(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回生コンバータと、
二次電池と、
前記回生コンバータの出力を充電用スイッチ手段で降圧して前記二次電池を充電する降圧コンバータと、
前記二次電池の出力を放電用スイッチ手段で昇圧して前記回生コンバータに放電する昇圧コンバータと、
前記充電用スイッチ手段と前記放電用スイッチ手段とを常にオーバーラップして動作させる制御手段と
を有し、
前記回生コンバータと前記二次電池との間で所定の電流を充放電する場合に、
前記制御手段は、前記充電用スイッチ手段からなる降圧コンバータにより充電電流を流し、前記放電用スイッチ手段からなる昇圧コンバータにより放電電流を流し、前記充電電流と前記放電電流との差が前記所定の電流と等しくなるように制御する
ことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
回生コンバータと、二次電池と、前記回生コンバータの出力を充電用スイッチ手段で降圧して前記二次電池を充電する降圧コンバータと、前記二次電池の出力を放電用スイッチ手段で昇圧して前記回生コンバータに放電する昇圧コンバータと、前記充電用スイッチ手段と前記放電用スイッチ手段とを駆動する制御手段とを備える電源装置の制御方法において、
前記回生コンバータと前記二次電池との間で所定の電流を充放電する場合に、
前記制御手段は、前記充電用スイッチ手段と前記放電用スイッチ手段とのスイッチ動作を常にオーバーラップさせ、且つ、前記充電用スイッチ手段からなる前記降圧コンバータにより充電電流を流し、前記放電用スイッチ手段からなる前記昇圧コンバータにより放電電流を流し、前記充電電流と前記放電電流との差が前記所定の電流と等しくなるように制御する
ことを特徴とする電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の充放電装置に用いられる電源装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハイブリッド車などで使用される二次電池の評価では、電池への高速充放電や交流重畳などの機能が求められている。このような二次電池の評価用試験装置では、応答特性の改善が必要で、様々な電源装置が考えられている。
一般的な電源装置は、三相の交流を二次電池に充電する充電期間と、二次電池から三相の交流に戻す放電期間とを有する。図５は一般的な電源装置のチョッパ制御回路である。チョッパ制御回路５００は、二次電池のモニタ電圧５０１を制御アンプ１１５で基準電圧１１６と比較して出力電圧Ａｏｕｔを出力する。三角波発生制御部１１７は、充電時の三角波Ｔａと放電時の三角波Ｔｂ２とを出力し、充電用チョッパ信号を出力するオペアンプ１１８と放電用チョッパ信号を出力するオペアンプ１１９とで、出力電圧Ａｏｕｔと比較し、充電用チョッパ信号Ｓａおよび放電用チョッパ信号Ｓｂ２を充放電用の昇降圧チョッパ回路に出力する。
【０００３】
三相の交流回生コンバータが出力する電力を二次電池に充電する時は、充電用チョッパ信号Ｓａを用いて回生電力を二次電池の充電に適した電圧にダウンコンバート（降圧）し、二次電池を充電する。逆に、二次電池から三相の交流回生コンバータに放電する時は、放電用チョッパ信号Ｓｂ２を用いて二次電池の電圧を交流回生コンバータの電圧にアップコンバート（昇圧）する。
【０００４】
このような従来技術によるチョッパ制御回路５００の動作波形を図６に示す。図６（ａ）は、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔを中心として、充電用三角波の電圧波形および放電三角波の電圧波形との関係を示している。
充電用チョッパ信号Ｓａは、充電用三角波Ｔａの電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより低い期間において、導通状態となる。例えば、点線２０１および点線２０２で示した期間は、充電用三角波Ｔａの電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより低いので、二次電池を充電する時の降圧チョッパ回路をスイッチングする充電用チョッパ信号Ｓａはオン状態（ハイレベル）となる。
【０００５】
逆に、二次電池から放電する時の昇圧チョッパ回路をスイッチングする放電用チョッパ信号Ｓｂ２は、放電用三角波Ｔｂ２の電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより高い期間において、導通状態となる。例えば、点線２０３および点線２０４で示した期間は、放電用三角波Ｔｂ２の電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより高いので、Ｓｂ２はオン状態（ハイレベル）となる。尚、Ｖａは充電用三角波Ｔａのオフセット電圧、Ｖｂ２は放電用三角波Ｔｂ２のオフセット電圧をそれぞれ示す。
【０００６】
充電用チョッパ信号Ｓａがオンする充電期間の前半においては、充電用三角波Ｔａと制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔは大きくクロスしており、充電用チョッパ信号Ｓａのオン期間は長い。制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔが、徐々に下がって来るに連れて、充電用チョッパ信号Ｓａのオン期間は短くなって行き、やがてオフの状態が続く。その後、一点鎖線円６０１の部分において、充電用チョッパ信号Ｓａのパルス２０５および放電用チョッパ信号Ｓｂ２のパルス２０６が共に出力されないオフの期間が生じる。これは、オペアンプ１１８および１１９が飽和領域で動作するためにオンオフの変化に追従できなくなるためである。
【０００７】
この後、徐々に、放電用チョッパ信号Ｓｂ２のパルス幅が広くなって出力され、後半の放電期間に移っていく。放電期間の最初は、放電用三角波Ｔｂ２と制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔのクロス期間は小さく、放電用チョッパ信号Ｓｂ２のオン期間は短い。制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔが、さらに下がって来るに連れて、放電用チョッパ信号Ｓｂ２のオン期間は長くなっていく。
【０００８】
その後、上記とは逆に、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔは徐々に増加し、放電用チョッパ信号Ｓｂ２のオン期間が徐々に短くなってオフ状態になり、放電期間が終了する。さらに、放電期間が終了すると、充電期間が始まり、充電用チョッパ信号Ｓａのオン期間が徐々に長くなって、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔは、図５の左側の最初の状態に戻る。以後、このようなＰＷＭ動作が繰り返されて、交流回生コンバータと二次電池との間で、充電と放電とが交互に行われる。
【０００９】
このように、従来の充放電動作は、充電と放電が順にシーケンスを追って交互に動作していた。つまり、充電用の動作が止まった後に、放電用の動作が行われ、放電用の動作が止まった後に、再び充電用の動作が行われていた。
また、昇圧と降圧を行うコンバータの従来技術は、特許文献１の「半導体電力変換器」に昇降圧チョッパ回路が記載されている。
【特許文献１】特開２０００−１５６９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術では、図６に示したように、充電動作と放電動作とが交互に行われていた。一方で、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔと充放電用の三角波と比較するオペアンプ１１８および１１９は、出力がプラスかマイナスのいずれかに飽和することで、充放電用チョッパ信号ＳａおよびＳｂ２を出力するようになっていた。
従って、例えば、充電用チョッパ信号Ｓａをオンするパルスを発生するオペアンプ１１８の出力がプラスからマイナスに変わる時、或いは、マイナスからプラスに変わる時に、飽和状態からフィードバック領域まで移行する時間が必要となる。つまり、放電動作が止まってから充電動作が行われるまで、或いは、充電動作が止まってから放電動作が行われるまでに時間が掛かり、図６の一点鎖線円６０１で示す部分のように、充電用チョッパ信号Ｓａのパルス２０５や放電用チョッパ信号Ｓｂ２のパルス２０６が出力されないオフの期間が生じる。この結果、充放電時の電流の連続移行ができず、充放電の切り替わり期間において充放電波形が歪んでしまうという課題があった。
【００１１】
また、特許文献１に記載の技術は、昇圧コンバータと降圧コンバータの電流平滑リアクトルを共用するので、昇圧と降圧とを同時に動作させることができないという課題があった。
上記課題に鑑み、本発明の目的は、電池の充放電装置に用いられる電源装置において、応答特性を改善し、放電用の動作と充電用の動作が途切れることなく、スムーズに充放電シーケンスを移行できる電源装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係る電源装置は、回生コンバータと、二次電池と、前記回生コンバータの出力を充電用スイッチ手段で降圧して前記二次電池を充電する降圧コンバータと、前記二次電池の出力を放電用スイッチ手段で昇圧して前記回生コンバータに放電する昇圧コンバータと、前記充電用スイッチ手段と前記放電用スイッチ手段とを常にオーバーラップして動作させる制御手段とを有する。
【００１４】
そして、前記回生コンバータと前記二次電池との間で所定の電流を充放電する場合に、前記制御手段は、前記充電用スイッチ手段からなる降圧コンバータが充電電流を流し、前記放電用スイッチ手段からなる昇圧コンバータから放電電流を流し、前記充電電流と前記放電電流との差が前記所定の電流と等しくなるように制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る電源装置の制御方法は、回生コンバータと、二次電池と、前記回生コンバータの出力を充電用スイッチ手段で降圧して前記二次電池を充電する降圧コンバータと、前記二次電池の出力を放電用スイッチ手段で昇圧して前記回生コンバータに放電する昇圧コンバータと、前記充電用スイッチ手段と前記放電用スイッチ手段とを駆動する制御手段とを備える電源装置の制御方法において、前記回生コンバータと前記二次電池との間で所定の電流を充放電する場合に、前記制御手段は、前記充電用スイッチ手段と前記放電用スイッチ手段とのスイッチ動作を常にオーバーラップさせる。
【００１７】
そして、前記制御手段は、前記充電用スイッチ手段からなる降圧コンバータが充電電流を流し、前記放電用スイッチ手段からなる昇圧コンバータから放電電流を流し、前記充電電流と前記放電電流との差が前記所定の電流と等しくなるように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明では、回生コンバータと二次電池との間で充放電を行う電源装置において、放電動作と充電動作が途切れることなく連続して行うことができる。この結果、歪みのない滑らかな充放電電流を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
本発明に係る電源装置およびその制御方法の第１の実施形態について図面を用いて説明する。図１は電源装置１０１の構成を示し、１０２は三相交流電源、１０３は二次電池、１０４は交流回生コンバータ、１０５はＭＯＳＦＥＴによる充電用スイッチ、１０６はチョークコイル、１０７はダイオード、１０８はコンデンサ、１０９および１１０は端子、１１１はＭＯＳＦＥＴによる放電用スイッチ、１１２はチョークコイル、１１３はダイオード、１１４は電流プローブをそれぞれ示している。尚、１１５乃至１１９は図５と同じものなので説明を省略する。
【００２０】
三相交流電源１０２から入力される電力は、交流回生コンバータ１０４を介して直流に変換されて二次電池側に出力される。先ず、二次電池１０３を充電する場合の動作について説明する。交流回生コンバータ１０４が出力する直流は、充電用スイッチ１０５でスイッチングされ、ダイオード１０７，チョークコイル１０６およびコンデンサ１０８で構成される降圧チョッパ回路で降圧され、端子１０９および１１０に接続されている二次電池１０３を充電する。
【００２１】
次に、二次電池１０３から三相交流電源１０２側に放電する場合の動作について説明する。二次電池１０３が出力する直流は、コンデンサ１０８，チョークコイル１１２およびダイオード１１３で構成される昇圧チョッパ回路で昇圧されて交流回生コンバータ１０４に出力される。交流回生コンバータ１０４は、昇圧された直流を三相の交流に変換して三相交流電源１０２に出力する。このように、本発明に係る電源回路は、充電時の降圧回路と、放電時の昇圧回路とがそれぞれ設けられている。
【００２２】
次に、充電用スイッチ１０５および放電用スイッチ１１１を制御するチョッパ制御回路について説明する。チョッパ制御回路は、二次電池１０３への充放電電流を検出してモニタするセンサ１１４の電圧と、基準電圧１１６の電圧との差分電圧を出力する制御アンプ１１５と、充電用三角波Ｔａと放電用三角波Ｔｂ１とを予め設定されたシーケンスで発生する三角波発生制御部１１７と、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔと充電用三角波Ｔａとを比較して充電用スイッチ１０５をオンオフする充電用チョッパ信号Ｓａを発生させるオペアンプ１１８と、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔと放電用三角波Ｔｂ１とを比較して放電用スイッチ１１１をオンオフする放電用チョッパ信号Ｓｂ１を発生させるオペアンプ１１９とで構成される。この構成自体は、図６の従来の技術で説明したチョッパ制御回路５００と同じである。
【００２３】
次に、図１の電源装置１０１の充放電時の動作波形について説明する。図２（ａ）は、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔと、充電用三角波Ｔａおよび放電三角波Ｔｂ１の電圧波形を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）の三角波発生制御部１１７の出力波形ＴａおよびＴｂ１と同じ時間軸で、充電用チョッパ信号Ｓａと放電用チョッパ信号Ｓｂ１とを描いた図である。
【００２４】
ここで、図２（ａ）のＶａは充電用三角波Ｔａのオフセット電圧、Ｖｂ１は放電用三角波Ｔｂ１のオフセット電圧をそれぞれ示しており、例えば、充電用三角波Ｔａは図２（ｃ）に示す回路で発生する。オペアンプ２５１とコンデンサ２５３と抵抗２５４とで構成される積分回路の出力は、コンパレータ２５２に入力されてオフセット電圧Ｖａと比較される。コンパレータ２５２の矩形波出力は、積分回路を構成する抵抗２５４に入力され、積分回路で充放電された充電用三角波Ｔａが出力される。同様に、放電用三角波Ｔｂ１は、コンパレータ２５２のオフセット電圧ＶａをＶｂ１とすることで発生できる。
【００２５】
図２（ａ）および（ｂ）において、充電用チョッパ信号Ｓａは、図６と同様に、充電用三角波Ｔａの電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより低い期間において、導通状態となる。例えば、点線２０１および点線２０２で示した期間は、充電用三角波Ｔａの電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより低いので、Ｓａはオン状態（ハイレベル）となる。
【００２６】
逆に、放電用チョッパ信号Ｓｂ１は、放電用三角波Ｔｂ１の電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより高い期間において、導通状態となる。例えば、点線２０３および点線２０４で示した期間は、放電用三角波Ｔｂ１の電圧が制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔより高いので、Ｓｂ１はオン状態（ハイレベル）となる。
充電用チョッパ信号Ｓａがオンする充電期間の前半は、充電用三角波Ｔａと制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔは大きくクロスしており、充電用チョッパ信号Ｓａのオン期間は長い。制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔが、徐々に下がって来るに連れて、充電用チョッパ信号Ｓａのオン期間は短くなって行き、やがてオフの状態が暫く続く。
【００２７】
ところが、図２（ｂ）の一点鎖線円２０７で示した部分において、充電用チョッパ信号Ｓａがオフの状態になる前に、放電用チョッパ信号Ｓｂ１のオンの状態が開始される。これは、放電用三角波Ｔｂ１のオフセット電圧Ｖｂ１が、図６の従来技術の放電用三角波Ｔｂ２のオフセット電圧Ｖｂ２より高くしているため、制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔと早くクロスするからである。これによって、充電用チョッパ信号Ｓａがオフの状態になる前に、放電用チョッパ信号Ｓｂ１のオンの状態が開始され、一点鎖線円２０７で示した部分において、充電動作と放電動作がオーバーラップし、充電動作から放電動作あるいは放電動作から充電動作に切り替わる際に、充放電を行わない期間が無くなり、充放電波形に生じる歪みを軽減できる。図６の従来技術のように、オペアンプ１１８および１１９の飽和動作に起因する問題、つまり、充電用チョッパ信号Ｓａが出力されないパルス２０５や放電用チョッパ信号Ｓｂ１が出力されないパルス２０６が生じても、充放電動作は途切れることなく連続して行われる。
【００２８】
尚、このような充電動作と放電動作とをオーバーラップさせることは、充電回路と放電回路とが一つになった従来の電源回路では実現することは難しいが、本発明に係る電源回路１０１は、充電用スイッチ１０５からなる充電回路と、放電用スイッチ１１１からなる放電回路とを、二系統設けているので、充電動作と放電動作とをオーバーラップして動作することが可能となる。
【００２９】
ここで、従来技術による充放電時のシミュレーション波形と、本実施形態の電源回路１０１による充放電時のシミュレーション波形を比較する。図３（ａ）は従来技術の場合の波形で、３０１は充放電の指令値を示し、プラス側に振れた時が充電動作、マイナス側に振れた時が放電動作をそれぞれ行う。３０２は指令値３０１から少し遅延した充放電波形で、放電動作から充電動作への切り替わり部分の点線円３０３と、充電動作から放電動作への切り替わり部分の点線円３０４とにおいて、充放電波形が歪んでいるのが分かる。
【００３０】
これに対して、図３（ｂ）の本実施形態による充放電波形は、充放電の指令値３０５と、指令値３０５から少し遅延した充放電波形３０６はほぼ同じ形状をしており、充電動作から放電動作への切り替わり部分、および放電動作から充電動作への切り替わり部分での充放電波形に歪みはない。
このように、放電動作と充電動作とをオーバーラップして動作させることによって、充放電電流が途切れることなく連続して動作し、歪みのない充放電波形を実現できる。
【００３１】
（第２の実施形態）
本発明に係る電源装置およびその制御方法の第２の実施形態について図４を用いて説明する。図４は第１の実施形態の電源装置１０１において、充電用チョッパ信号Ｓａ３および放電用チョッパ信号Ｓｂ３の発生方法が異なっている。本実施形態の充電用チョッパ信号Ｓａ３および放電用チョッパ信号Ｓｂ３は、図６の従来技術の場合や図２の第１の実施形態の場合と異なり、連続してオフの状態にはならず、常に、短い充電用チョッパ信号Ｓａ３および放電用チョッパ信号Ｓｂ３が出力された状態になっている。つまり、充電動作と放電動作とが常に並行して行われている。
【００３２】
このような動作を実現するチョッパ制御回路４０３の回路図を図４（ｃ）に示す。制御アンプ１１５の出力電圧Ａｏｕｔとオペアンプ１１８および１１９との間に、クリッパ回路４０４を設けている。クリッパ回路４０４は、図４（ａ）に示すように、出力電圧Ａｏｕｔの低い方の電圧をクリップさせて、出力電圧Ａｏｕｔ１が所定の電圧Ｖｃ１以下にならないようにして、充電用オペアンプ１１８に出力し、出力電圧Ａｏｕｔの高い方の電圧をクリップさせて、出力電圧Ａｏｕｔ２が所定の電圧Ｖｃ２以上にならないようにして、放電用オペアンプ１１９に出力するようになっている。電圧をクリップするクリッパ回路４０４として、例えば、ツェナーダイオードで一定電圧以上をカットする簡易的な回路で実現できる。逆に、一定電圧以下をカットする場合は、反転増幅器で反転することで可能となる。
【００３３】
このように、三角波発生制御部１１７の充電用三角波Ｔａとクリッパ回路４０４の出力電圧Ａｏｕｔ１とをオペアンプ１１８に入力することによって、オペアンプ１１８が出力する充電用チョッパ信号Ｓａ３は図４（ｂ）の一点鎖線円４０１に示すように、連続してオフ状態になることはなく、常に、弱い充電動作を行うことになる。
同様に、充電用三角波Ｔｂ２とクリッパ回路の出力電圧Ａｏｕｔ２とをオペアンプ１１９に入力することによって、オペアンプ１１９が出力する放電用チョッパ信号Ｓｂ３は図４（ｂ）の一点鎖線円４０２に示すように、連続してオフ状態になることはなく、常に、弱い放電動作を行うことになる。
【００３４】
尚、本実施形態において、例えば、二次電池を充電するのに必要な充電電流が１００Ａである場合に、常に動作している放電動作による放電電流が１Ａであるとすれば、充電電流を１０１Ａとすることで、１００Ａの充電条件を満たすことができる。同様に、放電条件が１００Ａである場合に、常に動作している充電動作による充電電流が１Ａであるとすれば、放電電流を１０１Ａとすることで、１００Ａの放電条件を満たすことができる。つまり、充電電流と放電電流との差が所定の電流値と等しくなるように制御すればよい。また、充電用スイッチ１０５および放電用スイッチ１１１は、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチで構成しても、同様に実現することができ、効果は変わらない。
【００３５】
このように、放電動作と充電動作とが、常にオーバーラップして動作するので、充放電電流が途切れることなく連続して動作し、歪みのない充放電波形を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る電源装置の回路図である。
【図２】第１の実施形態の充放電シーケンスの説明図である。
【図３】充放電時のシミュレーション波形図である。
【図４】第２の実施形態の充放電シーケンスの説明図である。
【図５】従来技術の制御回路図である。
【図６】従来技術の充放電シーケンスの説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０１・・・電源装置
１０３・・・二次電池
１０４・・・交流回生コンバータ
１０５・・・充電用スイッチ
１１１・・・放電用スイッチ
１０７、１１３・・・ダイオード
１０６、１１２・・・チョークコイル
１０８・・・コンデンサ
１０９，１１０・・・端子
１１５・・・制御アンプ
１１７・・・三角波発生制御部
１１８、１１９・・・オペアンプ
４０３・・・チョッパ制御回路
４０４・・・クリッパ回路
【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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