WO2013125672A1 - 電源装置及びその制御方法 - Google Patents

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voltage
power
dcdc converter
inverter
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篤男 河村
祐輔 図子
孝志 福重
渋川　祐一
佐々木　健介
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power supply device that supplies power to a vehicle drive motor and a control method thereof.
  • the power supply device of Patent Document 1 includes a switch that switches whether a battery capable of charging / discharging power and a capacitor are connected in series to the inverter or only a battery is connected. When the capacitor voltage is lower than the predetermined value, connect the battery and capacitor in series to supply regenerative power to both the battery and the capacitor. When the capacitor voltage is higher than the predetermined value, connect only the battery. The regenerative power is supplied only to the battery.
  • Patent Document 1 when the vehicle continues to run, the voltage of the capacitor disappears before the battery, and the vehicle driving motor must be driven only by the power of the battery. Therefore, in order to guarantee the maximum output value of the vehicle drive motor even when the state of charge of the battery is low, the inverter must use a semiconductor element having a large electric capacity, so that the problem of increasing the size of the inverter was there.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to reduce the current capacity of the semiconductor elements used in the inverter and to reduce the size of the inverter by maintaining a high DC voltage input to the inverter. It is an object to provide a power supply apparatus and a control method thereof.
  • a power supply apparatus includes a first power supply capable of charging and discharging power, a second power supply connected in series to the first power supply and capable of charging and discharging power.
  • An isolated DCDC converter in which a first power supply is connected to the primary side terminal and a second power supply is connected to the secondary side terminal, and a power supply control unit that controls the voltage of the second power supply using the isolated DCDC converter.
  • the DC voltage output from the first power supply and the second power supply connected in series is input to the first inverter, converted into an AC voltage by the first inverter, and then supplied to the vehicle drive motor.
  • the control method of the power supply device includes the first power supply, the second power supply, and the isolated DCDC converter, and outputs from the first power supply and the second power supply connected in series.
  • a control method for a power supply apparatus in which a DC voltage is input to a first inverter, converted into an AC voltage by the first inverter, and then supplied to a vehicle driving motor, using an isolated DCDC converter Control the voltage of the second power source.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a power supply apparatus according to the first embodiment of the present invention, and a first inverter 5 and a vehicle drive motor 6 connected to the power supply apparatus.
  • FIG. 2 is a graph showing how the DC voltage Vdc and the first power supply voltage Vbat change with time according to the control procedure of the isolated DCDC converter 3a by the power supply control unit 4 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of a control procedure of the isolated DCDC converter 3a by the power supply control unit 4 of FIG.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of an insulation type DCDC converter 3b according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of an insulation type DCDC converter 3c according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a power supply device according to the fourth embodiment.
  • the power supply device includes a first power source 1a capable of charging and discharging power, a second power source 2 connected in series to the first power source 1a and capable of charging and discharging power, and a first terminal connected to the primary side terminal.
  • connection means electrical connection, and does not mean mechanical connection.
  • the positive terminal of the first power source 1a and one terminal of the second power source 2 are connected, and the negative terminal of the first power source 1a and the other terminal of the second power source 2 are connected to a pair of DC side terminals of the first inverter 5, respectively.
  • the first inverter 5 includes switching elements on the upper and lower arms, respectively, and converts the DC voltage Vdc into a three-phase AC voltage by PWM control of on / off of the switching elements.
  • the AC side terminal of the first inverter 5 is connected to the vehicle driving motor 6.
  • the DC voltage Vdc output from the first power supply 1 a and the second power supply 2 connected in series is converted into a three-phase AC voltage by the first inverter 5 and then supplied to the vehicle drive motor 6. .
  • the vehicle driving motor 6 can be driven by a three-phase AC voltage to drive the vehicle.
  • the first power source 1a and the second power source 2 are charged / discharged such as a lithium (Li) ion battery, a battery (secondary battery) including a nickel metal hydride battery, an electric double layer capacitor, a Li ion capacitor, and a capacitive element including a capacitor. Possible power storage elements can be applied.
  • a lithium (Li) ion battery is used as the first power source 1 a and a capacitor is used as the second power source 2 will be described.
  • the power supply apparatus measures a DC voltage measurement unit 11 that measures a DC voltage Vdc output from a first power supply 1a and a second power supply 2 connected in series, and measures a first power supply voltage Vbat output from the first power supply 1a. And a first power supply voltage measurement unit 12.
  • the values of the DC voltage Vdc and the first power supply voltage Vbat measured by the DC voltage measurement unit 11 and the first power supply voltage measurement unit 12 are transmitted to the power supply control unit 4, respectively.
  • the insulated DCDC converter 3a has a pair of primary terminals and a pair of secondary terminals.
  • the primary side terminal of the insulated DCDC converter 3 a is connected to the positive electrode and the negative electrode of the first power source 1 a, and the secondary side terminal is connected to both terminals of the second power source 2.
  • the insulated DCDC converter 3a further includes an insulated transformer 31, switching elements 32a to 32d forming a primary full bridge circuit, switching elements 34a to 34d forming a secondary full bridge circuit, and an input side Smoothing capacitor 33.
  • the primary side full bridge circuit is connected to the primary side of the insulating transformer 31, and the secondary side full bridge circuit is connected to the secondary side of the insulating transformer 31.
  • the insulated DCDC converter 3a further includes capacitors connected in parallel to the switching elements 32a to 32d and 34a to 34d that form the primary and secondary full bridge circuits. Thereby, the insulation type DCDC converter 3a can perform soft switching.
  • the power supply device further includes a Zener diode 7 connected in parallel to the second power supply 2.
  • a Zener diode 7 connected in parallel to the second power supply 2.
  • the power supply controller 4 individually controls the switching operations of the switching elements 32a to 32d and 34a to 34d forming the primary side and secondary side full bridge circuits to thereby turn on / off the isolated DCDC converter 3a. Switch.
  • the power supply control unit 4 alternately turns on and off the switching elements 32a to 32d located at the diagonals of the primary-side full bridge circuit in the on state of the isolated DCDC converter 3a with a duty ratio of 50%. Specifically, the switching element 32a and the switching element 32d are turned on, and the switching element 32b and the switching element 32c are turned off. Then, the switching element 32a and the switching element 32d are turned off, and the switching element 32b and the switching element 32c are turned on. This is repeated alternately.
  • the switching elements 34a to 34d positioned diagonally are alternately turned on and off at a duty ratio of 50%.
  • the switching frequency is the same on the primary side and the secondary side, and a phase difference ⁇ is provided between the carrier phases on the primary side and the secondary side.
  • the electric power (transmission power P) transmitted from the primary side to the secondary side is expressed by Expression (1).
  • E 1 represents the first power supply voltage Vbat
  • E 2 represents the second power supply voltage Vcap
  • ⁇ represents the switching frequency of the isolated DCDC converter 3 a
  • L represents the leakage inductance of the insulated transformer 31.
  • the insulated DCDC converter 3a is preferably a bidirectional insulated DCDC converter capable of transmitting power in both directions between the primary side and the secondary side. Thereby, not only can the voltage of the second power supply 2 be raised, it can also be lowered.
  • the power supply control unit 4 always controls all the switching elements 32a to 32d and 34a to 34d of the primary and secondary full bridge circuits to be off in the off state of the isolated DCDC converter 3a. At this time, no current flows through the primary side full bridge circuit, and the output voltage of the secondary side full bridge circuit is zero. The electric power (transmission power P) transmitted from the primary side to the secondary side is zero.
  • the power supply control unit 4 switches the on / off state of the isolated DCDC converter 3a based on the voltage values measured by the DC voltage measurement unit 11 and the first power supply voltage measurement unit 12. Details will be described later with reference to FIGS.
  • the power supply control unit 4 installs a computer program in which a control procedure described later is installed in an information processing unit such as a microcomputer provided with a processing unit, a storage unit, and a communication control unit, and uses the information processing unit to store the computer program. It is realized by executing.
  • step S01 the power supply controller 4 determines whether the vehicle driving motor 6 is performing a regenerative operation or a powering operation. For example, if the first power supply voltage Vbat measured by the first power supply voltage measuring unit 12 tends to decrease, it is determined that the powering operation is performed, and if the first power supply voltage Vbat tends to increase, the regenerative operation is performed. It can be determined that it is done. In addition to this, the determination may be made based on a signal indicating the power running operation or the regenerative operation output from the first inverter 5 or the vehicle drive motor 6.
  • step S02 the power supply control unit 4 determines that the DC voltage Vdc measured by the DC voltage measurement unit 11 is lower than the lower limit value Vdcmin that can be input to the first inverter 5. Judge whether it is large or not.
  • the process proceeds to step S04, and the power supply control unit 4 causes the isolated DCDC converter so that the DC voltage Vdc becomes larger than the lower limit value Vdcmin.
  • the second power supply voltage Vcap of the second power supply 2 is controlled using 3a.
  • the power supply control unit 4 controls the insulated DCDC converter 3a to be in an ON state, and transmits power from the first power supply 1a connected to the primary side to the second power supply 2 connected to the secondary side.
  • the second power supply voltage Vcap of the second power supply 2 rises, the DC voltage Vdc also rises, and becomes larger than the lower limit value Vdcmin.
  • Vbat: Vcap is equal to X: Y (YES in S03)
  • the process proceeds to step S06, and the power supply control unit 4 controls the second power supply voltage Vcap using the insulated DCDC converter 3a.
  • the switching elements 32a to 32d and 34a to 34d of the insulated DCDC converter 3a can be soft-switched so that the switching loss is reduced and the power running efficiency is improved.
  • the second power supply voltage Vcap can be obtained by subtracting the first power supply voltage Vbat from the DC voltage Vdc.
  • step S05 the power supply control unit 4 controls the isolated DCDC converter 3a to be in an off state.
  • step S07 the power supply control unit 4 causes the DC voltage Vdc measured by the DC voltage measurement unit 11 to be applied to the first inverter 5. It is determined whether or not the upper limit value Vdcmax that can be input is smaller. When it is determined that the DC voltage Vdc is not smaller than the upper limit value Vdcmax (NO in S07), the process proceeds to step S11, and the power supply control unit 4 determines that the DC voltage Vdc is smaller than the upper limit value Vdcmax.
  • the second power supply voltage Vcap is controlled using 3a.
  • the power supply control unit 4 controls the insulated DCDC converter 3a to be in an ON state, and transmits power from the second power supply 2 connected to the secondary side to the first power supply 1a connected to the primary side.
  • the second power supply voltage Vcap decreases
  • the DC voltage Vdc also decreases, and becomes smaller than the upper limit value Vdcmax.
  • step S07 If it is determined that the DC voltage Vdc is smaller than the upper limit value Vdcmax (YES in S07), the process proceeds to step S08, and the power supply control unit 4 performs the same process as in step S03 described above. If it is determined that Vbat: Vcap is equal to X: Y (YES in S08), the process proceeds to step S09, and the power supply control unit 4 performs the same process as in step S06 described above.
  • the switching elements 32a to 32d and 34a to 34d of the insulated DCDC converter 3a can be soft-switched, so that the switching loss is reduced and the regeneration efficiency is improved.
  • step S10 the power supply control unit 4 controls the isolated DCDC converter 3a to be in an off state.
  • the DC voltage Vdc output from the first power supply 1a and the second power supply 2 connected in series and the first power supply voltage Vbat output from the first power supply 1a decrease with time.
  • DC voltage Vdc is larger than lower limit value Vdcmin
  • insulated DCDC converter 3a is controlled to be in an off state. That is, the power supply control unit 4 does not control the second power supply voltage Vcap using the isolated DCDC converter 3a (S05 in FIG. 3).
  • the notations S04 to S06 and S09 to S11 in FIG. 2 correspond to the processing contents in the flowchart of FIG.
  • the power supply control unit 4 controls the second power supply voltage Vcap using the isolated DCDC converter 3a so that the DC voltage Vdc does not become the lower limit value Vdcmin or less (FIG. 3 S04).
  • the power supply control unit 4 controls the second power supply voltage Vcap using the isolated DCDC converter 3a so that the DC voltage Vdc does not exceed the upper limit value Vdcmax (FIG. 3 S11). Specifically, power is transmitted from the second power source 2 connected to the secondary side to the first power source 1a connected to the primary side. As a result, the second power supply voltage Vcap decreases, the DC voltage Vdc also decreases, and becomes smaller than the upper limit value Vdcmax.
  • a first power source 1a and a second power source 2 capable of charging and discharging power are connected in series, the first power source 1a is connected to the primary side terminal of the isolated DCDC converter 3a, and the power control unit 4 is connected to the isolated DCDC converter.
  • the second power supply 2 is connected to the secondary side terminal of 3a, and the voltage of the second power supply 2 (second power supply voltage Vcap) is controlled using the isolated DCDC converter 3a.
  • the DC voltage Vdc output from the first power supply 1 a and the second power supply 2 connected in series is input to the first inverter 5, converted into an AC voltage by the first inverter 5, and then the vehicle drive motor 6. Supplied to.
  • the DC voltage Vdc can be kept high by controlling the second power supply voltage Vcap using the isolated DCDC converter 3a. Therefore, the current capacity of the semiconductor element used in the first inverter 5 can be reduced, and the first inverter 5 can be downsized.
  • the power supply control unit 4 uses the insulated DCDC converter 3 a to perform the second operation.
  • the power supply voltage Vcap is not controlled. If the DC voltage Vdc is larger than the lower limit value Vdcmin in the power running state, the isolated DCDC converter 3a does not operate, so that the power running efficiency is improved.
  • the power supply control unit 4 controls the second power supply voltage Vcap so that the DC voltage Vdc does not fall below the lower limit value Vdcmin.
  • the power running efficiency is improved by ensuring the lower limit value Vdcmin of the DC voltage Vdc.
  • the power supply control unit 4 uses the insulated DCDC converter 3a to The power supply voltage Vcap is not controlled. If the DC voltage Vdc is smaller than the upper limit value Vdcmax in the regenerative state, the insulation type DCDC converter 3a does not operate and the regenerative efficiency is improved.
  • the power supply control unit 4 controls the second power supply voltage Vcap so that the DC voltage Vdc does not exceed the upper limit value Vdcmax. Operational safety is improved by suppressing the destruction of the semiconductor element included in the first inverter 5.
  • the insulated DCDC converter 3a is a bidirectional insulated DCDC converter capable of transmitting power in both directions between the primary side and the secondary side. Since the bidirectional insulation type DCDC converter has high power conversion efficiency, excessive power consumption by the insulation type DCDC converter 3a is suppressed and the control efficiency of the second power supply voltage Vcap is improved.
  • the power supply control unit 4 When the transformation ratio between the primary side and the secondary side of the isolated DCDC converter 3a is X: Y, when the ratio of the first power supply voltage Vbat and the second power supply voltage Vcap is X: Y, the power supply control unit 4 Then, control of the second power supply voltage Vcap using the isolated DCDC converter 3a is started. Since the isolated DCDC converter 3a can be operated by soft switching, unnecessary power consumption by the isolated DCDC converter 3a is suppressed, and the control efficiency of the second power supply voltage Vcap is improved.
  • the second power supply 2 is a capacitive element, and the power supply apparatus further includes a Zener diode 7 connected in parallel to the capacitive element.
  • the structure of the insulation type DCDC converter 3b concerning 2nd Embodiment is demonstrated.
  • the insulation type DCDC converter 3a using MOS type field effect transistors is exemplified as the switching elements 32a to 32d and 34a to 34d.
  • the switching elements 32a to 32d and 34a to 34d are not limited to MOS field effect transistors, and for example, bipolar transistors may be used.
  • the power supply apparatus according to the second embodiment includes an insulation type DCDC converter 3b using bipolar transistors as switching elements 42a to 42d and 44a to 44d.
  • the insulated DCDC converter 3b is different from the insulated DCDC converter 3a in that it further includes a secondary-side smoothing capacitor 45.
  • the configurations of the primary and secondary full bridge circuits and the transformation ratio of the insulating transformer 41 are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted.
  • the isolated DCDC converter 3 c As shown in FIG. 5, the isolated DCDC converter 3 c according to the third embodiment has a configuration in which a resonant capacitor 46 is connected to the primary side of the insulated transformer 41.
  • the soft switching operation of the primary side switching elements 42a to 42d becomes possible, and the switching loss can be reduced.
  • the other points are the same as in FIG.
  • the power supply apparatus includes a second inverter 8 having a DC side terminal connected to the first power supply 1 b and an AC side terminal of the second inverter 8. Is different from the generator 9 to which is connected. Other configurations are the same, and a description thereof will be omitted.
  • the first power source 1b is not a battery such as a lithium (Li) ion battery, but an electrostatic capacitance element such as an electric double layer capacitor, a Li ion capacitor, or a capacitor.
  • the power supply controller 4 monitors the charging state of the first power supply 1b from the first power supply voltage Vbat. When the charging state of the first power source 1b is lowered, the generator 9 is operated, the generated AC power is converted into DC power by the second inverter 8, and the first power source 1b is charged. In this way, by supplying the power generated by the generator 9 to the first power source 1b via the second inverter 8, it is possible to suppress the decrease in the charging state of the first power source 1b and The input DC voltage Vdc can be kept high.
  • the present invention since the DC voltage input to the first inverter 5 can be maintained high, the current capacity of the semiconductor element used in the first inverter 5 is reduced and the first inverter is reduced. 5 can be reduced in size. Therefore, the present invention has industrial applicability.
  • Vbat ... 1st power supply voltage
  • Vcap ... 2nd power supply voltage
  • Vdc DC voltage
  • Vdcmax Upper limit value
  • Vdcmin Lower limit value 1a, 1b . 1st power supply 2 ... 2nd power supply 3a-3c ... Insulation type DCDC converter 4 ...
  • Power supply control part 5 ... First inverter 6 ... Vehicle drive motor 7 ... Zener diode 8 ... Second inverter 9 ... Generator

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Abstract

　電源装置は、電力を充放電可能な第１電源１ａと、第１電源１ａに直列に接続された、電力を充放電可能な第２電源２と、一次側端子に第１電源１ａが接続され、二次側端子に第２電源２が接続された絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａとを備え、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源２の電圧を制御する。直列に接続された第１電源１ａ及び第２電源２から出力される直流電圧は、第１のインバータ５に入力され、第１のインバータ５により交流電圧に変換されてから車両駆動用モータ６へ供給される。

Description

電源装置及びその制御方法
　本発明は、車両駆動用モータに電力を供給する電源装置及びその制御方法に関する。
　例えば電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等の車両に用いられる電源装置が車両駆動用モータにより回生された電力を有効に回収するための技術が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１の電源装置は、インバータに対して電力を充放電可能な電池とコンデンサとを直列に接続するか、或いは電池のみを接続するかを切り替えるスイッチを備える。そして、コンデンサの電圧が所定値よりも低い場合、電池とコンデンサとを直列に接続して回生電力を電池及びコンデンサの両方に供給し、コンデンサの電圧が所定値よりも高い場合、電池のみを接続して回生電力を電池のみに供給している。
特開２００２－３３０５４５号公報
　しかし、特許文献１では、車両が力行を続けた場合、コンデンサの電圧が電池よりも先に無くなり、電池の電力のみで車両駆動用モータを駆動しなければならない。したがって、電池の充電状態が低い時であっても車両駆動用モータの最大出力値を保障するために、インバータは電気容量の大きな半導体素子を使用しなければならないので、インバータが大型化するという課題があった。
　本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、インバータに入力される直流電圧を高く維持することにより、インバータ内で使用する半導体素子の電流容量を削減してインバータを小型化することができる電源装置及びその制御方法を提供することである。
　上記目的を達成するため、本発明の第１態様に係わる電源装置は、電力を充放電可能な第１電源と、第１電源に直列に接続された、電力を充放電可能な第２電源と、一次側端子に第１電源が接続され、二次側端子に第２電源が接続された絶縁型ＤＣＤＣコンバータと、絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いて第２電源の電圧を制御する電源制御部とを備える。直列に接続された第１電源及び第２電源から出力される直流電圧は、第１のインバータに入力され、第１のインバータにより交流電圧に変換されてから車両駆動用モータへ供給される。
　本発明の第２態様に係わる電源装置の制御方法は、前記第１電源と、前記第２電源と、前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータとを備え、直列に接続された第１電源及び第２電源から出力される直流電圧が、第１のインバータに入力され、第１のインバータにより交流電圧に変換されてから車両駆動用モータへ供給される電源装置の制御方法であって、絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いて第２電源の電圧を制御する。
図１は、本発明の第１実施形態に係わる電源装置の構成、及び電源装置に接続される第１のインバータ５及び車両駆動用モータ６を示す回路図である。 図２は、図３に示した電源制御部４による絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの制御手順による直流電圧Ｖｄｃ及び第１電源電圧Ｖｂａｔの時間変化の様子を示すグラフである。 図３は、図１の電源制御部４による絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの制御手順の一例を示すフローチャートである。 図４は、第２実施形態に係わる絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ｂの構成を示す回路図である。 図５は、第３実施形態に係わる絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ｃの構成を示す回路図である。 図６は、第４実施形態に係わる電源装置の構成を示す回路図である。
　以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付している。
（第１実施形態）
[電源装置の構成]
　図１を参照して、第１実施形態に係わる電源装置の構成、及び電源装置に接続される第１のインバータ５及び車両駆動用モータ６について説明する。第１実施形態に係わる電源装置は、電力を充放電可能な第１電源１ａと、第１電源１ａに直列に接続された、電力を充放電可能な第２電源２と、一次側端子に第１電源１ａが接続され、二次側端子に第２電源２が接続された絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａと、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源２の電圧を制御する電源制御部４とを備える。なお、本明細書において「接続」とは、電気的な接続を意味し、機械的な接続を意味していない。
　第１電源１ａの正極と第２電源２の一方の端子は接続され、第１電源１ａの負極と第２電源２の他方の端子は、第１のインバータ５の一対の直流側端子にそれぞれ接続されている。よって、直列に接続された第１電源１ａ及び第２電源２から出力される直流電圧Ｖｄｃは、第１のインバータ５の直流側端子に入力される。第１のインバータ５は、上下アームにそれぞれスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオン／オフをＰＷＭ制御することにより、直流電圧Ｖｄｃを３相の交流電圧へ変換する。第１のインバータ５の交流側端子は車両駆動用モータ６にそれぞれ接続されている。よって、直列に接続された第１電源１ａ及び第２電源２から出力される直流電圧Ｖｄｃは、第１のインバータ５により３相の交流電圧に変換されてから車両駆動用モータ６へ供給される。車両駆動用モータ６は３相の交流電圧により駆動し、車両を走行させることができる。
　第１電源１ａ及び第２電源２は、リチウム（Ｌｉ）イオンバッテリー、ニッケル水素バッテリーを含む電池（二次電池）、電気２重層キャパシタ、Ｌｉイオンキャパシタ、コンデンサを含む静電容量素子など、充放電可能な蓄電素子を適用することができる。第１実施形態では、第１電源１ａとしてリチウム（Ｌｉ）イオンバッテリーを使用し、第２電源２としてキャパシタを使用した場合について説明する。
　電源装置は、直列に接続された第１電源１ａ及び第２電源２から出力される直流電圧Ｖｄｃを測定する直流電圧測定部１１と、第１電源１ａから出力される第１電源電圧Ｖｂａｔを測定する第１電源電圧測定部１２とを更に備える。直流電圧測定部１１及び第１電源電圧測定部１２により測定される直流電圧Ｖｄｃ及び第１電源電圧Ｖｂａｔの値は、それぞれ電源制御部４に伝達される。
　絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａは１対の一次側端子及び１対の二次側端子を有する。絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの一次側端子は、第１電源１ａの正極及び負極にそれぞれ接続され、二次側端子は、第２電源２の両端子にそれぞれ接続されている。絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａは、更に、絶縁型トランス３１と、一次側のフルブリッジ回路を形成するスイッチング素子３２ａ～３２ｄと、二次側のフルブリッジ回路を形成するスイッチング素子３４ａ～３４ｄと、入力側の平滑コンデンサ３３とを備える。絶縁型ＤＣＤＣコンバータの一次側と二次側の変圧比はＸ：Ｙである。つまり、絶縁型トランス３１の変圧比は、一次側：二次側＝Ｘ：Ｙである。一次側のフルブリッジ回路は、絶縁型トランス３１の一次側に接続され、二次側のフルブリッジ回路は、絶縁型トランス３１の二次側に接続されている。
　絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａは、一次側及び二次側のフルブリッジ回路を形成するスイッチング素子３２ａ～３２ｄ、３４ａ～３４ｄに並列に接続されたコンデンサを更に備える。これにより、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａはソフトスイッチングを行うことができる。
　電源装置は、第２電源２に対して並列に接続されたツェナーダイオード７を更に備える。絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａがオープンモードで停止した場合、車両駆動用モータ６が回生動作を行っていれば、第２電源２の過充電によって第２電源２の耐圧を超えてしまう前にツェナーダイオード７を降伏させる。これにより、第２電源２の故障を抑制することができる。一方、車両が力行していれば、ツェナーダイオード７を第２電源２を通らない電流経路として動作させることができる。
　電源制御部４は、一次側及び二次側のフルブリッジ回路を形成するスイッチング素子３２ａ～３２ｄ、３４ａ～３４ｄのスイッチ動作を個別に制御することにより、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａのオン状態／オフ状態を切り替える。電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａのオン状態において、一次側のフルブリッジ回路の対角に位置するスイッチング素子３２ａ～３２ｄをデューティー比５０％で交互にオン・オフさせる。具体的には、スイッチング素子３２ａ及びスイッチング素子３２ｄをオンし、スイッチング素子３２ｂ及びスイッチング素子３２ｃをオフする。そして、スイッチング素子３２ａ及びスイッチング素子３２ｄをオフし、スイッチング素子３２ｂ及びスイッチング素子３２ｃをオンする。これを交互に繰り返し行う。二次側のフルブリッジ回路についても同様にして、対角に位置するスイッチング素子３４ａ～３４ｄをデューティー比５０％で交互にオン・オフさせる。なお、一次側と二次側でスイッチング周波数は同じであり、一次側と二次側のキャリア位相に位相差φを設ける。この時、一次側から二次側へ伝達される電力（伝達パワーＰ）は、式（１）により表される。ここで、Ｅ１は第１電源電圧Ｖｂａｔを示し、Ｅ２は第２電源電圧Ｖｃａｐを示し、ωは絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａのスイッチング周波数を示し、Ｌは絶縁型トランス３１の漏れインダクタンスを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａは、一次側と二次側の間の双方向に電力を伝達することができる双方向絶縁型ＤＣＤＣコンバータであることが望ましい。これにより、第２電源２の電圧を上げることのみならず、下げることも可能となる。
　一方、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａのオフ状態において、一次側及び二次側のフルブリッジ回路の総てのスイッチング素子３２ａ～３２ｄ、３４ａ～３４ｄを常時オフに制御する。この時、一次側のフルブリッジ回路に電流は流れず、二次側のフルブリッジ回路の出力電圧は０である。一次側から二次側へ伝達される電力（伝達パワーＰ）は０である。
　また、電源制御部４は、直流電圧測定部１１及び第１電源電圧測定部１２により測定される電圧値に基づいて、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａのオン状態／オフ状態を切り替える。詳細は、図２及び図３を参照して後述する。なお、電源制御部４は、演算処理部、記憶部、及び通信制御部を備えるマイコン等の情報演算装置に、後述する制御手順を記述したコンピュータプログラムをインストールし、情報演算装置を用いてコンピュータプログラムを実行することにより実現される。
[電源装置の制御方法]
　図３を参照して、図１の電源制御部４による絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの制御手順をの一例を説明する。図３の処理は、予め定めた周期で繰り返し実施されるものである。
　先ず、ステップＳ０１において、電源制御部４は、車両駆動用モータ６が回生動作を行っているのか、或いは、力行動作を行っているのかを判断する。例えば、第１電源電圧測定部１２により測定された第１電源電圧Ｖｂａｔが減少傾向にあれば、力行動作を行っていると判断し、第１電源電圧Ｖｂａｔが増加傾向にあれば、回生動作を行っていると判断すればよい。これ以外にも、第１のインバータ５或いは車両駆動用モータ６から出力される、力行動作或いは回生動作を示す信号に基づいて判断しても構わない。
　力行動作を行っていると判断した場合、ステップＳ０２へ進み、電源制御部４は、直流電圧測定部１１により測定された直流電圧Ｖｄｃが、第１のインバータ５に入力可能な下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きいか否かを判断する。直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きくないと判断した場合（Ｓ０２でＮＯ）、ステップＳ０４へ進み、電源制御部４は、直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きくなるように、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源２の第２電源電圧Ｖｃａｐを制御する。例えば、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａをオン状態に制御して、一次側に接続された第１電源１ａから二次側に接続された第２電源２へ電力を伝達する。これにより、第２電源２の第２電源電圧Ｖｃａｐが上昇し、直流電圧Ｖｄｃも上昇して下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きくなる。
　直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きいと判断した場合（Ｓ０２でＹＥＳ）、ステップＳ０３へ進み、電源制御部は４は、第１電源１ａの第１電源電圧Ｖｂａｔと第２電源２の第２電源電圧Ｖｃａｐの比が、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの一次側と二次側の変圧比（＝Ｘ：Ｙ）に等しいか否かを判断する。Ｖｂａｔ：ＶｃａｐがＸ：Ｙに等しいと判断した場合（Ｓ０３でＹＥＳ）、ステップＳ０６に進み、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御する。これにより、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａのスイッチング素子３２ａ～３２ｄ、３４ａ～３４ｄをソフトスイッチング動作させることができるので、スイッチング損失が低減して力行効率が向上する。なお、第２電源電圧Ｖｃａｐは、直流電圧Ｖｄｃから第１電源電圧Ｖｂａｔを減じることにより求めることができる。
　Ｖｂａｔ：ＶｃａｐがＸ：Ｙに等しくないと判断した場合（Ｓ０３でＮＯ）、ステップＳ０５に進み、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａをオフ状態に制御する。
　一方、車両駆動用モータ６が回生動作を行っていると判断した場合、ステップＳ０７へ進み、電源制御部４は、直流電圧測定部１１により測定された直流電圧Ｖｄｃが、第１のインバータ５に入力可能な上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さいか否かを判断する。直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さくないと判断した場合（Ｓ０７でＮＯ）、ステップＳ１１へ進み、電源制御部４は、直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さくなるように、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御する。例えば、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａをオン状態に制御して、二次側に接続された第２電源２から一次側に接続された第１電源１ａへ電力を伝達する。これにより、第２電源電圧Ｖｃａｐが減少し、直流電圧Ｖｄｃも減少して上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さくなる。
　直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さいと判断した場合（Ｓ０７でＹＥＳ）、ステップＳ０８へ進み、電源制御部４は、上記したステップＳ０３と同じ処理を実施する。Ｖｂａｔ：ＶｃａｐがＸ：Ｙに等しいと判断した場合（Ｓ０８でＹＥＳ）、ステップＳ０９に進み、電源制御部４は、上記したステップＳ０６と同じ処理を実施する。これにより、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａのスイッチング素子３２ａ～３２ｄ、３４ａ～３４ｄをソフトスイッチング動作させることができるので、スイッチング損失が低減して回生効率が向上する。
　Ｖｂａｔ：ＶｃａｐがＸ：Ｙに等しくないと判断した場合（Ｓ０８でＮＯ）、ステップＳ１０に進み、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａをオフ状態に制御する。
　ステップＳ０４～Ｓ０６、Ｓ０９～Ｓ１１の後は再びステップＳ０１に戻る。
　図２を参照して、図３に示した電源制御部４による絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの制御手順による直流電圧Ｖｄｃ及び第１電源電圧Ｄｂａｔの時間変化の様子を説明する。
　先ず、力行状態においては、直列に接続された第１電源１ａ及び第２電源２から出力される直流電圧Ｖｄｃ、及び第１電源１ａから出力される第１電源電圧Ｖｂａｔは、時間の経過と共に減少する。直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きい場合、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａはオフ状態に制御される。すなわち、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御しない（図３のＳ０５）。なお、図２中のＳ０４～Ｓ０６、Ｓ０９～Ｓ１１の表記は、図３のフローチャートにおける処理内容に対応している。
　力行状態において、Ｖｂａｔ：ＶｃａｐがＸ：Ｙに等しくなった時、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａをオン状態に切り替えることにより、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いた第２電源電圧Ｖｃａｐの制御を開始する（図３のＳ０６）。
　直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎに近づいてくると、電源制御部４は、直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎ以下にならないように、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御する（図３のＳ０４）。
　次に、力行状態から回生状態へ移行すると、回生された電力は、直列に接続された第１電源１ａ及び第２電源２へそれぞれ充電されるので、直流電圧Ｖｄｃ及び第１電源電圧Ｖｂａｔが、時間の経過と共に上昇する。直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さい場合、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａはオフ状態に制御される。すなわち、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御しない（図３のＳ１０）。
　回生状態において、Ｖｂａｔ：ＶｃａｐがＸ：Ｙに等しくなった時、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａをオン状態に切り替えることにより、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いた第２電源電圧Ｖｃａｐの制御を開始する（図３のＳ０９）。
　直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘに近づいてくると、電源制御部４は、直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘ以上にならないように、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御する（図３のＳ１１）。具体的には、二次側に接続された第２電源２から一次側に接続された第１電源１ａへ電力を伝達する。これにより、第２電源電圧Ｖｃａｐが減少し、直流電圧Ｖｄｃも減少して上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さくなる。
　再び、回生状態から力行状態へ移行すると、上記した処理を繰り返し実行する。
　以上説明したように、本発明の第１実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
　電力を充放電可能な第１電源１ａと第２電源２とに直列に接続し、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの一次側端子に第１電源１ａを接続し、電源制御部４が、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの二次側端子に第２電源２を接続して、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源２の電圧（第２電源電圧Ｖｃａｐ）を制御する。直列に接続された第１電源１ａ及び第２電源２から出力される直流電圧Ｖｄｃは、第１のインバータ５に入力され、第１のインバータ５により交流電圧に変換されてから車両駆動用モータ６へ供給される。第１電源１ａの充電状態が低い時でも、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御することにより、直流電圧Ｖｄｃを高く維持することができる。よって、第１のインバータ５内で使用する半導体素子の電流容量を削減して、第１のインバータ５を小型化することができる。
　車両駆動用モータ６により車両が力行する場合において、直流電圧Ｖｄｃが第１のインバータ５に入力可能な下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きければ、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御しない。力行状態において直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎよりも大きければ、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａは動作しないので力行効率が向上する。
　車両駆動用モータ６を用いて車両が力行する場合において、電源制御部４は、直流電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｄｃｍｉｎを下回らないように第２電源電圧Ｖｃａｐを制御する。直流電圧Ｖｄｃの下限値Ｖｄｃｍｉｎを保障して力行効率が向上する。
　車両駆動用モータ６が電力を回生する場合において、直流電圧Ｖｄｃが第１のインバータ５に入力可能な上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さければ、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いて第２電源電圧Ｖｃａｐを制御しない。回生状態において直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘよりも小さければ、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａは動作しないので回生効率が向上する。
　車両駆動用モータ６が電力を回生する場合において、電源制御部４は、直流電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｄｃｍａｘを上回らないように第２電源電圧Ｖｃａｐを制御する。第１のインバータ５が備える半導体素子の破壊を抑制して動作安全性が向上する。
　絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａは、一次側と二次側の間の双方向に電力を伝達することができる双方向絶縁型ＤＣＤＣコンバータである。双方向絶縁型ＤＣＤＣコンバータは電力の変換効率が高いため、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａによる余計な電力消費を抑えて第２電源電圧Ｖｃａｐの制御効率が向上する。
　絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａの一次側と二次側の変圧比をＸ：Ｙとした場合、第１電源電圧Ｖｂａｔと第２電源電圧Ｖｃａｐの比がＸ：Ｙとなった時に、電源制御部４は、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを用いた第２電源電圧Ｖｃａｐの制御を開始する。絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａをソフトスイッチングで動作させることができるので、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａによる余計な電力消費を抑えて第２電源電圧Ｖｃａｐの制御効率が向上する。
　第２電源２は静電容量素子であり、電源装置は、当該静電容量素子に対して並列に接続されたツェナーダイオード７を更に備える。絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａがオープンモードで故障した時に静電容量素子に過電圧が加わることを抑制して安全性を向上させることができる。
（第２実施形態）
　図４を参照して、第２実施形態に係わる絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ｂの構成を説明する。第１実施形態では、図１に示したように、スイッチング素子３２ａ～３２ｄ、３４ａ～３４ｄとして、ＭＯＳ型電界効果トランジスタを用いた絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａを例示した。しかし、スイッチング素子３２ａ～３２ｄ、３４ａ～３４ｄは、ＭＯＳ型電界効果トランジスタに限ることなく、例えば、バイポーラトランジスタを用いても構わない。図４に示すように、第２実施形態に係わる電源装置は、スイッチング素子４２ａ～４２ｄ、４４ａ～４４ｄとして、バイポーラトランジスタを用いた絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ｂを備える。更に、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ｂは、絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ａに比べて、更に二次側の平滑コンデンサ４５を備える点が相違する。その他、一次側及び二次側のフルブリッジ回路の構成、絶縁型トランス４１の変圧比については第１実施形態と同じであり説明を省略する。
（第３実施形態）
　図５に示すように、第３実施形態に係わる絶縁型ＤＣＤＣコンバータ３ｃは、絶縁型トランス４１の一次側に共振キャパシタ４６が接続された構成を有する。一次側のスイッチング素子４２ａ～４２ｄのソフトスイッチング動作が可能となり、スイッチング損失を軽減することができる。その他の点は、図４と同じであり説明を省略する。
（第４実施形態）
　図６を参照して、第４実施形態に係わる電源装置の構成を説明する。第４実施形態に係わる電源装置は、図１に示した電源装置に比して、直流側端子が第１電源１ｂに接続された第２のインバータ８と、第２のインバータ８の交流側端子が接続された発電機９と、を更に備える点が相違する。その他の構成は同じであり説明を省略する。
　第１電源１ｂは、リチウム（Ｌｉ）イオンバッテリーなどの電池ではなく、電気２重層キャパシタ、Ｌｉイオンキャパシタ、コンデンサなどの静電容量素子からなる。電源制御部４は、第１電源電圧Ｖｂａｔから第１電源１ｂの充電状態をモニターする。第１電源１ｂの充電状態が低下した場合に、発電機９を動作させ、発生した交流電力を第２のインバータ８で直流電電力へ変換し、第１電源１ｂを充電する。このように、発電機９が発電する電力を第２のインバータ８を介して第１電源１ｂに供給することにより、第１電源１ｂの充電状態の低下を抑制して、第１のインバータ５に入力される直流電圧Ｖｄｃを高く維持することができる。
　特願２０１２－０３７６３６号（出願日：２０１２年２月２３日）の全内容は、ここに援用される。
　以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
　本実施形態に係わる電源装置によれば、第１のインバータ５に入力される直流電圧を高く維持できるので、第１のインバータ５内で使用する半導体素子の電流容量を削減して第１のインバータ５を小型化することができる。よって、本発明は、産業上の利用可能性を有する。
　Ｖｂａｔ…第１電源電圧
　Ｖｃａｐ…第２電源電圧
　Ｖｄｃ…直流電圧
　Ｖｄｃｍａｘ…上限値
　Ｖｄｃｍｉｎ…下限値
　１ａ、１ｂ…第１電源
　２…第２電源
　３ａ～３ｃ…絶縁型ＤＣＤＣコンバータ
　４…電源制御部
　５…第１のインバータ
　６…車両駆動用モータ
　７…ツェナーダイオード
　８…第２のインバータ
　９…発電機

Claims (10)

  1. 　電力を充放電可能な第１電源と、
    　前記第１電源に直列に接続された、電力を充放電可能な第２電源と、
    　一次側端子に前記第１電源が接続され、二次側端子に前記第２電源が接続された絶縁型ＤＣＤＣコンバータと、
    　前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いて前記第２電源の電圧を制御する電源制御部と、
    　を備え、
    　直列に接続された前記第１電源及び前記第２電源から出力される直流電圧は、第１のインバータに入力され、前記第１のインバータにより交流電圧に変換されてから車両駆動用モータへ供給される
    　ことを特徴とする電源装置。
  2. 　前記車両駆動用モータにより車両が力行する場合において、前記直流電圧が前記第１のインバータに入力可能な下限値よりも大きければ、前記電源制御部は、前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いて前記第２電源の電圧を制御しないことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
  3. 　前記車両駆動用モータにより車両が力行する場合において、前記電源制御部は、前記直流電圧が前記下限値を下回らないように前記第２電源の電圧を制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
  4. 　前記車両駆動用モータが電力を回生する場合において、前記直流電圧が前記第１のインバータに入力可能な上限値よりも小さければ、前記電源制御部は、前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いて前記第２電源の電圧を制御しないことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電源装置。
  5. 　前記車両駆動用モータが電力を回生する場合において、前記電源制御部は、前記直流電圧が前記上限値を上回らないように前記第２電源の電圧を制御することを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
  6. 　前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータは、一次側と二次側の間の双方向に電力を伝達することができる双方向絶縁型ＤＣＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の電源装置。
  7. 　前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータの一次側と二次側の変圧比をＸ：Ｙとした場合、前記第１電源の電圧と前記第２電源の電圧の比がＸ：Ｙとなった時に、前記電源制御部は、前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いた前記第２電源の電圧の制御を開始することを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の電源装置。
  8. 　前記第２電源は静電容量素子であり、
    　当該静電容量素子に対して並列に接続されたツェナーダイオードを更に備える
    　ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の電源装置。
  9. 　直流側端子が前記第１電源に接続された第２のインバータと、
    　前記第２のインバータの交流側端子が接続された発電機と、
    　を更に備えることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の電源装置。
  10. 　電力を充放電可能な第１電源と、前記第１電源に直列に接続された、電力を充放電可能な第２電源と、一次側端子に前記第１電源が接続され、二次側端子に前記第２電源が接続された絶縁型ＤＣＤＣコンバータとを備え、直列に接続された前記第１電源及び前記第２電源から出力される直流電圧が、第１のインバータに入力され、前記第１のインバータにより交流電圧に変換されてから車両駆動用モータへ供給される電源装置の制御方法であって、前記絶縁型ＤＣＤＣコンバータを用いて前記第２電源の電圧を制御することを特徴とする電源装置の制御方法。
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