JP7224973B2

JP7224973B2 - 電源システム

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Publication number: JP7224973B2
Application number: JP2019042867A
Authority: JP
Inventors: 義則田中; 輝儀三原
Original assignee: Marelli Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2023-02-20
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: JP2020145903A

Description

本発明は、電源システムに関する。

従来、自動車の電源システムとして、例えば４８Ｖ系と１２Ｖ系を併用する電源システムのように、複数種類の電圧系統を併用する電源システムが知られている。

このような複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、高電圧の系統（例えば４８Ｖ系）と低電圧の系統（例えば１２Ｖ系）とを、ＤＣ／ＤＣコンバータで接続する構成が知られている。

ＤＣ／ＤＣコンバータを用いるためには、ＤＣ／ＤＣコンバータを設置するためのスペースが必要となる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いると、コストアップの要因となる。そのため、複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いない構成が検討されている。

例えば、特許文献１は、３６Ｖのバッテリの中間部分である１２Ｖ及び２４Ｖのところに端子を設けて、１２Ｖずつの中間電圧を３つに分けて取り出せるようにした構成を開示している。特許文献１は、ヘッドランプなどに１２Ｖの電圧を供給することを開示している。

特開２００３－９５０３９号公報

特許文献１に記載の構成は、それぞれの１２Ｖの部分で消費される電力がほぼ均等になるように負荷を配置しているため、複雑な構成となっている。一方、構成を簡素化するために、例えば特許文献１に記載の構成において、１つの１２Ｖ電源のみを用いるようにすると（例えば、特許文献１の図１の端子３８と接地ラインとの間の１２Ｖ電源のみを用いるようにすると）、３６Ｖ電源の中で電池容量のアンバランスが生じてしまう。

かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、簡易な構成で高電圧の系統から低電圧を取り出し、且つ、高電圧の系統における電池セル間の容量のアンバランスを抑制することができる電源システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の観点に係る電源システムは、
低電圧負荷と、前記低電圧負荷よりも高い電圧で駆動される高電圧負荷とに電力を供給可能な電源システムであって、
前記低電圧負荷に電力を供給可能な第１電池と、
前記第１電池の正極側に直列接続され、直列接続された前記第１電池と共に前記高電圧負荷に電力を供給可能な第２電池と、
前記第１電池の容量と前記第２電池の容量とを調整することが可能なバランス回路と、
前記バランス回路を制御する制御部と、を備える。

第１の観点に係る電源システムによれば、複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、簡易な構成で高電圧の系統から低電圧を取り出し、且つ、高電圧の系統における電池セル間の容量のアンバランスを抑制することができる。

一実施形態に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。バランス回路の動作を説明するための図である。トランスの構成の一例を示す図である。第１変形例に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。第２変形例に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。一実施形態に係る電源システムの動作の一例を示すフローチャートである。一実施形態に係る電源システムの動作の他の例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係る電源システム１の構成例を示すブロック図である。電源システム１は、第１電池１０と、第２電池２０と、第３電池３０と、バランス回路４０と、発電装置５０と、電圧検出回路６０と、スイッチ７０と、制御部８０とを備える。電源システム１は、低電圧負荷１０１及び高電圧負荷１０２に電力を供給することができる。

図１に示す電源システム１、低電圧負荷１０１及び高電圧負荷１０２は、ガソリンエンジン若しくはディーゼルエンジン等の内燃機関を備えた車両、又は内燃機関と電動機との双方の動力で走行可能なハイブリッド車両等の車両に搭載されてよい。

低電圧負荷１０１は、例えば、１２Ｖ系で駆動される負荷である。低電圧負荷１０１が１２Ｖ系で駆動される負荷である場合、低電圧負荷１０１は、例えば１０～１４．５Ｖの範囲の電圧で動作可能である。図１においては、１つの低電圧負荷１０１を示しているが、電源システム１は、１以上の任意の数の低電圧負荷１０１に電力を供給してよい。低電圧負荷１０１は、例えば、車両走行時に常時稼動する負荷であってよい。

高電圧負荷１０２は、低電圧負荷１０１よりも高い電圧で駆動される負荷であり、例えば、４８Ｖ系で駆動される負荷である。高電圧負荷１０２が４８Ｖ系で駆動される負荷である場合、高電圧負荷１０２は、例えば４４～４８Ｖの範囲の電圧で動作可能である。図１においては、１つの高電圧負荷１０２を示しているが、電源システム１は、１以上の任意の数の高電圧負荷１０２に電力を供給してよい。高電圧負荷１０２は、低電圧負荷１０１よりも少ない頻度で稼動する負荷であってよい。

第１電池１０は、直列に接続された複数の電池セル１１を含む。電池セル１１は、二次電池であってよい。電池セル１１は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等であるが、これらに限られず、他の二次電池であってよい。第１電池１０は、発電装置５０の発電電力によって充電されうる。

第１電池１０は、スイッチ７０がオン状態であるとき、スイッチ７０を介して低電圧負荷１０１に電力を供給しうる。

第２電池２０は、直列に接続された複数の電池セル２１を含む。電池セル２１は、二次電池であってよい。電池セル２１は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等であるが、これらに限られず、他の二次電池であってよい。電池セル２１は、第１電池１０が含む電池セル１１と同じ種類の電池セルである。第２電池２０は、発電装置５０の発電電力によって充電されうる。

第２電池２０は、第１電池１０の正極側に直列接続されている。第２電池２０は、直列接続された第１電池１０と共に、高電圧負荷１０２に電力を供給しうる。例えば、第１電池１０が１２Ｖを供給可能であり、第２電池２０が３６Ｖを供給可能であるとき、第１電池１０と第２電池２０とが直列接続された構成は、４８Ｖを供給可能である。従って、第２電池２０は、直列接続された第１電池１０と共に、４８Ｖ系の高電圧負荷１０２に電力を供給可能である。

第３電池３０は、直列に接続された複数の電池セル３１を含む。電池セル３１は、二次電池であってよい。電池セル３１は、例えば、鉛蓄電池等であるが、これに限られず、他の二次電池であってよい。第３電池３０は、第１電池１０、第２電池２０又は発電装置５０によって充電されうる。

第３電池３０は、スイッチ７０を介して、第１電池１０と並列に接続されている。第３電池３０は、低電圧負荷１０１に電力を供給しうる。

バランス回路４０は、第１電池１０が含む各電池セル１１の容量と、第２電池２０が含む各電池セル２１の容量とが略均一になるように、各電池セル１１の容量及び各電池セル２１の容量を調整する。以後、第１電池１０が含む電池セル１１の容量のことを単に「第１電池１０の容量」と記載し、第２電池２０が含む電池セル２１の容量のことを単に「第２電池２０の容量」と記載する場合がある。

第１電池１０が低電圧負荷１０１に電力を供給すると、第２電池２０の容量に比べて、第１電池１０の容量は小さくなる。このような場合に、バランス回路４０は、第１電池１０の容量と第２電池２０の容量とが略均一になるように、第１電池１０の容量及び第２電池２０の容量を調整する。

バランス回路４０は、第２電池２０が含む電池セル２１の電荷を、第１電池１０が含む電池セル１１に移すことが可能なアクティブセルバランス回路として構成されてよい。図１に示すバランス回路４０は、バランス回路４０がアクティブセルバランス回路として構成されている場合の回路構成の一例である。

バランス回路４０は、複数のトランス４１と、複数のダイオード４２と、スイッチ４３とを含む。

トランス４１の個数は、第１電池１０が含む電池セル１１の個数と、第２電池２０が含む電池セル２１の個数とを合わせた個数である。複数のトランス４１の一次コイルは、直列接続されている。直列接続された一次コイルの一端は、第２電池２０の正極に接続されている。直列接続された一次コイルの他端は、スイッチ４３を介して、第１電池１０の負極に接続されている。

複数のトランス４１の各二次コイルは、第１電池１０が含む電池セル１１又は第２電池２０が含む電池セル２１とダイオード４２を介して並列に接続されている。

トランス４１の一次コイルと二次コイルの巻線比は１：１である。

ダイオード４２は、整流用のダイオードである。ダイオード４２は、トランス４１から電池セル１１又は電池セル２１に流れる電流の方向を一方向に制限する。

スイッチ４３は、直列接続された複数のトランス４１の一次コイルと、第１電池１０の負極との接続を切り替える。スイッチ４３のオン／オフは、制御部８０からの制御信号によって切り替えられる。

スイッチ４３は、制御部８０から制御信号として送信される矩形波によりオン／オフが制御される。トランス４１に流れる電流は、制御部８０から制御信号として送信される矩形波のデューティ比に依存する。矩形波のデューティ比が大きいときは、トランス４１に大きい電流が流れ、矩形波のデューティ比が小さきときは、トランス４１に小さい電流が流れる。

バランス回路４０の動作の詳細な説明については、後述する。

発電装置５０は、発電した電力によって、第１電池１０及び第２電池２０を充電可能である。また、発電装置５０は、発電した電力によって、第３電池３０を充電可能である。

発電装置５０は、例えば、オルタネータ又はスタータジェネレータなどであってよい。発電装置５０がスタータジェネレータである場合、スタータジェネレータは、発電をしていないときに、直列接続された第１電池１０及び第２電池２０によって電力を供給されうる。

電圧検出回路６０は、第１電池１０が含む各電池セル１１の電圧を検出する。また、電圧検出回路６０は、第２電池２０が含む各電池セル２１の電圧を検出する。電圧検出回路６０は、検出した電池セル１１及び電池セル２１の電圧を制御部８０に出力する。

また、図１では配線の図示を省略しているが、電圧検出回路６０は、第３電池３０が含む各電池セル３１の電圧を検出する。電圧検出回路６０は、検出した電池セル３１の電圧を制御部８０に出力する。

スイッチ７０は、第１電池１０の正極と第３電池３０の正極との接続を制御する。スイッチ７０のオン／オフは、制御部８０からの制御信号によって制御される。

制御部８０は、電源システム１の各構成部に通信可能に接続する。制御部８０は、各構成部に対して制御指示を出力したり、各構成部から情報を取得したりしてよい。

図１において、制御部８０は電圧検出回路６０とのみ接続しているが、これは可読性を高めるため接続線を省略したものである。実際は、制御部８０は、スイッチ４３、発電装置５０及びスイッチ７０とも通信可能に接続している。

制御部８０は、制御手順を規定したプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサで構成されてよい。制御部８０が車両に搭載される場合、制御部８０は、車両のＥＣＵ（Electric Control Unit又はEngine Control Unit）として構成されてよい。

制御部８０は、電圧検出回路６０から取得した電池セル１１、電池セル２１及び電池セル３１の電圧を、例えば予め保持しているテーブルなどに基づいて、それぞれ、電池セル１１、電池セル２１及び電池セル３１の容量に変換してよい。

制御部８０は、第１電池１０及び第３電池３０の組み合わせに応じて、通常時にスイッチ７０をオンにする設定としてもよいし、通常時にスイッチ７０をオフにする設定としてもよい。通常時にスイッチ７０をオンにする設定とするか、オフにする設定とするかは、例えば、予め制御部８０に設定されていてもよいし、ユーザからの入力操作に応じて設定可能としてもよい。

例えば、第１電池１０が含む電池セル１１がリン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）電池であり、第３電池３０が含む電池セル３１が鉛蓄電池である場合、制御部８０は、通常時にスイッチ７０をオンにする設定としてよい。

第１電池１０が含む電池セル１１がＬＦＰ電池である場合、４つの電池セル１１を直列接続することで、第３電池３０が出力する１２Ｖ系の電圧とほぼ同じ電圧となる。通常時にスイッチ７０がオンに制御されていると、低電圧負荷１０１に電力を供給する際、鉛蓄電池よりも内部抵抗が小さいＬＦＰ電池を含む第１電池１０の方が、第３電池３０よりも多くの電流を供給する。その結果、鉛蓄電池を含む第３電池３０から低電圧負荷１０１に流れる電流が小さくなるため、第３電池３０の寿命を延ばすことができる。

第１電池１０が低電圧負荷１０１に電力を供給することによって、第１電池１０が含む電池セル１１の容量が小さくなって、第２電池２０が含む電池セル２１との間でアンバランスが発生した場合、制御部８０は、バランス回路４０を動作させて、第１電池１０の容量と第２電池２０の容量とが略均一になるように、第１電池１０の容量及び第２電池２０の容量を調整することができる。

制御部８０は、例えば、第１電池１０が含む複数の電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む複数の電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値以上であるときに、バランス回路４０を動作させる。

制御部８０は、第１電池１０が含む複数の電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む複数の電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差の大きさに応じて、バランス回路４０に流す電流の大きさを制御してよい。

制御部８０は、上記電圧差が大きい場合はバランス回路４０に流す電流を大きくし、上記電圧差が小さい場合はバランス回路４０に流す電流を小さくするように、バランス回路４０を制御してよい。制御部８０は、スイッチ４３を制御する矩形波のデューティ比を大きくすることで、バランス回路４０に流す電流を大きくすることできる。制御部８０は、スイッチ４３を制御する矩形波のデューティ比を小さくすることで、バランス回路４０に流す電流を小さくすることできる。これにより、制御部８０は、第１電池１０が含む電池セル１１の容量と、第２電池２０が含む電池セル２１の容量との差が小さくなるにつれて、バランス回路４０に流れる電流が小さくなるようにすることができる。

制御部８０は、例えば、上記電圧差が０．０２Ｖのときに１０Ａが流れるようにバランス回路４０を制御し、上記電圧差が０．０６Ｖのときに３０Ａが流れるようにバランス回路４０を制御してよい。

例えば、第１電池１０が含む電池セル１１がＮＭＣ系のリチウムイオン電池又はチタン酸リチウム（ＬＴＯ）電池であり、第３電池３０が含む電池セル３１が鉛蓄電池である場合、制御部８０は、通常時にスイッチ７０をオフにする設定としてよい。

第１電池１０が含む電池セル１１がＮＭＣ系のリチウムイオン電池又はＬＴＯ電池である場合、６つの電池セル１１を直列接続することで、第３電池３０が出力する１２Ｖ系の電圧に近い電圧となる。しかしながら、ＳＯＣ（State Of Charge）が高い状態で６つの電池セル１１を直列接続したときの電圧は、１２Ｖ系の電圧よりも高い電圧となるため、電池セル１１がＮＭＣ系のリチウムイオン電池又はＬＴＯ電池である場合、電池セル１１のＳＯＣが低い状態で使用することが必要となる。そうすると、第１電池１０が含む電池セル１１を有効に利用することができない。従って、このような場合は、通常時にスイッチ７０をオフにする設定とすることが好ましい。

通常時にスイッチ７０をオフにする設定としている場合、制御部８０は、第３電池３０の電圧が所定の電圧より小さくなったときに、スイッチ７０がオンするように制御してよい。スイッチ７０がオンされると、第１電池１０によって、第３電池３０を充電することができる。第３電池３０の電圧が所定の電圧以上になったら、制御部８０は、スイッチ７０をオフに戻してよい。

第１電池１０が第３電池３０を充電することによって、第１電池１０が含む電池セル１１の容量が小さくなって、第２電池２０が含む電池セル２１との間でアンバランスが発生した場合、制御部８０は、バランス回路４０を動作させて、第１電池１０の容量と第２電池２０の容量とが略均一になるように、第１電池１０の容量及び第２電池２０の容量を調整することができる。

続いて、図２を参照して、バランス回路４０の動作について説明する。図２は、バランス回路４０の周辺を示した図である。

図２に示す例においては、第１電池１０が含む電池セル１１の個数と、第２電池２０が含む電池セル２１の個数とを合わせた個数がＮ個であるとして説明する。

また、図２に示す例においては、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの一つの電池セル１１にアンバランスが発生している場合を例に挙げて説明する。アンバランスが発生している電池セル１１は、図２において、電池セル１１Ｘとして示している。

図２に示す例においては、第１電池１０が含む電池セル１１Ｘ以外の電池セル１１は、正極と負極との端子間の電圧がＥ_０である。また、電池セル１１Ｘは、正極と負極との端子間の電圧がＥ_０－Ｙである。また、第２電池２０が含む電池セル２１は、正極と負極との端子間の電圧がＥ_０である。

このように、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘは、他の電池セル１１又は電池セル２１と比べて、電圧がＹだけ小さくなっている。

なお、図２においては、電池セル１１Ｘと接続するダイオードは、ダイオード４２Ｘとして示している。また、電池セル１１Ｘと並列に接続するトランスは、トランス４１Ｘとして示している。

トランス４１の一次コイルはＮ個が直列に接続されており、トランス４１の一次コイルと二次コイルの巻線比は１：１であるため、スイッチ４３が所定のデューティ比でオン／オフしてバランス回路４０が動作しているとき、各トランス４１の二次側に発生する電圧はＥ_０である。この電圧は、電池セル１１Ｘ以外の電池セル１１又は電池セル２１の電圧と同じである。従って、電池セル１１Ｘ以外の電池セル１１又は電池セル２１においては、二次コイルに発生する電圧と、自身の電圧とが同じであるため電流が流れない。

一方、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘは、自身の電圧がＥ_０－Ｙであり、この電圧がトランス４１Ｘの二次コイルに発生している電圧Ｅ_０よりも小さいため、トランス４１Ｘから電流が流れて充電される。このように、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘのみに電流が流れ、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘのみが充電される。

以下、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘに流れる電流Ｉ_Ｙについて説明する。

例えば、スイッチ４３がデューティ比５０％でオン／オフすることにより、トランス４１の一次コイル側に電流Ｉ_０が流れているとする。このとき、直列接続された一次コイル全体にかかる電圧、すなわち、第２電池２０の正極から第１電池１０の負極までの電圧は、Ｎ・Ｅ_０－Ｙである。従って、第１電池１０が含む全ての電池セル１１及び第２電池２０が含む全ての電池セル２１によって引き出されるエネルギーは、（Ｎ・Ｅ_０－Ｙ）・Ｉ_０となる。

一方、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘに補充されるエネルギーは、（Ｅ_０－Ｙ）・Ｉ_Ｙとなる。

従って、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘにおけるエネルギーバランスの式は、下記の数式（１）のように表される。
（Ｎ・Ｅ_０－Ｙ）・Ｉ_０＝（Ｅ_０－Ｙ）・Ｉ_Ｙ（１）

上記の数式（１）をＩ_Ｙについて解くと、下記の数式（２）のように表される。
Ｉ_Ｙ＝Ｉ_０・（Ｎ・Ｅ_０－Ｙ）／（Ｅ_０－Ｙ）（２）

数式（２）に表されるように、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘには、トランス４１の一次コイル側に流れている電流Ｉ_０のおよそＮ倍の大きさの電流が流れる。このような電流Ｉ_Ｙが流れることによって、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘは充電され、他の電池セル１１又は電池セル２１と同程度の容量となるように容量が調整される。

この際、アンバランスが発生している電池セル１１Ｘに供給される電荷量Ｑ［Ａ・ｈｒ］は、下記の数式（３）のように表される。
Ｑ＝３６００Ｉ_Ｙ・Ｄ・Ｔ・ｆ（３）
ここで、Ｄはデューティ比であり、Ｔはスイッチ４３を駆動する矩形波の周期であり、ｆはスイッチ４３を駆動する矩形波の駆動周波数である。

続いて、図３を参照して、トランス４１の構成の一例について説明する。図３は、トランス４１が５個並んでいる様子を示している。図３（ａ）は、トランス４１が５個並んでいる様子の断面図である。図３（ｂ）は、５個並んでいるトランス４１のうち一次コイル４１１のみを示した上面図である。

図３（ａ）に示すように、トランス４１は、一次コイル４１１と、二次コイル４１２と、基板４１３と、磁性体コア板４１４とを備える。

一次コイル４１１は、基板４１３の一方の面にパターンで形成されたコイルである。一次コイル４１１は、例えば、図３（ｂ）に示すような形状であってよい。一次コイル４１１は、導電性の材料で形成されてよい。

二次コイル４１２は、基板４１３の他方の面にパターンで形成されたコイルである。二次コイル４１２は、例えば、図３（ｂ）に示す一次コイル４１１と同様の形状であってよい。二次コイル４１２は、導電性の材料で形成されてよい。

基板４１３は、一次コイル４１１及び二次コイル４１２を形成可能な平板状の基板である。基板４１３は、例えば、プリント配線板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）であってよい。

磁性体コア板４１４は、一次コイル４１１、二次コイル４１２及び基板４１３を挟み込むように、一次コイル４１１、二次コイル４１２及び基板４１３の両側に配置される。

トランス４１を図３に示した構成とすると、基板４１３の厚みが磁気ギャップとなる。これにより、トランス４１の磁気飽和を抑制することができる。

なお、図３に示したトランス４１の構成は一例であり、トランス４１の構成は、図３に示した構成に限定されない。

本実施形態に係る電源システム１によれば、直列接続されている第１電池１０及び第２電池２０において、第１電池１０の正極端子から低電圧負荷１０１に電力を供給することが可能である。また、バランス回路４０が、第１電池１０が含む電池セル１１の容量と第２電池２０が含む電池セル２１の容量とを調整することが可能である。これにより、高電圧の系統（例えば４８Ｖ系）に電力を供給可能な第１電池１０及び第２電池２０の直列接続の構成から、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いない簡易な構成で、低電圧（例えば１２Ｖ）を取り出すことが可能である。また、バランス回路４０によって、第１電池１０が含む電池セル１１及び第２電池２０が含む電池セル２１の間の容量のアンバランスを抑制することができる。

（第１変形例）
図４は、第１変形例に係る電源システム２の構成例を示すブロック図である。第１変形例に係る電源システム２については、図１に示した電源システム１と共通又は類似する内容については適宜説明を省略し、電源システム１と相違する点について主に説明する。

第１変形例に係る電源システム２は、スイッチ７０の第１電池１０側に、低電圧負荷１０１とは異なる他の低電圧負荷１０３が接続されている点で、図１に示した電源システム１と相違する。

低電圧負荷１０３は、低電圧負荷１０１と同じ電圧系統で駆動される負荷である。例えば、低電圧負荷１０１が１２Ｖ系で駆動される負荷である場合、低電圧負荷１０３も１２Ｖ系で駆動される負荷である。

第１変形例に係る電源システム２において、１２Ｖ系で駆動される負荷のうち、瞬断が許されない負荷を、低電圧負荷１０１として、スイッチ７０の第３電池３０側に接続してよい。瞬断が許されない負荷としては、例えば、ナビゲーションシステム又はオーディオなどが挙げられる。

（第２変形例）
図５は、第２変形例に係る電源システム３の構成例を示すブロック図である。第２変形例に係る電源システム３については、図１に示した電源システム１と共通又は類似する内容については適宜説明を省略し、電源システム１と相違する点について主に説明する。

第２変形例に係る電源システム３は、バランス回路９０の構成が、図１に示した電源システム１のバランス回路４０の構成と相違する。

バランス回路９０は、コイル９１と、コイル９２と、コイル９３と、コイル９４と、ダイオード９５と、スイッチ９６とを含む。ダイオード９５及びスイッチ９６は、図１に示したバランス回路４０のダイオード４２及びスイッチ４３と、それぞれ同等の機能を有するため、説明を省略する。

図５に示す電源システム３において、第１電池１０は、３～５個の電池セル１１を含むものとする。また、第２電池２０は、第１電池１０の３倍の個数の電池セル２１を含むものとする。以後、一例として、第１電池１０が５個の電池セル１１を含み、第２電池２０が１５個の電池セル２１を含むものとして説明する。

バランス回路９０は、第１電池１０が含む電池セル１１の個数である５個と、第２電池２０が含む電池セル２１の個数である１５個とを合わせた個数である２０個のコイル９１を含む。各コイル９１は、第１電池１０が含む電池セル１１又は第２電池２０が含む電池セル２１とダイオード９５を介して並列に接続されている。

コイル９２は、５個のコイル９１と組み合わされて、トランスとして機能する。コイル９１の巻き数をＮａ、コイル９２の巻き数をＮｂとすると、Ｎｂ＝Ｎａ×５である。

コイル９３は、コイル９２と直列に接続されている。コイル９３の巻き数は、コイル９２の巻き数と同様にＮｂである。

コイル９４は、４個のコイル９３と組み合わされて、トランスとして機能する。コイル９４の巻き数をＮｃとすると、Ｎｃ＝Ｎｂ×４である。

コイル９４の一端は、第２電池２０の正極に接続されている。コイル９４の他端は、スイッチ９６を介して、第１電池１０の負極に接続されている。

図５に示したバランス回路９０のような構成であっても、図１に示したバランス回路４０と同様の機能を有する。

（発電装置による第１電池、第２電池及び第３電池の充電）
電源システム１は、第１電池１０、第２電池２０及び第３電池３０の容量の状態に応じて、発電装置５０による第１電池１０、第２電池２０及び第３電池３０の充電を制御してよい。この場合の電源システム１の動作について、図１を参照して説明する。

制御部８０は、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値未満である場合は、発電装置５０による第１電池１０及び第２電池２０の充電が可能な状態であると判定する。

この場合において、第１電池１０が含む電池セル１１及び第２電池２０が含む電池セル２１のＳＯＣが小さい場合、すなわち、第１電池１０が含む電池セル１１及び第２電池２０が含む電池セル２１の電圧が小さい場合は、制御部８０は、発電装置５０に第１電池１０及び第２電池２０を充電させてよい。

制御部８０は、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値以上である場合は、バランス回路４０を動作させて、第１電池１０の容量と第２電池２０の容量とを調整させてよい。

このように、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値以上である場合は、バランス回路４０を動作させ、その後に発電装置５０に第１電池１０及び第２電池２０を充電させることで、電源システム１は、電池セル２１を過充電してしまうことを抑制することができる。

制御部８０は、通常時にスイッチ７０をオンにする設定としている場合と、通常時にスイッチ７０をオフにする設定としている場合とで、発電装置５０による第１電池１０、第２電池２０及び第３電池３０の充電動作の制御を異なる制御としてよい。以下、それぞれの制御について説明する。

＜通常時にスイッチをオンとしている場合の制御＞
通常時にスイッチ７０をオンにする設定としている場合の制御について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。

電源システム１の制御部８０は、第１電池１０の電圧を電圧検出回路６０から定期的に取得している。制御部８０は、電圧検出回路６０から取得した第１電池１０の電圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。

第１電池１０の電圧が所定の閾値以上である場合（ステップＳ１０１のＮｏ）、制御部８０は、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。

第１電池１０の電圧が所定の閾値未満である場合（ステップＳ１０１のＹｅｓ）、制御部８０は、第１電池１０と第２電池２０の電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２において、制御部８０は、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定してよい。

ステップＳ１０２においてＮｏと判定した場合、制御部８０は、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０２においてＹｅｓと判定した場合、制御部８０は、バランス回路４０を動作させる（ステップＳ１０３）。

制御部８０は、第１電池１０と第２電池２０の電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４において、制御部８０は、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定してよい。

ステップＳ１０４においてＹｅｓと判定した場合、制御部８０は、ステップＳ１０３に戻る。

ステップＳ１０４においてＮｏと判定した場合、制御部８０は、電圧検出回路６０から取得した第１電池１０の電圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

第１電池１０の電圧が所定の閾値以上である場合（ステップＳ１０５のＮｏ）、制御部８０は、処理を終了する。

第１電池１０の電圧が所定の閾値未満である場合（ステップＳ１０５のＹｅｓ）、制御部８０は、発電装置５０を制御して、第１電池１０、第２電池２０及び第３電池３０を充電させ（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０５に戻る。

＜通常時にスイッチをオフとしている場合の制御＞
通常時にスイッチ７０をオフにする設定としている場合の制御について、図７に示すフローチャートを参照して説明する。

電源システム１の制御部８０は、第３電池３０の電圧を電圧検出回路６０から定期的に取得している。制御部８０は、電圧検出回路６０から取得した第３電池３０の電圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。

第３電池３０の電圧が所定の閾値以上である場合（ステップＳ２０１のＮｏ）、制御部８０は、ステップＳ２０１の処理を繰り返す。

第３電池３０の電圧が所定の閾値未満である場合（ステップＳ２０１のＹｅｓ）、制御部８０は、第１電池１０の電圧が第３電池３０の電圧以上であるかを判定する（ステップＳ２０２）。

第１電池１０の電圧が第３電池３０の電圧未満である場合（ステップＳ２０２のＮｏ）、制御部８０は、発電装置５０を制御して、第１電池１０及び第２電池２０を充電させ（ステップＳ２０３）、ステップＳ２０２に戻る。

第１電池１０の電圧が第３電池３０の電圧以上である場合（ステップＳ２０２のＹｅｓ）、制御部８０は、スイッチ７０をオンに制御して、第１電池１０と第３電池３０とを接続する（ステップＳ２０４）。

制御部８０は、電圧検出回路６０から取得した第３電池３０の電圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。

第３電池３０の電圧が所定の閾値未満である場合（ステップＳ２０５のＹｅｓ）、制御部８０は、ステップＳ２０７に進む。

第３電池３０の電圧が所定の閾値以上である場合（ステップＳ２０５のＮｏ）、制御部８０は、スイッチ７０をオフに制御して、第１電池１０と第３電池３０とを切断し（ステップＳ２０６）、処理を終了する。

制御部８０は、第１電池１０と第２電池２０の電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０７）。ステップＳ２０７において、制御部８０は、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定してよい。

ステップＳ２０７においてＮｏと判定した場合、制御部８０は、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２０７においてＹｅｓと判定した場合、制御部８０は、バランス回路４０を動作させる（ステップＳ２０８）。

制御部８０は、第１電池１０と第２電池２０の電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０９）。ステップＳ２０９において、制御部８０は、第１電池１０が含む電池セル１１のうちの最も電圧が高い電池セル１１と、第２電池２０が含む電池セル２１のうちの最も電圧が低い電池セル２１との電圧差が所定の閾値以上であるか否かを判定してよい。

ステップＳ２０９においてＹｅｓと判定した場合、制御部８０は、ステップＳ２０８に戻る。

ステップＳ２０９においてＮｏと判定した場合、制御部８０は、電圧検出回路６０から取得した第３電池３０の電圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。

第３電池３０の電圧が所定の閾値未満である場合（ステップＳ２１０のＹｅｓ）、制御部８０は、発電装置５０を制御して、第１電池１０、第２電池２０及び第３電池３０を充電させ（ステップＳ２１１）、ステップＳ２１０に戻る。

第３電池３０の電圧が所定の閾値以上である場合（ステップＳ２１０のＮｏ）、制御部８０は、スイッチ７０をオフに制御して、第１電池１０と第３電池３０とを切断し（ステップＳ２１２）、処理を終了する。

本開示に係る一実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段等を１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

１、２、３電源システム
１０第１電池
１１電池セル
２０第２電池
２１電池セル
３０第３電池
３１電池セル
４０バランス回路
４１トランス
４２ダイオード
４３スイッチ
５０発電装置
６０電圧検出回路
７０スイッチ
８０制御部
９０バランス回路
９１、９２、９３、９４コイル
９５ダイオード
９６スイッチ
１０１低電圧負荷
１０２高電圧負荷
１０３低電圧負荷
４１１一次コイル
４１２二次コイル
４１３基板
４１４磁性体コア板

Claims

低電圧負荷と、前記低電圧負荷よりも高い電圧で駆動される高電圧負荷とに電力を供給可能な電源システムであって、
前記低電圧負荷に電力を供給可能な第１電池と、
前記第１電池の正極側に直列接続され、直列接続された前記第１電池と共に前記高電圧負荷に電力を供給可能な第２電池と、
前記第１電池の容量と前記第２電池の容量とを調整することが可能なバランス回路と、
前記バランス回路を制御する制御部と、を備え、
前記第１電池は複数の電池セルを含み、
前記第２電池は複数の電池セルを含み、
前記バランス回路は、前記第１電池が含む複数の電池セルの個数と、前記第２電池が含む複数の電池セルの個数とを合わせた個数の複数のトランスを含み、
前記複数のトランスの一次コイルは、前記第２電池の正極と前記第１電池の負極との間に直列接続され、
前記複数のトランスの各二次コイルは、前記第１電池及び前記第２電池が含む前記各電池セルと並列に接続され、
前記各トランスの一次コイルと二次コイルの巻線比は１：１である、電源システム。
請求項１に記載の電源システムにおいて、
前記バランス回路は、アクティブセルバランス回路として構成されている、電源システム。
請求項１又は２に記載の電源システムにおいて、
前記一次コイルは、基板の一方の面にパターンで形成されたコイルであり、
前記二次コイルは、前記基板の他方の面にパターンで形成されたコイルである、電源システム。
請求項１から３のいずれか一項に記載の電源システムにおいて、
前記制御部は、前記第１電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が高い電池セルと、前記第２電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が低い電池セルとの電圧差が所定の閾値以上であるときに、前記バランス回路を動作させる、電源システム。
請求項４に記載の電源システムにおいて、
前記制御部は、前記電圧差の大きさに応じて、前記バランス回路に流す電流の大きさを制御する、電源システム。
請求項１から５のいずれか一項に記載の電源システムにおいて、
前記第１電池及び前記第２電池を充電可能な発電装置をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が高い電池セルと、前記第２電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が低い電池セルとの電圧差が所定の閾値未満である場合は、前記発電装置による前記第１電池及び前記第２電池の充電が可能な状態であると判定し、
前記電圧差が前記所定の閾値以上である場合は、前記バランス回路を動作させる、電源システム。
請求項１から６のいずれか一項に記載の電源システムにおいて、
前記低電圧負荷に電力を供給可能であり、前記第１電池と並列に接続されている第３電池をさらに備える、電源システム。
請求項７に記載の電源システムにおいて、
前記第１電池が含む複数の電池セル及び前記第２電池が含む複数の電池セルは、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池であり、
前記第３電池が含む複数の電池セルは、鉛蓄電池である、電源システム。
請求項８に記載の電源システムにおいて、
前記第１電池と前記第３電池との接続を制御するスイッチをさらに備え、
前記低電圧負荷は、前記スイッチの前記第３電池側に接続されており、
前記低電圧負荷とは異なる他の低電圧負荷が前記スイッチの前記第１電池側に接続されており、
前記スイッチの前記第３電池側に接続されている前記低電圧負荷は、瞬断が許されない負荷である、電源システム。