(57)【要約】【課題】ライフサイクルコストを削減しつつ、安定して複数系統の電圧を出力可能な電源装置を提供する。【解決手段】複数の単電池１１を備えた電源装置１０において、出力専用端子１４と入出力用端子１５と接続手段２０とを備え、接続手段２０は、複数の単電池１１を組み合わせて互いに独立した低電圧用組電池１２および高電圧用組電池１３の少なくとも二系統の組電池を構成し、低電圧用組電池１２を出力専用端子１４に接続し、高電圧用組電池１３を入出力用端子１５に接続し、充電状態に応じて低電圧用組電池１２を構成する単電池１１と高電圧用組電池１３を構成する単電池１１とを入れ替える構成にした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単電池を備えた電源装置において、
電力を出力する出力専用端子と、電力を入出力する入出力用端子と、前記複数の単電池を組み合わせ自在に前記出力専用端子および前記入出力用端子のそれぞれに接続する接続手段と、を備え、
前記接続手段は、前記複数の単電池を組み合わせて互いに独立した少なくとも二系統の組電池を構成し、そのうちの一方の組電池を前記出力専用端子に接続し、他方の組電池を前記入出力用端子に接続し、前記一方の組電池または前記他方の組電池の充電状態に応じて前記一方の組電池を構成する単電池と前記他方の組電池を構成する単電池とを入れ替える構成にしたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記接続手段は、前記複数の単電池の組み合わせを切り替える切替装置と、前記複数の単電池の充電状態を検出する検出装置と、前記切替装置および前記検出装置に接続された制御装置と、を有し、
前記検出装置が検出した前記複数の単電池の充電状態に基づいて、前記制御装置により、前記一方の組電池の充電容量が予め設定された閾値を下回る場合に、前記切替装置に前記一方の組電池を構成する単電池と前記他方の組電池を構成する単電池とを入れ替えさせる制御を行う構成にした請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記接続手段は、前記複数の単電池の組み合わせを切り替える切替装置と、前記複数の単電池の充電状態を検出する検出装置と、前記切替装置および前記検出装置に接続された制御装置と、を有し、
前記検出装置が検出した前記複数の単電池の充電状態に基づいて、前記制御装置により、前記他方の組電池が充放電していないときに、前記切替装置に前記一方の組電池を構成する単電池と前記他方の組電池を構成する単電池とを入れ替えさせる制御を行う構成にした請求項１に記載の電源装置。
【請求項４】
前記一方の組電池が出力する電圧が、前記他方の組電池が出力する電圧よりも低い請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記他方の組電池を構成する単電池の個数が、前記一方の組電池を構成する単電池の個数よりも多い請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電源装置に関し、より詳細には、出力が複数系統の電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数個のバッテリを直列に接続して全体として所定電圧を発生するバッテリ群を備えるとともに、このバッテリ群を所定数個のバッテリを有する複数のバッテリ組に分けて、供給切換手段によって、所定時間ごとに異なるバッテリ組から所定電圧よりも低い電圧を取り出す電源装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この電源装置は、複数のバッテリ組を所定時間ごとに切り換えて複数のバッテリ組の消耗を平均化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平６−２４３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電気車両やハイブリッド車両においては、走行用に用いる電動発電機に接続されて電動発電機との間で電力を入出力する入出力用電源装置と、エンジン補機類や車両用空調装置などの電装系装置に接続されてその電装系装置に電力を出力する出力専用電源装置との二つの系統の電源装置を設けている。入出力用電源装置と出力専用電源装置とは直流変圧器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して電気的に接続されており、出力専用電源装置は充電可能な入出力用電源装置から電力が供給されている。
【０００５】
特許文献１に記載の電源装置は、複数のバッテリ組のうちの一つが使用できなくなると、所定電圧を出力することができない。それ故、特許文献１に記載の電源装置を電気車両やハイブリッド車両の電源装置に単純に適用しても、走行用に用いる電動発電機を駆動できない事態に陥るおそれがある。
【０００６】
本開示の目的は、ライフサイクルコストを削減しつつ、安定して複数系統の電圧を出力可能な電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成する本発明の一態様の電源装置は、複数の単電池を備えた電源装置において、電力を出力する出力専用端子と、電力を入出力する入出力用端子と、前記複数の単電池を組み合わせ自在に前記出力専用端子および前記入出力用端子のそれぞれに接続する接続手段と、を備え、前記接続手段は、前記複数の単電池を組み合わせて互いに独立した少なくとも二系統の組電池を構成し、そのうちの一方の組電池を前記出力専用端子に接続し、他方の組電池を前記入出力用端子に接続し、前記一方の組電池または前記他方の組電池の充電状態に応じて前記一方の組電池を構成する単電池と前記他方の組電池を構成する単電池とを入れ替える構成にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、複数の単電池から互いに独立した複数の組電池を構成することで、仮に充電不可能な一方の組電池が消耗しても、充放電可能な他方の組電池の出力に影響を与えることを回避できる。また、一方の組電池が消耗した場合に、一方の組電池と他方の組電池とを入れ替えることで、充電された単電池で一方の組電池を再構築することができる。これにより、電源装置を長寿命化するには有利になり、ライフサイクルコストを削減しつつ、安定して複数系統の電圧を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電源装置の第一実施形態を例示する構成図である。
【図２】図１の状態から単電池を入れ替えた電源装置を例示する構成図である。
【図３】電源装置の制御方法を例示するフロー図である。
【図４】電源装置の第二実施形態を例示する構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本開示における電源装置の実施形態について説明する。本開示で、低電圧Ｖｄは高電圧Ｖｕよりも低い電圧として定義する。図中では、低電圧Ｖｄおよび高電圧Ｖｕを区別可能なように、高電圧Ｖｕの電線を太線で示し、低電圧Ｖｄで使用される単電池１１にはハッチングを施した。
【００１１】
図１および図２に例示するように、第一実施形態の電源装置１０は、電気車両やハイブリッド車両に搭載される車載用の二次電池であり、リチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池などが例示される。電源装置１０は、（ｎ１＋ｎ２）個の単電池（セルともいう）１１を備え、ｎ１個の単電池１１から成る低電圧用組電池１２と、ｎ２個の単電池１１から成る高電圧用組電池１３との二系統の出力を有する。また、電源装置１０は、正負一対の出力専用端子１４、正負一対の入出力用端子１５、および、接続手段２０を備える。
【００１２】
単電池１１は電源装置１０の最小構成単位である。複数の単電池１１は直列または並列に接続されて組電池が構成される。図中において、単電池１１として外装缶が円筒形状の電池が例示されるが、単電池１１はラミネート型の電池でもよい。組電池の電圧はその組電池を構成する単電池１１が直列に接続された個数に応じて設定され、組電池の容量はその組電池を構成する単電池１１が並列に接続された個数に応じて設定される。例えば、単電池１１の電圧をＶ１〔Ｖ〕とすると、ｎ１個の単電池１１が全て直列に接続されて成る組電池の電圧は（Ｖ１×ｎ１）〔Ｖ〕となる。また、単電池１１の容量をＡ１〔Ａｈ〕とすると、ｎ２個の単電池１１が全て並列に接続されて成る組電池の容量は（Ａ１×ｎ２）〔Ａｈ〕となる。
【００１３】
低電圧用組電池１２はｎ１個の単電池１１から成る組電池で、出力専用端子１４に接続されてその出力専用端子１４を介して電装系装置１に電気的に接続される。本開示で、電装系装置１は低電圧Ｖｄの電力で稼働する車載用の装置であり、エンジン補機類、スタータモータ、前照灯や警告灯などが例示される。この実施形態で低電圧用組電池１２はｎ１個の単電池１１の全てが直列に接続されて成る組電池で構成されるが、低電圧Ｖｄを出力可能であれば接続方式に並列を含めてもよい。
【００１４】
高電圧用組電池１３はｎ２個の単電池１１から成る組電池で、入出力用端子１５に接続されたその入出力用端子１５を介して走行用モータ２に電気的に接続されたインバータ３に電気的に接続される。本開示で、走行用モータ２は高電圧Ｖｕの電力で駆動するモータであり、高電圧用組電池１３から供給された高電圧Ｖｕの電力を消費して力行駆動することで車両を走行させ、回生駆動することで高電圧Ｖｕの電力を発電して車両を制動させるとともに高電圧用組電池１３を充電する。この実施形態で高電圧用組電池１３はｎ２個の単電池１１の全てが直列に接続されて成る組電池で構成されるが、高電圧Ｖｕを出力可能であれば接続方式は限定されない。
【００１５】
高電圧用組電池１３を構成する単電池１１の個数（ｎ２個）は、低電圧用組電池１２を構成する単電池１１の個数（ｎ１個）よりも多いことが望ましく、高電圧用組電池１３を構成する単電池１１の個数が低電圧用組電池１２を構成する単電池１１の個数の３倍以上の個数であることより望ましい。また、高電圧用組電池１３を構成する単電池１１の接続方式は、並列接続も用いて高電圧用組電池１３の容量を大きくすることが好ましい。
【００１６】
出力専用端子１４は低電圧Ｖｄの電力を出力する専用の正負一対の端子である。入出力用端子１５はインバータ３を介して走行用モータ２との間で高電圧Ｖｕの電力を入出力する正負一対の端子である。なお、電源装置１０に複数の出力専用端子１４や複数の入出力用端子１５が設けられてもよい。
【００１７】
接続手段２０は、複数の単電池１１を自在に組み合わせて互いに独立した低電圧用組電池１２および高電圧用組電池１３を構成し、低電圧用組電池１２を出力専用端子１４に接続し、高電圧用組電池１３を入出力用端子１５に接続するように構成される。また、接続手段２０は、低電圧用組電池１２または高電圧用組電池１３の充電状態に応じて、低電圧用組電池１２を構成する単電池１１と高電圧用組電池１３を構成する単電池１１とを入れ替えるように構成される。
【００１８】
接続手段２０は少なくとも低電圧用組電池１２および高電圧用組電池１３の二系統の組電池を構成できればよく、低電圧用組電池１２および高電圧用組電池１３以外の独立した組電池を構成してもよい。
【００１９】
接続手段２０は互いに信号線を介して電気的に接続される切替装置２１、複数のセルコントローラ２２、および、バッテリマネージメントシステム２３を有する。
【００２０】
切替装置２１は複数の単電池１１を組み合わせ自在に接続して低電圧用組電池１２および高電圧用組電池１３を構成できればよく、その構造が特に限定されるものではない。実施形態の切替装置２１は出力専用端子１４に接続された低電圧Ｖｄが流れる電線と入出力用端子１５に接続された高電圧Ｖｕが流れる電線と単電池１１の正負一対の端子のそれぞれに設けたスイッチとを有し構成される。切替装置２１は一つの単電池１１に対して前後のスイッチが単電池１１を低電圧Ｖｄの電線に接続するか、高電圧Ｖｕの電線に接続するかを選択的に切り替えることで、複数の単電池１１の組み合わせを自在に調節する。
【００２１】
セルコントローラ２２およびバッテリマネージメントシステム２３のそれぞれは、制御装置であり、各種情報処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。なお、セルコントローラ２２およびバッテリマネージメントシステム２３のそれぞれは集積回路で構成されてもよい。
【００２２】
セルコントローラ２２は、図中の点線で示されるｍ個の単電池１１およびそれらの単電池１１に対応する切替装置２１に電気的に接続されて、ｍ個の単電池１１を一纏まりとして管理する。
【００２３】
セルコントローラ２２は、機能要素として検出部２４と制御部２５とを有する。各機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。なお、各機能要素としては、プログラムの他にそれぞれが独立して機能するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や電気回路で構成されてもよい。
【００２４】
検出部２４は、検出装置として単電池１１の充電状態を検出するように機能する機能要素である。具体的に、検出部２４は、ｍ個の単電池１１のそれぞれの出力電圧、電流、温度が入力されて、単電池１１のそれぞれの充電状態、接続状態、環境状態（例えば、温度など）を検出してバッテリマネージメントシステム２３に出力する機能要素である。
【００２５】
制御部２５は、バッテリマネージメントシステム２３からの制御信号が入力されて、その制御信号に基づいてｍ個の単電池１１のそれぞれの前後のスイッチを切り替えて、単電池１１の入れ替え制御を行う機能要素である。
【００２６】
バッテリマネージメントシステム２３は、セルコントローラ２２よりも上位の制御装置であり、複数のセルコントローラ２２に電気的に接続される。また、バッテリマネージメントシステム２３は電装系装置１やインバータ３を制御する制御システム４に電気的に接続される。
【００２７】
バッテリマネージメントシステム２３は、機能要素として判定部２６を有する。各機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。なお、各機能要素としては、プログラムの他にそれぞれが独立して機能するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や電気回路で構成されてもよい。
【００２８】
判定部２６はセルコントローラ２２が検出した単電池１１のそれぞれの充電状態が入力されて、低電圧用組電池１２における充電状態と高電圧用組電池１３における充電状態とに応じてセルコントローラ２２の制御部２５に入れ替えの指示を出力する機能要素である。
【００２９】
図３に例示するように、電源装置１０の制御方法は、所定の周期ごとに繰り返し行われる方法である。本開示で、所定の周期とはセルコントローラ２２が単電池１１の充電状態、接続状態、環境状態を取得する周期とする。なお、フロー図における一周期の経過は「リターン」で示す。
【００３０】
セルコントローラ２２が単電池１１のそれぞれの充電状態を取得する（Ｓ１１０）。次いで、バッテリマネージメントシステム２３が単電池１１のそれぞれの充電状態に基づいて、低電圧用組電池１２の充電容量Ｃｘと高電圧用組電池１３の充電容量Ｃｙとを算出する（Ｓ１２０）。次いで、バッテリマネージメントシステム２３が、低電圧用組電池１２の充電容量Ｃｘが予め設定された閾値Ｃａ以上か否かを判定する（Ｓ１３０）
【００３１】
閾値Ｃａは低電圧用組電池１２を構成する単電池１１と高電圧用組電池１３を構成する単電池１１との入れ替えを判断可能な値に設定される。具体的に、閾値Ｃａは、低電圧用組電池１２の充電率５０％以下になった状態を判定可能な値が好ましい。本開示で、充電率は満充電を１００％とした値であって、充電率１００％の状態が必ずしも充電容量において１００％を示すものではないものとする。また、閾値Ｃａは少なくとも電装系装置１にスタータモータが含まれる場合に、そのスタータモータによりエンジンを少なくとも一回分、クランキング可能な充電容量よりも大きい値が好ましい。
【００３２】
低電圧用組電池１２の充電容量Ｃｘが閾値Ｃａ以上と判定する（Ｓ１３０：ＹＥＳ）と、単電池１１の入れ替えの必要がないことから、スタートへ戻る。
【００３３】
一方、低電圧用組電池１２の充電容量Ｃｘが閾値Ｃａを下回ると判定すると（Ｓ１３０：ＮＯ）、バッテリマネージメントシステム２３が高電圧用組電池１３において充放電が行われているか否かを判定する（Ｓ１４０）。
【００３４】
高電圧用組電池１３において充放電が行われているか否かの判定は、高電圧用組電池１３の充電容量Ｃｙの変化に基づいて判定可能であり、例えば、前回の高電圧用組電池１３の充電容量Ｃ（ｙ−１）と現時点の充電容量Ｃｙとの差分に基づいて判定可能である。また、高電圧電池１３において充放電が行われているか否かの判定は、走行用モータ２の駆動に基づいて判定可能であり、制御システム４からインバータ３に送られる走行用モータ２の制御信号に基づいて判定してもよい。
【００３５】
高電圧用組電池１３が充放電していると判定する（Ｓ１４０：ＹＥＳ）と、単電池１１を入れ替えることができないことから、スタートへ戻る。一方、高電圧用組電池１３が充放電していないと判定する（Ｓ１４０：ＮＯ）と、バッテリマネージメントシステム２３は、セルコントローラ２２に低電圧用組電池１２を構成している単電池１１と高電圧用組電池１３を構成している単電池１１との入れ替えを指示する（Ｓ１５０）。この指示に基づいて、セルコントローラ２２は低電圧用組電池１２を構成している単電池１１と高電圧用組電池１３を構成している単電池１１との入れ替えを行う。
【００３６】
低電圧用組電池１２を構成している単電池１１と高電圧用組電池１３を構成している単電池１１との入れ替えは、完全入れ替え制とする。また、高電圧用組電池１３を構成している単電池１１に入れ替えの優先度を設けるとよい。この優先度としては、高電圧用組電池１３を構成する単電池１１のうちの劣化状態が悪化していない単電池１１やそのときの充電容量が多い単電池１１の優先度を高くするとよい。
【００３７】
以上のように、本開示の電源装置１０によれば、複数の単電池１１から互いに独立した低電圧用組電池１２および高電圧用組電池１３を構成することで、仮に充電不可能な低電圧用組電池１２が消耗しても、充放電可能な高電圧用組電池１３の出力に影響を与えることを回避できる。また、低電圧用組電池１２が消耗した場合に、低電圧用組電池１２を構成する単電池１１と高電圧用組電池１３を構成する単電池１１とを入れ替えることで、充電された単電池１１で低電圧用組電池１２を再構築することができる。これにより、電源装置１０を長寿命化するには有利になり、ライフサイクルコストを削減しつつ、安定して複数系統の電圧を出力することができる。
【００３８】
本開示の電源装置１０は、単電池１１の入れ替えのタイミングを、低電圧用組電池１２の充電容量Ｃｘが閾値Ｃａを下回るタイミングに設定することが望ましい。例えば、単電池１１を所定時間ごとに強制的に切り替えるようにすると、所定時間ごとに低電圧用組電池１２からの出力が途切れることになり、意図せずに電装系装置１が一時的に機能しない事態に陥るおそれがある。これに関して、充電不可能な低電圧用組電池１２の充電容量Ｃｘが減ったタイミングで単電池１１を入れ替えて、低電圧用組電池１２を再構築することで、意図しないタイミングで電装系装置１への出力が停止する事態を避けるには有利になる。
【００３９】
また、単電池１１の入れ替えのタイミングを、高電圧用組電池１３が充放電していないタイミングに設定することも望ましい。高電圧用組電池１３が充放電していないタイミングとしては、ハイブリッド車両において走行用モータ２が停止している状態、例えば、エンジンが始動中で停車している状態、一定走行の状態、または、変速中の状態が例示される。このように、高電圧用組電池１３が充放電していないタイミングで単電池１１を入れ替えることで、意図しないタイミングで走行用モータ２への出力が停止する事態を避けるには有利になる。
【００４０】
図４に例示するように、第二実施形態の電源装置１０は第一実施形態に対して、キャパシタ２７を備える点が異なる。
【００４１】
キャパシタ２７は、低電圧用組電池１２と電装系装置１との間に設けられ、低電圧用組電池１２から電装系装置１へ出力される電力を一時的に蓄電し、低電圧用組電池１２から電装系装置１への出力が停止したときに蓄電した電力を放電する装置である。なお、低電圧用組電池１２から電装系装置１への出力が停止したときに電装系装置１へ電力を出力可能であればよく、キャパシタ２７の代わりにリチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池を用いてもよい。また、キャパシタ２７は、電源装置１０に組み込まれる装置に限定されず、出力専用端子１４と電装系装置１との間に設けられる電源装置１０とは別体の電源装置として設けられてもよい。
【００４２】
このように、低電圧用組電池１２と電装系装置１との間にキャパシタ２７を設けることで、単電池１１の入れ替えのタイミングで、キャパシタ２７から電装系装置１に電力を出力することができる。これにより、単電池１１の入れ替えに起因として電装系装置１への出力が停止する事態を回避するには有利になる。
【００４３】
既述した実施形態では、検出装置としてセルコントローラ２２が機能し、制御装置としてバッテリマネージメントシステム２３が機能する構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、検出装置として単電池の充電状態を検出するセンサを設けて、そのセンサの検出値に基づいてバッテリマネージメントシステム２３が入れ替えの制御を行ってもよい。また、バッテリマネージメントシステム２３の代わりとしてセルコントローラ２２が入れ替えの制御の判定を行ってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０  電源装置
１１  単電池
１２  低電圧用組電池
１３  高電圧用組電池
１４  出力専用端子
１５  入出力用端子
２０  接続手段
【図１】
2020167027.tif 000003
【図２】
2020167027.tif 000004
【図３】
2020167027.tif 000005
【図４】
2020167027.tif 000006