(57)【要約】【課題】構成部品の修理・交換時に出力停止を防止し、オン／オフ運転する発電機の大容量化を必要としない電源装置を実現する。【解決手段】発電機で発生させた交流電力を、充電器で交流電力から直流電力に変換する。充電器から第１経路を介して第１の蓄電池に充電する。充電器から第２経路を介して第２蓄電池に充電する。負荷は、発電機から直接給電を受けるとともに、必要に応じ前記第１および第２蓄電池の少なくも一方から給電を受けるようにした。そして、発電機と充電器との間に高調波をフィルタリングする高調波フィルタを設置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を発生する発電機と、
前記交流電力を整流し、直流電力に変換する充電器と、
前記充電器から第１経路を介して充電し、第２経路を介して給電する第１蓄電池と、
前記充電器から第３経路を介して充電し、第４経路を介して給電する第２蓄電池と、
前記第１〜第４経路を切り換え、前記第１および第２蓄電池の充電と給電を選択可能なスイッチング手段と、
前記スイッチング手段の出力に接続し給電を受ける負荷と、
前記発電機と前記充電器との間に設置した高調波をフィルタリングする高調波フィルタと、を備えた電源装置。
【請求項２】
前記スイッチング手段は、前記第１経路上に設置した第１スイッチと、前記第２経路上に設置した第２スイッチと、前記第３経路上に設置した第３スイッチと、前記第４経路上に設置した第４スイッチと、から構成した、請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記発電機１１と前記高調波フィルタ間に設置した第４スイッチと、前記スイッチング手段と前記負荷間に設置した第５スイッチと、前記発電機および前記第４スイッチとの接続点と第６スイッチおよび前記負荷との接続点に設置した第７のスイッチと、を備えた請求項２記載の電源装置。
【請求項４】
前記負荷が交流の場合は、前記スイッチング手段と前記負荷との間に、直流を交流に変換するＤＣ／ＡＣインバータを設置した、請求項１〜３のいずれか一項記載の電源装置。
【請求項５】
前記第７のスイッチのオン時に、前記第５スイッチと前記第６スイッチ間の構成部品を修理・交換可能とした、請求項３記載の電源装置。
【請求項６】
前記第１蓄電池あるいは前記第２蓄電池の交換時の前記スイッチング手段は、交換側の蓄電池の電位と非交換側の蓄電池の互いの電位が等しくなったところで、交換側の蓄電池による電力供給を可能とした、請求項１〜５のいずれか一項記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、商用電源が使用できない状態下での電源の効率的な充電を可能とする電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電機、ＡＣ／ＤＣコンバータ（充電器）、蓄電池（キャパシタ蓄電装置）およびＤＣ／ＡＣインバータで構成されたハイブリッド電源装置が提案されている。
【０００３】
しかしながら、充電器、蓄電池、ＤＣ／ＡＣインバータなどの構成部品が故障し、これらを修理あるいは交換するときは一旦、出力を停止する必要があり、信頼性が劣ってしまう、という課題があった。
【０００４】
また、充電器等の電子機器は交流電力を直流電力に変換する整流素子が内蔵されている。整流素子を使用すると電流は正弦波にならずに高調波を含んだ電流波形になると、界磁巻線、制動巻線に高調波電流が誘起し、加熱現象が発生し最悪の場合、焼損事故を起こす恐れがある。これを防止するために出力の電力に対して５〜６倍の発電機容量が必要になり、発電機をオン／オフ運転しても発電機の容量を大きくしなければならず、燃費の改善を妨げる、という課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１８６６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明が解決しようとする課題は、電源装置の構成部品の修理あるいは交換時に出力停止を防止し、オン／オフ運転する発電機の大容量化を必要としない電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の電源装置は、交流電力を発生する発電機と、前記交流電力を整流し、直流電力に変換する充電器と、前記充電器から第１経路を介して充電し、第２経路を介して給電する第１蓄電池と、前記充電器から第３経路を介して充電し、第４経路を介して給電する第２蓄電池と、前記第１〜第４経路を切り換え、前記第１および第２蓄電池の充電と給電を選択可能なスイッチング手段と、前記スイッチング手段の出力に接続し給電を受ける負荷と、前記発電機と前記充電器との間に設置した高調波をフィルタリングする高調波フィルタと、を備えた。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】電源装置にかかる一実施形態について説明するための構成図である。
【図２】図１の各モード時における制御信号について説明するための図である。
【図３】発電機の動作モード時における各スイッチの切り換え状態を示す図である。
【図４】発電機の停止モード時における各スイッチの切り換え状態を示す図である。
【図５】構成部品の交換モード時における各スイッチの切り換え状態を示す図である。
【図６】第２蓄電池の故障または交換モード時における各スイッチの切り換え状態を示す図である。
【図７】第２蓄電池が故障または交換モード時における各スイッチの切り換え状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図１は、電源装置にかかる一実施形態について説明するための構成図を示す。この実施形態の電源装置は、例えば車両に搭載される発電機から効率的に蓄電池へ充電を可能とするものである。
【００１１】
電源装置は、発電機１１、高調波フィルタ１２、充電器１３、第１蓄電池１４、第２蓄電池１５、ＤＣ／ＡＣインバータ１６、それに第１〜第７スイッチとしてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ７、制御回路１８、負荷１７から構成されている。
【００１２】
なお、スイッチＳＷ５〜ＳＷ７は、第１蓄電池１４と第２蓄電池１５の交換時に支障なく切り換えるスイッチング手段を構成している。また、第１蓄電池１４、スイッチＳＷ４，ＳＷ５または第２蓄電池１５、スイッチＳＷ６，ＳＷ７の組み合わせの回路は、２通りであるが、これ以上の構成にしても構わない。回路保護のため、ヒューズブレーカを挿入しても構わない。
【００１３】
発電機１１は、例えばエンジンを動力として発電モータを回転させ、発電モータから交流電力を発生する。この交流電力は、第１蓄電池１４、第２蓄電池１５に充電するための電源となる。発電機１１は単相、３相のどちらでも構わない。
【００１４】
高調波フィルタ１２は、後段の充電器１３に使用される整流素子等の部品に起因する高調波を含んだ電流波形の高調波電流を低減するフィルタである。高調波フィルタ１２は、充電器１３の出力電流の高調波を低減して正弦波の電流波形にし、発電機１１の発電容量を抑える役目を果たす。なお、高調波フィルタ１２は、ＡＣリアクトル、ＤＣリアクトル等の受動部品でも多相整流回路、ＰＷＭ整流等の能動部品でも構わない。
【００１５】
充電器１３は、交流電力を充電用の直流電力に変換するもので、電力変換する機能を備えている。
【００１６】
第１蓄電池１４および第２蓄電池１５は、例えば自動車用として多用されているリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池等が考えられる。他に充電できるタイプの電池であれば何でも構わない。
【００１７】
ＤＣ／ＡＣインバータ１６は、高電圧バッテリ１０の直流電力を交流電力に変換（ＤＣ／ＡＣに変換）する。
【００１８】
負荷１７としては、例えばハイブリッド車で多用される交流モータである場合は交流負荷である。
【００１９】
スイッチＳＷ１〜ＳＷ７は、リレー等の機械的なスイッチでも構わないが、制御回路１８が生成する制御信号Ｓ１〜Ｓ７に基づきオン・オフする、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の電子的なスイッチング素子を用いる。
【００２０】
制御回路１８は、図示しない操作入力部などの操作に基づいて、車両における様々な処理を実行する。制御回路１８は、メインメモリに記憶されているプログラムを実行することにより、これらの機能を実現して処理を実行する。制御回路１８には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や、ＣＰＵと同等の演算処理を実行可能なＭＰＵ（Micro Processing Unit）などを用いることができる。また、車両の電源装置の制御の他に、車両が備える機能の一部または全部を、プロセッサとしてのＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）が実現してもよい。
【００２１】
以下、図２〜図７を参照し、図１の動作について説明する。図２は、図３〜図７における各動作モード時に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７をオン・オフする制御回路１８から出力される制御信号Ｓ１〜Ｓ７を示す。スイッチＳＷ１〜ＳＷ７は、制御信号がＨレベルのときにオン、Ｌレベルのときにオフするものとする。
【００２２】
図３は、発電機１１の動作モード時におけるスイッチＳＷ１〜ＳＷ７の切り換え状態を示す。この状態のときの発電機１１の出力は、スイッチＳＷ２、高調波フィルタ１２、充電器１３、スイッチＳＷ４，ＳＷ６を介して第１蓄電池１４および第２蓄電池１５に充電されている。同時に、発電機１１の出力は、第１蓄電池１４および第２蓄電池１５からスイッチＳＷ５，ＳＷ７を介してＤＣ／ＡＣインバータ１６、スイッチＳＷ３を介して負荷１７に供給されている。
【００２３】
図４は、発電機１１の停止モード時におけるスイッチＳＷ１〜ＳＷ７の切り換え状態を示す。
【００２４】
このとき第１蓄電池１４および第２蓄電池１５は、充電状態にはない。第１蓄電池１４および第２蓄電池１５は、スイッチＳＷ５，ＳＷ７を介してＤＣ／ＡＣインバータ１６、スイッチＳＷ３を介して負荷１７に給電している。
【００２５】
図５は、高調波フィルタ１２、充電器１３、ＤＣ／ＡＣインバータ１６の構成部品のうち、少なくとも１構成部品を交換する交換モード時におけるスイッチＳＷ１〜ＳＷ７の切り換え状態を示す。
【００２６】
この交換モード時は、スイッチＳＷ２〜ＳＷ７を全てオフすることにより、高調波フィルタ１２、充電器１３、ＤＣ／ＡＣインバータ１６は、活線の状態でない。このため、第１および第２蓄電池１４，１５の交換作業が可能となる。また、交換作業中は、スイッチＳＷ１をオンすることにより、発電機１１からスイッチＳＷ１を介して負荷１７に給電することができる。
【００２７】
図６は、第２蓄電池１５の電位Ｖ２が第１蓄電池１４の電位Ｖ１より高い（Ｖ２＞Ｖ１）関係にある、例えば第２蓄電池１５の交換モード時におけるスイッチＳＷ１〜ＳＷ７の切り換え状態を示す。
【００２８】
第２蓄電池１５の交換モード時は、スイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５をオンし、スイッチＳＷ６，ＳＷ７をオフする。第２蓄電池１５は、充電器１３から切り離され、交換作業が可能となる。第１蓄電池１４の充電は、スイッチＳＷ２、高調波フィルタ１２、充電器１３、第１経路としてのスイッチＳＷ４を介して充電器１３より行われる。負荷１７への給電は、第１蓄電池１４より、第２経路としてのスイッチＳＷ５、ＤＣ／ＡＣインバータ１６、スイッチＳＷ３を介して行われる。
【００２９】
このように、第２蓄電池１５が切り離された状態でも負荷１７に給電が可能となる。第２蓄電池１５の交換後は、第１蓄電池１４との電位差が発生するため、そのまま接続すると、第２蓄電池１４から第１蓄電池１４に過大な電流が流れてしまう。この結果、スイッチＳＷ４，ＳＷ５が故障してしまうおそれがある。
【００３０】
これを避けるために、第２蓄電池１５の電位Ｖ２が第１蓄電池１４の電位Ｖ１より高い（Ｖ２＞Ｖ１）場合は、図６のスイッチＳＷ２〜ＳＷ７の切り換えの状態を維持する。第１蓄電池１４には、スイッチＳＷ４を介して充電が行われ次第に電位が上昇する。制御回路１７は、第１蓄電池１４の電位Ｖ１の情報と第２蓄電池１５の電位Ｖ２の情報に基づき、電位Ｖ１とＶ２の差を演算する。制御回路１７は、電位Ｖ１，Ｖ２が等しくなったと判断した場合は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７の切り換えを、図３または図４の状態に切り換える。これにより、過大な電流が流れることなく第２蓄電池１５を、支障なく復帰させることができる。
【００３１】
ただし、充電電力をＰｉｎ［Ｗ］、負荷電力Ｐｏｕｔ［Ｗ］、ＤＣ／ＡＣインバータ１６の効率をηとすると、Ｐｉｎ＞Ｐｏｕｔ／ηの関係式を成立させる必要がある。
【００３２】
図７は、第２蓄電池１５が故障または交換モード時において、交換する第２蓄電池１５の電位Ｖ２が第１蓄電池１４の電位Ｖ１より低い（Ｖ２＜Ｖ１）関係にある場合におけるスイッチＳＷ１〜ＳＷ７の切り換え状態を示す。
【００３３】
第１蓄電池１４は、スイッチＳＷ５、ＤＣ／ＡＣインバータ１６、スイッチＳＷ３を介して負荷１７に電力を供給する。これにより、第１蓄電池１４の電位Ｖ１は低下する。
【００３４】
発電機１１は、スイッチＳＷ２、高調波フィルタ１２、充電器１３、スイッチＳＷ６を介して第２蓄電池１５に電力を供給する。これにより、第２蓄電池１５の電位Ｖ２は上昇する。
【００３５】
制御回路１７は、第１蓄電池１４の電位Ｖ１の情報と第２蓄電池１５の電位Ｖ２の情報に基づき、電位Ｖ１とＶ２の差を演算する。制御回路１７は、電位Ｖ１，Ｖ２が等しくなったと判断した場合は、スイッチＳＷ７をオン、スイッチ６をオフし、図４の状態に切り換える。または、スイッチＳＷ４をオンし、スイッチＳＷ７をオンし、図３の状態に切り換える。
【００３６】
これにより、過大な電流が流れることなく第２蓄電池１５を、支障なく復帰させることができる。
【００３７】
同じようにして、第１蓄電池１４が故障または交換する場合は、スイッチＳＷ６をスイッチＳＷ４とし、スイッチＳＷ７をスイッチＳＷ５とする制御を行うことにより、交換することが可能となる。
【００３８】
この実施形態の発電機、充電器、蓄電池およびＤＣ／ＡＣインバータで構成された電源装置では、発電機と充電器の間に高調波フィルタを挿入することにより、発電機の損失を抑え、負荷に対する発電容量の低減させることができる。
【００３９】
また、発電機の出力側とＤＣ／ＡＣインバータの出力側間にスイッチを介して接続することにより、充電器または発電機の故障時にそのスイッチをオンさせて発電機を直接負荷に接続することにより、停止時間を短時間に済ませることが可能となる。
【００４０】
さらに、蓄電池と充電器、蓄電池とＤＣ／ＡＣインバータ間にスイッチを設けることにより、蓄電池の故障時または交換時に出力を停止することなく、蓄電池の交換修理が可能となる。
【００４１】
上記の実施形態では、負荷を交流モータとしたが、直流負荷である直流モータとしても構わない。直流負荷を用いた場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ１６は不要となる。
【００４２】
また、高周波フィルタ１２としては、絶縁トランスを用い、この絶縁トランスに高周波フィルタの機能を持たせることも考えられる。具体的には、発電機１１の出力を昇圧あるいは降圧するために、充電器１３の構成部品として一次巻き線と二次巻き線の間にシールドを施したり、巻き線を分離したりした絶縁トランスを用いることで実現することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１１  発電機
１２  高調波フィルタ
１３  充電器
１４  第１蓄電池
１５  第２蓄電池
１６  ＤＣ／ＡＣインバータ
１７  負荷
１８  制御回路
ＳＷ１〜ＳＷ７  スイッチ
Ｓ１〜Ｓ７  制御信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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