DE112014004859B4 - Energieumwandlungsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Energieumwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist:einen Transformator (6), der aus drei oder mehr Wicklungen (6a, 6b, 6c, 6d1, 6d2) gebildet ist, die miteinander magnetisch gekoppelt sind, wobei die Wicklungen eine erste Wicklung (6a) beinhalten;einen ersten Schalt-Kreis (4), der mit der ersten Wicklung (6a) verbunden ist;einen AC/DC-Umsetzer (2), dessen DC-Seite mit einem Eingangsteil des ersten Schalt-Kreises (4) verbunden ist, und der Eingangsenergie aus einer AC-Energieversorgung (1) in DC umwandelt;einen Spannungsdetektor (52) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des AC/DC-Umsetzers (2); undeinen Schalt-Kreis (8, 13, 30) und eine Last (11, 21, 34), welche mit der anderen oder mehreren der Wicklungen (6b, 6c, 6d1, 6d2) neben der ersten Wicklung (6a) verbunden sind,wobei der erste Schalt-Kreis (4) AC-Energie zu der ersten Wicklung (6a) mit einem vorbestimmten Zeitverhältnis zuführt, und wobei mindestens einer der Schalt-Kreise (8, 13, 30) auf Seiten der Last, die über den Transformator (6) verbunden sind, die Spannung auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers (2) steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Spannungswerts, der von dem Spannungsdetektor (52) detektiert wird, als auch eines Spannungs-Sollwerts.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieumwandlungsvorrichtung, die für eine Energieverteilungssteuerung von Eingangsenergie auf mehrere Ausgänge geeignet ist.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 20 2012 102 882 U1 ist eine Schaltung bekannt, die Folgendes aufweist: einen Gleichrichter, der ausgelegt ist zum Gleichrichten einer Eingangswechselspannung und Bereitstellen eines ankommenden Stromes; einen Transformator, der mit dem Gleichrichter gekoppelt ist und eine Primärspule und eine Sekundärspule aufweist; einen Kondensator, der mit der Sekundärspule gekoppelt und ausgelegt ist zum Koppeln mit einer weißen Reihe von lichtemittierenden Elementen und einer farbangepassten Reihe von lichtemittierenden Elementen; eine Leistungsfaktorkorrektur-Steuerung, die mit der Primärspule gekoppelt und ausgelegt ist zum Bereitstellen einer Leistungsfaktorkorrektur; und eine Vorrichtungssteuerung, die mit der Sekundärspule gekoppelt und ausgelegt ist zum Koppeln mit der weißen Reihe von lichtemittierenden Elementen und der farbangepassten Reihe von lichtemittierenden Elementen, wobei die Vorrichtungssteuerung ausgelegt ist zum Erzeugen von PWM-Anweisungen für Transistoren, die in Reihe mit den weißen und den farbangepassten Reihen gekoppelt sind, um Strom in die weißen und die farbangepassten Reihen hinein mit einer Frequenz des ankommenden Stromes zu variieren. Dabei wird eine Unterstützung der Regelung der Ausgangsspannung einer Leistungsfaktorkorrektur-Steuerung mit einem nachfolgenden Steller verwendet, wobei dort abhängig von einer Spannungsänderung am Ausgang der Leistungsfaktorkorrektur-Steuerung Lasten dazu oder weggeschaltet werden.
  • Aus der US 2008/0094859 A1 ist eine Schalt-Stromversorgung bekannt, die eine Gleichspannung (DC) und eine Wechselspannung (AC) abgegeben kann, und zwar bei minimal benötigtem Installationsraum. Ein Schalt-Kreis ist zwischen einer Wicklung eines Transformators und einer Hauptbatterie vorgesehen. Eine Gleichrichterschaltung ist zwischen anderen Wicklungen des Transformators und einer Zusatzbatterie vorgesehen. Ausgangsanschlüsse zur Abgabe einer AC Ausgangsspannung sind an der anderen Seite des Transformators vorgesehen, wobei die AC Ausgangsspannung auf der Basis einer DC Eingangsspannung von der Hauptbatterie erzeugt wird. Eine DC Ausgangsspannung und die AC Ausgangsspannung werden auf der Basis der DC Eingangsspannung erzeugt und ausgegeben. Dabei verwenden der Wechselspannungs-Erzeugungspfad und der Gleichspannungs-Erzeugungspfad den Transformator gemeinsam.
  • Einige herkömmliche Energieumwandlungsvorrichtungen haben eine Energieversorgungs-Konfiguration mit mehrfachem Ausgang, die erhalten wird, indem komplexe Wicklungen für einen Transformator verwendet werden (siehe z. B. das Japanische Patent JP 4 263 736 B2 ).
  • Das heißt, es ist Aufgabe einer Energieumwandlungsvorrichtung mit dieser herkömmlichen Technologie, beim Laden zweier DC-Spannungsquellen mit Energie von einer AC-Energieversorgung unter Verwendung des Transformators, dessen komplexe Wicklungen magnetisch miteinander gekoppelt sind, die Priorität auf eine der DC-Spannungsquellen zu setzen, um das Laden durchzuführen. Für den Fall, dass es keine AC-Energieversorgung gibt, wird eine der DC-Spannungsquellen als eine Zuführungsquelle verwendet, um die andere DC-Spannungsquelle mittels bidirektionalen Umschaltens zu laden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Bei der in der JP 4 263 736 B2 offenbarten herkömmlichen Energieumwandlungsvorrichtung wird jedoch ein bidirektionaler Schaltkreis zum Steuern des Ladens von einem Schaltelement und einer Diode gebildet, die antiparallel zu dem Schaltelement geschaltet ist. Selbst wenn der Energiewert, der von jeder DC-Spannungsquelle empfangen wird, durch PWM-Steuerung unter Verwendung des bidirektionalen Schaltkreises gesteuert werden soll, gilt daher Folgendes: Da die Energie von der Diode gleichgerichtet wird, die in einer Brückenform geschaltet ist, kann der Ladewert zu jeder DC-Spannungsquelle nicht gesteuert werden. Dies führt zu einem dahingehenden Problem, dass es unmöglich ist, eine Verteilungssteuerung der AC-Eingangsenergie durchzuführen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das obige Problem zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieumwandlungsvorrichtung anzugeben, die unter Verwendung einer Mehrzahl von magnetisch gekoppelten Wicklungen zu einer Energieverteilungssteuerung von Eingangsenergie auf mehrere Ausgänge imstande ist, und zwar gemäß dem Energiebedarf einer Last.
  • Lösung der Probleme
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst mit einer Energieumwandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Eine Energieumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf:
    • - einen Transformator, der aus drei oder mehr Wicklungen gebildet ist, die miteinander magnetisch gekoppelt sind, wobei die Wicklungen eine erste Wicklung beinhalten;
    • - einen ersten Schalt-Kreis, der mit der ersten Wicklung verbunden ist;
    • - einen AC/DC-Umsetzer, dessen DC-Seite mit einem Eingangsteil des ersten Schalt-Kreises verbunden ist, und der Eingangsenergie aus einer AC-Energieversorgung in DC umwandelt;
    • - einen Spannungsdetektor zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des AC/DC-Umsetzers; und
    • - einen Schalt-Kreis und eine Last, welche mit der anderen oder mehreren der Wicklungen neben der ersten Wicklung verbunden sind, wobei der erste Schalt-Kreis AC-Energie zu der ersten Wicklung mit einem vorbestimmten Zeitverhältnis zuführt, und wobei mindestens einer der Schalt-Kreise auf Seiten der Last, die über den Transformator verbunden sind, die Spannung auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Spannungswerts, der von dem Spannungsdetektor detektiert wird, als auch eines Spannungs-Sollwerts.
  • Wirkung der Erfindung
  • Bei der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gibt der Schalt-Kreis zwischen der Last, die die Energie benötigt, und dem Transformator Energie auf der Basis der Abweichung zwischen dem detektierten Wert und dem Sollwert der Spannung oder des Stroms der Last aus, was eine Energieverteilungssteuerung der Eingangsenergie auf mehrere Ausgänge gemäß einer Lastbedingung ermöglicht.
  • Figurenliste
  • In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 5 ein Blockdiagramm einer Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 3 und 4 gezeigt sind.
    • 6 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 3 und 4 gezeigt sind.
    • 7 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 3 und 4 gezeigt sind.
    • 8 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 3 und 4 gezeigt sind.
    • 9 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 11 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 9 und 10 gezeigt sind.
    • 12 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 13 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 14 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 12 und 13 gezeigt sind.
    • 15 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer weiteren Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 16 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm der weiteren Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
    • 17 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 18 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 19 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 20 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 21 ein Blockdiagramm einer Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 19 und 20 gezeigt sind.
    • 22 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 19 und 20 gezeigt sind.
    • 23 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 24 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 25 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 23 und 24 gezeigt sind.
    • 26 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 27 ein Diagramm zum Erläutern eines Energieflusses in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 28 ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 26 und 27 gezeigt sind.
    • 29 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer weiteren Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 30 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm der weiteren Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
    • 31 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
    • 32 ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Ausführungsform 1
  • 1 und 2 sind Schaltungs-Konfigurationsdiagramme einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
  • Die Energieumwandlungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform 1 wird z. B. auf ein Energieversorgungssystem angewendet, das eine Ladeeinrichtung für ein Elektrofahrzeug einbezieht. Die Energieumwandlungsvorrichtung ist mit einem Energieversorgungssystem anwendbar, wobei: eine AC-Energieversorgung 1 eine kommerzielle AC-Energieversorgung, ein privater Stromgenerator oder dergleichen ist; eine erste DC-Spannungsquelle 11 eine Hochspannungsbatterie für die Fahrzeugbewegung ist; eine zweite DC-Spannungsquelle 34 eine Batterie , wie z. B. eine Bleibatterie ist, welche eine Energieversorgung für eine elektrische Fahrzeugkomponente ist; und ein Wechselrichter 17 Energie von AC-100 V zuführt, welche in dem Fahrzeug verwendet werden kann.
  • Die AC-Energieversorgung 1 ist mit einem AC/DC-Umsetzer 2 mittels eines Spannungs-Strom-Detektors 51 verbunden. Die AC-Spannung Vacin wird als DC-Spannung VL1 in einem Kondensator 3 gespeichert. Die DC-Spannung VL1 wird in eine AC-Spannung Vtr1 mittels eines ersten Schalt-Kreises 4 umgewandelt. Der erste Schalt-Kreis 4 fungiert als ein Wechselrichter, der vier Schaltelemente 4a bis 4d hat, die in Brückenform geschaltet sind, und er steuert den Leistungs-Aufnahmewert der Eingangsenergie von der AC-Energieversorgung 1.
  • Ein erstes Ende einer Aufwärtswandlungs-Spule 5 ist mit einem ersten AC-Ende des ersten Schalt-Kreises 4 verbunden, und ein erstes Ende einer ersten Wicklung 6a auf der Primärseite eines Transformators 6 mit komplexer Wicklung (nachstehend einfach als Transformator bezeichnet) ist mit einem zweiten Ende der Aufwärtswandlungs-Spule 5 verbunden. Ein zweites Ende der ersten Wicklung 6a ist mit einem zweiten AC-Ende des ersten Schalt-Kreises 4 verbunden.
  • Ein erstes Ende einer zweiten Wicklung 6b auf der Sekundärseite des Transformators 6 ist mit einem ersten Ende einer Aufwärtswandlungs-Spule 7 verbunden, und ein zweites Ende der Aufwärtswandlungs-Spule 7 ist mit einem ersten AC-Ende eines zweiten Schalt-Kreises 8 und einem ersten Ende eines Schalters 9 verbunden, der zwei Schaltelemente 9a und 9b aufweist.
  • Ein zweites Ende der zweiten Wicklung 6b ist mit einem zweiten AC-Ende des zweiten Schalt-Kreises 8 verbunden. Der zweite Schalt-Kreis 8 hat vier Schaltelemente 8a bis 8d, die in Brückenform geschaltet sind, und fungiert als ein Aufwärtswandlungs-Zerhacker, wenn die erste DC-Spannungsquelle 11 geladen werden soll.
  • Ein zweites Ende des Schalters 9 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen zwei Kondensatoren 10a und 10b verbunden, die in Reihe geschaltet sind. Ein positiver DC-Anschluss des zweiten Schalt-Kreises 8 ist mit einem weiteren Ende des Kondensators 10a verbunden, und er ist mit einem positiven Ende der ersten DC-Spannungsquelle 11 über einen Spannungs-Strom-Detektor 53 verbunden.
  • Ein negativer DC-Anschluss des zweiten Schalt-Kreises 8 ist mit einem weiteren Ende des Kondensators 10b verbunden, und er ist mit einem negativen Ende der ersten DC-Spannungsquelle 11 über den Spannungs-Strom-Detektor 53 verbunden. Hierbei haben die zwei Kondensatoren 10a und 10b die gleiche Kondensator-Kapazität.
  • Ein erstes Ende einer dritten Wicklung 6c auf der Tertiärseite des Transformators 6 ist mit einem ersten Ende einer Aufwärtswandlungs-Spule 12 verbunden, und ein zweites Ende der Aufwärtswandlungs-Spule 12 ist mit einem ersten AC-Ende eines dritten Schalt-Kreises 13 verbunden. Ein zweites Ende der dritten Wicklung 6c ist mit einem zweiten AC-Ende des dritten Schalt-Kreises 13 verbunden.
  • Der dritte Schalt-Kreis 13 wird durch zwei Beine gebildet, die parallelgeschaltet sind, wobei das eine davon aus einem Gleichrichtungselement 13a und einem Schaltelement 13b gebildet wird, die in Reihe geschaltet sind, und wobei das andere davon aus einem Gleichrichtungselement 13c und einem Schaltelement 13d gebildet wird, die in Reihe geschaltet sind.
  • Der dritte Schalt-Kreis 13 fungiert normalerweise als eine Gleichrichtungsschaltung, und wenn die DC-Spannung VL2, die an einem später noch beschriebenen Glättungskondensator 15 auftritt, niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, fungiert er als ein Aufwärtswandlungs-Zerhacker.
  • Die AC-Spannung Vtr3, die an der dritten Wicklung 6c des Transformators 6 auftritt, wird mittels des dritten Schalt-Kreises 13 in DC umgewandelt, mittels einer Glättungsspule 14 und dem Glättungskondensator 15 geglättet, und dann als eine DC-Spannung VL2 in einem Kondensator 16 gespeichert, und zwar über einen Spannungs-Strom-Detektor 54. Der Kondensator 16 ist mit einem DC-Eingangsende des Wechselrichters 17 verbunden, der aus vier Schaltelementen 17a bis 17d gebildet ist.
  • Mit einem AC-Ausgangsende des Wechselrichters 17 sind Glättungsspulen 18a und 18b, ein Glättungskondensator 19, eine Gleichtakt-Drosselspule 20, ein Spannungs-Strom-Detektor 55 und ein Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 in dieser Reihenfolge verbunden. An dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 wird eine AC-Spannung Vacout erzeugt, welche eine Energieversorgung zum Zuführen von Energie zu verschiedenen (nicht dargestellten) Einrichtungen ist (nachstehend als eine AC-Last bezeichnet), die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden sind.
  • Vierte Wicklungen 6d1 und 6d2 auf der Quaternärseite des Transformators 6 sind in Mittelanzapfungsform konfiguriert, und erste Enden von zwei Schaltelementen 30a und 30b, die einen vierten Schalt-Kreis 30 bilden, sind jeweils mit beiden Enden der vierten Wicklungen 6d1 und 6d2 verbunden. Mit einem Verbindungspunkt als die Mittelanzapfung zwischen den vierten Wicklungen 6d1 und 6d2 ist ein Schaltelement 33 verbunden; ebenso ist ein Schalter 35 damit verbunden, der aus zwei Schaltelementen 35a und 35b gebildet ist.
  • Die Ausgangsseite des Schaltelements 33 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen einer Freilaufdiode 36 und einer Glättungsspule 31 verbunden. Der Ausgang der Glättungsspule 31, der Ausgang des Schalters 35 und ein erstes Ende eines Glättungskondensators 32 sind gemeinsam verbunden, und dann werden sie mit einem positiven Ende der zweiten DC-Spannungsquelle 34 über einen Spannungs-Strom-Detektor 56 verbunden. Zweite Enden der Schaltelemente 30a und 30b sind miteinander verbunden, und sie sind mit einem Anodenende der Freilaufdiode 36, einem zweiten Ende des Glättungskondensators 32 und einem negativen Ende der zweiten DC-Spannungsquelle 34 verbunden.
  • Der vierte Schalt-Kreis 30 ist aus den zwei Schaltelementen 30a und 30b, dem Schaltelement 33, der Freilaufdiode 36 und der Glättungsspule 31 gebildet. Eine Einheit, die aus dem Schaltelement 33, der Freilaufdiode 36 und der Glättungsspule 31 gebildet ist, fungiert als ein Abwärtswandlungs-Zerhacker.
  • Jedes Schaltelement, das den ersten bis vierten Schalt-Kreis 4, 8, 13 und 30 bildet, und jedes Schaltelement, das den Wechselrichter 17 bildet, kann ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder dergleichen sein.
  • Eine Steuerungseinheit 100 hat die Funktion, die Vorgänge des ersten bis vierten Schalt-Kreises 4, 8, 13 und 30 und des Wechselrichters 17 zu steuern.
  • Nachstehend wird eine Zusammenfassung der Energieverteilung in der Energieumwandlungsvorrichtung mit der obigen Konfiguration beschrieben.
  • Für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 verbunden ist und die AC-Energieversorgung 1 als Energie-Zuführungsquelle für das Energieversorgungssystem verwendet wird, wird die Spannung Vacin der AC-Energieversorgung 1 in die DC-Spannung VL1 umgewandelt, und zwar mittels des AC/DC-Umsetzers 2, und die DC-Spannung VL1 wird in die DC-Spannung Vbat1 auf der Sekundärseite umgewandelt, die durch den Transformator 6 getrennt wird, um die erste DC-Spannungsquelle 11 zu laden.
  • Außerdem wird die DC-Spannung VL1 in die DC-Spannung VL2 auf der Tertiärseite umgewandelt, die durch den Transformator 6 getrennt wird, und sie wird dann mittels des Wechselrichters 17 von DC in AC umgewandelt, um die AC-Spannung Vacout für die AC-Last zu erzeugen, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist. Ferner wird die DC-Spannung VL1 in die DC-Spannung Vbat2 auf der Quaternärseite umgewandelt, die durch den Transformator 6 getrennt wird, um die zweite DC-Spannungsquelle 34 zu laden.
  • Für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 nicht verbunden ist und daher die erste DC-Spannungsquelle 11 als eine Energie-Zuführungsquelle für das Energieversorgungssystem verwendet wird, wird die Spannung Vbat1 der ersten DC-Spannungsquelle 11 in die DC-Spannung VL2 auf der Tertiärseite umgewandelt, die durch den Transformator 6 getrennt wird, und dann wird sie mittels des Wechselrichters 17 von DC nach AC umgewandelt, um die AC-Spannung Vacout für die AC-Last zu erzeugen, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist. Außerdem wird die Spannung Vbat1 der ersten DC-Spannungsquelle 11 in die DC-Spannung Vbat2 auf der Quaternärseite umgewandelt, die durch den Transformator 6 getrennt wird, um die zweite DC-Spannungsquelle 34 zu laden.
  • Für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 nicht verbunden ist und die zweite DC-Spannungsquelle 34 als eine Energie-Zuführungsquelle für das Energieversorgungssystem verwendet wird, gilt Folgendes: Da der Ladewert der ersten DC-Spannungsquelle 11 unzureichend ist, wird die Spannung Vbat2 der zweiten DC-Spannungsquelle 34 in die DC-Spannung VL2 auf der Tertiärseite umgewandelt, die durch den Transformator 6 getrennt ist, und dann wird aus der DC-Spannung VL2 die AC-Energieversorgung Vacout für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, durch den Wechselrichter 17 erzeugt.
  • Außerdem wird die Spannung Vbat2 der zweiten DC-Spannungsquelle 34 in die DC-Spannung Vbat1 auf der Sekundärseite umgewandelt, die durch den Transformator 6 getrennt wird, um die erste DC-Spannungsquelle 11 zu laden.
  • Nachfolgend wird der Energiefluss in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 3 bis 14 beschrieben.
  • Wie in 3 und 4 gezeigt, gilt Folgendes für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 verbunden ist und als Energie-Zuführungsquelle für das Energieversorgungssystem verwendet wird: Die Eingangsleistung P1 von der AC-Energieversorgung 1 wird in Ladeleistung P2 für die erste DC-Spannungsquelle 11, Zuführungsleistung P3 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und Ladeleistung P4 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 aufgeteilt.
  • 5 bis 8 sind Blockdiagramme der Steuerungseinheit 100 zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 3 und 4 gezeigt sind.
  • Die Blockdiagramme in 5 und 6 zeigen den Fall, dass ein solcher Betrieb durchgeführt wird, dass die Zuführungsleistung P3 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und die Ladeleistung P4 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 priorisiert werden und die verbleibende Leistung als die Ladeleistung P2 für die erste DC-Spannungsquelle 11 zugeführt wird. In diesem Fall führt der AC/DC-Umsetzer 2 die Leistung mit konstantem Strom zu.
  • Das heißt, dass für den AC/DC-Umsetzer 2 auf der Basis der Abweichung zwischen einem Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung 1 und einem Strom-Detektionswert Iacin von dem Spannungs-Strom-Detektor 51 eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt wird, und dass dann eine PWM-Steuerung durchgeführt wird, so dass die Leistung bei konstantem Strom dem Kondensator 3 zugeführt wird und gleichzeitig der AC-Strom bei einem hohen Leistungsfaktor gesteuert wird (siehe 5(a)).
  • Zu dieser Zeit kann der Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung 1 beliebig gesetzt werden. Der erste Schalt-Kreis 4 führt einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass er AC-Energie zum Transformator 6 zuführt (siehe 5(b)).
  • Für den zweiten Schalt-Kreis 8 wird auf der Basis der Abweichung zwischen einem Spannungs-Befehlswert VL1* für den Kondensator 3 und dem Spannungs-Detektionswert VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, um einen Strom-Befehlswert Ibat1* für die erste DC-Spannungsquelle 11 zu erhalten.
  • Dann wird auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Ibat1 * und dem Strom-Detektionswert Ibat1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 53 eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass eine Ladestromsteuerung für die erste DC-Spannungsquelle 11 erfolgt (siehe 5(c)).
  • Für den dritten Schalt-Kreis 13 wird auf der Basis der Abweichung zwischen einem Spannungs-Befehlswert VL2* für den Glättungskondensator 15 und dem Spannungs-Detektionswert VL2 von dem Spannungs-Strom-Detektor 54 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die Spannung VL2 des Glättungskondensators 15 gesteuert wird (siehe 6(a)).
  • Für den Wechselrichter 17 wird unter Verwendung des Quotienten zwischen einem Befehlswert Vacout* für die Ausgangs-AC-Spannung und dem Spannungs-Detektionswert VL2 von dem Spannungs-Strom-Detektor 54 als einem Modulationsfaktor für einen Sinuswellen-Wechselrichter eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die AC-Spannung Vacout an das Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 ausgegeben wird (siehe 6(b)).
  • Für das Schaltelement 33, das den vierten Schalt-Kreis 30 bildet, wird auf der Basis der Abweichung zwischen einem Spannungs-Befehlswert Vbat2* für die zweite DC-Spannungsquelle 34 und dem Spannungs-Detektionswert Vbat2 von dem Spannungs-Strom-Detektor 56 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass eine Ladespannungssteuerung für die zweite DC-Spannungsquelle 34 durchgeführt wird (siehe 6(c)).
  • Folglich werden bei der in 5 und in 6 gezeigten Steuerung derartige Vorgänge durchgeführt, dass eine konstante Eingangsleistung P1 von der AC-Energieversorgung 1 erhalten wird, um die Zuführungsleistung P3 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und die Ladeleistung P4 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 auszugeben, und die verbleibende Leistung wird als die Ladeleistung P2 für die erste DC-Spannungsquelle 11 ausgegeben.
  • Das Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 kann so betrieben werden, dass die Spannung VL1 des Kondensators 3 konstant gemacht wird, und der zweite Schalt-Kreis 8 kann so gesteuert werden, dass die Spannung oder der Strom der ersten DC-Spannungsquelle 11 konstant gemacht wird, so dass eine konstante Eingangsleistung P1 von der AC-Energieversorgung 1 bezogen werden kann, um die Eingangsleistung P3 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und die Ladeleistung P1 für die erste DC-Spannungsquelle 11 auszugeben, und die verbleibende Leistung kann als die Ladeleistung P4 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 zugeführt werden.
  • 7 und 8 zeigen den Fall, dass ein solcher Betrieb erfolgt, dass, während die Ladeleistung P2 für die erste DC-Spannungsquelle 11 konstant gemacht wird, die Summe der Ladeleistung P2, der Zuführungsleistung P3 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und der Ladeleistung P4 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 von der AC-Energieversorgung 1 bezogen wird. In diesem Fall wird für den AC/DC-Umsetzer 2 auf der Basis der Abweichung zwischen dem Spannungs-Befehlswert VL1* für den Kondensator 3 und dem Spannungs-Detektionswert VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, um den Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung zu erhalten.
  • Dann wird auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung und dem Strom-Detektionswert Iacin von dem Spannungs-Strom-Detektor 51 eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die Spannung VL1 des Kondensators 3 gesteuert wird und eine Steuerung mit hohem Leistungsfaktor für den AC-Energieversorgungsstrom Iacin durchgeführt wird (siehe 7(a)).
  • Der erste Schalt-Kreis 4 führt außerdem einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass AC-Energie zum Transformator 6 zugeführt wird (siehe 7(b)).
  • Für den zweiten Schalt-Kreis 8 gilt Folgendes: Auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Ibat1 * für die erste DC-Spannungsquelle 11 und dem Strom-Detektionswert Ibat1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 53 wird eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 mit konstantem Strom geladen wird (siehe 7(c)).
  • Der dritte Schalt-Kreis 13, der Wechselrichter 17 und das Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 werden auf die gleiche Weise wie in 6(a) bis 6(c) betrieben (siehe 8(a) bis 8(c)).
  • Folglich werden bei der in 7 und in 8 gezeigten Steuerung derartige Vorgänge durchgeführt, dass die Summe der Ladeleistung P2 für die erste DC-Spannungsquelle 11, der Zuführungsleistung P3 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und der Ladeleistung P4 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 von der AC-Energieversorgung 1 bezogen werden.
  • Bei der Steuerung in 5, 6, 7 und 8 kann das Zeitverhältnis des ersten Schalt-Kreises 4 variiert werden, und zwar auf der Basis des Ergebnisses der Rückführung des Spannungs-Detektionswerts VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52.
  • Wie in 9 und 10 gezeigt, gilt Folgendes für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 nicht verbunden ist und daher die erste DC-Spannungsquelle 11 als Energie-Zuführungsquelle für das Energieversorgungssystem verwendet wird: Die Entladeleistung P20 von der ersten DC-Spannungsquelle 11 wird in Zuführungsleistung P30 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und Ladeleistung P40 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 aufgeteilt. Die Eingangsleistung P10 von der AC-Energieversorgung 1 beträgt zu dieser Zeit null.
  • 11 ist ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit 100 zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 9 und 10 gezeigt sind.
  • 11 zeigt den Fall, in welchem die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird, ohne die Spannung VL1 des Kondensators 3 besonders zu berücksichtigen. In diesem Fall wird der Betrieb sowohl des AC/DC-Umsetzers 2, als auch der Betrieb des ersten Schalt-Kreises 4 unterbrochen, und der zweite Schalt-Kreis 8 führt einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird (siehe 11(a)).
  • Der dritte Schalt-Kreis 13, der Wechselrichter 17 und das Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 werden auf die gleiche Weise wie in 6(a) bis 6(c) betrieben (siehe 11(b) bis 11 (d)).
  • Wie in 12 und 13 gezeigt, wird für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 nicht verbunden ist und der Ladewert der ersten DC-Spannungsquelle 11 unzureichend ist, die zweite DC-Spannungsquelle 34 als eine Energie-Zuführungsquelle verwendet. In diesem Fall wird die Entladeleistung P42 von der zweiten DC-Spannungsquelle 34 in Ladeleistung P22 für die erste DC-Spannungsquelle 11 und Zuführungsleistung P32 für die AC-Last aufgeteilt, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist.
  • 14 ist ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit 100 zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 12 und 13 gezeigt sind.
  • 14 zeigt den Fall, in welchem die zweite DC-Spannungsquelle 34 entladen wird, ohne die Spannung VL1 des Kondensators 3 besonders zu berücksichtigen. Daher wird sowohl der Betrieb des AC/DC-Umsetzers 2, als auch der Betrieb des ersten Schalt-Kreises 4 unterbrochen, und der Schalter 35 in der Stufe, die der zweiten DC-Spannungsquelle 34 vorgelagert ist, wird eingeschaltet, so dass das Schaltelement 33 und die Glättungsspule 31 umgangen werden.
  • Die Schaltelemente 30a und 30b des vierten Schalt-Kreises 30 führen einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass dem Transformator 6 AC-Energie zugeführt wird (siehe 14(d)). Für den zweiten Schalt-Kreis 8 gilt Folgendes: Auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Ibat1* für die erste DC-Spannungsquelle 11 und dem Strom-Detektionswert Ibat1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 53 wird eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 mit konstantem Strom geladen wird (siehe 14(a)).
  • Der dritte Schalt-Kreis 13 und der Wechselrichter 17 werden auf die gleiche Weise wie in 6(b) und 6(c) betrieben (siehe 14(b) und 14(c)).
  • Bei der Beschreibung der Steuerungsvorgänge der Steuerungseinheit 100 wird die erste DC-Spannungsquelle 11 durch Laden mit konstantem Strom gesteuert, und die zweite DC-Spannungsquelle 34 wird durch Laden mit konstantem Strom gesteuert. Die Ladeverfahren für die erste DC-Spannungsquelle 11 und die zweite DC-Spannungsquelle 34 sind jedoch nicht auf die obigen Ladeverfahren beschränkt, sondern sie können gemäß den ersten und zweiten DC-Spannungsquellen 11 und 34 bestimmt werden. Beispielsweise kann die erste DC-Spannungsquelle 11 mit konstanter Spannung geladen werden, und die zweite DC-Spannungsquelle 34 kann mit konstantem Strom geladen werden.
  • Für den Fall, dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird, kann der Schalter 9 eingeschaltet werden, die zwei Schaltelemente 8c und 8d in dem einen Zweig können ausgeschaltet werden, und die zwei Schaltelemente 8a und 8b in dem anderen Zweig können einer PWM-Steuerung unterzogen werden, um einen Halbbrücken-Betrieb durchzuführen, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird, oder die vier Schaltelemente 8a bis 8d können einer PWM-Steuerung unterzogen werden, um einen Halbbrücken-Betrieb durchzuführen, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird.
  • Für den Fall, dass die Spannung oder der Strom für die erste DC-Spannungsquelle 11, die zweite DC-Spannungsquelle 34 oder den Wechselrichter 17 nicht gesteuert wird oder für den Fall, dass die Energie nicht von der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 zugeführt wird, kann jeder von dem zweiten Schalt-Kreis 8, dem dritten Schalt-Kreis 13 und dem Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 mit einem passiven Element zur Gleichrichtung konfiguriert sein, wie z. B. mit einer Diode.
  • Für den Fall, dass die Spannung oder der Strom für die zweite DC-Spannungsquelle 34 nicht gesteuert wird, werden das Schaltelement 33, der Schalter 35 und die Diode 36 nicht benötigt. Für den Fall, dass die Spannung des Glättungskondensators 15 durch den dritten Schalt-Kreis 13 gesteuert wird, kann die Glättungsspule 14 weggelassen werden.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform 1 wird es möglich, den Wert der Leistung zu steuern, die von der AC-Energieversorgung 1, der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 zugeführt wird, und zwar gemäß der Leistung, die von der ersten DC-Spannungsquelle 11, der zweiten DC-Spannungsquelle 34 oder der AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, benötigt wird (nachstehend werden diese zusammen einfach als Lasten bezeichnet), und zwar über den Transformator 6.
  • Für den Fall, dass nur die AC-Energieversorgung 1 als Energie-Zuführungsquelle verwendet wird, heißt dies, dass die Ausgangsspannung des AC/DC-Umsetzers 2 durch den AC/DC-Umsetzer 2 gesteuert wird, so dass die Summe der Lastleistungen von der AC-Energieversorgung 1 zugeführt werden kann. Außerdem wird die Spannung VL1 des Kondensators 3 auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers 2 durch einen der Schalt-Kreise 8, 13 und 30 gesteuert, die zwischen dem Transformator 6 und ihren jeweiligen Lasten vorgesehen sind.
  • Dadurch wird die Leistung eingestellt, die der Last auf der nachfolgenden Seite eines jeden Schalt-Kreises 8, 13, 30 zugeführt wird, der die Spannung VL1 auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers 2 steuert. Folglich kann die Leistung, die von der AC-Energieversorgung 1 zugeführt wird, konstant gemacht werden.
  • Für den Fall, dass nur eine von der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 als Energie-Zuführungsquelle verwendet wird, wird der zweite Schalt-Kreis 8 oder der vierte Schalt-Kreis 30 mit einer beliebigen Einschaltzeit (Tastverhältnis) betrieben, so dass Leistung zugeführt werden kann.
  • Bei der in 1 und 2 gezeigten Energieumwandlungsvorrichtung gilt Folgendes: Falls das Wicklungsverhältnis des Transformators 6 so eingestellt wird, dass die induzierte Spannung, die an der zweiten Wicklung 6b oder den vierten Wicklungen 6d1 und 6d2 des Transformators 6 auftritt, kleiner als die Ladespannung der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 ist, kann die Zuführung von Leistung zu der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 unterbrochen werden, indem der Betrieb des zweiten Schalt-Kreises 8 oder des vierten Schalt-Kreises 30 unterbrochen wird.
  • Beispielsweise werden die Anzahl von Wicklungen der ersten Wicklung 6a und die Anzahl von Wicklungen der zweiten Wicklung 6b angepasst, um das Wicklungsverhältnis so einzustellen, dass die Spannung Vtr2 der zweiten Wicklung 6b des Transformators 6 niedriger ist als die Spannung Vbat1 der ersten DC-Spannungsquelle 11. Das heißt, das Wicklungsverhältnis wird so eingestellt, dass es die folgende Bedingung erfüllt. Vtr 2 = { ( n 2 / n 1 ) × Vtr1 } < Vbat1
    Figure DE112014004859B4_0001
  • In diesem Zustand gilt Folgendes: Da die Spannung Vtr2 der zweiten Wicklung 6b des Transformators 6 niedriger ist als die Spannung Vbat1 der ersten DC-Spannungsquelle 11, wird die erste DC-Spannungsquelle 11 nicht geladen.
  • Um die erste DC-Spannungsquelle 11 zu laden, wird daher der zweite Schalt-Kreis 8 als ein Aufwärtswandlungs-Zerhacker betrieben. Das heißt, dass zunächst der Schalter 9 ausgeschaltet wird, und dass dann das Schaltelement 8d des zweiten Schalt-Kreises 8 eingeschaltet wird. Dadurch fließt ein Strom durch die Aufwärtswandlungs-Spule 7, um Energie zu speichern.
  • Anschließend wird das Schaltelement 8d ausgeschaltet, und das Schaltelement 8c wird eingeschaltet, so dass die in der Aufwärtswandlungs-Spule 7 gespeicherte Energie in die erste DC-Spannungsquelle 11 über das Schaltelement 8c hinein geladen wird. Der Ladewert kann unter Verwendung des Einschalt-/Ausschaltverhältnisses des Schaltelements 8d gesteuert werden.
  • Wie oben beschrieben, ist das Wicklungsverhältnis zwischen der ersten Wicklung 6a und der zweiten Wicklung 6b des Transformators 6 so eingestellt, dass die Spannung Vtr2 der zweiten Wicklung 6b des Transformators 6 niedriger ist als die Spannung Vbat1 der ersten DC-Spannungsquelle 11, und in diesem Zustand wird bewirkt, dass der zweite Schalt-Kreis 8 einen Aufwärtswandlungsvorgang durchführt und das Aufwärtswandlungs-Verhältnis gesteuert wird, so dass der Ladewert für die erste DC-Spannungsquelle 11 gesteuert werden kann.
  • Wenn der Betrieb des zweiten Schalt-Kreises 8 unterbrochen wird, kann außerdem das Laden unterbrochen werden. Da das Laden unterbrochen werden kann, ist es beispielsweise für den Fall, dass die erste DC-Spannungsquelle 11 eine Batterie ist, möglich, ein Überladen zu verhindern, indem das Laden im vollständig geladenen Zustand unterbrochen wird.
  • Wie oben beschrieben, kann die Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 eine Energieverteilungssteuerung der Eingangsleistung auf mehrere Ausgänge durchführen, indem sie die Steuerung auf Seiten der Energieversorgung mit der Steuerung auf Seiten der Last kombiniert, und wenn nötig, kann sie den Ladevorgang der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 beliebig unterbrechen, während sie Leistung zu einer anderen Last zuführt.
  • In den Schaltungs-Konfigurationsdiagrammen der Energieumwandlungsvorrichtung, die in 1 und 2 gezeigt sind, kann die erste DC-Spannungsquelle 11 oder die zweite DC-Spannungsquelle 34 durch einen AC/DC-Umsetzer, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, und eine AC-Energieversorgung ersetzt werden. 15 und 16 zeigen Schaltungs-Konfigurationsdiagramme einer Energieumwandlungsvorrichtung, die erhalten wird, indem die erste DC-Spannungsquelle in der in 1 und 2 gezeigten Energieumwandlungsvorrichtung mit solch einem AC/DC-Umsetzer und einer AC-Energieversorgung ersetzt wird.
  • Das heißt, in 15 und 16 wird die erste DC-Spannungsquelle 11 gemäß 1 und 2 durch eine AC-Energieversorgung 40, einen Spannungs-Strom-Detektor 41 für die AC-Energieversorgung 40 und einen AC/DC-Umsetzer 42 ersetzt, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist. Für den Fall, dass der AC/DC-Umsetzer 42, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, Energie an die AC-Energieversorgung 40 regeneriert, wird der gleiche Betrieb wie der obige Betrieb durchgeführt, in welchem die erste DC-Spannungsquelle 11 in der Schaltungskonfiguration in 1 und 2 geladen wird.
  • Für den Fall, dass der AC/DC-Umsetzer 42, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, Energie von der AC-Energieversorgung 40 bezieht, wird der gleiche Betrieb wie der obige Betrieb durchgeführt, in welchem die erste DC-Spannungsquelle 11 in der Schaltungskonfiguration gemäß 1 und 2 entladen wird. Der Betrieb für den Fall, das die zweite DC-Spannungsquelle 34 in der Schaltungskonfiguration in 1 und 2 durch eine AC-Energieversorgung, einen Spannungs-Strom-Detektor für die AC-Energieversorgung und einen AC/DC-Umsetzer ersetzt wird, der zur bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, wird ebenfalls auf die gleiche Weise wie oben beschrieben durchgeführt.
  • Ausführungsform 2
  • 17 und 18 sind Schaltungs-Konfigurationsdiagramme einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Die Komponenten, die denjenigen bei der Ausführungsform 1 entsprechen oder gleich diesen sind, die in 1 und 2 gezeigt ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Ein Konfigurationsmerkmal der Ausführungsform 2 ist, dass das DC-Eingangsende des Wechselrichters 17, der aus den vier Schaltelementen 17a bis 17dc gebildet ist, mit der Ausgangsende-Seite des AC/DC-Umsetzers 2 verbunden ist, und zwar parallel zu dem ersten Schalt-Kreis 4 über den Spannungs-Strom-Detektor 54. Mit dem AC-Ausgangsende des Wechselrichters 17 sind die Glättungsspulen 18a und 18b, der Glättungskondensator 19, die Gleichtakt-Drosselspule 20, der Spannungs-Strom-Detektor 55, und das Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 in dieser Reihenfolge verbunden. An dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 wird die AC-Energieversorgung Vacout erzeugt, welche eine Energieversorgung für die (nicht dargestellte) AC-Last ist.
  • Die restliche Konfiguration ist im Wesentlichen die gleiche wie bei der Ausführungsform 1. Daher sind die entsprechenden Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren detaillierte Beschreibung wird weggelassen. Der Betrieb des ersten bis vierten Schalt-Kreises 4, 8, 13 und 30, der Wechselrichters 17 und dergleichen ist ebenfalls im Wesentlichen der gleiche wie bei der Ausführungsform 1, und daher wird deren detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
  • Nachfolgend wird der Energiefluss in der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 19 bis 28 beschrieben.
  • Wie in 19 und 20 gezeigt, gilt Folgendes für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 verbunden ist und als Energie-Zuführungsquelle für das Energieversorgungssystem verwendet wird: Die Eingangsleistung P15 von der AC-Energieversorgung 1 wird in Ladeleistung P25 für die erste DC-Spannungsquelle 11, Zuführungsleistung P35 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und Ladeleistung P45 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 aufgeteilt.
  • 21 und 22 sind Blockdiagramme der Steuerungseinheit 100 zum Verwirklichen der Energieflüsse in der Energieumwandlungsvorrichtung, die in 19 und 20 gezeigt sind.
  • 21 zeigt den Fall, in welchem ein solcher Betrieb erfolgt, dass die Zuführungsleistung P35 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist und die Ladeleistung P45 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 priorisiert werden, und dass die verbleibende Leistung als die Ladeleistung P25 für die erste DC-Spannungsquelle 11 zugeführt wird. In diesem Fall führt der AC/DC-Umsetzer 2 die Leistung mit konstantem Strom zu.
  • Das heißt, dass für den AC/DC-Umsetzer 2 auf der Basis der Abweichung zwischen einem Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung 1 und einem Strom-Detektionswert Iacin von dem Spannungs-Strom-Detektor 51 eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt wird, und dass dann eine PWM-Steuerung durchgeführt wird, so dass die Leistung bei konstantem Strom dem Kondensator 3 zugeführt wird und gleichzeitig der AC-Strom bei einem hohen Leistungsfaktor gesteuert wird (siehe 21(a)).
  • Zu dieser Zeit kann der Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung 1 beliebig gesetzt werden. Der erste Schalt-Kreis 4 führt einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass er AC-Energie zum Transformator 6 zuführt (siehe 21 (b)).
  • Für den zweiten Schalt-Kreis 8 wird auf der Basis der Abweichung zwischen einem Spannungs-Befehlswert VL1* für den Kondensator 3 und dem Spannungs-Detektionswert VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, um einen Strom-Befehlswert Ibat1 * für die erste DC-Spannungsquelle 11 zu erhalten.
  • Dann wird auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Ibat1* und dem Strom-Detektionswert Ibat1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 53 eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass eine Ladestromsteuerung für die erste DC-Spannungsquelle 11 erfolgt (siehe 21(c)).
  • Für den Wechselrichter 17 wird unter Verwendung des Quotienten zwischen einem Befehlswert Vacout* für die Ausgangs-AC-Spannung und dem Spannungs-Detektionswert VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52 als einem Modulationsfaktor für einen Sinuswellen-Wechselrichter eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die AC-Spannung Vacout an das Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 ausgegeben wird (siehe 21(b)).
  • Für das Schaltelement 33, das den vierten Schalt-Kreis 30 bildet, wird auf der Basis der Abweichung zwischen einem Spannungs-Befehlswert Vbat2* für die zweite DC-Spannungsquelle 34 und dem Spannungs-Detektionswert Vbat2 von dem Spannungs-Strom-Detektor 56 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass eine Ladespannungssteuerung für die zweite DC-Spannungsquelle 34 durchgeführt wird (siehe 21(c)).
  • Folglich werden bei der in 21 gezeigten Steuerung derartige Vorgänge durchgeführt, dass eine konstante Eingangsleistung P15 von der AC-Energieversorgung 1 erhalten wird, um die Zuführungsleistung P35 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und die Ladeleistung P45 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 auszugeben, und die verbleibende Leistung wird als die Ladeleistung P25 für die erste DC-Spannungsquelle 11 ausgegeben.
  • Das Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 kann so betrieben werden, dass die Spannung VL1 des Kondensators 3 konstant gemacht wird, und der zweite Schalt-Kreis 8 kann so gesteuert werden, dass die Spannung oder der Strom der ersten DC-Spannungsquelle 11 konstant gemacht wird, so dass eine konstante Eingangsleistung P15 von der AC-Energieversorgung 1 bezogen werden kann, um die Eingangsleistung P35 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und die Ladeleistung P25 für die erste DC-Spannungsquelle 11 auszugeben, und die verbleibende Leistung kann der zweiten DC-Spannungsquelle 34 zugeführt werden.
  • 22 zeigt den Fall, dass ein solcher Betrieb erfolgt, dass, während die Ladeleistung P25 für die erste DC-Spannungsquelle 11 konstant gemacht wird, die Summe der Ladeleistung P25, der Zuführungsleistung P35 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und der Ladeleistung P45 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 von der AC-Energieversorgung 1 bezogen wird.
  • In diesem Fall wird für den AC/DC-Umsetzer 2 auf der Basis der Abweichung zwischen dem Spannungs-Befehlswert VL1 * für den Kondensator 3 und dem Spannungs-Detektionswert VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, um den Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung zu erhalten.
  • Dann wird auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Iacin* für die AC-Energieversorgung und dem Strom-Detektionswert Iacin von dem Spannungs-Strom-Detektor 51 eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die Spannung VL des Kondensators 3 gesteuert wird und eine Steuerung mit hohem Leistungsfaktor für den AC-Energieversorgungsstrom Iacin durchgeführt wird (siehe 22(a)).
  • Der erste Schalt-Kreis 4 führt außerdem einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass AC-Energie zum Transformator 6 zugeführt wird (siehe 22(b)).
  • Für den zweiten Schalt-Kreis 8 gilt Folgendes: Auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Ibat1 * für die erste DC-Spannungsquelle 11 und dem Strom-Detektionswert Ibat1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 53 wird eine Proportionalregelung (P-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 mit konstantem Strom geladen wird (siehe 22(c)).
  • Der Wechselrichter 17 und das Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 werden auf die gleiche Weise wie in 21(d) und 21(e) betrieben (siehe 22(d) und 22(e)).
  • Folglich erfolgt bei der in 22 gezeigten Steuerung ein derartiger Betrieb, dass die Summe der Ladeleistung P25 für die erste DC-Spannungsquelle 11, der Zuführungsleistung P35 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und der Ladeleistung P45 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 von der AC-Energieversorgung 1 bezogen werden. Bei der Steuerung in 21 und 22 kann das Zeitverhältnis des ersten Schalt-Kreises 4 variiert werden, und zwar auf der Basis des Ergebnisses der Rückführung des Spannungs-Detektionswerts VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52.
  • Wie in 23 und 24 gezeigt, gilt Folgendes für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 nicht verbunden ist und daher die erste DC-Spannungsquelle 11 als Energie-Zuführungsquelle für das Energieversorgungssystem verwendet wird: Die Entladeleistung P26 von der ersten DC-Spannungsquelle 11 wird in Zuführungsleistung P36 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, und Ladeleistung P46 für die zweite DC-Spannungsquelle 34 aufgeteilt. Die Eingangsleistung P16 von der AC-Energieversorgung 1 beträgt zu dieser Zeit null.
  • 25 ist ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit 100 zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 23 und 24 gezeigt sind.
  • Hierbei wird der Betrieb des AC/DC-Umsetzer 2 unterbrochen, und der zweite Schalt-Kreis 8 führt einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird (siehe 25(b)). Für den ersten Schalt-Kreis 4 wird auf der Basis der Abweichung zwischen einem Spannungs-Befehlswert VL1* für den Kondensator 3 und dem Spannungs-Detektionswert VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die Spannung VL1 des Kondensators 3 so gesteuert wird, dass sie konstant wird (siehe 25(a)).
  • Der Wechselrichter 17 und das Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 werden auf die gleiche Weise wie in 21(d) und 21(e) betrieben (siehe 25(c) und 25(d)).
  • Wie in 26 und 27 gezeigt, gilt Folgendes für den Fall, dass die AC-Energieversorgung 1 nicht verbunden ist und der Ladewert der ersten DC-Spannungsquelle 11 unzureichend ist: Die zweite DC-Spannungsquelle 34 wird als eine Energie-Zuführungsquelle verwendet, und zu dieser Zeit wird die Entladeleistung P48 von der zweiten DC-Spannungsquelle 34 aufgeteilt in Ladeleistung P28 für die erste DC-Spannungsquelle 11 und Zuführungsenergie P38 für die AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist.
  • 28 ist ein Blockdiagramm der Steuerungseinheit 100 zum Verwirklichen der Energieflüsse, die in 26 und 27 gezeigt sind.
  • Hierbei wird der Betrieb des AC/DC-Umsetzer 2 unterbrochen, und das Schaltelement 33 des vierten Schalt-Kreises 30 führt einen PWM-Betrieb mit konstantem Zeitverhältnis auf der Basis eines beliebigen Zeitverhältnis-Befehlswerts Duty* durch, so dass die zweite DC-Spannungsquelle 34 entladen wird (siehe 28(c)).
  • Für den ersten Schalt-Kreis 4 wird auf der Basis der Abweichung zwischen dem Spannungs-Befehlswert VL1* für den Kondensator 3 und dem Spannungs-Detektionswert VL1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 52 eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass die Spannung VL1 des Kondensators 3 so gesteuert wird, dass sie konstant wird (siehe 28(a)).
  • Für den zweiten Schalt-Kreis 8 gilt Folgendes: Auf der Basis der Abweichung zwischen dem Strom-Befehlswert Ibat1 * für die erste DC-Spannungsquelle 11 und dem Strom-Detektionswert Ibat1 von dem Spannungs-Strom-Detektor 53 wird eine Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) durchgeführt, und dann wird eine PWM-Steuerung durchgeführt, so dass der Ladestrom für die die erste DC-Spannungsquelle 11 gesteuert wird (siehe 28(b)).
  • Der Wechselrichter 17 wird auf die gleiche Weise wie in 21 (d) betrieben (siehe 28(d)).
  • Bei der Beschreibung der Steuerungsvorgänge der Steuerungseinheit 100 wird die erste DC-Spannungsquelle 11 durch Laden mit konstantem Strom gesteuert, und die zweite DC-Spannungsquelle 34 wird durch Laden mit konstantem Strom gesteuert. Die Ladeverfahren für die erste DC-Spannungsquelle 11 und die zweite DC-Spannungsquelle 34 sind jedoch nicht auf die obigen Ladeverfahren beschränkt, sondern sie können gemäß den ersten und zweiten DC-Spannungsquellen 11 und 34 bestimmt werden. Beispielsweise kann die erste DC-Spannungsquelle 11 mit konstanter Spannung geladen werden, und die zweite DC-Spannungsquelle 34 kann mit konstantem Strom geladen werden.
  • Für den Fall, dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird, kann der Schalter 9 eingeschaltet werden, die zwei Schaltelemente 8c und 8d in dem einem Zweig können ausgeschaltet werden, und die zwei Schaltelemente 8a und 8b in dem anderen Zweig können einer PWM-Steuerung unterzogen werden, um einen Halbbrücken-Betrieb durchzuführen, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird, oder die vier Schaltelemente 8a bis 8d können einer PWM-Steuerung unterzogen werden, um einen Halbbrücken-Betrieb durchzuführen, so dass die erste DC-Spannungsquelle 11 entladen wird.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform 2 wird es möglich, den Wert der Leistung zu steuern, die von der AC-Energieversorgung 1, der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 zugeführt wird, und zwar gemäß der Leistung, die von der Last benötigt wird, über den Transformator 6.
  • Für den Fall, dass nur die AC-Energieversorgung 1 als Energie-Zuführungsquelle verwendet wird, heißt dies, dass die Ausgangsspannung des AC/DC-Umsetzers 2 durch den AC/DC-Umsetzer 2 gesteuert wird, so dass die Summe der Lastleistungen von der AC-Energieversorgung 1 zugeführt werden kann. Außerdem wird die Spannung VL1 des Kondensators 3 auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers 2 durch einen der Schalt-Kreise 8, 13 und 30 gesteuert, die zwischen dem Transformator 6 und ihren jeweiligen Lasten vorgesehen sind.
  • Dadurch wird die Leistung eingestellt, die der Last auf der nachfolgenden Seite eines jeden Schalt-Kreises 8, 13, 30 zugeführt wird, der die Spannung VL1 auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers 2 steuert. Folglich kann die Leistung, die von der AC-Energieversorgung 1 zugeführt wird, konstant gemacht werden.
  • Für den Fall, dass nur eine von erster DC-Spannungsquelle 11 oder zweiter DC-Spannungsquelle 34 als Energie-Zuführungsquelle verwendet wird, wird der zweite Schalt-Kreis 8 oder der vierte Schalt-Kreis 30 mit einer beliebigen Einschaltzeit (Tastverhältnis) betrieben, so dass Leistung zugeführt werden kann.
  • Auch bei der Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 gilt wie bei der Ausführungsform 1: Falls das Wicklungsverhältnis des Transformators 6 so eingestellt wird, dass die induzierte Spannung von dem Transformator 6 niedriger ist als die Spannung auf der Lastseite, kann die Zuführung von Leistung zu jeder Last unterbrochen werden, indem der Betrieb des zweiten Schalt-Kreises 8 oder des vierten Schalt-Kreises 30 unterbrochen wird, der zwischen der Last und dem Transformator 6 vorgesehen ist.
  • Wie oben beschrieben, kann wie bei der Ausführungsform 1 die Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 eine Energieverteilungssteuerung von Eingangsenergie auf mehrere Ausgänge durchführen, und sie kann, wenn nötig, beliebig den Ladebetrieb der ersten DC-Spannungsquelle 11 oder der zweiten DC-Spannungsquelle 34 unterbrechen, während sie Energie zu einer anderen Last zuführt.
  • Für den Fall, dass eine Trennung zwischen der AC-Energieversorgung 1 und dem Wechselrichter 17 nicht nötig ist, gilt außerdem Folgendes: Da die DC-Spannung VL1, die von dem AC/DC-Umsetzer 2 erhalten wird, auf den Wechselrichter 17 angewendet werden kann, kann die dritte Wicklung 6c des Transformators 6 weggelassen werden, um die Anzahl von Windungen in den Wicklungen zu verringern.
  • In den Schaltungs-Konfigurationsdiagrammen der Energieumwandlungsvorrichtung, die in 17 und 18 gezeigt sind, kann die erste DC-Spannungsquelle 11 oder die zweite DC-Spannungsquelle 34 durch einen AC/DC-Umsetzer, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, und eine AC-Energieversorgung ersetzt werden. 29 und 30 zeigen Schaltungs-Konfigurationsdiagramme einer Energieumwandlungsvorrichtung, die erhalten wird, indem die erste DC-Spannungsquelle in der in 17 und 18 gezeigten Energieumwandlungsvorrichtung durch solch einen AC/DC-Umsetzer und eine AC-Energieversorgung ersetzt wird.
  • Das heißt, in 29 und 30 wird die erste DC-Spannungsquelle 11 in 17 und 18 durch eine AC-Energieversorgung 40, einen Spannungs-Strom-Detektor 41 für die AC-Energieversorgung 40, und einen AC/DC-Umsetzer 42 ersetzt, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist.
  • Für den Fall, dass der AC/DC-Umsetzer 42, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, Energie an die AC-Energieversorgung 40 regeneriert, wird der gleiche Betrieb wie der obige Betrieb durchgeführt, in welchem die erste DC-Spannungsquelle 11 in der Schaltungskonfiguration in 17 und 18 geladen wird.
  • Für den Fall, dass der AC/DC-Umsetzer 42, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, Energie von der AC-Energieversorgung 40 bezieht, wird der gleiche Betrieb wie der obige Betrieb durchgeführt, in welchem die erste DC-Spannungsquelle 11 in der Schaltungskonfiguration in 17 und 18 entladen wird.
  • Der Betrieb für den Fall, dass die zweite DC-Spannungsquelle 34 in der Schaltungskonfiguration in 17 und 18 durch eine AC-Energieversorgung, einen Spannungs-Strom-Detektor für die AC-Energieversorgung und einen AC/DC-Umsetzer ersetzt wird, der zur bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, wird ebenfalls auf die gleiche Weise wie oben beschrieben durchgeführt.
  • Ausführungsform 3
  • 31 ist ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Die Komponenten, die denjenigen bei der Ausführungsform 1 entsprechen oder gleich diesen sind, die in 1 und 2 gezeigt ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Ein Merkmal bei der Ausführungsform 3 ist, dass die Schaltung Folgendes aufweist: Die vierten Wicklungen 6d1 und 6d2 des Transformators 6; und der vierte Schalt-Kreis 30 und die zweite DC-Spannungsquelle 34, die mit den Wicklungen 6d1 und 6d2 verbunden sind, sind aus der Schaltungskonfiguration aus der Ausführungsform 1 weggelassen, die in 1 und 2 gezeigt ist. Die restliche Konfiguration ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 1.
  • Mit Ausnahme des Betriebs der Schaltung, die den vierten Schalt-Kreis 30 und die zweite DC-Spannungsquelle 34 bei der Ausführungsform 1 beinhaltet, ist daher der wesentliche Betrieb der gleiche wie bei der Ausführungsform 1, und daher wird dessen detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
  • Die Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 kann eine Energieverteilungssteuerung der Eingangsenergie zu der ersten DC-Spannungsquelle 11 und der AC-Last, die mit dem Lasteinrichtung-Verbindungsende 21 verbunden ist, durchführen, und sie kann, wenn nötig, beliebig den Ladebetrieb der ersten DC-Spannungsquelle 11 unterbrechen, während sie Energie zu der Last zuführt.
  • Die Konfiguration gemäß Ausführungsform 3 ist anwendbar auf den Fall, in welchem die zweite DC-Spannungsquelle 34 wie bei der Ausführungsform 1 separat als ein unabhängiges Energiesystem vorgesehen ist, wie z. B. eine Energieversorgung für eine elektrische Fahrzeugkomponente.
  • Bei dem Schaltungs-Konfigurationsdiagramm der Energieumwandlungsvorrichtung in 31 kann die erste DC-Spannungsquelle 11 durch einen AC/DC-Umsetzer, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, und eine AC-Energieversorgung ersetzt werden.
  • Ausführungsform 4
  • 32 ist ein Schaltungs-Konfigurationsdiagramm einer Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. Die Komponenten, die denjenigen bei der Ausführungsform 1 entsprechen oder gleich diesen sind, die in 1 und 2 gezeigt ist, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Ein Merkmal bei der Ausführungsform 4 ist, dass die Schaltung Folgendes aufweist: Die dritte Wicklung 6c des Transformators 6; und der dritte Schalt-Kreis 13 und der Wechselrichter 17, die mit der Wicklung 6c verbunden sind, sind aus der Schaltungskonfiguration aus der Ausführungsform 1 weggelassen, die in 1 und 2 gezeigt ist. Die restliche Konfiguration ist die gleiche wie bei der Ausführungsform 1.
  • Mit Ausnahme des Betriebs der Schaltung, die den dritten Schalt-Kreis 13 und den Wechselrichter 17 gemäß Ausführungsform 1 aufweist, ist daher der wesentliche Betrieb der gleiche wie bei der Ausführungsform 1, und daher wird dessen detaillierte Beschreibung hier weggelassen.
  • Die Energieumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 4 kann eine Energieverteilungssteuerung der Eingangsenergie zu der ersten und zweiten DC-Spannungsquelle 11 und 34 durchführen, und sie kann, während sie Energie zu einer von erster und zweiter DC-Spannungsquelle 11 und 34 zuführt, beliebig den Ladebetrieb der anderen DC-Spannungsquelle wenn nötig unterbrechen.
  • Die Konfiguration gemäß Ausführungsform 4 ist anwendbar auf den Fall, in welchem es insbesondere nicht nötig ist, solch eine AC-Last wie bei der Ausführungsform 1 mit dem Lasteinrichtungs-Verbindungsende 21 zu verbinden, und daher können die Schaltung, die die dritte Spule 6c beinhaltet, der dritte Schalt-Kreis 13 und der Wechselrichter 17 weggelassen werden.
  • In dem Schaltungs-Konfigurationsdiagramm der Energieumwandlungsvorrichtung in 32 können die erste DC-Spannungsquelle 11 oder die zweite DC-Spannungsquelle 34 durch einen AC/DC-Umsetzer, der zu einer bidirektionalen Energieumwandlung imstande ist, und eine AC-Energieversorgung ersetzt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht bloß auf die Konfigurationen beschränkt, die in den obigen Ausführungsformen 1 bis 4 gezeigt sind. Ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen, können die Konfigurationen in den Ausführungsformen 1 bis 4 in geeigneter Weise kombiniert werden, oder jede Konfiguration kann teilweise abgewandelt oder dabei Merkmale weggelassen werden.

Claims (10)

  1. Energieumwandlungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: einen Transformator (6), der aus drei oder mehr Wicklungen (6a, 6b, 6c, 6d1, 6d2) gebildet ist, die miteinander magnetisch gekoppelt sind, wobei die Wicklungen eine erste Wicklung (6a) beinhalten; einen ersten Schalt-Kreis (4), der mit der ersten Wicklung (6a) verbunden ist; einen AC/DC-Umsetzer (2), dessen DC-Seite mit einem Eingangsteil des ersten Schalt-Kreises (4) verbunden ist, und der Eingangsenergie aus einer AC-Energieversorgung (1) in DC umwandelt; einen Spannungsdetektor (52) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des AC/DC-Umsetzers (2); und einen Schalt-Kreis (8, 13, 30) und eine Last (11, 21, 34), welche mit der anderen oder mehreren der Wicklungen (6b, 6c, 6d1, 6d2) neben der ersten Wicklung (6a) verbunden sind, wobei der erste Schalt-Kreis (4) AC-Energie zu der ersten Wicklung (6a) mit einem vorbestimmten Zeitverhältnis zuführt, und wobei mindestens einer der Schalt-Kreise (8, 13, 30) auf Seiten der Last, die über den Transformator (6) verbunden sind, die Spannung auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers (2) steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Spannungswerts, der von dem Spannungsdetektor (52) detektiert wird, als auch eines Spannungs-Sollwerts.
  2. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Transformator (6) aus der ersten Wicklung (6a), einer zweiten Wicklung (6b), einer dritten Wicklung (6c) und einer vierten Wicklung (6d1, 6d2) gebildet ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Schalt-Kreis (4) mit der ersten Wicklung (6a) verbunden ist, wobei ein zweiter Schalt-Kreis (8) zwischen die zweite Wicklung (6b) und eine erste DC-Spannungsquelle (11) geschaltet ist, wobei ein dritter Schalt-Kreis (13) zwischen die dritte Wicklung (6c) und einen Wechselrichter (17) geschaltet ist, wobei ein vierter Schalt-Kreis (30) zwischen die vierte Wicklung (6d1, 6d2) und eine zweite DC-Spannungsquelle (34) geschaltet ist, wobei der erste Schalt-Kreis (4) mit einem DC-Ausgangsende des AC/DC-Umsetzers (2) verbunden ist, der mit der AC-Energieversorgung (1) verbunden ist, wobei ein erster Detektor (52) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des AC/DC-Umsetzers (2) ausgebildet ist, wobei ein zweiter Detektor (53) zum Detektieren eines Spannungs- oder eines Stromwerts der ersten DC-Spannungsquelle (11) ausgebildet ist, wobei ein dritter Detektor (54) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des dritten Schalt-Kreises (13) ausgebildet ist, wobei ein vierter Detektor (56) zum Detektieren eines Spannungs- oder Stromwerts der zweiten DC-Spannungsquelle (34) ausgebildet ist, und wobei für den Fall, dass die erste DC-Spannungsquelle (11), die zweite DC-Spannungsquelle (34) und eine Einrichtung, die mit dem Wechselrichter (17) verbunden ist, als die Last angenommen werden, der erste Schalt-Kreis (4) AC-Energie zu der ersten Wicklung (6a) mit einem vorbestimmten Zeitverhältnis zuführt, und zumindest einer von dem zweiten bis vierten Schalt-Kreis (8, 13, 30) die Spannung auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers (2) steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Spannungswerts, der von dem ersten Detektor (52) detektiert worden ist, als auch eines Spannungs-Sollwerts, und andere Schalt-Kreise des zweiten bis vierten Schalt-Kreises (8, 13, 30) jeweils die Spannung oder den Strom auf der Lastseite steuern, und zwar auf Basis sowohl eines detektierten Werts, der von dem zweiten bis vierten Detektor (53, 54, 56) detektiert worden ist, die mit den anderen Schalt-Kreisen (8, 13, 30) verbunden sind, als auch eines jeden Sollwertes.
  3. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Transformator (6) aus der ersten Wicklung (6a), einer zweiten Wicklung (6b) und einer vierten Wicklung (6d1, 6d2) gebildet ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Schalt-Kreis (4) mit der ersten Wicklung (6a) verbunden ist, wobei ein zweiter Schalt-Kreis (8) zwischen die zweite Wicklung (6b) und eine erste DC-Spannungsquelle (11) geschaltet ist, wobei ein vierter Schalt-Kreis (30) zwischen die vierte Wicklung (6d1, 6d2) und eine zweite DC-Spannungsquelle (34) geschaltet ist, wobei der erste Schalt-Kreis (4) und ein Wechselrichter (17) parallel zu einem Ausgangsende des AC/DC-Umsetzers (2) geschaltet sind, der mit der AC-Energieversorgung (1) verbunden ist, wobei ein erster Detektor (52) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des AC/DC-Umsetzers (2) ausgebildet ist, wobei ein zweiter Detektor (53) zum Detektieren eines Spannungs- oder eines Stromwerts der ersten DC-Spannungsquelle (11) ausgebildet ist, wobei ein vierter Detektor (56) zum Detektieren eines Spannungs- oder Stromwerts der zweiten DC-Spannungsquelle (34) ausgebildet ist, und wobei für den Fall, dass die erste DC-Spannungsquelle (11), die zweite DC-Spannungsquelle (34) und eine Einrichtung, die mit dem Wechselrichter (17) verbunden ist, als die Last angenommen werden, der erste Schalt-Kreis (4) AC-Energie zu der ersten Wicklung (6a) mit einem vorbestimmten Zeitverhältnis zuführt, einer von dem zweiten und dem vierten Schalt-Kreis (8, 30) die Spannung auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers (2) steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Spannungswerts, der von dem ersten Detektor (52) detektiert worden ist, als auch eines Spannungs-Sollwerts, und der andere von dem zweiten und dem vierten Schalt-Kreis (8, 30) die Spannung oder den Strom auf der Lastseite steuert, und zwar auf Basis sowohl eines detektierten Werts, der von dem zweiten oder dem vierten Detektor (53, 56) detektiert worden ist, der mit dem anderen von dem zweiten und dem vierten Schalt-Kreis (8, 30) verbunden ist, als auch eines jeden Sollwertes.
  4. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Transformator (6) aus einer ersten Wicklung (6a), einer zweiten Wicklung (6b) und einer dritten Wicklung (6c) gebildet ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Schalt-Kreis (4) mit der ersten Wicklung (6a) verbunden ist, wobei ein zweiter Schalt-Kreis (8) zwischen die zweite Wicklung (6b) und eine erste DC-Spannungsquelle (11) geschaltet ist, wobei ein dritter Schalt-Kreis (13) zwischen die dritte Wicklung (6c) und einen Wechselrichter (17) geschaltet ist, wobei der erste Schalt-Kreis (4) mit einem Ausgangsende des AC/DC-Umsetzers (2) verbunden ist, der mit der AC-Energieversorgung (1) verbunden ist, wobei ein erster Detektor (52) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des AC/DC-Umsetzers (2) ausgebildet ist, wobei ein zweiter Detektor (53) zum Detektieren eines Spannungs- oder eines Stromwerts der ersten DC-Spannungsquelle (11) ausgebildet ist, wobei ein dritter Detektor (54) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des dritten Schalt-Kreises (13) ausgebildet ist, und wobei für den Fall, dass die erste DC-Spannungsquelle (11) und eine Einrichtung, die mit dem Wechselrichter (17) verbunden ist, als die Last angenommen werden, der erste Schalt-Kreis (4) AC-Energie zu der ersten Wicklung (6a) mit einem vorbestimmten Zeitverhältnis zuführt, einer von dem zweiten und dem dritten Schalt-Kreis (8, 13) die Spannung auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers (2) steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Spannungswerts, der von dem ersten Detektor (52) detektiert worden ist, als auch eines Spannungs-Sollwerts, und der andere von dem zweiten und dem dritten Schalt-Kreis (8, 13) die Spannung oder den Strom auf der Lastseite steuert, und zwar auf Basis sowohl eines detektierten Werts, der von dem zweiten oder dem dritten Detektor (53, 54) detektiert worden ist, der mit dem anderen von dem zweiten und dem dritten Schalt-Kreis (8, 13) verbunden ist, als auch eines jeden Sollwertes.
  5. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Transformator (6) aus der ersten Wicklung (6a), einer zweiten Wicklung (6b) und einer vierten Wicklung (6d1, 6d2) gebildet ist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Schalt-Kreis (4) mit der ersten Wicklung (6a) verbunden ist, wobei ein zweiter Schalt-Kreis (8) zwischen die zweite Wicklung (6b) und eine erste DC-Spannungsquelle (11) geschaltet ist, wobei ein vierter Schalt-Kreis (30) zwischen die vierte Wicklung (6d1, 6d2) und eine zweite DC-Spannungsquelle (34) geschaltet ist, wobei der erste Schalt-Kreis (4) mit einem Ausgangsende des AC/DC-Umsetzers (2) verbunden ist, der mit der AC-Energieversorgung (1) verbunden ist, wobei ein erster Detektor (52) zum Detektieren der Spannung auf der DC-Seite des AC/DC-Umsetzers (2) ausgebildet ist, wobei ein zweiter Detektor (53) zum Detektieren eines Spannungs- oder eines Stromwerts der ersten DC-Spannungsquelle (11) ausgebildet ist, wobei ein vierter Detektor (56) zum Detektieren eines Spannungs- oder Stromwerts der zweiten DC-Spannungsquelle (34) ausgebildet ist, und wobei für den Fall, dass die erste DC-Spannungsquelle (11) und die zweite DC-Spannungsquelle (34) als die Last angenommen werden, der erste Schalt-Kreis (4) AC-Energie zu der ersten Wicklung (6a) mit einem vorbestimmten Zeitverhältnis zuführt, einer von dem zweiten und dem vierten Schalt-Kreis (8, 30) die Spannung auf der Ausgangsseite des AC/DC-Umsetzers (2) steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Spannungswerts, der von dem ersten Detektor (52) detektiert worden ist, als auch eines Spannungs-Sollwerts, und der andere von dem zweiten und dem vierten Schalt-Kreis (8, 30) die Spannung oder den Strom auf der Lastseite steuert, und zwar auf Basis sowohl eines detektierten Werts, der von dem zweiten oder dem vierten Detektor (53, 56) detektiert worden ist, der mit dem anderen von dem zweiten und dem vierten Schalt-Kreis (8, 30) verbunden ist, als auch eines Sollwertes.
  6. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einem Zustand, in welchem der AC/DC-Umsetzer (2) die Eingangsenergie von der AC-Energieversorgung (1) gleichrichtet und der erste Schalt-Kreis (4) Energie zum Transformator (6) zuführt, der AC/DC-Umsetzer (2) eine Steuerung auf der Basis eines konstanten Sollwertes für einen Effektivwert des AC-Stroms durchführt, um konstante Energie von der AC-Energieversorgung (1) zu empfangen, einer der Schalt-Kreise (8, 13, 30) auf der Lastseite, die über den Transformator (6) verbunden sind, die Ausgangsspannung des AC/DC-Umsetzers (2) steuert, und zwar auf der Basis eines detektierten Wertes und eines Sollwertes der Ausgangsspannung, und der andere Schalt-Kreis (8, 13, 30) auf der Lastseite, die über den Transformator (6) verbunden sind, die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom auf der Lastseite steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Wertes, als auch eines vorbestimmten Sollwertes der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms, so dass von der Energie, die von der AC-Energieversorgung empfangen wird, die Energie, die einer der Lasten zugeführt wird, eingestellt wird, während Energie der anderen Last zugeführt wird.
  7. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei für den Fall, dass nur die erste DC-Spannungsquelle (11) als eine Energie-Zuführungsquelle genutzt wird, in einem Zustand, in welchem der Betrieb des AC/DC-Umsetzers (2) und des ersten Schalt-Kreises (4) unterbrochen ist, der zweite Schalt-Kreis (8) einen Schaltvorgang auf der Basis eines vorbestimmten Zeitverhältnisse durchführt, so dass er Energie der ersten DC-Spannungsquelle (11) zu dem Transformator (6) zuführt, und der andere Schalt-Kreis (13, 30) auf der Lastseite, der über den Transformator (6) verbunden ist, die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom auf der Lastseite steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Wertes, als auch eines vorbestimmten Sollwertes der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms.
  8. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 und 5, wobei für den Fall, dass nur die zweite DC-Spannungsquelle (34) als eine Energie-Zuführungsquelle genutzt wird, in einem Zustand, in welchem der Betrieb des AC/DC-Umsetzers (2) und des ersten Schalt-Kreises (4) unterbrochen ist, der vierte Schalt-Kreis (30) einen Schaltvorgang auf der Basis eines vorbestimmten Zeitverhältnisse durchführt, so dass er Energie der zweiten DC-Spannungsquelle (34) zu dem Transformator (6) zuführt, und der andere Schalt-Kreis (8, 13) auf der Lastseite, die über den Transformator (6) verbunden sind, die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom auf der Lastseite steuert, und zwar auf der Basis sowohl eines detektierten Wertes, als auch eines vorbestimmten Sollwertes der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms.
  9. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Wicklungsverhältnis so eingestellt wird, dass die Spannung, die in der zweiten Wicklung (6b), der dritten Wicklung (6c) oder der vierten Wicklung (6d1, 6d2) des Transformators (6) induziert wird, kleiner als die DC-Spannung in einer Stufe ist, die dem zweiten, dem dritten oder dem vierten Schalt-Kreis (8, 13, 30) auf der Lastseite nachfolgt, der über den Transformator (6) verbunden ist, und wobei durch Unterbrechen des Betriebs des Schalt-Kreises (8, 13, 30) auf der Lastseite die Zuführung von Energie zu der Last unterbrochen wird.
  10. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei irgendeiner der Schalt-Kreise, die mit dem Transformator (6) verbunden sind - wobei der Schalt-Kreis der zweite, der dritte oder der vierte Schalt-Kreis (8, 13, 30) ist, der nicht die Ausgangsspannung des AC/DC-Umsetzers (2) und die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom auf der Lastseite steuert - mit einem passiven Element konfiguriert ist.
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