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Vmod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Vmod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SOCini[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SOCini[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SOCini[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。