JP2014003753A - 充放電システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な充放電システムを提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る充放電システム１は、電力変換部３０によってＤＣ−ＡＣ変換し、トランス４０を介して電力変換部５０によってＡＣ−ＤＣ変換して蓄電装置２を充電する。一方、電力変換部５０によってＤＣ−ＡＣ変換し、電力変換部３０によってＡＣ−ＤＣ変換して蓄電装置２の放電を行う。電力変換部３０，５０はそれぞれ、フルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子と、当該４つのスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された４つの整流素子とを有する。そして、充放電システム１は、制御部６０からの制御電圧を絶縁する絶縁電源７０と、絶縁された制御電圧を、充電時には電力変換部３０のスイッチング素子に供給し、放電時には電力変換部５０の４つのスイッチング素子に供給するように切り換える切換部８０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置（例えば、バッテリ）を充電すると共に、当該蓄電装置に蓄えられた電力を利用可能にするための充放電システムに関するものである。

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両が実用化されている。電気自動車では、車両外部の電源（例えば、電源コンセント）から車載の蓄電装置（例えば、バッテリ）を充電可能になっている。例えば、自宅や共用施設などに設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより充電を行う。一方、ハイブリッド車でも、同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能にしたプラグインハイブリッド車が実用化されている。

近年、車載の蓄電装置を、車載機器だけでなく、他の電気機器に給電する移動用、災害用又は非常用の電源として利用することが期待されており、車載の蓄電装置に蓄えられた電力を車両の充電口、充電ケーブルを介して放電可能にすることが要望されている。すなわち、充放電システムを車両に搭載することが要望されている。特許文献１には、この種の充放電システムとして双方向コンバータ１が開示されている。

特許文献１に開示の双方向コンバータ１は、ＡＣ／ＤＣ変換部２ＡとＤＣ／ＤＣ変換部２Ｂとを含む交流／直流変換部２を備えている。ＤＣ／ＤＣ変換部２Ｂは、フルブリッジ型のスイッチング素子ＳＷ３１〜ＳＷ３４及び整流素子によって構成されたＤＣ／ＡＣ変換部と、トランス２２と、フルブリッジ型のスイッチング素子ＳＷ４１〜ＳＷ４４及び整流素子によって構成されたＡＣ／ＤＣ変換部と、コンデンサ２６Ｃとを備えている。この双方向コンバータ１では、バッテリ充電時には、ＡＣ／ＤＣ変換部２ＡがＰＦＣ機能を有する同期整流回路として機能し、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４がインバータ回路として機能し、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４が整流回路として機能する。一方、バッテリ放電時には、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４がインバータ回路として機能し、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４が整流回路として機能し、ＡＣ／ＤＣ変換部２Ａがインバータ回路として機能する。

特開２０１０−１７８５６６号公報

ところで、この種の双方向コンバータ１では、フルブリッジ型のスイッチング素子は、制御部から供給される制御電圧によって駆動されることとなるが、この制御電圧は、例えばトランスを含む絶縁電源によって絶縁及び増幅された後に、スイッチング素子に供給されることとなる。そして、絶縁電源は、ＡＣ／ＤＣ変換部２Ａ、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４、及び、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４ごとにそれぞれ設けられる。これらのトランスを含む絶縁電源は比較的大きいため、複数の絶縁電源を備える双方向コンバータ１は比較的大型となってしまう。

そこで、本発明は、小型化が可能な充放電システムを提供することを目的としている。

本願発明者らは、特許文献１に記載の双方向コンバータ１では、バッテリ充電時には、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４を整流回路として機能させることから、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４のスイッチング素子に駆動電圧を供給する必要がなく、一方、バッテリ放電時には、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４を整流回路として機能させることから、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４のスイッチング素子に駆動電圧を供給する必要がないことに着目し、すなわち、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４のスイッチング素子とＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４のスイッチング素子とを同時に駆動することがないことに着目し、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４の絶縁電源と、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４の絶縁電源とを共通化することを見出した。

そこで、本発明の充放電システムは、第１のシステム入出力端子対に供給される電力によって第２のシステム入出力端子対に接続される蓄電装置を充電すると共に、蓄電装置に蓄えられた電力を第１のシステム入出力端子対へ放電する充放電システムであって、（ａ）第１のシステム入出力端子対に電気的に接続された第１の入出力端子対と、第２の入出力端子対と、フルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子と、当該４つのスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された４つの整流素子とを有し、充電時には、該４つのスイッチング素子によって、該第１の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該４つの整流素子によって、該第２の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第１の電力変換部と、（ｂ）第１の電力変換部の第２の入出力端子対間に接続された一次側コイルを有するトランスと、（ｃ）トランスの二次側コイルに接続された第１の入出力端子対と、第２のシステム入出力端子対に電気的に接続された第２の入出力端子対と、フルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子と、当該４つのスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された４つの整流素子とを有し、充電時には、該４つの整流素子によって、該第１の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該４つのスイッチング素子によって、該第２の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第２の電力変換部と、（ｄ）第１の電力変換部の４つのスイッチング素子、又は、第２の電力変換部の４つのスイッチング素子の導通状態を制御する制御電圧を生成する制御部と、（ｅ）制御部からの制御電圧を絶縁する絶縁電源と、（ｆ）絶縁電源によって絶縁された制御電圧を、充電時には第１の電力変換部の４つのスイッチング素子に供給し、放電時には第２の電力変換部の４つのスイッチング素子に供給するように切り換える切換部とを備える。

この充放電システムによれば、切換部によって、絶縁電源によって絶縁された制御電圧を、充電時には第１の電力変換部の４つのスイッチング素子に供給し、放電時には第２の電力変換部の４つのスイッチング素子に供給するように切り換えるので、第１の電力変換部の絶縁電源と第２の電力変換部の絶縁電源とを共通化することができる。したがって、絶縁電源の数を減らすことができ、充放電システムの小型化が可能となる。

上記した制御部は、（ｄ１）第１の電力変換部の４つのスイッチング素子、又は、第２の電力変換部の４つのスイッチング素子のうちのローサイドの２つのスイッチング素子の導通状態を制御する第１の制御電圧、（ｄ２）ハイサイドの一方のスイッチング素子の導通状態を制御する第２の制御電圧、及び、（ｄ３）ハイサイドの他方のスイッチング素子の導通状態を制御する第３の制御電圧を生成し、上記した絶縁電源は、（ｅ１）第１の制御電圧を絶縁する第１の絶縁電源と、（ｅ２）第２の制御電圧を絶縁する第２の絶縁電源と、（ｅ３）第３の制御電圧を絶縁する第３の絶縁電源とを有し、上記した切換部は、（ｆ１）第１の絶縁電源によって絶縁された第１の制御電圧を、充電時には第１の電力変換部のローサイドの２つのスイッチング素子に供給し、放電時には第２の電力変換部のローサイドの２つのスイッチング素子に供給するように切り換える第１の切換部と、（ｆ２）第２の絶縁電源によって絶縁された第２の制御電圧を、充電時には第１の電力変換部のハイサイドの一方のスイッチング素子に供給し、放電時には第２の電力変換部のハイサイドの一方のスイッチング素子に供給するように切り換える第２の切換部と、（ｆ３）第３の絶縁電源によって絶縁された第３の制御電圧を、充電時には第１の電力変換部のハイサイドの他方のスイッチング素子に供給し、放電時には第２の電力変換部のハイサイドの他方のスイッチング素子に供給するように切り換える第３の切換部とを有していてもよい。

例えば、スイッチング素子がトランジスタである場合、トランジスタのゲート駆動電圧はエミッタ又はソース電位を基準とする。そのため、フルブリッジ回路では、ハイサイドのスイッチング素子とローサイドのスイッチング素子とで駆動電圧の基準電位が異なり、ハイサイドの２つのスイッチング素子の駆動電圧の基準電位も異なるので、ローサイドのスイッチング素子用、ハイサイドの一方のスイッチング素子用、及び、ハイサイドの他方のスイッチング素子用の少なくとも３つの絶縁電源が必要となる。

この充放電システムによれば、第１〜第３の切換部を備えているので、絶縁電源の数を３つも減らすことができ、充放電システムの更なる小型化が可能となる。

また、上記した充放電システムは、第１のシステム入出力端子対に電気的に接続された第１の入出力端子対と、第１の電力変換部の第１の入出力端子対に接続された第２の入出力端子対とを有し、充電時には、該第１の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該第２の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第３の電力変換部を更に備えていてもよい。

本発明によれば、充放電システムの小型化が可能である。

本発明の一実施形態に係る充放電システムを示す回路図である。 従来の充放電システムを示す回路図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の一実施形態に係る充放電システムを示す回路図である。図１に示す充放電システム１は、例えば、電気自動車やプラグインハイブリッド車両などの電動車両に搭載され、車載バッテリの充放電を行うものであり、第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２が車両の充電口であり、第２のシステム入出力端子対Ｔ３，Ｔ４がバッテリ２に接続される。なお、バッテリ充電の際には、車両外部の電源（例えば、自宅や共用施設などに設けられた電源コンセント）が、充電ケーブル等を介して第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２に接続され、バッテリ放電の際には、第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２に交流電力が生成されることとなる。

この充放電システム１は、ノイズフィルタ１０と、ＡＣ／ＤＣ変換部（第３の電力変換部）２０と、コンデンサ２５と、ＤＣ／ＡＣ変換部（第１の電力変換部）３０と、トランス４０と、ＡＣ／ＤＣ変換部（第２の電力変換部）５０と、コンデンサ５５と、制御部６０と、ＡＣ／ＤＣ変換部２０用の絶縁電源７１，７２，７３と、ＤＣ／ＡＣ変換部３０及びＡＣ／ＤＣ変換部５０用の絶縁電源７４，７５，７６と、切換部８１，８２，８３とを備えている。なお、絶縁電源７４，７５，７６が特許請求の範囲に記載の第１〜第３の絶縁電源に相当し、これらの絶縁電源７４，７５，７６を含む絶縁電源７０が特許請求の範囲に記載の絶縁電源に相当する。また、切換部８１，８２，８３が特許請求の範囲に記載の第１〜第３の切換部に相当し、これらの切換部８１，８２，８３を含む切換部８０が特許請求の範囲に記載の切換部に相当する。

ノイズフィルタ１０は、第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２に供給される商用交流電力のノイズを除去するためのものである。ノイズが除去された交流電力は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２へ供給される。

ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、バッテリ充電時にはＰＦＣ機能を有する整流回路として機能し、バッテリ放電時にはインバータ回路として機能する。ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、コンデンサ２１と、インダクタ２２ａ，２２ｂと、第１〜第４のｎ型トランジスタ（スイッチング素子）２３ａ〜２３ｄ及び第１〜第４のダイオード（整流素子）２４ａ〜２４ｄを含むフルブリッジ回路とによって構成されている。なお、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄとしては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor）等の大電力用トランジスタを用いることができる。本実施形態では、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄとしてＩＧＢＴを用いた場合を例示する。

ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２間にはコンデンサ２１が接続されている。また、第１の入出力端子対の一方２０Ｔ１は、インダクタ２２ａを介して、第１のトランジスタ２３ａのエミッタ及び第２のトランジスタ２３ｂのコレクタに接続されており、第１の入出力端子対の他方２０Ｔ２は、インダクタ２２ｂを介して、第３のトランジスタ２３ｃのエミッタ及び第４のトランジスタ２３ｄのコレクタに接続されている。

第１のトランジスタ２３ａのコレクタは第２の入出力端子対の一方２０Ｔ３に接続されており、第１のトランジスタ２３ａのエミッタは第２のトランジスタ２３ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ２３ｂのエミッタは第２の入出力端子対の他方２０Ｔ４に接続されている。同様に、第３のトランジスタ２３ｃのコレクタは第２の入出力端子対の一方２０Ｔ３に接続されており、第３のトランジスタ２３ｃのエミッタは第４のトランジスタ２３ｄのコレクタに接続されている。第４のトランジスタ２３ｄのエミッタは第２の入出力端子対の他方２０Ｔ４に接続されている。

また、第１〜第４のダイオード２４ａ〜２４ｄのアノードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのエミッタに接続されており、第１〜第４のダイオード２４ａ〜２４ｄのカソードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのコレクタに接続されている。

このＡＣ／ＤＣ変換部２０の第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４間には、コンデンサ２５が電気的に接続されている。また、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４は、それぞれＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１の入出力端子対３０Ｔ１，３０Ｔ２に接続されている。

ＡＣ／ＤＣ変換部３０は、バッテリ充電時にはインバータ回路として機能し、バッテリ放電時には整流回路として機能する。ＡＣ／ＤＣ変換部３０は、第１〜第４のｎ型トランジスタ（スイッチング素子）３１ａ〜３１ｄと、第１〜第４のダイオード（整流素子）３２ａ〜３２ｄとを含むフルブリッジ回路によって構成されている。なお、第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄとしては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の大電力用トランジスタを用いることができる。本実施形態では、第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄとしてＩＧＢＴを用いた場合を例示する。

第１のトランジスタ３１ａのコレクタは第１の入出力端子対の一方３０Ｔ１に接続されており、第１のトランジスタ３１ａのエミッタは第２のトランジスタ３１ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ３１ｂのエミッタは第１の入出力端子対の他方３０Ｔ２に接続されている。同様に、第３のトランジスタ３１ｃのコレクタは第１の入出力端子対の一方３０Ｔ１に接続されており、第３のトランジスタ３１ｃのエミッタは第４のトランジスタ３１ｄのコレクタに接続されている。第４のトランジスタ３１ｄのエミッタは第１の入出力端子対の他方３０Ｔ２に接続されている。

第１のトランジスタ３１ａのエミッタ及び第２のトランジスタ３１ｂのコレクタはトランス４０の１次側コイルの一方の端子に接続されており、第３のトランジスタ３１ｃのエミッタ及び第４のトランジスタ３１ｄのコレクタはトランス４０の１次側コイルの他方の端子に接続されている。

また、第１〜第４のダイオード３２ａ〜３２ｄのアノードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄのエミッタに接続されており、第１〜第４のダイオード３２ａ〜３２ｄのカソードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄのコレクタに接続されている。

ここで、車両に搭載される電気機器の接地電位はフローティング電位であり、車両外部の電源と車載バッテリ２とを絶縁する必要がある。トランス４０は、車両外部の電源と車載バッテリ２とを絶縁するためのものである。トランス４０の二次側コイルは、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１の入出力端子対５０Ｔ１，５０Ｔ２に接続されている。

ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、バッテリ充電時には整流回路として機能し、バッテリ放電時にはインバータ回路として機能する。ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、第１〜第４のｎ型トランジスタ（スイッチング素子）５１ａ〜５１ｄ及び第１〜第４のダイオード（整流素子）５２ａ〜５２ｄを含むフルブリッジ回路によって構成されている。なお、第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄとしては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の大電力用トランジスタを用いることができる。本実施形態では、第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄとしてＩＧＢＴを用いた場合を例示する。

ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１の入出力端子対の一方５０Ｔ１は、第１のトランジスタ５１ａのエミッタ及び第２のトランジスタ５１ｂのコレクタに接続されており、第１の入出力端子対の他方５０Ｔ２は、第３のトランジスタ５１ｃのエミッタ及び第４のトランジスタ５１ｄのコレクタに接続されている。

第１のトランジスタ５１ａのコレクタは第２の入出力端子対の一方５０Ｔ３に接続されており、第１のトランジスタ５１ａのエミッタは第２のトランジスタ５１ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ５１ｂのエミッタは第２の入出力端子対の他方５０Ｔ４に接続されている。同様に、第３のトランジスタ５１ｃのコレクタは第２の入出力端子対の一方５０Ｔ３に接続されており、第３のトランジスタ５１ｃのエミッタは第４のトランジスタ５１ｄのコレクタに接続されている。第４のトランジスタ５１ｄのエミッタは第２の入出力端子対の他方５０Ｔ４に接続されている。

また、第１〜第４のダイオード５２ａ〜５２ｄのアノードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄのエミッタに接続されており、第１〜第４のダイオード５２ａ〜５２ｄのカソードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄのコレクタに接続されている。

このＡＣ／ＤＣ変換部５０の第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４間には、コンデンサ５５が電気的に接続されている。また、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４は、それぞれ第２のシステム入出力端子対Ｔ３，Ｔ４に接続されている。

また、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄ、ＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄ、及び、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄ各々のゲートは、制御部６０に接続されている。制御部６０は、これらのトランジスタにおけるコレクタ−エミッタ間の導通状態を制御する制御電圧（又は制御電流）を生成する。これらの制御電圧は、絶縁電源７１〜７６に供給される。

絶縁電源７１〜７３は、例えばトランスを有しており、制御部６０からの制御電圧を絶縁及び増幅し、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのゲートへ供給する。具体的には、絶縁電源７１は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０のローサイドの第２及び第４のトランジスタ２３ｂ，２３ｄの導通状態を制御する制御電圧を絶縁及び増幅する。また、絶縁電源７２は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０のハイサイドの一方の第１のトランジスタ２３ａの導通状態を制御する制御電圧を絶縁及び増幅する。また、絶縁電源７３は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０のハイサイドの他方の第４のトランジスタ２３ｄの導通状態を制御する制御電圧を絶縁及び増幅する。

一方、絶縁電源７４〜７６（すなわち、これらを含む絶縁電源７０）は、例えばトランスを有しており、制御部６０からの制御電圧を絶縁及び増幅し、切換部８１〜８３へ供給する。具体的には、絶縁電源７４は、ＤＣ／ＡＣ変換部３０のローサイドの第２及び第４のトランジスタ３１ｂ，３１ｄ、又は、ＡＣ／ＤＣ変換部５０のローサイドの第２及び第４のトランジスタ５１ｂ，５１ｄの導通状態を制御する制御電圧（第１の制御電圧）を絶縁及び増幅する。また、絶縁電源７５は、ＤＣ／ＡＣ変換部３０のハイサイドの一方の第１のトランジスタ３１ａ、又は、ＡＣ／ＤＣ変換部５０のハイサイドの一方の第１のトランジスタ５１ａの導通状態を制御する制御電圧（第２の制御電圧）を絶縁及び増幅する。また、絶縁電源７６は、ＤＣ／ＡＣ変換部３０のハイサイドの他方の第４のトランジスタ３１ｄ、又は、ＡＣ／ＤＣ変換部５０のハイサイドの他方の第４のトランジスタ５１ｄの導通状態を制御する制御電圧（第３の制御電圧）を絶縁及び増幅する。

切換部８１〜８３（すなわち、これらを含む切換部８０）は、絶縁電源７４〜７６によって絶縁された制御電圧を、充電時にはＡＣ／ＤＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄのゲートへ供給し、放電時にはＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄのゲートへ供給するように切り換える。具体的には、切換部８１は、絶縁電源７４によって絶縁された制御電圧を、充電時にはＡＣ／ＤＣ変換部３０のローサイドの第２及び第４のトランジスタ３１ｂ，３１ｄのゲートに供給し、放電時にはＡＣ／ＤＣ変換部５０のローサイドの第２及び第４のトランジスタ５１ｂ，５１ｄのゲートに供給するように切り換える。また、切換部８２は、絶縁電源７５によって絶縁された制御電圧を、充電時にはＡＣ／ＤＣ変換部３０のハイサイドの一方の第１のトランジスタ３１ａのゲートに供給し、放電時にはＡＣ／ＤＣ変換部５０のハイサイドの一方の第１のトランジスタ５１ａのゲートに供給するように切り換える。また、切換部８３は、絶縁電源７６によって絶縁された制御電圧を、充電時にはＡＣ／ＤＣ変換部３０のハイサイドの他方の第４のトランジスタ３１ｄのゲートに供給し、放電時にはＡＣ／ＤＣ変換部５０のハイサイドの他方の第４のトランジスタ５１ｄのゲートに供給するように切り換える。

次に、この第１の比較例の充放電システム１Ｘの動作を説明する。
（バッテリ充電時）

まず、バッテリ充電時、制御部６０によって生成されたＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのための制御電圧が、絶縁電源７１〜７３によって絶縁及び増幅されてＡＣ／ＤＣ変換部２０に供給される。また、制御部６０によって生成されたＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄのための制御電圧が、絶縁電源７４〜７６によって絶縁及び増幅され、切換部８１〜８３によってＤＣ／ＡＣ変換部３０へ供給される。

すると、ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、例えば、第１及び第３のトランジスタ２３ａ，２３ｃをオフ状態とし、交流電圧の半周期ごとに第２のトランジスタ２３ｂと第４のトランジスタ２３ｄとを交互にスイッチング制御することによって、第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２に供給される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４へ出力する。

このとき、第２のトランジスタ２３ｂをオン状態とし、第４のトランジスタ２３ｄをオフ状態とする半周期では、交流電圧の位相と交流電流の位相とを合わせるように、第２のトランジスタ２３ｂをＰＷＭ制御する。同様に、第２のトランジスタ２３ｂをオフ状態とし、第４のトランジスタ２３ｄをオン状態とする半周期では、交流電圧の位相と交流電流の位相とを合わせるように、第４のトランジスタ２３ｄをＰＷＭ制御する。これにより、ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、ＰＦＣ機能を有する整流回路として機能することとなる。

次に、ＡＣ／ＤＣ変換部３０は、インバータとして機能することによって、具体的には、第１及び第４のトランジスタ３１ａ，３１ｄと第２及び第３のトランジスタ３１ｂ，３１ｃとを交互にスイッチング制御することによって、第１の入出力端子対３０Ｔ１，３０Ｔ２に供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を第２の入出力端子対３０Ｔ３，３０Ｔ４へ出力する。

次に、ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄをオフ状態とし、第１〜第４のダイオード５２ａ〜５２ｄによって、第１の入出力端子対５０Ｔ１，５０Ｔ２に供給される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４へ出力する。
（バッテリ放電時）

一方、バッテリ放電時、制御部６０によって生成されたＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのための制御電圧が、絶縁電源７１〜７３によって絶縁及び増幅されてＡＣ／ＤＣ変換部２０に供給される。また、制御部６０によって生成されたＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄのための制御電圧が、絶縁電源７４〜７６によって絶縁及び増幅され、切換部８１〜８３によってＡＣ／ＤＣ変換部５０へ供給される。

すると、ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、インバータとして機能することによって、具体的には、第１及び第４のトランジスタ５１ａ，５１ｄと第２及び第３のトランジスタ５１ｂ，５１ｃとを交互にスイッチング制御することによって、第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４に供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を第１の入出力端子対５０Ｔ１，５０Ｔ２へ出力する。

次に、ＤＣ／ＡＣ変換部３０は、第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄをオフ状態とし、第１〜第４のダイオード３２ａ〜３２ｄによって、第２の入出力端子対３０Ｔ３，３０Ｔ４に供給される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を第１の入出力端子対３０Ｔ１，３０Ｔ２へ出力する。

次に、ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、インバータとして機能することによって、具体的には、第１及び第４のトランジスタ２３ａ，２３ｄと第２及び第３のトランジスタ２３ｂ，２３ｃとを交互にスイッチング制御することによって、第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４に供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２へ出力する。

ここで、図２に、従来の充放電システムの回路図を示す。この従来の充放電システム１Ｘは、充放電システム１において、切換部８１〜８３を備えず、絶縁電源７７〜７９を更に備える点で本実施形態と相違する。このように、従来の充放電システム１Ｘでは、ＤＣ／ＡＣ変換部３０用の絶縁電源７４〜７６に加え、ＡＣ／ＤＣ変換部５０用の絶縁電源７７〜７９を備えていた。これらのトランスを含む絶縁電源は比較的大きいため、複数の絶縁電源を備える充放電システム１Ｘは比較的大型となってしまう。

そこで、本願発明者らは、充放電システム１Ｘでは、バッテリ充電時には、ＡＣ／ＤＣ変換部５０を整流回路として機能させることから、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄに駆動電圧を供給する必要がなく、一方、バッテリ放電時には、ＤＣ／ＡＣ変換部３０を整流回路として機能させることから、ＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄに駆動電圧を供給する必要がないことに着目し、すなわち、ＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄとＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄとを同時に駆動することがないことに着目し、ＤＣ／ＡＣ変換部３０の絶縁電源７４〜７６と、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の絶縁電源７７〜７９とを共通化することを見出した。

本実施形態の充放電システム１によれば、切換部８０によって、絶縁電源７４〜７６によって絶縁及び増幅された制御電圧を、充電時にはＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄに供給し、放電時にはＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄに供給するように切り換えるので、ＤＣ／ＡＣ変換部３０用の絶縁電源７４〜７６とＡＣ／ＤＣ変換部５０用の絶縁電源７７〜７９とを共通化することができる。したがって、絶縁電源の数を減らすことができ、充放電システムの小型化が可能となる。

ところで、トランジスタのゲート駆動電圧はエミッタ又はソース電位を基準とする。そのため、フルブリッジ回路では、ハイサイドのトランジスタとローサイドのトランジスタとで駆動電圧の基準電位が異なり、ハイサイドの２つのトランジスタの駆動電圧の基準電位も異なるので、ローサイドのトランジスタ用、ハイサイドの一方のトランジスタ用、及び、ハイサイドの他方のトランジスタ用の少なくとも３つの絶縁電源が必要となる。本実施形態の充放電システム１によれば、３つの絶縁電源７４〜７６に対応して３つの切換部８１〜８３を備えているので、絶縁電源の数を３つも減らすことができ、充放電システムの更なる小型化が可能となる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換部（第３の電力変換部）２０、ＤＣ／ＡＣ変換部（第１の電力変換部）３０、及び、ＡＣ／ＤＣ変換部（第２の電力変換部）を備え、ＡＣ／ＤＣ変換を行う充放電システムを例示したが、本発明の特徴は、ＡＣ／ＤＣ変換部（第３の電力変換部）２０を備えず、ＤＣ／ＤＣ変換を行う充放電システムにも適用可能である。この種のＤＣ／ＤＣ変換型の充放電システムは、例えば急速充電を行う場合（充電）や、系統電源（商用電源）との連携を行うＰＣＳに車載バッテリを接続する場合（放電）に適用されることが検討されている。

また、本実施形態では、車両外部の電源と車両の充電口とを充電ケーブルで接続することにより車載バッテリの充電を行う手法を例示したが、本発明の特徴はこの手法に限定されない。例えば、近年、充電ケーブルを用いない非接触充電手法が注目されている。本発明の充放電システムは、このような非接触充電手法にも適用可能である。この場合、トランスの二次側を車両に搭載し、一次側を車両外部に設ければよい。

また、本実施形態では、車載バッテリ等の充放電を行う大電力系の充放電システムを例示したが、携帯端末等のバッテリの充放電を行う小電力系の充放電システムにも適用可能である。

１，１Ｘ…充放電システム、Ｔ１，Ｔ２…第１のシステム入出力端子対、Ｔ３，Ｔ４…第２のシステム入出力端子対、２…バッテリ、１０…ノイズフィルタ、２０…ＡＣ／ＤＣ変換部（第３の電力変換回路）、２０Ｔ１，２０Ｔ２…第１の入出力端子対、２０Ｔ３，２０Ｔ４…第２の入出力端子対、２１…コンデンサ、２２…トランス、２２ａ，２２ｂ…インダクタ、２３ａ〜２３ｄ…第１〜第４のトランジスタ、２４ａ〜２４ｄ…第１〜第４のダイオード、２５…コンデンサ、３０…ＤＣ／ＡＣ変換部（第１の電力変換部）、３０Ｔ１，３０Ｔ２…第１の入出力端子対、３０Ｔ３，３０Ｔ４…第２の入出力端子対、３１ａ〜３１ｄ…第１〜第４のトランジスタ（スイッチング素子）、３２ａ〜３２ｄ…第１〜第４のダイオード（整流素子）、４０…トランス、５０…ＡＣ／ＤＣ変換部（第２の電力変換部）、５０Ｔ１，５０Ｔ２…第１の入出力端子対、５０Ｔ３，５０Ｔ４…第２の入出力端子対、５１ａ〜５１ｄ…第１〜第４のトランジスタ（スイッチング素子）、５２ａ〜５２ｄ…第１〜第４のダイオード（整流素子）、５５…コンデンサ、６０…制御部、７０，７１〜７３，７７〜７９…絶縁電源、７４〜７６…絶縁電源（第１〜第３の絶縁電源）、８０…切換部、８１〜８３…切換部（第１〜第３の切換部）。

Claims (3)

1. 第１のシステム入出力端子対に供給される電力によって第２のシステム入出力端子対に接続される蓄電装置を充電すると共に、前記蓄電装置に蓄えられた電力を前記第１のシステム入出力端子対へ放電する充放電システムであって、
   前記第１のシステム入出力端子対に電気的に接続された第１の入出力端子対と、第２の入出力端子対と、フルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子と、該４つのスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された４つの整流素子とを有し、充電時には、該４つのスイッチング素子によって、該第１の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該４つの整流素子によって、該第２の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第１の電力変換部と、
   前記第１の電力変換部の第２の入出力端子対間に接続された一次側コイルを有するトランスと、
   前記トランスの二次側コイルに接続された第１の入出力端子対と、前記第２のシステム入出力端子対に電気的に接続された第２の入出力端子対と、フルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子と、該４つのスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された４つの整流素子とを有し、充電時には、該４つの整流素子によって、該第１の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該４つのスイッチング素子によって、該第２の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第２の電力変換部と、
   前記第１の電力変換部の４つのスイッチング素子、又は、前記第２の電力変換部の４つのスイッチング素子の導通状態を制御する制御電圧を生成する制御部と、
   前記制御部からの制御電圧を絶縁する絶縁電源と、
   前記絶縁電源によって絶縁された制御電圧を、充電時には前記第１の電力変換部の４つのスイッチング素子に供給し、放電時には前記第２の電力変換部の４つのスイッチング素子に供給するように切り換える切換部と、
   を備える、充放電システム。
2. 前記制御部は、前記第１の電力変換部の４つのスイッチング素子、又は、前記第２の電力変換部の４つのスイッチング素子のうちのローサイドの２つのスイッチング素子の導通状態を制御する第１の制御電圧、ハイサイドの一方のスイッチング素子の導通状態を制御する第２の制御電圧、及び、ハイサイドの他方のスイッチング素子の導通状態を制御する第３の制御電圧を生成し、
   前記絶縁電源は、前記第１の制御電圧を絶縁する第１の絶縁電源と、前記第２の制御電圧を絶縁する第２の絶縁電源と、前記第３の制御電圧を絶縁する第３の絶縁電源とを有し、
   前記切換部は、前記第１の絶縁電源によって絶縁された第１の制御電圧を、充電時には前記第１の電力変換部のローサイドの２つのスイッチング素子に供給し、放電時には前記第２の電力変換部のローサイドの２つのスイッチング素子に供給するように切り換える第１の切換部と、前記第２の絶縁電源によって絶縁された第２の制御電圧を、充電時には前記第１の電力変換部のハイサイドの一方のスイッチング素子に供給し、放電時には前記第２の電力変換部のハイサイドの一方のスイッチング素子に供給するように切り換える第２の切換部と、前記第３の絶縁電源によって絶縁された第３の制御電圧を、充電時には前記第１の電力変換部のハイサイドの他方のスイッチング素子に供給し、放電時には前記第２の電力変換部のハイサイドの他方のスイッチング素子に供給するように切り換える第３の切換部とを有する、
   請求項１に記載の充放電システム。
3. 前記第１のシステム入出力端子対に電気的に接続された第１の入出力端子対と、前記第１の電力変換部の第１の入出力端子対に接続された第２の入出力端子対とを有し、充電時には、該第１の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該第２の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第３の電力変換部を更に備える、請求項１又は２に記載の充放電システム。

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