JP5484985B2 - 電源装置及びこの電源装置を備える車両 - Google Patents

Description

本発明は、多数の電池を直列に接続して出力電圧を高くしている電源装置及びこの電源装置を備える車両に関し、特に車両を走行させるのに最適な電源装置及びこの電源装置を備える車両に関する。

車両用の電源装置は、出力を大きくするために、多数の電池を直列に接続して電圧を高くしている。この電源装置は、直列に接続している電池を同じ充電電流で充電し、また同じ電流で放電する。したがって、全ての電池が全く同じ特性であれば、電池電圧や残容量にアンバランスは発生しない。しかしながら、現実には全く同じ特性の電池は製造できない。電池のアンバランスは、充放電を繰り返すときに、電圧や残容量の不均一となって生じる。さらに電池電圧のアンバランスは、特定の電池を過充電し、あるいは過放電させる原因となる。電池は過充電や過放電によって劣化するばかりでなく、電池の安全性の低下の原因ともなる。この弊害を防止するために、各々の電池の電圧を検出してアンバランスを解消する電源装置が開発されている（特許文献１参照）。

特許４０２９３５１号公報 特開２００３−３３３７６２号公報 特許４２４４５３１号公報

特許文献１に記載される電源装置は、直列電池群を構成する各々の電池と並列に放電回路を接続している。放電回路は、電圧の高くなった電池を放電して電圧を低下させて、電池のアンバランスを解消し、電池特性の均等化を行っている。

電池を放電して各々の電池を均等化する装置は、最低の電池を基準として残容量や電圧の高い電池を放電する。残容量の小さい電池は電圧が低くなるので、例えば均等化回路は電池の電圧を揃えるように、電圧の高い電池を放電して、低い電圧の電池と同じ電圧とする。したがって、多数の電池を直列に接続している電源装置は、特定の電池の残容量が小さくなって電圧が低くなると、この電池よりも電圧の高い他の全ての電池を放電して、電圧が同じとなるように均等化する必要がある。この場合、多数の電池を放電することから、全ての電池を放電するトータルの放電容量は大きくなる。さらに多数の電池から最低電圧の電池に電圧を均等化するので、電池電圧のアンバランスも大きくなって、高い電圧の電池を放電する容量も大きくなる。トータル放電容量が大きく、また特定の電池の放電容量が大きくなると、放電して発熱する発生熱量も大きくなる。発生熱量が放電容量に比例するからである。特許文献１の電源装置は、放電抵抗で電圧の高い電池を放電するので、この放電抵抗の発熱量が大きくなる。とくに、多数の放電抵抗からの発生熱量が大きくなると、回路基板に実装される放電抵抗の発熱を有効に放熱するのが難しくなる。また、消費電力の大きな放電抵抗は外形も大きいので、多数の放電抵抗を回路基板に実装するのも現実には難しくなる。このため、現実には回路基板に大きな消費電力の放電抵抗を実装するのが難しくなる。放電抵抗の消費電力は、電池を放電して電圧を低くする時間を特定する。放電抵抗の消費電力が、放電電流を制限するからである。したがって、回路基板に実装される小さい放電抵抗は、速やかに電池の電圧を低くすることが難しく、均等化に時間がかかる欠点がある。すなわち、電池を均等化する時間と、放電抵抗の大きなや発熱は互いに相反する特性であって、両方を満足できない。

本発明は、多数の電池を直列に接続している電源装置が有する以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の主な目的は、電池を均等化するトータルの電力を小さくしなから、多数の電池を速やかに均等化できる電源装置及びこの電源装置を備える車両を提供することにある。

また、各々の電池の均等化によって無駄に消費される電力を少なくして、電池を効率よく均等化できる電源装置及びこの電源装置を備える車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る電源装置によれば、複数の充電可能な電池１１を直列に接続してなる直列電池群１０と、前記直列電池群１０を構成する電池１１を放電又は充電して各々の電池１１の電気特性を均等化させるセルブロック均等化回路２０と、を備える電源装置であって、前記直列電池群１０が複数のセルブロックに分割されて、各々のセルブロックを構成する各々の電池１１を均等化するブロック内均等化回路を前記セルブロック均等化回路２０として接続しており、前記ブロック内均等化回路は、セルブロックを構成する電池１１を電源として動作するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側を各々の電池１１に接続する出力制御スイッチ２２と、前記出力制御スイッチ２２をＯＮ／ＯＦＦに制御するスイッチング制御回路２３と、を備えており、さらに前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、一次側スイッチング素子４１を介して一次側をセルブロックを構成する直列電池群１０に接続してなるトランス２１を備え、前記トランス２１は、前記セルブロックを構成する電池１１を充電可能な充電用の二次巻き線２４と、前記セルブロックを放電可能な放電用の二次巻き線２６を備えており、前記充電用の二次巻き線２４は、二次側整流出力回路２５と前記出力制御スイッチ２２を介して各々の電池１１に接続され、前記放電用の二次巻き線２６は、ブロック放電スイッチ２８を介してブロック放電回路に接続されると共に、前記ブロック放電スイッチ２８は前記スイッチング制御回路２３に制御されており、前記スイッチング制御回路２３が前記出力制御スイッチ２２を制御して、セルブロックを構成する各々の電池１１が均等化され、さらに前記スイッチング制御回路２３が前記ブロック放電スイッチ２８を制御して、各々のセルブロック間を均等化するよう構成することができる。これにより、セルブロック内の電池間の均等化のみならず、セルブロック間の均等化も図ることができ、電源装置の電池全体でバランスを維持できる。特に、容量の小さい電池に、他の電池から充電することによって、放電すべき量を低減でき、短時間でのリバランスが図られる上、放電電流量も小さくなるため、発熱量も抑制でき、回路の小型化にも寄与する。

また、第２の側面に係る電源装置によれば、前記ブロック放電回路を、ブロック放電抵抗２９、又は放電用の二次巻き線２６の出力を整流して出力する電源回路４２のいずれかとできる。これにより、ブロック間の均等化を図るために放電すべき電力を、ブロック放電抵抗で熱として消費する他、駆動用の電源回路で消費する電力の一部としても利用できる。

さらに、第３の側面に係る電源装置によれば、前記電源回路４２が、前記スイッチング制御回路２３に駆動電力を供給する回路、又は他の電池を充電する回路のいずれかとできる。これにより、放電で生じた電力を、スイッチング制御回路の駆動電力として利用したり、あるいは他の電池、例えば車載用の電装バッテリの充電などに利用でき、放電エネルギーの有効利用が図られる。

さらにまた、第４の側面に係る電源装置によれば、セルブロックを均等化する前記ブロック内均等化回路を制御する前記スイッチング制御回路２３の駆動電力を、均等化されるセルブロックから供給することができる。これにより、均等化対象のセルブロックの電力でスイッチング制御回路を駆動できるので、エネルギー消費のバランス面から好ましい。

さらにまた、第５の側面に係る電源装置によれば、さらに前記スイッチング制御回路２３を制御するメインＣＰＵ３０を備え、前記メインＣＰＵ３０が前記スイッチング制御回路２３に対して均等化信号を送出することで、前記スイッチング制御回路２３は電池１１を均等化するよう制御し、さらに、前記メインＣＰＵ３０からの所定の時間に渡って均等化信号が入力されない状態で、前記スイッチング制御回路２３は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側スイッチング素子４１をＯＦＦに保持するよう制御することができる。これにより、均等化動作が不要な場合は一次側スイッチング素子をＯＦＦして一次側電流の通電を停止し、消費電力を低減できる。

さらにまた、第６の側面に係る車両によれば、上記の電源装置を備えることができる。

本発明の実施の形態１に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 図１のブロック内均等化回路の例を示す回路図である。 電池のＳＯＣのばらつきを従来の均等化放電で解消する様子を示すグラフである。 アクティブ方式の均等化放電でＳＯＣばらつきを解消する様子を示すグラフである。 実施の形態２に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態３に係る予備電池を接続した電源装置を示すブロック図である。 図６のブロック内均等化回路の例を示す回路図である。 実施の形態４に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 エンジンとモータの走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示すブロック図である。 モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電源装置及びこの電源装置を備える車両を例示するものであって、本発明は電源装置及びこの電源装置を備える車両を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施の形態１）

図１に、本発明の実施の形態１に係る電源装置１００の構成を示す。このブロック図に示すように、電源装置１００は多数の電池１１を直列に接続した直列電池群１０を備えている。この直列電池群１０は、複数のブロック毎に分割されている。各ブロックは、一定数の電池１１を直列に接続したセルブロック１２を構成する。各セルブロック１２は、セルブロック１２に含まれる電池間のばらつきを抑制するためのセルブロック均等化回路２０を接続している。また各セルブロック均等化回路２０は、それぞれメインＣＰＵ３０に制御されて、セルブロック間のばらつきを抑制する均等化が図られる。メインＣＰＵ３０と各セルブロック均等化回路２０とは、通信インターフェースＣＩを介して通信可能に接続されている。
（セルブロック均等化回路２０）

図２に、セルブロック均等化回路２０の回路例を示す。この図に示すセルブロック均等化回路２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するトランス２１と、トランス２１の二次側に接続された出力制御スイッチ２２と、スイッチング制御回路２３を備える。特にトランス２１の二次側には、充電用の二次巻き線２４がタップを切る形で複数設けられている。この充電用の二次巻き線２４は、二次側整流出力回路２５と出力制御スイッチ２２を介して各々の電池１１に接続されている。さらに放電用の二次巻き線２６には、ブロック放電回路として、第二整流回路２７と、ブロック放電スイッチ２８と、ブロック放電抵抗２９とを接続している。またトランス２１の一次側には、一次側スイッチング素子４１を介して、電源回路４２と、セルブロックを構成する直列電池群１０に接続されている。
（電池１１）

均等化回路２０は、電池１１の電気特性を均等化してアンバランスを解消する。電気特性としては、電池の残容量（State Of Charge：ＳＯＣや電池の充電量、充電状態値等とも呼ばれる。以下「ＳＯＣ」ともいう）が挙げられる。ＳＯＣを電池電圧で代表させる場合は、電池電圧を均等化させる。

直列電池群１０を構成する電池１１は、リチウムイオン二次電池である。ただ、電池は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池も使用できる。均等化回路は、一の電池１１の電圧をセル電圧として検出して、各々の電池１１のセル電圧のアンバランスを解消するのを理想とする。ただ、本実施の形態に係る電源装置では、複数の電池を直列に接続して電池モジュールとし、電池モジュールの電圧をセル電圧として、電池モジュールの電圧のアンバランスを解消することもできる。電池１１をリチウムイオン二次電池とする電源装置は、好ましくはセル電圧を一の電池電圧とする。電池をニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とする電源装置は、例えば複数の電池を直列に接続している電池モジュールの電圧をセル電圧として、電池モジュールの電圧のアンバランスを解消する。このように、本明細書において電池は、単一の電池セルで構成する場合の他、複数の電池セルを直列及び／又は並列に接続したものも包含する。

直列電池群１０は複数のセルブロックに分割されており、各々のセルブロックを構成する各々の電池１１を均等化するセルブロック均等化回路２０が接続される。この電源装置１００は、セルブロック均等化回路２０として、１系統の一次側スイッチング回路と、複数のブロック内均等化回路と、１系統のブロック放電回路を備えている。
（一次側スイッチング回路）

一次側スイッチング回路は、一次側スイッチング素子４１を接続している。一次側スイッチング素子４１にはＦＥＴ等の半導体素子が利用できる。この一次側スイッチング素子４１は、後述するスイッチング制御回路２３によってＯＮ／ＯＦＦを制御される。一次側スイッチング素子４１のＯＮ／ＯＦＦによって一次側電流のデューティが制御され、二次側の電流出力が調整される。
（ブロック内均等化回路）

ブロック内均等化回路は、セルブロックを構成する電池１１を電源として動作するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側を各々の電池１１に接続する出力制御スイッチ２２と、出力制御スイッチ２２をＯＮ／ＯＦＦに制御するスイッチング制御回路２３とを備えている。
（ＤＣ／ＤＣコンバータ）

さらにＤＣ／ＤＣコンバータは、トランス２１を備える。このトランス２１は、一次側スイッチング素子４１を介して一次側を、セルブロックを構成する直列電池群１０に接続している。すなわち、トランス２１の一次側電力は、セルブロック全体から一次側スイッチング素子４１を介して供給される。さらにトランス２１は、セルブロックを構成する電池１１を充電可能な充電用の二次巻き線２４と、セルブロックを構成する電池を放電可能な放電用の二次巻き線２６を備えている。充電用の二次巻き線２４は、二次側整流出力回路２５と出力制御スイッチ２２を介して各々の電池１１に接続される。二次側整流出力回路２５は、整流ダイオードと平滑コンデンサで構成される。また出力制御スイッチ２２は、トランジスタなどの半導体スイッチング素子で構成される。

また放電用の二次巻き線２６は、ブロック放電スイッチ２８を介してブロック放電回路に接続される。さらにブロック放電スイッチ２８は、スイッチング制御回路２３によりＯＮ／ＯＦＦを制御される。
（ブロック放電回路）

ブロック放電回路は、第二放電経路と、ブロック放電スイッチ２８と、ブロック放電抵抗２９とを接続している。第二整流回路２７は、二次側整流出力回路２５と同じく、整流ダイオードと平滑コンデンサで構成される。ブロック放電スイッチ２８はトランジスタで構成され、ブロック放電抵抗２９は、ブロック放電スイッチ２８がＯＮの間に通電して抵抗放電を行うための抵抗器である。なお、ブロック放電抵抗に代えて、放電用の二次巻き線の出力を整流して出力する電源回路を設けることもできる。これにより、ブロック間の均等化を図るために放電すべき電力を、ブロック放電抵抗で熱として消費する他、駆動用の電源回路で消費する電力の一部としても利用できる。あるいは放電抵抗に代えて、コンデンサや他の電池等の蓄電器に放電して蓄電することもできる。

この電源装置１００は、スイッチング制御回路２３が出力制御スイッチ２２を制御して、セルブロック内の各電池１１が均等化され、さらにスイッチング制御回路２３がブロック放電スイッチ２８を制御して、セルブロック間を均等化する。このようにして均等化を二段階で行うことにより、多数の電池でも効率よくリバランスできる。また、セルブロック内の均等化は、容量の小さい電池に、他の電池から充電するアクティブ方式を採用することによって、放電すべき量を低減し、発熱量を抑制できることから、均等化回路を実装する回路基板の放熱量を抑制して回路の小型化が実現できる。さらに均等化に要する時間も短縮できる。図２の例では、ブロック放電回路を１系統とすることで、電源装置を構成する回路の簡素化を図ることができる。ただ、必要に応じてブロック放電回路を２系統以上設けてもよい。
（アクティブ放電）

図２の回路例では、セルブロック内の均等化には抵抗放電を使わず、ＳＯＣの低い電池セルを高い電池セルで充電するアクティブ放電を採用している。すなわち、従来の抵抗放電を用いた均等化方法では、最も低い電池セルのＳＯＣに合わせるように、他の電池セルを放電するため、図３において斜線領域で示すように、放電量Ｐ₁が大きくなる結果、放電抵抗の発熱量も大きくなって、放電抵抗を実装した基板の熱容量を大きくしなければならないという問題があった。これに対して、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて電荷の充放電により均等化させるアクティブ方式のブロック内均等化回路では、図４に示すようにＳＯＣが最低の電池セルを他の電池セルで充電するため、最低ＳＯＣが引き上げられ、また最高ＳＯＣが低下される結果、図４の斜線領域で示すように放電量Ｐ₂が小さくなり、発熱量も小さくなる。また発熱量が少ないことから、その分だけ均等化電流を大きく取ることができ、その結果短時間での均等化が可能になるというメリットが得られる。

ただ、この場合はＤＣ／ＤＣコンバータを構成するトランスが必須となる上、直列電池群を構成する電池セル数が３０〜８０本程度と多くなると、トランスの１対出力線に対してセル１個のみの接続となるため、トランスを大型化しない限り、１個のトランスで多数のセル数をカバーできなくなる。そこで本実施の形態では、直列電池群１０をブロック単位に分け、セルブロック単位で均等化する構成を採用することで、トランスの大型化を回避している。一セルブロックに含まれる電池のセル数は、例えば４〜１０セル程度とする。

以上のように、アクティブ方式の均等化回路では、ＳＯＣが低下した電池セルを充電できるため、抵抗放電のみの方式と比較して、ＳＯＣの高いセルからの放電電力量を小さくすることができる。抵抗放電の場合は、たとえ１セルのＳＯＣが低下した場合でも、他の全てのセルを該低下したセルに合わせて放電させる必要があったが、アクティブ方式の場合はＳＯＣの低下したセルに充電させるため、ＳＯＣの最大、最小の幅が狭まり、放電量そのものを小さくできる。本実施の形態では、小電力の抵抗放電回路をブロック毎に適用することで、ブロック内についてはアクティブ方式の均等化回路により均等化を行いつつ、ブロック間については電力の取り出しにより、他のブロックとの均等化を図ることで、回路構成の簡素化を図りつつ、効率的な均等化を実現している。

このＤＣ／ＤＣコンバータは、セルブロックの両端から放電させるスイッチング回路でブロック内均等化回路を構成している。そして、ブロック内均等化に際して、ＳＯＣの低い電池に充電すると共に、余剰電力はブロック放電回路のブロック放電抵抗２９で放電する。ただ、ブロック内均等化回路はこの構成に限られず、例えば二次側整流出力回路のうち１つに放電抵抗等を設けて、熱として電力を消費させてもよい。あるいは、二次側整流出力回路のうち１つに、他の電池を充電する回路を設けてもよい。これにより、単に余剰電力を熱として消費するに留まらず、例えば車載用の電装用１２Ｖ鉛バッテリ（後述する予備電池）の充電に利用することで放電エネルギーの有効利用が図られる。あるいは、放電で生じた電力を、スイッチング制御回路２３の駆動電力として利用することもできる。

さらに図２の回路例では、セルブロック均等化回路２０を動作させるための電源は、セルブロックを構成する直列電池群１０の総電圧から取得している。このように、セルブロック内における均等化の動作に必要な電力は、全て当該ブロックのセルから電源を供給することで、必要以上の電力を消費させない。例えば、別途接続された予備電池を消費させずに、均等化で消費する電力自体を、均等化の動作に用いて電池の効率的な利用を図ることができる。

なおスイッチング回路が定常的に動作すると、電源の負担は均等化回路が動作していない場合と比較して増大することになる。このため電源はスイッチング回路の出力で補うことで、このような消費電力の抑制が図られる。なお、電力をＤＣ／ＤＣコンバータの二次側整流出力端子の１つから供給することもできる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方式として、二次側整流出力回路が充電する電池セルの数Ｎに応じて、一次側入力電力をｎ倍することもできる。この場合、ｎの範囲は１〜（ブロック内セル数の１／２程度）とできる。一のセルブロック均等化回路においては、充電対象の電池セル数Ｎが増加するにつれて、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を１／Ｎずつで充電するため、均等化時間が長くなる。このため、充電すべき電池セル数の増加に応じて、一次側スイッチング回路のブロック放電スイッチのデューティを制御することで入力電力をＮ倍し、充電すべき電池セル数に合わせて短時間で均等化を行うことができる。
（メインＣＰＵ３０）

スイッチング制御回路２３は、メインＣＰＵ３０により制御される。メインＣＰＵ３０がスイッチング制御回路２３に対して均等化信号を送出することで、スイッチング制御回路２３は電池１１を均等化する制御を行う。

またメインＣＰＵ３０は、ブロック内均等化及びブロック間均等化を行うため、各電池１１の電池電圧や、セルブロック毎のブロック電圧を監視している。このため各電池１１は、電圧センサや温度センサ等のセンサ手段４８と接続されており、その出力をスイッチング制御回路２３やメインＣＰＵ３０に送出している。また、ブロック内均等化については、メインＣＰＵで受け持つことなく、各セルブロックのスイッチング制御回路２３で行うよう構成してもよい。この場合は、各電池１１の電圧センサ等の出力はスイッチング制御回路２３に送出され、スイッチング制御回路２３が各々、ブロック内均等化を行う。この場合であっても、各セルブロックのブロック内均等化動作を把握するため、ブロック内均等化の実行有無や電池電圧などの情報についてメインＣＰＵに送出することが好ましい。

図２の例では、メインＣＰＵ３０がブロック内均等化を行う。具体的には、各セルブロックにおいて、電池の電池電圧のばらつきが、所定の電池電圧差閾値よりも大きくなったことをセンサ手段４８で検出すると、該当するセルブロックのスイッチング制御回路２３に対して均等化信号を送出し、ブロック内均等化を実施する。すなわち、最も低い電池電圧の電池に接続された出力制御スイッチ２２をＯＮに切り替えて、この電池を充電する。電池の充電は、該当するセルブロックに含まれる他の電池から行われるため、低い電池電圧が上昇すると共に、高い電池電圧も放電によって若干低下し、その結果電池電圧の差が小さくなる。その差が所定の電圧差閾値よりも小さくなったことをセンサ手段４８で検出すると、該当する出力制御スイッチ２２をＯＮからＯＦＦに切り替えて、ブロック内均等化を終了する。

一方でメインＣＰＵ３０は、各セルブロックのブロック電圧に基づいて、スイッチング制御回路２３に対して均等化信号を送出し、ブロック間均等化を行う。すなわち、最も低いブロック電圧が所定のブロック電圧閾値を下回ると、他のブロック電圧の高いセルブロックに対して、ブロック放電スイッチをＯＮに切り換えてブロック放電回路を駆動し、ブロック放電抵抗の抵抗放電によって放電させ、ブロック電圧を低下させてブロック電圧差を低減させる。メインＣＰＵが、ブロック電圧の高いセルブロックのブロック電圧低下によって、ブロック電圧差が所定範囲内に低減されたことを検出すると、ブロック電圧の低いセルブロックのブロック放電スイッチをＯＦＦに切り換えて、ブロック間均等化を終了する。
（実施の形態２）

図２の例では、電源回路４２が直列電池群１０の総電圧であるブロック電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ等で降圧して、スイッチング制御回路２３などの各部材の駆動電力を供給している。ただ、この方式ではブロック電圧と各部材を構成するマイコン類の駆動電力との差が大きくなると、電圧変換の損失が大きくなる。そこで、好ましくは上述の通り、放電用の二次巻き線２６から電圧を取り出して、これを駆動用の電源電圧として利用することで、放電で消費されるべき電力を有効活用でき、好ましい。図５に、このような回路例を実施の形態２として示す。この図に示す電源装置のセルブロック均等化回路２０Ｂは、図２とほぼ同じ回路構成であり、第二整流回路２７の平滑コンデンサの高電圧側を電源回路４２に取り出すと共に、この電圧を電源回路４２で変換（例えば降圧）して、スイッチング制御回路２３に供給している。これにより、ブロック放電回路が動作している間は、この電力を利用してスイッチング制御回路２３を駆動でき、放電すべき電力の効率的な利用が図られる。
（一次側電流自動ＯＦＦ機能）

また、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するトランスの一次側電流は常時通電することもできるが、均等化動作を行わない場合に通電すると、損失となる。そこで、一定時間以内にメインＣＰＵ３０からの均等化信号が来ない場合には、自動的に一次側スイッチング回路の発振を停止させるタイマ機能を持たせて、不要時には均等化動作を停止させることで消費電力を低減することもできる。タイマ機能は、例えばスイッチング制御回路２３に持たせる。スイッチング制御回路２３はメインＣＰＵ３０からの所定の時間に渡って均等化信号が入力されない状態で、一次側スイッチング素子４１をＯＦＦに保持する。

またスイッチング制御回路２３は、定期的にメインＣＰＵ３０がセル電圧を測定することで均等化の終了を判断し、均等化動作を停止させる。ただ、均等化動作中に点検等により誤って予備電池が外された場合、タイマ機能がない場合は均等化動作が継続されるため、直列電池群の各セルＳＯＣがかえってずれてしまうか、ＳＯＣの低下により車両がスタートしないという状況に至る可能性もある。そこで、上述のように一定時間内で自動的に停止するタイマ機能によって、このような意図しない予備電池の取り外しが生じた場合にも、均等化動作を中止してＳＯＣの演算ずれを回避できる。
（実施の形態３ 予備電池の充電機能）

また一方で、均等化の際に生じる電力を、予備電池の充電に利用することもできる。このような回路例を実施の形態３として、図６及び図７に示す。これらの図において、図６は予備電池５０を接続した電源装置３００のブロック図を、図７は図６のセルブロック均等化回路２０Ｃの回路例を、それぞれ示している。これらの図に示す予備電池５０は、例えば車載用途においては、電装用の１２Ｖ鉛バッテリであり、直列電池群１０は車両の走行用バッテリに該当する。図６のブロック図に示す電源装置３００は、図１のメインＣＰＵ３０と各セルブロック均等化回路間を通信可能に接続する通信インターフェースＣＩに加え、予備電池５０を充電するための予備電池接続インターフェースＢＩを設け、各セルブロック均等化回路２０Ｃと予備電池５０とを予備電池接続インターフェースＢＩを介して接続している。また、図２と同様にトランス２１を用いることで、トランス２１の一次側に予備電池５０を、二次側に直列電池群１０を接続して、両者を電気的に絶縁することができ、安全性を高められる。
（電圧監視回路４４）

また図７のセルブロック均等化回路２０Ｃの回路例に示すように、図２のブロック放電抵抗に代えて、放電電圧を検出するための電圧監視回路４４を接続すると共に、ブロック放電回路のブロック放電スイッチ２８を、予備電池接続インターフェースＢＩと直列に接続している。これによって、ブロック間均等化の際の電力を、予備電池５０の充電に有効利用できる。

また、この構成において予備電池５０が企図せず外された際や接触不良には、放電が行われない結果電源電圧が上昇する可能性があるため、電圧監視回路４４で電圧を監視して、所定の停止電圧閾値を超えた際には異常と判定してブロック放電回路の放電を停止させる。これによって、企図しない予備電池の不存在に拘わらず、安全性を高めることができる。
（ブロック放電制御回路４６）

また上記の電源装置では、メインＣＰＵから均等化信号を受けたスイッチング制御回路２３がブロック内均等化とブロック間均等化を行っているが、この構成に限られるものでなく、ブロック内均等化動作とブロック間均等化動作とを個別の部材に担わせることもできる。例えば図８に示す実施の形態４の例では、セルブロック均等化回路２０Ｄを構成するスイッチング制御回路２３がブロック内均等化回路を制御してブロック内均等化を行い、ブロック放電制御回路４６がブロック放電回路を制御してブロック間均等化を行う。この例ではブロック間均等化を行うため、ブロック放電スイッチ２８Ｂを介してブロック放電抵抗２９Ｂをセルブロック全体と接続している。メインＣＰＵは、他のセルブロックよりもブロック電圧が所定のブロック間均等化閾値よりも高いセルブロックを検出すると、該当するセルブロックのブロック放電スイッチ２８をＯＮして放電させ、ブロック電圧がブロック間均等化閾値よりも低い値になると、ブロック放電スイッチ２８をＯＦＦしてブロック間均等化を終了する。

この電源装置は、車載用のバッテリシステムとして利用できる。電源装置を搭載する車両としては、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、あるいはモータのみで走行する電気自動車等の電動車両が利用でき、これらの車両の電源として使用される。

図９に、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッドカーに電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＨＶは、車両ＨＶを走行させるエンジン９６及び走行用のモータ９３と、モータ９３に電力を供給する電源装置１００Ｂと、電源装置１００Ｂの電池を充電する発電機９４とを備えている。電源装置１００Ｂは、ＤＣ／ＡＣインバータ９５を介してモータ９３と発電機９４に接続している。車両ＨＶは、電源装置１００Ｂの電池を充放電しながらモータ９３とエンジン９６の両方で走行する。モータ９３は、エンジン効率の悪い領域、例えば加速時や低速走行時に駆動されて車両を走行させる。モータ９３は、電源装置１００Ｂから電力が供給されて駆動する。発電機９４は、エンジン９６で駆動され、あるいは車両にブレーキをかけるときの回生制動で駆動されて、電源装置１００Ｂの電池を充電する。

また図１０に、モータのみで走行する電気自動車に電源装置を搭載する例を示す。この図に示す電源装置を搭載した車両ＥＶは、車両ＥＶを走行させる走行用のモータ９３と、このモータ９３に電力を供給する電源装置１００Ｃと、この電源装置１００Ｃの電池を充電する発電機９４とを備えている。モータ９３は、電源装置１００Ｃから電力が供給されて駆動する。発電機９４は、車両ＥＶを回生制動する時のエネルギーで駆動されて、電源装置１００Ｃの電池を充電する。

本発明に係る電源装置及びこの電源装置を備える車両は、ＥＶ走行モードとＨＥＶ走行モードとを切り替え可能なプラグイン式ハイブリッド電気自動車やハイブリッド式電気自動車、電気自動車等の電源装置として好適に利用できる。また車載用に限られず、例えばアシスト自転車や電動バイク、電動工具用のバッテリとしても利用できる。

１００、３００…電源装置
１００Ｂ、１００Ｃ…バッテリシステム
１１…電池
１２…セルブロック
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…セルブロック均等化回路
２１…トランス
２２…出力制御スイッチ
２３…スイッチング制御回路
２４…充電用の二次巻き線
２５…二次側整流出力回路
２６…放電用の二次巻き線
２７…第二整流回路
２８、２８Ｂ…ブロック放電スイッチ
２９、２９Ｂ…ブロック放電抵抗
３０…メインＣＰＵ
４１…一次側スイッチング素子
４２…電源回路
４４…電圧監視回路
４６…ブロック放電制御回路
４８…センサ手段
５０…予備電池
９３…モータ
９４…発電機
９５…ＤＣ／ＡＣインバータ
９６…エンジン
ＣＩ…通信インターフェース
ＢＩ…予備電池接続インターフェース
ＨＶ、ＥＶ…車両

Claims (6)

1. 複数の充電可能な電池(11)を直列に接続してなる直列電池群(10)と、
   前記直列電池群(10)を構成する電池(11)を放電又は充電して各々の電池(11)の電気特性を均等化させるセルブロック均等化回路(20)と、
   を備える電源装置であって、
   前記直列電池群(10)が複数のセルブロックに分割されて、各々のセルブロックを構成する各々の電池(11)を均等化するブロック内均等化回路を前記セルブロック均等化回路(20)として接続しており、
   前記ブロック内均等化回路は、
   セルブロックを構成する電池(11)を電源として動作するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側を各々の電池(11)に接続する出力制御スイッチ(22)と、
   前記出力制御スイッチ(22)をＯＮ／ＯＦＦに制御するスイッチング制御回路(23)と、
   を備えており、
   さらに前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、一次側スイッチング素子(41)を介して一次側をセルブロックを構成する直列電池群(10)に接続してなるトランス(21)を備え、
   前記トランス(21)は、
   前記セルブロックを構成する電池(11)を充電可能な充電用の二次巻き線(24)と、
   前記セルブロックを放電可能な放電用の二次巻き線(26)を備えており、
   前記充電用の二次巻き線(24)は、二次側整流出力回路(25)と前記出力制御スイッチ(22)を介して各々の電池(11)に接続され、
   前記放電用の二次巻き線(26)は、ブロック放電スイッチ(28)を介してブロック放電回路に接続されると共に、前記ブロック放電スイッチ(28)は前記スイッチング制御回路(23)に制御されており、
   前記スイッチング制御回路(23)が前記出力制御スイッチ(22)を制御して、セルブロックを構成する各々の電池(11)が均等化され、
   さらに前記スイッチング制御回路(23)が前記ブロック放電スイッチ(28)を制御して、各々のセルブロック間を均等化するよう構成してなることを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記ブロック放電回路が、
   ブロック放電抵抗(29)、又は
   放電用の二次巻き線(26)の出力を整流して出力する電源回路(42)
   のいずれかであることを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置であって、
   前記電源回路(42)が、
   前記スイッチング制御回路(23)に駆動電力を供給する回路、又は
   他の電池を充電する回路
   のいずれかであることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の電源装置であって、
   セルブロックを均等化する前記ブロック内均等化回路を制御する前記スイッチング制御回路(23)の駆動電力が、均等化されるセルブロックから供給されることを特徴とする電源装置。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載の電源装置であって、さらに、
   前記スイッチング制御回路(23)を制御するメインＣＰＵ(30)を備え、
   前記メインＣＰＵ(30)が前記スイッチング制御回路(23)に対して均等化信号を送出することで、前記スイッチング制御回路(23)は電池(11)を均等化するよう制御し、
   さらに、前記メインＣＰＵ(30)からの所定の時間に渡って均等化信号が入力されない状態で、前記スイッチング制御回路(23)は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側スイッチング素子(41)をＯＦＦに保持するよう制御することを特徴とする電源装置。
6. 請求項１から５のいずれか一に記載の電源装置を備える車両。

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