JP2017070079A - モータ駆動方法、バッテリパックおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリパックからの母線電圧を可変制御することが可能なモータ駆動方法、バッテリパック及び半導体装置を提供する。【解決手段】負極電圧ノードＮ（−）を基準として正極電圧ノードＮ（＋）に母線電圧ＶＣＣを出力するバッテリパックＢＡＴＰと、ＰＷＭ信号に応じたスイッチングによって母線電圧を交流電圧に変換してモータＭＴを駆動するインバータ部と、ＰＷＭ信号を生成するモータ制御部とを用いる。モータ制御部は、バッテリパックに向けて、母線電圧を指示するための電圧指示信号ＶＳＴを出力する。バッテリパックは、電圧指示信号に応じた母線電圧となるように、正極電圧ノードと負極電圧ノードとの間に並列に結合するセルブロックＣＢ１〜ＣＢ５の数を可変制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、モータ駆動方法、バッテリパックおよび半導体装置に関し、例えば、バッテリパックからの電力を用いてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号でモータを駆動する際の技術や、当該バッテリパック内に設けられる制御用ＩＣ（Integrated Circuit）の技術に関する。

例えば、特許文献１には、複数の単電池が直列に接続された組電池において、各単電池と並列に充放電用のスイッチが接続された構成が示される。特許文献２、特許文献３および特許文献４には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路とインバータ回路とを設け、ＰＷＭ制御かＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御を用いてモータを制御する技術が示される。

特開２０１１−７２１６９号公報 特開２００９−１４４５４９号公報 特開２００６−１３６０６６号公報 特開２００３−２０９９９９号公報

例えば、家電製品等を代表に、バッテリパックからインバータ回路を介してモータを駆動するようなシステムが用いられている。インバータ回路は、バッテリパックからの固定値となる母線電圧を受け、ＰＷＭ制御等を用いてモータに所定の電力を供給する。しかし、本出願人等の検討により、このように母線電圧が固定値の場合、省電力化等が十分に図れない恐れがあることが見出された。

後述する実施の形態は、このようなことを鑑みてなされたものであり、その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態によるモータ駆動方法は、負極電圧ノードを基準として正極電圧ノードに母線電圧を出力するバッテリパックと、ＰＷＭ信号に応じたスイッチングによって母線電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータ部と、ＰＷＭ信号を生成するモータ制御部とを用いて行われる。モータ制御部は、バッテリパックに向けて、母線電圧を指示するための電圧指示信号を出力する。バッテリパックは、電圧指示信号に応じた母線電圧となるように、正極電圧ノードと負極電圧ノードとの間に並列に結合するセルの数を可変制御する。

前記一実施の形態によれば、バッテリパックからの母線電圧を可変制御することが可能になる。

本発明の実施の形態１によるモータ駆動システムにおいて、その構成例を示す概略図である。 図１におけるモータ制御部の概略構成例を示すブロック図である。 図１におけるＰＷＭ信号と交流電圧との関係例を示す説明図である。 図１におけるバッテリパックの構成例を示すブロック図である。 図４における電圧設定部ＶＳＴＵの動作例を示す説明図である。 図１および図４のモータ駆動システムを用いた場合に得られる省電力化についての説明図である。 図１および図４のモータ駆動システムを用いた場合に得られる省電力化についての説明図である。 図１および図４のモータ駆動システムを用いた場合に得られる省電力化についての説明図である。 本発明の実施の形態２によるモータ駆動システムにおいて、バッテリパックの構成例を示すブロック図である。 図９における電圧設定部の構成例を示すブロック図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１０におけるセルブロック制御部のセルバランスに関する処理内容の一例を示すフロー図である。 本発明の実施の形態３によるモータ駆動システムにおいて、バッテリパックの構成例を示すブロック図である。 （ａ）は、図１２における内部抵抗テーブルの構造例を示す概略図であり、（ｂ）は、図１２における電圧設定部の動作例を示す説明図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、図１２の電圧設定部による内部抵抗の測定方法の一例を説明する図である。 本発明の実施の形態４によるモータ駆動システムにおいて、その適用例となる電動工具の構造例を示す断面図である。 本発明の比較例として検討したバッテリパックの構成例を示すブロック図である。 図９における電圧設定部の図１０とは異なる構成例を示すブロック図である。 図１７におけるセルブロック制御部のセルバランスに関する主要部の処理内容の一例を示すフロー図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
《モータ駆動システムの概略構成》
図１は、本発明の実施の形態１によるモータ駆動システムにおいて、その構成例を示す概略図である。図１に示すモータ駆動システムは、バッテリパックＢＡＴＰと、モータ駆動部ＭＴＤＶＵと、モータＭＴとを備える。バッテリパックＢＡＴＰは、基準電圧ＧＮＤを出力する負極電源端子Ｐ（−）と、基準電圧ＧＮＤを基準として母線電圧ＶＣＣを出力する正極電源端子Ｐ（＋）と、制御端子Ｐｃｂとを備える。モータＭＴは、特に限定はされないが、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ等によって駆動されるブラシレスＤＣモータ等である。モータＭＴは、例えば、センサ付きのブラシレスＤＣモータを例とすると、ホール素子等を用いて位相情報（モータの回転位置）θｓｅｎを出力する。

モータ駆動部ＭＴＤＶＵは、正極電源端子Ｐ（＋）からの母線電圧ＶＣＣが供給される母線電圧端子Ｐｖｃと、負極電源端子Ｐ（−）からの基準電圧ＧＮＤが供給される基準電圧端子Ｐｇｄと、制御端子Ｐｃｍと、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをそれぞれ出力するモータ駆動端子Ｐｏｕ，Ｐｏｖ，Ｐｏｗとを備える。また、モータ駆動部ＭＴＤＶＵは、モータ制御部ＭＣＴＬと、ドライバ部ＤＶと、インバータ部ＩＶＵと、電流検出用抵抗Ｒｉと、母線電圧ＶＣＣを伝送する母線電圧線ＬＮｖｃと、基準電圧ＧＮＤを伝送する基準電圧線ＬＮｇｄとを備える。

インバータ部ＩＶＵは、モータ駆動端子Ｐｏｕ，Ｐｏｖ，Ｐｏｗと、母線電圧線ＬＮｖｃとの間にそれぞれ設けられるハイサイドスイッチＳＷｕｈ，ＳＷｖｈ，ＳＷｗｈと、モータ駆動端子Ｐｏｕ，Ｐｏｖ，Ｐｏｗと、基準電圧線ＬＮｇｄとの間にそれぞれ設けられるロウサイドスイッチＳＷｕｌ，ＳＷｖｌ，ＳＷｗｌとを備える。ハイサイドスイッチおよびロウサイドスイッチのそれぞれは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を代表とするトランジスタと、当該トランジスタに並列接続される還流ダイオードとによって構成される。

電流検出用抵抗Ｒｉは、ここでは、基準電圧線ＬＮｇｄに挿入され、モータ電流Ｉｍｔに比例する電圧を両端に生成する。モータ制御部ＭＣＴＬは、モータＭＴからの位相情報θｓｅｎと、外部からの速度指令信号ＲＥＦと、電流検出用抵抗Ｒｉの両端電圧とに基づいて、３相のＰＷＭ信号ＰＷＭｕ，ＰＷＭｖ，ＰＷＭｗを生成する。モータ制御部ＭＣＴＬは、特に限定はされないが、例えば、マイクロコントローラチップ等の半導体装置で構成される。

ドライバ部ＤＶは、Ｕ相のＰＷＭ信号ＰＷＭｕを受けて、Ｕ相のハイサイドスイッチＳＷｕｈおよびロウサイドスイッチＳＷｕｌに含まれる各トランジスタのオン・オフを相補的に制御する。同様に、ドライバ部ＤＶは、Ｖ相のＰＷＭ信号ＰＷＭｖを受けて、Ｖ相用（ＳＷｖｈ，ＳＷｖｌ）の各トランジスタのオン・オフを相補的に制御し、Ｗ相のＰＷＭ信号ＰＷＭｗを受けて、Ｗ相用（ＳＷｗｈ，ＳＷｗｌ）の各トランジスタのオン・オフを相補的に制御する。インバータ部ＩＶＵは、複数のトランジスタをドライバ部ＤＶからのＰＷＭ信号に応じてスイッチングすることで、母線電圧ＶＣＣを３相の交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、当該交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをモータ駆動端子Ｐｏｕ，Ｐｏｖ，Ｐｏｗから出力することでモータＭＴを駆動する。

《モータ制御部の概略構成》
図２は、図１におけるモータ制御部の概略構成例を示すブロック図である。図３は、図１におけるＰＷＭ信号と交流電圧との関係例を示す説明図である。図２のモータ制御部ＭＣＴＬは、信号処理部ＳＰＵと、速度演算部ＣＡＬと、誤差演算部ＥＲＲと、ＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧとを備える。速度演算部ＣＡＬは、電流検出用抵抗Ｒｉの両端電圧（すなわち、モータ電流Ｉｍｔ）に基づきモータＭＴの回転速度を演算する。信号処理部ＳＰＵは、外部からの速度指令信号ＲＥＦに基づき目標の回転速度を定める。

誤差演算部ＥＲＲは、速度演算部ＣＡＬからの回転速度と、信号処理部ＳＰＵからの目標の回転速度との速度誤差を算出する。ＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧは、誤差演算部ＥＲＲからの速度誤差に基づき、例えば、デューティの制御幅を定め、当該制御幅の中で、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを正弦波に制御するための３相のＰＷＭ信号ＰＷＭｕ，ＰＷＭｖ，ＰＷＭｗを生成する。

具体的には、図３に示すように、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、正弦波であることが望ましい。例えば、Ｗ相において正弦波の交流電圧Ｖｗを生成するため、ＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧは、各スイッチング周期ＴＳ毎に、デューティ（＝オン幅（Ｔｏｎ）／ＴＳ）が所定の制御幅の中で段階的に異なるＰＷＭ信号ＰＷＭｗを生成する。この際には、デューティの制御幅が広くなるほど、交流電圧Ｖｗの電圧振幅は大きくなり、モータＭＴの回転速度は上昇する。また、ＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧは、所定のデューティを持つＰＷＭ信号をどのタイミングで出力するかを、位相情報θｓｅｎに基づいて定める。なお、ＰＷＭ信号の生成方式は、特に図２のような方式に限定されるものではなく、一般的に知られている正弦波駆動方式や、場合によっては矩形波駆動方式を用いることが可能である。

ここで、信号処理部ＳＰＵは、さらに、制御端子ＣＯＭｍを介して電圧指示信号ＶＳＴを出力し、また、制御端子ＣＯＭｍを介して入力された異常検出信号ＥＤＥＴを受信する。制御端子ＣＯＭｍは、図１に示すように、モータ駆動部ＭＴＤＶＵの制御端子Ｐｃｍを介してバッテリパックＢＡＴＰの制御端子Ｐｃｂに結合される。詳細は後述するが、電圧指示信号ＶＳＴは、バッテリパックＢＡＴＰに向けて、母線電圧ＶＣＣを指示するための信号であり、異常検出信号ＥＤＥＴは、バッテリパックＢＡＴＰが過電圧や過電流等の異常を検出した場合に生成する信号である。信号処理部ＳＰＵは、異常検出信号ＥＤＥＴを受信した場合、例えば、ＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧに向けてＰＷＭ信号の生成を停止するように指示する。

《バッテリパック（比較例）の構成》
図１６は、本発明の比較例として検討したバッテリパックの構成例を示すブロック図である。図１６に示すバッテリパックＢＡＴＰ’は、図１で述べたように、正極電源端子Ｐ（＋）、負極電源端子Ｐ（−）および制御端子Ｐｃｂを備える。また、当該バッテリパックＢＡＴＰ’は、複数（ここでは５個）のセルブロックＣＢ１〜ＣＢ５と、電池制御部ＢＣＴＬ’と、保護スイッチＳＷｐと、電流検出用抵抗Ｒｓとを備える。

セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５は、正極電圧ノードＮ（＋）と負極電圧ノードＮ（−）との間にそれぞれ並列に結合される。なお、本明細書では、セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５のそれぞれを代表としてセルブロックＣＢと称する。セルブロックＣＢは、単数、または直列接続された複数（ここでは５個）のセルＣＬで構成される。セルＣＬは、二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等である。例えば、リチウムイオン電池の場合、１個のセルＣＬは、３．７Ｖ程度の電圧を生成し、セルブロックＣＢは、１９Ｖ程度の電圧を生成する。セルＣＬの直列接続数は、必要とされる母線電圧ＶＣＣの大きさ等に応じて定められ、セルブロックＣＢの並列接続数は、必要とされる電池容量等に応じて定められる。

負極電圧ノードＮ（−）は、負極電源端子Ｐ（−）に結合され、正極電圧ノードＮ（＋）は、正極電源端子Ｐ（＋）に結合される。ここでは、電流検出用抵抗Ｒｓは、負極電圧ノードＮ（−）と負極電源端子Ｐ（−）との間の経路上に挿入され、保護スイッチＳＷｐは、正極電圧ノードＮ（＋）と正極電源端子Ｐ（＋）との間の経路上に挿入される。ただし、必ずしもこれに限定されず、電流検出用抵抗Ｒｓおよび保護スイッチＳＷｐのそれぞれは、正極側または負極側のいずれかに適宜挿入されればよい。

電池制御部ＢＣＴＬ’は、電圧監視部ＶＭＮＩと、電流監視部ＩＭＮＩと、保護部ＰＲＴＵとを備える。電圧監視部ＶＭＮＩは、母線電圧ＶＣＣを監視する。電流監視部ＩＭＮＩは、電流検出用抵抗Ｒｓの両端電圧によって母線電流（電池電流）Ｉｂａｔを監視する。保護部ＰＲＴＵは、予め定めた条件に基づき母線電圧または母線電流の異常の有無を検出し、異常の有無に応じて制御信号ＣＦＥＴを介して保護スイッチＳＷｐのオン・オフを制御する。例えば、保護部ＰＲＴＵは、過電流を検出した場合には、保護スイッチＳＷｐをオフに制御する。

また、電池制御部ＢＣＴＬ’は、異常有りを検出した場合には、制御端子ＣＯＭｂを介して異常検出信号ＥＤＥＴを出力する。異常検出信号ＥＤＥＴは、図１および図２に示したように、バッテリパックＢＡＴＰ’の制御端子Ｐｃｂとモータ駆動部ＭＴＤＶＵの制御端子Ｐｃｍを介してモータ制御部ＭＣＴＬに伝送される。なお、電池制御部ＢＣＴＬ’は、母線電圧や母線電流の異常に限らず、温度の異常等を検出してもよい。

《モータ駆動システムの課題》
図１に示したように、バッテリパックＢＡＴＰを用いるモータ駆動システムでは、特に、省電力化が求められる。省電力化を実現する方法の一つとして、ＰＷＭ信号ＰＷＭｕ，ＰＷＭｖ，ＰＷＭｗのスイッチング周波数を下げることでインバータ部ＩＶＵのスイッチング損失を低減する方法が考えられる。しかし、スイッチング周波数を下げると、その分だけインバータ部ＩＶＵからの交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの出力精度が低くなる。通常、交流電圧の波形が正弦波から乖離するほど、モータＭＴの駆動効率は低下する。このため、単にスイッチング周波数を下げただけでは、省電力化を十分に図れない場合がある。

そこで、スイッチング周波数を下げると共に、インバータ部ＩＶＵへの母線電圧ＶＣＣも下げることが考えられる。具体的には、図１６に示したように、バッテリパックＢＡＴＰ’から出力される母線電圧ＶＣＣは固定値となるため、母線電圧ＶＣＣを可変にするため、例えば、特許文献４等の構成を利用して、バッテリパックＢＡＴＰ’とインバータ部ＩＶＵとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを挿入することが考えられる。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けると、回路規模やコストが増大し、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータでも電力損失が生じ得るため、省電力化を十分に図れない場合がある。

《バッテリパック（本実施の形態１）の構成および動作》
図４は、図１におけるバッテリパックの構成例を示すブロック図である。ここでは、図１６のバッテリパックＢＡＴＰ’との相違点に着目して説明を行う。図４に示すバッテリパックＢＡＴＰは、正極電圧ノードＮ（＋）と負極電圧ノードＮ（−）との間にそれぞれ並列に結合される複数（ここでは５個）の電圧生成部ＶＧ１〜ＶＧ５を備える。電圧生成部ＶＧ１は、図１６に示したセルブロックＣＢ１に加えて、当該セルブロックＣＢ１に直列に結合されるスイッチＳＷ１を備える。同様に、電圧生成部ＶＧ２〜ＶＧ５も、それぞれ、図１６に示したセルブロックＣＢ２〜ＣＢ５に加えて、当該セルブロックＣＢ２〜ＣＢ５に直列に結合されるスイッチＳＷ２〜ＳＷ５を備える。

また、図４の電池制御部ＢＣＴＬは、図１６の電池制御部ＢＣＴＬ’と異なり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５にそれぞれ結合される複数（ここでは５個）のイネーブル端子（ＣＢＥ１〜ＣＢＥ５）と、電圧設定部ＶＳＴＵとを備える。イネーブル端子（ＣＢＥ１〜ＣＢＥ５）からは、それぞれ、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフを制御するイネーブル信号ＣＢＥ１〜ＣＢＥ５が出力される。電圧設定部ＶＳＴＵは、図２に示したモータ制御部ＭＣＴＬからの電圧指示信号ＶＳＴを制御端子ＣＯＭｂで受信する。これに応じて、電圧設定部ＶＳＴＵは、イネーブル信号（イネーブル端子）ＣＢＥ１〜ＣＢＥ５を介してスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフをそれぞれ制御することで、母線電圧ＶＣＣを可変制御する。なお、本明細書では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のそれぞれを代表してスイッチＳＷと称する。

セルＣＬは、実際には内部抵抗を持っている。電池制御部ＢＣＴＬは、この内部抵抗を利用して母線電圧ＶＣＣを可変制御する。具体的には、オンに制御するスイッチＳＷの数（言い換えれば、正極電圧ノードＮ（＋）と負極電圧ノードＮ（−）との間に並列に結合するセルブロックＣＢの数）に応じて、セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５全体としての合成抵抗値は変わる。その結果、モータ電流Ｉｍｔ（または母線電流Ｉｂａｔ）に伴う電圧降下の大きさも変わる。例えば、モータ電流Ｉｍｔを一定とすると、オンに制御するスイッチＳＷの数が少ないほど、合成抵抗値は大きくなり、電圧降下も大きくなる（言い換えれば母線電圧ＶＣＣが低くなる）。

なお、電池制御部ＢＣＴＬは、必ずしも限定はされないが、例えば、マイクロコントローラチップ等の半導体装置で構成される。この場合、電圧監視部ＶＭＮＩは、母線電圧ＶＣＣを電圧モニタ信号ＶＯＬＴとして電圧モニタ端子で監視し、電圧モニタ信号ＶＯＬＴをアナログ・ディジタル変換器でディジタル値に変換することで母線電圧ＶＣＣを監視すればよい。同様に、電流監視部ＩＭＮＩも、電流検出用抵抗Ｒｓの両端電圧（実際には、一端が基準電圧ＧＮＤであるため他端の電圧のみでよい）をアナログ・ディジタル変換器を用いて監視すればよい。また、保護部ＰＲＴＵや電圧設定部ＶＳＴＵは、プロセッサを用いたプログラム処理等によって実装される。

また、図４の例では、スイッチＳＷは、正極電圧ノードＮ（＋）側に設けられたが、負極電圧ノードＮ（−）側に設けられてもよい。スイッチＳＷは、損失を低減するため、例えば、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ等によって構成される。図４の例では、電池制御部ＢＣＴＬは、正極電圧ノードＮ（＋）側に設けられたｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴをオンに制御するため、母線電圧ＶＣＣを昇圧する回路を備えている。

図５は、図４における電圧設定部ＶＳＴＵの動作例を示す説明図である。図５に示すように、電圧設定部ＶＳＴＵは、母線電圧ＶＣＣが電圧指示信号ＶＳＴに応じた大きさとなるまで、電圧監視部ＶＭＮＩを介して母線電圧ＶＣＣを監視しながら、オンに制御するスイッチＳＷの数を１個ずつ変更する。図５の例では、電圧設定部ＶＳＴＵは、母線電圧ＶＣＣが電圧指示信号ＶＳＴに応じた大きさとなるまで、オンに制御するスイッチＳＷを５個（ＳＷ１〜ＳＷ５）→４個（ＳＷ１〜ＳＷ４）→３個（ＳＷ１〜ＳＷ３）→２個（ＳＷ１，ＳＷ２）と順に切り換えている。これに応じて、母線電圧ＶＣＣは、段階的に低下し、オンに制御するスイッチＳＷを２個に定めた段階で、電圧指示信号ＶＳＴに応じた母線電圧ＶＣＣが得られている。

なお、例えば、オンに制御するスイッチＳＷが２個となっている状態で、新たな電圧指示信号ＶＳＴを受信した場合、電圧設定部ＶＳＴＵは、その指示内容に応じて、オンに制御するスイッチＳＷを３個→４個→…と順に増やすか、または１個に減らせばよい。あるいは、電圧設定部ＶＳＴＵは、図５のように、一旦、全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５をオンに制御した状態に戻し、そこから、再度、図５のように、オンに制御するスイッチＳＷを１個ずつ減らす処理を行ってもよい。

《本実施の形態１の主要な効果》
以上、本実施の形態１の方式を用いることで、代表的には、バッテリパックＢＡＴＰからの母線電圧ＶＣＣを可変制御することが可能になる。その結果、以下に説明するように、モータ駆動システムの省電力化等が実現可能になる。

図６、図７および図８のそれぞれは、図１および図４のモータ駆動システムを用いた場合に得られる省電力化についての説明図である。まず、図６には、インバータ部ＩＶＵのスイッチング周波数を下げることによって得られる省電力化の仕組みが示されている。図６において、例えば、母線電圧ＶＣＣ＝２４Ｖの状態から、母線電圧ＶＣＣを１／Ｎに設定した場合、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの出力精度をＮ倍にすることができる。すなわち、ＰＷＭ信号のデューティの制御幅に対応する電圧範囲が１／Ｎになると、デューティの変化量に対する電圧の変化量が１／Ｎとなり、出力精度（電圧方向の分解能）はＮ倍向上することになる。

一方、母線電圧ＶＣＣを１／Ｎに設定した状態からＰＷＭ信号のスイッチング周波数を１／Ｎ（すなわち図３のスイッチング周期ＴＳをＮ倍）に設定すると、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの出力精度（時間軸方向の分解能）が１／Ｎ倍低下することになる。ただし、Ｎ倍向上した出力精度が１／Ｎ倍低下するため、母線電圧ＶＣＣ＝２４Ｖの状態と同等の出力精度で、正弦波の交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成することができる。その上で、スイッチング周波数を１／Ｎに設定したことにより、省電力化を図ることが可能になる。例えば、母線電圧ＶＣＣを２４Ｖから８％程度（すなわち２２Ｖ程度に）低下させ、これに応じてＰＷＭ信号のスイッチング周波数も８％程度低下させることで、８％程度のスイッチング損失の低減効果が見込める。

なお、図２における実際上の動作として、信号処理部ＳＰＵは、例えば、ＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧで使用されているデューティの制御幅を監視し、当該制御幅が所定の値よりも狭い場合に、電圧指示信号ＶＳＴによって母線電圧ＶＣＣを下げる指示を発行することができる。また、場合によっては、信号処理部ＳＰＵは、速度指令信号ＲＥＦに基づく回転速度が所定の値よりも遅い場合に、電圧指示信号ＶＳＴによって母線電圧ＶＣＣを下げる指示を発行することができる。そして、信号処理部ＳＰＵは、当該母線電圧ＶＣＣの下げ幅に基づいてＰＷＭ信号ＰＷＭｕ，ＰＷＭｖ，ＰＷＭｗのスイッチング周波数を下げるようにＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧに指示することができる。

図７には、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの出力精度を上げることによって得られる省電力化の仕組みが示されている。図７において、例えば、図６で述べた、母線電圧ＶＣＣが２２ＶかつＰＷＭ信号のスイッチング周波数が１／Ｎの状態から、スイッチング周波数をＮ倍に設定した場合を想定する。この場合、スイッチング周波数が１／Ｎの時と比べて、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの出力精度（電圧方向の分解能）をＮ倍にすることができる。

その結果、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをより高精度に正弦波に近づけることができるため、モータＭＴの駆動効率が向上し、ノイズ（すなわち正弦波との乖離）に伴う消費電力の増大を抑制することができる。すなわち、図６の場合のようなスイッチング損失の低減効果は得られないが、その代わりに、出力精度の向上によって省電力化が図れる。例えば、ＰＷＭ信号ＰＷＭｕ，ＰＷＭｖ，ＰＷＭｗのスイッチング周波数を１８ｋＨｚから２０ｋＨｚに上げた場合、ノイズに伴う消費電力の増大を１０％程度の抑制できる場合がある。

図８（ａ）および図８（ｂ）には、それぞれ、母線電圧ＶＣＣが２４Ｖおよび２２Ｖの場合において、モータＭＴの各相に流れる電流波形の一例が示される。図８（ａ）の電流波形の中の最大電流が流れている期間では、図２のＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧは、ある制御幅の中の最大のデューティ（例えば４０％等）を用いてモータＭＴを駆動することになる。また、この期間では、モータＭＴのインダクタンス値と母線電圧ＶＣＣとに応じた傾きでリップル電流が生じる。

一方、図８（ｂ）の電流波形の中の最大電流が流れている期間では、ＰＷＭ信号生成部ＰＷＭＧは、母線電圧ＶＣＣが下がったことに伴い、図８（ａ）の場合よりも広い制御幅の中の最大のデューティ（例えば５０％等）を用いてモータＭＴを駆動することになる。また、この期間では、モータＭＴのインダクタンス値と図８（ａ）の場合よりも低い母線電圧ＶＣＣとに応じて、図８（ａ）の場合よりも小さい傾きでリップル電流が生じる。その結果、図８（ｂ）の場合には、図８（ａ）の場合と比較して、電流リップルを低減できる場合があり、モータＭＴの駆動効率の向上、ひいては省電力化が図れる場合がある。

以上のように、バッテリパックＢＡＴＰからの母線電圧ＶＣＣを可変制御できる仕組みを設けることで、省電力化等が実現可能になる。一方、図４の方式の比較例として、バッテリパックＢＡＴＰとインバータ部ＩＶＵとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを挿入する方式も考えられる。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けると、回路規模や部品コストが増大し、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータでも電力損失が生じ得るため、省電力化を十分に図れない場合がある。そこで、図４の方式を用いることが有益となる。

なお、図４では、並列接続される電圧生成部ＶＧ１〜ＶＧ５の全てがスイッチＳＷを備える構成例を示した。ただし、スイッチＳＷは、必ずしも電圧生成部ＶＧ１〜ＶＧ５の全てが備える必要はなく、電圧生成部ＶＧ１〜ＶＧ５の少なくとも１個が備えればよい。この場合であっても、原理上、前述したような効果を得ることができる。ただし、後述するセルバランスを考慮すると、電圧生成部ＶＧ１〜ＶＧ５の全てがスイッチを備えることが望ましい。

また、図４では、セルＣＬとして二次電池を用いたが、必ずしもこれに限らず、場合によっては一次電池を用いても、同様の効果を得ることができる。また、図２では、信号処理部ＳＰＵは、電圧指示信号ＶＳＴを出力したが、これに加えて電流指示信号を出力するように構成してもよい。この場合、図４の電池制御部ＢＣＴＬは、当該電流指示信号を受けて、オンに制御するスイッチＳＷの最小数を定める。これによって、電池制御部ＢＣＴＬは、モータＭＴで必要とされる最小限の電流を確実に確保する。

（実施の形態２）
《バッテリパック（応用例）の構成および動作》
実施の形態１で述べたように、図４のバッテリパックＢＡＴＰは、正極電圧ノードＮ（＋）と負極電圧ノードＮ（−）との間に並列に結合するセルブロックＣＢの数を制御することで母線電圧ＶＣＣを可変制御する。このため、各セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５の電池残量が不均一となる（すなわち、セルバランスが崩れる）恐れがある。特に、二次電池では、セルバランスが崩れると、バッテリとしての電力供給能力が低下することが知られている。そこで、以下に説明する本実施の形態２の方式を用いることが有益となる。

図９は、本発明の実施の形態２によるモータ駆動システムにおいて、バッテリパックの構成例を示すブロック図である。図９に示すバッテリパックＢＡＴＰは、図４の構成例と比較して、正極電圧ノードＮ（＋）が放電用の正極電圧ノードＮｄ（＋）および充電用の正極電圧ノードＮｃ（＋）に分割される点と、これに応じてダイオードＤ１〜Ｄ５，Ｄａ〜Ｄｅを新たに備える点と、図４と異なる電圧設定部ＶＳＴＵ２を備える点とが異なっている。この例では、保護スイッチＳＷｐは、充電用の正極電圧ノードＮｃ（＋）と、正極電源端子Ｐ（＋）との間の経路上に挿入される。一方、放電用の正極電圧ノードＮｄ（＋）は、そのまま正極電源端子Ｐ（＋）に結合される。

ダイオードＤ１〜Ｄ５は、それぞれ、複数（ここでは５個）の電圧生成部ＶＧ１〜ＶＧ５に設けられ、ダイオードＤａ〜Ｄｅも、それぞれ、複数（ここでは５個）の電圧生成部ＶＧ１〜ＶＧ５に設けられる。ダイオードＤ１〜Ｄ５のそれぞれ（例えばＤ１）は、カソードが放電用の正極電圧ノードＮｄ（＋）に結合され、アノードがスイッチ（ＳＷ１）およびセルブロック（ＣＢ１）の直列接続回路を介して負極電圧ノードＮ（−）に結合される。一方、ダイオードＤａ〜Ｄｅのそれぞれ（例えばＤａ）は、アノードが充電用の正極電圧ノードＮｃ（＋）に結合され、カソードがスイッチ（ＳＷ１）およびセルブロック（ＣＢ１）の直列接続回路を介して負極電圧ノードＮ（−）に結合される。

図１０は、図９における電圧設定部の構成例を示すブロック図である。図１０に示す電圧設定部ＶＳＴＵ２は、セルブロック制御部ＣＢＣＴと、残量監視部ＳＯＣＭＮＩとを備える。セルブロック制御部ＣＢＣＴは、図４の電圧設定部ＶＳＴＵで述べたように、電圧指示信号ＶＳＴに基づき、イネーブル信号（イネーブル端子）ＣＢＥ１〜ＣＢＥ５を介してスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフをそれぞれ制御することで、母線電圧ＶＣＣを可変制御する。これに加えて、図９では、セルブロック制御部ＣＢＣＴは、セルバランス制御部ＢＬＣＴを備える。

残量監視部ＳＯＣＭＮＩは、各セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５の電池残量をそれぞれ監視する。具体的には、残量監視部ＳＯＣＭＮＩは、例えば、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン時間を計測するタイマＴＭＲを備え、電流監視部ＩＭＮＩによる電池電流Ｉｂａｔの監視結果と、タイマＴＭＲの計測結果とによって電池残量を監視する。一例として、ｎ（ここではｎ＝２）個のスイッチＳＷ１，ＳＷ２が共に時間Ｔｏｎだけオンに制御された場合、セルブロックＣＢ１，ＣＢ２のそれぞれの電池残量は、“（Ｉｂａｔ／ｎ）×Ｔｏｎ［Ａｈ］”だけ消費されることになる。残量監視部ＳＯＣＭＮＩは、このようにして得られた監視結果（すなわちセルブロックＣＢ１〜ＣＢ５毎の電池残量）をＲＡＭ等に逐次格納する。

セルバランス制御部ＢＬＣＴは、残量監視部ＳＯＣＭＮＩの監視結果を参照し、所定のタイミングで、電池残量が多いセルブロックＣＢに対応するスイッチＳＷをオフからオンに制御したのち、電池残量が少ないセルブロックＣＢに対応するスイッチＳＷをオンからオフに制御することで、電池残量を均一化する。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、図１０におけるセルブロック制御部のセルバランスに関する処理内容の一例を示すフロー図である。

図１１（ａ）において、セルブロック制御部ＣＢＣＴは、電圧指示信号ＶＳＴに受けて、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が生じたか否かを判別する（ステップＳ１０１）。変更が生じた場合、セルブロック制御部ＣＢＣＴは、オンに制御するスイッチＳＷの数が最大値（ここでは５）か否かを判別する（ステップＳ１０２）。最大値の場合、セルブロック制御部ＣＢＣＴは、イネーブル信号ＣＢＥ１〜ＣＢＥ５をオンレベルに制御する（ステップＳ１０３）。一方、最大値でない場合、セルブロック制御部ＣＢＣＴは、図１１（ｂ）に示すセルバランス制御処理を実行する（ステップＳ１０４）。

図１１（ｂ）において、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、残量監視部ＳＯＣＭＮＩの監視結果を参照し、いずれかのセルブロックＣＢ１〜ＣＢ５の電池残量が閾値まで低下したか否かを判別する（ステップＳ１０４１ａ）。閾値まで低下していない場合、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が生じない限り、ステップＳ１０４１ａの処理を繰り返す（ステップＳ１０４１ａ，Ｓ１０４５ａ）。一方、閾値まで低下した場合、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、残量が多い順にオンに制御するスイッチＳＷの数だけセルブロックＣＢを選択する（ステップＳ１０４２ａ）。

その結果、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、新たに選択したセルブロック（ＣＢｘ）のイネーブル信号（ＣＢＥｘ）をオンレベルに制御したのち、新たに非選択となったセルブロック（ＣＢｙ）のイネーブル信号（ＣＢＥｙ）をオフレベルに制御する（ステップＳ１０４３ａ）。すなわち、オンに制御するスイッチＳＷの数は変えずに、位置を入れ替える。この際に、新たに選択されるスイッチＳＷは、バッテリ出力の瞬断を防止するため、オーバーラップする形でオンに制御される。

その後、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、閾値を所定のステップ幅だけ下げる（ステップＳ１０４５ａ）。そして、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が無い場合には、新たに定めた閾値のもとでステップＳ１０４１ａの処理を行う。すなわち、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、閾値を段階的に引き下げながら、当該閾値を目安として電池残量を均一化するような処理を実行する。なお、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が生じた場合、セルバランス制御部ＢＬＣＴは処理を終了し（ステップＳ１０４５ａ）、図１１（ａ）において、セルブロック制御部ＣＢＣＴの処理が行われる（ステップＳ１０１）。

ここで、残量監視部ＳＯＣＭＮＩによって電池残量を高精度に監視するためには、セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５間での充放電を生じさせないことが必要となる。すなわち、例えば、セルブロックＣＢ１の電圧がセルブロックＣＢ２の電圧よりも高い場合、セルブロックＣＢ１からセルブロックＣＢ２に向けて電流が流れる恐れがある。このような電流が生じると、残量監視部ＳＯＣＭＮＩは、電池残量を高精度に把握することが困難となる。

そこで、図９のバッテリパックＢＡＴＰは、ダイオードＤ１〜Ｄ５を備える。当該ダイオードＤ１〜Ｄ５を設けることで、正極電圧ノードＮｄ（＋）は、放電用となり充電用とはならない。このため、セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５間での充放電を防止できる。ただし、このようなダイオードＤ１〜Ｄ５を設けた場合、充電器からセルブロックＣＢ１〜ＣＢ５への充電動作も困難となり得る。そこで、図９のバッテリパックＢＡＴＰは、さらに、ダイオードＤａ〜Ｄｅを備える。当該ダイオードＤａ〜Ｄｅを設けることで、正極電圧ノードＮｃ（＋）は、充電用となり放電用とはならない。このため、セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５間での充放電を防止しつつ、充電器からセルブロックＣＢ１〜ＣＢ５への充電動作も可能となる。

図１７は、図９における電圧設定部の図１０とは異なる構成例を示すブロック図である。図１７に示す電圧設定部ＶＳＴＵ３は、図１０と比較して、残量監視部ＳＯＣＭＮＩの代わりにＣＢ電圧監視部ＣＢＶＭＮＩを備える点が異なっている。ＣＢ電圧監視部ＣＢＶＭＮＩは、例えば、複数チャネル対応のアナログ・ディジタル変換器ＡＤＣを備え、セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５のそれぞれの電池電圧を監視する。

図１８は、図１７におけるセルブロック制御部のセルバランスに関する主要部の処理内容の一例を示すフロー図である。図１７のセルブロック制御部ＣＢＣＴは、図１１（ａ）の処理を実行する。ただし、図１１（ａ）のステップＳ１０４において、図１７のセルバランス制御部ＢＬＣＴは、図１１（ｂ）の処理とは異なり図１８の処理を実行する。

図１８において、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、ＣＢ電圧監視部ＣＢＶＭＮＩの監視結果を参照し、電池電圧が高い順にオンに制御するスイッチＳＷの数だけセルブロックＣＢを選択する（ステップＳ１０４１ｂ）。次いで、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、非選択のセルブロックＣＢの中から最大電池電圧Ｖｍａｘのセルブロック（ＣＢｘ）と、選択中のセルブロックＣＢの中から最小電池電圧Ｖｍｉｎのセルブロック（ＣＢｙ）とを検出する（ステップＳ１０４２ｂ）。

続いて、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、“Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ”が予め定めた閾値ΔＶ１（例えば１００ｍＶ等）以上であるか否かを判別する（ステップＳ１０４３ｂ）。閾値ΔＶ１以上の場合、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、セルブロック（ＣＢｘ）のイネーブル信号（ＣＢＥｘ）をオンレベルに制御したのち、セルブロック（ＣＢｙ）のイネーブル信号（ＣＢＥｙ）をオフレベルに制御する（ステップＳ１０４４ｂ）。

次いで、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が無い限り（ステップＳ１０４５ｂ）、セルブロック（ＣＢｘ）の電池電圧とセルブロック（ＣＢｙ）の電池電圧との電位差が予め定めた閾値ΔＶ２（ΔＶ２はΔＶ１よりも小さく、例えば５０ｍＶ等）以下となるまで現在の選択状態を維持する（ステップＳ１０４６ｂ）。一方、閾値ΔＶ２以下となった場合、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が有るか否かを判別し（ステップＳ１０４７ｂ）、変更が無い場合には、ステップＳ１０４２ｂに戻って、新たにセルバランスの対象となるセルブロックＣＢを探索する。

なお、ステップＳ１０４３ｂにおいて、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、“Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ”が閾値ΔＶ１未満の場合には、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が無い限り（ステップＳ１０４７ｂ）、ステップＳ１０４２ｂの処理に戻り、ＶｍａｘとＶｍｉｎの監視を継続する。また、ステップＳ１０４５ｂまたはＳ１０４７ｂにおいて、オンに制御するスイッチＳＷの数に変更が生じた場合、セルバランス制御部ＢＬＣＴは処理を終了し、図１１（ａ）において、セルブロック制御部ＣＢＣＴの処理が行われる（ステップＳ１０１）。

このように、セルバランス制御部ＢＬＣＴは、前述した図１１（ｂ）では、各セルブロックＣＢの電池残量に基づいてセルバランス制御を行ったが、図１８では、各セルブロックＣＢの電池電圧に基づいてセルバランス制御を行う。セルブロックＣＢの電池電圧を平準化することで、例えば、実施の形態１の方式によってバッテリパックＢＡＴＰからの母線電圧ＶＣＣを可変制御する際に、電圧設定精度の向上が図れる。なお、図１７の構成（図１８のフロー）は図１０の構成（図１１（ｂ）のフロー）と組み合わせることも可能である。

以上、本実施の形態２の方式を用いることで、実施の形態１で述べた各種効果に加えて、さらに、セルバランスを保つことができ、バッテリパックＢＡＴＰとしての電力供給能力の低下を抑制することや、または、電圧設定精度の向上を図ること等が可能になる。なお、セルバランス制御部ＢＬＣＴの処理内容は、特に、図１１（ｂ）や図１８のようなものに限らず、各種平準化アルゴリズムを用いて処理を行うものであればよい。また、電池制御部ＢＣＴＬは、実施の形態１で述べたように、例えば、マイクロコントローラチップ等の半導体装置で構成される。この場合、図１０および図１７のセルブロック制御部ＣＢＣＴ、図１０の残量監視部ＳＯＣＭＮＩ、ならびに図１７のＣＢ電圧監視部ＣＢＶＭＮＩは、主にプロセッサを用いたプログラム処理によって容易に実装することが可能となる。

（実施の形態３）
《バッテリパック（変形例）の構成および動作》
実施の形態１では、図５に示したように、電圧設定部ＶＳＴＵは、母線電圧ＶＣＣを監視しながらオンに制御するスイッチＳＷの数を１個ずつ変更することで、母線電圧ＶＣＣを、電圧指示信号ＶＳＴに応じた値に定める処理を行った。しかし、このように、スイッチＳＷの数を１個ずつ変更すると、母線電圧ＶＣＣを定めるのに要する時間が長くなる恐れがある。そこで、以下に説明する本実施の形態３の方式を用いることが有益となる。

図１２は、本発明の実施の形態３によるモータ駆動システムにおいて、バッテリパックの構成例を示すブロック図である。図１３（ａ）は、図１２における内部抵抗テーブルの構造例を示す概略図であり、図１３（ｂ）は、図１２における電圧設定部の動作例を示す説明図である。図１２に示すバッテリパックＢＡＴＰは、図４の構成例と比較して、電圧設定部ＶＳＴＵ３の構成が異なっている。図１２の電圧設定部ＶＳＴＵ３は、内部抵抗テーブルＲＴＢＬを備える。

内部抵抗テーブルＲＴＢＬは、図１３（ａ）に示されるように、各セルブロックＣＢ１〜ＣＢ５毎の内部抵抗値を保持する。この際に、電圧設定部ＶＳＴＵ３は、例えば、当該各内部抵抗値を予め測定しておくことが可能であり、その測定結果を内部抵抗テーブルＲＴＢＬに格納しておくことが可能である。これにより、電圧設定部ＶＳＴＵ３は、電圧指示信号ＶＳＴが入力された場合、内部抵抗テーブルＲＴＢＬの内部抵抗値に基づいてオンに制御するスイッチＳＷの数を定めることができる。

より詳細には、電圧設定部ＶＳＴＵ３は、電流監視部ＩＭＮＩからの電池電流Ｉｂａｔの監視結果または制御端子ＣＯＭｂに入力された電流指示信号（図示せず）によって電流値を認識することができる。電圧設定部ＶＳＴＵ３は、当該電流値と、内部抵抗テーブルＲＴＢＬの内部抵抗値と、電圧監視部ＶＭＮＩからの現在の母線電圧ＶＣＣとに基づいて、オンに制御するスイッチＳＷの数と母線電圧ＶＣＣとの対応関係を見積もることができる。これにより、電圧設定部ＶＳＴＵ３は、図１３（ｂ）に示すように、電圧指示信号ＶＳＴを受けて、例えば、オンに制御するスイッチＳＷの数を５個（ＳＷ１〜ＳＷ５）から３個（例えばＳＷ１〜ＳＷ３）に変更するといったように、母線電圧ＶＣＣを短期間で定めることが可能になる。

《内部抵抗の測定方法》
図１４（ａ）、図１４（ｂ）および図１４（ｃ）は、図１２の電圧設定部による内部抵抗の測定方法の一例を説明する図である。セルブロックＣＢは、図１４（ａ）に示すように、充放電していない状態でのＯＣＶ（Open Circuit voltage）と、内部抵抗Ｒと、分極抵抗ｒｐおよびキャパシタンス成分Ｃｐの並列回路とを直列に接続した等価回路で表すことができる。ここでセルブロックＣＢに流れる電流をＩとしたとき、セルブロックＣＢの端子間電圧ＣＣＶは、“ＣＣＶ＝ＯＣＶ＋Ｉ×Ｒ＋Ｖｐ”で表わされる。ここでＶｐは、分極電圧である。

一方、電池残量（ＳＯＣ：State Of Charge）とＯＣＶとの間には、図１４（ｂ）に示すような関係がある。また、端子間電圧ＣＣＶには、図１４（ｃ）に示すように、セルブロックＣＢを放電した直後に“Ｉ×Ｒ”分の電圧降下が発生する。そこで、電圧設定部ＶＳＴＵ３は、充放電を行っていない状態でのＯＣＶを予めデータとして保持し、電池残量（ＳＯＣ）に応じたＯＣＶと、電圧監視部ＶＭＮＩの監視結果から得られるＣＣＶと、電流監視部ＩＭＮＩの監視結果から得られる電流Ｉとによって、内部抵抗Ｒの抵抗値を算出することができる。

なお、ここでは、電圧設定部ＶＳＴＵ３が内部抵抗の測定を行ったが、場合によっては、別の測定装置によって当該内部抵抗を予め測定しておき、その測定データを内部抵抗テーブルＲＴＢＬに格納しておくことも可能である。また、本実施の形態３の方式は、実施の形態１の方式と組み合わせて使用することも可能である。すなわち、内部抵抗は、セルＣＬの環境や劣化度合い等に応じて変動する恐れがあり、本実施の形態３の方式のみでは、母線電圧ＶＣＣの設定精度が十分に保てない場合も考えられる。そこで、例えば、本実施の形態３の方式を用いて母線電圧ＶＣＣの粗調整を行い、次いで、実施の形態１の方式を用いて、必要に応じてオンに制御するスイッチＳＷの数を１個増減させるような微調整を行ってもよい。

以上、本実施の形態３の方式を用いることで、実施の形態１で述べた各種効果に加えて、さらに、バッテリパックＢＡＴＰからの母線電圧ＶＣＣを高速に可変制御することが可能になる。

（実施の形態４）
《モータ駆動システムの適用例》
図１５は、本発明の実施の形態４によるモータ駆動システムにおいて、その適用例となる電動工具の構造例を示す断面図である。図１５に示す電動工具は、筐体ＣＨ内に、図１に示したバッテリパックＢＡＴＰ、モータ駆動部ＭＴＤＶＵ、およびモータＭＴを備え、加えて、ギヤ機構ＧＲや放熱機構ＨＳを備えている。さらに、当該電動工具は、モータＭＴの回転速度を指示するためのトリガスイッチＴＲＧを備えている。

ギア機構ＧＲは、モータ（例えば３相ブラシレスＤＣモータ）ＭＴの回転速度を所定のギア比で変換した上でドリル等を回転駆動する。トリガスイッチＴＲＧは、図１の速度指令信号ＲＥＦの基となる機構であり、その引き具合を電気信号に変換する。モータ駆動部ＭＴＤＶＵ内のモータ制御部ＭＣＴＬは、当該電気信号を速度指令信号ＲＥＦとして受信する。

このような電動工具では、モータ駆動部ＭＴＤＶＵ内のインバータ部ＩＶＵにおけるスイッチング損失等によって発熱が生じる。モータ駆動部ＭＴＤＶＵ内のモータ制御部ＭＣＴＬや、バッテリパックＢＡＴＰ内の電池制御部ＢＣＴＬは、発熱を検知する温度センサを備える場合が多く、異常な発熱を検知した際には、安全のためモータＭＴを止める制御を行う。この場合、熱が下がるまでは電動工具を使用できないため、作業効率の低下を招く恐れがある。一方、このようなインバータ部ＩＶＵの放熱対策として、電動工具には、放熱機構ＨＳが設けられる場合がある。ただし、当該放熱機構ＨＳは、電動工具におけるコスト上昇の要因となっている。

こうした中、前述した各実施の形態の方式を用いると、省電力化が図れるため、発熱を低減することが可能になる。その結果、発熱により作業が中断されるような事態を抑制することができ、また、バッテリパックＢＡＴＰの使用時間も増大するため、作業効率の向上が図れる。さらに、場合によっては、放熱機構ＨＳを削除することで、電動工具のコストを低減することも可能である。

なお、ここでは、適用例として電動工具を示したが、勿論、これに限定されず、並列接続のセルＣＬを起電力としてモータＭＴを駆動する製品であれば、同様に適用して同様の効果が得られる。例えば、電動シェーバ、電動歯ブラシ、電動玩具といった小型の家電製品や、掃除機、電動アシスト自転車といった比較的大型の家電製品等が挙げられる。比較的大型の製品になるほど、セルＣＬの並列接続数も増大する場合が多く、本実施の形態の方式による効果がより顕著に得られる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、前述した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

ＢＡＴＰ バッテリパック
ＢＣＴＬ 電池制御部
ＢＬＣＴ セルバランス制御部
ＣＢ セルブロック
ＣＢＣＴ セルブロック制御部
ＣＬ セル
Ｄ ダイオード
ＤＶ ドライバ部
ＧＮＤ 基準電圧
ＩＭＮＩ 電流監視部
ＩＶＵ インバータ部
ＭＣＴＬ モータ制御部
ＭＴ モータ
ＭＴＤＶＵ モータ駆動部
Ｎ（＋） 電極電圧ノード
Ｎ（−） 負極電圧ノード
Ｐ（＋） 正極電源端子
Ｐ（−） 負極電源端子
ＰＲＴＵ 保護部
ＳＯＣＭＮＩ 残量監視部
ＳＷ スイッチ
ＴＭＲ タイマ
ＶＣＣ 母線電圧
ＶＧ 電圧生成部
ＶＭＮＩ 電圧監視部
ＶＳＴ 電圧指示信号
ＶＳＴＵ 電圧設定部

Claims (20)

1. 並列に結合される複数のセルを含み、負極電圧ノードを基準電圧として正極電圧ノードに母線電圧を出力するバッテリパックと、
   前記母線電圧が供給される複数のトランジスタを含み、前記複数のトランジスタをＰＷＭ信号に応じてスイッチングすることで前記母線電圧を交流電圧に変換し、前記交流電圧でモータを駆動するインバータ部と、
   前記ＰＷＭ信号を生成するモータ制御部と、
   を用いるモータ駆動方法であって、
   前記モータ制御部は、前記バッテリパックに向けて、前記母線電圧を指示するための電圧指示信号を出力し、
   前記バッテリパックは、前記電圧指示信号に応じた前記母線電圧となるように、前記正極電圧ノードと前記負極電圧ノードとの間に並列に結合する前記セルの数を可変制御する、
   モータ駆動方法。
2. 請求項１記載のモータ駆動方法において、
   前記モータ制御部は、前記電圧指示信号によって前記母線電圧を下げる指示を行い、前記母線電圧の下げ幅に基づいて前記ＰＷＭ信号のスイッチング周波数を下げる、
   モータ駆動方法。
3. 請求項２記載のモータ駆動方法において、
   前記モータ制御部は、前記ＰＷＭ信号のデューティの制御幅が所定の値よりも狭い場合に、前記電圧指示信号によって前記母線電圧を下げる指示を行う、
   モータ駆動方法。
4. 請求項１記載のモータ駆動方法において、
   前記バッテリパックは、前記正極電圧ノードと前記負極電圧ノードとの間にそれぞれ並列に結合される複数の電圧生成部と、電池制御部と、を備え、
   前記複数の電圧生成部のそれぞれは、前記セルと、前記セルに直列に結合される第１のスイッチと、を備え、
   前記電池制御部は、前記電圧指示信号に応じて前記第１のスイッチのオン・オフを制御する、
   モータ駆動方法。
5. 請求項４記載のモータ駆動方法において、
   前記電池制御部は、前記母線電圧が前記電圧指示信号に応じた大きさとなるまで、前記母線電圧を監視しながらオンに制御する前記第１のスイッチの数を１個ずつ変更する、
   モータ駆動方法。
6. 請求項４記載のモータ駆動方法において、
   前記電池制御部は、前記複数の電圧生成部のそれぞれが備える前記セルの内部抵抗値を予め測定し、前記電圧指示信号が入力された場合、前記内部抵抗値に基づいてオンに制御する前記第１のスイッチの数を定める、
   モータ駆動方法。
7. 母線電圧を出力する正極電源端子と、
   前記母線電圧の基準となる基準電圧を出力する負極電源端子と、
   前記正極電源端子に結合される正極電圧ノードと、
   前記負極電源端子に結合される負極電圧ノードと、
   前記正極電圧ノードと前記負極電圧ノードとの間にそれぞれ並列に結合される複数の電圧生成部と、
   を有するバッテリパックであって、
   前記複数の電圧生成部のそれぞれは、所定の電圧を生成するセルを備え、
   前記複数の電圧生成部の少なくとも１個は、前記セルに直列に結合される第１のスイッチを備える、
   バッテリパック。
8. 請求項７記載のバッテリパックにおいて、さらに、
   前記母線電圧を指示するための電圧指示信号が入力される制御端子と、
   前記電圧指示信号に応じて前記第１のスイッチのオン・オフを制御することで、前記母線電圧を可変制御する電池制御部と、
   を有する、
   バッテリパック。
9. 請求項８記載のバッテリパックにおいて、
   前記第１のスイッチは、前記複数の電圧生成部のそれぞれに設けられる、
   バッテリパック。
10. 請求項９記載のバッテリパックにおいて、
    前記電池制御部は、前記母線電圧が前記電圧指示信号に応じた大きさとなるまで、前記母線電圧を監視しながらオンに制御する前記第１のスイッチの数を１個ずつ変更する、
    バッテリパック。
11. 請求項９記載のバッテリパックにおいて、
    前記電池制御部は、前記複数の電圧生成部のそれぞれが備える前記セルの内部抵抗値を予め測定し、前記電圧指示信号が入力された場合、前記内部抵抗値に基づいてオンに制御する前記第１のスイッチの数を定める、
    バッテリパック。
12. 請求項９記載のバッテリパックにおいて、
    前記電池制御部は、前記複数の電圧生成部のそれぞれが備える前記セルの電池残量を監視し、所定のタイミングで、前記電池残量が多い前記セルに対応する前記第１のスイッチをオフからオンに制御したのち、前記電池残量が少ない前記セルに対応する前記第１のスイッチをオンからオフに制御する、
    バッテリパック。
13. 請求項１２記載のバッテリパックにおいて、
    前記複数の電圧生成部のそれぞれは、さらに、カソードが前記正極電圧ノードに結合され、アノードが前記スイッチおよび前記セルの直列接続回路を介して前記負極電圧ノードに結合されるダイオードを備える、
    バッテリパック。
14. 請求項８記載のバッテリパックにおいて、さらに、
    前記正極電圧ノードと前記正極電源端子との間、または、前記負極電圧ノードと前記負極電源端子との間に挿入される第２のスイッチを備え、
    前記電池制御部は、前記母線電圧または母線電流の異常の有無を監視し、当該監視結果に応じて前記第２のスイッチのオン・オフを制御する、
    バッテリパック。
15. 基準電圧を基準に母線電圧を出力するバッテリを制御する半導体装置であって、
    前記バッテリは、前記母線電圧に結合される正極電圧ノードと、前記基準電圧に結合される負極電圧ノードと、の間にそれぞれ並列に結合される複数の電圧生成部を備え、
    前記複数の電圧生成部のそれぞれは、所定の電圧を生成するセルと、前記セルに直列に結合される第１のスイッチと、を備え、
    前記半導体装置は、
    前記母線電圧を指示するための電圧指示信号が入力される制御端子と、
    前記複数の電圧生成部の前記第１のスイッチにそれぞれ結合される複数のイネーブル端子と、
    前記電圧指示信号に応じて前記複数のイネーブル端子を介して前記第１のスイッチのオン・オフをそれぞれ制御することで、前記母線電圧を可変制御する電圧設定部と、
    を有する、
    半導体装置。
16. 請求項１５記載の半導体装置において、
    前記バッテリは、さらに、前記バッテリの正極電源端子と前記正極電圧ノードとの間、または、前記バッテリの負極電源端子と前記負極電圧ノードとの間に挿入される第２のスイッチを備え、
    前記半導体装置は、さらに、
    前記母線電圧を監視する電圧監視部と、
    母線電流を監視する電流監視部と、
    前記母線電圧または前記母線電流の異常の有無に応じて前記第２のスイッチのオン・オフを制御する保護部と、
    を有する、
    半導体装置。
17. 請求項１６記載の半導体装置において、
    前記電圧設定部は、前記母線電圧が前記電圧指示信号に応じた大きさとなるまで、前記電圧監視部を介して前記母線電圧を監視しながらオンに制御する前記第１のスイッチの数を１個ずつ変更する、
    半導体装置。
18. 請求項１６記載の半導体装置において、
    前記電圧設定部は、前記複数の電圧生成部のそれぞれが備える前記セルの内部抵抗値を予め測定し、前記電圧指示信号が入力された場合、前記内部抵抗値に基づいてオンに制御する前記第１のスイッチの数を定める、
    半導体装置。
19. 請求項１６記載の半導体装置において、さらに、
    前記複数の電圧生成部が備える前記セルの電池残量をそれぞれ監視する残量監視部と、
    所定のタイミングで、前記電池残量が多い前記セルに対応する前記第１のスイッチをオフからオンに制御したのち、前記電池残量が少ない前記セルに対応する前記第１のスイッチをオンからオフに制御するセルバランス制御部と、
    を有する、
    半導体装置。
20. 請求項１９記載の半導体装置において、
    前記半導体装置は、マイクロコントローラチップである、
    半導体装置。

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