JP2010213564A - 電力システム、及びコンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のパワーストレージ部を含む自動車電力システムにおいて、パワーストレージ部の間での電荷の不均衡を補正する。
【解決手段】自動車車両用の電力システムは、複数のパワーストレージ部と、パワーストレージ部に電気的に接続されたマルチプレクサと、マルチプレクサに電気的に接続されたスイッチングコンバータとを含む。スイッチングコンバータは、フライバック型スイッチモードパワーコンバータ、又はフォワード型スイッチモードパワーコンバータとして選択的に動作するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力システム、及びコンバータに関するものである。
リチウムイオン電池は、一般的に、陽極、陰極、及び電解質を含む。リチウムイオンは、放電中には陽極から陰極に移動する一方、充電中には陰極から陽極に移動する。
陽極には、グラファイトが用いられる場合がある。陰極には、層状酸化物（コバルト酸リチウム）、ポリアニオン（リン酸鉄リチウム）、又はスピネル（リチウムマンガン酸化物）が用いられる場合がある。他の材料が用いられる場合もある。陽極、陰極、及び電解質の材料の選択次第で、リチウムイオン電池の電圧、容量、及び寿命が変化する。
ところで、複数のパワーストレージ部を含む自動車電力システムにおいては、パワーストレージ部の電荷の不均衡が発生する。
本発明は、上記の点に鑑み、パワーストレージ部の間での電荷の不均衡を補正することを目的とする。
ある実施例において、自動車車両用の電力システムは、複数のパワーストレージ部と、前記パワーストレージ部に電気的に接続されたマルチプレクサと、前記マルチプレクサに電気的に接続されたスイッチングコンバータとを含む。前記スイッチングコンバータは、フライバック型スイッチモードパワーコンバータ、又はフォワード型スイッチモードパワーコンバータとして選択的に動作するように構成されている。
本発明に係る実施例を図示して説明するが、このような開示は、発明を限定するものと解釈されるべきではない。本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更及び代替となる設計が行われてもよいと確信される。
自動車電力システムの実施例のブロック図である。 図１のマルチプレクサの回路図である。 図１の極性フリッパーの回路図である。 図１のスイッチコンバータの回路図である。 図４のスイッチコンバータの電流及び電圧の波形の例のグラフである。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、図５に図示した条件で動作している図４のスイッチコンバータのブロック図である。 図４のスイッチコンバータの電流及び電圧の波形のもう１つの例のグラフである。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、図７に図示した条件で動作している図４のスイッチコンバータのブロック図である。 図４のスイッチコンバータの電流及び電圧の波形のさらにもう１つの例のグラフである。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、図９に図示した条件で動作している図４のスイッチコンバータのブロック図である。 図４のスイッチコンバータの電流及び電圧の波形のまださらにもう１つの例のグラフである。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、図１１に図示した条件で動作している図４のスイッチコンバータのブロック図である。
次に、図１を参照すると、自動車電力システム１０の実施例は、複数のパワーストレージ部１２ｎ（１２ａ−１２ｆ）、例えば、６つの３．６Ｖのリチウムイオン電池（当然、どのような適切な数が用いられてもよい）、高電圧マルチプレクサ１４、極性フリッパー１６、及びスイッチコンバータ１８を含む。電力システム１０は、さらに、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ２０、及び低電圧バッテリー２２（例えば１２Ｖの鉛蓄電池）をさらに含んだものであってもよい。
図１のパワーストレージ部１２ｎは、電気的に直列に接続され、牽引バッテリーパック２４を形成する。通常の技術者にとって明らかなように、牽引バッテリーパック２４からの電力は、電気機械を介して自動車を動かすための原動力を発生するために使用される場合がある。このように牽引バッテリーパック２４を使用することは、パワーストレージ部１２ｎの電荷の不均衡をもたらす。
パワーストレージ部１２ｎは、高電圧マルチプレクサ１４に電気的に接続されている。図１の実施例では、高電圧マルチプレクサ１４が複数のスイッチ２６ｎ（２６ａ−２６ｄ）を含んでいる。スイッチ２６ｎのそれぞれは、パワーストレージ部１２ｎの少なくとも１つと電気的に接続されている。例えば、スイッチ２６ａは、パワーストレージ部１２ａ，１２ｂに電気的に接続されている。スイッチ２６ｂは、パワーストレージ部１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに電気的に接続されている。スイッチ２６ｎのそれぞれは、第１の電気バス２８、第２の電気バス３０、及び接地線３２にも電気的に接続されている。
以下により詳しく述べるように、スイッチ２６ｎは、例えば、パワーストレージ部１２ａの正端子が第１の電気バス２８に電気的に接続され、パワーストレージ部１２ａの負端子が第２の電気バス３０に電気的に接続されるように操作され得る。同様に、スイッチ２６ｎは、パワーストレージ部１２ｂの正端子が第２の電気バス３０に電気的に接続され、パワーストレージ部１２ｂの負端子が第１の電気バス２８に電気的に接続されるように等、操作され得る。
次に、図２を参照すると、スイッチ２６ｎのそれぞれが、第１及び第２の切替装置３４，３６を含んでいる。通常の技術者にとって明らかなように、切替装置３４，３６は、それぞれ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ:Field Effect Transistor）３８、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ:Bi-polar Junction Transistor）４０、ツェナーダイオード４２、数個の抵抗器４４、及び正温度係数（ＰＴＣ:Positive Temperature Coefficient）リセット可能ヒューズ４６を含み、これらＦＥＴ３８、ＢＪＴ４０、ツェナーダイオード４２、数個の抵抗器４４、及びＰＴＣリセット可能ヒューズ４６は、既知の方法で配置及び操作される。しかしながら、他の適切な切替装置を使用してもよい。
パワーストレージ部１２ａを電気バス２８，３０に電気的に接続するために、既知の方法で、制御信号４８をスイッチ２６ａの切替装置３４，３６に供給してもよい。これにより、当然、それぞれのＦＥＴ３８及びＢＪＴ４０が導通し、パワーストレージ部１２ａの正端子が第１の電気バス２８に電気的に接続されるとともにパワーストレージ部１２ａの負端子が第２の電気バス３０に電気的に接続される。パワーストレージ部１２ｂを電気的に電気バス２８，３０に接続するために、既知の方法で、スイッチ２６ａの切替装置３６と、スイッチ２６ｂの切替装置３４に制御信号４８を供給してもよい。これにより、それぞれの電界効果トランジスタ３８及びバイポーラ接合トランジスタ４０が導通し、パワーストレージ部１２ｂの正端子が電気的に第２の電気バス３０に接続されるとともにパワーストレージ部１２ｂの負端子が電気的に第１の電気バス２８に接続される。（同様に、他のパワーストレージ部１２ｃ−１２ｆを電気的に電気バス２８，３０に接続してもよい。）このように、電気バス２８，３０に関連付けられた極性が、パワーストレージ部１２ｎのいずれの端子が電気バス２８，３０に電気的に接続されるかに応じて変化するようにしてもよい。
次に、図１及び図３を参照すると、極性フリッパー１６は電気バス２８，３０に電気的に接続されている。図３の実施例では、極性フリッパー１６は、ＦＥＴ３８、ＢＪＴ４０、及び抵抗器４４を複数組含む。ＦＥＴ３８、ＢＪＴ４０、及び抵抗器４４は既知の方法で配置及び操作される。しかしながら、どのような適切な回路構成が使用されてもよい。通常の技術者にとって明らかなように、極性フリッパー１６は、ある極性を有する電気バス２８，３０からの入力を受け、制御信号５０の適切な印可を経て逆の極性の出力を供給できる。（当然、極性フリッパー１６が、ある極性を有する電気バス２８，３０からの入力を受け、制御信号５０の適切な印可を経て同じ極性の出力を供給するようにしてもよい。）そして、この出力は増幅され、処理のためにマイクロプロセッサに供給され得る。
次に、図１及び図４を参照すると、スイッチコンバータ１８は、電気バス２８，３０を介してマルチプレクサ１４に電気的に接続されている。スイッチコンバータ１８は、第３の電気バス５１を介してＤＣ／ＤＣパワーコンバータ２０にも電気的に接続されている。
図４の実施例では、スイッチコンバータ１８は、電気バス２８，３０にそれぞれ電気的に接続されたスイッチ５２，５４（例えばＦＥＴ）を含んでいる。スイッチ５２，５４の間には、コイル５６が電気的に接続されている。スイッチコンバータ１８は、さらに、ＤＣ／ＤＣパワーコンバータ２０に電気的に接続されたスイッチ５８（例えばＦＥＴ）と、コイル５６に誘導結合されたコイル６０とを含んでいる。図４の実施例において、コイル５６，６０の巻数比は、１：３．３３である。他の適切な回路構成が使用されてもよい。スイッチ５２，５４，５８がそれぞれ制御信号６２，６４，６６によって適切に活性化することにより、スイッチコンバータ１８は、例えば低電圧バッテリー２２と牽引バッテリーパック２４との間に電力を通すためのフォワード型又はフライバック型コンバータとして動作し得る。
次に、図４，５，６（ａ）及び６（ｂ）を参照すると、スイッチ５２，５４，５８は、同期してオンオフされ、例えば低電圧バッテリー２２からパワーストレージ部１２ａに電力を充填するためのフォワード型コンバータとしてスイッチコンバータ１８を動作させることができる。スイッチ５２，５４，５８がオンのとき、コイル６０の両端に１２Ｖが発生し、これにより、コイル５６の両端が反対の極性の３．６Ｖ（コイル５６，６０の巻数比及びドットの位置に基づく）になる。そして、電流（図６（ａ）に矢印により示す）は、スイッチコンバータ１８の低電圧バッテリー側では時計回りに流れる一方、スイッチコンバータ１８のマルチプレクサ側では反時計回りに流れてパワーストレージ部１２ａを充電する。スイッチ５２，５４，５８がオフのとき、スイッチ５８の両端に１２Ｖが発生し、コイル５６，６０の両端は０Ｖであり、パワーストレージ部１２ａに電流が流れない。
次に、図４，７，８（ａ），及び８（ｂ）を参照すると、スイッチ５２，５４は、スイッチ５８とずれた位相でオンオフされ、例えば低電圧バッテリー２２からパワーストレージ部１２ｂに電力を充填するためのフライバック型コンバータとしてスイッチコンバータ１８を動作させることができる。スイッチ５２，５４がオフのとき、スイッチ５８はオンである。コイル６０の両端に１２Ｖが発生し、コイル６０の電流を増加させる。電流（図８（ａ）に矢印により示す）は、スイッチコンバータ１８の低電圧バッテリー側では時計回りに流れる。スイッチ５２，５４がオンのとき、スイッチ５８はオフである。コイル５６の両端に３．６Ｖが発生し、これにより、コイル６０の両端が反対の極性の１２Ｖになる。スイッチ５８の両端に２４Ｖが発生する。電流（図８（ｂ）に矢印により示す）は、スイッチコンバータ１８のマルチプレクサ側では時計回りに流れてパワーストレージ部１２ｂを充電する。
次に、図４，９，１０（ａ），及び１０（ｂ）を参照すると、スイッチ５２，５４，５８は、同期してオンオフされ、例えばパワーストレージ部１２ａから低電圧バッテリー２２に電力を充填するためのフォワード型コンバータとしてスイッチコンバータ１８を動作させることができる。スイッチ５２，５４，５８がオンのとき、コイル５６の両端に３．６Ｖが発生し、それにより、コイル６０の両端が反対の極性の１２Ｖ（コイル５６，６０の巻数比及びドットの位置に基づく）になる。電流（図１０（ａ）に矢印により示す）は、スイッチコンバータ１８のマルチプレクサ側では時計回りに流れ、スイッチコンバータ１８の低電圧バッテリー側では反時計回りに流れて第３の電気バス５１と図１に示されたＤＣ／ＤＣパワーコンバータ２０とを介して低電圧バッテリー２２を充電する。スイッチ５２，５４，５８がオフのとき、スイッチ５８の両端に１２Ｖが発生し、コイル５６，６０の両端は０Ｖであり、低電圧バッテリー２２に電流が流れない。
次に、図４，１１，１２（ａ），及び１２（ｂ）を参照すると、スイッチ５２は、スイッチ５８とずれた位相でオンオフされ、スイッチ５４がオンしている間、例えばパワーストレージ部１２ｂから低電圧バッテリー２２に電力を充填するためのフライバック型コンバータとしてスイッチコンバータ１８を動作させることができる。スイッチ５２，５４がオンのとき、スイッチ５８はオフである。コイル５６の両端に３．６Ｖが発生し、コイル５６の電流を増加させる。２４Ｖがスイッチ５８の両端に発生する。電流（図１２（ａ）に矢印により示す）は、スイッチコンバータ１８のマルチプレクサ側では反時計回りに流れる。スイッチ５２がオフのとき、スイッチ５４，５８はオンである。コイル６０の両端に１２Ｖが発生し、それにより、コイル５６の両端が反対の極性の３．６Ｖになる。電流（図１２（ｂ）に矢印により示す）は、スイッチコンバータ１８の低電圧バッテリー側では反時計回りに流れて低電圧バッテリー２２を充電する。
したがって、再び図１を参照すると、上述した技術を用いてパワーストレージ部１２ｎの間での電荷の不均衡を補正することができる。例えば、パワーストレージ部１２ａのＳＯＣ（State Of Charge）が所望のＳＯＣよりも大きい場合には、図９，１０（ａ），１０（ｂ）を参照して説明した技術を用いてパワーストレージ部１２ａからの電力を低電圧バッテリー２２に放出することができる。同様に、パワーストレージ部１２ａのＳＯＣ（State Of Charge）が所望のＳＯＣよりも小さい場合には、図５，６（ａ），６（ｂ）を参照して説明した技術を用いて低電圧バッテリー２２からの電力をパワーストレージ部１２ａに放出することができる。他の充電／放電のシナリオも実現可能である。
本発明の実施例について図示して説明したが、これらの実施例が本発明の全ての実現可能な形態を図示及び説明していると意図されているわけではない。明細書で用いた単語は、限定ではなく説明の単語であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の変更を加えることが可能であると理解される。
１０ 自動車電力システム（電力システム）
１２ｎ パワーストレージ部（電池）
１４ マルチプレクサ
１８ スイッチコンバータ
２８，３０，３２ 電力バス

Claims (17)

  1. 複数のパワーストレージ部と、
    前記パワーストレージ部に電気的に接続されたマルチプレクサと、
    前記マルチプレクサに電気的に接続されているとともに、フライバック型スイッチモードパワーコンバータ、又はフォワード型スイッチモードパワーコンバータとして選択的に動作するように構成されているスイッチングコンバータとを備えた自動車車両用の電力システム。
  2. 前記スイッチングコンバータは、双方向スイッチングコンバータを構成する請求項１のシステム。
  3. 前記スイッチングコンバータは、極性に依存しない請求項１のシステム。
  4. 前記スイッチングコンバータは、いずれの極性の電圧も受け取るように構成されている請求項１のシステム。
  5. 前記スイッチングコンバータは、いずれの極性の電圧も与えるように構成されている請求項１のシステム。
  6. 前記スイッチングコンバータは、第１の極性、又は当該第１の極性とは反対の第２の極性を有するＤＣ電圧を受け取ることが可能である請求項１のシステム。
  7. 前記スイッチングコンバータは、第１の極性、又は当該第１の極性とは反対の第２の極性を有するＤＣ電圧を与えることが可能である請求項１のシステム。
  8. 前記マルチプレクサは、双方向マルチプレクサである請求項１のシステム。
  9. 前記スイッチングコンバータに電気的に接続された電力バスをさらに備え、
    前記スイッチングコンバータは、さらに、前記パワーストレージ部のうちの選択された一つと前記電力バスとの間に電力を通すように構成されている請求項１のシステム。
  10. マルチプレクサを含む自動車電力システムのためのスイッチングコンバータであって、
    前記マルチプレクサに電気的に接続されているとともに、フライバック型スイッチモードパワーコンバータ、又はフォワード型スイッチモードパワーコンバータとして選択的に動作するように構成されている回路を備えたスイッチングコンバータ。
  11. 前記回路は、さらに、前記マルチプレクサからいずれの極性の電圧も受けるように構成されている請求項１０のコンバータ。
  12. 前記回路は、さらに、前記マルチプレクサにいずれの極性の電圧も与えるように構成されている請求項１０のコンバータ。
  13. 前記回路は、さらに、第１の極性、又は当該第１の極性とは反対の第２の極性を有するＤＣ電圧を受け取るように構成されている請求項１０のコンバータ。
  14. 前記回路は、さらに、第１の極性、又は当該第１の極性とは反対の第２の極性を有するＤＣ電圧を与えるように構成されている請求項１０のコンバータ。
  15. 前記電力システムは、前記マルチプレクサに電気的に接続された複数のパワーストレージ部と、前記スイッチングコンバータに電気的に接続された電力バスとをさらに含み、前記回路は、さらに、前記パワーストレージ部のうちの選択された一つと前記電力バスとの間に電力を通すように構成されている請求項１０のコンバータ。
  16. 複数のパワーストレージ部と、
    前記パワーストレージ部に電気的に接続されたマルチプレクサと、
    前記マルチプレクサに電気的に接続されているとともに、フライバック型スイッチモードパワーコンバータ、又はフォワード型スイッチモードパワーコンバータとして選択的に動作し（ｉ）、かつ前記マルチプレクサに対するいずれの極性のＤＣ電圧の受け取り又は授与も行う（ii）ように構成されているスイッチングコンバータとを備えた自動車車両用の電力システム。
  17. 前記スイッチングコンバータに電気的に接続された電力バスをさらに備え、
    前記スイッチングコンバータは、さらに、前記パワーストレージ部のうちの選択された一つと前記電力バスとの間に電力を通すように構成された請求項１６のシステム。
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