特許 6805933 電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6805933

(24)【登録日】2020年12月8日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20201214BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/00 302C

【請求項の数】4

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-69875(P2017-69875)

(22)【出願日】2017年3月31日

(65)【公開番号】特開2018-174626(P2018-174626A)

(43)【公開日】2018年11月8日

【審査請求日】2019年12月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柳沢 直樹

(72)【発明者】

【氏名】後藤 成晶

(72)【発明者】

【氏名】種村 恭佑

(72)【発明者】

【氏名】戸村 修二

【審査官】 高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１８３６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２１３９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０９４０５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００ − ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ − ７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２ −１０／４８

Ｈ０２Ｍ ３／００ − ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池を正側端子と負側端子に接続し電池からの電力を出力する接続状態と、電池を正側端子または負側端子から切り離し正側端子と負側端子を短絡するスルー状態とが、ゲート信号によって切り換えられる電池回路モジュールを、正側端子および負側端子を介して複数直列接続した電池回路モジュール群と、
各電池回路モジュールに対応して設けられ、ゲート信号を一定時間ずつ遅延させて伝達する複数の遅延回路と、最上流側の遅延回路にゲート信号を供給するとともに、最下流側の遅延回路から出力されるゲート信号を受け取り、各遅延回路における遅延時間の合計に基づいてゲート信号の周期を設定するコントローラと、を含み、ゲート信号を電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間ずつ異ならせてそれぞれ供給する、制御回路と、
を有する、電源装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電源装置であって、
制御回路は、ゲート信号の周期を各遅延回路における遅延時間の合計に等しく設定する、
電源装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の電源装置であって、
制御回路は、
最下流の電池回路モジュールに供給されるゲート信号をトリガとして、最上流側の電池回路モジュールにゲート信号を供給する、
電源装置。

【請求項4】

請求項１または２に記載の電源装置であって、
制御回路は、
遅延時間の合計をタイマによって計測する、
電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の電池回路モジュールを備えた電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

様々な電源装置が知られており、例えば、ハイブリッド車両や電動車両における走行モータの駆動に用いられる電源装置では、電池の電圧を昇圧コンバータで昇圧してインバータに入力している。

【0003】

特に、特許文献１には、バッテリ等の電池からの直流電圧をスイッチング素子のスイッチングによりＤＣ／ＤＣ変換して、走行モータに出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの損失特性に基づいてスイッチング素子のスイッチング周波数を設定する周波数設定手段と、この設定された周波数に基づきスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えた電源装置が記載されている。この電源装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの損失を小さくするスイッチング周波数を設定することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率良く駆動することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３−１１６２８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の電源装置において、スイッチング素子やＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる昇圧用リアクトルは、必要とされる電流容量や出力電圧に応じて設計される。また、それを収納する筐体も、使用する部品の大きさに応じて設計される。このため、スイッチング素子や昇圧用リアクトル、また、これらに関係する周辺部品等は、必要とされる電流容量や出力電圧に基づいて毎回、設計する必要がある。

【0006】

すなわち、電源装置は、求められる仕様（必要とされる電流容量や出力電圧）に基づいて毎回新たに設計する必要があり汎用性が低かった。また、昇圧のためのＤＣ／ＤＣコンバータが必要である。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る電源装置は、電池を正側端子と負側端子に接続し電池からの電力を出力する接続状態と、電池を正側端子または負側端子から切り離し正側端子と負側端子を短絡するスルー状態とが、ゲート信号によって切り換えられる電池回路モジュールを、正側端子および負側端子を介して複数直列接続した電池回路モジュール群と、各電池回路モジュールに対応して設けられ、ゲート信号を一定時間ずつ遅延させて伝達する複数の遅延回路と、最上流側の遅延回路にゲート信号を供給するとともに、最下流側の遅延回路から出力されるゲート信号を受け取り、各遅延回路における遅延時間の合計に基づいてゲート信号の周期を設定するコントローラと、を含み、ゲート信号を電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間ずつ異ならせてそれぞれ供給する、制御回路と、を有する。

【0008】

また、制御回路は、ゲート信号の周期を各遅延回路における遅延時間の合計に等しく設定するとよい。

【0009】

また、制御回路は、最下流の電池回路モジュールに供給されるゲート信号をトリガとして、最上流側の電池回路モジュールにゲート信号を供給するとよい。

【0010】

また、制御回路は、遅延時間の合計をタイマによって計測するとよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、構成が簡素であり、所望の出力電圧に容易に対応することができ、汎用性が高い電源装置を得ることができる。そして、遅延回路による遅延時間の合計値をコントローラにおいて把握できるため、各電池モジュールに対し、適切なタイミングでゲート信号を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態における電源装置の概略ブロック図である。

【図2】電池回路モジュールの概略構成図である。

【図3】電池回路モジュールの動作を説明するタイムチャートである。

【図4】電池回路モジュールの動作説明図であり、（ａ）は第１のスイッチング素子がＯＮ、第２のスイッチング素子がＯＦＦした状態を示し、（ｂ）は第１のスイッチング素子がＯＦＦ、第２のスイッチング素子がＯＮした状態を示す。

【図5】電源装置全体の動作を説明するタイムチャートである。

【図6】遅延回路をスルーする切り換え回路を設けた例を示す図である。

【図7】通常時のゲート信号の遅延の様子を示す説明図である。

【図8】１つの電池回路モジュール１０が異常でゲート信号の供給を止めた場合のゲート信号の遅延の様子を示す説明図である。

【図9】１つの電池回路モジュール１０が異常でゲート信号の供給を止めた場合のゲート信号の遅延の様子を示す説明図である。

【図10】ゲート信号の遅延の様子を示す説明図である。

【図11】ゲート信号の出力タイミングを説明するタイミングチャートである。

【図12】電池回路モジュールの変形例を説明する概略構成図である。

【図13】電池回路モジュールへのゲート信号の供給経路の例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

「全体構成」
実施形態における電源装置１について説明する。図１は、電源装置１のブロック図を示している。図１に示すように、電源装置１は、複数の電池回路モジュール１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ）と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅにゲート信号を出力して電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅをＯＮＯＦＦ駆動する制御回路１１とを備えている。

【0014】

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、その正側端子＋ＯＴが負側端子−ＯＴに順次接続されることで直列接続されており、電池回路モジュール群１００を構成している。最上流側の電池回路モジュール１０ａの正側端子＋ＯＴが、電池回路モジュール群１００の正側出力端子＋ＯＵＴに接続され、最下流側の電池回路モジュール１０ｅの負側端子−ＯＴが電池回路モジュール群１００の負側出力端子−ＯＵＴに接続されている。

【0015】

電池回路モジュール１０は、複数の電池セルが直列接続された電池Ｂを有する。電池Ｂの正極は、チョークコイルＬ、第２のスイッチング素子Ｓ２を介し、正側端子＋ＯＴに接続されており、電池Ｂの負極は負側端子−ＯＴに接続されている。正側端子＋ＯＴと負側端子−ＯＴの間には第１のスイッチング素子Ｓ１が配置されている。また、チョークコイルＬと第２のスイッチング素子Ｓ２との接続点と電池Ｂの陰極との間にはコンデンサＣが配置されている。

【0016】

従って、第２のスイッチング素子Ｓ２をＯＮ、第１のスイッチング素子Ｓ１をＯＦＦにすると、正側端子＋ＯＴと、負側端子−ＯＴの間に、電池Ｂとコンデンサの両方が並列接続された直流電源となる（接続状態）。一方、第２のスイッチング素子Ｓ２をＯＦＦ、第１のスイッチング素子Ｓ１をＯＮにすると、電池Ｂが切り離され正側端子＋ＯＴと、負側端子−ＯＴが短絡され、この電池回路モジュール１０は、スルー状態になる。なお、電池Ｂ、チョークコイルＬおよびコンデンサＣによってＲＬＣフィルタを形成して電流の平準化を図り、電池Ｂの劣化を抑制している。

【0017】

第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２は、電界効果トランジスタとしてのＭＯＳ−ＦＥＴである。第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２は、制御回路１１からのゲート信号によってスイッチング動作される。なお、スイッチング動作可能な素子であれば、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外のスイッチング素子を使用することもできる。

【0018】

電池回路モジュール１０には、制御回路１１が接続されており、制御回路１１から出力されるゲート信号が各電池回路モジュール１０に供給される。このゲート信号は、各電池回路モジュール１０において、第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２の一方をオン、他方をオフする。

【0019】

制御回路１１は、コントローラ１２を有しており、このコントローラ１２が最上流側の電池回路モジュール１０ａに供給するためのゲート信号を出力する。制御回路１１は、各電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに対応して、遅延回路１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅ）を有しており、各遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・１３ｅによって遅延したゲート信号が、対応する電池回路モジュール１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに供給される。

【0020】

従って、各電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅにおける、第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチングのタイミングは、遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・の遅延時間ずつ遅れることになる。

【0021】

そして、最下流側の遅延回路１３ｅから出力されたゲート信号は、コントローラ１２に入力されるようになっている。従って、コントローラ１２は、自己の出力したゲート信号がすべての遅延回路１３によって遅延された合計の遅延時間を把握することができ、これに基づいて、次のゲート信号を出力することができる。また、遅延時間の合計をゲート信号の周期に容易に一致させることができる。

【0022】

「電池回路モジュール１０の動作」
次に、電池回路モジュール１０の動作について図２、３を参照して説明する。図２は、電池回路モジュール１０の概略構成図を、図３は電池回路モジュール１０の動作に関するタイムチャートをそれぞれ示している。また、図３において、符号Ｄ１は、電池回路モジュール１０ａを駆動するゲート信号の矩形波を、符号Ｄ２は、第１のスイッチング素子Ｓ１のＯＮＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ３は、第２のスイッチング素子Ｓ２のＯＮＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ４は、電池回路モジュール１０ａにより出力される電圧Ｖ_ｍｏｄの特性をそれぞれ示している。

【0023】

電池回路モジュール１０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（ゲート信号がＯＦＦの状態）では、第１のスイッチング素子Ｓ１はＯＮ状態、第２のスイッチング素子Ｓ２はＯＦＦ状態となっている。そして、制御回路１１からゲート信号が電池回路モジュール１０ａに入力されると、電池回路モジュール１０はＰＷＭ制御によってスイッチング動作する。このスイッチング動作は、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが交互にＯＮＯＦＦすることによって行われる。

【0024】

図３の符号Ｄ１で示すように、制御回路１１からゲート信号が出力されると、このゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａの第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２が駆動される。第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち上がりに応じて、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる。また、第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち下がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる（符号Ｄ２参照）。

【0025】

一方、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち上がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。また、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち下がりと同時に、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる（符号Ｄ３参照）。このように、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とは交互にＯＮＯＦＦ動作する。

【0026】

なお、第１のスイッチング素子Ｓ１がゲート信号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のスイッチング素子Ｓ２がゲート信号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のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２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のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが同時にＯＮ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ＯＮしたときと同じ状態になる。

【0027】

そして、この動作によって、電池回路モジュール１０は、図３の符号Ｄ４で示すように、ゲート信号がＯＦＦ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０ａの正側端子＋ＯＴから切り離されて正側端子＋ＯＴには電圧が出力されない。この状態を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、電池回路モジュール１０の電池Ｂ（コンデンサＣ）をバイパス（スルー状態）している。

【0028】

また、ゲート信号がＯＮ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０の正側端子＋ＯＴに接続されて正側端子＋ＯＴに電圧が出力される。この状態を、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０におけるコンデンサＣを介して電圧Ｖ_ｍｏｄが正側端子＋ＯＴに出力されている。

【0029】

ここで、ゲート信号のデューティー比は、電源装置１に対する出力電圧要求によって決定され、決定されたデューティー比のゲート信号が生成される。出力電圧要求は電源装置１から電力を使用するシステム側からの要求である。

【0030】

「制御回路１１の動作」
図１に戻り、制御回路１１による電源装置１の制御について説明する。制御回路１１は、電池回路モジュール群１００の全体を制御する。すなわち、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの動作をそれぞれ制御して電源装置１としての出力電圧を制御する。

【0031】

上述したように、制御回路１１は、矩形波のゲート信号を出力するコントローラ１２と、コントローラ１２から出力されるゲート信号を、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに遅延させて順次出力する遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅとを備えている。

【0032】

コントローラ１２は、電池回路モジュール群１００において直列接続されている電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅのうちの最上流側の電池回路モジュール１０ａにゲート信号を供給する。

【0033】

遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅは、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに対応してそれぞれ設けられている。遅延回路１３ａは、コントローラ１２からのゲート信号を、一定時間遅延させて隣接する電池回路モジュール１０ｂに出力するとともに、遅延回路１３ｂに出力する。この結果、コントローラ１２から出力されたゲート信号は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに順次遅延されて供給される。

【0034】

なお、遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅは、電気的な回路構成としては制御回路１１に含まれるものであるが、ハード構成としては電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅと一体化して構成することが好ましい。図１において、例えば、一点鎖線Ｍで示すように、遅延回路１３ｂと電池回路モジュール１０ｂとを一体化（モジュール化）して構成するとよい。

【0035】

図１において、コントローラ１２から最上流側の電池回路モジュール１０ａにゲート信号を出力すると、電池回路モジュール１０ａが駆動されて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０ａにおける電圧が正側端子＋ＯＴに出力される。また、コントローラ１２からのゲート信号は、遅延回路１３ａに入力されて、一定時間遅延された後、隣接する電池回路モジュール１０ｂに入力される。このゲート信号により電池回路モジュール１０ｂが駆動する。

【0036】

一方、遅延回路１３ａからのゲート信号は、遅延回路１３ｂにも入力されて、遅延回路１３ａと同様に、一定時間遅延されて、次に隣接する電池回路モジュール１０ｃに入力される。以下、同様に、ゲート信号は遅延されて下流側の電池回路モジュールにそれぞれ入力される。そして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、順次駆動されて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの電圧が各正側端子＋ＯＴに順次出力される。

【0037】

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅが順次駆動される状態を図５に示す。図５に示すように、ゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ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ている。図５において、符号Ｅ１は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅが正側端子＋ＯＴ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、符号Ｅ２は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅが正側端子＋ＯＴ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、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、一定の遅延時間を持って順次駆動される。

【0038】

図５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、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ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、遅延時間を長く設定すると、ゲート信号の周波数は低周波になる。逆に、遅延時間を短く設定すると、ゲート信号の周波数は高周波になる。また、ゲート信号を遅延する遅延時間は、電源装置１に求められる仕様に応じて適宜設定することができる。

【0039】

ゲート信号の周期ＦにおけるＯＮ時比率Ｇ１、すなわち、周期ＦのうちのＯＮ時間の比率は、電源装置１の出力電圧／電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの合計電圧（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出することができる。すなわち、ＯＮ時比率Ｇ１＝電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）となる。なお、厳密には、デッドタイムｄｔだけＯＮ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ＯＮ時比率の補正を行う。

【0040】

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの合計電圧は、上述したように、電池回路モジュール電池電圧×接続状態の電池回路モジュール数によって表すことができる。電源装置１の出力電圧が、一つの電池回路モジュール１０の電池電圧で割り切れる値であれば、電池回路モジュール１０が通過（スルー状態）から接続に切り替わる瞬間に、他の電池回路モジュールが接続から通過（スルー状態）に切り替わるので、電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧に変動はない。

【0041】

しかし、電源装置１の出力電圧が、電池回路モジュール１０ａの電池電圧で割り切れない値であれば、電源装置１の出力電圧と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの合計電圧とは整合しない。換言すると、電源装置１の出力電圧（電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧）が変動してしまう。ただし、このときの変動振幅は１つの電池回路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／電池回路モジュール数となる。ここでは、数十個の電池回路モジュールを直列接続しているので、電池回路モジュール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電源装置１の出力電圧を得ることができる。

【0042】

「具体例」
次に、具体例について説明する。図５において、例えば、電源装置１としての所望の出力電圧が４００Ｖ、電池回路モジュール１０の電池電圧が１５Ｖ、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ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１の出力電圧（４００Ｖ）が、電池回路モジュール１０の電池電圧（１５Ｖ）で割り切れない場合に相当する。

【0043】

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×電池回路モジュール数により算出されるので、２００ｎｓ×４０個＝８μｓとなり、ゲート信号は１２５ｋＨｚ相当の矩形波になる。また、ゲート信号のＯＮ時比率Ｇ１は、電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出されるので、ＯＮ時比率Ｇ１は、４００Ｖ／（１５Ｖ×４０個）≒０．６７となる。

【0044】

これらの数値に基づいて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅを順次駆動すると、電源装置１として、図５中、符号Ｈ１で示す矩形波状の出力特性が得られる。この出力特性は、３９０Ｖと４０５Ｖとの間で変動する電圧出力特性となる。すなわち、ゲート信号の周期Ｆ／電池回路モジュール数により算出される周期で変動する出力特性となり、８μｓ／４０個＝２００ｎｓ（５ＭＨｚ相当）で変動する出力特性となる。この変動は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ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るので、符号Ｈ２で示すように、電源装置１としては、４００Ｖの電圧が出力される。

【0045】

そして、最上流側の電池回路モジュール１０ａのコンデンサＣには、接続状態の場合に電流が流れるため、図５中符号Ｊ１で示すように、コンデンサ電流波形は矩形波になる。
電池ＢとコンデンサＣはＲＬＣフィルタを形成しているので、電源装置１にはフィルタリングされて平準化された電流が出力される（図５中、符号Ｊ２参照）。

【0046】

このように、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅにおいて電流波形は同様であり、また、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅから均等に電流を出力することができる。

【0047】

「コントローラ１２の動作」
本実施形態において、最下流側の遅延回路１３ｃからのゲート信号は、コントローラ１２に入力される。従って、コントローラ１２は、遅延回路１３ｅからのゲート信号の入力タイミングから、ゲート信号を最上流側の遅延回路１３ａに向けて出力してから、最下流側の遅延回路１３ｅからゲート信号が出力されるまでに時間、すなわち、制御回路１１にある遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・１３ｅ全体での合計としての遅延時間を把握することができる。そして、ゲート信号の受信に応じて次のゲート信号を出力することができる。

【0048】

遅延回路１３は、個体差や温度ドリフトによって、遅延時間に±５％程度のばらつきが生じるといわれる。本実施形態の構成によれば、遅延時間のばらつき、変動によらず、次のゲート信号の出力タイミングを設定することができ、適切なゲート信号出力タイミング制御が行える。

【0049】

図６は、ゲート信号の遅延の様子を示している。このように、コントローラ１２から出力されたゲート信号が遅延回路１３ａ，１３ｂ，・・・１３ｅにより順次対応する電池回路モジュール１０に供給される。これによって、各電池回路モジュール１０における第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチングが制御される。なお、図６では、ゲート信号の前半をＯＮ（接続）、後半をＯＦＦ（スルー）に設定したが、これによっても図５に示した場合と同様の制御が行われる。

【0050】

そして、コントローラ１２は、最下流側のゲート信号を受信するため、制御回路１１内の遅延回路１３における合計の遅延時間を把握できる。すなわち、ゲート信号を出力してから、最下流側のゲート信号としてコントローラ１２に戻るまでの時間をタイマなどで計測すれば、制御回路１１内の全遅延回路１３ａ，１３ｂ，・・・１３ｅの遅延時間の合計を把握することができる。そこで、この遅延時間の合計によりゲート信号の周期および出力タイミングを制御することで、ゲート信号の周期を遅延時間の合計に一致させることができる。すなわち、タイマなどによって、遅延時間の合計値を把握した場合に、次のゲート信号の出力タイミングおよび１周期の時間を把握した遅延時間の合計値に応じて調整する。例えば、ゲート信号をタイマ（カウンタ）を用いて発生しているのであれば、そのカウントアップの値を変更すれば１周期の時間を変更することができ、カウントアップのタイミングでゲート信号を出力すればよい。なお、カウンタのクロックの周期は通常遅延時間の合計値に比べ十分小さいので追従がある程度遅れても問題はない。また、遅延回路１３における遅延時間は大きく変動するものではなく、毎回このような処理を行う必要はなく、またズレがある程度以上になった時点で調整してもよい。

【0051】

また、コントローラ１２のデジタルインプット機能などを用い、最下流側のゲート信号が立ち上がる（ゲート信号が入力される）タイミングをトリガとして検出し、すぐに次のゲート信号を出力させることも好適である。

【0052】

すなわち、図７に示すように、コントローラ１２は、その動作周期を規定するシステムクロックなどを用い、最下流側のゲート信号の立ち上がりをトリガとして、ゲート信号許可フラグを立ち上げる。そして、許可フラグがＯＮである許可状態において、次のシステムクロックの立ち上がりでゲート信号を出力する。これによって、最下流側のゲート信号を受け取り、すぐにゲート信号を出力することができる。従って、コントローラ１２からの出力を必要以上に遅らせることなく、また最下流側の電池回路モジュール１０へのゲート信号の出力が終了した後、ゲート信号を出力することができ、ゲート信号の周期を遅延時間の合計と一致させることができる。そして、ゲート信号を出力してから受け取るまでの時間をタイマで計測することで遅延時間合計を計測できるため、これに基づいてゲート信号の周期を遅延時間の合計と一致させることができる。なお、システムクロックは、数１０−数１００ＭＨｚであり、遅延回路１３の遅延時間合計は数１００ｎｓ程度（数ＭＨｚ）であるため、ある程度のズレは許容される。

【0053】

「異常電池回路モジュール１０の除外」
本実施形態では、多数の電池回路モジュール１０を直列接続して用いる。いずれかの電池回路モジュール１０において異常が発生した場合には、当該電池回路モジュール１０を除外したいという要求がある。このような場合、スイッチング素子Ｓ１をＯＮ、スイッチング素子Ｓ２をＯＦＦの状態に固定することで、当該電池回路モジュール１０を除外することができる。なお、異常の内容によっては、スイッチング素子Ｓ１をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２をＯＮ固定としてもよい。スイッチング素子Ｓ１のＯＦＦ固定異常、スイッチング素子Ｓ２のＯＮ固定以上の場合には、スイッチング素子Ｓ１をＯＦＦ、スイッチング素子Ｓ２をＯＮに固定することで当該電池回路モジュール１０を除外するとよい。また、異常の検出は、外部の異常検出部によって行い、検出結果を制御回路１１に供給すればよいが、制御回路１１において異常検出機能を有してもよい。そして、制御回路１１が異常が検出された電池回路モジュール１０を選択して除外する。

【0054】

ここで、本実施形態では、図８に示すように、各遅延回路１３に対応して切り換え回路１４を有している。そして、この切り換え回路１４を切り換えることで、対応する遅延回路１３をバイパス（スルー）することができる。これによって、この遅延回路１３での遅延時間をほぼ０、すなわち無視できる程小さくすることができる。なお、切り換え回路１４は通常のマルチプレクサを利用することができる。

【0055】

この除外の動作について、図９−１１に基づいて説明する。この例では、１５個の電池回路モジュール１０、遅延回路１３を有している。

【0056】

図９は、平常時の状態を示している。コントローラ１２から出力されたゲート信号が最上流側の電池回路モジュール１０と、遅延回路１３に供給される。そして、ゲート信号は下流側に隣接する遅延回路１３および電池回路モジュール１０に供給されることが繰り返されることによって、順次伝播される。そして、最下流側の遅延回路１３からのゲート信号がコントローラ１２に入力される。

【0057】

このようにして、各電池回路モジュール１０に１つの遅延回路１３の遅延時間に応じて遅延したゲート信号が供給される。

【0058】

この例では、ゲート信号のデューティー比が５７％に設定されている。従って、電池回路モジュール群１００において、接続されている電池回路モジュール１０が９つ、８つの状態を交互に繰り返すことになる。従って、電池回路モジュール群１００の出力電圧としては、９×モジュール電圧、８×モジュール電圧の状態が交互に繰り返される。そして、接続／スルーの状態が下流側にスイープされ、接続されている電池回路モジュール１０の位置が下流側に移動する。

【0059】

ここで、１つの電池回路モジュール１０に異常が発生し、当該電池回路モジュール１０に対するゲート信号の供給を停止した場合を図１０に示す。このように、異常が発生した電池回路モジュール１０については、スルーに固定される。この場合、ゲート信号は各遅延回路１３を下流側に向けて伝播するが、異常が発生した電池回路モジュール１０からは電圧が出力されない。従って、異常が発生した電池回路モジュール１０が本来（ゲート信号が供給された）スルーの場合には、９×モジュール電圧、８×モジュール電圧の状態が交互に繰り返されるが、異常が発生した電池回路モジュール１０が本来（ゲート信号が供給された場合）接続の場合には、８×モジュール電圧、７×モジュール電圧の状態が交互に繰り返されることになる。従って、出力電圧が、ゲート信号のデューティー比に応じた２期間で１つの電池回路モジュール１０の電圧だけ異なることになる。

【0060】

本実施形態では、上述のように切り換え回路１４を有している。従って、図１１に示すように、異常が発生した電池回路モジュール１０にゲート信号を供給せず当該電池回路モジュール１０をスルーとする場合には、これに対応する遅延回路１３もスルーする。従って、図１０の場合のように、ゲート信号が供給されない異常が発生した電池回路モジュール１０に対応する遅延時間が生じない。従って、本来接続であった時間がスルーに変わることがない。従って、ゲート信号の１周期の中における出力電圧の変化を防止できる。

【0061】

また、この図１１の例では、ゲート信号が伝播する遅延回路１３の数が１５→１４に減少する。従って、遅延時間の合計が変化するため、ゲート信号の１周期の時間もこれに合わせて変更することが好適である。また、出力電圧を変更前の状態に維持するためにゲート信号のデューティー比も微調整するとよい。すなわち、図９の状態では、デューティー比は、８．５／１５であるが、図１１の状態では、８．５／１４とすることで、出力電圧を維持することが可能となる。

【0062】

「実施形態の効果」
以上説明したように、電池回路モジュール群１００を駆動する場合、最上流側の電池回路モジュール１０ａに出力したゲート信号を、下流側の電池回路モジュール１０ｂ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回路モジュールに順次伝達するので、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、一定時間遅延しながら、接続状態の期間において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１としての電圧が出力されることになり、所望の電圧を得ることができる。このため、昇圧回路が必要なくなり、電源装置１の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、構成が簡素化されるので、損失が発生する部分が減少して昇圧効率が向上する。さらに、複数の電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅから略均等に電圧を出力しているので、特定の電池回路モジュールに駆動が集中することもなく、電源装置１の内部抵抗損失を低減することができる。

【0063】

また、ＯＮ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１としての汎用性を向上することができる。特に、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに故障が発生して、使用困難な電池回路モジュールが発生した場合でも、その故障した電池回路モジュールをスルー状態に固定することで除外して、正常な電池回路モジュールを使用して、ゲート信号の周期Ｆ、ＯＮ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、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ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。

【0064】

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のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２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１を提供することができる。

【0065】

そして、最下流側の遅延信号をコントローラ１２に入力するため、遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・の合計の遅延時間を把握することができ、ゲート信号の周期、出力タイミングを適切なものに維持することができる。

【0066】

さらに、異常が発生した電池回路モジュール１０について除外することが可能であり、電源装置１はそのまま使用でき、除外した電池回路モジュール１０に対応する遅延回路１３をスルーすることで、出力電圧の揺れを防止できる。

【0067】

「変形例」
次に、電池回路モジュール１０の構成の変形例について説明する。図１２に示すように、電池回路モジュール１０の構成として、図１に示す電池回路モジュール１０のチョークコイルＬと電池Ｂとの配置位置（接続位置）を入れ替えてもよい。また、第２のスイッチング素子Ｓ２を、第１のスイッチング素子Ｓ１に対して正側端子＋ＯＴの反対側に配置してもよい。すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とのスイッチング動作により電池Ｂ（コンデンサＣ）の電圧を正側端子＋ＯＴに出力できるのであれば、電池回路モジュール１０における各素子、電気部品の配置を適宜変更することができる。

【0068】

また、電池Ｂの電圧出力特性が優れている場合、すなわち、電源電流がコンデンサ電流と一致して、出力波形が矩形波となっても電源回路において問題がないときには、ＲＬＣフィルタを省略してもよい。また、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の配線による寄生インダクタンスを利用していたが、配線による寄生インダクタンスを利用する代わりに、必要なインダクタンス値を担保するためにインダクタンス部品を実装してもよい。

【0069】

さらに、上記実施形態では、図１３（ａ）に示すように、コントローラ１２からのゲート信号を、遅延回路１３に出力する前に、電池回路モジュール１０に出力していたが、図１３（ｂ）に示すように、ゲート信号を、遅延回路１３で遅延した後に電池回路モジュール１０に出力してもよい。この場合、遅延回路１３から出力される遅延されたゲート信号が、電池回路モジュール１０ａおよび遅延回路１３ｂにそれぞれ出力される。遅延回路１３ｂ，１３ｃ，・・・においても同様の制御を行う。この制御によっても、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・を一定時間遅延しながら順次駆動することができ、コントローラ１２において、合計の遅延時間を把握して、次のゲート信号を出力することができる。

【符号の説明】

【0070】

１ 電源装置、１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ） 電池回路モジュール、１１ 制御回路、１２ コントローラ、１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・１３ｅ） 遅延回路、１４ 切り換え回路、１００ 電池回路モジュール群、Ｂ 電池、Ｃ コンデンサ、Ｌ チョークコイル、＋ＯＴ 正側端子、−ＯＴ 負側端子、Ｓ１ 第１のスイッチング素子、Ｓ２ 第２のスイッチング素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】