JPWO2012093493A1

JPWO2012093493A1 - 充放電装置

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Publication number: JPWO2012093493A1
Application number: JP2012503817A
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Inventors: 英俊北中; 吉岡　省二; 省二吉岡; 啓太畠中
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Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2014-06-09
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Abstract

入力が電源に接続され、出力に接続された電力貯蔵部６０への出力電流ＩＢを調整するスイッチング回路４４と、スイッチング回路４４へのオンオフ信号ＤＧＣを生成する制御部４６とを有した充放電装置であって、制御部４６は、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰに基づいて、出力電流ＩＢのリプル成分を調整する制御信号ＦＣと出力電流ＩＢの非リプル成分を調整する制御信号ＯＦＳとを個別に生成する昇温制御部７０を有すると共に、制御信号ＦＣと制御信号ＯＦＳとに基づいて、オンオフ信号ＤＧＣを生成してスイッチング回路４４へ出力する。

Description

本発明は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子を含む電力貯蔵部の充放電を行う充放電装置に関するものである。

一般にニッケル水素電池やリチウムイオン電池に代表される二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子は、温度が下がるほど、電力貯蔵素子内部の電気的抵抗が増加するなどし、性能が低下する。ある電力貯蔵素子の一例では、０℃の条件での内部抵抗は、２５℃の条件のそれの５倍程度となる。内部抵抗が増加すると、充放電電流による損失が増加し、システムの効率が低下する。また内部抵抗と充放電電流の積である電圧変化が大きくなるため、制御性が悪化する。また、同一の電流で充放電を行う場合、低温条件では電力貯蔵素子両端の電圧が大きく変動し、電力貯蔵素子や充放電装置の許容上限電圧、下限電圧を超える可能性がある。また、特に０℃を下回る低温条件で充電を行うと、電力貯蔵素子の大幅な劣化や損傷を招くため、充電電流を抑制したり、充電そのものをやめなければならない。

近年、電気車に電力貯蔵素子を搭載し、ブレーキ時の回生エネルギーを電力貯蔵素子に貯蔵して、力行加速時にこのエネルギーを再利用するシステムの開発が進められている。このようなシステムにおいて、電力貯蔵素子は低温環境下での十分な性能を確保することが必要となる。

一般に電気車の機器は、マイナス２５℃程度での正常な動作が可能に設計されているが、現在のところ、このような低温環境で十分な性能が発揮できる電力貯蔵素子は存在しない。

そこで電力貯蔵素子の低温時の性能を確保する方法として、電力貯蔵素子が低温時には、電力貯蔵素子に接続されたチョッパ回路のスイッチング周波数を低下させて電流リプルを増加させて電力貯蔵素子を加温する構成も検討されている（特許文献１）。

特開２００６−００６０７３号公報

しかしながら、スイッチング周波数を低下させてリプル電流を増加させて電力貯蔵素子を加温する手法を実現する場合、主として以下の課題がある。
・リプル電流の増加により電力貯蔵素子の電圧リプルも大きくなり、電力貯蔵素子の電圧が上限値を超過したりあるいは下限値を下回ったりして、電力貯蔵素子を損傷するおそれがある。
・チョッパ回路の出力電流の大きさが、リプル電流を増加させた分だけ増えるので、チョッパ回路を構成するスイッチング素子の許容最大電流を超えてスイッチング素子を損傷するおそれがある。
・リプル電流の増加により、チョッパ回路の構成部品からの騒音が増加する。
・スイッチング周波数を変化させる必要があるため、チョッパ回路の構成部品からの電磁騒音の周波数が変動して耳障りな騒音となる。

本発明は、上記の課題を解決するために考案されたものであり、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子を含む電力貯蔵部の温度を効率的に上昇させることのできる充放電装置を得ることを目的とする提供する。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入力が電源に接続され、出力に接続された電力貯蔵部への出力電流を調整するスイッチング回路と、前記スイッチング回路へのオンオフ信号を生成する制御部と、を有した充放電装置であって、前記制御部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号に基づいて、前記出力電流のリプル成分を調整する第１の制御信号と前記出力電流の非リプル成分を調整する第２の制御信号とを個別に生成する昇温制御部を有すると共に、前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とに基づいて、前記オンオフ信号を生成して前記スイッチング回路へ出力することを特徴とする。

この発明によれば、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子を含む電力貯蔵部の温度を効率的に上昇させることのできるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１における充放電装置を含むシステムの構成例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１における充放電装置の構成例を示す図である。図３は、本発明の実施の形態１における制御部の構成例を示す図である。図４は、本発明の実施の形態１におけるキャリア周波数設定部の特性例を示す図である。図５は、本発明の実施の形態１における出力電流ＩＢと信号ＩＢＰ１との関係について説明する図である。図６は、本発明の実施の形態１における電流制限信号生成部（１）の特性例を示す図である。図７は、本発明の実施の形態１における出力電流ＩＢと信号ＩＢＰ、ＩＢＮの関係について説明する図である。図８は、本発明の実施の形態１における電流制限信号生成部（２）の特性例を示す図である。図９は、本発明の実施の形態１における出力電圧ＶＢと信号ＶＢＰと信号ＶＢＮの関係について説明する図である。図１０は、本発明の実施の形態１における電圧制限信号生成部の特性例を示す図である。図１１は、本発明の実施の形態１におけるオフセット信号生成部の特性例を示す図である。図１２は、本発明の実施の形態２における制御部の構成例を示す図である。図１３は、本発明の実施の形態２における出力電流波形を説明する図である。図１４は、本発明の実施の形態３における充放電装置を含むシステムの構成例を示す図である。図１５は、本発明の実施の形態３における充放電装置の構成例を示す図である。図１６は、電力貯蔵素子の温度に対する内部抵抗特性の例を示す図である。

以下に、本発明にかかる充放電装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における充放電装置４０を含むシステムの構成例を示す図であり、充放電装置４０を含むシステムを電気車に適用した例を示している。図１に示すように、図示しない変電所からの電力は、架線１から集電装置２を介して、充放電装置４０の正側入力端子Ｐ１に入力される。充放電装置４０からの負側電流は、負側入力端子Ｎ１を通して車輪３を経由してレール４に接続され、図示しない変電所の負側へ戻る。

充放電装置４０には、直流出力端子Ｐ２、Ｎ２が設けられており、直流出力端子Ｐ２、Ｎ２に電力貯蔵部６０が接続されている。電力貯蔵部６０は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子を複数個直並列に接続して所望の電圧と容量を得るように構成したものであり、具体的な構成は公知であるので、詳しい説明は割愛する。

充放電装置４０は、電源と電力貯蔵部６０との間の電力フローを調整して、電力貯蔵部６０を充電あるいは放電するための電力変換装置である。

なお、ここで想定している電気車は、図示しない電動機と電動機駆動装置を備え、例えば力行加速時は、電力貯蔵部６０の電力を使用して電動機を駆動し、電気車を駆動する。また電気車のブレーキ時は、電動機からの回生電力を電力貯蔵部６０へ充電することで、エネルギーの有効利用を図るものである。

次に、充放電装置４０の構成を説明する。図２は、本発明の実施の形態１における充放電装置４０の構成例を示す図である。図２に示すように、集電装置２からの電力は、各入力端子Ｐ１、Ｎ１に入力される。正側入力端子Ｐ１にはリアクトル４１が接続され、リアクトル４１の後段にはフィルタコンデンサ４２が接続される。リアクトル４１とフィルタコンデンサ４２により構成されたＬＣフィルタ回路は、後述するスイッチング素子のスイッチング動作により発生するノイズ電流の架線１への流出を抑制するとともに、架線１の電圧（架線電圧）に含まれるリプル成分を平滑化してフィルタコンデンサ４２の両端電圧を平滑化する。

フィルタコンデンサ４２の両端には、スイッチング回路４４が接続される。スイッチング回路４４は、スイッチング素子４４Ｈと４４Ｌとから構成され、それぞれのスイッチング素子は、制御部４６からのオンオフ信号ＤＧＣによりオンオフ制御（スイッチング制御）される。スイッチング回路４４はいわゆる双方向降圧チョッパ回路であり、フィルタコンデンサ４２の電圧をスイッチング素子４４Ｈ、４４Ｌのスイッチング制御により降圧して出力する降圧機能とともに、出力電流を所望に調整する電流制御機能を有する。その回路構成と動作については公知であるので説明は割愛する。

スイッチング回路４４の出力には、出力電流ＩＢを検出して制御部４６へ出力する電流検出器４７と、電流を平滑化する平滑リアクトル４５と、平滑リアクトル４５の後段電圧（＝電力貯蔵部６０の電圧）を検出し、出力電圧ＶＢとして制御部４６に出力する電圧検出器４８とが設けられる。

また外部のシステムより、出力電流ＩＢの目標値（指令値）である信号ＩＢＲ、電力貯蔵部６０の内部の温度に相当する信号ＢＴＭＰが入力される。制御部４６では、これらの入力された信号に基づいて、スイッチング回路４４へのオンオフ信号ＤＧＣを生成する。

次に、制御部４６の構成を説明する。図３は、本発明の実施の形態１における制御部４６の構成例を示す図である。図３に示すように、制御部４６は、加減算器７１と、比例積分制御器７２と、ＰＷＭパルス生成部７３と、キャリア信号生成部７４と、昇温制御部７０とから構成される。

出力電流目標値である信号ＩＢＲが入力され、加減算器７１に入力される。信号ＩＢＲは、例えば電気車が力行する場合に必要な電力を電力貯蔵部６０から取り出したり、また電気車がブレーキをかけたときに発生した回生電力を電力貯蔵部６０へ充電したりするために、所定の電流を電力貯蔵部６０に充放電するための電力貯蔵部６０への充放電する電流の目標値である。

加減算器７１では、信号ＩＢＲから出力電流の検出値である信号ＩＢを減算し、さらに昇温制御部７０の出力信号である信号（第２の制御信号）ＯＦＳを減算して信号ＤＩを生成する。なお昇温制御部７０については後述する。

信号ＤＩは、比例積分制御器７２に入力され、比例積分処理された信号ＶＲＥＦが出力される。信号ＶＲＥＦは、ＰＷＭパルス生成部７３に入力され、ＰＷＭパルス生成部７３では、信号ＶＲＥＦとキャリア信号ＣＡＲとの比較を行い、ＶＲＥＦ＞ＣＡＲならスイッチング素子４４Ｈをオン、４４Ｌをオフとする信号ＤＧＣを出力する。またＶＲＥＦ＜ＣＡＲならスイッチング素子４４Ｌをオン、４４Ｈをオフとする信号ＤＧＣを出力する。このようなＰＷＭパルスの生成方法は公知である。またキャリア信号ＣＡＲは、三角波あるいはのこぎり波状の搬送波であり、生成方法は後述する。

以上に述べた構成は、信号ＯＦＳを考慮しない場合、出力電流の検出値ＩＢが出力電流の目標値である信号ＩＢＲに一致するような信号ＤＧＣを生成するように動作する。

次に本発明の中心部分である昇温制御部７０の構成について説明する。昇温制御部７０は加算器７０１と、オフセット信号生成部７０２と、電流最大値検出部７０３と、電流制限信号生成部（１：第１の電流制限信号生成部）７０４と、電流最大値／最小値検出部７０５と、電流制限信号生成部（２：第２の電流制限信号生成部）７０６と、電圧最大値／最小値検出部７０７と、電圧制限信号生成部７０８と、キャリア周波数設定部７０９とから構成される。

キャリア周波数設定部７０９には電力貯蔵部６０の温度に相当する信号である信号ＢＴＭＰと、電気車の速度に相当する信号ＶＥＬと、電流の大きさを制限するための信号である信号（第２の電流制限信号）ＩＢＬと、電圧の大きさを制限するための信号である信号ＶＢＬと、出力電流の目標値である信号ＩＢＲと、この他に以下に説明する信号（第１の電流制限信号）ＩＢＬ１と信号ＳＯＣＬとが入力され、キャリア周波数の指令信号である信号（第１の制御信号）ＦＣが出力される。

キャリア周波数設定部７０９の特性を説明する。図４は、本発明の実施の形態１におけるキャリア周波数設定部７０９の特性例を示す図である。図４に示すとおり、信号ＢＴＭＰに基づいて信号ＦＣを生成する構成としている。信号ＢＴＭＰが所定の温度であるＴ１以上である場合には信号ＦＣをＦ１とし、信号ＢＴＭＰが所定の温度であるＴ２以下である場合には信号ＦＣをＦ１よりも小さいＦ２とする特性としている。

このようにすることで、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰに基づいて、キャリア周波数の指令信号ＦＣを調整することができる。

キャリア信号生成部７４は、信号ＦＣを受け、その周波数が信号ＦＣと等しくなる三角波あるいはのこぎり波状のキャリア信号ＣＡＲを生成し出力する。ここで、ＰＷＭパルス生成部７３は、信号ＶＲＥＦとキャリア信号ＣＡＲとの大きさの比較を行い、ＶＲＥＦ＞ＣＡＲならスイッチング素子４４Ｈをオン、４４Ｌをオフとする信号ＤＧＣを出力し、またＶＲＥＦ＜ＣＡＲならスイッチング素子４４Ｌをオン、４４Ｈをオフとする信号ＤＧＣを出力する。したがって、キャリア信号ＣＡＲの周波数を低くすると、キャリア信号ＣＡＲの周期が長くなり、スイッチング素子４４Ｈ、４４Ｌへのオン／オフ信号の周波数も低くなり、その周期も長くなる。逆にキャリア信号ＣＡＲの周波数を高くすると、スイッチング素子４４Ｈ、４４Ｌへのオン／オフ信号の周波数も高くなり、その周期が短くなる。

スイッチング素子４４Ｈをｔ１秒間オン（スイッチング素子４４Ｌはオフ）とした場合、出力電流ＩＢの変化量△ＩＢ１は、フィルタコンデンサ４２の電圧をＥＦＣ［Ｖ］、出力電圧をＶＢ［Ｖ］、平滑リアクトル４５のインダクタンス値をＬ［Ｈ］とすると、以下となる。
△ＩＢ１＝（ＥＦＣ−ＶＢ）×ｔ１／Ｌ
スイッチング素子４４Ｈをｔ２秒間オフ（スイッチング素子４４Ｌはオン）とした場合、出力電流ＩＢの変化量△ＩＢ２は、出力電圧をＶＢ［Ｖ］、平滑リアクトル４５のインダクタンス値をＬ［Ｈ］とすると、以下となる。
△ＩＢ２＝ＶＢ×ｔ２／Ｌ

以上のように、スイッチング素子４４Ｈ、４４Ｌへのオン／オフ信号の周期を長くすると（ｔ１あるいはｔ２を長くすると）、出力電流ＩＢの変化量すなわちリプル分の大きさは大きくなり、オン／オフ信号の周期を短くすると、出力電流ＩＢの変化量すなわちリプル分の大きさは小さくなる。

以上から、キャリア周波数の指令信号ＦＣを低くすれば、出力電流ＩＢに含まれるスイッチングによるリプル成分の大きさを大きくすることができ、キャリア周波数の指令信号ＦＣを高くすれば、出力電流ＩＢに含まれるスイッチングによるリプル成分の大きさを小さくすることができる。つまり、出力電流ＩＢに含まれるリプル分の大きさを可変できる。

出力電流ＩＢに含まれるリプル成分の大きさを大きくすることで、外部のシステムが充放電の必要がないと判断し出力電流の目標値である信号ＩＢＲがゼロである場合においても、電力貯蔵部６０に電流を流すことが可能となる。これにより、電力貯蔵部６０の内部に電流による損失を発生させることが可能となるので、電力貯蔵部６０の温度を上げることが可能となる。

以上のように昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰに基づいて、出力電流ＩＢのリプル分の大きさを可変とするキャリア周波数の指令信号ＦＣを生成する構成としている。また昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰが、所定値Ｔ２より低い場合には、出力電流ＩＢのリプル分の大きさを、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰが所定値Ｔ２より高い場合におけるリプル分の大きさよりも増加させるように調整されたキャリア周波数の指令信号ＦＣを生成する構成としている。
また昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰが、所定値Ｔ２より低い場合には、スイッチング回路４４へのオンオフ信号ＤＧＣの周波数を、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰが所定値Ｔ２より高い場合におけるオンオフ信号ＤＧＣの周波数よりも低下させるよう調整されたキャリア周波数の指令信号ＦＣを生成する構成としている。

次に、出力電流ＩＢの非リプル成分を調整するための構成について説明する。なお出力電流ＩＢの非リプル成分とは、出力電流ＩＢからスイッチングによるリプル分を取り除いた成分である。

一般に、電力貯蔵部６０を構成する電力貯蔵素子である二次電池は、温度が低いほど充電電流の大きさを小さくする必要があり、また極低温（一般的には０℃〜−２５℃の範囲）では充電方向の電流を流すことが許容されない。許容された値を超える充電電流を流すと、二次電池の寿命を著しく短縮したり、二次電池を損傷することがある。このような事象を回避するために、以下に説明するとおり出力電流ＩＢの非リプル成分を調整するための構成を設ける。

出力電流の検出信号である信号ＩＢが電流最大値検出部７０３に入力される。電流最大値検出部７０３は、入力された信号ＩＢの大きさのリプル成分を含む最大値をピックアップし、電流最大値を示す信号ＩＢＰ１として出力する。信号ＩＢＰ１は電流制限信号生成部（１）７０４に入力される。

図５は、本実施の形態１における出力電流ＩＢと信号ＩＢＰ１との関係について説明する図であり、図６は、本発明の実施の形態１における電流制限信号生成部（１）７０４の特性例を示す図である。電流制限信号生成部（１）７０４では、信号ＩＢＰ１と信号ＢＴＭＰとに基づき、出力電流ＩＢの非リプル成分の大きさを調整するための信号ＩＢＬ１を生成し出力する。信号ＢＴＭＰに基づいて、信号ＩＢＬ１の特性を調整できるように構成する。

図６中の特性Ａで説明すると、信号ＩＢＰ１が設定値ＩＢＰ１Ｒ１よりも大きくなった場合、信号ＩＢＬ１を増加させる。信号ＩＢＬ１は加算器７０１を介して加減算器７１へ出力され、外部からの信号ＩＢＲを減少させるように調整する。このように調整された信号に基づきオンオフ信号ＤＧＣが生成されるので、出力電流ＩＢを減少するように（すなわち負側方向（放電方向）に大きくなるよう）に調整可能となる。なお、特性Ａでは、電流最大値を示す信号ＩＢＰ１が設定値（所定の設定値）ＩＢＰ１Ｒ２を超えないように信号ＩＢＬ１が生成され制御される。このように動作するので、出力電流ＩＢを電力貯蔵部６０の温度に応じて許容された電流値（ＩＢＰ１Ｒ２）を超えないようにすることが可能となる。

また、例えば電力貯蔵部６０の温度が極低温であり、充電電流を流してはならない所定の値であるとき、図６の特性Ｂに示すような信号ＩＢＬ１を生成することで、出力電流ＩＢのリプル成分を含む最大値である信号ＩＢＰ１が設定値ＩＢＰ１Ｒ４より増加しないように調整された信号ＩＢＬ１を生成することができる。この設定値ＩＢＰ１Ｒ４を例えばゼロに設定すれば、信号ＩＢＰ１が正（電力貯蔵部６０を充電する側）とならないようにこのように動作させることができる。すなわち電力貯蔵部６０が充電不可能な低温状態である場合は、電力貯蔵部６０に充電方向の電流を流さないようにすることができる。

外部からの出力電流の目標値である信号ＩＢＲがいかなる値であっても、その影響を打ち消すように信号ＩＢＬ１に基づいて信号ＯＦＳを生成することができる。

つまり電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰが所定の値よりも低い場合において、リプル成分を含む出力電流ＩＢの極性を、電力貯蔵部６０を放電する側に維持可能な制御信号ＯＦＳを生成することができる。

これにより、低温における許容された値を超える充電電流により、二次電池の寿命を著しく短縮したり、二次電池を損傷することを回避できる。

次に出力電流の検出信号である信号ＩＢは電流最大値／最小値検出部７０５に入力される。電流最大値／最小値検出部７０５は、入力された信号ＩＢのリプル成分を含む最大値と最小値をピックアップし、それぞれを示す信号ＩＢＰとＩＢＮとを生成して出力する。信号ＩＢＰ、ＩＢＮは電流制限信号生成部（２）７０６に入力される。

図７は、本発明の実施の形態１における出力電流ＩＢと信号ＩＢＰ、ＩＢＮの関係について説明する図であり、図８は、本発明の実施の形態１における電流制限信号生成部（２）７０６の特性例を示す図である。電流制限信号生成部（２）７０６では、信号ＩＢＰと信号ＩＢＮとに基づき、出力電流ＩＢの非リプル成分の大きさを調整するための信号ＩＢＬを生成し出力する。

具体的には、図８に示すとおり、電流制限信号生成部（２）７０６は、信号ＩＢＰ（最大値を示す信号）が設定値ＩＢＰＨ（第１の設定値）以上であるとき、信号ＩＢＰに応じて信号ＩＢＬ（第２の電流制限信号）を増加させる。信号ＩＢＮが設定値ＩＢＰＬ（第２の設定値）以下であるとき、信号ＩＢＮに応じて信号ＩＢＬを減少させる。

信号ＩＢＬは、加算器７０１を介して信号ＯＦＳとして加減算器７１へ出力され、外部からの信号ＩＢＲを調整する。信号ＩＢＬが正である場合、すなわち出力電流ＩＢの最大値であるＩＢＰが設定値ＩＢＰＨ以上である場合、正値の信号ＯＦＳを出力し、出力電流の目標値である信号ＩＢＲを減少させるように動作する。逆に信号ＩＢＬが負である場合、すなわち出力電流ＩＢの最小値であるＩＢＮが設定値ＩＢＰＬ以下である場合、負値の信号ＯＦＳを出力し、出力電流の目標値である信号ＩＢＲを増加させるように動作する。

このように調整された信号に基づきオンオフ信号ＤＧＣが生成されるので、出力電流ＩＢはその最大値が設定値ＩＢＰＨ以上とならないように、またその最小値が設定値ＩＢＰＬ以下とならないように調整可能となる。設定値ＩＢＰＨ、ＩＢＰＬは、スイッチング回路４４の許容最大電流以下とするか、電力貯蔵部６０の許容最大電流以下とするのが好ましい。

これにより、電力貯蔵部６０に内蔵された電力貯蔵素子の電流が上限値を超過したりあるいは下限値を下回ったりして電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。また、出力電流ＩＢの大きさが、チョッパ回路を構成するスイッチング回路４４のスイッチング素子の許容最大電流を超えてスイッチング素子を損傷することを回避できる。

次に出力電圧の検出信号である信号ＶＢは電圧最大値／最小値検出部７０７に入力される。電圧最大値／最小値検出部７０７は、入力された信号ＶＢの大きさのリプル成分を含む最大値と最小値をピックアップし、それぞれを示す信号ＶＢＰとＶＢＮとを生成して出力する。信号ＶＢＰ、ＶＢＮは電圧制限信号生成部７０８に入力される。

図９は、本発明の実施の形態１における出力電圧ＶＢと信号ＶＢＰと信号ＶＢＮの関係について説明する図であり、図１０は、本発明の実施の形態１における電圧制限信号生成部７０８の特性例を示す図である。電圧制限信号生成部７０８では、信号ＶＢＰと信号ＶＢＮとに基づき、出力電流ＩＢの非リプル成分の大きさを調整するための信号ＶＢＬを生成し出力する。

具体的には、図１０に示すとおり、電圧制限信号生成部７０８は、信号ＶＢＰ（最大値を示す信号）が設定値ＶＢＰＨ（第１の設定値）以上であるとき、信号ＶＢＰに応じて信号ＶＢＬを増加させる。信号ＶＢＮが設定値ＶＢＰＬ（第２の設定値）以下であるとき、信号ＶＢＮに応じて信号ＶＢＬを減少させる。

信号ＶＢＬは加算器７０１を介して信号ＯＦＳとして加減算器７１へ出力され、外部からの信号ＩＢＲを調整する。信号ＶＢＬが正である場合、すなわち出力電圧ＶＢの最大値であるＶＢＰが設定値ＶＢＰＨ以上である場合、正値の信号ＯＦＳを出力し、出力電流の目標値である信号ＩＢＲを減少させるように動作する。逆に信号ＶＢＬが負である場合、すなわち出力電圧ＶＢの最小値であるＶＢＮが設定値ＶＢＰＬ以下である場合、負値の信号ＯＦＳを出力し、出力電流の目標値である信号ＩＢＲを増加させるように動作する。

このように調整された信号に基づきオンオフ信号ＤＧＣが生成されるので、出力電流ＩＢは出力電圧ＶＢの最大値が設定値ＶＢＰＨ以上とならないように、またその最小値が設定値ＶＢＰＬ以下とならないように調整可能となる。設定値ＶＢＰＨ、ＶＢＰＬは、それぞれ電力貯蔵部６０の許容最大電圧以下、許容最低電圧以上とするのが好ましい。

これにより、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の電圧が、過大な電流により上限値を超過したりあるいは下限値を下回ったりして電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。また、出力電圧ＶＢの大きさが、チョッパ回路を構成するスイッチング回路４４のスイッチング素子の許容最大電圧を超えてスイッチング素子を損傷することを回避できる。

次に電力貯蔵部６０の充電量を示す信号ＳＯＣ（例えば充電量ゼロ％のときゼロ、充電量１００％のとき１００となる信号）がオフセット信号生成部７０２に入力される。オフセット信号生成部７０２は、入力された信号ＳＯＣに基づき、信号ＳＯＣＬを生成して出力する。

図１１は、本発明の実施の形態１におけるオフセット信号生成部７０２の特性例を示す図である。オフセット信号生成部７０２は、信号ＳＯＣに基づき、出力電流ＩＢの非リプル成分の大きさを調整するための信号ＳＯＣＬを生成し出力する。

具体的には、図１１に示すとおり、信号ＳＯＣが高ＳＯＣを示す所定値ＳＯＣＨ以上であるとき、信号ＳＯＣに応じて信号ＳＯＣＬを増加させる。信号ＳＯＣが低ＳＯＣを示す所定値ＳＯＣＬ以下であるとき、信号ＳＯＣに応じて信号ＳＯＣＬを減少させる。

信号ＳＯＣＬは加算器７０１を介して信号ＯＦＳとして加減算器７１へ出力され、外部からの信号ＩＢＲを調整する。信号ＳＯＣＬが正である場合、すなわち電力貯蔵部６０の残量ＳＯＣが上限設定値であるＳＯＣＨ以上である場合、正値の信号ＯＦＳを出力し、出力電流の目標値である信号ＩＢＲを減少させるように動作する。逆に信号ＳＯＣＬが負である場合、残量ＳＯＣが下限設定値であるＳＯＣＬ以下である場合、負値の信号ＯＦＳを出力し、出力電流の目標値である信号ＩＢＲを増加させるように動作する。

つまり、昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の充電量が高ＳＯＣを示す所定値より高いときは、出力電流ＩＢの非リプル成分を電力貯蔵部６０を放電する側にオフセットさせることが可能な制御信号ＯＦＳを生成する。また、昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の充電量が低ＳＯＣを示す所定値より低いときは、出力電流ＩＢの非リプル成分を電力貯蔵部６０を充電する側にオフセットさせることが可能な制御信号ＯＦＳを生成する。

このように調整された信号に基づきオンオフ信号ＤＧＣが生成されるので、出力電流ＩＢは充電量ＳＯＣの最大値が所定値ＳＯＣＨ以上とならないように、またその最小値が所定値ＳＯＣＬ以下とならないように調整可能となる。所定値ＳＯＣＨ、ＳＯＣＬは、それぞれ電力貯蔵部６０の充電を終了する最大充電量以下、放電を終止する最低充電量以上とするのが好ましい。

これにより、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の過充電、過放電を防止できるので、電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。

以上に説明したように実施の形態１にかかる充放電装置は、少なくとも電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰに基づいて電力貯蔵部６０の温度を上昇可能に制御信号（ＦＣ、ＯＦＳ）を出力する昇温制御部７０を有し、昇温制御部７０は、出力電流ＩＢのリプル成分と非リプル成分とを個別に調整可能とする第１の制御信号（ＦＣ）と第２の制御信号（ＯＦＳ）を生成し、制御部４６は、制御信号（ＦＣ、ＯＦＳ）に基づいてオンオフ信号ＤＧＣを生成してスイッチング回路４４へ出力する構成（ＰＷＭパルス生成部７３）を有するので、電力貯蔵部６０を損傷させることなく、電力貯蔵部６０の温度を効率的に上昇させることが可能である。

なお、以上の説明では出力電流ＩＢに含まれる非リプル成分の大きさを調整する構成例を説明したが、以下に説明する所定の条件下において、信号ＳＯＣＬ、信号ＩＢＬ、信号ＶＢＬ、信号ＩＢＬ１のいずれかに基づいて、出力電流ＩＢのリプル分の大きさを抑制可能とするキャリア周波数の指令信号ＦＣを昇温制御部７０が出力する構成としてもよい。

具体的には、昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の充電量を示す信号ＳＯＣが高ＳＯＣを示す所定値ＳＯＣＨより高いときは、所定値ＳＯＣＨより低いときよりも、キャリア周波数の指令信号ＦＣを増加させて出力電流ＩＢのリプル成分を抑制するように動作させる構成としてもよい。このようにすれば、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の過充電を防止できるので、電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。

また昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の充電量を示す信号ＳＯＣが低ＳＯＣを示す所定値ＳＯＣＬより低いときは、所定値ＳＯＣＬより高いときよりもキャリア周波数の指令信号ＦＣを増加させて出力電流ＩＢのリプル成分を抑制するように動作させる構成としてもよい。このようにすれば、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の過放電を防止できるので、電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。

また昇温制御部７０は、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰが所定の値よりも低い場合において、リプル成分を含む出力電流ＩＢの極性を、電力貯蔵部６０を放電する側に維持可能なようにキャリア周波数の指令信号ＦＣを生成してリプル分を調整する構成としてもよい。これにより、低温条件下における許容された値を超える充電電流により、二次電池の寿命を著しく短縮したり、二次電池を損傷することを回避できる。また極低温下において、充電方向の電流が流れることを回避できる。

また昇温制御部７０は、リプル成分を含む出力電流ＩＢの大きさが所定の値以下となるように、キャリア周波数の指令信号ＦＣを増加させて出力電流ＩＢのリプル成分を低減する構成としてもよい。これにより、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の電流の大きさが上限値を超過して電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。また、出力電流ＩＢの大きさが、チョッパ回路を構成するスイッチング回路４４のスイッチング素子の許容最大電流を超えてスイッチング素子を損傷することを回避できる。

なお出力電流の目標値である信号ＩＢＲをキャリア周波数設定部７０９に入力する構成とし、キャリア周波数設定部７０９は、信号ＩＢＲに基づいてキャリア周波数の指令信号ＦＣを調整する構成としてもよい。
例えば、信号ＩＢＲの大きさが、電力貯蔵部６０の温度を所定の温度以上に維持するために必要と予測される値以上ではない場合、キャリア周波数の指令信号ＦＣを低下させてリプル成分を増加させ、電力貯蔵部６０の温度を維持させるように動作させる。
また信号ＩＢＲの大きさが、電力貯蔵部６０の温度を所定の温度以上に維持するために必要と予測される値以上である場合は、キャリア周波数の指令信号ＦＣを増加させてリプル成分を減少させ、電力貯蔵部６０の温度が過剰に上昇しないように動作させる。
このようにすることで、出力電流の目標値である信号ＩＢＲに基づいて、電力貯蔵部６０の温度を維持するために必要と予測されるリプル成分を生成できるキャリア周波数の指令信号ＦＣを生成できるので、電力貯蔵部６０の温度を過剰に上昇させてしまうことを回避できる。

なお、本発明の充放電装置を電気車に搭載する場合、キャリア周波数設定部７０９は、入力される電気車の速度ＶＥＬに基づいて、キャリア周波数の指令信号ＦＣの大きさを調整する構成としてもよい。例えば速度ＶＥＬが所定値以下である場合には、キャリア周波数の指令信号ＦＣを通常より増加させ、速度ＶＥＬが所定値以上である場合には、キャリア周波数の指令信号ＦＣを通常より低下させるように構成する。このように構成することで、電気車が停車または低速走行中である場合に、キャリア周波数の指令信号ＦＣを大きくして電流のリプル成分を減少させ、発生する騒音を低減することができる。

実施の形態２．
実施の形態２について説明する。実施の形態１と同様である部分については、すでに説明した構成あるいは機能と同様であるので、以下では説明を割愛する。

実施の形態１では電力貯蔵部６０の昇温のために、スイッチング回路４４のスイッチングにより発生する電流のリプル成分を利用した構成例として説明したが、本実施の形態２では、電力貯蔵部６０の昇温のために時間変化成分（以下では矩形波成分）の電流を用いる構成例であるところが異なる。

図１２は、本発明の実施の形態２における制御部４６の構成例を示す図である。図１２に示すように、昇温制御部７０ａの構成に違いがある。電力貯蔵部６０の温度に相当する信号であるＢＴＭＰと電気車の速度に相当する信号ＶＥＬと信号ＩＢＬ１と信号ＩＢＬと信号ＶＢＬと信号ＳＯＣＬとが入力され、所定の周期で増減を繰り返す矩形波信号である信号（第１の制御信号）ＳＷ０を生成して出力する時間変化成分生成部７１９が設けてある。なお、時間変化成分生成部７１９の出力ＳＷ０は加算器７０１で信号（第２の制御信号）ＯＦＳと加算され、加算結果である信号（第３の制御信号）ＳＷ１を生成し、加減算器７１に出力する構成である。

次に時間変化成分生成部７１９の動作を説明する。図１３は、本発明の実施の形態２における出力電流波形を説明する図である。図１３に示すように出力電流ＩＢは、外部からの出力電流の目標値である信号ＩＢＲに対して、時間変化成分生成部７１９で生成した矩形波成分の信号ＳＷ０を重畳させた波形となる。

矩形波成分である信号ＳＷ０を重畳させることで、出力電流ＩＢの時間平均値は信号ＩＢＲを同じ値を得ることができ、かつ信号ＩＢＲによらず、所定の矩形波電流成分を電力貯蔵部６０へ流すことができる。

時間変化成分生成部７１９では、信号ＢＴＭＰに基づいて、矩形波成分の振幅を調整可能な構成とする。信号ＢＴＭＰすなわち電力貯蔵部６０の温度が所定値以下であることを示している場合、電力貯蔵部６０の昇温が必要であるので、信号ＳＷ０である矩形波の振幅を通常よりも増加させる。すなわち、時間変化成分生成部７１９は、信号ＢＴＭＰが所定値より低い場合には、矩形波の振幅を、信号ＢＴＭＰがこの所定値より高い場合における矩形波の振幅よりも増加させる信号ＳＷ０を生成する。また電力貯蔵部６０の温度が所定値以上である場合には、電力貯蔵部６０の昇温が不要であるので、信号ＳＷ０である矩形波の振幅を減少させるか、あるいはゼロとする。

なお、信号ＳＯＣＬ、信号ＩＢＬ１、信号ＩＢＬ、信号ＶＢＬに基づいて、出力電流ＩＢに含まれる非矩形波成分を調整可能な構成とした部分に関しても、その構成と動作と効果は実施の形態１で示した構成と同等である。詳細な説明は、実施の形態１の説明中の「リプル成分」を「矩形波成分」と読み替えることで可能であるので、ここでは改めての説明は割愛する。

また実施の形態１で示した構成と類似であるが、以下に説明する所定の条件下において、信号ＳＯＣＬ、信号ＩＢＬ、信号ＶＢＬ、信号ＩＢＬ１のいずれかに基づいて出力電流ＩＢの矩形波成分の大きさを抑制可能とする制御信号ＳＷ１を昇温制御部７０ａが出力する構成としてもよい。

具体的には、昇温制御部７０ａは、電力貯蔵部６０の充電量を示す信号ＳＯＣが高ＳＯＣを示す所定値ＳＯＣＨより高いときは、所定値ＳＯＣＨより低いときよりも、矩形波成分の大きさを減少させるように動作させる構成としてもよい。このようにすれば、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の過充電を防止できるので、電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。

また昇温制御部７０ａは、電力貯蔵部６０の充電量を示す信号ＳＯＣが低ＳＯＣを示す所定値ＳＯＣＬより低いときは、所定値ＳＯＣＬより高いときよりも矩形波成分の大きさを減少させるように動作させる構成としてもよい。このようにすれば、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の過放電を防止できるので、電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。

また昇温制御部７０ａは、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰが所定の値よりも低い場合において、矩形波成分を含む出力電流ＩＢの極性を、電力貯蔵部６０を放電する側に維持可能なように矩形波成分の大きさを調整する構成としてもよい。これにより、低温条件下における許容された値を超える充電電流により、二次電池の寿命を著しく短縮したり、二次電池を損傷することを回避できる。また極低温下において、充電方向の電流が流れることを回避できる。

また昇温制御部７０ａは、矩形波成分を含む出力電流ＩＢの大きさが所定の値以下となるように、矩形波成分を調整する（減少させる）構成としてもよい。これにより、電力貯蔵部６０の電力貯蔵素子の電流の大きさが上限値を超過して電力貯蔵素子を損傷することを回避できる。また、出力電流ＩＢの大きさが、チョッパ回路を構成するスイッチング回路４４のスイッチング素子の許容最大電流を超えてスイッチング素子を損傷することを回避できる。

なお出力電流の目標値である信号ＩＢＲを時間変化成分生成部７１９に入力する構成とし、時間変化成分生成部７１９は、信号ＩＢＲに基づいて矩形波成分である信号ＳＷ０の大きさを調整する構成としてもよい。例えば、信号ＩＢＲの大きさが、電力貯蔵部６０の温度を所定の温度以上に維持するために必要と予測される所定の値以上ではない場合、矩形波成分である信号ＳＷ０の大きさを増加させて電力貯蔵部６０の温度を維持させるように動作させる。また信号ＩＢＲの大きさが、電力貯蔵部６０の温度を所定の温度以上に維持するために必要と予測される所定の値以上である場合は、矩形波成分である信号ＳＷ０の大きさを減少あるいはゼロとして電力貯蔵部６０の温度が過剰に上昇しないように動作させる。このようにすることで、出力電流の目標値である信号ＩＢＲに基づいて、電力貯蔵部６０の温度を維持するために必要と予測される矩形波成分である信号ＳＷ０を生成することができるので、矩形波成分である信号ＳＷ０に伴う騒音の発生機会を極力少なくでき、また電力貯蔵部６０の温度を過剰に上昇させてしまうことを回避できる。

以上のとおり実施の形態２の構成によれば、実施の形態１で示したリプル成分により昇温する構成と比較して、矩形波成分により昇温する構成としたので、スイッチング回路４４のスイッチング周波数を変化させる必要がないため、スイッチング回路４４から入力側（電源側）への高調波ノイズの周波数が変動して電源側に問題を起こすことがない。またスイッチング周波数の変化に伴う平滑リアクトル４５等からの電磁騒音の音色の変化を回避できる。ひとの耳は時間変化する電磁騒音を非常に耳障りに感じる。本実施の形態２の方式によれば、昇温による耳障りな時間変化する電磁騒音の発生がないのが利点である。

また、実施の形態１の構成では、リプル成分の大きさを増加させるためには、スイッチング周波数を低くする必要があるが、スイッチング周波数を低くすると制御応答が高く取れなくなり、制御性能が悪化するデメリットがある。本実施の形態２に示した矩形波成分により昇温する構成では、スイッチング周波数を低下させる必要がないため、制御性能が悪化することがない。このため、制御性能を低下させることなく昇温効果を得られる。

また、リプル成分の大きさを増加させる場合、制御性能の悪化を避けるためのスイッチング周波数の下限値が存在する。したがって、可能なリプル成分の大きさには限度がある。しかしながら、本発明の実施の形態２に示した矩形波成分により昇温する構成では、信号ＳＷ０の大きさを調整することで、矩形波成分の振幅を自在に調整できる。このため、リプル成分を利用する構成と比較して、制御性能に影響を与えることなく大きな昇温効果を得ることができる。

なお、矩形波成分である信号ＳＷ０の変動周期は１ミリ秒〜１秒の範囲とすることが望ましい。特に変動周期を長くすると、矩形波成分による電力貯蔵素子の充放電電流量が大きくなり、電力貯蔵素子を劣化させる要因となるので避けるほうが好ましい。矩形波成分による電力貯蔵素子の充放電電流量を十分に小さな値（ＳＯＣ変動で１％以下）とすることが重要である。

なお、本発明の充放電装置を電気車に搭載する場合、時間変化成分生成部７１９は、入力される電気車の速度ＶＥＬに基づいて、矩形波成分の大きさを調整する構成としてもよい。例えば速度ＶＥＬが所定値以下である場合には、矩形波成分の大きさを通常より減少させ、速度ＶＥＬが所定値以上である場合には、矩形波成分の大きさを通常より増加させるように構成する。このように構成することで、電気車が停車または低速走行している状態のときは、矩形波成分の大きさを小さくして、発生する騒音を低減することができる。

なお、実施の形態２では、信号ＳＷ０を矩形波成分であるとして説明した。この理由は、矩形波は生成が容易な波形であるからである。もちろん信号ＳＷ０は矩形波成分以外の正弦波や三角波、のこぎり波等の時間変化成分であってもよく、このような波形でも実施の形態２に示した効果は得られる。ただし、これらの時間変化成分の波形はスイッチング回路４４による電流制御で生成するため、時間変化成分の波形の周期は、スイッチング回路４４のスイッチング周期よりも長くする必要があり、実用的にはスイッチング周期の３倍以上の周期とすることが好ましい。

実施の形態３．
実施の形態３について説明する。実施の形態１あるいは２と同様である部分については、以下では説明を割愛する。

本実施の形態３では、複数のバンクで構成された電力貯蔵部６０ａが充放電装置に接続されたケースを例としているところが異なる。

図１４は、本発明の実施の形態３における充放電装置４０ａを含むシステムの構成例を示す図である。図１４に示すように、充放電装置４０ａの出力はＰ２１、Ｎ２からなる系統と、Ｐ２２、Ｎ２からなる系統の２系統あり、それぞれは電力貯蔵部６０ａのバンク（１）６０１、バンク（２）６０２に接続される。バンク（１）６０１、バンク（２）６０２は、それぞれ内部に直並列接続された電力貯蔵素子が内蔵されている。このほかの部分は実施の形態１に示したものと同じである。

図１５は、本発明の実施の形態３における充放電装置４０ａの構成例を示す図である。
図１５に示すように、電圧検出器４８の後段は２系統に分岐されており、開閉部４０１を介してＰ２１線が出力され、開閉部４０２を介してＰ２２線が出力される。開閉部４０１と開閉部４０２は、それぞれが昇温選択部４９から出力される選択制御信号である信号ＳＬに基づいてオン状態あるいはオフ状態に制御される。このほかの部分は実施の形態１に示したものと同じである。

図１６は、電力貯蔵素子の温度に対する内部抵抗特性の例を示す図である。図１６に示すように、電力貯蔵素子の特徴として、先に述べたとおり低温ほど内部抵抗が増加する特性がある。また温度が低いほど、内部抵抗の増加率が大きくなる。したがって、電力貯蔵部６０が複数のバンクで構成されている場合、各バンクの温度にばらつきがあると、バンク毎の内部抵抗に差異が生じる。電力貯蔵素子の温度が低いほど、内部抵抗の増加率が大きくなるので、低温下においてはバンク間のわずかな温度の違い（数℃オーダ）でも各バンクの内部抵抗の差異は大きなものとなる。実施の形態１、２で示した昇温制御を行う場合にはこの点に配慮する必要がある。

具体的に説明する。複数のバンクを並列接続したままの状態で一括して電流を通電して昇温制御を実施すると、相対的に温度が低い側のバンクは内部抵抗が大きいので電流が流れにくく、相対的に温度が高いバンクは内部抵抗が小さいので電流が流れやすくなる。このように、バンク間の微少な温度差でバンク毎の電流のアンバランスが生じる。すなわち、バンク毎の内部損失のアンバランスが生じる。これにより、温度を上げる必要性の高い相対的に温度の低い側のバンクの温度上昇が小さくなり、相対的に温度が高い側のバンクの温度上昇が大きくなるので都合が悪い。

このような現象を解消するために、スイッチング回路４４と各バンクの間に開閉部４０１、４０２を設け、昇温選択部４９からの制御指令ＳＬに基づいて開閉部４０１、４０２をオンオフ制御できる構成とする。制御方法としては、ある所定時間の間、まずは開閉部４０１をオン、開閉部４０２をオフとしてバンク（１）６０１にのみ通電する。バンク（１）６０１の温度が所定に達した後、ある所定時間の間、開閉部４０１をオフ、開閉部４０２をオンとしバンク（２）６０２にのみ通電する。このようにすることで、各バンクへの通電電流を個別に調整できるので、各バンクの温度上昇がアンバランスとなることを解消できる。

なお、実施の形態１、２、３に共通して、以下の構成とすることが好ましい。

電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰは、電力貯蔵部６０に内蔵された複数の電力貯蔵素子間を接続する接続導体の温度であることが望ましい。電力貯蔵素子の表面温度は、電力貯蔵素子の内部温度変化に対して時間遅れが生じること、温度勾配が生じることがわかっている。接続導体は電力貯蔵素子の内部と伝熱性のよい導体で接続されており、電力貯蔵素子の内部温度をより遅れなく正確に検出できる。このため、昇温制御を正確に実行することができる。

なお、電力貯蔵部６０の温度に相当する信号ＢＴＭＰは、電力貯蔵部６０に内蔵された複数の電力貯蔵素子間を接続する接続導体の温度のうち、最低値を選択したものであるのが望ましい。これは温度の低い電力貯蔵素子ほど内部抵抗が大きく、電流が流れにくいため昇温しにくい。したがって、複数の接続導体の温度のうちの最低値に基づいて昇温制御を実施することで、より温度の低い電力貯蔵素子を効率的に昇温することが可能となる。

さらに、昇温制御部７０、７０ａは、図示しない外部からの切り替え信号に基づき、強制的に電力貯蔵部６０の温度を上昇可能に調整された制御信号である信号ＦＣ、信号ＯＦＳ、信号ＳＷ１を生成出力する構成とすることが好ましい。このようにすることで、夏季など電力貯蔵部６０の温度が低温とならない環境下で自動的に昇温制御が行われない状態においても、昇温制御が正常動作するかどうかを確認することができるので有用である。

なお、スイッチング回路４４として、直流が入力されるチョッパ回路を例として説明したが、これ以外でもよく、例えば交流を入力とするコンバータ回路であっても本発明を適用できる。すなわち、スイッチング回路４４の構成は問わない。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵素子を含む電力貯蔵部の充放電を行う充放電装置に適用可能であり、特に、電力貯蔵素子を含む電力貯蔵部の温度を効率的に上昇させることのできる発明として有用である。

１架線
２集電装置
３車輪
４レール
４０、４０ａ充放電装置
４０１、４０２開閉部
４１リアクトル
４２フィルタコンデンサ
４４スイッチング回路
４４Ｈ、４４Ｌスイッチング素子
４５平滑リアクトル
４６、４６ａ制御部
４７電流検出器
４８電圧検出器
４９昇温選択部
６０、６０ａ電力貯蔵部
６０１、６０２バンク（１）、バンク（２）
７０、７０ａ昇温制御部
７１加減算器
７２比例積分制御器
７３ＰＷＭパルス生成部
７４キャリア信号生成部
７０１加算器
７０２オフセット信号生成部
７０３電流最大値検出部
７０４電流制限信号生成部（１）（第１の電流制限信号生成部）
７０５電流最大値／最小値検出部
７０６電流制限信号生成部（２）（第２の電流制限信号生成部）
７０７電圧最大値／最小値検出部
７０８電圧制限信号生成部
７０９キャリア周波数設定部
７１９時間変化成分生成部
ＢＴＭＰ電力貯蔵部の内部の温度に相当する信号
ＣＡＲキャリア信号
ＤＧＣオンオフ信号
ＩＢ出力電流（出力電流の検出信号）
ＩＢＲ出力電流の目標値（指令値）である信号
ＩＢＬ第２の電流制限信号
ＩＢＬ１第１の電流制限信号
ＩＢＰＨ、ＶＢＰＨ設定値（第１の設定値）
ＩＢＰＬ、ＶＢＰＬ設定値（第２の設定値）
ＦＣ制御信号（第１の制御信号）
ＯＦＳ制御信号（第２の制御信号）
ＳＷ１制御信号（第３の制御信号）
ＳＯＣＨＳＯＣの上限値（所定値）
ＳＯＣＬＳＯＣの下限値（所定値）
ＳＷ０矩形波信号（第１の制御信号）
Ｔ２所定の温度
ＶＢ出力電圧（出力電圧の検出信号）
ＶＢＬ電圧制限信号
ＶＥＬ速度に相当する信号
ＶＲＥＦ比例積分処理された信号

特開２００６−００６０７３号公報

しかしながら、スイッチング周波数を低下させてリプル電流を増加させて電力貯蔵素子を加温する手法を実現する場合、主として以下の課題がある。
・リプル電流の増加により電力貯蔵素子の電圧リプルも大きくなり、電力貯蔵素子の電圧が上限値を超過したりあるいは下限値を下回ったりして、電力貯蔵素子を損傷するおそれがある。
・チョッパ回路の出力電流の大きさが、リプル電流を増加させた分だけ増えるので、チョッパ回路を構成するスイッチング素子の許容最大電流を超えてスイッチング素子を損傷するおそれがある。
・リプル電流の増加により、チョッパ回路の構成部品からの騒音が増加する。
・スイッチング周波数を変化させる必要があるため、チョッパ回路の構成部品からの電磁騒音の周波数が変動して耳障りな騒音となる。
・複数のバンクを並列接続したままの状態で一括して電流を通電して昇温制御を実施すると、相対的に温度が低い側のバンクは内部抵抗が大きいので電流が流れにくく、相対的に温度が高いバンクは内部抵抗が小さいので電流が流れやすくなる。このように、バンク間の微少な温度差でバンク毎の電流のアンバランスが生じる。すなわち、バンク毎の内部損失のアンバランスが生じる。これにより、温度を上げる必要性の高い相対的に温度の低い側のバンクの温度上昇が小さくなり、相対的に温度が高い側のバンクの温度上昇が大きくなるので都合が悪い。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入力が電源に接続され、出力に接続された電力貯蔵部への出力電流を調整するスイッチング回路と、前記スイッチング回路へのオンオフ信号を生成する制御部と、を有した充放電装置であって、前記制御部は、少なくとも前記電力貯蔵部の温度に相当する信号に基づいて、電力貯蔵部の温度を上昇可能に前記出力電流のリプル成分を調整する第１の制御信号と前記出力電流の非リプル成分を調整する第２の制御信号とを個別に生成する昇温制御部と、前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とに基づいて、前記オンオフ信号を生成して前記スイッチング回路へ出力するＰＷＭパルス生成部と、を備えたことを特徴とする。

Claims

入力が電源に接続され、出力に接続された電力貯蔵部への出力電流を調整するスイッチング回路と、前記スイッチング回路へのオンオフ信号を生成する制御部と、を有した充放電装置であって、
前記制御部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号に基づいて、前記出力電流のリプル成分を調整する第１の制御信号と前記出力電流の非リプル成分を調整する第２の制御信号とを個別に生成する昇温制御部を有すると共に、前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とに基づいて、前記オンオフ信号を生成して前記スイッチング回路へ出力することを特徴とする充放電装置。
前記昇温制御部は、少なくとも前記電力貯蔵部の温度に相当する信号に基づいて、前記第１の制御信号を生成するキャリア周波数設定部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記キャリア周波数設定部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が所定値より低い場合には、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が前記所定値より高い場合よりも、前記出力電流のリプル分の大きさを増加させる前記第１の制御信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の充放電装置。
前記キャリア周波数設定部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が所定値より低い場合には、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が前記所定値より高い場合よりも、前記スイッチング回路へのオンオフ信号の周波数を低下させる前記第１の制御信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記電力貯蔵部の充電量を示す信号に基づき、充電量が所定値より高いときは、前記出力電流の非リプル成分を、前記電力貯蔵部を放電する側にオフセットさせるオフセット信号を生成するオフセット信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記電力貯蔵部の充電量を示す信号に基づき、充電量が所定値より低いときは、前記出力電流の非リプル成分を、前記電力貯蔵部を充電する側にオフセットさせるオフセット信号を生成するオフセット信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電流の検出信号に基づき、前記出力電流の非リプル成分の大きさを調整する第１の電流制限信号を生成する第１の電流制限信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記第１の電流制限信号生成部は、前記出力電流の最大値を示す信号が所定の設定値を超えないように生成された前記第１の電流制限信号を生成することを特徴とする請求項７に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電流の検出信号のリプル成分を含む最大値と最小値に基づき、前記出力電流の非リプル成分の大きさを調整する第２の電流制限信号を生成する第２の電流制限信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記第２の電流制限信号生成部は、前記最大値を示す信号が第１の設定値以上であるとき、前記最大値を示す信号に応じて前記第２の電流制限信号を増加させ、前記最小値を示す信号が前記第１の設定値より低い第２の設定値以下であるとき、前記最小値を示す信号に応じて前記第２の電流制限信号を減少させることを特徴とする請求項９に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電圧の検出信号のリプル成分を含む最大値と最小値に基づき、前記出力電流の非リプル成分の大きさを調整する電圧制限信号を生成する電圧制限信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記電圧制限信号生成部は、前記最大値を示す信号が第１の設定値以上であるとき、前記最大値を示す信号に応じて前記電圧制限信号を増加させ、前記最小値を示す信号が前記第１の設定値より低い第２の設定値以下であるとき、前記最小値を示す信号に応じて前記電圧制限信号を減少させることを特徴とする請求項１１に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が所定値よりも低い場合において、リプル成分を含む前記出力電流の極性を、前記電力貯蔵部を放電する側に維持する前記第１の制御信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電流の非リプル成分を調整して、リプル成分を含む前記出力電流の大きさを所定値以下にする前記第１の制御信号、および前記第２の制御信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記リプル成分の大きさを、前記出力電流の指令値に基づいて調整することを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記電力貯蔵部の温度に相当する信号は、前記電力貯蔵部に内蔵された複数の電力貯蔵素子間を接続する接続導体の温度であることを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、外部からの切り替え信号に基づき、強制的に前記第１の制御信号または前記第２の制御信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の充放電装置。
入力が電源に接続され、出力に接続された電力貯蔵部への出力電流を調整するスイッチング回路と、前記スイッチング回路へのオンオフ信号を生成する制御部と、を有した充放電装置であって、
前記制御部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号に基づいて、前記出力電流の時間変化成分を制御する第１の制御信号と前記出力電流の非時間変化成分を調整する第２の制御信号とを個別に生成する昇温制御部を有すると共に、前記第１の制御信号と前記第２の制御信号とに基づいて、前記オンオフ信号を生成して前記スイッチング回路へ出力することを特徴とする充放電装置。
前記昇温制御部は、少なくとも前記電力貯蔵部の温度に相当する信号に基づいて、前記第１の制御信号を生成する時間変化成分生成部を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記時間変化成分生成部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が所定値より低い場合には、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が前記所定値より高い場合よりも、前記出力電流の時間変化成分の大きさを増加させる前記第１の制御信号を生成することを特徴とする請求項１９に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記電力貯蔵部の充電量を示す信号に基づき、充電量が所定値より高いときは、前記出力電流の非時間変化成分を、前記電力貯蔵部を放電する側にオフセットさせるオフセット信号を生成するオフセット信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記電力貯蔵部の充電量を示す信号に基づき、充電量が所定値より低いときは、前記出力電流の非時間変化成分を、前記電力貯蔵部を充電する側にオフセットさせるオフセット信号を生成するオフセット信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電流の検出信号に基づき、前記出力電流の非時間変化成分の大きさを調整する第１の電流制限信号を生成する第１の電流制限信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記第１の電流制限信号生成部は、前記出力電流の最大値を示す信号が所定の設定値を超えないように生成された前記第１の電流制限信号を生成することを特徴とする請求項２３に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電流の検出信号の時間変化成分を含む最大値と最小値に基づき、前記出力電流の非時間変化成分の大きさを調整する第２の電流制限信号を生成する第２の電流制限信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記第２の電流制限信号生成部は、前記最大値を示す信号が第１の設定値以上であるとき、前記最大値を示す信号に応じて前記第２の電流制限信号を増加させ、前記最小値を示す信号が前記第１の設定値より低い第２の設定値以下であるとき、前記最小値を示す信号に応じて前記第２の電流制限信号を減少させることを特徴とする請求項２５に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電圧の検出信号の時間変化成分を含む最大値と最小値に基づき、前記出力電流の非時間変化成分の大きさを調整する電圧制限信号を生成する電圧制限信号生成部を備えたことを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記電圧制限信号生成部は、前記最大値を示す信号が第１の設定値以上であるとき、前記最大値を示す信号に応じて前記電圧制限信号を増加させ、前記最小値を示す信号が前記第１の設定値より低い第２の設定値以下であるとき、前記最小値を示す信号に応じて前記電圧制限信号を減少させることを特徴とする請求項２７に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号が所定値よりも低い場合において、時間変化成分を含む前記出力電流の極性を、前記電力貯蔵部を放電する側に維持する前記第１の制御信号を生成することを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記出力電流の非時間変化成分を調整して、時間変化成分を含む前記出力電流の大きさを所定値以下にする前記第１の制御信号、および前記第２の制御信号を生成することを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、前記時間変化成分の大きさを、前記出力電流の指令値に基づいて調整することを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、外部からの切り替え信号に基づき、強制的に前記第１の制御信号および前記第２の制御信号を出力することを特徴とする請求項１８に記載の充放電装置。
入力が電源に接続され、出力に接続された電力貯蔵部への出力電流を調整するスイッチング回路と、前記スイッチング回路へのオンオフ信号を生成する制御部と、を有した電気車に搭載された充放電装置であって、
前記制御部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号と前記電気車の速度に相当する信号とに基づいて、前記出力電流のリプル成分を調整する制御信号または前記出力電流の時間変化成分を調整する制御信号を生成する昇温制御部を有すると共に、前記制御信号に基づいて、前記オンオフ信号を生成して前記スイッチング回路へ出力することを特徴とする充放電装置。
前記昇温制御部は、前記速度に相当する信号が所定の速度以上である場合に、前記スイッチング回路へのオンオフ信号の周波数を低下させる前記制御信号を生成することを特徴とする請求項３３に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、外部からの切り替え信号に基づき、強制的に前記制御信号を出力することを特徴とする請求項３３に記載の充放電装置。
入力が電源に接続され、出力に接続された電力貯蔵部への出力電流を調整するスイッチング回路と、前記スイッチング回路へのオンオフ信号を生成する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記電力貯蔵部の温度に相当する信号に基づいて、前記電力貯蔵部の温度を制御する制御信号を出力する昇温制御部を有すると共に、前記制御信号に基づいてオンオフ信号を生成して前記スイッチング回路へ出力する構成を有した充放電装置において、
前記電力貯蔵部が複数の電力貯蔵素子を任意数組み合わせてなる複数のバンクで構成され、
それぞれのバンクと前記スイッチング回路との間には、前記スイッチング回路の接続と切り放しが可能な開閉部が設置され、
前記制御部は、複数の前記バンクのうち所定のものを前記スイッチング回路に接続して昇温制御可能とするための選択制御信号を前記開閉部へ出力する昇温選択部を有することを特徴とする充放電装置。
前記電力貯蔵部の温度に相当する信号は、前記電力貯蔵部に内蔵された複数の電力貯蔵素子間を接続する接続導体の温度であることを特徴とする請求項３６に記載の充放電装置。
前記電力貯蔵部の温度に相当する信号は、前記電力貯蔵部に内蔵された複数の電力貯蔵素子間を接続する複数の接続導体の温度のうちの最低温度のものであることを特徴とする請求項３６に記載の充放電装置。
前記昇温制御部は、外部からの切り替え信号に基づき、強制的に前記制御信号を出力することを特徴とする請求項３６に記載の充放電装置。