JP4834842B2

JP4834842B2 - 電源制御装置

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Publication number: JP4834842B2
Application number: JP2007291582A
Authority: JP
Inventors: 禎仁吉田; 智丈権代; 公一岐部; 宏昌艸分; 均内藤; 剛瀬上
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; NEC Space Technologies Ltd
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; NEC Space Technologies Ltd
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: EP2214288A1; US8456035B2; US20100244565A1; EP2214288A4; CA2703788C; WO2009060996A1; JP2009118699A; CA2703788A1

Description

本発明は、電源制御装置に関し、特に、複数の太陽電池アレイ及びバッテリから負荷への電力供給を制御するための電源制御装置に関する。

従来の電源制御装置は、図５に示すように、太陽電池５１とバッテリ５２と負荷５３との間に接続され、シャント回路５４、駆動回路５５、充電回路５６及び放電回路５７を有している。

この電源制御装置は、シャント回路５４により太陽電池５１の出力電圧（バス電圧）を安定化して負荷へ供給するとともに、充電回路５６へ供給しバッテリ５２の充電を行う。充電回路５６は、定電流・定電圧制御を実現するため、スイッチングレギュレータ（Batterｙ Charge Regulator；ＢＣＲ）で構成される。

シャント回路５４及び充電回路５６の動作制御は、故障耐性の高い冗長回路構成の駆動回路５５で行う。太陽電池５１の出力電力が負荷電力を上回ってコンデンサバンク（不図示、負荷と並列に接続されている）の電圧が上昇すると、駆動回路５５はまず充電回路５６をＯＮして余剰電力をバッテリ５２に充電する。さらに余剰電力が増加すると駆動回路５５はシャント回路５４をＯＮして余剰電力を消費（ショート）する。太陽電池５１の出力電力が負荷電力を下回るときは、バッテリ５２から放電回路５７（例えば、放電ダイオード）を経由して負荷５３に電力を供給する。

図５の電源制御装置は、主に充電電流が大きい低軌道周回衛星でよく用いられる方式である（特許文献１参照）。

また、他の従来の電源制御装置として、図６に示すようなものもある。図６の電源制御装置は、太陽電池５１、バッテリ５２及び負荷５３のほか、充電専用の太陽電池（チャージアレイ）６１にも接続されるものであって、図５の充電回路５６に代えて単純なスイッチで構成される充電回路６２を有している。

バッテリ５２は、充電回路６２を介して充電専用の太陽電池６１によって充電される。バッテリ５２が満充電となり充電回路６２をＯＦＦしたときには太陽電池６１からの電力を負荷５３に供給することができる。

図６の電源制御装置は、主に充電電流が小さい静止軌道衛星でよく用いられる方式である（特許文献１参照）。

上述した電源制御回路は、いずれも複数のシャント回路を単一の駆動回路５５で駆動制御するものであるが、複数のシャント回路をそれぞれ個別の駆動回路により駆動制御するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。

また、負荷に電力を供給する太陽電池（アレイ）の一部を、バッテリの充電にも利用するようにしたものもある（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−１３４８２４号公報特開２００５−７１２４４号公報特開昭６０−１３４４２号公報

近年の人工衛星用の電源制御装置には、小型軽量、高信頼性及び低価格が求められている。しかしながら、従来の図５の電源制御回路では、単一部品の故障による全損を回避するため冗長構成した駆動回路で集中的にシャント回路と充電回路を制御しており、この駆動回路が複雑で、小型軽量及び低価格の実現を難しくしているという問題点がある。また、低軌道周回衛星のように短時間急速充電が必要な場合には、バッテリにストレスを与えずに満充電にするために大規模な充電回路が必要であるという問題点もある。

また、従来の図６の電源制御装置では、充電回路は単純であるが定電圧充電ができないので、バッテリにストレスを与えずに大電流急速充電を行うことが難しいという問題点がある。また、この電源制御装置には、充電中のチャージアレイ電圧がほぼバッテリ電圧に低下するため太陽電池の出力電力が減少するという問題点もある。

さらに、特許文献２の電源制御装置は、バッテリを備えておらず、上述した充電に関する問題点を解決することができないという問題点がある。

さらにまた、特許文献３の電源制御装置は、シャントされている太陽電池アレイの出力をバッテリへ供給するものであるため、負荷の状態に応じて充電電流が変化し安定した充電ができないという問題点がある。

そこで、本発明は、（１）シャント回路及び充電回路の小型軽量化、（２）シャント回路及び充電回路のモジュール化と高信頼性化、（３）大電流急速充電でバッテリにストレスを与えずに満充電にできること、（４）バッテリ充電中においても太陽電池の発生電力を低下させないこと、（５）充電完了後には充電電力を負荷に供給できること、を実現した電源制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、複数の太陽電池アレイ及びバッテリから負荷への電力供給を制御するともに、前記複数の太陽電池アレイによる前記バッテリの充電を制御する電源制御装置において、前記複数の太陽電池アレイにそれぞれ対応して設けられ、対応する太陽電池アレイから前記負荷への電力供給を制御する複数のシャント回路と、前記複数の太陽電池アレイのうちの一部であって二つ以上の太陽電池アレイにそれぞれ対応して設けられ、対応する太陽電池アレイによる前記バッテリの充電を制御する二つ以上の充電回路とを備え、前記複数のシャント回路及び前記二つ以上の充電回路の各々は、前記負荷が接続されたバスの電圧に関して予め設定された互いに異なる第１の閾値に基づいてそれぞれ独立して動作し、かつ前記二つ以上の充電回路の各々は、前記バッテリの電圧に関して予め設定された互いに異なる第２の閾値に基づいて、前記バッテリの電圧の変化に伴い、一つずつオン又はオフすることを特徴とする。

本発明によれば、シャント回路及び充電回路がそれぞれ予め設定された閾値に基づいて独立して動作するようにしたことで、（１）シャント回路及び充電回路の駆動回路（冗長構成）を省略することができ、小型軽量化できる。また、（２）シャント回路及び充電回路は、互いに電気的に独立であるため波及故障がなくなるとともに、モジュール化することが容易となり処理電力の増減に対応しやすくなる。さらに、（３）バッテリ電圧が上昇するに従い充電電流を段階的に減少させることが可能となり、大電流急速充電でバッテリにストレスを与えずに満充電にできる。また、（４）バス電圧を安定化するように充電回路をオン／オフ制御することができるので、バッテリ充電中（ＳＨＮＴモード及びＢＣＣモード）においても太陽電池の発生電力の低下がない。さらにまた、（５）充電完了後には充電回路を停止して充電電力を負荷に供給することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に、本発明の第１の実施の形態に係る（分散制御式）電源制御装置１の回路構成を示す。この電源制御装置１は、太陽電池及びバッテリを電力源とする電源システム・機器、特に人工衛星などの宇宙機の電源システムに用いられるものである。

電源制御装置１は、複数の太陽電池２とバッテリ３と負荷４とに接続され、複数のＭＡモジュール１１、複数のＣＡモジュール１２、コンデンサバンク１３及び放電ダイオード１４を有している。

ＭＡモジュール１１は、２つのシャント回路をモジュール化したものである。シャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍは、太陽電池２のうち、負荷への電力供給にのみ用いられるメインアレーＭＡ１〜ＭＡｍに個別に対応付けられ接続されている。各シャント回路は、各シャント回路は、ダイオード、ヒューズ、電源回路、オペアンプ、コンパレータ、トランジスタスイッチ、及びツェナーダイオードを備える。また、各シャント回路は、他のシャント回路から電気的に独立しており、予め設定された閾値に基づき独立動作する。

ＣＡモジュール１１は、シャント回路と充電回路とをモジュール化したものである。ＣＡモジュール１１は、太陽電池２のうち、負荷への電力供給とバッテリへの電力供給の両方に用いられるチャージアレーＣＡ１〜ＣＡｍに個別に対応付けられ接続されている。ＣＡモジュール１１に含まれる各シャント回路ＳＣ１〜ＳＣｎは、ＭＡモジュール１１のシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍと同一の構成を有しており、他のシャント回路（ＭＡモジュール１１であるかＣＡモジュール１２であるかに拘わらず）から電気的に独立している。また、各充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎは、一対のトランジスタスイッチ、ダイオード、ヒューズ、オペアンプ、コンパレータ、トランジスタ、ツェナーダイオード及びスイッチを備える。各充電回路は、他の充電回路から電気的に独立しており、予め設定された閾値に基づき独立動作する。

ＭＡモジュール１１のシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍ及びＣＡモジュール１２のシャント回路ＳＣ１〜ＳＣｎは、コンデンサバンク１３に共通接続され、コンデンサバンクの電圧（バス電圧）を検出し、検出した電圧に応じてオン／オフ（スイッチング）動作する。シャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍ及びＳＣ１〜ＳＣｎに予め設定される閾値を互いに異なる値としておくことにより、バス電圧の変化（増加／減少）に伴い互いに異なる電圧で（例えば、一つずつ順番に）シャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍ及びＳＣ１〜ＳＣｎをオン又はオフさせることができる。

ＣＡモジュール１２の充電回路は、バッテリ３に共通接続され、バッテリ３の電圧に応じてオン／オフ動作する。充電回路に予め設定される閾値を互いに異なる値としておくことにより、バッテリ電圧の変化に伴い互いに異なる電圧で（例えば、一つずつ順番に）充電回路をオン又はオフさせることができる。

電源制御装置１は、概略以下のように動作する。

まず、太陽電池（ＭＡ１〜ＭＡｍ、ＣＡ１〜ＣＡｎ）２の出力電力の合計が負荷４の消費電力を上回っているときは、電気的に独立した複数のＭＡモジュール１１と複数のＣＡモジュール１２がバス電圧を規定電圧に安定化するとともに、バッテリ３を規定電圧まで充電する。

また、太陽電池（ＭＡ１〜ＭＡｍ、ＣＡ１〜ＣＡｎ）２の出力電力の合計が負荷４の消費電力を下回っているときは、バッテリ３から放電ダイオード１４を経由して負荷４に電力を供給する。

また、太陽電池（ＭＡ１〜ＭＡｍ、ＣＡ１〜ＣＡｎ）２の出力電力の合計が負荷４の消費電力を上回ってコンデンサバンク１３の電圧が上昇すると、太陽電池（ＣＡ１〜ＣＡｎ）２に接続されたＣＡモジュール１２内の充電回路ＳＣ１〜ＳＣｎがこの順番（ＣＡ１〜ＣＡｎに対応する順番）でオン／オフ動作して、余剰電力をバッテリ４に充電することによりバス電圧を安定化する。太陽電池（ＭＡ１〜ＭＡｍ、ＣＡ１〜ＣＡｎ）２の出力電力の合計がさらに増加すると、太陽電池（ＭＡ１〜ＭＡｍ）２に接続されたＭＡモジュール１１内のシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍがこの順番（ＭＡ１〜ＭＡｎに対応する順番）でオン／オフ動作して、余剰電力をショート（消費）することによりバス電圧を安定化する。

また、バッテリ４が充電されて電圧が上昇するに従いＣＡモジュール１２内の充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎはこれと逆の順番（ＣＡｎ〜ＣＡ１に対応する順番）でオフする。充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎがオフすることにより余剰電力が増加してバス電圧がＭＡモジュール１１内のシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍの動作電圧以上に上昇すると、ＣＡモジュール１２内のシャント回路ＳＣ１〜ＳＣｎがこれと逆の順番でオン／オフ動作して、余剰電力をショートすることによりバス電圧を安定化する。

本実施の形態に係る電源制御装置１によれば、シャント回路と充電回路を集中的に制御する駆動回路がなく、大規模な充電回路（ＢＣＲ）を使用しないので（１）シャント回路及び充電回路が小型軽量化でき、シャント回路と充電回路が全て互いに独立しているので故障の波及がなく、（２）シャント回路及び充電回路のモジュール化と高信頼性化が容易である。

次に、図２を参照して、電源制御装置１の動作を詳細に説明する。

図２は、電源制御装置１のシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍ，ＳＣ１〜ＳＣｎと充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎの動作シーケンスを示す図である。

充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎ及びシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍ，ＳＣ１〜ＳＣｎはバス電圧に対して充分狭い幅のヒステリシスをもってオン／オフするよう構成されている。例えば、バスリップル規格が５００ｍＶｐｐであれば、電圧変動がそれ以下となるように、好ましくは１／２以下となるように、１００ｍＶｐｐ〜２５０ｍＶｐｐのヒステリシス電圧を持たせるようにする。

また、充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎ及びシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍ，ＳＣ１〜ＳＣｎのオン／オフのスレショールド電圧は、バス電圧に関して低い方から、充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎ（ＢＣＣモード）、太陽電池（ＭＡ１〜ＭＡｍ）２のシャント回路ＳＭ１〜ＳＭｍ（ＭＡＳＨＮＴモード）、太陽電池（ＣＡ１〜ＣＡｎ）２のシャント回路ＳＣ１〜ＳＣｎ（ＣＡＳＨＮＴモード）の順となるように予め設定されている。

この設定により、ある電力条件下でのバス電圧に一致する（オン側又はオフ側の）スレショールド電圧を持つ回路が一つだけオン又はオフし、そのバス電圧よりスレショールド電圧が低い回路はオン状態、高い回路はオフ状態となる。

また、上記設定により、充電回路ＣＨ１〜ＣＨｎはバッテリ電圧に対してある程度広い幅のヒステリシスをもってオン／オフする。オン／オフのスレショールド電圧は、バッテリ電圧に関して低い方から、充電回路ＣＨｎ〜ＣＨ１（ＣＶモード）の順である。バッテリが充電されてバッテリ電圧が上昇するに従い、充電回路ＣＨｎ〜ＣＨ１の順番でオフするという動作になる。この動作は、バッテリ電圧が規定電圧に近づくに従って充電電流を段階的に減少させる充電方式となるので、（３）大電流急速充電でバッテリにストレスを与えずに満充電にできる。

次に、図２に加え図３をも参照して、電源制御装置１の動作について説明する。ここでは、太陽電池２が５つのメインアレーＭＡ１〜ＭＡ５及びチャージアレイＣＡ１〜ＣＡ５で構成されており、電源制御装置１はこれらに対応するＭＡモジュール１１（シャント回路ＳＭ１〜ＳＭ５）及びＣＡモジュール１２（シャント回路ＡＣ１〜ＳＣ５、充電回路ＣＨ１〜ＣＨ５）を有しているものとする。

図３は、電源制御装置１の動作模式図である。図２に示した動作シーケンスにより太陽電池２からバッテリ３及び負荷４への電力供給を制御することにより、太陽電池の日照／日陰モード、及びバッテリの充電状態に従って図示するような動作となる。以下、詳述する。

日陰モードでは太陽電池２が電力を発生しないので、電源制御装置１はバッテリ３から放電するＢＡＴモードとなる。このときシャント回路及び充電回路は動作していない。

日照モード初期では太陽電池２の出力電力が増加していく。太陽電池２の出力電力が負荷電力を上回るとバッテリ４の放電が停止し、バス電圧が上昇し始める。つまり、電源制御装置１はＢＣＣモードに移行する。

さらに太陽電池２の出力電力が増加すると、バス電圧に応じてバッテリ４の充電が開始される。つまり、余剰電力をバッテリ４に充電するため充電回路ＣＨ１がオン／オフスイッチング動作を開始する。このとき充電回路ＣＨ２〜ＣＨ５と全てのシャント回路ＳＭ１〜ＳＭ５，ＳＣ１〜ＳＣ５はオフである。

この後、太陽電池２の出力電力が増加するに従い、充電回路ＣＨ１がオン状態となり充電回路ＣＨ２がオン／オフスイッチング動作を開始し、次に、充電回路ＣＨ２がオン状態となり充電回路ＣＨ３がオン／オフスイッチング動作を開始する、というように、オン／オフスイッチング動作をする充電回路が切り換わっていく。図３において、ハッチングが各回路のオン／オフスイッチング状態を示している。

充電回路ＣＨ１〜ＣＨ５がオン／オフスイッチング動作をしているモード（ＢＣＣモード）において、バス電圧はバッテリ電圧よりも高い電圧に制御されるので（４）バッテリ充電中においても太陽電池２の発生電力を低下させない。

太陽電池２の出力電力がさらに増加して充電回路ＣＨ５がオン状態となると、電源制御装置１は、シャントモードに移行する。バス電圧が所定値になると、シャント回路ＳＭ１がオン／オフスイッチング動作する状態を経て、シャント回路ＳＭ１がオン状態となり、シャント回路ＳＭ２がオン／オフスイッチング動作する状態となる。この状態（ＭＡＳＨＮＴモード）まで、全ての充電回路ＣＨ１〜ＣＨ５がオンした状態のバッテリ充電が継続する。

その後、充電によってバッテリ電圧が上昇すると充電回路ＣＨ５がオフし、余剰電力が増加する。この余剰電力を消費（ショート）するため、シャント回路ＳＭ２がオン状態となり、シャント回路ＳＭ３がオン／オフスイッチング動作を開始する。さらにバッテリ電圧が上昇すると充電回路ＣＨ４〜ＣＨ１が順番にオフし、シャント回路ＳＭ４〜ＳＭ５，ＳＣ５，ＳＣ４へと順番にオン／オフスイッチング動作する回路が遷移してゆく。

このとき負荷電力が増加しても、充電回路ＣＨ５〜ＣＨ１がオフしたことにより増加する余剰電力を負荷４に供給することができる。即ち、（５）充電完了後には充電電力を負荷に供給できる。

日照モードが終わって日陰モードになると太陽電池２の出力電力が負荷電力を下回るので、バス電圧は低下し、全ての充電回路ＣＨ１〜ＣＨ５及びシャント回路ＳＭ１〜ＳＭ５，ＳＣ１〜ＳＣ５は停止し、バッテリ４から放電ダイオード１４を経由して負荷４に電力が供給される。

以上のように、本実施の形態に係る分散制御式電源制御装置を使用することにより、
（１）シャント回路及び充電回路の駆動回路（冗長構成）を省略することができ、小型軽量化できる。

（２）シャント回路及び充電回路の各々は電気的に互いに独立であるため波及故障がなくなる、またモジュール化することが容易となり処理電力の増減に対応しやすくなる。

（３）バッテリ電圧が上昇するに従い充電電流を段階的に減少させるので、大電流急速充電でバッテリにストレスを与えずに満充電にできる。

（４）ＢＣＣモードにおいてバス電圧を安定化するように充電回路をオン／オフ制御するので、バッテリ充電中（ＳＨＮＴモード及びＢＣＣモード）においても太陽電池の発生電力を低下させない。

（５）充電完了後には充電回路を停止して充電電力を負荷に供給できる。

次に、図４を参照して本発明の第２の実施の形態に係る電源制御装置について説明する。

図４の電源制御装置は、図１の放電ダイオード１４をＢＤＲ（Battery Discharge Regulator、バッテリ放電レギュレータ）ユニット４１に置き換えたものに等しい。ＢＤＲユニット４１の働きにより、日陰時（ＢＡＴモード）においても日照時とほぼ同一のバス電圧となるよう安定化することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電源制御装置の構成を示す回路図である。図１の電源制御装置に含まれるシャント回路及び充電回路の動作を説明するための動作シーケンス図である。図１の電源制御装置の動作を説明するための模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る電源制御装置の構成を示す回路図である。従来の電源制御装置の一例を示すブロック図である。従来の電源制御装置の他の例を示すブロック図である。

符号の説明

１電源制御装置
２太陽電池
３バッテリ
４負荷
１１ＭＡモジュール
１２ＣＡモジュール
１３コンデンサバンク
１４放電ダイオード
４１ＢＤＲユニット
５１太陽電池
５２バッテリ
５３負荷
５４シャント回路
５５駆動回路
５６充電回路
５７放電回路
６１太陽電池
６２充電回路

Claims

複数の太陽電池アレイ及びバッテリから負荷への電力供給を制御するともに、前記複数の太陽電池アレイによる前記バッテリの充電を制御する電源制御装置において、
前記複数の太陽電池アレイにそれぞれ対応して設けられ、対応する太陽電池アレイから前記負荷への電力供給を制御する複数のシャント回路と、
前記複数の太陽電池アレイのうちの一部であって二つ以上の太陽電池アレイにそれぞれ対応して設けられ、対応する太陽電池アレイによる前記バッテリの充電を制御する二つ以上の充電回路とを備え、
前記複数のシャント回路及び前記二つ以上の充電回路の各々は、前記負荷が接続されたバスの電圧に関して予め設定された互いに異なる第１の閾値に基づいてそれぞれ独立して動作し、
かつ前記二つ以上の充電回路の各々は、前記バッテリの電圧に関して予め設定された互いに異なる第２の閾値に基づいて、前記バッテリの電圧の変化に伴い、一つずつオン又はオフする
ことを特徴とする電源制御装置。
前記複数のシャント回路における前記予め設定された第１の閾値は、前記バスの電圧の変化に伴い、前記複数のシャント回路が一つずつオン又はオフするように設定されていることを特徴とする請求項１に記載された電源制御装置。
前記バスの電圧が第一の所定値以上のとき、前記一つ以上の充電回路が前記バッテリの電圧に基づいてオン／オフ動作を行い、
前記バスの電圧が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値以上のとき、前記複数のシャント回路が前記バスの電圧に基づいてオン／オフ動作を行うことを特徴とする請求項１に記載された電源制御装置。
前記複数のシャント回路の少なくとも一部が、１以上のシャント回路を単位としてモジュール化されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載された電源制御装置。
前記一つ以上の充電回路が、それぞれ対応する太陽電池アレイに対応するシャント回路とモジュール化されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載された電源制御装置。
前記一つ以上の充電回路は、各々に対応する太陽電池アレイにそれぞれ対応しているシャント回路と対をなし、
前記複数のシャント回路のうち前記一つ以上の充電回路と対をなしているシャント回路の前記第１の閾値は、それ以外のシャント回路の前記第１の閾値よりも高く設定されており、
前記一つ以上の充電回路の前記第２の閾値は、前記バッテリの電圧の上昇に伴い、前記一つ以上の充電回路が前記第１の閾値の高いものから順番に一つずつオフするように設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載された電源制御装置。