JP2012070492A - Charging and discharging system - Google Patents

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Mariko Nishi
真理子 西
Takuya Kagawa
卓也 香川
Kazunori Kidera
和憲 木寺
Hideki Tamura
秀樹 田村
Hiroyuki Nishino
博之 西野
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charging and discharging system of a secondary battery for realizing miniaturization and a low loss.SOLUTION: The charging and discharging system comprises: a charging and discharging circuit 51 that charges and discharges multiple secondary batteries; switch circuits 53 and 54 that change a connection state of the multiple second batteries to a serial connection or a parallel connection; and a control circuit 55 that controls the charging and discharging circuit 51 and the switch circuits 53 and 54. By appropriately opening and closing the switch circuits 53 and 54, opposite end voltages of the switch circuits 53 and 54 are lowered than a DC power distribution line voltage when charging, and the opposite end voltages of the switch circuits 53 and 54 are made higher than the DC power distribution line voltage when discharging. Accordingly, the secondary battery cells are charged and discharged by a step-down operation of the charging and discharging circuit 51.

Description

本発明は、例えば、太陽電池などをバックアップする2次電池の充放電システムに関する。   The present invention relates to a charge / discharge system for a secondary battery that backs up, for example, a solar battery.

図13は、従来の2次電池の充放電システムを示す。従来の充放電システムにおいては、2次電池の充放電に充電回路と放電回路が用いられている(特許文献1参照)。   FIG. 13 shows a conventional charge / discharge system for a secondary battery. In a conventional charging / discharging system, a charging circuit and a discharging circuit are used for charging / discharging a secondary battery (see Patent Document 1).

特開2009-159655号公報JP 2009-159655 A

従来の充放電システムにおいては、2次電池の充放電に際して、それぞれ充電回路と放電回路を用いており、大容量のコンバータが必要な為、システム全体のサイズの小型化を図ることが困難であった。また、コンバータを介して昇圧・降圧を行うため、充放電効率を上げることが難しく、損失が発生するという課題があった。   In the conventional charging / discharging system, a charging circuit and a discharging circuit are used for charging and discharging the secondary battery, respectively, and a large-capacity converter is required. Therefore, it is difficult to reduce the size of the entire system. It was. In addition, since the voltage is stepped up and down via the converter, it is difficult to increase the charge / discharge efficiency, and there is a problem that loss occurs.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、小型で低損失な充放電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a small-sized and low-loss charge / discharge system.

上記目的を達成するために本発明の充放電システムは、複数の2次電池セルが接続された充放電システムであって、前記2次電池セルを充放電する充放電回路と、前記複数の2次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更する接続切り替え手段を備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a charge / discharge system of the present invention is a charge / discharge system in which a plurality of secondary battery cells are connected, and a charge / discharge circuit that charges and discharges the secondary battery cells, and the plurality of 2 It is characterized by comprising connection switching means for changing the connection state of the next battery cell in series or in parallel.

この発明において、前記接続切り替え手段を制御する制御手段をさらに備え、前記制御手段は、前記充放電回路に印加されるDC配電ライン電圧と前記接続切り替え手段の両端電圧の大小関係に応じて、前記接続切り替え手段を制御することが好ましい。   In this invention, it further comprises a control means for controlling the connection switching means, the control means according to the magnitude relationship between the DC distribution line voltage applied to the charge / discharge circuit and the voltage across the connection switching means. It is preferable to control the connection switching means.

この発明において、前記制御手段は、前記2次電池セルの充電時においては、いずれかの2次電池セルを並列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記DC配電ライン電圧よりも低くすることが好ましい。   In the present invention, when the secondary battery cell is charged, the control means connects any of the secondary battery cells in parallel, and makes the voltage across the connection switching means lower than the DC distribution line voltage. It is preferable.

この発明において、前記制御手段は、前記2次電池セルの放電時においては、いずれかの2次電池セルを直列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記DC配電ライン電圧よりも高くすることが好ましい。   In the present invention, when the secondary battery cell is discharged, the control means connects any of the secondary battery cells in series, and makes the voltage across the connection switching means higher than the DC distribution line voltage. It is preferable.

この発明において、前記充放電回路は、トランスの1次側に双方向スイッチング素子を有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the charge / discharge circuit is constituted by a bidirectional half-bridge converter circuit having a bidirectional switching element on the primary side of the transformer, and performs charge / discharge by a step-down operation.

この発明において、前記充放電回路は、前記DC配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、前記双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有することが好ましい。   In this invention, it is preferable that the charging / discharging circuit has a direct charging / discharging path for charging / discharging directly from the DC distribution line and a charging / discharging path for charging / discharging via the bidirectional half-bridge converter circuit.

この発明において、前記充放電回路は、双方向スイッチング素子を有する双方向電力変換回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the charge / discharge circuit is constituted by a bidirectional power conversion circuit having a bidirectional switching element, and performs charge / discharge by a step-down operation.

この発明において、前記充放電回路は、各2次電池セルに対応する充電回路を有することが好ましい。   In this invention, it is preferable that the said charging / discharging circuit has a charging circuit corresponding to each secondary battery cell.

この発明において、前記充放電回路は、いずれかの2次電池セルと直列に接続可能であり、放電方向にダイオードを介して前記DC配電ラインに直接接続される放電回路と、放電に使用していない2次電池セルを充電する充電回路を有することが好ましい。   In this invention, the charging / discharging circuit can be connected in series with any of the secondary battery cells, and is used for discharging, a discharging circuit directly connected to the DC distribution line via a diode in the discharging direction. It is preferable to have a charging circuit that charges a secondary battery cell that is not present.

この発明において、前記双方向スイッチング素子は、GaN/AlGaNを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチング素子であることが好ましい。   In the present invention, the bidirectional switching element is preferably a bidirectional switching element having a lateral transistor structure using GaN / AlGaN.

本発明の充放電システムによれば、複数の2次電池の接続状態を直列又は並列に任意に変更することができ、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路は降圧動作のみで2次電池を充放電できるようになる。これにより、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。   According to the charging / discharging system of the present invention, the connection state of a plurality of secondary batteries can be arbitrarily changed in series or in parallel, and the charging / discharging circuit only performs step-down operation in either case of charging or discharging. Thus, the secondary battery can be charged and discharged. Thereby, size reduction and high efficiency of a system can be achieved.

本発明の一実施形態による充放電システムを備えた配電システムの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the power distribution system provided with the charging / discharging system by one Embodiment of this invention. 同配電システムに備えられたコントロールユニットの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the control unit with which the power distribution system was equipped. 同充放電システムの構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the charging / discharging system. 同充放電システムの充放電回路の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the charging / discharging circuit of the charging / discharging system. 同充放電システムの充放電回路の変形例を示す回路図。The circuit diagram which shows the modification of the charging / discharging circuit of the charging / discharging system. 同充放電システムの変形例を示す構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure which shows the modification of the same charging / discharging system. 同充放電システムの変形例を示す構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure which shows the modification of the same charging / discharging system. 双方向スイッチング素子(シングルゲート)の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of a bidirectional | two-way switching element (single gate). 図8における範囲Aの拡大図。The enlarged view of the range A in FIG. 図9におけるB−B断面図。BB sectional drawing in FIG. 双方向スイッチ素子(デュアルゲート)の構成を示す平面図。The top view which shows the structure of a bidirectional | two-way switch element (dual gate). 図11におけるC−C断面図。CC sectional drawing in FIG. 従来の充放電システムを示すブロック図。The block diagram which shows the conventional charging / discharging system.

本発明の一実施形態による2次電池の充放電システムについて図面を参照して説明する。図1は、太陽電池及び2次電池を備え、交流電力と直流電力を配電可能としたハイブリッド配点システムに、実施形態に係る充放電システムを応用した例を示す。図1に示すように、住宅には、宅内に設置された各種機器(照明機器、エアコン、家電、オーディオビジュアル機器等)に電力を供給する配電システム1が設けられている。配電システム1は、商用交流電源(AC電源)2を電力として各種機器を動作させる他に、太陽光により発電する太陽電池(DC電源)3の電力も各種機器に電源として供給する。太陽電池3は、例えば複数のセル4から構成されている。配電システム1は、直流電源(DC電源)を入力して動作するDC機器5の他に、交流電源(AC電源)を入力して動作するAC機器6にも電力を供給する。なお、太陽電池3が直流電源及び自立発電電池を構成し、DC機器5及びAC機器6が負荷を構成する。   A charge / discharge system for a secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example in which the charge / discharge system according to the embodiment is applied to a hybrid point distribution system including a solar battery and a secondary battery and capable of distributing AC power and DC power. As shown in FIG. 1, a home is provided with a power distribution system 1 that supplies power to various devices (such as lighting devices, air conditioners, home appliances, and audiovisual devices) installed in the home. In addition to operating various devices using commercial AC power (AC power) 2 as power, the power distribution system 1 also supplies power from a solar cell (DC power) 3 that generates power using sunlight as power. The solar cell 3 is composed of, for example, a plurality of cells 4. The power distribution system 1 supplies power not only to the DC device 5 that operates by inputting a DC power supply (DC power supply) but also to the AC device 6 that operates by inputting an AC power supply (AC power supply). Note that the solar cell 3 constitutes a DC power source and a self-supporting power generation battery, and the DC device 5 and the AC device 6 constitute a load.

配電システム1には、同システム1の分電盤として電源制御ユニット7及びDC分電盤(直流ブレーカ内蔵)8が設けられている。電源制御ユニット7には、例えば、CPUなどで構成され、同ユニット7の動作を統括制御する制御部7aが設けられている。また、配電システム1には、住宅のDC機器5の動作を制御する機器として負荷制御ユニット9及びリレーユニット10が設けられている。   The power distribution system 1 is provided with a power supply control unit 7 and a DC distribution board (built-in DC breaker) 8 as a distribution board of the system 1. The power supply control unit 7 is configured with, for example, a CPU and is provided with a control unit 7a that performs overall control of the operation of the unit 7. In addition, the power distribution system 1 is provided with a load control unit 9 and a relay unit 10 as devices for controlling the operation of the DC device 5 in the house.

電源制御ユニット7には、交流電源を分岐させるAC分電盤11が交流系電力線12を介して接続されている。電源制御ユニット7は、このAC分電盤11を介して商用交流電源2に接続されるとともに、直流系電力線13を介して太陽電池3に接続されている。電源制御ユニット7は、AC分電盤11から交流電力を取り込むとともに太陽電池3から直流電力を取り込み、これら電力を機器電源として所定の電圧の直流電力に変換する。そして、電源制御ユニット7は、この変換後の直流電力を、直流系電力線14を介してDC分電盤8に出力したり、又は直流系電力線15を介して蓄電池ユニット16に出力して同電力を蓄電したりする。電源制御ユニット7は、AC分電盤11から交流電力を取り込むのみならず、太陽電池3や蓄電池ユニット16の電力を交流電力に変換してAC分電盤11に供給することも可能である。電源制御ユニット7は、信号線17を介してDC分電盤8とデータのやり取りを実行する。   An AC distribution board 11 for branching an AC power supply is connected to the power supply control unit 7 via an AC power line 12. The power supply control unit 7 is connected to the commercial AC power supply 2 through the AC distribution board 11 and is connected to the solar cell 3 through the DC system power line 13. The power supply control unit 7 takes in AC power from the AC distribution board 11 and DC power from the solar cell 3 and converts these powers into DC power of a predetermined voltage as a device power supply. The power supply control unit 7 outputs the converted DC power to the DC distribution board 8 via the DC power line 14 or to the storage battery unit 16 via the DC power line 15 to output the same power. Or charge. The power supply control unit 7 can not only take AC power from the AC distribution board 11 but also convert the power of the solar cell 3 and the storage battery unit 16 to AC power and supply it to the AC distribution board 11. The power supply control unit 7 exchanges data with the DC distribution board 8 via the signal line 17.

DC分電盤8は、直流電力対応の一種のブレーカである。DC分電盤8は、電源制御ユニット7から入力した直流電力を分岐させ、その分岐後の直流電力を、直流系電力線18を介して負荷制御ユニット9に出力したり、直流系電力線19を介してリレーユニット10に出力したりする。また、DC分電盤8は、信号線20を介して負荷制御ユニット9とデータやり取りをしたり、信号線21を介してリレーユニット10とデータをやり取りしたりする。なお、DC分電盤8、負荷制御ユニット9及びリレーユニット10は、制御部(図示せず)を有している。   The DC distribution board 8 is a kind of breaker that supports DC power. The DC distribution board 8 branches the DC power input from the power supply control unit 7, and outputs the branched DC power to the load control unit 9 via the DC power line 18 or via the DC power line 19. Output to the relay unit 10. The DC distribution board 8 exchanges data with the load control unit 9 through the signal line 20 and exchanges data with the relay unit 10 through the signal line 21. The DC distribution board 8, the load control unit 9, and the relay unit 10 have a control unit (not shown).

負荷制御ユニット9には、複数のDC機器5,5…が接続されている。これらDC機器5は、直流電力及びデータの両方を1対の線によって搬送可能な直流供給線路22を介して負荷制御ユニット9と接続されている。直流供給線路22は、DC機器の電源となる直流電圧に、高周波の搬送波によりデータを電送する通信信号を重畳する、いわゆる電力線搬送通信により、1対の線で電力及びデータの両方をDC機器5に搬送する。負荷制御ユニット9は、直流系電力線18を介してDC機器5の直流電源情報を取得し、DC分電盤8から信号線20を介して得る動作指令を基に、どのDC機器5をどのように制御するのかを把握する。そして、負荷制御ユニット9は、指示されたDC機器5に直流供給線路22を介して直流電圧及び動作指令を出力し、DC機器5の動作を制御する。   A plurality of DC devices 5, 5... Are connected to the load control unit 9. These DC devices 5 are connected to the load control unit 9 via a DC supply line 22 that can carry both DC power and data by a pair of lines. The DC supply line 22 superimposes a communication signal for transmitting data by a high-frequency carrier wave on a DC voltage serving as a power source for the DC device, so-called power line carrier communication. Transport to. The load control unit 9 acquires the DC power supply information of the DC device 5 via the DC power line 18, and which DC device 5 is selected based on the operation command obtained from the DC distribution board 8 via the signal line 20. Know what to control. Then, the load control unit 9 controls the operation of the DC device 5 by outputting a DC voltage and an operation command to the instructed DC device 5 through the DC supply line 22.

負荷制御ユニット9には、宅内のDC機器5の動作を切り換える際に操作するスイッチ23が直流供給線路22を介して接続されている。また、負荷制御ユニット9には、例えば赤外線リモートコントローラからの発信電波を検出するセンサ24が直流供給線路22を介して接続されている。よって、DC分電盤8からの動作指示のみならず、スイッチ23の操作やセンサ24の検知によっても、直流供給線路22に通信信号を流してDC機器5が制御される。   The load control unit 9 is connected via a DC supply line 22 to a switch 23 that is operated when switching the operation of the DC device 5 in the house. The load control unit 9 is connected to a sensor 24 that detects a radio wave transmitted from an infrared remote controller, for example, via a DC supply line 22. Therefore, not only the operation instruction from the DC distribution board 8 but also the operation of the switch 23 and the detection of the sensor 24, a communication signal is sent to the DC supply line 22 to control the DC device 5.

リレーユニット10には、複数のDC機器5,5…がそれぞれ個別の直流系電力線25を介して接続されている。リレーユニット10は、直流系電力線19を介してDC機器5の直流電源を取得し、DC分電盤8から信号線21を介して得る動作指令を基に、どのDC機器5を動作させるのかを把握する。そして、リレーユニット10は、指示されたDC機器5に対し、内蔵のリレーにて直流系電力線25への電源供給をオンオフすることで、DC機器5の動作を制御する。また、リレーユニット10には、DC機器5を手動操作するための複数のスイッチ26が接続されており、スイッチ26の操作によって直流系電力線25への電源供給をリレーにてオンオフすることにより、DC機器5が制御される。   A plurality of DC devices 5, 5... Are connected to the relay unit 10 via individual DC power lines 25. The relay unit 10 acquires the DC power supply of the DC device 5 through the DC power line 19 and determines which DC device 5 is to be operated based on an operation command obtained from the DC distribution board 8 through the signal line 21. To grasp. The relay unit 10 controls the operation of the DC device 5 by turning on / off the power supply to the DC power line 25 with respect to the instructed DC device 5 using a built-in relay. In addition, a plurality of switches 26 for manually operating the DC device 5 are connected to the relay unit 10, and the DC power line 25 is turned on and off by the relay by operating the switch 26, thereby enabling the DC unit 5 to operate the DC unit 5. The device 5 is controlled.

DC分電盤8には、例えば壁コンセントや床コンセントの態様で住宅に建て付けられた直流コンセント27が直流系電力線28を介して接続されている。この直流コンセント27にDC機器のプラグ(図示略)を差し込めば、同機器に直流電力を直接供給することが可能である。   The DC distribution board 8 is connected to a DC outlet 27 built in a house in the form of a wall outlet or a floor outlet, for example, via a DC power line 28. If a plug (not shown) of a DC device is inserted into the DC outlet 27, DC power can be directly supplied to the device.

また、商用交流電源2とAC分電盤11との間には、商用交流電源2の使用量を遠隔検針可能な電力メータ29が接続されている。電力メータ29には、商用電源使用量の遠隔検針の機能のみならず、例えば電力線搬送通信や無線通信の機能が搭載されている。電力メータ29は、電力線通信や無線通信等を介して検針結果を電力会社等に送信する。   Further, a power meter 29 capable of remotely metering the amount of use of the commercial AC power supply 2 is connected between the commercial AC power supply 2 and the AC distribution board 11. The power meter 29 is equipped with not only a function of remote meter reading of the amount of commercial power used, but also a function of power line carrier communication and wireless communication, for example. The power meter 29 transmits the meter reading result to an electric power company or the like via power line communication or wireless communication.

配電システム1には、宅内の各種機器をネットワーク通信によって制御可能とするネットワークシステム30が設けられている。ネットワークシステム30には、同システム30のコントロールユニットとして宅内サーバ31が設けられている。宅内サーバ31は、インターネットなどのネットワークNを介して宅外の管理サーバ32と接続されるとともに、信号線33を介して宅内機器34に接続されている。また、宅内サーバ31は、DC分電盤8から直流系電力線35を介して取得する直流電力を電源として動作する。   The power distribution system 1 is provided with a network system 30 that enables various devices in the home to be controlled by network communication. The network system 30 is provided with a home server 31 as a control unit of the system 30. The home server 31 is connected to a management server 32 outside the home via a network N such as the Internet, and is connected to a home device 34 via a signal line 33. The in-home server 31 operates using DC power acquired from the DC distribution board 8 via the DC power line 35 as a power source.

宅内サーバ31には、ネットワーク通信による宅内の各種機器の動作制御を管理するコントロールボックス36が信号線37を介して接続されている。コントロールボックス36は、信号線17を介して電源制御ユニット7及びDC分電盤8に接続されるとともに、直流供給線路38を介してDC機器5を直接制御可能である。コントロールボックス36には、例えば使用したガス量や水道量を遠隔検針可能なガス/水道メータ39が接続されるとともに、ネットワークシステム30の操作パネル40に接続されている。操作パネル40には、例えばドアホン子器やセンサやカメラからなる監視機器41が接続されている。   A control box 36 that manages operation control of various devices in the home by network communication is connected to the home server 31 via a signal line 37. The control box 36 is connected to the power supply control unit 7 and the DC distribution board 8 via the signal line 17 and can directly control the DC device 5 via the DC supply line 38. For example, a gas / water meter 39 capable of remotely metering the amount of gas used or the amount of water used is connected to the control box 36 and also connected to the operation panel 40 of the network system 30. The operation panel 40 is connected to a monitoring device 41 including, for example, a door phone slave, a sensor, and a camera.

宅内サーバ31は、ネットワークNを介して宅内の各種機器の動作指令を入力すると、コントロールボックス36に指示を通知して、各種機器が動作指令に準じた動作をとるようにコントロールボックス36を動作させる。また、宅内サーバ31は、ガス/水道メータ39から取得した各種情報を、ネットワークNを通じて管理サーバ32に提供可能である。それとともに、監視機器41で異常検出があったことを操作パネル40から受け付けると、その旨もネットワークNを通じて管理サーバ32に提供する。   When the in-home server 31 inputs an operation command for various devices in the home via the network N, the home server 31 notifies the control box 36 of the instruction, and operates the control box 36 so that the various devices operate in accordance with the operation command. . The in-home server 31 can provide various information acquired from the gas / water meter 39 to the management server 32 through the network N. At the same time, when it is detected from the operation panel 40 that an abnormality has been detected in the monitoring device 41, this is also provided to the management server 32 through the network N.

図2は、配電システム1に備えられた電源制御ユニット7及び充放電システム50を示している。電源制御ユニット7は、双方向AC/DCコンバータ42と、最大出力点制御DC/DCコンバータ45を有する。双方向AC/DCコンバータ42は、直流電力から交流電力への変換と交流電力から直流電力への変換を行う。そのため、双方向AC/DCコンバータ42は、入力交流電圧を直流電圧に変換出力するAC/DCコンバータ43と、入力直流電圧を交流電圧に変換出力するDC/ACインバータ44とを備えている。AC/DCコンバータ43は、商用交流電源2から入力した交流電圧を直流電圧に変換してDC機器5や蓄電池ユニット16に出力する。また、DC/ACインバータ44は、太陽電池3や蓄電池ユニット16から入力した直流電圧を交流電圧に変換して商用交流電源2に逆潮する。充放電システム50は、電源制御ユニット7又は蓄電池ユニット16に設けられている。   FIG. 2 shows the power supply control unit 7 and the charge / discharge system 50 provided in the power distribution system 1. The power supply control unit 7 includes a bidirectional AC / DC converter 42 and a maximum output point control DC / DC converter 45. The bidirectional AC / DC converter 42 performs conversion from DC power to AC power and conversion from AC power to DC power. Therefore, the bidirectional AC / DC converter 42 includes an AC / DC converter 43 that converts and outputs an input AC voltage to a DC voltage, and a DC / AC inverter 44 that converts an input DC voltage to an AC voltage. The AC / DC converter 43 converts the AC voltage input from the commercial AC power supply 2 into a DC voltage and outputs the DC voltage to the DC device 5 and the storage battery unit 16. The DC / AC inverter 44 converts the DC voltage input from the solar cell 3 or the storage battery unit 16 into an AC voltage and reversely flows to the commercial AC power source 2. The charge / discharge system 50 is provided in the power supply control unit 7 or the storage battery unit 16.

電源制御ユニット7には、太陽電池3の電力を最も電力効率の良い点(最大電力点)で出力させる最大出力点制御DC/DCコンバータ45が設けられている。最大出力点制御DC/DCコンバータ45は、太陽電池3に接続されるとともに、双方向AC/DCコンバータ42及びDC機器5に接続されている。なお、最大出力点制御DC/DCコンバータ45が出力電圧変換手段に相当する。   The power supply control unit 7 is provided with a maximum output point control DC / DC converter 45 that outputs the power of the solar cell 3 at a point with the highest power efficiency (maximum power point). The maximum output point control DC / DC converter 45 is connected to the solar cell 3 and is also connected to the bidirectional AC / DC converter 42 and the DC device 5. The maximum output point control DC / DC converter 45 corresponds to the output voltage conversion means.

最大出力点制御は、いわゆるMPPT(Maximum Power Point Tracking)制御と呼ばれる電圧出力制御の一種である。ところで、太陽電池3には、電力を最も効率よく最大出力できる点、つまり最大電力点というものがあり、この点を満たす条件で発電しているとき、無駄のない電力出力が可能である。しかし、太陽電池3は、日射量や温度によりI−V特性が刻々と変化し、それに応じて最大電力点もその都度変化する。よって、最大出力点制御DC/DCコンバータ45は、太陽電池3の発電状態に応じて自動的に入力電圧を変化させることにより、太陽電池3の電圧、即ち最大電力点を追従させて、太陽電池3の電力を最も効率の良い電力で取り出している。最大出力点制御は、山登り法とも呼ばれ、太陽電池3の出力電圧を意図的に変動させて、変動前と後との値を比較し、現在の出力が最大か否かを確認することを繰り返し行う。   The maximum output point control is a kind of voltage output control called so-called MPPT (Maximum Power Point Tracking) control. By the way, the solar cell 3 has a point at which power can be most efficiently output at maximum, that is, a maximum power point. When power is generated under a condition that satisfies this point, power output without waste is possible. However, in the solar cell 3, the IV characteristic changes every moment depending on the amount of solar radiation and temperature, and the maximum power point changes accordingly each time. Therefore, the maximum output point control DC / DC converter 45 automatically changes the input voltage in accordance with the power generation state of the solar cell 3, thereby causing the voltage of the solar cell 3, that is, the maximum power point to follow. 3 is extracted with the most efficient power. The maximum output point control is also called a hill-climbing method, where the output voltage of the solar cell 3 is intentionally changed, and the values before and after the change are compared to check whether the current output is maximum. Repeat.

最大出力点制御DC/DCコンバータ45は、太陽電池3を最大出力点で追従制御して得られた電力をDC配電ライン(Vline)に出力する。昼間において太陽電池3が太陽光発電する際、太陽電池3と蓄電池ユニット16との合成電力JがDC機器5に出力される。   The maximum output point control DC / DC converter 45 outputs the electric power obtained by performing tracking control of the solar cell 3 at the maximum output point to a DC distribution line (Vline). When the solar cell 3 generates solar power during the daytime, the combined power J of the solar cell 3 and the storage battery unit 16 is output to the DC device 5.

なお、合成電力Jが余った際には、DC/ACインバータ44を介して商用交流電源2に逆潮されて売電される。また、昼間において天候不順により太陽光発電ができない場合、商用交流電源2の電力がDC機器5やAC機器6の機器電源として使用される。   When the combined power J is surplus, the commercial AC power supply 2 is reversely flowed through the DC / AC inverter 44 and sold. In addition, when solar power generation cannot be performed due to irregular weather in the daytime, the power of the commercial AC power supply 2 is used as the device power supply of the DC device 5 or the AC device 6.

夜間において、バックアップ電源として残しておく量よりも多い電力が蓄電池ユニット16に蓄電されている場合や、或いは停電時には、蓄電池ユニット16の電力が機器電源として使用される。このとき、太陽電池3は発電していないので、蓄電池ユニット16の出力電力がDC機器5に供給され、この電力によってDC機器5やAC機器6が動作される。   At night, when the power stored in the storage battery unit 16 is larger than the amount left as a backup power supply, or when a power failure occurs, the power of the storage battery unit 16 is used as a device power supply. At this time, since the solar cell 3 is not generating power, the output power of the storage battery unit 16 is supplied to the DC device 5, and the DC device 5 and the AC device 6 are operated by this power.

夜間時は、太陽電池3が発電できないので、蓄電池16の放電が基本とされるが、蓄電池16の放電が不可となった場合は、商用交流電源2の電源が使用される。このとき、電源制御ユニット7は、商用交流電源2の交流電力をAC/DCコンバータ43で直流に変換し、その直流電力をDC機器5に供給する。   Since the solar battery 3 cannot generate electricity at night, the storage battery 16 is basically discharged. However, when the storage battery 16 cannot be discharged, the power supply of the commercial AC power supply 2 is used. At this time, the power supply control unit 7 converts the alternating current power of the commercial alternating current power supply 2 into direct current by the AC / DC converter 43 and supplies the direct current power to the DC device 5.

図3は、充放電システム50の構成を示している。充放電システム50は、充放電回路51と2次電池部52と、マトリクス状に配列されたスイッチ回路(スイッチングマトリクス:接続切り替え手段)53,54と、制御回路55を有している。2次電池部52及びスイッチ回路53,54等により、蓄電池ユニット16が構成される。充放電回路51は、DC機器5の動作及び2次電池部52の両端電圧に応じて2次電池52を充放電する。2次電池部52は、複数の2次電池セル521,522,523,524,525によって構成され、蓄電池ユニット16の蓄電部として機能する。各2次電池セル521,522,523,524,525には、例えばリチウムイオン電池のセルが使用される。スイッチ回路53,54は、制御回路55から入力された制御信号に応じて開閉し、2次電池セル521,522,523,524,525の接続状態を変更する。制御回路55は、充放電回路51及びスイッチ回路53,54を制御する。   FIG. 3 shows the configuration of the charge / discharge system 50. The charge / discharge system 50 includes a charge / discharge circuit 51, a secondary battery unit 52, switch circuits (switching matrix: connection switching means) 53 and 54 arranged in a matrix, and a control circuit 55. The storage battery unit 16 is configured by the secondary battery unit 52 and the switch circuits 53 and 54. The charge / discharge circuit 51 charges and discharges the secondary battery 52 according to the operation of the DC device 5 and the voltage across the secondary battery unit 52. The secondary battery unit 52 includes a plurality of secondary battery cells 521, 522, 523, 524, and 525 and functions as a power storage unit of the storage battery unit 16. For example, lithium ion battery cells are used for the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, and 525. The switch circuits 53 and 54 are opened and closed in accordance with the control signal input from the control circuit 55, and change the connection state of the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, and 525. The control circuit 55 controls the charge / discharge circuit 51 and the switch circuits 53 and 54.

スイッチ回路53は、接点531a,531b,531c,532a,532b,532c,533a,533b,533c,534a,534b,534c,535a,535b,535cを有する。スイッチ回路54は、接点541a,541b,541c,542a,542b,542c,543a,543b,543c,544a,544b,544c,545a,545b,545cを有する。スイッチ回路53の接点531a,532a,533a,534a,535aは、2次電池セル521,522,523,524,525の+極端子に接続されている。スイッチ回路54の接点541a,542a,543a,544a,545aは、2次電池セル521,522,523,524,525の−極端子に接続されている。   The switch circuit 53 includes contacts 531a, 531b, 531c, 532a, 532b, 532c, 533a, 533b, 533c, 534a, 534b, 534c, 535a, 535b, and 535c. The switch circuit 54 has contacts 541a, 541b, 541c, 542a, 542b, 542c, 543a, 543b, 543c, 544a, 544b, 544c, 545a, 545b, and 545c. The contacts 531a, 532a, 533a, 534a, 535a of the switch circuit 53 are connected to the positive electrode terminals of the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, 525. The contacts 541a, 542a, 543a, 544a, 545a of the switch circuit 54 are connected to the negative terminals of the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, 525.

スイッチ回路53の接点531b,532b,533b,534b,535bは、充放電回路51に接続されている。スイッチ回路54の接点541b,542b,543ba,544b,545bは、グランドに接続されている。従って、例えば、スイッチ回路53の接点531aと接点531b、接点532aと接点532bが接続され、スイッチ回路54の接点541aと接点541b、接点542aと接点542bが接続されると、2次電池セル521,522が並列に接続される。他の2次電池セルについても同様である。   The contacts 531 b, 532 b, 533 b, 534 b, 535 b of the switch circuit 53 are connected to the charge / discharge circuit 51. The contacts 541b, 542b, 543ba, 544b, and 545b of the switch circuit 54 are connected to the ground. Therefore, for example, when the contact 531a and the contact 531b of the switch circuit 53, the contact 532a and the contact 532b are connected, and the contact 541a and the contact 541b of the switch circuit 54, and the contact 542a and the contact 542b are connected, the secondary battery cell 521 is connected. 522 are connected in parallel. The same applies to other secondary battery cells.

また、スイッチ回路53の接点532c,533c,534c,535c,531cは、スイッチ回路54の接点541c,542c,543c,544c,545cとそれぞれ接続されている。従って、例えば、スイッチ回路54の接点541aと接点541c、スイッチ回路53の接点532aと接点532cが接続されると、2次電池セル521,522が直列に接続される。他の2次電池セルについても同様である。このように、スイッチ回路53,54の接点を適宜接続することにより、2次電池セル521,522,523,524,525の接続状態を変更し、蓄電池ユニット16の両端電圧(接続切り替え手段の両端電圧)を変更できる。例えば、2次電池セル521と522及び2次電池セル523と524を直列に接続し、それらを並列に接続することも可能である。   Also, the contacts 532c, 533c, 534c, 535c, 531c of the switch circuit 53 are connected to the contacts 541c, 542c, 543c, 544c, 545c of the switch circuit 54, respectively. Therefore, for example, when the contacts 541a and 541c of the switch circuit 54 and the contacts 532a and 532c of the switch circuit 53 are connected, the secondary battery cells 521 and 522 are connected in series. The same applies to other secondary battery cells. Thus, the connection state of the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, and 525 is changed by appropriately connecting the contacts of the switch circuits 53 and 54, and the voltage across the storage battery unit 16 (both ends of the connection switching means). Voltage) can be changed. For example, it is also possible to connect the secondary battery cells 521 and 522 and the secondary battery cells 523 and 524 in series and connect them in parallel.

図4は、充放電回路51の構成を示す。充放電回路51は、1対の双方向スイッチング素子Q1,Q2をトランス500の1次側に、1対の双方向スイッチング素子Q3,Q4を2次側に有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成されている。充放電回路51は、DC配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有する。双方向スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4は、例えば、制御回路55から入力された制御信号に応じて開閉する。双方向スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4を制御するための制御信号は、制御回路55に限られることなく、例えば充放電制御回路51の内部に設けられた制御回路から入力されるように構成されていてもよい。充電時においては、DC配電ライン電圧Vline>蓄電池ユニット16の両端電圧Vbatとなるように、制御回路55はスイッチ回路53,54の接続状態を適宜制御する。そして、1次側の双方向スイッチング素子Q1,Q2が交互にオン/オフ制御されることにより、トランス500が発振する。このとき、2次側の双方向スイッチング素子Q3を常にオン、双方向スイッチング素子Q4を常にオフにすることにより、蓄電池ユニット16を構成する2次電池の充電を行うことができる。   FIG. 4 shows the configuration of the charge / discharge circuit 51. The charge / discharge circuit 51 includes a bidirectional half-bridge type converter circuit having a pair of bidirectional switching elements Q1 and Q2 on the primary side of the transformer 500 and a pair of bidirectional switching elements Q3 and Q4 on the secondary side. Has been. The charge / discharge circuit 51 has a direct charge / discharge path for charging / discharging directly from the DC distribution line and a charge / discharge path for charging / discharging via the bidirectional half-bridge converter circuit. The bidirectional switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 open and close in accordance with a control signal input from the control circuit 55, for example. The control signal for controlling the bidirectional switching elements Q1, Q2, Q3, Q4 is not limited to the control circuit 55, and is configured to be input from, for example, a control circuit provided in the charge / discharge control circuit 51. May be. At the time of charging, the control circuit 55 appropriately controls the connection state of the switch circuits 53 and 54 so that the DC distribution line voltage Vline> the both-ends voltage Vbat of the storage battery unit 16. The transformer 500 oscillates by alternately turning on / off the primary-side bidirectional switching elements Q1, Q2. At this time, the secondary battery constituting the storage battery unit 16 can be charged by always turning on the bidirectional switching element Q3 on the secondary side and always turning off the bidirectional switching element Q4.

一方、放電時においては、DC配電ライン電圧Vline<蓄電池ユニット16の両端電圧Vbatとなるように、制御回路55はスイッチ回路53,54の接続状態を適宜制御する。そして、2次側の双方向スイッチング素子Q3を常にオフ、双方向スイッチング素子Q4を常にオンにすることにより、蓄電池ユニット16を構成する2次電池の放電を行うことができる。   On the other hand, at the time of discharging, the control circuit 55 appropriately controls the connection state of the switch circuits 53 and 54 so that the DC distribution line voltage Vline <the both-ends voltage Vbat of the storage battery unit 16. The secondary battery constituting the storage battery unit 16 can be discharged by always turning off the bidirectional switching element Q3 on the secondary side and always turning on the bidirectional switching element Q4.

このように、本充放電回路51を有する充放電システム50によれば、複数の2次電池の接続状態をスイッチ回路53,54によって直列又は並列に任意に変更することができる。従って、充電又は放電の動作に応じて、DCライン電圧Vlineと蓄電池ユニット16の両端電圧Vbatとの大小関係を任意に変更することが可能となる。より具体的には、充電時には、蓄電池ユニット16の両端電圧VbatがDCライン電圧Vlineよりも低くなるように、放電時には蓄電池ユニット16の両端電圧VbatがDCライン電圧Vlineより高くなるように、スイッチ回路53,54を制御する。これにより、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路51は降圧動作のみで電池を充放電できるため、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。また、双方向ハーフブリッジ型コンバータからの電力供給経路に加え、直接充放電経路を持つことから、コンバータの電力供給量を減らすことができる。従って、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。   As described above, according to the charging / discharging system 50 including the charging / discharging circuit 51, the connection state of the plurality of secondary batteries can be arbitrarily changed in series or in parallel by the switch circuits 53 and 54. Therefore, the magnitude relationship between the DC line voltage Vline and the voltage Vbat across the storage battery unit 16 can be arbitrarily changed according to the charging or discharging operation. More specifically, the switching circuit is configured so that the voltage Vbat across the storage battery unit 16 is lower than the DC line voltage Vline during charging and the voltage Vbat across the storage battery unit 16 is higher than the DC line voltage Vline during discharging. 53 and 54 are controlled. As a result, the charging / discharging circuit 51 can charge and discharge the battery only by the step-down operation in either case of charging or discharging, so that the size and efficiency of the system can be reduced. Further, since the direct charge / discharge path is provided in addition to the power supply path from the bidirectional half-bridge type converter, the power supply amount of the converter can be reduced. Therefore, the system can be reduced in size and efficiency.

図5は、充放電回路51の変形例の構成を示す。この充放電回路51は、双方向スイッチング素子Q1,Q2を有する双方向電力変換回路によって構成されている。双方向スイッチング素子Q1,Q2は、制御回路55又は充放電制御回路51などから入力された制御信号に応じて開閉する。この充放電回路51を有する充放電システム50においても、充電時には、蓄電池ユニット16の両端電圧VbatがDCライン電圧Vlineよりも低くなるように、スイッチ回路53,54を制御する。そして、双方向スイッチング素子Q1をオン/オフ制御(チョッパ制御)すると共に、双方向スイッチング素子Q2を常にオンさせる。また、放電時には蓄電池ユニット16の両端電圧VbatがDCライン電圧Vlineより高くなるように、スイッチ回路53,54を制御する。そして、双方向スイッチング素子Q1を常にオンさせると共に、双方向スイッチング素子Q2をオン/オフ制御(チョッパ制御)する。この充放電回路51を有する充放電システム50においても、充電時又は放電時のいずれの場合においても、充放電回路51は降圧動作のみで電池を充放電できるため、システムの小型化及び高効率化を図ることができる。   FIG. 5 shows a configuration of a modification of the charge / discharge circuit 51. The charge / discharge circuit 51 is constituted by a bidirectional power conversion circuit having bidirectional switching elements Q1, Q2. The bidirectional switching elements Q1 and Q2 open and close according to a control signal input from the control circuit 55 or the charge / discharge control circuit 51. Also in the charging / discharging system 50 having this charging / discharging circuit 51, the switching circuits 53, 54 are controlled so that the voltage Vbat across the storage battery unit 16 is lower than the DC line voltage Vline during charging. Then, the bidirectional switching element Q1 is turned on / off (chopper control), and the bidirectional switching element Q2 is always turned on. Further, the switch circuits 53 and 54 are controlled so that the voltage Vbat across the storage battery unit 16 is higher than the DC line voltage Vline during discharging. Then, the bidirectional switching element Q1 is always turned on, and the bidirectional switching element Q2 is turned on / off (chopper control). In the charging / discharging system 50 having the charging / discharging circuit 51, the charging / discharging circuit 51 can charge / discharge the battery only by the step-down operation in either case of charging or discharging. Can be achieved.

図6は、充放電システム50の変形例の構成を示す。この充放電システム50において、充放電回路51は、複数の充電回路511,512,513,514,515と、放電回路510等によって構成されている。各充電回路511,512,513,514,515は、2次電池部52の2次電池セル521,522,523,524,525(図3参照)に対応する。この充放電システム50において、各2次電池セル521,522,523,524,525は、放電時にのみ直列に接続される。充電時には、各2次電池セル521,522,523,524,525は、充電回路511,512,513,514,515に接続される。2次電池セルの充電には、定電流充電が好ましいとされるところ、この変形例においては、各電池毎にそれぞれ充電回路を設けることにより、各電池毎に充電電流を最適化することができる。これにより、2次電池セルの長寿命化を図ることができる。   FIG. 6 shows a configuration of a modification of the charge / discharge system 50. In the charging / discharging system 50, the charging / discharging circuit 51 includes a plurality of charging circuits 511, 512, 513, 514, 515, a discharging circuit 510, and the like. Each of the charging circuits 511, 512, 513, 514, 515 corresponds to the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, 525 (see FIG. 3) of the secondary battery unit 52. In the charge / discharge system 50, the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, 525 are connected in series only at the time of discharge. At the time of charging, the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, 525 are connected to the charging circuits 511, 512, 513, 514, 515. For charging secondary battery cells, constant current charging is preferable. In this modification, the charging current can be optimized for each battery by providing a charging circuit for each battery. . Thereby, the lifetime of a secondary battery cell can be achieved.

図7は、充放電システム50の別の変形例の構成を示す。この充放電システム50において、充放電回路51は、放電回路510と、充電回路516、ダイオード517等によって構成されている。放電回路510及び充電回路516は、スイッチ回路53によって2次電池セル521,522,523,524,525に適宜接続される。ダイオード517は、放電回路510とDC配電ラインの間に介挿される。ダイオード517に替えてMOSFETで構成した理想ダイオードを用いてもよい。この充放電システム50においては、制御回路55によってスイッチ回路53,54を適宜制御する。これにより、幾つかの2次電池セルを順次交換しながら直列に接続して放電回路510及びダイオード517を介して放電するとともに、放電に使用されていない他の2次電池セルを順次交換しながら充電回路516を介して充電することができる。例えば、DC配電ライン電圧Vlineが48Vの場合、16Vの2次電池を4つ用いて運用する。すなわち、放電時は2次電池セル3個を直列に接続する。充電時は2次電池セル1つを充電する。そして、放電用の2次電池セルと放電用の2次電池セルとは、スイッチ回路53,54の動作によって順次交換していく。これにより2次電池セルが常に放電できる状態を維持しながら、2次電池セルの充電電流を最適化することができ、2次電池の長寿命化を図ることができる。   FIG. 7 shows a configuration of another modification of the charge / discharge system 50. In the charging / discharging system 50, the charging / discharging circuit 51 includes a discharging circuit 510, a charging circuit 516, a diode 517, and the like. The discharge circuit 510 and the charging circuit 516 are appropriately connected to the secondary battery cells 521, 522, 523, 524, 525 by the switch circuit 53. The diode 517 is interposed between the discharge circuit 510 and the DC distribution line. Instead of the diode 517, an ideal diode constituted by a MOSFET may be used. In the charge / discharge system 50, the switch circuits 53 and 54 are appropriately controlled by the control circuit 55. As a result, several secondary battery cells are connected in series while being sequentially replaced, and discharged through the discharge circuit 510 and the diode 517, while other secondary battery cells not used for discharge are being sequentially replaced. Charging can be performed via the charging circuit 516. For example, when the DC distribution line voltage Vline is 48V, the operation is performed using four 16V secondary batteries. That is, at the time of discharging, three secondary battery cells are connected in series. When charging, one secondary battery cell is charged. Then, the secondary battery cell for discharge and the secondary battery cell for discharge are sequentially replaced by the operation of the switch circuits 53 and 54. Accordingly, the charging current of the secondary battery cell can be optimized while maintaining a state where the secondary battery cell can always be discharged, and the life of the secondary battery can be extended.

図8乃至図12は、本実施形態のDC/DCコンバータ1を構成する双方向スイッチング素子4,5,6,7に適用可能な、横型の横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子100を示している。GaN/AlGaNを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子は、ダイオード構造による損失がなく、FETに比べて低損失であり、かつ制御回路の一体化が図れるというメリットを有している。以下、GaN/AlGaNを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子100の詳細について説明する。   8 to 12 show a bidirectional switching element 100 having a lateral lateral transistor structure that can be applied to the bidirectional switching elements 4, 5, 6, and 7 constituting the DC / DC converter 1 of the present embodiment. Yes. A bidirectional switch element having a lateral transistor structure using GaN / AlGaN has the advantage that there is no loss due to the diode structure, a low loss compared to the FET, and the control circuit can be integrated. Hereinafter, details of the bidirectional switch element 100 having a lateral transistor structure using GaN / AlGaN will be described.

図8は双方向スイッチ素子100の構成を示す平面図であり、図9は範囲Aの拡大図、図10はB−B断面図である。なお、この双方向スイッチ素子100は、2つの電極D1及びD2間にゲートGが1つだけ設けられているのでシングルゲート型と呼ばれている。   FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the bidirectional switch element 100, FIG. 9 is an enlarged view of a range A, and FIG. 10 is a cross-sectional view along BB. This bidirectional switch element 100 is called a single gate type because only one gate G is provided between the two electrodes D1 and D2.

図10に示すように、双方向スイッチ素子100の基板101は、導体層101aと、導体層101aの上に積層されたGaN層2b及びAlGaN層101cで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてAlGaN/GaNヘテロ界面に生じる2次元電子ガス層を利用している。図8に示すように、基板101の表面101dには、直流電源2及び負荷3に対してそれぞれ直列に接続された第1電極D1及び第2電極D2と、第1電極D1の電位及び第2電極D2の電位に対して中間電位となる中間電位部Sが形成されている。さらに、中間電位部Sの上には、制御電極(ゲート)Gが積層形成されている。制御電極Gとして、例えばショットキ電極を用いる。第1電極D1及び第2電極D2は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部111,112,113・・・及び121,122,123・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部S及び制御電極Gは、櫛歯状に配列された電極部111,112,113・・・及び121,122,123・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状(略魚背骨状)を有している。   As shown in FIG. 10, the substrate 101 of the bidirectional switch element 100 includes a conductor layer 101a and a GaN layer 2b and an AlGaN layer 101c stacked on the conductor layer 101a. In this embodiment, a two-dimensional electron gas layer generated at the AlGaN / GaN hetero interface is used as the channel layer. As shown in FIG. 8, the surface 101d of the substrate 101 has a first electrode D1 and a second electrode D2 connected in series to the DC power source 2 and the load 3, respectively, and the potential of the first electrode D1 and the second An intermediate potential portion S that is an intermediate potential with respect to the potential of the electrode D2 is formed. Further, a control electrode (gate) G is stacked on the intermediate potential portion S. As the control electrode G, for example, a Schottky electrode is used. The first electrode D1 and the second electrode D2 are comb teeth having a plurality of electrode portions 111, 112, 113... And 121, 122, 123. The electrode parts arranged in the are arranged so as to face each other. The intermediate potential portion S and the control electrode G are respectively disposed between the electrode portions 111, 112, 113... And 121, 122, 123. It has a shape (substantially fish spine shape) similar to the planar shape of the space to be formed.

次に、双方向スイッチ素子100を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図9に示すように、第1電極D1の電極部111と第2電極D2の電極部121は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部S及び制御電極Gは、それぞれ第1電極D1の電極部111及び第2電極D2の電極部121の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第1電極D1の電極部111と第2電極D2の電極部121と中間電位部S及び制御電極Gの距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第1電極D1の電極部111と第2電極D2の電極部121の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部112及び122,113及び123・・・についても同様である。すなわち、中間電位部S及び制御電極Gは、第1電極D1及び第2電極D2に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。   Next, a lateral transistor structure constituting the bidirectional switch element 100 will be described. As shown in FIG. 9, the electrode part 111 of the first electrode D1 and the electrode part 121 of the second electrode D2 are arranged so that the center lines in the width direction are located on the same line. Further, the intermediate potential portion S and the control electrode G are provided in parallel to the arrangement of the electrode portion 111 of the first electrode D1 and the electrode portion 121 of the second electrode D2, respectively. The distance between the electrode portion 111 of the first electrode D1, the electrode portion 121 of the second electrode D2, the intermediate potential portion S, and the control electrode G in the width direction is set to a distance that can maintain a predetermined withstand voltage. The same applies to the direction perpendicular to the width direction, that is, the longitudinal direction of the electrode portion 111 of the first electrode D1 and the electrode portion 121 of the second electrode D2. Moreover, these relationships are the same also about the other electrode parts 112 and 122, 113, 123 .... That is, the intermediate potential portion S and the control electrode G are arranged at positions where a predetermined withstand voltage can be maintained with respect to the first electrode D1 and the second electrode D2.

そのため、第1電極D1が高電位側、第2電極D2が低電位側である場合、双方向スイッチ素子100がオフのとき、少なくとも第1電極D1と、制御電極G及び中間電位部Sの間で、電流は確実に遮断される(制御電極(ゲート)Gの直下で電流が阻止される)。一方、双方向スイッチ素子100がオンのとき、すなわち制御電極Gに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図中矢印で示すように、第1電極D1(電極部111・・・)、中間電位部S、第2電極D2(電極部121・・・)の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。その結果、制御電極Gに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子100を確実にオン/オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第1電極D1の電極部111,112,113・・・及び第2電極D2の電極部121,122,123・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子100のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。   Therefore, when the first electrode D1 is on the high potential side and the second electrode D2 is on the low potential side, when the bidirectional switch element 100 is off, at least between the first electrode D1, the control electrode G, and the intermediate potential portion S. Thus, the current is reliably interrupted (the current is blocked immediately below the control electrode (gate) G). On the other hand, when the bidirectional switch element 100 is on, that is, when a signal having a voltage equal to or higher than a predetermined threshold is applied to the control electrode G, the first electrode D1 (electrode portion 111... -), A current flows through the path of the intermediate potential portion S and the second electrode D2 (electrode portion 121 ...). The same applies to the reverse case. As a result, even if the threshold voltage of the signal applied to the control electrode G is lowered to a necessary minimum level, the bidirectional switch element 100 can be reliably turned on / off, and a low on-resistance can be realized. . In addition, the electrode portions 111, 112, 113... Of the first electrode D1 and the electrode portions 121, 122, 123... Of the second electrode D2 can be arranged in a comb shape, A large current can be taken out without increasing the chip size.

図11及び12は、GaN/AlGaNを用いた横型トランジスタ構造を有する他の双方向スイッチ素子300の構成を示す。図11は双方向スイッチ素子300の構成を示す平面図であり、図12はC−C断面図である。なお、この双方向スイッチ素子300は、2つの電極D1及びD2間に2つのゲートG1及びG2が設けられているので、デュアルゲート型と呼ばれている。   11 and 12 show the configuration of another bidirectional switch element 300 having a lateral transistor structure using GaN / AlGaN. FIG. 11 is a plan view showing the configuration of the bidirectional switch element 300, and FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line CC. This bidirectional switch element 300 is called a dual gate type because two gates G1 and G2 are provided between two electrodes D1 and D2.

図11及び12に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子300は、耐圧を維持する箇所を1箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。すなわち、ドレイン電極D1及びD2はそれぞれGaN層に達するように形成され、ゲート電極G1及びG2はそれぞれAlGaN層の上に形成されている。ゲート電極G1,G2に電圧が印加されていない状態では、ゲート電極G1,G2の直下のAlGaN/GaNヘテロ界面に生じる2次元電子ガス層に電子の空白地帯が生じ、電流は流れない。一方、ゲート電極G1,G2に電圧が印加されると、ドレイン電極D1からD2に向かって(又はその逆に)AlGaN/GaNヘテロ界面に電流が流れる。ゲート電極G1とG2の間は、耐電圧を必要とし、一定の距離を設ける必要があるが、ドレイン電極D1とゲート電極G1の間及びドレイン電極D2とゲート電極G2の間は耐電圧を必要としない。そのため、ドレイン電極D1とゲート電極G1及びドレイン電極D2とゲート電極G2とが、絶縁層Inを介して重複していてもよい。なお、この構成の素子はドレイン電極D1,D2の電圧を基準として制御する必要があり、2つのゲート電極G1,G2にそれぞれ駆動信号を入力する必要がある(そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ)。   As shown in FIGS. 11 and 12, the main switch element 300 having a horizontal dual-gate transistor structure is a structure that realizes a bidirectional element with a small loss, with one place maintaining the withstand voltage. That is, the drain electrodes D1 and D2 are each formed to reach the GaN layer, and the gate electrodes G1 and G2 are respectively formed on the AlGaN layer. In a state where no voltage is applied to the gate electrodes G1 and G2, a blank zone of electrons is generated in the two-dimensional electron gas layer generated at the AlGaN / GaN heterointerface immediately below the gate electrodes G1 and G2, and no current flows. On the other hand, when a voltage is applied to the gate electrodes G1 and G2, a current flows through the AlGaN / GaN heterointerface from the drain electrode D1 toward D2 (or vice versa). A withstand voltage is required between the gate electrodes G1 and G2, and it is necessary to provide a certain distance, but a withstand voltage is required between the drain electrode D1 and the gate electrode G1 and between the drain electrode D2 and the gate electrode G2. do not do. Therefore, the drain electrode D1 and the gate electrode G1, and the drain electrode D2 and the gate electrode G2 may overlap via the insulating layer In. The element having this configuration needs to be controlled with reference to the voltages of the drain electrodes D1 and D2, and it is necessary to input drive signals to the two gate electrodes G1 and G2, respectively (for this reason, it is called a dual gate transistor structure). .

なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、少なくとも複数の2次電池セルを充放電する充放電回路と、複数の2次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更するスイッチ回路を備えて構成されていればよい。   In addition, this invention is not restricted to the structure of the said embodiment, The charging / discharging circuit which charges / discharges a some secondary battery cell, and the switch circuit which changes the connection state of a some secondary battery cell in series or in parallel It suffices if the configuration is provided.

50 充放電システム
51 充放電回路
53,54 スイッチ回路(接続切り替え手段)
55 制御回路
521,522,523,524,525 2次電池セル
50 Charging / discharging system 51 Charging / discharging circuit 53, 54 Switch circuit (connection switching means)
55 Control circuit 521,522,523,524,525 Secondary battery cell

Claims (10)

複数の2次電池セルが接続された充放電システムであって、前記2次電池セルを充放電する充放電回路と、前記複数の2次電池セルの接続状態を直列又は並列に変更する接続切り替え手段を備えたことを特徴とする充放電システム。   A charge / discharge system to which a plurality of secondary battery cells are connected, wherein a charge / discharge circuit that charges and discharges the secondary battery cells and a connection switching that changes a connection state of the plurality of secondary battery cells in series or in parallel A charging / discharging system comprising means. 前記接続切り替え手段を制御する制御手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記充放電回路に印加されるDC配電ライン電圧と前記接続切り替え手段の両端電圧の大小関係に応じて、前記接続切り替え手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の充放電システム。
Further comprising control means for controlling the connection switching means,
2. The control unit according to claim 1, wherein the control unit controls the connection switching unit according to a magnitude relationship between a DC distribution line voltage applied to the charge / discharge circuit and a voltage across the connection switching unit. Charge / discharge system.
前記制御手段は、前記2次電池セルの充電時においては、いずれかの2次電池セルを並列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記DC配電ライン電圧よりも低くすることを特徴とする請求項2に記載の充放電システム。   When the secondary battery cell is charged, the control means connects any of the secondary battery cells in parallel, and makes the voltage across the connection switching means lower than the DC distribution line voltage. The charge / discharge system according to claim 2. 前記制御手段は、前記2次電池セルの放電時においては、いずれかの2次電池セルを直列に接続し、前記接続切り替え手段の両端電圧を前記DC配電ライン電圧よりも高くすることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の充放電システム。   The control means connects any of the secondary battery cells in series when discharging the secondary battery cell, and makes the voltage across the connection switching means higher than the DC distribution line voltage. The charge / discharge system according to claim 2 or claim 3. 前記充放電回路は、トランスの1次側に双方向スイッチング素子を有する双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の充放電システム。   5. The charge / discharge circuit includes a bidirectional half-bridge converter circuit having a bidirectional switching element on a primary side of a transformer, and performs charge / discharge by a step-down operation. The charge / discharge system according to claim 1. 前記充放電回路は、前記DC配電ラインから直接充放電を行う直接充放電経路と、前記双方向ハーフブリッジ型コンバータ回路を介して充放電を行う充放電経路を有することを特徴とする請求項5に記載の充放電システム。   6. The charge / discharge circuit includes a direct charge / discharge path for directly charging / discharging from the DC distribution line and a charge / discharge path for charging / discharging via the bidirectional half-bridge converter circuit. The charge / discharge system according to 1. 前記充放電回路は、双方向スイッチング素子を有する双方向電力変換回路によって構成され、降圧動作によって充放電を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の充放電システム。   5. The charge / discharge circuit according to claim 1, wherein the charge / discharge circuit includes a bidirectional power conversion circuit having a bidirectional switching element, and performs charge / discharge by a step-down operation. system. 前記充放電回路は、各2次電池セルに対応する充電回路を有することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の充放電システム。   The charge / discharge system according to any one of claims 1 to 4, wherein the charge / discharge circuit includes a charge circuit corresponding to each secondary battery cell. 前記充放電回路は、いずれかの2次電池セルと直列に接続可能であり、放電方向にダイオードを介して前記DC配電ラインに直接接続される放電回路と、放電に使用していない2次電池セルを充電する充電回路を有することを特徴とする請求項8に記載の充放電システム。   The charging / discharging circuit can be connected in series with any of the secondary battery cells, and is connected directly to the DC distribution line via a diode in the discharging direction, and a secondary battery not used for discharging. The charge / discharge system according to claim 8, further comprising a charging circuit that charges the cell. 前記双方向スイッチング素子は、GaN/AlGaNを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチング素子であることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか一項に記載の充放電システム。   The charge / discharge system according to any one of claims 5 to 7, wherein the bidirectional switching element is a bidirectional switching element having a lateral transistor structure using GaN / AlGaN.
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