JP7160431B2 - 電力伝送システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力伝送システム及びその制御方法に関する。

従来から様々の電源装置が知られており、例えば、ハイブリッド車両や電動車両における走行モータの駆動に用いられる電源装置では、電池電圧を昇圧コンバータで昇圧してインバータに供給している。

特許文献１には、車両の駆動力を発生する電動機と、電動機を駆動する駆動装置と、駆動装置へ給電するための電力線と、電力線に接続され、電力線の電圧を平滑化するためのコンデンサと、走行用の電力を蓄える再充電可能な蓄電装置と、蓄電装置と電力線との間に設けられ、電力線の電圧を蓄電装置の電圧以上に昇圧するように構成された昇圧回路と、蓄電装置と昇圧回路との間に設けられるリレーと、リレーに並列に接続され、蓄電装置からコンデンサへ突入電流が流れるのを防止するためのプリチャージ回路とを備える電動車両が記載されている。

図８は、特許文献１に記載された構成ブロック図を示す。電動車両は、蓄電装置Ｂと、システムメインリレーＳＭＲと、昇圧コンバータ１１０と、インバータ１２０と、モータジェネレータＭ１と、駆動輪１３５と、正極線ＰＬ１，ＰＬ２と、負極線ＮＬと、平滑コンデンサＣと、制御装置１４０と、電圧センサ１５２，１５４と、電流センサ１５６と、回転角センサ１５８を備える。

システムメインリレーＳＭＲは、リレーＲＹ１～ＲＹ３と、制限抵抗Ｒｐとを含む。リレーＲＹ１は、蓄電装置Ｂの正極と正極線ＰＬ１との間に設けられる。リレーＲＹ２は、蓄電装置Ｂの負極と負極線ＮＬとの間に設けられる。リレーＲＹ３および制限抵抗Ｒｐは、直列に接続されてプリチャージ回路を構成し、リレーＲＹ２に並列に接続される。

昇圧コンバータ１１０は、リアクトルＬと、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。ダイオードＤ１は、スイッチング素子Ｑ１に逆並列に接続され、上アームを構成する。ダイオードＤ２は、スイッチング素子Ｑ２に逆並列に接続され、下アームを構成する。そして、上下アームの接続点と正極線ＰＬ１との間にリアクトルＬが接続される。

インバータ１２０は、Ｕ相アーム１２２と、Ｖ相アーム１２４と、Ｗ相アーム１２６とを含む。Ｕ相アーム１２２、Ｖ相アーム１２４およびＷ相アーム１２６は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に並列に接続される。Ｕ相アーム１２２は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２を含む。Ｖ相アーム１２４は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４を含む。Ｗ相アーム１２６は、直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６を含む。スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１６には、それぞれダイオードＤ１１～Ｄ１６が逆並列に接続される。各相アームの中間点は、モータジェネレータＭ１の各相コイルにそれぞれ接続される。

蓄電装置Ｂは、再充電可能な直流電源であり、たとえばニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池によって構成される。蓄電装置Ｂは、走行用の電力を蓄える。

システムメインリレーＳＭＲのリレーＲＹ１～ＲＹ３は、制御装置１４０からの制御信号に従ってオン／オフされる。リレーＲＹ１，ＲＹ２またはリレーＲＹ１，ＲＹ３がオンすることによって、蓄電装置Ｂが昇圧コンバータ１１０に電気的に接続される。制限抵抗ＲｐおよびリレーＲＹ３によって構成されるプリチャージ回路は、蓄電装置Ｂを昇圧コンバータ１１０に電気的に接続するときに蓄電装置Ｂから昇圧コンバータ１１０を介して平滑コンデンサＣへ突入電流が流れるのを防止する。すなわち、蓄電装置Ｂが昇圧コンバータ１１０に電気的に接続されるとき、まずリレーＲＹ１，ＲＹ３がオンされることによって制限抵抗Ｒｐにより電流を制限しながら平滑コンデンサＣのプリチャージが実施され、プリチャージが終了すると、リレーＲＹ２がオンされ、リレーＲＹ３がオフされる。

昇圧コンバータ１１０は、制御装置１４０からの信号ＣＮＶに基づいて、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧（システム電圧）を蓄電装置Ｂの出力電圧以上に昇圧する。システム電圧が目標電圧よりも低い場合、スイッチング素子Ｑ２のオンデューティを大きくすることによって正極線ＰＬ１から正極線ＰＬ２へ電流を流すことができ、システム電圧を上昇させることができる。一方、システム電圧が目標電圧よりも高い場合、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティを大きくすることによって正極線ＰＬ２から正極線ＰＬ１へ電流を流すことができ、システム電圧を低下させることができる。

インバータ１２０は、制御装置１４０からの信号ＩＮＶ１に基づいて、正極線ＰＬ２から供給される直流電力を三相交流に変換してモータジェネレータＭ１へ出力し、モータジェネレータＭ１を駆動する。また、インバータ１２０は、電動車両の制動時、モータジェネレータＭ１により発電される三相交流電力を直流に変換し、正極線ＰＬ２へ出力する。

平滑コンデンサＣは、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に接続される。平滑コンデンサＣは、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧変動の交流成分を平滑化する。平滑コンデンサＣは、昇圧コンバータ１１０の上アームの導通時に昇圧コンバータ１１０のリアクトルＬとともにＬＣ回路を構成する。

モータジェネレータＭ１は、交流電動発電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える三相交流電動発電機である。モータジェネレータＭ１は、駆動輪１３５に機械的に連結され、走行トルクを発生する。また、モータジェネレータＭ１は、電動車両の制動時、車両の運動エネルギを駆動輪１３５から受けて発電する。

電圧センサ１５２は、平滑コンデンサＣの端子間電圧、すなわち正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間の電圧Ｖｍ（システム電圧）を検出し、その検出値を制御装置１４０へ出力する。電圧センサ１５４は、蓄電装置Ｂの電圧ＶＢを検出し、その検出値を制御装置１４０へ出力する。電流センサ１５６は、蓄電装置Ｂに入出力される電流ＩＢを検出し、その検出値を制御装置１４０へ出力する。回転角センサ１５８は、モータジェネレータＭ１のロータの回転角θ１を検出し、その検出値を制御装置１４０へ出力する。

制御装置１４０は、電圧Ｖｍ，ＶＢおよび電流ＩＢの各検出値に基づいて、昇圧コンバータ１１０を駆動するための信号ＣＮＶを生成して昇圧コンバータ１１０へ出力する。また、制御装置１４０は、モータ電流、回転角θ１および電圧Ｖｍの各検出値、ならびに図示されない外部ＥＣＵから受けるモータジェネレータＭ１のトルク指令値およびモータ回転速度等に基づいて、モータジェネレータＭ１を駆動するための信号ＩＮＶ１を生成してインバータ１２０へ出力する。

特開２０１２－２０５３８６号公報

このように、制限抵抗ＲｐおよびリレーＲＹ３によって構成されるプリチャージ回路は、蓄電装置Ｂを昇圧コンバータ１１０に電気的に接続するときに蓄電装置Ｂから昇圧コンバータ１１０を介して平滑コンデンサＣへ突入電流が流れるのを防止することができるが、その分だけ構成部品が増大するので、電動車両の販売台数の増加に伴ってコストが上昇する一因となり得る。

本発明の目的は、プリチャージ回路を設けることなく平滑コンデンサへ突入電流が流れるのを防止できる技術を提供することにある。

本発明の電力伝送システムは、電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群と、前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力する制御回路とを有する電源装置と、前記電源装置に直列に接続されたリレー及び平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続された負荷とを備え、前記制御回路は、矩形波の前記ゲート信号を出力するゲート回路と、前記ゲートから出力される前記ゲート信号を、直列接続した前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに順次遅延させて順次出力する遅延回路を有し、前記リレーと別個のプリチャージ回路を介すること無く前記電源装置と前記負荷との間で電力を伝送する。

本発明の１つの実施形態では、前記負荷は、車両の駆動力を発生する電動機と、 前記電動機を駆動する駆動装置とを備える。

本発明の他の実施形態では、前記負荷は、太陽光パネル等の発電機を含む。

また、本発明は、電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群と、前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力する制御回路であって、矩形波の前記ゲート信号を出力するゲート回路と、前記ゲートから出力される前記ゲート信号を、直列接続した前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに順次遅延させて順次出力する遅延回路を有する制御回路とを有する電源装置と、前記電源装置に直列に接続されたリレー及び平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに接続された負荷とを備える電力伝送システムの制御方法であって、前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して順次遅延させて順次出力し、前記電源装置の出力電圧を０Ｖから順次昇圧して出力し、前記電源装置の出力電圧が０Ｖのタイミングにおいて前記リレーをオン制御して前記平滑コンデンサに前記出力電圧を印加することで前記リレーと別個のプリチャージ回路を介すること無く前記電源装置と前記負荷との間で電力を伝送する。

本発明によれば、プリチャージ回路を設けることなく平滑コンデンサへ突入電流が流れるのを防止することができるので、プリチャージ回路の構成部品を不要化できる。

実施形態の電源装置の概略ブロック図である。 電池回路モジュールの概略構成図である。 電池回路モジュールの動作を説明するタイミングチャートである。 電池回路モジュールの動作説明図であり、（ａ）は第１のスイッチング素子がＯＮ、第２のスイッチング素子がＯＦＦした状態を示し、（ｂ）は第１のスイッチング素子がＯＦＦ、第２のスイッチング素子がＯＮした状態を示す。 電源装置全体の動作を説明するタイミングチャートである。 実施形態における電動車両の構成ブロック図である。 他の実施形態における構成ブロック図である。 背景技術の構成ブロック図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。まず、実施形態において前提となる複数の電池回路モジュールを備えた電源装置について説明する。

図１は、電源装置１の構成ブロック図を示す。電源装置１は、複数の電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に指令信号としてのゲート信号を出力して電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・をＯＮ／ＯＦＦ駆動する制御回路１１とを備える。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は互いに直列接続されており、電池回路モジュール群１００を構成する。電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の構成は同様であるので、電池回路モジュール１０ａの構成及び駆動について説明する。なお、制御回路１１の詳細及び制御回路１１による電源装置１の制御については後述する。

電池回路モジュール１０ａは、複数の電池セルが互いに直列接続された電池Ｂと、電池Ｂの電圧を出力する出力端子ＯＴと、出力端子ＯＴに接続されるとともに電池Ｂに並列接続された第１のスイッチング素子Ｓ１と、電池Ｂと第１のスイッチング素子Ｓ１との間において電池Ｂに直列接続された第２のスイッチング素子Ｓ２と、電池Ｂと第２のスイッチング素子Ｓ２との間に直列接続されたチョークコイルＬと、電池Ｂに並列接続されたコンデンサＣとを備える。

第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２は、例えば電界効果トランジスタとしてのＭＯＳ－ＦＥＴ等である。第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２は、制御回路１１からのゲート信号によってスイッチング動作される。スイッチング動作可能な素子であれば、ＭＯＳ－ＦＥＴ以外のスイッチング素子を使用し得る。

電池Ｂは充電可能な二次電池であり、内部抵抗損失の増加による電池Ｂの劣化を抑制するため、電池Ｂ、チョークコイルＬ及びコンデンサＣによってＲＬＣフィルタを形成して電流の平準化が図られる。

次に、電池回路モジュール１０ａの動作について図２及び図３を参照して説明する。図２は、電池回路モジュール１０ａの概略動作図を、図３は電池回路モジュール１０ａの動作に関するタイムチャートをそれぞれ示す。また、図３において、符号Ｄ１は、電池回路モジュール１０ａを駆動するゲート信号の矩形波を、符号Ｄ２は、第１のスイッチング素子Ｓ１のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ３は、第２のスイッチング素子Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ４は、電池回路モジュール１０ａにより出力される電圧Ｖ_ｍｏｄの特性をそれぞれ示す。

電池回路モジュール１０ａの初期状態、すなわち、ゲート信号が出力されていない状態では、第１のスイッチング素子Ｓ１はＯＮ状態、第２のスイッチング素子Ｓ２はＯＦＦ状態となっている。そして、制御回路１１からゲート信号が電池回路モジュール１０ａに供給されると、電池回路モジュール１０ａはＰＷＭ制御によりスイッチング動作する。このスイッチング動作は、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが交互にＯＮ／ＯＦＦすることにより実行される。

図３の符号Ｄ１で示すように、制御回路１１からゲート信号が出力されると、このゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａの第１のスイッチング素子Ｓ１及び第２のスイッチング素子Ｓ２が駆動される。第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち上がりに応じて、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる。また、第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち下がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる（符号Ｄ２参照）。

一方、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち上がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。また、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち下がりと同時に、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる（符号Ｄ３参照）。このように、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とは交互にＯＮ／ＯＦＦ動作する。

なお、第１のスイッチング素子Ｓ１がゲート信号の立ち下がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することと、第２のスイッチング素子Ｓ２がゲート信号の立ち上がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することは、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが同時に動作することを防止するためである。すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが同時にＯＮして短絡することを防止している。この動作を遅らせているデッドタイムｄｔは、例えば、１００ｎｓであるが、適宜設定し得る。デッドタイムｄｔ中はダイオードを還流し、その還流したダイオードと並列にあるスイッチング素子がＯＮしたときと同じ状態になる。

そして、この動作によって、電池回路モジュール１０ａは、図３の符号Ｄ４で示すように、ゲート信号がＯＦＦ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０ａの出力端子ＯＴから切り離されて出力端子ＯＴには電圧が出力されない。この状態を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、電池回路モジュール１０ａの電池Ｂ（コンデンサＣ）をバイパス（スルー状態）している。

また、ゲート信号がＯＮ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０ａの出力端子ＯＴに接続されて出力端子ＯＴに電圧が出力される。この状態を、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０ａにおけるコンデンサＣを介して電圧Ｖ_ｍｏｄが出力端子ＯＴに出力される。

図１に戻り、制御回路１１による電源装置１の制御について説明する。制御回路１１は、電池回路モジュール群１００の全体を制御する。すなわち、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の動作をそれぞれ制御して電源装置１としての出力電圧を制御する。

制御回路１１は、矩形波のゲート信号を出力するゲート回路１２と、ゲート回路１２から出力されるゲート信号を、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に遅延させて順次出力する遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・とを備える。制御回路１１は、これ以外にもゲート回路１２、遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・の動作を制御する１個又は複数個のプロセッサ及びメモリを備えるが、電子制御装置（ＥＣＵ）等で構成される制御回路１１は公知であるため図示は省略している。

ゲート回路１２は、電池回路モジュール群１００において直列接続されている電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・のうちの最上流側の電池回路モジュール１０ａに接続される。

遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に対応してそれぞれ設けられる。遅延回路１３ａは、ゲート回路１２からのゲート信号を、一定時間遅延させて隣接する電池回路モジュール１０ｂに出力するとともに、遅延回路１３ｂに出力する。この結果、ゲート回路１２から出力されたゲート信号は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・に順次遅延されて伝達される。

遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・は、電気的な回路構成としては制御回路１１に含まれるものであるが、ハード構成としては電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・と一体化して構成してもよい。図１において、例えば、破線Ｍで示すように、遅延回路１３ｂと電池回路モジュール１０ｂとを一体化（モジュール化）して構成する。

図１において、ゲート回路１２から最上流側の電池回路モジュール１０ａにゲート信号を出力すると、電池回路モジュール１０ａが駆動されて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０ａにおける電圧が出力端子ＯＴに出力される。また、ゲート回路１２からのゲート信号は、遅延回路１３ａに供給されて、一定時間遅延された後、隣接する電池回路モジュール１０ｂに供給される。このゲート信号により電池回路モジュール１０ｂが駆動する。

一方、遅延回路１３ａからのゲート信号は、遅延回路１３ｂにも供給されて、遅延回路１３ａと同様に、一定時間遅延されて、次に隣接する電池回路モジュール１０ｃに供給される。以下、同様に、ゲート信号は遅延されて下流側の電池回路モジュールにそれぞれ供給される。そして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は、順次駆動されて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の電圧が各出力端子ＯＴに順次出力される。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が順次駆動される状態を図５に示す。図５に示すように、ゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が、一定の遅延時間を持って上流側から下流側に次々と駆動される。図５において、符号Ｅ１は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が出力端子ＯＴから電圧を出力している状態（接続状態）を示している。また、符号Ｅ２は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が出力端子ＯＴから電圧を出力していない状態（スルー状態）を示す。このように、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は、一定の遅延時間を持って順次駆動される。

図５を参照して、ゲート信号やゲート信号の遅延時間の設定について説明する。指令信号としてのゲート信号の指令周期Ｆは、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の遅延時間を合計することによって設定される。このため、遅延時間を長く設定すると、ゲート信号の周波数は低周波になる。逆に、遅延時間を短く設定すると、ゲート信号の周波数は高周波になる。また、ゲート信号を遅延する遅延時間は、電源装置１に求められる仕様に応じて適宜設定し得る。

ゲート信号の指令周期ＦにおけるＯＮ時比率Ｇ１、すなわち、指令周期ＦのうちのＯＮ時間の比率は、電源装置１の出力電圧／電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の合計電圧（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出することができる。すなわち、ＯＮ時比率Ｇ１＝電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）となる。なお、厳密には、デッドタイムｄｔだけＯＮ時比率がずれてしまうので、チョッパ回路で一般的に行われているようにフィードバックまたはフィードフォワードでＯＮ時比率の補正を行う。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の合計電圧は、上述したように、電池回路モジュール電池電圧×接続状態の電池回路モジュール数によって表すことができる。電源装置１の出力電圧が、一つの電池回路モジュール１０ａの電池電圧で割り切れる値であれば、電池回路モジュール１０ａが通過（スルー状態）から接続に切り替わる瞬間に、他の電池回路モジュールが接続から通過（スルー状態）に切り替わるので、電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧に変動はない。

しかし、電源装置１の出力電圧が、電池回路モジュール１０ａの電池電圧で割り切れない値であれば、電源装置１の出力電圧と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の合計電圧とは整合しない。換言すると、電源装置１の出力電圧（電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧）が変動してしまう。ただし、このときの変動振幅は１つの電池回路モジュール分の電圧であり、また、この変動周期は、ゲート信号の指令周期Ｆ／電池回路モジュール数となる。ここでは、数十個の電池回路モジュールを直列接続しているので、電池回路モジュール全体の寄生インダクタンスは大きな値となっており、この電圧変動はフィルタされて結果的には電源装置１の出力電圧を得ることができる。

図５において、例えば、電源装置１としての所望の出力電圧が４００Ｖ、電池回路モジュール１０ａの電池電圧が１５Ｖ、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・数が４０個、遅延時間が２００ｎｓであるとする。なお、この場合は、電源装置１の出力電圧（４００Ｖ）が、電池回路モジュール１０ａの電池電圧（１５Ｖ）で割り切れない場合に相当する。

これらの数値に基づくと、ゲート信号の指令周期Ｆは、遅延時間×電池回路モジュール数により算出されるので、２００ｎｓ×４０個＝８μｓとなり、ゲート信号は１２５ｋＨｚ相当の矩形波になる。また、ゲート信号のＯＮ時比率Ｇ１は、電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出されるので、ＯＮ時比率Ｇ１は、４００Ｖ／（１５Ｖ×４０個）≒０．６７となる。

これらの数値に基づいて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・を順次駆動すると、電源装置１として、図５中、符号Ｈ１で示す矩形波状の出力特性が得られる。この出力特性は、３９０Ｖと４０５Ｖとの間で変動する電圧出力特性となる。すなわち、ゲート信号の周期Ｆ／電池回路モジュール数により算出される周期で変動する出力特性となり、８μｓ／４０個＝２００ｎｓ（５ＭＨｚ相当）で変動する出力特性となる。この変動は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の配線による寄生インダクタンスでフィルタリングされるので、符号Ｈ２で示すように、電源装置１としては、４００Ｖの電圧が出力される。

そして、最上流側の電池回路モジュール１０ａのコンデンサＣには、接続状態の場合に電流が流れるため、図５中符号Ｊ１で示すように、コンデンサ電流波形は矩形波になる。
電池ＢとコンデンサＣはＲＬＣフィルタを形成しているので、電源装置１にはフィルタリングされて平準化された電流が出力される（図５中、符号Ｊ２参照）。

このように、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・において電流波形は同様であり、また、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・から均等に電流を出力することができる。

電池回路モジュール群１００を駆動する場合、最上流側の電池回路モジュール１０ａに出力したゲート信号を、下流側の電池回路モジュール１０ｂに一定時間遅延して出力して、さらに、このゲート信号を一定時間遅延して下流側の電池回路モジュールに順次伝達するので、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・は、一定時間遅延しながら順次電圧をそれぞれ出力する。そして、これらの電圧が合計されることによって、電源装置１としての電圧が出力されることになり、所望の電圧が得られる。このため、昇圧回路が必要なくなり、電源装置１の構成を簡素化し得、小型化、低コスト化し得る。また、構成が簡素化されるので、損失が発生する部分が減少して電力変換効率が向上する。さらに、複数の電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・から略均等に電圧を出力しているので、特定の電池回路モジュールに駆動が集中することもなく、電源装置１の内部抵抗損失を低減し得る。また、ＯＮ時比率Ｇ１を調整することによって、所望の電圧に容易に対応することができ、電源装置１としての汎用性を向上し得る。

このように、電源装置１は、ＯＮ時比率Ｇ１を調整することにより出力電圧を制御できるので、０Ｖからの出力も可能である。従って、かかる電源装置１を図８に示すような電動車両の電源装置Ｂとして用いることで、昇圧コンバータ１１０が不要化されるだけでなく、突入電流防止用の制限抵抗Ｒｐ及びリレーＲＹ３からなるプリチャージ回路も不要化される。

図６は、本実施形態における電力伝送システムの適用例としての電動車両の構成ブロック図である。電動車両は、電源装置１と、システムメインリレー１０２と、平滑コンデンサＣ１と、インバータ１０４と、モータジェネレータ（図では簡易的に「モータ」と示す）１０６を備える。なお、これ以外にも、図８に示すように駆動輪１３５、制御装置１４０、電圧センサ１５２，１５４、電流センサ１５６、及び回転角センサ１５８を備える。

電源装置１は、図８における蓄電装置Ｂとして機能し、システムメインリレー１０２のオンにより電力をインバータ１０４に供給する。電源装置１は、図１に示す構成を備え、ＯＮ時比率Ｇ１を調整することにより０Ｖから所望の電圧に至るまで出力電圧が制御され得る。システムメインリレー１０２、及び電源装置１のオンオフ動作は、制御装置１４０により制御される。制御装置１４０は、図１における制御回路１１に対して制御指令を出力することで制御回路１１を制御してもよいが、制御回路１１が制御装置１４０内に一体化されていてもよい。

システムメインリレー１０２は、電源装置１とインバータ１０４との間の正極線ＰＬに設けられる。

インバータ１０４は、図８に示すインバータ１２０と同様の構成であり、制御装置１４０からの信号ＩＮＶ１に基づいて、正極線ＰＬ２から供給される直流電力を三相交流に変換してモータジェネレータ１０６へ出力し、モータジェネレータ１０６を駆動する。また、インバータ１０４は、電動車両の制動時、モータジェネレータ１０６により発電される三相交流電力を直流に変換し、正極線ＰＬ２へ出力する。

平滑コンデンサＣ１は、図８に示す平滑コンデンサと同様に、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間に接続される。平滑コンデンサＣ１は、正極線ＰＬおよび負極線ＮＬ間の電圧変動の交流成分を平滑化する。

モータジェネレータ１０６は、図８に示すモータジェネレータＭ１と同様に、交流電動発電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える三相交流電動発電機である。モータジェネレータ１０６は、駆動輪１３５に機械的に連結され、走行トルクを発生する。また、モータジェネレータ１０６は、電動車両の制動時、車両の運動エネルギを駆動輪１３５から受けて発電する。

図６の構成ブロック図において図８の構成ブロック図と相違する点は、図８における昇圧コンバータ１１０が存在しないこと、及び図８における制限抵抗とリレーＲＹ３からなるプリチャージ回路が存在しないことである。これは、電源装置１が蓄電装置Ｂと異なり、０Ｖから所望の電圧に至るまで出力電圧が制御可能であることによる。電源装置１の出力電圧を０Ｖから順次昇圧することで、プリチャージ回路によらずに平滑コンデンサＣ１へ突入電流が流れるのを防止し得る。すなわち、電源装置１の出力電圧をＶｓ、平滑コンデンサＣ１の端子電圧をＶｃとすると、Ｖｓ＝０Ｖ、Ｖｃ＝０Ｖのときに制御装置１４０がシステムメインリレー１０２をオンとする。電源装置１の出力電圧Ｖｓの上昇に伴って平滑コンデンサＣ１の端子電圧Ｖｃも同時に上昇していくので、ＶｓとＶｃの電圧差異による突入電流は生じない。

図６では、電源装置１を電動車両の蓄電装置として用いる場合について示したが、これに限らず、太陽光パネルや風力発電機等の発電機の電力変動を抑制するための電力バッファシステム等にも適用することができる。

図７は、電力バッファシステムに適用した場合の構成ブロック図を示す。電源装置１と太陽光パネル１０８とがシステムメインリレー１０２及び平滑コンデンサＣ１を介して接続される。

太陽光パネル１０８は、太陽光の光エネルギを電気エネルギに変換して出力する。電源装置１は、システムメインリレー１０２のオンにより平滑コンデンサＣ１に接続され、電源装置１内の電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・をオンオフ制御することで電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の各電池を充電する。制御装置１４０は、太陽光パネル１０８、システムメインリレー１０２、及び電源装置１の動作を制御する。この場合にも、ＯＮ時比率Ｇ１を調整することにより太陽光パネルの出力変動に応じた充電電圧に制御できるので、プリチャージ回路が不要化される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。以下、変形例について説明する。

＜変形例１＞
図６では、正極線ＰＬにシステムメインリレー１０２を設けているが、負極線ＮＬにシステムメインリレー１０２を設けてもよい。

＜変形例２＞
電池回路モジュール１０ａの構成として、電池回路モジュール１０ａのチョークコイルＬと電池Ｂとの配置位置（接続位置）を入れ替えてもよい。また、第２のスイッチング素子Ｓ２を、第１のスイッチング素子Ｓ１に対して出力端子ＯＴの反対側に配置してもよい。すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とのスイッチング動作により電池Ｂ（コンデンサＣ）の電圧を出力端子ＯＴに出力できるのであれば、電池回路モジュール１０ａにおける各素子、電気部品の配置を適宜変更し得る。他の電池回路モジュール１０ｂ，１０ｃ，・・・についても同様である。

＜変形例３＞
電池Ｂの電圧出力特性が優れている場合、すなわち、電源電流がコンデンサ電流と一致して、出力波形が矩形波となっても電源回路において問題がないときには、ＲＬＣフィルタを省略してもよい。また、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・の配線による寄生インダクタンスを利用していたが、配線による寄生インダクタンスを利用する代わりに、必要なインダクタンス値を担保するためにインダクタンス部品を実装してもよい。

１ 電源装置、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，電池回路モジュール、１１ 制御回路、１２ ゲート回路、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 遅延回路、１００ 電池回路モジュール群、Ｂ 電池、Ｃ コンデンサ、Ｌ チョークコイル、ＯＴ 出力端子、Ｓ１ 第１のスイッチング素子、Ｓ２ 第２のスイッチング素子、１０２ システムメインリレー、１０４ インバータ、１０６ モータジェネレータ、１０８ 太陽光パネル、１４０ 制御装置。

Claims (4)

1. 電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、
   複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群と、
   前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力する制御回路と、
   を有する電源装置と、
   前記電源装置に直列に接続されたリレー及び平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサに接続された負荷と、
   を備え、
   前記制御回路は、矩形波の前記ゲート信号を出力するゲート回路と、前記ゲートから出力される前記ゲート信号を、直列接続した前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに順次遅延させて順次出力する遅延回路を有し、前記リレーと別個のプリチャージ回路を介すること無く前記電源装置と前記負荷との間で電力を伝送する電力伝送システム。
2. 請求項１に記載の電力伝送システムにおいて、
   前記負荷は、
   車両の駆動力を発生する電動機と、
   前記電動機を駆動する駆動装置と、
   を備える電力伝送システム。
3. 請求項１に記載の電力伝送システムにおいて、
   前記負荷は、発電機を含む電力伝送システム。
4. 電池と、前記電池の電圧を出力する出力端子と、前記出力端子に接続されるとともに前記電池に並列接続された第１のスイッチング素子と、前記電池と前記第１のスイッチング素子との間において前記電池に直列接続され、前記第１のスイッチング素子のオン時にオフする第２のスイッチング素子とを備えた電池回路モジュールと、
   複数の前記電池回路モジュールを、前記出力端子を介して直列接続した電池回路モジュール群と、
   前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して一定時間毎にそれぞれ出力する制御回路であって、矩形波の前記ゲート信号を出力するゲート回路と、前記ゲートから出力される前記ゲート信号を、直列接続した前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに順次遅延させて順次出力する遅延回路を有する制御回路と、
   を有する電源装置と、
   前記電源装置に直列に接続されたリレー及び平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサに接続された負荷と、
   を備える電力伝送システムの制御方法であって、
   前記電池回路モジュールの前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動するゲート信号を、前記電池回路モジュール群の各電池回路モジュールに対して順次遅延させて順次出力し、
   前記電源装置の出力電圧を０Ｖから順次昇圧して出力し、前記電源装置の出力電圧が０Ｖのタイミングにおいて前記リレーをオン制御して前記平滑コンデンサに前記出力電圧を印加することで前記リレーと別個のプリチャージ回路を介すること無く前記電源装置と前記負荷との間で電力を伝送する、
   電力伝送システムの制御方法。

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