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公開番号2021103918
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210715
出願番号2019234070
出願日20191225
発明の名称電源装置
出願人株式会社豊田中央研究所,トヨタ自動車株式会社
代理人特許業務法人YKI国際特許事務所
主分類H02J 7/00 20060101AFI20210618BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】本発明の目的は、複数の電池モジュールが直列接続された電源装置につき、電源装置が発生するノイズが、自らの制御に与える影響を軽減することである。
【解決手段】電源装置は、直列接続された複数の電池モジュールU0〜U13と、制御ユニット12とを備え、最上段および最下段の電池モジュールから負荷14に電力を供給する。制御ユニット12は、アクティブ時間の間、電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、電池モジュールをオフ状態にし、アクティブ時間および非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行する。制御ユニット12は、上段側の電池モジュールに対し、下段側に隣接する電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させる。制御ユニット12は、最上段の電池モジュールU0よりも下段側の各電池モジュールU1〜U13に対しては、制御遅延時間をランダムに定める。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
直列接続された複数の電池モジュールと、
各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、
最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、
前記制御ユニットは、
アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、
上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、
最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
続きを表示(約 1,700 文字)【請求項2】
直列接続された複数の電池モジュールと、
各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、
最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、
前記制御ユニットは、
アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、
上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、
各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
【請求項3】
請求項2に記載の電源装置において、
前記制御ユニットは、
各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間を併せた周期をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
【請求項4】
直列接続された複数の電池モジュールと、
各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、
最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、
前記制御ユニットは、
アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、
上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、
各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間を併せた周期をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
【請求項5】
請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の電源装置において、
前記制御ユニットは、
最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
【請求項6】
請求項1または請求項5に記載の電源装置において、
前記制御ユニットは、
前記アクティブ時間と前記非アクティブ時間を併せた周期、前記アクティブ時間、および前記制御遅延時間のうちの少なくとも1つを変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対して前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
【請求項7】
請求項2または請求項3に記載の電源装置において、
前記制御ユニットは、
前記アクティブ時間と前記非アクティブ時間を併せた周期、前記アクティブ時間、および前記制御遅延時間のうちの少なくとも1つを変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
【請求項8】
請求項3または請求項4に記載の電源装置において、
前記制御ユニットは、
前記アクティブ時間と前記非アクティブ時間を併せた周期、前記アクティブ時間、および前記制御遅延時間のうちの少なくとも1つを変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対し、前記周期をランダムに定めることを特徴とする電源装置。
【請求項9】
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電源装置において、
前記制御ユニットは、
最上段よりも下段側のいずれかの前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングに応じて、最上段の前記電池モジュールに対するオンオフ制御を実行することを特徴とする電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置に関し、特に、直列接続された複数の電池モジュールを備える装置に関する。
続きを表示(約 6,400 文字)【背景技術】
【0002】
複数の電池モジュールが直列接続された電源装置につき、研究開発が行われている。電池モジュールは、電池およびスイッチ回路を備えており、スイッチ回路の切り換えによって、一対の端子から電池の電圧を出力するオン状態と、一対の端子の間を短絡するオフ状態のいずれかに状態が切り換えられる。
【0003】
複数の電池モジュールが直列接続された電源装置では、最上段の電池モジュールと、最下段の電池モジュールとの間に負荷が接続される。各電池モジュールのオン状態およびオフ状態が切り換えられることで、オン状態にある電池モジュールによる電圧が負荷に印加される。
【0004】
以下の特許文献1〜6には、複数の電池モジュールが直列接続された電源装置が示されている。これらの特許文献に記載された電源装置では、上段から下段に向かって順に所定のアクティブ時間の間だけ電池モジュールがオン状態となるスイープスイッチングが行われる。スイープスイッチングでは、上流側の電池モジュールに対して、下流側に隣接する電池モジュールは、所定の遅延時間だけ遅れたタイミングでスイッチ回路のオンオフ制御が行われる。スイープスイッチングによって、所望の数の電池モジュールにおける電池の合成出力電圧が負荷に印加され、所望の数の電池モジュールにおける各電池から負荷に電力が供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2018−74709号公報
特開2018−174029号公報
特開2018−174607号公報
特開2018−174626号公報
特開2018−182782号公報
特開2018−182783号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
複数の電池モジュールが直列接続され、スイープスイッチングを行う電源装置では、各電池モジュールのオンオフ制御によってノイズ電圧またはノイズ電流が発生する。これらのノイズによって電源装置の制御が適切に行われないことがある。
【0007】
本発明の目的は、複数の電池モジュールが直列接続された電源装置につき、電源装置が発生するノイズが、自らの動作に与える影響を軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、直列接続された複数の電池モジュールと、各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、前記制御ユニットは、アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、 上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定めることを特徴とする。
【0009】
また、本発明は、直列接続された複数の電池モジュールと、各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、前記制御ユニットは、アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定めることを特徴とする。
【0010】
望ましくは、前記制御ユニットは、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間を併せた周期をランダムに定める。
【0011】
また、本発明は、直列接続された複数の電池モジュールと、各前記電池モジュールを制御する制御ユニットと、を備え、最上段および最下段の前記電池モジュールから負荷に電力を供給する電源装置において、前記制御ユニットは、アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオン状態にし、非アクティブ時間の間、前記電池モジュールをオフ状態にし、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間が交互に繰り返されるオンオフ制御を実行し、上段側の前記電池モジュールに対し、下段側に隣接する前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングを制御遅延時間だけ遅延させるように、複数の前記電池モジュールをオンオフ制御し、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間および前記非アクティブ時間を併せた周期をランダムに定めることを特徴とする。
【0012】
望ましくは、前記制御ユニットは、最上段の前記電池モジュールよりも下段側の各前記電池モジュールに対して、前記制御遅延時間をランダムに定める。
【0013】
望ましくは、前記制御ユニットは、前記アクティブ時間と前記非アクティブ時間を併せた周期、前記アクティブ時間、および前記制御遅延時間のうちの少なくとも1つを変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対して前記制御遅延時間をランダムに定める。
【0014】
望ましくは、前記制御ユニットは、前記アクティブ時間と前記非アクティブ時間を併せた周期、前記アクティブ時間、および前記制御遅延時間のうちの少なくとも1つを変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対し、前記アクティブ時間をランダムに定める。
【0015】
望ましくは、前記制御ユニットは、前記アクティブ時間と前記非アクティブ時間を併せた周期、前記アクティブ時間、および前記制御遅延時間のうちの少なくとも1つを変化させて、前記負荷に対する電力供給状態を制御するときに、各前記電池モジュールに対し、前記周期をランダムに定める。
【0016】
望ましくは、前記制御ユニットは、最上段よりも下段側のいずれかの前記電池モジュールに対するオンオフ制御タイミングに応じて、最上段の前記電池モジュールに対するオンオフ制御を実行する。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、電源装置が発生するノイズが、自らの動作に与える影響を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
電源装置の構成を示す図である。
電池モジュールの詳細な構成を示す図である。
各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。
各制御信号のタイミングチャートの例を示す図である。
遅延時間変動モードにおける各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。
周期変動モードにおける各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。
遅延時間・周期変動モードにおける各制御信号のタイミングチャートを概念的に示す図である。
電源装置の構成を示す図である。
電源装置が基本モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。
電源装置が遅延時間変動モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。
電源装置が周期変動モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。
電源装置が遅延時間・周期変動モードで動作した場合のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
(1)電源装置の構成
各図を参照して本発明の実施形態に係る電源装置について説明する。複数の図面に亘って示された同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【0020】
図1には、本発明の実施形態に係る電源装置の構成が示されている。電源装置は、電池モジュールU0〜U13、制御ユニット12、負荷コンデンサCL、システムメインリレースイッチSMR(以下、単にSMRという)、電圧計Vおよび電流計Aを備えている。電池モジュールU0〜U13は、それぞれ、本体回路u0〜u13を備えている。また、各電池モジュールUiは、本体回路uiに両端が接続された電池10を備えている。ここで、iは、0〜13のいずれかの整数である。図1には、電力を伝送するための電力線が実線で示され、制御信号を伝送するための制御線が破線によって示されている。電池モジュールU0〜U13は、後述する回路構成に基づき、電力線および制御線によって直列接続されている。本実施形態に係る電源装置には、14個の電池モジュールU0〜U13が用いられているが、用いられる電池モジュールの個数は2以上の任意の個数であってよい。
【0021】
最上段の電池モジュールU0は、電流計Aの一端に接続されている。電流計Aの他端はSMRの一端に接続され、SMRの他端は負荷14の一端に接続されている。最下段の電池モジュールU13は負荷14の他端に接続されている。また、最上段の電池モジュールU0と負荷14との間の電力線と、最下段の電池モジュールU13と負荷14との間の電力線との間には、負荷コンデンサCLおよび電圧計Vが並列接続されている。
【0022】
電圧計Vによる電圧測定値および電流計Aによる電流測定値は、制御ユニット12に出力されている。制御ユニット12は、電圧測定値および電流測定値の少なくとも一方に基づいて、各電池モジュールUiを制御する。制御ユニット12は、負荷14に電力を供給するときはSMRをオンにし、負荷14に供給される電力を遮断するときは、SMRをオフにする。以下では、SMRがオンであるときの電源装置の状態について説明する。
【0023】
(2)電池モジュールの構成
図2には、電池モジュールUiの詳細な構成が示されている。電池モジュールUiは、本体回路uiおよび電池10を備えている。本体回路uiは、制御回路20、スイッチ回路22、上流電力端子24、下流電力端子26、上流制御端子28および下流制御端子30を備えている。スイッチ回路22は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、およびモジュール内コンデンサCmを備えている。第1スイッチング素子S1の一端は、上流電力端子24に接続されている。第1スイッチング素子S1の他端は下流電力端子26に接続されている。また、第2スイッチング端子S2の一端は上流電力端子24に接続され、第2スイッチング端子S2の他端は、電池10の正極端子に接続されている。電池10の負極端子は下流電力端子26に接続されている。第2スイッチング素子S2と電池10との接続点と、下流電力端子26との間にはモジュール内コンデンサCmが接続されている。
【0024】
第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2のそれぞれには、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体スイッチング素子が用いられてよい。第1スイッチング素子S1にMOSFETが用いられる場合、上流電力端子24にドレイン端子が接続され、下流電力端子26にソース端子が接続される。第2スイッチング素子S2にMOSFETが用いられる場合、上流電力端子24にソース端子が接続され、電池10の正極端子にドレイン端子が接続される。各MOSFETのドレイン端子とソース端子との間には、ドレイン端子側にカソード端子を向けてダイオードが接続される。
【0025】
MOSFETに代えて、バイポーラトランジスタまたはIGBTが用いられる場合、MOSFETのドレイン端子およびソース端子が、バイポーラトランジスタおよびIGBTのコレクタ端子およびエミッタ端子にそれぞれ対応させる。コレクタ端子とエミッタ端子との間には、コレクタ端子側にカソード端子を向けてダイオードが接続される。
【0026】
制御回路20の一端は上流制御端子28に接続され、制御回路20の他端は下流制御端子30に接続されている。制御回路20からスイッチング素子S1には制御信号Fiが出力され、制御回路20からスイッチング素子S2には制御信号Giが出力される。制御信号Fiの値がハイであるときにスイッチング素子S1がオンになり、制御信号Fiの値がローであるときにスイッチング素子S1がオフになる。同様に、制御信号Giの値がハイであるときにスイッチング素子S2がオンになり、制御信号Giの値がローであるときにスイッチング素子S2がオフになる。制御信号Giは、制御信号Fiのハイおよびローの値を反転した信号である。
【0027】
スイッチング素子S1がオンであり、スイッチング素子S2がオフであるときは、上流電力端子24と下流電力端子26との間が短絡され、電池モジュールUiはオフ状態となる。スイッチング素子S1がオフであり、スイッチング素子S2がオンであるときは、上流電力端子24に電池10の正極が接続され、上流電力端子24と下流電力端子26との間に電池10が接続される。これによって電池モジュールUiはオン状態となる。
【0028】
図1に示されている電池モジュールU0〜U13は、電力線および制御線によって、以下に説明するように直列接続されている。上段側のスイッチ回路22の下流電力端子26は、下段側に隣接するスイッチ回路22の上流電力端子24に接続されている。最上段のスイッチ回路22の上流電力端子24は、電流計AおよびSMRを介して負荷14の一端に接続されている。最下段のスイッチ回路22の下流電力端子26は、負荷14の他端に接続されている。
【0029】
また、上段側の制御回路20の下流制御端子30は、下段側に隣接する制御回路20の上流制御端子28に接続されている。最上段の制御回路20の上流制御端子28、および最下段の制御回路20の下流制御端子30は、制御ユニット12に接続されている。
【0030】
(3)制御ユニットおよび制御回路のハードウエア等
制御ユニット12および各制御回路20は、外部から読み込まれたプログラム、または自らが記憶するプログラムを実行するプロセッサを含んでよい。図1および図2には、制御ユニット12および各制御回路20が個別のハードウエアによって構成された例が示されているが、制御ユニット12および各制御回路20の総てまたはいずれかは、1つのハードウエアによって一体的に構成されてもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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