JP2022137719A - 電源装置、車両および制御方法 - Google Patents

電源装置、車両および制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電力効率の向上およびＥＭＩ性能の向上を図ることが可能な電源装置、車両および制御方法を提供する。【解決手段】電源装置は、外部電源から入力された電力を負荷に供給する電源装置であって、スイッチング素子を有し、負荷に電力を別々に供給可能な複数の電源回路部と、負荷の必要電力に応じて、負荷に電力を供給する電源回路部の数を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、電源装置、車両および制御方法に関する。
従来、複数の電源回路部を備える電源装置が知られている。このような電源装置では、外部電源が接続された場合、複数の電源回路部の全てを同時に動作させて負荷に電力を供給する。
例えば、特許文献１には、外部電源が複数相のものである場合、外部電源の各相に接続された複数の電源回路部の全てを同時に動作させて負荷に電力を供給する構成が開示されている。
特開２０１７－１６９３５０号公報
このような電源装置においては、複数の電源回路部を同時に動作させた場合に、必要となる供給電力量が比較的少ない負荷に電力を供給する場合の電力効率をより向上させたいという要望がある。また、複数の電源回路部を同時に動作させた場合でも、複数の電源回路部のそれぞれで発生するノイズによるＥＭＩ（electromagnetic interference）性能の悪化をできるだけ抑制したいという要望がある。
本開示の目的は、電力効率の向上およびＥＭＩ性能の向上を図ることが可能な電源装置、車両および制御方法を提供することである。
本開示に係る電源装置は、
外部電源から入力された電力を負荷に供給する電源装置であって、
スイッチング素子を有し、前記負荷に前記電力を別々に供給可能な複数の電源回路部と、
前記負荷の必要電力に応じて、前記負荷に前記電力を供給する電源回路部の数を制御する制御部と、
を備える。
本開示に係る車両は、
負荷と、
上記の電源装置と、
を備える。
本開示に係る制御方法は、
スイッチング素子を有する複数の電源回路部を備え、外部電源から入力された電力を負荷に供給する電源装置の制御方法であって、
前記負荷の必要電力に応じて、前記負荷に前記電力を供給する電源回路部の数を制御し、
前記電源回路部の数に基づいて、前記複数の電源回路部を別々に制御する。
本開示によれば、電力効率の向上およびＥＭＩ性能の向上を図ることができる。
本開示の実施の形態に係る電源装置が適用された車両を示す図である。 ３つの電源回路部の全てを同時に動作させた場合の出力電力と電力効率との関係を示す図である。 本実施の形態に係る制御における出力電力と電力効率との関係を示す図である。 制御部における電力供給制御の動作例を示すフローチャートである。 変形例に係る制御における出力電力と電力効率との関係を示す図である。
（実施の形態）
以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本開示の実施の形態に係る電源装置１００が適用された車両１を示す図である。
図１に示すように、電源装置１００は、例えば、車両１に搭載されるバッテリー２（負荷）を充電するための充電装置であり、外部電源３（交流電源）から電力が供給されることで動作する。外部電源３は、単相の交流電源、三相の交流電源等、どのような交流電源であっても良い。
電源装置１００は、交流フィルタ１１０、３つの電源回路部１２０、直流フィルタ１３０および制御部１４０等を有する。
交流フィルタ１１０、３つ（複数）の電源回路部１２０および直流フィルタ１３０は、外部電源３から入力される電力をバッテリー２に充電する電力に変換するための回路である。
交流フィルタ１１０は、外部電源３から入力される交流電力のノイズを除去し、３つの電源回路部１２０のそれぞれに交流電力を出力する。なお、交流フィルタ１１０は、３つの電源回路部１２０で共通のものであっても良いし、３つの電源回路部１２０毎に設けられるものであっても良い。
３つの電源回路部１２０は、バッテリー２に対して並列に接続されており、バッテリー２に別々に電力を供給可能に構成されている。３つの電源回路部１２０のそれぞれは、同一の構成を有しており、ＡＣ／ＤＣ変換回路１２１と、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２２とを有する。
ＡＣ／ＤＣ変換回路１２１は、外部電源３から入力された交流電力を直流電力に変換する回路であり、整流回路および力率改善回路等で構成されている。ＡＣ／ＤＣ変換回路１２１（力率改善回路）は、スイッチング素子１２１Ａを含んで構成されており、制御部１４０によりスイッチング素子１２１Ａのスイッチング等を制御される。
ＤＣ／ＤＣ変換回路１２２は、ＡＣ／ＤＣ変換回路１２１から出力された直流電力を、バッテリー２を充電可能な直流電力に変換する。ＤＣ／ＤＣ変換回路１２２は、スイッチング素子１２２Ａを含んで構成されており、制御部１４０によりスイッチング素子１２２Ａのスイッチング等を制御される。
また、３つの電源回路部１２０は、個別に動作可能に構成されている。具体的には、３つの電源回路部１２０は、制御部１４０の制御の下、３つの電源回路部１２０のうちの１つを動作させ、残りの２つを停止させる第１動作状態、３つの電源回路部１２０のうちの２つを動作させ、残りの１つを停止させる第２動作状態、および、３つの電源回路部１２０の全てを動作させる第３動作状態、の何れかの動作状態とすることが可能に構成されている。つまり、制御部１４０は、３つの電源回路部１２０の全てを動作させない場合、全ての電源回路部１２０を停止させる。
第１動作状態および第２動作状態において、停止する電源回路部１２０は、例えば、図示しないスイッチにより、電源回路部１２０と外部電源３とを接続する電力線が遮断される等して、外部電源３からの電力が供給されない状態となり、また、スイッチング素子のスイッチングの制御をされない状態とされる。
直流フィルタ１３０は、３つの電源回路部１２０（ＤＣ／ＤＣ変換回路１２２）のそれぞれから出力される直流電力のノイズを低減し、バッテリー２に出力する。なお、直流フィルタ１３０は、３つの電源回路部１２０で共通のものであっても良いし、３つの電源回路部１２０毎に設けられものであっても良い。
このように電源装置１００によって電力変換された直流電力がバッテリー２に供給されることにより、バッテリー２が充電される。
制御部１４０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）および入出力回路を備えている。制御部１４０は、予め設定されたプログラムに基づいて、各電源回路部１２０（スイッチング素子）を制御するように構成されている。
３つの電源回路部１２０のそれぞれは、同一の構成を有しているので、３つの電源回路部１２０の全てを同時に動作させた場合（第３動作状態）、１つの電源回路部１２０のみを動作させた場合（第１動作状態）の出力可能電力の最大値の３倍の電力をバッテリー２に供給可能となる。
入力電力に対する出力電力の割合である電力効率は、３つの電源回路部１２０の全てを同時に動作させた場合において、出力電力に応じて、図２に示すような変動をすることが実験的に確認されている。
具体的には、電力効率は、最大出力電力の約８分の１程度の出力電力であるＰ１付近では、Ｅ１であり、出力電力がＰ１より大きくなるにつれ上昇して、最大出力電力の約２分の１程度の出力電力であるＰ２付近で、最大値であるＥ２となる。それ以降の出力電力では、電力効率は、Ｅ２より僅かに小さい、比較的安定した範囲内で推移するように変動する。
最大出力電力は、３つの電源回路部１２０の全てを動作させた際において、入力可能な電力の最大値である。
この結果からすると、例えば、出力電力が最大出力電力の約２分の１より小さいような、比較的低い出力電力である場合、最大出力電力の約２分の１以上のような比較的高い出力電力の場合と比較して、電力効率が顕著に悪化していることとなる。
出力電力は、バッテリー２側で必要となる出力電力（以下、必要電力）に合わせて調整される。必要電力は、バッテリー２側に供給される電力として設定される電力であり、例えば、バッテリー２の蓄電量、ユーザーの求めに応じた電力量等に基づいて決定される。
図２に示される電力効率の変化を考慮すると、この必要電力が比較的低く設定された場合、３つの電源回路部１２０を同時に動作させる場合である第３動作状態でバッテリー２に電力を供給しようとすると、電力効率が悪化することとなる。
そこで、制御部１４０は、バッテリー２の必要電力に応じて、バッテリー２に電力を供給する電源回路部１２０の数を制御する。具体的に、制御部１４０は、必要電力が小さく設定されるにつれ、バッテリー２に電力を供給する電源回路部１２０の数が少なくなるように、電源回路部１２０の数を決定する。
１つの電源回路部１２０の出力可能電力の最大値は、３つの電源回路部１２０の全てを同時に動作させる場合の最大出力電力の３分の１である。そのため、制御部１４０は、バッテリー２の必要電力が、例えば、最大出力電力の３分の１以下である場合、電源回路部１２０の数を１に決定して、第１動作状態で３つの電源回路部１２０を制御する。
さらに、制御部１４０は、バッテリー２の必要電力が、例えば、最大出力電力の３分の１より大きく、かつ、３分の２以下である場合、電源回路部１２０の数を２に決定して、第２動作状態で３つの電源回路部１２０を制御する。
そして、制御部１４０は、バッテリー２の必要電力が、例えば最大出力電力の３分の２より大きい場合、電源回路部１２０の数を３に決定して、第３動作状態で３つの電源回路部１２０を制御する。
このようにすることで、例えば図３に示すように、第１動作状態の場合、出力電力が最大出力電力の約３分の１までの範囲（０～Ｐ３の範囲）の電力効率（実線Ｌ１）が、３つの電源回路部１２０を同時に動作させる場合における電力効率（破線Ｌ０）よりも大幅に改善していることが実験的に確認されている。
具体的には、出力電力がＰ１よりも低いＰ４において、第１動作状態での電力効率は、Ｅ１よりも高いＥ３（Ｅ１より約３％高い値）となっている。また、出力電力がＰ１において、第１動作状態での電力効率は、Ｅ１よりもさらに高いＥ４（Ｅ１より約５％高い値）となっている。Ｅ１は、上記の通り、出力電力がＰ１の時の、３つの電源回路部１２０を同時に動作させる場合の電力効率である。
また、第２動作状態の場合、出力電力が最大出力電力の３分の１～３分の２の範囲（Ｐ３～Ｐ５の範囲）での電力効率が、３つの電源回路部１２０を同時に動作させる場合における電力効率（破線Ｌ０）よりも全体として向上したものとなっていることが実験的に確認されている。特に、出力電力が小さくなるほど、電力効率が、破線Ｌ０よりも顕著に向上していることが確認できる。
つまり、本実施の形態では、バッテリー２での必要電力が比較的低い場合における電力効率を向上させることができる。
また、出力電力が、最大出力電力の３分の２以降は、第３動作状態となり、破線Ｌ０と略同等の電力効率となるため、全体として、高水準の電力効率とすることができる。
ところで、３つの電源回路部１２０を同時に動作させる場合、各電源回路部１２０におけるスイッチング素子のスイッチング制御に起因して、３つの電源回路部１２０のそれぞれでスイッチングノイズ等のノイズが発生する。そのため、３つの電源回路部１２０で発生する各ノイズが重畳する現象が生じ、ＥＭＩ性能を向上させることが難しかった。
それに対し、本実施の形態では、必要電力が比較的低い場合、電源回路部１２０を全て同時に動作させないため、動作させない電源回路部１２０が停止される。そのため、動作させない電源回路部１２０からノイズが発生しないので、装置全体としてのノイズを低減することができる。その結果、ＥＭＩ性能を向上させることができる。
また、制御部１４０は、電源回路部１２０の数を決定した後、動作させる電源回路部１２０を選択する。具体的には、制御部１４０は、複数の電源回路部１２０のそれぞれの耐久状態に応じて、バッテリー２に電力を供給する電源回路部１２０を選択する。
例えば、電源回路部１２０の数が１である場合、制御部１４０は、３つの電源回路部１２０のうち、最も使用頻度の低い電源回路部１２０を選択する。また、電源回路部１２０の数が２である場合、制御部１４０は、３つの電源回路部１２０のうち、最も使用頻度の低い電源回路部１２０と、２番目に使用頻度の低い電源回路部１２０とを選択する。
このようにすることで、３つの電源回路部の中で突出して使用過多となる電源回路部１２０が発生することを抑制し、３つの電源回路部１２０の耐久状態を均等にしやすくすることができる。
ところで、バッテリー２の充電中において、必要電力を変更する制御が行われる場合がある。このような制御は、例えば、第３動作状態に対応するような、比較的高い必要電力により、バッテリー２の充電を行い、バッテリー２の充電量が最大充電量に近づいてきた場合、バッテリー２が過充電となることを防止するため、必要電力を減少させるような制御である。
必要電力を、例えば第１動作状態や、第２動作状態の電力範囲に対応するような電力まで減少させる場合、それに応じて、電源回路部１２０の数を減少すれば、電力効率の低下を防止できると考えられる。
そこで、制御部１４０は、少なくとも２つの電源回路部１２０を動作させてバッテリー２に充電する際、バッテリー２の残充電量に応じて、少なくとも２つの電源回路部の数を減らすように制御しても良い。
このようにすることで、電力効率の低下を防止しつつ、バッテリー２が過充電となることを防止することができる。
また、必要電力が設定され、かつ、制御部１４０により、電源回路部１２０の数が決定されても、外部電源３が、設定された必要電力を入力できない場合がある。具体的には、外部電源３の最大供給電力が必要電力よりも小さい場合、必要電力よりも小さい出力電力によって、バッテリー２への充電が行われることとなる。
例えば、電源回路部１２０の数が２に決定されたにも関わらず、出力電力が電源回路部１２０の数が１である場合の電力範囲に相当する電力である場合、電源回路部１２０の数の多さに起因して、電力効率が低下することとなる。
そこで、制御部１４０は、必要電力に応じて電源回路部１２０の数を決定した後、必要電力が外部電源３からの入力電力よりも大きい場合、入力電力に応じて、電源回路部１２０の数を減らすようにしても良い。
例えば、必要電力が第２動作状態の範囲であって、入力電力に対応する出力電力が第１動作状態の範囲である場合、制御部１４０は、電源回路部１２０の数を２から１に決定し直す。
このようにすることで、外部電源３からの入力電力の都合に起因して電力効率が低下することを抑制することができる。
以上のように構成された制御部１４０における電力供給制御の動作例について説明する。図４は、制御部１４０における電力供給制御の動作例を示すフローチャートである。図４における処理は、例えば、外部電源３に電源装置１００が接続された際に適宜実行される。
図４に示すように、制御部１４０は、バッテリー２の必要電力の情報を取得する（ステップＳ１０１）。次に、制御部１４０は、必要電力に応じた電源回路部１２０の数を決定する（ステップＳ１０２）。
電源回路部１２０の数を決定後、制御部１４０は、動作させる電源回路部１２０を選択して設定する（ステップＳ１０３）。そして、制御部１４０は、設定した電源回路部１２０により、電力の供給を開始する（ステップＳ１０４）。その後、本制御は終了する。
以上のように構成された本実施の形態によれば、必要電力に応じて、バッテリー２に電力を供給する電源回路部１２０の数を制御するので、必要電力が比較的低い場合で動作させる電源回路部１２０の数を減らすことができる。
その結果、バッテリー２での必要電力が比較的低い場合における電力効率を向上させることができる。
また、必要電力が比較的低い場合で動作させる電源回路部１２０の数を減らすので、スイッチングの制御が行われるスイッチング素子の数を減らすことができる。その結果、電源装置１００全体としてのノイズを低減することができ、ひいてはＥＭＩ性能を向上させることができる。
なお、上記実施の形態では、第１動作状態、第２動作状態および第３動作状態の３段階で、３つの電源回路部１２０の数を制御していたが、本開示はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、第１動作状態および第３動作状態の２段階で、３つの電源回路部１２０の数を制御しても良い（実線Ｌ２参照）。
電力効率においては、出力電力が０からＰ３までの範囲が最も実線Ｌ２と破線Ｌ０とで差が出るため、その範囲のみにおいて、電源回路部１２０の数を制御することにより、電力効率を向上させつつ、制御を簡素化することができる。ただし、ノイズ低減の観点からすると、第１動作状態、第２動作状態および第３動作状態の３段階で、３つの電源回路部１２０の数を制御することが好ましい。
また、上記実施の形態では、３つの電源回路部１２０の耐久状態に応じて、バッテリー２に電力を供給する電源回路部１２０を選択していたが、本開示はこれに限定されず、例えば輪番で電源回路部１２０を選択しても良い。
また、制御部１４０が３つの電源回路部１２０の配置状態に応じて電源回路部１２０を選択しても良い。例えば、第２動作状態とする場合、隣り合って配置される２つの電源回路部を動作させると、ノイズが重畳しやすくなる。
そのため、第２動作状態とする場合、例えば３つ並んで配置された電源回路部のうち、真ん中に配置された電源回路部を停止させ、当該電源回路部の両側で隣接した各電源回路部を動作させる。
こうすることで、動作する２つの電源回路部の間に停止した電源回路部が位置することとなるため、動作する２つの電源回路部との間に間隔があけられることとなる。そのため、各電源回路部で発生するノイズが重畳し難くなり、ひいては全体としてノイズを低減することができる。
また、上記実施の形態では、３つの電源回路部を有する構成であったが、本開示はこれに限定されず、２つの電源回路部を有する構成でも良いし、４つ以上の電源回路部を有する構成であっても良い
また、上記実施の形態では、負荷としてバッテリーを例示したが、本開示はこれに限定されず、バッテリー以外の負荷であっても良い。
また、上記実施の形態では、電源回路部としてＡＣ／ＤＣ変換回路およびＤＣ／ＤＣ変換回路を有するものを例示したが、本開示はこれに限定されず、スイッチング素子を含むその他の回路であっても良い。
また、上記実施の形態では、電源装置が車両に搭載されていたが、本開示はこれに限定されず、車両に搭載されていなくても良い。
その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本開示の電源装置は、電力効率の向上およびＥＭＩ性能の向上を図ることが可能な電源装置、車両および制御方法として有用である。
１ 車両
２ バッテリー
３ 外部電源
１００ 電源装置
１１０ 交流フィルタ
１２０ 電源回路部
１２１ ＡＣ／ＤＣ変換回路
１２１Ａ スイッチング素子
１２２ ＤＣ／ＤＣ変換回路
１２２Ａ スイッチング素子
１３０ 直流フィルタ
１４０ 制御部

Claims (9)

  1. 外部電源から入力された電力を負荷に供給する電源装置であって、
    スイッチング素子を有し、前記負荷に前記電力を別々に供給可能な複数の電源回路部と、
    前記負荷の必要電力に応じて、前記負荷に前記電力を供給する電源回路部の数を制御する制御部と、
    を備える電源装置。
  2. 前記制御部は、前記必要電力が小さく設定されるにつれ、前記負荷に前記電力を供給する前記電源回路部の数が少なくなるように、前記電源回路部の数を決定する、
    請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記複数の電源回路部のそれぞれは、個別に動作可能であり、
    前記制御部は、前記複数の電源回路部の全てを動作させない場合、全ての電源回路部を停止させる、
    請求項１または請求項２に記載の電源装置。
  4. 前記制御部は、前記複数の電源回路部のそれぞれの耐久状態に応じて、前記負荷に前記電力を供給する電源回路部を選択する、
    請求項１～３の何れか１項に記載の電源装置。
  5. 前記負荷は、バッテリーである、
    請求項１～４の何れか１項に記載の電源装置。
  6. 前記制御部は、少なくとも２つの電源回路部を動作させて前記バッテリーに充電する際、前記バッテリーの残充電量に応じて、前記少なくとも２つの電源回路部の数を減らす、
    請求項５に記載の電源装置。
  7. 前記制御部は、前記必要電力に応じて前記電源回路部の数を決定した後、前記必要電力が、前記外部電源からの入力電力よりも大きい場合、前記入力電力に応じて、前記電源回路部の数を減らす、
    請求項１～６の何れか１項に記載の電源装置。
  8. 負荷と、
    請求項１～７の何れか１項に記載の電源装置と、
    を備える車両。
  9. スイッチング素子を有する複数の電源回路部を備え、外部電源から入力された電力を負荷に供給する電源装置の制御方法であって、
    前記負荷の必要電力に応じて、前記負荷に前記電力を供給する電源回路部の数を制御し、
    前記電源回路部の数に基づいて、前記複数の電源回路部を別々に制御する、
    制御方法。
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