JP5876940B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、負荷に電源を供給する電源装置に関するものである。
従来から、バッテリとキャパシタとを組み合わせて負荷に電源を供給する電源装置が用いられている。ＪＰ２００６−３４５６０６Ａには、バッテリとキャパシタとが並列に接続される車両用電源システムが開示されている。この電源システムでは、キャパシタとバッテリとから供給される電気エネルギによって、電動モータのインバータを駆動している。
しかしながら、ＪＰ２００６−３４５６０６Ａの電源システムでは、キャパシタの電圧がインバータを駆動可能な電圧よりも低下すると、キャパシタからの電気エネルギではモータの駆動ができなくなる。また、キャパシタは、放電時に電圧が緩やかに降下する二次電池とは異なり、放電時に電圧が直線的に降下する特性を有する。そのため、キャパシタの電圧が降下すると、電気エネルギが残存しているにも関わらず、キャパシタから電気エネルギを供給してインバータを駆動することができなくなっていた。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、キャパシタの電気エネルギを有効に活用することを目的とする。
本発明のある形態によれば、二次電池とキャパシタとを組み合わせて負荷に電源を供給する電源装置であって、前記キャパシタからの前記負荷への電源の供給をスイッチングするスイッチング素子と、前記二次電池の電圧を昇圧して前記負荷に供給可能とするＤＣ−ＤＣコンバータと、前記キャパシタの電圧が前記負荷を駆動可能な最低電圧を下回った場合に、前記スイッチング素子をパルス制御するとともに、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを前記スイッチング素子と交互にパルス電流を出力するように制御し、交互に出力されるパルス電流を合成して前記負荷に電源を供給可能とする制御部と、を備える電源装置が提供される。
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態による電源装置の電気回路図である。 図２は、本発明の実施の形態による電源装置のブロック図である。 図３は、電源装置から負荷への電源供給制御を示すフローチャートである。 図４は、電源装置の作用を説明する図である。
以下、図１から図４を参照して、本発明の実施の形態による電源装置１００について説明する。
まず、図１及び図２を参照して、電源装置１００の構成について説明する。
電源装置１００は、二次電池１とキャパシタ２とを組み合わせて負荷に電源を供給するものである。この負荷は、二次電池１とキャパシタ２とから電源が供給されて電動機５を駆動するインバータ５０である。電源装置１００は、ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ハイブリッド車両）やＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：電動車両）などに適用される。
最初に、電源装置１００から電源が供給されるインバータ５０と、インバータ５０によって駆動される電動機５とについて説明する。
電動機５は、ＨＥＶやＥＶに搭載される駆動用モータである。電動機５は、三相交流で回転磁界を生成して駆動される三相誘導モータジェネレータである。電動機５は、Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相をそれぞれ構成する複数のコイル（図示省略）を内周に有する固定子と、永久磁石を有し固定子の内周を回転する回転子とを備える。電動機５は、固定子が車体（図示省略）に固定され、回転子の回転軸が車輪の車軸（図示省略）に連結される。電動機５は、電気エネルギを車輪の回転に変換することが可能であるとともに、車輪の回転を電気エネルギに変換することが可能である。
インバータ５０は、二次電池１とキャパシタ２とから供給された直流電力から交流電力を生成する電流変換機である。インバータ５０は、定格電圧が６００Ｖであり、駆動可能な最低電圧が３５０Ｖである。この最低電圧が、負荷を駆動可能な最低電圧に該当する。
インバータ５０は、二次電池１とキャパシタ２とから供給された直流電力を、１２０度ずつ位相のずれたＵ相，Ｖ相，及びＷ相からなる三層の交流に変換して電動機５に供給する。
インバータ５０は、正側電力線５１ａと、負側電力線５１ｂと、Ｕ相電力線５１ｕと、Ｖ相電力線５１ｖと、Ｗ相電力線５１ｗとを有する。正側電力線５１ａは、二次電池１及びキャパシタ２の正極に接続される。負側電力線５１ｂは、二次電池１及びキャパシタ２の負極に接続される。正側電力線５１ａと負側電力線５１ｂとの間には、Ｕ相電力線５１ｕ，Ｖ相電力線５１ｖ，及びＷ相電力線５１ｗが設けられる。また、正側電力線５１ａと負側電力線５１ｂとの間には、二次電池１及びキャパシタ２とインバータ５０との間で授受される直流電力を平滑化する平滑コンデンサ５５が並列接続される。
インバータ５０は、六つのスイッチング素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）５３ｕ，５４ｕ，５３ｖ，５４ｖ，５３ｗ，及び５４ｗを有している。これらのＩＧＢＴ５３ｕ〜５４ｗは、逆方向に並列接続される整流ダイオードを有するダイオード付きＩＧＢＴである。
ＩＧＢＴ５３ｕとＩＧＢＴ５４ｕとは、Ｕ相電力線５１ｕに直列に設けられる。Ｕ相電力線５１ｕは、ＩＧＢＴ５３ｕとＩＧＢＴ５４ｕとの間が、電動機５のＵ相を構成するコイルに接続される。ＩＧＢＴ５３ｖとＩＧＢＴ５４ｖとは、Ｖ相電力線５１ｖに直列に設けられる。Ｖ相電力線５１ｖは、ＩＧＢＴ５３ｖとＩＧＢＴ５４ｖとの間が、電動機５のＶ相を構成するコイルに接続される。ＩＧＢＴ５３ｗとＩＧＢＴ５４ｗとは、Ｗ相電力線５１ｗに直列に設けられる。Ｗ相電力線５１ｗは、ＩＧＢＴ５３ｗとＩＧＢＴ５４ｗとの間が、電動機５のＷ相を構成するコイルに接続される。
インバータ５０は、ＩＧＢＴ５３ｕ，５４ｕ，５３ｖ，５４ｖ，５３ｗ，及び５４ｗが、モータコントローラ（図示省略）によって制御されることによって、交流電流を生成して電動機５を駆動している。
次に、電源装置１００の構成について説明する。
電源装置１００は、二次電池１を有する二次電池電源部１１と、キャパシタ２を有するキャパシタ電源部２１と、二次電池１とキャパシタ２とからのインバータ５０への電源の供給を制御する制御部としてのコントローラ３０（図２参照）とを備える。二次電池電源部１１とキャパシタ電源部２１とは、並列に接続される。つまり、二次電池１とキャパシタ２とは、並列に接続される。
二次電池１は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などの化学電池である。ここでは、二次電池１の電圧は、３００Ｖに設定される。二次電池１には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）を検出し、対応する信号をコントローラ３０に送信する二次電池ＳＯＣ検出器１ａ（図２参照）が設けられる。
キャパシタ２は、直列に複数接続して所望の電圧に設定されるとともに、並列に複数接続して所望の蓄電容量に設定される電気二重層キャパシタである。ここでは、キャパシタ２の電圧は、６００Ｖに設定される。キャパシタ２には、電圧を検出し、対応する信号をコントローラ３０に送信するキャパシタ電圧検出器２ａ（図２参照）が設けられる。
キャパシタ電源部２１は、キャパシタ２からのインバータ５０への電源の供給をスイッチングするスイッチング素子２５を備える。
スイッチング素子２５は、コントローラ３０によって開閉制御される。スイッチング素子２５は、接続状態に切り換えられたときに、キャパシタ２からインバータ５０に電源を直接供給可能とするものである。スイッチング素子２５は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などの電気的に高速で開閉制御可能なスイッチである。
スイッチング素子２５は、キャパシタ２の電圧が電動機５を駆動可能な電圧である場合には、キャパシタ２からインバータ５０に連続的に電源を供給するように接続状態に切り換えられる。スイッチング素子２５が遮断状態に切り換えられると、キャパシタ２からインバータ５０に電源を供給することはできなくなる。
また、スイッチング素子２５は、接続状態に切り換えられたときに、電動機５によって発電された電力をキャパシタ２に直接充電可能とする。これにより、キャパシタ２の充電時のエネルギロスを減らすことができる。
二次電池電源部１１は、キャパシタ２からの電源だけではインバータ５０を駆動できなくなった場合に、二次電池１の電圧を昇圧して電動機５に供給可能とするＤＣ−ＤＣコンバータ１５を備える。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、二次電池１の電圧を昇圧して電動機５に供給可能とするとともに、電動機５によって発電された電力を降圧して二次電池１に充電することが可能である。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、二次電池１の下流に設けられるリアクトル１６と、リアクトル１６と電動機５の上流との間に設けられ、スイッチングによって電動機５からの充電電圧を降圧可能な降圧制御トランジスタ１７と、リアクトル１６と電動機５の下流との間に設けられ、リアクトル１６の電流をスイッチングして、電動機５へ供給される供給電圧を誘導起電力によって昇圧可能な昇圧制御トランジスタ１８とを備える。
リアクトル１６は、昇圧制御トランジスタ１８がオンのときにエネルギを蓄積する。そして、昇圧制御トランジスタ１８がオフになったときには、キャパシタ２から入力される電圧と、リアクトル１６に蓄積されたエネルギによる誘導起電力とが出力される。これにより、リアクトル１６は、昇圧制御トランジスタ１８によるスイッチングによって、入力電圧を昇圧して出力することが可能である。
昇圧制御トランジスタ１８は、コントローラ３０によってスイッチングされる。昇圧制御トランジスタ１８は、逆方向に並列接続される整流ダイオードを有するダイオード付きＩＧＢＴである。昇圧制御トランジスタ１８は、リアクトル１６の電流をスイッチングして、電動機５へ供給される供給電圧を誘導起電力によって昇圧することが可能である。
昇圧制御トランジスタ１８がオンにスイッチングされると、キャパシタ２の正極からの電流は、リアクトル１６と昇圧制御トランジスタ１８とを経由してキャパシタ２の負極に流れる。この電流のループによって、リアクトル１６にエネルギが蓄積される。
降圧制御トランジスタ１７は、コントローラ３０によってスイッチングされる。降圧制御トランジスタ１７は、逆方向に並列接続される整流ダイオードを有するダイオード付きＩＧＢＴである。降圧制御トランジスタ１７は、スイッチングによって電動機５からの充電電圧を降圧可能なものである。降圧制御トランジスタ１７は、電動機５が発電した電力を、チョッパ制御によって降圧してキャパシタ２に充電するものである。
平滑コンデンサ１９は、降圧制御トランジスタ１７がチョッパ制御を行って出力された電圧を平滑化するものである。これにより、電動機５によって発電された電力をキャパシタ２に充電する際の電圧を平滑化して安定させることができる。
コントローラ３０（図２参照）は、電源装置１００の制御を行うものである。コントローラ３０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＩ／Ｏインターフェース（入出力インターフェース）を備えたマイクロコンピュータである。ＲＡＭは、ＣＰＵの処理におけるデータを記憶する。ＲＯＭは、ＣＰＵの制御プログラム等を予め記憶する。Ｉ／Ｏインターフェースは、接続された機器との情報の入出力に使用される。ＣＰＵやＲＡＭなどを、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って動作させることによって、電源装置１００の制御が実現される。
次に、図３及び図４を参照して、コントローラ３０による電源装置１００の制御について説明する。コントローラ３０は、図３に示されるルーチンを、例えば１０ミリ秒ごとの一定時間隔で繰り返し実行する。図４では、横軸は時間であり、縦軸は上から順に電動機５の駆動力，キャパシタ２の出力電圧，二次電池１の出力電圧，及びインバータ５０の入力電圧である。
ステップ１０１では、コントローラ３０は、キャパシタ電圧検出器２ａが検出したキャパシタ２の電圧を読み込む。
ステップ１０２では、コントローラ３０は、キャパシタ２の電圧が第一設定電圧以上であるか否かを判定する。ステップ１０２にて、キャパシタ２の電圧が第一設定電圧以上であると判定された場合には、ステップ１０３に移行して、リターンする。
この第一設定電圧は、インバータ５０を駆動可能な最低電圧と比較して余裕電圧分だけ高い値に設定される。ここでは、インバータ５０を駆動可能な最低電圧は３５０Ｖであるため、第一設定電圧は、３５０Ｖよりも少し高い値に設定される。
ステップ１０３では、コントローラ３０は、スイッチング素子２５を接続状態とする。これにより、キャパシタ２からインバータ５０に連続的に電源が供給されて、電動機５が駆動されることとなる。
この状態は、図４におけるｔ０からｔ１の間の時間に相当する。具体的には、ｔ０から電動機５によるＥＶ走行が開始され、キャパシタ２の電圧は、消費された電気エネルギの分だけ比例的に降下する。そして、このＥＶ走行は、キャパシタ２の電圧がインバータ５０を駆動可能な最低電圧に近づき、上述した第一設定電圧を下回るまで継続される。
このとき、キャパシタ２からインバータ５０に電源が直接供給されるため、エネルギロスが小さい。よって、キャパシタ２の特性を活かして、大電流を瞬時にインバータ５０に供給することが可能である。
一方、ステップ１０２にて、キャパシタの電圧が第一設定電圧よりも低いと判定された場合には、ステップ１０４に移行する。このとき、キャパシタ２内には、電気エネルギが残存している。電気エネルギの減少が電圧の降下に比例すると考えた場合、６００Ｖから３５０Ｖまで降圧したキャパシタ２内には、フル充電のときを１００％とすると約３４％の電気エネルギが残存していることとなる。
従来は、キャパシタ２の電圧がインバータ５０を駆動可能な最低電圧を下回ると、キャパシタ２内に電気エネルギが残存しているにも関わらず、キャパシタ２からのインバータ５０の駆動は行われなかった。そこで、電源装置１００では、以下のようにして、キャパシタ２内に残存する電気エネルギを利用している。
ステップ１０４では、コントローラ３０は、キャパシタ２の電圧が第二設定電圧以上であるか否かを判定する。ステップ１０４にて、キャパシタ２の電圧が第二設定電圧以上であると判定された場合には、ステップ１０５に移行して、リターンする。一方、ステップ１０４にて、キャパシタの電圧が第二設定電圧よりも低いと判定された場合には、ステップ１０６に移行して、リターンする。
この第二設定電圧は、キャパシタ２が作動可能な最低電圧である最低作動電圧と比較して余裕電圧分だけ高い値に設定される。また、第二設定電圧は、上述した第一設定電圧と比較して低い値に設定される。
ステップ１０５では、コントローラ３０は、スイッチング素子２５をパルス制御するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５をスイッチング素子２５と交互にパルス電流を出力するように制御し、交互に出力されるパルス電流を合成してインバータ５０に電源を供給可能とする。
この状態は、図４におけるｔ１からｔ２の間の時間に相当する。具体的には、ｔ１において、キャパシタ２の電圧が第一設定電圧よりも低くなると、まず、コントローラ３０は、スイッチング素子２５を遮断状態とし、キャパシタ２からインバータ５０への電源の供給を停止する。同時に、コントローラ３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を制御して、二次電池１からの電源を第一設定電圧よりも高い電圧まで昇圧して、二次電池１からインバータ５０へ電源を供給させる。次に、コントローラ３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を制御して、二次電池１からインバータ５０への電源の供給を停止する。同時に、コントローラ３０は、スイッチング素子２５を接続状態とし、キャパシタ２からインバータ５０へ電源を供給させる。
コントローラ３０は、これらの動作を高速で繰り返して実行することで、キャパシタ２からのパルス電流と二次電池１からのパルス電流とを合成する。これにより、インバータ５０へは、インバータ５０を駆動可能な最低電圧よりも高い電圧となった電源が供給されることとなる。よって、ｔ０から開始されたＥＶ走行がｔ１を過ぎてもｔ２まで継続されることとなる。このＥＶ走行は、キャパシタ２の電圧が最低作動電圧に近づき、上述した第二設定電圧を下回るまで継続される。
このとき、インバータ５０へ入力される電源は、平滑コンデンサ５５によって電圧の増減が平滑化される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、キャパシタ２の電圧の降下に応じて二次電池１の電圧を昇圧するゲインを大きくする。これにより、キャパシタ２の電圧が降下してきても、その分を補うことができる。
以上のように、コントローラ３０は、キャパシタ２の電圧がインバータ５０を駆動可能な最低電圧を下回った場合に、スイッチング素子２５をパルス制御するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５をスイッチング素子２５と交互にパルス電流を出力するように制御し、交互に出力されるパルス電流を合成してインバータ５０に電源を供給可能とする。
これにより、キャパシタ２の電圧がインバータ５０を駆動可能な最低電圧を下回っても、スイッチング素子２５とＤＣ−ＤＣコンバータ１５との制御によって、キャパシタ２と二次電池１とから交互に出力されるパルス電流が合成されてインバータ５０に電源が供給される。したがって、キャパシタ２内に残存した電気エネルギを用いてインバータ５０を駆動することができ、キャパシタ２の電気エネルギを有効に活用することができる。
また、キャパシタ２の電気エネルギを有効に活用できるため、同じ電気エネルギをインバータ５０に出力するために必要なキャパシタ２の容量を小さくできる。よって、キャパシタ２の小型軽量化が可能である。また、電源装置１００がＨＥＶに適用される場合には、従来と比較してＥＶ走行可能な距離が長くなるため、エンジンによる燃料消費量を低減することができる。
一方、ステップ１０６では、コントローラ３０は、スイッチング素子２５を遮断状態に切り換えるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を制御して二次電池１からインバータ５０に連続的に電源を供給可能とする。ステップ１０６では、キャパシタ２内の電気エネルギは既に使用不可能なレベルまで減少しているため、二次電池１を用いてインバータ５０を駆動する。具体的には、二次電池１の電圧を３００Ｖから上述した第一設定電圧まで昇圧させて、インバータ５０を駆動する。
つまり、キャパシタ２の電圧が第二設定電圧よりも低くなった場合には、キャパシタ２からインバータ５０への電源の供給が停止され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５を介して二次電池１のみからインバータ５０へ電源が供給される。
この状態は、図４におけるｔ２からｔ３の間の時間に相当する。具体的には、二次電池１の電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１５によって昇圧されてインバータ５０に供給されるため、ｔ０から開始されたＥＶ走行がｔ２を過ぎてもｔ３まで継続されることとなる。
そして、このＥＶ走行は、二次電池ＳＯＣ検出器１ａによって検出された二次電池１のＳＯＣが設定値を下回るまで継続可能である。なお、ＨＥＶの場合には、二次電池ＳＯＣ検出器１ａによって検出された二次電池１のＳＯＣが設定値を下回っても、車両のエンジン（図示省略）が作動して、エンジンからの駆動力によって走行することが可能である。
以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。
電源装置１００では、キャパシタ２の電圧がインバータ５０を駆動可能な最低電圧を下回った場合には、コントローラ３０は、スイッチング素子２５とＤＣ−ＤＣコンバータ１５とを制御し、キャパシタ２と二次電池１とから交互に出力されるパルス電流を合成してインバータ５０に電源を供給可能とする。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は、二次電池１の電圧を昇圧することができる。
そのため、キャパシタ２からのパルス電流に、昇圧された二次電池１からのパルス電流を合成することで、インバータ５０に供給される電源の電圧を、インバータ５０を駆動可能な電圧まで昇圧することが可能である。したがって、キャパシタ２内に残存した電気エネルギを用いてインバータ５０を駆動することができ、キャパシタ２の電気エネルギを有効に活用することができる。
また、キャパシタ２の電気エネルギを有効に活用できるため、同じ電気エネルギをインバータ５０に出力するために必要なキャパシタ２の容量を小さくできる。よって、キャパシタ２の小型軽量化が可能である。また、電源装置１００がＨＥＶに適用される場合には、従来と比較してＥＶ走行可能な距離が長くなるため、エンジンによる燃料消費量を低減することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、上述した実施の形態における電圧などの数値は例示したものであり、これらの数値に限定されるものではない。
また、上述した実施の形態では、電源装置１００はコントローラ３０によって制御され、インバータ５０はモータコントローラ（図示省略）によって制御される。これに代えて、電源装置１００とインバータ５０とを単一のコントローラによって制御するようにしてもよい。
また、上述した各々のＩＧＢＴは、逆方向に並列接続される整流ダイオードを有するダイオード付きＩＧＢＴである。これに代えて、ダイオードを内蔵しないＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに逆方向に並列接続される整流ダイオードとを、それぞれ別々に設けてもよい。
この発明の実施例が包含する排他的性質又は特徴は、以下のようにクレームされる。

Claims (5)

  1. 二次電池とキャパシタとを組み合わせて負荷に電源を供給する電源装置であって、
    前記キャパシタからの前記負荷への電源の供給をスイッチングするスイッチング素子と、
    前記二次電池の電圧を昇圧して前記負荷に供給可能とするＤＣ−ＤＣコンバータと、
    前記キャパシタの電圧が前記負荷を駆動可能な最低電圧を下回った場合に、前記スイッチング素子をパルス制御するとともに、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを前記スイッチング素子と交互にパルス電流を出力するように制御し、交互に出力されるパルス電流を合成して前記負荷に電源を供給可能とする制御部と、を備える電源装置。
  2. 請求項１に記載の電源装置において、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記キャパシタの電圧の降下に応じて前記二次電池の電圧を昇圧するゲインを大きくする電源装置。
  3. 請求項１に記載の電源装置において、
    前記スイッチング素子は、前記キャパシタの電圧が前記負荷を駆動可能な電圧である場合には、前記キャパシタから前記負荷に連続的に電源を供給可能とする電源装置。
  4. 請求項１に記載の電源装置において、
    前記制御部は、前記キャパシタの電圧が前記負荷を駆動可能な最低電圧と比較して余裕電圧分だけ高い電圧よりも低くなった場合に、前記スイッチング素子をパルス制御するとともに、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを前記スイッチング素子と交互にパルス電流を出力するように制御し、交互に出力されるパルス電流を合成して前記負荷に電源を供給可能とする電源装置。
  5. 請求項１に記載の電源装置において、
    前記制御部は、前記キャパシタの電圧が当該キャパシタの最低作動電圧と比較して余裕電圧分だけ高い電圧よりも低くなった場合に、前記スイッチング素子を遮断状態に切り換えるとともに、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して前記二次電池から前記負荷に連続的に電源を供給可能とする電源装置。
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