JP2009005487A - 電源システム - Google Patents
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Abstract
【課題】製品コストを低減し得る電源システムを提供する。
【解決手段】降圧型および昇圧型のいずれか一方の型に構成されて、直流電圧Vinが所定電圧以上のときに直流電圧Vinに基づいて定電圧V1を生成して出力端子7a,7bから出力し、かつ直流電圧Vinが所定電圧未満のときに定電圧V1の生成を停止するコンバータ2と、コンバータ2と同型に構成されて、バッテリ4の充電電圧Vbに基づいて定電圧V1よりも低電圧の定電圧V2を生成して出力端子7a,7bから出力する同期整流型のコンバータ3とを備え、コンバータ2の出力端子7a,7bとコンバータ3の出力端子7a,7b同士が接続されてコンバータ2およびコンバータ3が並列運転される。
【選択図】図1
【解決手段】降圧型および昇圧型のいずれか一方の型に構成されて、直流電圧Vinが所定電圧以上のときに直流電圧Vinに基づいて定電圧V1を生成して出力端子7a,7bから出力し、かつ直流電圧Vinが所定電圧未満のときに定電圧V1の生成を停止するコンバータ2と、コンバータ2と同型に構成されて、バッテリ4の充電電圧Vbに基づいて定電圧V1よりも低電圧の定電圧V2を生成して出力端子7a,7bから出力する同期整流型のコンバータ3とを備え、コンバータ2の出力端子7a,7bとコンバータ3の出力端子7a,7b同士が接続されてコンバータ2およびコンバータ3が並列運転される。
【選択図】図1
Description
本発明は、通常は負荷に対して直流電源から電力を供給すると共にこの直流電源からの電力で蓄電素子を充電し、直流電源が停止したときには蓄電素子から負荷に対して電力を供給する電源システムに関するものである。
この種の電源システムとして、特開2007−109609号公報に開示された電源システムが知られている。この電源システムは、一例として、電荷を蓄積する電気二重層コンデンサと、直流電源である燃料電池から供給される出力電力を降圧して低い目標電力にするとともに余剰電力を電気二重層コンデンサに充電する降圧コンバータと、電気二重層コンデンサから余剰電力を放電させて低い目標電力から高い目標電力に昇圧する昇圧コンバータとを備えている。この電源システムによれば、燃料電池から供給される出力電力を、軽負荷に対応した目標電力にて変換して出力している際に発生する余剰電力を電気二重層コンデンサに充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、電気二重層コンデンサから放電しながら重負荷に対応した目標電力に変換して出力することができるため、負荷が急激に変動して系統側電力の変化に燃料電池の出力電力が追従できない場合でも、燃料電池の出力電力を目標電力に変換して出力することができる。特に、低い目標電力に変換された場合には、燃料電池の出力電力と低い目標電力の偏差である余剰電力を蓄えておき、燃料電池の出力電力が高い目標電力に達するまで、余剰電力を高い目標電力に再利用することができる。
特開2007−109609号公報(第3−4頁、第4−5図)
ところが、この従来の電源システムには、以下の問題点がある。すなわち、この電源システムでは、降圧型のコンバータおよび昇圧型のコンバータという異なる型の2つのコンバータを必要としている。このため、この電源システムには、2つの異なる型のコンバータの設計が必要になる結果、開発に要する時間が長くなると共に、部品の種類が多くなって製品コストが上昇するという問題点が存在している。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、製品コストを低減し得る電源システムを提供することを主目的とする。
上記目的を達成すべく請求項1記載の電源システムは、降圧型および昇圧型のいずれか一方の型に構成されて、直流入力電圧が所定電圧以上のときに当該直流入力電圧に基づいて第1直流電圧を生成して出力端子から出力し、かつ当該直流入力電圧が当該所定電圧未満のときに前記第1直流電圧の生成を停止する主DC/DCコンバータと、前記主DC/DCコンバータと同型に構成されて、蓄電素子の充電電圧に基づいて前記第1直流電圧よりも低電圧の第2直流電圧を生成して出力端子から出力する同期整流型DC/DCコンバータとを備え、前記主DC/DCコンバータの前記出力端子と前記同期整流型DC/DCコンバータの前記出力端子同士が接続されて当該主DC/DCコンバータおよび当該同期整流型DC/DCコンバータが並列運転される。
また、請求項2記載の電源システムは、請求項1記載の電源システムにおいて、前記主DC/DCコンバータは、前記同期整流型DC/DCコンバータと同一構成の同期整流型DC/DCコンバータで構成されている。
以上のように、請求項1記載の電源システムでは、直流入力電圧が所定電圧以上のときに、主DC/DCコンバータが直流入力電圧に基づいて第1直流電圧を生成して出力端子から出力し、かつ主DC/DCコンバータと同じ型に構成されて主DC/DCコンバータと並列運転されている同期整流型DC/DCコンバータが第1直流電圧に基づいて蓄電素子に対する充電動作を実行する。したがって、この電源システムによれば、同じ型(昇圧型または降圧型)のDC/DCコンバータで構成できるため、異なる型のDC/DCコンバータで構成するのと比較して、両DC/DCコンバータにおいて共通する回路が多くなる結果、設計・開発に要する時間を短縮できると共に、使用部品の共通化を図って部品の種類を削減することができ、これにより、製品コストを低減することができる。
また、請求項2記載の電源システムでは、主DC/DCコンバータについても、並列運転される他の同期整流型DC/DCコンバータと同一構成の同期整流型DC/DCコンバータとしたことにより、1つのDC/DCコンバータの設計・開発に要する時間で両DC/DCコンバータを設計・開発することができ、設計・開発に要する時間を半分に短縮できると共に、使用部品の共通化をほぼ100%までに高めることができ、これにより、製品コストを大幅に低減することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源システムの最良の形態について説明する。
図1に示すように、電源システム1は、2つの同期整流型DC/DCコンバータ(以下、「コンバータ」ともいう)2,3、バッテリ4、制御回路5、一対の入力端子6(正側入力端子6aおよび負側入力端子6b)、および一対の出力端子7(正側出力端子7aおよび負側出力端子7b)を備え、一対の入力端子6に所定電圧(一例として30ボルト)以上の直流電圧Vin(本発明における直流入力電圧)が入力されているときには、この直流電圧Vinに基づいてコンバータ2が定電圧V1(本例では12ボルト。本発明における第1直流電圧)を生成して負荷8に印加(供給)し、直流電圧Vinが所定電圧未満のときには、バッテリ4(本発明における蓄電素子)の充電電圧Vb(一例として28ボルト)に基づいてコンバータ3(本発明における)が定電圧V1よりも低電圧の定電圧V2(一例として11.5ボルト。本発明における第2直流電圧)を生成して負荷8に印加(供給)する。
具体的には、コンバータ2は、本発明における主DC/DCコンバータであって、一次巻線11aおよび二次巻線11bを有するトランス11、第1MOSFET12(以下、「FET12」ともいう)、コンデンサ13、第2MOSFET14(以下、「FET14」ともいう)、第3MOSFET15(以下、「FET15」ともいう)、第4MOSFET16(以下、「FET16」ともいう)、インダクタ17およびコンデンサ18を備えて、降圧型のDC/DCコンバータとして構成されている。この場合、トランス11の一次側回路では、正側入力端子6aおよび負側入力端子6b間に、トランス11の一次巻線11aおよびFET12がこの順で直列に接続されている。また、コンデンサ13およびFET14は互いに直列に接続されてクランプ回路を構成し、このクランプ回路が一次巻線11aに並列に接続されている。また、FET12は、制御回路5から出力される駆動信号S1で駆動されてスイッチング動作(図3に示すタイミングでのON・OFF動作)を実行する。また、FET14は、制御回路5から出力される駆動信号S2で駆動されて、FET12とは逆位相でスイッチング動作(図3に示すタイミングでのON・OFF動作)を実行する。
一方、トランス11の二次側回路では、コンバータ2,3の各出力端子でもある正側出力端子7aおよび負側出力端子7b間に、インダクタ17、トランス11の二次巻線11bおよびFET15がこの順で直列に接続されている。また、正側出力端子7aおよび負側出力端子7b間には、コンデンサ18が接続されている。FET16は、二次巻線11bおよびFET15の直列回路に並列に接続されている。この場合、FET15のゲート端子が二次巻線11bとインダクタ17との接続点に接続され、FET16のゲート端子が二次巻線11bとFET15との接続点に接続されている。この構成により、FET12のオン状態のときに二次巻線11bに発生する誘起電圧によってFET15がFET12と同位相(図3に示すタイミング)で駆動され、FET12のオフ状態のときに二次巻線11bに発生する誘起電圧によってFET16がFET12と逆位相(図3に示すタイミング)で駆動される。すなわち、FET15が整流用MOSFETとして機能すると共に、FET16が環流用MOSFETとして機能することにより、コンバータ2は、作動状態において、一対の出力端子7(7a,7b)間に定電圧V1を出力する。
コンバータ3は、本発明における同期整流型DC/DCコンバータであって、一次巻線21aおよび二次巻線21bを有するトランス21、第5MOSFET22(以下、「FET22」ともいう)、コンデンサ23、第6MOSFET24(以下、「FET24」ともいう)、第7MOSFET25(以下、「FET25」ともいう)、第8MOSFET26(以下、「FET26」ともいう)、インダクタ27およびコンデンサ28を備えて、コンバータ2と同型(降圧型)のDC/DCコンバータとして構成されている。この場合、トランス21の一次側回路では、バッテリ4の正側出力端子および負側出力端子間に、トランス21の一次巻線21aおよびFET22がこの順で直列に接続されている。また、コンデンサ23およびFET24は互いに直列に接続されてクランプ回路を構成し、このクランプ回路が一次巻線21aに並列に接続されている。また、FET22は、制御回路5から出力される駆動信号S3で駆動されてスイッチング動作(図2に示すタイミングでのON・OFF動作)を実行する。また、FET24は、制御回路5から出力される駆動信号S4で駆動されて、FET22とは逆位相でスイッチング動作(図2に示すタイミングでのON・OFF動作)を実行する。
一方、トランス21の二次側回路では、正側出力端子7aおよび負側出力端子7b間に、インダクタ27、トランス21の二次巻線21bおよびFET25がこの順で直列に接続されている。また、正側出力端子7aおよび負側出力端子7b間には、コンデンサ28が接続されている。FET26は、二次巻線21bおよびFET25の直列回路に並列に接続されている。この場合、FET25のゲート端子が二次巻線21bとインダクタ27との接続点に接続され、FET26のゲート端子が二次巻線21bとFET25との接続点に接続されている。この構成により、FET22のオン状態のときに二次巻線21bに発生する誘起電圧によってFET25がFET22と同位相(図2に示すタイミング)で駆動され、FET22のオフ状態のときに二次巻線21bに発生する誘起電圧によってFET26がFET22と逆位相(図2に示すタイミング)で駆動される。すなわち、FET25が整流用MOSFETとして機能すると共に、FET26が環流用MOSFETとして機能することにより、コンバータ3は、作動状態において、一対の出力端子7(7a,7b)間に、定電圧V1よりも低い電圧値に規定された定電圧V2を出力する。また、本例では、一例として、コンバータ3は、トランス21等の各構成要素についてコンバータ2の各構成要素と同一の構成要素が使用されて、全体としてコンバータ2と同一に構成されている。
制御回路5は、直流電圧Vinの検出機能、コンバータ2,3の各出力電圧の検出機能、および各駆動信号S1〜S4の生成機能を備えている。また、制御回路5は、検出している直流電圧Vinが予め設定された所定電圧以上のとき、すなわち駆動信号S1のデューティを変更して定電圧V1を出力可能なときには、各駆動信号S1〜S4を生成して、各コンバータ2,3を作動させる。この場合、制御回路5は、コンバータ2の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧V1となるように、駆動信号S1,S2のデューティを変更すると共に、コンバータ3の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧V2となるように、駆動信号S3,S4のデューティを変更する。一方、検出している直流電圧Vinが所定電圧未満のときには、制御回路5は、駆動信号S1のデューティを最大にしたとしてもコンバータ2において定電圧V1の出力が不能なため、各駆動信号S1,S2の生成を停止してコンバータ2を停止させると共に、各駆動信号S3,S4の生成を継続することによってコンバータ3の作動を継続させて、コンバータ3から負荷8に定電圧V2を印加させる。また、出力端子7a,7bは上記したように各コンバータ2,3の各出力端子として機能する。つまり、各コンバータ2,3の各出力端子7a,7bが共通接続されている。この構成により、各コンバータ2,3は、各出力端子7a,7b同士が接続されて並列運転される。
次に、電源システム1の全体的な動作について、図面を参照して説明する。なお、コンバータ2,3のスイッチング動作自体は汎用同期整流型コンバータの動作と同じため、詳細な説明を省略する。
最初に、直流電圧Vinが予め設定された所定電圧以上のときの動作について説明する。
この動作状態のときには、電源システム1では、上記したように、制御回路5が、各駆動信号S1〜S4を生成して各コンバータ2,3を作動(並列運転)させる。この際に、制御回路5は、コンバータ2の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧V1となるように、駆動信号S1,S2の各デューティを変更する。これにより、直流電圧Vinが変動したとしても、コンバータ2の出力電圧が定電圧V1に維持されて、この定電圧V1が正側出力端子7aおよび負側出力端子7bを介して出力されて負荷8に印加(供給)される。
また、制御回路5は、コンバータ3の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧V2となるように、駆動信号S3,S4の各デューティ比を変更する。この場合、コンバータ3の出力電圧(定電圧V2)がコンバータ2の出力電圧(定電圧V1)よりも低電圧に設定されているため、この並列運転状態において、制御回路5は、コンバータ3の出力電圧が基準とする電圧(定電圧V2)よりも高い状態にあると判別して、コンバータ3に対して出力する駆動信号S3のデューティをその下限値まで狭める制御を実行する。このときにコンバータ3のインダクタ27に流れる電流I2は、図2に示すように、FET22のスイッチング動作の1周期T1(駆動信号S3の1周期)でのコンバータ3から負荷8に向けて出力される電流量(同図中の右下がりの斜線を付した領域A1の面積で示される電流量)よりも、コンバータ2から流入する電流量(同図中の左下がり斜線を付した領域A2の面積で示される電流量)の方が多くなる。このため、同期整流型のコンバータ3では、この両電流量の差分に定電圧V1を乗じて得られる電力がトランス21の二次側から一次側に回生されて、バッテリ4が充電される。
したがって、コンバータ3においてバッテリ4に対する充電動作が行われているときのコンバータ2のインダクタ17に流れる電流I1(図3参照)には、負荷8に供給される電流と共にコンバータ3に供給される電流が含まれている。
また、コンバータ3によるバッテリ4に対する充電動作は、充電によってバッテリ4の電圧が徐々に上昇して、コンバータ2からコンバータ3に流入する電流量が次第に減少するため、バッテリ4の電圧が所定の電圧に達した時点で、図2に示すコンバータ3から負荷8に向けて出力される電流量(同図中の領域A1の面積で示される電流量)と、コンバータ2からコンバータ3に流入する電流量(同図中の領域A2の面積で示される電流量)とがバランスした時点で完了する。その後、バッテリ4の電圧が自己放電等によって低下したときには、上記したコンバータ3によるバッテリ4の充電動作が再度行われて、バッテリ4が所定の電圧に充電される。
次いで、直流電圧Vinが予め設定された所定電圧未満のときの動作について説明する。
この動作状態のときには、電源システム1では、上記したように、制御回路5は、各駆動信号S1,S2の生成を停止してコンバータ2の動作を停止させると共に、各駆動信号S3,S4の生成を継続することによってコンバータ3の作動を継続させる。これにより、コンバータ3は、バッテリ4から供給される電圧を定電圧V2に変換して正側出力端子7aおよび負側出力端子7bを介して出力する。この結果、定電圧V2が負荷8に印加(供給)される。
このように、この電源システム1では、直流電圧Vinが所定電圧以上のときに、降圧型のDC/DCコンバータとして構成されたコンバータ2が直流電圧Vinに基づいて定電圧V1を生成して出力端子7から負荷8に印加し、降圧型の同期整流型DC/DCコンバータに構成されてコンバータ2と並列運転されているコンバータ3が、この定電圧V1に基づいてバッテリ4に対する充電動作を実行する。したがって、この電源システム1によれば、コンバータ2,3という同じ型の(同じ降圧型に構成された)DC/DCコンバータで構成できるため、異なる型のDC/DCコンバータで構成するのと比較して、両コンバータ2,3において共通する回路が多くなる結果、設計・開発に要する時間を短縮できると共に、使用部品の共通化を図って部品の種類を削減することができ、これにより、製品コストを低減することができる。
また、この電源システム1では、コンバータ2についても、コンバータ3と同一構成の同期整流型DC/DCコンバータとしたことにより、1つのコンバータ2(またはコンバータ3)の設計・開発に要する時間でコンバータ2,3を設計・開発することができ、設計・開発に要する時間を半分に短縮できると共に、使用部品の共通化をほぼ100%までに高めることができ、これにより、製品コストを大幅に低減することができる。
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、その構成を適宜変更することができる。例えば、上記の電源システム1では、各コンバータ2,3を降圧型のDC/DCコンバータとしたが、負荷8に供給する定電圧V1,V2が、直流電圧Vinおよびバッテリ4の充電電圧Vbよりも高いときには、各コンバータ2,3を昇圧型のDC/DCコンバータとすることもできる。また、コンバータ2をコンバータ3と同じ同期整流型DC/DCコンバータとしているが、コンバータ3と同じ型(降圧型または昇圧型)のDC/DCコンバータである限り、同期整流型のDC/DCコンバータに限らず、種々のDC/DCコンバータを使用することができる。また、各コンバータ2,3においてトランス11,21の一次巻線11a,21aに、コンデンサとFETの直列回路で構成されたクランプ回路を接続する構成を採用しているが、他の構成のクランプ回路を使用してもよいのは勿論である。また、蓄電素子としてバッテリ4を使用したが、他の種類の二次電池や、電気二重層コンデンサなどを使用することもできる。
1 電源システム
2,3 コンバータ
4 バッテリ
7 出力端子
V1,V2 定電圧
Vb 充電電圧
Vin 直流電圧
2,3 コンバータ
4 バッテリ
7 出力端子
V1,V2 定電圧
Vb 充電電圧
Vin 直流電圧
Claims (2)
- 降圧型および昇圧型のいずれか一方の型に構成されて、直流入力電圧が所定電圧以上のときに当該直流入力電圧に基づいて第1直流電圧を生成して出力端子から出力し、かつ当該直流入力電圧が当該所定電圧未満のときに前記第1直流電圧の生成を停止する主DC/DCコンバータと、
前記主DC/DCコンバータと同型に構成されて、蓄電素子の充電電圧に基づいて前記第1直流電圧よりも低電圧の第2直流電圧を生成して出力端子から出力する同期整流型DC/DCコンバータとを備え、前記主DC/DCコンバータの前記出力端子と前記同期整流型DC/DCコンバータの前記出力端子同士が接続されて当該主DC/DCコンバータおよび当該同期整流型DC/DCコンバータが並列運転される電源システム。 - 前記主DC/DCコンバータは、前記同期整流型DC/DCコンバータと同一構成の同期整流型DC/DCコンバータで構成されている請求項1記載の電源システム。
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JP2007163667A JP2009005487A (ja) | 2007-06-21 | 2007-06-21 | 電源システム |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017514447A (ja) * | 2014-04-22 | 2017-06-01 | エルジー・ケム・リミテッド | Dc−dc電圧コンバータの作動を非活性化するための電圧供給システム及び方法 |
KR101879675B1 (ko) * | 2017-11-22 | 2018-07-18 | 주식회사 피에스엔 | 다중모듈 방식 전기 자동차 충전기 제어 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 |
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2007
- 2007-06-21 JP JP2007163667A patent/JP2009005487A/ja active Pending
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