JP5171912B2

JP5171912B2 - 電力システム

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Publication number: JP5171912B2
Application number: JP2010213283A
Authority: JP
Inventors: 昭暢杉山; 宏司藤岡; 隆徳松永; 考平森; 敏英佐竹
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: DE102011106071A1; US20120074777A1; US9539910B2; JP2012070536A; CN102420458A; DE102011106071B4; CN102420458B

Description

本発明は電気自動車との間で電力を授受可能な電力システムに関する。

バッテリに充電された電力を駆動源としてモータを駆動して動力を得る電気自動車は、昨今では、家庭用の電源からもケーブルを介してバッテリの充電を行うことが可能となっている。ここで、最近では、太陽光発電や風力発電を行って自家発電を行う家庭が増えているが、そのような家庭では、余剰電力があるは電力会社に販売し、発電量が足りない場合には、電力会社の電力系統から供給される商用電力（系統電力）を使用するという方法を採っている。このようなシステムを発展させたものがスマートグリッドと呼称される次世代の電力網である。

このように、家庭においても自家発電による電力供給が取り入れられつつある現在では、太陽光発電や風力発電によって得た電力で電気自動車のバッテリを充電することも可能である。

太陽光発電によって得た電力で電気自動車のバッテリを充電する構成は、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１においては、太陽電池モジュールからの直流発電電力を交流変換して家庭内負荷に供給する家庭用パワーコンディショナと、パワーコンディショナからの交流電力を直流電力に再変換してガソリン自動車または電気自動車のバッテリに貯蔵し、または、貯蔵された電力を交流変換して家庭内負荷に電力供給するシステムが開示されている。

特開平８−１９１９３号公報

特許文献１にはパワーコンディショナの内部構成は開示されておらず、パワーコンディショナ内での直流変換や交流変換に必要な制御回路がどのような電源に基づいて制御されているかなどは不明である。一方で、特許文献１には、系統電力が長期間停電した場合には、パワーコンディショナの制御モードを電圧制御モードに切り替えて自立運転させることが開示されているが、自立運転に際して、自動車のバッテリから制御回路の電源を得るにしても、太陽電池モジュールから制御回路の電源を得るにしても、１００ボルト以上の高電圧から、数ボルト程度の制御回路の電源を得るには、何らかの降圧手段が必要であることが予想される。しかし、入出力差が大きい降圧を行うと、スイッチングロスやスイッチングノイズが大きくなるという問題がある。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、電気自動車と電力系統との間で電力の授受を行う電力システムにおいて、スイッチングロスやスイッチングノイズを低減した電圧変換により直流変換や交流変換の制御回路に必要な電圧を提供できる電力システムを提供することを目的とする。

本発明に係る電力システムの態様は、負荷に交流電力を供給する電力系統と、バッテリに充電された電力を駆動源としてモータを駆動して走行する自動車との間で、電力を授受する電力システムであって、前記電力系統と前記自動車のバッテリとの間に接続された電力変換装置を備え、前記電力変換装置は、前記バッテリの充放電を行う充放電回路と、前記充放電回路と前記電力系統との間に接続され、直流電力と交流電力との双方向の変換を行う双方向インバータ回路と、前記充放電回路および前記双方向インバータ回路を制御する制御回路と、を有し、前記制御回路は、前記電力系統から供給される交流電圧に基づく第１の電圧および、前記自動車の直流電源から供給される直流電圧に基づく第２の電圧の一方を動作電圧として選択し、前記電力系統から前記自動車への交流電力が供給されている場合は、前記第１の電圧が選択され、前記電力系統から前記自動車への交流電力が途絶えた場合には前記第２の電圧が選択される。

本発明に係る電力システムの態様によれば、自動車内の直流電源から供給される直流電圧に基づいた第２の電圧を制御回路の動作電圧として選択可能とすることで、入出力差の小さい降圧処理で済み、スイッチングロスやスイッチングノイズが小さな電圧変換が可能となり、電力消費を抑制し、安定した電圧を生成することができる。

本発明に係る電力システムの実施の形態１の構成を示すブロック図である。双方向インバータ回路の構成および動作を説明する図である。充放電回路の構成および動作を説明する図である。本発明に係る電力システムの実施の形態１の変形例の構成を示すブロック図である。本発明に係る電力システムの実施の形態２の構成を示すブロック図である。ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を説明する図である。複数のケーブルを１本にまとめた専用ケーブルの断面構成を示す図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明に係る電力システムの実施の形態１として、家庭に供給される系統電力のバックアップシステム１００の構成を示すブロック図である。

図１に示すバックアップシステム１００は、電気自動車（ガソリンエンジンとモータとを併用したプラグインハイブリッド車も含む）ＥＶ内の走行用のモータ（図示せず）の駆動源となるバッテリ１を、系統電力のバックアップ電源として使用するものであり、バッテリ１から電力変換装置１０を介して家庭内負荷２１に電力を供給可能な構成となっている。

電力変換装置１０は、電力系統２２からスイッチＳＷを介して供給される１００ボルト〜２００ボルトの交流電力を直流電力に変換してバッテリ１に蓄積するとともに、バッテリ１に蓄積された直流電力を、１００ボルト〜２００ボルトの交流電力に変換してスイッチＳＷを介して家庭内負荷２１に供給する双方向の電力変換装置である。

電力変換装置１０は、第１電源回路１１、第２電源回路１２、選択回路１４、制御回路１５、双方向インバータ回路１６、充放電回路１７を主たる構成として備えている。

電力変換装置１０は、マイクロコンピュータやＤＳＰ（Digital signal Processor）等のマイクロプロセッサで構成される制御回路１５により動作が制御され、当該制御回路１５の動作電圧は、第１電源回路１１あるいは第２電源回路１２によって供給される。ここで、第１電源回路１１は、電力系統２２から供給される交流電圧に基づいて制御回路１５の動作電圧を生成し、第２電源回路１２は、電気自動車ＥＶ内の直流電源２から供給される直流電圧に基づいて制御回路１５の動作電圧を生成する。

ここで、直流電源２は、電気自動車ＥＶの制御系などに使用される１２ボルト程度の電圧を発生させるバッテリであり、バッテリ１の３００ボルト程度の出力電圧を降圧回路３によって１２ボルト程度に下げることで電力が蓄積される。なお、降圧回路３は、後に説明するＤＣ−ＤＣコンバータなどを使用することができ、降圧回路３そのものを直流電源２として使用し、１２ボルトのバッテリを使用しない構成としても良い。

このように、電気自動車ＥＶの制御系などに使用されるバッテリや降圧回路３を直流電源２として使用することで、第２電源回路１２に与える電圧を低くすることができ、第２電源回路１２を入出力差の小さい降圧回路で構成することができる。

第１電源回路１１および第２電源回路１２で生成された５ボルト程度の制御回路１５の動作電圧は選択回路１４に与えられ、何れか一方が選択されて制御回路１５に供給される。選択回路１４による選択は、電力系統２２から電力が供給されている場合は第１電源回路１１からの動作電圧を選択し、電力系統２２からの電力供給が途絶えた場合には、第２電源回路１２からの動作電圧を選択するように行う。

選択回路１４は、スイッチ手段により選択を行うようにすれば良く、スイッチ手段としては、メカニカルリレーやＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor）を利用することができ、そのオンオフ指令は制御回路１５から与える構成とすれば良い。

制御回路１５は、双方向インバータ回路１６、充放電回路１７等のオン、オフを制御するが、これらの基本的なスイッチング動作は、図示しない子制御回路により制御される。

双方向インバータ回路１６は、図２の（ａ）部に示すように４つのスイッチ素子Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ２３およびＴ２４で構成されるフルブリッジ回路を用いることができる。なお、スイッチ素子Ｔ２１〜Ｔ２４のそれぞれには、逆並列にダイオードＤ２１、Ｄ２２、Ｄ２３およびＤ２４が接続されている。

各スイッチ素子にはＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられ、ＰＷＭ駆動される。フルブリッジ回路の出力波形はリアクトルＬ２１およびＬ２２により平滑化され、ほぼ正弦波となって出力される。

双方向インバータ回路１６の交流側に電力系統が接続される場合は、双方向インバータ回路１６の出力電圧は電力系統２２の電圧によって決まり、直流側の電圧が一定になるように出力電流が制御された、電流型インバータとなる。

一方、交流側に電力系統が接続されず、家庭内負荷２１など交流負荷のみが接続される場合は、インバータ回路の出力電圧が一定で、かつ直流側の電圧が一定になるように制御された電圧型インバータとなる。

双方向インバータ回路１６のスイッチ素子としてはＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを用いるため、全スイッチ素子を常時オフ状態とすることにより、図２の（ｂ）部に示すようにフルブリッジ回路はダイオードブリッジとなるので、電力系統２２側から入力側へのＡＣ−ＤＣ変換動作が実現できる。

充放電回路１７は、３００ボルト程度のバッテリ１の直流出力電圧を約３５０ボルトまで昇圧する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとして、例えば、図３に示す双方向チョッパを適用することができる。

図３の（ａ）部には回路図を示し、図３の（ｂ）部には放電運転時の回路、図３の（ｃ）部には充電運転時の回路を示す。

図３の（ａ）部に示すように、双方向チョッパは直列に接続されたスイッチ素子Ｔ３１およびＴ３２と、スイッチ素子Ｔ３１およびＴ３２にそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤ３１およびＤ３２を有し、バッテリ１はインピーダンス素子Ｌ３１を介してスイッチ素子Ｔ３１とＴ３２との接続点に接続される。また、スイッチ素子Ｔ３１とＴ３２の両端間にはコンデンサＣ３１が介挿され、双方向インバータ回路１６が接続される。

図３の（ｂ）に示す放電運転時の動作では、スイッチ素子Ｔ３１は常時オフとしスイッチ素子Ｔ３２がＰＷＭ（パルス幅変調）駆動されることにより、昇圧チョッパとして動作する。この動作により、出力側（インバータ回路側）において入力側（バッテリ側）よりも高い直流電圧を得ることができる。

図３の（ｃ）部に示す充電運転時の動作では、スイッチ素子Ｔ３２は常時オフとし、スイッチ素子Ｔ３１がＰＷＭ駆動されることにより、インバータ回路側からバッテリ１側に向かって降圧動作を行う降圧チョッパとして動作する。

なお、スイッチ素子Ｔ３１およびＴ３２は、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを使用するため、スイッチ素子を常時オフ状態にしたときはダイオードＤ３１およびＤ３２が機能し、常時オフ状態になる。

電力変換装置１０においては、双方向インバータ回路１６や充放電回路１７を制御する制御回路１５の５ボルト程度の動作電圧を、第１電源回路１１および第２電源回路１２を用いて生成し、このうち第２電源回路１２は、電気自動車ＥＶ内の直流電源２から供給される直流電圧に基づいて制御回路１５の動作電圧を生成するので、入出力差の小さい降圧回路で構成することができる。このため、スイッチングロスやスイッチングノイズが小さな電圧変換が可能となり、電力消費を抑制し、安定した電圧を生成することができる。

＜変形例＞
図４は、実施の形態１の変形例である系統電力のバックアップシステム１００Ａの構成を示すブロック図である。なお、図１に示したバックアップシステム１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４に示すバックアップシステム１００Ａは、電気自動車ＥＶ全体の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）内の直流電源２Ａの５ボルト程度の出力電圧を制御回路１５の動作電圧として使用する構成を採り、直流電源２Ａから出力される出力電圧は、電力変換装置１０Ａの選択回路１４に直接に与えられる構成となっている。従って、図１に示した電力変換装置１０のような第２電源回路１２は不要となり、装置構成を簡略化できる。

電気自動車ＥＶにおけるＥＣＵ内部には、マイクロコンピュータやＤＳＰなどのマイクロプロセッサの動作電圧となる５ボルト程度の出力電圧を有する直流電源を有しており、直流電源２Ａにはこれを使用する。

バックアップシステム１００Ａにおいては、ＥＣＵの動作電圧と、電力変換装置内の制御回路１５の動作電圧が同じ場合に特に有効であるが、両者の動作電圧に多少の差がある場合には、電力変換装置１０に示した第２電源回路１２を用いて降圧、あるいは昇圧を行うことで対応可能である。その場合、入出力差は、より小さいものとなるので、スイッチングロスやスイッチングノイズがより小さな電圧変換が可能となり、電力消費を抑制し、安定した電圧を生成することができる。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明に係る電力システムの実施の形態２として、太陽電池、燃料電池、風力発電等により発生する交流または直流の電力を商用周波数の交流電力に変換し、この交流電力を電力系統や家庭内負荷に供給するパワーコンディショナ２０を含む系統電力のバックアップシステム２００の構成を示すブロック図である。なお、図１に示したバックアップシステム１００と同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５に示すバックアップシステム２００は、電気自動車ＥＶ内の走行用のモータ（図示せず）の駆動源となるバッテリ１を、系統電力のバックアップ電源として使用するとともに、発電システム３０で発生する直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１８および双方向インバータ回路１６を介して１００〜２００ボルトの交流電力に変換し、スイッチＳＷを介して家庭内負荷２１に供給可能な構成となっている。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力は、充放電回路１７を介してバッテリ１に充電可能に構成されている。

なお、スイッチＳＷを介して出力された交流電力のうち、家庭内負荷２１で消費されない余剰電力分が、電力系統２２側に逆潮流されるが、逆潮流のシステムについては本願との関連が薄いので説明は省略する。

ここで、発電システム３０には、太陽光発電や風力発電あるいは燃料電池等を含むが、本実施の形態では太陽光発電を使用するものとする。

パワーコンディショナ２０においては、制御回路１５の動作電圧が、第１電源回路１１、第２電源回路１２および第３電源回路１３によって供給される。ここで、第１電源回路１１は、電力系統２２から供給される交流電圧に基づいて制御回路１５の動作電圧を生成し、第２電源回路１２は、電気自動車ＥＶ内の直流電源２から供給される直流電圧に基づいて制御回路１５の動作電圧を生成し、第３電源回路１３は、発電システム３０の１００〜３００ボルトの出力電圧に基づいて制御回路１５の動作電圧を生成する。

第１電源回路１１、第２電源回路１２および第３電源回路１３で生成された５ボルト程度の制御回路１５の動作電圧は選択回路１４に与えられ、何れか１つが選択されて制御回路１５に供給される。

選択回路１４による選択は、電力系統２２から電力が供給されている場合は第１電源回路１１からの動作電圧を選択し、電力系統２２からの電力供給が途絶えた場合には、第２電源回路１２からの動作電圧を選択するように設定する。また、発電システム３０から電力が供給されている場合は常に第３電源回路からの動作電圧を選択するように設定する。

制御回路１５は、双方向インバータ回路１６、充放電回路１７およびＤＣ−ＤＣコンバータ１８等のオン、オフを制御するが、これらの基本的なスイッチング動作は、図示しない子制御回路により制御される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１８は、発電システム３０の１００〜３００ボルトの直流出力電圧を約３５０ボルトまで昇圧する電圧変換回路であり、その構成としては、例えば、図６に示す昇圧チョッパなどの既知の回路が適用できる。

図６に示す昇圧チョッパは、２つの電力ライン間に接続されたスイッチ素子Ｔ１１と、スイッチ素子Ｔ１１より出力側において２つの電力ライン間にスイッチ素子Ｔ１１と並列するように２つの電力ライン間に接続されたコンデンサＣ１と、コンデンサＣ１の正電位側電極の接続点にカソードが接続され、スイッチ素子Ｔ１１の接続点にアノードが接続されるように電力ラインに介挿されたダイオードＤ１２と、スイッチ素子Ｔ１１の接続点と、入力端との間の電力ラインに介挿されたインピーダンス素子Ｌ１１と、スイッチ素子Ｔ１１に逆並列に接続されたダイオードＤ１１とを有している。

このような構成において、スイッチ素子Ｔ１１がＰＷＭ駆動されると、入力側よりも高い直流電圧を得ることができる。

パワーコンディショナ２０においては、双方向インバータ回路１６、充放電回路１７およびＤＣ−ＤＣコンバータ１８を制御する制御回路１５の５ボルト程度の動作電圧を、第１電源回路１１、第２電源回路１２および第３電源回路を用いて生成し、このうち第２電源回路１２は、電気自動車ＥＶ内の直流電源２から供給される直流電圧に基づいて制御回路１５の動作電圧を生成するので、入出力差の小さい降圧回路で構成することができる。このため、スイッチングロスやスイッチングノイズが小さな電圧変換が可能となり、電力消費を抑制し、安定した電圧を生成することができる。

なお、図４に示した系統電力のバックアップシステム１００Ａと同様に、電気自動車ＥＶ内の直流電源２の代わりに、ＥＣＵ内のマイクロコンピュータやＤＳＰなどのマイクロプロセッサの駆動電源となる５ボルト程度の直流電源の出力電圧を、制御回路１５の動作電圧として使用する構成を採ることで、第２電源回路１２を不要とする構成を採っても良いことは言うまでもない。

以上説明した実施の形態１および２の系統電力のバックアップシステム１００および２００においては、電力変換装置１０およびパワーコンディショナ２０と電気自動車ＥＶとの間には、充放電回路１７とバッテリ１とを接続するケーブルおよび第２電源回路１２と直流電源２とを接続するケーブルとが必要であるが、これらを別個に設けると、接続作業が煩雑となるので、これらのケーブルを１本にまとめ、一度に抜き差しできる構成とすることで、ユーザーにとって使いやすい構成となる。

図７は、複数のケーブルを１本にまとめた専用ケーブルの断面構成を示す図であり、充放電回路１７とバッテリ１とを接続するケーブルは、大電力を充放電するので太い電力線ＰＬ１およびＰＬ２を用いて構成され、第２電源回路１２と直流電源２とを接続するケーブルは、電力は小さいので信号線ＳＬ１およびＳＬ２を用いて構成される。

なお、信号線ＳＬ１およびＳＬ２は、それぞれ他の信号線の束の中に含まれるように配置されている。なお、複数のケーブルを１本にまとめる構成はこれに限定されるものではない。

なお、以上の説明においては、制御回路１５の動作電圧は５ボルト程度としたが、省電力化により３．３ボルトの動作電圧の回路を使用する場合もある。

１０，１０Ａ電力変換装置、２０パワーコンディショナ、ＥＶ電気自動車。

Claims

負荷に交流電力を供給する電力系統と、バッテリに充電された電力を駆動源としてモータを駆動して走行する自動車との間で、電力を授受する電力システムであって、
前記電力系統と前記自動車のバッテリとの間に接続された電力変換装置を備え、
前記電力変換装置は、
前記バッテリの充放電を行う充放電回路と、
前記充放電回路と前記電力系統との間に接続され、直流電力と交流電力との双方向の変換を行う双方向インバータ回路と、
前記充放電回路および前記双方向インバータ回路を制御する制御回路と、を有し、
前記制御回路は、
前記電力系統から供給される交流電圧に基づく第１の電圧および、
前記自動車の直流電源から供給される直流電圧に基づく第２の電圧の一方を動作電圧として選択し、
前記電力系統から前記自動車への交流電力が供給されている場合は、前記第１の電圧が選択され、前記電力系統から前記自動車への交流電力が途絶えた場合には前記第２の電圧が選択される、電力システム。
前記電力変換装置は、
前記直流電源から供給される前記直流電圧を降圧して前記第２の電圧を生成する電源回路を有する、請求項１記載の電力システム。
前記直流電源は、
前記自動車の制御系の電源用のバッテリ、あるいは前記モータを駆動する前記バッテリの出力電圧を降圧する降圧回路で構成される、請求項２記載の電力システム。
前記電力変換装置は、
前記直流電源から供給される直流電圧を前記第２の電圧として使用する、請求項１記載の電力システム。
前記直流電源は、
前記自動車の全体の制御を行う電子制御装置の演算処理装置駆動用の電源回路で構成される、請求項４記載の電力システム。
前記電力システムは、直流電力を発生する発電システムをさらに備え、
前記電力変換装置は、
前記発電システムで発生する直流電力を、前記双方向インバータ回路を介して交流電力に変換して前記負荷に供給するとともに、前記充放電回路を介して前記バッテリを充電可能に構成され、
発電システムから供給される直流電圧に基づく第３の電圧と、前記第１および第２の電圧の中から何れか１つを前記制御回路の動作電圧として選択する、請求項１記載の電力システム。
前記自動車の前記バッテリおよび前記直流電源と、前記電力変換装置との接続は、
前記バッテリへの接続ケーブルと、
前記直流電源への接続ケーブルとを１本にまとめた専用ケーブルによって行う、請求項１記載の電力システム。