電力変換装置およびそれを備えた車載電源装置
【課題】車両走行用モータを駆動するための高圧バッテリの電圧を降圧して複数の負荷に電力供給する電力変換装置において、３種の電源電圧を効率良く安定して生成する。
【解決手段】高圧バッテリ１の直流電圧を第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２にて降圧し、電圧Ｖ１を第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０に入力する。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、直列接続された第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂと、直列接続された第１、第２のスイッチング素子３ａ、３ｂと、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの接続点と第１、第２のスイッチング素子３ａ、３ｂの接続点との間に接続されたインダクタ４とを有し、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂ間で互いに電力授受させ、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧を所望の分圧電圧Ｖ２、Ｖ３に制御する。そして、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電源電圧を生成する。
【解決手段】高圧バッテリ１の直流電圧を第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２にて降圧し、電圧Ｖ１を第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０に入力する。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、直列接続された第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂと、直列接続された第１、第２のスイッチング素子３ａ、３ｂと、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの接続点と第１、第２のスイッチング素子３ａ、３ｂの接続点との間に接続されたインダクタ４とを有し、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂ間で互いに電力授受させ、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧を所望の分圧電圧Ｖ２、Ｖ３に制御する。そして、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電源電圧を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して出力する電力変換装置、およびそれを備えた車載電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のエンジンのみで走行する従来自動車に加えて、エンジンとモータジェネレータを組み合わせたハイブリッド自動車や、モータのみで走行する電気自動車などの電動車両が登場し電動車両の普及が進んできている。電動車両においては、従来の低圧バッテリに加えて、モータジェネレータにエネルギ供給を行うため高圧バッテリが用いられている。また、車両電装品として、例えばヒータやエアコンコンプレッサなどの高圧系の負荷、およびヘッドライトやワイパーなどの低圧系の負荷があり、各種負荷の使用電圧はモータの使用電圧より低い場合が多い。このため、高圧バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで降圧して負荷に供給している。
【０００３】
従来の電力変換装置では、直流電源の出力電圧と同じ電圧の高圧側直流出力と、前記直流電源の出力電圧より低い電圧の低圧側直流出力とを供給可能で、前記直流電源を前記低圧側直流出力と同じ出力電圧の第１の直流電源と、前記高圧側直流出力と第１の直流電源の出力電圧との差の出力電圧を有する第２の直流電源とを直列に接続して構成し、前記第１および第２の直流電源を直列に接続した出力を前記高圧側直流出力として供給し、前記低圧側直流出力として前記第１の直流電源の出力と、前記第２の直流電源に接続した直流−直流変換装置によって降圧した出力とを供給する（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３６７３５（図７、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の電力変換装置では、直流電源から第１の直流電源の出力電圧分低い電圧を降圧すれば良いが、第１の直流電源に接続される負荷電力に応じて直流−直流変換装置で扱う電力量が増大するため、直流−直流変換装置の電力容量の低減化は限定的であった。また、高圧側直流出力と低圧側直流出力との２種の電源電圧を得るもので、３種の電源電圧を安定的に得ることはできない。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、バッテリの電圧を降圧して複数の負荷に供給する電力変換装置において、３種の電源電圧を安定的に生成可能で電力容量が低減された高効率な電力変換装置を得ることを目的とする。また、このような電力変換装置を備えて車両に搭載される車載電源装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による電力変換装置は、バッテリの直流電圧を降圧して出力する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間に該出力電圧を分圧するように直列接続された第１、第２のコンデンサ、上記出力端子間に直列接続された第１、第２のスイッチング素子、および、上記第１、第２のコンデンサの接続点と上記第１、第２のスイッチング素子の接続点との間に接続されたインダクタを有して、上記第１、第２のコンデンサ間で互いに電力授受する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを出力制御する制御回路とを備える。上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が目標電圧となるように該第１のＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、上記第１、第２のコンデンサの電圧が所望の分圧電圧となるように上記第１、第２のスイッチング素子を駆動制御して上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。
【０００８】
またこの発明による車載電源装置は、上記電力変換装置と、走行用モータ駆動用のバッテリとして上記バッテリとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によると、第２のＤＣ／ＤＣコンバータでは、バッテリを分圧する第１、第２のコンデンサの各電圧が出力電圧となり、第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と合わせて３種の電源電圧を安定して生成できる。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータは第１、第２のコンデンサの直流電力を双方向に移行するため、低い電圧変換比で、扱う電力量も格段と低い。このため電力変換装置の電力容量を大きく低減でき、変換効率の向上および装置構成の小型化を効果的に図ることができる。また、第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、第２のＤＣ／ＤＣコンバータの２つの出力電圧の和であるため、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータを連携して変換効率を高める制御が可能になる。
【００１０】
またこの発明によると、３種の電源電圧を安定して供給でき、小型で信頼性の高い車載電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置および車載電源装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２による第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態２による第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータの動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による電力変換装置および電力変換装置を備えた車載電源装置を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置および車載電源装置の構成図である。
図１に示すように、電力変換装置の主回路は、バッテリ１の電圧ＶＡを降圧して電圧Ｖ１を出力する第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２と、電圧Ｖ１を降圧して電圧Ｖ２、Ｖ３を出力する第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０とで構成され、制御回路１５は、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０を出力制御する。車載電源装置は、車両の走行用モータ駆動用の高圧のバッテリ１と、バッテリ１の電圧を降圧して第１〜第３の負荷１１〜１３に電力供給するための電力変換装置とによって構成される。
【００１３】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、直列接続された第１、第２のスイッチング素子としての第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂと、直列接続された第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂと、第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂの接続点と第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの接続点との間に接続されたインダクタ４と、入力端子６ａ、６ｂと、出力端子７ａ、７ｂ、７ｃとを備える。第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂは、それぞれダイオードが逆並列接続されているが、このダイオードは素子が内蔵する寄生ダイオードを用いても良い。
【００１４】
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力端子２ａ、２ｂ間に入力されるバッテリ１の電圧ＶＡを降圧して、出力端子２ｃ、２ｄ間に電圧Ｖ１を出力する。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子２ｃ、２ｄは、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子６ａ、６ｂに接続され、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子６ａ、６ｂ間に入力される。
【００１５】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、入力端子６ｂは、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａのソース端子と第１のコンデンサ５ａの一端と出力端子７ｃに各々接続され、入力端子６ａは、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂのドレイン端子と第２のコンデンサ５ｂの一端と出力端子７ａに各々接続される。第１のＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン端子と第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子は互いに接続され、その接続点とインダクタ４の一端が接続される。インダクタ４の他端は、第１のコンデンサ５ａの他端と第２のコンデンサ５ｂの他端と出力端子７ｂに各々接続される。そして、入力端子６ａ、６ｂ間に入力される電圧Ｖ１が、第１のコンデンサ５ａ、第２のコンデンサ５ｂにより分圧され、各出力端子間に電圧Ｖ２、Ｖ３が出力される。
【００１６】
また、第１の負荷１１は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子２ｃ、２ｄ間に接続される。第２の負荷１２は、第１のコンデンサ５ａの両端子でもある第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ｂ、７ｃ間に接続される。第３の負荷１３は、第２のコンデンサ５ｂの両端子でもある第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ａ、７ｂ間に接続される。
【００１７】
次に、電力変換装置の動作について以下に説明する。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、バッテリ１からの電圧ＶＡ、例えば２００Ｖ〜４００Ｖの高い電圧を降圧して、例えば４２Ｖの電圧Ｖ１を生成し、第１の負荷１１に電力供給する。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２から入力される電圧Ｖ１を降圧して、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３、例えば１４Ｖ、２８Ｖを生成し、第２の負荷１２、第３の負荷１３に電力供給する。
【００１８】
制御回路１５は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の各入出力端子２ａ〜２ｄの電位を取得して、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧ＶＡおよび出力電圧Ｖ１を検出し、これらの電圧に基づいて出力電圧Ｖ１が目標電圧となるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御する。
また、制御回路１５は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の各入出力端子６ａ、６ｂ、７ａ〜７ｃの電位を取得して、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力電圧である電圧Ｖ１および出力電圧である第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３を検出し、これらの電圧に基づいて、第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂへのゲート信号を出力して第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂを駆動制御し、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０を出力制御する。
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３が所望の電圧となるように制御される。電圧Ｖ２と電圧Ｖ３との和は常に電圧Ｖ１に等しいため、この場合、電圧Ｖ２を目標電圧である、例えば１４Ｖに制御することで電圧Ｖ３も２８Ｖに制御できる。
【００１９】
なお、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子２ｃ、２ｄと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子６ａ、６ｂとは兼用しても良く、また電圧Ｖ１は、いずれか一方の端子間電圧を検出して第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の双方の制御に用いても良い。
【００２０】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作の詳細について以下に示す。
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂ間で互いに電力授受するように動作して、電圧Ｖ２は目標電圧に制御される。
電圧Ｖ２が目標電圧より小さい場合、以下に示す第１の制御により、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂがオンオフして第２のコンデンサ５ｂから第１のコンデンサ５ａへエネルギを移行することで、第１のコンデンサ５ａの電圧Ｖ２を増加させる。
まず、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａがオフ状態で、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂをオンすると、第２のコンデンサ５ｂ−第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂ−インダクタ４、の経路で電流が流れ、第２のコンデンサ５ｂのエネルギがインダクタ４に移行する。次に、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂをオフすると、インダクタ４−第１のコンデンサ５ａ−第１のＭＯＳＦＥＴ３ａのダイオード、の経路で電流が流れ、インダクタ４のエネルギが第１のコンデンサ５ａに移行する。これらの状態を繰り返すことで、第２のコンデンサ５ｂから第１のコンデンサ５ａへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。
【００２１】
一方、電圧Ｖ２が目標電圧より大きい場合、以下に示す第２の制御により、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａがオンオフして第１のコンデンサ５ａから第２のコンデンサ５ｂへエネルギを移行することで、第１のコンデンサ５ａの電圧Ｖ２を低下させる。
まず、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂがオフ状態で、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａをオンすると、第１のコンデンサ５ａ−インダクタ４−第１のＭＯＳＦＥＴ３ａ、の経路で電流が流れ、第１のコンデンサ５ａのエネルギがインダクタ４に移行する。次に、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａをオフすると、インダクタ４−第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂのダイオード−第２のコンデンサ５ｂ、の経路で電流が流れ、インダクタ４のエネルギが第２のコンデンサ５ｂに移行する。これらの状態を繰り返すことで、第１のコンデンサ５ａから第２のコンデンサ５ｂへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。
【００２２】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、電圧Ｖ２の目標電圧は、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂが分担する分圧電圧の均衡状態が保持されるように、即ち電圧Ｖ２が一定の安定状態となるように、第２の負荷１２、第３の負荷１３に応じて決定される。望ましくは、第２の負荷１２を流れる電流と第３の負荷１３を流れる電流とが等しくなるように決定される。
第２の負荷１２を流れる電流と第３の負荷１３を流れる電流が等しい時、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３が分担する分圧電圧の均衡状態が保持され、この均衡状態で電圧Ｖ２が目標電圧であれば、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は停止状態で所望の電圧Ｖ２、Ｖ３を出力して第２、第３の負荷１２、１３に電力供給できる。
【００２３】
第２の負荷１２を流れる電流が第３の負荷１３を流れる電流より大きい場合、電圧Ｖ２が小さくなり電圧Ｖ３は大きくなる。このため、上記第１の制御により第２のコンデンサ５ｂから第１のコンデンサ５ａへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。また、第２の負荷１２を流れる電流が第３の負荷１３を流れる電流より小さい場合、電圧Ｖ２が大きくなり電圧Ｖ３は小さくなる。このため、上記第２の制御により第１のコンデンサ５ａから第２のコンデンサ５ｂへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。
【００２４】
このように、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０は、出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御することができる。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の扱う電力容量は、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流差に基づく電力分である電力差分のみとなり、電力容量を大きく低減でき、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は変換効率が高く小型化も促進できる。このため、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０を備える電力変換装置全体としても、電力容量を大きく低減でき電力変換効率が高く小型の構成で、バッテリ１の電力を用いて３種の電源電圧を安定して生成できる。また、このような電力変換装置とバッテリ１とを用いて、３種の電源電圧を安定して供給でき、小型で信頼性の高い車載電源装置を得ることができる。
【００２５】
なお、電圧Ｖ２の目標電圧は制御回路１５で演算しても良いが、外部の演算装置で演算して制御回路１５に与えられるものでも良い。また、制御回路１５が電圧Ｖ２を変動させるように制御して安定する状態を検出し、その時点の電圧Ｖ２を目標電圧として制御しても良い。
【００２６】
なお、上記実施の形態１では、第１、第２のスイッチング素子３ａ、３ｂとしてＭＯＳＦＥＴを用いて説明を行ったが、バイポーラトランジスタ、または絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、またはシリコンカーバイドトランジスタ、またはワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴを用いても同様の効果が得られる。
ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べてバンドギャップが大きい半導体であり、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子を用いることにより、車載電源装置の小型化が促進できる。更に電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、車載電源装置の高効率化が図れる。
またワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は耐熱性も高いため、通常、車載電源装置に併設されているヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、車載電源装置の一層の小型化が可能になる。
【００２７】
また、上記実施の形態１では、電力変換装置は車載電源装置に適用するものを示したが、車両用以外にも適用可能で、同様の効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
この実施の形態２では、上記実施の形態１と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態１と同様に、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御する。この場合、電圧Ｖ２の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ２下限値〜Ｖ２上限値を設ける。即ち、電圧Ｖ２が、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内にある場合は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は動作を停止する。このとき、電力変換装置は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２のみが動作して、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。
【００２９】
また、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１に対しても、目標電圧に電圧範囲（Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値）を設定して、出力電圧Ｖ１を調整可能にする。
まず、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流バランスが崩れて、電圧Ｖ２の値がＶ２上限値より大きくなる場合、図２に示すように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を、Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値の電圧範囲内で小さくなるように調整する。これにより、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）とを、電圧比を保ちながら低下させ、電圧Ｖ２をＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に制御する。このとき、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は動作を停止した状態で、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２のみが動作して、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。
【００３０】
次に、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流バランスが崩れて、電圧Ｖ２の値がＶ２下限値より小さくなる場合、図３に示すように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を、Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値の電圧範囲内で大きくなるように調整する。これにより、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）とを、電圧比を保ちながら増加させ、電圧Ｖ２をＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に制御する。このとき、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は動作を停止した状態で、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２のみが動作して、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。
【００３１】
このように、制御回路１５は、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内に入るように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。これにより第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０での変換損失が無くなり、電力変換装置全体の変換効率が向上する。
【００３２】
なお、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を、Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値の電圧範囲内で増減して調整しても、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に入りきらない場合は、上記実施の形態１と同様に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０を動作させて電圧Ｖ２が、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値内に入るように制御する。
即ち、制御回路１５は、電圧Ｖ２が、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値内に近づくように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整すると共に、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂ間の電力授受により電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に入るように第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０を動作させる。この場合も、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が変換する電圧比も電力量も、出力電圧Ｖ１の調整前と比べて低減でき、変換効率を向上できる。
【００３３】
以上は、電圧Ｖ２の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ２下限値〜Ｖ２上限値を設け、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内に入るように、またはＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に近づくように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整することを示したが、電圧Ｖ２の代わりに電圧Ｖ３に対して同様の制御をすることもできる。即ち、電圧Ｖ３の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ３下限値〜Ｖ３上限値を設け、電圧Ｖ３がＶ３下限値〜Ｖ３上限値の範囲内に入るように、またはＶ３下限値〜Ｖ３上限値内に近づくように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。
さらに、電圧Ｖ２の代わりに、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３との双方の電圧とすることもできる。即ち、電圧Ｖ２、Ｖ３の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ２下限値〜Ｖ２上限値およびＶ３下限値〜Ｖ３上限値を設け、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内に入るように、かつ電圧Ｖ３がＶ３下限値〜Ｖ３上限値の範囲内に入るように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。または、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値内に近づくように、かつＶ３下限値〜Ｖ３上限値内に近づくように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。
【００３４】
この実施の形態では、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が扱う電力量をさらに低減でき、さらに高効率化と小型化を促進できる電力変換装置およびそれを用いた車載電源装置が得られる。
【００３５】
実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態１と同様に、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御する。この場合、第２の負荷１２と第３の負荷１３とが同等の電圧、例えば１４Ｖで駆動されるものとする。また、第１の負荷１１は、第２、第３の負荷１２、１３の２倍の電圧、２８Ｖで駆動される。即ち、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３とは等しく１４Ｖに制御し、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２では、出力電圧Ｖ１を電圧Ｖ２の２倍の２８Ｖに制御する。
【００３６】
この実施の形態では、同等の電圧（１４Ｖ）で駆動される複数の負荷機器が、２群に分配され、一方が第２の負荷１２として第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ｂ、７ｃ間に接続され、他方が第３の負荷１３として第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ａ、７ｂ間に接続される。このとき、上記複数の負荷機器は、第２の負荷１２である各負荷機器を流れる電流合計と、第３の負荷１３である各負荷機器を流れる電流合計とが近づくように分配されて配置される。
【００３７】
この実施の形態においても、上記実施の形態１と同様に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の扱う電力容量は、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流差に基づく電力差分のみである。このため、上述したように第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流がバランスするように第２、第３の負荷１２、１３を分配配置することで、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が扱う電力量を低減でき、さらに高効率化と小型化を促進できる電力変換装置およびそれを用いた車載電源装置が得られる。
【００３８】
なお、この場合も、上記実施の形態２を適用できるが、その場合、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３とは、同じ電圧範囲内に制御されるもので、同一電圧でなくても良い。
【００３９】
実施の形態４．
この実施の形態４では、上記実施の形態１と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態１と同様に、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御する。
この場合、同等の電圧（例えば１４Ｖ）で駆動される複数の負荷機器が、第２の負荷１２として第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ｂ、７ｃ間に接続される。そして、この複数の負荷機器の内の１つを第２のバッテリ１２ａ（図示せず）とし、他の負荷機器１２ｂ（図示せず）に第２のバッテリ１２ａから電力供給可能に構成する。この第２のバッテリ１２ａには電圧１４Ｖを出力する鉛バッテリなどが使われ、他の負荷機器１２ｂとしては、信頼性の要求が高い負荷、例えばブレーキポンプ、ヘッドライトなどが接続される。
【００４０】
通常時、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０は、上記実施の形態１と同様に動作し、バッテリ１の電圧を降圧して第１〜第３の負荷１１〜１３に電力供給する。第２の負荷１２は、第１のコンデンサ５ａから電力供給され、第２のバッテリ１２ａも、第２の負荷１２の１つとして通常時は充電される。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２または第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が故障、またはバッテリ１が故障すると、第２の負荷１２には第１のコンデンサ５ａから正常に電力供給されなくなるが、このとき、第２のバッテリ１２ａから他の第２の負荷１２である負荷機器１２ｂに電力供給する。これにより、信頼性の要求が高い負荷機器１２ｂには、電力変換装置の異常時にも継続して電力供給でき、電力変換装置および車載電源装置の信頼性が向上する。
【００４１】
上記実施の形態では、第２の負荷１２として、信頼性の要求が高い負荷機器１２ｂと、これらの負荷機器１２ｂの補助電源となる第２のバッテリ１２ａとを配置した構成を述べたが、第２の負荷１２の代わりに第３の負荷１３を同様の構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１ バッテリ、２ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、３ａ 第１のＭＯＳＦＥＴ、
３ｂ 第２のＭＯＳＦＥＴ、４ インダクタ、５ａ 第１のコンデンサ、
５ｂ 第２のコンデンサ、１１ 第１の負荷、１２ 第２の負荷、１３ 第３の負荷、
１５ 制御回路、２０ 第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、ＶＡ バッテリの電圧、
Ｖ１ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧、Ｖ２ 第１のコンデンサの電圧、
Ｖ３ 第２のコンデンサの電圧。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して出力する電力変換装置、およびそれを備えた車載電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のエンジンのみで走行する従来自動車に加えて、エンジンとモータジェネレータを組み合わせたハイブリッド自動車や、モータのみで走行する電気自動車などの電動車両が登場し電動車両の普及が進んできている。電動車両においては、従来の低圧バッテリに加えて、モータジェネレータにエネルギ供給を行うため高圧バッテリが用いられている。また、車両電装品として、例えばヒータやエアコンコンプレッサなどの高圧系の負荷、およびヘッドライトやワイパーなどの低圧系の負荷があり、各種負荷の使用電圧はモータの使用電圧より低い場合が多い。このため、高圧バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで降圧して負荷に供給している。
【０００３】
従来の電力変換装置では、直流電源の出力電圧と同じ電圧の高圧側直流出力と、前記直流電源の出力電圧より低い電圧の低圧側直流出力とを供給可能で、前記直流電源を前記低圧側直流出力と同じ出力電圧の第１の直流電源と、前記高圧側直流出力と第１の直流電源の出力電圧との差の出力電圧を有する第２の直流電源とを直列に接続して構成し、前記第１および第２の直流電源を直列に接続した出力を前記高圧側直流出力として供給し、前記低圧側直流出力として前記第１の直流電源の出力と、前記第２の直流電源に接続した直流−直流変換装置によって降圧した出力とを供給する（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３６７３５（図７、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の電力変換装置では、直流電源から第１の直流電源の出力電圧分低い電圧を降圧すれば良いが、第１の直流電源に接続される負荷電力に応じて直流−直流変換装置で扱う電力量が増大するため、直流−直流変換装置の電力容量の低減化は限定的であった。また、高圧側直流出力と低圧側直流出力との２種の電源電圧を得るもので、３種の電源電圧を安定的に得ることはできない。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、バッテリの電圧を降圧して複数の負荷に供給する電力変換装置において、３種の電源電圧を安定的に生成可能で電力容量が低減された高効率な電力変換装置を得ることを目的とする。また、このような電力変換装置を備えて車両に搭載される車載電源装置を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による電力変換装置は、バッテリの直流電圧を降圧して出力する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間に該出力電圧を分圧するように直列接続された第１、第２のコンデンサ、上記出力端子間に直列接続された第１、第２のスイッチング素子、および、上記第１、第２のコンデンサの接続点と上記第１、第２のスイッチング素子の接続点との間に接続されたインダクタを有して、上記第１、第２のコンデンサ間で互いに電力授受する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを出力制御する制御回路とを備える。上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が目標電圧となるように該第１のＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、上記第１、第２のコンデンサの電圧が所望の分圧電圧となるように上記第１、第２のスイッチング素子を駆動制御して上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。
【０００８】
またこの発明による車載電源装置は、上記電力変換装置と、走行用モータ駆動用のバッテリとして上記バッテリとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によると、第２のＤＣ／ＤＣコンバータでは、バッテリを分圧する第１、第２のコンデンサの各電圧が出力電圧となり、第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と合わせて３種の電源電圧を安定して生成できる。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータは第１、第２のコンデンサの直流電力を双方向に移行するため、低い電圧変換比で、扱う電力量も格段と低い。このため電力変換装置の電力容量を大きく低減でき、変換効率の向上および装置構成の小型化を効果的に図ることができる。また、第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、第２のＤＣ／ＤＣコンバータの２つの出力電圧の和であるため、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータを連携して変換効率を高める制御が可能になる。
【００１０】
またこの発明によると、３種の電源電圧を安定して供給でき、小型で信頼性の高い車載電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１による電力変換装置および車載電源装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２による第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態２による第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータの動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による電力変換装置および電力変換装置を備えた車載電源装置を図に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置および車載電源装置の構成図である。
図１に示すように、電力変換装置の主回路は、バッテリ１の電圧ＶＡを降圧して電圧Ｖ１を出力する第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２と、電圧Ｖ１を降圧して電圧Ｖ２、Ｖ３を出力する第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０とで構成され、制御回路１５は、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０を出力制御する。車載電源装置は、車両の走行用モータ駆動用の高圧のバッテリ１と、バッテリ１の電圧を降圧して第１〜第３の負荷１１〜１３に電力供給するための電力変換装置とによって構成される。
【００１３】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、直列接続された第１、第２のスイッチング素子としての第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂと、直列接続された第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂと、第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂの接続点と第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの接続点との間に接続されたインダクタ４と、入力端子６ａ、６ｂと、出力端子７ａ、７ｂ、７ｃとを備える。第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂは、それぞれダイオードが逆並列接続されているが、このダイオードは素子が内蔵する寄生ダイオードを用いても良い。
【００１４】
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力端子２ａ、２ｂ間に入力されるバッテリ１の電圧ＶＡを降圧して、出力端子２ｃ、２ｄ間に電圧Ｖ１を出力する。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子２ｃ、２ｄは、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子６ａ、６ｂに接続され、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子６ａ、６ｂ間に入力される。
【００１５】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、入力端子６ｂは、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａのソース端子と第１のコンデンサ５ａの一端と出力端子７ｃに各々接続され、入力端子６ａは、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂのドレイン端子と第２のコンデンサ５ｂの一端と出力端子７ａに各々接続される。第１のＭＯＳＦＥＴ３ａのドレイン端子と第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂのソース端子は互いに接続され、その接続点とインダクタ４の一端が接続される。インダクタ４の他端は、第１のコンデンサ５ａの他端と第２のコンデンサ５ｂの他端と出力端子７ｂに各々接続される。そして、入力端子６ａ、６ｂ間に入力される電圧Ｖ１が、第１のコンデンサ５ａ、第２のコンデンサ５ｂにより分圧され、各出力端子間に電圧Ｖ２、Ｖ３が出力される。
【００１６】
また、第１の負荷１１は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子２ｃ、２ｄ間に接続される。第２の負荷１２は、第１のコンデンサ５ａの両端子でもある第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ｂ、７ｃ間に接続される。第３の負荷１３は、第２のコンデンサ５ｂの両端子でもある第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ａ、７ｂ間に接続される。
【００１７】
次に、電力変換装置の動作について以下に説明する。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、バッテリ１からの電圧ＶＡ、例えば２００Ｖ〜４００Ｖの高い電圧を降圧して、例えば４２Ｖの電圧Ｖ１を生成し、第１の負荷１１に電力供給する。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２から入力される電圧Ｖ１を降圧して、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３、例えば１４Ｖ、２８Ｖを生成し、第２の負荷１２、第３の負荷１３に電力供給する。
【００１８】
制御回路１５は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の各入出力端子２ａ〜２ｄの電位を取得して、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧ＶＡおよび出力電圧Ｖ１を検出し、これらの電圧に基づいて出力電圧Ｖ１が目標電圧となるように第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２を制御する。
また、制御回路１５は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の各入出力端子６ａ、６ｂ、７ａ〜７ｃの電位を取得して、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力電圧である電圧Ｖ１および出力電圧である第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３を検出し、これらの電圧に基づいて、第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂへのゲート信号を出力して第１、第２のＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂを駆動制御し、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０を出力制御する。
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３が所望の電圧となるように制御される。電圧Ｖ２と電圧Ｖ３との和は常に電圧Ｖ１に等しいため、この場合、電圧Ｖ２を目標電圧である、例えば１４Ｖに制御することで電圧Ｖ３も２８Ｖに制御できる。
【００１９】
なお、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子２ｃ、２ｄと第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力端子６ａ、６ｂとは兼用しても良く、また電圧Ｖ１は、いずれか一方の端子間電圧を検出して第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の双方の制御に用いても良い。
【００２０】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作の詳細について以下に示す。
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂ間で互いに電力授受するように動作して、電圧Ｖ２は目標電圧に制御される。
電圧Ｖ２が目標電圧より小さい場合、以下に示す第１の制御により、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂがオンオフして第２のコンデンサ５ｂから第１のコンデンサ５ａへエネルギを移行することで、第１のコンデンサ５ａの電圧Ｖ２を増加させる。
まず、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａがオフ状態で、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂをオンすると、第２のコンデンサ５ｂ−第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂ−インダクタ４、の経路で電流が流れ、第２のコンデンサ５ｂのエネルギがインダクタ４に移行する。次に、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂをオフすると、インダクタ４−第１のコンデンサ５ａ−第１のＭＯＳＦＥＴ３ａのダイオード、の経路で電流が流れ、インダクタ４のエネルギが第１のコンデンサ５ａに移行する。これらの状態を繰り返すことで、第２のコンデンサ５ｂから第１のコンデンサ５ａへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。
【００２１】
一方、電圧Ｖ２が目標電圧より大きい場合、以下に示す第２の制御により、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａがオンオフして第１のコンデンサ５ａから第２のコンデンサ５ｂへエネルギを移行することで、第１のコンデンサ５ａの電圧Ｖ２を低下させる。
まず、第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂがオフ状態で、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａをオンすると、第１のコンデンサ５ａ−インダクタ４−第１のＭＯＳＦＥＴ３ａ、の経路で電流が流れ、第１のコンデンサ５ａのエネルギがインダクタ４に移行する。次に、第１のＭＯＳＦＥＴ３ａをオフすると、インダクタ４−第２のＭＯＳＦＥＴ３ｂのダイオード−第２のコンデンサ５ｂ、の経路で電流が流れ、インダクタ４のエネルギが第２のコンデンサ５ｂに移行する。これらの状態を繰り返すことで、第１のコンデンサ５ａから第２のコンデンサ５ｂへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。
【００２２】
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、電圧Ｖ２の目標電圧は、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂが分担する分圧電圧の均衡状態が保持されるように、即ち電圧Ｖ２が一定の安定状態となるように、第２の負荷１２、第３の負荷１３に応じて決定される。望ましくは、第２の負荷１２を流れる電流と第３の負荷１３を流れる電流とが等しくなるように決定される。
第２の負荷１２を流れる電流と第３の負荷１３を流れる電流が等しい時、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂの電圧Ｖ２、Ｖ３が分担する分圧電圧の均衡状態が保持され、この均衡状態で電圧Ｖ２が目標電圧であれば、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は停止状態で所望の電圧Ｖ２、Ｖ３を出力して第２、第３の負荷１２、１３に電力供給できる。
【００２３】
第２の負荷１２を流れる電流が第３の負荷１３を流れる電流より大きい場合、電圧Ｖ２が小さくなり電圧Ｖ３は大きくなる。このため、上記第１の制御により第２のコンデンサ５ｂから第１のコンデンサ５ａへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。また、第２の負荷１２を流れる電流が第３の負荷１３を流れる電流より小さい場合、電圧Ｖ２が大きくなり電圧Ｖ３は小さくなる。このため、上記第２の制御により第１のコンデンサ５ａから第２のコンデンサ５ｂへエネルギを移行し、電圧Ｖ２を制御する。
【００２４】
このように、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０は、出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御することができる。また、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の扱う電力容量は、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流差に基づく電力分である電力差分のみとなり、電力容量を大きく低減でき、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は変換効率が高く小型化も促進できる。このため、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０を備える電力変換装置全体としても、電力容量を大きく低減でき電力変換効率が高く小型の構成で、バッテリ１の電力を用いて３種の電源電圧を安定して生成できる。また、このような電力変換装置とバッテリ１とを用いて、３種の電源電圧を安定して供給でき、小型で信頼性の高い車載電源装置を得ることができる。
【００２５】
なお、電圧Ｖ２の目標電圧は制御回路１５で演算しても良いが、外部の演算装置で演算して制御回路１５に与えられるものでも良い。また、制御回路１５が電圧Ｖ２を変動させるように制御して安定する状態を検出し、その時点の電圧Ｖ２を目標電圧として制御しても良い。
【００２６】
なお、上記実施の形態１では、第１、第２のスイッチング素子３ａ、３ｂとしてＭＯＳＦＥＴを用いて説明を行ったが、バイポーラトランジスタ、または絶縁型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、またはシリコンカーバイドトランジスタ、またはワイドバンドギャップ半導体によって形成されたＭＯＳＦＥＴを用いても同様の効果が得られる。
ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べてバンドギャップが大きい半導体であり、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子を用いることにより、車載電源装置の小型化が促進できる。更に電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、車載電源装置の高効率化が図れる。
またワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は耐熱性も高いため、通常、車載電源装置に併設されているヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、車載電源装置の一層の小型化が可能になる。
【００２７】
また、上記実施の形態１では、電力変換装置は車載電源装置に適用するものを示したが、車両用以外にも適用可能で、同様の効果が得られる。
【００２８】
実施の形態２．
この実施の形態２では、上記実施の形態１と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態１と同様に、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御する。この場合、電圧Ｖ２の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ２下限値〜Ｖ２上限値を設ける。即ち、電圧Ｖ２が、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内にある場合は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は動作を停止する。このとき、電力変換装置は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２のみが動作して、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。
【００２９】
また、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１に対しても、目標電圧に電圧範囲（Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値）を設定して、出力電圧Ｖ１を調整可能にする。
まず、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流バランスが崩れて、電圧Ｖ２の値がＶ２上限値より大きくなる場合、図２に示すように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を、Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値の電圧範囲内で小さくなるように調整する。これにより、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）とを、電圧比を保ちながら低下させ、電圧Ｖ２をＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に制御する。このとき、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は動作を停止した状態で、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２のみが動作して、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。
【００３０】
次に、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流バランスが崩れて、電圧Ｖ２の値がＶ２下限値より小さくなる場合、図３に示すように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を、Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値の電圧範囲内で大きくなるように調整する。これにより、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）とを、電圧比を保ちながら増加させ、電圧Ｖ２をＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に制御する。このとき、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は動作を停止した状態で、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２のみが動作して、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を出力する。
【００３１】
このように、制御回路１５は、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内に入るように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。これにより第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０での変換損失が無くなり、電力変換装置全体の変換効率が向上する。
【００３２】
なお、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ１を、Ｖ１下限値〜Ｖ１上限値の電圧範囲内で増減して調整しても、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に入りきらない場合は、上記実施の形態１と同様に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０を動作させて電圧Ｖ２が、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値内に入るように制御する。
即ち、制御回路１５は、電圧Ｖ２が、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値内に近づくように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整すると共に、第１、第２のコンデンサ５ａ、５ｂ間の電力授受により電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に入るように第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０を動作させる。この場合も、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が変換する電圧比も電力量も、出力電圧Ｖ１の調整前と比べて低減でき、変換効率を向上できる。
【００３３】
以上は、電圧Ｖ２の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ２下限値〜Ｖ２上限値を設け、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内に入るように、またはＶ２下限値〜Ｖ２上限値内に近づくように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整することを示したが、電圧Ｖ２の代わりに電圧Ｖ３に対して同様の制御をすることもできる。即ち、電圧Ｖ３の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ３下限値〜Ｖ３上限値を設け、電圧Ｖ３がＶ３下限値〜Ｖ３上限値の範囲内に入るように、またはＶ３下限値〜Ｖ３上限値内に近づくように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。
さらに、電圧Ｖ２の代わりに、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３との双方の電圧とすることもできる。即ち、電圧Ｖ２、Ｖ３の目標電圧として所定の電圧範囲であるＶ２下限値〜Ｖ２上限値およびＶ３下限値〜Ｖ３上限値を設け、電圧Ｖ２がＶ２下限値〜Ｖ２上限値の範囲内に入るように、かつ電圧Ｖ３がＶ３下限値〜Ｖ３上限値の範囲内に入るように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。または、Ｖ２下限値〜Ｖ２上限値内に近づくように、かつＶ３下限値〜Ｖ３上限値内に近づくように、電圧Ｖ１を目標電圧の電圧範囲内で増減して調整する。
【００３４】
この実施の形態では、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が扱う電力量をさらに低減でき、さらに高効率化と小型化を促進できる電力変換装置およびそれを用いた車載電源装置が得られる。
【００３５】
実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態１と同様に、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御する。この場合、第２の負荷１２と第３の負荷１３とが同等の電圧、例えば１４Ｖで駆動されるものとする。また、第１の負荷１１は、第２、第３の負荷１２、１３の２倍の電圧、２８Ｖで駆動される。即ち、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０では、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３とは等しく１４Ｖに制御し、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２では、出力電圧Ｖ１を電圧Ｖ２の２倍の２８Ｖに制御する。
【００３６】
この実施の形態では、同等の電圧（１４Ｖ）で駆動される複数の負荷機器が、２群に分配され、一方が第２の負荷１２として第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ｂ、７ｃ間に接続され、他方が第３の負荷１３として第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ａ、７ｂ間に接続される。このとき、上記複数の負荷機器は、第２の負荷１２である各負荷機器を流れる電流合計と、第３の負荷１３である各負荷機器を流れる電流合計とが近づくように分配されて配置される。
【００３７】
この実施の形態においても、上記実施の形態１と同様に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の扱う電力容量は、第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流差に基づく電力差分のみである。このため、上述したように第２の負荷１２と第３の負荷１３との電流がバランスするように第２、第３の負荷１２、１３を分配配置することで、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が扱う電力量を低減でき、さらに高効率化と小型化を促進できる電力変換装置およびそれを用いた車載電源装置が得られる。
【００３８】
なお、この場合も、上記実施の形態２を適用できるが、その場合、電圧Ｖ２と電圧Ｖ３とは、同じ電圧範囲内に制御されるもので、同一電圧でなくても良い。
【００３９】
実施の形態４．
この実施の形態４では、上記実施の形態１と同様の回路構成の電力変換装置を用い、上記実施の形態１と同様に、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（＝Ｖ１−Ｖ２）を目標電圧に制御する。
この場合、同等の電圧（例えば１４Ｖ）で駆動される複数の負荷機器が、第２の負荷１２として第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力端子７ｂ、７ｃ間に接続される。そして、この複数の負荷機器の内の１つを第２のバッテリ１２ａ（図示せず）とし、他の負荷機器１２ｂ（図示せず）に第２のバッテリ１２ａから電力供給可能に構成する。この第２のバッテリ１２ａには電圧１４Ｖを出力する鉛バッテリなどが使われ、他の負荷機器１２ｂとしては、信頼性の要求が高い負荷、例えばブレーキポンプ、ヘッドライトなどが接続される。
【００４０】
通常時、第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２、２０は、上記実施の形態１と同様に動作し、バッテリ１の電圧を降圧して第１〜第３の負荷１１〜１３に電力供給する。第２の負荷１２は、第１のコンデンサ５ａから電力供給され、第２のバッテリ１２ａも、第２の負荷１２の１つとして通常時は充電される。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２または第２のＤＣ／ＤＣコンバータ２０が故障、またはバッテリ１が故障すると、第２の負荷１２には第１のコンデンサ５ａから正常に電力供給されなくなるが、このとき、第２のバッテリ１２ａから他の第２の負荷１２である負荷機器１２ｂに電力供給する。これにより、信頼性の要求が高い負荷機器１２ｂには、電力変換装置の異常時にも継続して電力供給でき、電力変換装置および車載電源装置の信頼性が向上する。
【００４１】
上記実施の形態では、第２の負荷１２として、信頼性の要求が高い負荷機器１２ｂと、これらの負荷機器１２ｂの補助電源となる第２のバッテリ１２ａとを配置した構成を述べたが、第２の負荷１２の代わりに第３の負荷１３を同様の構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１ バッテリ、２ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、３ａ 第１のＭＯＳＦＥＴ、
３ｂ 第２のＭＯＳＦＥＴ、４ インダクタ、５ａ 第１のコンデンサ、
５ｂ 第２のコンデンサ、１１ 第１の負荷、１２ 第２の負荷、１３ 第３の負荷、
１５ 制御回路、２０ 第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、ＶＡ バッテリの電圧、
Ｖ１ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧、Ｖ２ 第１のコンデンサの電圧、
Ｖ３ 第２のコンデンサの電圧。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの直流電圧を降圧して出力する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間に該出力電圧を分圧するように直列接続された第１、第２のコンデンサ、上記出力端子間に直列接続された第１、第２のスイッチング素子、および、上記第１、第２のコンデンサの接続点と上記第１、第２のスイッチング素子の接続点との間に接続されたインダクタを有して、上記第１、第２のコンデンサ間で互いに電力授受する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを出力制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が目標電圧となるように該第１のＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、上記第１、第２のコンデンサの電圧が所望の分圧電圧となるように上記第１、第２のスイッチング素子を駆動制御して上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記所望の分圧電圧として所定の電圧範囲を設け、
上記制御回路は、上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内である時、上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータのみ動作させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの上記目標電圧は電圧範囲を有し、
上記制御回路は、上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入るように、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を上記目標電圧の電圧範囲内で増減して調整することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータのみ動作させても上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入らないとき、上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に近づくように、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を上記目標電圧の電圧範囲内で増減して調整すると共に、上記第１、第２のコンデンサ間の電力授受により上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入るように上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を第１の負荷へ供給し、上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの上記第１、第２のコンデンサの各直流電力を第２、第３の負荷へ供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記第１、第２のコンデンサの上記所望の分圧電圧は、当該分圧電圧にて均衡状態が保持されるように上記第２、第３の負荷に応じて決定されることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
電源電圧が同じ複数の負荷機器を、上記第２、第３の負荷として２群に分配して配置し、
上記２群の分配は、上記第２の負荷である各負荷機器を流れる電流合計と、上記第３の負荷である各負荷機器を流れる電流合計とが近づくように決定され、
上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの目標電圧を上記各負荷機器の上記電源電圧の２倍に、上記第１、第２のコンデンサの上記所望の分圧電圧を上記電源電圧にして、上記第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
電源電圧が同じ複数の負荷機器を、上記第２、第３の負荷のいずれか一方として配置し、上記複数の負荷機器の１つを、補助電源として他の負荷機器に電力供給する第２のバッテリとしたことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータ内の上記第１、第２のスイッチング素子はシリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体により形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置と、走行用モータ駆動用のバッテリとして上記バッテリとを備えたことを特徴とする車載電源装置。
【請求項１】
バッテリの直流電圧を降圧して出力する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間に該出力電圧を分圧するように直列接続された第１、第２のコンデンサ、上記出力端子間に直列接続された第１、第２のスイッチング素子、および、上記第１、第２のコンデンサの接続点と上記第１、第２のスイッチング素子の接続点との間に接続されたインダクタを有して、上記第１、第２のコンデンサ間で互いに電力授受する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを出力制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が目標電圧となるように該第１のＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、上記第１、第２のコンデンサの電圧が所望の分圧電圧となるように上記第１、第２のスイッチング素子を駆動制御して上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
上記所望の分圧電圧として所定の電圧範囲を設け、
上記制御回路は、上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内である時、上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータのみ動作させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの上記目標電圧は電圧範囲を有し、
上記制御回路は、上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入るように、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を上記目標電圧の電圧範囲内で増減して調整することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータのみ動作させても上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入らないとき、上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に近づくように、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を上記目標電圧の電圧範囲内で増減して調整すると共に、上記第１、第２のコンデンサ間の電力授受により上記第１、第２のコンデンサの電圧が上記所定の電圧範囲内に入るように上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を第１の負荷へ供給し、上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの上記第１、第２のコンデンサの各直流電力を第２、第３の負荷へ供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
上記第１、第２のコンデンサの上記所望の分圧電圧は、当該分圧電圧にて均衡状態が保持されるように上記第２、第３の負荷に応じて決定されることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
電源電圧が同じ複数の負荷機器を、上記第２、第３の負荷として２群に分配して配置し、
上記２群の分配は、上記第２の負荷である各負荷機器を流れる電流合計と、上記第３の負荷である各負荷機器を流れる電流合計とが近づくように決定され、
上記制御回路は、上記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの目標電圧を上記各負荷機器の上記電源電圧の２倍に、上記第１、第２のコンデンサの上記所望の分圧電圧を上記電源電圧にして、上記第１、第２のＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
電源電圧が同じ複数の負荷機器を、上記第２、第３の負荷のいずれか一方として配置し、上記複数の負荷機器の１つを、補助電源として他の負荷機器に電力供給する第２のバッテリとしたことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
上記第２のＤＣ／ＤＣコンバータ内の上記第１、第２のスイッチング素子はシリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体により形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置と、走行用モータ駆動用のバッテリとして上記バッテリとを備えたことを特徴とする車載電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１８６９７０（Ｐ２０１２−１８６９７０Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９８９６（Ｐ２０１１−４９８９６）
【出願日】平成２３年３月８日（２０１１．３．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月８日（２０１１．３．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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