JP5644131B2 - 電源装置及び電源装置制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電源装置に関し、特に、回生動作の際の過電圧によるキャパシタ破損を防ぐ電源装置及び電源装置制御方法に関する。
近年、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車や、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする電気自動車が注目されている。ハイブリッド自動車及び電気自動車においては、車両を適切に走行させつつエネルギー効率を向上させるために、そのモータに対する負荷に応じた電力を供給し、回生時は効率良くエネルギーを回収するために、二次電池(電源)とコンデンサ(キャパシタ)とを並列に接続したハイブリット型直流電源装置が提供されている。
ハイブリット型直流電源装置において回生時に回収する回生電流は、電源と並列に接続されたキャパシタに充電される(例えば、特許文献1参照。)。しかしながら、キャパシタへの回生電流は、電力供給装置の内部インピーダンスとモータの回転数とに基づいて決定されるので、モータの回転数次第で過大な回生電流がキャパシタに印加されてしまい、キャパシタが過電圧で損傷してしまうことがある。
回生時のキャパシタの破損を防ぐために、ソフトウェアを用いる制御装置によって、キャパシタに突入電流を生じないように判定を行い、突入電流が生じると判定された場合には電圧変換装置(DC/DCコンバータ)を停止させる提案がある(例えば、特許文献2参照。)。しかしながら、ソフトウェアによる処理では、停止するまでにある程度の時間が経過してしまうため、その間にキャパシタが破損してしまう問題があった。
特開2002−320302号公報 特開2007−274840号公報
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、回生時のキャパシタ過電圧を防ぎ、キャパシタの破損を防ぐ電源装置及び電源装置制御方法を提供することを目的とする。
本願発明の一態様によれば、負荷に電力を供給し、負荷で発生した回生電力を充電により蓄えることが可能な直流電源と、直流電源と並列に接続され、負荷に電力を供給し、回生電力を充電により蓄えることが可能なキャパシタと、直流電源と負荷との間、及びキャパシタと負荷との間にそれぞれ設けられ、電圧を変換する電圧変換装置と、直流電源とキャパシタの間に設けられ、キャパシタから直流電源へ電流を流す整流作用を有する整流装置とを備え、回生時にキャパシタの過剰電力を直流電源に充電することが可能な電源装置であることを要旨とする。
また、上述した本願発明の一態様によれば、回生時において、キャパシタの過電圧により回生異常が発生しているか判断する工程と、キャパシタの過電圧により回生異常が発生していると判断された場合に、回生動作を維持し、キャパシタのキャパシタ電圧が直流電源のバッテリ電圧より高くなったときに、回生異常の原因であるキャパシタの過電圧が整流装置を経由して直流電源に充電される工程とを含む電源装置制御方法であることを要旨とする。
本発明によれば、回生時のキャパシタ過電圧を防ぎ、キャパシタの破損を防ぐ電源装置及び電源装置制御方法を提供することができる。
本発明の第1実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。 本発明の第1実施の形態に係る電源装置の力行時の電流を示す概略図である。 本発明の第1実施の形態に係る電源装置の回生時の電流を示す概略図である。 本発明の第1実施の形態に係る回生時の電源装置制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第2実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。 本発明の第3実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。 本発明の第4実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。 本発明の第5実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。 本発明の第6実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。 本発明の第7実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。 本発明の第8実施の形態に係る電源装置の概略回路図である。
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る電源装置1aは、図1に示すように、負荷40に電力を供給し、負荷40で発生した回生電力を充電により蓄えることが可能な直流電源10と、直流電源10と並列に接続され、負荷40に電力を供給し、回生電力を充電により蓄えることが可能なキャパシタ11と、直流電源10と負荷40との間、及びキャパシタ11と負荷40との間にそれぞれ設けられ、電圧を変換する電圧変換装置21,22と、直流電源10とキャパシタ11の間に設けられ、キャパシタ11から直流電源10へ電流を流す整流作用を有する整流装置60とを備える。電源装置1aは、回生時にキャパシタ11の過剰電力を直流電源10に充電することが可能である。
直流電源10は、リチウムイオン電池及びニッケル水素電池等の充電を行うことにより電気を蓄えて電池として使用できる二次電池である。直流電源10は、充電及び放電を繰り返すことが可能であるので、繰り返し使用することができる。
キャパシタ11は、直流電源10と並列に接続され、例えば、電気二重層キャパシタ等である。キャパシタ11は、充電を行うことにより電気を蓄えて直流電源10の補助として機能する。キャパシタ11としては、定格電圧(通常使用電圧)が直流電源10の定格電圧より低いものが用いられる。また、キャパシタ11としては、耐電圧が直流電源10の定格電圧より高いものが用いられる。具体的には、直流電源10の定格電圧が200Vである場合、キャパシタ11の定格電圧が140〜195Vとして使用されるものが好ましく、キャパシタ11の耐電圧が210V程度であることが好ましい。
電圧変換装置(DC/DCコンバータ)21は、直流電源10と負荷40との間に設けられ、電圧変換装置22は、キャパシタ11と負荷40との間に設けられる。電圧変換装置21,22は、コントローラ30に接続され、コントローラ30からの指示に応じて昇圧動作及び降圧動作を切り替えられる。電圧変換装置21,22は、図2に示すように、力行時にはコントローラ30からの昇圧動作の指示により、直流電源10及びキャパシタ11からの電圧を昇圧させ、負荷40に電力を供給する。また、電圧変換装置21,22は、図3に示すように、回生時にはコントローラ30からの降圧動作の指示により、負荷40で発生した電圧を降圧させ、直流電源10及びキャパシタ11に電力を回生する。
負荷40は、直流モータ等である。負荷40としての直流モータは、加速時などで多くの電力が必要であるときは、直流電源10及びキャパシタ11に蓄積されている電力が双方から供給される。そして、負荷40としての直流モータが定常状態となったときには、直流電源10のみから電力が供給される。また、負荷40は、発電機として動作したときには回生電流(電力)を発生させる。負荷40には、ノイズをカットして平滑な電圧にする平滑コンデンサを並列に接続して設けることが好ましい。
整流装置60は、直流電源10の正極側及びキャパシタ11の正極側に接続され、キャパシタ11から直流電源10への一方向に電流を流す整流作用を有する装置である。整流装置60としては、図1に示すように、例えば、ダイオードを用いることができる。
以下に、本発明の第1の実施の形態に係る電源装置を用いた回生時の電源装置制御方法を図4のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ステップS10において、負荷40が発電機として動作して回生電流を発生させ、電圧変換装置21,22がコントローラ30から指示を受信して降圧動作を行うことで回生が行われる。このときは、回生の正常運転が行われている状態である。
次に、ステップS11において、キャパシタ11での回生異常が発生しているか判断する。キャパシタ11での回生異常が発生していると判断した場合には、ステップS12へ移行し、キャパシタ11での回生異常が発生していないと判断した場合には、回生の正常運転を続行する。キャパシタ11で発生する回生異常は、コントローラ30の動作不良、電圧変換装置22の電圧を測定するセンサの異常、ノイズ等が原因となり過電圧を引き起こして発生することがある。
次に、ステップS12において、キャパシタ11の回生異常が過電圧によるものであるか判断する。キャパシタ11の回生異常が過電圧によるものであると判断した場合には、ステップS12へ移行し、キャパシタ11の回生異常が過電圧によるものでないと判断した場合には、回生動作を停止して原因を追及する。
次に、ステップS13において、コントローラ30から電圧変換装置21,22へ降圧動作の指示はそのままで、回生動作を維持する。
次に、ステップS14において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなった場合には、ステップS15へ移行する。キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっていない場合には、ステップS13へ移行し、キャパシタ11への回生が継続される。
次に、ステップS15において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっているので、キャパシタ11の回生異常の原因である過電圧は、自動的に整流装置60であるダイオードを経由して、直流電源10に充電される。
第1の実施の形態に係る電源装置1a及び回生時の電源装置制御方法によれば、過大な回生電圧がキャパシタ11に印加してしまったときでも、キャパシタ11の耐電圧が直流電源10の定格電圧より高いので、キャパシタ11の電圧が直流電源10より高くなった場合に、キャパシタ11の過電圧は、整流装置60を経由して、直流電源10に充電するので、キャパシタ11が過電圧で損傷してしまうのを防ぐことができる。キャパシタ11の過電圧は、直流電源10に充電されることになるので、直流電源10を高効率で充電することができる。
更に、第1の実施の形態に係る電源装置1a及び回生時の電源装置制御方法によれば、キャパシタ11の電圧が直流電源10より高くなった場合には、電位差によって自動的にキャパシタ11の過電圧が整流装置60を経由して直流電源10に送られる。したがって、コントローラ30が発する指示を回生動作のままで変更させることなく、キャパシタ11の過電圧を直流電源10に送ることができるので、コントローラ30が指示を変更する等の負担を増やすことなく、キャパシタ11の保護を図ることができる。
更に、第1の実施の形態に係る電源装置1a及び回生時の電源装置制御方法によれば、キャパシタ11の電圧が直流電源10より高くなった場合に、自動的にキャパシタ11の過電圧を直流電源10に送ることができるので、コントローラ30の指示を変更すること等が必要ないため処理時間を軽減し、速やかにキャパシタ11の過電圧を放出することができるので、キャパシタ11が突入電流で損傷してしまうのを防ぐことができる。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る電源装置1bは、図5に示すように、第1の実施の形態に係る電源装置1aと比して、整流装置(ダイオード)60と直列にスイッチ70が接続されている点が異なる。その他に関して、実質的に同様である点についての重複する記載を省略する。
スイッチ70は、電流のオンとオフを切り替える部品であり、例えば、リレーや開閉器等を用いることができる。スイッチ70は、直流電源10の電圧が耐電圧より低い場合にはオンとして接続状態とし、直流電源10の電圧が耐電圧に到達した場合にはオフとして切断状態とする。
このように構成された第2の実施の形態に係る電源装置1bでも、第1の実施の形態に係る電源装置1a及び回生時の電源装置制御方法と同様の効果を得ることができる。
また、第2の実施の形態に係る電源装置1bによれば、回生時に直流電源10の電圧が耐電圧に達した場合に、スイッチ70がオフとなり切断状態にするので、直流電源10に耐電圧以上の電圧が充電されるのを防ぐことができる。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る電源装置1cは、図6に示すように、第1の実施の形態に係る電源装置1aと比して、整流装置61としてスイッチ回路を用いて降圧チョッパ回路を構成している点が異なる。その他に関して、実質的に同様である点についての重複する記載を省略する。
スイッチ回路61は、方向性を有するスイッチング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)61bと、IGBT61bと逆並列接続された保護ダイオード61aにより構成される。IGBT61bは、キャパシタ11の電圧が低くなったときに、直流電源10からの直流電圧をキャパシタ11に充電するためにチョッピングを行う回路である。保護ダイオード61aは、逆方向耐電圧を向上するために設けられた素子である。
スイッチ回路61は、回生時において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっている場合、IGBT61bをオフとして切断状態にして保護ダイオード61aのみが機能する状態にする。したがって、IGBT61bをオフとして切断状態にした場合には、スイッチ回路61は、キャパシタ11から直流電源10への一方向に電流を流す整流作用を有する。
このように構成された第3の実施の形態に係る電源装置1cでも、第1の実施の形態に係る電源装置1a及び回生時の電源装置制御方法と同様の効果を得ることができる。
また、第3の実施の形態に係る電源装置1cによれば、直流電源10からの直流電圧をキャパシタ11に充電する際に、スイッチ回路61の降圧チョッパで直接充電することができるので、電圧変換装置21,22をそれぞれ介して充電する場合の2台分の損失を削減することができる。
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態に係る電源装置1dは、図7に示すように、第3の実施の形態に係る電源装置1cと比して、整流装置(スイッチ回路)61と直列にスイッチ70が接続されている点が異なる。その他に関して、実質的に同様である点についての重複する記載を省略する。
スイッチ回路61は、回生時において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっている場合、IGBT61bをオフとして切断状態にして保護ダイオード61aのみが機能する状態にする。したがって、IGBT61bをオフとして切断状態にした場合には、スイッチ回路61は、キャパシタ11から直流電源10への一方向に電流を流す整流作用を有する。
スイッチ70は、直流電源10の電圧が耐電圧より低い場合にはオンとして接続状態とし、直流電源10の電圧が耐電圧に到達した場合にはオフとして切断状態とする。
このように構成された第4の実施の形態に係る電源装置1dでも、第1及び第3の実施の形態に係る電源装置1a,1c及び回生時の電源装置制御方法と同様の効果を得ることができる。
また、第4の実施の形態に係る電源装置1dによれば、回生時に直流電源10の電圧が耐電圧に達した場合に、スイッチ70がオフとなり切断状態にするので、直流電源10に耐電圧以上の電圧が充電されるのを防ぐことができる。
(第5の実施の形態)
本発明の第5の実施の形態に係る電源装置1eは、図8に示すように、第1の実施の形態に係る電源装置1aと比して、整流装置61としてスイッチ回路を用いて降圧チョッパ回路を構成している点が異なる。更に、リアクトル71及びダイオード72を備える点も異なる。その他に関して、実質的に同様である点についての重複する記載を省略する。
スイッチ回路61は、回生時において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっている場合、IGBT61bをオフとして切断状態にして保護ダイオード61aのみが機能する状態にする。したがって、IGBT61bをオフとして切断状態にした場合には、スイッチ回路61は、キャパシタ11から直流電源10への一方向に電流を流す整流作用を有する。
リアクトル71は、 キャパシタ11とスイッチ回路61の間に直列で接続される。リアクトル71は、直流電源10からスイッチ回路61を介して導入されるチョッパ制御の直流電流を平滑化する。また、リアクトル71は、高調波電流を阻止しキャパシタ11の焼損を防止する。
ダイオード72は、直流電源10とキャパシタ11に並列接続される。ダイオード72は、スイッチ回路61とリアクトル71の間にカソード側が接続され、直流電源10とキャパシタ11の負極にアノード側が接続される。ダイオード72は、逆方向耐電圧を向上するために設けられた素子である。
このように構成された第5の実施の形態に係る電源装置1eでも、第1の実施の形態に係る電源装置1a及び回生時の電源装置制御方法と同様の効果を得ることができる。
また、第5の実施の形態に係る電源装置1eによれば、スイッチ回路61、リアクトル71、及びダイオード72で降圧チョッパ回路(DC/DCコンバータ)を形成するので、直流電源10からの直流電圧をキャパシタ11に充電する際に、スイッチ回路61の降圧チョッパで直接充電することができるので、電圧変換装置21,22をそれぞれ介して充電する場合の2台分の損失を削減することができる。
また、第5の実施の形態に係る電源装置1eによれば、リアクトル71が設けられているので、直流電源10からのチョッパ制御された直流電流を平滑化することができ、平滑化した直流電流をキャパシタ11に充電することができる。
(第6の実施の形態)
本発明の第6の実施の形態に係る電源装置1fは、図9に示すように、第5の実施の形態に係る電源装置1eと比して、整流装置(スイッチ回路)61と直列にスイッチ70が接続されている点が異なる。その他に関して、実質的に同様である点についての重複する記載を省略する。
スイッチ回路61は、回生時において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっている場合、IGBT61bをオフとして切断状態にして保護ダイオード61aのみが機能する状態にする。したがって、IGBT61bをオフとして切断状態にした場合には、スイッチ回路61は、キャパシタ11から直流電源10への一方向に電流を流す整流作用を有する。
スイッチ70は、直流電源10の電圧が耐電圧より低い場合にはオンとして接続状態とし、直流電源10の電圧が耐電圧に到達した場合にはオフとして切断状態とする。
このように構成された第6の実施の形態に係る電源装置1fでも、第1及び第5の実施の形態に係る電源装置1a,1e及び回生時の電源装置制御方法と同様の効果を得ることができる。
また、第6の実施の形態に係る電源装置1fによれば、回生時に直流電源10の電圧が耐電圧に達した場合に、スイッチ70がオフとなり切断状態にするので、直流電源10に耐電圧以上の電圧が充電されるのを防ぐことができる。
(第7の実施の形態)
本発明の第7の実施の形態に係る電源装置1gは、図10に示すように、第1の実施の形態に係る電源装置1aと比して、整流装置61としてスイッチ回路を用いて降圧チョッパ回路を構成している点が異なる。更に、リアクトル71及びスイッチ回路73を備える点も異なる。その他に関して、実質的に同様である点についての重複する記載を省略する。
スイッチ回路61は、回生時において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっている場合、IGBT61bをオフとして切断状態にして保護ダイオード61aのみが機能する状態にする。したがって、IGBT61bをオフとして切断状態にした場合には、スイッチ回路61は、キャパシタ11から直流電源10への一方向に電流を流す整流作用を有する。
リアクトル71は、 キャパシタ11とスイッチ回路61の間に直列で接続される。リアクトル71は、直流電源10からスイッチ回路61を介して導入されるチョッパ制御の直流電流を平滑化する。また、リアクトル71は、高調波電流を阻止しキャパシタ11の焼損を防止する。また、リアクトル71は、昇圧チョッパ回路として機能する場合には、エネルギーを蓄積して昇圧に寄与する。
スイッチ回路73は、直流電源10とキャパシタ11に並列接続される。スイッチ回路73は、スイッチ回路61とリアクトル71の間に一端が接続され、直流電源10とキャパシタ11の負極に他端が接続される。スイッチ回路73は、方向性を有するスイッチング素子としてのIGBT73bと、IGBT73bと逆並列接続された保護ダイオード73aにより構成される。IGBT73bは、キャパシタ11の電圧が低くなったときに、直流電源10からの直流電圧をキャパシタ11に充電するためにチョッピングを行う回路である。保護ダイオード73aは、逆方向耐電圧を向上するために設けられた素子である。
このように構成された第7の実施の形態に係る電源装置1gでも、第1の実施の形態に係る電源装置1a及び回生時の電源装置制御方法と同様の効果を得ることができる。
また、第7の実施の形態に係る電源装置1gによれば、スイッチ回路61、リアクトル71、及びスイッチ回路73で昇降圧チョッパ回路(DC/DCコンバータ)を形成する。直流電源10からの直流電圧をキャパシタ11に充電する際には、降圧チョッパ回路として機能し、スイッチ回路61の降圧チョッパで直接充電することができるので、電圧変換装置21,22をそれぞれ介して充電する場合の2台分の損失を削減することができる。また、キャパシタ11からの直流電圧を直流電源10に充電する際には、昇圧チョッパ回路として機能し、キャパシタ11の電圧を昇圧させて直流電源10に充電することができる。
(第8の実施の形態)
本発明の第8の実施の形態に係る電源装置1hは、図11に示すように、第7の実施の形態に係る電源装置1gと比して、整流装置(スイッチ回路)61と直列にスイッチ70が接続されている点が異なる。その他に関して、実質的に同様である点についての重複する記載を省略する。
スイッチ回路61は、回生時において、キャパシタ11のキャパシタ電圧が直流電源10のバッテリ電圧より高くなっている場合、IGBT61bをオフとして切断状態にして保護ダイオード61aのみが機能する状態にする。したがって、IGBT61bをオフとして切断状態にした場合には、スイッチ回路61は、キャパシタ11から直流電源10への一方向に電流を流す整流作用を有する。
スイッチ70は、直流電源10の電圧が耐電圧より低い場合にはオンとして接続状態とし、直流電源10の電圧が耐電圧に到達した場合にはオフとして切断状態とする。
このように構成された第8の実施の形態に係る電源装置1hでも、第1及び第7の実施の形態に係る電源装置1a,1g及び回生時の電源装置制御方法と同様の効果を得ることができる。
また、第8の実施の形態に係る電源装置1hによれば、回生時に直流電源10の電圧が耐電圧に達した場合に、スイッチ70がオフとなり切断状態にするので、直流電源10に耐電圧以上の電圧が充電されるのを防ぐことができる。
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
例えば、実施の形態において整流装置は、ダイオード及び保護ダイオードを有するスイッチ回路を利用したが、整流効果を有するのであれば、その他の素子を用いても構わない。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
1a〜1h…電源装置
10…直流電源
11…キャパシタ
21,22…電圧変換装置
30…コントローラ
40…負荷
60,61…整流装置
61,73…スイッチ回路
61a,73a…保護ダイオード
61b,73b…IGBT
70…スイッチ
71…リアクトル
72…ダイオード

Claims (4)

  1. 負荷に電力を供給し、前記負荷で発生した回生電力を充電により蓄えることが可能な直流電源と、
    前記直流電源と並列に接続され、前記負荷に電力を供給し、前記回生電力を充電により蓄えることが可能なキャパシタと、
    前記直流電源と前記負荷との間、及び前記キャパシタと前記負荷との間にそれぞれ設けられ、電圧を変換する電圧変換装置と、
    前記直流電源と前記キャパシタの間に設けられ、前記キャパシタから前記直流電源へ電流を流す整流作用を有する整流装置
    とを備え、回生時に前記キャパシタの過剰電力を前記直流電源に充電することが可能であることを特徴とする電源装置の電源装置制御方法であって、
    回生時において、キャパシタの過電圧により回生異常が発生しているか判断する工程と、
    前記キャパシタの過電圧により回生異常が発生していると判断された場合に、回生動作を維持し、前記キャパシタのキャパシタ電圧が直流電源のバッテリ電圧より高くなったときに、前記回生異常の原因である前記キャパシタの過電圧が整流装置を経由して前記直流電源に充電される工程
    とを含むことを特徴とする電源装置制御方法。
  2. 前記キャパシタの定格電圧は、前記直流電源の定格電圧より低く、
    前記キャパシタの耐電圧は、前記直流電源の定格電圧より高いことを特徴とする請求項1に記載の電源装置制御方法。
  3. 前記整流装置は、ダイオードであることを特徴とする請求項1又は2に記載の電源装置制御方法。
  4. 前記整流装置は、保護ダイオードを有するスイッチ回路であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電源装置制御方法。
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