JP7111580B2

JP7111580B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7111580B2
Application number: JP2018201630A
Authority: JP
Inventors: 健一 ▲高▼木; 将紀石垣; 広雄伊藤; 晋佑津田
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: JP2020068619A

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、交流電力を直流電力に変換し電池に供給する装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、駆動用モータに電力を供給するための電池が搭載されている。電動車両では回生制動によって発電した電力によって電池が充電され、プラグイン機能がある場合には、商用電源から供給される電力によって電池が充電される。また、ハイブリッド自動車では、エンジンによるジェネレータの駆動によって発電した電力によって電池が充電される。電池を充電するため、電動車両には電力変換装置が搭載される。電力変換装置は、入力電圧を適切な電圧に変換して電池に印加する。

以下の特許文献１には、２つのスイッチング回路を各回路に接続された巻線によって磁気的に結合させ、２つのスイッチング回路の間で電力を伝送させる電力変換装置が示されている。特許文献２には、第１および第２の昇圧コンバータのパルス幅変調による力率改善を行いつつ、第１および第２の昇圧コンバータの周波数を調整することにより出力電圧を制御する電力変換装置が示されている。

特許文献３には、力率改善回路として動作する第１のハーフブリッジ回路（スイッチング回路）と、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する第２のハーフブリッジ回路（スイッチング回路）とをトランスによって結合した電力変換回路（電力変換装置）が記載されている。第１のハーフブリッジ回路は、外部交流電源から出力される交流電力の力率を調整する。第１のハーフブリッジ回路から第２のハーフブリッジ回路には、トランスを介して電力が供給され、第２のハーフブリッジ回路は電動車両の主機電池に電力を供給する。この電力変換装置には、さらに、第２のハーフブリッジ回路にトランスによって結合した第３のハーフブリッジ回路が設けられている。第２のハーフブリッジ回路から第３のハーフブリッジ回路にはトランスを介して電力が供給され、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する第３のハーフブリッジ回路は電動車両の補機電池に電力を供給する。

特開２０１１－１９３７１３号公報特開２０１０－１８３７２６号公報特開２０１８－１４７９４号公報

特許文献３に記載された電力変換装置は、プラグイン機能を実現するために用いられる。主機電池の充電を迅速に行うため、第１のハーフブリッジ回路および第２のハーフブリッジ回路には、できるだけ大きい電力を伝送させることが望まれている。また、プラグイン機能による主機電池の充電は、電動車両が停車しているときに行われることが多く、主機電池の充電中にオーディオ機器、室内灯、空調装置等の補機の使用が可能となることが望まれている。補機を使用した場合には、第１のハーフブリッジ回路、第２のハーフブリッジ回路および第３のハーフブリッジ回路を介して補機電池または補機に電力が供給される。したがって、最大限の電力伝送によって主機電池を充電しているときには、第１ハーフブリッジ回路および第２ハーフブリッジ回路に過大な電力が伝送されてしまう可能性がある。

本発明は、電力変換装置における過大な電力伝送を回避することを目的とする。

本発明は、入力交流電力を調整する第１スイッチング回路と、前記第１スイッチング回路にトランスによって結合する第２スイッチング回路と、前記第２スイッチング回路にトランスによって結合する第３スイッチング回路と、前記第１スイッチング回路、前記第２スイッチング回路および前記第３スイッチング回路を制御する制御部と、を備え、前記第２スイッチング回路には電池が接続されており、前記第３スイッチング回路には補機系統が接続されており、前記制御部は、電池電流目標値と当該電池電流目標値に対する補正値とから求められた補正目標値と、前記電池に流れる電流の計測値との差異に基づいて、前記第１スイッチング回路のスイッチング位相と、前記第２スイッチング回路のスイッチング位相との差異を制御し、前記第３スイッチング回路から前記補機系統に供給される補機電力に基づいて前記補正値を求めることを特徴とする。

望ましくは、前記制御部は、前記補機電力に加え、前記補機系統に電力が供給されたことによって前記電力変換装置で生じる電力損失に基づいて、前記補正値を求める。

望ましくは、前記電池電流目標値は、前記電池に定格電力が供給されるとした場合における目標値であり、前記制御部は、前記第１スイッチング回路に定格値の前記入力交流電力が入力された場合における前記電力損失に基づいて、前記補正値を求める。

望ましくは、前記電力損失が限界損失を超える場合の超過電力損失に基づいて、前記補正値を求める。

望ましくは、電池電圧計測値が所定の切り換え電圧値以下であるときに、前記制御部は、前記補正目標値と前記電池に流れる電流の計測値との差異に基づいて、前記第１スイッチング回路のスイッチング位相と、前記第２スイッチング回路のスイッチング位相との差異を制御し、前記電池電圧計測値が前記切り換え電圧値を超えたときに、前記制御部は、前記電池電圧計測値と基準電圧値との差異に基づいて、前記第１スイッチング回路のスイッチング位相と、前記第２スイッチング回路のスイッチング位相との差異を制御し、前記切り換え電圧値は、前記基準電圧値よりも小さい値である。

本発明によれば、電力変換装置における過大な電力伝送を回避することができる。

電力変換装置の構成を示す図である。電力損失と補機出力比率との関係を概念的に示す図である。制御部に構成される機能ブロックを示す図である。電力抑制制御のシミュレーション結果を示す図である。制御部に構成される機能ブロックを示す図である。電力損失と補機出力比率との関係を概念的に示す図である。

各図を参照して本発明の実施形態について説明する。本願明細書に示された「上」、「下」の用語は図面における上下を示し、図面に表された部品の取り付け位置を限定するものではない。また、複数の図面に示された同一の構成要素については同一の符号を付して説明の重複を避ける。

（１）電力変換装置の構成
図１には、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成が示されている。電力変換装置は電動車両に搭載される。電力変換装置は、商用電源１０から供給される交流電力を直流電力に変換して主機電池２０に供給し、主機電池２０を充電する。主機電池２０は、駆動用モータジェネレータに電力を供給する。また、電力変換装置は、商用電源１０から供給される交流電力を直流電力に供給し、補機電池２４を充電する機能も有している。補機電池２４は、オーディオ機器、室内灯、空調装置等の補機に電力を供給する電池である。

電力変換装置は、第１スイッチング回路１２、メイン・トランスＴＡ、第２スイッチング回路１４、サブ・トランスＴＢ、第３スイッチング回路１６および制御部３４を備える。第１スイッチング回路１２が有する電源入力端子３０１および３０２には、商用電源１０が接続される。例えば、電源入力端子３０１および３０２にはコネクタが接続され、そのコネクタに外部の電力供給装置から引き出されたケーブルの先端のコネクタが接続されてもよい。

第１スイッチング回路１２および第２スイッチング回路１４は、メイン・トランスＴＡによって結合しており、第２スイッチング回路１４には主機電池２０が接続されている。第２スイッチング回路１４および第３スイッチング回路１６は、サブ・トランスＴＢによって結合しており、第３スイッチング回路１６には補機電池２４が接続されている。制御部３４は、各スイッチング回路を制御する。

第１スイッチング回路１２は、電源入力端子３０１、電源入力端子３０２、ハーフブリッジＡ、ハーフブリッジＢ、中間コンデンサＣｍ、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２を備える。ハーフブリッジＡは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ１およびＳ２を備え、ハーフブリッジＢ２は、直列接続されたスイッチング素子Ｓ３およびＳ４を備える。ハーフブリッジＡおよびＢは並列接続されている。スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続点と、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続点との間には、プライマリ巻線Ｌ１が接続されている。ハーフブリッジＡおよびＢの両端には中間コンデンサＣｍが接続されている。

ハーフブリッジＡ、ハーフブリッジＢおよび中間コンデンサＣｍの上端には、第１ダイオードＤ１のカソード端子が接続されている。第１ダイオードＤ１のアノード端子には、第２ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。第２ダイオードＤ２のアノード端子は、ハーフブリッジＡ、ハーフブリッジＢおよび中間コンデンサＣｍの下端に接続されている。第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２との接続点には、電源入力端子３０１が接続され、プライマリ巻線Ｌ１の中途点には、電源入力端子３０２が接続されている。ここで、プライマリ巻線Ｌ１の中途点は、プライマリ巻線Ｌ１を構成する巻線の中途の接続点（タップ）である。中途点は、巻き数が半分の点に設けられたセンタータップであってよい。

第２スイッチング回路１４は、ハーフブリッジＥおよびハーフブリッジＦを備える。ハーフブリッジＥは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ５およびＳ６を備え、ハーフブリッジＦは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ７およびＳ８を備える。ハーフブリッジＥおよびＦは並列接続されている。スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点と、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点との間には、セカンダリ巻線Ｌ２およびプライマリ巻線Ｌ３が並列に接続されている。プライマリ巻線Ｌ１およびセカンダリ巻線Ｌ２は磁気的に結合し、メイン・トランスＴＡを構成する。ハーフブリッジＥおよびＦの上端には、出力電流計１８を介して主機電池２０の正極端子が接続され、ハーフブリッジＥおよびＦの下端には、主機電池２０の負極端子が接続されている。主機電池２０にはコンデンサが並列に接続されてもよい。また、主機電池２０の正極端子には主機正極端子３０３が接続され、主機電池２０の負極端子には主機負極端子３０４が接続されている。主機正極端子３０３および主機負極端子３０４には、駆動用モータジェネレータが接続されたパワーコントロールユニットが接続される。

第３スイッチング回路１６は、ハーフブリッジＧおよびハーフブリッジＨを備えるハーフブリッジＧは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ９およびＳ１０を備え、ハーフブリッジＨは、直列接続されたスイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２を備える。ハーフブリッジＧおよびＨは並列接続されている。スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続点と、スイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続点との間には、セカンダリ巻線Ｌ４が接続されている。プライマリ巻線Ｌ３およびセカンダリ巻線Ｌ４は磁気的に結合し、サブ・トランスＴＢを構成する。ハーフブリッジＧおよびＨの上端には、補機電流計２８を介して補機電池２４の正極端子が接続され、ハーフブリッジＧおよびＨの下端には、補機電池２４の負極端子が接続されている。補機電池２４にはコンデンサが並列に接続されてもよい。補機電池２４の正極には補機正極端子３０５が接続され、補機電池２４の負極には補機負極端子３０６が接続されている。補機正極端子３０５および補機負極端子３０６には、オーディオ機器、室内灯、空調装置等の補機が接続される。

第１スイッチング回路１２、第２スイッチング回路１４および第３スイッチング回路１６のそれぞれに含まれる各スイッチング素子にはダイオードが接続されている。すなわち、各ハーフブリッジを構成する２つのスイッチング素子のうち上側のスイッチング素子には、これら２つのスイッチング素子の接続点の側をアノードとしてダイオードが並列に接続され、下側のスイッチング素子には、これら２つのスイッチング素子の接続点の側をカソードとしてダイオードが並列に接続されている。各スイッチング素子には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられてよい。

（２）第１スイッチング回路の動作
第１スイッチング回路１２は、商用電源１０から電力変換装置に入力される交流電力の力率を調整する力率改善回路として動作する。スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４は、制御部３４の制御によって次のように動作する。

スイッチング素子Ｓ１がオフからオンになったときは、スイッチング素子Ｓ２はオンからオフになり、スイッチング素子Ｓ１がオンからオフになったときは、スイッチング素子Ｓ２はオフからオンになる。すなわち、ハーフブリッジＡを構成するスイッチング素子Ｓ１およびＳ２は交互オンオフする。同様に、ハーフブリッジＢを構成するスイッチング素子Ｓ３およびＳ４も交互にオンオフする。ハーフブリッジＡのスイッチング位相とハーフブリッジＢのスイッチング位相との間には１８０°の差異がある。ただし、スイッチング素子Ｓ１がオンオフする位相をハーフブリッジＡのスイッチング位相と定義し、スイッチング素子Ｓ３がオンオフする位相をハーフブリッジＢのスイッチング位相と定義する。各スイッチング素子のスイッチング周期は、商用電源１０が出力する交流電圧の周期よりも短い。

商用電源１０によって、電源入力端子３０２に対し電源入力端子３０１に正の電圧が印加されている正の半周期では、第１ダイオードＤ１が導通し、第２ダイオードＤ２が遮断されるようにハーフブリッジＡおよびＢがスイッチングする。すなわち、正の半周期では、電源入力端子３０１が、中間コンデンサＣｍ、ハーフブリッジＡおよびハーフブリッジＢの上端側に接続され、これらの下端側から切り離された状態と等価となる。

商用電源１０によって、電源入力端子３０１に対し電源入力端子３０２に正の電圧が印加されている負の半周期では、第２ダイオードＤ２が導通し、第１ダイオードＤ１が遮断されるようにハーフブリッジＡおよびＢがスイッチングする。すなわち、負の半周期では、電源入力端子３０１が、中間コンデンサＣｍ、ハーフブリッジＡおよびハーフブリッジＢの下端側に接続され、これらの上端側から切り離された状態と等価となる。

正の半周期および負の半周期のいずれにおいても、第１スイッチング回路１２およびプライマリ巻線Ｌ１は２相のＤＣ／ＤＣコンバータ回路として動作する。これによって、中間コンデンサＣｍには上側の端子から下側の端子に電流が流れ、中間コンデンサＣｍは上側の端子を正として充電される。

ハーフブリッジＡおよびＢのスイッチングによって、正の半周期では、商用電源１０から電源入力端子３０１に流入し、電源入力端子３０２から商用電源１０に流出する電流が流れる。負の半周期では、商用電源１０から電源入力端子３０２に流入し、電源入力端子３０１から商用電源１０に流出する電流が流れる。

この入力電流はプライマリ巻線Ｌ１の漏れインダクタンスによって平滑される。ハーフブリッジＡおよびＢのスイッチングのデューティ比（周波数を一定としたときのパルス幅）を、電源入力端子３０１および３０２に印加される電圧瞬時値に応じて変化させることで、商用電源１０から出力される電圧の時間波形に入力電流の時間波形が近似される。すなわち、電源入力端子３０１および３０２に流れる入力電流の時間波形は、商用電源１０の出力電圧の波形に近似され、商用電源１０から第１スイッチング回路１２に入力される電力の力率が０に近付けられる。このように、第１スイッチング回路１２は、入力交流電力の力率を調整し、入力交流電力を調整する。

（３）第２スイッチング回路の動作
第２スイッチング回路１４の動作について説明する。ハーフブリッジＥを構成するスイッチング素子Ｓ５およびＳ６は交互にオンオフし、ハーフブリッジＦを構成するスイッチング素子Ｓ７およびＳ８もまた交互にオンオフする。ハーフブリッジＥのスイッチング位相とハーフブリッジＦのスイッチング位相との間には１８０°の差異がある。ただし、スイッチング素子Ｓ５がオンオフする位相をハーフブリッジＥのスイッチング位相と定義し、スイッチング素子Ｓ７がオンオフする位相をハーフブリッジＦのスイッチング位相と定義する。

第１スイッチング回路１２からプライマリ巻線Ｌ１に印加された電圧に応じて、セカンダリ巻線Ｌ２の両端に電圧が現れる。この電圧は、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続点と、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続点との間に印加される。ハーフブリッジＥおよびＦのスイッチングによって、主機電池２０には正極端子から流入する電流が流れ、主機電池２０が充電される。

商用電源１０から第１スイッチング回路１２、メイン・トランスＴＡ、および第２スイッチング回路１４を介して主機電池２０に供給される電力は、第１スイッチング回路１２のスイッチング位相（ハーフブリッジＡのスイッチング位相）から第２スイッチング回路１４のスイッチング位相（ハーフブリッジＥのスイッチング位相）を減じた位相差φ１に応じて定まる。すなわち、位相差φ１が正の方向に増加する程、主機電池２０に供給される電力は大きくなる。

（４）第３スイッチング回路の動作
第３スイッチング回路１６の動作について説明する。ハーフブリッジＧを構成するスイッチング素子Ｓ９およびＳ１０は交互にオンオフし、ハーフブリッジＨを構成するスイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２もまた交互にオンオフする。ハーフブリッジＧのスイッチング位相とハーフブリッジＨのスイッチング位相との間には１８０°の差異がある。ただし、スイッチング素子Ｓ９がオンオフする位相をハーフブリッジＧのスイッチング位相と定義し、スイッチング素子Ｓ１１がオンオフする位相をハーフブリッジＨのスイッチング位相と定義する。

第２スイッチング回路１４からプライマリ巻線Ｌ３に印加された電圧に応じて、セカンダリ巻線Ｌ４の両端に電圧が現れる。この電圧は、スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続点と、スイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続点との間に印加される。ハーフブリッジＧおよびＨのスイッチングによって、補機電池２４には正極端子から流入する電流が流れ、補機電池２４が充電される。

主機電池２０から第２スイッチング回路１４、サブ・トランスＴＢ、および第３スイッチング回路１６を介して補機電池２４に供給される電力は、第２スイッチング回路１４のスイッチング位相（ハーフブリッジＥのスイッチング位相）から第３スイッチング回路１６のスイッチング位相（ハーフブリッジＧのスイッチング位相）を減じた位相差φ２に応じて定まる。すなわち、位相差φ２が正の方向に増加する程、補機電池２４に供給される電力は大きくなる。

（５）電力抑制制御
本実施形態に係る電力変換装置では電力抑制制御が行われる。この制御は、商用電源１０から電力変換装置に定格電力が入力され、主機電池２０が充電されている状態において、さらに補機が使用され、補機電池２４および補機の少なくとも一方に電力が供給された場合の制御である。補機電池２４または補機に供給された電力と、補機の使用によって電力変換装置において生じる電力損失（損失増分）が、主機電池２０に供給される電力から差し引かれる。なお、以下の説明では、補機電池２４および補機を併せたものを「補機系統」という。補機系統に電力が供給されることで、補機電池２４および補機の少なくとも一方に電力が供給される。

補機の使用によって電力変換装置で生じる損失増分について図２を参照して説明する。図２には、電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}と補機出力比率ｒ_０との関係がグラフによって概念的に示されている。横軸は補機出力比率ｒ_０を示し、縦軸は電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}を示す。補機出力比率ｒ_０は、補機電力Ｐ_{ｓｕｂ＿０}および出力電力Ｐ_{ｏｕｔ＿０}を加算した値に対する、補機電力Ｐ_{ｓｕｂ＿０}の比率である。補機電力Ｐ_{ｓｕｂ＿０}は補機系統に供給される電力であり、出力電力Ｐ_{ｏｕｔ＿０}は主機電池２０に供給される電力である。図２における末尾の下付き符号「＿０」および「０」は、計測値でない理論上の値であることを示す。

補機系統に電力が供給されていないときは、補機出力比率ｒ_＿０は０である。補機出力比率ｒ_０が０であるときは、電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}は基準損失Ｐ_ｚである。補機系統に電力が供給され、補機出力比率ｒ_０が増加するに従って電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}も増加する。図２には、基準損失Ｐ_ｚに対する電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}の増加量が損失増分ΔＰ_{ｌｏｓｓ＿０}として示されている。

電力抑制制御に際して制御部３４は、予め定められた定格電力が主機電池２０に供給されるときの主機電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊（電池電流目標値）を決定する。制御部３４は、補機電流計２８から補機電流計測値ｉ_ｂａｔを取得し、補機電圧計２６から補機電圧計測値Ｖ_ｂａｔを取得する。そして、補機電流計測値ｉ_ｂａｔおよび補機電圧計測値Ｖ_ｂａｔの積から、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂを求める。また、制御部３４は、出力電流計１８から出力電流計測値ｉ_ｏｕｔを取得し、出力電圧計２２から出力電圧計測値Ｖ_ｏｕｔを取得する。そして、出力電流計測値ｉ_ｏｕｔおよび出力電圧計測値Ｖ_ｏｕｔの積から出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔを求める。

図３には、電力抑制制御が行われる際に、制御部３４に構成される機能ブロックが示されている。テーブル参照部５０には損失テーブルが記憶されている。損失テーブルは、補機出力比率ｒ_０に対し、電力変換装置で生じる損失増分ΔＰ_{ｌｏｓｓ＿０}（図２）を対応付けたものである。テーブル参照部５０には、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂおよび出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔが入力される。テーブル参照部５０は、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂおよび出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔに基づいて、補機出力比率ｒ＝Ｐ_ｓｕｂ／（Ｐ_ｏｕｔ＋Ｐ_ｓｕｂ）を求める。テーブル参照部５０は、損失テーブルを参照して、補機出力比率ｒに対応する損失増分ΔＰ_ｌｏｓｓを取得し加算器５２に出力する。なお、テーブル参照部５０は、損失テーブルを記憶する代わりに、補機出力比率ｒに対して損失増分ΔＰ_ｌｏｓｓを取得する関数のアルゴリズムを実行してもよい。加算器５２には、損失増分ΔＰ_ｌｏｓｓの他、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂが入力されている。加算器５２は、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂおよび損失増分ΔＰ_ｌｏｓｓを加算して抑制電力Ｐ_ｓを求め、乗算器５４に出力する。乗算器５４は、抑制電力Ｐ_ｓに主機電圧計測値Ｖ_ｏｕｔの逆数１／Ｖ_ｏｕｔを掛け合わせて補正値ｄを求め、第１減算器５６に出力する。

第１減算器５６には、補正値ｄの他、主機電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊が入力されている。第１減算器５６は、主機電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊から補正値ｄを減算し、補正目標値としての抑制電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊ｄを求め、第２減算器５８に出力する。第２減算器５８には、抑制電流目標値ｉ_ｏｕｔ＊ｄの他、出力電流計測値ｉ_ｏｕｔが入力されている。第２減算器５８は、抑制電流目標値ｉ_ｏｕｔ＊ｄから出力電流計測値ｉ_ｏｕｔを減算して制御誤差ｅを求め、比例積分器６０に出力する。比例積分器６０は制御誤差ｅを積分して目標位相差φ１^＊を求める。制御部３４は、第１スイッチング回路１２のスイッチング位相から第２スイッチング回路１４のスイッチング位相を減じた位相差φ１が、目標位相差φ１^＊に近付けられ、あるいは、一致するように第１スイッチング回路１２および第２スイッチング回路１４に含まれる各スイッチング素子（Ｓ１～Ｓ８）をスイッチングする。

このような制御によれば、補正値ｄが主機電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊から減算された抑制電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊ｄに出力電流計測値ｉ_ｏｕｔが近付けられ、または合わせられるように各スイッチング素子が制御される。これによって、補機系統に電力が供給された場合には、補機電力および損失増分を加算した電力だけ主機電池２０に供給される電力が低下し、商用電源１０から電力変換装置に入力される電力が増加することが回避される。これによって、主機電池２０の充電中に補機が使用された場合であっても、第１スイッチング回路１２または第２スイッチング回路１４に過大な電力が伝送されることが回避される。

図４には電力抑制制御のシミュレーション結果が示されている。図４（ａ）には、出力電流計測値ｉ_ｏｕｔ、抑制電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊ｄおよび補正値ｄが示されている。横軸は時間を示し、縦軸は出力電流計測値ｉ_ｏｕｔ、抑制電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊ｄおよび補正値ｄの各値を示す。図４（ｂ）には、商用電源１０から電力変換装置に入力される入力電力Ｐ_ｉｎ、出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔおよび補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂが示されている。横軸は時間を示し、縦軸は入力電力Ｐ_ｉｎ、出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔおよび補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂの各値を示す。ただし、各計測値はシミュレーション上の計測値である。

時間ｔ_０より前の時間帯では補機は用いられておらず、時間０～時間ｔ_０までの間は、主機電池２０の充電のみが行われ、時間ｔ_０に補機の使用が開始されている。図４（ｂ）に示されているように、時間ｔ_０以降では補機電力Ｐ_ｓｕｂが増加し、時間ｔ_１以降に、ほぼ一定値となっている。

これに伴い、図４（ａ）に示されているように補正値ｄもまた時間ｔ_０以降に増加し、時間ｔ_１以降に、ほぼ一定値となっている。主機電流計測値ｉ_ｏｕｔおよび抑制電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊ｄは、補正値ｄの増加に伴って時間ｔ_０以降に減少し、時間ｔ_１以降に、ほぼ一定値となっている。

図４（ｂ）に示されているように、時間ｔ_０より前の時間帯では、入力電力Ｐ_ｉｎは主機電池２０の充電と共に増加して定格値Ｐ_ｒに達しており、主機電力計測値Ｐ_ｏｕｔは電力損失によって入力電力Ｐ_ｉｎよりも小さい値となっている。時間ｔ_０以降に入力電力Ｐ_ｉｎは、若干減少するものの再び定格値Ｐ_ｒに収束している。

（６）電力カット制御
本実施形態に係る電力変換装置では電力カット制御が行われてもよい。この制御は、商用電源１０によって主機電池２０が充電されているときに補機系統に電力が供給され、これによって生じる電力損失が限界損失を超える場合に、限界損失からの超過分である超過電力損失を、主機電池２０に供給される電力から差し引くものである。ここで、限界損失とは、電力変換装置で許容される最大限の電力損失をいう。

電力カット制御に際して制御部３４は、定格電力が主機電池２０に供給されるときの主機電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊（電池電流目標値）を決定する。制御部３４は、補機電流計２８から補機電流計測値ｉ_ｂａｔを取得し、補機電圧計２６から補機電圧計測値Ｖ_ｂａｔを取得する。そして、補機電流計測値ｉ_ｂａｔおよび補機電圧計測値Ｖ_ｂａｔの積から、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂを求める。また、制御部３４は、出力電流計１８から出力電流計測値ｉ_ｏｕｔを取得し、出力電圧計２２から出力電圧計測値Ｖ_ｏｕｔを取得する。そして、出力電流計測値ｉ_ｏｕｔおよび出力電圧計測値Ｖ_ｏｕｔの積から出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔを求める。

図６には、電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}と補機出力比率ｒ_０との関係がグラフによって概念的に示されている。この図に示されているように、補機出力比率ｒ_０が増加するに従って、電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}は増加する。補機出力比率ｒ_０が限界値ｒ_{ｌｉｍｉｔ}を超えると、電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}は限界損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿ｌｉｍｉｔ}を超える。図６には、電力損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿０}が限界損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿ｌｉｍｉｔ}を超えた超過分が、超過電力損失ΔＰ_{ｏｕｔ＿０}として示されている。

図５には、電力カット制御が行われる際に、制御部３４に構成される機能ブロックが示されている。テーブル参照部５０には超過損失テーブルが記憶されている。超過損失テーブルは、補機出力比率ｒ_０に超過電力損失ΔＰ_{ｏｕｔ＿０}を対応付けたものである。超過損失テーブルでは、補機出力比率ｒ_０が限界値ｒ_{ｌｉｍｉｔ}以下であるときは、補機出力比率ｒ_０に０が対応付けられ、補機出力比率ｒ_０が限界値ｒ_{ｌｉｍｉｔ}を超えるときは、補機出力比率ｒ_０に超過電力損失ΔＰ_{ｏｕｔ＿０}が対応付けられている。

テーブル参照部６２には、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂおよび出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔが入力される。テーブル参照部６２は、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂおよび出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔに基づいて、補機出力比率ｒ＝Ｐ_ｓｕｂ／（Ｐ_ｏｕｔ＋Ｐ_ｓｕｂ）を求める。テーブル参照部６２は、超過損失テーブルを参照して、補機出力比率ｒに対応する超過電力損失ΔＰ_ｏｕｔを取得する。テーブル参照部６２は、超過電力損失ΔＰ_ｏｕｔを出力電力計測値Ｐ_ｏｕｔで除して超過電流Δｉ_ｏｕｔを求め、加算器６６に出力する。なお、テーブル参照部５０は、損失テーブルを記憶する代わりに、補機出力比率ｒに対して超過電力損失ΔＰ_ｏｕｔを取得する関数のアルゴリズムを実行してもよい。

加算器６６には、超過電流Δｉ_ｏｕｔの他、補機補正値ｉ_{ｉｎ＿ｓｕｂ}が入力されている。補機補正値ｉ_{ｉｎ＿ｓｕｂ}は、乗算器６４によって補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂに主機電力計測値Ｖ_ｏｕｔの逆数を乗じたものである。すなわち、補機補正値ｉ_{ｉｎ＿ｓｕｂ}は、補機電力計測値Ｐ_ｓｕｂを主機電力計測値Ｖ_ｏｕｔで除したものであり、主機電池２０に流れる電流のうち補機系統に電力が供給されることによって減少が見込まれる電流成分に相当する。

加算器６６は、補機補正値ｉ_{ｉｎ＿ｓｕｂ}および超過電流Δｉ_ｏｕｔを加算して限界時補正値δを求め、第１減算器５６に出力する。第１減算器５６には、限界時補正値δの他、主機電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊が入力されている。第１減算器５６は、主機電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊から限界時補正値δを減算し、補正目標値としての限界時電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊δを求め、第２減算器５８に出力する。第２減算器５８には、限界時電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊δの他、出力電流計測値ｉ_ｏｕｔが入力されている。第２減算器５８は、限界時電流目標値ｉ_ｏｕｔ ^＊δから出力電流計測値ｉ_ｏｕｔを減算して制御誤差εを求め、比例積分器６０に出力する。比例積分器６０は制御誤差εを積分して目標位相差φ１^＊を求める。制御部３４は、第１スイッチング回路１２のスイッチング位相から第２スイッチング回路１４のスイッチング位相を減じた位相差φ１が、目標位相差φ１^＊に近付けられ、あるいは、一致するように第１スイッチング回路１２および第２スイッチング回路１４に含まれる各スイッチング素子（Ｓ１～Ｓ８）をスイッチングする。

このような電力カット制御によれば、商用電源１０によって主機電池２０が充電されているときに補機系統に電力が供給された場合、主機電池２０に供給される電力が補機電力だけ抑制されると共に、電力変換装置で発生する電力損失が限界損失Ｐ_{ｌｏｓｓ＿ｌｉｍｉｔ}以下に抑制される。

（７）充電制御
上述の電力抑制制御および電力カット制御は、主機電池２０に流れる電流を目標値に近付け、または一致させる定電流制御である。主機電池２０の出力電圧が所定の基準電圧に達した後において定電流制御を行った場合には、過大な電力が主機電池２０に供給され、主機電池２０の性能が劣化する可能性がある。

そこで、電力変換装置では、主機電池２０の出力電圧が切り換え電圧値Ｖ_ｃｈ以下であるときに定電流制御を行い、主機電池２０の出力電圧が切り換え電圧値Ｖ_ｃｈを超えたときは定電圧制御を行う。ここで、定電圧制御は、主機電池２０に一定の基準電圧を印加する制御である。また、切り換え電圧値Ｖ_ｃｈは基準電圧値よりも小さい電圧である。

このような充電制御に際して、制御部３４は、主機電圧計測値Ｖ_ｏｕｔが切り換え電圧値Ｖ_ｃｈ以下であるか否かを判定する。制御部３４は、主機電圧計測値Ｖ_ｏｕｔが切り換え電圧値Ｖ_ｃｈ以下であるときは、上述の電力抑制制御または電力カット制御、すなわち、定電流制御を行う。一方、主機電圧計測値Ｖ_ｏｕｔが切り換え電圧値Ｖ_ｃｈを超えたときは、制御部３４は定電圧制御を行う。

定電圧制御において制御部３４は、基準電圧値Ｖ_ｓから主機電圧計測値Ｖ_ｏｕｔを減算した主機電圧誤差ε１を比例積分し、目標位相差φ１^＊を求める。制御部３４は、第１スイッチング回路１２のスイッチング位相から第２スイッチング回路１４のスイッチング位相を減じた位相差φ１が、目標位相差φ１^＊に近付けられ、あるいは、一致するように第１スイッチング回路１２および第２スイッチング回路１４に含まれる各スイッチング素子（Ｓ１～Ｓ８）をスイッチングする。

また、制御部３４は、所定の補機基準電圧値Ｖ_ａｓから補機電圧計測値Ｖ_ｓｕｂを減算した補機電圧誤差ε２を比例積分し、目標位相差φ２^＊を求める。制御部３４は、第２スイッチング回路１４のスイッチング位相から第３スイッチング回路１６のスイッチング位相を減じた位相差φ２が、目標位相差φ２^＊に近付けられ、あるいは、一致するように第３スイッチング回路１６に含まれる各スイッチング素子（Ｓ９～Ｓ１２）をスイッチングする。

本実施形態に係る電力変換装置では、主機電圧計測値Ｖ_ｏｕｔが切り換え電圧値Ｖ_ｃｈに達したときに、充電制御の方式が定電流制御から定電圧制御に切り換えられる。切り換え電圧値Ｖ_ｃｈは、定電圧制御において主機電池２０に印加される電圧値である基準電圧値Ｖ_ｓよりも小さい。これによって、充電方式の切り換え時における充電電圧の変動が抑制され、主機電池２０に与えられる電気的な負担が軽減される。

１０商用電源、１２第１スイッチング回路、１４第２スイッチング回路、１６第３スイッチング回路、１８出力電流計、２０主機電池、２２出力電圧計、２４補機電池、２６補機電圧計、２８補機電流計、３０１,３０２電源入力端子、３０３主機正極端子、３０４主機負極端子、３０５補機正極端子、３０６補機負極端子、３４制御部、５０，６２テーブル参照部、５２，６６加算器、５４，６４乗算器、５６第１減算器、５８第２減算器、６０比例積分器。Ｓ１～Ｓ１２スイッチング素子、Ｄ１第１ダイオード、Ｄ２第２ダイオード、ＴＡメイン・トランス、Ｌ１，Ｌ３プライマリ巻線、Ｌ２，Ｌ４セカンダリ巻線、ＴＢサブ・トランス。

Claims

入力交流電力を調整する第１スイッチング回路と、
前記第１スイッチング回路にトランスによって結合する第２スイッチング回路と、
前記第２スイッチング回路にトランスによって結合する第３スイッチング回路と、
前記第１スイッチング回路、前記第２スイッチング回路および前記第３スイッチング回路を制御する制御部と、を備え、
前記第２スイッチング回路には電池が接続されており、
前記第３スイッチング回路には補機系統が接続されており、
前記制御部は、
電池電流目標値と当該電池電流目標値に対する補正値とから求められた補正目標値と、前記電池に流れる電流の計測値との差異に基づいて、前記第１スイッチング回路のスイッチング位相と、前記第２スイッチング回路のスイッチング位相との差異を制御し、
前記第３スイッチング回路から前記補機系統に供給される補機電力に基づいて前記補正値を求めることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御部は、
前記補機電力に加え、前記補機系統に電力が供給されたことによって前記電力変換装置で生じる電力損失に基づいて、前記補正値を求めることを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記電池電流目標値は、
前記電池に定格電力が供給されるとした場合における目標値であり、
前記制御部は、
前記第１スイッチング回路に定格値の前記入力交流電力が入力された場合における前記電力損失に基づいて、前記補正値を求めることを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記電力損失が限界損失を超える場合の超過電力損失に基づいて、前記補正値を求めることを特徴とする電力変換装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
電池電圧計測値が所定の切り換え電圧値以下であるときに、前記制御部は、前記補正目標値と前記電池に流れる電流の計測値との差異に基づいて、前記第１スイッチング回路のスイッチング位相と、前記第２スイッチング回路のスイッチング位相との差異を制御し、
前記電池電圧計測値が前記切り換え電圧値を超えたときに、前記制御部は、前記電池電圧計測値と基準電圧値との差異に基づいて、前記第１スイッチング回路のスイッチング位相と、前記第２スイッチング回路のスイッチング位相との差異を制御し、
前記切り換え電圧値は、前記基準電圧値よりも小さい値であることを特徴とする電力変換装置。