JP7639349B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関する。

特許文献１には、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構成が開示されている。

特開２００７－２５２０７４号公報

特許文献１に開示された技術においては、ＡＣ充電を想定しており、ＤＣ充電に関して何ら考慮されていない。一方で、現存するＤＣ充電器においては、最大電圧が４００［Ｖ］と８００［Ｖ］とのものが存在するため、車両側としてはどちらの電圧にも対応していることが好ましい。しかしながら、車両側の電池電圧が充電器の最大電圧よりも高い場合には、充電ができず、電池を並列化することによって対応は可能であるが、その分、充電時間が延びてしまうため改善の余地があった。

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、蓄電池側の電圧が高くても充電することが可能な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スイッチング素子のそれぞれのオンとオフとを切り替えることによって、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、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、を備えた電源装置であって、前記制御装置は、前記第１コンデンサが充電される第１モード及び前記第２コンデンサが充電される第２モードと、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが充電される第３モードとを、交互に切り替えるように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ものである。

本発明に係る電源装置は、充電器側の電圧を任意に昇圧比を得ることができるため、蓄電池側の電圧が高くても、充電することが可能にな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おける第１充電モード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おける第２充電モードでの回路状態を示した図である。 図６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おける第３充電モードでの回路状態を示した図である。 図７は、昇圧モード時における、各電圧、各電流、及び、各スイッチング素子のオンとオフ、の時間変化を波形で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、Ｕ相アームにおけるスイッチング素子ＳＵ１とスイッチング素子ＳＵ２との中間点ＰＵ１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、Ｖ相アームにおけるスイッチング素子ＳＶ３とスイッチング素子ＳＶ４との中間点ＰＶ２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（Ｕ相ｄｕｔｙ及びＶ相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４００［Ｖ］であり、バッテリ電圧ＶＢが６００［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１スイッチング素子ＳＵ１とＶ相アームの第４スイッチング素子ＳＷ４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とする。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１スイッチング素子ＳＵ１と第４スイッチング素子ＳＶ４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１スイッチング素子ＳＵ１と第４スイッチング素子ＳＶ４とをオンにすることによって、第１スイッチング素子ＳＵ１と第４スイッチング素子ＳＶ４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。また、通電電流に無関係なスイッチング素子の切替はオンとオフとのどちらでもよい。

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を充電する際における第１充電モード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を充電する際における第２充電モードでの回路状態を示した図である。図６は、昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際における第３充電モードでの回路状態を示した図である。なお、図４、図５及び図６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７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は、昇圧モード時における、各電圧、各電流、及び、各スイッチング素子のオンとオフ、の時間変化を波形で示したグラフである。

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」と言い、第１充電モードとする。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」と言い、第２充電モードとする。また、本実施形態では、図６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，Ｃ２に電流が流れてコンデンサＣ１，Ｃ２の充電がなされるようにした状態を、「コンデンサＣ１，Ｃ２の充電がオンの状態」と言い、第３充電モードとする。

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、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（Ｕ相ｄｕｔｙ及びＶ相ｄｕｔｙ）を、下記数式（１）及び数式（２）を用いて算出する。

Ｕ相ｄｕｔｙ＝（２×Ｖｃｈａ－ＶＢ）／ＶＢ）＋｛Ｋｐ（ＶＣ１－ＶＣ２）＋Ｋｉ∫（ＶＣ１－ＶＣ２）ｄｔ｝・・・（１）

Ｖ相ｄｕｔｙ＝（２×Ｖｃｈａ－ＶＢ）／ＶＢ）－｛Ｋｐ（ＶＣ１－ＶＣ２）＋Ｋｉ∫（ＶＣ１－ＶＣ２）ｄｔ｝・・・（２）

なお、上記数式（１）及び（２）中、「Ｖｃｈａ」はＤＣ充電器３０の最大電圧であり、「Ｋｐ」は比例ゲインであり、「Ｋｉ」は積分ゲインである。

また、上記数式（１）及び（２）の「（２×Ｖｃｈａ－ＶＢ）／ＶＢ）」は、任意の昇圧比の演算項を表したものである。また、上記数式（１）及び（２）の「｛Ｋｐ（ＶＣ１－ＶＣ２）＋Ｋｉ∫（ＶＣ１－ＶＣ２）ｄｔ｝」は、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２を均等にする補正項を表したものである。

このようにして算出された前記ｄｕｔｙ（Ｕ相ｄｕｔｙ及びＶ相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（Ｕ相ｄｕｔｙ及びＶ相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、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２をバッテリ電圧ＶＢの１／２になるように制御し、バッテリ電圧ＶＢはＤＣ充電器３０の電圧の１～２倍の任意の昇圧比をとるようにする。

図４に示したコンデンサＣ１の充電をオンの状態にする第１充電モードでは、ＥＣＵ６０が、Ｕ相アームにおける第１スイッチング素子ＳＵ１と、Ｖ相アームにおける第２スイッチング素子ＳＶ２及び第２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、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２ＰからＵ相アームの中間点ＰＵ１に出力された電流は、Ｕ相アームの第１スイッチング素子ＳＵ１と、コンデンサＣ１と、Ｖ相アームの第２スイッチング素子ＳＶ２及び第３スイッチング素子ＳＶ３とを通って、Ｖ相アームの中間点ＰＶ２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。

なお、第１スイッチング素子ＳＵ１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ＳＵ１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ＳＵ１の耐久性を確保することが可能となる。

図５に示したコンデンサＣ２の充電をオンの状態にする第２充電モードでは、ＥＣＵ６０が、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４スイッチング素子ＳＶ４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Ｕ相アームの中間点ＰＵ１に出力された電流が、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、コンデンサＣ２と、Ｖ相アームにおける第４スイッチング素子ＳＶ４とを通って、Ｖ相アームの中間点ＰＶ２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。

なお、第４スイッチング素子ＳＶ４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ＳＶ４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。

図６に示したコンデンサＣ１，Ｃ２の充電をオンの状態にする第３充電モードでは、ＥＣＵ６０が、Ｕ相アームにおける第１スイッチング素子ＳＵ１と、Ｖ相アームにおける第４スイッチング素子ＳＶ４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Ｕ相アームの中間点ＰＵ１に出力された電流が、Ｕ相アームにおける第１スイッチング素子ＳＵ１と、コンデンサＣ１と、コンデンサＣ２と、Ｖ相アームにおける第４スイッチング素子ＳＶ４とを通って、Ｖ相アームの中間点ＰＶ２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，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Ｃ１，Ｃ２が充電されて電圧ＶＣ１，ＶＣ２が高くなる。

なお、第１スイッチング素子ＳＵ１と第４スイッチング素子ＳＶ４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。一方、第１スイッチング素子ＳＵ１と第４スイッチング素子ＳＶ４とをオンにすることによって、第１スイッチング素子ＳＵ１と第４スイッチング素子ＳＶ４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。

そして、実施形態に係る電源装置１０においては、ＥＣＵ６０が、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、第１充電モード及び第２充電モードとの一方と、第３充電モードとを、交互に切り替えるように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。すなわち、例えば、図７に示すように、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、第１充電モード、第３充電モード、第２充電モード、第３充電モード、第１充電モード、第３充電モード、第２充電モード、・・・、となるように、Ｕ相アームにおける各スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４と、Ｖ相アームにおける各スイッチング素子ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ４との、オンとオフとの切り替えを制御する。

これにより、実施形態に係る電源装置１０においては、第１充電モードと第２充電モードとによってコンデンサＣ１とコンデンサＣ２とを交互に充電する期間の間に、第３充電モードによってコンデンサＣ１，Ｃ２を直列で充電する期間を挟むことによって、１～２倍の任意の昇圧比での昇圧動作を行うことができる。よって、実施形態に係る電源装置１０は、ＤＣ充電器３０側の電圧を任意に昇圧比を得ることができるため、バッテリ１２の電圧が高くても、充電することが可能になる。また、昇圧比を任意に設定できるため、バッテリ電圧の設計自由度が高まる。

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。

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 (1)

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スイッチング素子のそれぞれのオンとオフとを切り替えることによって、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、
   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、
   を備えた電源装置であって、
   前記第１コンデンサが充電される第１充電モード、前記第２コンデンサが充電される第２充電モード、及び、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとが充電される第３充電モードを有しており、
   前記制御装置は、前記第１充電モード、前記第３充電モード、前記第２充電モード、前記第３充電モード、前記第１充電モード、のように、前記第１充電モード及び前記第２充電モードの一方と、前記第３充電モードとを、交互に切り替えるように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電源装置。

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