JP6135536B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源システムに関する。

ＥＨＶ（Electric Hybrid Vehicle）用の昇圧コンバータとして、２つの異なる電源に対応する昇圧回路を有するシリーズパラレルコンバータが知られている。シリーズパラレルコンバータは、条件に合わせてシリーズ昇圧動作とパラレル昇圧動作とを、使い分けることができるため、単一昇圧回路と比較して、高電圧を効率良く得ることが可能である。

例えば、シリーズパラレルコンバータは、Ｑ３及びＱ４（Ｑ２及びＱ３）をオン状態としてＬ１（Ｌ２）を励磁させて取得した電流を、Ｑ３及びＤ１を経て出力させることによりシリーズ昇圧動作を、Ｄ２及びＤ１（Ｄ１及びＤ４）を経て出力させることによりパラレル昇圧動作を行う（図１参照）。

２つの異なる電源及び複数のスイッチング素子を含み、各スイッチング素子のオンオフを制御回路により制御することで、一方の電源に電流を流す電源システムが開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−０１３２３４号公報

図１に示す様なシリーズパラレルコンバータにおいて、Ｂ１、Ｂ２（Ｂ２の電圧＞Ｂ１の電圧）を回生させるために、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ４をオン状態にすると、Ｂ２からＢ１へ電流が流れてしまう。回生時に、該コンバータの電源間に該電流が流れることは、電源耐圧及びエミッションの観点から好ましくない。

特許文献１には、回生時に、２つの異なる電源に流れる電流が制御される電源システムについて、開示されていない。

上記課題に鑑み、回生時に、電源間に電流が流れない電源システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一態様によれば、
第１の端子と第１のノードとの間に接続された第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た第２のスイッチング素子と、前記第２のノードと第３のノードとの間に接続された第３のスイッチング素子と、前記第３のノードと第２の端子との間に接続された第４のスイッチング素子と、第１のリアクトルと、第２のリアクトルとを含む電力変換器と、
前記第２のノードに前記第１のリアクトルを介して接続された一端と、前記第２の端子に接続された他端とを有する第１の電源と、
前記第１のノードに前記第２のリアクトルを介して接続された一端と、前記第３のノードに接続された他端とを有する第２の電源とを備え、
前記第１の電源の回生時、前記第１の電源の電圧は前記第２の電源の電圧よりも大きく、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がオン状態となるように、前記第３のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子がオフ状態となるように、制御され、
前記第２の電源の回生時、前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子がオン状態となるように、前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子がオフ状態となるように、制御される、電源システムが提供される。

一態様によれば、回生時に、電源間に電流が流れない電源システムを提供することができる。

従来の電源システムを例示する図である。 本実施形態に係る電源システムを例示する図である。 本実施形態に係る電源システムの動作を例示する図である。

＜電源システムの構成＞
図２に、本実施の形態に係る電源システム１００の概略構成の一例を示す。

電源システム１００は、電力変換器１１０と、直流電源１２０（第１の電源）と、直流電源１３０（第２の電源）とを備える電源システムである。電源システム１００は、例えば、自動車等の車両に搭載され、モーター及びジェネレータと、自動車用バッテリとの間の電圧を、昇圧するコンバータ等に採用されるシステムである。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車などが挙げられる。

直流電源１２０及び直流電源１３０の電圧は、電源システムの外部に設けられる制御回路（図示せず）等により、適宜、制御される。電源システムの制御方法は、特に限定されるものではない。

直流電源１２０及び直流電源１３０は、同一定格電圧を有する電源であっても良いし、異なる定格電圧を有する電源であっても良い。又、直流電源１２０及び直流電源１３０は、同一種類の電源であっても良いし、異なる種類の電源であっても良い。

電力変換器１１０は、スイッチング素子１１１、スイッチング素子１１２、スイッチング素子１１３、スイッチング素子１１４、ダイオード１０１、ダイオード１０２、ダイオード１０３、ダイオード１０４、リアクトル１５１、リアクトル１５２、を含む。

電力変換器１１０は、直流電源１２０及び直流電源１３０の各々に対応して昇圧チョッパ回路を備える。即ち、直流電源１２０に対しては、スイッチング素子１１１、１１２を上アーム素子とし、スイッチング素子１１３、１１４を下アーム素子とする電流双方向の第１の昇圧チョッパ回路を構成する。直流電源１３０に対しては、スイッチング素子１１１、１１４を上アーム素子とし、スイッチング素子１１２、１１３を下アーム素子とする電流双方向の第２の昇圧チョッパ回路を構成する。

第１の昇圧チョッパ回路と直流電源１２０とは、直列に接続される。第２の昇圧チョッパ回路と直流電源１３０とは、直列に接続される。

スイッチング素子１１１と、ダイオード１０１とは、逆並列に接続される。スイッチング素子１１２と、ダイオード１０２とは、逆並列に接続される。スイッチング素子１１３と、ダイオード１０３とは、逆並列に接続される。スイッチング素子１１４と、ダイオード１０４とは、逆並列に接続される。

端子Ｏ１は、スイッチング素子１１１及びダイオード１０１と電気的に接続される。端子Ｏ２は、スイッチング素子１１４及びダイオード１０４と電気的に接続される。

ノードＮ１は、スイッチング素子１１１とスイッチング素子１１２との間に存在する。ノードＮ２は、スイッチング素子１１２とスイッチング素子１１３との間に存在する。ノードＮ３は、スイッチング素子１１３とスイッチング素子１１４との間に存在する。

リアクトル１５１は、ノードＮ２と直流電源１２０との間に設けられる。リアクトル１５２は、ノードＮ１と直流電源１３０との間に設けられる。

スイッチング素子１１１、スイッチング素子１１２、スイッチング素子１１３、スイッチング素子１１４は、制御回路（図示せず）等により、オンオフが制御される。

スイッチング素子としては、特に限定されるものではなく、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。

なお、電力変換器１１０の構成は、図２に示す構成に特に限定されるものではない。電力変換器１１０に含まれる複数のスイッチング素子の少なくとも一部が、直流電源１２０に対する電力変換経路と、直流電源１３０に対する電力変換経路との両方に含まれる構成であれば良い。

＜回生時における電源システムの動作＞
次に、図３を用いて、回生時における電源システム１００の動作の一例について説明する。図３（Ａ）に、直流電源１２０を回生させる場合を示す。図３（Ｂ）に、直流電源１３０を回生させる場合を示す。なお、直流電源１２０の電圧を、ＶＢ１、直流電源１３０の電圧を、ＶＢ２とする。

（１）直流電源１２０を回生させる場合
回生時、各スイッチング素子は、スイッチング素子１１１及びスイッチング素子１１２がオン状態となるように、スイッチング素子１１３及びスイッチング素子１１４がオフ状態となるように、制御される。又、各直流電源の電圧は、直流電源１２０の電圧ＶＢ１が直流電源１３０の電圧ＶＢ２より大きくなるように、制御される。

この状態において、直流電源１３０への電流経路は、形成されないため、直流電源１２０と直流電源１３０との間に電流（回生電流）が流れることはない。直流電源１２０と直流電源１３０とは互いに非干渉であるため、電源システム１００において、一方の電源（直流電源１２０）を流れる電流の入出力のみが個別にされる。

即ち、本実施の形態に係る回生方法によれば、回生時に、電源間に電流が流れない電源システムを実現できる
直流電源１２０と直流電源１３０との間に電流が流れてしまうと、該電流の波形は、リアクトル１５１、１５２のインダクタンスと、直流電源１２０、１３０のキャパシタンスにより、共振波形となるため、電源システムに悪影響を及ぼす可能性がある。

又、異なる蓄積エネルギーを有するリアクトル同士が、スイッチング素子を介して直列に接続されてしまうと、蓄積エネルギーと該電流との関係に矛盾が生じ、スパーク等が発生して回路破壊に繋がる可能性もある。

しかしながら、本実施の形態に係る回生方法によれば、回生時に、各直流電源に流れる電流を個別に制御し、所望の直流電源のみを回生させることができるため、信頼性の高い電源システムを提供できる。

（２）直流電源１３０を回生させる場合
回生時、各スイッチング素子は、スイッチング素子１１１及びスイッチング素子１１４がオン状態となるように、スイッチング素子１１２及びスイッチング素子１１３がオフ状態となるように、制御される。又、各直流電源の電圧は、直流電源１３０の電圧ＶＢ２が直流電源１２０の電圧ＶＢ１より大きくなるように、制御される。

この状態において、直流電源１２０への電流経路は、形成されないため、直流電源１２０と直流電源１３０との間に電流（回生電流）が流れることはない。直流電源１２０と直流電源１３０とは互いに非干渉であるため、電源システム１００において、一方の電源（直流電源１３０）を流れる電流の入出力のみが個別に制御される。

即ち、本実施の形態に係る回生方法によれば、回生時に、電源間に電流が流れない電源システムを実現できる。

なお、直流電源１２０の電圧ＶＢ１の電圧範囲、直流電源１３０の電圧ＶＢ２の電圧範囲に応じて、直流電源１２０の電圧ＶＢ１と直流電源１３０の電圧ＶＢ２との大小関係は制御される。

例えば、直流電源１２０の電圧ＶＢ１の電圧範囲が、１６２Ｖ〜２４６Ｖ、直流電源１３０の電圧ＶＢ２の電圧範囲が、２１６Ｖ〜３２８Ｖと定義された場合について考える。

直流電源１３０の電圧ＶＢ２の電圧範囲２１６Ｖ〜３２８Ｖのうち、電圧ＶＢ２が、少なくとも、２４６Ｖを超える（２４６Ｖ＜電圧ＶＢ２≦３２８Ｖ）場合、回生時に、スイッチング素子１１１及びスイッチング素子１１４をオン状態とすることによって、直流電源１３０のみを充電する。又、直流電源１３０の電圧ＶＢ２の電圧範囲２１６Ｖ〜３２８Ｖのうち、電圧ＶＢ２が、少なくとも、２４６Ｖ以下である（２１６Ｖ≦電圧ＶＢ２≦２４６Ｖ）場合、回生時に、スイッチング素子１１１及びスイッチング素子１１２をオン状態とすることによって、直流電源１２０のみを充電する。

更に、コンバータや電源の制約から回生させる電源を、直流電源１２０、又は直流電源１３０のいずれかに限定したい場合は、回生させる電源を電圧の高い側に設定し、各スイッチング素子を制御することで、所望の回生を行うことができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１００ 電源システム
１１０ 電力変換器
１１１ スイッチング素子
１１２ スイッチング素子
１１３ スイッチング素子
１１４ スイッチング素子
１２０ 第１の電源
１３０ 第２の電源

Claims (1)

1. 第１の端子と第１のノードとの間に接続された第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た第２のスイッチング素子と、前記第２のノードと第３のノードとの間に接続された第３のスイッチング素子と、前記第３のノードと第２の端子との間に接続された第４のスイッチング素子と、第１のリアクトルと、第２のリアクトルとを含む電力変換器と、
   前記第２のノードに前記第１のリアクトルを介して接続された一端と、前記第２の端子に接続された他端とを有する第１の電源と、
   前記第１のノードに前記第２のリアクトルを介して接続された一端と、前記第３のノードに接続された他端とを有する第２の電源とを備え、
   前記第１の電源の回生時、前記第１の電源の電圧は前記第２の電源の電圧よりも大きく、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がオン状態となるように、前記第３のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子がオフ状態となるように、制御され、
   前記第２の電源の回生時、前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子がオン状態となるように、前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子がオフ状態となるように、制御される、電源システム。

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