並列電源システム
【課題】簡素な装置構成で、制御を行うことなく各電源を流れる電流を平滑化しうる並列電源システムを提供する。
【解決手段】並列電源システム（１０,３０,４０,５０）は、負荷４に電力を供給する電力供給源である。並列電源システム（１０,３０,４０,５０）では、第１電源１４及びこの第１電源１４に直列接続された第１インダクタ１６を有する第１アーム１２と、第２電源２４及びこの第２電源２４に直列接続された第２インダクタ２６を有する第２アーム２２とが並列に接続されている。第１インダクタ１６と第２インダクタ２６とは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に発生するように結線されている。
【解決手段】並列電源システム（１０,３０,４０,５０）は、負荷４に電力を供給する電力供給源である。並列電源システム（１０,３０,４０,５０）では、第１電源１４及びこの第１電源１４に直列接続された第１インダクタ１６を有する第１アーム１２と、第２電源２４及びこの第２電源２４に直列接続された第２インダクタ２６を有する第２アーム２２とが並列に接続されている。第１インダクタ１６と第２インダクタ２６とは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に発生するように結線されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電源を並列に接続した並列電源システムに係り、特に、変動電流が流れる負荷に電力を供給する並列電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電源を大容量化するために電源を複数並列に接続した並列電源システムが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として、電池を並列に接続した組電池が開示されている。
ところが、特許文献１のような組電池では、各電池の内部抵抗や直列電池群の配線抵抗等に起因する電圧降下が直列電池群ごとに異なるため、各直列電池群を流れる電流のばらつきが生じてしまう。そのため、直列電池群ごとの電池の減り具合が異なり、直列電池群ごとの電池の起電力のばらつきが経時的に大きくなってしまう。電池の起電力のばらつきがあると、起電力の大きな直列電池群から起電力の小さな直列電池群に向かう還電流が生じてしまうことがある。そして、還電流が発生すると、意図しない充放電のサイクルが進むことになるので、電池の寿命が縮まる。また、意図しない充放電によって、電力のロスが問題となる。
【０００４】
そこで、インバータやチョッパ等を用いた電流制御によって、各直列電池群の電流のばらつきを小さくすることが考えられる。
例えば、特許文献２には、複数のバッテリが並列接続された回路装置において、負荷を流れる電流の計測値から各バッテリが負担すべき負荷電流を算出し、これと各バッテリを流れる電流計測値とを比較し、その比較結果に基づいて各バッテリに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する制御装置が記載されている。これにより、並列接続された複数のバッテリの負荷を均等化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４２３５３号公報
【特許文献２】特開２００１−０９５１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の制御装置では、負荷を流れる電流の計測値から各バッテリが負担すべき負荷電流を算出し、これと各バッテリを流れる電流計測値とを比較し、その比較結果に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を調節するといった煩雑な制御を行う必要がある。また、電流計測器やＤＣ−ＤＣコンバータ等を設置する必要があるため、設備コストがかさんでしまう。同様に、インバータやチョッパを用いて電流制御を行う場合にも、煩雑な制御の必要性や設備コストの問題がある。
特に、大電流が流れる大型の並列電源システム（大型蓄電装置など）の場合、設備が高価になるため、これを大型の並列電源システムに導入することは困難である。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、安価かつ簡素な装置構成で、制御を行うことなく各電源を流れる電流を平滑化しうる並列電源システム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】
【０００８】
本発明に係る並列電源システムは、変動電流が流れる負荷に電力を供給する並列電源システムであって、第１電源および該第１電源に直列接続された第１インダクタを有する第１アームと、前記第１アームと並列に接続され、第２電源および該第２電源に直列接続された第２インダクタを有する第２アームとを備え、前記第１インダクタと前記第２インダクタとは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタに発生するように結線されていることを特徴とする。
【０００９】
この並列電源システムでは、第１アームから負荷に向かって電流が流れたとき、第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタに発生するように第１インダクタ及び第２インダクタを結線しているので、第１アーム及び第２アームに電流変動が生じる際、第１インダクタ及び第２インダクタの相互誘導によってアーム間の電流が平滑化される。
例えば、第１アーム及び第２アームに電流が流れ始める際、第１アームの配線抵抗が第２アームよりも小さいために、第１アームにより多くの電流が流れようとする場合を考える。この場合、第１インダクタ及び第２インダクタの相互誘導によって、第１アームには第１電源の出力電圧に逆らう起電力が発生し、第２アームには第２電源の出力電圧と同一方向の起電力が発生する。よって、第１アーム及び第２アームを流れる電流が均等化（平滑化）される。
したがって、各アームにインダクタを設けただけの安価かつ簡素な装置構成で、何ら制御を行うことなく各電源を流れる電流を平滑化することができる。また、各アームに流れる電流を平滑化（均等化）することで、各アームにおける抵抗成分（各電源の内部抵抗や配線抵抗）における電力ロス（＝（電流）２×（抵抗））の総和を小さくできるから、全体としての電力ロスを低減できる。
【００１０】
上記並列電源システムは、前記第１アームおよび前記第２アームの接続点と前記負荷との間に設けられるインダクタと、前記インダクタと前記負荷との間に一端が接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された第３インダクタを有する第３アームとをさらに備え、前記インダクタと前記第３インダクタとは、前記第１アーム及び第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタに発生するように結線されていてもよい。
【００１１】
これにより、３本の第１アーム〜第３アームについて、電流の平滑化を行うことができる。
【００１２】
上記並列電源システムは、前記第１アームおよび前記第２アームと並列に接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された一対の第３インダクタを有する第３アームをさらに備え、前記第１アームは、前記第１電源に直列接続された一対の前記第１インダクタを有し、前記第２アームは、前記第２電源に直列接続された一対の前記第２インダクタを有し、前記第１インダクタの一方と前記第２インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタの一方に発生するように結線されており、前記第１インダクタの一方と前記第３インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの一方に作用するように結線されており、前記第２インダクタの他方と前記第３インダクタの他方とは、前記第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの他方に作用するように結線されていてもよい。
【００１３】
このように、各アームに一対のインダクタを設け、それぞれ他のアームのインダクタと相互誘導させて電流平滑化を行うことで、各アームのインダクタの数が等しくなり、各アームのインピーダンスを揃えることができる。
【００１４】
上記並列電源システムにおいて、前記第１電源及び前記第２電源は電池であってもよく、一次電池又は二次電池であってもよい。
【００１５】
上記並列電源システムは、上述のように、各アームに設けたインダクタの相互誘導によってアーム間の電流を平滑化して、環電流の発生を防止可能であるため、第１電源及び第２電源が一次電池である場合には、環電流に起因する意図しない一次電池の充電を抑制できる。また、第１電源及び第２電源が二次電池である場合には、環電流の発生防止により二次電池を長寿命化して、例えば、長期に亘って二次電池のメンテナンスが行えないような状況下でも運用可能な信頼性の高い並列電源システムとすることができる。
【００１６】
第１電源及び第２電源が二次電池である場合、前記負荷に替えて外部電源が前記第１アーム及び前記第２アームに接続され、前記外部電源から供給される電力によって前記第１電源及び前記第２電源が充電されるようになっていてもよい。
これにより、外部電源からパルス状等の充電用の変動電流が流れる場合に、各アームを流れる電流を均等化できる。
【００１７】
また、上記並列電源システムにおいて、前記第１アームと前記第２アームとの電流比が所定値になるように、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていてもよい。例えば、前記第１電源と前記第２電源との最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比を設定してもよい。あるいは、前記第１電源および前記第２電源が電池である場合には、前記第１電源と前記第２電源との容量比（電池容量比）に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比を設定してもよい。
【００１８】
上記並列電源システムにおいて、前記変動電流が流れる負荷は、例えば、インバータ、チョッパ及びスイッチング電源のいずれかであってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１アームから負荷に向かって電流が流れたとき、第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタに発生するように第１インダクタ及び第２インダクタを結線したので、第１アーム及び第２アームに電流変動が生じる際、第１インダクタ及び第２インダクタの相互誘導によってアーム間の電流が平滑化される。
よって、各アームにインダクタを設けただけの安価かつ簡素な装置構成で、何ら制御を行うことなく各電源を流れる電流を平滑化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。
【図２】第２実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。
【図３】第３実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。
【図４】４本のアームを用いた並列電源システムの構成例を示す図である。
【図５】実施例１に係るインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図６】実施例１において比較のためにインダクタを設けないで行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図７】実施例２に係るインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図８】実施例２において比較のためにインダクタを設けないで行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図９】実施例３に係るインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図１０】実施例３において比較のためにインダクタを設けないで行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示すように、並列電源システム１０は、スイッチング素子２を有する負荷４に接続され、負荷４に電力を供給するようになっている。
負荷４は、スイッチング素子２を有する負荷（例えば、インバータ、チョッパ、スイッチング電源等）であり、スイッチング素子２の動作により短時間での電流変動を生じうるようになっている。なお、ここでは、負荷４がスイッチング素子２を有する例について説明するが、負荷４は変動電流が流れる限り、スイッチング素子２を持たないものであってもよい。
【００２３】
並列電源システム１０は、第１アーム１２及び第２アーム２２が並列に接続された構成を有する。第１アーム１２は、第１電源１４及びこの第１電源１４に直列接続された第１インダクタ１６を有する。同様に、第２アーム２２は、第２電源２４及びこの第２電源２４に直列接続された第２インダクタ２６を有する。
なお、図１において符号１８及び２８で示したのは、各アーム（１２，２２）の配線抵抗や電池内部抵抗等の抵抗成分である。
【００２４】
本実施形態では、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６とは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に発生するように結線されている（言い換えると、第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第１アーム１２の出力電圧を高める方向の起電力が第１インダクタ１６に発生するように結線されている）。
なお、図１には、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の巻き始め端子（図１における黒丸。）が互い違いである例を示したが、この例は第１インダクタ１６にはその巻き始め端子とは反対側から電流が流れ、第２インダクタ２６にはその巻き始め端子側から電流が流れる場合に関するものであり、各インダクタの結線態様（各インダクタを流れる電流の向き）によっては、巻き始め端子が互い違いでないこともある。要は、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に作用するように、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６を結線するのである。
また、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６とは、共通のコア２０に巻かれており、両者の巻数は同一である。
【００２５】
第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６をこのように結線することで、スイッチング素子２の動作により第１アーム１２及び第２アーム２２に電流変動が生じる際、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によってアーム間の電流が平滑化される。
例えば、スイッチング素子２の動作により第１アーム１２及び第２アーム２２に電流が流れ始める際、第１アーム１２の抵抗成分１８が第２アーム２２の抵抗成分２８よりも小さいために、第１アーム１２により多くの電流が流れようとする場合を考える。この場合、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によって、第１アーム１２には第１電源１４の出力電圧に逆らう起電力が発生し、第２アーム２２には第２電源２４の出力電圧と同一方向の起電力が発生する。よって、第１アーム１２及び第２アーム２２を流れる電流が均等化（平滑化）される。
【００２６】
本実施形態によれば、各アーム（１２，２２）にインダクタ（１６，２６）を設けただけの安価かつ簡素な装置構成で、何ら制御を行うことなく各電源（１４，２４）を流れる電流を平滑化することができる。そのため、環電流の発生を防止できる。
【００２７】
なお、電源（１４，２４）は、並列電源システム１０に組み込まれて負荷４に電力を供給可能である限り特に限定されず、電池、大容量コンデンサ（電気２重層コンデンサ）、発電機等の任意の電力供給源を用いることができる。
【００２８】
例えば、電源（１４，２４）として一次電池又は二次電池を用いることができる。
並列電源システム１０は、上述のように、各アーム（１２，２２）に設けたインダクタ（１６，２６）の相互誘導によってアーム間の電流を平滑化して、環電流の発生を防止可能であるため、電源（１４，２４）が一次電池である場合には、環電流に起因する意図しない一次電池の充電を抑制できる。また、電源（１４，２４）が二次電池である場合には、環電流の発生防止により二次電池を長寿命化できる。そのため、例えば、長期に亘って二次電池のメンテナンスが行えないような状況下でも運用可能な信頼性の高い並列電源システム１０とすることができる。
【００２９】
なお、電源（１４，２４）が二次電池である場合、負荷４に替えて外部電源を第１アーム１２及び第２アーム２２に接続し、この外部電源から供給される電力によって電源（１４，２４）を充電するようにしてもよい。
このとき、外部電源からパルス状等の充電用の変動電流が流れる場合に、インダクタ（１６，２６）の相互誘導によって各アーム（１２，２）を流れる電流が均等化される。
例えば、外部電源から第１アーム１２及び第２アーム２２に電流が流れ始める際、第１アーム１２の抵抗成分１８が第２アーム２２の抵抗成分２８よりも小さいために、第１アーム１２により多くの電流が流れようとする場合を考える。この場合、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によって、第１アーム１２には第１電源１４の充電電圧に逆らう起電力が発生じ、第２アーム２２には第２電源２４の充電電圧と同一方向の起電力が発生する。よって、第１アーム及び第２アームを流れる電流が均等化（平滑化）される。
【００３０】
なお、本実施形態では、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数が同一である例について説明したが、各アーム（１２，２２）を流れる電流の比が所定値になるように第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数比を任意に設定してもよい。
例えば、各電源（１４，２４）の最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数比を調節してもよい。あるいは、各電源（１４，２４）が電池である場合には、各電源の容量比に応じて、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数比を調節してもよい。これにより、特性（最大出力電流比、最大出力電力比、電池容量比等）の異なる電源（１４，２４）にも適用可能となる。
【００３１】
［第２実施形態］
図２は、第２実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示す並列電源システム３０は、３本のアームについて電流平滑化を行うようにした点を除けば、第１実施形態の並列電源システム１０と同様である。よって、並列電源システム１０と同一の部分には共通の符号を付し、ここではその説明を省略する。
【００３２】
並列電源システム３０では、第１実施形態と同様に結線された第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６に加えて、第１アーム１２及び第２アーム２２の接続点Ｐ１と負荷４との間にインダクタ３７が設けられている。そして、このインダクタ３７と負荷４との間には、第３アーム３２の一端が接続されている。第３アーム３２は、第３電源３４及びこの第３電源３４に直列接続された第３インダクタ３６を有する。なお、抵抗成分３８は、第３アーム３２の配線抵抗や電池内部抵抗等である。
そして、インダクタ３７と第３インダクタ３６とは、第１アーム１２及び第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２の出力電圧を高める方向の起電力が第３インダクタ３６に発生するように結線されている。また、インダクタ３７は、第３インダクタ３６と共通のコア２０に巻かれており、その巻数は第３インダクタ３６の巻数の約半分である。インダクタ３７の巻数を第３インダクタ３６の巻数の約半分にするのは、インダクタ３７を流れる電流が第３インダクタ３６を流れる電流の約２倍であることを考慮したものである。
【００３３】
本実施形態では、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によって、第１アーム１２と第２アーム２２との間の電流が平滑化される。また、インダクタ３７及び第３インダクタ３６の相互誘導によって、第１アーム１２及び第２アーム２２を通過後の電流（インダクタ３７を流れる電流）と第３アーム３２を流れる電流との平滑化が行われる。結果的に、各アーム（１２，２２，３２）間の電流のばらつきが抑制される。
【００３４】
なお、本実施形態では、インダクタ３７の巻数が第３インダクタ３６の巻数の約半分である例について説明したが、各アーム（１２，２２，３２）を流れる電流の比が所定値になるようにインダクタ３７と第３インダクタ３６との巻数比を任意に設定してもよい。
例えば、各電源（１４，２４，３４）の最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、インダクタ３７と第３インダクタ３６の巻数との巻数比を調節してもよい。あるいは、各電源（１４，２４，３４）が電池である場合には、各電源の容量比に応じて、インダクタ３７と第３インダクタ３６の巻数との巻数比を調節してもよい。
【００３５】
［第３実施形態］
図３は、第３実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示す並列電源システム４０は、３本のアームの結線の仕方が異なる点を除けば、第２実施形態の並列電源システム３０と同様である。よって、並列電源システム３０と同一の部分には共通の符号を付し、ここではその説明を省略する。
【００３６】
本実施形態では、３本のアーム（１２，２２，３２）は並列に接続されており、それぞれ、電源（１４，２４，３４）及びこの電源に直列接続された一対のインダクタ（１６Ａ，１６Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ，３６Ａ，３６Ｂ）を有する。
【００３７】
各アーム（１２，２２，３２）の一対のインダクタは、それぞれ、他のアームのインダクタと相互誘導しうるように設けられている。なお、相互誘導を生じるようにペアを構成したインダクタの巻数は、互いに等しい。
具体的には、第１インダクタ１６Ａと第２インダクタ２６Ａとは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６Ａに発生するように共通のコア２０に巻かれている。また、第１インダクタ１６Ｂと第３インダクタ３６Ｂとは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２の出力電圧を高める方向の起電力が第３インダクタ３６Ｂに発生するように共通のコア２０に巻かれている。さらに、第２インダクタ２６Ｂと第３インダクタ３６Ａとは、第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２の出力電圧を高める方向の起電力が第３インダクタ３６Ａに発生するように共通のコア２０に巻かれている。
【００３８】
本実施形態では、第１インダクタ１６Ａ及び第２インダクタ２６Ａの相互誘導によって、第１アーム１２と第２アーム２２との間の電流が平滑化される。また、第１インダクタ１６Ｂ及び第３インダクタ３６Ｂの相互誘導によって、第１アーム１２と第３アーム３２との間の電流が平滑化される。そして、第２インダクタ２６Ｂ及び第３インダクタ３６Ａの相互誘導によって、第２アーム２２と第３アーム３２との間の電流が平滑化される。結果的に、各アーム（１２，２２，３２）間の電流のばらつきが抑制される。
また、各アーム（１２，２２，３２）のインダクタの数が等しいので、各アームのインピーダンスを揃えることができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、相互誘導を生じるようにペアを構成したインダクタの巻数が互いに等しい例について説明したが、各アーム（１２，２２，３２）を流れる電流の比が所定値になるように、各ペアを構成するインダクタの巻数比を任意に設定してもよい。
例えば、各電源（１４，２４，３４）の最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、各ペアを構成するインダクタの巻数比を調節してもよい。あるいは、各電源（１４，２４，３４）が電池である場合には、各電源の容量比に応じて、各ペアを構成するインダクタの巻数比を調節してもよい。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００４１】
例えば、上述の実施形態では、電源のプラス端子側にインダクタを設ける例について説明したが、インダクタを電源のマイナス端子側に設けてもよいし、インダクタを電源のプラス端子側及びマイナス端子側の両方に設けてもよいことはいうまでもない。
【００４２】
また上述の実施形態では、アームの数が２〜３本である例について説明したが、アームの数は４本以上であってもよい。この場合、第１実施形態のような２本のアーム（１２，２２）の結線態様、あるいは、第２実施形態又は第３実施形態のような３本のアーム（１２，２２，３２）の結線態様を適宜組み合わせて、任意のアーム本数の並列電源システムを実現してもよい。例えば、４本のアームを用いた並列電源システムの場合、第１実施形態の２本のアームの結線態様を複数組み合わせてもよい。
【００４３】
図４は、４本のアームを用いた並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示す並列電源システム５０は、第１実施形態の結線態様を組み合わせて４本のアームに適用したものである。なお、第４アーム４２は、他のアームと同様に、第４電源４４に直列接続された第４インダクタ４６を有する。なお、図４において符号４８で示したのは、第４アーム４２の抵抗成分である。
【００４４】
並列電源システム５０では、第１アーム１２及び第２アーム２２と第３アーム３２及び第４アーム４２との２組のアーム対を第１実施形態と同様な結線態様で結線している。具体的には、第１アーム１２の第１インダクタ１６と第２アーム２２の第２インダクタ２６とは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に発生するように共通のコア２０に巻かれている。同様に、第３アーム３２の第３インダクタ３６と第４アーム４２の第４インダクタ４６とは、第３アーム３２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第４アーム４２の出力電圧を高める方向の起電力が第４インダクタ４６に発生するように共通のコア２０に巻かれている。
さらに、第１アーム１２及び第２アーム２２の接続点Ｐ１と負荷４との間にはインダクタ５２が設けられ、第３アーム３２及び第４アーム４２の接続点Ｐ２と負荷４との間にはインダクタ５４が設けられている。そして、インダクタ５２とインダクタ５４とは、第１アーム１２及び第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２及び第４アーム４２の出力電圧を高める方向の起電力がインダクタ５４に発生するように共通のコア２０に巻かれている。
【００４５】
したがって、並列電源システム５０では、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との相互誘導、第３インダクタ３６と第４インダクタ４６との相互誘導、さらにはインダクタ５２とインダクタ５４の相互誘導によって、アーム（１２，２２，３２，４２）間の電流のばらつきが抑制される。
【００４６】
また上述の実施形態では、ペアとなるインダクタ（１６，１６Ａ，１６Ｂ，２６，２６Ａ，２６Ｂ，３６，３６Ａ，３６Ｂ，３７，４６，５２，５４）を共通のコア２０に巻いた例について説明したが、ペアとなるインダクタが上述した相互誘導を生じるように結線されている限り、コアの構造は特に限定されない。例えば、ペアとなるインダクタを共通のコア２０に巻くのではなく、コアがなくインダクタのみであってもよいし（空心コア）、構造上分割されたコア（分割コア）のそれぞれにインダクタを巻いてもよい。
【実施例】
【００４７】
上述の実施形態に係る並列電源システムのインダクタの電流平滑化作用を、以下の３種類の条件下における計算によって確認した。
【００４８】
［実施例１］
図５は、電池の内部抵抗の差がある場合におけるインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、図５（ａ）が計算の対象にした回路構成図、図５（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。図６は、比較のためにインダクタを用いずに行った計算に関する図であり、図６（ａ）が計算の対象とした回路構成図、図６（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【００４９】
図５（ａ）に示す回路構成では、各アーム（１２，２２）の抵抗Ｒ２とＲ３は、それぞれ、１．６ｍΩ、２．０ｍΩである。また各アームには、共通のコアに巻いたインダクタ（１６，２６）が設けられている。この回路構成において、各抵抗を流れる電流を計算した。なお、負荷４のスイッチング素子２は、ＰＷＭ制御部５２から出力されるパルス信号に基づいて開閉を繰り返すようになっている。
【００５０】
図５（ｂ）に示すように、アーム１２の抵抗Ｒ２を流れる電流ＩＲ２［Ａ］とアーム２２の抵抗Ｒ３を流れる電流ＩＲ３［Ａ］との差が低減されることが分かった。なお、図５（ｂ）において、ＩＬ１はＬＯＡＤ１を流れる電流の大きさを意味する。
【００５１】
一方、図６（ａ）に示す回路構成は、インダクタが各アームに設けられていない点を除けば図５（ａ）の回路構成と同様である。図６（ａ）に示す回路構成において各抵抗を流れる電流を計算したところ、図６（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ５を流れる電流ＩＲ５［Ａ］と抵抗Ｒ６を流れる電流ＩＲ６［Ａ］との差が図５（ｂ）に比べて大きかった。
【００５２】
［実施例２］
図７は、電池の内部抵抗に差がある場合の各電池からの放電時にバランスしたとき（平衡状態になったとき）のインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、図７（ａ）が計算の対象にした回路構成図、図７（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。図８は、比較のためにインダクタを用いずに行った計算に関する図であり、図８（ａ）が計算の対象とした回路構成図、図８（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【００５３】
図７（ａ）に示す回路構成では、内部抵抗（Ｒ２及びＲ３）が異なるために平衡状態における電池の電圧（１５．９９Ｖ及び１６．０１Ｖ）に差異が生じている。この回路構成において、各抵抗を流れる電流を計算したところ、図９（ｂ）に示すように、アーム１２の抵抗Ｒ２を流れる電流ＩＲ２［Ａ］とアーム２２の抵抗Ｒ３を流れる電流ＩＲ３［Ａ］との差が低減されることが分かった。
【００５４】
一方、図８（ａ）に示す回路構成は、インダクタが各アームに設けられていない点を除けば図７（ａ）の回路構成と同様である。図８（ａ）に示す回路構成において各抵抗を流れる電流を計算したところ、図８（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ５を流れる電流ＩＲ５［Ａ］と抵抗Ｒ６を流れる電流ＩＲ６［Ａ］との差が図７（ｂ）に比べて大きかった。また、抵抗Ｒ５を流れるＩＲ５は、スイッチＳ２がＯＦＦのときに、負の電流となっており、抵抗Ｒ５に環電流が流れていることが分かった。なお、このような環電流は図７（ｂ）では確認されなかった。
【００５５】
［実施例３］
図９は、電池の内部抵抗に差がある場合の各電池への充電時にバランスしたとき（平衡状態になったとき）のインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、図９（ａ）が計算の対象にした回路構成図、図９（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。図１０は、比較のためにインダクタを用いずに行った計算に関する図であり、図１０（ａ）が計算の対象とした回路構成図、図１０（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【００５６】
図９（ａ）に示す回路構成では、内部抵抗（Ｒ２及びＲ３）が異なるために平衡状態における電池の電圧（１６．０１Ｖ及び１５．９９Ｖ）に差異が生じている。この回路構成において、各抵抗を流れる電流を計算したところ、図９（ｂ）に示すように、アーム１２の抵抗Ｒ２を流れる電流ＩＲ２［Ａ］とアーム２２の抵抗Ｒ３を流れる電流ＩＲ３［Ａ］との差が低減されることが分かった。なお、スイッチＳ１がＯＦＦのときに、Ｒ２を流れるＩＲ２は負の電流であり、環電流の発生が確認されたが、環電流の大きさは比較的小さかった。
【００５７】
一方、図１０（ａ）に示す回路構成は、インダクタが各アームに設けられていない点を除けば図９（ａ）の回路構成と同様である。図１０（ａ）に示す回路構成において各抵抗を流れる電流を計算したところ、図１０（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ５を流れる電流ＩＲ５［Ａ］と抵抗Ｒ６を流れる電流ＩＲ６［Ａ］との差が図９（ｂ）に比べて大きかった。また、抵抗Ｒ５を流れるＩＲ５は、スイッチＳ２がＯＦＦのときに、負の電流となっており、抵抗Ｒ５に図９（ｂ）よりも大きな環電流が流れていることが分かった。
【００５８】
上記実施例１〜３における計算結果から、電池の内部抵抗にばらつきがある場合（実施例１）、および、電池の内部抵抗のばらつきに加えて電池の起電力に差異がある場合（実施例２及び３）のいずれにおいても、インダクタの相互誘導を利用して電流を平滑化できることが確認された。
【符号の説明】
【００５９】
２ スイッチング素子
４ 負荷
１０ 並列電源システム
１２ 第１アーム
１４ 第１電源
１６ 第１インダクタ
１８ 抵抗成分
２０ コア
２２ 第２アーム
２４ 第２電源
２６ 第２インダクタ
２８ 抵抗成分
３０ 並列電源システム
３２ 第３アーム
３４ 第３電源
３６ 第３インダクタ
３７ インダクタ
３８ 抵抗成分
４０ 並列電源システム
４２ 第４アーム
４４ 第４電源
４６ 第４インダクタ
４８ 抵抗成分
５０ 並列電源システム
５２ インダクタ
５４ インダクタ
Ｐ１ 接続点
Ｐ２ 接続点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電源を並列に接続した並列電源システムに係り、特に、変動電流が流れる負荷に電力を供給する並列電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電源を大容量化するために電源を複数並列に接続した並列電源システムが知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、電気自動車やハイブリッド自動車等の電源として、電池を並列に接続した組電池が開示されている。
ところが、特許文献１のような組電池では、各電池の内部抵抗や直列電池群の配線抵抗等に起因する電圧降下が直列電池群ごとに異なるため、各直列電池群を流れる電流のばらつきが生じてしまう。そのため、直列電池群ごとの電池の減り具合が異なり、直列電池群ごとの電池の起電力のばらつきが経時的に大きくなってしまう。電池の起電力のばらつきがあると、起電力の大きな直列電池群から起電力の小さな直列電池群に向かう還電流が生じてしまうことがある。そして、還電流が発生すると、意図しない充放電のサイクルが進むことになるので、電池の寿命が縮まる。また、意図しない充放電によって、電力のロスが問題となる。
【０００４】
そこで、インバータやチョッパ等を用いた電流制御によって、各直列電池群の電流のばらつきを小さくすることが考えられる。
例えば、特許文献２には、複数のバッテリが並列接続された回路装置において、負荷を流れる電流の計測値から各バッテリが負担すべき負荷電流を算出し、これと各バッテリを流れる電流計測値とを比較し、その比較結果に基づいて各バッテリに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する制御装置が記載されている。これにより、並列接続された複数のバッテリの負荷を均等化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４２３５３号公報
【特許文献２】特開２００１−０９５１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の制御装置では、負荷を流れる電流の計測値から各バッテリが負担すべき負荷電流を算出し、これと各バッテリを流れる電流計測値とを比較し、その比較結果に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を調節するといった煩雑な制御を行う必要がある。また、電流計測器やＤＣ−ＤＣコンバータ等を設置する必要があるため、設備コストがかさんでしまう。同様に、インバータやチョッパを用いて電流制御を行う場合にも、煩雑な制御の必要性や設備コストの問題がある。
特に、大電流が流れる大型の並列電源システム（大型蓄電装置など）の場合、設備が高価になるため、これを大型の並列電源システムに導入することは困難である。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、安価かつ簡素な装置構成で、制御を行うことなく各電源を流れる電流を平滑化しうる並列電源システム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】
【０００８】
本発明に係る並列電源システムは、変動電流が流れる負荷に電力を供給する並列電源システムであって、第１電源および該第１電源に直列接続された第１インダクタを有する第１アームと、前記第１アームと並列に接続され、第２電源および該第２電源に直列接続された第２インダクタを有する第２アームとを備え、前記第１インダクタと前記第２インダクタとは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタに発生するように結線されていることを特徴とする。
【０００９】
この並列電源システムでは、第１アームから負荷に向かって電流が流れたとき、第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタに発生するように第１インダクタ及び第２インダクタを結線しているので、第１アーム及び第２アームに電流変動が生じる際、第１インダクタ及び第２インダクタの相互誘導によってアーム間の電流が平滑化される。
例えば、第１アーム及び第２アームに電流が流れ始める際、第１アームの配線抵抗が第２アームよりも小さいために、第１アームにより多くの電流が流れようとする場合を考える。この場合、第１インダクタ及び第２インダクタの相互誘導によって、第１アームには第１電源の出力電圧に逆らう起電力が発生し、第２アームには第２電源の出力電圧と同一方向の起電力が発生する。よって、第１アーム及び第２アームを流れる電流が均等化（平滑化）される。
したがって、各アームにインダクタを設けただけの安価かつ簡素な装置構成で、何ら制御を行うことなく各電源を流れる電流を平滑化することができる。また、各アームに流れる電流を平滑化（均等化）することで、各アームにおける抵抗成分（各電源の内部抵抗や配線抵抗）における電力ロス（＝（電流）２×（抵抗））の総和を小さくできるから、全体としての電力ロスを低減できる。
【００１０】
上記並列電源システムは、前記第１アームおよび前記第２アームの接続点と前記負荷との間に設けられるインダクタと、前記インダクタと前記負荷との間に一端が接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された第３インダクタを有する第３アームとをさらに備え、前記インダクタと前記第３インダクタとは、前記第１アーム及び第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタに発生するように結線されていてもよい。
【００１１】
これにより、３本の第１アーム〜第３アームについて、電流の平滑化を行うことができる。
【００１２】
上記並列電源システムは、前記第１アームおよび前記第２アームと並列に接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された一対の第３インダクタを有する第３アームをさらに備え、前記第１アームは、前記第１電源に直列接続された一対の前記第１インダクタを有し、前記第２アームは、前記第２電源に直列接続された一対の前記第２インダクタを有し、前記第１インダクタの一方と前記第２インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタの一方に発生するように結線されており、前記第１インダクタの一方と前記第３インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの一方に作用するように結線されており、前記第２インダクタの他方と前記第３インダクタの他方とは、前記第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの他方に作用するように結線されていてもよい。
【００１３】
このように、各アームに一対のインダクタを設け、それぞれ他のアームのインダクタと相互誘導させて電流平滑化を行うことで、各アームのインダクタの数が等しくなり、各アームのインピーダンスを揃えることができる。
【００１４】
上記並列電源システムにおいて、前記第１電源及び前記第２電源は電池であってもよく、一次電池又は二次電池であってもよい。
【００１５】
上記並列電源システムは、上述のように、各アームに設けたインダクタの相互誘導によってアーム間の電流を平滑化して、環電流の発生を防止可能であるため、第１電源及び第２電源が一次電池である場合には、環電流に起因する意図しない一次電池の充電を抑制できる。また、第１電源及び第２電源が二次電池である場合には、環電流の発生防止により二次電池を長寿命化して、例えば、長期に亘って二次電池のメンテナンスが行えないような状況下でも運用可能な信頼性の高い並列電源システムとすることができる。
【００１６】
第１電源及び第２電源が二次電池である場合、前記負荷に替えて外部電源が前記第１アーム及び前記第２アームに接続され、前記外部電源から供給される電力によって前記第１電源及び前記第２電源が充電されるようになっていてもよい。
これにより、外部電源からパルス状等の充電用の変動電流が流れる場合に、各アームを流れる電流を均等化できる。
【００１７】
また、上記並列電源システムにおいて、前記第１アームと前記第２アームとの電流比が所定値になるように、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていてもよい。例えば、前記第１電源と前記第２電源との最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比を設定してもよい。あるいは、前記第１電源および前記第２電源が電池である場合には、前記第１電源と前記第２電源との容量比（電池容量比）に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比を設定してもよい。
【００１８】
上記並列電源システムにおいて、前記変動電流が流れる負荷は、例えば、インバータ、チョッパ及びスイッチング電源のいずれかであってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１アームから負荷に向かって電流が流れたとき、第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタに発生するように第１インダクタ及び第２インダクタを結線したので、第１アーム及び第２アームに電流変動が生じる際、第１インダクタ及び第２インダクタの相互誘導によってアーム間の電流が平滑化される。
よって、各アームにインダクタを設けただけの安価かつ簡素な装置構成で、何ら制御を行うことなく各電源を流れる電流を平滑化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。
【図２】第２実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。
【図３】第３実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。
【図４】４本のアームを用いた並列電源システムの構成例を示す図である。
【図５】実施例１に係るインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図６】実施例１において比較のためにインダクタを設けないで行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図７】実施例２に係るインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図８】実施例２において比較のためにインダクタを設けないで行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図９】実施例３に係るインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【図１０】実施例３において比較のためにインダクタを設けないで行った計算に関する図であり、（ａ）は計算の対象とした回路構成図、（ｂ）は電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示すように、並列電源システム１０は、スイッチング素子２を有する負荷４に接続され、負荷４に電力を供給するようになっている。
負荷４は、スイッチング素子２を有する負荷（例えば、インバータ、チョッパ、スイッチング電源等）であり、スイッチング素子２の動作により短時間での電流変動を生じうるようになっている。なお、ここでは、負荷４がスイッチング素子２を有する例について説明するが、負荷４は変動電流が流れる限り、スイッチング素子２を持たないものであってもよい。
【００２３】
並列電源システム１０は、第１アーム１２及び第２アーム２２が並列に接続された構成を有する。第１アーム１２は、第１電源１４及びこの第１電源１４に直列接続された第１インダクタ１６を有する。同様に、第２アーム２２は、第２電源２４及びこの第２電源２４に直列接続された第２インダクタ２６を有する。
なお、図１において符号１８及び２８で示したのは、各アーム（１２，２２）の配線抵抗や電池内部抵抗等の抵抗成分である。
【００２４】
本実施形態では、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６とは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に発生するように結線されている（言い換えると、第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第１アーム１２の出力電圧を高める方向の起電力が第１インダクタ１６に発生するように結線されている）。
なお、図１には、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の巻き始め端子（図１における黒丸。）が互い違いである例を示したが、この例は第１インダクタ１６にはその巻き始め端子とは反対側から電流が流れ、第２インダクタ２６にはその巻き始め端子側から電流が流れる場合に関するものであり、各インダクタの結線態様（各インダクタを流れる電流の向き）によっては、巻き始め端子が互い違いでないこともある。要は、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に作用するように、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６を結線するのである。
また、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６とは、共通のコア２０に巻かれており、両者の巻数は同一である。
【００２５】
第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６をこのように結線することで、スイッチング素子２の動作により第１アーム１２及び第２アーム２２に電流変動が生じる際、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によってアーム間の電流が平滑化される。
例えば、スイッチング素子２の動作により第１アーム１２及び第２アーム２２に電流が流れ始める際、第１アーム１２の抵抗成分１８が第２アーム２２の抵抗成分２８よりも小さいために、第１アーム１２により多くの電流が流れようとする場合を考える。この場合、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によって、第１アーム１２には第１電源１４の出力電圧に逆らう起電力が発生し、第２アーム２２には第２電源２４の出力電圧と同一方向の起電力が発生する。よって、第１アーム１２及び第２アーム２２を流れる電流が均等化（平滑化）される。
【００２６】
本実施形態によれば、各アーム（１２，２２）にインダクタ（１６，２６）を設けただけの安価かつ簡素な装置構成で、何ら制御を行うことなく各電源（１４，２４）を流れる電流を平滑化することができる。そのため、環電流の発生を防止できる。
【００２７】
なお、電源（１４，２４）は、並列電源システム１０に組み込まれて負荷４に電力を供給可能である限り特に限定されず、電池、大容量コンデンサ（電気２重層コンデンサ）、発電機等の任意の電力供給源を用いることができる。
【００２８】
例えば、電源（１４，２４）として一次電池又は二次電池を用いることができる。
並列電源システム１０は、上述のように、各アーム（１２，２２）に設けたインダクタ（１６，２６）の相互誘導によってアーム間の電流を平滑化して、環電流の発生を防止可能であるため、電源（１４，２４）が一次電池である場合には、環電流に起因する意図しない一次電池の充電を抑制できる。また、電源（１４，２４）が二次電池である場合には、環電流の発生防止により二次電池を長寿命化できる。そのため、例えば、長期に亘って二次電池のメンテナンスが行えないような状況下でも運用可能な信頼性の高い並列電源システム１０とすることができる。
【００２９】
なお、電源（１４，２４）が二次電池である場合、負荷４に替えて外部電源を第１アーム１２及び第２アーム２２に接続し、この外部電源から供給される電力によって電源（１４，２４）を充電するようにしてもよい。
このとき、外部電源からパルス状等の充電用の変動電流が流れる場合に、インダクタ（１６，２６）の相互誘導によって各アーム（１２，２）を流れる電流が均等化される。
例えば、外部電源から第１アーム１２及び第２アーム２２に電流が流れ始める際、第１アーム１２の抵抗成分１８が第２アーム２２の抵抗成分２８よりも小さいために、第１アーム１２により多くの電流が流れようとする場合を考える。この場合、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によって、第１アーム１２には第１電源１４の充電電圧に逆らう起電力が発生じ、第２アーム２２には第２電源２４の充電電圧と同一方向の起電力が発生する。よって、第１アーム及び第２アームを流れる電流が均等化（平滑化）される。
【００３０】
なお、本実施形態では、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数が同一である例について説明したが、各アーム（１２，２２）を流れる電流の比が所定値になるように第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数比を任意に設定してもよい。
例えば、各電源（１４，２４）の最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数比を調節してもよい。あるいは、各電源（１４，２４）が電池である場合には、各電源の容量比に応じて、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との巻数比を調節してもよい。これにより、特性（最大出力電流比、最大出力電力比、電池容量比等）の異なる電源（１４，２４）にも適用可能となる。
【００３１】
［第２実施形態］
図２は、第２実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示す並列電源システム３０は、３本のアームについて電流平滑化を行うようにした点を除けば、第１実施形態の並列電源システム１０と同様である。よって、並列電源システム１０と同一の部分には共通の符号を付し、ここではその説明を省略する。
【００３２】
並列電源システム３０では、第１実施形態と同様に結線された第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６に加えて、第１アーム１２及び第２アーム２２の接続点Ｐ１と負荷４との間にインダクタ３７が設けられている。そして、このインダクタ３７と負荷４との間には、第３アーム３２の一端が接続されている。第３アーム３２は、第３電源３４及びこの第３電源３４に直列接続された第３インダクタ３６を有する。なお、抵抗成分３８は、第３アーム３２の配線抵抗や電池内部抵抗等である。
そして、インダクタ３７と第３インダクタ３６とは、第１アーム１２及び第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２の出力電圧を高める方向の起電力が第３インダクタ３６に発生するように結線されている。また、インダクタ３７は、第３インダクタ３６と共通のコア２０に巻かれており、その巻数は第３インダクタ３６の巻数の約半分である。インダクタ３７の巻数を第３インダクタ３６の巻数の約半分にするのは、インダクタ３７を流れる電流が第３インダクタ３６を流れる電流の約２倍であることを考慮したものである。
【００３３】
本実施形態では、第１インダクタ１６及び第２インダクタ２６の相互誘導によって、第１アーム１２と第２アーム２２との間の電流が平滑化される。また、インダクタ３７及び第３インダクタ３６の相互誘導によって、第１アーム１２及び第２アーム２２を通過後の電流（インダクタ３７を流れる電流）と第３アーム３２を流れる電流との平滑化が行われる。結果的に、各アーム（１２，２２，３２）間の電流のばらつきが抑制される。
【００３４】
なお、本実施形態では、インダクタ３７の巻数が第３インダクタ３６の巻数の約半分である例について説明したが、各アーム（１２，２２，３２）を流れる電流の比が所定値になるようにインダクタ３７と第３インダクタ３６との巻数比を任意に設定してもよい。
例えば、各電源（１４，２４，３４）の最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、インダクタ３７と第３インダクタ３６の巻数との巻数比を調節してもよい。あるいは、各電源（１４，２４，３４）が電池である場合には、各電源の容量比に応じて、インダクタ３７と第３インダクタ３６の巻数との巻数比を調節してもよい。
【００３５】
［第３実施形態］
図３は、第３実施形態に係る並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示す並列電源システム４０は、３本のアームの結線の仕方が異なる点を除けば、第２実施形態の並列電源システム３０と同様である。よって、並列電源システム３０と同一の部分には共通の符号を付し、ここではその説明を省略する。
【００３６】
本実施形態では、３本のアーム（１２，２２，３２）は並列に接続されており、それぞれ、電源（１４，２４，３４）及びこの電源に直列接続された一対のインダクタ（１６Ａ，１６Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ，３６Ａ，３６Ｂ）を有する。
【００３７】
各アーム（１２，２２，３２）の一対のインダクタは、それぞれ、他のアームのインダクタと相互誘導しうるように設けられている。なお、相互誘導を生じるようにペアを構成したインダクタの巻数は、互いに等しい。
具体的には、第１インダクタ１６Ａと第２インダクタ２６Ａとは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６Ａに発生するように共通のコア２０に巻かれている。また、第１インダクタ１６Ｂと第３インダクタ３６Ｂとは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２の出力電圧を高める方向の起電力が第３インダクタ３６Ｂに発生するように共通のコア２０に巻かれている。さらに、第２インダクタ２６Ｂと第３インダクタ３６Ａとは、第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２の出力電圧を高める方向の起電力が第３インダクタ３６Ａに発生するように共通のコア２０に巻かれている。
【００３８】
本実施形態では、第１インダクタ１６Ａ及び第２インダクタ２６Ａの相互誘導によって、第１アーム１２と第２アーム２２との間の電流が平滑化される。また、第１インダクタ１６Ｂ及び第３インダクタ３６Ｂの相互誘導によって、第１アーム１２と第３アーム３２との間の電流が平滑化される。そして、第２インダクタ２６Ｂ及び第３インダクタ３６Ａの相互誘導によって、第２アーム２２と第３アーム３２との間の電流が平滑化される。結果的に、各アーム（１２，２２，３２）間の電流のばらつきが抑制される。
また、各アーム（１２，２２，３２）のインダクタの数が等しいので、各アームのインピーダンスを揃えることができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、相互誘導を生じるようにペアを構成したインダクタの巻数が互いに等しい例について説明したが、各アーム（１２，２２，３２）を流れる電流の比が所定値になるように、各ペアを構成するインダクタの巻数比を任意に設定してもよい。
例えば、各電源（１４，２４，３４）の最大出力電流比または最大出力電力比に応じて、各ペアを構成するインダクタの巻数比を調節してもよい。あるいは、各電源（１４，２４，３４）が電池である場合には、各電源の容量比に応じて、各ペアを構成するインダクタの巻数比を調節してもよい。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００４１】
例えば、上述の実施形態では、電源のプラス端子側にインダクタを設ける例について説明したが、インダクタを電源のマイナス端子側に設けてもよいし、インダクタを電源のプラス端子側及びマイナス端子側の両方に設けてもよいことはいうまでもない。
【００４２】
また上述の実施形態では、アームの数が２〜３本である例について説明したが、アームの数は４本以上であってもよい。この場合、第１実施形態のような２本のアーム（１２，２２）の結線態様、あるいは、第２実施形態又は第３実施形態のような３本のアーム（１２，２２，３２）の結線態様を適宜組み合わせて、任意のアーム本数の並列電源システムを実現してもよい。例えば、４本のアームを用いた並列電源システムの場合、第１実施形態の２本のアームの結線態様を複数組み合わせてもよい。
【００４３】
図４は、４本のアームを用いた並列電源システムの構成例を示す図である。同図に示す並列電源システム５０は、第１実施形態の結線態様を組み合わせて４本のアームに適用したものである。なお、第４アーム４２は、他のアームと同様に、第４電源４４に直列接続された第４インダクタ４６を有する。なお、図４において符号４８で示したのは、第４アーム４２の抵抗成分である。
【００４４】
並列電源システム５０では、第１アーム１２及び第２アーム２２と第３アーム３２及び第４アーム４２との２組のアーム対を第１実施形態と同様な結線態様で結線している。具体的には、第１アーム１２の第１インダクタ１６と第２アーム２２の第２インダクタ２６とは、第１アーム１２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第２アーム２２の出力電圧を高める方向の起電力が第２インダクタ２６に発生するように共通のコア２０に巻かれている。同様に、第３アーム３２の第３インダクタ３６と第４アーム４２の第４インダクタ４６とは、第３アーム３２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第４アーム４２の出力電圧を高める方向の起電力が第４インダクタ４６に発生するように共通のコア２０に巻かれている。
さらに、第１アーム１２及び第２アーム２２の接続点Ｐ１と負荷４との間にはインダクタ５２が設けられ、第３アーム３２及び第４アーム４２の接続点Ｐ２と負荷４との間にはインダクタ５４が設けられている。そして、インダクタ５２とインダクタ５４とは、第１アーム１２及び第２アーム２２から負荷４に向かって電流が流れたとき、第３アーム３２及び第４アーム４２の出力電圧を高める方向の起電力がインダクタ５４に発生するように共通のコア２０に巻かれている。
【００４５】
したがって、並列電源システム５０では、第１インダクタ１６と第２インダクタ２６との相互誘導、第３インダクタ３６と第４インダクタ４６との相互誘導、さらにはインダクタ５２とインダクタ５４の相互誘導によって、アーム（１２，２２，３２，４２）間の電流のばらつきが抑制される。
【００４６】
また上述の実施形態では、ペアとなるインダクタ（１６，１６Ａ，１６Ｂ，２６，２６Ａ，２６Ｂ，３６，３６Ａ，３６Ｂ，３７，４６，５２，５４）を共通のコア２０に巻いた例について説明したが、ペアとなるインダクタが上述した相互誘導を生じるように結線されている限り、コアの構造は特に限定されない。例えば、ペアとなるインダクタを共通のコア２０に巻くのではなく、コアがなくインダクタのみであってもよいし（空心コア）、構造上分割されたコア（分割コア）のそれぞれにインダクタを巻いてもよい。
【実施例】
【００４７】
上述の実施形態に係る並列電源システムのインダクタの電流平滑化作用を、以下の３種類の条件下における計算によって確認した。
【００４８】
［実施例１］
図５は、電池の内部抵抗の差がある場合におけるインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、図５（ａ）が計算の対象にした回路構成図、図５（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。図６は、比較のためにインダクタを用いずに行った計算に関する図であり、図６（ａ）が計算の対象とした回路構成図、図６（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【００４９】
図５（ａ）に示す回路構成では、各アーム（１２，２２）の抵抗Ｒ２とＲ３は、それぞれ、１．６ｍΩ、２．０ｍΩである。また各アームには、共通のコアに巻いたインダクタ（１６，２６）が設けられている。この回路構成において、各抵抗を流れる電流を計算した。なお、負荷４のスイッチング素子２は、ＰＷＭ制御部５２から出力されるパルス信号に基づいて開閉を繰り返すようになっている。
【００５０】
図５（ｂ）に示すように、アーム１２の抵抗Ｒ２を流れる電流ＩＲ２［Ａ］とアーム２２の抵抗Ｒ３を流れる電流ＩＲ３［Ａ］との差が低減されることが分かった。なお、図５（ｂ）において、ＩＬ１はＬＯＡＤ１を流れる電流の大きさを意味する。
【００５１】
一方、図６（ａ）に示す回路構成は、インダクタが各アームに設けられていない点を除けば図５（ａ）の回路構成と同様である。図６（ａ）に示す回路構成において各抵抗を流れる電流を計算したところ、図６（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ５を流れる電流ＩＲ５［Ａ］と抵抗Ｒ６を流れる電流ＩＲ６［Ａ］との差が図５（ｂ）に比べて大きかった。
【００５２】
［実施例２］
図７は、電池の内部抵抗に差がある場合の各電池からの放電時にバランスしたとき（平衡状態になったとき）のインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、図７（ａ）が計算の対象にした回路構成図、図７（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。図８は、比較のためにインダクタを用いずに行った計算に関する図であり、図８（ａ）が計算の対象とした回路構成図、図８（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【００５３】
図７（ａ）に示す回路構成では、内部抵抗（Ｒ２及びＲ３）が異なるために平衡状態における電池の電圧（１５．９９Ｖ及び１６．０１Ｖ）に差異が生じている。この回路構成において、各抵抗を流れる電流を計算したところ、図９（ｂ）に示すように、アーム１２の抵抗Ｒ２を流れる電流ＩＲ２［Ａ］とアーム２２の抵抗Ｒ３を流れる電流ＩＲ３［Ａ］との差が低減されることが分かった。
【００５４】
一方、図８（ａ）に示す回路構成は、インダクタが各アームに設けられていない点を除けば図７（ａ）の回路構成と同様である。図８（ａ）に示す回路構成において各抵抗を流れる電流を計算したところ、図８（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ５を流れる電流ＩＲ５［Ａ］と抵抗Ｒ６を流れる電流ＩＲ６［Ａ］との差が図７（ｂ）に比べて大きかった。また、抵抗Ｒ５を流れるＩＲ５は、スイッチＳ２がＯＦＦのときに、負の電流となっており、抵抗Ｒ５に環電流が流れていることが分かった。なお、このような環電流は図７（ｂ）では確認されなかった。
【００５５】
［実施例３］
図９は、電池の内部抵抗に差がある場合の各電池への充電時にバランスしたとき（平衡状態になったとき）のインダクタの電流平滑化作用を確認するために行った計算に関する図であり、図９（ａ）が計算の対象にした回路構成図、図９（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。図１０は、比較のためにインダクタを用いずに行った計算に関する図であり、図１０（ａ）が計算の対象とした回路構成図、図１０（ｂ）が電流の経時変化の計算結果を示すグラフである。
【００５６】
図９（ａ）に示す回路構成では、内部抵抗（Ｒ２及びＲ３）が異なるために平衡状態における電池の電圧（１６．０１Ｖ及び１５．９９Ｖ）に差異が生じている。この回路構成において、各抵抗を流れる電流を計算したところ、図９（ｂ）に示すように、アーム１２の抵抗Ｒ２を流れる電流ＩＲ２［Ａ］とアーム２２の抵抗Ｒ３を流れる電流ＩＲ３［Ａ］との差が低減されることが分かった。なお、スイッチＳ１がＯＦＦのときに、Ｒ２を流れるＩＲ２は負の電流であり、環電流の発生が確認されたが、環電流の大きさは比較的小さかった。
【００５７】
一方、図１０（ａ）に示す回路構成は、インダクタが各アームに設けられていない点を除けば図９（ａ）の回路構成と同様である。図１０（ａ）に示す回路構成において各抵抗を流れる電流を計算したところ、図１０（ｂ）に示すように、抵抗Ｒ５を流れる電流ＩＲ５［Ａ］と抵抗Ｒ６を流れる電流ＩＲ６［Ａ］との差が図９（ｂ）に比べて大きかった。また、抵抗Ｒ５を流れるＩＲ５は、スイッチＳ２がＯＦＦのときに、負の電流となっており、抵抗Ｒ５に図９（ｂ）よりも大きな環電流が流れていることが分かった。
【００５８】
上記実施例１〜３における計算結果から、電池の内部抵抗にばらつきがある場合（実施例１）、および、電池の内部抵抗のばらつきに加えて電池の起電力に差異がある場合（実施例２及び３）のいずれにおいても、インダクタの相互誘導を利用して電流を平滑化できることが確認された。
【符号の説明】
【００５９】
２ スイッチング素子
４ 負荷
１０ 並列電源システム
１２ 第１アーム
１４ 第１電源
１６ 第１インダクタ
１８ 抵抗成分
２０ コア
２２ 第２アーム
２４ 第２電源
２６ 第２インダクタ
２８ 抵抗成分
３０ 並列電源システム
３２ 第３アーム
３４ 第３電源
３６ 第３インダクタ
３７ インダクタ
３８ 抵抗成分
４０ 並列電源システム
４２ 第４アーム
４４ 第４電源
４６ 第４インダクタ
４８ 抵抗成分
５０ 並列電源システム
５２ インダクタ
５４ インダクタ
Ｐ１ 接続点
Ｐ２ 接続点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変動電流が流れる負荷に電力を供給する並列電源システムであって、
第１電源および該第１電源に直列接続された第１インダクタを有する第１アームと、
前記第１アームと並列に接続され、第２電源および該第２電源に直列接続された第２インダクタを有する第２アームとを備え、
前記第１インダクタと前記第２インダクタとは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタに発生するように結線されていることを特徴とする並列電源システム。
【請求項２】
前記第１アームおよび前記第２アームの接続点と前記負荷との間に設けられるインダクタと、
前記インダクタと前記負荷との間に一端が接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された第３インダクタを有する第３アームとをさらに備え、
前記インダクタと前記第３インダクタとは、前記第１アーム及び第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタに発生するように結線されていることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項３】
前記第１アームおよび前記第２アームと並列に接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された一対の第３インダクタを有する第３アームをさらに備え、
前記第１アームは、前記第１電源に直列接続された一対の前記第１インダクタを有し、
前記第２アームは、前記第２電源に直列接続された一対の前記第２インダクタを有し、
前記第１インダクタの一方と前記第２インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタの一方に発生するように結線されており、
前記第１インダクタの一方と前記第３インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの一方に発生するように結線されており、
前記第２インダクタの他方と前記第３インダクタの他方とは、前記第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの他方に発生するように結線されていることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項４】
前記第１電源及び前記第２電源は電池であることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項５】
前記電池は二次電池であることを特徴とする請求項４に記載の並列電源システム。
【請求項６】
前記負荷に替えて外部電源が前記第１アーム及び前記第２アームに接続され、前記外部電源から供給される電力によって前記第１電源及び前記第２電源が充電されることを特徴とする請求項５に記載の並列電源システム。
【請求項７】
前記第１アームと前記第２アームとの電流比が所定値になるように、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項８】
前記第１電源と前記第２電源との最大出力電流比及び最大出力電力比のいずれか一方に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていることを特徴とする請求項７に記載の並列電源システム。
【請求項９】
前記第１電源および前記第２電源は電池であり、
前記第１電源と前記第２電源との容量比に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていることを特徴とする請求項７に記載の並列電源システム。
【請求項１０】
前記変動電流が流れる負荷は、インバータ、チョッパ及びスイッチング電源のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の並列電源システム。
【請求項１】
変動電流が流れる負荷に電力を供給する並列電源システムであって、
第１電源および該第１電源に直列接続された第１インダクタを有する第１アームと、
前記第１アームと並列に接続され、第２電源および該第２電源に直列接続された第２インダクタを有する第２アームとを備え、
前記第１インダクタと前記第２インダクタとは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタに発生するように結線されていることを特徴とする並列電源システム。
【請求項２】
前記第１アームおよび前記第２アームの接続点と前記負荷との間に設けられるインダクタと、
前記インダクタと前記負荷との間に一端が接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された第３インダクタを有する第３アームとをさらに備え、
前記インダクタと前記第３インダクタとは、前記第１アーム及び第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタに発生するように結線されていることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項３】
前記第１アームおよび前記第２アームと並列に接続され、第３電源および該第３電源に直列接続された一対の第３インダクタを有する第３アームをさらに備え、
前記第１アームは、前記第１電源に直列接続された一対の前記第１インダクタを有し、
前記第２アームは、前記第２電源に直列接続された一対の前記第２インダクタを有し、
前記第１インダクタの一方と前記第２インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第２アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第２インダクタの一方に発生するように結線されており、
前記第１インダクタの一方と前記第３インダクタの一方とは、前記第１アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの一方に発生するように結線されており、
前記第２インダクタの他方と前記第３インダクタの他方とは、前記第２アームから前記負荷に向かって電流が流れたとき、前記第３アームの出力電圧を高める方向の起電力が前記第３インダクタの他方に発生するように結線されていることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項４】
前記第１電源及び前記第２電源は電池であることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項５】
前記電池は二次電池であることを特徴とする請求項４に記載の並列電源システム。
【請求項６】
前記負荷に替えて外部電源が前記第１アーム及び前記第２アームに接続され、前記外部電源から供給される電力によって前記第１電源及び前記第２電源が充電されることを特徴とする請求項５に記載の並列電源システム。
【請求項７】
前記第１アームと前記第２アームとの電流比が所定値になるように、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の並列電源システム。
【請求項８】
前記第１電源と前記第２電源との最大出力電流比及び最大出力電力比のいずれか一方に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていることを特徴とする請求項７に記載の並列電源システム。
【請求項９】
前記第１電源および前記第２電源は電池であり、
前記第１電源と前記第２電源との容量比に応じて、前記第１インダクタと前記第２インダクタとの巻数比が設定されていることを特徴とする請求項７に記載の並列電源システム。
【請求項１０】
前記変動電流が流れる負荷は、インバータ、チョッパ及びスイッチング電源のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の並列電源システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２１７２５６（Ｐ２０１２−２１７２５６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８０４１６（Ｐ２０１１−８０４１６）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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