【手続補正書】
【提出日】平成26年6月23日(2014.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の直流電源と、
第２の直流電源と、
負荷と電気的に接続される電源配線と前記第１および第２の直流電源との間で直流電力変換を実行するための、複数のスイッチング素子を含んで構成された電力変換器と、
前記電源配線上の出力電圧を制御するように、パルス幅変調制御に従って前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御装置とを備え、
前記複数のスイッチング素子のすべては、前記第１の直流電源と前記電源配線との間に形成される第１の電力変換経路と、前記第２の直流電源と前記電源配線との間に形成される第２の電力変換経路との両方に含まれるように配置され、
前記電力変換器は、前記第１および第２の直流電源と前記電源配線との間で並列に前記直流電力変換を実行する第１の動作モードを有し、
前記制御装置は、
前記第１の動作モードにおいて、前記第１の電力変換経路による第１の電力変換を制御するための第１のパルス幅変調制御に用いる第１のキャリア信号と、前記第２の電力変換経路による第２の電力変換を制御するための第２のパルス幅変調制御に用いる第２のキャリア信号との位相差を前記電力変換器の動作状態に応じて変化させるとともに、前記第１のパルス幅変調制御によって得られた第１の制御パルス信号および前記第２のパルス幅変調制御によって得られた第２の制御パルス信号に基づいて、前記複数のスイッチング素子のオンオフの制御信号を生成する、電源システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第１の制御パルス信号および前記第２の制御パルス信号のデューティ比に基づいて、前記第１のキャリア信号と前記第２のキャリア信号との位相差を可変に設定する、請求項１記載の電源システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第１の直流電源が力行および回生のいずれの状態であるか、および、前記第２の直流電源が力行および回生のいずれの状態であるかの組合せと、前記第１の制御パルス信号および前記第２の制御パルス信号のデューティ比とに基づいて、前記第１のキャリア信号と前記第２のキャリア信号との位相差を可変に設定する、請求項２記載の電源システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第１の制御パルス信号の立上がりエッジおよび立下りエッジの一方と、前記第２の制御パルス信号の立上がりエッジおよび立下りエッジの他方とが重なるように、前記第１のキャリア信号と前記第２のキャリア信号との位相差を変化させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記第１の動作モードにおいて、前記第１および前記第２の直流電源の一方の電圧と前記出力電圧との電圧比を制御するように前記第１および前記第２の電力変換の一方を制御する一方で、前記第１および前記第２の直流電源の他方の電流を制御するように前記第１および前記第２の電力変換の他方を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源システム。
【請求項６】
前記第１の制御パルス信号は、前記第１の直流電源の電圧および電流の一方に基づいて演算された第１の制御量と前記第１のキャリア信号との比較に基づいて生成され、
前記第２の制御パルス信号は、前記第２の直流電源の電圧および電流の他方に基づいて演算された第２の制御量と前記第２のキャリア信号との比較に基づいて生成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源システム。
【請求項７】
前記電力変換器は、前記第１および第２の直流電源が前記電源配線に対して直列に電気
的に接続された状態で直流電力変換を実行する第２の動作モードをさらに有し、
前記制御装置は、前記第２の動作モードでは、前記第１の制御パルス信号の立上がりエッジおよび立下りエッジの一方と、前記第２の制御パルス信号の立上がりエッジおよび立下りエッジの他方とが重なるように、前記第１のキャリア信号と前記第２のキャリア信号との位相差を可変に設定するとともに、前記第１の制御パルス信号および前記第２の制御パルス信号の論理演算に基づいて、前記複数のスイッチング素子の前記制御信号を生成する、請求項１記載の電源システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記複数のスイッチング素子のうちの一部の各スイッチング素子では、前記第１の動作モードおよび前記第２の動作モードの間で共通の論理演算に従って、前記第１の制御パルス信号および前記第２の制御パルス信号から当該スイッチング素子の前記制御信号を生成する一方で、前記複数のスイッチング素子のうちの残りの各スイッチング素子では、前記第１の動作モードおよび前記第２の動作モードの間で異なる論理演算に従って、前記第１の制御パルス信号および前記第２の制御パルス信号から当該スイッチング素子の前記制御信号を生成する、請求項７記載の電源システム。
【請求項９】
前記第１および第２のキャリア信号の前記位相差は、前記第１の直流電源の電流の上昇タイミングまたは下降タイミングと、前記第２の直流電源の電流の上昇タイミングまたは下降タイミングとが重なるような電流位相となるように調整される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電源システム。
【請求項１０】
前記複数のスイッチング素子は、
前記電源配線および第１のノードの間に電気的に接続された第１のスイッチング素子と、
第２のノードおよび前記第１のノードの間に電気的に接続された第２のスイッチング素子と、
前記第２の直流電源の正極端子と電気的に接続された第３のノードおよび前記第２のノードの間に電気的に接続された第３のスイッチング素子と、
前記第１の直流電源の負極端子と前記第３のノードとの間に電気的に接続された第４のスイッチング素子とを含み、
前記電力変換器は、
前記第１の直流電源の正極端子と前記第２のノードとの間に電気的に接続された第１のリアクトルと、
前記第２の直流電源の正極端子と前記第１のノードとの間に電気的に接続された第２のリアクトルとをさらに含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電源システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
この発明のある局面では、電源システムは、第１の直流電源と、第２の直流電源と、電力変換器と、制御装置とを備える。電力変換器は、負荷と電気的に接続される電源配線と第１および第２の直流電源との間で直流電力変換を実行するように構成される。制御装置は、電源配線上の出力電圧を制御するように、パルス幅変調制御に従って複数のスイッチング素子のオンオフを制御する。電力変換器に含まれる複数のスイッチング素子のすべては、第１の直流電源と電源配線との間に形成される第１の電力変換経路と、第２の直流電源と電源配線との間に形成される第２の電力変換経路との両方に含まれるように配置される。電力変換器は、第１および第２の直流電源と電源配線との間で並列に直流電力変換を実行する第１の動作モードを有する。制御装置は、第１の動作モードにおいて、第１の電力変換経路による第１の電力変換を制御するための第１のパルス幅変調制御に用いる第１のキャリア信号と、第２の電力変換経路による第２の電力変換を制御するための第２のパルス幅変調制御に用いる第２のキャリア信号との位相差を電力変換器の動作状態に応じて変化させる。さらに、制御装置は、第１のパルス幅変調制御によって得られた第１の制御パルス信号および第２のパルス幅変調制御によって得られた第２の制御パルス信号に基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフの制御信号を生成する。たとえば、第１および第２の制御パルス信号の論理演算に基づいて、複数のスイッチング素子のオンオフ制御信号が生成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
さらに好ましくは、第１の制御パルス信号は、第１の直流電源の電圧および電流の一方に基づいて演算された第１の制御量と第１のキャリア信号との比較に基づいて生成される。第２の制御パルス信号は、第２の直流電源の電圧および電流の他方に基づいて演算された第２の制御量と第２のキャリア信号との比較に基づいて生成される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
好ましくは、複数のスイッチング素子は、第１から第４のスイッチング素子を含む。第１のスイッチング素子は、電源配線および第１のノードの間に電気的に接続される。第２のスイッチング素子は、第２のノードおよび第１のノードの間に電気的に接続される。第３のスイッチング素子は、第２の直流電源の正極端子と電気的に接続される第４のノード、および第２のノードの間に電気的に接続される。第４のスイッチング素子は、第１の直流電源の負極端子と第３のノードとの間に電気的に接続される。電力変換器は、第１および第２のリアクトルをさらに含む。第１のリアクトルは、第１の直流電源の正極端子と第２のノードとの間に電気的に接続される。第２のリアクトルは、第２の直流電源の正極端子と第１のノードとの間に電気的に接続される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態による電源システムの構成例を示す回路図である。
【図２】パラレル接続モードにおける第１の回路動作を説明する回路図である。
【図３】パラレル接続モードにおける第２の回路動作を説明する回路図である。
【図４】図２の回路動作時におけるリアクトルの還流経路を説明する回路図である。
【図５】図３の回路動作時におけるリアクトルの還流経路を説明する回路図である。
【図６】パラレル接続モードにおける第１の直流電源に対する直流電力変換（昇圧動作）を説明する回路図である。
【図７】パラレル接続モードにおける第２の直流電源に対する直流電力変換（昇圧動作）を説明する回路図である。
【図８】パラレル接続モードにおける負荷側からの等価回路を示すブロック図である。
【図９】第１の電源の制御動作例を説明するための波形図である。
【図１０】第２の電源の制御動作例を説明するための波形図である。
【図１１】電圧源として動作する電源の制御ブロックの構成例を示す図である。
【図１２】電流源として動作する電源の制御ブロックの構成例を示す図である。
【図１３】パラレル接続モードにおける各制御データの設定を説明する図表である。
【図１４】同一位相のキャリア信号を用いた場合におけるパラレル接続モードの制御動作例を示す波形図である。
【図１５】位相が異なるキャリア信号を用いた場合におけるパラレル接続モードの制御動作例を示す波形図である。
【図１６】パラレル接続モードにおけるスイッチング損失を低減するための本発明の実施の形態１に従うキャリア位相制御による電流位相を説明する波形図である。
【図１７】図１６の所定期間における電流経路を説明する回路図である。
【図１８】図１６に示した電流位相でのスイッチング素子の電流波形図である。
【図１９】キャリア信号間の位相差＝０のときの電流位相を示す波形図である。
【図２０】図１９に示した電流位相でのスイッチング素子の電流波形図である。
【図２１】直流電源の各動作状態における本発明の実施の形態１に従うキャリア位相制御を説明するための図表である。
【図２２】シリーズ接続モードにおける回路動作を説明する回路図である。
【図２３】図２２の回路動作時におけるリアクトルの還流経路を説明する回路図である。
【図２４】シリーズ接続モードにおける直流電力変換（昇圧動作）を説明する回路図である。
【図２５】シリーズ接続モードにおける負荷側からの等価回路を示すブロック図である。
【図２６】シリーズ接続モードにおける制御動作例を説明するための波形図である。
【図２７】シリーズ接続モードにおける電源の制御ブロックの構成例を示す図である。
【図２８】シリーズ接続モードにおける各制御データの設定を説明する図表である。
【図２９】パラレル接続モードおよびシリーズ接続モードでの制御信号を比較するための図表である。
【図３０】図２９に従ってパラレル接続モードからシリーズ接続モードへ切替る際における第１の動作波形例である。
【図３１】図２９に従ってパラレル接続モードからシリーズ接続モードへ切替る際における第２の動作波形例である。
【図３２】パラレル接続モードにおける直流電源の状態を説明する図である。
【図３３】実施の形態１によるキャリア位相制御を適用したときの制御パルス信号を示す波形図である。
【図３４】実施の形態１によるキャリア位相制御をシリーズ接続モードにも適用した場合における制御信号を、パラレル接続モードにおける制御信号と比較して示す図表である。
【図３５】実施の形態２に従うパラレル接続モードからシリーズ接続モードへの切替動作例を示す波形図である。
【図３６】本発明の実施の形態による電源システムが適用された車両電源システムの構成例を示す回路図である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
ＶＨ＝１／（１−ＤＴ）・Ｖｉ      …（１）
なお、本実施の形態による電力変換器５０では、電力変換器５０は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の制御によって、直流電源１０，２０が並列に負荷３０との間で電力の授受を行なうパラレル接続モードと、直列に接続された直流電源１０，２０が負荷３０との間で電力の授受を実行するシリーズ接続モードとを切替えて動作することが可能である。パラレル接続モードは「第１の動作モード」に対応し、シリーズ接続モードは「第２の動作モード」に対応する。実施の形態１では、パラレル接続モードにおける制御動作、特に、スイッチング素子による電力損失低減のための制御について説明する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図５（ａ）を参照して、図３（ｂ）の等価回路において、力行状態におけるリアクトルＬ１の電流は、ダイオードＤ１、電源配線ＰＬ、負荷３０および接地配線ＧＬを介した電流経路１０６により還流することができる。また、回生状態におけるリアクトルＬ１の電流は、ダイオードＤ４，Ｄ３を介した電流経路１０７により還流することができる。電流経路１０６，１０７によって、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギを放出することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
図８には、パラレル接続モードにおける負荷側から見た等価回路が示される。
図８を参照して、パラレル接続モードでは、直流電源１０と負荷３０との間で直流電力変換を実行する電源ＰＳ１と、直流電源２０と負荷３０との間で直流電力変換を実行する電源ＰＳ２とは、負荷３０に対して並列に電力を授受する。電源ＰＳ１は、図６に示した直流電力変換動作を実行する昇圧チョッパ回路に相当する。同様に、電源ＰＳ２は、図７に示した直流電力変換動作を実行する昇圧チョッパ回路に相当する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
すなわち、電源ＰＳ１は、直流電源１０の電圧Ｖ［１］および出力電圧Ｖｏの間で、式（２）に示した電圧変換比による直流電力変換機能を有する。同様に、電源ＰＳ２は、直流電源２０の電圧Ｖ［２］および出力電圧Ｖｏの間で、式（３）に示した電圧変換比による直流電力変換機能を有する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
制御パルス信号／ＳＤａは、制御パルス信号ＳＤａの反転信号である。デューティ比Ｄａが高くなると、制御パルス信号ＳＤａのＨレベル期間が長くなる。反対に、デューティ比Ｄａが低くなると、制御パルス信号ＳＤａのＬベルル期間が長くなる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１５】
時刻Ｔａ以降では、直流電源１０に対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンされ、直流電源２０に対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオフされた状態となる。すなわち、電流Ｉ（Ｌ２）が下降する一方で、電流Ｉ（Ｌ１）が上昇する。このとき、電力変換器５０での電流経路は、図１７（ａ）のようになる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６６】
図２８には、シリーズ接続モードにおける各制御データの設定が示される。
図２８を参照して、図２４に示した電圧制御のためのデューティ比指令値Ｄｖが、デューティ比Ｄｃに用いられる。電圧制御によって制御される電圧は、出力電圧Ｖｏである。図２７中の伝達関数Ｈｖは、図２７に示した昇圧チョッパ回路の伝達関数に相当する。また、フィードフォワード制御量ＤｖＦＦは、下記（１２）に示すように、直列接続された電源電圧Ｖ［１］＋Ｖ［２］と、出力電圧Ｖｏとの電圧差に応じて設定される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０６】
また、パラレル接続モードでは、デューティ比Ｄａ，Ｄｂは、電圧Ｖ［１］，Ｖ［２］に対する出力電圧Ｖｏの比に従って設定されるため、一方の直流電源の電圧が低下すると、１．０に近い値となってしまう。したがって、制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４のいずれかのＨレベル期間比が１．０に近づく可能性がある。実際の昇圧チョッパ回路の制御では、上アーム素子および下アーム素子が同時にオンすることを確実に防止するためのデッドタイムを設ける必要があるため、実現可能なデューティ比Ｄａ，Ｄｂには上限値が存在する。したがって、パラレル接続モードのみでは、一方の直流電源の電圧がある程度低下すると電圧制御が不能となってしまう。すなわち、直流電源１０，２０の蓄積エネルギを使い切る点で、パラレル接続モードには一定の限界が存在する。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2013013234.tif 000001
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２８】
2013013234.tif 000002