JP6031897B2 - 電源システム - Google Patents

Description

この発明は、電源システムに関し、特に、２つの直流電源と負荷との間で電力を授受する電源システムに関する。

特開２０１２−６０８３８号公報（特許文献１）は、第１二次電池および第２二次電池と負荷との間で電力を授受する電源装置において、第１二次電池および第２二次電池の接続状態を切替可能な構成を開示する。この電源装置は、第１二次電池および第２二次電池と、昇圧コンバータとを備え、負荷に対する第１二次電池および第２二次電池の接続状態を切替えるために第１リレーから第４リレーが設けられる（特許文献１参照）。

特開２０１２−６０８３８号公報 特開２０１２−７０５１４号公報

特許文献１に記載の電源装置は、第１リレーから第４リレーを用いて、第１二次電池および第２二次電池の直列接続および並列接続の切替、ならびに第１二次電池および第２二次電池の各々の単独使用を可能とする。しかしながら、上記の電源装置では、第１二次電池および第２二次電池の接続状態を切替えるために４つのリレーが使用される。これにより、上記の電源装置では、回路構成が複雑になるとともに、コストや装置の体格および重量も増大するという問題がある。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な構成で２つの直流電源の接続状態を切替可能な電源システムを提供することである。

この発明によれば、電源システムは、第１および第２の直流電源と、電圧変換装置と、第１および第２の電気素子とを備える。電圧変換装置は、第１の直流電源と負荷との間に設けられる。電圧変換装置は、第１および第２のスイッチング素子と、リアクトルとを含む。第１のスイッチング素子は、負荷に接続される主正母線と第１のノードとの間に接続される。第２のスイッチング素子は、第１のノードと第２のノードとの間に接続される。リアクトルは、第１のノードと第１の直流電源の正極との間に接続される。第１の直流電源の負極は、負荷に接続される主負母線に接続される。第２の直流電源は、主正母線と第２のノードとの間に接続される。第１の電気素子は、第２のノードと主負母線との間に接続され、第２のノードと主負母線との電気的な接続および切離しを行なう。第２の電気素子は、主正母線と第２のノードとの間において第２の直流電源に直列に介挿され、第２の直流電源の不使用時に第２の直流電源の入出力を抑制する。

この発明においては、第２の電気素子により第２の直流電源の入出力を抑制することによって、第２の直流電源を不使用状態（すなわち第１の直流電源の単独使用状態）にすることができる。また、電圧変換装置を停止することによって、第１の直流電源を不使用状態（すなわち第２の直流電源の単独使用状態）にすることができる。さらに、電圧変換装置を作動させるとともに、第１の電気素子によって第２のノードと主負母線とを電気的に接続し、かつ、第２の電気素子による第２の直流電源の入出力抑制をしないことによって、第１および第２の直流電源の並列使用が可能である。また、さらに、第１の電気素子によって第２のノードと主負母線とを電気的に切離すことによって、電圧変換装置の第２のスイッチング素子および第２のノードを介して第１および第２の直流電源を直列に接続可能である。したがって、この発明によれば、簡易な構成で２つの直流電源の接続状態を切替えることが可能となる。

この発明の実施の形態１による電源システムが適用される負荷駆動装置の全体構成図である。 直流電源の各接続モードにおける、電圧変換装置のスイッチング素子およびスイッチの状態を説明するための図である。 モータの負荷に応じた接続モードの切替えを説明するための図である。 実施の形態２による電源システムが適用される負荷駆動装置の全体構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による電源システムが適用される負荷駆動装置の全体構成図である。図１を参照して、負荷駆動装置１は、直流電源１０，２０と、電圧変換装置３０と、インバータ４０と、モータ５０と、スイッチＳａ，Ｓｂと、主正母線ＭＰＬと、主負母線ＭＮＬと、正極線ＰＬとを備える。

直流電源１０，２０の各々は、再充電可能な蓄電装置であり、代表的には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成される。なお、二次電池に代えて、電気二重層キャパシタなどの電池以外の蓄電要素、または電池以外の蓄電要素と電池との組合せによって、各直流電源１０，２０を構成してもよい。

直流電源１０は、電圧変換装置３０に接続される正極線ＰＬと、インバータ４０に接続される主負母線ＭＮＬとの間に接続される。直流電源２０は、電圧変換装置３０およびインバータ４０間に配設される主正母線ＭＰＬと、電圧変換装置３０の負極側における第２のノードＮＤ２との間に接続される。なお、直流電源２０に対しては、主正母線ＭＰＬと第２のノードＮＤ２との間において直流電源２０に直列にスイッチＳｂ（後述）が介挿される。

電圧変換装置３０は、正極線ＰＬと主正母線ＭＰＬとの間で電圧変換可能に構成される。この電圧変換装置３０は、電流可逆型の昇圧チョッパ回路によって構成され、主正母線ＭＰＬの電圧を直流電源１０の出力電圧よりも高い電圧に昇圧可能である。電圧変換装置３０は、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する。）Ｓ１，Ｓ２と、リアクトルＬとを含む。スイッチング素子Ｓ１は、主正母線ＭＰＬと第１のノードＮＤ１との間に電気的に接続される。スイッチング素子Ｓ２は、第１のノードＮＤ１と第２のノードＮＤ２との間に電気的に接続される。そして、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、図示しない制御信号に応答してオン／オフに制御される。リアクトルＬは、第１のノードＮＤ１と正極線ＰＬとの間に電気的に接続される。

なお、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２には、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）等を用いることができる。なお、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の各々には、逆並列ダイオードが接続される。

なお、主正母線ＭＰＬの電圧が目標よりも低い場合、スイッチング素子Ｓ２のオンデューティーを大きくすることによって、リアクトルＬを用いて直流電源１０から主正母線ＭＰＬへ電流を流すことができ、主正母線ＭＰＬの電圧を高めることができる。一方、主正母線ＭＰＬの電圧が目標よりも高い場合、スイッチング素子Ｓ１のオンデューティーを大きくすることによって主正母線ＭＰＬから正極線ＰＬへ電流を流すことができ、主正母線ＭＰＬの電圧を低めることができる。

また、この実施の形態１においては、電圧変換装置３０のスイッチング素子Ｓ２を常時オン（スイッチング素子Ｓ１はオフ）にすることによって、スイッチング素子Ｓ２および第２のノードＮＤ２を介して直流電源１０，２０を直列に接続することができる。この点については、後ほど詳しく説明する。

スイッチＳａは、第２のノードＮＤ２と主負母線ＭＮＬとの間に接続される。スイッチＳａは、図示しない制御信号に応答してオン／オフに制御され、第２のノードＮＤ２と主負母線ＭＮＬとの電気的な接続および切離しを行なう。スイッチＳｂは、主正母線ＭＰＬと第２のノードＮＤ２との間において直流電源２０に直列に介挿される。スイッチＳｂは、図示しない制御信号に応答してオン／オフに制御され、直流電源２０の不使用時（すなわち直流電源１０の単独使用時）に主正母線ＭＰＬから直流電源２０を電気的に切離す。

なお、スイッチＳａ，Ｓｂは、リレーによって構成してもよいし、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と同様にスイッチング素子によって構成してもよい。スイッチＳａ，Ｓｂがスイッチング素子によって構成される場合、スイッチング素子に逆並列ダイオードを接続してもよい。

また、図１では、スイッチＳｂが主正母線ＭＰＬと直流電源２０の正極との間に接続される構成が代表的に示されているが、スイッチＳｂは、直流電源２０の負極と第２のノードＮＤ２との間に接続されてもよい。直流電源１０，２０の接続状態に応じたスイッチＳａ，Ｓｂの動作については、後ほど説明する。

インバータ４０は、主正母線ＭＰＬおよび主負母線ＭＮＬから供給される直流電力を交流電力に変換してモータ５０へ供給し、モータ５０を駆動する。モータ５０は、インバータ４０から供給される電力によって回転駆動力を発生する。たとえば、この負荷駆動装置１が車両に搭載される場合、モータ５０が発生する駆動力を車両の駆動軸に伝達することによって車両を走行させることができる。

なお、モータ５０が発電機能を有する場合には、インバータ４０は、モータ５０によって発電される交流電力を直流電力に変換して主正母線ＭＰＬおよび主負母線ＭＮＬへ出力する。たとえば、負荷駆動装置１が車両に搭載される場合、車両の制動時等に車両の駆動軸から回転力を受けてモータ５０が発電した交流電力をインバータ４０により直流電力に変換して、主正母線ＭＰＬおよび主負母線ＭＮＬへ出力することができる。

この負荷駆動装置１の電源システムにおいては、２つの直流電源１０，２０が設けられ、直流電源１０，２０の接続状態をモータ５０の負荷に応じて切替えることができる。具体的には、直流電源１０のみが用いられる接続モード（モードＡ）、直流電源２０のみが用いられる接続モード（モードＢ）、直流電源１０，２０が並列使用される接続モード（モードＣ）、および直流電源１０，２０が直列接続される接続モード（モードＤ）の４つのモードをモータ５０の負荷に応じて切替えることができる。

一例として、モータ５０の負荷が低いときは、直流電源２０のみのモードＢが選択される。モータ５０の負荷が中程度のときは、直流電源１０の出力を昇圧して利用可能なモードＡ、または直流電源１０，２０の並列使用のモードＣが選択される。なお、モードＣについては、詳細には、直流電源１０は、直流電源２０が接続される主正母線ＭＰＬに電圧変換装置３０を介して電気的に接続される。そして、モータ５０の負荷が高いときは、直列接続のモードＤが選択される。

図２は、直流電源１０，２０の各接続モードにおける、電圧変換装置３０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２およびスイッチＳａ，Ｓｂの状態を説明するための図である。図２とともに図１を参照して、接続モードがモードＡのとき、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、スイッチング制御（オン／オフ）される。スイッチＳａはオンにされ、スイッチＳｂはオフにされる。これにより、電圧変換装置３０は、主正母線ＭＰＬと主負母線ＭＮＬとの間に電気的に接続され、電圧変換動作（昇圧動作）を行なうことができる。一方、直流電源２０は、スイッチＳｂによって主正母線ＭＰＬから電気的に切離される。したがって、直流電源１０の単独使用状態が形成される。

接続モードがモードＢのときは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、いずれもオフにされる。スイッチＳａ，Ｓｂは、いずれもオンにされる。これにより、電圧変換装置３０は停止し、直流電源２０は、スイッチＳｂによって主正母線ＭＰＬと主負母線ＭＮＬとの間に電気的に接続される。したがって、直流電源２０の単独使用状態が形成される。

接続モードがモードＣのときは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、スイッチング制御（オン／オフ）される。スイッチＳａ，Ｓｂは、いずれもオンにされる。これにより、電圧変換装置３０は、主正母線ＭＰＬと主負母線ＭＮＬとの間に電気的に接続され、電圧変換動作（昇圧動作）を行なうことができる。直流電源２０も、スイッチＳｂによって主正母線ＭＰＬと主負母線ＭＮＬとの間に電気的に接続される。したがって、直流電源１０，２０の並列使用状態が形成される。

接続モードがモードＤのときは、スイッチング素子Ｓ１はオフにされ、スイッチング素子Ｓ２はオンにされる。スイッチＳａはオフにされ、スイッチＳｂはオンにされる。これにより、電圧変換装置３０のスイッチング素子Ｓ２および第２のノードＮＤ２を介して直流電源１０，２０が直列に接続される状態が形成される。

図３は、モータ５０の負荷に応じた接続モードの切替えを説明するための図である。図３を参照して、横軸はモータ５０の回転数を示し、縦軸はモータ５０のトルクを示す。モータ５０の負荷が相対的に小さいときは、直流電源２０のみを使用するモードＢが選択される。

モータ５０の負荷が中程度であるときは、直流電源１０のみを使用するモードＡ、または直流電源１０，２０を並列使用するモードＣが選択される。モードＡは、電圧変換装置３０により直流電源１０の出力電圧を昇圧してインバータ４０（図１）へ供給可能であるので、モードＢよりも高い負荷に対応可能である。モードＣは、モードＡの状態にさらに直流電源２０が接続されるので、モードＡよりも高い負荷に対応可能である。したがって、モータ５０の負荷が中程度の領域については、低負荷側ではモードＡが選択され、高負荷側ではモードＣが選択されるようにさらに細分化してもよい。

そして、モータ５０の負荷が相対的に大きいときは、直流電源１０，２０が直列接続されるモードＤが選択される。

なお、モードＢからモードＣへ接続モードが切替えられるときは、電圧変換装置３０の出力電圧の目標を直流電源Ｂ２の電圧レベルに設定して電圧変換装置３０が駆動される。なお、モードＣからモードＢへ接続モードを切替えるときは、電圧変換装置３０を単に停止すればよい。

また、モードＣ，Ｄ間の切替時は、接続状態の切替えに伴なう主正母線ＭＰＬの急激な電圧変動を抑制するために、スイッチＳｂを一旦オフにして直流電源２０を主正母線ＭＰＬから電気的に一旦切離し、モードＡの状態で主正母線ＭＰＬの電圧をモード切替後の電圧レベルに調整してからスイッチＳｂをオンにするのが好ましい。

具体的には、モードＣからモードＤへの切替時は、スイッチＳｂを一旦オフにし、電圧変換装置３０によって主正母線ＭＰＬの電圧を直流電源１０，２０の電圧の和に昇圧してからスイッチＳｂをオンにする。モードＤからモードＣへの切替時も、スイッチＳｂを一旦オフにし、電圧変換装置３０によって主正母線ＭＰＬの電圧を直流電源２０の電圧レベルに降圧してからスイッチＳｂをオンにする。これにより、モードＣ，Ｄ間の切替時における主正母線ＭＰＬの急激な電圧変動を抑制することができる。

以上のように、この実施の形態１においては、スイッチＳｂにより直流電源２０の入出力を抑制（遮断）することによって、直流電源２０を不使用状態（すなわち直流電源１０の単独使用状態）にすることができる。また、電圧変換装置３０を停止することによって、直流電源１０を不使用状態（すなわち直流電源２０の単独使用状態）にすることができる。さらに、電圧変換装置３０を作動させるとともに、スイッチＳａによって第２のノードＮＤ２と主負母線ＭＮＬとを電気的に接続し、かつ、スイッチＳｂによる直流電源２０の入出力抑制をしないことによって、直流電源１０，２０の並列使用が可能である。また、さらに、スイッチＳａによって第２のノードＮＤ２と主負母線ＭＮＬとを電気的に切離すことによって、電圧変換装置３０のスイッチング素子Ｓ２および第２のノードＮＤ２を介して直流電源１０，２０を直列に接続可能である。

したがって、この実施の形態１によれば、簡易な構成で２つの直流電源１０，２０の接続状態を切替えることが可能となる。そして、モータ５０の負荷が低いときは、直流電源２０を単独使用とするモードＢとし、モータ５０の負荷が中程度のときは、直流電源１０を単独使用とするモードＡ、または直流電源１０，２０を並列使用とするモードＣとし、モータ５０の負荷が高いときは、直流電源１０，２０を直列に接続するモードＤとすることによって、低負荷時の高効率動作と高負荷時の高出力動作とを両立することができる。

［実施の形態２］
図４は、実施の形態２による電源システムが適用される負荷駆動装置の全体構成図である。図４を参照して、負荷駆動装置１Ａは、図１に示した負荷駆動装置１の構成において、スイッチＳｂに代えてダイオードＤを備える。ダイオードＤは、直流電源２０の正極にアノードが接続され、主正母線ＭＰＬにカソードが接続される。

この実施の形態２においては、電圧変換装置３０によって主正母線ＭＰＬの電圧を直流電源２０の電圧よりも高いレベルに調整することにより、直流電源１０の単独使用状態を実現できる。また、電圧変換装置３０を停止することによって、直流電源２０の単独使用状態を実現できる。

さらに、スイッチＳａをオンにし、かつ、電圧変換装置３０により主正母線ＭＰＬの電圧を直流電源２０の電圧よりも低いレベルに調整することによって、直流電源１０，２０の並列使用を実現することができる。また、さらに、電圧変換装置３０のスイッチング素子Ｓ２をオン（スイッチング素子Ｓ１はオフ）にするとともにスイッチＳａをオフにすることによって、直流電源１０，２０の直列接続を実現することができる。なお、この実施の形態２では、いずれのモードにおいても、主正母線ＭＰＬから直流電源２０へ電力を回生することはできない。

なお、上記の実施の形態１においては、モードＣ，Ｄ間の切替時は、接続状態の切替えに伴なう主正母線ＭＰＬの急激な電圧変動を抑制するために、スイッチＳｂを一旦オフにするのが好ましいが、この実施の形態２では、そのような処理は不要である。すなわち、モードＣからモードＤへの切替時に、電圧変換装置３０によって主正母線ＭＰＬの電圧を直流電源１０，２０の電圧の和に昇圧しても、ダイオードＤが設けられているので、主正母線ＭＰＬから直流電源２０へ電流が流れることはない。また、モードＤからモードＣへの切替時も、主正母線ＭＰＬから直流電源２０へは電流が流れないので、電圧変換装置３０を作動させて主正母線ＭＰＬの電圧を直流電源２０の電圧レベルに降圧しさえすればよい。

なお、上記においては、ダイオードＤが主正母線ＭＰＬと直流電源２０の正極との間に接続される構成が代表的に示されているが、ダイオードＤは、直流電源２０の負極と第２のノードＮＤ２との間に接続されてもよい。この場合、第２のノードＮＤ２にアノードが接続され、直流電源２０の負極にカソードが接続される。

以上のように、この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様の効果が得られる。そして、実施の形態１におけるスイッチＳｂに代えてダイオードＤが設けられるので、モードＣ，Ｄ間の切替時に実施の形態１のようなスイッチＳｂのオフ操作をする必要がない。したがって、この実施の形態２によれば、モードＣ，Ｄ間の切替レスポンスが向上する。さらに、スイッチＳｂにおいて発生する導通損失も低減できるので、効率が向上する。

なお、上記の実施の形態１，２における負荷駆動装置１，１Ａは、好ましくは、ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両に適用される。この場合、モータ５０は、電動車両を駆動する走行モータであり、または、ハイブリッド車両においてエンジンにより駆動されて発電するモータジェネレータであってもよい。なお、この発明の適用範囲は、電動車両に限定されるものではなく、その他の負荷駆動装置全般に適用可能である。

なお、上記において、直流電源１０は、この発明における「第１の直流電源」の一実施例に対応し、直流電源２０は、この発明における「第２の直流電源」の一実施例に対応する。また、スイッチング素子Ｓ１は、この発明における「第１のスイッチング素子」の一実施例に対応し、スイッチング素子Ｓ２は、この発明における「第２のスイッチング素子」の一実施例に対応する。さらに、スイッチＳａは、この発明における「第１の電気素子」の一実施例に対応し、スイッチＳｂおよびダイオードＤの各々は、この発明における「第２の電気素子」の一実施例に対応する。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 負荷駆動装置、１０，２０ 直流電源、３０ 電圧変換装置、４０ インバータ、５０ モータ、Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子、Ｌ リアクトル、Ｓａ，Ｓｂ スイッチ、ＭＰＬ 主正母線、ＭＮＬ 主負母線、ＰＬ 正極線、ＮＤ１ 第１のノード、ＮＤ２ 第２のノード、Ｄ ダイオード。

Claims (2)

1. 第１の直流電源と、
   前記第１の直流電源と負荷との間に設けられる電圧変換装置とを備え、
   前記電圧変換装置は、
   前記負荷に接続される主正母線と第１のノードとの間に接続される第１のスイッチング素子と、
   前記第１のノードと第２のノードとの間に接続される第２のスイッチング素子と、
   前記第１のノードと前記第１の直流電源の正極との間に接続されるリアクトルとを含み、
   前記第１の直流電源の負極は、前記負荷に接続される主負母線に接続され、さらに
   前記主正母線と前記第２のノードとの間に接続される第２の直流電源と、
   前記第２のノードと前記主負母線との間に接続され、前記第２のノードと前記主負母線との電気的な接続および切離しを行なうための第１の電気素子と、
   前記主正母線と前記第２のノードとの間において前記第２の直流電源に直列に介挿され、前記第２の直流電源の不使用時に前記第２の直流電源の入出力を抑制するための第２の電気素子とを備え、
   前記第１のスイッチング素子、前記第２のスイッチング素子、前記第１の電気素子、及び前記第２の電気素子の各々の電気的な導通状態の組合せに従って、前記第１及び第２の直流電源が直列接続となるモード、前記第１及び第２の直流電源が並列接続となるモード、前記第１の直流電源のみが前記負荷に電力供給するモード、及び前記第２の直流電源のみが前記負荷に電力供給するモードのいずれかが選択され、
   前記第２の直流電源のみが前記負荷に電力供給するモードが選択されている場合には、前記第１及び第２のスイッチング素子はオフに制御され、前記第１の電気素子は電気的に導通状態となり、前記第２の電気素子は前記第２の直流電源の入出力を抑制しない、電源システム。
2. 前記第１の直流電源のみが前記負荷に電力供給するモードが選択されている場合には、前記第１及び第２のスイッチング素子はスイッチング制御され、前記第１の電気素子は電気的に導通状態となり、前記第２の電気素子は前記第２の直流電源の入出力を抑制する、請求項１に記載の電源システム。

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