JP2015162990A

JP2015162990A - 電源システム

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Publication number: JP2015162990A
Application number: JP2014037447A
Authority: JP
Inventors: 暁彦井手; Akihiko Ide
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-09-07

Abstract

【課題】本発明は、電源システムに係り、２つの直流電源の電圧が異なる場合に両直流電源間での電流の流通を阻止することにある。【解決手段】負荷の両端間で互いに直列接続されかつそれぞれダイオードが逆並列接続される第１〜第４のスイッチング素子のうち第１及び第２のスイッチング素子と直列接続される第１の直流電源と、負荷の両端間で第１及び第４のスイッチング素子と直列接続される第２の直流電源と、第２のスイッチング素子と第１の直流電源との間に介在する第１のコイルと、第１のスイッチング素子と第２の直流電源との間に介在する第２のコイルと、を備える電源システムは、負荷から第１及び第２の直流電源への充電時、第１及び第２のスイッチング素子の接続点と、第４のスイッチング素子と負荷の一端との接続点と、の間の、第１の直流電源を介した第１の電位と、第２の直流電源を介した第２の電位と、を等しくする電位等価手段を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに係り、特に、２つの直流電源と負荷との間で電力変換を行うことが可能な電源システムに関する。

従来、２つの直流電源から負荷へ電力を供給すると共に負荷から２つの直流電源へ電力を回生することが可能な電源システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この電源システムは、負荷の両端間で互いに直列接続された４つのスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードと、互いに異なる２つの直流電源と、各直流電源に直列接続される２つのコイルと、を備えている。

一方の直流電源（第１の直流電源）は、負荷の両端間で４つのスイッチング素子のうち２つのスイッチング素子（具体的には、負荷の正端子側において直列に並んだ第１及び第２のスイッチング素子）と直列接続されている。また、他方の直流電源（第２の直流電源）は、負荷の両端間で４つのスイッチング素子のうち２つのスイッチング素子（具体的には、負荷の正端子側に配置される第１のスイッチング素子及び負荷の負端子側に配置される第４のスイッチング素子）と直列接続されている。一方のコイル（第１のコイル）は、第２のスイッチング素子と第１の直流電源との間に介在している。また、他方のコイル（第２のコイル）は、第１のスイッチング素子と第２の直流電源との間に介在している。

上記の電源システムは、４つのスイッチング素子それぞれのオン及びオフが制御されることにより、２つの直流電源の充放電を行うモードを、それら２つの直流電源を直列接続させた状態で行うシリーズモードと、それら２つの直流電源を並列接続させた状態で行うパラレルモードと、で切り替える。

具体的には、シリーズモードでは、第３のスイッチング素子がオン固定されると共に、第２及び第４のスイッチング素子が互いに同期してオン／オフされる。かかるスイッチ動作によれば、第１及び第２のコイルを励磁してそれらのコイルに電力を蓄積させつつその励磁した電流を負荷側に出力することができるので、第１及び第２の直流電源を直列接続させた状態で負荷の両端電圧を昇圧させる昇圧動作を実現することができる。

また、パラレルモードでは、第３及び第４のスイッチング素子が共にオンされかつ第１及び第２のスイッチング素子が共にオフされる状態と、第１及び第２のスイッチング素子が共にオンされかつ第３及び第４のスイッチング素子が共にオフされる状態と、が交互に繰り返される。かかるスイッチ動作によれば、第１のコイルを励磁してそのコイルに電力を蓄積させつつその励磁した電流を負荷側に出力することができるので、第１の直流電源を用いた昇圧動作を実現することができる。また、第２及び第３のスイッチング素子が共にオンされかつ第１及び第４のスイッチング素子が共にオフされる状態と、第１及び第４のスイッチング素子が共にオンされかつ第２及び第３のスイッチング素子が共にオフされる状態と、が交互に繰り返される。かかるスイッチ動作によれば、第２のコイルを励磁してそのコイルに電力を蓄積させつつその励磁した電流を負荷側に出力することができるので、第２の直流電源を用いた昇圧動作を実現することができる。

特願２０１３−１０２５９５号公報

ところで、上記した電源システムにおいて、負荷から２つの直流電源に電力を供給してそれら２つの直流電源を充電するうえでは、第１、第２、及び第４のスイッチング素子をオンすることが必要である。しかし、第１の直流電源の両端に生じている電圧と第２の直流電源の両端に生じている電圧とが異なる場合に第２のスイッチング素子がオンされていると、第１の直流電源と第２の直流電源との間で無駄な電流が流通する事態が生ずる。

具体的には、第１の直流電源の両端電圧が第２の直流電源の両端電圧よりも高い場合は、第１の直流電源側から第２のスイッチング素子やその第２のスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを介して第２の直流電源側へ向けて電流が流れ込み、一方、第２の直流電源の両端電圧が第１の直流電源の両端電圧よりも高い場合は、第２の直流電源側から第２のスイッチング素子を介して第１の直流電源側へ向けて電流が流れ込む。かかる電流が流通すると、負荷から第１及び第２の直流電源へ向けて電流を意図通りに流すことができず、第１及び第２の直流電源それぞれの充電を所望のものとすることが困難となる。また、上記した第１の直流電源と第２の直流電源との間で第２のスイッチング素子やその第２のスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを介して流れる電流は第１及び第２のコイルを流れるので、それらのコイルの存在によりコイルのインダクタンスと電池の容量及びコイルと線路との寄生容量とによって発振が生じる。かかる発振は、第１及び第２の直流電源の耐圧上の観点やエミッション上の観点で好ましくない。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、２つの直流電源の電圧が異なる場合に両直流電源間での電流の流通を阻止することが可能な電源システムを提供することを目的とする。

上記の目的は、負荷の両端間で互いに直列接続される第１、第２、第３、及び第４のスイッチング素子と、前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング素子に逆並列接続されるダイオードと、前記負荷の両端間で前記第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と直列接続される第１の直流電源と、前記負荷の両端間で前記第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と直列接続される第２の直流電源と、前記第２のスイッチング素子と前記第１の直流電源との間に介在する第１のコイルと、前記第１のスイッチング素子と前記第２の直流電源との間に介在する第２のコイルと、を備え、前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング素子それぞれのオン及びオフを制御することにより、前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源の充放電を行うモードを、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源とを直列接続させつつ行うシリーズモードと、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源とを並列接続させつつ行うパラレルモードと、で切り替えることが可能な電源システムであって、前記負荷から前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源への充電時、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との接続点と、前記第４のスイッチング素子と前記負荷の一端との接続点と、の間の、前記第１の直流電源を介した経路による第１の電位と、前記前記第２の直流電源を介した経路による第２の電位と、を等しくする電位等価手段を備える電源システムにより達成される。

本発明によれば、２つの直流電源の電圧が異なる場合に両直流電源間での電流の流通を阻止することができる。

本発明の第１実施例である電源システムの回路構成図である。本実施例の電源システムにおける昇圧動作時での電流の流れを表した図である。本実施例の電源システムにおける回生動作時での電流の流れを表した図である。本発明の変形例である電源システムの回路構成図である。本発明の変形例である電源システムの回路構成図である。本発明の第２実施例である電源システムの回路構成図である。本発明の変形例である電源システムの回路構成図である。本発明の変形例である電源システムの回路構成図である。本発明の第３実施例である電源システムの回路構成図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る電源システムの具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施例である電源システム１０の回路構成図を示す。本実施例の電源システム１０は、例えば電動車両やハイブリッド車両などに搭載され、２つの直流電源と負荷との間で電力変換（具体的には、ＤＣ−ＤＣ変換）を行うことが可能な電源システムである。

図１に示す如く、電源システム１０は、２つの直流電源１２，１４を備えている。直流電源１２，１４は、例えばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池や電気二重層キャパシタなどにより構成される。尚、以下、直流電源１２を第１の直流電源１２と、直流電源１４を第２の直流電源１４と、それぞれ称す。第１の直流電源１２は、電圧ＶＢ１を出力する。また、第２の直流電源１４は、電圧ＶＢ２を出力する。

電源システム１０は、また、電力変換器１６を備えている。電力変換器１６は、２つの直流電源１２，１４と負荷１８との間に設けられており、直流電源１２，１４と負荷１８との間で電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換器１６は、互いに異なる２つの直流電源１２，１４それぞれに対応して昇圧チョッパ回路を有する、いわゆるシリーズ−パラレルコンバータである。負荷１８は、例えば、電動車両やハイブリッド車両などの有する走行用電動機などである。負荷１８は、電力変換器１６から出力される電圧Ｖｏで直流電源１２，１４側から電力変換器１６を介して電力が供給されることにより動作する。

電力変換器１６は、４つの半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子と称す）Ｑ１〜Ｑ４と、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４と、２つのコイルＬ１，Ｌ２と、を有している。電力変換器１６は、第１の直流電源１２に対してはスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を上アーム素子としかつスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を下アーム素子とする電流双方向の昇圧チョッパ回路（第１の昇圧チョッパ回路）が構成されると共に、第２の直流電源１４に対してはスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４を上アーム素子としかつスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を下アーム素子とする電流双方向の昇圧チョッパ回路（第２の昇圧チョッパ回路）が構成されるコンバータである。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ，バイポーラトランジスタなどである。以下、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＩＧＢＴであるものとする。また、スイッチング素子Ｑ１を第１のスイッチング素子Ｑ１と、スイッチング素子Ｑ２を第２のスイッチング素子Ｑ２と、スイッチング素子Ｑ３を第３のスイッチング素子Ｑ３と、また、スイッチング素子Ｑ４を第４のスイッチング素子Ｑ４と、それぞれ称す。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、負荷１８の両端間（すなわち、正端子Ｐと負端子Ｎとの間）で互いに直列接続されている。すなわち、第１のスイッチング素子Ｑ１は、コレクタが負荷１８の一端（正端子Ｐ）に接続されかつエミッタが第２のスイッチング素子Ｑ２のコレクタに接続された構成を有している。第２のスイッチング素子Ｑ２は、コレクタが第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタに接続されかつエミッタが第３のスイッチング素子Ｑ３のコレクタに接続された構成を有している。第３のスイッチング素子Ｑ３は、コレクタが第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタに接続されかつエミッタが第４のスイッチング素子Ｑ４のコレクタに接続された構成を有している。また、第４のスイッチング素子Ｑ４は、コレクタが第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタに接続されかつエミッタが負荷１８の他端（負端子Ｎ）に接続された構成を有している。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はそれぞれ、制御装置１９により独立してオン／オフされる。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、ダイオードＤ１〜Ｄ４が逆並列接続されている。すなわち、第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタ−コレクタ間には、エミッタからコレクタに向けた電流の流通を許容するダイオードＤ１が接続されている。第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタ−コレクタ間には、エミッタからコレクタに向けた電流の流通を許容するダイオードＤ２が接続されている。第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタ−コレクタ間には、エミッタからコレクタに向けた電流の流通を許容するダイオードＤ３が接続されている。また、第４のスイッチング素子Ｑ４のエミッタ−コレクタ間には、エミッタからコレクタに向けた電流の流通を許容するダイオードＤ４が接続されている。以下、ダイオードＤ１を第１のダイオードＤ１と、ダイオードＤ２を第２のダイオードＤ２と、ダイオードＤ３を第３のダイオードＤ３と、また、ダイオードＤ４を第４のダイオードＤ４と、それぞれ称す。

上記した第１の直流電源１２は、負荷１８の両端間すなわち正端子Ｐと負端子Ｎとの間で第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と直列接続されている。また、上記した第２の直流電源１４は、負荷１８の両端間すなわち正端子Ｐと負端子Ｎとの間で第１及び第４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４と直列接続されている。

第２のスイッチング素子Ｑ２（具体的には、そのエミッタ）と第１の直流電源１２（具体的には、その正端子）との間には、コイルＬ１が介在している。すなわち、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、コイルＬ１と、第１の直流電源１２と、は負荷１８の両端間で直列接続されている。また、第１のスイッチング素子Ｑ１（具体的には、そのエミッタ）と第２の直流電源１４（具体的には、その正端子）との間には、コイルＬ２が介在している。すなわち、第１のスイッチング素子Ｑ１と、コイルＬ２と、第２の直流電源１２と、第４のスイッチング素子Ｑ４と、は負荷１８の両端間で直列接続されている。以下、コイルＬ１を第１のコイルＬ１と、また、コイルＬ２を第２のコイルＬ２と、それぞれ称す。

電源システム１０は、また、２つの半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子と称す）Ｑ５，Ｑ６と、２つのダイオードＤ５，Ｄ６と、を備えている。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、ＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタ，バイポーラトランジスタなどである。以下、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、ＩＧＢＴであるものとする。また、スイッチング素子Ｑ５を第５のスイッチング素子Ｑ５と、また、スイッチング素子Ｑ６を第６のスイッチング素子Ｑ６と、それぞれ称す。

第５のスイッチング素子Ｑ５は、第２の直流電源１４（具体的には、その負端子）と第４のスイッチング素子Ｑ４（具体的には、そのコレクタ）との間に介在している。また、第６のスイッチング素子Ｑ６は、第１の直流電源１２（具体的には、その負端子）と負荷１８の他端（負端子Ｎ）との間に介在している。スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６はそれぞれ、制御装置１９により独立してオン／オフされる。第５のスイッチング素子Ｑ５は、第２の直流電源１４の負端子と第４のスイッチング素子Ｑ４のコレクタとの導通／遮断の切り替えのためにオン／オフされる。また、第６のスイッチング素子Ｑ６は、第１の直流電源１４の負端子と負荷１８の他端との導通／遮断の切り替えのためにオン／オフされる。

第５及び第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６には、ダイオードＤ５，Ｄ６が逆並列接続されている。すなわち、第５のスイッチング素子Ｑ５のエミッタ−コレクタ間には、エミッタからコレクタに向けた電流の流通を許容するダイオードＤ５が接続されている。また、第６のスイッチング素子Ｑ６のエミッタ−コレクタ間には、エミッタからコレクタに向けた電流の流通を許容するダイオードＤ６が接続されている。以下、ダイオードＤ５を第５のダイオードＤ５と、また、ダイオードＤ６を第６のダイオードＤ６と、それぞれ称す。

次に、図２及び図３を参照して、本実施例の電源システム１０の基本的な動作について説明する。図２は、本実施例の電源システム１０における昇圧動作時での電流の流れを表した図を示す。また、図３は、本実施例の電源システム１０における回生動作時での電流の流れを表した図を示す。

本実施例の電源システム１０において、電力変換器１６は、第１〜第４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４それぞれのオン／オフが制御されることによって、第１及び第２の直流電源１２，１４の充放電を行うモードを、第１及び第２の直流電源１２，１４が互いに直列接続された状態で負荷１８との間で電力授受を行うシリーズモードと、第１及び第２の直流電源１２，１４が互いに並列接続された状態で負荷１８との間で電力授受を行うパラレルモードと、で切り替えることが可能である。２つの直流電源１２，１４を用いたシリーズモードとパラレルモードとは、単一の直流電源を用いたものに比べて効率良く高電圧が得られるように所定の条件に従って切り替わる。

シリーズモードでは、第３のスイッチング素子Ｑ３がオン固定されると共に、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４が互いに同期してオン／オフされる。かかるスイッチ動作が行われると、電力変換器１６における昇圧チョッパ回路の下アーム素子のオン期間及びオフ期間が交互に形成される。この場合は、第１及び第２の直流電源１２，１４が負荷１８に対して互いに直列接続された状態でそれらの電源１２，１４の出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２を第１及び第２のコイルＬ１，Ｌ２によってその和（ＶＢ１＋ＶＢ２）よりも昇圧しつつ、それらの第１及び第２の直流電源１２，１４並びに第１及び第２のコイルＬ１，Ｌ２に蓄えられている電力を負荷１８側に向けて出力することが可能である。

すなわち、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４がオンされた際は、第１の直流電源１２と第１のコイルＬ１とが第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を介して直列接続される閉回路２０が形成されると共に、第２の直流電源１４と第２のコイルＬ２とが第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を介して直列接続される閉回路２２が形成される。この場合は、閉回路２０に流れる電流が第１のコイルＬ１を励磁することで、第１のコイルＬ１に電力が蓄積されると共に、また、閉回路２２に流れる電流が第２のコイルＬ２を励磁することで、第２のコイルＬ２に電力が蓄積される。

一方、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４が共にオフされた際は、第１の直流電源１２と第１のコイルＬ１と第２の直流電源１４と第２のコイルＬ２とが第３のスイッチング素子Ｑ３を介して直列接続された経路２４が形成される。この場合は、上記の経路２４を介して流れた電流が第１のダイオードＤ１を介して負荷１８側へ流れるので、第１及び第２の直流電源１２，１４の電力、及び、第１のコイルＬ１に蓄積された電力と第２のコイルＬ２に蓄積された電力との和が負荷１８側に向けて出力される。

従って、シリーズモードにおいて上記のスイッチング動作を行うことで、第１の直流電源１２と第２の直流電源１４とを互いに直列接続させつつ、それらの電源１２，１４の出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２を昇圧させて負荷１８への電力供給（第１及び第２の直流電源１２，１４の放電）を行うことができる（シリーズ昇圧動作）。

尚、シリーズモードにおいて、第１のスイッチング素子Ｑ１は、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のオフ中にオンされることで負荷１８からの電力を第１及び第２の直流電源１２，１４に回収する回生を制御するスイッチとして動作する。すなわち、第１のスイッチング素子Ｑ１は、第１及び第２の直流電源１２，１４の充電時はオンされる。

また、パラレルモードでは、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４が互いに逆相でオン／オフされると共に、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が互いに同期してオン／オフされ、或いは、第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３が互いに同期してオン／オフされる。かかるスイッチ動作が行われると、電力変換器１６における昇圧チョッパ回路の下アーム素子のオン期間及びオフ期間が交互に形成される。この場合は、第１及び第２の直流電源１２，１４が負荷１８に対して互いに並列接続された状態でそれらの電源１２，１４の出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２をそれぞれ第１及び第２のコイルＬ１，Ｌ２によって昇圧しつつ、それらの第１及び第２の直流電源１２，１４並びに第１及び第２のコイルＬ１，Ｌ２に蓄えられている電力を負荷１８側に向けて出力することが可能である。

すなわち、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のペアがオンされると共に第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のペアがオフされた際は、第１の直流電源１２に対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンされて、第１の直流電源１２と第１のコイルＬ１とが第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を介して直列接続される閉回路３０が形成される。また、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のペアがオフされると共に第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のペアがオンされた際は、第１の直流電源１２に対して昇圧チョッパ回路の上アーム素子がオンされて、第１の直流電源１２と第１のコイルＬ１とが第２及び第１のダイオードＤ２，Ｄ１を介して直列接続された経路３２が形成される。この場合は、第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１が第１のコイルＬ１によって昇圧された状態で、その第１の直流電源１２及び第１のコイルＬ１に蓄えられている電力が負荷１８側に向けて出力される。

また、第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のペアがオンされると共に第１及び第４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のペアがオフされた際は、第２の直流電源１４に対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンされて、第２の直流電源１４と第２のコイルＬ２とが第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を介して直列接続される閉回路３４が形成される。また、第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のペアがオフされると共に第１及び第４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のペアがオンされた際は、第２の直流電源１４に対して昇圧チョッパ回路の上アーム素子がオンされて、第２の直流電源１４と第２のコイルＬ２とが第４及び第１のダイオードＤ４，Ｄ１を介して直列接続された経路３６が形成される。この場合は、第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２が第２のコイルＬ２によって昇圧された状態で、その第２の直流電源１４及び第２のコイルＬ２に蓄えられている電力が負荷１８側に向けて出力される。

従って、パラレルモードにおいて上記のスイッチング動作を行うことで、第１の直流電源１２と第２の直流電源１４とを互いに並列接続させつつ、それらの電源１２，１４の出力電圧ＶＢ１，出力電圧ＶＢ２をそれぞれ独立して昇圧させつつ負荷１８への電力供給（第１及び第２の直流電源１２，１４の放電）を行うことができる（パラレル昇圧動作）。

尚、パラレルモードにおいて、第１のスイッチング素子Ｑ１は、第３のスイッチング素子Ｑ３のオフ中かつ第２又は第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のオン中にオンされることで負荷１８からの電力を第１又は第２の直流電源１２，１４に回収する回生を制御するスイッチとして動作する。すなわち、第１のスイッチング素子Ｑ１は、第１及び第２の直流電源１２，１４の充電時はオンされる。

ところで、車両減速時などにおける電力変換器１６の回生動作により第１及び第２の直流電源１２，１４を充電させるためには、第１、第２、及び第４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４がオンされることが必要である。かかるスイッチ動作が行われると、負荷１８の両端間で、図３（Ａ）に示す如く、経路（具体的には、負荷１８から第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を介して第１の直流電源１２へ向けた経路）４０を介して電流が流通すると共に、経路（具体的には、負荷１８から第１及び第４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４を介して第２の直流電源１４へ向けた経路）４２を介して電流が流通する。

しかし、第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１と第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２とが互いに異なる場合に第２のスイッチング素子Ｑ２がオンされていると、図３（Ｂ）に示す如く、経路４４又は経路４６を介して第１の直流電源１２と第２の直流電源１４との間で無駄な電流が流通してしまう。

上記の出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２が互いに異なっても第１の直流電源１２と第２の直流電源１４との間で無駄な電流を流通させないためには、第１のスイッチング素子Ｑ１（具体的には、そのエミッタ）と第２のスイッチング素子Ｑ２（具体的には、そのコレクタ）との接続点Ａと、第４のスイッチング素子Ｑ４（具体的には、そのエミッタ）と負荷１８の他端（負端子Ｎ）との接続点Ｂと、の間の、第１の直流電源１２及び第１のコイルＬ１を介した経路による電位と、第２の直流電源１４及び第２のコイルＬ２を介した経路による電位と、を等しくする電位等価手段を設けることとすれば十分である。

これに対して、本実施例においては、上記の電位等価手段として２つのスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６及び２つのダイオードＤ５，Ｄ６が設けられている。第５のスイッチング素子Ｑ５及び第５のダイオードＤ５は互いに逆並列接続されつつ第２の直流電源１４と第４のスイッチング素子Ｑ４との間に介在している。また、第６のスイッチング素子Ｑ６及び第６のダイオードＤ６は互いに逆並列接続されつつ第１の直流電源１２と負端子Ｎとの間に介在している。各スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６はそれぞれ、制御装置１９により下記（１）式又は（２）式が満たされるようにオン／オフされる。

ＶＢ１＋ＶｃｅＱ６＋ＶｃｅＱ２ｏｎ＝ＶＢ２＋ＶｆＤ５＋ＶｆＤ４・・・（１）
ＶＢ１＋ＶｆＤ６＋ＶｆＤ２＝ＶＢ２＋ＶｃｅＱ５＋ＶｃｅＱ４ｏｎ・・・（２）
但し、第２のスイッチング素子Ｑ２のオン時のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ２ｏｎとし、第４のスイッチング素子Ｑ４のオン時のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ４ｏｎとし、第５のスイッチング素子Ｑ５のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ５とし、第６のスイッチング素子Ｑ６のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ６とし、第２のダイオードＤ２の順方向降下電圧をＶｆＤ２とし、第４のダイオードＤ４の順方向降下電圧をＶｆＤ４とし、第５のダイオードＤ５の順方向降下電圧をＶｆＤ５とし、また、第６のダイオードＤ６の順方向降下電圧をＶｆＤ６とする。

制御装置１９は、回生時（充電時）、第１及び第２の直流電源１２，１４の出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２の高低に応じて、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６をオン／オフさせるのに用いる関係として上記（１）式及び（２）式の何れか一方を選択する。

具体的には、ＶＢ２＞ＶＢ１が成立する場合は、第２の直流電源１４→第２のコイルＬ２→第２のスイッチング素子Ｑ２→第１のコイルＬ１→第１の直流電源１２→第６のスイッチング素子Ｑ６→第４のダイオードＤ４→第５のダイオードＤ５→第２の直流電源１４の経路４４で電流が流通するのを阻止するために、上記（１）式を選択する。一方、ＶＢ１＞ＶＢ２が成立する場合は、第１の直流電源１２→第１のコイルＬ１→第２のダイオードＤ２→第２のコイルＬ２→第２の直流電源１４→第５のスイッチング素子Ｑ５→第４のスイッチング素子Ｑ４→第６のダイオードＤ６→第１の直流電源１２の経路４６で電流が流通するのを阻止するために、上記（２）式を選択する。

そして、制御装置１９は、その選択した式の関係が成立するように、第５のスイッチング素子Ｑ５又は第６のスイッチング素子Ｑ６のオン／オフを制御する。かかる制御によりスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６がオン／オフされると、そのスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅＱ５，ＶｃｅＱ６が上記の如く選択した式の関係を満たすように調整される。

この点、本実施例によれば、上記した接続点Ａと接続点Ｂとの間の、第１の直流電源１２及び第１のコイルＬ１を介した経路による電位と、第２の直流電源１４及び第２のコイルＬ２を介した経路による電位と、を等しくすることができる。従って、本実施例の電源システム１０によれば、第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１と第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２とが互いに異なる場合にも、両直流電源１２，１４の間で電流が流通するのを阻止することができる。

このため、本実施例によれば、負荷１８から第１及び第２の直流電源１２，１４へ向けて電流を意図どおりに流すことができ、第１及び第２の直流電源１２，１４の充電を所望のものとすることができる。また、負荷１８からの回生による第１及び第２の直流電源１２，１４の充電時に両直流電源１２，１４の間で電流が流通しないので、かかる電流がコイルＬ１，Ｌ２を流れることに起因する発振を防止することができ、第１及び第２の直流電源の耐圧やエミッションを緩和することができる。

尚、上記の実施例においては、接続点Ａ及び接続点Ｂが特許請求の範囲に記載した「接続点」に、２つのスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６及び２つのダイオードＤ５，Ｄ６が特許請求の範囲に記載した「電位等価手段」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の第１実施例においては、制御装置１９が回生時に、上記（１）式又は（２）式の関係が成立するように第５のスイッチング素子Ｑ５又は第６のスイッチング素子Ｑ６のオン／オフを制御する。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、電源システム１０が高電圧系（例えば、昇圧電圧が２００ボルトや６００ボルトになる系など）に適用される場合は、上記（１）式に代えて下記（３）式の関係が成立するように或いは上記（２）式に代えて下記（４）式の関係が成立するように第５のスイッチング素子Ｑ５又は第６のスイッチング素子Ｑ６のオン／オフを制御することとしてもよい。

これは、高電圧系では、回路上、第２のスイッチング素子Ｑ２のオン時のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅＱ２ｏｎ、第４のスイッチング素子Ｑ４のオン時のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅＱ４ｏｎ、第２のダイオードＤ２の順方向降下電圧ＶｆＤ２、第４のダイオードＤ４の順方向降下電圧ＶｆＤ４、第５のダイオードＤ５の順方向降下電圧ＶｆＤ５、及び第６のダイオードＤ６の順方向降下電圧ＶｆＤ６をそれぞれ十分に小さいものとみなすことができるためである。

ＶＢ１＋ＶｃｅＱ６＝ＶＢ２・・・（３）
ＶＢ１＝ＶＢ２＋ＶｃｅＱ５・・・（４）
また、上記の第１実施例においては、電位等価手段として、第２の直流電源１４と第４のスイッチング素子Ｑ４との間に介在する第５のスイッチング素子Ｑ５及び第５のダイオードＤ５を設けると共に、第１の直流電源１２と負荷１８の他端との間に介在する第６のスイッチング素子Ｑ６及び第６のダイオードＤ６を設けることとしている。

しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２が常に第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１よりも高い場合（ＶＢ２＞ＶＢ１が成立する場合）は、図４に示す如く、第１の直流電源１２と負荷１８の他端との間に介在する第６のスイッチング素子Ｑ６及び第６のダイオードＤ６を設けることは必要であるが、第２の直流電源１４と第４のスイッチング素子Ｑ４との間に介在する第５のスイッチング素子Ｑ５及び第５のダイオードＤ５を設けることは不要である。これは、ＶＢ１＞ＶＢ２が成立しない場合は、回生時に第１の直流電源１２から経路４６を介して第２の直流電源１４へ向けて流通する電流（具体的には、第５のスイッチング素子Ｑ５を通過する電流）が発生しないからである。

また同様に、第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１が常に第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２よりも高い場合（ＶＢ１＞ＶＢ２が成立する場合）は、図５に示す如く、第２の直流電源１４と第４のスイッチング素子Ｑ４との間に介在する第５のスイッチング素子Ｑ５及び第５のダイオードＤ５を設けることは必要であるが、第１の直流電源１２と負荷１８の他端との間に介在する第６のスイッチング素子Ｑ６及び第６のダイオードＤ６を設けることは不要である。これは、ＶＢ２＞ＶＢ１が成立しない場合は、回生時に第２の直流電源１４から経路４４を介して第１の直流電源１２へ向けて流通する電流（具体的には、第６のスイッチング素子Ｑ６を通過する電流）が発生しないからである。

図６は、本発明の第２実施例である電源システム１００の回路構成図を示す。尚、図６において、上記図１に示す構成と同一の構成を示す部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

本実施例の電源システム１００は、接続点Ａと接続点Ｂとの間の電位についての電位等価手段として、上記第１実施例の電源システム１０において、第５及び第６のスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６並びに第５及び第６のダイオードＤ５，Ｄ６を用いない一方で、第２及び第４のダイオードＤ２，Ｄ４に代えて第７及び第８のスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８を用いることとしている。

すなわち、本実施例の電源システム１００は、電位等価手段として２つのスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８を備えている。第７のスイッチング素子Ｑ７は、第２のスイッチング素子Ｑ２に対して逆接続されている。第７のスイッチング素子Ｑ７は、エミッタが第２のスイッチング素子Ｑ２のコレクタに接続され、かつ、コレクタが第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタに接続された構成を有している。第２のスイッチング素子Ｑ２と第７のスイッチング素子Ｑ７とは、ＲＢ−ＩＧＢＴ（逆阻止ＩＧＢＴ）を構成する。

また、第８のスイッチング素子Ｑ８は、第４のスイッチング素子Ｑ４に対して逆接続されている。第８のスイッチング素子Ｑ８は、エミッタが第４のスイッチング素子Ｑ４のコレクタに接続され、かつ、コレクタが第４のスイッチング素子Ｑ４のエミッタに接続された構成を有している。第４のスイッチング素子Ｑ４と第８のスイッチング素子Ｑ８とは、ＲＢ−ＩＧＢＴ（逆阻止ＩＧＢＴ）を構成する。

第７及び第８のスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８はそれぞれ、制御装置１０２により回生時（充電時）に下記（５）式又は（６）式が満たされるようにオン／オフされる。但し、第７のスイッチング素子Ｑ７のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ７とし、また、第８のスイッチング素子Ｑ８のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ８とする。

ＶＢ１＋ＶｃｅＱ２ｏｎ＝ＶＢ２＋ＶｃｅＱ８・・・（５）
ＶＢ１＋ＶｃｅＱ７＝ＶＢ２＋ＶｃｅＱ４ｏｎ・・・（６）
制御装置１０２は、回生時、第１及び第２の直流電源１２，１４の出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２の高低に応じて、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８をオン／オフさせるのに用いる関係として上記（５）式及び（６）式の何れか一方を選択する。

具体的には、ＶＢ２＞ＶＢ１が成立する場合は、第２の直流電源１４→第２のコイルＬ２→第２のスイッチング素子Ｑ２→第１のコイルＬ１→第１の直流電源１２→第８のスイッチング素子Ｑ８→第２の直流電源１４の経路４４で電流が流通するのを阻止するために、上記（５）式を選択する。一方、ＶＢ１＞ＶＢ２が成立する場合は、第１の直流電源１２→第１のコイルＬ１→第７のスイッチング素子Ｑ７→第２のコイルＬ２→第２の直流電源１４→第４のスイッチング素子Ｑ４→第１の直流電源１２の経路４６で電流が流通するのを阻止するために、上記（６）式を選択する。

そして、制御装置１０２は、その選択した式の関係が成立するように、第７のスイッチング素子Ｑ７又は第８のスイッチング素子Ｑ８のオン／オフを制御する。かかる制御によりスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８がオン／オフされると、そのスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅＱ７，ＶｃｅＱ８が上記の如く選択した式の関係を満たすように調整される。

この点、本実施例によれば、上記した接続点Ａと接続点Ｂとの間の、第１の直流電源１２及び第１のコイルＬ１を介した経路による電位と、第２の直流電源１４及び第２のコイルＬ２を介した経路による電位と、を等しくすることができる。従って、本実施例の電源システム１００によれば、第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１と第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２とが互いに異なる場合にも、両直流電源１２，１４の間で電流が流通するのを阻止することができる。このため、本実施例においても、上記第１実施例の電源システム１０と同様の効果を得ることが可能である。

尚、上記の第２実施例においては、２つのスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８が特許請求の範囲に記載した「電位等価手段」に相当している。

ところで、上記の第２実施例においては、制御装置１０２が回生時に、上記（５）式又は（６）式の関係が成立するように第７のスイッチング素子Ｑ７又は第８のスイッチング素子Ｑ８のオン／オフを制御する。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、電源システム１００が高電圧系（例えば、昇圧電圧が２００ボルトや６００ボルトになる系など）に適用される場合は、上記（５）式に代えて下記（７）式の関係が成立するように或いは上記（６）式に代えて下記（８）式の関係が成立するように第７のスイッチング素子Ｑ７又は第８のスイッチング素子Ｑ８のオン／オフを制御することとしてもよい。これは、高電圧系では、回路上、第２のスイッチング素子Ｑ２のオン時のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅＱ２ｏｎ及び第４のスイッチング素子Ｑ４のオン時のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅＱ４ｏｎをそれぞれ十分に小さいものとみなすことができるためである。

ＶＢ１＝ＶＢ２＋ＶｃｅＱ８・・・（７）
ＶＢ１＋ＶｃｅＱ７＝ＶＢ２・・・（８）
また、上記の第２実施例においては、電位等価手段として、第２のスイッチング素子Ｑ２に対して逆接続された第７のスイッチング素子Ｑ７を設けると共に、第４のスイッチング素子Ｑ４に対して逆接続された第８のスイッチング素子Ｑ８を設けることとしている。

しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２が常に第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１よりも高い場合（ＶＢ２＞ＶＢ１が成立する場合）は、図７に示す如く、第４のスイッチング素子Ｑ４に対して逆接続された第８のスイッチング素子Ｑ８を設けることは必要であるが、第２のスイッチング素子Ｑ２に対して逆接続された第７のスイッチング素子Ｑ７を設けることは不要である。これは、ＶＢ１＞ＶＢ２が成立しない場合は、回生時に第１の直流電源１２から経路４６を介して第２の直流電源１４へ向けて流通する電流（具体的には、第７のスイッチング素子Ｑ７を通過する電流）が発生せず、第７のスイッチング素子Ｑ７をダイオードで置換できるからである。尚、この場合は、第２のスイッチング素子Ｑ２に、第７のスイッチング素子Ｑ７に代えて第２のダイオードＤ２を逆並列接続する。

また同様に、第１の直流電源１２の出力電圧ＶＢ１が常に第２の直流電源１４の出力電圧ＶＢ２よりも高い場合（ＶＢ１＞ＶＢ２が成立する場合）は、図８に示す如く、第２のスイッチング素子Ｑ２に対して逆接続された第７のスイッチング素子Ｑ７を設けることは必要であるが、第４のスイッチング素子Ｑ４に対して逆接続された第８のスイッチング素子Ｑ８を設けることは不要である。これは、ＶＢ２＞ＶＢ１が成立しない場合は、回生時に第２の直流電源１４から経路４４を介して第１の直流電源１２へ向けて流通する電流（具体的には、第８のスイッチング素子Ｑ８を通過する電流）が発生せず、第８のスイッチング素子Ｑ８をダイオードで置換できるからである。尚、この場合は、第４のスイッチング素子Ｑ４に、第８のスイッチング素子Ｑ８に代えて第４のダイオードＤ４を逆並列接続する。

図９は、本発明の第３実施例である電源システム２００の回路構成図を示す。尚、図９において、上記図１に示す構成と同一の構成を示す部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

本実施例の電源システム２００は、接続点Ａと接続点Ｂとの間の電位についての電位等価手段として、上記第１実施例の電源システム１０において、回生時（充電時）に第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のオン／オフを制御することとし、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４をフルで駆動させる通常制御で用いることなく、飽和領域で駆動させることでそのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅを制御することとする。

すなわち、本実施例の電源システム２００において、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４はそれぞれ、制御装置２０２により回生時に下記（９）式又は（１０）式が満たされるようにオン／オフされる。但し、第２のスイッチング素子Ｑ２のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ２とし、また、第４のスイッチング素子Ｑ４のコレクタ−エミッタ間電圧をＶｃｅＱ４とする。

ＶＢ１＋ＶｃｅＱ２＝ＶＢ２＋ＶｆＤ４・・・（９）
ＶＢ１＋ＶｆＤ２＝ＶＢ２＋ＶｃｅＱ４・・・（１０）
制御装置２０２は、回生時、第１及び第２の直流電源１２，１４の出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２の高低に応じて、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４をオン／オフさせるのに用いる関係として上記（９）式及び（１０）式の何れか一方を選択する。

具体的には、ＶＢ２＞ＶＢ１が成立する場合は、第２の直流電源１４→第２のコイルＬ２→第２のスイッチング素子Ｑ２→第１のコイルＬ１→第１の直流電源１２→第４のダイオードＤ４→第２の直流電源１４の経路４４で電流が流通するのを阻止するために、上記（９）式を選択する。一方、ＶＢ１＞ＶＢ２が成立する場合は、第１の直流電源１２→第１のコイルＬ１→第２のダイオードＤ２→第２のコイルＬ２→第２の直流電源１４→第４のスイッチング素子Ｑ４→第１の直流電源１２の経路４６で電流が流通するのを阻止するために、上記（１０）式を選択する。

そして、制御装置２０２は、その選択した式の関係が成立するように、第２のスイッチング素子Ｑ２又は第４のスイッチング素子Ｑ４のオン／オフを制御する。かかる制御によりスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４がオン／オフされると、そのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅＱ２，ＶｃｅＱ４が上記の如く選択した式の関係を満たすように調整される。

尚、上記の第３実施例においては、２つのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のオン／オフを制御することが特許請求の範囲に記載した「電位等価手段」に相当している。

ところで、上記の第３実施例においては、制御装置２０２が回生時に、上記（９）式又は（１０）式の関係が成立するように第２のスイッチング素子Ｑ２又は第４のスイッチング素子Ｑ４のオン／オフを制御する。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、電源システム２００が高電圧系（例えば、昇圧電圧が２００ボルトや６００ボルトになる系など）に適用される場合は、上記（９）式に代えて下記（１１）式の関係が成立するように或いは上記（１０）式に代えて下記（１２）式の関係が成立するように第２のスイッチング素子Ｑ２又は第４のスイッチング素子Ｑ４のオン／オフを制御することとしてもよい。これは、高電圧系では、回路上、第２のダイオードＤ２の順方向降下電圧ＶｆＤ２及び第４のダイオードＤ４の順方向降下電圧ＶｆＤ４をそれぞれ十分に小さいものとみなすことができるためである。

ＶＢ１＋ＶｃｅＱ２＝ＶＢ２・・・（１１）
ＶＢ１＝ＶＢ２＋ＶｃｅＱ４・・・（１２）

１０，１００，２００電源システム
１２，１４直流電源
１６電力変換器
１８負荷
１９，１０２，２０２制御装置
Ｑ１〜Ｑ８スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ダイオード
Ｌ１，Ｌ２コイル

Claims

負荷の両端間で互いに直列接続される第１、第２、第３、及び第４のスイッチング素子と、前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング素子に逆並列接続されるダイオードと、前記負荷の両端間で前記第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と直列接続される第１の直流電源と、前記負荷の両端間で前記第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と直列接続される第２の直流電源と、前記第２のスイッチング素子と前記第１の直流電源との間に介在する第１のコイルと、前記第１のスイッチング素子と前記第２の直流電源との間に介在する第２のコイルと、を備え、前記第１、第２、第３、及び第４のスイッチング素子それぞれのオン及びオフを制御することにより、前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源の充放電を行うモードを、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源とを直列接続させつつ行うシリーズモードと、前記第１の直流電源と前記第２の直流電源とを並列接続させつつ行うパラレルモードと、で切り替えることが可能な電源システムであって、
前記負荷から前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源への充電時、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との接続点と、前記第４のスイッチング素子と前記負荷の一端との接続点と、の間の、前記第１の直流電源を介した経路による第１の電位と、前記前記第２の直流電源を介した経路による第２の電位と、を等しくする電位等価手段を備えることを特徴とする電源システム。