JP5487999B2 - 直列接続された蓄電セルの中間タップとバランス回路とdc−dcコンバータを併用した電力変換装置 - Google Patents
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図7は、本件第1発明として実施することが可能な放電用電源システム1を示している。C1〜Cnは、キャパシタ、電気二重層キャパシタ、二次電池等の蓄電セルであり、これらを直列接続することにより蓄電モジュール102が構成されている。蓄電モジュール102にはバランス回路101が接続されており、蓄電セルC1〜Cnの各電圧はバランス回路101により常に等しく維持されているものとする。
次に、放電用電源システム1により放電動作を行ったときの、DC−DCコンバータ103の入出力電圧、負荷104へと印加される電圧、負荷104を流れる電流、及びバランス回路102を構成する各蓄電セルC1〜Cnを流れる放電電流について説明する。
Vin=(n−m)×Vc …(1)
ただし、本実施例1においては、入力電圧Vinを、第1入力端子と第2入力端子の間の電位差と定義している。後続の実施例2〜4においても同様である。
IU×(n−m)×Vc=Vout×Iout …(2)
ただし、上記(2)式中のIUには、バランス回路の動作により蓄電セルCm+1〜Cnに流れ込む、あるいはそこから流れ出す電流を含まないものとする。
IU×(n−m)×Vc+IL×m×Vc=VLoad×ILoad …(3)
ただし、上記(3)式中のIU及びILには、バランス回路の動作により蓄電セルC1〜Cnに流れ込む、あるいはそこから流れ出す電流を含まないものとする。
VLoad=m×Vc+Vout …(4)
また、負荷電流ILoadについては、下記(5)式が成立する。
ILoad=Iout=IL …(5)
IU=(Vout×IL)/{(n−m)×Vc} …(6)
図7に示す放電用電源システム1の具体例として、降圧型DC−DCコンバータ111を用いて構成した電源システム1を図9に示す。コンバータ111は、蓄電セルCm+1〜Cnからの入力電圧を、スイッチSwのオン・オフ切り替えにより高周波方形波電圧へと一旦変換し、これを整流及び平滑化することにより直流出力電圧を供給する。降圧型コンバータ111の入力電圧Vinと出力電圧Voutとの関係は、スイッチSwのスイッチング周期に対するスイッチのオン期間の比率である時比率d(0≦d≦1)を用いて、下記(7)式により表される。
Vout=d×Vin=d×(n−m)×Vc …(7)
VLoad={d×(n−m)+m}×Vc …(8)
DC−DCコンバータ111を用いずに蓄電セルC1〜Cnを直接負荷104に接続する場合、負荷104にはn×Vcの電圧が印加されるのであり、したがって図9の放電用電源システム1は降圧動作をしていることがわかる。(8)式によれば、負荷電圧VLoadの大きさは、DC−DCコンバータ111に直接接続されていない蓄電セルC1〜Cmの電圧の和であるm×Vcと、DC−DCコンバータ111の出力電圧であるd×(n−m)×Vcと、の合計に等しい。
IU=d×IL …(9)
ただし、上記(9)式中のIUとILとはいずれも、バランス回路101の動作により蓄電セルC1〜Cnに流れ込む、あるいはC1〜Cnから流れ出す電流を含まないものとする。
図7に示す放電用電源システム1の、もう一つの具体例として、昇圧型DC−DCコンバータ112を用いて構成した電源システム1を図10に示す。コンバータ112は、蓄電セルCm+1〜Cnからの入力電圧を、スイッチSwのオン・オフ切り替えにより高周波方形波電圧へと一旦変換し、これを整流及び平滑化することにより直流出力電圧を供給する。昇圧型コンバータ112の入力電圧Vinと出力電圧Voutとの関係は、時比率d(0≦d≦1)を用いて、下記(10)式により表される。
Vout=Vin/(1−d)={(n−m)×Vc}/(1−d) …(10)
VLoad=m×Vc+{(n−m)×Vc}/(1−d) …(11)
DC−DCコンバータ112を用いず蓄電セルC1〜Cnを直接負荷104に接続する場合、負荷104にはn×Vcの電圧が印加されるのであり、したがって図10の放電用電源システム1は昇圧動作をしていることがわかる。(11)式によれば、負荷電圧VLoadの大きさは、DC−DCコンバータ112に直接接続されていない蓄電セルC1〜Cmの電圧の和であるm×Vcと、DC−DCコンバータ112の出力電圧である{(n−m)×Vc}/(1−d)と、の合計に等しい。
IU=IL/(1−d) …(12)
ただし、上記(12)式中のIUとILとはいずれも、バランス回路101の動作により蓄電セルC1〜Cnに流れ込む、あるいはC1〜Cnから流れ出す電流を含まないものとする。
DC−DCコンバータとしては、反転昇降圧型コンバータを用いることも可能である。本件第2発明の一例として実施することができる、反転昇降圧型コンバータを組み込むために適した放電用電源システム1の回路構成を図11に示す。図7においてDC−DCコンバータ103の第2入力端子IN2と第2出力端子OUT2とが接続されていたのとは異なり、図11の回路構成においては第1入力端子IN1と第1出力端子IN1とが接続されている。
図11に示すシステムにおけるDC−DCコンバータとして反転昇降圧型DC−DCコンバータ113を用いた例を図12に示す。コンバータ113は、蓄電セルCm+1〜Cnからの入力電圧を、スイッチSwのオン・オフ切り替えにより高周波方形波電圧へと一旦変換し、これを整流及び平滑化することにより直流出力電圧を供給する。出力キャパシタCoutの電圧は、入力キャパシタCinの電圧Vinを用いて(d×Vin)/(1−d)と表される。ただし、図12中の「+」記号で示されるとおり極性が反転している。第2出力端子OUT2と第2入力端子IN2との間の電位差としてコンバータ113の出力電圧Voutを定義すれば、Voutは以下の(13)式により表される。
Vout=Vin+(d×Vin)/(1−d)
={(n−m)×Vc}/(1−d) …(13)
図13は、図7に示される放電用電源システム1の回路構成を一部変更することで得られる、本件第3発明として実施することが可能な放電用電源システム1を示している。図7の構成においては第2出力端子OUT2が第2入力端子IN2と接続されていたのに対し、図13の構成では第2出力端子OUT2が蓄電モジュール102のリターン側の端子と接続されている。
次に、図13の放電用電源システム1により放電動作を行ったときの各電圧・電流の関係について説明する。まず、コンバータ103への入力に直接寄与する蓄電セルは図7等と同様にCm+1〜Cnであり、本実施例3においても(1)式が成立する。
図13に示す放電用電源システム1の具体例として、降圧型DC−DCコンバータ114を用いて構成した電源システム1を図14に示す。コンバータ114は、蓄電セルCm+1〜Cnからの入力電圧を、スイッチSwのオン・オフ切り替えにより高周波方形波電圧へと一旦変換し、これを整流及び平滑化することにより直流出力電圧を供給する。降圧型コンバータ114の出力電圧Voutは、時比率d(0≦d≦1)を用いて、図9の構成と同様に上記(7)式で表される。上記(7)式と(4)式より、負荷電圧VLoadは、図9に示す電源システムと同様に(8)式で表される。
図13に示す放電用電源システム1の、もう一つの具体例として、昇圧型DC−DCコンバータ115を用いて構成した電源システム1を図15に示す。コンバータ115は、蓄電セルCm+1〜Cnからの入力電圧を、スイッチSwのオン・オフ切り替えにより高周波方形波電圧へと一旦変換し、これを整流及び平滑化することにより直流出力電圧を供給する。昇圧型コンバータ115の出力電圧Voutは、時比率d(0≦d≦1)を用いて、図10の構成と同様に上記(10)式により表される。上記(10)式と(4)式より、負荷電圧VLoadは、図10に示す電源システムと同様に(11)式で表される。
図16は、図11に示される放電用電源システム1の回路構成を一部変更することで得られる、本件第4発明として実施することが可能な放電用電源システム1を示している。図11の構成においては第1出力端子OUT1が第1入力端子IN1と接続されていたのに対し、図16の構成では第1出力端子OUT1が蓄電モジュール102のリターン側の端子と接続されている。
次に、図16の放電用電源システム1により放電動作を行ったときの各電圧・電流の関係について説明する。まず、コンバータ103への入力に直接寄与する蓄電セルは図7等と同様にCm+1〜Cnであり、本実施例4においても(1)式が成立する。
図16に示すシステムにおけるDC−DCコンバータとして反転昇降圧型DC−DCコンバータ116を用いた例を図17に示す。コンバータ116は、蓄電セルCm+1〜Cnからの入力電圧を、スイッチSwのオン・オフ切り替えにより高周波方形波電圧へと一旦変換し、これを整流及び平滑化することにより直流出力電圧を供給する。第2出力端子OUT2と第2入力端子IN2との間の電位差として定義されるVoutは、図12の電源システムと同様に(13)式で表される。また図17の構成においても(4)式が成立するため、負荷電圧VLoadは、図10、図12、及び図15の電源システム1と同様に(11)式で表される。さらに、(13)式を上記(6)式に代入すれば、IUとILとが満たす関係式として、図10、図12、及び図15の電源システムを用いた場合と同様に上記(12)式が導かれる。
図18は、本件第5発明として実施することが可能な充電用電源システム2を示している。C1〜Cnは、キャパシタ、電気二重層キャパシタ、二次電池等の蓄電セルであり、これらを直列接続することにより蓄電モジュール102が構成されている。蓄電モジュール102にはバランス回路101が接続されており、蓄電セルC1〜Cnの各電圧はバランス回路101により常に等しく維持されているものとする。なお、バランス回路101としては図8に示されるスイッチトキャパシタシステムを用いることができるが、既に述べたとおり他の任意のバランス回路を用いてもよい。
次に、充電用電源システム2により充電動作を行ったときの、DC−DCコンバータ103の入出力電圧、直流電源105から供給される電圧、直流電源105を流れる電流、及びバランス回路102を構成する各蓄電セルC1〜Cnを流れる充電電流について説明する。
Vout=(n−m)×Vc …(14)
ただし、本実施例5においては、出力電圧Voutを、第1出力端子と第2出力端子の間の電位差と定義している。後続の実施例6においても同様である。
Vin×Iin=IU×(n−m)×Vc …(15)
ただし、上記(15)式中のIUには、バランス回路の動作により蓄電セルC1〜Cnに流れ込む、あるいはそこから流れ出す電流を含まないものとする。
VPS×IPS=IU×(n−m)×Vc+IL×m×Vc …(16)
VPS=m×Vc+Vin …(17)
また、電源電流IPSについては、下記(18)式が成立する。
IPS=Iin=IL …(18)
IU=(Vin×IL)/{(n−m)×Vc} …(19)
図18に示す充電用電源システム2の具体例として、降圧型DC−DCコンバータ111を用いて構成した電源システム2を図19に示す。降圧型コンバータ111の入力電圧Vinと出力電圧Voutとの関係は、スイッチSwの時比率d(0≦d≦1)を用いて、下記(20)式により表される。
Vin=Vout/d={(n−m)×Vc}/d …(20)
VPS={(n−m)×Vc}/d+m×Vc …(21)
n×Vc=d×(VPS−m×Vc)+m×Vc …(22)
となる。さらに、上記(22)式の両辺からVPSを引くことで、以下の(23)式が得られる。
n×Vc−Vps=(1−d)×(m×Vc−Vps) …(23)
IU=IL/d …(24)
ただし、上記(24)式中のIUとILとはいずれも、バランス回路101の動作により蓄電セルC1〜Cnに流れ込む、あるいはC1〜Cnから流れ出す電流を含まないものとする。
図18に示す充電用電源システム2の、もう一つの具体例として、昇圧型DC−DCコンバータ112を用いて構成した電源システム2を図20に示す。昇圧型コンバータ112の入力電圧Vinと出力電圧Voutとの関係は、時比率d(0≦d≦1)を用いて、下記(25)式により表される。
Vin=Vout×(1−d)={(n−m)×Vc}×(1−d) …(25)
VPS={(n−m)×Vc}×(1−d)+m×Vc …(26)
n×Vc=(VPS−m×Vc)/(1−d)+m×Vc …(27)
となる。さらに、上記(27)式の両辺からVPSを引くことで、以下の(28)式が得られる。
nVc−Vps={−d/(1−d)}×(m×Vc−Vps) …(28)
IU=IL×(1−d) …(29)
ただし、上記(29)式中のIUとILとはいずれも、バランス回路101の動作により蓄電セルC1〜Cnに流れ込む、あるいはC1〜Cnから流れ出す電流を含まないものとする。
充電用電源システム2に用いるDC−DCコンバータとしては、反転昇降圧型コンバータを用いることも可能である。本件第6発明の一例として実施することができる、反転昇降圧型コンバータを組み込むために適した充電用電源システム2の回路構成を図21に示す。図18においてDC−DCコンバータ103の第2入力端子IN2と第2出力端子OUT2とが接続されていたのとは異なり、図21の回路構成においては第1入力端子IN1と第1出力端子IN1とが接続されている。
図21に示すシステムにおけるDC−DCコンバータとして反転昇降圧型DC−DCコンバータ113を用いた例を図22に示す。入力キャパシタCinの電圧は、出力キャパシタCOUTの電圧Voutを用いて{(1−d)×Vout}/dと表される。ただし、図22中の「+」記号で示されるとおり極性が反転している。第2入力端子IN2と第2出力端子OUT2との間の電位差としてコンバータ113の入力電圧Vinを定義すれば、Vinは以下の(30)式により表される。
Vin={(1−d)×Vout}/d+Vout={(n−m)×Vc}/d
…(30)
2 充電用電源システム
100 放電用電源システム
101 バランス回路
102 蓄電モジュール
103 DC−DCコンバータ
104 負荷
105 電源
106 スイッチングノード
111 降圧型DC−DCコンバータ
112 昇圧型DC−DCコンバータ
113 反転昇降圧型DC−DCコンバータ
200 充電用電源システム
Cin 入力キャパシタ
Cout 出力キャパシタ
D ダイオード
L コイル
SW,Q1〜Q2n スイッチ
C1〜Cn キャパシタ
Cs,1〜Cs,n-1 蓄電セル
IN1 第1入力端子
IN2 第2入力端子
OUT1 第1出力端子
OUT2 第2出力端子
IL 蓄電セルC1〜Cmを流れる電流
IU 蓄電セルCm+1〜Cnを流れる電流
ILOAD 負荷電流
IPS 電源電流
Claims (3)
- 1以上の蓄電素子を含んでなる蓄電セルを2以上直列接続して構成される蓄電セル群と、
前記蓄電セル群と電気的に接続された、前記蓄電セルの各々に印加される電圧を調整するバランス回路と、
前記蓄電セル群の一端と電気的に接続された第1入力端子と、該蓄電セル群において前記蓄電セル同士を接続する直列接続点のうちいずれか一つと電気的に接続された第2入力端子と、第1及び第2出力端子と、を有するDC−DCコンバータであって、該第2出力端子と該蓄電セル群の他端とが電気的に接続された該DC−DCコンバータと、
を備え、
前記第1出力端子と前記第2出力端子との間に、前記第1出力端子と該第2入力端子との間の電位差である前記DC−DCコンバータの出力電圧と、前記蓄電セル群において該DC−DCコンバータへの入力に寄与しない蓄電セルの電圧と、の合計電圧を出力することを特徴とする、電源システム。 - 1以上の蓄電素子を含んでなる蓄電セルを2以上直列接続して構成される蓄電セル群と、
前記蓄電セル群と電気的に接続された、前記蓄電セルの各々に印加される電圧を調整するバランス回路と、
前記蓄電セル群の一端と電気的に接続された第1入力端子と、該蓄電セル群において前記蓄電セル同士を接続する直列接続点のうちいずれか一つと電気的に接続された第2入力端子と、第1及び第2出力端子と、を有するDC−DCコンバータであって、該第1出力端子と該蓄電セル群の他端とが電気的に接続された該DC−DCコンバータと、
を備え、
前記第2出力端子と前記第1出力端子との間に、前記第2出力端子と該第2入力端子との間の電位差である前記DC−DCコンバータの出力電圧と、前記蓄電セル群において該DC−DCコンバータへの入力に寄与しない蓄電セルの電圧と、の合計電圧を出力することを特徴とする、電源システム。 - 前記蓄電セルが、キャパシタ、電気二重層キャパシタ、又は二次電池のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の電源システム。
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