特許 7082276 出力装置

(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】

(24)【登録日】2022-05-31

(45)【発行日】2022-06-08

(54)【発明の名称】出力装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20220601BHJP

   B60L 1/00 20060101ALI20220601BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20220601BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20220601BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

B60L1/00 L

H01M10/44 P

H01M10/48 P

H02J7/00 P

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2017241689

(22)【出願日】2017-12-18

(65)【公開番号】P2019110660

(43)【公開日】2019-07-04

【審査請求日】2020-11-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000143639

【氏名又は名称】株式会社今仙電機製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100095795

【弁理士】

【氏名又は名称】田下 明人

(74)【代理人】

【識別番号】100143454

【弁理士】

【氏名又は名称】立石 克彦

(72)【発明者】

【氏名】山野上 耕一

(72)【発明者】

【氏名】円尾 忠司

(72)【発明者】

【氏名】後藤 亮太

【審査官】下林 義明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０３３２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１１３７６（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

Ｂ６０Ｌ １／００ － ３／１２

Ｂ６０Ｌ ７／００ － １３／００

Ｂ６０Ｌ １５／００ － ５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数個の二次電池セルを直列に接続して成るバッテリから、前記複数個の一部の二次電池セルを直列に繋いで生じる電圧を出力する出力装置であって、
前記直列接続する個数の切り替え可能な二次電池セルにそれぞれ設けられ、二次電池セル間で電荷を移送する直列電荷移送回路であって、前記二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、前記二次電池セルに隣接する切り替え可能な二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る直列電荷移送回路と、
前記複数個を分割した２個以上の二次電池セルから成る二次電池セル群にそれぞれ設けられ、二次電池セル群間で電荷を移送する並列電荷移送回路であって、一方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、他方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る並列電荷移送回路と、を備え、
前記並列電荷移送回路は多段に設けられ、
前記一方の二次電池セル群と同電位になる二次電池セルに設けられた前記直列電荷移送回路が、前記一方の二次電池セル群の並列電荷移送回路と前記他方の二次電池セル群の並列電荷移送回路との間に接続されることを特徴とする出力装置。

【請求項2】

複数個の二次電池セルを直列に接続して成るバッテリから、前記複数個の一部の二次電池セルを直列に繋いで生じる電圧を出力する出力装置であって、
前記直列接続する個数の切り替え可能な二次電池セルにそれぞれ設けられ、二次電池セル間で電荷を移送する直列電荷移送回路であって、前記二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、前記二次電池セルに隣接する切り替え可能な二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る直列電荷移送回路と、
前記複数個を分割した２個以上の二次電池セルから成る二次電池セル群にそれぞれ設けられ、二次電池セル群間で電荷を移送する並列電荷移送回路であって、一方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、他方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る並列電荷移送回路と、を備え、
前記一方の二次電池セル群と同電位になる二次電池セルに設けられた前記直列電荷移送回路が、前記一方の二次電池セル群の並列電荷移送回路と前記他方の二次電池セル群の並列電荷移送回路との間に接続される出力装置であって、
前記複数個は２で割り切れ、
前記複数個を２分割した二次電池セル群のそれぞれに前記並列電荷移送回路が設けられ、
前記複数個を２分割した二次電池セル群の一方には前記直列電荷移送回路が設けられ、他方には前記直列電荷移送回路が設けられないことを特徴とする出力装置。

【請求項3】

複数個の二次電池セルを直列に接続して成るバッテリから、前記複数個の一部の二次電池セルを直列に繋いで生じる電圧を出力する出力装置であって、
前記直列接続する個数の切り替え可能な二次電池セルにそれぞれ設けられ、二次電池セル間で電荷を移送する直列電荷移送回路であって、前記二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、前記二次電池セルに隣接する切り替え可能な二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る直列電荷移送回路と、
前記複数個を分割した２個以上の二次電池セルから成る二次電池セル群にそれぞれ設けられ、二次電池セル群間で電荷を移送する並列電荷移送回路であって、一方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、他方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る並列電荷移送回路と、を備え、
前記一方の二次電池セル群と同電位になる二次電池セルに設けられた前記直列電荷移送回路が、前記一方の二次電池セル群の並列電荷移送回路と前記他方の二次電池セル群の並列電荷移送回路との間に接続される出力装置であって、
前記複数個は３で割り切れ、
前記複数個を３分割した二次電池セル群のそれぞれに前記並列電荷移送回路が設けられ、
前記複数個を３分割した二次電池セル群の何れかには前記直列電荷移送回路が設けられ、他方には前記直列電荷移送回路が設けられないことを特徴とする出力装置。

【請求項4】

請求項１の出力装置であって、
前記複数個は６で割り切れ、
前記複数個を２分割した二次電池セル群のそれぞれに前記並列電荷移送回路が設けられ、
前記複数個を３分割した二次電池セル群のそれぞれに前記並列電荷移送回路が設けられ、
前記複数個の一部の二次電池セルを含む側の前記２分割した二次電池セル群を３分割したそれぞれに前記並列電荷移送回路が設けられたことを特徴とする出力装置。

【請求項5】

請求項１の出力装置であって、
前記複数個は５０で割り切れ、
前記複数個を２分割した二次電池セル群のそれぞれに前記並列電荷移送回路が設けられ、
前記複数個の一部の二次電池セルを含む側の前記２分割した二次電池セル群を５分割した二次電池セル群のそれぞれに前記並列電荷移送回路が設けられたことを特徴とする出力装置。

【請求項6】

請求項１～請求項５のいずれか１の出力装置であって、
前記一部の二次電池セル中で直列接続する個数を所定範囲で切り替え可能にする電圧調整回路を備えることを特徴とする出力装置。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１の出力装置であって、
前記直列電荷移送回路と前記並列電荷移送回路と同一構造の直列電荷移送回路と並列電荷移送回路が更に一組、前記直列電荷移送回路と前記並列電荷移送回路と前記バッテリに対して対称に配置されたことを特徴とする出力装置。

【請求項8】

請求項６の出力装置であって、
前記電圧調整回路は、
特定の二次電池セルの出力電位と前記特定の二次電池セルよりも電圧の高くなる隣接する二次電池セルの出力電位とをデューティ駆動するスイッチング手段と、
前記スイッチング手段により構成された電位を平滑化する平滑手段と、を備えることを特徴とする出力装置。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか１の出力装置であって、
前記バッテリは車両用であり、
前記二次電池セルはリチウムイオンセルであることを特徴とする出力装置。

【請求項10】

請求項９の出力装置であって、
前記出力装置が前記バッテリと同一の金属筐体に収容されることを特徴とする出力装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数個の二次電池セルを直列に接続して成るバッテリから、複数個の一部の二次電池セルを直列に繋いで生じる電圧を出力する出力装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、並列に接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータユニットを用い電圧を変換して電気式車両駆動用に用いる構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－２５３０１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、電気式車両駆動用にＤＣ／ＤＣコンバータユニットを用い電圧を変換するため、車両電装品に大電力を供給する際にもＤＣ／ＤＣコンバータユニットの損失が大きいと考えられる。

【0005】

本発明の目的は、バッテリ電圧よりも低い電圧を低損失で供給できる出力装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る出力装置は、複数個の二次電池セルを直列に接続して成るバッテリから、前記複数個の一部の二次電池セルを直列に繋いで生じる電圧を出力する。そして、前記直列接続する個数の切り替え可能な二次電池セルにそれぞれ設けられ、二次電池セル間で電荷を移送する直列電荷移送回路であって、前記二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、前記二次電池セルに隣接する切り替え可能な二次電池セルに並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る直列電荷移送回路と、前記複数個を分割した２個以上の二次電池セルから成る二次電池セル群にそれぞれ設けられ、二次電池セル群間で電荷を移送する並列電荷移送回路であって、一方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子の間と、他方の二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る並列電荷移送回路と、を備え、前記並列電荷移送回路は多段に設けられ、前記一方の二次電池セル群と同電位になる二次電池セルに設けられた前記直列電荷移送回路が、前記一方の二次電池セル群の並列電荷移送回路と前記他方の二次電池セル群の並列電荷移送回路との間に接続されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明の出力装置は、バッテリの二次電池セルの一部の二次電池セルで生じる電圧を出力するため、ＤＣ／ＤＣコンバータユニットでの降圧のための損失が生じない。ここで、一部の二次電池セルのみを出力させるため、二次電池セル間の容量バランスを保つための二次電池セル間で電荷を移送する直列電荷移送回路が設けられるが、直列電荷移送回路を構成するスイッチング素子での抵抗性損失が生じる。このため、個々の二次電池セルに設けられ個数の多い直列電荷移送回路に、二次電池セル群に設けられ個数の少ない並列電荷移送回路が接続される。個数の少ない並列電荷移送回路のスイッチング素子が接続されることで、バッテリから出力電圧を出力している二次電池セルまでのスイッチング素子の等価的な抵抗値が下がり、抵抗性損失が小さくなる。これにより、バッテリ電圧よりも低い電圧を低損失で供給することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態の出力装置の動作原理について示す説明図

【図2】参考例の出力装置での損失について示す説明図

【図3】第１実施形態に係る出力装置の電荷移送回路の回路図

【図4】第１実施形態に係る出力装置の電圧調整回路の回路図

【図5】第１実施形態に係る出力装置のバッテリ電圧と出力電圧を示す図

【図6】第１実施形態の係るバッテリモジュールの斜視図

【図7】第１実施形態の改変例に係る出力装置の電圧調整回路の回路図

【図8】第２実施形態に係る出力装置の電荷移送回路の回路図

【図9】第３実施形態に係る出力装置の電荷移送回路の回路図

【図10】第４実施形態に係る出力装置の電荷移送回路の回路図

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施形態の出力装置の動作原理について、図１を参照して説明する。
ここでは、４個のＬｉ－ｉｏｎセルCellＡ、CellＢ、CellＣ、CellＤからなるバッテリＢ５が示される。バッテリＢ５には、過充電が発火原因となるＬｉ－ｉｏｎセルの電圧を均一にするためのキャパシタースイッチング方式の電荷移送回路Ｅ５が取り付けられている。電荷移送回路Ｅ５は、個々のセルに並列に接続された一対のスイッチング素子と、一対のスイッチング素子の間と、当該セルに隣接するセルに並列に接続された一対のスイッチング素子の間とに接続されたコンデンサと、から成る。即ち、セルCellＡと並列に一対のスイッチング素子（ＭＳＯＦＥＴ）であるＭＯＳ１、ＭＯＳ２が接続され、セルCellＢと並列に一対のＭＯＳ３、ＭＯＳ４が接続され、セルCellＣと並列に一対のＭＯＳ５、ＭＯＳ６が接続され、セルCellＤと並列に一対のＭＯＳ７、ＭＯＳ８が接続される。セルCellＡに並列なＭＯＳ１、ＭＯＳ２との間と、セルCellＢに並列なＭＯＳ１、ＭＯＳ２との間にコンデンサＣｒαが接続されている。セルCellＢに並列なＭＯＳ３、ＭＯＳ４との間と、セルCellＣに並列なＭＯＳ５、ＭＯＳ６との間にコンデンサＣｒβが接続されている。セルCellＣに並列なＭＯＳ５、ＭＯＳ６との間と、セルCellＤに並列なＭＯＳ７、ＭＯＳ８との間にコンデンサＣｒγが接続されている。

【0010】

コンデンサＣｒαは、セルCellＡとセルCellＢとの間を、所定デューティ（例えば、３０％－５０％）で駆動されるＭＯＳ１、ＭＯＳ２、ＭＯＳ３、ＭＯＳ４のスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）により交互に接続される。このとき、セルCellＡとセルCellＢとの間に電位差があれば、電位の高いセルからコンデンサ、コンデンサから電位の低いセルに電荷が移動して電位差が無いように均一化される。ここで、コンデンサＣｒαが切り替わる前後でセルCellＡの電圧ＶｃａとセルCellＢの電圧Ｖｃｂはほぼ同じ値なので（コンデンサＣｒα電圧Ｖｃｒ＝Ｖｃａ＝Ｖｃｂ）、ＭＯＳ１、ＭＯＳ２、ＭＯＳ３、ＭＯＳ４は電位差がほとんど無い状態で作動し、スイッチングロスがほとんど発生しない。即ち、電荷移送回路Ｅ５は高効率である。同様にして、セルCellＢとセルCellＣとが電位差が無いように調整され、セルCellＣとセルCellＤとが電位差が無いように調整され、全てのセルCellＡ、CellＢ、CellＣ、CellＤの電位が均一となる。なお、ここでは、スイッチング素子としてＭＳＯＦＥＴを用いたが、スイッチング素子としては、ＭＳＯＦＥＴ以外にも、ＦＥＴ、トランジスタ、サイリスタ等種々のスイッチング素子を用いることができる。

【0011】

[参考例]
図２に示される参考例では、１８個のセルから成る４８Ｖのバッテリの一部セルから１２Ｖの電圧を出力し、上述した電荷移送回路Ｅ５のみでセル間の電圧の均一化を図った場合を示している。下方（低電圧側）のセルＣ１，図示しないＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５等が負荷に接続される。この場合、等価的にｎ個（ｎ＝負荷に接続されないセル数の２倍）の直列に接続されたＭＯＳ（ＭＯＳ１～ＭＯＳｎ）が電流経路となるので、ｎ個のＭＯＳのＯＮ抵抗を経由することとなって、抵抗性損失が増大する。
ここで、損失Ｌｏｓｓは、流れる電流をＩ、各ＭＯＳのＯＮ抵抗をＲｍｏｓとすると次式で表される：
Ｌｏｓｓ＝Ｉ^２×（Ｒｍｏｓ１＋Ｒｍｏｓ２＋・・・・Ｒｍｏｓｎ）

【0012】

[第１実施形態]
図３は、第１実施形態に係る出力装置の電荷移送回路Ｅ１Ａ、Ｅ１Ｂを示しをている。
第１実施形態では、１８個のＬｉ－ｉｏｎセルＣ１～Ｃ１８からなるバッテリＢ１が示される。バッテリＢ１は４８Ｖを出力し、ハイブリッドカーの駆動モータ用電源として用いられている。第１実施形態の出力装置は、４８ＶのバッテリＢ１から１２Ｖを取り出し、前照灯、ワイパー等の１２Ｖ電装品へ供給する。セルＣ１～Ｃ１８は、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の３個のセルから成る第１セル群ｂ１と、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６，Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９の６個のセルからなる第２セル群ｂ２と、Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１２の３個のセルから成る第３セル群ｂ３と、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５，Ｃ１６、Ｃ１７、Ｃ１８の６個のセルからなる第４セル群ｂ４とに分けられている。

【0013】

バッテリＢ１は、図示しないオルタネータによって充電される。オルタネータは、車両電装品に必要な電力を供給するため、図示しないエンジンによって駆動されるとともに、車両減速時には駆動系を介して減速時の運動エネルギーを回生して、バッテリＢ１を充填するが如く作用する。また、バッテリＢ１は、図示しない車載されたモータ、インバータ等からなる電気駆動制御システムへ電力を供給して、エンジンの駆動トルクをアシストするように作用する。これによって、車両の加速時には、上記減速時に回生したエネルギーを再利用して走行できるから車両の走行燃費向上を図ることが可能になる。

【0014】

図４は、出力装置の電圧調整回路２０を示している。電圧調整回路２０は、一部の二次電池セル中で直列接続する個数を所定範囲で切り替え可能にする。即ち、電圧調整回路２０は、セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３の３個のセルから成る第１セル群ｂ１の電圧を出力するためのスイッチ（ＦＥＴ等のスイッチング素子）ＳＷ３（８Ｖ）と、セルＣ４の電圧を出力するためのスイッチＳＷ４（１０．６Ｖ）と、セルＣ５の電圧を出力するためのスイッチＳＷ５（１３．３Ｖ）と、セルＣ６の電圧を出力するためのスイッチＳＷ６（１６Ｖ）と、セルＣ７の電圧を出力するためのスイッチＳＷ７（１８．７Ｖ）と、セルＣ８の電圧を出力するためのスイッチＳＷ８（２１Ｖ）と、セルＣ９の電圧を出力するためのスイッチＳＷ９（２４Ｖ）と、を備える。ここで、Ｌｉ－ｉｏｎバッテリＢ１は、電池容量によって３６Ｖ－５４Ｖまで変化する。このバッテリＢ１の電圧の変化に対して、１４Ｖ付近の電圧を出力するように、電圧調整回路２０はスイッチを切り替える。

【0015】

図３中に示す電荷移送回路Ｅ１Ａ、Ｅ１Ｂは、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の第１セル群ｂ１と、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６，Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９の６個のセルからなる第２セル群ｂ２とから電力供給を行うので全セルでの電圧を均一にするためと、電荷移送回路Ｅ１Ａ、Ｅ１Ｂ内での電力損失を低減するために設けられている。

【0016】

電荷移送回路Ｅ１Ａは、Ｃ１－Ｃ１８の１８個のセルを２分割したセルＣ１－Ｃ９からなる二次電池セル群と、セルＣ１０－Ｃ１８からなる二次電池セル群との間で電荷を移送する２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２を備える。２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２は、セルＣ１－Ｃ９からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／２１、Ｍ／２２と、セルＣ１０－Ｃ１８からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／２３、Ｍ／２４と、スイッチング素子Ｍ／２１、Ｍ／２２との間とスイッチング素子Ｍ／２３、Ｍ／２４との間に設けられたコンデンサＣとから成る。

【0017】

電荷移送回路Ｅ１Ａは、Ｃ１－Ｃ１８の１８個のセル３を分割したセルＣ１－Ｃ６からなる二次電池セル群と、セルＣ７－Ｃ１２からなる二次電池セル群と、セルＣ１３－Ｃ１８からなる二次電池セル群との間で電荷を移送する３分割並列電荷移送回路Ｅ１／３を備える。３分割並列電荷移送回路Ｅ１／３は、セルＣ１－Ｃ６からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／３１、Ｍ／３２と、セルＣ７－Ｃ１２からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／３３、Ｍ／３４と、セルＣ１３－Ｃ１８からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／３５、Ｍ／３６と、スイッチング素子Ｍ／３１、Ｍ／３２との間とスイッチング素子Ｍ／３３、Ｍ／３４との間に設けられたコンデンサＣと、スイッチング素子Ｍ／３３、Ｍ／３４との間とスイッチング素子Ｍ／３５、Ｍ／３６との間に設けられたコンデンサＣと、から成る。

【0018】

電荷移送回路Ｅ１Ａは、Ｃ１－Ｃ９の９個のセル３を分割したセルＣ１－Ｃ３からなる二次電池セル群と、セルＣ４－Ｃ６からなる二次電池セル群と、セルＣ７－Ｃ９からなる二次電池セル群との間で電荷を移送する６分割並列電荷移送回路Ｅ１／６を備える。６分割並列電荷移送回路Ｅ１／６は、セルＣ１－Ｃ３からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／６１、Ｍ／６２と、セルＣ４－Ｃ６からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／６３、Ｍ／６４と、セルＣ７－Ｃ９からなる二次電池セル群に並列に接続された一対のスイッチング素子Ｍ／６５、Ｍ／６６と、スイッチング素子Ｍ／６１、Ｍ／６２との間とスイッチング素子Ｍ／６３、Ｍ／６４との間に設けられたコンデンサＣと、スイッチング素子Ｍ／６３、Ｍ／６４との間とスイッチング素子Ｍ／６５、Ｍ／６６との間に設けられたコンデンサＣと、から成る。６分割並列電荷移送回路Ｅ１／６は、全セルＣ１－Ｃ１８内で２分割し、電圧を出力するセルＣ１－Ｃ９を３分割したそれぞれにスイッチング素子及びコンデンサからなる電荷移送回路を設ける。

【0019】

直列接続する個数の切り替え可能なセルＣ４－Ｃ９には、それぞれセル間で電荷を移送する直列電荷移送回路Ｅ－４～Ｅ－９が取り付けられている。即ち、セルＣ４に設けられる直列電荷移送回路Ｅ－４は、セルＣ４に並列に接続されたスイッチング素子Ｍ１、Ｍ２と、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２間とスイッチング素子Ｍ３、Ｍ４間とに設けられたコンデンサＣから成る。セルＣ５に設けられる直列電荷移送回路Ｅ－５は、セルＣ５に並列に接続されたスイッチング素子Ｍ３、Ｍ４と、スイッチング素子Ｍ１、Ｍ２間とスイッチング素子Ｍ３、Ｍ４間とに設けられたコンデンサＣと、スイッチング素子Ｍ３、Ｍ４間とスイッチング素子Ｍ５、Ｍ６間とに設けられたコンデンサＣとから成る。セルＣ６に設けられる直列電荷移送回路Ｅ－６は、セルＣ６に並列に接続されたスイッチング素子Ｍ５、Ｍ６と、スイッチング素子Ｍ３、Ｍ４間とスイッチング素子Ｍ５、Ｍ６間とに設けられたコンデンサＣと、スイッチング素子Ｍ５、Ｍ６間とスイッチング素子Ｍ７、Ｍ８間とに設けられたコンデンサＣとから成る。セルＣ７に設けられる直列電荷移送回路Ｅ－７は、セルＣ７に並列に接続されたスイッチング素子Ｍ７、Ｍ８と、スイッチング素子Ｍ５、Ｍ６間とスイッチング素子Ｍ７、Ｍ８間とに設けられたコンデンサＣと、スイッチング素子Ｍ７、Ｍ８間とスイッチング素子Ｍ９、Ｍ１０間とに設けられたコンデンサＣとから成る。セルＣ８に設けられる直列電荷移送回路Ｅ－８は、セルＣ８に並列に接続されたスイッチング素子Ｍ９、Ｍ１０と、スイッチング素子Ｍ７、Ｍ８間とスイッチング素子Ｍ９、Ｍ１０間とに設けられたコンデンサＣと、スイッチング素子Ｍ９、Ｍ１０間とスイッチング素子Ｍ１１、Ｍ１２間とに設けられたコンデンサＣとから成る。セルＣ９に設けられる直列電荷移送回路Ｅ－９は、セルＣ９に並列に接続されたスイッチング素子Ｍ１１、Ｍ１２と、スイッチング素子Ｍ９、Ｍ１０間とスイッチング素子Ｍ１１、Ｍ１２間とに設けられたコンデンサＣとから成る。２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２の中点ＭＤは、４８Ｖを２分割した電圧、２４Ｖを出力し中点ＭＤと同電位となるセルＣ９に接続されると共に、該セルＣ９に設けられる直列電荷移送回路Ｅ－９に接続される。

【0020】

電荷移送回路Ｅ１Ｂの回路構成は、図３中に示される電荷移送回路Ｅ１Ａと同じであり、バッテリに対して対称に配置され、反転作動される。

【0021】

図３中に示されるように、セルＣ４からの電圧が出力される際に、電荷移送回路Ｅ１Ａ内の電流経路は３種存在する。
経路Ｉ１：セルＣ１８端子→２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２内のスイッチング素子Ｍ／２４，Ｍ／２３→セルＣ９の直列電荷移送回路Ｅ－９（スイッチング素子Ｍ１２、Ｍ１１）→セルＣ８の直列電荷移送回路Ｅ－８（スイッチング素子Ｍ１０、Ｍ９）→セルＣ７の直列電荷移送回路Ｅ－７（スイッチング素子Ｍ８、Ｍ７）→セルＣ６の直列電荷移送回路Ｅ－６（スイッチング素子Ｍ６、Ｍ５）→セルＣ５の直列電荷移送回路Ｅ－５（スイッチング素子Ｍ４、Ｍ３）→セルＣ４端子

【0022】

経路Ｉ２：セルＣ１８端子→２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２内のスイッチング素子Ｍ／２４，Ｍ／２３→６分割並列電荷移送回路Ｅ１／６内のスイッチング素子Ｍ／６６、Ｍ／６５→セルＣ６の直列電荷移送回路Ｅ－６（スイッチング素子Ｍ６、Ｍ５）→セルＣ５の直列電荷移送回路Ｅ－５（スイッチング素子Ｍ４、Ｍ３）→セルＣ４端子

【0023】

経路Ｉ３：セルＣ１８端子→３分割並列電荷移送回路Ｅ１／３内のスイッチング素子Ｍ／３６，Ｍ／３５、Ｍ／３４、Ｍ３３→セルＣ６の直列電荷移送回路Ｅ－６（スイッチング素子Ｍ６、Ｍ５）→セルＣ５の直列電荷移送回路Ｅ－５（スイッチング素子Ｍ４、Ｍ３）→セルＣ４端子

【0024】

更に、電荷移送回路Ｅ１Ｂ内に上述した経路Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３が形成される。
第１実施形態では、多段に並列電荷移送回路（２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２、３分割並列電荷移送回路Ｅ１／３、６分割並列電荷移送回路Ｅ１／６）が形成されることで、スイッチング素子の並列化が図られている。これによって、スイッチング素子による等価抵抗値が低下し、低スイッチング抵抗損失となり、高効率が実現できる。

【0025】

即ち、図２を参照して上述したように、１８個のセルで、第１実施形態と同様に、セルＣ４で電圧を出力した場合、等価抵抗値は、セルＣ１８に並列なＭＯＳ１、ＭＯＳ２、セルＣ１７に並列ないＭＯＳ３、ＭＯＳ４・・・セルＣ５に並列なＭＯＳｎまでの直列接続になる。これに対して、第１実施形態では、ＭＯＳが直並列に多段に接続されることで、等価抵抗値が低減される。

【0026】

シミュレーションの結果、第１実施形態の出力装置の効率は使用セル数等で変化し、９７．１９％から９８．３８％であったが、平均して９７．５％であった。即ち、２．５％の損失であり、４８ＶをＤＣ－ＣＤコンバータで降圧した場合の５％と比較して半減させることができた。

【0027】

図５は、第１実施形態に係る出力装置のバッテリ電圧Ｖ（ｉｎ）と出力電圧Ｖ（ｏｕｔ）を示す図である。
ここで、Ｌｉ－ｉｏｎバッテリＢ１のバッテリ電圧Ｖ（ｉｎ）は、電池容量によって３６Ｖ－５４Ｖの範囲で変化する。このバッテリＢ１の電圧の変化に対して、図４を参照して上述した電圧調整回路２０は、１４Ｖ付近の出力電圧を維持するように、スイッチＳＷ３～ＳＷ９を切り替える。なお、スイッチ切り替え時の電圧変化幅は、バッテリＢ１の電圧が最高の５４Ｖの際に最も大きくなり、約３Ｖとなる。

【0028】

図６は、第１実施形態に係るバッテリモジュールの斜視図である。
ハイブリッド車両に搭載されるバッテリモジュール３０は、４８ボルトのＬｉ－ｉｏｎバッテリＢ１と、図３中に示された電荷移送回路Ｅ１Ａ、Ｅ１Ｂ、及び、図４中に示された電圧調整回路２０を備える出力装置４０とを収容するケーシング３６と、ケーシング３６に被せられるアルミダイキャストケース３２から成る。出力装置４０は低損出で発熱量が小さいのでバッテリＢ１と同一のバッテリモジュール３０に収容することができる。更に、出力装置４０をバッテリＢ１に近くに配置することで、バッテリまでのケーブル損失を低減することができる。ここで、アルミダイキャストケースには放熱用のフィンを設けることが望ましい。

【0029】

ここで、バッテリの各セルには、セルバランスを取るため全セルにそれぞれ直列電荷移送回路を設けることもできる。また、直列電荷移送回路の設けられないセルに、特開２０１６－１２５１０に示される電圧均一化装置に接続して個々のセルで抵抗へ放電してセルバランスを取ることもできる。

【0030】

図７は、第１実施形態の改変例に係る出力装置の電圧調整回路１２０の回路図である。
第１実施形態の改変例の電圧調整回路は高い電圧精度を備える。
電圧調整回路１２０は、セルＣ３の電圧を出力するためのスイッチＳＷ３（８Ｖ）と、セルＣ４の電圧を出力するためのスイッチＳＷ４（１０．６Ｖ）と、セルＣ５の電圧を出力するためのスイッチＳＷ５（１３．３Ｖ）と、セルＣ６の電圧を出力するためのスイッチＳＷ６（１６Ｖ）と、セルＣ７の電圧を出力するためのスイッチＳＷ７（１８．７Ｖ）と、セルＣ８の電圧を出力するためのスイッチＳＷ８（２１Ｖ）と、セルＣ９の電圧を出力するためのスイッチＳＷ９（２４Ｖ）とに、該スイッチをデューティ駆動するＤｕｔｙコントロール１２２が設けられている。更に、デューティ駆動された電圧を平滑化するための平滑回路を構成するインダクタンスＬとコンデンサＣとが設けられている。

【0031】

例えば、セルＣ４の１０．６Ｖの電圧と、セル５の１３．３Ｖの電圧とが、スイッチＳＷ４とスイッチＳＷ５とでデューティ駆動され、１２Ｖの電圧が生成され、Ｌ－Ｃ平滑回路で平滑化されて出力される。この場合、スイッチＳＷ５に加わる電圧は、セルＣ５の１セル分（２．７Ｖ）である。このため、全セルの合計電圧４８Ｖをスイッチングして降圧するＤＣ－ＤＣコンバンターのスイッチング損失と比較すると、１／セル数＝１／１８となって低損失となる。

【0032】

[第２実施形態]
図８は、第２実施形態に係る出力装置の電荷移送回路Ｅ２Ａ、Ｅ２Ｂを示している。
第２実施形態では、セルＣ１－Ｃ１００から構成される１００個のＬｉ－ｉｏｎセルからなるバッテリＢ２が用いられる。バッテリＢ２は、直列接続する個数の切り替え可能なセルＣ４－Ｃ９を含む。バッテリＢ２は２６０Ｖを出力し、ハイブリッドカーの駆動モータ用電源として用いられている。

【0033】

電荷移送回路Ｅ２Ａは、１００個のセルを２分割した一方の５０個のセルからなる二次電池セル群（切り替え可能なセルＣ４－Ｃ９を含む側）と、他方の５０個のセルからなる二次電池セル群との間で電荷を移送する２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２を備える。また、電荷移送回路Ｅ２Ａは、一方の５０個のセルからなる二次電池セル群（切り替え可能なセルＣ４－Ｃ９を含む側）は、５０個のセルを２分割した一方の２５個のセルからなる二次電池セル群（切り替え可能なセルＣ４－Ｃ９を含む側）と、他方の２５個のセルからなる二次電池セル群との間で電荷を移送する第２の２分割並列電荷移送回路Ｅ２．１／２を備える。更に、電荷移送回路Ｅ２Ａは、一方の２５個のセルからなる二次電池セル群は、５分割された各５個のセルからなる二次電池セル群の間で電荷を移送する５分割並列電荷移送回路Ｅ１／５を備える。

【0034】

直列接続する個数の切り替え可能なセルＣ４－Ｃ９を含む、上記５分割された各５個のセルからなるセルＣ１－Ｃ１０には、それぞれセル間で電荷を移送する直列電荷移送回路Ｅ－１～Ｅ－１０が取り付けられている。電荷移送回路Ｅ２Ｂの回路構成は、図中に示される電荷移送回路Ｅ２Ａと同じであり、バッテリＢ２に対して対称に配置され、反転作動される。

【0035】

第２実施形態の出力装置は、電荷移送回路Ｅ２Ａ、Ｅ２Ｂが、２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２、第２の２分割並列電荷移送回路Ｅ２．１／２、５分割並列電荷移送回路Ｅ１／５、直列電荷移送回路Ｅ－１～Ｅ－１０を構成するＭＯＳが直並列に多段に接続されることで、等価抵抗値が低減される。

【0036】

[第３実施形態]
図９は、第３実施形態に係る出力装置の電荷移送回路Ｅ３Ａ、Ｅ３Ｂを示している。
第３実施形態では、４個のセルＣ１－Ｃ４から構成されるバッテリＢ３が用いられる。電荷移送回路Ｅ３Ａは、４個のセルを２分割した一方の２個のセルからなる二次電池セル群と、他方の２個のセルからなる二次電池セル群との間で電荷を移送する２分割並列電荷移送回路Ｅ１／２を備える。また、直列接続する個数の切り替え可能なセルＣ１－Ｃ４の各セルＣ１－Ｃ４には、それぞれセル間で電荷を移送する直列電荷移送回路Ｅ－１～Ｅ－４が取り付けられている。電荷移送回路Ｅ３Ｂの回路構成は、図中に示される電荷移送回路Ｅ３Ａと同じであり、バッテリＢ３に対して対称に配置され、反転作動される。

【0037】

[第４実施形態]
図１０は、第４実施形態に係る出力装置の電荷移送回路Ｅ４Ａ、Ｅ４Ｂを示している。第４実施形態では、９個のセルＣ１－Ｃ９から構成されるバッテリＢ４が用いられる。電荷移送回路Ｅ４Ａは、９個のセルを３分割した３個のセルからなる各二次電池セル群の間で電荷を移送する３分割並列電荷移送回路Ｅ１／３を備える。また、直列接続する個数の切り替え可能な各セルＣ４－Ｃ９には、それぞれセル間で電荷を移送する直列電荷移送回路Ｅ－４～Ｅ－９が取り付けられている。電荷移送回路Ｅ４Ｂの回路構成は、図中に示される電荷移送回路Ｅ４Ａと同じであり、バッテリＢ４に対して対称に配置され、反転作動される。

【産業上の利用可能性】

【0038】

上述した実施形態の構成で、目標出力電圧が決まれば、対応する出力段位に限定して並列ＭＯＳ数を増やし、不要部分のＭＯＳを削減することで、更なる効率向上を図ることができる。ここで、出力装置を車両用に適用した例を挙げたが、本発明の出力装置は、バッテリを電源とする船舶、航空機、電動土木機械、電動工具、電子機器等、種々の機器に適用可能である。

【符号の説明】

【0039】

Ｅ１Ａ、Ｅ１Ｂ 電荷移送回路
２０ 電圧調整回路
Ｂ１ バッテリ
Ｃ コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ セル
Ｅ１／２ ２分割並列電荷移送回路
Ｅ１／３ ３分割並列電荷移送回路
Ｅ１／６ ６分割並列電荷移送回路
Ｅ－４ 直列電荷移送回路
Ｍ／２１ スイッチング素子
ＳＷ３ スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】