JPWO2018073961A1

JPWO2018073961A1 - 電源システム

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Publication number: JPWO2018073961A1
Application number: JP2018546125A
Authority: JP
Inventors: 孝一田中; 元治西尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: CN110062989A; EP3531528B1; EP3531528A4; JP6708259B2; WO2018073961A1; CN110062989B; EP3531528A1; US20190319474A1; US10759285B2

Abstract

電源システムは、バッテリと、充電ポートを介して外部電源から入力される電力の電圧をバッテリの充電に必要な電圧に変換する充電器と、充電ポートと充電器との間に接続されるシステム内の電源装置とを含む。電源装置は、その電源装置の出力電力の電圧を外部電源の電圧相当に変換する電圧変換器を備える。

Description

この発明は、外部から入力される電力を用いてバッテリを充電する電源システムおよびその制御方法に関する。

電気自動車には、一般に外部電源から入力された電圧を変換してバッテリを充電する充電器が設けられている。例えば、ＪＰ２０１３−１５０４９７Ａには、充電器の接続先を外部電源から太陽電池などの補助電源へ切り替えて充電器を介して補助電源からバッテリに電力を供給するシステムが開示されている。

上述のようなシステムにおいては、例えば、電源装置を構成する補助電源の出力電力の電圧が充電器の入力可能電圧範囲から外れてしまうと充電器が動作しなくなるため、バッテリへの充電が必要となる状況でも電源装置の電力がバッテリに供給されなくなってしまう。

これに対して、補助電源とバッテリとの間に、補助電源の出力電力の電圧をバッテリの充電に必要な電圧に変換するコンバータを直接接続してバッテリを充電することも可能である。しかしながら、補助電源の出力電力の電圧をバッテリの電圧に変換するには、コンバータが大型化および高コスト化するという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、バッテリへの充電が必要となる状況で電源装置からの充電を確実に行いつつ、電源装置の出力電圧を変換する変換器のサイズ及びコストを抑制する電源システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明のある態様によれば、バッテリと、充電ポートを介して外部電源から入力される電力の電圧をバッテリの充電に必要な電圧に変換する充電器とを備える電源システムは、充電ポートと充電器との間に接続されるシステム内の電源装置を含む。電源装置は、当該電源装置の出力電力の電圧を外部電源の電圧相当に変換する電圧変換器を備える。

図１は、本発明の第１実施形態における電源システムの構成の一例を示す構成図である。図２は、電源装置の出力電力の電圧とＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁方式との関係を説明する図である。図３は、電源システムを構成する充電器の構成例を示す回路図である。図４は、本実施形態における電源システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。図５は、本発明の第２実施形態における電源システムの構成の一例を示す構成図である。図６は、本発明の第３実施形態における電源システムの構成の一例を示す構成図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における電源システム１００の構成の一例を示す構成図である。

電源システム１００は、例えば、物体自身が移動する移動体に設けられる。電源システム１００を搭載する移動体としては、例えば、ハイブリッド車を含む電気自動車および電車といった車両や、飛行機、船舶などが挙げられる。

電源システム１００は、外部電源９から供給される電力を受け、その電力を用いて強電バッテリ１を充電する充電システムである。電源システム１００には、電源システム１００に外部電源９を電気的に接続するための充電ポート１００ａが設けられている。

さらに電源システム１００は、外部電源９から入力される電圧又は電流を検出する検出器１００ｂを備えている。検出器１００ｂは、例えば、外部電源９から入力される電圧又は電流を検出し、検出した値をコントローラ５に出力する。

外部電源９は、電源システム１００の外部に設けられ、直流ＤＣ又は交流ＡＣの電力を負荷に供給する電源である。外部電源９は、例えば、数百ボルト（Ｖ）の交流電圧で電力を出力する商用電源である。本実施形態の外部電源９は、充電ポート１００ａを介して１００Ｖ、又は２００Ｖの交流電圧により電力を電源システム１００の内部に供給する。

外部電源９は、充電ポート１００ａに接続するためのインターフェースいわゆる充電ガンを備えており、外部電源９の充電ガンは充電ポート１００ａに勘合される。充電ポート１００ａには外部電源９の充電ガンが勘合されたか否かを検知する勘合センサが設けられており、勘合センサの出力信号はコントローラ５に入力される。なお、勘合センサは外部電源９から供給される電力の電圧が入力されたか否かを推定するものである。

本実施形態の電源システム１００は、車両に搭載され、車両を駆動する駆動装置１０に電力を供給する。駆動装置１０は、例えば、電動モータや、電動モータに供給する交流電力に強電バッテリ１の直流電力を変換するインバータなどにより構成される。

電源システム１００は、強電バッテリ１と、充電器２と、スイッチ３と、電源装置４と、コントローラ５とを備える。電源装置４は、補助電源４１とＤＣ／ＤＣコンバータ４２とを備える。

強電バッテリ１は、駆動装置１０に電力を供給する電源である。本実施形態の強電バッテリ１は、数百ボルト（Ｖ）の直流電圧により電力を出力する、いわゆる強電系の直流電源である。強電バッテリ１は、例えば４００Ｖ程度の電圧を出力する。強電バッテリ１は、リチウムイオンバッテリや鉛バッテリなどにより実現される。

充電器２は、外部電源９から入力される電力の電圧を変換して強電バッテリ１に充電する電気回路である。すなわち、充電器２は、入力電力の電圧を強電バッテリ１の充電に必要となる所定の充電電圧に変換して強電バッテリ１に出力する。充電器２は、例えば車載充電器である。

充電器２の入力端子Ｔｉ２には、外部電源９から供給される電力の交流電圧が入力される。充電器２は、その入力電力の電圧を直流電圧に変換し、かつ、入力電力の電圧を強電バッテリ１の充電電圧値に変換する。充電器２の入力電圧範囲は、例えば、下限値がＡＣ８５Ｖであり上限値がＡＣ２６４Ｖである。なお、充電器２は、直流電圧が入力されても動作できる。また、充電器２に入力電圧範囲外の電圧が印加された場合には充電器２において昇圧動作が行われなくなる。

本実施形態の充電器２は、入力フィルタ２１と、整流回路２２と、昇圧回路２３と、絶縁昇圧回路２４と、出力フィルタ２５とを備える。

入力フィルタ２１は、外部電源９から充電器２の入力端子Ｔｉ２に入力される電力の交流電圧信号のノイズ成分を除去する電気回路である。入力フィルタ２１は、ノイズ成分を取り除いた交流電圧信号を整流回路２２に出力する。

整流回路２２は、交流ＡＣの入力電圧を直流ＤＣの出力電圧に変換するＡＣ／ＤＣ回路を構成する。整流回路２２は、例えば、入力フィルタ２１から出力される交流電圧信号を正弦波形から半波整流波形又は全波整流波形に変換する。整流回路２２は、整流した電圧信号を昇圧回路２３に出力する。

昇圧回路２３は、整流回路２２から供給される電圧信号のレベルを所定の電圧値まで昇圧する電気回路である。昇圧回路２３は、昇圧した電圧信号を絶縁昇圧回路２４に出力する。

昇圧回路２３は、例えば、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路により実現される。昇圧回路２３の昇圧比は、変更可能であり、例えばコントローラ５によって制御される。ここにいう昇圧比とは、昇圧回路２３における入力電圧に対する出力電圧の比率のことである。

絶縁昇圧回路２４は、昇圧回路２３と出力フィルタ２５との間を電気的に絶縁するとともに、昇圧回路２３から供給される電力の電圧信号のレベルを強電バッテリ１の充電用の電圧値まで昇圧する電気回路である。絶縁昇圧回路２４の昇圧比は一定の値に設定される。

絶縁昇圧回路２４は、ＤＣ／ＡＣ回路２４１とトランス２４２とＡＣ／ＤＣ回路２４３とを備える。

ＤＣ／ＡＣ回路２４１は、昇圧回路２３から供給される直流ＤＣの電圧信号を交流ＡＣの電圧信号に変換する。ＤＣ／ＡＣ回路２４１は、変換した交流ＡＣの電圧信号をトランス２４２に出力する。

トランス２４２は、１対の巻き線により構成される。トランス２４２は、ＤＣ／ＡＣ回路２４１から出力される交流ＡＣの電圧信号をＡＣ／ＤＣ回路２４３から絶縁するとともに、その交流ＡＣの電圧信号によって生じる誘導起電力を用いて交流ＡＣの電圧信号よりも高いレベルとなる交流ＡＣの高電圧信号を生成する。トランス２４２は、その交流ＡＣの高電圧信号をＡＣ／ＤＣ回路２４３に出力する。

ＡＣ／ＤＣ回路２４３は、トランス２４２から取り出される交流ＡＣの高電圧信号を直流ＤＣの高電圧信号に変換する。ＡＣ／ＤＣ回路２４３は、変換した高電圧信号を出力フィルタ２５に出力する。

このように、絶縁昇圧回路２４は、トランス２４２を用いて外部電源９を強電バッテリ１から絶縁するとともに、外部電源９から供給される電力の電圧信号のレベルを強電バッテリ１の充電電圧まで上昇させる。

出力フィルタ２５は、ＡＣ／ＤＣ回路２４３から出力される高電圧信号のノイズ成分を除去する電気回路である。出力フィルタ２５は、ノイズ成分を取り除いた直流ＤＣの高電圧信号を充電器２の出力端子Ｔｏ２に出力する。これにより、強電バッテリ１に直流ＤＣの高電圧信号が供給されて強電バッテリ１の充電が行われる。

スイッチ３は、車両の停車中に運転者等の感電を回避するために、電源装置４の出力端子Ｔｏ４と充電器２の入力端子Ｔｉ２との間を接続又は遮断する。スイッチ３の切替えはコントローラ５によって行われる。例えば、車両の走行中は、強電バッテリ１の残容量の大きさに応じて、電源装置４の電力を用いて強電バッテリ１の充電が行われるようにスイッチ３の状態が遮断状態から接続状態に切り替えられる。

電源装置４は、充電器２を介して強電バッテリ１に電力を供給するシステム内電源装置である。電源装置４は、補助電源４１とＤＣ／ＤＣコンバータ４２とを備える。電源装置４は、充電ポート１００ａと充電器２との間に接続される。なお、電源装置４は、充電ポート１００ａ自体に接続されてもよく、充電器２自体に接続されてもよい。

補助電源４１は、強電バッテリ１の電力を補助するための電源である。補助電源４１は、例えば、数十ボルト又は数百ボルトの直流電圧により電力を生成する。補助電源４１としては、燃料電池や、太陽電池、二次電池などの直流電源が挙げられる。

本実施形態では、補助電源４１は、強電バッテリ１の電圧に対して異なる大きさの電圧を出力する。さらに補助電源４１の電圧は、外部電源９の電圧とも異なる値である。補助電源４１は、固体酸化型の燃料電池により構成される。この燃料電池の出力電圧の大きさは、燃料電池に供給されるアノードガスの流量や、カソードガスの流量、燃料電池の温度などの運転状態に応じて変化する。燃料電池の出力電圧の上限値は、外部電源９の電圧の実効値や平均値よりも低い。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、補助電源４１と充電器２との間に接続され、電源装置４から出力される電力の電圧を、外部電源９の電圧相当、すなわち充電器２で昇圧可能な電圧値に変換する電圧変換器を構成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、補助電源４１の電圧を昇圧又は降圧する回路である。

本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、補助電源４１の出力電力の電圧を充電器２の入力電圧範囲内の所定の電圧値まで昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２はコントローラ５により制御される。

コントローラ５は、スイッチ３の接続状態を切り替えるとともにＤＣ／ＤＣコンバータ４２の動作を制御する。

コントローラ５は、外部電源９が電源システム１００の充電ポート１００ａから切り離されたか否かを判断する。具体的には、充電ポート１００ａに設けられた勘合センサや検出器１００ｂなどの検出信号に応じて外部電源９が充電ポート１００ａから切り離されたか否かを判断する。例えば、検出器１００ｂの検出信号が所定の閾値を下回る場合には、外部電源９が充電ポート１００ａから切り離されたと判断する。

コントローラ５は、外部電源９が充電ポート１００ａから切り離されると、スイッチ３の状態を遮断状態から接続状態に切り替える。そしてコントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を制御して補助電源４１の出力電力の電圧を充電器２の入力電圧範囲内の電圧値に昇圧する。充電器２の入力電圧範囲とは、充電器２により昇圧可能な入力電圧のことである。

一方、外部電源９が電源システム１００の充電ポート１００ａに接続されると、コントローラ５は、スイッチ３を遮断状態に切り替えて、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させる。

あるいは、強電バッテリ１の周囲に強電バッテリ１の残容量を検出する容量センサを設けて、コントローラ５は、その容量センサの検出信号に応じてスイッチ３の接続状態を切り替えるようにしてもよい。この場合には、コントローラ５は、容量センサの検出信号が所定の充電閾値よりも低い場合に、スイッチ３を遮断状態から接続状態に切り替え、当該検出信号が所定の満充電閾値よりも高い場合にはスイッチ３を遮断状態に切り替える。

図２は、本実施形態における補助電源４１の出力電圧の電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ４２のタイプとの関係を説明する図である。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、充電器２に入力する電圧を６０Ｖよりも大きな電圧に昇圧することを想定している。

図２に示すように、直接接触防止のための安全規定に従って直流ＤＣの６０Ｖを基準にＤＣ／ＤＣコンバータ４２の構成を選択する。

補助電源４１の出力電圧の上限値（上限電圧）が６０Ｖ未満であり、補助電源４１の上限電圧が充電器２の入力電圧範囲外にある場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いて補助電源４１の出力電力の電圧を充電器２の昇圧可能な入力電圧値に昇圧する。このような場合には、トランスを有する絶縁型コンバータによりＤＣ／ＤＣコンバータ４２を構成する。

補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ未満であり、補助電源４１の上限電圧が充電器２の入力電圧範囲内にある場合であっても、補助電源４１と充電器２とを絶縁するためにトランスを有する絶縁型コンバータによりＤＣ／ＤＣコンバータ４２を構成する。

一方、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ以上であり、かつ、補助電源４１の出力電力の電圧が充電器２の入力電圧範囲外である場合は、１次側と２次側を絶縁する必要性が低いため、トランスを要しない非絶縁型コンバータによりＤＣ／ＤＣコンバータ４２を構成する。このような場合には、図３に示したトランス２４２などの部品が不要となるので、絶縁コンバータに比べて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の製品コストを低減することができる。

なお、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ以上であり、補助電源４１の上限電圧が充電器２の入力電圧範囲内にある場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は必要ない。

このように、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ以上である場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２として非絶縁型コンバータを用いることにより、絶縁型コンバータを用いる場合に比べて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の製品コスト及びサイズを抑制することができる。

また、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ未満である場合は、補助電源４１のマイナス極をシャシに接地（アース）する。一方、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ以上である場合には、安全規定から、補助電源４１のプラス極とマイナス極をシャシからフローティングさせる必要がある。したがって、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ未満である場合に補助電源４１のマイナス極をシャシに接続することでシャシを電気の通り道として使えるので、補助電源４１をシャシから浮かせる回路構成に比べて、電源装置４のマイナス極側の回路構成を簡素化することができる。

したがって、補助電源４１の出力電力の電圧に応じて非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いたり、補助電源４１のマイナス極としてシャシを用いたりすることで、電源装置４の製品コスト及びサイズを低減することができる。

図３は、本実施形態における充電器２の構成例を示す回路図である。

図３には、充電器２の入力端子Ｔｉ２として正極入力端子Ｔｉ２_ｐ及び負極入力端子Ｔｉ２_ｎが示され、充電器２の出力端子Ｔｏ２として正極出力端子Ｔｏ２_ｐ及び負極出力端子Ｔｏ２_ｎが示されている。

入力フィルタ２１は、ノイズを除去するための巻き線Ｌ１及びＬ２を備え、正極入力端子Ｔｉ２_ｐに巻き線Ｌ１の一端が接続され、負極入力端子Ｔｉ２_ｎに巻き線Ｌ２の一端が接続される。このように、２つの巻き線Ｌ１及びＬ２を用いることにより、ノイズを除去しつつ、交流電圧だけでなく直流電圧についても通過させることができる。

整流回路２２は、４つのダイオードＤｉ１乃至Ｄｉ４を備える電気回路であり、半波整流回路を構成する。整流回路２２においては、直列接続された２つのダイオードＤｉ１及びＤｉ２と、直列接続された２つのダイオードＤｉ３及びＤｉ４とが互いに並列に接続される。そしてダイオードＤｉ１とダイオードＤｉ２との接点に巻き線Ｌ１の他端が接続され、ダイオードＤｉ３とダイオードＤｉ４との接点に巻き線Ｌ２の他端が接続される。

整流回路２２において、交流電圧信号におけるマイナス方向の信号成分が除去されて直流信号が生成される。なお、整流回路２２は、交流を直流に変換する回路であればよく、ブリッジ形又はセンタータップ形の全波整流回路であってもよい。

昇圧回路２３は、入力電圧を昇圧するためのトランジスタＴｒ、巻き線Ｌ３、ダイオードＤｉ及びコンデンサＣ１を備える。巻き線Ｌ３及びダイオードＤｉが正極ラインに接続され、正極ラインと負極ラインとの間にトランジスタＴｒ及びコンデンサＣ１が並列に接続される。

昇圧回路２３においては、トランジスタＴｒの制御端子にはＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）信号が供給されてトランジスタＴｒがスイッチング動作を行う。これにより、巻き線Ｌ３にエネルギーが蓄えられ、巻き線Ｌ３からダイオードＤｉを介してコンデンサＣ１に電流が供給される。

これと共に、整流回路２２から巻き線Ｌ３に入力された電圧信号が、ダイオードＤｉ及びコンデンサＣ１により一定の電圧信号に変換される。トランジスタＴｒの制御端子に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を変更することにより、昇圧回路２３の昇圧比が変化する。

ＤＣ／ＡＣ回路２４１は、４つのトランジスタＴｒ１乃至Ｔｒ４を備え、直列接続された２つのトランジスタＴｒ１及びＴｒ２と、直列接続された２つのトランジスタＴｒ３及びＴｒ４とが互いに並列に接続される。そしてトランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２との接点に対してトランス２４２における一次巻き線の他端が接続され、トランジスタＴｒ３とトランジスタＴｒ４との接点に対してトランス２４２における一次巻き線の他端が接続される。

トランジスタＴｒ１乃至Ｔｒ４の制御端子の各々にＰＷＭ信号が供給されることにより、昇圧回路２３からＤＣ／ＡＣ回路２４１に入力される直流ＤＣの電圧信号が交流ＡＣの電圧信号に変換される。

トランス２４２は、相互誘導を発生させるための一次巻き線と二次巻き線とを備える。トランス２４２は、ＤＣ／ＡＣ回路２４１とＡＣ／ＤＣ回路２４３とを絶縁しつつ、ＤＣ／ＡＣ回路２４１から一次巻き線に入力される交流電圧を、二次巻き線により当該交流電圧よりも大きな振幅の交流電圧をＡＣ／ＤＣ回路２４３に出力する。

ＡＣ／ＤＣ回路２４３は、整流回路２２と同様、４つのダイオードＤｉ１乃至Ｄｉ４を備え、ブリッジ形の全波整流回路を構成する。ＡＣ／ＤＣ回路２４３は、交流電圧信号の全サイクルを同一方向の信号に変換して全波整流波形を示す整流信号を生成する。

ＡＣ／ＤＣ回路２４３においては、直列接続された２つのダイオードＤｉ１及びＤｉ２と、直列接続された２つのダイオードＤｉ３及びＤｉ４とが互いに並列に接続される。そしてダイオードＤｉ１とダイオードＤｉ２との接点に対してトランス２４２における二次巻き線の一端が接続され、ダイオードＤｉ３とダイオードＤｉ４との接点に対してトランス２４２における二次巻き線の他端が接続される。

このように、絶縁昇圧回路２４は、あらかじめ定められた昇圧比により入力電圧を昇圧して出力フィルタ２５に出力する。ここにいう昇圧比は、絶縁昇圧回路２４の出力電圧を入力電圧により除した比率である。

出力フィルタ２５は、入力信号を平滑化するための巻き線Ｌ４及びコンデンサＣ２を備える。出力フィルタ２５は、ＡＣ／ＤＣ回路２４３から巻き線Ｌ４に入力される整流信号を平滑化するとともにリップルノイズを除去する。

出力フィルタ２５から出力される電圧信号のレベルは強電バッテリ１の充電に必要な電圧値まで昇圧されているので、出力フィルタ２５の出力電圧により強電バッテリ１の充電が行われる。

以上のように、充電器２は、入力される電力の交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を、絶縁昇圧回路２４の昇圧比を考慮した所定の値まで昇圧する。そして充電器２は、昇圧した直流電圧を、トランス２４２における相互誘導を利用して、強電バッテリ１の充電に必要な電圧値まで昇圧する。これにより、充電器２に供給される入力電力を用いて強電バッテリ１を充電することが可能となる。

図４は、本実施形態における電源システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。なお、コントローラ５は、電源システム１００の制御方法に関する各種処理を実行するようにプログラムされている。

ステップＳ１においてコントローラ５は、外部電源９が電源システム１００から切り離されたか否かを判断する。

例えば、充電ポート１００ａと外部電源９のグリッドとの勘合の有無を検知する勘合センサが設けられており、充電ポート１００ａからグリッドが切り離された場合には、勘合センサは切断状態を示す切断信号をコントローラ５に出力する。コントローラ５は、切断信号を取得すると、外部電源９が電源システム１００から切り離されたと判断し、電源装置４から充電器２を介して強電バッテリ１に電力を供給できるようスイッチ３を接続状態に切り替える。

ステップＳ２においてコントローラ５は、外部電源９が電源システム１００から切り離されたと判断した場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を駆動して電源装置４の出力電力の電圧を充電器２の入力電圧に変換する。ここにいう入力電圧は、充電器２が昇圧動作可能な電圧値であり、例えば、充電器２の出力容量が最大となる電圧値に設定される。

ステップＳ３においてコントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２から供給される電力の電圧を、充電器２を介して強電バッテリ１に供給する。これにより、電源装置４の出力電力が強電バッテリ１に充電される。

強電バッテリ１の残容量が、過充電を回避するための所定の閾値まで上昇すると、コントローラ５は、スイッチ３を遮断状態に切り替えることによりステップＳ３の処理を終了して、電源システム１００の制御方法についての一連の処理手順を終了する。

本発明の第１実施形態によれば、電源システム１００は、駆動装置１０に電力を供給するためのバッテリ１と、充電ポート１００ａを介して外部電源９から入力される電力の電圧をバッテリ１の充電に必要な充電用電圧に変換する充電器２とを含む。さらに電源システム１００内には、充電ポート１００ａと充電器２との間に接続される電源装置４が含まれる。なお、充電ポート１００ａと充電器２との間とは、充電ポート１００ａ自体や充電器２自体も含む。

そして、電源装置４は、電源装置４の自身から出力される電力の電圧を、充電器２で昇圧可能な電圧値である外部電源９の電圧相当に変換する電圧変換器としてＤＣ／ＤＣコンバータ４２を備える。電源装置４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２から出力される電圧を、充電器２を介してバッテリ１へ供給する。

このように、電源システム１００は、電源装置４から充電器２へ出力される電力の電圧の大きさが充電器２の入力電圧範囲内に収まるよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いて電源装置４の出力電力の電圧を変換して充電器２に供給する。ここにいう充電器２の入力電圧範囲は外部電源９の電圧の大きさを基準に設計される。

したがって、電源装置４から出力される電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介して充電器２に入力することにより、電源装置４の電力を確実にバッテリ１に充電することができる。例えば、バッテリ１に充電が必要な状況において電源装置４の出力電圧の電圧が充電器２の入力電圧範囲外にあるような状態でも、電源装置４の電力がバッテリ１に供給されるため、確実にバッテリ１を充電することができる。

また、電源システム１００は、電源装置４の電圧を変換する処理の一部を充電器２で行うことから、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の電圧変換処理を低減することができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の体積及びコストを低減することができる。

このため、本実施形態によれば、バッテリへの充電が必要な状況で電源装置４からの充電を確実に行いつつ、電源装置４の出力電力の電圧を変換する変換器のサイズ及びコストを抑制することができる。

また、電源装置４はＤＣ／ＤＣコンバータ４２及び充電器２を介してバッテリ１に接続されているので、電源装置４にバッテリ１の強電圧が直接印加されるという事態を回避することができる。さらに電源装置４が充電器２を介してバッテリ１に接続されているので、駆動装置１０の放射ノイズやリップルノイズが充電器２の出力フィルタによってノイズ低減される。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータや補助電源４１に駆動装置１０の放射ノイズやリップルノイズが混入することを抑制でき、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は出力端子側に出力フィルタを設ける必要がなくなりさらにコスト低減をはかることもできる。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いることにより、充電器２の出力容量が大きくなるように充電器２に入力する電圧値を調整することが可能になるので、充電器２を有効に利用することができる。

このように本実施形態によれば、電源装置４の補助電源４１と充電器２との間にＤＣ／ＤＣコンバータ４２を接続することにより、電源装置４に混入するノイズを抑制しつつ、電源装置４の電力を効率よくバッテリ１に充電することができる。

また、本実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電圧は、補助電源４１からＤＣ／ＤＣコンバータ４２への入力電圧値とバッテリ１の充電に必要な電圧値との間の所定の値に設定される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、その入力電圧を充電器２で昇圧可能な電圧値（外部電源９の電圧相当）からバッテリ１の電圧値までの範囲内の電圧値に昇圧する。

これにより、補助電源４１の出力電圧をバッテリ１の電圧値まで昇圧するのに必要となる昇圧処理の一部が充電器２により行われるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の昇圧比を小さくすることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の昇圧比が小さくすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータで生じる電力損失やＤＣ／ＤＣコンバータ４２のサイズ及びコストを低減することができる。このように、電源システム１００で行われる昇圧処理を充電器２とＤＣ／ＤＣコンバータ４２で分担することにより、電源装置４のサイズ及びコストを抑制することができる。

具体的には、電源システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いて補助電源４１の電圧を昇圧し、昇圧した電圧をさらに充電器２を用いて昇圧する。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の入力電圧に対する出力電圧の昇圧比が小さくなるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２をバッテリ１に直接接続した構成に比べてＤＣ／ＤＣコンバータ４２の電力損失、製品コスト及びサイズを抑制することができる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２を用いて入力電圧を降圧し、さらに充電器２を用いて調整するような電源システムであっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の製品コスト及びサイズを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、電源システム１００は車両に搭載される。そして電源装置４は、車両の運転中に充電器２を介してバッテリ１に電力を供給する。これにより、車両を駆動するモータなどの駆動装置１０の動作時間が長くなるので、車両の走行距離を延ばすことができる。さらに、上述のとおり電源装置４の重量が軽くなるので、車両の電費が改善するので、より一層走行距離を延ばすことができる。

また、本実施形態によれば、電源装置４は、バッテリ１を補助するための補助電源４１として、燃料の供給を受けて発電する固体酸化型の燃料電池をさらに含む。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、燃料電池の電圧を昇圧して充電器２に入力する。

ここで、固体酸化型の燃料電池は、主にセラミックスで形成されるため、固体高分子型の燃料電池などに比べて較差が大きくなる。そのため、積層数を増やすほど、燃料電池スタック全体の較差が大きくなり、燃料電池同士の密着性が低下して電気抵抗が大きくなりやすい。このような理由から、固体酸化型の燃料電池については、固体高分子型の燃料電池に比べて積層数が制限されるので、燃料電池の出力電圧が外部電源９の電圧よりも低いものが多い。

このように、外部電源９の出力電力の電圧よりも低い固体酸化型の燃料電池を電源装置４に備えることにより、車両の運転中に充電器２を介して燃料電池の電力をバッテリ１に充電することができるとともに、燃料電池の電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４２の重量及びコストを抑制することができる。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の重量、すなわち車両の重量を軽くすることにより、車両を駆動する駆動装置１０の消費電力が小さくなるので、燃料電池の燃料消費量を抑制することができる。したがって、電源装置４のサイズ及びコストを抑制しつつ燃費を改善することができる。

また、本実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力端子Ｔｏ４は、充電器２の入力端子Ｔｉ２に接続される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力端子Ｔｏ４は、充電ポート１００ａと入力フィルタ２１との間に接続される。これにより、充電器２の構成を変更する必要がないことから、簡易な構成により電源装置４から出力される電力を充電器２に入力することができる。

また、本実施形態によれば、図２に示したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２に入力される電力の電圧を供給する補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ未満であるときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、絶縁型コンバータにより構成される。これにより、補助電源４１側の絶縁性が確保されるので、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２と補助電源４１との間の接続ケーブルを絶縁性の高いものにする必要がなくなる。したがって、補助電源４１側の絶縁対策を簡素にすることができるので、電源装置４のコスト及びサイズを抑制することができる。

さらに、本実施形態によれば、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ以上であるときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、非絶縁型コンバータにより構成される。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の製品コスト及びサイズが抑えられるので、電源装置４を簡素な構成にすることができる。

また、本実施形態によれば、電源システム１００は、図１に示したように、充電器２と電源装置４との間を接続又は遮断するスイッチ３をさらに含む。

充電器２と電源装置４との間にスイッチ３を接続することにより、充電器２から電源装置４を確実に切り離すことが可能になる。このため、外部電源９を電源システム１００の充電ポート１００ａに接続した状態において電源装置４から外部電源９に電圧が印加されたり、外部電源９から電源装置４に電圧が印加されたりするのを回避することができる。

また、本実施形態によれば、電源システム１００は、外部電源９から充電器２に入力される電力の電圧を計測する検出器１００ｂと、検出器１００ｂの出力値に基づいてスイッチ３の状態を切り替えるコントローラ５とを備える。

これにより、外部電源９から充電器２に電力が供給されている状態でスイッチ３が接続状態に切り替えられてしまうという事態を回避することができる。したがって、電源装置４及び外部電源９を確実に保護することができるとともに、使用者が感電するのを回避することができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態における電源システム１０１の構成例を示す回路図である。本実施形態の電源システム１０１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の接続先が、第１実施形態とは異なり、入力端子Ｔｉ２ではなく充電器２の中途端子Ｔｃである。

電源システム１０１は、図１に示した電源システム１００の充電器２に代えて充電器２ａを備えている。他の構成については、図１に示した構成と同じであるため同一符号を付して説明を省略する。

充電器２ａには中途端子Ｔｃが設けられている。充電器２ａにおいて、整流回路２２の出力端子と昇圧回路２３の入力端子とを接続した信号線に対して中途端子Ｔｃが接続される。充電器２ａの中途端子Ｔｃは、スイッチ３を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力端子Ｔｏ４に接続される。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電力の電圧を充電器２ａの昇圧回路２３に入力することにより、当該電圧を充電器２ａの入力端子Ｔｉ２に入力する場合に比べて入力フィルタ２１及び整流回路２２で生じる電力損失を削減することができる。したがって、電源装置４から充電器２を介して強電バッテリ１に供給される電力の損失が減少するので、電源装置４の電力を効率よく強電バッテリ１に供給することができる。

本発明の第２実施形態によれば、充電器２ａは、入力される電力の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路２２と、整流回路２２から出力される直流電圧をバッテリ１の充電に必要となる充電電圧まで昇圧する昇圧回路２３とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力端子Ｔｏ４は、整流回路２２と昇圧回路２３との間に接続される。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電力は、整流回路２２を通過することなく昇圧回路２３に直接入力されるので、整流回路２２において交流電圧を直流電圧に変換する際に生じる電力損失を削減することができる。

なお、本実施形態では電源装置４の出力端子Ｔｏ４を整流回路２２と昇圧回路２３との間に接続する例について説明したが、電源装置４の出力端子Ｔｏ４を昇圧回路２３と絶縁昇圧回路２４との間や、入力フィルタ２１と整流回路２２との間にも接続してもよい。このような接続構成であっても、少なくとも絶縁昇圧回路２４で入力される電力の電圧が昇圧されるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の昇圧比を小さくすることができる。よって、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の製品コスト及びサイズを抑制することが可能になる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態における電源システム１００の構成例を示す回路図である。

本実施形態の電源システム１０２は、図１に示した電源システム１００の構成に加えて電力検出器４３及びＤＣ／ＤＣコンバータ６を備えている。他の構成については、電源システム１００の構成と同じであるため同一符号を付して説明を省略する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、充電器２を介することなく補助電源４１と強電バッテリ１との間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、電源装置４の出力電力の電圧を強電バッテリ１の充電に必要な電圧に変換する直接変換器を構成する。

本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ６は、補助電源４１の出力電力の電圧を強電バッテリ１の充電に必要な電圧値まで昇圧して強電バッテリ１に供給する。これにより、補助電源４１の発電電力によって強電バッテリ１の充電が行われる。

補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ未満である場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は絶縁型コンバータにより構成される。一方、補助電源４１の上限電圧が６０Ｖ以上である場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は非絶縁型コンバータにより構成される。

電力検出器４３は、補助電源４１の出力端子に接続され、補助電源４１の出力電力を検出する。具体的には、電力検出器４３は、補助電源４１の出力電力の電圧及び電流のうち少なくとも一方を検出する。

例えば、電力検出器４３は、補助電源４１の出力電圧及び補助電源４１の出力電流の双方を検出し、その出力電圧の検出値と出力電流の検出値を乗算した値を補助電源４１の出力電力としてコントローラ５に出力する。

あるいは、電力検出器４３は、補助電源４１の出力電力の電圧及び電流のうちいずれか一方の値を検出し、補助電源４１の電流電圧特性を示すテーブルをコントローラ５に記録するようにしてもよい。この場合には、コントローラ５は、電力検出器４３から検出値を取得すると、テーブルを参照して補助電源４１の出力電力を算出する。

コントローラ５は、補助電源４１の出力電力を取得すると、取得した出力電力が充電器２の容量閾値を上回るか否かを判断する。ここにいう充電器２の容量閾値は、充電器２の最大出力容量、すなわち充電器２の出力容量の上限値を基準に誤差等を考慮してあらかじめ定められた値である。充電器２の最大出力容量は、例えば数ｋＷ（キロワット）程度である。

コントローラ５は、補助電源４１の出力電力が充電器２の容量閾値以下である場合には、その出力電力が充電器２を介して強電バッテリ１に供給されるようＤＣ／ＤＣコンバータ４２の動作を制御する。

一方、補助電源４１の出力電力が充電器２の容量閾値を上回った場合には、コントローラ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の動作を制御して、その上回った分の電力を強電バッテリ１に直接供給する。これと共にコントローラ５は、残りの電力をＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介して強電バッテリ１に供給する。

以上のように、補助電源４１の出力電力が充電器２の容量を超える場合には、その超過分をＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して強電バッテリ１に直接供給する。これにより、充電器２の出力容量を有効に利用しつつ、補助電源４１の全ての出力電力を強電バッテリ１に供給することができる。

なお、本実施形態のコントローラ５は、補助電源４１の出力電力が充電器２の容量閾値以下である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６のみを介して、補助電源４１の出力電力を強電バッテリ１に供給するようにしてもよい。これにより、電源システム１０２における電圧変換に伴う電力損失のうちＤＣ／ＤＣコンバータ４２及び充電器２で生じる電力損失を削減することができる。

このように、コントローラ５は、補助電源４１の出力電力の大きさに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６及びＤＣ／ＤＣコンバータ４２のうち一方の動作を停止して他方のみを動作させることにより、一方のＤＣ／ＤＣコンバータの電力損失を削減することができる。

あるいは、コントローラ５は、補助電源４１の出力電力が充電器２の容量閾値を上回る場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６及びＤＣ／ＤＣコンバータ４２のトータルの電力損失が小さくなるよう分配割合を演算して双方の動作を制御するものであってもよい。

本発明の第３実施形態によれば、電源システム１０２は、電源装置４の出力電力の電圧をバッテリ１の電圧に変換する直接変換器を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ６をさらに含む。電源システム１０２のコントローラ５は、電源装置４の出力電力が充電器２の容量を超える場合には、その超える分の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して電源装置４からバッテリ１に直接供給する。

このように、電源装置４の出力電力が充電器２の容量を上回るときにはその出力電力の一部をＤＣ／ＤＣコンバータ６を用いてバッテリ１に供給することで、充電器２を有効利用しつつ、電源装置４の全電力をバッテリ１に蓄えることができる。

また、本実施形態によれば、コントローラ５は、電源装置４の出力電力が充電器２の容量以下である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６及び４２のうち一方のコンバータを介してバッテリ１に電源装置４の出力電力を供給する。これにより、一方のコンバータの電力損失を削減できるので、電源システム１０２における電圧変換に伴う電力損失を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、充電器２が外部電源９から入力される電力の電圧を降圧して弱電バッテリに充電し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２が補助電源４１の出力電力の電圧を充電器２の入力可能電圧範囲内に降圧するという構成であってもよい。このような構成であっても、弱電バッテリからのノイズを低減しつつ補助電源４１の電力を効率よく弱電バッテリに蓄えることができる。

また、上記実施形態では充電器２と電源装置４との間にスイッチ３を配置したが、スイッチ３を省略してもよい。このような構成でも、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、この場合には、コントローラ５はＤＣ／ＤＣコンバータ４２の動作を制御して電源装置４から充電器２への入力を停止する。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

外部電源９は、充電ポート１００ａに接続するためのインターフェースいわゆる充電ガンを備えており、外部電源９の充電ガンは充電ポート１００ａに嵌合される。充電ポート１００ａには外部電源９の充電ガンが嵌合されたか否かを検知する嵌合センサが設けられており、嵌合センサの出力信号はコントローラ５に入力される。なお、嵌合センサは外部電源９から供給される電力の電圧が入力されたか否かを推定するものである。

コントローラ５は、外部電源９が電源システム１００の充電ポート１００ａから切り離されたか否かを判断する。具体的には、充電ポート１００ａに設けられた嵌合センサや検出器１００ｂなどの検出信号に応じて外部電源９が充電ポート１００ａから切り離されたか否かを判断する。例えば、検出器１００ｂの検出信号が所定の閾値を下回る場合には、外部電源９が充電ポート１００ａから切り離されたと判断する。

図２は、本実施形態における補助電源４１の出力電力の電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ４２のタイプとの関係を説明する図である。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、充電器２に入力する電圧を６０Ｖよりも大きな電圧に昇圧することを想定している。

ＤＣ／ＡＣ回路２４１は、４つのトランジスタＴｒ１乃至Ｔｒ４を備え、直列接続された２つのトランジスタＴｒ１及びＴｒ２と、直列接続された２つのトランジスタＴｒ３及びＴｒ４とが互いに並列に接続される。そしてトランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２との接点に対してトランス２４２における一次巻き線の一端が接続され、トランジスタＴｒ３とトランジスタＴｒ４との接点に対してトランス２４２における一次巻き線の他端が接続される。

例えば、充電ポート１００ａと外部電源９のグリッドとの嵌合の有無を検知する嵌合センサが設けられており、充電ポート１００ａからグリッドが切り離された場合には、嵌合センサは切断状態を示す切断信号をコントローラ５に出力する。コントローラ５は、切断信号を取得すると、外部電源９が電源システム１００から切り離されたと判断し、電源装置４から充電器２を介して強電バッテリ１に電力を供給できるようスイッチ３を接続状態に切り替える。

したがって、電源装置４から出力される電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４２を介して充電器２に入力することにより、電源装置４の電力を確実にバッテリ１に充電することができる。例えば、バッテリ１に充電が必要な状況において電源装置４の出力電力の電圧が充電器２の入力電圧範囲外にあるような状態でも、電源装置４の電力がバッテリ１に供給されるため、確実にバッテリ１を充電することができる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態における電源システム１０１の構成例を示す回路図である。本実施形態の電源システム１０１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の接続先が、第１実施形態とは異なり、入力端子Ｔｉ２ではなく充電器２ａの中途端子Ｔｃである。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電力の電圧を充電器２ａの昇圧回路２３に入力することにより、当該電圧を充電器２ａの入力端子Ｔｉ２に入力する場合に比べて入力フィルタ２１及び整流回路２２で生じる電力損失を削減することができる。したがって、電源装置４から充電器２ａを介して強電バッテリ１に供給される電力の損失が減少するので、電源装置４の電力を効率よく強電バッテリ１に供給することができる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態における電源システム１０２の構成例を示す回路図である。

Claims

バッテリと、充電ポートを介して外部電源から入力される電力の電圧を前記バッテリの充電に必要な電圧に変換する充電器と、を備える電源システムであって、
前記充電ポートと前記充電器との間に接続されるシステム内の電源装置を含み、
前記電源装置は、当該電源装置の出力電力の電圧を前記外部電源の電圧相当に変換する電圧変換器を備える、
電源システム。
請求項１に記載の電源システムであって、
前記電圧変換器は、前記外部電源の電圧相当から前記バッテリの電圧までの範囲内の電圧値に前記電源装置の出力電力の電圧を昇圧する、
電源システム。
請求項１又は請求項２に記載の電源システムであって、
当該電源システムは、車両に搭載され、
前記電源装置は、前記車両の運転中に前記充電器を介して前記バッテリに電力を供給する、
電源システム。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記電源装置は、燃料の供給を受けて発電する固体酸化型の燃料電池をさらに含み、
前記電圧変換器は、前記燃料電池の出力電力の電圧を昇圧して前記充電器に入力する、
電源システム。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記電圧変換器は、前記充電器の入力端子に接続される、
電源システム。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記充電器は、
前記入力される電力の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
前記直流電圧を前記バッテリの電圧に向かって昇圧する昇圧回路と、を有し、
前記電圧変換器の出力端子は、前記整流回路と前記昇圧回路との間に接続される、
電源システム。
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記電源装置は、前記電圧変換器に入力される電力の電圧を供給する補助電源の上限電圧が６０Ｖ未満であるときは、前記電圧変換器は、絶縁型コンバータにより構成される、
電源システム。
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記電源装置は、前記電圧変換器に入力される電力の電圧を供給する補助電源の上限電圧が６０Ｖ以上であるときは、前記電圧変換器は、非絶縁型コンバータにより構成される、
電源システム。
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記充電器と前記電源装置との間を接続又は遮断するスイッチをさらに含む、
電源システム。
請求項９に記載の電源システムであって、
前記外部電源から前記充電器に入力される電力の電圧を計測又は推定するセンサと、
前記センサの出力値に基づいて前記スイッチの状態を切り替えるコントローラと、を含む、
電源システム。
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記電源装置の出力電力の電圧を前記バッテリの電圧に変換する直接変換器をさらに含み、
前記電源装置の出力電力が前記充電器の容量を超える場合には、前記直接変換器を介して前記電源装置から前記バッテリに電力を供給する、
電源システム。
請求項１１に記載の電源システムであって、
前記電源装置の出力電力が前記充電器の容量以下である場合には、前記電圧変換器及び前記直接変換器のうち一方の変換器を介して前記バッテリに当該出力電力を供給する、
電源システム。
充電ポートを介して外部電源から入力される電力の電圧を前記バッテリの充電に必要な電圧に変換する充電器を備える電源システムの制御方法であって、
前記外部電源が前記充電器から切り離された場合に、前記充電ポートと前記充電器との間に接続されるシステム内電源装置の出力電力の電圧を前記充電器の入力電力の電圧に変換する電圧変換ステップと、
前記電圧変換ステップにより変換された電力の電圧を、前記充電器を介して前記バッテリに供給する供給ステップと、
を含む電源システムの制御方法。