JP5961350B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態による電源システムの構成例を説明するための回路図である。
なお、本実施の形態による電力変換器50では、電力変換器50は、スイッチング素子S1〜S4の制御によって、直流電源10,20が並列に負荷30との間で電力の授受を行なうパラレル接続モードと、直列に接続された直流電源10,20が負荷30との間で電力の授受を実行するシリーズ接続モードとを切替えて動作することが可能である。シリーズ接続モードは「第1の動作モード」に対応し、パラレル接続モードは「第2の動作モード」に対応する。
電力変換器50の各動作モードでの基本的な回路動作について説明する。まず、電力変換器50のパラレル接続モードでの動作について説明する。
図2および図3に示されるように、スイッチング素子S4またはS2をオンすることによって、直流電源10および20を電源配線PLに対して並列に接続することができる。ここで、並列接続モードでは、直流電源10の電圧V[1]と直流電源20の電圧V[2]との高低に応じて等価回路が異なってくる。
図7には、パラレル接続モードにおける直流電源20に対する直流電力変換(昇圧動作)が示される。
次に、図8および図9を用いて、電力変換器50のシリーズ接続モードでの動作について説明する。
ただし、V[1]およびV[2]が異なるときや、リアクトルL1,L2のインダクタンスが異なるときには、図10(a)の動作終了時におけるリアクトルL1,L2の電流値がそれぞれ異なる。したがって、図10(b)の動作への移行直後には、リアクトルL1の電流の方が大きいときには電流経路143を介して差分の電流が流れる。一方、リアクトルL2の電流の方が大きいときには電流経路144を介して、差分の電流が流れる。
図1に示した電力変換器50をシリーズ接続モードで動作させたときに、回路内の電圧が変動する共振現象が発生する可能性がある。図11を用いて、シリーズ接続モードにおける共振現象について説明する。
V(S2)=V(L2)+V[2],V(S4)=V(L2)+V[2] …(6)
しかしながら、式(5),(6)および、Vo=V(S2)+V(S4)の条件では、V(S2)およびV(S4)の分担比が規定されない。このため、図11に示すように、期間T4では、リアクトルL1,L2と、スイッチング素子S2,S4の出力容量とによるLC回路での振動現象が発生する。これにより、電圧V(S2)およびV(S4)が周期的に変動する、共振現象が発生する。
図18を参照して、上述した、図11の期間T4における電圧関係式より、共振現象の発生時には、電力変換器50では共振回路70が構成される。
図23は、本発明の実施の形態に係る電源システムにおいて、図1に示した電力変換器50に代えて適用される、本実施の形態による電力変換器50♯の構成を説明するための回路図である。
図26を参照して、リアクトルL3およびL4の一方に、リアクトルL1またはL2と逆極性の誘起電圧を発生されることにより、直列接続されたキャパシタC3および抵抗R3に対して、誘起電圧Vm1およびVm2の差電圧(図25の例では、Vm1−Vm2)が印加される。すなわち、共振減衰回路55に生じる振動電圧Vdmpは、Vdmp=Vm1−Vm2となる。キャパシタC3および抵抗R3には、振動電圧Vdmpによって生じる振動電流idmpが流れる。
上述のように、共振減衰回路55は受動素子のみで構成されるため、電力変換器50♯についても、出力電圧Voは、スイッチング素子S1〜S4のオンオフによって、電力変換器50と同様に制御できる。以下では、電力変換器50と共通する、電力変換器50♯におけるパラレル接続モードおよびシリーズ接続モードの制御動作について詳細に説明する。以下に説明する制御動作は、制御装置40によるハードウェア処理および/またはソフトウェア処理によって実現される。
直流電源10の電圧V[1]の検出値に応じて、P*=V[1]・Ii*が一定になるように電流指令値Ii*を設定すれば、電流源を構成する直流電源10の電力P[1]を電力指令値Pi*に制御できる。
同様に、電流源を構成する直流電源20の電力P[2]についても、P*=V[2]・Ii*が一定になるように電流指令値Ii*を設定すれば、電力指令値Pi*に制御できる。
図34を参照して、制御ブロック201は、出力電圧Voの電圧指令値Vo*と、出力電圧Vo(検出値)との偏差をPI(比例積分)演算したフィードバック制御量と、フィードフォワード制御量DvFFとの和に従って、電圧制御のためのデューティ比指令値Dvを生成する。伝達関数Hvは、電圧源として動作する電源PS1またはPS2の伝達関数に相当する。
図35を参照して、制御ブロック202は、電流指令値Ii*と、電流制御される直流電源10または20の電流Ii(検出値)との偏差をPI(比例積分)演算したフィードバック制御量と、フィードフォワード制御量DiFFとの和に従って、電流制御のためのデューティ比指令値Diを生成する。伝達関数Hiは、電流源として動作する電源PS2またはPS1の伝達関数に相当する。
DiFF=(Vo−V[1])/Vo …(12)
デューティ比Da(Da=Di)に応じて、図32に示した制御パルス信号SDaおよび/SDaが生成される。同様に、デューティ比Db(Db=Dv)に応じて、図33に示した制御パルス信号SDbおよび/SDbが生成される。
DiFF=(Vo−V[2])/Vo …(14)
デューティ比Da(Da=Dv)に応じて、図32に示した制御パルス信号SDaおよび/SDaが生成される。同様に、デューティ比Db(Db=Di)に応じて、図33に示した制御パルス信号SDbおよび/SDbが生成される。
図38を参照して、電源PS1,PS2に共通のデューティ比Dc(式(4)参照)は、電圧源として動作するための電圧フィードバック制御(図39)によって算出される。なお、図38中では、デューティ比Dcを示す電圧信号を、同一の符号Dcで示している。
図39を参照して、制御ブロック203は、出力電圧Voの電圧指令値Vo*と、出力電圧Voの偏差をPI(比例積分)演算したフィードバック制御量と、フィードフォワード制御量DvFFとの和に従って、電圧制御のためのデューティ比指令値Dvを生成する。伝達関数Hvは、直列接続された電源PS1,PS2の伝達関数に相当する。
図40を参照して、図39に示した電圧制御のためのデューティ比指令値Dvが、デューティ比Dcに用いられる。電圧制御によって制御される電圧は、出力電圧Voである。図39中の伝達関数Hvは、図10に示した昇圧チョッパ回路の伝達関数に相当する。ま フィードフォワード制御量DvFFは、下記(16)に示すように、直列接続された電源電圧V[1]+V[2]と、出力電圧Voとの電圧差に応じて設定される。
デューティ比Dc(Dc=Dv)に応じて、図38に示した制御パルス信号SDcおよび/SDcが生成される。
次に、本実施の形態に従う電源システムを具体的に適用した電動車両の電源システムの構成例および動作について説明する。
電気自動車やハイブリッド自動車等の減速時には、回生発電を行う。モータジェネレータ32の発電動作時には、3相インバータ31は、モータジェネレータ32が発電した3相交流電力を直流電力に変換して電源配線PLに出力する。この直流電力によって、直流電源10および/または直流電源20を充電することができる。
Claims (13)
- 第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
負荷に電気的に接続される電源配線と前記第1および第2の直流電源との間で直流電力変換を実行するための電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、
前記第1の直流電源と前記電源配線との間に形成される第1の電力変換経路と、前記第2の直流電源と前記電源配線との間に形成される第2の電力変換経路との両方に含まれるように配置された複数のスイッチング素子と、
前記第1の電力変換経路に含まれるように配置された第1のリアクトルと、
前記第2の電力変換経路に含まれるように配置された第2のリアクトルと、
前記第1および第2の電力変換経路に対して電気的には非接続である共振減衰回路とを含み、
前記共振減衰回路は、
前記第1のリアクトルと磁気結合された第3のリアクトルと、
前記第2のリアクトルと磁気結合され、かつ、前記第3のリアクトルに対して直列に接続される第4のリアクトルと、
前記第3および第4のリアクトルと直列に接続される、キャパシタおよび抵抗とを有し、
前記第3および第4のリアクトルの一方には、磁気結合する前記第1または第2のリアクトルと同極性の電圧が誘起され、かつ、前記第3および第4のリアクトルの他方には、磁気結合する前記第1または第2のリアクトルと逆極性の電圧が誘起され、
前記電源配線上の出力電圧を制御するように前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御装置をさらに備える、電源システム。 - 前記複数のスイッチング素子は、
第1のノードおよび前記電源配線の間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された第3のノードおよび前記第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第1の直流電源の負極端子と前記第3のノードとの間に電気的に接続された第4のスイッチング素子とを含み、
前記第1のリアクトルは、前記第1の直流電源の正極端子と前記第2のノードとの間に電気的に接続され、
前記第2のリアクトルは、前記第2の直流電源の正極端子と前記第1のノードとの間に電気的に接続される、請求項1記載の電源システム。 - 第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
負荷に電気的に接続される電源配線と前記第1および第2の直流電源との間で直流電力変換を実行するための電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、
前記第1の直流電源と前記電源配線との間に形成される第1の電力変換経路と、前記第2の直流電源と前記電源配線との間に形成される第2の電力変換経路との両方に含まれるように配置された複数のスイッチング素子と、
前記第1の電力変換経路に含まれるように配置された第1のリアクトルと、
前記第2の電力変換経路に含まれるように配置された第2のリアクトルと、
前記第1および第2の電力変換経路に対して電気的には非接続である共振減衰回路とを含み、
前記共振減衰回路は、
前記第1のリアクトルと磁気結合された第3のリアクトルと、
前記第2のリアクトルと磁気結合され、かつ、前記第3のリアクトルに対して直列に接続される第4のリアクトルと、
前記第3および第4のリアクトルと直列に接続される、キャパシタおよび抵抗とを有し、
前記電源配線上の出力電圧を制御するように前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御装置をさらに備え、
前記複数のスイッチング素子は、
第1のノードおよび前記電源配線の間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された第3のノードおよび前記第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第1の直流電源の負極端子と前記第3のノードとの間に電気的に接続された第4のスイッチング素子とを含み、
前記第1のリアクトルは、前記第1の直流電源の正極端子と前記第2のノードとの間に電気的に接続され、
前記第2のリアクトルは、前記第2の直流電源の正極端子と前記第1のノードとの間に電気的に接続される、電源システム。 - 第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
負荷に電気的に接続される電源配線と前記第1および第2の直流電源との間で直流電力変換を実行するための電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、
前記第1の直流電源と前記電源配線との間に形成される第1の電力変換経路と、前記第2の直流電源と前記電源配線との間に形成される第2の電力変換経路との両方に含まれるように配置された複数のスイッチング素子と、
前記第1の電力変換経路に含まれるように配置された第1のリアクトルと、
前記第2の電力変換経路に含まれるように配置された第2のリアクトルと、
前記第1および第2の電力変換経路に対して電気的には非接続である共振減衰回路とを含み、
前記共振減衰回路は、
前記第1のリアクトルと磁気結合された第3のリアクトルと、
前記第2のリアクトルと磁気結合され、かつ、前記第3のリアクトルに対して直列に接続される第4のリアクトルと、
前記第3および第4のリアクトルと直列に接続される、キャパシタおよび抵抗とを有し、
前記電源配線上の出力電圧を制御するように前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御装置をさらに備え、
前記電力変換器は、前記複数のスイッチング素子の制御によって、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して直列に電気的に接続された状態で前記直流電力変換を実行する第1の動作モードと、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して並列に前記直流電力変換を実行する第2の動作モードとを切換えられるように構成される、電源システム。 - 第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
負荷に電気的に接続される電源配線と前記第1および第2の直流電源との間で直流電力変換を実行するための電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、
前記第1の直流電源と前記電源配線との間に形成される第1の電力変換経路と、前記第2の直流電源と前記電源配線との間に形成される第2の電力変換経路との両方に含まれるように配置された複数のスイッチング素子と、
前記第1の電力変換経路に含まれるように配置された第1のリアクトルと、
前記第2の電力変換経路に含まれるように配置された第2のリアクトルと、
前記第1および第2の電力変換経路に対して電気的には非接続である共振減衰回路とを含み、
前記共振減衰回路は、
前記第1のリアクトルと磁気結合された第3のリアクトルと、
前記第2のリアクトルと磁気結合され、かつ、前記第3のリアクトルに対して直列に接続される第4のリアクトルと、
前記第3および第4のリアクトルと直列に接続される、キャパシタおよび抵抗とを有し、
前記電源配線上の出力電圧を制御するように前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御装置をさらに備え、
前記電力変換器は、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して直列に電気的に接続された状態で前記直流電力変換を実行する第1の動作モードと、前記複数のスイッチング素子の制御によって、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して並列に前記直流電力変換を実行する第2の動作モードとを切換えられるように構成され、
前記複数のスイッチング素子 は、前記第1の動作モードでは前記第1および第2の直流電源を直列接続するためにオン固定される一方で、前記第2の動作モードでは前記出力電圧を制御する直流電力変換のためのデューティ比に従ってオンオフされるスイッチング素子を含む、電源システム。 - 前記共振減衰回路は、前記第3および第4のリアクトルの一方には、磁気結合する前記第1または第2のリアクトルと同極性の電圧が誘起され、かつ、前記第3および第4のリアクトルの他方には、磁気結合する前記第1または第2のリアクトルと逆極性の電圧が誘起されるように構成される、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電源システム。
- 前記第1のリアクトルおよび前記第3のリアクトルは、磁性材料で構成された共通のコアに巻回された巻線を有するように構成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電源システム。
- 前記第2のリアクトルおよび前記第4のリアクトルは、磁性材料で構成された共通のコアに巻回された巻線を有するように構成される、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電源システム。
- 前記電力変換器は、前記複数のスイッチング素子の制御によって、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して直列に電気的に接続された状態で前記直流電力変換を実行する第1の動作モードと、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して並列に前記直流電力変換を実行する第2の動作モードとを切換えられるように構成される、請求項2または3に記載の電源システム。
- 前記電力変換器は、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して直列に電気的に接続された状態で前記直流電力変換を実行する第1の動作モードと、前記複数のスイッチング素子の制御によって、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して並列に前記直流電力変換を実行する第2の動作モードとを切換えられるように構成され、
前記電力変換器は、前記第1の動作モードでは、前記第3のスイッチング素子をオン固定する一方で、直列接続された前記第1および第2の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電力変換のための制御信号に従って、前記第2および第4のスイッチング素子と前記第1のスイッチング素子とが相補的にオンオフするように、前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを制御する、請求項2または3に記載の電源システム。 - 前記電力変換器は、前記第1の動作モードでは、直列接続された前記第1および第2の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電力変換について、前記出力電圧が指令電圧と一致するように制御する、請求項9または10に記載の電源システム。
- 前記電力変換器は、前記第2の動作モードでは、前記第1の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電力変換のための第1の制御信号と、前記第2の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電力変換のための第2の制御信号との論理和に従って、前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御する、請求項4または9に記載の電源システム。
- 前記電力変換器は、前記第2の動作モードでは、前記第1および第2の直流電源のうちの一方の直流電源と、前記電源配線との間の前記直流電力変換については前記出力電圧が指令電圧と一致するように制御する一方で、前記第1および第2の直流電源のうちの他方の直流電源と前記電源配線との間の前記直流電力変換については前記他方の直流電源の電流が指令電流と一致するように制御する、請求項4、9および12のいずれか1項に記載の電源システム。
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