JPWO2007100035A1 - 電源システム - Google Patents

Abstract

電源システムは、２つ以上の電池（４０５、４０６）を、スイッチ群（４０２〜４０４、４０７〜４０９）で直列に接続して、VOH端子から高電圧を、VOL端子から電池電圧を取り出し、２組の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ（１０５、１０６）でそれぞれ電圧変換する。直列接続での放電に際して、電池（４０５、４０６）から放電している以外の期間で、各電池の残容量を計測し、それに基づいて、直列接続時の接続方法を制御して、各々の電池を放電容量まで放電できるよう制御する。

Description

本発明は、電源システムに関し、特にＤＣ−ＤＣコンバータに電源を供給する電源部の改良に関する。

携帯電話を筆頭とする携帯情報端末の電源システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。ＤＣ−ＤＣコンバータでは、その電源を構成する電池、電池の制御機能、及び、電池から取り出した電力を所要の電圧に変換する電圧変換機能について、以下の要求がある。第１に、電池の持ち時間の延長である。つまり、同一の１次電池では１つの電池あたりに、また、同一の２次電池では１回の充電あたりに、携帯情報端末に電源を供給できる時間をできるだけ延ばすことが求められる。このためには、まず、電池に蓄えられたエネルギーをできるだけ多く、且つ、残すことなく取り出すことが必要である。例えば、電池の残容量が減ってきたときには電池の端子電圧が低下するものの、低入力電圧でも所要の電圧を出力できる電圧変換機能があれば、この要求に応えることが出来る。しかし、この場合には、電圧変換機能での損失は最小に抑えねばならない。即ち、高効率な電圧変換機能が求められる。さらに、２次電池の使用時には、１回の充電でより多くのエネルギーを蓄える必要があり、これを実現するための充電機能が必要である。

第２に、携帯性向上のため、電池には特に小型化が求められている。電池を小型化すると、その引き替えとして、電池容量を減少せざるを得ない。したがって電池を小型化するためにも、上述の電池持ち時間延長の機能が望まれる。

第３に、複数の電圧値の電圧を出力し、かつそれらの出力・停止制御機能が求められる。携帯情報端末においては、一般的なデジタル信号処理に加え、ネットワークに接続するインターフェースや、画像、音声処理等のアナログ信号処理、場合によってはハードディスクドライブなどの駆動装置などに、それぞれ電源が必要であり、一般的には、それらは異なる電圧値で動作する。また、省電力化のため、それらの電源は、機能が不要なときには切断できることが望ましい。

第４に、出力電圧の可変機能が必要となることがある。一般的にデジタル回路では、消費電力は、動作クロックの周波数と電源電圧の２乗とに比例する。したがって高い情報処理能力が要求されない時には、動作クロック周波数を低下させて省電力化を図ることが一般に行われている。さらに、低動作クロック周波数下では、低電源電圧であっても動作可能となるので、電源電圧を下げてさらなる省電力化を実現している。近年は半導体製造のためのプロセスルールの微細化が進み、更なる低電圧下でも従来同様の高速動作が可能となってきている。

アナログ回路においては、例えば無線インターフェースの電力増幅器（ＰＡ）における最終段トランジスタの電源電圧は、最大出力電力を決める主たる要因となっている。しかし、逆に大出力を求められない場合には、最終段トランジスタの電源電圧を下げることにより、省電力化を図ることができる。アナログ回路では、デジタル回路とは逆に、伝送情報量の増大に伴い、より高出力化が求められている。また伝送情報量の増大により、アナログ信号処理回路には、従来以上に低歪みであることが要求されている。これらは従来以上に高い電源電圧を必要とする。

第５に、電池電圧変動幅の拡大、及び、電池の低電圧化に対応する必要がある。電池電圧は使用中に常に一定であるわけではない。したがって、電源回路は、電池電圧によらない一定した所要の出力電圧を維持しなければならない一方、電池の容量を有効に使い切るという目的のため、従来以上に低い電池電圧においても動作できることが求められる。

現在、電力変換効率が高い電源システムとして、図４に示す降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータが用いられている。図４（ａ）は、ダイオードを用いたスイッチングタイプの降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの基本回路である。同図において、電池２０８の出力は、スイッチ１０１を経て、チョークコイル１０２及びダイオード６０２に接続されている。スイッチ１０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器６０１の出力によって電池２０８の出力をオン−オフする。スイッチ１０１がオンすると、チョークコイル１０２に電流が流れ負荷側に出力されると共に、それに伴う逆起電力が生じ、チョークコイル１０２には、エネルギーが蓄えられる。ダイオード６０２はオフ状態である。

次にスイッチ１０１がオフすると、チョークコイル１０２には、スイッチ１０１がオンの時と逆向きの起電力が生じ、グランドからダイオード６０２、チョークコイル１０２と電流が流れて、負荷側に出力される。このときダイオード６０２はオン状態である。スイッチ１０１のオン・オフ時間比を制御することにより、コンバータの出力電圧を調整できる。この出力電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器６０１にも入力されており、これを基準電圧（図示しない）と比較して得た誤差電圧を用いて、出力電圧の調整を行う。この方式は、スイッチ１０１のオン又はオフ状態を用いるため、ここでの消費電力はほとんどなく、電力変換効率が高い。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のダイオード６０２をスイッチ３０１に置き換え、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器６０３で制御するようにしたものである。スイッチ３０１は、スイッチ１０１がオンの時はオフ、スイッチ１０１がオフの時はオンとなるよう制御され、その結果として、図４（ａ）のダイオード６０２と同じ動作をしていることになる。しかし、図４（ａ）の回路では、ダイオード６０２がオンの時は、ダイオードの順方向電圧と流れる電流の積で与えられる電力がダイオード６０２で消費されるのに対し、図４（ｂ）の回路では、スイッチ３０１にＭＯＳＦＥＴ等を使用することにより、オン時の消費電力をさらに削減できる。その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率を改善できると共に、発熱も抑制することができる。またこの方式では、出力電圧を下げたい場合に、スイッチ３０１をオンすることにより、容易に負荷容量、例えばコンデンサ１０３に蓄えられた電荷を接地面に逃がすことができ、出力電圧を下げる制御を高速に行うことができる。

上記のように、電池から電池電圧よりも低い電圧を生成する場合には、スイッチングタイプの降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、効率よく電圧変換を行うことができる。しかし、最近は、上述のように、電池電圧以上に高い電源電圧を要求する回路が増えつつあり、この場合には、電池電圧以上の出力電圧を取り出すことのできない降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは対応できない。

そこで、電池を２個以上直列に接続して高い電圧を取り出し、その出力をさらに降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータで効率よく電圧変換する方法が考えられる。しかし、この場合には、直列に接続された電池間の容量バラツキにより、放電時の直列に接続された電池全てを総合した放電容量（電池から放電できる電気の量）は、最も少ない放電容量の電池で決まってしまい、全ての電池の放電容量を有効に使いきることはできない。また、２次電池の場合には、充電時の直列に接続された２次電池全てを総合した充電容量（２次電池に充電できる電気の量）は、最も少ない充電容量の２次電池で決まってしまい、個々の２次電池の充電容量を使い切ることができない。さらに、電池の放電容量、充電容量がばらついた電池を組み合わせた場合には、最も放電容量の少ない電池においては過放電が、最も充電容量の少ない電池においては過充電が生じやすく、電池が劣化しやすい。バラツキを抑えるために電池を選別するとコストがかかる。また特性は経年変化等で変わるため、選別後にもバラツキは生じる。

上記を勘案すると、単一の電池から電池電圧以上の出力電圧を取り出す手段として、図５に示す昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータが挙げられる。図５（ａ）は、ダイオードを用いた昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータの基本回路である。

図５（ａ）において、電池２０８の出力はチョークコイル７０２を経て、スイッチ７０１及びダイオード７０４に接続されている。スイッチ７０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器７０５の制御によって、チョークコイル７０２の出力側の端子を断続的にグランドに接続する。スイッチ７０１がオンすると、チョークコイル７０２に電流が流れてそれに伴う逆起電力が生じ、同時にチョークコイル７０２にはエネルギーが蓄えられる。このときダイオード７０４はオフ状態である。次にスイッチ７０１がオフすると、チョークコイル７０２には、スイッチ７０１がオンの時と逆向きの起電力が生じ、電池２０８の電圧にチョークコイル７０２の起電力が加算された電圧が、ダイオード７０４を経て出力される。このときダイオード７０４はオン状態である。スイッチ７０１のオン・オフ時間比を制御することにより、出力電圧を調整できる。出力電圧はＤＣ−ＤＣコンバータ制御器７０５にも入力されており、これを基準電圧（図示しない）と比較して得た誤差電圧を用いて、出力電圧の調整を行う。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のダイオード７０４をスイッチ７０６に置き換え、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器７０７で制御するようにしたものである。スイッチ７０６は、スイッチ７０１がオンの時はオフ、スイッチ７０１がオフの時はオンとなるよう制御され、その結果、スイッチ７０６は図５（ａ）のダイオード７０４と同じ動作をしていることになる。しかし、図５（ａ）の回路では、ダイオード７０４がオンの時は、ダイオードの順方向電圧と流れる電流の積で与えられる電力がダイオード７０４で消費されるのに対し、図５（ｂ）の回路では、スイッチ７０６にＭＯＳＦＥＴ等を使用することにより、オン時の消費電力をさらに削減できる。その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率がさらに改善できると共に、発熱も抑制することができる。また、スイッチ７０６での電圧低下は、ダイオード７０４の順方向電圧降下よりも下げることができるので、より高い出力電圧を得ることが可能である。

しかし、図５の昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、電池電圧よりも低い出力電圧を取り出すことができない。この問題を解決するための方法として、スイッチングタイプの降圧型と昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを組み合せ、一部の回路を共用したものが、図６に示す昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータである。

図６において、電池電圧に対して所要出力電圧が低い場合には、スイッチ１０１、３０１及びチョークコイル１０２は、図４（ｂ）のコンバータと同様に、スイッチングタイプの降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして動作する。このときスイッチ７０１はオフ、スイッチ７０６はオンである。一方、電池電圧に対して所要出力電圧が高い場合には、チョークコイル１０２、スイッチ７０１、７０６は、図５（ｂ）のコンバータと同様に、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして動作する。このときスイッチ１０１はオン、スイッチ３０１はオフである。

上記のように、図６に示した昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いると、出力電圧範囲が電池電圧に制約されず広範囲に設定が可能である。しかし次に挙げる問題点がある。

まず、電池から取り出される電流値が出力電流よりも高くなる。これはスイッチ７０１がオンの期間には、エネルギーをチョークコイル１０２にため込むため、電流を出力せず、残りの期間に流すためであるが、この結果電池への負担が大きくなる。これは昇降圧型コンバータの起動時、及び、出力電圧の立ち上げ時に顕著である。

また出力電圧が電池電圧付近において、昇圧と降圧の間で切替えが発生するが、このときグランドに電荷を逃がす動作が増え、その結果として、電力変換効率が低下する。

以上に述べたように、電池電圧よりも高い高電圧を得ようとすると、従来の電源システムには以下の問題点がある。

第１の問題点は、高電圧を得るために電池を２個以上直列に接続して使用すると、全ての電池の放電容量を有効に使いきることはできないということである。これは、直列に接続された電池間での放電容量バラツキにより、総合した電池放電容量が最も少ない放電容量の電池で決まってしまうためである。

第２の問題点は、高電圧を得るために２次電池を２個以上直列に接続して使用すると、全ての電池の充電容量を有効に使うことはできないということである。これは、直列に接続された２次電池間での充電容量バラツキにより、総合した電池充電容量が最も少ない充電容量の電池で決まってしまうためである。

第３の問題点は、高電圧を得るために２次電池を２個以上直列に接続して使用すると、電池が劣化しやすいということである。これは、電池の放電容量や、充電容量がばらついた電池を組み合わせることとなり、最も放電容量が少ない電池においては過放電が、最も充電容量が少ない電池においては、過充電が発生しやすいためである。

第４の問題点は、高電圧を得るために直列に接続する電池について、放電容量又は充電容量のバラツキを抑えるために電池を選別することは困難であるということである。これは、電池を選別するにはコストがかかるためである。また、特性は経年変化等で変わるため、選別後にもバラツキが生じるためである。

特開２００２−３４５１６１号公報には、複数の電池（セル）から成る電池ブロックについて、その各セルのセル電圧を測定し、セル電圧が平均電圧よりも高い場合には、そのセルの放電スイッチをオンとし、セル電流を放電抵抗で放電させて、セル電圧を均等化する技術が記載されている。しかし、この技術では、電池の電力が無駄に消耗される。

第５の問題点は、高電圧を得るために２次電池を２個以上直列に接続することに代えて昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを採用すると、電池電圧よりも低い電圧が出力できず、また、昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを採用すると、電池電圧に近い電圧付近では、電力変換効率が低下することである。

発明の概要

上記に鑑み、本発明の目的は、高電圧を得るために２次電池を２個以上直列に接続した電源システムについて、直列に接続した電池の放電容量や充電容量などのばらつきによる影響を排除し、効率的な充電又は放電を行うことが出来る電源システムを提供することにある。

本発明は、第１及び第２の電池と、該第１の電池と第２の電池とを直列に接続した第１の電源電圧を出力すると共に、前記直列に接続した第１及び第２の電池の一方の電池の端子電圧を第２の電源電圧として出力する電源部を備える電源システムであって、
前記電源部は、前記第１の電池を前記一方の電池として選択する第１の態様と、前記第２の電池を前記一方の電池として選択する第２の態様とを切り替えるスイッチ群を有することを特徴とする電源システムを提供する。

本発明の電源システムによると、スイッチ群が第１及び第２の電池を直列に接続して、第１及び第２の電源電圧を出力する際に、第１及び第２の電池の内で電池の残容量が多い方の電池を、前記一方の電池として選択することにより、この一方の電池からは、より多くの電流が供給されるので、双方の電池の残容量がバランスするため、効率的な放電が可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る電源システムの回路図。 図１及び図３の電源システムに示す電池部の詳細を示す回路図。 本発明の第２の実施形態に係る電源システムの回路図。 （ａ）及び（ｂ）は、従来の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。 （ａ）及び（ｂ）は、従来の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。 従来の昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る電源システムを示す。同図において、本実施形態の電源システムは、スイッチ１０１、２０１、２０７、３０１、チョークコイル１０２、２０２、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２、コンデンサ１０３、２０３、及び、電池部（電源部）３０３を有する。スイッチ１０１、チョークコイル１０２、及び、スイッチ３０１は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０５を構成し、スイッチ２０１、チョークコイル２０２、及び、スイッチ２０７は、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を構成する。電池部３０３は、同じ型式の２つの電池から構成され、双方の電池が直列に接続された際に、高電位側に接続された電池の高電位側端子から第１の電源電圧を供給する高電位側出力端子VOH、及び、低電位側に接続された電池の高電位側端子から第２の電源電圧を供給する低電位側出力端子VOLを有する。

電池部３０３の高電位側出力端子VOHは、第１のコンバータのスイッチ１０１を介してチョークコイル１０２及びスイッチ３０１に接続される。スイッチ１０１は、電池部３０３の高電位側出力VOHを受け、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２からの第１のスイッチ信号を入力し、出力電力をチョークコイル１０２及びスイッチ３０１に出力する。チョークコイル１０２の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２、及び、コンデンサ１０３に入力されるとともに、電源システムの第１出力（出力１）として出力される。スイッチ３０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２の第２のスイッチ信号を入力し、スイッチ１０１の出力とグランド（接地面）との間に挿入される。

電池部３０３の低電位側出力端子VOLは第２のコンバータのスイッチ２０１に接続される。スイッチ２０１は電池部３０３の端子VOLからの出力と、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２からの第３のスイッチ信号とを入力し、出力電力をチョークコイル２０２及びスイッチ２０７に出力する。チョークコイル２０２の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２及びコンデンサ２０３へ入力されるとともに、電源システムの第２出力（出力２）として出力される。スイッチ２０７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２の第４のスイッチ信号を入力し、スイッチ２０１の出力および接地面に接続される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２から出力された電池部制御信号は、電池部３０３のＣＲ端子に入力される。図２は、図１に示す電池部３０３の詳細を示す。電池部３０３は、２つの電池４０５、４０６と、電池の接続を制御する双投型のスイッチ４０２〜４０４、４０７、４０８と、単投型のスイッチ４０９と、電池制御器４０１とを備える。

図２において、電池４０５は、スイッチ４０３、４０７の双方のC端子（共通端子）の間に挿入され、電池４０６は、スイッチ４０４、４０８の双方のC端子の間に挿入されている。スイッチ４０３のL端子、スイッチ４０４のR端子は、スイッチ４０２のC端子に接続される。スイッチ４０７のL端子、スイッチ４０８のR端子は接地される。スイッチ４０３のR端子、スイッチ４０４のL端子、スイッチ４０７のR端子、及び、スイッチ４０８のL端子は互いに接続され、かつ電池制御器４０１及びスイッチ４０９の一方の端子に接続される。スイッチ４０９の他方の端子は、低電位側出力端子VOLに接続される。スイッチ４０２は、L端子が電池制御器４０１に、R端子が高電位側出力端子VOHにそれぞれ接続される。各スイッチのS端子（制御端子）及びスイッチ４０９の制御端子は、電池制御部４０１に接続されている。また電池制御器４０１は、電池部制御信号端子(CR)に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２から、シリアル信号である電池部制御信号を受け取る。

次に、図１を参照し、第１の実施形態の動作を説明する。電池部３０３の高電位側出力端子VOHから取り出された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２、スイッチ１０１、３０１、チョークコイル１０２、コンデンサ１０３により構成された第１の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにより降圧され、第１出力として出力１端子から出力される。従って、出力１端子に設定可能な最高電圧は、高電位側出力端子VOHの電圧となる。
電池部３０３の低電位側出力端子VOLから取り出された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２、スイッチ２０１、２０７、チョークコイル２０２、コンデンサ２０３により構成された第２の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにより降圧され、第２出力として出力２端子から出力される。従って、出力２端子に設定可能な最高電圧は低電位側出力端子VOLの電圧となる。
さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２は、電池部制御信号を生成し、電池部３０３の電池部制御信号端子(CR)に入力する。電池部制御信号は、スイッチ１０１又はスイッチ２０１がオン状態となるタイミング情報や、これらスイッチのオン−オフ間隔の長さを示す情報を含む。スイッチ１０１又はスイッチ２０１がオンのとき、電池部３０３から電力が取り出されるが、オフの時には電池部３０３は、出力する必要はないので、この期間で電池部３０３の構成変更や充電量の監視処理を行うことができる。

図２を参照し、電池部３０３の動作詳細を説明する。電池４０５、４０６は、放電時には、スイッチ４０３、４０４、４０７、４０８を介して直列に接続される。スイッチ４０３、４０４、４０７、４０８は、各々電池制御器４０１からの制御信号により制御され、これにより直列接続状態にある電池４０５、４０６のどちらが高電位側となるかが決定される。

電池４０５、４０６が直列接続されるときに得られる電圧は、スイッチ４０２を介して高電位側出力端子VOHから出力される。スイッチ４０２は、電池制御器４０１からの制御信号により、放電時にはC-R端子を接続し、非放電時及び充電時にはC-L端子を接続するように切替を行う。電池４０５、４０６を接続するノードの電圧は、スイッチ４０９を介して出力端子VOLから出力される。スイッチ４０９は、電池制御器４０１からの制御信号により、オン−オフを行う。

電池制御器４０１は、電池部制御信号により放電を要求されている場合には、高電位側出力端子VOH、低電位側出力端子VOLから電力を出力するように、各スイッチを制御する。また、電池部制御信号により電池出力を要求されてない場合には、電池４０５、４０６の各々の両端電圧を測定し、どちらの残容量が多いかを判定し、次の出力時には残容量の多い方の電池が低電位側となるように接続する。高電位側の電池は、高電位側出力端子VOHからの出力電流のみを負担し、低電位側の電池は、高電位側出力端子VOH及び出力端子VOLの双方からの出力電流を負担する。このため、低電位側の電池は、高電位側の電池に比べて消耗が早い。電池制御器４０１は、電池４０５、４０６の残容量を監視し、多い方を優先して放電させるので、電池４０５、４０６は、各々の容量のバラツキによる差異に拘わらず、全容量を放電することができる。

一方、電池制御器４０１は電池充電回路を内蔵しており、電池の充電時には、スイッチ４０２のL端子を経由して、各々の電池の充電量を確認しつつ、スイッチ４０３、４０４、４０７、４０８により個別に充電可能である。したがって、電池制御器４０１は、電池４０５、４０６の各々の容量の差異に拘わらず、所定の容量値まで充電することができる。

上記実施形態の電源システムでは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２の制御にしたがって、電池部３０３の高電位側出力端子 (VOH)から電力の供給を受けて、これを電圧変換して第１の電圧値の出力を生成する。また、第２のＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２の制御にしたがって、電池部３０３の低電位側出力端子（VOL）から電力の供給を受けて、これを電圧変換して第２の電圧値の出力を生成する。これによって、単一の電池電圧値以上の電圧の出力が得られ、また、複数の電圧値の出力が可能になる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２は、第１の電圧値を入力し、それを所要の電圧値にするための制御信号を、第１のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチ１０１、３０１に対して出力する。また、第２の電圧値を入力し、それを所要の電圧値にするための制御信号を、第２のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチ２０１、２０７に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２は、双方のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチ１０１及びスイッチ２０１の少なくとも一方がオンになるタイミングを、電池出力要求信号として電池制御器４０１に通知する。また、双方のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチ１０１及び２０１のオン−オフ間隔が第１の所定値以上になることを検出または予知すると、電池切替制御信号を出力する。更に、双方のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチのオン−オフ間隔が第１の所定値よりも大きい第２の所定値以上になることを検出または予知すると、充電切替制御信号を出力する。ここでオン−オフ間隔とは、オフ状態からオン状態への変化と、それに続くオン状態からオフ状態への変化を一連の動作とし、この一連の動作の時間間隔、つまりオフ状態の時間長を指す。また、オン−オフ間隔の予知とは、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御器３０２が、電源システムを制御する外部制御系（図示しない）から予め出力停止等の指示を受け、それを認識した状態を指す。

電池部制御器４０１は、電池出力要求信号が発生していないときに、各電池の残容量を測定する。残容量の測定は各電池の端子電圧を測定することで行う。更に、電池切替信号が発生すると、電池残容量の測定結果が電池接続の切替えを要求している場合には、電池の接続を切り替える。更に、充電切替信号が発生した場合には、電池出力要求信号が発生していないタイミングで、電池の接続を放電モードから充電モードに切り替える。この充電モードでも、電池の残容量の測定が行われ、各電池は各々の充電容量まで、個別に充電される。

上記実施形態の電源システムでは、電池制御器４０１、スイッチ４０３、４０４、４０７、４０８が設けられているので、電池４０５、４０６の直列順序を入れ替えることができ、直列接続ノードから中間電圧値の電力を取り出すことができ、その結果、個々の電池の残容量を確認しつつ、各々の電池の放電を独立して制御することができる。このため、電池各々の残容量の差異に拘わらず、全容量を放電することができる。

さらに、本実施形態では、電池制御器４０１、スイッチ４０２、４０３、４０４、４０７、４０８、４０９を配設したことにより、各々の電池の充電量を確認しつつ、個別に充電することが可能である。したがって、電池の残容量の差異に拘わらず、各々の電池の上限値（充電容量）まで充電することができる。なお、上記実施形態では、電池２個の場合で説明したが、電池は３個以上任意の数が選択可能であり、また、これに応じてＤＣ−ＤＣコンバータの数も選択できる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る電源システムを示す。同図において、本実施形態の電源システムは、スイッチ５０１、５０２、リニアレギュレータ５０３、５０４、出力制御器５０５、及び、電池部（電源部）３０３を有する。リニアレギュレータ５０３は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータを構成し、リニアレギュレータ５０４は、第２のＤＣ−ＤＣコンバータを構成する。電池部３０３は、第１の実施形態と同じであるため説明を省略する。

電池部３０３の高電位側出力端子VOHは、スイッチ５０１を介してリニアレギュレータ５０３に接続される。スイッチ５０１は、電池部３０３の高電位側出力VOHを受け、出力制御器５０５からの第１のスイッチ信号を入力し、出力電力をリニアレギュレータ５０３に出力する。リニアレギュレータ５０３の出力は、電源システムの第１出力（出力１）として出力される。

電池部３０３の低電位側出力端子VOLはスイッチ５０２に接続される。スイッチ５０２は電池部３０３の端子VOLからの出力と、出力制御器５０５からの第２のスイッチ信号とを入力し、出力電力をリニアレギュレータ５０４に出力する。リニアレギュレータ５０４の出力は、電源システムの第２出力（出力２）として出力される。

出力制御器５０５から出力された電池部制御信号は、電池部３０３のＣＲ端子に入力される。電池部３０３は、第１の実施形態と同じであるため、その詳細説明は省略する。

次に、図３を参照し、第２の実施形態の電源システムの動作を説明する。電池部３０３の高電位側出力端子VOHから取り出された電力は、スイッチ５０１を経て、第１の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであるリニアレギュレータ５０３により降圧され、第１出力として出力１端子から出力される。従って、出力１端子に設定可能な最高電圧は、高電位側出力端子VOHの電圧となる。

スイッチ５０１は出力制御器５０５からの第１のスイッチ信号を入力し、それに基づいて電池部３０３の高電位側出力端子VOHとリニアレギュレータ５０３の接続または遮断を行う。
電池部３０３の低電位側出力端子VOLから取り出された電力は、スイッチ５０２を経て、第２の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであるリニアレギュレータ５０４により降圧され、第２出力として出力２端子から出力される。従って、出力２端子に設定可能な最高電圧は、低電位側出力端子VOLの電圧となる。スイッチ５０２は出力制御器５０５からの第２のスイッチ信号を入力し、それに基づいて電池部３０３の低電位側出力端子VOLとリニアレギュレータ５０４の接続または遮断を行う。

さらに、出力制御器５０５は、電池部制御信号を生成し、電池部３０３の電池部制御信号端子(CR)に入力する。電池部制御信号は、スイッチ５０１又はスイッチ５０２がオン状態となるタイミング情報や、これらスイッチのオン−オフ間隔の長さを示す情報を含む。スイッチ５０１又はスイッチ５０２がオンのとき、電池部３０３から電力が取り出されるが、オフの時には電池部３０３は電力を出力する必要はないので、この期間で電池部３０３の構成変更や充電量の監視処理を行うことができる。

上記第２の実施形態の電源システムでは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータであるリニアレギュレータ５０３は、出力制御器５０５の制御にしたがって、電池部３０３の高電位側出力端子 (VOH)から電力の供給を受けて、これを電圧変換して第１の電圧値の出力を生成する。また、第２のＤＣ−ＤＣコンバータであるリニアレギュレータ５０４は、出力制御器５０５の制御にしたがって、電池部３０３の低電位側出力端子（VOL）から電力の供給を受けて、これを電圧変換して第２の電圧値の出力を生成する。これによって、電池電圧値以上の電圧の出力が得られ、また、複数の電圧値の出力が可能になる。

出力制御器５０５は、スイッチ５０１及びスイッチ５０２の少なくとも一方がオンになるタイミングを、電池出力要求信号として電池制御器４０１に通知する。また、スイッチ５０１及びスイッチ５０２のオンーオフ間隔が第１の所定値以上になることを検出または予知すると、電池切替制御信号を出力する。更に、双方のスイッチ５０１及び５０２のオン−オフ間隔が第１の所定値よりも大きい第２の所定値以上になることを検出または予知すると、充電切替制御信号を出力する。ここでオン−オフ間隔とは、オフ状態からオン状態への変化と、それに続くオン状態からオフ状態への変化を一連の動作とし、この一連の動作の時間間隔、つまりオフ状態の時間長を指す。また、オン−オフ間隔の予知とは、例えば、出力制御器５０５が、電源システムを制御する外部制御系（図示しない）から予め出力停止等の指示を受け、それを認識した状態を指す。

上記第２の実施形態の電源システムでは、電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータとしてリニアレギュレータを用いているので、スイッチングタイプのＤＣ−ＤＣコンバータに存在するスイッチングノイズを生じることがなく、出力にスイッチングノイズが混入しない。

上記実施形態の電源システムにおける第１の利点は、単一の電池電圧値以上の電圧を電池から取り出す場合にも、電池への負担が大きくならないということである。これは、電池を直列に接続して単体の電池電圧以上の電圧を取り出すため、昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを使用する必要がないためである。

上記実施形態の電源システムにおける第２の利点は、出力電圧が単体の電池電圧値付近においても、電力変換効率が低下しないということである。これは、電池を直列に接続して単体の電池電圧値以上の電圧を取り出し、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータにより、出力電圧を得ることが出来るためである。

上記実施形態の電源システムにおける第３の利点は、高電圧を得るために電池を２個以上直列に接続して使用するとき、全ての電池を放電容量まで有効に使いきることができるということである。これは、電池の直列順序を入れ替え、個々の電池の残容量を確認しつつ、それらの直列接続ノードの中間電圧値の電力を取り出すことにより、各電池からの放電を個別に制御でき、その結果、双方の電池間で放電量の調整が可能となるためである。

上記実施形態の電源システムにおける第４の利点は、高電圧を得るために２次電池を２個以上直列に接続して使用するとき、全ての電池の充電容量を有効に使うことができるということである。これは、個々の電池の残容量を確認しつつ、各電池の充電を独立して行うことにより、充電量の調整が可能となるためである。

上記実施形態の電源システムにおける第５の利点は、高電圧を得るために２次電池を２個以上直列に接続して使用するとき、電池が劣化しにくいということである。これは、個々の電池の残容量を確認しつつ、各々の電池毎に放電、充電の調整を行うので、過放電、過充電が発生しないためである。

上記実施形態の電源システムにおける第６の利点は、高電圧を得るために直列に接続する電池について、放電容量又は充電容量のバラツキを抑えるための電池選別が必要ないということである。これは、個々の電池の残容量を確認しつつ、各電池毎に放電、充電の調整を行うので、電池間バラツキが吸収されるためである。

上記実施形態の電源システムにおける第７の利点は、スイッチングノイズが出力に混入しないということである。これは、電圧変換にリニアレギュレータを用いたためである。

上記実施形態において説明したように、本発明の好ましい態様の電源システムでは、本発明の構成に加えて、前記第１の電源電圧を第１の出力電圧に変換する第１のコンバータと、前記第２の電源電圧を第２の出力電圧に変換する第２のコンバータとを更に備える。各コンバータに異なる電源電圧を供給することにより、異なる出力電圧を出力する電源システムの構成が簡素化される。コンバータとしては、ＤＣ−ＤＣコンバータに限らず、ＤＣ−ＡＣコンバータなども採用できる。

前記電源部は、前記第１及び第２の電池の放電時の残容量を測定する残容量測定部を備え、前記スイッチ群は、前記残容量測定部による測定結果に基づいて、前記第１及び第２の電池の内で残容量が多い方の電池を前記一方の電池として選択することも本発明の好ましい態様である。これによって、電源システム内で、自律的に双方の電池の残容量をバランスさせることが可能になる。

また、前記第１及び第２のコンバータに含まれるまたは接続されるスイッチのオン−オフ間隔を監視する監視装置を更に備え、該監視装置が所定値以上のオン−オフ間隔の発生を検出または予知したときに、前記残容量測定部は、前記第１及び第２の電池の残容量を測定することも本発明の好ましい態様である。オン−オフ間隔が大きなときには、電池の残容量を測定した後にスイッチ群による電池の接続切替えのタイミングが容易にとれる。

更に、前記スイッチ群は、少なくとも前記第１及び第２のコンバータに含まれるまたは接続されるスイッチの何れもがオフのタイミングで、前記第１の態様と前記第２の態様との間の切替を行う。双方のコンバータの動作に合わせて切替えを行うことで、電源システムの負荷側に与える影響を軽減できる。

更に、前記スイッチ群は、前記監視装置が所定値以上のオン−オフ間隔の発生を検出または予知したときに、前記第１及び第２の電池を充電する第３の態様に前記第１及び第２の電池を接続することも好ましい。同様に、電源システムの負荷側に与える影響を軽減できる。

更に、前記残容量測定部は、前記スイッチ群が前記第１及び第２の電池を第３の態様に接続した際に、更に前記第１及び第２の電池の残容量を測定することも好ましい。この場合には、各々の電池の充電容量まで充電が可能になり、効率的な充電が可能になる。

更に、前記第１及び第２のコンバータが、何れも降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであることも本発明の好ましい態様である。この態様の電源システムによると、電池の直列接続時の電圧値以下の任意の電圧が出力可能になる。なお、これらの内の一方を昇圧型、又は、昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとしてもよい。これらの場合にも、直列に接続した電池の放電容量や充電容量などのばらつきをなくし、効率的な充電又は放電を行うことが出来るからである。また降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータはスイッチングタイプのみならず、リニアレギュレータ（ドロップタイプ）としてもよい。

更に、前記第１及び第２の電池に更に直列に、１つ以上の第３の電池を接続し、且つ、第３のコンバータを配置してもよく、或いは、記第１及び第２の電池を、直列または並列に同様に接続された同数の電池で構成してもよい。

以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の電源システムは、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

Claims (9)

1. 第１及び第２の電池と、該第１の電池（４０５）と第２の電池（４０６）とを直列に接続した第１の電源電圧を出力すると共に、前記直列に接続した第１及び第２の電池の一方の電池の端子電圧を第２の電源電圧として出力する電源部（３０３）を備え、
   前記電源部（３０３）は、前記第１の電池（４０５）を前記一方の電池として選択する第１の態様と、前記第２の電池（４０６）を前記一方の電池として選択する第２の態様とを切り替えるスイッチ群（４０２〜４０４、４０７〜４０９）と、を有することを特徴とする電源システム。
2. 前記第１の電源電圧を第１の出力電圧に変換する第１のコンバータ（１０５）と、
   前記第２の電源電圧を第２の出力電圧に変換する第２のコンバータ（１０６）とを更に備える、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記電源部（３０３）は、前記第１及び第２の電池の放電時の残容量を測定する残容量測定部（４０１）を備え、前記スイッチ群は、前記残容量測定部による測定結果に基づいて、前記第１及び第２の電池（４０５、４０６）の内で残容量が多い方の電池を前記一方の電池として選択する、請求項１に記載の電源システム。
4. 前記第１及び第２のコンバータ（１０５、１０６）に含まれるまたは接続されるスイッチのオン−オフ間隔を監視する監視装置（５０５）を更に備え、該監視装置が所定値以上のオン−オフ間隔を検出または予知したときに、前記残容量測定部（４０１）は、前記第１及び第２の電池の残容量を測定する、請求項３に記載の電源システム。
5. 前記スイッチ群（４０２〜４０４、４０７〜４０９）は、少なくとも前記第１及び第２のＤＣ−ＤＣコンバータ（１０５、１０６）に含まれるまたは接続されるスイッチの何れもがオフのタイミングで、前記第１の態様と前記第２の態様との間の切替を行う、請求項４に記載の電源システム。
6. 前記スイッチ群（４０２〜４０４、４０７〜４０９）は、前記監視装置が所定値以上のオン−オフ間隔を検出または予知したときに、前記第１及び第２の電池を個別に充電する第３の態様に前記第１及び第２の電池を接続する、請求項４に記載の電源システム。
7. 前記残容量測定部（４０１）は、前記スイッチ群（４０２〜４０４、４０７〜４０９）が前記第１及び第２の電池を第３の態様に接続した際に、更に前記第１及び第２の電池の残容量を測定する、請求項６に記載の電源システム。
8. 前記第１及び第２のコンバータ（１０５、１０６）が、何れも降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータである、請求項１に記載の電源システム。
9. 前記第１及び第２の電池（４０５、４０６）がそれぞれ、複数の電池で構成される、請求項１に記載の電源システム。

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