JP2013021867A - 電力変換装置及び充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変である電力変換装置、及び当該装置を備えることにより広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能な充電装置を提供する。
【解決手段】充電装置１は、交流電源ＰＳから供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１と、コンバータ１１で変換された直流電力の変換を行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを備えており、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、入力端Ｔ１１，Ｔ１２と出力端Ｔ２１，Ｔ２２との間に設けられた高周波トランス２２と、入力端Ｔ１１，Ｔ１２と高周波トランス２２との間に設けられた電力変換回路２１と、出力端Ｔ２１，Ｔ２２と高周波トランス２２との間に設けられた電力変換回路２３と、入力端Ｔ１１，Ｔ１２及び出力端Ｔ２１，Ｔ２２に対する高周波トランス２２の一次側と二次側との配置を入れ替え可能な入替回路２２ａ，２２ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力の変換を行う電力変換装置及び当該装置を備える充電装置に関する。

周知の通り、直流電力の変換を行う電力変換装置は、一般的にＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれており、非絶縁型のものと絶縁型のものに大別される。絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータは、例えばトランス（変圧器）と、トランスの一次側に接続されて直流電力を交流電力に変換する第１変換器と、トランスの二次側に接続されて交流電力を直流電力に変換する第２変換器とを備える構成である。

近年、トランスの一次側から二次側へ直流電力を伝送するのみならず、トランスの二次側から一次側に直流電力を伝送することができる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが開発されている。この双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの一次側及び二次側の双方にスイッチング回路（ブリッジ回路）が設けられており、トランスの一次側に設けられたスイッチング回路を駆動するタイミングと、トランスの二次側に設けられたスイッチング回路を駆動するタイミングとを変えることで、一次側から二次側への直流電力の伝送、或いは、二次側から一次側への直流電力の伝送が可能である。

上記の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることで、例えば二次側に設けられたリチウムイオンバッテリ等の二次電池を必要に応じて充電するとともに、二次電池に充電されている直流電力を必要に応じて一次側に取り出すことが可能な充電装置を実現することができる。尚、双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細については、例えば以下の非特許文献１を参照されたい。

井上重徳，他１名，「双方向絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータを用いたエネルギー蓄積システムの基礎実験」，平成１８年電気学会全国大会講演論文集，第２００６巻，第４号，ｐ．４９

ところで、上記の特許文献１に開示された双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの二次側の出力電圧が一次側巻線と二次側巻線との巻線比でほぼ決まってしまう。このため、このような双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備える充電装置は、効率的に充電を行うことができる電圧範囲が狭いという問題がある。ここで、充電対象の二次電池の電圧が一定であれば、その二次電池の特性に応じて双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを設計すれば二次電池を効率的に充電することができる。しかしながら、充電対象である二次電池の出力電圧が数十〜数百Ｖ程度の範囲である場合には、全ての二次電池を効率良く充電することが困難であるという問題があった

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変である電力変換装置、及び当該装置を備えることにより広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能な充電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、直流電力の入出力が行われる一次側入出力端（Ｔ１１、Ｔ１２）と二次側入出力端（Ｔ２１、Ｔ２２）との間に設けられた高周波トランス（２２）と、前記一次側入出力端と前記高周波トランスとの間に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路（２１）と、前記二次側入出力端と前記高周波トランスとの間に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路（２３）とを備え、直流電力の変換を行う電力変換装置（１３、５０）において、前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置を入れ替え可能な入替回路（２５ａ、２５ｂ）を備えることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記入替回路が、前記高周波トランスと前記第１電力変換回路との間、及び、前記高周波トランスと前記第２電力変換回路との間に設けられ、前記高周波トランスの一次側を前記第２電力変換回路に接続するとともに前記高周波トランスの二次側を前記第１電力変換回路に接続することにより、前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置を入れ替える回路であることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記入替回路が、前記一次側入出力端と前記第１電力変換回路との間、及び、前記二次側入出力端と前記第２電力変換回路との間に設けられ、前記第１電力変換回路を前記二次側入出力端に接続するとともに、前記第２電力変換回路を前記一次側入出力端に接続することにより、前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置を入れ替える回路であることを特徴としている。
また、本発明の電力変換装置は、前記入替回路による前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置の入れ替えを行うか否かを制御する制御装置（１４）を備えることを特徴としている。
本発明の充電装置は、交流電源（ＰＳ）から供給される交流電力を用いて二次電池（Ｂ）の充電を行う充電装置（１、２）において、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ（１１）と、前記一次側入出力端に入力される前記コンバータで変換された直流電力の変換を行って前記二次電池が接続される前記二次側入出力端に出力する上記の何れかに記載の電力変換装置とを備えることを特徴としている。
また、本発明の充電装置は、前記制御装置が、前記二次電池の特性に応じて、前記入替回路により前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置の入れ替えを行うか否かを制御することを特徴としている。

本発明によれば、電力変換装置の一次側入出力端及び二次側入出力端に対する高周波トランスの一次側と二次側との配置を入れ替え可能な入替回路を設けているため、広い電圧範囲に亘って出力電圧を可変にすることができるという効果がある。これにより、充電装置においては、広い電圧範囲に亘って効率良く充電を行うことが可能であるという効果がある。

本発明の第１実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。 本発明の第１実施形態による充電装置が備える入替回路を示す図である。 本発明の第２実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態による充電装置が備える入替回路を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による電力変換装置及び充電装置について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の充電装置１は、コンバータ１１、コンデンサ１２、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３（電力変換装置）、及び制御装置１４を備えており、交流電源ＰＳから供給される交流電力（例えば、電圧が２００Ｖである三相交流電力）から充電用の直流電力を生成する。充電装置１が生成した直流電力は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力端Ｔ２１，Ｔ２２から外部に出力され、例えば出力端Ｔ２１，Ｔ２２間に接続されたリチウムイオン二次電池等の二次電池Ｂを充電するために用いられる。

尚、出力端Ｔ２１，Ｔ２２間に接続される二次電池Ｂは、数十〜数百Ｖ程度の範囲の出力電圧を取り得るものであるとする。ここで、本実施形態の充電装置１は、出力端Ｔ２１，Ｔ２２に接続された二次電池Ｂの充電のみならず、二次電池Ｂに充電された直流電力の取り出しも可能であるが、以下では説明を簡単にするために、主として交流電源ＰＳから供給される交流電力を用いて二次電池Ｂを充電する場合について説明する。

コンバータ１１は、ＡＣリアクトル１１ａ及びＰＷＭコンバータ１１ｂを備えており、交流電源ＰＳから供給される三相交流電源を直流電力に変換する。ＡＣリアクトル１１ａは、ＰＷＭコンバータ１１ｂの入力端（交流電源ＰＳとＰＷＭコンバータ１１ｂとの間）に設けられており、交流電源ＰＳから供給される三相交流電源に重畳されている高調波ノイズを除去する。

ＰＷＭコンバータ１１ｂは、例えば三相全波整流回路を構成する複数のダイオード（例えば、６個のダイオード）と、これらダイオードの各々に並列接続されたトランジスタ等のスイッチング素子とを備えており、制御装置１４の制御の下で、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力を整流する。尚、制御装置１４によって、ＰＷＭコンバータ１１ｂに設けられたスイッチング素子がＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御されることにより、出力電圧の制御及び力率の補償が行われる。コンデンサ１２は、コンバータ１１の出力端間（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の入力端Ｔ１１，Ｔ１２間）に設けられており、コンバータ１１で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、電力変換回路２１（第１電力変換回路）、高周波トランス２２、電力変換回路２３（第２電力変換回路）、コンデンサ２４、及び入替回路２５ａ，２５ｂを備えており、制御装置１４の制御の下で直流電力の変換を行う。具体的には、入力端Ｔ１１，Ｔ１２（一次側入出力端）に入力されるコンバータ１１で変換された直流電力の変換を行って出力端Ｔ２１，Ｔ２２（二次側入出力端）に出力する。尚、出力端Ｔ２１，Ｔ２２に接続された二次電池Ｂから供給される直流電力の変換を行って入力端Ｔ１１，Ｔ１２に出力する場合もある。

電力変換回路２１は、スイッチング素子を直列接続してなる２つのスイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２を備えており、制御装置１４の制御の下で、入力端Ｔ１１，Ｔ１２に入力される直流電力（コンバータ１１で変換された直流電力）を交流電力に変換して高周波トランス２２側に出力する。尚、この電力変換回路２１は、高周波トランス２２側から入力される交流電力を直流電力に変換して入力端Ｔ１１，Ｔ１２に出力することも可能である。

スイッチングレッグＬ１１は、直列接続されたトランジスタ３１ａ，３１ｂと、トランジスタ３１ａに並列接続されたダイオード３２ａ及びコンデンサ３３ａと、トランジスタ３１ｂに並列接続されたダイオード３２ｂ及びコンデンサ３３ｂとを備える。スイッチングレッグＬ１２は、直列接続されたトランジスタ３１ｃ，３１ｄと、トランジスタ３１ｃに並列接続されたダイオード３２ｃ及びコンデンサ３３ｃと、トランジスタ３１ｄに並列接続されたダイオード３２ｄ及びコンデンサ３３ｄとを備える。

以上のトランジスタ３１ａ〜３１ｄは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、制御装置１４によってオン状態及びオフ状態が制御される。トランジスタ３１ａ〜３１ｄとして、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いることも可能である。尚、コンデンサ３３ａ〜３３ｄは、トランジスタ３１ａ〜３１ｄのスイッチング時に生じる過渡的な高電圧を吸収するために設けられるスナバコンデンサである。

スイッチングレッグＬ１１をなすトランジスタ３１ａのエミッタ電極とトランジスタ３１ｂのコレクタ電極との接続点は、入替回路２５ａによって高周波トランス２２の一次側巻線２２ａ又は二次側巻線２２ｂの一端に接続される。また、スイッチングレッグＬ１２をなすトランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点は、入替回路２５ａによって高周波トランス２２の一次側巻線２２ａ又は二次側巻線２２ｂの他端に接続される。

スイッチングレッグＬ１１，Ｌ１２に設けられた４つのトランジスタ３１ａ〜３１ｄの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、入力端Ｔ１１，Ｔ１２に入力される直流電力（コンバータ１１で変換された直流電力）が交流電力に変換されて高周波トランス２２側に出力される。これに対し、例えばトランジスタ３１ａ〜３１ｄが全てオフ状態である場合に高周波トランス２２側から交流電力が供給されると、その交流電力がダイオード３２ａ〜３２ｄにより整流されて入力端Ｔ１１，Ｔ１２に出力される。

高周波トランス２２は、上述した一次側巻線２２ａと二次側巻線２２ｂとを備えており、一次側から二次側へ、或いは、二次側から一次側へ交流電力を伝達する。この高周波トランス２２において、一次側巻線２２ａに対する二次側巻線２２ｂの巻線比は、例えば「６」に設定されている。この高周波トランス２２が設けられていることにより、交流電源ＰＳと二次電池Ｂとの間が絶縁されることになる。

電力変換回路２３は、スイッチング素子を直列接続してなる２つのスイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２を備えており、制御装置１４の制御の下で高周波トランス２２の一次側から二次側に伝達される交流電力を直流電力に変換して出力端Ｔ２１，Ｔ２２側に出力する。尚、この電力変換回路２３は、出力端Ｔ２１，Ｔ２２側から供給される直流電力を交流電力に変換して高周波トランス２２側に出力することも可能である。

スイッチングレッグＬ２１は、直列接続されたトランジスタ４１ａ，４１ｂと、トランジスタ４１ａに並列接続されたダイオード４２ａ及びコンデンサ４３ａと、トランジスタ４１ｂに並列接続されたダイオード４２ｂ及びコンデンサ４３ｂとを備える。スイッチングレッグＬ２２は、直列接続されたトランジスタ４１ｃ，４１ｄと、トランジスタ４１ｃに並列接続されたダイオード４２ｃ及びコンデンサ４３ｃと、トランジスタ４１ｄに並列接続されたダイオード４２ｄ及びコンデンサ４３ｄとを備える。

トランジスタ４１ａ〜４１ｄは、電力変換回路２１に設けられるトランジスタ３１ａ〜３１ｄと同様に絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、制御装置１４によってオン状態及びオフ状態が制御される。尚、トランジスタ４１ａ〜４１ｄとして、通常のバイポーラトランジスタを用いることも、ＦＥＴトランジスタを用いることも可能である。

スイッチングレッグＬ２１をなすトランジスタ４１ａのエミッタ電極とトランジスタ４１ｂのコレクタ電極との接続点は、入替回路２５ｂによって高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂ又は一次側巻線２２ａの一端に接続される。また、スイッチングレッグＬ２２をなすトランジスタ４１ｃのエミッタ電極とトランジスタ４１ｄのコレクタ電極との接続点は、入替回路２５ｂによって高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂ又は一次側巻線２２ａの他端に接続される。

例えば、スイッチングレッグＬ２１，Ｌ２２に設けられた４つのトランジスタ４１ａ〜４１ｄが全てオフ状態である場合に、高周波トランス２２側から交流電力が入力されると、その交流電力がダイオード４２ａ〜４２ｄにより整流されて出力端Ｔ２１，Ｔ２２側（コンデンサ２４側）に出力される。これに対し、トランジスタ４１ａ〜４１ｄの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、出力端Ｔ２１，Ｔ２２側（コンデンサ２４側）からの直流電力が交流電力に変換されて高周波トランス２２側に出力される。

コンデンサ２４は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力端Ｔ２１，Ｔ２２間に接続されており、電力変換回路２３で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。入替回路２５ａ，２５ｂは、制御装置１４の制御の下で、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が備える入力端Ｔ１１，Ｔ１２及び出力端Ｔ２１，Ｔ２２に対する高周波トランス２２の一次側と二次側との配置の入れ替えを可能とする回路である。

図２は、本発明の第１実施形態による充電装置が備える入替回路を示す図である。図２に示す通り、入替回路２５ａはスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を備える回路であり、入替回路２５ｂはスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２を備える回路である。入替回路２５ａは電力変換回路２１と高周波トランス２２との間に設けられ、入替回路２５ｂは高周波トランス２２と電力変換回路２３との間に設けられる。尚、入替回路２５ａのスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２及び入替回路２５ｂのスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２としては、例えばトランジスタ等のスイッチング素子を用いた電子式のスイッチ、電磁リレー等のリレースイッチ、電磁接触器（コンタクタ）等を用いることができる。

入替回路２５ａのスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２は、３つの接点Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３をそれぞれ備える。スイッチＳＷ１１の接点Ａ１は、スイッチングレッグＬ１１（トランジスタ３１ａのエミッタ電極とトランジスタ３１ｂのコレクタ電極との接続点）に接続され、接点Ａ２は高周波トランス２２の一次側巻線２２ａの一端に接続され、接点Ａ３は高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂの一端に接続されている。スイッチＳＷ１２の接点Ｂ１は、スイッチングレッグＬ１２（トランジスタ３１ｃのエミッタ電極とトランジスタ３１ｄのコレクタ電極との接続点）に接続され、接点Ｂ２は高周波トランス２２の一次側巻線２２ａの他端に接続され、接点Ｂ３は高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂの他端に接続されている。

入替回路２５ｂのスイッチＳＷ２１，ＳＷ２２は、３つの接点Ｃ１〜Ｃ３，Ｄ１〜Ｄ３をそれぞれ備える。スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１は、スイッチングレッグＬ２１（トランジスタ４１ａのエミッタ電極とトランジスタ４１ｂのコレクタ電極との接続点）に接続され、接点Ｃ２は高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂの一端に接続され、接点Ｃ３は高周波トランス２２の一次側巻線２２ａの一端に接続されている。スイッチＳＷ２２の接点Ｄ１は、スイッチングレッグＬ２２（トランジスタ４１ｃのエミッタ電極とトランジスタ４１ｄのコレクタ電極との接続点）に接続され、接点Ｄ２は高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂの他端に接続され、接点Ｄ３は高周波トランス２２の一次側巻線２２ａの他端に接続されている。

スイッチＳＷ１１の接点Ａ１が接点Ａ２に接続されるとともにスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１が接点Ｂ２に接続されるよう入替回路２５ａが制御装置１４によって制御されると、電力変換回路２１は高周波トランス２２の一次側巻線２２ａに接続される。これに対し、スイッチＳＷ１１の接点Ａ１が接点Ａ３に接続されるとともにスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１が接点Ｂ３に接続されるよう入替回路２５ａが制御装置１４によって制御されると、電力変換回路２１は高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂに接続される。

また、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１が接点Ｃ２に接続されるとともにスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１が接点Ｄ２に接続されるよう入替回路２５ｂが制御装置１４によって制御されると、電力変換回路２３は高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂに接続される。これに対し、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１が接点Ｃ３に接続されるとともにスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１が接点Ｄ３に接続されるよう入替回路２５ｂが制御装置１４によって制御されると、電力変換回路２３は高周波トランス２２の一次側巻線２２ａに接続される。

従って、スイッチＳＷ１１の接点Ａ１，Ａ２及びスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ接続され、且つ、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１，Ｃ２及びスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ接続されるよう制御されると、高周波トランス２２は、一次側巻線２２ａが電力変換回路２１に接続され、二次側巻線２２ｂが電力変換回路２３に接続される。これにより、高周波トランス２２は、一次側が入力端Ｔ１１，Ｔ１２側に配置され、二次側が出力端Ｔ２１，Ｔ２２側に配置される。以下、この接続を「昇圧モード接続」という。

これに対し、スイッチＳＷ１１の接点Ａ１，Ａ３及びスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１，Ｂ３がそれぞれ接続され、且つ、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１，Ｃ３及びスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１，Ｄ３がそれぞれ接続されるよう制御されると、高周波トランス２２は、一次側巻線２２ａが電力変換回路２３に接続され、二次側巻線２２ｂが電力変換回路２１に接続される。これにより、高周波トランス２２は、一次側が出力端Ｔ２１，Ｔ２２側に配置され、二次側が入力端Ｔ１１，Ｔ１２側に配置される。以下、この接続を「降圧モード接続」という。

制御装置１４は、出力端Ｔ２１，Ｔ２２に接続された二次電池Ｂの充電制御を行う。具体的には、出力端Ｔ２１，Ｔ２２に接続された二次電池Ｂの特性に応じて、コンバータ１１、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路２１，２３、及び入替回路２２ａ，２２ｂの制御を行う。

次に、上記構成における充電装置１を用いて二次電池Ｂを充電する場合の動作について説明する。尚、本実施形態の充電装置１は、高周波トランス２２の一次側から二次側に電力を伝達させる場合に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路２１，２３の各々を制御すれば伝達される電力量の制御が可能であるが、ここでは説明を簡単にするために、電力変換回路２１のみを制御して充電を行う場合について説明する。

まず、充電すべき二次電池Ｂを充電装置１に接続し、二次電池Ｂの正電極及び負電極を出力端Ｔ２１，Ｔ２２にそれぞれ導通させる。二次電池Ｂの接続が完了すると、制御装置１４は、出力端Ｔ２１，Ｔ２２に接続された二次電池Ｂに関する情報（例えば、出力電圧や残容量等の情報）を取得する。例えば、図１に示す通り、二次電池Ｂの監視を行う監視回路Ｄが二次電池Ｂに設けられている場合には、この監視回路Ｄから二次電池Ｂに関する情報を取得する。尚、二次電池Ｂの出力電圧等の情報を検出する検出回路を出力端Ｔ２１，Ｔ２２との間に設け、この検出回路から二次電池Ｂに関する情報を取得しても良い。

二次電池Ｂに関する情報を取得すると、制御装置１４は、取得した情報に応じて入替回路２５ａ，２５ｂを制御する。例えば、二次電池Ｂの出力電圧が数十Ｖ程度である場合には、「降圧モード接続」となるよう入替回路２５ａ，２５ｂを制御し、二次電池Ｂの出力電圧が数百Ｖ程度である場合には、「昇圧モード接続」となるよう入替回路２５ａ，２５ｂを制御する。つまり、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、コンバータ１１からの直流電力が降圧され、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、コンバータ１１からの直流電力が昇圧されるよう制御される。

以上の作業及び制御が終了し、充電開始の指示が行われると、制御装置１４から双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に設けられた電力変換回路２１に制御信号が出力され、電力変換回路２１に設けられたトランジスタ３１ａ〜３１ｄのスイッチング動作が開始される。これにより、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力はコンバータ１１によって直流電力に変換され、トランジスタ３１ａ〜３１ｄのスイッチング動作によってコンバータ１１で変換された直流電力が交流電力に変換される。

ここで、入替回路２５ａ，２５ｂが「降圧モード接続」とされている場合には、電力変換回路２１から出力される交流電力は、高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂに印加されて一次側巻線２２ａに伝達される。このため、電力変換回路２１から出力される交流電力は高周波トランス２２によって降圧され、二次側巻線２２ｂに対する一次側巻線２２ａの巻線比に応じたさほど高くない電圧（例えば、数十Ｖ程度）の電圧が高周波トランス２２の一次側巻線２２ａに誘起される。

これに対し、入替回路２５ａ，２５ｂが「昇圧モード接続」とされている場合には、電力変換回路２１から出力される交流電力は、高周波トランス２２の一次側巻線２２ａに印加されて二次側巻線２２ｂに伝達される。このため、電力変換回路２１から出力される交流電力は高周波トランス２２によって昇圧され、一次側巻線２２ａに対する二次側巻線２２ｂの巻線比に応じた高い電圧（例えば、数百Ｖ程度）の電圧が高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂに誘起される。

入替回路２５ａ，２５ｂが「降圧モード接続」とされている場合に高周波トランス２２の一次側巻線２２ａに伝達された交流電力、或いは、入替回路２５ａ，２５ｂが「昇圧モード接続」とされている場合に高周波トランス２２の二次側巻線２２ｂに伝達された交流電力は、電力変換回路２３に入力される。そして、電力変換回路２３に設けられたダイオード４２ａ〜４２ｄによって整流された後にコンデンサ２４で平滑されて直流電力に変換される。この直流電力は、出力端Ｔ２１，Ｔ２２を介して二次電池Ｂに供給され、これにより二次電池Ｂが充電される。このようにして、充電装置１による二次電池Ｂの充電が行われる。

以上の通り、本実施形態では、電力変換回路２１と高周波トランス２２との間に入替回路２５ａを設けるとともに高周波トランス２２と電力変換回路２３との間に入替回路２５ｂを設け、出力端Ｔ２１，Ｔ２２に接続される二次電池Ｂの出力電圧に応じて、入力端Ｔ１１，Ｔ１２及び出力端Ｔ２１，Ｔ２２に対する高周波トランス２２の一次側と二次側との配置の入れ替えを行っているため、広い電圧範囲に亘って充電装置１の出力電圧を変えることができる。これにより、充電装置１を用いて様々な種類の二次電池の充電を効率的に行うことができる。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明の第２実施形態による充電装置の要部構成を示す回路図である。尚、図３では、図１に示す構成と同じ構成については同一の符号を付してある。図３に示す通り、本実施形態の充電装置２は、図１に示す第１実施形態の充電装置１が備える双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に代えて、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を備える。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、第１実施形態の充電装置１に設けられた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１３と同様に、電力変換回路２１、高周波トランス２２、電力変換回路２３、コンデンサ２４、及び入替回路２５ａ，２５ｂを備えるが、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５０内における入替回路２５ａ，２５ｂの位置が異なる。具体的に、入替回路２５ａは入力端Ｔ１１，Ｔ１２と電力変換回路２１との間に設けられ、入替回路２５ｂは電力変換回路２３と出力端Ｔ２１，Ｔ２２との間に設けられる。

図４は、本発明の第２実施形態による充電装置が備える入替回路を示す図である。尚、図４中おいて、符号ＰＣが付されているブロックは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０に設けられた電力変換回路２１、高周波トランス２２、電力変換回路２３、及びコンデンサ２４からなる回路（以下、「双方向変換回路」という）を示している。また、図４では、コンバータ１１と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ５０との間に設けられたコンデンサ１２の図示を省略している。

図４に示す通り、入替回路２５ａが備えるスイッチＳＷ１１は、接点Ａ１が入力端Ｔ１１に接続され、接点Ａ２が双方向変換回路ＰＣの一方の入力端Ｑ１１に接続され、接点Ａ３が双方向変換回路ＰＣの一方の出力端Ｑ２１に接続されている。スイッチＳＷ１２は、接点Ｂ１が入力端Ｔ１２に接続され、接点Ｂ２が双方向変換回路ＰＣの他方の入力端Ｑ１２に接続され、接点Ｂ３が双方向変換回路ＰＣの他方の出力端Ｑ２２に接続されている。

また、入替回路２５ｂが備えるスイッチＳＷ２１は、接点Ｃ１が出力端Ｔ２１に接続され、接点Ｃ２が双方向変換回路ＰＣの一方の出力端Ｑ２１に接続され、接点Ｃ３が双方向変換回路ＰＣの一方の入力端Ｑ１１に接続される。スイッチＳＷ２２は、接点Ｄ１が出力端Ｔ２２に接続され、接点Ｄ２が双方向変換回路ＰＣの他方の出力端Ｑ２２に接続され、接点Ｄ３が双方向変換回路ＰＣの他方の入力端Ｑ１２に接続されている。

スイッチＳＷ１１の接点Ａ１が接点Ａ２に接続されるとともにスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１が接点Ｂ２に接続されるよう入替回路２５ａが制御装置１４によって制御されると、双方向変換回路ＰＣの入力端Ｑ１１，Ｑ１２は入力端Ｔ１１，Ｔ１２にそれぞれ接続される。これに対し、スイッチＳＷ１１の接点Ａ１が接点Ａ３に接続されるとともにスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１が接点Ｂ３に接続されるよう入替回路２５ａが制御装置１４によって制御されると、双方向変換回路ＰＣの入力端Ｑ１１，Ｑ１２は出力端Ｔ２１，Ｔ２２にそれぞれ接続される。

また、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１が接点Ｃ２に接続されるとともにスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１が接点Ｄ２に接続されるよう入替回路２５ｂが制御装置１４によって制御されると、双方向変換回路ＰＣの出力端Ｑ２１，Ｑ２２は出力端Ｔ２１，Ｔ２２にそれぞれ接続される。これに対し、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１が接点Ｃ３に接続されるとともにスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１が接点Ｄ３に接続されるよう入替回路２５ｂが制御装置１４によって制御されると、双方向変換回路ＰＣの出力端Ｑ２１，Ｑ２２は入力端Ｔ１１，Ｔ１２にそれぞれ接続される。

従って、スイッチＳＷ１１の接点Ａ１，Ａ２及びスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１，Ｂ２がそれぞれ接続され、且つ、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１，Ｃ２及びスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ接続されるよう制御されると、双方向変換回路ＰＣは、入力端Ｑ１１，Ｑ１２が入力端Ｔ１１，Ｔ１２にそれぞれ接続され、出力端Ｑ２１，Ｑ２２が出力端Ｔ２１，Ｔ２２にそれぞれ接続される。これにより、双方向変換回路ＰＣ内に設けられる高周波トランス２２は、第１実施形態と同様に、一次側が入力端Ｔ１１，Ｔ１２側に配置され、二次側が出力端Ｔ２１，Ｔ２２側に配置される（「昇圧モード接続」）。

これに対し、スイッチＳＷ１１の接点Ａ１，Ａ３及びスイッチＳＷ１２の接点Ｂ１，Ｂ３がそれぞれ接続され、且つ、スイッチＳＷ２１の接点Ｃ１，Ｃ３及びスイッチＳＷ２２の接点Ｄ１，Ｄ３がそれぞれ接続されるよう制御されると、双方向変換回路ＰＣは、入力端Ｑ１１，Ｑ１２が出力端Ｔ２１，Ｔ２２にそれぞれ接続され、出力端Ｑ２１，Ｑ２２が入力端Ｔ１１，Ｔ１２にそれぞれ接続される。これにより、双方向変換回路ＰＣ内に設けられる高周波トランス２２は、第１実施形態と同様に、一次側が出力端Ｔ２１，Ｔ２２側に配置され、二次側が入力端Ｔ１１，Ｔ１２側に配置される（「降圧モード接続」）。

上記構成における充電装置２を用いて二次電池Ｂを充電する場合の動作は、基本的には第１実施形態と同様である。つまり、二次電池Ｂの出力電圧が数十Ｖ程度である場合には、「降圧モード接続」となるよう制御回路１４によって入替回路２５ａ，２５ｂが制御され、二次電池Ｂの出力電圧が数百Ｖ程度である場合には、「昇圧モード接続」となるよう制御回路１４によって入替回路２５ａ，２５ｂが制御される。

但し、本実施形態では、制御回路１４による入替回路２５ａ，２５ｂの制御によって、電力変換回路２１、高周波トランス２２、電力変換回路２３、及びコンデンサ２４からなる双方向変換回路ＰＣの入出力関係を入れ替えている。このため、入替回路２５ａ，２５ｂが「昇圧モード接続」にされているのか、或いは、「降圧モード接続」にされているのかに応じて、電力変換回路２１，２３の制御を変える必要がある。

つまり、入替回路２５ａ，２５ｂが「昇圧モード接続」とされている場合には、入力端Ｔ１１，Ｔ１２に入力される直流電力（コンバータ１１で変換された直流電力）を変換して、双方向変換回路ＰＣをなす電力変換回路２１、高周波トランス２２、電力変換回路２３、及びコンデンサ２４の順で伝達させる必要がある。このため、制御装置１４は、少なくとも電力変換回路２１を制御して直流電力を交流電力に変換させる必要がある。

これに対し、入替回路２５ａ，２５ｂが「降圧モード接続」とされている場合には、入力端Ｔ１１，Ｔ１２に入力される直流電力（コンバータ１１で変換された直流電力）を変換して、双方向変換回路ＰＣをなすコンデンサ２４、電力変換回路２３、高周波トランス２２、及び電力変換回路２１の順で伝達させる必要がある。このため、制御装置１４は、少なくとも電力変換回路２３を制御して直流電力を交流電力に変換させる必要がある。

以上の通り、本実施形態では、入力端Ｔ１１，Ｔ１２と電力変換回路２１との間に入替回路２５ａを設けるとともに電力変換回路２３と出力端Ｔ２１，Ｔ２２との間に入替回路２５ｂを設け、出力端Ｔ２１，Ｔ２２に接続される二次電池Ｂの出力電圧に応じて、入力端Ｔ１１，Ｔ１２及び出力端Ｔ２１，Ｔ２２に対する高周波トランス２２の一次側と二次側との配置の入れ替えを行っている。このため、第１実施形態と同様に、広い電圧範囲に亘って充電装置１の出力電圧を変えることができる。これにより、充電装置１を用いて様々な種類の二次電池の充電を効率的に行うことができる。

以上、本発明の実施形態による電力変換装置及び充電装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、交流電源ＰＳから供給される三相交流電力を用いて二次電池Ｂの充電を行う充電装置を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は単相交流電力を用いて二次電池Ｂの充電を行う充電装置にも適用することが可能である。

１，２ 充電装置
１１ コンバータ
１３ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 制御装置
２１ 電力変換回路
２２ 高周波トランス
２３ 電力変換回路
２５ａ，２５ｂ 入替回路
５０ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｂ 二次電池
ＰＳ 交流電源
Ｔ１１，Ｔ１２ 入力端
Ｔ２１，Ｔ２２ 出力端

Claims (6)

1. 直流電力の入出力が行われる一次側入出力端と二次側入出力端との間に設けられた高周波トランスと、前記一次側入出力端と前記高周波トランスとの間に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路と、前記二次側入出力端と前記高周波トランスとの間に設けられて直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路とを備え、直流電力の変換を行う電力変換装置において、
   前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置を入れ替え可能な入替回路を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記入替回路は、前記高周波トランスと前記第１電力変換回路との間、及び、前記高周波トランスと前記第２電力変換回路との間に設けられ、前記高周波トランスの一次側を前記第２電力変換回路に接続するとともに前記高周波トランスの二次側を前記第１電力変換回路に接続することにより、前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置を入れ替える回路であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記入替回路は、前記一次側入出力端と前記第１電力変換回路との間、及び、前記二次側入出力端と前記第２電力変換回路との間に設けられ、前記第１電力変換回路を前記二次側入出力端に接続するとともに、前記第２電力変換回路を前記一次側入出力端に接続することにより、前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置を入れ替える回路であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記入替回路による前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置の入れ替えを行うか否かを制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の電力変換装置。
5. 交流電源から供給される交流電力を用いて二次電池の充電を行う充電装置において、
   前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記一次側入出力端に入力される前記コンバータで変換された直流電力の変換を行って前記二次電池が接続される前記二次側入出力端に出力する請求項４記載の電力変換装置と
   を備えることを特徴とする充電装置。
6. 前記制御装置は、前記二次電池の特性に応じて、前記入替回路により前記一次側入出力端及び前記二次側入出力端に対する前記高周波トランスの一次側と二次側との配置の入れ替えを行うか否かを制御することを特徴とする請求項５記載の充電装置。

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