特開 2023-25980 バッテリ充電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023025980

(43)【公開日】2023-02-24

(54)【発明の名称】バッテリ充電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/34 20060101AFI20230216BHJP

   B64C 39/02 20060101ALI20230216BHJP

   B64D 27/24 20060101ALI20230216BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20230216BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20230216BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20230216BHJP

【ＦＩ】

H02J7/34 B

B64C39/02

B64D27/24

H02J7/00 302C

H02J7/02 J

H02M3/155 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021131494

(22)【出願日】2021-08-11

(71)【出願人】

【識別番号】511024399

【氏名又は名称】ＹＳＥＣ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】514007047

【氏名又は名称】長岡パワーエレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100140866

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 武史

(72)【発明者】

【氏名】大沼 喜也

(72)【発明者】

【氏名】宮脇 慧

(72)【発明者】

【氏名】宅間 春介

(72)【発明者】

【氏名】山内 慶次郎

(72)【発明者】

【氏名】阿部 和幸

(72)【発明者】

【氏名】黒川 将太

【テーマコード（参考）】

5G503

5H730

【Ｆターム（参考）】

5G503AA07

5G503BA04

5G503BB01

5G503CA11

5G503CC08

5G503DA04

5G503DA17

5G503GB03

5G503GB06

5G503GD03

5H730AA17

5H730AS01

5H730AS03

5H730AS13

5H730AS17

5H730BB14

5H730BB57

5H730BB81

5H730BB88

5H730CC01

5H730DD04

5H730DD16

5H730FD01

5H730FD41

5H730FG05

5H730FG22

(57)【要約】

【課題】冗長性を向上可能なバッテリ充電システムを提供すること。
【解決手段】バッテリ充電システム１は、ジェットエンジン１０１と、ジェットエンジン１０１の起動によって発電を行うエンジン発電機１０４と、エンジン発電機１０４により充電可能な低圧バッテリ１０２を電源として推進力を発生させる複数のプロペラ装置１０３と、を有するＵＡＶ１００に設けられ、低圧バッテリ１０２を充放電し、複数のプロペラ装置１０３に、それぞれ低圧バッテリ１０２が設けられ、複数の低圧バッテリ１０２を、それぞれの電圧に応じて、個々に充放電可能である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料エンジンと、当該燃料エンジンの起動によって発電を行う発電機と、当該発電機により充電可能なバッテリを電源として推進力を発生させる複数の電動機と、を有する無人航空機に設けられ、
前記バッテリを充放電するバッテリ充電システムであって、
複数の前記電動機に、それぞれ前記バッテリが設けられ、
複数の前記バッテリを、それぞれの電圧に応じて、個々に充放電可能なバッテリ充電システム。

【請求項2】

複数の前記電動機にそれぞれ接続され、２つのスイッチング素子を有し前記バッテリに接続されるハーフブリッジ回路が、カスケード接続され、
前記２つのスイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、
前記ハーフブリッジ回路毎に、充放電の態様を示すデューティを割り当てるデューティ割当部と、を備え、
前記スイッチング制御部は、前記デューティ割当部によって割り当てられたデューティに基づいて各前記ハーフブリッジ回路の前記２つのスイッチング素子をスイッチング動作させ、
前記デューティ割当部は、
所定の周期毎に、前記バッテリの電圧に基づいて、各前記ハーフブリッジ回路に対して、デューティとして、それぞれ、前記バッテリを充電する第１状態と、前記バッテリを放電する第２状態と、ＰＷＭ動作を行う第３状態と、のいずれかを割り当て、
複数の前記ハーフブリッジ回路のいずれか１つに、前記第３状態を割り当てることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電システム。

【請求項3】

前記デューティ割当部は、
Ｎ個の前記バッテリの電圧を昇順に並び替え、
ｉ（０≦ｉ≦Ｎ、ｉ，Ｎは整数）番目の前記バッテリまでの電圧の総和が、前記モジュラーマルチレベルコンバータの入力電圧よりも低い場合に、ｉ＋１番目の前記バッテリに接続されている前記ハーフブリッジ回路に前記第３状態を割り当て、
ｉ番目までの前記バッテリに接続されている前記ハーフブリッジ回路に前記第１状態を割り当て、
ｉ＋２番目以降の前記バッテリに接続されている前記ハーフブリッジ回路に前記第２状態を割り当てることを特徴とする請求項２記載のバッテリ充電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無人航空機（ＵＡＶ）に搭載されたバッテリの充電制御を行うバッテリ充電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ドローン技術を活用して、ＵＡＶ（unmanned aerial vehicle）により、人が行けないような場所の作業、例えば建築物の点検や害鳥対策などを行うことが提案されている。ＵＡＶは、本体にバッテリを搭載しており、電池残量がなくなるまで飛行作業を行うことが可能であり、飛行作業後にバッテリを充電することにより、次の飛行作業が可能になる。

【0003】

ＵＡＶの飛行時間はバッテリ容量に依存するため、バッテリを増加させることによりＵＡＶの飛行時間を増加させることが可能になる。しかしながら、バッテリを増加させると、ＵＡＶ本体の重量も増加するため、ＵＡＶの航続時間を増加させることには限界がある。

【0004】

また、近年、エンジン発電機とバッテリを搭載したＵＡＶが提案されている。バッテリに使用される蓄電池のエネルギー密度よりも、エンジン発電機に使用される燃料のエネルギー密度の方が大きいため、飛躍的に航続時間を延ばすことが可能である。従来、この種の技術として、特許文献１に記載された技術がある。この特許文献１には、複数のロータを回転させる駆動源としてエンジンと、バッテリから電力が供給されるモータと、を備えており、エンジンの駆動中にモータを従動させ、このモータが発生させた電力によりバッテリが充電される無人航空機について記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６６９６６５８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１の無人航空機は、一つのバッテリにより、複数のロータ（プロペラ）を回転させるため、この一つのバッテリに異常が発生した場合、全てのプロペラの回転が弱くなって停止してしまい、無人航空機が墜落するおそれがある。

【0007】

本発明は、このような問題点に対して鑑みなされたものであり、冗長性を向上可能なバッテリ充電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】

前記目的を達成するため、本発明は、次の構成を備えている。

【0009】

（１） 燃料エンジンと、当該燃料エンジンの起動によって発電を行う発電機と、当該発電機により充電可能なバッテリを電源として推進力を発生させる複数の電動機と、を有する無人航空機に設けられ、
前記バッテリを充放電するバッテリ充電システムであって、
複数の前記電動機に、それぞれ前記バッテリが設けられ、
複数の前記バッテリを、それぞれの電圧に応じて、個々に充放電可能なバッテリ充電システム。

【0010】

（１）の発明によれば、複数の電動機を有する無人航空機において、複数の電動機にそれぞれバッテリを設けた。これにより、複数の電動機を１つのバッテリで駆動させる場合に比べて、バッテリを小さくすることができる。

【0011】

また、仮に１つの電動機に設けられたバッテリに異常が生じても、他の電動機を動作可能であり、高い冗長性を持たせることが可能となる。
したがって、冗長性を向上可能なバッテリ充電システムを提供できる。

【0012】

更に、複数の電動機を有する無人航空機が航続する場合、複数の電動機にかかる負荷はそれぞれ異なるので、ある時点において、それぞれの電動機に設けられたバッテリの電池残量（電圧）も異なる。
（１）の発明によれば、複数のバッテリのそれぞれの電圧に応じて、個々に充放電可能としたのでの、複数のバッテリを効率的に充電することが可能となる。

【0013】

（２） （１）のバッテリ充電システムにおいて、
複数の前記電動機にそれぞれ接続され、２つのスイッチング素子を有し前記バッテリに接続されるハーフブリッジ回路が、カスケード接続され、
前記２つのスイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、
前記ハーフブリッジ回路毎に、充放電の態様を示すデューティを割り当てるデューティ割当部と、を備え、
前記スイッチング制御部は、前記デューティ割当部によって割り当てられたデューティに基づいて各前記ハーフブリッジ回路の前記２つのスイッチング素子をスイッチング動作させ、
前記デューティ割当部は、
所定の周期毎に、前記バッテリの電圧に基づいて、各前記ハーフブリッジ回路に対して、デューティとして、それぞれ、前記バッテリを充電する第１状態と、前記バッテリを放電する第２状態と、ＰＷＭ動作を行う第３状態と、のいずれかを割り当て、
複数の前記ハーフブリッジ回路のいずれか１つに、前記第３状態を割り当てることを特徴とする。

【0014】

ここで、燃料エンジンの起動によって発電を行う発電機は交流の電気を発電することから、バッテリの充電に利用するためには、エンジン発電機が生成した交流の電気を直流に変換するＡＣ－ＤＣコンバータと、バッテリに対して安定した充電電流を供給するためのＤＣ－ＤＣコンバータが必要になる。ＤＣ－ＤＣコンバータは、出力を安定させるために、パルス列のオンとオフの一定周期を作り、スイッチング素子のオンの時間幅を変化させるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）が適用される。

【0015】

このような、ＰＷＭを適用することで、インダクタの電流リプルを大きく低減できる。特に、直流インダクタが大きい場合には、電流リプルの影響を無視することが可能になる。しかし、ＵＡＶの軽量化のために直流インダクタのインダクタンス値を小さくすると、電流リプルの影響が無視できなくなり、電流リプルが大きくなると充電制御に悪影響を及ぼすおそれがある。

【0016】

（２）の発明によれば、所定の周期毎に、各ハーフブリッジ回路に対して、バッテリを充電する第１状態のデューティ、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）動作する第３状態のデューティ又はバッテリを放電する第２状態のデューティのいずれかを割り当てる。そして、複数のハーフブリッジ回路のいずれか１つに、第３状態を割り当てる。これにより、複数のハーフブリッジ回路がカスケード接続された回路全体におけるスイッチング動作を低減することが可能になり、それに伴い、インダクタの電流リプルを大きく低減することが可能になる。そして、インダクタの電流リプルを大きく低減することが可能であるため、大型のインダクタを搭載する必要がなくなり、その分、ＵＡＶの軽量化を図ることができる。

【0017】

（３） （２）のバッテリ充電システムにおいて、
前記デューティ割当部は、
Ｎ個の前記バッテリの電圧を昇順に並び替え、
ｉ（０≦ｉ≦Ｎ、ｉ，Ｎは整数）番目の前記バッテリまでの電圧の総和が、前記モジュラーマルチレベルコンバータの入力電圧よりも低い場合に、ｉ＋１番目の前記バッテリに接続されている前記ハーフブリッジ回路に前記第３状態を割り当て、
ｉ番目までの前記バッテリに接続されている前記ハーフブリッジ回路に前記第１状態を割り当て、
i＋２番目以降の前記バッテリに接続されている前記ハーフブリッジ回路に前記第２状態を割り当てることを特徴とする。

【0018】

（３）の発明によれば、電圧が比較的低いバッテリのハーフブリッジ回路に対して、バッテリを充電する第１状態が割り当てられ、電圧が比較的高いバッテリのハーフブリッジ回路に対して、バッテリを放電する第２状態が割り当てられ、その中間のバッテリのハーフブリッジ回路に対して、ＰＷＭ動作を行う第３状態が割り当てられる。これにより、各バッテリの電圧値が略等しくなるようにバランスを取りつつ、インダクタの電流リプルを抑制することが可能になる。そして、インダクタの電流リプルを大きく低減することが可能であるため、大型のインダクタを搭載する必要がなくなり、その分、ＵＡＶの軽量化を図ることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、冗長性を向上可能なバッテリ充電システムを提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１実施形態におけるバッテリ充電システム１を備えたＵＡＶ１００の回路構成を示すブロック図である。

【図2】バッテリ電圧を昇順に並べ直すのソートアルゴリズムを示す説明図である。

【図3】デューティの割り当てに使用する式を示す図である。

【図4】コンバータ制御部１０７の構成を示すブロック図である。

【図5】本実施形態のシミュレーションにおける各セルの状態例を示す図である。

【図6】全セル電圧がほぼ等しくなる領域のスイッチング波形を示す拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明のバッテリ充電システムの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0022】

図１は本発明の一実施形態におけるバッテリ充電システム１を備えたＵＡＶ１００の回路構成を示すブロック図である。

【0023】

ＵＡＶ１００は、ジェットエンジン１０１と、低圧バッテリ１０２と、低圧バッテリ１０２を駆動源として回転する複数のプロペラ装置１０３と、を備えている。低圧バッテリ１０２は、１つのプロペラ装置１０３に対して１つ設けられている。

【0024】

また、ＵＡＶ１００は、ジェットエンジン１０１を始動する為の始動機とエンジン始動後に電気を発電する為の発電機が一体になったエンジン発電機１０４と、エンジン発電機１０４が発電した交流の電気を直流の電気に変換するＡＣ－ＤＣコンバータ１０５と、ＡＣ－ＤＣコンバータ１０５からの直流電圧から低圧バッテリ１０２を充電する充電電圧を生成して低圧バッテリ１０２に供給するバッテリ充電システム１と、低圧バッテリ１０２から出力される直流の電気を交流の電気に変換してプロペラ装置１０３に供給するＤＣ－ＡＣコンバータ１１０と、を備えている。

【0025】

バッテリ充電システム１は、ＡＣ－ＤＣコンバータ１０５に接続されたＤＣ－ＤＣコンバータ１０６と、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０６を制御するコンバータ制御部１０７と、を備えている。

【0026】

ＤＣ－ＤＣコンバータ１０６は、ＡＣ－ＤＣコンバータ１０５の出力となる正端子と負端子に接続されるキャパシタ１０と、ＡＣ－ＤＣコンバータ１０５の正端子に接続される直流インダクタ１２と、直流インダクタ１２とＡＣ－ＤＣコンバータ１０５の負端子に接続されるモジュラーマルチレベルコンバータ（以下、「ＭＭＣ」ともいう。）１３と、スイッチング制御部１４と、を備える。

【0027】

ＭＭＣ１３は、２つのスイッチング素子２０、２１を含むハーフブリッジ回路が、複数含まれており、これらがカスケード接続された構成である。以下、ハーフブリッジ回路とこのハーフブリッジ回路に接続された低圧バッテリ１０２とを併せてセルと称する。

【0028】

ハーフブリッジ回路からの出力は、コンバータ制御部１０７によってハーフブリッジ回路毎に割り当てられたデューティに基づいて、スイッチング制御部１４がスイッチング素子２０、２１をスイッチング制御することによって、低圧バッテリ１０２に送られる。なお、本実施形態においては、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）のセルを備えており、それぞれをセル（１）、セル（２）、・・・、セル（Ｎ）と称する場合がある。
このように、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０６は、バッテリ充電システム１からの直流電圧を、低圧バッテリ１０２に供給する。

【0029】

コンバータ制御部１０７は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１０６に対して、直流電圧Ｖdsの値が所定の範囲内である場合、電力制御を実行し、直流電圧Ｖｄｃの値が所定の範囲を逸脱している場合、電圧制御を実行する。これにより、コンバータ制御部１０７は、負荷変動時に直流電圧を安定化しつつ低圧バッテリ１０２の充電制御を行うようになる。

【0030】

本実施形態においては、プロペラ装置１０３毎に低圧バッテリ１０２を接続しているため、１つの低圧バッテリ１０２の異常時でも、他の低圧バッテリ１０２によって他のプロペラ装置を動作させる可能であるため、高い冗長性が得られる。
ここで、各セルにおいてスイッチング素子２０、２１として用いる半導体素子の耐圧は、低圧バッテリ１０２の電圧に応じて決定される。本実施形態においては、スイッチング素子２０、２１として、低耐圧（＞１００Ｖ）のＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）が適用可能である。また、各セル間を接続する配線が冗長であっても、直流インダクタ１２のインダクタンスが支配的であり、配線インダクタンスの影響については無視することができる。このため、レイアウトの自由度が増加する。しかし、各セルの電力はＵＡＶ１００の動作に依存しており、電力消費の激しい低圧バッテリ１０２もあれば、それ程でもない低圧バッテリ１０２が存在するため、ばらつきが発生する。

【0031】

そこで、本実施形態のコンバータ制御部１０７は、複数のセルにおいて、１つをアクティブセルとし、他のセルはスイッチング周期中全てオンもしくはオフに設定している。これにより、従来のＰＳＰＷＭ方式と異なり、本実施形態では、アクティブセルは１つであり、キャリアは一つとなる。なお、アクティブセルとは、スイッチング周期中にスイッチング動作を行うセルのことを指す。また、キャリアとはパルス幅変調(ＰＷＭ)されたパルス波を生成するために用いる三角波のことを指す。

【0032】

具体的に、コンバータ制御部１０７は、各セルに「１，ＰＷＭ，０」の三種類のデューティを割り当てる。この割り当てに、各セルのバッテリ電圧の大小関係を用いる。デューティ１が割り当てられたセルおいては、上側のスイッチング素子２０がオンに、下側のスイッチング素子２１がオフになる。すなわち、ハーフブリッジ回路から低圧バッテリ１０２が電圧印加されて充電が行われる。デューティ０が割り当てられたセルおいては、上側のスイッチング素子２０がオフに、下側のスイッチング素子２１がオンになる。すなわち、ハーフブリッジ回路から低圧バッテリ１０２が電圧印加されないため、充電は行われない。ＰＷＭが割り当てられたセルおいては、上側のスイッチング素子２０及びスイッチング素子２１がスイッチング動作を行う。すなわち、ハーフブリッジ回路から低圧バッテリ１０２が電圧印加されて充電が行われる。

【0033】

バッテリ電圧が高いセルのデューティを０とすることで、低圧バッテリ１０２はプロペラの負荷に応じて放電されるためバッテリ電圧が低下する。一方で、バッテリ電圧が低いセルのデューティを１とすることで、低圧バッテリ１０２は充電されてバッテリ電圧が上昇する。中間のバッテリ電圧を持つ１つのセルをアクティブセルとする。

【0034】

次に、バッテリ充電システム１による低圧バッテリ１０２の充電制御について説明する。
図２は、バッテリ電圧を昇順に並べ直すのソートアルゴリズムを示す説明図である。
図２に示す例において、セル（１）の電圧値をＶｂ１、セル（２）の電圧値をＶｂ２、セル（３）の電圧値をＶｂ３、セル（４）の電圧値をＶｂ４とする。

【0035】

図２（ａ）は、Ｖｂ１＜Ｖｂ２＜Ｖｂ４＜Ｖｂ３の関係にある場合を示しており、セル（１）、セル（２）のデューティに１が割り当てられ、セル（４）にＰＷＭが割り当てられ（アクティブセル）、セル（３）のデューティに０が割り当てられている。この場合、セル（１）、セル（２）及びセル（４）の低圧バッテリ１０２は充電され、セル（３）の低圧バッテリ１０２は放電される。

【0036】

その後、図２（ｂ）に示すように、セル（１）及びセル（２）の電圧値Ｖｂ１，Ｖｂ２が高くなり、セル（３）の電圧値Ｖｂ３が低下する。
そして、セル（３）の電圧値Ｖｂ３よりもセル（４）の電圧値Ｖｂ４が高くなった場合に、各セルの電圧の順番が変わり、図２（ｃ）に示すように、セル（３）にＰＷＭが割り当てられてアクティブセルとなり、セル（４）のデューティとして０が割り当てられる。

【0037】

このように、各セルのバッテリ電圧のバランスをとるために、各セルのバッテリ電圧の大小関係に基づいてデューティの割り当てのローテーションが行われる。

【0038】

次に、図３を参照して、デューティの割り当てについて詳細に説明する。
ここで、ＭＭＣ１３のセル（低圧バッテリ１０２）の数はＮ個であるとする。

【0039】

バッテリ電圧が最小（Ｖ１）の低圧バッテリ１０２から、昇順でバッテリ電圧がｉ番目の低圧バッテリ１０２までの電圧の総和と、ＭＭＣ１３の入力電圧Ｖｃｅｌｌの関係が図３に示す式（１）の場合、１～ｉのセルのデューティｄ１～ｄｉは１となる。

【0040】

ｉ＝Ｎの場合、全てのセルのデューティが１となる。ｉ＜Ｎの場合、ｉ＋１番目のセルがアクティブセルとなり、ｉ＋１番目のセルのデューティは図３に示す式（２）で表すことができる。

【0041】

ｉ＋１＜Ｎの場合、１～ｉのセルまでのデューティｄ１～ｄｉは１となり、ｉ＋１番目のセルがアクティブセルとなり、ｉ＋２～Ｎのセルのデューティが０となる。

【0042】

ソートの周期は、スイッチング素子２０、２１のスイッチング周期の１／１０程度とする。ただし、スイッチング周期でソートを含めた演算処理が終了しない場合は、必要に応じてソート周期を長くする。ソート周期が長い場合、アクティブセルは、スイッチング損失による発熱によって、ほかのセルに対して温度上昇が顕著となる。アクティブセルのおける上下アームすなわちスイッチング素子２０、２１のスイッチング損失のバランスは、デューティによって変化する。そこで、上下アームの損失のバランスをとるようなデューティになるように、直流電圧指令値Ｖｄｃを調整する。ここで、定常状態でありＶｃｅｌｌ＝Ｖｄｃかつ各バッテリ電圧が等しい場合、図３に示す式（２）を変形すると式（３）が得られる。この式（３）に基づいて、直流電圧指令値Ｖｄｃを調整する。

【0043】

図４は、コンバータ制御部１０７の構成を示すブロック図である。
コンバータ制御部１０７は、比例積分制御部３０と、比例積分制御部３１と、直流電圧ソート制御部３２と、デューティ割当部３３と、を備える。

【0044】

比例積分制御部３０は、直流電圧値Ｖｄｃと、スイッチング制御部１４の直流電圧指令値Ｖｄｃ＊との差分に基づき、比例積分（ＰＩ）演算により直流電流値Ｉｃを出力する。この直流電流値Ｉｃと、電力値Ｐと直流電圧値Ｖｄｃとに基づいて演算で求めた直流電流（Ｐ／Ｖｄｃ）の電流値との偏差に基づいてインダクタ電流指令値ＩＬ＊が求められる。

【0045】

比例積分制御部３１は、インダクタ電流指令値ＩＬ＊とインダクタ電流値ＩＬとの差分に基づき、比例積分（ＰＩ）演算により直流電圧指令値ＶＬを出力する。直流電圧指令値ＶＬと各バッテリ電圧値（Ｖｂ１，・・・，Ｖｂｘ，・・・，ＶｂＮ）の総和との差分によりＭＭＣ１３の入力電圧Ｖｃｅｌｌが得られる。

【0046】

直流電圧ソート制御部３２は、各バッテリ電圧値（Ｖｂ１，・・・，Ｖｂｘ，・・・，ＶｂＮ）の大小関係をもとにクイックソートを用いてソートを行う。このときＶ１が最小となり、ＶＮが最大となるようにソートする。

【0047】

デューティ割当部３３は、ソートして得られた各バッテリ電圧の大小関係とＭＭＣのセル入力電圧Ｖｃｅｌｌとにより、図３の式（１）、式（２）を用いてアクティブセルを決定するとともに、各セルのデューティ（ｄ１，・・・，ｄＮ）を計算する。

【0048】

そして、スイッチング制御部１４は、最後にデューティ割当部３３によって割り当てられた各セルのデューティに基づいて、１つのキャリアとの比較でスイッチングパルスを生成して、スイッチング素子２０、２１を動作させる。

【0049】

次に、本実施形態を用いたシミュレーション結果について説明する。
シミュレーション条件は次の通りである。
定格電力：３０ｋＷ
直流電圧：３２５Ｖ
スイッチング周波数：１６０ｋＨｚ
バッテリ定格電圧：５０Ｖ
セル数（Ｎ）：８
インダクタ：３３ｕＨ
直流キャパシタ：０．５ｍＦ
なお、三相ＰＷＭコンバータおよび各プロペラ負荷は電流源でシミュレーションしている。

【0050】

各セルは、各低圧バッテリ１０２に対して、電圧は、５０Ｖを１ｐ．ｕ．として１．１～１．０２５（セル（１）～（４））までと、０．９７５～０．９２５ｐ．ｕ．（セル（５）～（８））までに、２．５％ずつ異なる初期電圧を与えている。つまり、初期状態において、Ｖｂ１＞Ｖｂ２＞Ｖｂ３＞Ｖｂ４＞Ｖｂ５＞Ｖｂ６＞Ｖｂ７＞Ｖｂ８の関係にある。

【0051】

セル（１）は、バッテリ電圧が最大のため、デューティは０となり、Ｖｂ１は減少する。セル（２）は、二番目に大きいバッテリ電圧であり、図３に示す式（１）を満たしていないためＰＷＭ動作を行うアクティブセルになる。その他のセルは、すべてデューティ１となる。Ｖｂ１≠Ｖｂ２となると、セル（３）がアクティブセルになってＰＷＭ動作を行う。以下、アクティブとなるセルがセル（４）、セル（５）、・・・、セル（８）とシフトする。

【0052】

図５は、本実施形態のシミュレーションにおける各セルの状態例を示す図であり、パターン１に示すように、セル（７）がアクティブ（ＰＷＭ）である場合、セル（１）～（６）がデューティ１で駆動し、セル（８）がデューティ０で駆動する。パターン２に示すように、セル（６）がアクティブ（ＰＷＭ）である場合、セル（１）～（５）がデューティ１で駆動し、セル（７）、（８）がデューティ０で駆動する。パターン３に示すように、セル（５）がアクティブ（ＰＷＭ）である場合、セル（１）～（４）がデューティ１で駆動し、セル（６）～（８）がデューティ０で駆動する。その結果、全セルの電圧値は、所定領域内でバランスが取れた状態となり、略等しい値となる。

【0053】

図６は、全セル電圧がほぼ等しくなる領域のスイッチング波形を示す拡大図である。図６により、８つのセルにおいて、アクティブセルが１つ、入力電圧と各セルの総和電圧の比よりデューティが１となるセルが６つ、デューティが０となるセルが１つと理論に基づいた動作が確認できる。

【0054】

また、上記のシミュレーションにおいて、ソートの更新周期は２０ｋＨｚである。本実施形態によれば、１つのアクティブセルでのみスイッチングをしているため、バッテリ電圧がバランスするまでインダクタ電流リプルに変化はなく、常に１６０ｋＨｚのスイッチングリプルとなっている。具体的に、シミュレーションの結果、リプル率１．６％という結果を得た。これは、ＰＷＭ動作するセルが１つであることによるものである。

【0055】

また、従来のＰＳＰＷＭを適用した場合についてシミュレーションしたところ、リプル率は１５．１％という結果を得た。これは、各セルの電圧の合計Ｖｃｅｌｌが等価な波形でないため、重ね合わせた時に各セルのキャリア周波数成分である２０ｋＨｚが支配的になったためである。リプル成分は直流中間コンデンサに流入するため、許容リプル電流の増加、もしくは電圧リプル抑制のため、直流中間コンデンサの容量を大型にする必要がある。それに対して、本実施形態においては、従来のＰＳＰＷＭを適用した場合よりもリプル率を１／１０程度に低減することが確認できた。

【0056】

以上説明したように構成された本実施形態においては、プロペラ装置１０３毎に低圧バッテリ１０２を接続しているため、１つのバッテリの異常時でも他のプロペラ装置が動作可能であるため、高い冗長性が得られる。また、各セル間を接続する配線が冗長であっても、直流インダクタ１２のインダクタンスが支配的であり配線インダクタンスの影響を無視できる。このためレイアウトの自由度を大きくすることが可能になる。

【0057】

また、各低圧バッテリの電力値は、ＵＡＶ１００の動作に依存するためばらつきが発生する。本実施形態においては、各低圧バッテリのバッテリ電圧を昇順にソートし、図３に示す式（１）及び式（２）に基づいて、各セルの状態を、デューティ１、ＰＷＭ、もしくはデューティ０にすることにより、各低圧バッテリ１０２の電力値が略等しくなるようにバッテリ制御を行うことが可能になる。しかも、各セルにおいてＰＷＭ動作を行うアクティブセルが１つであるため、ＭＭＣ１３全体におけるスイッチング動作を低減することが可能になり、それに伴い、インダクタの電流リプルを大きく低減することが可能になる。このように、本実施形態においては、ＵＡＶ１００の動作に依存するプロペラ負荷のアンバランスを考慮し、各低圧バッテリの電圧値が略等しくなるようにバランスを取りつつ、インダクタの電流リプルを抑制することが可能になる。しかも、インダクタの電流リプルを大きく低減することが可能であるため、大型のインダクタを搭載する必要がなくなり、その分、ＵＡＶの軽量化を図ることができる。

【0058】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限るものではない。

【符号の説明】

【0059】

１ バッテリ充電システム
１０ キャパシタ
１２ 直流インダクタ
１３ モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）
１４ スイッチング制御部
２０、２１ スイッチング素子
３０、３１ 比例積分制御部
３２ 直流電圧ソート制御部
３３ デューティ割当部
１００ ＵＡＶ
１０１ ジェットエンジン
１０２ 低圧バッテリ
１０３ プロペラ装置
１０４ エンジン発電機
１０５ ＡＣ－ＤＣコンバータ
１０６ ＤＣ－ＤＣコンバータ
１０７ コンバータ制御部
１１０ ＤＣ－ＡＣコンバータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】