JP7160007B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電源装置に関する。
特許文献１に開示された電動車両向けの電力変換装置は、モータジェネレータ駆動用のインバータに、充電器としての機能の一部を兼ねるようにすることによって、外部充電器であるＡＣ充電器を用いてバッテリを充電するための車載部品を最小限に抑えることができ、電動車両の重量及び価格を低減させることができるとされている。
特開２００７－２５２０７４号公報
しかしながら、特許文献１に開示された技術は、ＡＣ充電用でありＤＣ充電用ではない。近年、電動車両に搭載されたモータジェネレータ駆動用のバッテリを充電する際に用いられるＤＣ充電器としては、例えば、最大電圧が４００［Ｖ］級（１５０［ｋＷ］）と８００［Ｖ］級（３５０［ｋＷ］）との２種類のものがあり、電動車両側で複数の電圧規格に対応してバッテリを充電できることが望ましい。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数の電圧規格に対応して、ＤＣ充電器により蓄電池を充電することができる電源装置を提供することである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、蓄電池と、前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第１コンデンサ及び第２コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを接続する配線にカソード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第１ダイオードと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第２ダイオードと、を有し、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をそれぞれオン・オフさせることによって、３つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な３レベルインバータが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、を備えた電源装置であって、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、いずれか１相の前記３レベルインバータにおける前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間にて、ＤＣ充電器のＰ端子と電気的に接続される第１接続端子と、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、他の１相の前記３レベルインバータにおける前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間にて、前記ＤＣ充電器のＮ端子と電気的に接続される第２接続端子と、を備えることを特徴とするものである。
また、上記において、前記制御装置の制御モードとして、前記ＤＣ充電器からの電力を昇圧せずに前記蓄電池を充電する第１の充電モードと、前記ＤＣ充電器からの電力を昇圧して前記蓄電池を充電する第２の充電モードと、を有してもよい。
これにより、第１の充電モードと第２の充電モードとを有することによって、ＤＣ充電器の最大電圧が蓄電池の電圧以上の場合にも、ＤＣ充電器の最大電圧が蓄電池の電圧よりも低い場合にも充電可能であり、複数の電圧規格に対応して、ＤＣ充電器によって蓄電池を充電することができる。
また、上記において、前記第２の充電モードでは、前記制御装置が、前記ＤＣ充電器からの電力による前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの充電が交互に行われるように、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御するようにしてもよい。
これにより、モータジェネレータに電流を流すことなく、ＤＣ充電器からの電力を昇圧させて蓄電池を充電することができる。
また、上記において、前記ＤＣ充電器からの電力によって前記第１コンデンサを充電する際には、前記制御装置が、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、前記第１接続端子を有する１相における前記第１スイッチング素子と、前記第２接続端子を有する１相における前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子とをオンにして、残りのスイッチング素子をオフにし、前記ＤＣ充電器からの電力によって前記第２コンデンサを充電する際には、前記制御装置が、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、前記第１接続端子を有する１相における前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子と、前記第２接続端子を有する１相における前記第４スイッチング素子とをオンにして、残りのスイッチング素子をオフにするようにしてもよい。
これにより、ＤＣ充電器からの電力によって第１コンデンサ及び第２コンデンサを交互に充電し、第１コンデンサ及び第２コンデンサの電圧を交互に高くすることができる。
また、上記において、前記第１の充電モードでは、前記制御装置が、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、前記第１接続端子を有する１相における前記第１スイッチング素子をオンにし、前記第２接続端子を有する１相における前記第４スイッチング素子をオンにし、残りのスイッチング素子をオフにするようにしてもよい。
これにより、電流が流れるスイッチング素子の耐久性を確保することができる。また、第１の充電モードでの充電中には、電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとが固定されるため、スイッチング損失を低減させることができる。
本発明に係る電源装置は、電力変換器におけるＵ相、Ｖ相、及びＷ相のうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間にてＤＣ充電器のＰ端子を電気的に接続し、他の１相の３レベルインバータにおける第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間にてＤＣ充電器のＮ端子を電気的に接続することにより、複数の電圧規格に対応して、ＤＣ充電器により蓄電池を充電することができるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係る電力システムの構成図である。 図２は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。 図３は、直結モードによってＤＣ充電器によりバッテリを充電する際の回路状態を示した図である。 図４は、昇圧モードによってＤＣ充電器によりバッテリを充電する際に、コンデンサＣ１の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。 図５は、昇圧モードによってＤＣ充電器によりバッテリを充電する際に、コンデンサＣ２の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。 図６は、コンデンサＣ１の充電がオンの状態とコンデンサＣ２の充電がオンの状態との切り替えのタイミングの一例を示した図である。 図７（ａ）は、昇圧モード時におけるバッテリ電圧とコンデンサの電圧との時間変化を示したグラフである。図７（ｂ）は、昇圧モード時におけるコンデンサを流れる電流の時間変化を示したグラフである。
以下に、本発明に係る電源装置の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、実施形態に係る電力システムの構成図である。実施形態に係る電力システムは、電気自動車や、ハイブリッド車両、ＰＨＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＲＥＥＶ（Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の電力を利用した走行が可能な電動車両に適用される。
実施形態に係る電力システムは、電源装置１０とモータジェネレータ２０とＤＣ充電器３０などによって構成されている。なお、実施形態に係る電力システムのうち、電源装置１０及びモータジェネレータ２０は前記電動車両に搭載されており、ＤＣ充電器３０は前記電動車両の外部に設置された外部充電設備などに設けられている。
電源装置１０は、バッテリ１２、コンデンサ部１６、電力変換器１８、充電リレー装置４０、及び、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６０などを備えている。電源装置１０は、モータジェネレータ２０と電気的に接続されている。
バッテリ１２は、高電圧バッテリとして充放電可能な蓄電池である。バッテリ１２としては、例えば、リチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池の他、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等を用いることができる。
コンデンサ部１６は、バッテリ１２の正極側端子（正母線２２）とバッテリ１２の負極側端子（負母線２４）との間に、互いに直列に接続された、第１コンデンサであるコンデンサＣ１と第２コンデンサであるコンデンサＣ２とによって構成されている。コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とは、中性点ＮＰ１で互いに接続されている。つまり、コンデンサＣ１は、一方側の端子が正母線２２に接続され、他方側の端子が中性点ＮＰ１に接続されている。また、コンデンサＣ２は、一方側の端子が中性点ＮＰ１に接続され、他方側の端子が負母線２４に接続されている。したがって、コンデンサＣ１，Ｃ２が同じように充放電を行って常に同じ電荷を蓄積しているとすれば、中性点ＮＰ１と負母線２４との間の電圧である中性点電圧は、バッテリ１２の電圧の半分の電圧にクランプされることになる。なお、中性点電圧は、コンデンサＣ２の端子間電圧である電圧ＶＣ２に相当する。また、図１中のＶＣ１は、コンデンサＣ１の端子間電圧である。
電力変換器１８は、正母線２２と中性点ＮＰ１との間の電圧である正側電圧が供給される上アーム、及び、中性点ＮＰ１と負母線２４との間の電圧である負側電圧が供給される下アームで構成されている。電力変換器１８では、上アームと下アームとが、正母線２２と負母線２４との間に直列に多重化されて配置されており、３レベルの３相ＡＣ電圧をモータジェネレータ２０に出力することが可能となっている。
また、電力変換器１８は、Ｕ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＵ相アームと、Ｖ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＶ相アームと、Ｗ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＷ相アームとを備えている。
Ｕ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＵ１、第２スイッチング素子ＳＵ２、第３スイッチング素子ＳＵ３、第４スイッチング素子ＳＵ４が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。なお、逆接続とは、例えば、半導体素子のコレクタ端子にダイオードのカソード端子が接続され、半導体素子のエミッタ端子にダイオードのアノード端子が接続されるものである。第１スイッチング素子ＳＵ１と第２スイッチング素子ＳＵ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＵ１（第１中間点）、及び第３スイッチング素子ＳＵ３と第４スイッチング素子ＳＵ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＵ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＵ１，ＤＵ２のアノード側が中間点ＰＵ２と接続し、カソード側が中間点ＰＵ１と接続するように、ダイオードＤＵ１，ＤＵ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＵ１，ＤＵ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＵ１は、中間点ＰＵ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＵ２は、中間点ＰＵ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＵ２と第３スイッチング素子ＳＵ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＵ相電圧が出力される。
Ｖ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＶ１、第２スイッチング素子ＳＶ２、第３スイッチング素子ＳＶ３、第４スイッチング素子ＳＶ４が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。第１スイッチング素子ＳＶ１と第２スイッチング素子ＳＶ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＶ１（第１中間点）、及び第３スイッチング素子ＳＶ３と第４スイッチング素子ＳＶ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＶ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＶ１，ＤＶ２のアノード側が中間点ＰＶ２と接続し、カソード側が中間点ＰＶ１と接続するように、ダイオードＤＶ１，ＤＶ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＶ１，ＤＶ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＶ１は、中間点ＰＶ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＶ２は、中間点ＰＶ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＶ２と第３スイッチング素子ＳＶ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＶ相電圧が出力される。
Ｗ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３、第４スイッチング素子ＳＷ４が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列されて構成されている。第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＷ１（第１中間点）、及び第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＷ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＷ１，ＤＷ２のアノード側が中間点ＰＷ２と接続し、カソード側が中間点ＰＷ１と接続するように、ダイオードＤＷ１，ＤＷ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＷ１，ＤＷ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＷ１は、中間点ＰＷ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＷ２は、中間点ＰＷ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＷ相電圧が出力される。
本実施形態において、電力変換器１８の各スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることができる。
モータジェネレータ２０は、前記電動車両に搭載される回転電機であり、バッテリ１２から出力されたＤＣ電圧が、電力変換器１８によって三相ＡＣ電圧に変換されて供給されるときにモータとして作用し、車両を走行させるための駆動力を発生する。一方、モータジェネレータ２０は、車両が制動されるときに発電機として作用し、制動エネルギーを回収して三相ＡＣ電圧として出力する。そして、この三相ＡＣ電圧が電力変換器１８によってＤＣ電圧に変換されてバッテリ１２に供給されることにより、バッテリ１２が充電される。
ＤＣ充電器３０は、バッテリ１２を充電するために車両外部に設けられた外部充電器である。ＤＣ充電器３０は、ＤＣ充電器３０の不図示のプラグと車両側の不図示のコネクタとを接続するための充電器接続部５０にて、電源装置１０側と電気的に接続される２つの端子であるＰ端子（正極端子）３２Ｐ及びＮ端子（負極端子）３２Ｎを有している。充電器接続部５０と電力変換器１８との間には、充電リレー４２Ｐと充電リレー４２Ｎとを有する充電リレー装置４０、及び、リアクトル４４Ｐが設けられている。
図１に示すように、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐは、充電リレー４２Ｐ及びリアクトル４４Ｐを介して、Ｖ相アームにおけるスイッチング素子ＳＶ１とスイッチング素子ＳＶ２との中間点ＰＶ１と電気的に接続されている。また、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎは、充電リレー４２Ｎを介して、Ｕ相アームにおけるスイッチング素子ＳＵ３とスイッチング素子ＳＵ４との中間点ＰＵ２と電気的に接続されている。
なお、実施形態に係る電源装置１０では、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１中間点である中間点ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１と、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐとを接続し、他の１相の３レベルインバータにおける第２中間点である中間点ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２と、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎとを接続すればよい。
このように、実施形態に係る電源装置１０では、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１中間点が、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐと電気的に接続される第１接続端子として用いられている。また、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、他の１相の３レベルインバータにおける第２中間点が、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎと電気的に接続される第２接続端子として用いられている。
そして、実施形態に係る電源装置１０は、電力変換器１８におけるＵ相、Ｖ相、及びＷ相のうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間（第１中間点）にてＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐを電気的に接続し、他の１相の３レベルインバータにおける第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間（第２中間点）にてＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎを電気的に接続することにより、複数の電圧規格に対応して、ＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電することができる構成となっている。
図２は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。ＥＣＵ６０は、電源装置１０などの動作を制御する電子制御装置である。ＥＣＵ６０は、充電制御部６２及びゲート信号生成部６４などを備えている。なお、図２中、「ＶＢ」はバッテリ電圧であり、「ＶＨ］は充電電圧である。
充電制御部６２には、図示されていないシステム制御部から出力された充電電力指令信号、電力変換器１８に設けられた不図示の電圧計から出力された電圧位相信号、コンデンサ部１６に設けられた不図示の電圧計から出力されたコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２の信号、及び、ＤＣ充電器３０から出力された充電器情報信号などの各種信号が入力される。また、充電制御部６２は、例えば、充電電力指令信号、電圧位相信号、及び、電圧ＶＣ１，ＶＣ２の信号などに基づいて求めたｄｕｔｙなどを、ゲート信号生成部６４に出力する。ゲート信号生成部６４は、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。
実施形態に係る電源装置１０においては、ＥＣＵ６０の制御モードとして、ＤＣ充電器３０によってバッテリ１２を充電する際に、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢ以上の場合に適用する第１の充電モードである直結モードと、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢよりも低い場合に適用する第２の充電モードである昇圧モードとを有している。直結モードでは、ＤＣ充電器３０からの電力を昇圧せずにバッテリ１２を充電する。昇圧モードでは、ＤＣ充電器３０からの電力を昇圧してバッテリ１２を充電する。なお、実施形態に係る電源装置１０では、直結モードと昇圧モードともに、ＤＣ充電器３０からモータジェネレータ２０に電流を流すことなくバッテリ１２の充電を行う。
充電制御部６２は、ＤＣ充電器３０からの充電器情報信号に基づいて、ＤＣ充電器３０の最大電圧とバッテリ電圧ＶＢとを比較する。そして、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢ以上の場合には、直結モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する。一方、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢよりも低い場合には、昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する。
なお、直結モードと昇圧モードとの選択は、例えば、電源装置１０が搭載された前記電動車両に設けられたスイッチなどを、運転手などの作業者が、ＤＣ充電器３０の仕様（最大電圧）に基づいて操作することにより行うようにしてもよい。
図３は、直結モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際の回路状態を示した図である。なお、図３では、ＤＣ充電器３０の最大電圧が８００［Ｖ］であり、バッテリ電圧ＶＢが８００［Ｖ］である。また、図３において、オンの状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んである。
図３に示すように、直結モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際には、まず、ＥＣＵ６０が、Ｕ相アームの第４スイッチング素子ＳＵ４とＷ相アームの第１スイッチング素子ＳＷ１とをオフからオンに切り替え、その他のスイッチング素子をオフにした状態する。次に、ＥＣＵ６０は、充電リレー装置４０の充電リレー４２Ｐ，４２Ｎをオフからオンに切り替えて、ＤＣ充電器３０から電力変換器１８を介してバッテリ１２にＤＣ電圧を供給し、バッテリ１２の充電を行う。
なお、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とは、それぞれの還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。これにより、電力変換器１８の全てのスイッチング素子がオフの状態となるため、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング動作を行わずに済み、充電効率を高くできるとともに、充電のためのインバータ素子や冷却機構の追加を抑制することができる。一方、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とをオンにすることによって、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とに電流が流れた際の耐久性を確保することが可能となる。
また、直結モードでの充電中には、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとが固定されるため、スイッチング損失を低減させることができる。
図４は、昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際に、コンデンサＣ１の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。図５は、昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際に、コンデンサＣ２の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。なお、図４及び図５において、オンの状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んである。図６は、コンデンサＣ１の充電がオンの状態とコンデンサＣ２の充電がオンの状態との切り替えのタイミングの一例を示した図である。
本実施形態では、図４に示すように、昇圧モードにおいて、ＤＣ充電器３０からコンデンサＣ１に電流が流れてコンデンサＣ１の充電がなされるようにした状態を、「コンデンサＣ１の充電がオンの状態」という。また、本実施形態では、図５に示すように、昇圧モードにおいて、ＤＣ充電器３０からコンデンサＣ２に電流が流れてコンデンサＣ２の充電がなされるようにした状態を、「コンデンサＣ２の充電がオンの状態」という。
また、昇圧モードでは、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２が均等になるように、充電制御部６２がフィードバック制御（ＰＩ制御）を行う。このフィードバック制御（ＰＩ制御）では、図６の矩形パルスで示されるような、コンデンサＣ１の充電がオンの状態とコンデンサＣ２の充電がオンの状態とのｄｕｔｙを、下記数式（１）を用いて算出する。なお、図６中の「Ｔ」は、キャリア周期である。また、図６において、矩形パルスのハイレベルは、コンデンサＣ１の充電がオンの状態を意味し、矩形パルスのローレベルは、コンデンサＣ２の充電がオンの状態を意味する。
ｄｕｔｙ＝Ｋｐ（ＶＣ２－ＶＣ１）＋Ｋｉ∫（ＶＣ２－ＶＣ１）ｄｔ・・・（１）
なお、上記数式（１）中、「Ｋｐ」は比例ゲインであり、「Ｋｉ」は積分ゲインである。
このようにして算出された前記ｄｕｔｙの情報は、充電制御部６２からゲート信号生成部６４に出力される。
ゲート信号生成部６４は、昇圧モード時に、前記ｄｕｔｙ及びキャリア周期Ｔなどに基づいて、コンデンサＣ１の充電がオンの状態またはコンデンサＣ２の充電がオンの状態となるように、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。
昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際には、まず、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２を、それぞれバッテリ１２からの電力によって充電し、バッテリ電圧ＶＢ（８００［Ｖ］）の１／２である４００［Ｖ］にする。また、ＤＣ充電器３０の電圧もバッテリ電圧ＶＢ（８００［Ｖ］）の１／２である４００［Ｖ］にする。なお、ＤＣ充電器３０の電圧としては、バッテリ電圧ＶＢの１／２よりも多少高くても良い。
そして、例えば、図４に示すように、コンデンサＣ１の充電をオンの状態にする。すなわち、ＥＣＵ６０は、Ｕ相アームにおける第２スイッチング素子ＳＵ２及び第３スイッチング素子ＳＵ３と、Ｖ相アームにおける第１スイッチング素子ＳＶ１とをオフからオンに切り替えて、その他のスイッチング素子をオフの状態にする。これにより、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２ＰからＶ相アームの中間点ＰＶ１に出力された電流は、Ｖ相アームの第１スイッチング素子Ｓ１と、コンデンサＣ１と、Ｕ相アームの第２スイッチング素子ＳＵ２及び第３スイッチング素子ＳＵ３とを通って、Ｕ相アームの中間点ＰＵ２からＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎに入力される。これにより、コンデンサＣ１の充電がオンの状態では、ＤＣ充電器３０からの電力によってコンデンサＣ１が充電されて電圧ＶＣ１が高くなる。そして、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ１の充電は、充電電圧ＶＨ（電圧ＶＣ１＋電圧ＶＣ２）がバッテリ電圧ＶＢよりも高い所定電圧まで行う。なお、前記所定電圧としては、例えば、８００［Ｖ］よりも高い電圧である。そして、充電制御部６２は、コンデンサ部１６に設けられた電圧計から出力された電圧ＶＣ１，ＶＣ２の値に基づいて、電圧ＶＣ１，ＶＣ２の合計が８００［Ｖ］を超えたと判断したら、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ１の充電を終了する。
なお、第１スイッチング素子ＳＶ１は、還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。一方、第１スイッチング素子ＳＶ１をオンにすることによって、電流が流れた際の第１スイッチング素子ＳＶ１の耐久性を確保することが可能となる。
次に、図５に示すように、コンデンサＣ１の充電をオンの状態からコンデンサＣ２の充電をオンの状態に切り替える。すなわち、ＥＣＵ６０は、Ｕ相アームにおける第４スイッチング素子ＳＵ４と、Ｖ相アームにおける第２スイッチング素子ＳＶ２及び第３スイッチング素子ＳＶ３とをオフからオンに切り替えて、その他のスイッチング素子をオフの状態にする。これにより、充電電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢよりも高い状態にて、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ１の充電が停止され、コンデンサＣ１に蓄えられた電力が放電されてバッテリ１２に入力されることにより、バッテリ１２が充電される。
また、コンデンサＣ２の充電がオンの状態では、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２ＰからＶ相アームの中間点ＰＶ１に出力された電流が、Ｖ相アームにおける第２スイッチング素子ＳＶ２及び第３スイッチング素子ＳＶ３と、コンデンサＣ２と、Ｕ相アームにおける第４スイッチング素子ＳＵ４とを通って、Ｕ相アームの中間点ＰＵ２からＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎに入力される。これにより、コンデンサＣ２の充電がオンの状態では、ＤＣ充電器３０からの電力によってコンデンサＣ２が充電されて電圧ＶＣ２が高くなる。そして、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ２の充電は、充電電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢよりも高い所定電圧まで行う。なお、前記所定電圧としては、例えば、８００［Ｖ］よりも高い電圧である。そして、充電制御部６２は、コンデンサ部１６に設けられた電圧計から出力された電圧ＶＣ１，ＶＣ２の値に基づいて、電圧ＶＣ１，ＶＣ２の合計が８００［Ｖ］を超えたと判断したら、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ２の充電を終了する。
なお、第４スイッチング素子ＳＵ４は、還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。一方、第４スイッチング素子ＳＵ４をオンにすることによって、電流が流れた際の第４スイッチング素子ＳＵ４の耐久性を確保することが可能となる。
次に、コンデンサＣ２の充電をオンの状態からコンデンサＣ１の充電をオンの状態に切り替える。これにより、充電電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢよりも高い状態にて、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ２の充電が停止され、コンデンサＣ２に蓄えられた電力が放電されてバッテリ１２に入力されることにより、バッテリ１２が充電される。
図７（ａ）は、昇圧モード時におけるバッテリ電圧ＶＢとコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２との時間変化を示したグラフである。図７（ｂ）は、昇圧モード時におけるコンデンサＣ１，Ｃ２を流れる電流ＩＣ１，ＩＣ２の時間変化を示したグラフである。なお、図７（ｂ）において、０［Ａ］よりもプラス電流側では、コンデンサＣ１，Ｃ２に充電がなされており、０［Ａ］よりもマイナス電流側では、コンデンサＣ１，Ｃ２から放電がなされている。
昇圧モードでは、コンデンサＣ１の充電がオンの状態と、コンデンサＣ２の充電がオンの状態とを交互に切り替えることによって、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、コンデンサＣ１，Ｃ２の充電と放電とが交互に行われ、ＤＣ充電器３０からバッテリ１２に供給される充電電圧ＶＨ（電圧ＶＣ１＋電圧ＶＣ２）が、バッテリ電圧ＶＢよりも高くなるように昇圧される。そのため、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢよりも低い場合でも、ＤＣ充電器３０によってバッテリ１２を充電することができる。
また、昇圧モードでは、モータジェネレータ２０に電力を供給しないので、モータジェネレータ２０のコイルをリアクトルとして用いて昇圧を行わない。そのため、昇圧モードでの充電時には、モータジェネレータ２０が回転しないため、電源装置１０とモータジェネレータ２０との間での電力供給を遮断可能なリレーを設ける必要が無く、電源装置１０の低コスト化や小型化を図ることが可能となる。
また、昇圧モードでは、コンデンサＣ１，Ｃ２とＤＣ充電器３０との間の電圧差が０［Ｖ］に近くなるため、前記電圧差による電流リプルを低減させることができる。これにより、ＤＣ充電器３０と電力変換器１８との間に設けるリアクトルを小さくできたり、ＤＣ充電器３０と電力変換器１８との間からリアクトルを無くしたりすることができるため、電源装置１０の小型化、低コスト化、及び、高効率化を図ることができる。
以上のように、実施形態に係る電源装置１０においては、直結モードと昇圧モードとを有することによって、複数の電圧規格に対応して、例えば、４００［Ｖ］級と８００［Ｖ］級との両方のＤＣ充電器３０によって、高電圧バッテリであるバッテリ１２を充電することができる。
また、実施形態に係る電源装置１０では、電力変換器１８を３レベルインバータよりも多レベルのインバータを用いて構成してもよい。この場合には、電力変換器１８からモータジェネレータ２０に電力を出力するスイッチング素子間とは別のスイッチング素子間に、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２ＰとＮ端子３２Ｎとを電気的に接続すればよい。
１０ 電源装置
１２ バッテリ
１６ コンデンサ部
１８ 電力変換器
２０ モータジェネレータ
２２ 正母線
２４ 負母線
３０ ＤＣ充電器
３２Ｎ Ｎ端子
３２Ｐ Ｐ端子
４０ 充電リレー装置
４２Ｎ，４２Ｐ 充電リレー
４４Ｐ リアクトル
５０ 充電器接続部
６０ ＥＣＵ
６２ 充電制御部
６４ ゲート信号生成部
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
ＤＵ１，ＤＵ２，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＷ１，ＤＷ２ ダイオード
ＳＵ１，ＳＶ１，ＳＷ１ スイッチング素子
ＳＵ２，ＳＶ２，ＳＷ２ スイッチング素子
ＳＵ３，ＳＶ３，ＳＷ３ スイッチング素子
ＳＵ４，ＳＶ４，ＳＷ４ スイッチング素子

Claims (4)

  1. 蓄電池と、
    前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第１コンデンサ及び第２コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、
    直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを接続する配線にカソード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第１ダイオードと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第２ダイオードと、を有し、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をそれぞれオン・オフさせることによって、３つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な３レベルインバータが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、
    前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、
    を備えた電源装置であって、
    前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、いずれか１相の前記３レベルインバータにおける前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間にて、ＤＣ充電器のＰ端子と電気的に接続される第１接続端子と、
    前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、他の１相の前記３レベルインバータにおける前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間にて、前記ＤＣ充電器のＮ端子と電気的に接続される第２接続端子と、
    を備えており、
    前記制御装置の制御モードとして、
    前記ＤＣ充電器からの電力を昇圧せずに前記蓄電池を充電する第１の充電モードと、
    前記ＤＣ充電器からの電力を昇圧して前記蓄電池を充電する第２の充電モードと、
    を有することを特徴とする電源装置。
  2. 前記第２の充電モードでは、前記制御装置が、前記ＤＣ充電器からの電力による前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの充電が交互に行われるように、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記ＤＣ充電器からの電力によって前記第１コンデンサを充電する際には、前記制御装置が、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、前記第１接続端子を有する１相における前記第１スイッチング素子と、前記第２接続端子を有する１相における前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子とをオンにして、残りのスイッチング素子をオフにし、
    前記ＤＣ充電器からの電力によって前記第２コンデンサを充電する際には、前記制御装置が、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、前記第１接続端子を有する１相における前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子と、前記第２接続端子を有する１相における前記第４スイッチング素子とをオンにして、残りのスイッチング素子をオフにすることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
  4. 前記第１の充電モードでは、前記制御装置が、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、前記第１接続端子を有する１相における前記第１スイッチング素子をオンにし、前記第２接続端子を有する１相における前記第４スイッチング素子をオンにし、残りのスイッチング素子をオフにすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置。
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