(57)【要約】【課題】  適切な電力を蓄電ユニットから出力して負荷を駆動することができる電力供給装置を提供する。【解決手段】  電力供給装置１は、２つの電圧を出力可能な第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３とを含む蓄電ユニット部１ｂを有し、当該蓄電ユニット部１ｂがモータ３の端子に接続される。蓄電ユニット部１ｂは、出力電圧を第１電圧と第２電圧との中間電圧にする時に、第１スイッチＳＷ１及び第１スイッチＳＷ１をパルス幅制御する状態と、第３スイッチＳＷ３をパルス幅制御する状態とを交互に繰り返す。【選択図】    図１
2010178421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電圧を出力可能な蓄電ユニットを有し、前記蓄電ユニットが負荷部の端子に接続される電力供給装置であって、
前記蓄電ユニットの出力電圧を第１電圧とする第１電圧出力手段と、
前記蓄電ユニットの出力電圧を前記第１電圧より高電圧である第２電圧とする第２電圧出力手段と、
前記蓄電ユニットの出力電圧及び前記負荷部の端子電圧を第１電圧と第２電圧との中間電圧にする場合に、前記第１電圧出力手段と前記第２電圧出力手段を交互に動作させる電圧切替手段とを有し、
前記蓄電ユニットは、第１蓄電部及び第２蓄電部と、第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチとを有し、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのみがオン状態とされた時に、前記負荷部に対して前記第１蓄電部及び前記第２蓄電部を並列接続状態とし、前記第３スイッチのみがオン状態とされた時に、前記負荷部に対して前記第１蓄電部及び前記第２蓄電部を直列接続状態とするよう構成され、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、及び前記第３スイッチは、半導体スイッチング素子及び当該半導体スイッチング素子と並列して設けられ当該半導体スイッチング素子がオン状態とされた時の電流方向に対する逆方向が順方向とされた逆並列ダイオードを含み、
前記電圧切替手段は、前記蓄電ユニットの出力電圧を前記第１電圧と前記第２電圧との中間電圧にする時に、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをパルス幅制御する状態と、前記第３スイッチをパルス幅制御する状態とを交互に繰り返すこと
を特徴とする電力供給装置。
【請求項２】
前記電圧切替手段は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチをパルス幅制御する期間と、前記第３スイッチをパルス幅制御する期間との間に、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチと、前記第３スイッチとが全てオフ状態となる空白期間を設けることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【請求項３】
前記電圧切替手段は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチとをオフ状態にした状態で、前記第１蓄電部と前記第２蓄電部とを直列に接続させて放電している場合に、前記第３スイッチをパルス幅制御することを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷に電力を供給する電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車には、車両駆動用のモータに電気的に接続可能な複数の蓄電手段（キャパシタ）を有する車両用電力供給装置が組み込まれているものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
この電力供給装置は、少なくとも２つの電圧を出力可能な蓄電ユニットと、蓄電ユニットに出入りする電流を調整する電流調整部とを有し、蓄電ユニットが電流調整部を介して負荷部の端子に接続されて構成されている。電力供給装置は、蓄電ユニットの出力電圧及び負荷部の端子電圧が高電圧である状態から負荷部の端子電圧を高電圧未満に低下させるよう、低電圧出力と高電圧出力を交互に動作させる。これにより、電力供給装置は、蓄電ユニットの出力電圧を低電圧と高電圧との間で繰返し切り替えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−６７４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の電力供給装置では、低電圧と高電圧との２つの電圧を負荷部に供給することしかできなかった。したがって、従来の電力供給装置では、負荷に対して最適な電力を供給できているとは言えなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、適切な電力を蓄電ユニットから出力して負荷を駆動することができる電力供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも２つの電圧を出力可能な蓄電ユニットを有し、蓄電ユニットが負荷部の端子に接続される電力供給装置に係るものである。この電力供給装置は、蓄電ユニットの出力電圧を第１電圧とする第１電圧出力手段と、蓄電ユニットの出力電圧を第１電圧より高電圧である第２電圧とする第２電圧出力手段と、蓄電ユニットの出力電圧及び負荷部の端子電圧を第１電圧と第２電圧との中間電圧にする場合に、第１電圧出力手段と第２電圧出力手段を交互に動作させる電圧切替手段とを有する。蓄電ユニットは、第１蓄電部及び第２蓄電部と、第１スイッチ、第２スイッチ及び第３スイッチとを有し、第１スイッチ及び第２スイッチのみがオン状態とされた時に、負荷部に対して第１蓄電部及び第２蓄電部を並列接続状態とし、第３スイッチのみがオン状態とされた時に、負荷部に対して第１蓄電部及び第２蓄電部を直列接続状態とするよう構成され、第１スイッチ、第２スイッチ、及び第３スイッチは、半導体スイッチング素子及び当該半導体スイッチング素子と並列して設けられ当該半導体スイッチング素子がオン状態とされた時の電流方向に対する逆方向が順方向とされた逆並列ダイオードを含む。
【０００８】
本発明に係る電力供給装置における電圧切替手段は、上述の課題を解決するために、蓄電ユニットの出力電圧を第１電圧と第２電圧との中間電圧にする時に、第１スイッチ及び第２スイッチをパルス幅制御する状態と、第３スイッチをパルス幅制御する状態とを交互に繰り返す。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第１スイッチ及び第２スイッチをパルス幅制御する状態と、第３スイッチをパルス幅制御する状態とを交互に繰り返すので、蓄電ユニットの出力電圧を第１電圧と第２電圧との任意の中間電圧にすることができる。これにより、適切な電力を蓄電ユニットから出力して負荷を駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態として示す電力供給装置の回路図である。
【図２】本発明の実施形態として示す電力供給装置における蓄電ユニット部の回路部を含む回路図である。
【図３】本発明の実施形態として示す電力供給装置において、蓄電ユニット部が並列接続状態とされた時の回路図である。
【図４】本発明の実施形態として示す電力供給装置において、蓄電ユニット部が直列接続状態とされた時の回路図である。
【図５】本発明の実施形態として示す電力供給装置において、蓄電ユニット部の半導体スイッチング素子をオンとオフとの間で切り替えるものの運転モードを示す図である。
【図６】本発明の実施形態として示す電力供給装置において、蓄電ユニット部の半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御するものの運転モードを示す図である。
【図７】本発明の実施形態として示す電力供給装置により、モータの回生時に、高電圧から低電圧に切り替える動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態として示す電力供給装置により、モータの回生時に、高電圧から低電圧に切り替える時のスイッチ状態、電圧及び電流のタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施形態として示す電力供給装置により、モータの力行時に、低電圧から高電圧に切り替える動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態として示す電力供給装置により、モータの力行時に、低電圧から高電圧に切り替える時のスイッチ状態、電圧及び電流のタイミングチャートである。
【図１１】本発明の実施形態として示す電力供給装置により、モータの力行時に、第１電圧（低電圧）と第２電圧（高電圧）との中間電圧を発生させる時のスイッチ状態、電圧及び電流のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
［電力供給装置１の構成］
本発明の実施形態として示す電力供給装置は、例えば図１に示すような構成を有している。この電力供給装置１は、例えば電気自動車に搭載される。電力供給装置１は、モータ３に対して電力を供給すると共に、モータ３から回生された電力を蓄電するものである。
【００１３】
モータ３は、発電及び力行が可能であり、電動機及び発電機（発電手段）として機能する。インバータ２は、入力端に設けられた平滑コンデンサ４と、複数の半導体スイッチング素子とを含む。インバータ２は、モータ３に接続し、モータ３の発電及び力行のための制御装置となる。例えば図１では、インバータ２は三相交流インバータを使用し、モータ３は三相交流モータを使用した例を示しているが、以下に説明する動作は、これらの構成に限定されるものではない。インバータ２及びモータ３は、負荷部を構成する。
【００１４】
なお、本実施形態における電力供給装置１は、平滑コンデンサ４の入力端に、平滑コンデンサ４に供給される電流を制限するためのリアクトル、電力供給ラインを遮断するリレー等の遮断機を設けていない。これは、後述するような第１電圧と第２電圧との電圧切替時及び力行時に、蓄電ユニット１ｂにてパルス幅制御（ＰＷＭ（Pulse Width Modulation））を行って中間電圧を生成できるためである。
【００１５】
インバータ２は、インバータ駆動回路２０からのＰＷＭ（パルス幅変調信号）信号が半導体スイッチング素子に供給され、当該半導体スイッチング素子がオンオフ駆動される。
【００１６】
インバータ駆動回路２０は、コントローラ１ａからのモータトルク指令値に応じて、ＰＷＭ信号を発生する。このＰＷＭ信号は、モータトルク指令値が高いほど、パルス幅が大きくされる。
【００１７】
電力供給装置１は、蓄電ユニット部１ｂ（図１の一点鎖線部分）と、蓄電ユニット部１ｂの動作を制御するコントローラ１ａとを有する。コントローラ１ａは、例えば、マイクロコンピュータとその周辺回路（メモリ、入出力回路等）から構成される。蓄電ユニット部１ｂは、インバータ２の入力端の端子に結合する。蓄電ユニット部１ｂは、モータ３に対して駆動電力を供給する、又は、モータ３が発電した電力を吸収するエネルギ貯蔵手段である。
【００１８】
蓄電ユニット部１ｂから平滑コンデンサ４に供給される電流値は、電流センサ３０により検出されるか、電流センサ３０からの信号により推定演算される。電流センサ３０により検出された電流検出値は、コントローラ１ａに入力される。インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは電圧センサ４０により測定される。蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴは、電圧センサ５０により測定される。これらの電圧検出値は、コントローラ１ａに入力される。
【００１９】
図２に、電力供給装置１の回路構成の一例を示す。
【００２０】
蓄電ユニット部１ｂは、蓄電部としての第１バッテリ１０、第２バッテリ１１を有する。第１バッテリ１０、第２バッテリ１１としては、例えば二次電池やキャパシタなどが用いられる。
【００２１】
また、蓄電ユニット部１ｂは、インバータ２及びモータ３の一方端及び第１バッテリ１０に直列接続された第１スイッチＳＷ１と、インバータ２及びモータ３の他方端及び第２バッテリ１１に直列接続された第２スイッチＳＷ２と、インバータ２及びモータ３に対して第１バッテリ１０と第２バッテリ１１とを直列に接続する第３スイッチＳＷ３とを有する。すなわち、蓄電ユニット部１ｂは、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２のみがオン状態とされた時に、インバータ２及びモータ３に対して第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１を並列接続状態とし、第３スイッチＳＷ３のみがオン状態とされた時に、インバータ２及びモータ３に対して第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１を直列接続状態とするよう構成される。
【００２２】
第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び第３スイッチＳＷ３は、半導体スイッチング素子１３、逆並列ダイオード１４を含む。この逆並列ダイオード１４は、半導体スイッチング素子１３と並列して設けられている。逆並列ダイオード１４は、当該半導体スイッチング素子１３がオン状態とされた時の電流方向に対する逆方向が、順方向とされて、設けられている。これら第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３は、コントローラ１ａからの制御指令に応じて、少なくとも一方向の電流については、通電、遮断を制御できるものとする。
【００２３】
コントローラ１ａによる第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２の切り替えにより、第１バッテリ１０と第２バッテリ１１は、図３に示す並列接続状態と、図４の直列接続状態との間で切り替えられる。並列接続状態は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２がオン状態とされ、第３スイッチＳＷ３がオフ状態とされることにより、形成される。直列接続状態は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２がオフ状態とされ、第３スイッチＳＷ３がオン状態とされることにより、形成される。
【００２４】
各第１バッテリ１０、第２バッテリ１１は、その状態に応じて電圧が変動するが、この説明では、簡略化のためにすべて同電圧とし、各バッテリ電圧を第１電圧Ｖ１とする。また、第１バッテリ１０、第２バッテリ１１が、図３に示されるように並列接続状態である場合の蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴは、第１電圧Ｖ１となる。第１バッテリ１０、第２バッテリ１１が図４に示されるように直列接続状態である場合の蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴは、第２電圧Ｖ２となる。従って、Ｖ２＝２Ｖ１となる。ここで、図３の並列接続状態時の蓄電ユニット部１ｂは第１電圧出力手段となり、図４の直列接続状態時の蓄電ユニット部１ｂは第２電圧出力手段となる。
【００２５】
このような蓄電ユニット部１ｂは、当該蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第１電圧と第２電圧との中間電圧にする場合に、第１電圧と第２電圧を交互に出力する。このとき、蓄電ユニット部１ｂは、コントローラ１ａの制御によって、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧にする時に、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をパルス幅制御する状態と、第３スイッチＳＷ３をパルス幅制御する状態とを交互に繰り返す。
【００２６】
これにより、電力供給装置１は、インバータ２及びモータ３に供給する電力を適切な値にすることができる。
【００２７】
［電力供給装置１の運転モード］
電力供給装置１は、図５及び図６のように、運転モードを切り替える。なお、図５には、スイッチのＰＷＭ制御をしない例として、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３をオン状態とオフ状態とで切り替える運転モードを示している。また、図６には、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３に対してパルス幅制御（ＰＷＭ）を行う運転モードを示している。
【００２８】
図５に示す、スイッチをオンオフのみで制御する運転モードについて説明する。運転モードが運転停止モードである場合、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３は、全てオフ状態となる。この運転停止モードにおいて、モータ３が回生した電圧ＶＬが第２電圧Ｖ２（２Ｖｂ）よりも高い場合には、異常時となる。このときの充電電圧は、モータ３の電圧ＶＬ以上の電圧に従属した値となる。
【００２９】
第１バッテリ１０のみを用いる第１バッテリ片側運転モードは、第１スイッチＳＷ１のみがオン状態となる。モータ３が回生した電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の電圧である場合には、当該電圧にて第１バッテリ１０の充電が行われる。この充電電圧は、モータ３の回生する電圧ＶＬに従属した値となる。また、モータ３が第１電圧Ｖ１よりも低い電圧にて力行する場合には、当該電圧にて第１バッテリ１０の放電が行われる。この放電電圧は、モータ３の要求する電圧ＶＬに従属した値となる。
【００３０】
第２バッテリ１１のみを用いる第２バッテリ片側運転モードは、第２スイッチＳＷ２のみがオン状態とされ、第１バッテリ片側運転モードと同じ動作を第２バッテリ１１にて行うこととなる。
【００３１】
直列運転モードは、第３スイッチＳＷ３のみがオン状態となる。これにより、第１バッテリ１０と第２バッテリ１１とが、モータ３に対して直列接続された状態となる。この直列運転モードにおいて、モータ３が回生した電圧ＶＬが第２電圧Ｖ２（２Ｖｂ）よりも高い異常時には、異常となる。このときの充電電圧は、モータ３の電圧ＶＬ以上の電圧に従属した値となる。モータ３が力行する電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の電圧である場合には、当該第２電圧Ｖ２にて第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１の放電が行われる。モータ３が力行する電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１よりも低い電圧である場合には、当該第１電圧Ｖ１にて第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１の放電が行われる。この直列運転モードにおける充電電圧及び放電電圧は、モータ３の回生又は力行する電圧ＶＬに従属した値となる。
【００３２】
並列運転モードは、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２がオン状態となる。これにより、第１バッテリ１０と第２バッテリ１１とが、モータ３に対して並列接続された状態となる。この並列運転モードにおいて、モータ３が回生する電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との間の電圧である場合には、当該第１電圧Ｖ１にて第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１の充電が行われる。モータ３が力行する電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１よりも低い電圧である場合には、当該第１電圧Ｖ１にて第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１の放電が行われる。この並列運転モードにおける充電電圧及び放電電圧は、モータ３の回生又は力行する電圧ＶＬに従属した値となる。
【００３３】
また、図５には、運転モードとして、バッテリ短絡時における第１スイッチＳＷ１，第２スイッチＳＷ２，第３スイッチＳＷ３の状態を示している。第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２とが同時にオン状態になると、第１バッテリ１０の短絡が発生してしまう。第１スイッチＳＷ１と第３スイッチＳＷ３とが同時にオン状態となると、第２バッテリ１１の短絡が発生してしまう。第１スイッチＳＷ１，第２スイッチＳＷ２，第３スイッチＳＷ３の全てがオン状態となると、第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１の短絡が発生してしまう。
【００３４】
図６に示す運転モードは、第１スイッチＳＷ１，第２スイッチＳＷ２，第３スイッチＳＷ３に対してＰＷＭ制御を行うものである。図５に示した運転モードとの相違は、第１バッテリ片側運転モードの場合、回生される電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２の間となるよう、第１スイッチＳＷ１をＰＷＭ制御する。また、第２バッテリ片側運転モードの場合、回生される電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２の間となるよう、第２スイッチＳＷ２をＰＷＭ制御する。更に、直列運転モードにおいて、要求される電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２の間となるよう、放電電圧を第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧とするよう第３スイッチＳＷ３をＰＷＭ制御する。また、並列運転モードにおいて、回生される電圧ＶＬが第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２の間となるよう、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をＰＷＭ制御する。このように、モータ３が回生又は力行するための電圧が、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧とするために、電力供給装置１は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３をＰＷＭ制御する中間電圧モードとする。
【００３５】
ＰＷＭ制御において、コントローラ１ａは、第１スイッチＳＷ１，第２スイッチＳＷ２，第３スイッチＳＷ３のデューティ比を制御する。コントローラ１ａは、インバータ２から回生される又はインバータ２に対して供給する第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧に応じてデューティ比を決定する。具体的には、各運転モードを切り替えて、充電電圧又は放電電圧を切り替えている期間に、大電流を防止するようにＰＷＭ制御を行う。また、直列運転モードにおける第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１の放電時に、インバータ２に対して適切な第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２の中間電圧を発生させるよう第３スイッチＳＷ３をＰＷＭ制御する。
【００３６】
［電力供給装置１の動作］
つぎに、上述した電力供給装置１の動作について説明する。なお、以下では、先ずモータ発電時の動作を説明し、その次に、モータ力行時の動作を説明する。
【００３７】
「モータ発電時の動作」
先ず、図５を参照して、モータ３が発電（回生）状態のとき、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第２電圧Ｖ２（高電圧）から第１電圧Ｖ１（低電圧）に切り替える場合について説明する。即ち、図４の直列接続状態から図３の並列接続状態に切り替える場合の各スイッチの動作状態と各部の電圧、電流状態の一例を説明する。
【００３８】
ただし、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の通過電流をＩとし、インバータ２から蓄電ユニット１ｂへの方向に流れる向きを正の方向とする。
【００３９】
図７に、モータ３の発電状態であり、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第２電圧Ｖ２から第１電圧Ｖ１に切り替える場合に、コントローラ１ａが実行するスイッチ切替制御のフローチャートを示す。ここで、モータ３が発電状態であるか否かは、例えば、電流センサ３０の電流検出値の符号やモータトルク指令値により判断される。
【００４０】
なお、モータ３が力行状態のときに出力電圧ＶＢＡＴを第２電圧Ｖ２から第１電圧Ｖ１に切り替えても、平滑コンデンサ４からモータ３側に電流は流れてインバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶが減少するため蓄電ユニット部１ｂ側の異常電流による問題は生じ難いので、モータ３が力行状態のとき本制御は行わなくてもよい。
【００４１】
ステップＳ１において、電力供給装置１は、電圧切替制御開始前の初期状態に設定されている。この電圧切替制御前の初期状態では（図８中のｔ−１〜ｔ０）、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２がオフ状態、第３スイッチＳＷ３がオン状態であり、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴ、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶはともに第２電圧Ｖ２である。このとき、モータ３の発電電力量をＰＶとすると、蓄電ユニット部１ｂに流れる電流Ｉは次式（１）で表される。
【数１】
2010178421.tif 000003
【００４２】
次のステップＳ２において、電圧切替制御の開始直後（図８中のｔ０）に、コントローラ１ａは、まず第３スイッチＳＷ３をオフ状態とし、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオン状態とする。このとき、コントローラ１ａは、当該スイッチの状態にする前に、全てのスイッチをオフとする空白期間を設けても良い。
【００４３】
この状態は、図５における並列運転モードである。そして、コントローラ１ａは、蓄電ユニット１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを次式（２）のように設定する（第１電圧出力手段）。
【数２】
2010178421.tif 000004
【００４４】
このとき、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは、次式（３）のようになる。
【数３】
2010178421.tif 000005
【００４５】
このため、ステップＳ２において、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間には、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴとインバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶとの差分の電位差がかかる。蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間に流れる電流Ｉは、当該電位差から次式（４）に応じて徐々に増加する。
【数４】
2010178421.tif 000006
【００４６】
ステップＳ４において、コントローラ１ａは、電流Ｉが予め指定された第１の所定値Ｉ１（第１切替電流）以上であるか否か判断する。電流Ｉが所定値Ｉ１より小さければ、ステップＳ３に戻る。電流Ｉが第１の所定値Ｉ１以上になったら、ステップＳ５に進み、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオフして、第３スイッチＳＷ３をオンする（図５中のｔ１）（第２電圧出力手段）。すると、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴは次式（５）となる。
【数５】
2010178421.tif 000007
【００４７】
インバータ２内の平滑コンデンサ４から電荷が引き出されているため、現時点でインバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは、次式（６）のように第２電圧Ｖ２以下となる。
【数６】
2010178421.tif 000008
【００４８】
そのため、ステップＳ６において、式（７）に示すような蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間にかかる電位差の関係から、電流Ｉは急にゼロにはならずに、次式に応じて徐々に減少する。
【数７】
2010178421.tif 000009
【００４９】
ステップＳ７において、コントローラ１ａは、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉが予め指定された第２の所定値Ｉ２（第２切替電流）以下であるか否か判断する。電流Ｉが第２の所定値Ｉ２より大きければ、ステップＳ６に戻る。電流Ｉが第２の所定値Ｉ２以下であれば、ステップＳ８に進む。
【００５０】
ステップＳ８において、コントローラ１ａは、電圧センサ４０により測定されるインバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶと第１電圧Ｖ１の電位差（ＶＩＮＶ−Ｖ１）が、予め指定された制御終了電位差ΔＶより大きいか否かを判断する。電位差（ＶＩＮＶ−Ｖ１）が制御終了電位差ΔＶより大きい場合、ステップＳ２に戻って、第３スイッチＳＷ３をオフ状態して、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオン状態とする（図８中のｔ２）。すると、再び（４）式の条件が成立するため、電流Ｉが徐々に増加する。
【００５１】
このように、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶと第１電圧Ｖ１との電位差が、制御終了電位差ΔＶより大きい間、即ち、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶが第１電圧Ｖ１付近の電圧になるまで、ステップＳ２からステップＳ７までの処理は、コントローラ１ａによって繰り返される。これにより、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは、第２電圧Ｖ２から徐々に降圧される。
【００５２】
このように、ステップＳ２からステップＳ７までの処理を繰り返すことは、第１電圧出力手段（Ｓ２）と第２電圧出力手段（Ｓ４）を交互に動作させ、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧を第１電圧と第２電圧との間で繰返し切り替える電圧切替手段を構成する。
【００５３】
一方、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶと第１電圧Ｖ１との電位差が、制御終了電位差ΔＶ以下の場合、コントローラ１ａは、ステップＳ９において、第３スイッチＳＷ３をオフ状態、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオン状態にして、制御を終了する（図８中のｔ３）。このようにして、モータ３の回生時に、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電圧を、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧に制御できる。これにより、電力供給装置１は、電圧切替時に発生する異常電流を抑制できる。
【００５４】
なお、上述した回生時の制御において、電圧切替制御中の時間平均の平均通過電流は、第１の所定値Ｉ１と第２の所定値Ｉ２により調整される。第１の所定値Ｉ１が増加するほど、平均通過電流が大きくなるため、平滑コンデンサ４から電荷が引き出されるスピードが早くなり、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは早く減少する。ただし、第１の所定値Ｉ１は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３に損傷が生じない値に制限される。
【００５５】
一方、第２の所定値Ｉ２が減少するほど、平均通過電流が小さくなるため、平滑コンデンサ４から電荷が引き出されるスピードが遅くなり、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは遅く減少する。平滑コンデンサ４から電荷が引き出されるようにするため、平均電流値（Ｉ１＋Ｉ２）／２は、式（１）の制御前の発電電力量ＰＶ／２Ｖ１より大きく設定される。また、第２の所定値Ｉ２は、制御終了後の発電電力量ＰＶ／第１電圧Ｖ１より小さいようなＰＶ／第１電圧Ｖ１付近の値に設定されてよい。また、制御終了電位差ΔＶの値は、例えば、第１電圧Ｖ１の値の０．１％から３０％に設定されてよい。
【００５６】
上記のように、通過電流が第１の所定値Ｉ１以上のとき蓄電ユニット部１ｂの出力電圧を第２電圧Ｖ２に切り替え、通過電流が第２の所定値Ｉ２以下のとき蓄電ユニットの出力電圧を第１電圧Ｖ１に切り替える。これにより、インバータ２から蓄電ユニット部１ｂへ流れる電流を制御でき、異常電流を抑制しつつ、電圧切替を行うことができる。また、第１の所定値Ｉ１と第２の所定値Ｉ２の大きさにより、電圧切替制御中の平均通過電流を任意に設定することができる。
【００５７】
「モータ力行時の動作」
つぎに、モータ３が力行状態であるときの電力供給装置１の動作について、図９及び図１０を参照して説明する。
【００５８】
モータ３が力行状態のときにおいて、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に切り替える場合、即ち、図３の並列接続状態から図４の直列接続状態に切り替える場合の各スイッチの動作状態と各部の電圧、電流状態の一例である。ただし、図８の場合と逆に、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉは、蓄電ユニット１ｂからインバータ２方向に流れる向きを正の方向とする。
【００５９】
なお、モータ３が充電（回生）状態のときに、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に切り替えても、モータ３側から平滑コンデンサ４に電流が流れて入力端子間電圧ＶＩＮＶが上昇するため蓄電ユニット部１ｂ側の異常電流による問題は生じ難いので、モータ３が充電状態のとき本制御は行わなくてもよい。
【００６０】
図９に、モータ３の力行状態で蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２に切り替える場合に、コントローラ１ａが実行するスイッチ切替制御のフローチャートを示す。なお、モータ３が力行状態であるか否かは、例えば、電流センサ３０の電流検出値の符号により判断される。
【００６１】
ステップＳ１１において、電力供給装置１は、電圧切替制御開始前の初期状態に設定されている。電圧切替制御前の初期状態では（図１０中ｔ−１〜ｔ０）、第３スイッチＳＷ３がオフ状態、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２がオン状態である。また、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴ、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは、ともに第１電圧Ｖ１である。このときモータ３の使用電力をＰＶとすると、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉは数式（８）で表される。
【数８】
2010178421.tif 000010
【００６２】
ステップＳ１２において、コントローラ１ａは、電圧切替制御の開始直後（図７中ｔ０）に、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオフ状態、及び第３スイッチＳＷ３をオン状態に切り替える。蓄電ユニット１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを次式（９）のように設定する。ここで、コントローラ１ａは、第３スイッチＳＷ３に対してＰＷＭ制御を行うことにより、出力電圧ＶＢＡＴとしての第２電圧Ｖ２を、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧に調整する。
【数９】
2010178421.tif 000011
【００６３】
このとき、コントローラ１ａは、第３スイッチＳＷ３をオン状態にする前に、全てのスイッチをオフとする空白期間を設けても良い。これにより、蓄電ユニット部１ｂが中間電圧を発生する際に、第１スイッチＳＷ１と第３スイッチＳＷ３、又は、第２スイッチＳＷ２と第３スイッチＳＷ３とが同時にオン状態となることを回避できる。これにより、バッテリの短絡が発生することを防止することができる。
【００６４】
このときインバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは、次式（１０）のようになる。
【数１０】
2010178421.tif 000012
【００６５】
このため、ステップＳ１３において、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間には、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴとインバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶとの差分の電位差がかかる。これにより、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉは、当該電位差から次式（１１）に応じて徐々に増加する。
【数１１】
2010178421.tif 000013
【００６６】
ステップＳ１４において、コントローラ１ａは、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉが予め指定された第１の所定値Ｉ１以上であるか否か判断する。電流Ｉが第１の所定値Ｉ１より小さければ、ステップＳ１３に戻る。電流Ｉが第１の所定値Ｉ１以上になったら、ステップＳ１５に進み、第３スイッチＳＷ３をオフ状態にし、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２をオン状態にする（図１０中のｔ１）。すると、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴは次式（１２）となる。ここで、コントローラ１ａは、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２に対してＰＷＭ制御を制御しても良い。
【数１２】
2010178421.tif 000014
【００６７】
インバータ２内の平滑コンデンサ４に電流が流れ込むため、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは、次式（１３）のように第１電圧Ｖ１以上となる。
【数１３】
2010178421.tif 000015
【００６８】
そのため、ステップＳ１６において、式（１４）に示すような、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間にかかる電位差から、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉは、急にゼロにはならずに次式に応じて徐々に減少する。
【数１４】
2010178421.tif 000016
【００６９】
ステップＳ１７において、コントローラ１ａは、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉが予め指定された第２の所定値Ｉ２以下であるか否か判断する。蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉが第２の所定値Ｉ２より大きければ、ステップＳ１６に戻る。蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉが第２の所定値Ｉ２以下であれば、ステップＳ１８に進む。
【００７０】
ステップＳ１８において、コントローラ１ａは、第２電圧Ｖ２とインバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶとの電位差（Ｖ２−ＶＩＮＶ）が、予め指定された制御終了電位差ΔＶより大きいか否かを判断する。当該電位差が制御終了電位差ΔＶより大きい場合、ステップＳ１２に戻って、コントローラ１ａは、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオフにして、第３スイッチＳＷ３をオンにする（図１０中のｔ２）。すると、再び（１１）式の条件が成立するため、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の電流Ｉが、徐々に増加する。
【００７１】
このように、電位差（Ｖ２−ＶＩＮＶ）が、制御終了電位差ΔＶより大きい間、即ち、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶが第２電圧Ｖ２付近の電圧になるまで、ステップＳ１２からステップＳ１７までの処理を繰り返す。これにより、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは、第１電圧Ｖ１から徐々に昇圧される。
【００７２】
一方、電位差（Ｖ２−ＶＩＮＶ）が、制御終了電位差ΔＶ以下の場合、ステップＳ１９において、コントローラ１ａは、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオフ状態、第３スイッチＳＷ３をオン状態にして制御を終了する（図１０中のｔ３）。このようにして、モータ３が力行時に異常電流を抑制しつつ、蓄電ユニット１ｂの出力電圧の電圧切替（第１電圧Ｖ１から第２電圧Ｖ２へ）を終了することができる。
【００７３】
ここで、コントローラ１ａは、昇圧後の第２電圧Ｖ２を、第１電圧Ｖ１よりも高い任意の中間電圧にできる。この場合、コントローラ１ａが第３スイッチＳＷ３に対してＰＷＭ制御を行うことにより、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶを、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧に調整させる。これにより、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴが第２電圧Ｖ２に上昇した後において、コントローラ１ａは、蓄電ユニット部１ｂからインバータ２に対して供給する電圧を任意の中間電圧にできる。
【００７４】
その後、コントローラ１ａは、昇圧後の中間電圧を維持するためには、直列運転モードとした状態で、第３スイッチＳＷ３に対するＰＷＭ制御を継続する。すなわち、図１１に示すように、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶが第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧となるようにデューティ比を調整して、第３スイッチＳＷ３に対してＰＷＭ制御を行う。
【００７５】
なお、電圧切替制御中の時間平均の平均通過電流は、第１の所定値Ｉ１と第２の所定値Ｉ２により調整される。第１の所定値Ｉ１が増加するほど、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の平均通過電流が大きくなるため、平滑コンデンサ４が充電されるスピードが早くなり、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは早く増加する。ただし、第１の所定値Ｉ１は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３に損傷が生じない値に制限される。
【００７６】
一方、第２の所定値Ｉ２が減少するほど、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間のお平均通過電流が小さくなるため、平滑コンデンサ４が充電されるスピードが遅くなり、インバータ２の入力端子間電圧ＶＩＮＶは遅く減少する。第１の所定値Ｉ１は、式（８）の制御前の電流（ＰＶ／Ｖ１）より大きく設定されてよい。第２の所定値Ｉ２は、制御終了後の電流（ＰＶ／２Ｖ１）より小さいようなＰＶ／２Ｖ１付近の値に設定されてよい。また、制御終了電位差ΔＶの値は、例えば、第１電圧Ｖ１の値の０．１％から３０％に設定されてよい。
【００７７】
上記のように、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の通過電流が第１の所定値Ｉ１以上のとき、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第１電圧Ｖ１に切り替え、電流Ｉが第２の所定値Ｉ２以下のとき、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧ＶＢＡＴを第２電圧Ｖ２に切り替える。これにより、負荷部（インバータ２及びモータ３）へ蓄電ユニット部１ｂから流れる電流を制御できるため、異常電流を抑制しつつ、電圧切替を行うことができる。
【００７８】
また、第１の所定値Ｉ１と第２の所定値Ｉ２の大きさにより、電圧切替制御中の蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間の平均通過電流を任意に設定することができる。
【００７９】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明の実施形態として示した電力供給装置１によれば、蓄電ユニット部１ｂの出力電圧を第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧にする時に、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をパルス幅制御（ＰＷＭ制御）する状態と、第３スイッチＳＷ３をパルス幅制御（ＰＷＭ制御）する状態とを交互に繰り返す。これにより、電力供給装置１によれば、第１バッテリ１０及び第２バッテリ１１の放電時における電圧を、過大な電圧ではなく第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との中間電圧に制御できる。したがって、この電力供給装置１によれば、適切な電力を蓄電ユニット部１ｂから出力して負荷を駆動することができる。
【００８０】
また、この電力供給装置１によれば、充電時及び放電時の電圧を中間電圧に調整できるので、蓄電ユニット部１ｂとインバータ２との間にリアクトルやリレーを設けることなく、コスト低減を図ることができる。
【００８１】
更に、この電力供給装置１によれば、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をパルス幅制御する期間と、第３スイッチＳＷ３をパルス幅制御する期間との間に、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２と、第３スイッチＳＷ３とが全てオフ状態となる空白期間を設けている。これにより、バッテリの短絡が発生することを防止することができる。
【００８２】
更にまた、この電力供給装置１によれば、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２とをオフ状態にした状態で、第１バッテリ１０と第２バッテリ１１とを直列に接続させて放電している場合に、第３スイッチＳＷ３をパルス幅制御（ＰＷＭ制御）する。これにより、インバータ２に対して必要な電力を供給できるので、インバータ２における電力変換効率を向上できる。
【００８３】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００８４】
１  電力供給装置
１ａ  コントローラ
１ｂ  蓄電ユニット
１ｂ  蓄電ユニット部
２  インバータ
３  モータ
４  平滑コンデンサ
１０  第１バッテリ
１１  第２バッテリ
１３  半導体スイッチング素子
１４  逆並列ダイオード
２０  インバータ駆動回路
３０  電流センサ
４０  電圧センサ
５０  電圧センサ
ＳＷ  スイッチ
【図１】
2010178421.tif 000017
【図２】
2010178421.tif 000018
【図３】
2010178421.tif 000019
【図４】
2010178421.tif 000020
【図５】
2010178421.tif 000021
【図６】
2010178421.tif 000022
【図７】
2010178421.tif 000023
【図８】
2010178421.tif 000024
【図９】
2010178421.tif 000025
【図１０】
2010178421.tif 000026
【図１１】
2010178421.tif 000027