容量、ｌｍ：インダクタンス、ｒｍ：電池内部抵抗、ｖｍ：電池電圧を示す。

出力電流Ｉｏは、図１に示した電流センサ３２によって測定される電源装置１００の出力状態を示す状態値である。出力電流Ｉｏは、出力電流指令値Ｉａｖｅに基づいて制御される。回路出力電圧Ｖｂｕｓは、図１に示した電圧センサ３４によって測定される電源装置１００の出力状態を示す状態値である。リアクトルＬｃｈは、電源装置１００の外部回路のリアクトル（寄生リアクトル等を含む）である。車載電池電圧Ｖｂａｔは、電源装置１００に接続される外部電池の電圧である。車載電池満充電電圧Ｖｂａｔ＿ｍａｘは、電源装置１００に接続される外部電池の満充電時の電圧であり、車載電池電圧Ｖｂａｔの最大値である。車載電池内部抵抗Ｒｂａｔは、電源装置１００に接続される外部電池の内部抵抗値である。これらの値は、予め取得可能であるか、電流センサ３２及び電圧センサ３４によって測定可能である。

コンデンサ電流Ｉｃは、接続状態にある電池モジュール１０２のコンデンサ１４を流れる電流値である。コンデンサ静電容量ｃは、接続状態にある電池モジュール１０２のコンデンサ１４の容量値である。インダクタンスｌｍは、接続状態にある電池モジュール１０２の内部インダクタンス値（寄生インダクタを含む）である。電池電圧ｖｍは、接続状態にある電池モジュール１０２の電池１０の電圧値である。電池電圧ｖｍは、図１に示す電圧センサ３０によって測定することができる。電池内部抵抗ｒｍは、接続状態にある電池モジュール１０２の電池１０の内部抵抗値である。これらの値は、予め取得可能であるか、電圧センサ３０によって測定可能である。

数式（１）及び数式（２）を使用し、出力電流指令値Ｉａｖｅに応じて許容できるスイッチング周波数ｆｓｗを算出して決定する。すなわち、数式（１）において出力電流Ｉｏをある第１基準値（許容値）以下に維持する条件を満たし、数式（２）において電池１０に並列に接続されたコンデンサ１４に流れるコンデンサ電流Ｉｃを別の第２基準値（許容値）以下に維持する条件を満たすスイッチング周波数ｆｓｗを算出する。これにより、電源装置１００の過充電を防ぎつつ、コンデンサ電流Ｉｃの許容範囲内で動作させることができる。

電源装置１００を搭載した車両等が低ＳＯＣ状態で使用されている場合、大電流で電源装置１００を充電する。このとき、図６に示すように、電源装置１００の出力電流のリプル許容領域は広く、かつ、コンデンサ電流Ｉｃを小さくする必要があるのでスイッチング周波数ｆｓｗは高ＳＯＣ状態に比べて低周波帯とする。例えば、出力電流Ｉｏが１５０Ａの場合にスイッチング周波数ｆｓｗを２ｋＨｚ程度とする。

一方、高ＳＯＣ状態で使用されている場合、小電流で電源装置１００を充電する。このとき、図７に示すように、電源装置１００の出力電流のリプル許容領域は狭く、かつ、コンデンサ電流Ｉｃを小さくする必要があるのでスイッチング周波数ｆｓｗは低ＳＯＣ状態に比べて高周波帯とする。例えば、出力電流Ｉｏが１０Ａの場合にスイッチング周波数ｆｓｗを２０ｋＨｚ程度とする。

電源装置１００によれば、コンデンサに要する製造コストを低減しつつ、過充電を避けて大電流での充電を可能にすることができる。

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、２２ＡＮＤ素子、２４ＯＲ素子、２６ＮＯＴ素子、３０電圧センサ、３２電流センサ、３４電圧センサ、１００電源装置、１０２電池モジュール、１０４制御コントローラ。

Claims

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の各々に設けられたスイッチ素子を制御することによって前記電池モジュールが相互に直列接続又は切断される電源装置であって、
出力電流を第１基準値以下に維持すると共に、前記電池モジュールの各々に含まれる二次電池に並列に接続されたコンデンサに流れるコンデンサ電流を第２基準値以下に維持するように、出力状態に応じて前記ゲート駆動信号による前記スイッチ素子のスイッチング周波数を変更することを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記出力状態は、出力電流の状態を含むことを特徴とする電源装置。
請求項２に記載の電源装置であって、
前記出力状態は、出力電圧の状態を含むことを特徴とする電源装置。