JP6055486B2 - 電源装置 - Google Patents

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、バッテリとキャパシタ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、前記二次電池に並列に接続されるキャパシタと、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、前記二次電池に並列に接続され前記二次電池から供給される電流によってエネルギを蓄える一次コイルと、前記一次コイルから蓄えられたエネルギによって誘導電流が流れる二次コイルと、を有する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記キャパシタに対して直列に、前記二次コイルを正方向と逆方向とに選択的に接続するスイッチング回路と、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、本発明の第一の実施の形態に係る電源装置の電気回路図である。 図２は、本発明の第一の実施の形態に係る電源装置のブロック図である。 図３は、本発明の第一の実施の形態に係る電源装置の作用を説明する図である。 図４は、本発明の第二の実施の形態に係る電源装置の電気回路図である。 図５は、本発明の第二の実施の形態に係る電源装置のブロック図である。

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。

（第一の実施の形態）
以下、図１から図３を参照して、本発明の第一の実施の形態に係る電源装置１００について説明する。

電源装置１００は、二次電池１と、二次電池１に並列に接続されるキャパシタ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及びキャパシタ２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。

まず、図１を参照して、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圧電流変換機である。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４００Ｖである。この最低電圧が、負荷の最低作動電圧に該当する。

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相からなる三相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流の電圧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、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、二次電池１の電気エネルギを利用してキャパシタ２にバイアス電圧を付加する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、単に「ＤＣ−ＤＣコンバータ」と称する）１０と、キャパシタ２に対してバイアス電圧を正方向と逆方向とに選択的に付加するスイッチング回路としてのＨブリッジ回路２０と、二次電池１の電圧を昇圧してインバータ５０に電流を供給可能な非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、単に「ＤＣ−ＤＣコンバータ」と称する。）３０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０，Ｈブリッジ回路２０，及びＤＣ−ＤＣコンバータ３０を制御するコントローラ４０（図２参照）とを備える。

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、電圧を検出し、対応する信号をコントローラ４０に送信する二次電池電圧検出器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、７００Ｖ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４０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。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、二次電池１に並列に接続される一次コイル１１と、キャパシタ２に直列に接続される二次コイル１２と、一次コイル１１に流れる電流によってエネルギが蓄積されるトランスコア１３と、一次コイル１１と直列に設けられるスイッチング素子としてのＩＧＢＴ１４と、二次コイル１２に並列接続される平滑コンデンサ１５とを有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、二次コイル１２から出力される電圧を調整するフライバック式コンバータである。

一次コイル１１は、二次電池１からの電流が直接供給されるものである。一次コイル１１には、コントローラ４０によってＩＧＢＴ１４がスイッチングされることで、間歇的に電流が流れる。一次コイル１１は、二次電池１から供給される電流によってトランスコア１３にエネルギを蓄積する。

トランスコア１３は、ＩＧＢＴ１４がオンに切り換えられると、一次コイル１１に流れる電流によって磁化される。これにより、トランスコア１３には、磁気エネルギが蓄積される。トランスコア１３に蓄積された磁気エネルギは、ＩＧＢＴ１４がオフに切り換えられると、二次コイル１２に流れる誘導電流に変換される。

二次コイル１２には、一次コイル１１からトランスコア１３に蓄えられたエネルギによって誘導電流が流れる。二次コイル１２には、二次電池１の電圧と比較して低い電圧の誘導電流が流れる。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、降圧コンバータである。

ＩＧＢＴ１４は、コントローラ４０によってチョッパ制御される。ＩＧＢＴ１４は、チョッパ制御のデューティ比を変更することによって、二次コイル１２に流れる誘導電流の電圧を調整する。二次コイル１２に流れる誘導電流は、ＩＧＢＴ１４のデューティ比が高くなるほど高電圧となる。

平滑コンデンサ１５は、ＩＧＢＴ１４がチョッパ制御されることによって二次コイル１２に間歇的に流れる誘導電流の電圧を平滑化する。これにより、二次コイル１２に流れる誘導電流は、電圧が略一定の直流電流となる。

Ｈブリッジ回路２０は、キャパシタ２に対して直列に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の二次コイル１２を正方向と逆方向とに選択的に接続する。Ｈブリッジ回路２０は、二次コイル１２のプラス端子とマイナス端子との間にＨ型に配置される四個のスイッチング素子としてのＩＧＢＴ２１〜２４を有する。

ＩＧＢＴ２１〜２４は、コントローラ４０によってスイッチングされる。ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２３とは、二次コイル１２の正側電力線２５ａと負側電力線２５ｂとの間に、第一の接点２６ａを挟んで直列に接続して設けられる。ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２３とは、排他的にオンに切り換えられる。ＩＧＢＴ２２とＩＧＢＴ２４とも同様に、二次コイル１２の正側電力線２５ａと負側電力線２５ｂとの間に、第二の接点２６ｂを挟んで直列に接続して設けられる。ＩＧＢＴ２２とＩＧＢＴ２４とは、排他的にオンに切り換えられる。

Ｈブリッジ回路２０は、第一の接点２６ａと第二の接点２６ｂとを介してキャパシタ２と二次コイル１２とを直列に接続する。Ｈブリッジ回路２０は、ＩＧＢＴ２１〜２４のうち一対を接続状態とすることでキャパシタ２に正のバイアス電圧を付加し、ＩＧＢＴ２１〜２４のうち残りの一対を接続状態とすることでキャパシタ２に負のバイアス電圧を付加する。

具体的には、ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２４とがオンに切り換えられた場合には、二次コイル１２は、キャパシタ２に正方向に接続される。よって、キャパシタ２の電圧に、正のバイアス電圧が付加される。一方、ＩＧＢＴ２２とＩＧＢＴ２３とがオンに切り換えられた場合には、二次コイル１２は、キャパシタ２に逆方向に接続される。よって、キャパシタ２の電圧に、負のバイアス電圧が付加される。

このように、Ｈブリッジ回路２０が設けられることで、キャパシタ２の見かけ上の電圧を、キャパシタ２の電圧とバイアス電圧との合計の電圧に調整することができる。

なお、Ｈブリッジ回路２０は、ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２２とをオンに切り換えるか、又は、ＩＧＢＴ２３とＩＧＢＴ２４とをオンに切り換えることで、キャパシタ２から二次コイル１２を切り離すことができる。この場合、インバータ５０の正側電力線５１ａと負側電力線５１ｂとの間には、キャパシタ２のみが接続されることとなる。また、Ｈブリッジ回路２０は、ＩＧＢＴ２１〜２４を全てオフに切り換えることで、電源装置１００からキャパシタ２を切り離すことができる。この場合、インバータ５０へは、二次電池１のみから電源が供給されることとなる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、二次電池１の電圧を昇圧してインバータ５０に電力を供給するとともに、インバータ５０からの回生電力を降圧して二次電池１に充電可能である。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、二次電池１の電圧を３００Ｖから６００Ｖまで昇圧することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、二次電池１の下流に設けられるリアクトル３１と、リアクトル３１と電動機５の上流との間に設けられる降圧制御トランジスタ３２と、リアクトル３１と電動機５の下流との間に設けられる昇圧制御トランジスタ３３と、二次電池１に並列に接続される平滑コンデンサ３４とを備える。

リアクトル３１は、昇圧制御トランジスタ３３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３３がオフになったときには、二次電池１から入力される電圧と、リアクトル３１に蓄積されたエネルギによる誘導起電力とが、降圧制御トランジスタ３２の整流ダイオードを通じて出力される。これにより、リアクトル３１は、昇圧制御トランジスタ３３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３３は、コントローラ４０によってスイッチングされる。昇圧制御トランジスタ３３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３３は、リアクトル３１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３３がオンにスイッチングされると、二次電池１の正極からの電流は、リアクトル３１と昇圧制御トランジスタ３３とを経由して二次電池１の負極に流れる。この電流のループによって、リアクトル３１にエネルギが蓄積される。

降圧制御トランジスタ３２は、コントローラ４０によってスイッチングされる。降圧制御トランジスタ３２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３２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３２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二次電池１に充電するものである。

平滑コンデンサ３４は、降圧制御トランジスタ３２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二次電池１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４０（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４０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、主に図３を参照して、電源装置１００の作用について説明する。図３では、横軸は、キャパシタ２の電圧（Ｖ）であり、縦軸は、キャパシタ２の蓄電エネルギ（％）である。図３において、実線の曲線は、キャパシタ２にバイアス電圧が付加されない標準状態の場合の、電圧と蓄電エネルギとの関係を示すグラフである。一点鎖線の曲線は、−１００Ｖのバイアス電圧が付加された場合と、＋１００Ｖのバイアス電圧が付加された場合との、キャパシタ２の見かけ上の電圧と蓄電エネルギとの関係を示すグラフである。また、太実線の曲線は、電源装置１００におけるキャパシタ２の見かけ上の電圧と蓄電エネルギとの関係を示すグラフである。

まず、比較例として、キャパシタ２にバイアス電圧を付加しないで、キャパシタ２が単体でインバータ５０に電力を供給する場合について説明する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０による昇圧後の二次電池１の定格電圧は６００Ｖである。そして、インバータ５０の最低作動電圧は４００Ｖである。よって、キャパシタ２は、電圧が４００Ｖから６００Ｖの範囲でのみインバータ５０を駆動することができる。キャパシタ２は、電圧が４００Ｖを下回った場合や６００Ｖを上回った場合には、インバータ５０を駆動することができない。

これに対して、電源装置１００では、キャパシタ２に正のバイアス電圧と負のバイアス電圧とを付加する。図３に示す例では、−１００Ｖから＋１００Ｖの範囲で正負のバイアス電圧をキャパシタ２に付加している。この場合には、以下のように動作する。

キャパシタ２がフル充電されている場合には、コントローラ４０は、Ｈブリッジ回路２０のＩＧＢＴ２２とＩＧＢＴ２３とをオンに切り換える。そして、コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を制御して二次電池１の電圧を１００Ｖに降圧し、二次コイル１２からキャパシタ２に−１００Ｖの負のバイアス電圧を付加する。これにより、キャパシタ２の電圧とバイアス電圧との合計は６００Ｖとなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０によって昇圧された二次電池１の電圧と等しくなる。よって、キャパシタ２の電圧が６００Ｖを上回った場合にも、二次電池１とキャパシタ２とからインバータ５０に電源を供給して電動機５を駆動することができる。

キャパシタ２からインバータ５０に電源を供給して電動機５を駆動すると、キャパシタ２の電圧は比例的に降下する。このとき、コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を制御して、キャパシタ２に付加する負のバイアス電圧を徐々に小さくする。同時に、コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０を制御して、昇圧後の二次電池の電圧がキャパシタ２とバイアス電圧との合計と等しくなるようにする。

キャパシタ２の電圧が更に降圧した場合には、コントローラ４０は、Ｈブリッジ回路２０のＩＧＢＴ２２とＩＧＢＴ２３とをオフに切り換えるとともに、ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２４とをオンに切り換える。そして、コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を制御して二次電池１の電圧を降圧し、二次コイル１２からキャパシタ２に正のバイアス電圧を付加する。

キャパシタ２の電圧が３００Ｖまで降下した場合には、コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を制御して二次電池１の電圧を１００Ｖに降圧し、二次コイル１２からキャパシタ２に＋１００Ｖの正のバイアス電圧を付加する。これにより、電源装置１００では、キャパシタ２の電圧が３００Ｖを下回るまで、二次電池１とキャパシタ２とからインバータ５０に電源を供給して電動機５を駆動することができる。

以上より、電源装置１００では、キャパシタ２の電圧が４００Ｖを下回っても、キャパシタ２の電圧とバイアス電圧との合計を４００Ｖ以上とすることができる。よって、キャパシタ２の電圧が４００Ｖを下回った場合にも、二次電池１とキャパシタ２とからインバータ５０に電源を供給して電動機５を駆動することができる。

従来は、キャパシタ２の電圧がインバータ５０の最低作動電圧を下回ると、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の電気エネルギを用いてインバータ５０を駆動することはできなかった。インバータ５０を駆動可能な最低電圧は４００Ｖであるため、キャパシタ２の電圧が４００Ｖを下回ると、キャパシタ２の電気エネルギを用いてインバータ５０を駆動することはできなかった。

これに対して、電源装置１００では、キャパシタ２の電圧が降下したときには、Ｈブリッジ回路２０が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によって降圧された二次電池１の電圧をキャパシタ２に正方向に接続して、キャパシタ２に正のバイアス電圧を付加することができる。よって、キャパシタ２の電圧が降下しても、バイアス電圧によって見かけ上の電圧を上昇させることで、キャパシタ２内に残存している電気エネルギを供給してインバータ５０を駆動することができる。したがって、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、電源装置１００では、キャパシタ２に正のバイアス電圧だけでなく負のバイアス電圧も付加することができる。これにより、キャパシタ２の利用可能な電圧の範囲を低電圧側だけでなく高電圧側にも拡げることができるため、キャパシタ２の電気エネルギを更に有効に活用することができる。

このように、電源装置１００では、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。

以上の第一の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

キャパシタ２の電圧が降下したときには、Ｈブリッジ回路２０が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によって降圧された二次電池１の電圧をキャパシタ２に正方向に接続して、キャパシタ２に正のバイアス電圧を付加することができる。よって、キャパシタ２の電圧が降下しても、バイアス電圧によって見かけ上の電圧を上昇させることで、キャパシタ２内に残存している電気エネルギを供給してインバータ５０を駆動することができる。したがって、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、電源装置１００では、キャパシタ２に正のバイアス電圧だけでなく負のバイアス電圧も付加することができる。これにより、キャパシタ２の利用可能な電圧の範囲を低電圧側だけでなく高電圧側にも拡げることができるため、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。

なお、本実施の形態では、−１００Ｖから＋１００Ｖの範囲で正負のバイアス電圧をキャパシタ２に付加しているが、このバイアス電圧の範囲を更に広い範囲に拡大すれば、キャパシタ２の電気エネルギを更に有効に活用することができる。

（第二の実施の形態）
以下、図４及び図５を参照して、本発明の第二の実施の形態に係る電源装置２００について説明する。なお、第二の実施の形態では、前述した第一の実施の形態と同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

第二の実施の形態では、複数のキャパシタ２，２０２が並列に設けられる点で、第一の実施の形態とは相違する。

電源装置２００は、二次電池１と、二次電池１に並列に接続されるキャパシタ２と、同じく二次電池１に並列に接続されるキャパシタ２０２とを組み合わせてインバータ５０に電源を供給するものである。

電源装置２００は、キャパシタ２０２と、二次電池１の電気エネルギを利用してキャパシタ２にバイアス電圧を付加する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、単に「ＤＣ−ＤＣコンバータ」と称する）２１０と、キャパシタ２に対してバイアス電圧を正方向と逆方向とに選択的に付加するスイッチング回路としてのＨブリッジ回路２２０とを更に備える。つまり、電源装置２００では、キャパシタ２とキャパシタ２０２に対して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０，２１０とＨブリッジ回路２０，２２０とがひとつずつ設けられる。

キャパシタ２０２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、７００Ｖに設定される。キャパシタ２０２には、電圧を検出し、対応する信号をコントローラ４０に送信するキャパシタ電圧検出器２０２ａ（図５参照）が設けられる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、二次電池１に並列に接続される一次コイル１１と、キャパシタ２に直列に接続される二次コイル１２と、一次コイル１１に流れる電流によってエネルギが蓄積されるトランスコア１３と、一次コイル１１と直列に設けられるスイッチング素子としてのＩＧＢＴ１４と、二次コイル１２に並列接続される平滑コンデンサ１５とを有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、二次コイル１２から出力される電圧を調整するフライバック式コンバータである。

Ｈブリッジ回路２２０は、キャパシタ２０２に対して直列に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０の二次コイル１２を正方向と逆方向とに選択的に接続する。Ｈブリッジ回路２２０は、二次コイル１２のプラス端子とマイナス端子との間にＨ型に配置される四個のスイッチング素子としてのＩＧＢＴ２１〜２４を有する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０の構成は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と同一であり、Ｈブリッジ回路２２０との構成は、Ｈブリッジ回路２０と同一であるため、ここでは各構成についての詳細な説明は省略する。

電源装置２００では、互いに並列に接続されるキャパシタ２とキャパシタ２０２とが設けられる。電源装置２００では一対であるが、三個以上のキャパシタを並列に接続して用いてもよい。キャパシタ２とキャパシタ２０２とでは、その固体差に起因する特性の違いによって、充放電を繰り返す間に電位差が生じる場合がある。そこで、電源装置２００では、コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０，２１０とＨブリッジ回路２０，２２０とを、キャパシタ２，２０２の電圧と各々に付加されるバイアス電圧との合計が等しくなるように正又は負のバイアス電圧の大きさを調整する。

これにより、キャパシタ２とキャパシタ２０２との見かけ上の電圧を略同一に調整することができるため、キャパシタ２とキャパシタ２０２との電圧バランスをとることができる。よって、キャパシタ２，２０２の固体差に起因する特性の違いによって生じる電圧のアンバランスを抑制することができる。したがって、キャパシタ２，２０２の性能を充分に発揮できるとともに、キャパシタ２，２０２の劣化や寿命の低下を抑制することができる。

また、電源装置２００では、並列に接続されるキャパシタの数を変更することが可能であるため、適用される車両の重量に応じてキャパシタの蓄電容量を変更することができる。よって、例えば、電源装置２００を、より重量の大きな車両に適用する場合には、並列に接続されるキャパシタの数を増やして、短時間での大電流の入出力を可能とすることができる。

以上の第二の実施の形態によれば、第一の実施の形態と同様に、キャパシタ２，２０２の電圧が降下したときには、Ｈブリッジ回路２０，２２０が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０，２１０によって降圧された二次電池１の電圧をキャパシタ２，２０２に正方向に接続して、キャパシタ２，２０２に正のバイアス電圧を付加することができる。よって、キャパシタ２，２０２の電圧が降下しても、バイアス電圧によって見かけ上の電圧を上昇させることで、キャパシタ２，２０２内に残存している電気エネルギを供給してインバータ５０を駆動することができる。したがって、キャパシタ２，２０２の電気エネルギを有効に活用することができる。

また、電源装置２００では、キャパシタ２，２０２に正のバイアス電圧だけでなく負のバイアス電圧も付加することができる。これにより、キャパシタ２，２０２の利用可能な電圧の範囲を低電圧側だけでなく高電圧側にも拡げることができるため、キャパシタ２，２０２の電気エネルギを有効に活用することができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０，２１０とＨブリッジ回路２０，２２０とを、キャパシタ２，２０２の電圧と各々に付加されるバイアス電圧との合計が等しくなるように正又は負のバイアス電圧の大きさを調整することで、キャパシタ２とキャパシタ２０２との見かけ上の電圧を略同一に調整することができる。したがって、キャパシタ２，２０２の性能を充分に発揮できるとともに、キャパシタ２，２０２の劣化や寿命の低下を抑制することができる。

また、電源装置２００では、並列に接続されるキャパシタの数を変更することが可能であるため、適用される車両の重量に応じてキャパシタの蓄電容量を変更することができる。よって、例えば、電源装置２００を、より重量の大きな車両に適用する場合には、並列に接続されるキャパシタの数を増やして、短時間での大電流の入出力を可能とすることができる。

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、電動機５として三相誘導モータジェネレータが用いられるが、これに代えて、同期電動機，二相誘導電動機，単相誘導電動機など、直流電源とインバータによって制御される他の電動機を用いてもよい。

また、上述した実施の形態では、電源装置１００，２００はコントローラ４０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１００，２００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。また、ＩＧＢＴに代えて、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）などの他のトランジスタをスイッチング素子として用いてもよい。

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 (8)

1. 二次電池と、前記二次電池に並列に接続されるキャパシタと、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、
   前記二次電池に並列に接続され前記二次電池から供給される電流によってエネルギを蓄える一次コイルと、前記一次コイルから蓄えられたエネルギによって誘導電流が流れる二次コイルと、を有する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記キャパシタに対して直列に、前記二次コイルを正方向と逆方向とに選択的に接続するスイッチング回路と、を備える電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   前記スイッチング回路は、四個のスイッチング素子を有するＨブリッジ回路である電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置であって、
   前記スイッチング回路は、前記スイッチング素子のうち一対を接続状態とすることで前記キャパシタに正のバイアス電圧を付加し、残りの一対を接続状態とすることで前記キャパシタに負のバイアス電圧を付加する電源装置。
4. 請求項３に記載の電源装置であって、
   前記キャパシタは、複数設けられ、
   前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ及び前記スイッチング回路は、各々の前記キャパシタに対してひとつずつ設けられる電源装置。
5. 請求項４に記載の電源装置であって、
   前記絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ及び前記スイッチング回路は、各々の前記キャパシタの電圧と前記バイアス電圧との合計が等しくなるように正又は負のバイアス電圧の大きさを調整して付加する電源装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の電源装置において、
   前記二次電池の電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷からの回生電流を降圧して前記二次電池に充電可能な非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを更に備える電源装置。
7. 請求項６に記載の電源装置において、
   前記一次コイルには、前記二次電池からの電流が直接供給される電源装置。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の電源装置において、
   前記負荷は、前記二次電池及び前記キャパシタから電源が供給されて電動機を駆動するインバータである電源装置。
   

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