JP6699217B2

JP6699217B2 - 電源システム

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Publication number: JP6699217B2
Application number: JP2016030729A
Authority: JP
Inventors: 修二戸村; 成晶後藤; 直樹柳沢
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-02-22
Also published as: JP2017153172A

Description

本発明は、２つの直流電源と負荷との間で電力を授受する電源システムに関する。

２つの直流電源から負荷（例えば車両駆動電動機等）へ電力を供給するための電源システムが開示されている（特許文献１〜５）。このような電源システムは、例えば複数の太陽電池から負荷へ電力を供給するためにも用いられている。太陽電池モジュールの各々に昇圧チョッパ（昇圧コンバータ）を接続し、ＭＰＰＴ制御（最大電力点トラッキング）により各太陽電池モジュールでの発電効率が最大化されるように制御する。このように複数の昇圧チョッパ（昇圧コンバータ）を用いる理由は、設置場所等の影響により各太陽電池モジュールの発電状況が異なるときにすべての太陽電池モジュールを直列に接続して１つの昇圧チョッパ（昇圧コンバータ）で制御すると発電効率が低下してしまうからである。また、別の理由として、発電電力が大きなシステムでは、すべての太陽電池モジュールを直列に接続してしまうと出力電圧が高電圧となり、回路設計上の制約が大きくなることがある。

例えば、２つの直流電源にそれぞれ昇圧チョッパ回路が設けられており、それぞれの直流電源からの電圧を独立に昇圧チョッパ回路により昇圧して負荷に供給することができる電源システムが開示されている。また、２つの昇圧チョッパ回路の間を双方向スイッチング素子で接続し、２つの昇圧チョッパ回路を協働させて２つの直流電源から負荷へと電力を供給できる電源システムが開示されている。さらに、２つの直流電源をスイッチング素子により直列及び並列に接続可能としたシリーズパラレルコンバータ型の電源システムが開示されている。

図１１は、従来の電源システム３００の構成例を示す。また、図１２は、従来の電源システム３００に対する制御状態を示す。また、図１３は、電源システム３００での各制御状態（状態ａ〜状態ｅ）におけるリアクトルＬ１，Ｌ２に流れるリアクトル電流Ｉ１，Ｉ２の変化を示す。

状態ａでは、第１スイッチＳ１及び第２スイッチＳ２の両方がオン状態である（時刻ｔ１）。状態ｂでは、第２スイッチＳ２がオフ状態とされる（時刻ｔ２）。その後、ダイオードＤ２から第１スイッチＳ１へ電流の自然転流が起こり状態ｃへ移行する（時刻ｔ３）。状態ｄでは、第１スイッチＳ１がオフ状態され、同時に第２スイッチＳ２がオン状態とされる（時刻ｔ４）。その後、ダイオードＤ１から第２スイッチＳ２へ電流の自然転流が起こり状態ｅへ移行する（時刻ｔ５）。そして、第１スイッチＳ１をオン状態とすることで状態ａに戻る（時刻ｔ６）。このように１周期の制御が行われ、２つの直流電源の電圧が昇圧されて負荷３０２に供給される。

また、図１４は、シリーズパラレル型の電源システム４００の構成例を示す。図１５は、電源システム４００に対する制御状態を示す。図１６は、電源システム４００における各制御状態（状態ａ〜状態ｃ）におけるリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れるリアクトル電流Ｉ１，Ｉ２の変化を示す。

状態ａでは、第１スイッチＳ１及び第４スイッチＳ４の両方がオフ状態であり、第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３の両方がオン状態である（時刻ｔ１）。状態ｂでは、第２スイッチＳ２がオフ状態とされ、第１スイッチＳ１がオン状態とされる（時刻ｔ２）。状態ｃでは、第４スイッチＳ４がオフ状態とされ、第２スイッチＳ２がオン状態とされる（時刻ｔ３）。その後、第１スイッチＳ１がオフ状態とされ、第４スイッチＳ４がオン状態とされる（時刻ｔ４）。このように１周期の制御が行われ、２つの直流電源の電圧が昇圧されて負荷４０２に供給される。

特許第３６５５２７７号公報特許第５４９２０４０号公報特開２０１３−１３２３４号公報特開２０１５−１６５７５９号公報特開２０１５−１６２９６３号公報

従来の電源システムでは、時刻ｔ４において２つのリアクトルを流れる電流の増減切替のタイミングが１周期に１回だけ一致する。２つのリアクトルを流れる電流の増減切替のタイミングが一致すると損失の低減効果があるが、従来の電源システムでは１周期に１回だけその効果を得ることができず、電源システムにおける損失低減が不十分であった。

本発明の1つの態様は、第１の直流電源と、前記第１の直流電源に直列に接続された第１のリアクトルと、第２の直流電源と、前記第２の直流電源に直列に接続された第２のリアクトルと、前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源からの直流電圧の電圧変換を行う複数のスイッチング素子を備えた電力変換器と、を備え、前記電力変換器は、前記第１の直流電源と前記第１のリアクトルが負荷を介さずに閉回路を形成すると共に、前記第２の直流電源と前記第２のリアクトルが負荷を介して閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第１の制御状態と、前記第１の直流電源と前記第１のリアクトルが負荷を介して閉回路を形成すると共に、前記第２の直流電源と前記第２のリアクトルが負荷を介さずに閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第２の制御状態と、に制御され、前記第１の制御状態と前記第２の制御状態において、前記第１のリアクトルを流れる電流経路と前記第２のリアクトルを流れる電流経路とに共通のスイッチング素子を備え、前記第１の制御状態と前記第２の制御状態とを時比率で切り替えることで、出力電圧を前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の和電圧となるように制御することを特徴とする電源システムである。

ここで、前記電力変換器は、前記第１の直流電源に対して設けられ、前記第１の直流電源と前記負荷との間の電力変換を行う少なくとも１つのスイッチング素子を備えた第１電力変換部と、前記第２の直流電源に対して設けられ、前記第２の直流電源と前記負荷との間の電力変換を行う少なくとも１つのスイッチング素子を備えた第２電力変換部と、前記第１電力変換部と前記第２電力変換部との間の電流方向を規制する連結素子と、を備えることが好適である。

本発明によれば、電源システムに含まれる素子における損失を低減することができる。

本発明の実施の形態における電源システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態における電源システムを用いたシステムを示す図である。本発明の実施の形態における電源システムの制御状態を示す図である。本発明の実施の形態における電源システムの各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。線間電圧を和電圧に制御しなかった場合の電源システムにおける各素子における損失を示す図である。線間電圧を和電圧に制御した場合の電源システムにおける各素子における損失を示す図である。線間電圧を和電圧に制御しなかった場合の電源システムにおける各素子における損失を示す図である。変形例における電源システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態における電源システムの制御状態を示す図である。本発明の実施の形態における電源システムの各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。従来の電源システムの構成例を示す図である。従来の電源システムにおける電源システムの制御状態を示す図である。従来の電源システムにおける各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。従来の電源システムの構成例を示す図である。従来の電源システムにおける電源システムの制御状態を示す図である。従来の電源システムにおける各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。

［電源システムの構成］
本発明の実施の形態における電源システム１００は、図１に示すように、第１の直流電源１０ａ、第１のリアクトル１０ｂ、第２の直流電源１２ａ、第２のリアクトル１２ｂ、第１電力変換器１４、第２電力変換器１６及び連結素子１８を含んで構成される。電源システム１００の高電圧側の第１の電力線Ｘ１と低電圧側の第２の電力線Ｘ２との間には負荷１０２が接続される。

電源システム１００では、第１電力変換器１４及び第２電力変換器１６の少なくとも１つを介して第１の直流電源１０ａ及び第２の直流電源１２ａの少なくとも１つから負荷１０２へと電力を供給することができる（力行）。また、第１電力変換器１４及び第２電力変換器１６の少なくとも１つを介して負荷１０２から第１の直流電源１０ａ及び第２の直流電源１２ａの少なくとも１つへ電力が回収することができる（回生）。

第１の直流電源１０ａ及び第２の直流電源１２ａは、特に限定されるものではないが、太陽電池とすることができる。また、第１の直流電源１０ａ及び第２の直流電源１２ａは、充放電が可能な二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電手段を含んでもよい。

第１電力変換器１４は、第１の直流電源１０ａの電力変換を行う回路を含んで構成される。すなわち、第１の直流電源１０ａの出力電圧を昇圧して負荷１０２へ供給すると共に、負荷１０２からの電力の電圧を降圧して第１の直流電源１０ａへ回生することができる。第１電力変換器１４は、上アーム１４ａ、下アーム１４ｂを含んで構成される。上アーム１４ａは、上アーム側スイッチング素子１４ｄと帰還ダイオード１４ｅとが並列に接続されている。下アーム１４ｂは、下アーム側スイッチング素子１４ｆと帰還ダイオード１４ｇとが並列に接続されている。上アーム１４ａと下アーム１４ｂとは直列に接続され、その両端に負荷１０２が接続される。また、上アーム１４ａと下アーム１４ｂとの接続点Ｃ１に第１のリアクトル１０ｂを介して第１の直流電源１０ａが接続される。

第２電力変換器１６は、第２の直流電源１２ａの電力変換を行う回路を含んで構成される。すなわち、第２の直流電源１２ａの出力電圧を昇圧して負荷１０２へ供給すると共に、負荷１０２からの電力の電圧を降圧して第２の直流電源１２ａへ回生することができる。第２電力変換器１６は、上アーム１６ａ及び下アーム１６ｂを含んで構成される。上アーム１６ａは、上アーム側スイッチング素子１６ｄと帰還ダイオード１６ｅとが並列に接続されている。下アーム１６ｂは、下アーム側スイッチング素子１６ｆと帰還ダイオード１６ｇとが並列に接続されている。上アーム１６ａと下アーム１６ｂとは直列に接続され、その両端に負荷１０２が接続される。また、上アーム１６ａと下アーム１６ｂとの接続点Ｃ２に第２のリアクトル１２ｂを介して第２の直流電源１２ａが接続される。

連結素子１８は、接続点Ｃ１と接続点Ｃ２との間の電流方向を規制する素子である。例えば、連結素子１８は、例えば、整流素子やスイッチング素子である。連結素子１８は、双方向スイッチング素子、すなわちオン時において接続点Ｃ１から接続点Ｃ２への電流及び接続点Ｃ２から接続点Ｃ１への電流に対していずれも低い抵抗値となり、オフ時において接続点Ｃ１と接続点Ｃ２との両側に対して耐圧性を有する素子とすることが好適である。

本実施の形態における電源システム１００では、連結素子１８を備えることによって、第１電力変換器１４のみならず、第２電力変換器１６を介して、第１の直流電源１０ａの出力電圧を昇圧して負荷１０２へ供給すると共に、負荷１０２からの電力の電圧を降圧して第１の直流電源１０ａへ回生することができる。また、第２電力変換器１６のみならず、第１電力変換器１４を介して、第２の直流電源１２ａの出力電圧を昇圧して負荷１０２へ供給すると共に、負荷１０２からの電力の電圧を降圧して第２の直流電源１２ａへ回生することができる。

本実施の形態では、図２のシステム構成図に示すように、第１電力変換器１４及び第２電力変換器１６と負荷１０２との間に電源システム１００の出力電圧を制御することができる直流／交流変換回路１０４（インバータ）を設けた構成とする。なお、交流変換回路１０４に代えて直流／直流変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を設けた構成としてもよい。例えば、第１の直流電源１０ａ及び第２の直流電源１２ａを太陽電池とすることによって、太陽電池電力供給システムとして使用することができる。

なお、電源システム１００は、外部の制御部（図示しない）によって制御される。制御部は、第１電力変換器１４、第２電力変換器１６及び連結素子１８に含まれるスイッチング素子の開閉制御を行う。制御部は、マイクロコンピュータ等を含んで構成される。制御部による制御については後述する。

［電源システムの制御］
以下、電源システム１００から負荷１０２へ電力を供給する際の制御について説明する。本実施の形態における電源システム１００の制御では、従来と同様に、下アーム側スイッチング素子１４ｆをオン／オフ制御することにより第１の直流電源１０ａ側の昇圧動作を行い、上アーム側スイッチング素子１６ｄをオン／オフ制御することにより第２の直流電源１２ａ側の昇圧動作を行う。第２の直流電源１２ａ側においても上アーム側スイッチング素子１６ｄをオン状態とすることにより第２のリアクトル１２ｂにエネルギーを蓄積し、オフ状態とすることで負荷１０２側にエネルギーを放出することにより昇圧することができる。

図３は、電源システム１００に対する制御状態を示す。また、図４は、電源システム１００での各制御状態（状態ａ〜状態ｄ）における第１のリアクトル１０ｂ、第２のリアクトル１２ｂに流れるリアクトル電流Ｉ１，Ｉ２の変化を示す。なお、以下の説明では、本発明の実施の形態では回生時の制御を考慮する必要がないため、スイッチング素子の一部をダイオードに置き換えて記載している。ただし、図１のようにスイッチング素子としても、または図３のようにダイオードとしても、どちらの構成においても本発明の制御を適用することができる。

本制御では、第１電力変換器１４の上アーム側スイッチング素子１４ｄ及び第２電力変換器１６の下アーム側スイッチング素子１６ｆは常時オフ状態とされる。また、連結素子１８は常時オン状態とされる。このような状態において、直流／交流変換回路１０４を制御して、電源システム１００の出力電圧、すなわち第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２との間の線間電圧が第１の直流電源１０ａの電圧と第２の直流電源１２ａの電圧との和電圧となるように制御する。

電源システム１００では、連結素子１８を設けてリアクトル電流を迂回させることによって、電源システム１００における素子での電力損失を低減することができる。さらに、下アーム側スイッチング素子１４ｆ及び上アーム側スイッチング素子１６ｄのスイッチングのタイミングを制御することにより素子損失を最大限抑制することができる。以下、その制御について説明する。

時刻ｔ１では、電源システム１００は状態ａとされる。状態ａでは、下アーム側スイッチング素子１４ｆがオン状態とされ、同時に上アーム側スイッチング素子１６ｄがオフ状態とされる。このとき、負荷１０２へは第２の直流電源１２ａから電力が供給される状態となる。その後、帰還ダイオード１６ｇから下アーム側スイッチング素子１４ｆへ電流の自然転流が起こり状態ｂへ移行する（時刻ｔ２）。

時刻ｔ３では、電源システム１００は状態ｃとされる。状態ｃでは、下アーム側スイッチング素子１４ｆがオフ状態とされ、同時に上アーム側スイッチング素子１６ｄがオン状態とされる。このとき、負荷１０２へは第１の直流電源１０ａから電力が供給される状態となる。その後、帰還ダイオード１４ｅから上アーム側スイッチング素子１６ｄへ電流の自然転流が起こり状態ｄへ移行する（時刻ｔ４）。

そして、時刻ｔ５では、電源システム１００は状態ａに戻される。すなわち、下アーム側スイッチング素子１４ｆがオン状態とされ、同時に上アーム側スイッチング素子１６ｄがオフ状態とされる。

電源システム１００はこのように制御されるが、状態ｄから状態ａへ移行する際の上アーム側スイッチング素子１６ｄのオフ制御時において上アーム側スイッチング素子１６ｄにはリアクトル電流Ｉ２とリアクトル電流Ｉ１との差電流のみが流れているのでオフ損失を低減することができる。また、状態ｂから状態ｃへ移行する際の下アーム側スイッチング素子１４ｆのオフ制御時において下アーム側スイッチング素子１４ｆにはリアクトル電流Ｉ１とリアクトル電流Ｉ２との差電流のみが流れているのでオフ損失を低減することができる。

ここで、電源システム１００の出力電圧、すなわち第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２との間の線間電圧を第１の直流電源１０ａと第２の直流電源１２ａとの和電圧となるように制御することによって、図４に示すように、リアクトル電流Ｉ１とリアクトル電流Ｉ２との山と谷とを一致させることができる理由を説明する。

第１の直流電源１０ａの電圧Ｖ１、第２の直流電源１２ａの電圧Ｖ２、第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２との線間電圧ＶＨ、下アーム側スイッチング素子１４ｆのオン比率（デューティ）Ｄ１、及び上アーム側スイッチング素子１６ｄのオン比率（デューティ）Ｄ２とすると以下の数式１〜３が成り立つ。

これらの式を変形すると下アーム側スイッチング素子１４ｆと上アーム側スイッチング素子１６ｄのオン比率（デューティ）の関係は数式４で表される。

数式４は、下アーム側スイッチング素子１４ｆと上アーム側スイッチング素子１６ｄのオン比率（デューティ）の和が電源システム１００の１制御周期と一致するように制御することによって、図４に示すように、リアクトル電流Ｉ１とリアクトル電流Ｉ２との山と谷とを一致させることができることを意味している。

例えば、図２に示したシステム構成において、第１電力変換器１４及び第２電力変換器１６を最適動作点に追従するように制御すると共に、直流／交流変換回路１０４により線間電圧ＶＨを第１の直流電源１０ａと第２の直流電源１２ａとの和電圧となるように制御すればよい。これにより、第１電力変換器１４及び第２電力変換器１６での素子損失を低減することができる。

図５は、第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２との間の線間電圧ＶＨを第１の直流電源１０ａと第２の直流電源１２ａとの和電圧＋５Ｖに制御した場合の各素子における損失を示す。図６は、第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２との間の線間電圧ＶＨを第１の直流電源１０ａと第２の直流電源１２ａとの和電圧に制御した場合の各素子における損失を示す。図５及び図６に示されるように、第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２との間の線間電圧ＶＨを第１の直流電源１０ａと第２の直流電源１２ａとの和電圧に制御した場合には和電圧から外れている場合に比べて素子における損失を低減することができる。

図７は、本発明の実施の形態における制御を適用した場合と従来の制御を適用した場合の電源システム１００全体の損失の差を示す。図７より明らかなように、本発明の実施の形態における制御を適用した場合は従来の制御を適用した場合に比べて電源システム１００全体の損失も大きく低減できる。

［変形例］
本実施の形態では、連結素子１８を備えた電源システム１００を例に説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図８に示すシリーズパラレル型の電源システム２００においても同様に適用することができる。

本変形例においても、電源システム２００の出力電圧、すなわち第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２の線間電圧が第１の直流電源１０ａと第２の直流電源１２ａとの和電圧に等しい状態に維持される。例えば、電源システム２００の第１の電力線Ｘ１と第２の電力線Ｘ２との間に直流／交流変換回路や直流／直流変換回路を接続して電源システム２００の出力電圧を制御することができる。

図９は、電源システム２００に対する制御状態を示す。図１０は、電源システム２００における各制御状態（状態ａ，状態ｂ）における第１のリアクトル１０ｂ及び第２のリアクトル１２ｂに流れるリアクトル電流Ｉ１，Ｉ２の変化を示す。

状態ａでは、第１スイッチ２０ａ、第３スイッチ２４ａ及び第４スイッチ２６ａがオン状態であり、第２スイッチ２２ａがオフ状態である（時刻ｔ１）。状態ｂでは、第２スイッチ２２ａがオン状態とされ、第４スイッチ２６ａがオフ状態とされる（時刻ｔ２）。その後、第４スイッチ２６ａがオン状態とされ、第２スイッチ２２ａがオフ状態とされて状態ａに戻る（時刻ｔ３）。このように１周期の制御が行われ、２つの直流電源の電圧が昇圧されて負荷２０２に供給される。

本変形例においても、上記実施の形態における電源システム１００と同様に、従来の制御を適用した場合に比べて電源システム２００全体の損失を低減できる。

１０ａ第１の直流電源、１０ｂ第１のリアクトル、１２ａ第２の直流電源、１２ｂ第２のリアクトル、１４第１電力変換器、１４ａ上アーム、１４ｂ下アーム、１４ｄ上アーム側スイッチング素子、１４ｅ帰還ダイオード、１４ｆ下アーム側スイッチング素子、１４ｇ帰還ダイオード、１６第２電力変換器、１６ａ上アーム、１６ｂ下アーム、１６ｄ上アーム側スイッチング素子、１６ｅ帰還ダイオード、１６ｆ下アーム側スイッチング素子、１６ｇ帰還ダイオード、１８連結素子、２０ａ第１スイッチ、２２ａ第２スイッチ、２４ａ第３スイッチ、２６ａ第４スイッチ、１００電源システム、１０２負荷、１０４交流変換回路、２００電源システム、２０２負荷、３００電源システム、３０２負荷、４００電源システム、４０２負荷。

Claims

第１の直流電源と、前記第１の直流電源に直列に接続された第１のリアクトルと、
第２の直流電源と、前記第２の直流電源に直列に接続された第２のリアクトルと、
前記第１の直流電源及び前記第２の直流電源からの直流電圧の電圧変換を行う電力変換器と、
を備え、
前記電力変換器は、
前記第１の直流電源に対して設けられ、前記第１の直流電源と負荷との間の電力変換を行う少なくとも１つのスイッチング素子を備えた第１電力変換部と、
前記第２の直流電源に対して設けられ、前記第２の直流電源と前記負荷との間の電力変換を行う少なくとも１つのスイッチング素子を備えた第２電力変換部と、
前記第１電力変換部と前記第２電力変換部との間の電流方向を規制する連結素子と、
を備え、
前記第１の直流電源と前記第１のリアクトルが前記負荷を介さずに閉回路を形成すると共に、前記第２の直流電源と前記第２のリアクトルが前記負荷を介して閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第１の制御状態と、
前記第１の直流電源と前記第１のリアクトルが前記負荷を介して閉回路を形成すると共に、前記第２の直流電源と前記第２のリアクトルが前記負荷を介さずに閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第２の制御状態と、
に制御され、
前記第１の制御状態と前記第２の制御状態において、前記スイッチング素子の少なくとも一つが前記第１のリアクトルを流れる電流経路と前記第２のリアクトルを流れる電流経路とに共通に使用され、
前記第１の制御状態と前記第２の制御状態とを時比率で切り替えることで、出力電圧を前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の和電圧となるように制御することを特徴とする電源システム。