JP5664251B2 - 電力供給安定化装置及び電力供給安定化装置制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力供給安定化装置に関し、特に、負荷変動に対応できる電力供給安定化装置及び電力供給安定化装置制御方法に関する。

近年、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車や、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする電気自動車が注目されている。ハイブリッド自動車及び電気自動車においては、車両を適切に走行させつつエネルギー効率を向上させるために、そのモータに対する負荷に応じた電力を供給し、回生時は効率良くエネルギーを回収するために、二次電池（電源）とコンデンサ（キャパシタ）とを並列に接続したハイブリット型直流電源装置が提供されている。

高エネルギー密度が特徴である二次電池と高電力密度が特徴であるキャパシタの双方から電力補償を行うシステムは数多く存在する（例えば、特許文献１参照。）。そのシステムでは、二次電池又はキャパシタのどちらか、又はその双方に充放電電流を制限する装置や電圧変換装置（ＤＣＤＣコンバータ）等の制御装置を接続して電圧等の制御を行っている。

従来のシステムでは、二次電池やキャパシタそれぞれのＤＣＤＣコンバータが双方の状態を監視するために、通信を用いたデータのやりとりや、ＤＣＤＣコンバータを挟んでの配線処理、又は外部センサ等が必要であった。

特開２００２−３１５１０９号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、電源及びキャパシタそれぞれの電圧変換装置間での通信が不要であり、負荷側電圧を一定にできる電力供給安定化装置及び電力供給安定化装置制御方法を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、負荷に対して電力を供給する電源と、電源と並列に接続され、負荷に対して電力を供給し、負荷で発生した回生電力を充電により蓄えることが可能なキャパシタと、電源とキャパシタとの間で電源と並列に接続され、キャパシタの端子間電圧を検知して、キャパシタの端子間電圧に基づいて電源の電圧を変換制御する第１電圧変換装置と、キャパシタと負荷に接続される端子との間でキャパシタ及び第１電圧変換装置と並列に接続され、端子の電圧を検知して、端子の電圧に基づいてキャパシタの端子間電圧を変換制御する第２電圧変換装置とを備える電力供給安定化装置であり、第１電圧変換装置は、力行時に、キャパシタの端子間電圧がキャパシタの定格電圧より低くなった場合に昇圧動作を行い電源からキャパシタに電力を供給し、回生時に、キャパシタの端子間電圧がキャパシタの定格電圧より高くなった場合に降圧動作を行いキャパシタから電源に電力を供給し、第２電圧変換装置は、力行時に、負荷に接続される端子の電圧が負荷の定格電圧より低くなった場合に昇圧動作を行いキャパシタから負荷に電力を供給し、回生時に、端子の電圧が負荷の定格電圧より高くなった場合に降圧動作を行い負荷からキャパシタに電力を供給することを要旨とする。

本願発明の他の態様によれば、力行時において、第２電圧変換装置が負荷に接続される端子の電圧を検知して、端子の電圧が負荷の定格電圧より低くなった場合にキャパシタの端子間電圧を昇圧する工程と、第１電圧変換装置がキャパシタの電圧を検知して、キャパシタの端子間電圧がキャパシタの定格電圧より低くなった場合に電源の電圧を昇圧する工程とを含み、回生時において、第２電圧変換装置が端子の電圧を検知して、端子の電圧が負荷の定格電圧より高くなった場合にキャパシタの端子間電圧を降圧する工程と、第１電圧変換装置がキャパシタの端子間電圧を検知して、キャパシタの端子間電圧がキャパシタの定格電圧より高くなった場合に電源の電圧を降圧する工程とを含む電力供給安定化装置制御方法であることを要旨とする。

本発明によれば、電源及びキャパシタそれぞれの電圧変換装置間での通信が不要であり、負荷側電圧を一定にできる電力供給安定化装置及び電力供給安定化装置制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置の概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置における電源側に設けられた第１電圧変換装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置における電源側に設けられた第１電圧変換装置の力行時の動作を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置における電源側に設けられた第１電圧変換装置の回生時の動作を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置におけるキャパシタ側に設けられた第２電圧変換装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置におけるキャパシタ側に設けられた第２電圧変換装置の力行時の動作を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置におけるキャパシタ側に設けられた第２電圧変換装置の回生時の動作を示す概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置制御方法を示すための概略回路図である。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置制御方法における力行時の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置制御方法における回生時の動作を示すフローチャートである。 本発明のその他の実施の形態に係る電力供給安定化装置の概略回路図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る電力供給安定化装置は、図１に示すように、負荷に対して電力を供給する電源２０と、電源２０と並列に接続され、負荷に対して電力を供給し、負荷で発生した回生電力を充電により蓄えることが可能なキャパシタ３０と、電源２０とキャパシタ３０との間で電源２０と並列に接続され、キャパシタ３０の端子間電圧を検知して、キャパシタ３０の端子間電圧に基づいて電源２０の電圧を変換制御する第１電圧変換装置１０と、キャパシタ３０と負荷に接続される端子４０ａ，４０ｂとの間でキャパシタ３０及び第１電圧変換装置１０と並列に接続され、端子４０ａ，４０ｂの電圧を検知して、端子４０ａ，４０ｂの電圧に基づいてキャパシタ３０の端子間電圧を変換制御する第２電圧変換装置１１とを備える。

電源２０は、リチウムイオン電池及びニッケル水素電池等の充電を行うことにより電気を蓄えて電池として使用できる二次電池である。電源２０は、充電及び放電を繰り返すことが可能であるので、繰り返し使用することができる。

キャパシタ３０は、電源２０と並列に接続された、例えば、電気二重層キャパシタ等である。キャパシタ３０は、充電を行うことにより電気を蓄えて電源２０の補助として機能する。

負荷（図示せず）は、端子４０ａ，４０ｂに接続される。負荷は、例えば、直流モータ等である。負荷としての直流モータは、加速時などで多くの電力が必要であるときは、電源２０及びキャパシタ３０に蓄積されている電力が双方から供給される。そして、負荷としての直流モータが定常状態となったときには、電源２０のみから電力が供給される。また、負荷は、発電機として動作したときには回生電流（電力）を発生させる。回生電流は、電源２０及びキャパシタ３０に蓄積される。

第１電圧変換装置（ＤＣＤＣコンバータ）１０は、電源２０とキャパシタ３０との間で並列に設けられる。第１電圧変換装置１０は、キャパシタ３０の端子間電圧を検知して、キャパシタ３０の端子間電圧が所定値より低くなった場合に昇圧動作を行い、キャパシタ３０の端子間電圧が所定値より高くなった場合に降圧動作を行う。キャパシタ３０の端子間電圧における所定値とは、キャパシタ３０の定格電圧（通常使用電圧）や耐電圧等によって予め定められる値をいう。

第１電圧変換装置１０の力行時の動作について、図２及び図３を参照しながら説明する。力行時であって、キャパシタ３０から負荷に電力を供給した場合、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが低下する。第１電圧変換装置１０は、図２のステップＳ１１において、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capを検知して、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが所定値Ｖ’_capより低くなったか否かを判断する。第１電圧変換装置１０は、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが所定値Ｖ’_capより低くなったと判断した場合、ステップＳ１２において、昇圧動作を行う。第１電圧変換装置１０は、図３に示すように、昇圧動作を行って電源２０からキャパシタ３０に電力を供給する。

第１電圧変換装置１０の回生時の動作について、図２及び図４を参照しながら説明する。回生時であって、負荷からキャパシタ３０に回生電流を供給した場合、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが上昇する。第１電圧変換装置１０は、図２のステップＳ１１において、キャパシタ３０の端子間電圧を検知して、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが所定値Ｖ’_capより高くなったか否かを判断する。第１電圧変換装置１０は、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが所定値Ｖ’_capより高くなったと判断した場合、ステップＳ１３において、降圧動作を行う。第１電圧変換装置１０は、図４に示すように、降圧動作を行ってキャパシタ３０から電源２０に電力を供給する。

第２電圧変換装置（ＤＣＤＣコンバータ）１１は、キャパシタ３０と負荷に接続される端子４０ａ，４０ｂとの間で並列に設けられる。第２電圧変換装置１１は、第１電圧変換装置１０とも並列に設けられる。第２電圧変換装置１１は、端子４０ａ，４０ｂの電圧を検知して、端子４０ａ，４０ｂの電圧が所定値より低くなった場合に昇圧動作を行い、端子４０ａ，４０ｂの電圧が所定値より高くなった場合に降圧動作を行う。端子４０ａ，４０ｂの電圧における所定値とは、端子４０ａ，４０ｂと接続される負荷の定格電圧等によって予め定められる値をいう。

第２電圧変換装置１１の力行時の動作について、図５及び図６を参照しながら説明する。力行時であって、キャパシタ３０から負荷に電力を供給した場合、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが低下する。第２電圧変換装置１１は、図５のステップＳ２１において、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outを検知して、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが所定値Ｖ’_outより低くなったか否かを判断する。第２電圧変換装置１１は、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが所定値Ｖ’_outより低くなったと判断した場合、ステップＳ２２において、昇圧動作を行う。第２電圧変換装置１１は、図６に示すように、昇圧動作を行ってキャパシタ３０から負荷に電力を供給する。

第２電圧変換装置１１の回生時の動作について、図５及び図７を参照しながら説明する。回生時であって、負荷からキャパシタ３０に回生電流を供給した場合、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが上昇する。第２電圧変換装置１１は、図５のステップＳ２１において、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outを検知して、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが所定値Ｖ’_outより高くなったか否かを判断する。第２電圧変換装置１１は、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが所定値Ｖ’_outより高くなったと判断した場合、ステップＳ２３において、降圧動作を行う。第２電圧変換装置１１は、図７に示すように、降圧動作を行って負荷からキャパシタ３０に電力を供給する。

以下に、本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置を用いた力行時の電力供給安定化装置制御方法を図８及び図９のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、図９のステップＳ３１において、直流モータ等が起動させる（力行状態）。直流モータ等が起動することによって、負荷が大きくなる。負荷が大きくなるということは、図８に示す端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが低下する（ステップＳ３２）。

次に、ステップＳ３３において、キャパシタ３０側のＤＣＤＣコンバータである第２電圧変換装置１１は、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outを直接検知しているので、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが低くなったことにより、キャパシタ３０から供給される電圧の昇圧動作を行う。尚、キャパシタ３０は、負荷に電力を供給するので、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが下がることになる（ステップＳ３４）。

次に、ステップＳ３５において、電源２０側のＤＣＤＣコンバータである第１電圧変換装置１０は、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capを直接検知しているので、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが低くなったことにより、電源２０から供給される電圧の昇圧動作を行う。

以下に、本発明の実施の形態に係る電力供給安定化装置を用いた回生時の電力供給安定化装置制御方法を図８及び図１０のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、図１０のステップＳ４１において、直流モータ等がブレーキすることにより、負荷が発電機として動作して回生電流を発生させる（回生状態）。直流モータ等が回生電流を発生させることによって、図８に示す端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが上昇する（ステップＳ４２）。

次に、ステップＳ４３において、キャパシタ３０側のＤＣＤＣコンバータである第２電圧変換装置１１は、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outを直接検知しているので、端子４０ａ，４０ｂ間の電圧Ｖ_outが高くなったことにより、キャパシタ３０へ供給される電圧の降圧動作を行う。尚、キャパシタ３０は、負荷から電力を供給されるので、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが上がることになる（ステップＳ４４）。

次に、ステップＳ４５において、電源２０側のＤＣＤＣコンバータである第１電圧変換装置１０は、キャパシタ３０の電圧Ｖ_capを直接検知しているので、キャパシタ３０の端子間電圧Ｖ_capが高くなったことにより、電源２０へ供給される電圧の降圧動作を行う。

実施の形態に係る電力供給安定化装置及び電力供給安定化装置制御方法によれば、第１電圧変換装置１０及び第２電圧変換装置１１を並列に接続し、２段昇圧型又は２段降圧型にすることで、第１電圧変換装置１０及び第２電圧変換装置１１は、それぞれの電圧値を直接検知することができる。したがって、必要なデータを直接取り込むことが可能である第１電圧変換装置１０及び第２電圧変換装置１１は、通信を用いたデータのやりとりが必要なくなり、データの遅れ等が無く処理を行うことができる。また、第１電圧変換装置１０及び第２電圧変換装置１１は、配線処理や外部センサ等が必要なくなり、配線の簡略化をすることができ、部品点数を少なくすることもできる。

更に、実施の形態に係る電力供給安定化装置及び電力供給安定化装置制御方法によれば、電源（二次電池）２０やキャパシタ３０のそれぞれに第１電圧変換装置１０及び第２電圧変換装置１１を用いることで、それぞれで昇圧動作及び降圧動作を行うことができるので、あらゆる負荷変動にも対応して負荷側電圧を一定にすることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、実施の形態において電源２０は、二次電池として記載したが、図１１に示すように、交流の系統電源２１と、系統電源２１から発生した交流を直流に変換する整流器２２とからなる電源であっても構わない。この場合、回生電流は、系統電源２１に供給されることになる。整流器２２としては、ダイオード及び保護ダイオードを有するスイッチ回路等を利用することができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

１０…第１電圧変換装置
１１…第２電圧変換装置
２０…電源
２１…系統電源
２２…整流器
３０…キャパシタ
４０ａ，４０ｂ…端子

Claims (4)

1. 負荷に対して電力を供給する電源と、
   前記電源と並列に接続され、前記負荷に対して電力を供給し、前記負荷で発生した回生電力を充電により蓄えることが可能なキャパシタと、
   前記電源と前記キャパシタとの間で前記電源と並列に接続され、前記キャパシタの端子間電圧を検知して、前記キャパシタの端子間電圧に基づいて前記電源の電圧を変換制御する第１電圧変換装置と、
   前記キャパシタと前記負荷に接続される端子との間で前記キャパシタ及び前記第１電圧変換装置と並列に接続され、前記端子の電圧を検知して、前記端子の電圧に基づいて前記キャパシタの端子間電圧を変換制御する第２電圧変換装置
   とを備え、
   前記第１電圧変換装置は、力行時に、前記キャパシタの端子間電圧が前記キャパシタの定格電圧より低くなった場合に昇圧動作を行い前記電源から前記キャパシタに電力を供給し、回生時に、前記キャパシタの端子間電圧が前記キャパシタの定格電圧より高くなった場合に降圧動作を行い前記キャパシタから前記電源に電力を供給し、
   前記第２電圧変換装置は、力行時に、前記負荷に接続される端子の電圧が前記負荷の定格電圧より低くなった場合に昇圧動作を行い前記キャパシタから前記負荷に電力を供給し、回生時に、前記端子の電圧が前記負荷の定格電圧より高くなった場合に降圧動作を行い前記負荷から前記キャパシタに電力を供給することを特徴とする電力供給安定化装置。
2. 前記電源は、前記負荷で発生した回生電力を充電により蓄えることが可能な二次電池であることを特徴とする請求項１記載の電力供給安定化装置。
3. 前記電源は、交流の系統電源と、前記系統電源から発生した交流を直流に変換する整流器とからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力供給安定化装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給安定化装置の電力供給安定化装置制御方法であって、
   力行時において、第２電圧変換装置が負荷に接続される端子の電圧を検知して、前記端子の電圧が前記負荷の定格電圧より低くなった場合にキャパシタの端子間電圧を昇圧する工程と、第１電圧変換装置が前記キャパシタの電圧を検知して、前記キャパシタの端子間電圧が前記キャパシタの定格電圧より低くなった場合に電源の電圧を昇圧する工程とを含み、
   回生時において、前記第２電圧変換装置が前記端子の電圧を検知して、前記端子の電圧が前記負荷の定格電圧より高くなった場合にキャパシタの端子間電圧を降圧する工程と、前記第１電圧変換装置が前記キャパシタの端子間電圧を検知して、前記キャパシタの端子間電圧が前記キャパシタの定格電圧より高くなった場合に電源の電圧を降圧する工程とを含むことを特徴とする電力供給安定化装置制御方法。

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