JP7056005B2

JP7056005B2 - 電源装置

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Inventors: 成晶後藤; 直樹柳沢; 恭佑種村; 修二戸村
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Description

本発明は、ＳＯＣを制御する電源装置に関する。

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。また、バランス回路を各電池モジュールに設けることで電池モジュール間の充電率（ＳＯＣ）のアンバランスを解消する技術も提案されている（特許文献１）。

また、二次電池の充電率（ＳＯＣ）は、開放電圧を測定することが出来れば精度よく推定することが可能であることが知られている。そこで、充放電を停止した後の電圧を測定することでＳＯＣを推定する手法が提案されている（特許文献２）。しかしながら、ＥＶなどの車両用電源として用いられる電源装置の場合、走行中に充放電を完全に停止する機会を作ることが難しい。したがって、走行中に開放電圧を測定してＳＯＣ推定することが困難である。そこで、電流が流れている状態でも精度よく推定するための推定手法についても提案されている（特許文献３）。例えば、電池モジュールの測定電流値の積算結果ΣＩを用いて電池モジュールの残容量推定値ＳＯＣ_Ｉを算出し、電流変化量ΔＩと電圧変化量ΔＶから内部抵抗値Ｒｄｃを推定した上で、電流が流れている状態での電池モジュール電圧を用いてオームの法則により求めた開放電圧の推定値Ｖａから残容量推定値ＳＯＣ_Ｖを算出し、残容量出力値ＳＯＣ_ＯＵＴ＝ｗ×ＳＯＣ_Ｉ＋（１－ｗ）×ＳＯＣ_Ｖによって残容量出力値を求める。

特開２０１３－１７９７３９号公報特開２０１４－２５７３９号公報特開２０１４－２５７３８号公報

バランス回路を用いずに電源装置の制御を行った場合、各電池モジュールに流れる電流は同じになるため、電池容量の少ない電池モジュールでは他よりも早くＳＯＣが低下してしまい、下限ＳＯＣに到達すると使用することが出来なくなるという問題があった。また、劣化等により電池容量が大きくばらついた場合、電池が直列に接続された構成では容量の少ない電池は早く電圧が低下してしまい、下限電圧に到達した後は他の電池に容量が残っていたとしても使用できなくなるという問題もあった。

これに対して、バランス回路を各電池モジュールに設けるとＳＯＣのアンバランスを解消することができるが、バランス回路の電流容量を大きくする必要があり、電源装置のコストが増加するという問題もある。

また、ＳＯＣを推定する際に特許文献２及び３のような技術を適用した場合、内部抵抗の推定誤差の影響を完全には無くせないという問題があった。

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、ゲート信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、電源出力が力行時において前記切断手段によって一部の前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離すことで他の前記電池モジュールよりも単位時間当たりの放電電流積算量が小さくなるように制御することを特徴とする電源装置である。

本発明の別の態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、ゲート信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールを前記直列接続に強制的に接続する接続手段を備え、電源出力が回生時において前記接続手段によって一部の前記電池モジュールを前記直列接続に強制的に接続することで他の前記電池モジュールよりも単位時間当たりの充電電流積算量が大きくなるように制御することを特徴とする電源装置である。

本発明の別の態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、ゲート信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、電源出力が回生時において前記切断手段によって一部の前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離すことで他の前記電池モジュールよりも単位時間当たりの充電電流積算量が小さくなるように制御することを特徴とする電源装置である。

本発明の別の態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、ゲート信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールを前記直列接続に強制的に接続する接続手段を備え、電源出力が力行時において前記接続手段によって一部の前記電池モジュールを前記直列接続に強制的に接続することで他の前記電池モジュールよりも単位時間当たりの放電電流積算量が大きくなるように制御することを特徴とする電源装置である。

ここで、前記電池モジュールの各々を駆動するための前記ゲート信号に位相差を設けており、前記ゲート信号が前記電池モジュールに対して遅延時間をもって順次伝送されることにより前記電池モジュールが前記直列接続に対して接続又は切り離されることが好適である。

本発明によれば、複数の電池モジュールを備える電源装置において、電池モジュールのＳＯＣのアンバランスを抑制することができる。

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力行状態における強制切断制御のフローチャートである。本発明の実施の形態における回生状態における強制切断制御のフローチャートである。本発明の実施の形態における回生状態における強制接続制御のフローチャートである。本発明の実施の形態における力行状態における強制接続制御のフローチャートである。本発明の実施の形態におけるＳＯＣの推定方法のフローチャートである。電池モジュールの開放電圧とＳＯＣとの関係例を示す図である。本発明の実施の形態における電池モジュールの開放電圧の測定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及び制御部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、制御部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、遅延回路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Ｌ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。また、電池モジュール１０２においてチョークコイルＬと電池１０との配置位置（接続位置）を入れ替えてもよい。また、第２スイッチ素子１８を、第１スイッチ素子１６に対して出力端子の反対側に配置してもよい。すなわち、第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とのスイッチング動作により電池１０（コンデンサ１４）の電圧を出力端子に出力できる構成であればよく、各素子、電気部品の配置を適宜変更することができる。

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スイッチ素子１６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、制御部１０４からのゲート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、これ以外のスイッチング素子を適用してもよい。

遅延回路２０は、制御部１０４から電池モジュール１０２ａに入力されるゲート信号を所定の時間だけ遅延させる回路である。電源装置１００では、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）にそれぞれ遅延回路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、制御部１０４から入力されたゲート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。

ＡＮＤ素子２２は、制御部１０４からの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、制御部１０４からの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。

なお、本実施の形態では、遅延回路２０をＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４の前段に配置したが、ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４の後段に配置してもよい。すなわち、各電池モジュール１０２の遅延回路２０に対してゲート信号が所定時間だけ遅延されて順に伝送される構成であればよい。

［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に対して制御部１０４からハイ（Ｈ）レベルの強制切断信号が入力される。また、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のＯＲ素子２４に対して制御部１０４からロー（Ｌ）レベルの強制接続信号が入力される。したがって、第１スイッチ素子１６のゲート端子には遅延回路２０からの出力信号が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のゲート端子には遅延回路２０からの出力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、制御部１０４からゲート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、制御部１０４からゲート信号Ｄ１が出力されると、このゲート信号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、制御部１０４による電源装置１００の制御について説明する。制御部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。

制御部１０４は、各電池モジュール１０２に対して矩形波のゲート信号を出力するゲート回路を備える。ゲート信号は、電池モジュール１０２ａに含まれる遅延回路２０、電池モジュール１０２ｂに含まれる遅延回路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に対して制御部１０４からハイ（Ｈ）レベルの強制切断信号が入力され、ＯＲ素子２４に対して制御部１０４からロー（Ｌ）レベルの強制接続信号が入力されているので、各電池モジュール１０２の遅延回路２０から出力されたゲート信号がそのまま第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、ゲート信号やゲート信号の遅延時間の設定について説明する。ゲート信号の周期Ｆ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信号の周波数を低周波にする。逆に、遅延時間を短くするほどゲート信号の周波数を高周波にする。また、ゲート信号を遅延する遅延時間は、電源装置１００に求められる仕様に応じて適宜設定される。

ゲート信号の周期Ｆにおけるオン時比率Ｇ１（デューティ比Ｄ）、すなわち、周期Ｆのうちのゲート信号がハイ（Ｈ）レベルにある時間の比率は、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Ｇ１＝（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。

電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの合計電圧は、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の出力電圧と、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの合計電圧とは整合しない。換言すると、電源装置１００の出力電圧（全体の出力電圧）が変動してしまう。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、ゲート信号の周期Ｆ／電池モジュール１０２の数となる。数十個の電池モジュール１０２を直列接続すれば、電源装置１００全体の寄生インダクタンスは大きな値となっており、この電圧変動はフィルタされて結果的には安定した電源装置１００の出力電圧を得ることができる。

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、ゲート信号の周期Ｆは、遅延時間×電池モジュール数により算出されるので２００ｎｓ×４０個＝８μｓとなる。したがって、ゲート信号は１２５ｋＨｚ相当の周波数の矩形波とされる。また、ゲート信号のオン時比率Ｇ１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の数）により算出されるので、オン時比率Ｇ１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、ゲート信号の周期Ｆ／電池モジュール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、回路構成を簡素化することができ、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Ｇ１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、ゲート信号の周期Ｆ、オン時比率Ｇ１、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。

さらに、ゲート信号を遅延する遅延時間を長く設定することによって、ゲート信号の周波数が低周波になるので、第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８のスイッチング周波数も低くなり、スイッチング損失を低減することができ、電力変換効率を向上することができる。逆に、ゲート信号を遅延する遅延時間を短くすることによって、ゲート信号の周波数が高周波になるので、電圧変動の周波数が高くなり、フィルタリングが容易になって、安定した電圧を得ることができる。また、電流変動をＲＬＣフィルタによって平準化することも容易になる。このように、ゲート信号を遅延する遅延時間を調整することによって、求められる仕様、性能に応じた電源装置１００を提供することができる。

なお、本実施の形態では、各電池モジュール１０２に遅延回路２０を設けてゲート信号を遅延させつつ伝送させる構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、各電池モジュール１０２に遅延回路２０を設けない構成としてもよい。この場合、制御部１０４から各電池モジュール１０２のＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４に対してゲート信号を個別に出力すればよい。すなわち、制御部１０４から電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎに対してゲート信号を一定時間毎にそれぞれ出力する。このとき、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎに対して、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの配置位置にとらわれず、任意の順序で電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎを一定時間毎にゲート信号を出力して接続状態とする電池モジュール１０２の数を制御する。例えば、最初に、電池モジュール１０２ｂにゲート信号を出力して電池モジュール１０２ｂを駆動させ、その一定時間後に、電池モジュール１０２ａにゲート信号を出力して電池モジュール１０２ａを駆動させるように制御を行えばよい。

当該構成とすることによって、遅延回路２０が不要となり、電源装置１００の構成をさらに簡素化することができ、製造コストや消費電力を抑制することができる。

［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。制御部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に対してロー（Ｌ）レベルの強制切断信号を出力する。また、制御部１０４は、当該電池モジュール１０２のＯＲ素子２４に対してはロー（Ｌ）レベルの強制接続信号を出力する。

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、電池モジュール１０２はゲート信号の状態によらず強制的に切り離された状態（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。図５は、ＳＯＣのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図５を参照しつつ、力行時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ついて説明する。

ステップＳ１０では、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する。制御部１０４は、各電池モジュール１０２に設けられて電池モジュール１０２の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３０、電源装置１００の出力電流を検出して出力する電流センサ３２及び電源装置１００の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３４からの出力に基づいて各電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する処理を行う。ＳＯＣの推定処理については後述する。

ステップＳ１２では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、相対的にＳＯＣが低い電池モジュール１０２を選択する。制御部１０４は、ステップＳ１０にて推定された各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、すべての電池モジュール１０２の中から相対的にＳＯＣが低い電池モジュール１０２を選択する。

例えば、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２の中から所定の数だけＳＯＣが小さい順に電池モジュール１０２を選択すればよい。また、ＳＯＣの基準値を決めておき、当該基準値以下のＳＯＣである電池モジュール１０２を選択するようにしてもよい。ただし、電池モジュール１０２の選択方法はこれらに限定されるものではなく、ＳＯＣのアンバランスを抑制するために効果的なものであればよい。

ステップＳ１４では、電源装置１００の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御部１０４は、電流センサ３２で検出された電流の向きから電源装置１００から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置１００へ電力が入力されている回生状態かを判定する。力行状態であればステップＳ１６に処理を移行させ、回生状態であれば処理を終了させる。

ステップＳ１６では、電池モジュール１０２の強制的な切り離し処理が行われる。制御部１０４は、ステップＳ１２にて選択された電池モジュール１０２のＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの強制切断信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール１０２は直列接続から強制的に切り離され、電源装置１００の出力に寄与しなくなる。

以上の制御によって、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。

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。

図６は、ＳＯＣのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図６を参照しつつ、回生時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ついて説明する。

ステップＳ２０では、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する。制御部１０４は、各電池モジュール１０２に設けられて電池モジュール１０２の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３０、電源装置１００の出力電流を検出して出力する電流センサ３２及び電源装置１００の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３４からの出力に基づいて各電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する処理を行う。ＳＯＣの推定処理については後述する。

ステップＳ２２では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、相対的にＳＯＣが高い電池モジュール１０２を選択する。制御部１０４は、ステップＳ２０にて推定された各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、すべての電池モジュール１０２の中から相対的にＳＯＣが高い電池モジュール１０２を選択する。

例えば、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２の中から所定の数だけＳＯＣが高い順に電池モジュール１０２を選択すればよい。また、ＳＯＣの基準値を決めておき、当該基準値以上のＳＯＣである電池モジュール１０２を選択するようにしてもよい。ただし、電池モジュール１０２の選択方法はこれらに限定されるものではなく、ＳＯＣのアンバランスを抑制するために効果的なものであればよい。

ステップＳ２４では、電源装置１００の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御部１０４は、電流センサ３２で検出された電流の向きから電源装置１００から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置１００へ電力が入力されている回生状態かを判定する。回生状態であればステップＳ２６に処理を移行させ、力行状態であれば処理を終了させる。

ステップＳ２６では、電池モジュール１０２の強制的な切り離し処理が行われる。制御部１０４は、ステップＳ２２にて選択された電池モジュール１０２のＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの強制切断信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール１０２は直列接続から強制的に切り離され、電源装置１００への回生電力が供給されなくなる。

以上の制御によって、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、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。制御部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にハイ（Ｈ）レベルの強制接続信号を出力する。

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。図７は、ＳＯＣのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図７を参照しつつ、回生時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ついて説明する。

ステップＳ３０では、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する。制御部１０４は、各電池モジュール１０２に設けられて電池モジュール１０２の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３０、電源装置１００の出力電流を検出して出力する電流センサ３２及び電源装置１００の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３４からの出力に基づいて各電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する処理を行う。ＳＯＣの推定処理については後述する。

ステップＳ３２では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、相対的にＳＯＣが低い電池モジュール１０２を選択する。制御部１０４は、ステップＳ３０にて推定された各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、すべての電池モジュール１０２の中から相対的にＳＯＣが低い電池モジュール１０２を選択する。具体的には、上記ステップＳ１２の処理と同様にすればよい。

ステップＳ３４では、電源装置１００の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御部１０４は、電流センサ３２で検出された電流の向きから電源装置１００から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置１００へ電力が入力されている回生状態かを判定する。回生状態であればステップＳ３６に処理を移行させ、力行状態であれば処理を終了させる。

ステップＳ３６では、電池モジュール１０２の強制的な切り離し処理が行われる。制御部１０４は、ステップＳ３２にて選択された電池モジュール１０２のＯＲ素子２４に対してハイ（Ｈ）レベルの強制接続信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール１０２は直列接続に強制的に接続され、電源装置１００への回生電力による充電に寄与する。

以上の制御によって、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。

図８は、ＳＯＣのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図８を参照しつつ、力行時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ついて説明する。

ステップＳ４０では、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する。制御部１０４は、各電池モジュール１０２に設けられて電池モジュール１０２の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３０、電源装置１００の出力電流を検出して出力する電流センサ３２及び電源装置１００の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３４からの出力に基づいて各電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する処理を行う。ＳＯＣの推定処理については後述する。

ステップＳ４２では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、相対的にＳＯＣが高い電池モジュール１０２を選択する。制御部１０４は、ステップＳ４０にて推定された各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、すべての電池モジュール１０２の中から相対的にＳＯＣが高い電池モジュール１０２を選択する。具体的には、上記ステップＳ２２の処理と同様にすればよい。

ステップＳ４４では、電源装置１００の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御部１０４は、電流センサ３２で検出された電流の向きから電源装置１００から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置１００へ電力が入力されている回生状態かを判定する。力行状態であればステップＳ４６に処理を移行させ、回生状態であれば処理を終了させる。

ステップＳ４６では、電池モジュール１０２の強制的な接続処理が行われる。制御部１０４は、ステップＳ４２にて選択された電池モジュール１０２のＯＲ素子２４に対してハイ（Ｈ）レベルの強制接続信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール１０２は直列接続に強制的に接続され、電源装置１００からの電力供給へ寄与する。

以上の制御によって、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。

［ＳＯＣ推定処理］
以下、電源装置１００におけるＳＯＣ推定処理について説明する。図９は、本実施の形態におけるＳＯＣ推定処理のフローチャートを示す。

ステップＳ５０では、電源装置１００の出力電流Ｉｏｕｔを測定する。制御部１０４は、電流センサ３２によって測定された電源装置１００の出力電流Ｉｏｕｔを取得する。

ステップＳ５２では、各電池モジュール１０２のモジュール電流Ｉｍｏｄを推定する処理を行う。制御部１０４は、デューティ比Ｄに基づいて、現在出力に寄与している電池モジュール１０２の各々からの電流（モジュール電流）Ｉｍｏｄを算出する。制御部１０４は、現在直列接続されている電池モジュール１０２、すなわち現在出力に寄与している電池モジュール１０２の各々について電圧センサ３０から出力電圧（モジュール電圧）Ｖｍｏｄ［ｉ］を取得する。ここで、ｉは、ｉ番目の電池モジュール１０２を示す。

デューティ比Ｄは、数式（１）により算出することができる。そして、モジュール電流Ｉｍｏｄは、数式（２）により算出することができる。

なお、本実施の形態ではデューティ比Ｄを用いてモジュール電流Ｉｍｏｄを算出する処理を行ったが、各電池モジュール１０２に電流センサ３２を設けて、モジュール電流Ｉｍｏｄを直接測定する構成としてもよい。

ステップＳ５４では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを算出する処理が行われる。制御部１０４は、ステップＳ５２で得られたモジュール電流Ｉｍｏｄに基づいて数式（３）を用いて各電池モジュール１０２のＳＯＣを算出する。ただし、Ｑ［ｉ］はｉ番目の電池モジュール１０２の電池満充電容量、ＳＯＣ_ｉｎｉ［ｉ］は電流積算開始時点での初期ＳＯＣ（電源装置１００の起動時又はｉ番目の電池モジュール１０２を切り離した時の充放電電流が０の状態で測定された開放電圧を基に得られたＳＯＣｖ）である。

なお、電池モジュール１０２の開放電圧とＳＯＣとの関係は、図１０に示すような１対１の関係となる。すなわち、ｉ番目の電池モジュール１０２の開放電圧を測定することで、当該開放電圧に基づいてＳＯＣ_ｉｎｉ［ｉ］を求めることができる。

以下、電池モジュール１０２を切り離した時の開放電圧の測定方法について説明する。上記のように、通常制御時には、すべての電池モジュール１０２の強制切断信号をハイ（Ｈ）レベルに設定するが、例えばデューティ比Ｄが低い状況（負荷に接続する電池モジュール１０２の数が少なくてもよく、常時切り離された電池モジュール１０２があったとしても要求する出力電圧を出力可能な状況）において、特定の電池モジュール１０２に対する強制切断信号をロー（Ｌ）レベルとする。これにより、当該特定の電池モジュール１０２は負荷から切り離された状態となる（図１１の切り離し期間）。

特定の電池モジュール１０２が負荷から切り離されると、当該電池モジュール１０２のモジュール電流Ｉｍｏｄは０になる。したがって、制御部１０４は、当該電池モジュール１０２の電圧センサ３０から開放電圧を取得することが可能となる。これにより、制御部１０４は、図１０の開放電圧とＳＯＣの関係に基づいて取得された開放電圧に対応するＳＯＣを求めることができる。

なお、開放電圧の測定は、電池モジュール１０２を負荷から切り離した後に端子電圧が安定する所定時間後に測定するか、又は従来技術のように充放電を停止した後の電圧挙動モデルを用いて電圧が安定する前の電圧から開放電圧を推定してもよい。

このように、負荷に対して電力を供給している状態においても電池モジュール１０２を負荷から切り離すことで開放電圧を測定することができる。したがって、測定された開放電圧を用いて特定の電池モジュール１０２のＳＯＣを求め、数式（３）のＳＯＣ_ｉｎｉ［ｉ］を置き換えることができる。なお、このとき、数式（３）の電流積算についても０にリセットすることが好適である。

数式（３）を用いたモジュール電流の積算値に基づくＳＯＣの推定では、電流センサ３２の測定誤差の影響等により積算値において誤差が蓄積される傾向があるが、開放電圧に基づいて初期値であるＳＯＣ_ｉｎｉ［ｉ］を適宜更新することによって誤差の影響を抑制でき、ＳＯＣの推定精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、１つの電池モジュール１０２毎に開放電圧を測定し、当該開放電圧からＳＯＣを推定する処理について説明したが、複数の電池モジュール１０２を纏めて開放電圧を測定し、当該開放電圧から当該複数の電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する構成としてもよい。

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遅延回路、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（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）電池モジュール。

Claims

二次電池を有する電池モジュールを複数含み、前記電池モジュール間においてゲート信号を転送することによって前記ゲート信号に応じて前記電池モジュールに含まれる前記二次電池が相互に直列接続されて、力行時に外部端子へ電力を供給又は回生時に前記外部端子から電力を回生する電源装置であって、
前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、
電源出力が力行時において前記切断手段によって、複数の前記電池モジュールのうち他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池のＳＯＣより相対的に低いＳＯＣの前記二次電池を含む前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を出力電圧が出力可能な前記電池モジュール数を上限として前記直列接続から強制的に切り離して前記外部端子への電力供給を行わないようにすることで他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池よりも単位時間当たりの放電電流積算量が小さくなるように制御することを特徴とする電源装置。
二次電池を有する電池モジュールを複数含み、前記電池モジュール間においてゲート信号を転送することによって前記ゲート信号に応じて前記電池モジュールに含まれる前記二次電池が相互に直列接続されて、力行時に外部端子へ電力を供給又は回生時に前記外部端子から電力を回生する電源装置であって、
前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を前記直列接続に強制的に接続する接続手段を備え、
電源出力が回生時において前記接続手段によって、複数の前記電池モジュールのうち他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池のＳＯＣより相対的に低いＳＯＣの前記二次電池を含む一部の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を前記直列接続に強制的に接続して前記外部端子から電力を回生することで他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池よりも単位時間当たりの充電電流積算量が大きくなるように制御することを特徴とする電源装置。
二次電池を有する電池モジュールを複数含み、前記電池モジュール間においてゲート信号を転送することによって前記ゲート信号に応じて前記電池モジュールに含まれる前記二次電池が相互に直列接続されて、力行時に外部端子へ電力を供給又は回生時に前記外部端子から電力を回生する電源装置であって、
前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、
電源出力が回生時において前記切断手段によって、複数の前記電池モジュールのうち他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池のＳＯＣより相対的に高いＳＯＣの前記二次電池を含む一部の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を出力電圧が出力可能な前記電池モジュール数を上限として前記直列接続から強制的に切り離して前記外部端子から回生による電力供給を行わないようにすることで他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池よりも単位時間当たりの充電電流積算量が小さくなるように制御することを特徴とする電源装置。
二次電池を有する電池モジュールを複数含み、前記電池モジュール間においてゲート信号を転送することによって前記ゲート信号に応じて前記電池モジュールに含まれる前記二次電池が相互に直列接続されて、力行時に外部端子へ電力を供給又は回生時に前記外部端子から電力を回生する電源装置であって、
前記ゲート信号に関わらず、前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を前記直列接続に強制的に接続する接続手段を備え、
電源出力が力行時において前記接続手段によって、複数の前記電池モジュールのうち他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池のＳＯＣより相対的に高いＳＯＣの前記二次電池を含む一部の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池を前記直列接続に強制的に接続して前記外部端子へ電力を供給することで他の前記電池モジュールに含まれる前記二次電池よりも単位時間当たりの放電電流積算量が大きくなるように制御することを特徴とする電源装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載の電源装置であって、
前記電池モジュールの各々を駆動するための前記ゲート信号に位相差を設けており、
前記ゲート信号が前記電池モジュールに対して遅延時間をもって順次伝送されることにより前記電池モジュールに含まれる前記二次電池が前記直列接続に対して接続又は切り離されることを特徴とする電源装置。