特許 7520420 電源装置および電源制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】電源装置および電源制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240716BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

H02J9/06 120

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023120341

(22)【出願日】2023-07-24

【審査請求日】2023-07-25

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】506142794

【氏名又は名称】ＭＩＲＡＩ－ＬＡＢＯ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001667

【氏名又は名称】弁理士法人プロウィン

(72)【発明者】

【氏名】平塚 利男

(72)【発明者】

【氏名】平塚 雷太

(72)【発明者】

【氏名】遠山 明

(72)【発明者】

【氏名】安井 哲夫

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２９６１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１８１７９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｊ ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと、
一端が前記第１バッテリーの出力部に直列接続された第１スイッチと、
一端が前記第２バッテリーの出力部に直列接続された第２スイッチと、
前記第１スイッチの他端および前記第２スイッチの他端が接続される並列接続部と、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部を備え、
前記スイッチ制御部は、前記第１スイッチを閉状態から開状態に変更し、前記第２スイッチを開状態から閉状態に変更する際に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備え、
前記並列接続部は、ＤＣ－ＡＣインバータに接続され、
前記オーバーラップ期間は、前記ＤＣ－ＡＣインバータからの出力波形の０．５周期から５周期の範囲であることを特徴とする電源装置。

【請求項2】

充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと、
一端が前記第１バッテリーの出力部に直列接続された第１スイッチと、
一端が前記第２バッテリーの出力部に直列接続された第２スイッチと、
前記第１スイッチの他端および前記第２スイッチの他端が接続される並列接続部と、
前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部を備え、
前記スイッチ制御部は、前記第１スイッチを閉状態から開状態に変更し、前記第２スイッチを開状態から閉状態に変更する際に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備え、
前記第１バッテリーの出力部が第１電位であり、
前記第２バッテリーの出力部が第２電位であり、
前記オーバーラップ期間において、前記並列接続部の電位が前記第１電位と前記第２電位の間である中間電位をとることを特徴とする電源装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電源装置であって、
前記オーバーラップ期間における前記出力波形のピーク変動が１０％以下であることを特徴とする電源装置。

【請求項4】

請求項１から３の何れか一つに記載の電源装置であって、
前記オーバーラップ期間は、５ｍ秒以上６０ｍ秒以下の範囲であることを特徴とする電源装置。

【請求項5】

充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと並列接続部との接続を切り替える電源制御方法であって、
前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断する第１接続期間と、
前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続する第２接続期間を有し、
前記第１接続期間と前記第２接続期間との間に、前記第１バッテリーの出力部および前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続するオーバーラップ期間を備え、
前記並列接続部は、ＤＣ－ＡＣインバータに接続され、
前記オーバーラップ期間は、前記ＤＣ－ＡＣインバータからの出力波形の０．５周期から５周期の範囲であることを特徴とする電源制御方法。

【請求項6】

充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと並列接続部との接続を切り替える電源制御方法であって、
前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断する第１接続期間と、
前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続する第２接続期間を有し、
前記第１接続期間と前記第２接続期間との間に、前記第１バッテリーの出力部および前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続するオーバーラップ期間を備え、
前記第１バッテリーの出力部が第１電位であり、
前記第２バッテリーの出力部が第２電位であり、
前記オーバーラップ期間において、前記並列接続部の電位が前記第１電位と前記第２電位の間である中間電位をとることを特徴とする電源制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源装置および電源制御方法に関し、特に複数の二次電池を切り替えて電力を供給する電源装置および電源制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、屋外や緊急時においても電気機器を使用可能とするための電源装置が提案されている。このような電源装置では、ガソリンやガスを燃料として内燃機関の発動機を駆動し、発動機の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものが一般的であった。しかし、このような内燃機関を用いた電源装置では、燃料の燃焼により酸素を消費するため、室内空間や密閉された空間内での使用ができないという難点があった。そこで、近年になって電力を貯蔵した二次電池から電力を供給する電源装置も普及しつつある。

【0003】

このような二次電池を用いた電源装置では、供給可能な電力量が二次電池の充電容量に依存するため、大電力を継続して供給するには二次電池が大型化し、重量増加と高価格化を招くという問題があった。このような問題を回避するために、複数の二次電池を着脱可能に搭載して、複数の二次電池からの電力供給を切り替える電源装置も提案されている（例えば特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－２９６１０９公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の電源装置では、負荷に接続された二次電池の充電残量が減少した場合や二次電池を取り外す場合に、その二次電池の接続を切り離した後に、別の二次電池を選択して負荷に接続している。図１０は、従来の電源装置におけるバッテリー切り替え時の電圧変動を示すグラフである。

【0006】

図１０中の横軸は時間経過を示し、縦軸は電圧を示している。図１０中において振幅が小さく太いプロットはＤＣ－ＡＣインバータの入力位置での電圧を示している。図１０中において振幅が大きく細いプロットはＤＣ－ＡＣインバータの出力位置での電圧を示している。また、図１０では、左半分は充電残量が少なく出力電圧が小さい二次電池が負荷に接続された状態を示し、右半分は充電残量が多く出力電圧が大きい二次電池を負荷に接続した状態を示している。図１０の中央近辺では、２つの二次電池が負荷から切り離された状態を示している。

【0007】

ＤＣ－ＡＣインバータの入力位置での電圧は、二次電池の接続を切り替える前後において変化し、切り替えの瞬間に二次電池から電力が供給されない時間が存在し、電圧が急激に低下していることが理解できる。また、ＤＣ－ＡＣインバータの出力位置での電圧は、二次電池の接続を切り替える前後において出力が安定化した段階では変化しないが、切り替えの瞬間後に短時間の電圧変動が生じていることが理解できる。

【0008】

図１０に示したように、従来の電源装置における二次電池の接続切替では、瞬間的に電力が供給されない瞬断が生じてしまい、負荷に対して電力を供給し続けることが困難である。特に、二次電池から供給される直流電流をＤＣ－ＡＣインバータで交流電流に変換する電源装置では、出力される交流電流の電圧変動が大きくなり、精密機器や情報機器などの誤作動を引き起こす可能性があった。また、出力電圧の変動を抑制するためには、応答性の速いインバータ電源回路が必要となり、電源装置の大型化やコストが増加してしまうという問題があった。

【0009】

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能な電源装置および電源制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと、一端が前記第１バッテリーの出力部に直列接続された第１スイッチと、一端が前記第２バッテリーの出力部に直列接続された第２スイッチと、前記第１スイッチの他端および前記第２スイッチの他端が接続される並列接続部と、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部を備え、前記スイッチ制御部は、前記第１スイッチを閉状態から開状態に変更し、前記第２スイッチを開状態から閉状態に変更する際に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備え、前記並列接続部は、ＤＣ－ＡＣインバータに接続され、前記オーバーラップ期間は、前記ＤＣ－ＡＣインバータからの出力波形の０．５周期から５周期の範囲であることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと、一端が前記第１バッテリーの出力部に直列接続された第１スイッチと、一端が前記第２バッテリーの出力部に直列接続された第２スイッチと、前記第１スイッチの他端および前記第２スイッチの他端が接続される並列接続部と、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部を備え、前記スイッチ制御部は、前記第１スイッチを閉状態から開状態に変更し、前記第２スイッチを開状態から閉状態に変更する際に、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチが同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備え、前記第１バッテリーの出力部が第１電位であり、前記第２バッテリーの出力部が第２電位であり、前記オーバーラップ期間において、前記並列接続部の電位が前記第１電位と前記第２電位の間である中間電位をとることを特徴とする。

【0011】

このような本発明の電源装置では、第１バッテリーから第２バッテリーに接続を切り替える際に、第１スイッチと第２スイッチが同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備えるため、負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能となる。

【0012】

また、本発明の一態様では、前記オーバーラップ期間は、５ｍ秒以上６０ｍ秒以下の範囲である。

【0014】

また、本発明の一態様では、前記オーバーラップ期間における前記出力波形のピーク変動が１０％以下である。

【0016】

上記課題を解決するために、本発明の電源制御方法は、充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと並列接続部との接続を切り替える電源制御方法であって、前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断する第１接続期間と、前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続する第２接続期間を有し、前記第１接続期間と前記第２接続期間との間に、前記第１バッテリーの出力部および前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続するオーバーラップ期間を備え、前記並列接続部は、ＤＣ－ＡＣインバータに接続され、前記オーバーラップ期間は、前記ＤＣ－ＡＣインバータからの出力波形の０．５周期から５周期の範囲であることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の電源制御方法は、充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと並列接続部との接続を切り替える電源制御方法であって、前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断する第１接続期間と、前記第１バッテリーの出力部を前記並列接続部から切断し、前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続する第２接続期間を有し、前記第１接続期間と前記第２接続期間との間に、前記第１バッテリーの出力部および前記第２バッテリーの出力部を前記並列接続部に接続するオーバーラップ期間を備え、前記第１バッテリーの出力部が第１電位であり、前記第２バッテリーの出力部が第２電位であり、前記オーバーラップ期間において、前記並列接続部の電位が前記第１電位と前記第２電位の間である中間電位をとることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明では、負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能な電源装置および電源制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１実施形態に係る電源装置１０の構成例を示すブロック図である。

【図2】電源装置１０における接続の切り替えを示す図であり、図２（ａ）は第１接続期間を示し、図２（ｂ）はオーバーラップ期間を示し、図２（ｃ）は第２接続期間を示している。

【図3】電源装置１０における接続の切り替えを示すタイミングチャートであり、図３（ａ）は第１スイッチＳＷ１の信号を示し、図３（ｂ）は第２スイッチＳＷ２の信号を示し、図３（ｃ）はＤＣ－ＡＣインバータ１３の入力位置での電圧を示し、図３（ｄ）はＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力位置での電圧を示している。

【図4】オーバーラップ期間を設けない比較例１，２における電圧変動を示すグラフであり、図４（ａ）は高電圧から低電圧への切り替えを示し、図４（ｂ）は低電圧から高電圧への切り替えを示している。

【図5】オーバーラップ期間を設けた場合における中間電位について示すグラフである。

【図6】オーバーラップ期間を設けた低電圧から高電圧への切り替えを示すグラフであり、図６（ａ）は実施例１を示し、図６（ｂ）は実施例２を示し、図６（ｃ）は実施例３を示し、図６（ｄ）は実施例４を示している。

【図7】オーバーラップ期間を設けた高電圧から低電圧への切り替えを示すグラフであり、図７（ａ）は実施例５を示し、図７（ｂ）は実施例６を示し、図７（ｃ）は実施例７を示し、図７（ｄ）は実施例８を示している。

【図8】ＤＣ－ＡＣインバータ１３からの出力変動を示すグラフであり、図８（ａ）は高電圧から低電圧への切り替えにおける比較例１と実施例５，６を示し、図８（ｂ）は低電圧から高電圧への切り替えにおける比較例２と実施例１，２を示し、図８（ｃ）は実施例７，８を示している。

【図9】オーバーラップ期間無しの比較例１，２におけるＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力変動を示すグラフである。

【図10】従来の電源装置におけるバッテリー切り替え時の電圧変動を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係る電源装置１０の構成例を示すブロック図である。図１に示すように電源装置１０は、スイッチ制御部１１と、第１バッテリー１２ａと、第２バッテリー１２ｂと、第１スイッチＳＷ１と、第２スイッチＳＷ２と、ＤＣ－ＡＣインバータ１３と、負荷１４を備えている。

【0020】

スイッチ制御部１１は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２の開閉動作を制御する部分である。スイッチ制御部１１の具体的構成は限定されないが、図示しないメモリと外部記憶装置、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、情報通信装置等を備えており、所定のプログラムに従って情報処理を行って、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を制御するとしてもよい。また、スイッチ制御部１１は、電源装置１０の各部における状態を監視しておき、各部の状態と所定のプログラムに基づいて第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２の開閉動作を制御するとしてもよい。

【0021】

第１バッテリー１２ａおよび第２バッテリー１２ｂは、電力の充電および放電を行うことができる二次電池である。また、公知の二次電池と同様に、第１バッテリー１２ａおよび第２バッテリー１２ｂは充電および放電に用いる端子や、充電および放電を制御するＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）等を備えている。第１バッテリー１２ａの出力部は第１スイッチＳＷ１の一端に接続されており、第２バッテリー１２ｂの出力部は第２スイッチＳＷ２に接続されている。第１バッテリー１２ａの出力部における電圧はＶＢＡ１であり、第２バッテリー１２ｂの出力部における電圧はＶＢＡ２である。

【0022】

第１バッテリー１２ａおよび第２バッテリー１２ｂの具体的な構成は限定されず、公知のリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、全固体電池等を用いることができる。また、電気自動車やハイブリッド自動車等で使用された二次電池に含まれていたバッテリーセルを再利用し、第１バッテリー１２ａおよび第２バッテリー１２ｂとして用いるとしてもよい。再利用されたバッテリーセルは劣化度が異なり、充電可能な容量や出力電圧が個別に相違している場合が想定されるが、本実施形態の電源装置１０では問題無く使用可能である。

【0023】

第１バッテリー１２ａおよび第２バッテリー１２ｂは、内部インピーダンスが１０ｍΩ以上であることが好ましい。内部インピーダンスが１０ｍΩ未満の場合には、後述する切替動作時のオーバーラップ期間において意図しない充電動作が発生する可能性があり、オーバーラップ期間を十分に確保することが困難になることが想定される。

【0024】

第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、それぞれ第１バッテリー１２ａおよび第２バッテリー１２ｂの出力部に一端が接続され、開閉動作によって第１バッテリー１２ａおよび第２バッテリー１２ｂと負荷１４との間の接続と切断を行う部分である。図１に示すように、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２の他端は並列接続部に接続されている。これにより、第１バッテリー１２ａと第１スイッチＳＷ１の直列接続と、第２バッテリー１２ｂと第２スイッチＳＷ２の直列接続が、互いに並列接続されている。並列接続部の電圧はＤＣＡＣ＿ＩＮである。

【0025】

第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２の具体的構成は限定されず、公知の半導体スイッチや機械スイッチを用いることができる。後述するように、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２の開閉動作はミリ秒レベルで行うため、高速な切替動作が可能な電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチを用いることが好ましい。

【0026】

ＤＣ－ＡＣインバータ１３は、並列接続部と負荷１４の間に設けられ、並列接続部から入力された直流のＤＣＡＣ＿ＩＮを交流のＡＣ＿ＯＵＴに変換して負荷１４に対して出力する部分である。ＤＣ－ＡＣインバータ１３の具体的な回路構成は限定されず、公知の構成を用いることができるが、負荷１４として動作させる対象の幅を広げるためには正弦波を出力することが好ましい。ＤＣ－ＡＣインバータ１３から出力されるＡＣ＿ＯＵＴは限定されないが、各国において商用電源として用いられる１００Ｖ～２２０Ｖの電圧範囲と、５０～６０Ｈｚの周波数範囲であることが好ましい。

【0027】

負荷１４は、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力に接続され、ＤＣ－ＡＣインバータ１３から出力される交流電流によって駆動される電子機器である。負荷１４は限定されないが、一例としてはコンピュータ装置やネットワーク装置、電子医療機器、超低温冷凍庫等が挙げられる。本実施形態の電源装置１０では、複数の二次電池を切り替える際にも瞬断が生じず、出力電圧の変動も抑制できるため、安定的な電力供給が要求されるこれらの負荷１４を接続して使用を継続することができる。

【0028】

図１では２つのバッテリーと２つのスイッチを用いた例を示しているが、バッテリーとスイッチの数は限定されず、３つ以上のバッテリーとスイッチを用いるとしてもよい。３つ以上のバッテリーを選択的に切り替える場合にも、切り替え前の第１接続期間に接続されているバッテリーと、切り替え後の第２接続期間に接続されるバッテリーとは、一対で動作する。したがって、３つ以上のバッテリーを電源装置１０に備えても、接続切替の動作と制御は２つのバッテリーを用いる場合と同様となる。

【0029】

図２は、電源装置１０における接続の切り替えを示す図であり、図２（ａ）は第１接続期間を示し、図２（ｂ）はオーバーラップ期間を示し、図２（ｃ）は第２接続期間を示している。図２では、簡略化のためにスイッチ制御部１１の図示を省略しているが、スイッチ制御部１１から送出される制御信号によって第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２が開閉制御される。また、図中に示した矢印は電流の向きの一例を模式的に表現している。

【0030】

図２（ａ）に示した第１接続期間では、第１スイッチＳＷ１が閉状態（オン）で第２スイッチＳＷ２が開状態（オフ）とされている。したがって、第１バッテリー１２ａから第１スイッチＳＷ１、並列接続部まで直流電流が供給され、ＤＣ－ＡＣインバータ１３でＡＣ＿ＯＵＴに変換されて負荷１４に供給される。電源装置１０において、第１バッテリー１２ａからの放電を停止し、第２バッテリー１２ｂからの放電に切り替える指示が発生した場合には、オーバーラップ期間に移行する。

【0031】

ここで、第１バッテリー１２ａからの放電を停止する場合とは、第１バッテリー１２ａの充電残量が低下して放電対象から充電対象に切り替わる場合が挙げられる。また、第１バッテリー１２ａに取り外しの動作が加えられて、図示しないロック機構が解除状態となった場合も挙げられる。また、使用者が第１バッテリー１２ａを放電対象から除外する指示を入力した場合が挙げられる。また、第１バッテリー１２ａの温度が上昇して、電源装置１０に備えられた制御部によって放電を停止する保護指示が送出された場合が挙げられる。

【0032】

図２（ｂ）に示したオーバーラップ期間では、第１スイッチＳＷ１が閉状態（オン）で第２スイッチＳＷ２が閉状態（オン）とされている。このオーバーラップ期間においては、第１バッテリー１２ａと第２バッテリー１２ｂの電圧が高い側から並列接続部まで直流電流が供給され、ＤＣ－ＡＣインバータ１３でＡＣ＿ＯＵＴに変換されて負荷１４に供給される。また、図２（ｂ）に示した例では第１バッテリー１２ａが第２バッテリー１２ｂよりも電圧が高い例を示しており、第１バッテリー１２ａから第２バッテリー１２ｂに対して電流が供給される。第２バッテリー１２ｂのほうが第１バッテリー１２ａよりも電圧が高い場合には、電流の流れは逆向きとなる。所定の長さに設定されたオーバーラップ期間が経過した後に、第２接続期間に移行する。

【0033】

図２（ｃ）に示した第２接続期間では、第１スイッチＳＷ１が開状態（オフ）で第２スイッチＳＷ２が閉状態（オン）とされている。したがって、第２バッテリー１２ｂから第２スイッチＳＷ２、並列接続部まで直流電流が供給され、ＤＣ－ＡＣインバータ１３でＡＣ＿ＯＵＴに変換されて負荷１４に供給される。以後、第２バッテリー１２ｂから供給される電力によって負荷１４が継続して稼働される。

【0034】

上述したように本実施形態の電源装置１０では、スイッチ制御部１１が、第１スイッチＳＷ１を閉状態から開状態に変更し、第２スイッチＳＷ２を開状態から閉状態に変更する際に、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２が同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備える。したがって、第１接続期間、オーバーラップ期間および第２接続期間を通して、並列接続部には第１バッテリー１２ａまたは第２バッテリー１２ｂが接続され、切り替え時の瞬断が発生しない。

【0035】

また、オーバーラップ期間には、電圧が高い側である第１バッテリー１２ａが放電を行い、電圧が低い側である第２バッテリー１２ｂには、充電される方向の電流が流れてしまう。このオーバーラップ期間に、第２バッテリー１２ｂが充電される方向の電流が大きいと、第２バッテリー１２ｂが備えているＢＭＳの保護回路が動作して、第２バッテリー１２ｂの充放電動作が不可能になってしまう。よって、オーバーラップ期間の長さは、第２バッテリー１２ｂに充電方向の電流が過大に流れないように、短期間に設定する必要がある。オーバーラップ期間の長さについては、詳細を後述する。

【0036】

図３は、電源装置１０における接続の切り替えを示すタイミングチャートであり、図３（ａ）は第１スイッチＳＷ１の信号を示し、図３（ｂ）は第２スイッチＳＷ２の信号を示し、図３（ｃ）はＤＣ－ＡＣインバータ１３の入力位置での電圧を示し、図３（ｄ）はＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力位置での電圧を示している。図中の横軸は時間ｔを示し、縦軸は電圧を示している。また、時間ｔ_１までは第１接続期間を示し、時間ｔ_１からｔ_２まではオーバーラップ期間を示し、時間ｔ_２以後は第２接続期間を示している。

【0037】

図３（ａ）に示すように、第１スイッチＳＷ１には、第１接続期間およびオーバーラップ期間にオン信号が印加され、第２接続期間にオフ信号が印加されている。また、図３（ｂ）に示すように、第２スイッチＳＷ２には、第１接続期間にオフ信号が印加され、オーバーラップ期間および第１接続期間にオン信号が印加されている。

【0038】

図３（ｃ）に示すように、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の入力位置（並列接続部）での電圧は、第１接続期間には第１バッテリー１２ａの出力部における電圧ＶＢＡ１（第１電位に相当）と略同等であり、第２接続期間には第２バッテリー１２ｂの出力部における電圧ＶＢＡ２（第２電位に相当）と略同等である。オーバーラップ期間には、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の入力位置（並列接続部）での電圧は、ＶＢＡ１とＶＢＡ２の間の電位である中間電位となっている。

【0039】

図３（ｃ）では、中間電位としてＶＢＡ１とＶＢＡ２の平均値近傍である例を示しているが、ＶＢＡ１とＶＢＡ２の間であれば平均値でなくともよい。また、図３（ｃ）ではオーバーラップ期間を通して中間電位が一定値である例を示しているが、ＶＢＡ１とＶＢＡ２の間で電位が変化するとしてもよい。

【0040】

図３（ｄ）に示したように、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力位置での電圧ＡＣ＿ＯＵＴは、正弦波の交流として出力されている。図３（ｄ）中においては、時間ｔ_１より後のＡＣ＿ＯＵＴの波形に丸数字を付しており、ピークとボトムで１周期であるため各数字は出力波形の半周期順を示している。第１接続期間では、ＡＣ＿ＯＵＴのピーク電圧は安定しているが、時間ｔ_１でオーバーラップ期間に入り、ＤＣＡＣ＿ＩＮがＶＢＡ１から中間電位に変化した後に、ピーク電圧が変動している。また、時間ｔ_２でオーバーラップ期間から第２接続期間に入った際にも、ＤＣＡＣ＿ＩＮが中間電位からＶＢＡ２に変化した後に、ピーク電圧が変動している。

【0041】

ＡＣ＿ＯＵＴのピーク電圧の変動は、オーバーラップ期間に入ったｔ_１と第２接続期間に入ったｔ_２で大きくなり、正弦波の周期が経過するにしたがって減衰している。これはＤＣ－ＡＣインバータ１３への入力電圧が変化しても、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の性能および時定数によって目標値の出力電圧に変換されるためである。しかし、出力電圧ＡＣ＿ＯＵＴのピーク電圧の変動が大きく、減衰して安定化するまでの時間が長いと、負荷１４が正常に動作しなくなる可能性がある。

【0042】

そこで、本実施形態の電源装置１０では、オーバーラップ期間を５ｍ秒以上６０ｍ秒以下の範囲とすることが好ましい。より好ましくは５ｍ秒以上２０ｍ秒以下の範囲である。または、オーバーラップ期間は、ＤＣ－ＡＣインバータ１３からの出力波形の０．５周期から５周期の範囲であることが好ましい。より好ましくは０．５周期から２周期の範囲である。さらに、オーバーラップ期間におけるＤＣ－ＡＣインバータ１３からの出力波形のピーク変動が１０％以下であることが好ましい。

【0043】

（比較例）
図４は、オーバーラップ期間を設けない比較例１，２における電圧変動を示すグラフであり、図４（ａ）は高電圧から低電圧への切り替えを示し、図４（ｂ）は低電圧から高電圧への切り替えを示している。また、図４中において振幅が小さく太いプロットはＤＣ－ＡＣインバータ１３の入力位置（並列接続部）での電圧ＤＣＡＣ＿ＩＮを示している。図４中において振幅が大きく細いプロットはＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力位置での電圧ＡＣ＿ＯＵＴを示している。また、図４では、第１バッテリー１２ａが接続された第１接続期間を示し、右半分は第２バッテリー１２ｂが接続された第２接続期間を示している。ＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力は、交流１００Ｖ、５０Ｈｚの正弦波であり、負荷１４は１ｋＷである。また、第１バッテリー１２ａの出力電圧ＶＢＡ１は２７Ｖ（高電圧側）で、第２バッテリー１２ｂの出力電圧ＶＢＡ２は２３Ｖ（低電圧側）であった。

【0044】

図４（ａ）に示したように、高電圧側の第１バッテリー１２ａから低電圧側の第２バッテリー１２ｂへの切り替え後に、ＡＣ＿ＯＵＴのピーク変動量は－８．７％であった。また、図４（ｂ）に示したように、低電圧側の第２バッテリー１２ｂから高電圧側の第１バッテリー１２ａへの切り替え後に、ＡＣ＿ＯＵＴのピーク変動量は＋１２．５％であった。低電圧から高電圧への切り替えを比較例１とし、高電圧から低電圧への切り替えを比較例２とする。

【0045】

（実施例）
実施例１～４は、低電圧側の第２バッテリー１２ｂから高電圧側の第１バッテリー１２ａへの切り替えであり、それぞれオーバーラップ期間を１０ｍｓ、２０ｍｓ、４０ｍｓ、６０ｍｓに設定した。実施例５～８は高電圧側の第１バッテリー１２ａから低電圧側の第２バッテリー１２ｂへの切り替えであり、それぞれオーバーラップ期間を１０ｍｓ、２０ｍｓ、４０ｍｓ、６０ｍｓに設定した。実施例１～８では、比較例と同様にＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力が交流１００Ｖ、５０Ｈｚの正弦波であり、負荷１４は１ｋＷである。また、第１バッテリー１２ａの出力電圧ＶＢＡ１は２８．３６Ｖ（高電圧側）で、第２バッテリー１２ｂの出力電圧ＶＢＡ２は２４．７２Ｖ（低電圧側）であった。

【0046】

図５は、オーバーラップ期間を設けた場合における中間電位について示すグラフである。図５で示した例では、実施例８の設定で負荷１４を０ｋＷにすることで、ＤＣ－ＡＣインバータ１３での電圧変換に起因するＤＣＡＣ＿ＩＮの変動の影響を排除している。第１接続期間と第２接続期間の間であるオーバーラップ期間において、並列接続部の電圧ＤＣＡＣ＿ＩＮは、中間電位の２６．４９Ｖであり、第１バッテリー１２ａの出力電圧２８．３６Ｖと第２バッテリー１２ｂの出力電圧２４．７２Ｖの間となっていることが理解できる。

【0047】

図６は、オーバーラップ期間を設けた低電圧から高電圧への切り替えを示すグラフであり、図６（ａ）は実施例１を示し、図６（ｂ）は実施例２を示し、図６（ｃ）は実施例３を示し、図６（ｄ）は実施例４を示している。図７は、オーバーラップ期間を設けた高電圧から低電圧への切り替えを示すグラフであり、図７（ａ）は実施例５を示し、図７（ｂ）は実施例６を示し、図７（ｃ）は実施例７を示し、図７（ｄ）は実施例８を示している。

【0048】

図６および図７に示したグラフから、比較例１，２と実施例１－８についてＡＣ＿ＯＵＴの半周期毎のピーク変動量を計測した結果のグラフを図８に示す。図８は、ＤＣ－ＡＣインバータ１３からの出力変動を示すグラフであり、図８（ａ）は高電圧から低電圧への切り替えにおける比較例１と実施例５，６を示し、図８（ｂ）は低電圧から高電圧への切り替えにおける比較例２と実施例１，２を示し、図８（ｃ）は実施例７，８を示している。図８の横軸は、時間ｔ_１でオーバーラップ期間に入ってからのＡＣ＿ＯＵＴの出力波形における半周期毎のピーク順を示している。何れの例でもＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力は５０Ｈｚであるため、半周期は１０ｍｓに相当している。図８の縦軸は、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力波形における、第１接続期間におけるピーク電圧との変動量を示している。

【0049】

図８（ａ）（ｂ）に示したように、オーバーラップ期間を設けない比較例１（０ｍｓ）のプロットでは、ピーク１，２の変動量が実施例１－８よりも大きくなっている。特に、低電圧側から高電圧側への切り替えである比較例１では、ピーク１，２の変動量が１０％を超えており、負荷１４の動作に悪影響を及ぼす可能性がある。高電圧側から低電圧側への切り替えである比較例２では、ピーク１，２の変動量が９％弱となっている。しかし、電源装置１０においては、低電圧側から高電圧側への切り替えと、高電圧側から低電圧側への切り替えが頻繁に発生するため、負荷１４の使用期間においてピーク変動量が１０％を超えてしまう。

【0050】

図８（ａ）に示した低電圧側から高電圧側への切り替えである実施例５（１０ｍｓ）と実施例６（２０ｍｓ）では、ピーク１，２の変動量が比較例１よりも小さく、１０％以下に抑制されている。また、実施例５，６ともに、ピーク１，２以後は変動量が低下しており、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力設定に収束している。実施例５，６ではそれぞれピーク４，６までプロットしており、オーバーラップ期間よりも長い時間までプロットして変動量の収束が確認できる。

【0051】

図８（ｂ）に示した高電圧側から低電圧側への切り替えである実施例１（１０ｍｓ）と実施例２（２０ｍｓ）では、最大のピーク位置が比較例２とは異なっているが、最大のピーク変動量は比較例２よりも小さく８％以下に抑制されている。また、実施例１，２ともに、最大のピーク以後は変動量が低下しており、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力設定に収束している。実施例１，２ではそれぞれピーク７，８までプロットしており、最大のピーク変動の位置からの収束傾向を確認できる。

【0052】

図８（ｃ）に示した低電圧側から高電圧側への切り替えである実施例７（４０ｍｓ）と実施例８（６０ｍｓ）では、ピーク１，２の変動量が比較例１よりも小さく、１０％以下に抑制されている。また、実施例７，８ともに、ピーク１，２以後に変動量が低下したのち、二度目のピーク変動量増加があるが、ピーク１，２を超えておらず、その後にＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力設定に収束している。実施例７，８ではそれぞれピーク１０，１１までプロットしており、二度目のピーク変動量増加の位置からの収束傾向を確認できる。

【0053】

図８（ｃ）に示すように、実施例８ではピーク１１付近までピーク変動が持続しており、オーバーラップ期間をこれ以上長く継続すると、収束までの時間が長期化してしまう。したがって、オーバーラップ期間は５ｍ秒以上６０ｍ秒以下の範囲とすることが好ましい。また、実施例７，８ではオーバーラップ期間が終了して第２接続期間に入った段階で二度目のピーク変動量増加が生じているが、実施例５，６では二度目のピーク変動量増加は生じていない。したがって、オーバーラップ期間は５ｍ秒以上２０ｍ秒以下の範囲であることがより好ましい。

【0054】

図９は、オーバーラップ期間無しの比較例１，２におけるＤＣ－ＡＣインバータ１３の出力変動を示すグラフである。図中における実線のプロットは比較例１を示し、破線のプロットは比較例２を示し、一点鎖線は規格化した変動量の累積を示している。図９に示すように、比較例１，２でオーバーラップ期間を設けない場合には、ピーク変動量はピーク３～４まででほぼ収束しており、ＡＣ＿ＯＵＴの出力波形が安定化する。したがって、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の応答時間は３０～４０ｍｓと見做すことができる。また、ピーク２までで変動量の累積が６３％（－２デシベル）に到達しており、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の時定数は２０ｍｓとなる。

【0055】

ＤＣ－ＡＣインバータ１３の応答時間内にオーバーラップ期間を設定することで、オーバーラップ期間の終わりの時刻ｔ_２をＤＣ－ＡＣインバータ１３の応答時間内にして、二度目のピーク変動量増加を抑制することができる。したがってオーバーラップ期間は、ＤＣ－ＡＣインバータ１３からのＡＣ＿ＯＵＴの出力波形の０．５周期から５周期の範囲であることが好ましい。

【0056】

また、ＤＣ－ＡＣインバータ１３の時定数内にオーバーラップ期間を設定することで、オーバーラップ期間の終わりの時刻ｔ_２をＤＣ－ＡＣインバータ１３の時定数内にして、二度目のピーク変動量増加を抑制することができる。したがってオーバーラップ期間は、ＤＣ－ＡＣインバータ１３からのＡＣ＿ＯＵＴの出力波形の０．５周期から２周期の範囲であることがより好ましい。

【0057】

上述したように本実施形態の電源装置１０では、第１バッテリー１２ａから第２バッテリー１２ｂに接続を切り替える際に、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２が同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備えるため、負荷１４に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能となる。

【0058】

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態では、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２の並列接続部と負荷１４の間にＤＣ－ＡＣインバータ１３を設けて、直流電流を交流電流に変換したが、ＤＣ－ＡＣインバータ１３に代えてＤＣ－ＤＣコンバータを設けるとしてもよい。ＤＣ－ＤＣコンバータを用いる場合には、負荷１４は直流電流によって駆動される電子機器が用いられる。

【0059】

ＤＣ－ＤＣコンバータを用いる場合にも、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の他端は並列接続部に接続されており、第１接続期間、オーバーラップ期間、第２接続期間の順に接続を切り替える。これにより、ＤＣ－ＤＣコンバータに入力される電圧ＤＣＡＣ＿ＩＮには瞬断が生じず、オーバーラップ期間に中間電位となる。

【0060】

本実施形態の電源装置１０でも、第１バッテリー１２ａから第２バッテリー１２ｂに接続を切り替える際に、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２が同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備えるため、負荷１４に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能となる。

【0061】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0062】

１０…電源装置
１１…スイッチ制御部
１２ａ…第１バッテリー
１２ｂ…第２バッテリー
１３…ＤＣ－ＡＣインバータ
１４…負荷
ＳＷ１…第１スイッチ
ＳＷ２…第２スイッチ

【要約】

【課題】負荷に対する複数の二次電池の接続を切り替えても、瞬断を防止しつつ出力電圧の変動を抑制して、安定した電力の供給を継続することが可能な電源装置および電源制御方法を提供する。
【解決手段】充放電を行う第１バッテリーおよび第２バッテリーと、一端が第１バッテリーの出力部に直列接続された第１スイッチと、一端が第２バッテリーの出力部に直列接続された第２スイッチと、第１スイッチの他端および第２スイッチの他端が接続される並列接続部と、第１スイッチおよび第２スイッチの開閉を制御するスイッチ制御部を備え、スイッチ制御部は、第１スイッチを閉状態から開状態に変更し、第２スイッチを開状態から閉状態に変更する際に、第１スイッチおよび第２スイッチが同時に閉状態となるオーバーラップ期間を備える電源装置。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】