【手続補正書】
【提出日】平成25年1月11日(2013.1.11)
【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上の出力電圧を制御するように、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直流電圧変換を実行するための電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、複数のスイッチング素子を含み、かつ、前記複数のスイッチング素子の制御によって、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並列に電気的に接続された状態で前記直流電圧変換を実行する第１の動作モードと、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圧変換を実行する第２の動作モードとを切換えられるように構成され、
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の直流電源の負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２のノードおよび前記第１の直流電源の正極端子の間に電気的に接続された第１のリアクトルと、
前記第１のノードおよび前記第２の直流電源の正極端子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、電源システム。
【請求項２】
前記電力変換器は、前記第１の動作モードでは、前記第１の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電圧変換のための第１の制御信号と、前記第２の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電圧変換のための第２の制御信号との論理和に従って、前記第１から前記第４のスイッチング素子のオンオフを制御する、請求項１記載の電源システム。
【請求項３】
前記電力変換器は、前記第１の動作モードでは、前記第１および第２の直流電源のうちの一方の直流電源と、前記電源配線との間の前記直流電圧変換については前記出力電圧が指令電圧と一致するように制御する一方で、前記第１および第２の直流電源のうちの他方の直流電源と前記電源配線との間の前記直流電圧変換については前記他方の直流電源の電流が指令電流と一致するように制御する、請求項１または２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記電力変換器は、前記第２の動作モードでは、前記第３のスイッチング素子をオン固定する一方で、直列接続された前記第１および第２の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電圧変換のための制御信号に従って、前記第２および第４のスイッチング素子と前記第１のスイッチング素子とが相補的にオンオフするように、前記第１から前記第４のスイッチング素子のオンオフを制御する、請求項１記載の電源システム。
【請求項５】
前記電力変換器は、前記第２の動作モードでは、直列接続された前記第１および第２の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電圧変換について、前記出力電圧が指令電圧
と一致するように制御する、請求項１または４に記載の電源システム。
【請求項６】
前記複数のスイッチング素子の各々は、前記第１および第２の直流電源を前記電源配線に対して並列または直列に接続するための制御信号と、前記第１または第２の動作モードにおける前記直流電圧変換のための制御信号との論理和に従って制御される、請求項１記載の電源システム。
【請求項７】
前記複数のスイッチング素子は、前記第２の動作モードでは前記第１および第２の直流電源を直列接続するためにオン固定される一方で、前記第１の動作モードでは前記出力電圧を制御する直流電圧変換のためのデューティ比に従ってオンオフされるスイッチング素子を含む、請求項１記載の電源システム。
【請求項８】
前記複数のスイッチング素子のうちの少なくとも一部のスイッチング素子は、前記第１の動作モードにおいて前記第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１の動作モードにおいて前記第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る、請求項１記載の電源システム。
【請求項９】
前記少なくとも一部のスイッチング素子は、前記第１の動作モードでは、前記第１の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電圧変換のための第１の制御信号と、前記第２の直流電源と前記電源配線との間での前記直流電圧変換のための第２の制御信号との論理和に従ってオンオフされ、
前記少なくとも一部のスイッチング素子は、前記第２の動作モードでは、前記第１および第２の直流電源を直列接続するためにオン固定されるスイッチング素子と、前記出力電圧を制御する直流電圧変換のためのデューティ比に従ってオンオフされるスイッチング素子とに分類される、請求項８記載の電源システム。
【請求項１０】
前記第１および第２の直流電源は、定格出力電圧がそれぞれ異なる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電源システム。
【請求項１１】
前記第１および第２の直流電源は、出力エネルギ密度および出力パワー密度がそれぞれ異なる、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】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
【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】一般的な昇圧チョッパ回路の構成図である。
【図３】図２に示した昇圧チョッパ回路の動作を説明するための回路図である。
【図４】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５】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６】図４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７】図５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８】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９】図８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１０】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圧変換（昇圧動作）を説明する回路図である。
【図１１】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圧変換（昇圧動作）を説明する回路図である。
【図１２】シリーズ接続モードにおける直流電圧変換（昇圧動作）を説明する回路図である。
【図１３】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１４】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１５】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１６】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１７】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１８】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１９】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２０】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２１】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２２】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２３】本発明の実施の形態による電源システムが適用された電源システムの構成例を示す回路図である。
【図２４】図２３に示した電源システムのパラレル接続モードでの制御動作例を示す波形図である。
【図２５】図２３に示した電源システムのシリーズ接続モードでの制御動作例を示す波形図である。
【図２６】本発明の実施の形態の変形例による電源システムの構成を示す回路図である。
【図２７】図２６に示した電源システムに組み込まれたブリッジ型コンバータの構成を説明する回路図である。
【図２８】ブリッジ型コンバータの直接昇降圧モードでのスイッチング動作を説明する図表である。
【図２９】ブリッジ型コンバータの間接昇降圧モードでのスイッチング動作を説明する図表である。
【図３０】本発明の実施の形態の変形例による電源システムでのデューティ制御を説明する波形図である。
【図３１】本発明の実施の形態の変形例による電源システムの直接昇降圧モードにおけるパラレル接続モードでのスイッチング素子のオンオフ制御を説明する図表である。
【図３２】本発明の実施の形態の変形例による電源システムの直接昇降圧モードにおけるシリーズ接続モードでのスイッチング素子のオンオフ制御を説明する図表である。
【図３３】本発明の実施の形態の変形例による電源システムの間接昇降圧モードにおけるパラレル接続モードでのスイッチング素子のオンオフ制御を説明する図表である。
【図３４】本発明の実施の形態の変形例による電源システムの間接昇降圧モードにおけるシリーズ接続モードでのスイッチング素子のオンオフ制御を説明する図表である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
図３（ａ）に示されるように、下アーム素子Ｓｌのオン期間では、直流電源ＰＳ−リアクトルＬ−スイッチング素子Ｓｌを介した電流経路１０１が形成される。これにより、リアクトルＬにエネルギが蓄積される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
また、下アーム素子Ｓｌのオフ期間に上アーム素子Ｓｕをオンすることによって、負荷３０に対して電力を双方向に授受できる。特に、電力変換器５０および負荷ＬＤ間の電流方向に対応して制御を切換えることなく、出力電圧Ｖｏを制御しながら、負荷ＬＤからの回生電流を受入れることが可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
図４（ｂ）を参照して、直流電源１０および電源配線ＰＬの間では、スイッチング素子Ｓ３のオンオフ制御によって、図３（ａ），（ｂ）に示した、下アーム素子のオン期間の状態と、上アーム素子のオン期間とを交互に形成できる。同様に、直流電源２０および電源配線３０の間では、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３を共通にオンオフ制御することによって、図３（ａ），（ｂ）に示した、下アーム素子のオン期間の状態と、上アーム素子のオン期間とを交互に形成できる。なお、スイッチング素子Ｓ１は、負荷３０からの回生を制御するスイッチとして動作する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図５（ｂ）を参照して、直流電源２０および電源配線ＰＬの間では、スイッチング素子Ｓ３のオンオフ制御によって、図３（ａ），（ｂ）に示した、下アーム素子のオン期間の状態と、上アーム素子のオン期間とを交互に形成できる。同様に、直流電源１０および電源配線３０の間では、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を共通にオンオフ制御することによって、図３（ａ），（ｂ）に示した、下アーム素子のオン期間の状態と、上アーム素子のオン期間とを交互に形成できる。なお、スイッチング素子Ｓ１は、負荷３０からの回生を制御するスイッチとして動作する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図７（ａ）を参照して、図５（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】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
図１３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１３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１０に示した直流電圧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ＰＳ１は、図１１に示した直流電圧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】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
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圧変換機能を有する。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圧変換機能を有する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０６】
ＤｖＦＦ＝（Ｖｏ−Ｖ［２］）／Ｖｏ        …（７）
ＤｉＦＦ＝（Ｖｏ−Ｖ［１］）／Ｖｏ        …（８）
デューティ比Ｄａ（Ｄａ＝Ｄｉ）に応じて、図１４に示した制御パルス信号ＳＤａおよび／ＳＤａが生成される。同様に、デューティ比Ｄｂ（Ｄｂ＝Ｄｖ）に応じて、図１５に示した制御パルス信号ＳＤｂおよび／ＳＤｂが生成される。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１６】
電圧制御におけるフィードフォワード制御量ＤｖＦＦは、下記（９）に示すように、出力電圧Ｖｏと直流電源１０の電圧Ｖ［１］との電圧差に応じて設定される。また、電流制御におけるフィードフォワード制御量ＤｉＦＦは、下記（１０）に示すように、出力電圧Ｖｏと直流電源２０の電圧Ｖ［２］との電圧差に応じて設定される。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１７】
ＤｖＦＦ＝（Ｖｏ−Ｖ［１］）／Ｖｏ        …（９）
ＤｉＦＦ＝（Ｖｏ−Ｖ［２］）／Ｖｏ        …（１０）
デューティ比Ｄａ（Ｄａ＝Ｄｖ）に応じて、図１４に示した制御パルス信号ＳＤａおよび／ＳＤａが生成される。同様に、デューティ比Ｄｂ（Ｄｂ＝Ｄｉ）に応じて、図１５に示した制御パルス信号ＳＤｂおよび／ＳＤｂが生成される。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２９】
ＤｖＦＦ＝（Ｖｏ−（Ｖ［２］＋Ｖ［１］））／Ｖｏ        …（１２）
デューティ比Ｄｃ（Ｄｃ＝Ｄｖ）に応じて、図２０に示した制御パルス信号ＳＤｃおよび／ＳＤｃが生成される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３７】
図２３のシステム構成例では、二次電池で構成される直流電源１０を定常的な電力供給源として使用し、電気二重層キャパシタで構成される直流電源２０を補助的な電力供給源として使用することが好ましい。このため、パラレル接続モードでは、直流電源１０の電力を制御して、二次電池の過充電または過放電を防止するために、直流電源１０を電流制御する。一方、直流電源２０は電圧制御される。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４８】
これに対して、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。その一方で、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。したがって、シリーズ接続モードは、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よりも有利である。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５７】
ＶＨ＝Ｄ／（１−Ｄ）・Ｖｉ          …（１３）
式（１３）より、Ｄ＜０．５のときはＶＨ＜Ｖｉ（降圧）となる一方で、Ｄ＞０．５のときはＶＨ＞Ｖｉ（昇圧）となる。すなわち、昇圧および降圧の両方に、デューティ比Ｄによる共通のスイッチング制御によって対応できる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５９】
昇圧時には、電源側のアームでは、上アーム素子であるスイッチング素子Ｓａがオン固定される一方で、下アーム素子であるスイッチング素子Ｓｂがオフ固定される。これに対して、負荷側のアームでは、スイッチング素子ＳｃおよびＳｄが相補的かつ交互にオンオフされる。したがって、下アーム素子であるスイッチング素子Ｓｄのデューティ比をＤとすると、上アーム素子であるスイッチング素子Ｓｃのデューティ比は（１−Ｄ）となる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６１】
ＶＨ＝１／（１−Ｄ）・Ｖｉ          …（１４）
これに対して、降圧時には、負荷側のアームでは、上アーム素子であるスイッチング素子Ｓｃがオン固定される一方で、下アーム素子であるスイッチング素子Ｓｄがオフ固定される。これに対して、電源側のアームにおいて、スイッチング素子ＳａおよびＳｂが相補的かつ交互にオンオフされる。上アーム素子であるスイッチング素子Ｓａのデューティ比をＤとすると、下アーム素子であるスイッチング素子Ｓｂのデューティ比は（１−Ｄ）となる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６８】
再び図２６を参照して、シリーズ接続モードでは、スイッチング素子Ｓ３をオン固定することによって、直流電源１０および２０が直列に接続される。そして、直列接続された直流電源１０，２０に対して、スイッチング素子Ｓ１が負荷側の上アーム素子を形成するとともに、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４が負荷側の下アーム素子を形成するブリッジ型コンバータが等価的に構成される。なお、電源側アームでは、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ７が上アーム素子を形成し、スイッチング素子Ｓ６，Ｓ８が下アーム素子を形成する。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７７】
スイッチング素子Ｓ４は、直流電源１０に対応するブリッジ型コンバータでは下アーム素子を形成する一方で、直流電源２０に対応するブリッジ型コンバータでは上アーム素子を形成する。したがって、スイッチング素子Ｓ４の制御信号ＳＧ４は、制御信号ＳＧ５（ＳＤａ）およびＳＧ８（／ＳＤｂ）の論理和に従って生成される。この結果、スイッチング素子Ｓ４は、直流電源１０に対応するブリッジ型コンバータの負荷側の下アーム素子および、直流電源２０に対応するブリッジ型コンバータの負荷側の上アーム素子の両方の機能を実現するように、オンオフ制御される。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８１】
一方、負荷側アームでは、直流電源１０，２０を直列に接続するために、スイッチング素子Ｓ３はオン固定される。すなわち、制御信号ＳＧ３はＨレベルに固定される。さらに、直列接続された直流電源１０，２０に対して、スイッチング素子Ｓ１が上アーム素子を形成し、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４が下アーム素子を形成する。したがって、制御信号ＳＧ１は、負荷側の上アーム素子を制御するための、図２８の制御信号Ｓｃと同様に設定される。すなわち、制御信号ＳＧ１は、デューティ比（１−Ｄｃ）に基づく制御信号／ＳＤｃに相当する。また、制御信号ＳＧ２，ＳＧ４は、負荷側の下アーム素子を制御するための、図２８の制御信号Ｓｄと同様に設定される。すなわち、制御信号ＳＧ２，ＳＧ４は、デューティ比Ｄｃに基づく制御信号ＳＤｃに相当する。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８２】
図３２に従うオンオフ制御によって、電源システム５♯の直接昇降圧モードにおいて、電源システム５（電力変換器５０）と同様のシリーズ接続モードを実現することができる。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８６】
直流電源２０側の電源側アームに対応するスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８は、直流電源２０に対応するブリッジ型コンバータが昇圧／降圧のいずれで動作するかに従って、図２９でのスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂのオンオフ制御と同様に制御される。すなわち、昇圧時には、制御信号ＳＧ７がＨレベルに固定される一方で、制御信号ＳＧ８がＬレベルに固定される。降圧時には、制御信号ＳＧ７が、直流電源２０のデューティ比Ｄｂに基づく制御パルス信号ＳＤｂに相当し、制御信号ＳＧ８は、制御信号ＳＧ７の反転信号（すなわち、／ＳＤｂ）に相当する。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８９】
同様に、直流電源１０側で降圧し、直流電源２０側で昇圧するときには、降圧側のスイッチング素子Ｓｃによるオン固定と、昇圧側のスイッチング素子Ｓｃによるデューティ比（１−Ｄｂ）による制御との両方を実現するために、制御信号ＳＧ１は、Ｈレベル信号と制御信号／ＳＤｂとの論理和に従って設定される。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１９８】
図３４に従うオンオフ制御によって、電源システム５♯の間接昇降圧モードにおいて、電源システム５（電力変換器５０）と同様のシリーズ接続モードを実現することができる。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１８】
2012070514.tif 000001