JP2013236545A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池を複数個接続した電源システムにおいて、大容量であっても最適な容量の電源システムを実現する。
【解決手段】Ｎ個（Ｎは自然数）の二次電池が直列に接続された二次電池列を含むメイン二次電池ブロックＢｍと、Ａ個（Ｎ＞Ａ、Ａは自然数）の二次電池が直列に接続された二次電池列を含む補助二次電池ブロックＢｓと、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓとの間で電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃとを設け、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃにより、放電時に補助二次電池ブロックＢｓの電圧を昇圧して負荷に電力を供給し、充電時にメイン二次電池ブロックＢｍの電圧を降圧して補助二次電池ブロックＢｓに電力を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関し、特に、複数個の充放電可能な二次電池、又は複数個のキャパシタ（コンデンサ）を、直列及び／又は並列に接続した電源システムに関する。

図１５〜図１８は、本発明の前提として検討した電源システムの構成例を示す回路図である。図１５に示す電源システムは、Ｎ個の二次電池を直列に接続したものである。図１６に示す電源システムは、Ｘ個の二次電池を直列に接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータで電圧変換して、所望の電圧を負荷に供給するようにしたものである。図１６の構成の場合、電力損失が発生するため、効率が低下する。図１７に示す電源システムは、Ｎ個の二次電池を直列に接続した二次電池ブロックを、Ｍ個並列に接続したものである。図１７の構成の場合、各二次電池の充放電時のバランスを保つため、各二次電池ブロックにおける直列接続数は同じにしてある。図１８は、図１７で示した電源システムに、Ｎ個のバランス回路を接続したものである。図１８に示すように、二次電池ブロックの直列接続数をＮ個とした場合、Ｎ個のバランス回路が必要になる。

なお、このような電源システムに関する技術として、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載された技術などがある。特許文献１に記載された二次電池の充電装置は、複数個の二次電池を直列に接続して二次電池の直列回路を構成し、その直列回路を複数個並列に接続して二次電池の並列回路を構成し、直列回路の二次電池個々の電池電圧を検出する手段と、並列回路ごとの充電電流を検出する手段と、直列回路の二次電池個々の電池ごとに充電電流を制御する手段と、並列回路ごとの充電出力を制御する手段を設けたものである。また、特許文献２に記載された電源装置は、複数個の二次電池を直列に接続した直列接続電池ブロックを複数個並列接続し、直列接続電池ブロックの各々に定電流制御回路を設けたものである。

特開平１０−３０４５８６号公報 特開２００６−３４５６６０号公報

ところで、前記のような電源システムの技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

例えば、直列接続された二次電池ブロックを並列接続する場合、特許文献１や特許文献２にあるように、直列接続の二次電池の個数は全て同じであり、各ブロック同士のバランスをとる、といった類ものであった。したがって、この並列に接続された二次電池ブロックは、全て同じ直列数であるため、大容量になればなるほど、全電池ブロック容量の柔軟性が失われていくという問題があった。

特に、人工衛星等の宇宙機では、大容量の二次電池システムを必要とするが、宇宙で利用できる電池の種類に限りがあり、時として必要な容量より過剰な容量の二次電池システムを搭載することとなっていた。その結果、電池の重量が多くなるという問題があった。

また、必要な容量に近い構成を実現するために、比較的低容量の二次電池を複数個使用する場合においては、二次電池の個数が増えるが故に、全体として高価な物となっていた。

そこで、本発明の１つの目的は、二次電池を複数個接続した電源システムにおいて、大容量であっても最適な容量の電源システムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、軽量な電源システムを実現することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、本発明による電源システムは、Ｎ個（Ｎは自然数）の二次電池が直列に接続された二次電池列を含む第１の二次電池ブロック（メイン二次電池ブロック）と、Ａ個（Ｎ＞Ａ、Ａは自然数）の二次電池が直列に接続された二次電池列を含む第２の二次電池ブロック（補助二次電池ブロック）と、前記第１の二次電池ブロックと前記第２の二次電池ブロックとの間で電圧変換を行う制御回路と、を具備し、前記第１の二次電池ブロックの両極が負荷に接続されているものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
（１）柔軟な電池の容量を実現できるため、余剰容量を持つ必要がないので、安価かつ軽量な電源システムを提供することができる。
（２）メイン二次電池ブロックと補助二次電池ブロックの各二次電池の電圧バランスを常に保つことができる。

本発明の実施の形態１による電源システムの構成例を示す回路図である。 図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。 本発明の実施の形態２による電源システムの構成例を示す回路図である。 図４に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態２による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による電源システムの構成例を示す回路図である。 図７に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態３による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。 本発明の実施の形態４による電源システムの構成例を示す回路図である。 図１０に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態４による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。 本発明の実施の形態１による電源システムの充電特性を示す図である。 本発明の実施の形態１による電源システムの放電特性を示す図である。 本発明の前提として検討した電源システムの構成例を示す回路図である。 本発明の前提として検討した電源システムの構成例を示す回路図である。 本発明の前提として検討した電源システムの構成例を示す回路図である。 本発明の前提として検討した電源システムの構成例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、特にことわらない限り、端子名を表す記号は同時に配線名、信号名も兼ね、電源の場合はその電圧値も兼ねるものとする。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による電源システムの構成例を示す回路図、図２は図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図、図３は本発明の実施の形態１による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。

まず、図１により、本実施の形態１による電源システムの構成の一例を説明する。本実施の形態１の電源システムは、例えば、メイン二次電池ブロックＢｍ、補助二次電池ブロックＢｓ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃなどから構成される。メイン二次電池ブロックＢｍは、Ｎ個の二次電池が直列接続されて構成されている。また、補助二次電池ブロックＢｓは、直列接続されたＡ個の二次電池から成る電池ブロックが、ａ個並列接続されて構成されている。なお、Ｎ，Ａ，ａは自然数であり、Ｎ＞Ａの関係にある。また、メイン二次電池ブロックＢｍ及び補助二次電池ブロックＢｓを構成する二次電池は、例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。また、二次電池の代わりに、リチウムイオン・キャパシタ等の大容量キャパシタ（コンデンサなど）であってもよい。

図１に示すように、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓは、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃを介して並列に接続されている。また、メイン二次電池ブロックＢｍは、直列接続されたＮ個の二次電池から成るブロックを複数個並列接続して構成することも可能である。また、補助二次電池ブロックＢｓは、ａ＝１、すなわち直列に接続されたＡ個の二次電池の１列のみであってもよい。

本実施の形態１の電源システムは、電圧の異なる２つの二次電池ブロック、例えばメイン二次電池ブロックＢｍと、メイン二次電池ブロックＢｍより電圧の低い補助二次電池ブロックＢｓを１つの電源システムとして構成されている。ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃで補助二次電池ブロックＢｓを昇圧／降圧させて、メイン二次電池ブロック＋αの出力を実現させる。目的の容量に足りないメイン二次電池ブロックＢｍと、足りない分を補うための補助二次電池ブロックＢｓとを充放電させる回路で構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、充電時に降圧して補助二次電池ブロックＢｓに電力を供給し、放電時に昇圧して負荷に電力を供給する制御回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃにより、異なる直列数・容量の二次電池ブロックを充放電することが可能になる。

次に、本実施の形態１による電源システムの動作を説明する。放電時はメイン二次電池ブロックＢｍから、負荷に対して放電する。それと同時に、補助二次電池ブロックＢｓの電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータにより、メイン二次電池ブロックＢｍと同じ電圧に昇圧されて負荷に対して放電する。ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃは、放電時にＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃの出力とメイン二次電池ブロックＢｍの出力が同じ電圧になるように制御する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃは、充電時に個々の二次電池の平均電圧が同じになるように制御する。

放電時において、補助二次電池ブロックＢｓの電圧をメイン二次電池ブロックＢｍが超えている間、補助二次電池Ｂｓ出力が制限されていき、その逆の場合、補助二次電池の出力は増加する。つまり、メイン二次電池ブロックＢｍの各二次電池の電圧の平均値と、補助二次電池ブロックＢｓの各二次電池の電圧の平均値は常に等しくなるように制御される。

次に、図２により、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃの構成および動作を説明する。図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、インダクタＬ１、降圧用のスイッチＳ１、降圧用のダイオードＤ２、昇圧用のスイッチＳ２、昇圧用のダイオードＤ１、電圧信号比較器Ｃｖ、電圧信号検出用の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４などから構成されている。
分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２は、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを検出する電圧検出手段を構成する。分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４は、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段を構成する。

ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、降圧コンバータと昇圧コンバータを組み合わせたものである。充電時には、充電用の外部ＤＣ電源からメイン二次電池ブロックＢｍに直接充電されると同時に、スイッチＳ１とダイオードＤ２とインダクタＬ１を用いた、いわゆる降圧コンバータにより、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓまで降圧して、補助二次電池ブロックＢｓの充電を可能にする。この時、スイッチＳ２はオフ状態にして、電圧信号比較器Ｃｖからパルス信号を送信してスイッチＳ１のオン／オフを周期的に繰り返す。なお、二次電池への充電は、負荷と並列に接続された外部ＤＣ電源（太陽電池等でもよい）から電力が供給される。以下の実施形態でも同様である。

一方、放電時には、スイッチＳ２とダイオードＤ１とインダクタＬ１を用いた、いわゆる昇圧コンバータにより、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍまで昇圧し、メイン二次電池ブロック＋αの出力を実現させる。この時、スイッチＳ１はオフ状態にして、電圧信号比較器Ｃｖからパルス信号を送信してスイッチＳ２のオン／オフを周期的に繰り返す。

電圧信号比較器Ｃｖは、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｍと、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｓとを比較する。そして、放電時に、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを昇圧した電圧と、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍとが同じ電圧になるようにフィードバック制御する。これにより、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。また、充電時に、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを降圧した電圧が、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓと同じ電圧になるようにフィードバック制御する。これにより、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。

つまり、電圧信号比較器Ｃｖは、メイン二次電池ブロックＢｍを構成する各二次電池の電圧の平均値と、補助二次電池ブロックＢｓを構成する各二次電池の電圧の平均値が常に等しくなるように制御する機能を有する。

図３に示すように、二次電池バランス回路は、メイン二次電池ブロックＢｍにＮ個、補助二次電池ブロックＢｓにＡ個、合計（Ｎ＋Ａ）個のバランス回路が必要となる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２による電源システムの構成例を示す回路図、図５は図４に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図、図６は本発明の実施の形態２による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。

まず、図４により、本実施の形態２による電源システムの構成の一例を説明する。本実施の形態２の電源システムは、例えば、メイン二次電池ブロックＢｍ、補助二次電池ブロックＢｓ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃなどから構成される。メイン二次電池ブロックＢｍは、Ｎ個の二次電池が直列接続されて構成されている。また、補助二次電池ブロックＢｓは、Ｂ個の二次電池が直列接続されて構成されている。なお、Ｎ，Ｂは自然数であり、Ｎ＞Ｂの関係にある。また、メイン二次電池ブロックＢｍ及び補助二次電池ブロックＢｓを構成する二次電池は、例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。また、二次電池の代わりに、リチウムイオン・キャパシタ等の大容量キャパシタ（コンデンサ，容量など）であってもよい。

図４に示すように、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓは、直列に接続されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、Ｘ端子が補助二次電池ブロックＢｓの正極側に、Ｙ端子が補助二次電池ブロックＢｓの負極側（メイン二次電池ブロックＢｍの正極側）に、Ｚ端子がメイン二次電池ブロックＢｍの負極側に接続されている。
メイン二次電池ブロックＢｍの両端は、負荷に接続されている。なお、メイン二次電池ブロックＢｍは、直列接続されたＮ個の二次電池から成るブロックを複数個並列接続して構成することも可能である。また、補助二次電池ブロックＢｓは、直列接続されたＢ個の二次電池から成るブロックを複数個並列接続して構成することも可能である。

次に、図５により、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃの構成および動作を説明する。図５に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃは、インダクタＬ３、反転昇圧用のスイッチＳ３、反転昇圧用のダイオードＤ４、昇圧用のスイッチＳ４、昇圧用のダイオードＤ３、分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８、電圧信号比較器Ｃｖなどから構成されている。分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６は、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを検出する電圧検出手段を構成する。分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８は、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段を構成する。図５のＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、昇圧コンバータと降圧コンバータを組み合わせたものである。

図５のＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、目的の容量に足りないメイン二次電池ブロックＢｍと、足りない分を補うための補助二次電池ブロックＢｓとを充放電させるための回路である。充電時には、外部ＤＣ電源からメイン二次電池ブロックＢｍに直接充電されると同時に、メイン二次電池ブロックＢｍ＋補助二次電池ブロックＢｓの電圧（Ｖｍ＋Ｖｓ）にまで、スイッチＳ４とダイオードＤ３を用いた昇圧コンバータで昇圧して、補助二次電池ブロックＢｓの充電を可能にする。この時、スイッチＳ３はオフ状態にして、電圧信号比較器Ｃｖからパルス信号を送信してスイッチＳ４のオン／オフを周期的に繰り返す。一方、放電時には、補助二次電池ブロックＢｓの電圧をスイッチＳ３とダイオードＤ４を用いた反転昇圧コンバータにより、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧に反転昇圧し、メイン二次電池ブロック＋αの出力を実現させる。この時、スイッチＳ４はオフ状態にして、電圧信号比較器Ｃｖからパルス信号を送信してスイッチＳ３のオン／オフを周期的に繰り返す。

電圧信号比較器Ｃｖは、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｍと、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｓとを比較する。そして、放電時に、補助二次電池ブロックＢｓの電圧を反転昇圧した電圧が、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧と同じ電圧になるようにフィードバック制御する。これにより、放電時にメイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。

また、電圧信号比較器Ｃｖは、充電時に、補助二次電池ブロックＢｓとメイン二次電池ブロックＢｍの電圧を足し合わせた電圧と同じ電圧に、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧を昇圧するようにフィードバック制御する。これにより、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。

図６に示すように、二次電池バランス回路は、メイン二次電池ブロックＢｍにＮ個、補助二次電池ブロックＢｓにＢ個、合計（Ｎ＋Ｂ）個のバランス回路が必要となる。

（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３による電源システムの構成例を示す回路図、図８は図７に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図、図９は本発明の実施の形態３による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。

まず、図７により、本実施の形態３による電源システムの構成の一例を説明する。本実施の形態３の電源システムは、例えば、メイン二次電池ブロックＢｍ、補助二次電池ブロックＢｓ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃなどから構成される。メイン二次電池ブロックＢｍは、Ｎ個の二次電池が直列接続されて構成されている。また、補助二次電池ブロックＢｓは、Ｃ個の二次電池が直列接続されて構成されている。なお、Ｎ，Ｃは自然数であり、Ｎ＞Ｃの関係にある。また、メイン二次電池ブロックＢｍ及び補助二次電池ブロックＢｓを構成する二次電池は、例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。また、二次電池の代わりに、リチウムイオン・キャパシタ等の大容量キャパシタ（コンデンサ，容量など）であってもよい。

図７に示すように、補助二次電池ブロックＢｓは、メイン二次電池ブロックＢｍの一部と並列に接続されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、Ｘ端子が補助二次電池ブロックＢｓの正極側（メイン二次電池ブロックＢｍの中間部）に、Ｙ端子がメイン二次電池ブロックＢｍの正極側に、Ｚ端子がメイン二次電池ブロックＢｍの負極側（補助二次電池ブロックＢｓの負極側）に接続されている。メイン二次電池ブロックＢｍの両端は、負荷に接続されている。なお、メイン二次電池ブロックＢｍは、直列接続されたＮ個の二次電池から成るブロックを複数個並列接続して構成することも可能である。また、補助二次電池ブロックＢｓは、直列接続されたＣ個の二次電池から成るブロックを複数個並列接続して構成することも可能である。

次に、図８により、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃの構成および動作を説明する。図８に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃは、インダクタＬ５，Ｌ６、補助二次電池ブロックＢｓからの放電用のスイッチＳ５、補助二次電池ブロックＢｓへの充電用のスイッチＳ６、補助二次電池ブロックＢｓへの充電用のダイオードＤ５、補助二次電池ブロックＢｓからの放電用のダイオードＤ６、キャパシタＣ６、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２、電圧信号比較器Ｃｖなどから構成されている。分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０は、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを検出する電圧検出手段を構成する。分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２は、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段を構成する。図８のＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、いわゆる双方向コンバータである。

図８のＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、目的の容量に足りないメイン二次電池ブロックＢｍと、足りない分を補うための補助二次電池ブロックＢｓとを充放電させる回路である。充電時には、外部ＤＣ電源からメインの二次電池ブロックＢｍに直接充電されると同時に、メインの二次電池ブロックＢｍの一部と補助二次電池ブロックＢｓの電圧にまで、スイッチＳ６とダイオードＤ５と２つのインダクタＬ５，Ｌ６とキャパシタＣ６を用いて降圧して、補助二次電池ブロックＢｓと、メイン二次電池ブロックＢｍの一部への充電を可能にする。

一方、放電時には、メイン二次電池ブロックＢｍの一部と、補助二次電池ブロックＢｓの電圧を、スイッチＳ５とダイオードＤ６と２つのインダクタＬ５，Ｌ６とキャパシタＣ６を用いて、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧を実現し、メイン二次電池ブロック＋αの出力を実現させる。

電圧信号比較器Ｃｖは、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍから補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを引いた電圧を分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｍと、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｓとを比較する。そして、放電時に、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを反転昇圧した電圧が、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍと同じ電圧になるようにフィードバック制御する。これにより、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。

一方、電圧信号比較器Ｃｖは、充電時に、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを反転降圧した電圧が、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓと同じ電圧になるようにフィードバック制御する。これにより、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。

図９に示すように、メイン二次電池ブロックＢｍ及び補助二次電池ブロックＢｓの１並列二次電池毎のバランス回路は、メイン二次電池ブロックＢｍの二次電池の直列数（Ｎ個）だけでよい。

したがって、前記実施の形態１，２の構成では、二次電池バランス回路は、メイン二次電池ブロックＢｍの直列数（Ｎ個）と、補助二次電池ブロックＢｓの直列数（Ａ個）の合計（Ｎ＋Ａ）個のバランス回路が必要であったが、本実施の形態３の構成は、補助二次電池ブロックＢｓをメイン二次電池ブロックＢｍの一部と並列にすることで、バランス回路の数をメイン二次電池ブロックＢｍの直列数であるＮ個だけにできる。

（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４による電源システムの構成例を示す回路図、図１１は図１０に示したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示す回路図、図１２は本発明の実施の形態４による電源システムにおいて、二次電池バランス回路の接続例を示す回路図である。

まず、図１０により、本実施の形態４による電源システムの構成の一例を説明する。本実施の形態４の電源システムは、例えば、メイン二次電池ブロックＢｍ、補助二次電池ブロックＢｓ、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃなどから構成される。メイン二次電池ブロックＢｍは、Ｎ個の二次電池が直列接続されて構成されている。また、補助二次電池ブロックＢｓは、Ｄ個の二次電池が直列接続されて構成されている。なお、Ｎ，Ｄは自然数であり、Ｎ＞Ｄの関係にある。また、メイン二次電池ブロックＢｍ及び補助二次電池ブロックＢｓを構成する二次電池は、例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。また、二次電池の代わりに、リチウムイオン・キャパシタ等の大容量キャパシタ（コンデンサ，容量など）であってもよい。

図１０に示すように、補助二次電池ブロックＢｓは、メイン二次電池ブロックＢｍの一部と並列に接続されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、Ｘ端子が補助二次電池ブロックＢｓの負極側（メイン二次電池ブロックＢｍの中間部）に、Ｙ端子がメイン二次電池ブロックＢｍの正極側（補助二次電池ブロックＢｓの正極側）に、Ｚ端子がメイン二次電池ブロックＢｍの負極側に接続されている。メイン二次電池ブロックＢｍの両端は、負荷に接続されている。なお、メイン二次電池ブロックＢｍは、直列接続されたＮ個の二次電池から成るブロックを複数個並列接続して構成することも可能である。また、補助二次電池ブロックＢｓは、直列接続されたＤ個の二次電池から成るブロックを複数個並列接続して構成することも可能である。

次に、図１１により、ＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃの構成および動作を説明する。図１１に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）Ｕｖｃは、インダクタＬ５，Ｌ６、補助二次電池ブロックＢｓからの放電用のスイッチＳ６、補助二次電池ブロックＢｓへの充電用のスイッチＳ５、補助二次電池ブロックＢｓへの充電用のダイオードＤ６、補助二次電池ブロックＢｓからの放電用のダイオードＤ５、キャパシタＣ６、分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２、電圧信号比較器Ｃｖなどから構成されている。分圧抵抗Ｒ１１， Ｒ１２は、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを検出する電圧検出手段を構成する。
分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０は、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを検出する電圧検出手段を構成する。図１１のＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、いわゆる双方向コンバータである。

図１１のＤＣ−ＤＣコンバータＵｖｃは、目的の容量に足りないメイン二次電池ブロックＢｍと、足りない分を補うための補助二次電池ブロックＢｓとを充放電させる回路である。充電時には、外部ＤＣ電源からメインの二次電池ブロックＢｍに直接充電されると同時に、メインの二次電池ブロックＢｍの一部と補助二次電池ブロックＢｓの電圧にまで、スイッチＳ５とダイオードＤ６と２つのインダクタＬ５，Ｌ６を用いて降圧して、補助二次電池ブロックＢｓと、メイン二次電池ブロックＢｍの一部への充電を可能にする。

一方、放電時には、メイン二次電池ブロックＢｍの一部と、補助二次電池ブロックＢｓの電圧を、スイッチＳ６とダイオードＤ５と２つのインダクタＬ５，Ｌ６を用いて、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧を実現し、メイン二次電池ブロック＋αの出力を実現させる。

電圧信号比較器Ｃｖは、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍから補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを引いた電圧を分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｍと、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを分圧抵抗Ｒ９，Ｒ１０で分圧して得られる電圧信号Ｓｖｓとを比較する。そして、放電時に、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓを反転昇圧した電圧が、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍと同じ電圧になるようにフィードバック制御する。これにより、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。

一方、電圧信号比較器Ｃｖは、充電時に、メイン二次電池ブロックＢｍの電圧Ｖｍを反転降圧した電圧が、補助二次電池ブロックＢｓの電圧Ｖｓと同じ電圧になるようにフィードバック制御する。これにより、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓの電圧バランスが常に保たれる。

図１２に示すように、メイン二次電池ブロックＢｍ及び補助二次電池ブロックＢｓの１並列二次電池毎のバランス回路は、メイン二次電池ブロックＢｍの二次電池の直列数（Ｎ個）だけでよい。

したがって、前記実施の形態１，２の構成では、二次電池バランス回路は、メイン二次電池ブロックＢｍの直列数（Ｎ個）と、補助二次電池ブロックＢｓの直列数（Ａ個）の合計（Ｎ＋Ａ）個のバランス回路が必要であったが、本実施の形態４の構成は、補助二次電池ブロックＢｓをメイン二次電池ブロックＢｍの一部と並列にすることで、バランス回路の数をメイン二次電池ブロックＢｍの直列数であるＮ個だけにできる。

（実施の形態１〜４の効果）
図１３は、本発明の実施の形態１による電源システムの充電特性を示す図である。図１３は、メイン二次電池ブロックＢｍの容量が２．９２Ａｈで、補助二次電池ブロックＢｓの容量が２．４２Ａｈのリチウムイオン電池を実際にＣＶＣＣ充電をした時の充電特性を示す図である。充電の全期間において常にメイン二次電池ブロックＢｍの二次電池電圧の平均値（ａ）と、補助二次電池ブロックＢｓの二次電池電圧の平均値（ｂ）とが、実際に等しいことを示すものである。

なお、図１３において、（ａ）はメイン二次電池ブロックの二次電池電圧の平均値、（ｂ）は補助二次電池ブロックの二次電池電圧の平均値、（ｃ）はメイン二次電池ブロックの充電電流、（ｄ）は補助二次電池ブロックの充電電流、（ｅ）は充電電流を示す。

図１４は、本発明の実施の形態１による電源システムの放電特性を示す図である。図１４は、メイン二次電池ブロックＢｍの容量が２．９２Ａｈで、補助二次電池ブロックＢｓの容量が２．４２Ａｈのリチウムイオン電池をＣＣ放電をした時の放電特性を示す図である。全期間において常に、メイン二次電池ブロックＢｍの二次電池電圧の平均値（ｆ）と、補助二次電池ブロックＢｓのセル電圧の平均値（ｇ）とが、実際に等しくなっている。

また、補助二次電池ブロックＢｓの二次電池電圧の平均値（ｇ）が、メイン二次電池ブロックＢｍの二次電池電圧の平均値（ｆ）よりも下がってくると、補助二次電池ブロックＢｓの出力を抑える方向に制御される。実際、容量の違いにより、補助二次電池ブロックＢｓが先に放電末期に近づいてくると、電流値（ｉ）が減少してきて、それに伴い補助二次電池ブロックＢｓの電圧の平均値（ｇ）も下がってくるが、補助二次電池ブロックＢｓは出力を抑える方向に制御され、結果として同じ電圧を維持しようとしていることを示すものである。

なお、図１４において、（ｆ）はメイン二次電池ブロックの二次電池電圧の平均値、（ｇ）は補助二次電池ブロックの二次電池電圧の平均値、（ｈ）はメイン二次電池ブロックの出力電流、（ｉ）は補助二次電池ブロックの出力電流、（ｋ）は出力電流を示す。

結果として、本発明の実施の形態１による電源システムは、約３．５Ａｈの放電容量となっており、補助二次電池ブロックＢｓにより、放電容量がメイン二次電池ブロックの容量よりも多いことを示している。
実施の形態２〜４による電源システムの特性については、説明を省くが、同様の効果を得ることができる。

したがって、本発明の実施の形態１〜４の電源システムによれば、柔軟なバッテリの容量を実現できるため、余剰容量を持つ事がないゆえ、安価で且つ軽量な電源システムを提供することができる。

また、本発明の実施の形態１〜４の電源システムによれば、メイン二次電池ブロックＢｍと補助電池ブロックＢｓの電圧バランスを常に保つように制御することができる。

また、本発明の実施の形態３，４の電源システムによれば、二次電池バランス回路の数をメイン二次電池ブロックＢｍの直列数Ｎ個のみにする事ができ、更なる回路の軽量化、低価格化が可能である。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、メイン二次電池ブロックＢｍと補助二次電池ブロックＢｓを、大容量キャパシタに置き換えることが可能である。この場合、電圧信号比較器を使わずに、スイッチングの時比率を固定で制御する（固定デューティで制御する）ことも可能である。

Ｂｍ メイン二次電池ブロック
Ｂｓ 補助二次電池ブロック
Ｕｖｃ ＤＣ−ＤＣコンバータ（制御回路）
Ｌ１〜Ｌ６ インダクタ
Ｓ１〜Ｓ６ スイッチ
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
Ｃｖ 電圧信号比較器
Ｒ１〜Ｒ１２ 分圧抵抗
Ｃ６ キャパシタ

Claims (17)

1. Ｎ個の二次電池が直列に接続された第１の二次電池列を含む第１の二次電池ブロックと、
   前記Ｎ個より少ないＡ個の二次電池が直列に接続された第２の二次電池列を含む第２の二次電池ブロックと、
   前記第１の二次電池ブロックと前記第２の二次電池ブロックとの間で電圧変換を行う制御回路と、を具備し、
   前記第１の二次電池ブロックの両極が負荷に接続されることを特徴とする電源システム。
2. 前記制御回路は、
   充電時に、前記第１の二次電池ブロックの電圧を降圧して前記第２の二次電池ブロックに電力を供給し、
   放電時に、前記第２の二次電池ブロックの電圧を昇圧して前記負荷に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記第１の二次電池ブロックと前記第２の二次電池ブロックとは、前記制御回路を介して並列に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
4. 前記第１の二次電池ブロックは、さらに、Ｎ個の二次電池が直列に接続された第３の二次電池列を含み、
   前記第３の二次電池列は、前記第１の二次電池列に並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源システム。
5. 前記第２の二次電池ブロックは、さらに、Ａ個の二次電池が直列に接続された第４の二次電池列を含み、
   前記第４の二次電池列は、前記第２の二次電池列に並列に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源システム。
6. 前記制御回路は、インダクタと、降圧用の第１のスイッチと、降圧用の第１のダイオードと、昇圧用の第２のスイッチと、昇圧用の第２のダイオードと、を具備することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源システム。
7. 前記制御回路は、
   前記第１の二次電池ブロックの電圧を検出して第１の検出信号を出力する第１の電圧検出手段と、
   前記第２の二次電池ブロックの電圧を検出して第２の検出信号を出力する第２の電圧検出手段と、
   前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを比較する比較器と、を具備し、
   前記比較器の出力により、前記降圧及び昇圧が調整されることを特徴とする請求項６に記載の電源システム。
8. 前記第１の二次電池ブロックと前記第２の二次電池ブロックとは、直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
9. 前記制御回路は、インダクタと、反転昇圧用の第１のスイッチと、反転昇圧用の第１のダイオードと、昇圧用の第２のスイッチと、昇圧用の第２のダイオードと、を具備することを特徴とする請求項８に記載の電源システム。
10. 前記制御回路は、
    前記第１の二次電池ブロックの電圧を検出して第１の検出信号を出力する第１の電圧検出手段と、
    前記第２の二次電池ブロックの電圧を検出して第２の検出信号を出力する第２の電圧検出手段と、
    前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを比較する比較器と、を具備し、
    放電時に、前記比較器の出力により、前記第１の二次電池ブロックの電圧と同じ電圧に、前記第２の二次電池ブロックの電圧を反転昇圧するようにフィードバック制御されることを特徴とする請求項９に記載の電源システム。
11. 前記制御回路は、
    前記第１の二次電池ブロックの電圧を検出して第１の検出信号を出力する第１の電圧検出手段と、
    前記第２の二次電池ブロックの電圧を検出して第２の検出信号を出力する第２の電圧検出手段と、
    前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを比較する比較器と、を具備し、
    充電時に、前記比較器の出力により、前記第２の二次電池ブロックと前記第１の二次電池ブロックの電圧とを足し合わせた電圧と同じ電圧に、前記第１の二次電池ブロックの電圧を昇圧するようにフィードバック制御されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電源システム。
12. 前記第１の二次電池ブロックの一部に、前記第２の二次電池ブロックが並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
13. 前記制御回路は、双方向コンバータであり、放電用の第１のスイッチと、充電用の第２のスイッチと、放電用の第１のダイオードと、充電用の第２のダイオードと、キャパシタと、第１及び第２のインダクタと、を具備することを特徴とする請求項１２に記載の電源システム。
14. 前記制御回路は、
    前記第１の二次電池ブロックの電圧を検出して第１の検出信号を出力する第１の電圧検出手段と、
    前記第２の二次電池ブロックの電圧を検出して第２の検出信号を出力する第２の電圧検出手段と、
    前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを比較する比較器と、を具備し、
    放電時に、前記比較器の出力により、前記第１の二次電池ブロックの電圧と同じ電圧に、前記第２の二次電池ブロックの電圧を反転昇圧するようにフィードバック制御されることを特徴とする請求項１３に記載の電源システム。
15. 前記制御回路は、
    前記第１の二次電池ブロックの電圧を検出して第１の検出信号を出力する第１の電圧検出手段と、
    前記第２の二次電池ブロックの電圧を検出して第２の検出信号を出力する第２の電圧検出手段と、
    前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを比較する比較器と、を具備し、
    充電時に、前記比較器の出力により、前記第２の二次電池ブロックと同じ電圧に、前記第１の二次電池ブロックの電圧を反転降圧するようにフィードバック制御されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の電源システム。
16. 前記第１の二次電池ブロックの二次電池のそれぞれに並列に接続されたＮ個のバランス回路を具備することを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の電源システム。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
    前記二次電池を大容量キャパシタに替えたことを特徴とする電源システム。

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