JP5653258B2 - 電力変換装置およびそれを備えた車載電源装置 - Google Patents
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以下、この発明の実施の形態1による電力変換装置および電力変換装置を備えた車載電源装置を図に基づいて説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置および車載電源装置の構成図である。
図1に示すように、電力変換装置の主回路は、バッテリ1の電圧VAを降圧して電圧V1を出力する第1のDC/DCコンバータ2と、電圧V1を降圧して電圧V2、V3を出力する第2のDC/DCコンバータ20とで構成され、制御回路15は、第1、第2のDC/DCコンバータ2、20を出力制御する。車載電源装置は、車両の走行用モータ駆動用の高圧のバッテリ1と、バッテリ1の電圧を降圧して第1〜第3の負荷11〜13に電力供給するための電力変換装置とによって構成される。
第1のDC/DCコンバータ2の出力端子2c、2dは、第2のDC/DCコンバータ20の入力端子6a、6bに接続され、第1のDC/DCコンバータ2の出力電圧V1は、第2のDC/DCコンバータ20の入力端子6a、6b間に入力される。
第1のDC/DCコンバータ2は、バッテリ1からの電圧VA、例えば200V〜400Vの高い電圧を降圧して、例えば42Vの電圧V1を生成し、第1の負荷11に電力供給する。第2のDC/DCコンバータ20は、第1のDC/DCコンバータ2から入力される電圧V1を降圧して、第1、第2のコンデンサ5a、5bの電圧V2、V3、例えば14V、28Vを生成し、第2の負荷12、第3の負荷13に電力供給する。
また、制御回路15は、第2のDC/DCコンバータ20の各入出力端子6a、6b、7a〜7cの電位を取得して、第2のDC/DCコンバータ20の入力電圧である電圧V1および出力電圧である第1、第2のコンデンサ5a、5bの電圧V2、V3を検出し、これらの電圧に基づいて、第1、第2のMOSFET3a、3bへのゲート信号を出力して第1、第2のMOSFET3a、3bを駆動制御し、第2のDC/DCコンバータ20を出力制御する。
第2のDC/DCコンバータ20は、第1、第2のコンデンサ5a、5bの電圧V2、V3が所望の電圧となるように制御される。電圧V2と電圧V3との和は常に電圧V1に等しいため、この場合、電圧V2を目標電圧である、例えば14Vに制御することで電圧V3も28Vに制御できる。
第2のDC/DCコンバータ20は、第1、第2のコンデンサ5a、5b間で互いに電力授受するように動作して、電圧V2は目標電圧に制御される。
電圧V2が目標電圧より小さい場合、以下に示す第1の制御により、第2のMOSFET3bがオンオフして第2のコンデンサ5bから第1のコンデンサ5aへエネルギを移行することで、第1のコンデンサ5aの電圧V2を増加させる。
まず、第1のMOSFET3aがオフ状態で、第2のMOSFET3bをオンすると、第2のコンデンサ5b−第2のMOSFET3b−インダクタ4、の経路で電流が流れ、第2のコンデンサ5bのエネルギがインダクタ4に移行する。次に、第2のMOSFET3bをオフすると、インダクタ4−第1のコンデンサ5a−第1のMOSFET3aのダイオード、の経路で電流が流れ、インダクタ4のエネルギが第1のコンデンサ5aに移行する。これらの状態を繰り返すことで、第2のコンデンサ5bから第1のコンデンサ5aへエネルギを移行し、電圧V2を制御する。
まず、第2のMOSFET3bがオフ状態で、第1のMOSFET3aをオンすると、第1のコンデンサ5a−インダクタ4−第1のMOSFET3a、の経路で電流が流れ、第1のコンデンサ5aのエネルギがインダクタ4に移行する。次に、第1のMOSFET3aをオフすると、インダクタ4−第2のMOSFET3bのダイオード−第2のコンデンサ5b、の経路で電流が流れ、インダクタ4のエネルギが第2のコンデンサ5bに移行する。これらの状態を繰り返すことで、第1のコンデンサ5aから第2のコンデンサ5bへエネルギを移行し、電圧V2を制御する。
第2の負荷12を流れる電流と第3の負荷13を流れる電流が等しい時、第1、第2のコンデンサ5a、5bの電圧V2、V3が分担する分圧電圧の均衡状態が保持され、この均衡状態で電圧V2が目標電圧であれば、第2のDC/DCコンバータ20は停止状態で所望の電圧V2、V3を出力して第2、第3の負荷12、13に電力供給できる。
ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べてバンドギャップが大きい半導体であり、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子を用いることにより、車載電源装置の小型化が促進できる。更に電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、車載電源装置の高効率化が図れる。
またワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は耐熱性も高いため、通常、車載電源装置に併設されているヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、車載電源装置の一層の小型化が可能になる。
この実施の形態2では、上記実施の形態1と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態1と同様に、第1、第2のDC/DCコンバータ2、20の出力電圧V1、V2、V3(=V1−V2)を目標電圧に制御する。この場合、電圧V2の目標電圧として所定の電圧範囲であるV2下限値〜V2上限値を設ける。即ち、電圧V2が、V2下限値〜V2上限値の範囲内にある場合は、第2のDC/DCコンバータ20は動作を停止する。このとき、電力変換装置は、第1のDC/DCコンバータ2のみが動作して、電圧V1、V2、V3を出力する。
まず、第2の負荷12と第3の負荷13との電流バランスが崩れて、電圧V2の値がV2上限値より大きくなる場合、図2に示すように、第1のDC/DCコンバータ2の出力電圧V1を、V1下限値〜V1上限値の電圧範囲内で小さくなるように調整する。これにより、電圧V2と電圧V3(=V1−V2)とを、電圧比を保ちながら低下させ、電圧V2をV2下限値〜V2上限値内に制御する。このとき、第2のDC/DCコンバータ20は動作を停止した状態で、第1のDC/DCコンバータ2のみが動作して、電圧V1、V2、V3を出力する。
即ち、制御回路15は、電圧V2が、V2下限値〜V2上限値内に近づくように、第1のDC/DCコンバータ2の出力電圧を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整すると共に、第1、第2のコンデンサ5a、5b間の電力授受により電圧V2がV2下限値〜V2上限値内に入るように第2のDC/DCコンバータ20を動作させる。この場合も、第2のDC/DCコンバータ20が変換する電圧比も電力量も、出力電圧V1の調整前と比べて低減でき、変換効率を向上できる。
さらに、電圧V2の代わりに、電圧V2と電圧V3との双方の電圧とすることもできる。即ち、電圧V2、V3の目標電圧として所定の電圧範囲であるV2下限値〜V2上限値およびV3下限値〜V3上限値を設け、電圧V2がV2下限値〜V2上限値の範囲内に入るように、かつ電圧V3がV3下限値〜V3上限値の範囲内に入るように、電圧V1を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。または、V2下限値〜V2上限値内に近づくように、かつV3下限値〜V3上限値内に近づくように、電圧V1を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。
この実施の形態3では、上記実施の形態1と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態1と同様に、第1、第2のDC/DCコンバータ2、20の出力電圧V1、V2、V3(=V1−V2)を目標電圧に制御する。この場合、第2の負荷12と第3の負荷13とが同等の電圧、例えば14Vで駆動されるものとする。また、第1の負荷11は、第2、第3の負荷12、13の2倍の電圧、28Vで駆動される。即ち、第2のDC/DCコンバータ20では、電圧V2と電圧V3とは等しく14Vに制御し、第1のDC/DCコンバータ2では、出力電圧V1を電圧V2の2倍の28Vに制御する。
この実施の形態4では、上記実施の形態1と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態1と同様に、第1、第2のDC/DCコンバータ2、20の出力電圧V1、V2、V3(=V1−V2)を目標電圧に制御する。
この場合、同等の電圧(例えば14V)で駆動される複数の負荷機器が、第2の負荷12として第2のDC/DCコンバータ20の出力端子7b、7c間に接続される。そして、この複数の負荷機器の内の1つを第2のバッテリ12a(図示せず)とし、他の負荷機器12b(図示せず)に第2のバッテリ12aから電力供給可能に構成する。この第2のバッテリ12aには電圧14Vを出力する鉛バッテリなどが使われ、他の負荷機器12bとしては、信頼性の要求が高い負荷、例えばブレーキポンプ、ヘッドライトなどが接続される。
第1のDC/DCコンバータ2または第2のDC/DCコンバータ20が故障、またはバッテリ1が故障すると、第2の負荷12には第1のコンデンサ5aから正常に電力供給されなくなるが、このとき、第2のバッテリ12aから他の第2の負荷12である負荷機器12bに電力供給する。これにより、信頼性の要求が高い負荷機器12bには、電力変換装置の異常時にも継続して電力供給でき、電力変換装置および車載電源装置の信頼性が向上する。
3b 第2のMOSFET、4 インダクタ、5a 第1のコンデンサ、
5b 第2のコンデンサ、11 第1の負荷、12 第2の負荷、13 第3の負荷、
15 制御回路、20 第2のDC/DCコンバータ、VA バッテリの電圧、
V1 第1のDC/DCコンバータの出力電圧、V2 第1のコンデンサの電圧、
V3 第2のコンデンサの電圧。
Claims (9)
- バッテリの直流電圧を降圧して出力する第1のDC/DCコンバータと、
上記第1のDC/DCコンバータの出力端子間に該出力電圧を分圧するように直列接続された第1、第2のコンデンサ、上記出力端子間に直列接続された第1、第2のスイッチング素子、および、上記第1、第2のコンデンサの接続点と上記第1、第2のスイッチング素子の接続点との間に接続されたインダクタを有して、上記第1、第2のコンデンサ間で互いに電力授受する第2のDC/DCコンバータと、
上記第1のDC/DCコンバータの出力電圧が目標電圧となるように該第1のDC/DCコンバータを制御し、上記第1、第2のコンデンサの電圧が所望の分圧電圧となるように上記第1、第2のスイッチング素子を駆動制御して上記第2のDC/DCコンバータを制御する制御回路とを備え、
上記所望の分圧電圧として所定の電圧範囲を設け、
上記制御回路は、上記第1、第2のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内である時、上記第2のDC/DCコンバータの動作を停止させ、上記第1のDC/DCコンバータのみ動作させることを特徴とする電力変換装置。 - 上記第1のDC/DCコンバータの上記目標電圧は電圧範囲を有し、
上記制御回路は、上記第1、第2のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入るように、上記第1のDC/DCコンバータの出力電圧を上記目標電圧の電圧範囲内で増減して調整することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、上記第1のDC/DCコンバータのみ動作させても上記第1、第2のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入らないとき、上記第1、第2のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に近づくように、上記第1のDC/DCコンバータの出力電圧を上記目標電圧の電圧範囲内で増減して調整すると共に、上記第1、第2のコンデンサ間の電力授受により上記第1、第2のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入るように上記第2のDC/DCコンバータを動作させることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 上記第1のDC/DCコンバータの出力電力を第1の負荷へ供給し、上記第2のDC/DCコンバータの上記第1、第2のコンデンサの各直流電力を第2、第3の負荷へ供給することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記第1、第2のコンデンサの上記所望の分圧電圧は、当該分圧電圧にて均衡状態が保持されるように上記第2、第3の負荷に応じて決定されることを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 電源電圧が同じ複数の負荷機器を、上記第2、第3の負荷として2群に分配して配置し、
上記2群の分配は、上記第2の負荷である各負荷機器を流れる電流合計と、上記第3の負荷である各負荷機器を流れる電流合計とが近づくように決定され、
上記制御回路は、上記第1のDC/DCコンバータの目標電圧を上記各負荷機器の上記電源電圧の2倍に、上記第1、第2のコンデンサの上記所望の分圧電圧を上記電源電圧にして、上記第1、第2のDC/DCコンバータを制御することを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。 - 電源電圧が同じ複数の負荷機器を、上記第2、第3の負荷のいずれか一方として配置し、上記複数の負荷機器の1つを、補助電源として他の負荷機器に電力供給する第2のバッテリとしたことを特徴とする請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記第2のDC/DCコンバータ内の上記第1、第2のスイッチング素子はシリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体により形成されることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置と、走行用モータ駆動用のバッテリとして上記バッテリとを備えたことを特徴とする車載電源装置。
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