(57)【要約】【課題】複数の電池要素間の出力電流のバランスを確保する。【解決手段】電源装置１００は、電気負荷２００に接続された昇圧コンバータ５００と、昇圧コンバータ５００に接続された蓄電機構６００とを含む。蓄電機構６００は、電池要素（１）６０２および電池要素（２）６０４が並列に接続されて構成される。電池要素（１）６０２および電池要素（２）６０４のそれぞれの電源ラインが磁気結合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器に接続されたコンバータと、
前記コンバータに接続された蓄電機構とを含み、
前記蓄電機構は、複数の電池要素が並列に接続されて構成され、
前記複数の電池要素のそれぞれの電源ラインが磁気結合される、電源装置。
【請求項２】
前記複数の電池要素の電源ラインのそれぞれには、複数のコイルが接続され、
前記複数のコイルは、それぞれ同一のコアに巻回される、請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記複数のコイルのそれぞれは同じ巻き数である、請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記複数の電池要素は、第１のコイルが接続された第１の電池要素と、第２のコイルが接続された第２の電池要素とを含み、
前記第１のコイルは、前記第２のコイルの巻き方向に対して予め定められた巻き方向になるようにコアに巻回される、請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項５】
前記電池要素は、リチウムイオン電池である、請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】
前記電源装置は、車両に搭載される、請求項１〜５のいずれかに記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバータに接続され、複数の電池要素が並列接続されて構成される電源装置に関し、特に、コンバータの動作時における出力電流のバラツキを抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、モータの駆動力により走行する電気自動車やハイブリッド自動車などが知られている。このような自動車においては、モータに供給する電力を蓄電するため、２次電池等から構成される電源装置が搭載されている。このような電源装置は、複数の電池要素を並列に接続して、車両が走行するために必要な電力をモータ等の電気負荷に供給している。
【０００３】
たとえば、特開２０００−１５６９３４号公報（特許文献１）は、並列接続された各バッテリーユニットが過充電状態になることなく、それらバッテリーユニットの長寿命化を図る電力貯蔵システムを開示する。この電力貯蔵システムは、商用電源にコンバータを介して複数のバッテリーユニットを並列接続し、各バッテリーユニットに貯蔵した電力を必要に応じて負荷に供給することにより電力の平準化を行なう電力貯蔵システムであって、並列接続された各バッテリーユニットの分岐路ごとに直流開閉器を設け、バッテリーユニットへの電力貯蔵時、各バッテリーユニットの充電電圧を検出し、その検出信号に基づいて所望のバッテリーユニットの直流開閉器を選択的に順次開放することを特徴とする。
【０００４】
上述した公報に開示された電力貯蔵システムによると、各バッテリーユニットの分岐路ごとに直流開閉器を設け、各バッテリーユニットの充電電圧を検出し、その検出信号に基づいて所望のバッテリーユニットの直流開閉器を選択的に順次開放するようにしたことにより、その直流開閉器でもって各バッテリーユニットをそれぞれ独立して充電完了させることができるので、バッテリーユニットが過充電状態となることはなく、それらバッテリーユニットの長寿命化を図ることができて信頼性が大幅に向上し、その実用的価値は大きい。
【特許文献１】特開２０００−１５６９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、複数の電池要素を並列接続する場合には、内部抵抗の小さい側の電池要素に電流が偏る可能性がある。これは、製造時のバラツキや経年変化等により内部抵抗は複数の電池要素間においてバラツキを有している点および使用により内部抵抗に差が拡大する点に起因する。そのため、各電池要素間における出力電流のバランスが悪化する場合がある。出力電流のバランスが悪化すると、一部の電池電池要素に比較的大きな電流が流れて、発熱量が増加し、電池を構成する化学物質の劣化が促進することにより、電池要素の寿命等の性能が悪化するという問題がある。
【０００６】
上述した公報に開示された電力貯蔵システムにおいては、各電池要素間の出力電流のバランスの悪化について何ら考慮されていないため、このような問題を解決することはできない。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の電池要素間の出力電流のバランスを確保する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】
【０００８】
第１の発明に係る電源装置は、電気機器に接続されたコンバータと、コンバータに接続された蓄電機構とを含む。蓄電機構は、複数の電池要素が並列に接続されて構成される。複数の電池要素のそれぞれの電源ラインが磁気結合される。
【０００９】
第１の発明によると、複数の電池要素は、コンバータに接続されるため、コンバータの動作時に電流の変化が生じると、複数の電池要素のそれぞれの電源ラインが磁気結合されるため、電磁誘導作用により複数の電池要素のそれぞれの電源ラインに流れる電流が略同じ大きさの電流となる。そのため、一部の電池要素に電流が偏ることが抑制される。これにより、電池要素の寿命等の性能の悪化を抑制することができる。したがって、複数の電池要素間の出力電流のバランスを確保する電源装置を提供することができる。
【００１０】
第２の発明に係る電源装置においては、第１の発明の構成に加えて、複数の電池要素の電源ラインのそれぞれには、複数のコイルが接続される。複数のコイルは、それぞれ同一のコアに巻回される。
【００１１】
第２の発明によると、複数の電池要素の電源ラインに接続されたコイルを同一のコアを巻回することにより、複数の電池要素のそれぞれの電源ラインを磁気結合することができる。そのため、コンバータの動作時において、一部の電池要素に電流が偏ることが抑制される。
【００１２】
第３の発明に係る電源装置においては、第２の発明の構成に加えて、複数のコイルのそれぞれは同じ巻き数である。
【００１３】
第３の発明によると、複数のコイルを同じ巻き数として、同一のコアに巻回することにより、複数の電池要素のそれぞれの電源ラインに流れる電流を略同じ大きさの電流とすることができる。
【００１４】
第４の発明に係る電源装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加えて、複数の電池要素は、第１のコイルが接続された第１の電池要素と、第２のコイルが接続された第２の電池要素とを含む。第１のコイルは、第２のコイルの巻き方向に対して予め定められた巻き方向になるようにコアに巻回される。
【００１５】
第４の発明によると、第１のコイルは、第２のコイルの巻き方向に対して予め定められた巻き方向になるようにコアに巻回することにより、複数の電池要素のそれぞれの電源ラインに流れる電流を略同じ大きさの電流とすることができる。
【００１６】
第５の発明に係る電源装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加えて、電池要素は、リチウムイオン電池である。
【００１７】
第５の発明によると、本発明をリチウムイオン電池からなる電源装置に適用することにより、各電池要素の出力電流のバランスを確保することができるため、電池要素の寿命および性能の悪化を抑制することができる。
【００１８】
第６の発明に係る電源装置は、第１〜５のいずれかの発明の構成に加えて、車両に搭載される。
【００１９】
第６の発明によると、本発明を車両に搭載された電源装置に適用することにより、各電池要素の出力電流のバランスを確保することができるため、電池要素の寿命および性能の悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施の形態に係る電源装置１００は、昇圧チョッパである昇圧コンバータ５００と、蓄電機構６００とを含む。本実施の形態に係る電源装置１００は、たとえば、電気自動車あるいはハイブリッド車両などの回転電機を駆動源とする車両に搭載されるものとして説明するが、本発明は、特に回転電機を駆動源とする車両に限定して適用されるものではない。
【００２２】
電源装置１００には、インバータ３００が接続される。平滑コンデンサ４００は、インバータ３００に並列に接続される。インバータ３００には、電気負荷２００が接続される。
【００２３】
電気負荷２００は、本実施の形態においては回転電機であるが、電気機器であれば特に回転電機に限定されるものではない。
【００２４】
昇圧コンバータ５００は、昇圧パワーモジュール５０２と、リアクトル５０４とを含む。昇圧パワーモジュール５０２は、電力半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）Ｑ１，Ｑ２とダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。本実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子としては、代表的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が適用される。
【００２５】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、電源ライン２０３とアースライン２０２との間に直列に接続される。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。リアクトル５０４は、一方端が電源ライン２０１に接続され、他方端がスイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点に接続される。平滑コンデンサ４００は、電源ライン２０３とアースライン２０２との間に接続される。
【００２６】
インバータ３００は、電気負荷が３相交流同期回転電機である場合にはＵ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アーム（いずれも図示せず）からなる。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、電源ライン２０３とアースライン２０２との間に並列に接続される。各相アームは、スイッチング素子と、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流す逆並列ダイオードとから構成される。各相アームの中間点が、回転電機の各相コイルの各相端に接続されている。
【００２７】
昇圧コンバータ５００は、電源ライン２０１とアースライン２０２との間に蓄電機構６００から供給された直流電圧を受け、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチング制御されることにより直流電圧を昇圧して電源ライン２０３へ出力する。
【００２８】
平滑コンデンサ４００は、電源ライン２０３の直流電圧を平滑化してインバータ３００へ供給する。インバータ３００は、電源ライン２０３の直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷２００に供給する。
【００２９】
ＥＣＵ（Electronic Control Unit）（図示せず）が昇圧コンバータ５００の昇圧パワーモジュール５０２の駆動回路に制御信号を送信することにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチング制御されて、蓄電機構６００から供給される直流電圧がＥＣＵにより設定された直流電圧に昇圧される。インバータ３００において昇圧された直流電圧が交流電圧に変換された後に、電気負荷２００に供給される。
【００３０】
蓄電機構６００は、電池要素（１）６０２と、電池要素（２）６０４と、電池要素（１）６０２に並列に接続されるフィルタコンデンサ６１２と、電池要素（２）６０４に並列に接続されるフィルタコンデンサ６１４と、磁気結合回路６２０とを含む。
【００３１】
本実施の形態において、電池要素（１）６０２および電池要素（２）６０４は、リチウムイオン電池であるとして説明するが、二次電池等の電池であれば、特にリチウムイオン電池に限定されるものではない。たとえば、ニッケル水素電池に本発明を適用するようにしてもよい。また、本実施の形態においては、単一の電池セルが並列接続される構成を一例として説明するが、同数の電池セルが直列接続された２つの電池モジュールを並列接続するようにしてもよい。
【００３２】
また、電源装置１００には、図示しないリレー回路が設けられ、リレー回路が閉じられることにより、電源装置１００からインバータ３００および電気負荷２００に電力が供給されることとなる。このとき、電池要素（１）６０２から電源ラインを経由して昇圧コンバータ５００側に出力電流Ｉ（１）が流れ、電池要素（２）６０４から電源ラインを経由して昇圧コンバータ５００側に出力電流Ｉ（２）が流れるものとする。
【００３３】
以上のような構成を有する車両において、本発明は、電池要素（１）６０２および電池要素（２）６０４のそれぞれの電源ラインを磁気結合回路６２０により磁気結合する点に特徴を有する。
【００３４】
具体的には、磁気結合回路６２０は、一方端が電池要素（１）６０２の電源ラインに接続されたコイル（１）６２２と、一方端が電池要素（２）６０４の電源ラインに接続されたコイル（２）６２４と、コイル（１）６２２およびコイル（２）６２４が巻回された、環状のコア６２６とを含む。すなわち、コイル（１）６２２およびコイル（２）６２４は、それぞれ同一のコア６２６に巻回される。また、コイル（１）６２２およびコイル（２）６２４は、それぞれ同じ巻き数のコイルである。
【００３５】
さらに、コイル（１）６２２は、図１に示すように、コイル（２）６２４の巻き方向に対して予め定められた巻き方向になるようにコア６２６に巻回される。
【００３６】
具体的には、コイル（１）６２２に、電池要素（１）６０２側から昇圧コンバータ５００側への方向に電流が流れたときに、誘導される起電力によりコイル（２）６２４に流れる電流の方向が出力電流Ｉ（２）の方向と同じ方向になるように、コイル（１）６２２およびコイル（２）６２４は、コア６２６に巻回される。このとき、コイル（２）６２４に、電池要素（２）６０４側から昇圧コンバータ５００側への方向に電流が流れたときに、誘導される起電力によりコイル（１）６２２に流れる電流の方向が出力電流Ｉ（１）の方向と同じ方向になる。
【００３７】
コイル（１）６２２の他方端およびコイル（２）６２４の他方端は、電源ライン２０１にそれぞれ接続される。また、電池要素（１）６０２のアースラインおよび電池要素（２）６０４のアースラインは、それぞれアースライン２０２に接続される。
【００３８】
以上のような構造を有する本実施の形態に係る電源装置１００の動作について説明する。昇圧コンバータ５００は、ＥＣＵからの制御信号に応じた昇圧制御により、電気負荷の状態等に応じて設定される電圧まで昇圧される。
【００３９】
すなわち、昇圧パワーモジュール５０２において、スイッチング動作が行なわれる。スイッチング動作に応じて、電池要素（１）６０２の出力電流Ｉ（１）および電池要素（２）６０４の出力電流Ｉ（２）は、それぞれ増減を繰り返す。
【００４０】
このとき、コイル（１）６２２に流れる出力電流Ｉ（１）およびコイル（２）６２４に流れる出力電流Ｉ（２）は、コイル（１）６２２およびコイル（２）６２４の巻き数が同じであるため、磁気結合回路６２０における電磁誘導作用により略等しくなる。
【００４１】
そのため、電池要素（１）６０２および電池要素（２）６０４の内部抵抗に差が生じても、磁気結合回路６２０における電磁誘導作用により、スイッチング動作による出力電流Ｉ（１）および出力電流Ｉ（２）の差の拡大が抑制される。そのため、電池要素（１）６０２および電池要素（２）６０４のいずれかに電流が偏ることが抑制される。
【００４２】
以上のようにして、本実施の形態に係る電源装置によると、電池要素（１）および電池要素（２）のそれぞれの電源ラインが磁気結合されるため、昇圧コンバータの動作時において、電磁誘導作用により電池要素（１）および電池要素（２）のそれぞれの電源ラインに流れる電流が略同じ大きさの電流となる。そのため、一部の電池要素に電流が偏ることが抑制される。これにより、電池要素の寿命等の性能の悪化を抑制することができる。したがって、複数の電池要素間の出力電流のバランスを確保する電源装置を提供することができる。
【００４３】
そして、コイル（１）は、コイル（２）の巻き方向に対して予め定められた巻き方向になるようにコアに巻回することにより、電池要素（１）および電池要素（２）のそれぞれの電源ラインに流れる電流を略同じ大きさの電流とすることができる。
【００４４】
＜第２の実施の形態＞
以下、第２の実施の形態に係る電源装置について説明する。本実施の形態に係る電源装置は、上述の第１の実施の形態に係る電源装置の構成と比較して、蓄電機構６００が、電池要素（３）６０６およびコイル（３）６２８をさらに含む点が異なる。それ以外の構成は、上述の第１の実施の形態に係る電源装置の構成と同じ構成である。それらについては同じ参照符号が付してある。それらの機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００４５】
本実施の形態においては、蓄電機構６００は、図２に示すように、図１に示す蓄電機構６００に加えて、電池要素（３）６０６およびコイル（３）６２８をさらに含む。このとき、電池要素（３）６０６から電源ラインを経由して昇圧コンバータ５００側に出力電流Ｉ（３）が流れるものとする。
【００４６】
具体的には、本実施の形態における磁気結合回路６２０は、上述の第１の実施の形態において説明した磁気結合回路６２０の構成に加えて、一方端が電池要素（３）６０６の電源ラインに接続されたコイル（３）６２８をさらに含む。コイル（３）６２８は、環状のコア６２６に巻回される。すなわち、コイル（１）６２２、コイル（２）６２４およびコイル（３）６２８は、それぞれ同一のコア６２６に巻回される。また、コイル（１）６２２、コイル（２）６２４およびコイル（３）６２８は、それぞれ同じ巻き数のコイルである。
【００４７】
コイル（１）６２２、コイル（２）６２４およびコイル（３）６２８は、それぞれ他のコイルの巻き方向に対して予め定められた巻き方向になるようにコア６２６に巻回される。
【００４８】
具体的には、コイル（１）６２２に、電池要素（１）６０２側から昇圧コンバータ５００側への方向に電流が流れたときに、誘導される起電力によりコイル（２）６２４に流れる電流の方向が出力電流Ｉ（２）の方向と同じ方向であって、誘導される起電力によりコイル（３）６２８に流れる電流の方向が、出力電流Ｉ（３）の方向と同じ方向になるように、コイル（１）６２２、コイル（２）６２４およびコイル（３）６２８は、コア６２６に巻回される。
【００４９】
このとき、コイル（２）６２４に、電池要素（２）６０２側から昇圧コンバータ５００側への方向に電流が流れたときに、誘導される起電力によりコイル（１）６２２に流れる電流の方向が出力電流Ｉ（１）の方向と同じ方向となり、誘導される起電力によりコイル（３）６２８に流れる電流の方向が、出力電流Ｉ（３）の方向と同じ方向になる。
【００５０】
さらには、コイル（３）６２８に、電池要素（３）６０６側から昇圧コンバータ５００側への方向に電流が流れたときに、誘導される起電力によりコイル（１）６２２に流れる電流の方向が出力電流Ｉ（１）の方向と同じ方向となり、誘導される起電力によりコイル（２）６２４に流れる電流の方向が、出力電流Ｉ（２）の方向と同じ方向になる。
【００５１】
コイル（３）６２８の他方端は、電源ライン２０１に接続される。また、電池要素（２）６０４のアースラインは、アースライン２０２に接続される。
【００５２】
以上のような構造を有する本実施の形態に係る電源装置１００の動作について説明する。昇圧コンバータ５００は、ＥＣＵからの制御信号に応じた昇圧制御により、電気負荷の状態等に応じて設定される電圧まで昇圧される。
【００５３】
すなわち、昇圧パワーモジュール５０２において、スイッチング動作が行なわれる。スイッチング動作に応じて、電池要素（１）６０２の出力電流Ｉ（１）、電池要素（２）６０４の出力電流Ｉ（２）および電池要素（３）６０６の出力電流Ｉ（３）は、それぞれ増減を繰り返す。
【００５４】
このとき、コイル（１）６２２に流れる出力電流Ｉ（１）、コイル（２）６２４に流れる電流Ｉ（２）およびコイル（３）６２８に流れる出力電流Ｉ（３）は、コイル（１）６２２、コイル（２）６２４およびコイル（３）６２８の巻き数が同じであるため、磁気結合回路６２０における電磁誘導作用により略等しくなる。
【００５５】
そのため、電池要素（１）６０２、電池要素（２）６０４および電池要素（３）６０６の内部抵抗に差が生じても、磁気結合回路６２０における電磁誘導作用により、スイッチング動作による出力電流Ｉ（１）〜（３）の差の拡大が抑制される。そのため、電池要素（１）６０２、電池要素（２）６０４および電池要素（３）６０６のいずれかに電流が偏ることが抑制される。
【００５６】
以上のようにして、本実施の形態に係る電源装置によると、上述の第１の実施の形態に係る電源装置により発現させる効果と同様の効果を発現する。
【００５７】
なお、本実施の形態においては、蓄電機構が３つの電池要素を並列に接続して構成されるとして説明したが、特に３つに限定されるものではなく、蓄電機構が３つ以上の電池要素を並列に接続して構成するようにしてもよい。
【００５８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】第１の実施の形態に係る電源装置の主要部を示す電気回路図である。
【図２】第２の実施の形態に係る電源装置の主要部を示す電気回路図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００  電源装置、２００  電気負荷、２０１，２０３  電源ライン、２０２  アースライン、３００  インバータ、４００  平滑コンデンサ、５００  昇圧コンバータ、５０２  昇圧パワーモジュール、５０４  リアクトル、６００  蓄電機構、６０２，６０４，６０６  電池要素、６１２，６１４  フィルタコンデンサ、６２０  磁気結合回路、６２２，６２４，６２８  コイル、６２６  コア、Ｄ１，Ｄ２  ダイオード、Ｑ１，Ｑ２  スイッチング素子。
【図１】
2008252987.tif 000003
【図２】
2008252987.tif 000004