(57)【要約】【課題】電圧変換部の動作時においてインダクタ電流が不連続モードとなるときのノイズの発生を回避し、ＥＭＩによる他の電子機器類への悪影響を排除した電源装置を提供すること。【解決手段】発電機からの出力をインダクタを有する電圧変換部を介して負荷に供給する第１の電力供給経路と、蓄電部からの出力を前記電圧変換部を介さずに前記負荷に供給する第２の電力供給経路と、電流検出部と、前記第１の電力供給経路と前記第２の電力供給経路とを切り替える制御部とを有し、前記電流検出部は、前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出し、前記制御部は、前記電流検出部が前記スイッチング周期内でゼロ以下となる前記インダクタ電流を検出しなかったときに前記第１の電力供給経路に切り替え、前記電流検出部が前記スイッチング周期内でゼロ以下となる前記インダクタ電流を検出したときに前記第２の電力供給経路に切り替える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機からの出力を電圧変換部を介して負荷に供給する第１の電力供給経路と、
蓄電部からの出力を前記電圧変換部を介さずに前記負荷に供給する第２の電力供給経路と、
電流検出部と、
前記第１の電力供給経路と前記第２の電力供給経路とを切り替える制御部とを有し、
前記電圧変換部は、前記発電機からの出力をチャージあるいは放出するインダクタと、前記インダクタに前記発電機からの出力をチャージするチャージ状態と前記エネルギーを前記負荷に放出する放出状態とに切り替えるスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子をスイッチング周期内で切り替えることにより電圧変換部の出力電圧の制御を行い、
前記電流検出部は、前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出し、
前記制御部は、前記チャージ状態と前記放出状態との合計時間が前記スイッチング周期を満たすときに前記第１の電力供給経路に切り替え、前記チャージ状態と前記放出状態との合計時間が前記スイッチング周期に満たないときに前記第２の電力供給経路に切り替えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記電流検出部が前記スイッチング周期内でゼロ以下となる前記インダクタ電流を検出しなかったときに前記第１の電力供給経路に切り替え、
前記電流検出部が前記スイッチング周期内でゼロ以下となる前記インダクタ電流を検出したときに前記第２の電力供給経路に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記発電機は、燃料電池であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記発電機と前記蓄電部のうち電力残容量が多いいずれか一方と接続している、前記第１の電力供給経路または前記第２の電力供給経路のいずれか一方を、起動初期において負荷へ電力を供給する優先経路として決定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機と入力電圧を昇圧または降圧して出力する電圧変換部と蓄電部を有する電源装置に関し、特にＥＭＩによる他の電子機器類への悪影響を排除するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機から供給される入力電圧を所定の出力電圧となるように昇圧または降圧する一般的な電圧変換部の概略図を図２に示す。
【０００３】
電圧変換部１０３において設定された出力電圧Ｖｏよりも発電機１００からの入力電圧Ｖｉの方が高い場合には、制御回路２０８は、ＭＯＳ−ＦＥＴである第２切替スイッチ２０４を非導通状態とする。また、制御回路２０８は、ＭＯＳ−ＦＥＴである第１切替スイッチ２０１を所定の周期内で導通状態と非導通状態になるようにスイッチング動作をさせることによって入力電圧を降圧して出力する。
【０００４】
電圧変換部１０３において設定された出力電圧Ｖｏよりも発電機１００からの入力電圧Ｖｉの方が低い場合には、制御回路２０８は、第１切替スイッチ２０１を導通状態とする。また、制御回路２０８は、第２切替スイッチ２０４を所定の周期内で導通状態と非導通状態になるようにスイッチング動作をさせることによって入力電圧を昇圧して出力する。
【０００５】
先に述べた、電圧変換部１０３の昇圧、降圧の際の電流の流れには、連続モードと、不連続モードとが存在する。
【０００６】
連続モードとは、電圧変換部１０３が昇圧する際も降圧する際も、負荷２１０の消費電流が大きい場合、図３（Ａ）に示す通り、発電機１００から電圧変換部１０３へ入力される電流が十分であり、インダクタ２０３に十分なエネルギーが蓄えられ、それぞれのスイッチが周期的にスイッチング動作をしている際において、降圧時では第１切替スイッチ２０１が非導通状態、昇圧時では第２切替スイッチ２０４が非導通状態のときに、チャージ状態と前記放出状態との合計時間が前記スイッチング周期を満たす場合、つまりインダクタ２０３から負荷２１０の方へ流れる電流がゼロより大きくなる場合に、インダクタ電流が連続となることである。
【０００７】
不連続モードとは、電圧変換部１０３が昇圧する際も降圧する際も、負荷２１０の消費電流が小さい場合、図３に示す通り、発電機１００から電圧変換部１０３へ入力される電流が少なくなり、インダクタ２０３に十分なエネルギーが蓄えられず、それぞれのスイッチが周期的にスイッチング動作をしている際において、降圧時では第１切替スイッチ２０１が非導通状態、昇圧時では第２切替スイッチ２０４が非導通状態のときに、チャージ状態と前記放出状態との合計時間が前記スイッチング周期を満たさない場合、つまりインダクタ２０３から負荷２１０の方へ流れる電流がゼロ以下となる場合に、インダクタ電流が不連続となることである。この不連続モードとなる場合、負荷２１０の消費電流が減少し、インダクタ電流が不連続となるとインダクタが開放状態となり、スイッチング素子に高周波のリンギング（波打った波形）が発生することによってＥＭＩ（電磁妨害）が生じる恐れがある。
【０００８】
そこで、インダクタ電流を検出し、複数のインダクタの直列接続数を制御してインダクタ値を可変とし、インダクタ電流が不連続とならないようにする方法が知られている。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１０９５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の技術では複数のインダクタとそれらを接続するためのスイッチが必要となるため、回路が大型化してしまう問題があるだけでなく、インダクタの接続時にノイズが発生する恐れもある。
【００１１】
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであり、電圧変換部の動作時においてインダクタ電流が不連続モードとなるときのノイズの発生を回避し、ＥＭＩによる他の電子機器類への悪影響を排除し、負荷へ電力を安定的に供給する電源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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、発電機からの出力を電圧変換部を介して負荷に供給する第１の電力供給経路と、蓄電部からの出力を電圧変換部を介さずに負荷に供給する第２の電力供給経路と、電流検出部と、第１の電力供給経路と第２の電力供給経路とを切り替える制御部とを有し、電圧変換部は、発電機からの出力をチャージあるいは放出するインダクタと、インダクタに発電機からの出力をチャージするチャージ状態とエネルギーを負荷に放出する放出状態とに切り替えるスイッチング素子とを有し、スイッチング素子をスイッチング周期内で切り替えることにより電圧変換部の出力電圧の制御を行い、電流検出部は、インダクタに流れるインダクタ電流を検出し、制御部は、チャージ状態と放出状態との合計時間がスイッチング周期を満たすときに第１の電力供給経路に切り替え、チャージ状態と放出状態との合計時間がスイッチング周期に満たないときに第２の電力供給経路に切り替えることを要旨とする。
【００１３】
かかる特徴によれば、電圧変換部のインダクタ電流が不連続モードとなる場合は、インダクタを備える電圧変換部を介さない第２の電力供給路に切り替えて負荷へ電力を供給することで、インダクタ電流が不連続モードの場合に発生するノイズを防ぐことできる。
【００１４】
本発明の第２の特徴は、制御部は、電流検出部がスイッチング周期内でゼロ以下となるインダクタ電流を検出しなかったときに第１の電力供給経路に切り替え、電流検出部がスイッチング周期内でゼロ以下となるインダクタ電流を検出したときに第２の電力供給経路に切り替えることを要旨とする。
【００１５】
かかる特徴によれば、電流検出部により検出されたインダクタ電流の値に応じて供給経路を切り替えることで、正確で素早く供給経路を切り替えることが可能となる。
【００１６】
本発明の第３の特徴は、発電機が燃料電池であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、ノイズの発生を抑えることで、燃料電池へのノイズの回り込みを防ぎ、燃料電池へ不慮の過電圧の印加を阻止し、燃料電池を構成する部材、例えば触媒や電解質膜や触媒担体などの劣化を回避することができ、電源としての信頼性の向上させ、燃料の供給がある限り安定した電力を供給することが可能となる。
【００１７】
本発明の第４の特徴は、制御部は、発電機と蓄電部のうち電力残容量が多いいずれか一方と接続している経路を始めに負荷へ電力を供給する優先経路として決定することを要旨とする。
かかる特徴によれば、負荷への電力の供給の初期状態においても、確実かつ安定的に負荷へ電力を供給することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電圧変換部の動作時においてインダクタ電流が不連続モードとなるときのノイズの発生を回避し、ＥＭＩによる他の電子機器類への悪影響を排除し、負荷へ電力を安定的に供給する電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る電源装置の概略構成図である。
【図２】電源装置に用いられる電圧変換部の概略構成図である。
【図３】電圧変換部の昇圧時におけるインダクタ電流の状態波形一つの例の概念図である。
【図４】電圧変換部の昇圧時におけるインダクタ電流の状態波形一つの例の概念図である。
【図５】本発明に係る電源装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における電源装置の例を示す。
【００２１】
図１に示すように、電源装置１０は、電圧を発生する発電機１００、発電機１００の電力供給を切り替える第１の切替部１０２，発電機１００から入力された電圧を所定の定電圧に変換する電圧変換部１０３、充放電が可能な蓄電部１０６、蓄電部１０６の出力を切り替える第２の切替部１０９、電圧変換部１０３の電流検出値を基に第１の切替部１０２及び第２の切替部１０９及び充電制御部１１１の動作を制御する制御部１１０が接続されている。発電機１００からの出力を電圧変換部１０３を介して負荷に供給する経路を第１の電力供給経路とし、蓄電部からの出力を前記電圧変換部を介さずに前記負荷に供給する第２の電力供給経路とする。
【００２２】
ここで、発電機１００に水素を燃料とするＰＥＦＣタイプの標準出力が６Ｖ・１Ａ、燃料タンクの容量は電力量換算で１２Ｗｈである燃料電池を用いた。ＰＥＦＣのほかにメタノール−酸素を燃料とするＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール形燃料電池）の他に、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）、ＰＡＦＣ（リン酸形燃料電池）等を用いることができる。また、燃料電池の他に太陽電池等の物理電池等の発電機を使用することができる。また、インバータを介すことで交流発電機を発電機として用いることも可能である。
【００２３】
蓄電部１０６には公称電圧３．７Ｖ，容量が２００ｍＡｈのリチウムイオン二次電池を用いた。蓄電部は、鉛蓄電池やニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等に代表される繰り返し充放電が可能な二次電池や、コンデンサやキャパシタや電気二重層コンデンサ等の電圧の印加によって電荷・静電エネルギーを蓄え電気容量を得る蓄電器を用いることが可能である。負荷１１２の動作電圧や最低動作電圧や負荷特性等によって、適切な二次電池あるいは蓄電器の種類を選択し、必要に応じて二次電池あるいは蓄電器を直列接続し負荷１１２へ供給する電圧を調整することができる。
【００２４】
第１の切替部１０２及び第２の切替部１０９にはそれぞれＮｃｈのＭＯＳ−ＦＥＴを用いた。
図２は、電圧を発生する発電機１００、発電機１００から入力された電圧を所定の定電圧に変換する電圧変換部１０３、電圧変換部１０３から電圧を入力される負荷２１０を示す。
【００２５】
電圧変換部１０３は、発電機１００から入力された入力電圧Ｖｉを昇圧又は降圧して所定の定電圧に変換し、電圧変換部１０３の出力電圧Ｖｏとして負荷２１０へ電力を出力する。
【００２６】
電圧変換部１０３の構成及び動作について、以下具体的に説明する。
電圧変換部１０３は、インダクタ素子２０３と、発電機１００とインダクタ素子２０３の入力端子とを導通状態と非導通状態とのいずれかの状態に切り替えられる第１切替スイッチ２０１と、インダクタ素子２０３の出力端と第１接地端子とを導通する第２切替スイッチ２０４と、ダイオード２０２と、ダイオード２０５と、第１切替スイッチ２０１と第２切替スイッチとの導通状態を制御する制御回路２０８と、インダクタ素子２０３のインダクタ電流を検出する電流検出部２０９とを備える。
【００２７】
発電機１００からインダクタ２０３に入力された入力電圧Ｖｉは、制御回路２０８がＰＷＭの変調方式に基づいて第１切替スイッチ２０１或いは第２切替スイッチ２０４を所定周期Ｔの期間内で導通及び非導通状態に切り替えるスイッチング制御をすることで、所望の電圧変換部１０３の出力電圧Ｖｏとして負荷２１０へ電力を出力する。
【００２８】
第１切替スイッチ２０１及び第２切替スイッチ２０４に用いるスイッチング素子は、制御回路２０８からの制御信号によって導通及び非導通状態をスイッチングできれば良く、導通時の抵抗が低く、導通及び非導通状態の切替が早いものが好ましい。本実施の形態ではＭＯＳ−ＦＥＴを使用した。
【００２９】
出力電圧Ｖｏの設定は、抵抗分割回路２０６の抵抗比によって設定することが可能で、ここでは４．０Ｖに設定した。制御回路２０８は、スイッチングレギュレータ方式で昇降圧が可能な電源ＩＣを用いた。
【００３０】
図１と図２と図３用いて、本発明の第１の実施の形態における電源装置の動作について具体的に説明する。
図３は、インダクタ２０３の連続モード及び不連続モードにおけるインダクタ電流を示す。
【００３１】
図３（Ａ）には、連続モード時のインダクタ電流を示す。インダクタ２０３のチャージ状態と放出状態との合計時間がスイッチング周期である所定周期Ｔを満たす場合、すなわち電流検出部２０９で検出したインダクタ電流がスイッチング周期である所定周期Ｔ中でゼロ以下とならない場合、図１の制御部１１０は第１の切り替え部１０２を導通状態とし、第２の切り替え部１０９を非導通状態とする信号を送信する。その結果、発電機１００からの出力を電圧変換部１０３を介して負荷に供給する第１の電力供給経路が選択される。
【００３２】
また、図３（Ｂ）には、不連続モード時のインダクタ電流を示す。インダクタ２０３のチャージ状態と放出状態との合計時間がスイッチング周期である所定周期Ｔに満たない場合、すなわち電流検出部２０９で検出したインダクタ電流がスイッチング周期である所定周期Ｔ中でゼロ以下となる場合、図１の制御部１１０は第１の切り替え部１０２を非導通状態とし、第２の切り替え部１０９を導通状態とする信号を送信する。その結果、蓄電部１０６からの出力を電圧変換部１０３を介さずに前記負荷に供給する第２の電力供給経路が選択される。
【００３３】
図４を用いて、インダクタ電流が所定周期Ｔ中でゼロより大きいか否かの具体的な判断方法を示す。また、電圧変換部１０３の電流検出部２０９は、インダクタ２０３と直列に連結しており、図４に示したとおり、
図４（Ａ）には、連続モード時のインダクタ電流を示す。（Ａ）では、インダクタ電流の変動の平均値と、インダクタ電流のピーク値の半分の値を比較すると、インダクタ電流の変動の平均値の方が高い。このとき制御部１１０は、第１の切替部１０２を導通状態として負荷への電力供給を第１の電力供給路を用い、第２の切替部１０９を不導通状態とする。
【００３４】
図４（Ｂ）、（Ｃ）には、連続モード時のインダクタ電流を示す。インダクタ電流の変動の平均値と、インダクタ電流のピーク値の半分の値を比較すると、（Ｂ）では、インダクタ電流の変動の平均値と、インダクタ電流のピーク値の半分の値は等しい。（Ｃ）では、インダクタ電流の変動の平均値は、インダクタ電流のピーク値の半分の値よりも小さい。このときに制御部１１０は、第２の切替部１０９を導通状態として負荷への電力供給を第２の電力供給路を用い、第１の切替部１０２を不導通状態とする。
【００３５】
また、図５の構成を用いて、電源装置１０の起動初期において、電力供給経路を決定する方法について説明する。なお、電源装置１０の起動初期とは、負荷が電力を消費しだしたとき、あるいは発電機が発電しだしたとき、いずれの場合も含む。
【００３６】
電源装置１０の起動時に制御部１１０は、負荷１１２へ電力供給を最初に行う優先経路を燃料電池の燃料の残容量と蓄電部１０６の充電状態（ＳＯＣ：ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）とを比較して、エネルギーの残量の多い方、或いはエネルギーの残量率の高い方を負荷１１２へ電力供給を最初に行う優先経路に設定する。本実施の形態では、発電機１００の燃料を約半分しか用意しなかったため、約６Ｗｈ分の容量で、残量率は５０％である。蓄電部１０６はほぼ満充電状態だったため、０．８４Ｗｈの容量があり、残量率（ＳＯＣ）はほぼ１００％であった。本実施例では、エネルギーの残量率の高い方を起動時など最初に負荷１１２へ電力供給を行う優先経路として設定したため、ここでは第２の電力供給経路が優先経路となった。
【００３７】
なお、燃料電池の燃料の残容量や蓄電池の充電状態が不明確な場合や、燃料の残容量と充電状態が同等であると制御部１１０が判断した場合は、電源装置の起動時に制御部１１０は、負荷１１２へ電力供給を最初に行う優先経路を第２の電力供給路としてよい。
【００３８】
また、制御部１１０が燃料電池に燃料が継ぎ足され燃料タンクが満杯になったことを検知したり、燃料が満杯である新しい燃料カートリッジに交換されたことを検知して、電源装置が起動されるときは、負荷１１２へ電力を供給する優先経路を第１の優先経路としてよい。
【００３９】
また、電源装置１０の起動初期において、負荷１１２へ電力供給を行う経路を予め第２の電力供給路としておくことで、スムーズに負荷１１２に電力を供給する事が可能である。或いは、発電機１００と蓄電部１０６のうち電力残容量が多い方の電力供給路を負荷と接続することで、確実に電力を供給することが可能となる。
【００４０】
なお、第１の電力供給路を用いて負荷１１２へ電力を供給している際に、発電機１００の出力が定格出力以下であって、第１の電圧検出部１０７の検出値より蓄電部１０６が満充電状態でない場合は、制御装置１１０は、充電制御部１１１を動作させ発電機１００が定格出力を超えないように蓄電部１０６を充電してもよい。このようにして、発電機１００の出力に余裕があるときには、蓄電部１０６を充電し、第２の電力供給経路をもちいた電力供給を行える時間を延長することが電源装置として望ましい。
【００４１】
このようにして、電圧変換部の不連続モードにおける昇圧あるいは降圧動作を回避し、ノイズの発生を抑え、ＥＭＩによる他の器機への悪影響を排除し、安定的に電力を供給することができる電源装置を提供することが可能となった。また、ノイズの発生を抑えることで、燃料電池へのノイズの回り込みを防ぎ、燃料電池へ不慮の過電圧の印加を阻止し、燃料電池を構成する部材、例えば触媒や電解質膜や触媒担体などの劣化を回避することができ、電源としての信頼性の向上させ、安定した電力を供給することが可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ ： 電源装置
１００，２００ ： 発電機
１０２ ： 第１の切替部
１０３： 電圧変換部
１０４ ： 第１の電圧検出部
１０６ ： 蓄電部
１０９ ： 第２の切替部
１１０ ： 制御部
１１２，２１０ ： 負荷
１１１ ： 充電制御部
２０１ ： 第１切替スイッチ
２０４ ： 第２切替スイッチ
２０２，２０５ ： ショットキダイオード
２０３ ： インダクタ
２０６ ： 抵抗分割回路
２０７ ： コンデンサ
２０８ ： 制御回路
２０９ ： 電流検出部
【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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