JP2010213520A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルを用いた昇降圧を不要とし、少ないスイッチで効率よく出力電圧を可変制御するとともに、直流電源として用いる二次電池への充電も実現できるようにする。
【解決手段】直列に接続した直流電源１，２と、共通極ＣＰから正極側出力端子１１への通電を断接するスイッチＡと、このスイッチＡと直列に設けられた逆阻止用のダイオード１３と、正極Ｐから正極側出力端子１１への通電を断接するスイッチＤと、負極側出力端子１２から負極Ｎへの通電を断接するスイッチＸと、正極側出力端子１１から共通極ＣＰへの通電を断接するスイッチＣと、負極側出力端子１２から共通極ＣＰへ通電させるダイオード１７と、直流負荷Ｌの要求に応じて複数のスイッチＡ，Ｃ，Ｄ，Ｘの断接を制御するコントローラ１００とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列に接続した複数の直流電源を備える電力供給装置に関する。

従来、複数の直流電源を備える電力供給装置として、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１に記載の電力供給装置は、並列に接続した複数の直流電源を備えるものであり、これら並列接続の直流電源の間に昇圧リアクトルを設けて、この昇圧リアクトルの作用で出力電圧を適宜可変する構成としている。

特開２００８−５４４７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている従来の技術は、並列接続の直流電源の間の昇圧リアクトルを用いて、複数の直流電源のいずれかの電圧を昇圧もしくは降圧動作させて出力電圧を可変するようにしているため、リアクトルのサイズが大きくなり装置全体が大型化することに加え、負荷と電源との間のスイッチ数が多くなり、その分損失が大きく、コストが増大するという問題があった。

本発明は、以上のような従来技術の問題に鑑みて創案されたものであって、複数の直流電源を備える構成の電力供給装置において、リアクトルを用いた昇降圧を不要とし、少ないスイッチで効率よく出力電圧を可変制御するとともに、直流電源として用いる二次電池への充電も実現できるようにした電力供給装置を提供することを目的としている。

本発明に係る電力供給装置は、直列に接続した複数の直流電源と、低電位側の直流電源の正極から直流負荷の正極への通電を断接するスイッチと、低電位側の直流電源の正極から直流負荷の正極へ通電させるダイオードと、高電位側の直流電源の正極から直流負荷の正極への通電を断接するスイッチと、直流負荷の負極から低電位側の直流電源の負極への通電を断接するスイッチと、低電位側の直流電源の正極と高電位側の直流電源の負極とが接続される共通極において充電可能な二次電池を用いた直流電源の極性と同極性となる直流負荷の極から共通極への通電を断接するスイッチと、直流負荷の負極から二次電池を用いた直流電源の正極へ通電させるダイオードと、直流負荷の要求に応じて複数のスイッチの断接を制御するスイッチ制御部とを備える。

本発明に係る電力供給装置によれば、スイッチ制御部が直流負荷の要求に応じて複数のスイッチの断接を制御することにより出力電圧を可変できるので、リアクトルによる昇降圧が不要となり、装置全体を小型化できる。また、少ないスイッチで効率よく出力電圧を可変制御できるとともに、直流電源として用いる二次電池を適宜充電することもできる。

第１の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷に接続した状態を示す回路図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源の電圧を出力端子間に印加して第一電源から直流負荷へ電力を供給する際の電流経路を示す図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源と第二電源の直列電圧を出力端子間に印加して第一電源と第二電源から直流負荷へ電力を供給する際の電流経路を示す図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、第二電源の電圧を出力端子間に印加して第二電源から直流負荷へ電力を供給する際の電流経路を示す図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源の逆の電圧を出力端子間に印加して第一電源を充電する際の電流経路を示す図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源の電圧を出力端子間に印加して第一電源を充電する際の電流経路を示す図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、コントローラにより実行される処理の流れを示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源と第二電源のそれぞれから直流負荷へ電力を供給する場合のＰＷＭパターンの一例と出力電圧波形との関係を示す図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、第二電源から直流負荷に電力供給しながら第一電源を充電する場合のＰＷＭパターンの一例と出力電圧波形との関係を示す図である。 第１の実施形態に係る電力供給装置において、スイッチＤに還流用のダイオードを並列に接続した場合の回路構成を示す図である。 第２の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷に接続した状態を示す回路図である。 第２の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源の電圧を出力端子間に印加して第一電源から直流負荷へ電力を供給する際の電流経路を示す図である。 第２の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源と第二電源の直列電圧を出力端子間に印加して第一電源と第二電源から直流負荷へ電力を供給する際の電流経路を示す図である。 第２の実施形態に係る電力供給装置において、第二電源の電圧を出力端子間に印加して第二電源から直流負荷へ電力を供給する際の電流経路を示す図である。 第２の実施形態に係る電力供給装置において、第二電源の逆の電圧を出力端子間に印加して第二電源を充電する際の電流経路を示す図である。 第２の実施形態に係る電力供給装置において、第二電源の電圧を出力端子間に印加して第二電源を充電する際の電流経路を示す図である。 第２の実施形態に係る電力供給装置において、コントローラにより実行される処理の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る電力供給装置において、第一電源から直流負荷に電力供給しながら第二電源を充電する場合のＰＷＭパターンの一例と出力電圧波形との関係を示す図である。 第３の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷に接続した状態を示す回路図である。 第４の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷に接続した状態を示す回路図である。 第５の実施形態に係る電力供給装置において、コントローラに付加される制御の概要を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷Ｌに接続した状態を示す回路図である。本実施形態の電力供給装置は、直列に接続された２つの直流電源（以下、図１において下側に位置する低電位側の直流電源を第一電源１といい、図１において上側に位置する高電位側の直流電源を第二電源２という。）を有する電力供給装置であり、これら直列接続された２つの直流電源１，２で形成される３つの電位を、それぞれ負極Ｎ、共通極（第一電源１の正極であり、且つ、第二電源２の負極）ＣＰ、正極ＰとしてＤＣＤＣコンバータ１０の入力端子に接続し、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端子１１，１２を直流負荷Ｌに接続した構成である。また、ＤＣＤＣコンバータ１０の３つの入力端子間にはコンデンサ３，４が直列に接続されている。これらコンデンサ３，４は、第一電源１及び第二電源２に対する平滑コンデンサとして利用されるものである。

本実施形態の電力供給装置において、低電位側の第一電源１としては、充電可能な二次電池が用いられる。また、高電位側の第二電源２としては、例えば太陽電池や燃料電池などの発電装置が用いられ、この第二電源２に対して直列に、逆流防止用にダイオード５が接続されている。また、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力端子１１，１２と負荷Ｌとの間には、フィルタ用に平滑リアクトル６とコンデンサ７が接続されている。

本実施形態の電力供給装置が内蔵するＤＣＤＣコンバータ１０は、以下のような構成となっている。すなわち、共通極ＣＰと正極側の出力端子１１との間に、互いに逆向きの２つの半導体スイッチＡ，Ｃで構成される双方向スイッチが設けられている。スイッチＡは、共通極ＣＰから正極側出力端子１１への通電を断接するスイッチであり、スイッチＣは、正極側出力端子１１から共通極ＣＰへの通電を断接するスイッチである。これら双方向スイッチを構成する２つのスイッチＡ，Ｃには、逆耐圧を持たせるためにダイオード１３，１４がそれぞれ直列に接続される。また、正極Ｐと正極側の出力端子１１との間には、正極Ｐから正極側出力端子１１への通電を断接する半導体スイッチＤが設けられている。また、負極Ｎと正極側の出力端子１１との間には、正極側出力端子１１から負極Ｎへの通電を断接する半導体スイッチＢが設けられ、このスイッチＢと並列にダイオード１５が接続されている。また、負極Ｎと負極側の出力端子１２との間には、負極側出力端子１２から負極Ｎへの通電を断接する半導体スイッチＸが設けられ、このスイッチＸと並列にダイオード１６が接続されている。また、共通極ＣＰと負極側の出力端子１２との間には、負極側端子１２から共通極ＣＰへ通電させるダイオード１７が設けられている。

また、本実施形態の電力供給装置は、第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄと、第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄとに基づいて、ＤＣＤＣコンバータ１０が備える各スイッチＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｘのオン／オフを制御することで、出力端子１１，１２間の電圧（出力電圧）を可変制御するとともに第一電源１への充電を制御するコントローラ１００を備えている。

本実施形態の電力供給装置の回路構成により形成される電流経路を図２乃至図６に示す。これら図２乃至図６に示す電流経路は、それぞれ次の動作を表している。
図２：第一電源１の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第一電源１から直流負荷Ｌへ電力を供給する（出力電流：正）。
図３：第一電源１と第二電源２の直列電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第一電源１と第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給する（出力電流：正）。
図４：第二電源２の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給する（出力電流：正）。
図５：第一電源１の逆の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第一電源１を充電する（出力電流：正）。
図６：第一電源１の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第一電源１を充電する（出力電流：負）。

本実施形態の電力供給装置は、これらの動作のほかに、ＤＣＤＣコンバータ１０のいずれかのスイッチで出力を短絡する経路を用いることで、ＰＷＭ動作によって出力電圧を可変することができる。

本実施形態の電力供給装置における以上の各動作は、コントローラ１００が、第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄと第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄとに基づき、図７に示すフローチャートに従ってスイッチの動作状態の選択を行うことによって制御される。

すなわち、コントローラ１００は、まず、Ｐ１＿ｃｍｄ＋Ｐ２＿ｃｍｄ≧０かどうかの判定（ステップＳ１０１）によって、直流負荷Ｌへ電力を供給するのか、直流負荷Ｌから電力を回生するのかを判別する。そして、直流負荷Ｌへ電力を供給する場合には、さらに第一電源１を第二電源２から充電しつつ直流負荷Ｌへ電力を供給するかどうかを、Ｐ１＿ｃｍｄ≧０かどうかの判定（ステップＳ１０２）によって判別する。コントローラ１００は、以上の判別の結果を用いて、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｘの動作状態を選択する。具体的には、コントローラ１００は、直流負荷Ｌから電力を回生する場合は、スイッチＣをオンしてスイッチＢをＰＷＭ制御する（ステップＳ１０３）。また、第二電源２からの電力で第一電源１を充電しつつ直流負荷Ｌへ電力を供給する場合は、スイッチＤ，ＸをＰＷＭ制御してスイッチＡ，Ｂ，Ｃをオフする（ステップＳ１０４）。また、第一電源１及び第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給する場合は、スイッチＡ，Ｄ，ＸをＰＷＭ制御してスイッチＢ，Ｃをオフする（ステップＳ１０５）。

図８は、第一電源１と第二電源２のそれぞれから直流負荷Ｌへ電力を供給する場合のＰＷＭパターンの一例と出力電圧波形との関係を示している。

スイッチＸをオンしている間にスイッチＡをオンさせると、出力端子１０，１１間には第一電源１の電圧Ｅ１が印加され、図２に示した経路で電流が流れる。次に、この状態からスイッチＤがオンすると、第一電源１と第二電源２の直列電圧Ｅ１＋Ｅ２が出力端子１０，１１間に印加され、図３に示した経路で電流が流れる。このスイッチＤをオンしている間にスイッチＸをオフすると、出力端子１０，１１間には第二電源２の電圧Ｅ２が印加され、電流経路は負極Ｎから共通極ＣＰへと切り替わり、図４に示した経路で電流が流れる。これらのスイッチＡ，Ｄ，Ｘのオン／オフ時間をＰＷＭによって操作することによって、出力電圧を０〜Ｅ１＋Ｅ２の範囲に可変することができる。また、同じ出力電圧であっても、第一電源１と第二電源２から電力を供給する時間を操作することができるため、第一電源１と第二電源２の電力を制御することが可能となる。

ここで、スイッチＡのオンデューティをｄＡ、スイッチＤのオンデューティをｄＤ、スイッチＸのオフデューティをｄＸ’とすると、平均出力電圧Ｖｏは次のようになる。
Ｖｏ＝（ｄＡ−ｄＸ’）・Ｅ１＋ｄＤ・Ｅ２
＝Ｖ１＋Ｖ２
Ｖ１とＶ２は出力電圧指令値Ｖｏ＿ｃｍｄとＰ１＿ｃｍｄとＰ２＿ｃｍｄとから次のように演算する。
Ｖ１＝Ｐ１＿ｃｍｄ／（Ｐ１＿ｃｍｄ＋Ｐ２＿ｃｍｄ）×Ｖｏ＿ｃｍｄ
Ｖ２＝Ｐ２＿ｃｍｄ／（Ｐ１＿ｃｍｄ＋Ｐ２＿ｃｍｄ）×Ｖｏ＿ｃｍｄ
これよりデューティ指令は、
ｄＤ＝Ｖ２／Ｅ２
ｄＡ−ｄＸ’＝Ｖ１／Ｅ１
ここで、ｄＤはＶ２とＥ２から求まり、ｄＡとｄＸ’はＶ１とＥ１から求めることができる。ただし、ｄＡとｄＸ’は次の範囲とする。
ｄＸ’≦ ｄＤ≦ ｄＡ
このように動作させることで、第一電源１と第二電源２からの電力を制御しつつ、出力電圧を可変することができる。

次に、第二電源２から第一電源１を充電する方法について説明する。

本実施形態の電力供給装置は、第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給する図４の電流経路と、出力電流が正のときに第一電源１を充電する図５の電流経路とを交互に切り替える動作を繰り返すことによって、第二電源２から直流負荷Ｌに電力供給しながら第一電源１への充電を実現する。このとき、スイッチＡ，Ｂ，Ｃはオフにし、スイッチＤとスイッチＸをＰＷＭ動作させる。

図９は、第二電源２から直流負荷Ｌに電力供給しながら第一電源１を充電する場合のスイッチＤとスイッチＸのＰＷＭパターンの一例と出力電圧波形との関係を示している。

スイッチＤがオンの区間で第二電源２から電圧Ｅ２を出力端子１１，１２間に印加し、図４に示した経路で電流が流れている状態からスイッチＤをオフすると、電流の経路は図５の経路に切り替わってダイオード１５を通じて電流が流れ、出力端子１１，１２間には第一電源１の電圧Ｅ１が逆方向に印加される。また、スイッチＤのオフ期間中にスイッチＸをオンすると、負極を通じて出力が短絡するため、出力端子１１，１２間の電圧は０となる。

ここで、出力電圧ＶｏをスイッチＤのオンデューティｄＤとスイッチＸのオフデューティｄＸ’を用いて表すと、次のようになる。
Ｖｏ＝ｄＤ・Ｅ２−（ｄＸ’−ｄＤ）・Ｅ１
ただし、ｄＸ’＜ｄＤとなると、第一電源１を充電せずに、第一電源１からも直流負荷Ｌへ電力を供給する動作となる。

また、本実施形態の電力供給装置では、直流負荷Ｌから回生電力を第一電源１へ充電することも可能である。直流負荷Ｌから回生電力を第一電源１へ充電する場合は、スイッチＤとスイッチＡをオフにし、スイッチＣをオン、スイッチＢをＰＷＭ動作させる。これにより、図６に示した経路で電流が流れ、直流負荷Ｌからの回生電力で第一電源１を充電することができる。

図１０は、本実施形態の電力供給装置の変形例であり、スイッチＤに還流用のダイオード１８を追加した回路構成としたものである。この図１０の回路構成を用いても、上述した例と同様の制御により、出力電圧の可変制御と第一電源１への充電とを実現することができる。

以上、具体的な例を挙げながら説明したように、本実施形態の電力供給装置によれば、直列接続された２つの直流電源１，２で形成される３つの電位（負極Ｎ、共通極ＣＰ、正極Ｐ）と、直流負荷Ｌに接続される出力端子１１，１２とを、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチのオン・オフにより選択的に接続することで出力電圧の可変制御を実現できるので、昇圧コンバータのような大きなリアクトルを不要にすることができ、装置全体を小型化することが可能となる。また、本実施形態の電力供給装置によれば、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチのオン・オフ制御により、第二電源２からの電力を直流負荷Ｌへ供給しながら第一電源１を充電することができ、さらに、直流負荷Ｌからの回生電力で第一電源１を充電することもできる。

また、ＤＣＤＣコンバータ１０は５つの半導体スイッチＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｘとダイオードで構成されており、少ないスイッチ数で出力電圧の可変制御を実現できるので、スイッチ損失を抑えて効率的な動作が可能である。特に本実施形態の電力供給装置では、高電位側の第二電源２として太陽電池や燃料電池などの発電装置を用いているので、その第二電源２への充電経路方向のスイッチは設ける必要がなく、その分のスイッチ数を削減して、小型・低コスト化を実現することができる。

また、本実施形態の電力供給装置によれば、コントローラ１００が、出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄ，Ｐ２＿ｃｍｄに基づいて第一電源１及び第二電源２の充放電の判別を行い、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチの動作状態を選択して、ＰＷＭ動作させるスイッチのオン時間を演算するので、第一電源１及び第二電源２の電力の配分を制御することができる。

また、本実施形態の電力供給装置によれば、コントローラ１００が、ＤＣＤＣコンバータ１０のスイッチＡ，Ｄ，ＸをＰＷＭ動作させるスイッチとして選択し、スイッチＸのオン期間内にスイッチＡとスイッチＤとをオンさせる動作と、スイッチＤのオン期間内にスイッチＸをオフさせる動作とがＰＷＭ周期内に含まれるように、各スイッチＡ，Ｄ，ＸをＰＷＭ制御するようにしているので、低電位側の第一電源１と高電位側の第二電源２の個々からの出力と、第一電源１及び第二電源２の直列の出力とを切り替えて、これらの電力配分を行いながら出力電圧の可変制御を適切に実施することができる。

さらに、本実施形態の電力供給装置によれば、コントローラ１００が、ＤＣＤＣコンバータ１０のスイッチＡのオン期間内に、スイッチＤ及びスイッチＸのオン・オフが行われるように、各スイッチＡ，Ｄ，ＸをＰＷＭ制御するようにしているので、各スイッチの端子間電圧の変化を小さくすることができ、ＤＣＤＣコンバータ１０におけるスイッチング損失を低減することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷Ｌに接続した状態を示す回路図である。本実施形態の電力供給装置は、直列に接続された２つの直流電源１，２のうち、低電位側の第一電源１として太陽電池や燃料電池などの発電装置を用い、高電位側の第二電源２として充電可能な二次電池を用いた例であり、第一電源１に対して電流の逆流防止用にダイオード５が直列に接続されている。なお、本実施形態の電力供給装置において、第１の実施形態と共通若しくは対応する構成要素については、同一の符号を用いて説明する。

本実施形態の電力供給装置が内蔵するＤＣＤＣコンバータ１０は、以下のように構成される。すなわち、共通極ＣＰと正極側の出力端子１１との間には、共通極ＣＰから正極側出力端子１１への通電を断接する半導体スイッチＡが設けられ、このスイッチＡに対して、逆耐圧を持たせるためにダイオード１３が直列に接続されている。また、正極Ｐと正極側の出力端子１１との間には、正極Ｐから正極側出力端子１１への通電を断接する半導体スイッチＤが設けられ、この半導体スイッチＤと並列にダイオード１８が接続されている。また、負極Ｎと正極側の出力端子１１との間には、正極側出力端子１１から負極Ｎへの通電を断接する半導体スイッチＢが設けられ、この半導体スイッチＢと並列にダイオード１５が接続されている。また、負極Ｎと負極側の出力端子１２との間には、負極側出力端子１２から負極Ｎへの通電を断接する半導体スイッチＸが設けられ、この半導体スイッチＸと並列にダイオード１６が接続されている。また、正極Ｐと負極側の出力端子１２との間には、負極側出力端子１２から正極Ｐへ導通させるダイオード１７が設けられている。さらに、共通極ＣＰと負極側の出力端子１２との間に、互いに逆向きの２つの半導体スイッチＹ，Ｚで構成される双方向スイッチが設けられ、これら２つのスイッチＹ，Ｚには、逆耐圧を持たせるためにダイオード１９，２０がそれぞれ直列に接続される。

また、本実施形態の電力供給装置は、第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄと、第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄとに基づいて、ＤＣＤＣコンバータ１０が備える各スイッチＡ，Ｂ，Ｄ，Ｘ，Ｙ，Ｚのオン／オフを制御することで、出力端子１１，１２間の電圧（出力電圧）を可変制御するとともに第二電源２への充電を制御するコントローラ１００を備えている。

本実施形態の電力供給装置の回路構成により形成される電流経路を図１２乃至図１６に示す。これら図１２乃至図１６に示す電流経路は、それぞれ次の動作を表している。
図１２：第一電源１の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第一電源１から直流負荷Ｌへ電力を供給する（出力電流：正）。
図１３：第一電源１と第二電源２の直列電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第一電源１と第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給する（出力電流：正）。
図１４：第二電源２の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給する（出力電流：正）。
図１５：第二電源２の逆の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第二電源２を充電する（出力電流：正）。
図１６：第二電源２の電圧を出力端子１１，１２間に印加し、第二電源２を充電する（出力電流：負）。

本実施形態の電力供給装置は、これらの動作のほかに、ＤＣＤＣコンバータ１０のいずれかのスイッチで出力を短絡する経路を用いることで、第１の実施形態と同様に、ＰＷＭ動作によって出力電圧を可変することができる。

本実施形態の電力供給装置における以上の各動作は、コントローラ１００が、第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄと第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄとに基づき、図７に示すフローチャートに従ってスイッチの動作状態の選択を行うことによって制御される。

すなわち、コントローラ１００は、まず、Ｐ１＿ｃｍｄ＋Ｐ２＿ｃｍｄ≧０かどうかの判定（ステップＳ２０１）によって、直流負荷Ｌへ電力を供給するのか、直流負荷Ｌから電力を回生するのかを判別する。そして、直流負荷Ｌへ電力を供給する場合には、さらに第二電源２を第一電源２から充電しつつ直流負荷Ｌへ電力を供給するかどうかを、Ｐ２＿ｃｍｄ≧０かどうかの判定（ステップＳ２０２）によって判別する。コントローラ１００は、以上の判別の結果を用いて、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチＡ，Ｂ，Ｄ，Ｘ，Ｙ，Ｚの動作状態を選択する。具体的には、コントローラ１００は、直流負荷Ｌから電力を回生する場合は、スイッチＹをオンしてスイッチＡ，Ｄ，Ｚをオフし、スイッチＢをＰＷＭ制御する（ステップＳ２０３）。また、第一電源１からの電力で第二電源２を充電しつつ直流負荷Ｌへ電力を供給する場合は、スイッチＡ，ＸをＰＷＭ制御してスイッチＢ，Ｄ，Ｙ，Ｚをオフする（ステップＳ２０４）。また、第一電源１及び第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給する場合は、スイッチＡ，Ｄ，ＸをＰＷＭ制御してスイッチＹ，Ｚをオフする（ステップＳ２０５）。

本実施形態の電力供給装置において、第一電源１と第二電源２のそれぞれから直流負荷Ｌへ電力を供給する場合には、コントローラ１００が、第１の実施形態と同様にスイッチＡ，Ｄ，ＸをＰＷＭ制御することによって（図８参照）、出力電圧を可変しつつ、電源電力を制御することができる。

また、本実施形態の電力供給装置において、第一電源１から第二電源２を充電する場合には、第一電源１から直流負荷Ｌへ電力を供給する図１２の電流経路と、出力電流が正のときに第二電源２を充電する図１５の電流経路とを交互に切り替える動作を繰り返すことによって、第一電源１から直流負荷Ｌに電力供給しながら第二電源２への充電を実現する。このとき、スイッチＢ，Ｄ，Ｙ，Ｚはオフにし、スイッチＡとスイッチＸをＰＷＭ動作させる。

図１８は、第一電源１から直流負荷Ｌに電力供給しながら第二電源２に充電する場合のスイッチＡとスイッチＸのＰＷＭパターンの一例と出力電圧波形との関係を示している。

スイッチＡとスイッチＸがオンの区間で第一電源１から電圧Ｅ１を出力端子１１，１２間に印加し、図１２に示した経路で電流が流れている状態からスイッチＸをオフすると、電流の経路は図１５の経路に切り替わってダイオード１７を通じて電流が流れ、出力端子１１，１２間には第二電源２の電圧Ｅ２が逆方向に印加される。また、スイッチＡをオフ、スイッチＸをオンとすると出力端子１１，１２間の電圧は０となる。

ここで、出力電圧ＶｏをスイッチＡのオンデューティｄＡとスイッチＸのオフデューティｄＸ’を用いて表すと、次のようになる。
Ｖｏ＝（ｄＡ−ｄＸ’）・Ｅ１−ｄＸ’・Ｅ２
ただし、ｄＸ’＞ｄＡとなると、第一電源１から直流負荷Ｌへ電力を供給しないため、電源間の充電は行えない。

また、本実施形態の電力供給装置では、直流負荷Ｌから回生電力を第二電源２へ充電することも可能である。直流負荷Ｌから回生電力を第二電源２へ充電する場合は、スイッチＡ，Ｄ，Ｘ，Ｚをオフにし、スイッチＹをオン、スイッチＢをＰＷＭ動作させる。これにより、図１６に示した経路で電流が流れ、直流負荷Ｌからの回生電力で第二電源２を充電することができる。

以上、具体的な例を挙げながら説明したように、本実施形態の電力供給装置によれば、第１の実施形態と同様に、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチのオン・オフ制御によって出力電圧の可変制御を実現できるので、装置全体を小型化することが可能となる。また、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチのオン・オフ制御により、第一電源１からの電力を直流負荷Ｌへ供給しながら第二電源２を充電することができ、さらに、直流負荷Ｌからの回生電力で第二電源２を充電することもできる。

また、ＤＣＤＣコンバータ１０は５つの半導体スイッチＡ，Ｂ，Ｄ，Ｘ，Ｙ，Ｚとダイオードで構成されており、少ないスイッチ数で出力電圧の可変制御を実現できるので、スイッチ損失を抑えて効率的な動作が可能である。特に本実施形態の電力供給装置では、低電位側の第一電源１として太陽電池や燃料電池などの発電装置を用いているので、その第一電源１への充電経路方向のスイッチは設ける必要がなく、その分のスイッチ数を削減して、小型・低コスト化を実現することができる。さらに、本実施形態の電力供給装置では、第一電源１と第二電源２との直列電圧で電力を供給している場合に電流が通過する素子数が少ない構成であるため、第一電源１と第二電源２との直列電圧の使用頻度が高い用途でこの構成を採用することにより、ＤＣＤＣコンバータ１０での損失をさらに低減することができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図１９は、本発明の第３の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷Ｌに接続した状態を示す回路図である。本実施形態の電力供給装置は、直列に接続された２つの直流電源１，２の双方に充電可能な二次電池を用いた例であり、第１の実施形態の回路動作と第２の実施形態の回路動作のいずれも可能にした構成となっている。なお、本実施形態の電力供給装置において、第１の実施形態や第２の実施形態と共通若しくは対応する構成要素については、同一の符号を用いて説明する。

本実施形態の電力供給装置が内蔵するＤＣＤＣコンバータ１０は、以下のように構成される。すなわち、共通極ＣＰと正極側の出力端子１１との間に、互いに逆向きの２つの半導体スイッチＡ，Ｃで構成される双方向スイッチが設けられ、これら２つのスイッチＡ，Ｃには、逆耐圧を持たせるためにダイオード１３，１４がそれぞれ直列に接続される。また、正極Ｐと正極側の出力端子１１との間には、正極Ｐから正極側出力端子１１への通電を断接する半導体スイッチＤが設けられ、この半導体スイッチＤと並列にダイオード１８が接続されている。また、負極Ｎと正極側の出力端子１１との間には、正極側出力端子１１から負極Ｎへの通電を断接する半導体スイッチＢが設けられ、この半導体スイッチＢと並列にダイオード１５が接続されている。また、負極Ｎと負極側の出力端子１２との間には、負極側出力端子１２から負極Ｎへの通電を断接する半導体スイッチＸが設けられ、この半導体スイッチＸと並列にダイオード１６が接続されている。また、正極Ｐと負極側の出力端子１２との間には、正極Ｐから負極側端子１２への通電を断接する半導体スイッチＷが設けられ、この半導体スイッチＷと並列にダイオード１７が接続されている。さらに、共通極ＣＰと負極側の出力端子１２との間には、互いに逆向きの２つの半導体スイッチＹ，Ｚで構成される双方向スイッチが設けられ、これら２つのスイッチＹ，Ｚには、逆耐圧を持たせるためにダイオード１９，２０がそれぞれ直列に接続される。

また、本実施形態の電力供給装置は、第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄと、第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄとに基づいて、ＤＣＤＣコンバータ１０が備える各スイッチＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚのオン／オフを制御することで、出力端子１１，１２間の電圧（出力電圧）を可変制御するとともに第一電源１及び第二電源２への充電を制御するコントローラ１００を備えている。

本実施形態の電力供給装置は、ＤＣＤＣコンバータ１０のスイッチＣ，Ｗをオフすると、第２の実施形態と同じ回路構成となる。したがって、スイッチＣ，Ｗをオフした状態で、残りのスイッチＡ，Ｂ，Ｄ，Ｘ，Ｙ，Ｚを第２の実施形態と同様に動作させることで、出力電圧を可変しつつ第一電源１と第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給することと、第一電源１から直流負荷Ｌへの電力供給と第二電源２への充電を実現できる。

また、本実施形態の電力供給装置は、ＤＣＤＣコンバータ１０のスイッチＷ，Ｙをオフし、スイッチＺをオンすると、第１の実施形態と同じ回路構成となる。したがって、スイッチＷ，Ｙをオフ、スイッチＺをオンした状態で、残りのスイッチＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｘを第１の実施形態と同様に動作させることで、出力電圧を可変しつつ第一電源１と第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給することと、第二電源２から直流負荷Ｌへの電力供給と第一電源１への充電を実現できる。

本実施形態の電力供給装置では、これらの動作によって、第一電源１と第二電源２から供給する電力を制御しながら直流負荷Ｌへの電力供給を行うとともに、第一電源１と第二電源２との間での互いの電力の授受を可能とし、この電力授受によって、アンバランスな充電状態にある２つの電源１，２を均衡させるよう制御することが可能となる。

以上、具体的な例を挙げながら説明したように、本実施形態の電力供給装置によれば、第１の実施形態や第２の実施形態と同様に、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチのオン・オフ制御によって出力電圧の可変制御を実現できるので、装置全体を小型化することが可能となる。また、ＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチのオン・オフ制御により、第一電源１からの電力を直流負荷Ｌへ供給しながら第二電源２を充電する、或いは第二電源２からの電力を直流負荷Ｌへ供給しながら第一電源１を充電することができ、さらに、直流負荷Ｌからの回生電力で第一電源１や第二電源２を充電することもできる。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図２０は、本発明の第４の実施形態に係る電力供給装置を直流負荷Ｌに接続した状態を示す回路図である。本実施形態の電力供給装置は、第１の実施形態の電力供給装置におけるＤＣＤＣコンバータ１０の半導体スイッチＢ，Ｃの代わりに、フィルタ用のコンデンサ７と共通極ＣＰとの間を半導体スイッチＭを介して接続した構成である。なお、本実施形態の電力供給装置において、第１の実施形態と共通若しくは対応する構成要素については、同一の符号を用いて説明する。

本実施形態の電力供給装置は、第１の実施形態と同様に、低電位側の第一電源１として充電可能な二次電池、高電位側の第二電源２として例えば太陽電池や燃料電池などの発電装置を用いている。そして、コントローラ１００が、第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄと、第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄとに基づいて、ＤＣＤＣコンバータ１０が備える各スイッチＡ，Ｄ，Ｘ，Ｍのオン／オフを制御することで、出力端子１１，１２間の電圧（出力電圧）を可変制御するとともに第一電源１への充電を制御する。

ここで、コントローラ１００による動作制御のうち、回生電力を第一電源１へ充電する場合の制御以外は、第１の実施形態と同様である。回生電力を第一電源１へ充電する際には、スイッチＭをオンさせる。スイッチＭをＰＷＭ駆動すれば、出力から第一電源１への降圧チョッパとして動作することができる。

以上のように、本実施形態の電力供給装置では、フィルタ用のコンデンサ７と共通極ＣＰとの間をスイッチＭにより接続し、直流負荷Ｌの正極から共通極への通電がこのスイッチＭにより断接されるので、直流負荷Ｌからの回生電力で第一電源１を充電する際にこのスイッチＭをオンさせることによって、平滑リアクトル６を介さずに第一電源１を充電するための経路を形成できる。したがって、平滑リアクトル６による誘導電流を還流させる経路のスイッチを不要とすることができ、スイッチ数をさらに低減することができる。また、直流負荷Ｌからの回生電力で第一電源１を充電する際に平滑リアクトル６を電流が通過しないので、平滑リアクトル６における銅損・鉄損が生じさせることなく第一電源１を充電することができ、効率を高めることができる。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。

本実施形態の電力供給装置は、第２の実施形態の電力供給装置と同じ構成であり、二次電池を用いた第二電源２の充電に応じて電圧が変動する場合に、その電圧が設定上限電圧Ｖ＿ｔｈを超過する場合の制御をコントローラ１００による動作制御に追加したものである。ここで、設定上限電圧Ｖ＿ｔｈは平滑コンデンサ３や半導体素子の耐圧によって設定する閾値電圧である。電圧値の検出は、例えば、平滑コンデンサ３に接続した電圧センサより第二電源２を接続した際の電圧Ｖ２の電圧値を取得すればよい。そして、この電圧Ｖ２を設定上限値Ｖ＿ｔｈと比較する。

図２１は、本実施形態で付加される制御の概要を示すフローチャートである。本実施形態の電力供給装置では、コントローラ１００が、まず、第二電源２を接続した際の電圧Ｖ２と設定上限電圧Ｖ＿ｔｈとを比較し（ステップＳ３０１）、電圧Ｖ２が設定上限電圧Ｖ＿ｔｈを超過する場合には、電源電力指令値（Ｐ１＿ｃｍｄ＋Ｐ２＿ｃｍｄ）の値を第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄとして修正する。また、第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄを０に設定し、第二電源２の充電電力を０とすることで電圧Ｖ２の上昇を防ぐ（ステップＳ３０２）。

コントローラ１００は、以上の演算を行った後に、図１７に示したフローチャートに従ってスイッチの動作状態の選択を行い、出力電圧を可変しつつ第一電源１と第二電源２から直流負荷Ｌへ電力を供給することと、第一電源１から直流負荷Ｌへの電力供給と第二電源２への充電を実現する。

以上のように、本実施形態の電力供給装置では、充電可能な二次電池を用いた第二電源２の電源電圧Ｖ２が設定上限電圧Ｖ＿ｔｈを超過する場合に、電源電力指令値（Ｐ１＿ｃｍｄ＋Ｐ２＿ｃｍｄ）の値を第一電源１に対する出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄとして修正し、第二電源２に対する出力電力指令値Ｐ２＿ｃｍｄは０に設定するようにしているので、二次電池を用いた第二電源２の状態によって電源電圧が過度に高電圧となることを未然に防止できる。したがって、素子耐圧を過剰に高めて素子の保護を図る必要がなく、低コスト化を図ることができる。また、出力電力指令値Ｐ１＿ｃｍｄ，Ｐ２＿ｃｍｄを修正した場合でも、その修正後の指令値に基づいてＤＣＤＣコンバータ１０の各スイッチのオン時間を演算することにより、出力電圧の可変制御を適切に実施することができる。

なお、以上は第２の実施形態と同じ構成の電力供給装置を例に挙げて説明したが、第１の実施形態と同様の構成、つまり、低電位側の第一電源１に充電可能な二次電池を用いた構成や、第３の実施形態と同様の構成、つまり、低電位側の第一電源１と高電位側の第二電源２の双方に充電可能な二次電池を用いた構成においても、同様の制御を行うことによって電源電圧が過度に高電圧となることを未然に防止することができる。

以上、本発明の実施形態として、第１乃至第５の実施形態について説明したが、これらの各実施形態は本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が上記の各実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上記の各実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

１ 第一電源
２ 第二電源
１０ ＤＣＤＣコンバータ
１１，１２ 出力端子
１３〜２０ ダイオード
１００ コントローラ
Ａ〜Ｄ，Ｍ，Ｗ，Ｘ〜Ｚ 半導体スイッチ
Ｐ 正極
Ｎ 負極
ＣＰ 共通極
Ｌ 直流負荷

Claims (9)

1. 直流負荷に対して電力供給する電力供給装置であって、
   直列に接続した複数の直流電源と、
   低電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチと、
   低電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極へ通電させるダイオードと、
   高電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチと、
   前記直流負荷の負極から低電位側の直流電源の負極への通電を断接するスイッチと、
   低電位側の直流電源の正極と高電位側の直流電源の負極とが接続される共通極において充電可能な二次電池を用いた直流電源の極性と同極性となる前記直流負荷の極から前記共通極への通電を断接するスイッチと、
   前記直流負荷の負極から前記二次電池を用いた直流電源の正極へ通電させるダイオードと、
   前記直流負荷の要求に応じ、前記複数のスイッチの断接を制御するスイッチ制御部と、を備えることを特徴とする電力供給装置。
2. 前記スイッチ制御部は、
   前記複数の直流電源に対する出力電力指令値に基づいて各直流電源の充放電の判別を行う判別手段と、
   前記複数の直流電源に対する出力電力指令値と、出力電圧指令値と、電源電圧値とに基づいて、前記複数のスイッチのオン時間を演算する演算手段とを備え、
   前記判別手段の判別結果に基づいて、前記複数のスイッチのうちでオン又はオフに固定するスイッチとＰＷＭ動作させるスイッチとを選択し、前記演算手段で演算されたオン時間に従って各スイッチの断接を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
3. 前記複数の直流電源のうち、低電位側の直流電源は充電可能な二次電池であり、高電位側の直流電源は発電装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
4. 前記複数の直流電源のうち、低電位側の直流電源は発電装置であり、高電位側の直流電源は充電可能な二次電池であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
5. 前記複数の直流電源の全てが充電可能な二次電池であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
6. 前記スイッチ制御部は、低電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチと、高電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチと、前記直流負荷の負極から低電位側の直流電源の負極への通電を断接するスイッチとをＰＷＭ動作させるスイッチとして選択するとともに、前記直流負荷の負極から低電位側の直流電源の負極への通電を断接するスイッチのオン期間内に、低電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチと、高電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチとをオンさせる動作と、高電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチのオン期間内に、前記直流負荷の負極から低電位側の直流電源の負極への通電を断接するスイッチをオフさせる動作との少なくとも一方がＰＷＭ周期内に含まれるように、各スイッチのＰＷＭ動作を制御することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の電力供給装置。
7. 前記スイッチ制御部は、低電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチのオン期間内に、高電位側の直流電源の正極から前記直流負荷の正極への通電を断接するスイッチ及び前記直流負荷の負極から低電位側の直流電源の負極への通電を断接するスイッチのオン・オフが行われるように、各スイッチのＰＷＭ動作を制御することを特徴とする請求項６に記載の電力供給装置。
8. 低電位側の直流電源として充電可能な二次電池が用いられているとともに、前記共通極と前記直流負荷の正極との間に平滑リアクトルが設けられ、
   前記直流負荷の正極から前記共通極への通電を断接するスイッチが、前記平滑リアクトルと並列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力供給装置。
9. 前記スイッチ制御部の演算手段は、前記電源電圧値を予め設定された上限電圧と比較し、前記電源電圧が前記上限電圧を超える場合には、前記複数の直流電源に対する出力電力指令値を修正するとともに、修正した出力電力指令値に基づいて、前記複数のスイッチのオン時間を演算することを特徴とする請求項２乃至８のいずれか一項に記載の電力供給装置。

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