JP2014036528A - 絶縁型充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電池への充電に適した絶縁型充電装置を提供する
【解決手段】電力供給システム１の絶縁型充電装置４は、蓄電池３１から放電される電力によって蓄電池３２を充電する。絶縁トランス１０の巻き数比ｎ２／ｎ１は、ｎ２／ｎ１＝（充電される蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ）／（放電する蓄電池３１の放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬ）である。制御装置４１は、電圧Ｖ２が充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを下回るとき、定電流充電制御によって蓄電池３２を急速充電する。制御装置４１は、電圧Ｖ２が充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回るとき、定電圧充電制御によって蓄電池３２を充電する。電圧Ｖ１が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬに低下するまでの長期間にわたって、制御装置４１は電圧変換回路７をスイッチング駆動することなく、絶縁トランス１０の二次電圧Ｖｓで蓄電池３２を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁トランスを経由して蓄電池を充電する絶縁型充電装置に関する。

特許文献１は、絶縁トランスを含む絶縁型コンバータを開示する。この装置は、絶縁型コンバータの一次側に昇圧回路を備える。絶縁型コンバータは、昇圧された電圧を降圧し、二次側に供給する。

特開２００９−２８４６４６号公報

従来技術の構成では、絶縁トランスの一次側回路に高耐圧の素子を用いる必要がある。また、一次側の高電圧に起因して、一次側における損失が大きくなる。

また、別の観点では、従来技術の構成では、昇圧回路を常時駆動することにより、一次側の電圧を常時昇圧している。このため、スイッチング損失などの損失が大きい。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電池への充電に適した絶縁型充電装置を提供することである。

本発明の他の目的は、蓄電池から蓄電池への充電に適し、しかも過剰な高耐圧部品を要することなく構成することができる絶縁型充電装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、蓄電池から蓄電池への充電に適し、しかも損失が少ない絶縁型充電装置を提供することである。

開示された発明のひとつは上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示された発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、直流電源（２、３１）から供給される直流電力により蓄電池（３２）を充電する絶縁型充電装置（４、２０４、３０４、４０４）において、一次巻線、および一次巻線から絶縁された二次巻線を有する絶縁トランス（１０）と、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を一次巻線に供給するスイッチング回路（５）と、二次巻線に誘起される交流電力を直流電力に整流する整流回路（６、４０６）と、整流回路から出力される直流電力を断続するスイッチ素子（７２）のスイッチングにより整流回路から出力される直流電力の電圧を変換し、変換された直流電力を蓄電池（３２）に供給する電圧変換回路（７、４０７）とを備えることを特徴とする。

この構成によると、電圧変換回路は、絶縁トランスの二次側に設けられる。蓄電池を充電するための電圧は、電圧変換回路において、すなわち絶縁トランスの二次側において生成され、蓄電池に供給される。よって、スイッチング回路、絶縁トランス、および整流回路に過剰に高耐圧の部品を用いる必要がない。よって、蓄電池の充電に適した絶縁型充電装置が提供される。

開示された発明のひとつは、電圧変換回路（７、４０７）は、絶縁トランス（１０）の二次電圧（Ｖｓ）が蓄電池（３２）の電圧（Ｖ２）を上回るとき、スイッチ素子（７２）のスイッチングを停止して整流回路から出力される直流電力を蓄電池（３２）に供給し、二次電圧が蓄電池（３２）の電圧を下回るとき、スイッチ素子のスイッチングにより整流回路から出力される直流電力の電圧を昇圧し、昇圧された直流電力を蓄電池に供給することを特徴とする。

開示された発明のひとつは、さらに、蓄電池（３２）の電圧（Ｖ２）が蓄電池（３２）の充電終止電圧（Ｖ２ｎｏｍＨ）を下回るとき蓄電池を定電流で充電する定電流充電制御を実行し、蓄電池（３２）の電圧（Ｖ２）が充電終止電圧（Ｖ２ｎｏｍＨ）以上のとき蓄電池を定電圧で充電する定電圧充電制御を実行する制御装置（４１）を備えることを特徴とする。

開示された発明のひとつは、絶縁トランスの巻き数比（ｎ２／ｎ１）は、ｎ２／ｎ１＝（充電側蓄電池（３２）の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ／放電側蓄電池（３１）の放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬ）に設定されていることを特徴とする。

本発明の第１実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。 第１実施形態の電力を供給する蓄電池の特性を示すグラフである。 第１実施形態の充電される蓄電池の特性を示すグラフである。 第１実施形態の制御処理を示すフローチャートである。 第１実施形態の充電工程を示すタイミング図である。 本発明の第２実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る電力供給システムを示すブロック図である。

以下に、図面を参照しながら開示された発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。また、後続の実施形態においては、先行する実施形態で説明した事項に対応する部分に百以上の位だけが異なる参照符号を付することにより対応関係を示し、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
図１において、本発明の第１実施形態に係る電力供給システム１は、一般的な住宅、または事業所において構築される。電力供給システム１は、直流電力を送電するための直流電力網１ａを備える。絶縁型充電装置４は、平滑コンデンサ１ｂを備える。平滑コンデンサ１ｂは、直流電力網１ａの正極線と負極線との間に設けられている。平滑コンデンサ１ｂは、直流電力網１ａにおける電圧変動を抑制する。

電力供給システム１は、直流電力網１ａに接続された電源機器２を備える。電源機器２は、系統電源２１を含むことができる。系統電源２１は、広域電力網を経由して電力事業者から供給される。系統電源２１は、商用電源とも呼ばれる。系統電源２１は、例えば単相三線電力である。系統電源２１と直流電力網１ａとの間には、双方向型のＡＣ／ＤＣコンバータ２１ａが設けられる。系統電源２１から供給される電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１ａを経由して直流電力網１ａに供給される。

電源機器２は、ひとつまたは複数の小規模発電施設を含むことができる。電源機器２は、太陽光を電力に変換する太陽光発電施設、例えば、太陽電池２２を備えることができる。太陽電池２２と直流電力網１ａとの間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａが設けられる。太陽電池２２において発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａを経由して直流電力網１ａに供給される。電源機器２は、風力、水力などの動力を電力に変換する動力発電施設、例えば風力発電機２３を備えることができる。風力発電機２３と直流電力網１ａとの間には、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３ａが設けられる。風力発電機２３において発電された電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２３ａを経由して直流電力網１ａに供給される。電源機器２は、電気化学的な反応を利用して電力を得る発電施設、例えば燃料電池２４を備えることができる。燃料電池２４と直流電力網１ａとの間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ａが設けられる。燃料電池２４において発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４ａを経由して直流電力網１ａに供給される。

電力供給システム１は、直流電力網１ａに接続された第１の蓄電池３１を備える。蓄電池３１は、電力供給システム１に常設されている。蓄電池３１は、定置型の大容量リチウム二次電池によって提供される。蓄電池３１は、電力供給システム１における電力蓄積のために利用される。蓄電池３１は、電源機器２によって充電される。蓄電池３１は、電力供給システム１に接続される負荷へ給電することができる。よって、蓄電池３１は、電力供給システム１における電源機器のひとつとして考えることもできる。

電力供給システム１は、電力供給システム１と接続、および分離が可能な第２の蓄電池３２を備える。蓄電池３２は、大容量リチウム二次電池によって提供される。蓄電池３２は、移動可能である。蓄電池３２は、道路走行車両を含む移動体の移動用動力源として、移動体に搭載されている。蓄電池３２は、電力供給システム１から少なくとも充電される。蓄電池３２は、電力供給システム１において充電されるために、利用者の操作、または自動制御によって電力供給システム１に接続される。蓄電池３２は、蓄電池３１、および電源機器２から充電される。蓄電池３２は、電力供給システム１における負荷である。

蓄電池３２は、充電される充電側蓄電池３２とも呼ばれる。蓄電池３２の端子間の電圧は、充電側電圧Ｖ２とも呼ばれる。蓄電池３１は、充電側蓄電池を充電するために放電される放電側蓄電池３１とも呼ばれる。蓄電池３１の端子間の電圧は、放電側電圧Ｖ１とも呼ばれる。この構成は、放電側蓄電池３１からの放電によって、充電側蓄電池３２を急速に充電するために有効である。

電源機器２によって蓄電池３１を充電し、蓄電池３１に蓄積された電力によって蓄電池３２を充電するシステムは、蓄電池３２の急速な充電のために有利である。電源機器２は、電力コストを抑制するために、またはその発電能力の制限のために、蓄電池３２への急速充電に適さない場合があるからである。この実施形態では、有利なコストで、または長時間をかけて蓄電池３１に充電し、蓄電池３１から急速に放電することにより、蓄電池３２への急速充電を可能とする。

蓄電池３２は、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車などの電動車両の走行用モータに給電するための動力用電池である。また、蓄電池３２は、冷凍車の電動冷凍装置に給電するための補機用電池でもよい。また、蓄電池３２は、電動車両の電動空調装置に給電するための補機用電池でもよい。

図２に図示されるように、蓄電池３１の電圧Ｖ１は、充電量ＳＯＣに応じて変化する。ＳＯＣ（State Of Charge）は、蓄電池３１の充電割合を示す。電圧Ｖ１は、過放電の近傍において急激に低下する。電圧Ｖ１は、満充電の近傍において急激に上昇する。蓄電池３１は、電圧Ｖ１が最低電圧Ｖ１ｍｉｎと最高電圧Ｖ１ｍａｘとの間になるように制御される。最低電圧Ｖ１ｍｉｎは、過放電電圧とも呼ばれる。最高電圧Ｖ１ｍａｘは、過充電電圧とも呼ばれる。

蓄電池３１から放電するとき、蓄電池３１の電圧Ｖ１は、充電量ＳＯＣ＝１０％の近傍において急激に低下する。この充電量ＳＯＣ＝１０％における電圧Ｖ１は、放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬと呼ばれる。放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬは、放電する側の蓄電池３１からの放電を許容できる下限値である。蓄電池３１へ充電するとき、蓄電池３１の電圧Ｖ１は、充電量ＳＯＣ＝９０％の近傍において急激に上昇する。充電量ＳＯＣ＝９０％における電圧Ｖ１は、充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨと呼ばれる。充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨは、蓄電池３１を定電流充電制御によって充電できる上限値である。

図３に図示されるように、蓄電池３２の電圧Ｖ２は、充電量ＳＯＣに応じて変化する。ＳＯＣは、蓄電池３２の充電割合を示す。電圧Ｖ２は、過放電の近傍において急激に低下する。電圧Ｖ２は、満充電の近傍において急激に上昇する。蓄電池３２は、電圧Ｖ２が最低電圧Ｖ２ｍｉｎと最高電圧Ｖ２ｍａｘとの間になるように制御される。最低電圧Ｖ２ｍｉｎは、過放電電圧とも呼ばれる。最高電圧Ｖ２ｍａｘは、過充電電圧とも呼ばれる。

蓄電池３１から放電するとき、蓄電池３２の電圧Ｖ２は、充電量ＳＯＣ＝１０％の近傍において急激に低下する。この充電量ＳＯＣ＝１０％における電圧Ｖ２は、放電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＬと呼ばれる。放電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＬは、蓄電池３２からの放電を許容できる下限値である。蓄電池３２へ充電するとき、蓄電池３２の電圧Ｖ２は、充電量ＳＯＣ＝９０％の近傍において急激に上昇する。充電量ＳＯＣ＝９０％における電圧Ｖ２は、充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨと呼ばれる。充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨは、蓄電池３２を定電流充電制御によって充電できる上限値である。言い換えると、充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨは、充電可能な状態にある蓄電池３２を定電流充電制御によって充電できる上限値である。よって、充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨは、定電流充電制御による充電を開始した後に、定電流充電制御による充電を停止すべき上限値である。充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨは、定電流充電制御から定電圧充電制御への切換え電圧ともいえる。

蓄電池３１と蓄電池３２とは、ほぼ同じ性能をもつ電池である。蓄電池３１の開放電圧（電圧）の電圧変動範囲Ｖ１ｍｉｎ−Ｖ１ｍａｘと、蓄電池３２の開放電圧（電圧）の電圧変動範囲Ｖ２ｍｉｎ−Ｖ２ｍａｘとは、重複している。それらの変動範囲は、互いに近い関係にあるといえる。それらの変動範囲は、ほぼ同じである。充電側蓄電池３２の電圧変動範囲と、放電側蓄電池３１の電圧変動範囲とは、放電側蓄電池３１から放電された電力を充電側蓄電池３２に充電する充電工程において電圧の大小関係が反転することがある関係にある。この実施例は、充電工程において電圧の大小関係が反転するほどに近い電圧変動範囲をもつ２つの蓄電池の間における電力授受に適した絶縁型充電装置を提供する。

蓄電池３１の容量は、蓄電池３２を急速充電するために適した容量に設定されている。蓄電池３１に蓄えられた電力を、蓄電池３２に転送できるように蓄電池３１と蓄電池３２との性能は設定されている。蓄電池３１の容量と、蓄電池３２の容量とはほぼ等しい。蓄電池３１から放電し、その放電された電力を蓄電池３２へ充電する過程において、蓄電池３１の電圧Ｖ１と蓄電池３２の電圧Ｖ２との大小関係は逆転する。充電過程の初期においては、それらの関係はＶ１＞Ｖ２である。充電過程の途中の所定の反転時期において、Ｖ１＝Ｖ２となる。さらに、充電過程の終期においては、Ｖ１＜Ｖ２となる。

図１に戻り、電力供給システム１は、絶縁型充電装置４を備える。絶縁型充電装置４は、直流電力網１ａと蓄電池３２との間、すなわち一次電池３１と蓄電池３２との間に配置される。絶縁型充電装置４は、蓄電池３１が接続された直流電力網１ａから供給される電力によって、蓄電池３２を充電する。

絶縁型充電装置４は、絶縁トランス１０を備える。絶縁トランス１０は、一次巻線１１と、一次巻線から絶縁された二次巻線１２とを備える。一次巻線１１は、直流電力網１ａに、すなわち一次電池３１に接続された巻線である。二次巻線１２は、接続および分離が可能な蓄電池３２と接続可能な巻線である。絶縁型充電装置４は、絶縁トランス１０を経由して、蓄電池３２を充電する。

絶縁トランス１０の一次巻線１１の巻き数ｎ１と、二次巻線１２の巻き数ｎ２とは、ｎ１：ｎ２＝Ｖ１ｎｏｍＬ：Ｖ２ｎｏｍＨに設定してある。よって、絶縁トランス１０の巻き数比ｎ２／ｎ１は、ｎ２／ｎ１＝（充電側の蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ／放電側の蓄電池３１の放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬ）に設定されている。Ｖ２ｎｏｍＨとＶ１ｎｏｍＬとは所定の微小差内にあるから、巻き数比ｎ２／ｎ１は、１に近い。一次巻線１１に印加される一次電圧Ｖｐは、蓄電池３１の電圧Ｖ１である。よって、二次巻線１２に表れる二次電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｖ２ｎｏｍＨ／Ｖ１ｎｏｍＬ×Ｖ１により与えられる。この構成によると、蓄電池３１の電圧が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬに到達する前の長い期間にわたって蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回る二次電圧Ｖｓが供給される。

蓄電池３１の電圧Ｖ１が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬを上回るとき、二次電圧Ｖｓは、蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回る。電圧Ｖ１が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬと等しいとき、二次電圧Ｖｓは、蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨである。電圧Ｖ１が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬを下回るとき、二次電圧Ｖｓは、蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを下回る。

絶縁型充電装置４は、制御装置４１を備える。制御装置４１は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを非一時的に格納している。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクによって提供されうる。プログラムは、制御装置によって実行されることによって、制御装置４１をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される制御方法を実行するように制御装置４１を機能させる。制御装置４１が提供する手段は、所定の機能を達成する機能的ブロック、またはモジュールとも呼ぶことができる。

制御装置４１は、絶縁型充電装置４に含まれる複数のスイッチ素子を駆動する。制御装置４１は、蓄電池３２へ供給される充電電流を所定の目標値に維持するように絶縁型充電装置４を制御しながら蓄電池３２を充電する定電流充電制御を実行するための定電流充電制御手段４１ａを備える。さらに、制御装置４１は、蓄電池３２へ供給される充電電圧を所定の目標値に維持するように絶縁型充電装置４を制御しながら蓄電池３２を充電する定電圧充電制御を実行するための定電圧充電制御手段４１ｂを備える。

定電流充電制御と定電圧充電制御とは、自動的に切換えられる。定電流充電制御は、蓄電池３２の充電量が少ないとき、蓄電池３２を急速に充電するために実行される。定電流充電制御は、蓄電池３２を急速に充電するために、比較的大きい大電流を流す。定電圧充電制御は、蓄電池３２が満充電に近づいた後に、蓄電池３２の充電量を安定させるために実行される。定電圧充電制御は、蓄電池３２の過充電を回避しながら、蓄電池３２を十分に充電するために、比較的小さい電流を流す。

定電流充電制御は、充電開始後の充電初期において実行される。定電圧充電制御は、充電後期、典型的な充電工程においては充電終期の短期間だけ実行される。定電流充電制御から低電圧充電制御への切換えは、蓄電池３２の充電量もしくは電圧Ｖ２に基づいて自動的に実行することができる。制御装置４１は、蓄電池３２の電圧Ｖ２が蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを下回るとき蓄電池を定電流で充電する定電流充電制御を実行する。制御装置４１は、電圧Ｖ２が充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ以上のとき蓄電池３２を定電圧で充電する定電圧充電制御を実行する。これに代えて、例えば、蓄電池３２の充電量ＳＯＣが満充電に近い所定の閾値を下回る場合には、定電流充電制御を実行し、蓄電池３２の充電量ＳＯＣが上記閾値を上回ると、低電圧充電制御を実行するように制御装置４１を構成してもよい。

絶縁型充電装置４は、一次側フルブリッジ回路５を備える。一次側フルブリッジ回路５は、４つのスイッチ素子５１、５２、５３、５４を備える。スイッチ素子５１、５２、５３、５４はパワーＭＯＳＦＥＴである。パワーＭＯＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴ素子と、逆接続ダイオードと、容量成分との並列回路をもつ。一次側フルブリッジ回路５は、直流電力網１ａと、一次巻線１１との間、すなわち蓄電池３１と一次巻線１１との間に設けられている。一次側フルブリッジ回路５の直流端には直流電力網１ａが接続されている。一次側フルブリッジ回路５の交流端には一次巻線１１が接続されている。一次側フルブリッジ回路５は、直流電力網１ａから供給される直流電力、すなわち蓄電池３１から供給される直流電力を交流電力に変換し、一次巻線１１に供給する。一次側フルブリッジ回路５は、直流電源２、３１から供給される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を一次巻線１１に供給するスイッチング回路を提供する。

絶縁型充電装置４は、二次側フルブリッジ回路６を備える。二次側フルブリッジ回路６は、４つのスイッチ素子６１、６２、６３、６４を備える。スイッチ素子６１、６２、６３、６４は、整流素子である。スイッチ素子６１、６２、６３、６４は、ダイオードである。二次側フルブリッジ回路６は、二次巻線１２と、後述する電圧変換回路７との間に設けられている。二次側フルブリッジ回路６の交流端には二次巻線１２が接続されている。二次側フルブリッジ回路６の直流端には電圧変換回路７が接続されている。二次側フルブリッジ回路６は、二次巻線１２から供給される交流電力を直流電力に変換し、電圧変換回路７に供給する。二次側フルブリッジ回路６は、二次巻線１２に誘起される交流電力を直流電力に整流する整流回路６とも呼ばれる。二次側フルブリッジ回路６の直流端に表れる電圧は、二次側電圧Ｖｓと呼ばれる。

絶縁型充電装置４は、電圧変換回路７を備える。電圧変換回路７は、絶縁トランス１０の二次側に設けられている。電圧変換回路７は、絶縁トランス１０と蓄電池３２との間に設けられている。電圧変換回路７は、二次側フルブリッジ回路６と蓄電池３２との間に設けられている。電圧変換回路７は、リアクトル７１、ローサイドのスイッチ素子７２、およびハイサイドのスイッチ素子７３を備える。スイッチ素子７２はパワーＭＯＳＦＥＴである。スイッチ素子７３は、ダイオードである。

電圧変換回路７は、二次側フルブリッジ回路６から出力される直流電力を断続するスイッチ素子７２のスイッチングにより二次側フルブリッジ回路６から出力される直流電力の電圧を変換し、変換された直流電力を蓄電池３２に供給する。電圧変換回路７は、スイッチ素子７２がスイッチング駆動されることにより、二次側フルブリッジ回路６から供給される直流電圧を昇圧し、昇圧された直流電力を蓄電池３２に供給する。電圧変換回路７は、リアクトル７１に流れる電流を断続することにより電圧を昇圧するチョッパ昇圧回路とも呼ばれる。

電圧変換回路７は、スイッチ素子７２のスイッチングにより電圧変換された直流電力、および二次側フルブリッジ回路６から出力される直流電力を選択的に蓄電池３２に供給することができる。この構成によると、電圧変換回路７は、スイッチングにより電圧変換された直流電力、または二次側フルブリッジ回路６から出力される直流電力を蓄電池３２に供給する。絶縁トランス１０の二次電圧Ｖｓが蓄電池３２の充電に不適切であるときでも、スイッチングにより電圧変換された直流電力を蓄電池３２に供給することにより蓄電池３２を充電できる。また、絶縁トランス１０の二次電圧Ｖｓが蓄電池３２の充電に適するときには、二次側フルブリッジ回路６から出力される直流電力を蓄電池３２に供給することにより蓄電池３２を充電できる。よって、蓄電池３２の充電に適した絶縁型充電装置４が提供される。

絶縁型充電装置４は、チョークコイル４２と、チョークコイル４２の前後において両極間に接続されたコンデンサ４３、４４とを備える。チョークコイル４２とコンデンサ４３、４４とは、パイ型フィルタ回路を構成する。

図４に図示されるように、制御装置４１は、充電制御処理１８０を実行する。ステップ１８１では、制御装置４１は、蓄電池３２への充電が必要であるか否かを判定する。ここでは、電圧Ｖ２が所定の閾値電圧Ｖｔｈを下回るか否かを判定する。Ｖ２＜Ｖｔｈが否定される場合、すなわち充電が不要である場合、ステップ１８２へ進む。ステップ１８２では、制御装置４１は、一次側フルブリッジ回路５を停止する。すなわち、スイッチ素子５１−５４をＯＦＦ状態に維持する。ステップ１８３では、制御装置４１は、電圧変換回路７を停止する。すなわち、スイッチ素子７２をＯＦＦ状態に維持する。ステップ１８１−１８３の一連の処理により、絶縁型充電装置４は停止状態に制御される。この結果、蓄電池３２は充電されない。

ステップ１８１においてＶ２＜Ｖｔｈが肯定される場合、ステップ１８４に進む。ステップ１８４では、制御装置４１は、蓄電池３２の充電状態は定電流充電が可能な状態か否かを判定する。ここでは、電圧Ｖ２が充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを下回るか否かを判定する。Ｖ２＜Ｖ２ｎｏｍＨが肯定判定される場合、すなわち定電流充電制御が可能である場合、ステップ１８５へ進む。ステップ１８５では、制御装置４１は、定電流充電制御のために必要な駆動信号を設定する。ここでは、定電流充電制御を実行するためのスイッチ素子の駆動信号が設定される。具体的には、スイッチ素子のスイッチング周波数ｆとスイッチングデューティＤｕｔｙが設定される。

ステップ１８４においてＶ２＜Ｖ２ｎｏｍＨが否定判定される場合、すなわち定電流充電制御が不可能である場合、ステップ１８６へ進む。ステップ１８６では、制御装置４１は、定電圧充電制御のために必要な駆動信号を設定する。ここでは、定電圧充電制御を実行するためのスイッチ素子の駆動信号が設定される。具体的には、スイッチ素子のスイッチング周波数ｆとスイッチングデューティＤｕｔｙが設定される。

ステップ１８４−１８６の処理により、定電流充電制御を実行するための定電流充電制御手段と、定電圧充電制御を実行するための定電圧充電制御手段とが提供される。さらに、ステップ１８４−１８６の処理により、定電流充電制御と定電圧充電制御とを切換える切換手段が提供される。

ステップ１８７では、制御装置４１は、二次巻線１２の両端に表れる二次電圧Ｖｓを算出する。二次電圧Ｖｓは、蓄電池３１の電圧Ｖ１に基づいて、Ｖｓ＝Ｖ２ｎｏｍＨ／Ｖ１ｎｏｍＬ×Ｖ１として算出することができる。二次電圧Ｖｓは、二次側フルブリッジ回路６の直流端の電圧でもある。

ステップ１８８では、制御装置４１は、一次側フルブリッジ回路５を作動させる。ここでは、スイッチ素子５１−５４を、ステップ１８５またはステップ１８６で設定された周波数とデューティとでスイッチング駆動する。この結果、絶縁トランス１０の一次巻線１１が励起され、二次巻線１２に巻き数比に対応した電力が誘起される。

ステップ１８９では、制御装置４１は、電圧変換回路７の作動が必要か否かを判定する。ここでは、二次電圧Ｖｓが電圧Ｖ２を下回るか否かを判定する。Ｖｓ＜Ｖ２が否定判定される場合、ステップ１８３へ進む。二次電圧Ｖｓが電圧Ｖ２以上である場合、電圧変換回路７により昇圧は不要である。この場合、制御装置４１は、電圧変換回路７を停止する。すなわち、スイッチ素子７２をＯＦＦ状態に維持する。よって、二次電圧Ｖ２がそのまま蓄電池３２に供給される。

この実施形態では、蓄電池３１から蓄電池３２へ充電する絶縁型充電装置４においては、充電工程の進展に伴って蓄電池３１の電圧が低下し、蓄電池３２の電圧が上昇する。さらに、蓄電池３１の電圧Ｖ１と、蓄電池３２の電圧Ｖ２とが充電工程の途中の反転時刻において反転する。このような絶縁型充電装置４の用途においては、電圧変換回路７を常時、昇圧動作するように駆動すると高い効率を実現できない。

これに対して、この実施形態では、ステップ１８９からステップ１８３へ分岐する場合、定電流充電制御が実行される場合でも、定電圧充電制御が実行される場合でも、いずれの場合においても、電圧変換回路７を停止しながら、蓄電池３２への充電を継続することがある。よって、スイッチ素子におけるスイッチング損失が抑制される。

ステップ１８９において、Ｖｓ＜Ｖ２が肯定判定される場合、ステップ１９０へ進む。ステップ１９０では、制御装置４１は、電圧変換回路７を作動させる。すなわち、スイッチ素子７２を、ステップ１８５またはステップ１８６で設定された周波数とデューティとでスイッチング駆動する。この結果、二次電圧Ｖｓは昇圧されて蓄電池３２に印加され、蓄電池３２が充電される。

この結果、電圧変換回路７は、絶縁トランス１０の二次電圧Ｖｓが蓄電池３２の電圧Ｖ２を上回るとき、スイッチ素子７２のスイッチングを停止して二次側スイッチング回路６、すなわち二次側フルブリッジ回路６から出力される直流電力を蓄電池３２に供給する。電圧変換回路７は、絶縁トランス１０の二次電圧Ｖｓが蓄電池３２の電圧Ｖ２を下回るとき、スイッチ素子７２のスイッチングにより二次側フルブリッジ回路６から出力される直流電力の電圧を昇圧し、昇圧された直流電力を蓄電池３２に供給する。この構成によると、スイッチ素子７２のスイッチングが停止されるときにスイッチング損失を抑制することができる。

図５において、蓄電池３１から蓄電池３２への充電工程の一例が図示されている。時刻ｔ０において、充電工程が開始される。充電される蓄電池３２の電圧Ｖ２が所定の閾値電圧Ｖｔｈを下回っている場合、充電が実行される。時刻ｔ０においては、電圧Ｖ２は、閾値電圧Ｖｔｈを下回り、しかも電圧Ｖ２は充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨをも下回っている。よって、定電流充電制御が実行される。開始時刻ｔ０から切換時刻ｔｓまで定電流充電制御が実行される。この期間に、電圧Ｖ２は徐々に上昇する。電流Ｉ２はほぼ一定値に制御される。充電量Ｓ２は徐々に増加する。切換時刻ｔｓにおいて、電圧Ｖ２が充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回ると、定電流充電制御が終了され、定電圧充電制御が開始される。この結果、電流Ｉ２は低下する。切換時刻ｔｓの後、電圧Ｖ２は定電流充電制御が実行されていた期間よりもゆっくりと徐々に上昇する。充電量Ｓ２もゆっくりと徐々に増加する。終了時刻ｔｆにおいて充電工程の終了条件が満たされると、充電工程が終了する。例えば、所定の閾値時間を経過すると充電工程を終了することができる。また、電圧Ｖ２が所定の終了電圧まで到達すると充電工程を終了することができる。また、充電量Ｓ２が所定の終了充電量まで到達すると充電工程を終了することができる。

以上に説明したこの実施形態の典型的な作動例にひとつにおいては、蓄電池３２の電圧Ｖ２が充電が必要なほどの低い水準に落ちた状態から、充電工程が開始される。充電工程の開始時においては、蓄電池３１は電源機器２から充電され、電圧Ｖ１が高い水準にある。電圧Ｖ１は電圧Ｖ２を上回る状態にある。このような状態において、蓄電池３１から蓄電池３２への充電工程が開始されると、まず、定電流充電制御が実行される。定電流充電制御により、蓄電池３１から蓄電池３２へ大電流が供給され、蓄電池３２は急速充電される。やがて、電圧Ｖ２が充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回ると、定電流充電制御が停止され、定電圧充電制御が開始される。定電圧充電制御により、蓄電池３２は満充電になるようにゆっくりと充電される。蓄電池３２が満充電されると、充電工程が終了する。

上記充電工程において、蓄電池３１の電圧Ｖ１が充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨを上回る場合、二次電圧Ｖｓは蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回る。すなわち、Ｖｓ＞Ｖ２ｎｏｍＨである。二次電圧Ｖｓには、蓄電池３２を定電流充電制御または定電圧充電制御で充電するために必要な、十分に高い電圧が得られる。

蓄電池３１から蓄電池３２への充電が開始されてから、電圧Ｖ１が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬに低下するまでの期間は、蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回る二次電圧Ｖｓが得られる。この期間においては、電圧変換回路７のスイッチ素子７２はスイッチング制御されない。このため、スイッチング損失が抑制される。この期間、絶縁型充電装置４は、電圧変換回路７による昇圧を必要とすることなく、ダイオード７３を経由して二次電圧Ｖｓを蓄電池３２に供給することができる。この期間においては、絶縁型充電装置４は、電圧変換回路７による昇圧を必要とすることなく、二次電圧Ｖｓを蓄電池３２に供給し、蓄電池３２を充電することができる。よって、この期間は、昇圧不要期間と呼ぶことができる。

放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬは、放電される蓄電池３１が有する特性値Ｖ１ｎｏｍＨ、Ｖ１ｎｏｍＬの中でも低い値である。よって、電圧Ｖ１が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬに低下するまでの長い期間を昇圧不要期間とすることができる。

しかも、絶縁トランス１０の巻き数比ｎ２／ｎ１が過剰に大きく設定されないから、二次電圧Ｖｓが過剰に高くなることがなく、蓄電池３２の充電に適した絶縁型充電装置４が提供される。

電圧Ｖ１が放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬに到達すると、二次電圧Ｖｓは蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ以下となる。このような場合、二次電圧Ｖｓだけでは、蓄電池３２を充電できない場合がある。例えば、定電圧充電制御が実行されるとき、電圧Ｖ２は充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回っているから、上記二次電圧Ｖｓでは蓄電池３２は充電できない。このような場合、制御装置４１は、二次電圧Ｖｓを蓄電池３２の電圧を上回るように昇圧するために、電圧変換回路７のスイッチ素子７２をスイッチング制御する。よって、二次電圧Ｖｓが充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを下回っても、電圧変換回路７によって蓄電池３２を充電するために必要な電圧が供給される。この結果、定電圧充電制御においても、蓄電池３２を充電するために必要な電圧が供給される。

この実施形態では、絶縁トランス１０の二次側に電圧変換回路７が設けられている。このため、電圧変換回路７により昇圧された電圧は、一次側フルブリッジ回路５と二次側フルブリッジ回路６とには印加されない。この結果、一次側フルブリッジ回路５と二次側フルブリッジ回路６とにおいて、電圧変換回路７における昇圧に耐える高い耐圧性を要しない。よって、蓄電池３１から蓄電池３２への充電に適した絶縁型充電装置４が提供される。しかも、過剰な高耐圧部品を要することなく構成することができる絶縁型充電装置４が提供される。

さらに、この実施形態では、可能な限り長い期間、ひとつの望ましい作動状態においては定電流充電制御が実行される長い期間にわたって、二次電圧Ｖｓが充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨを上回るように絶縁トランス１０の巻き数比が設定されている。しかも、二次電圧Ｖｓが電圧Ｖ２を上回るときには電圧変換回路７を停止させている。このため、蓄電池３１から蓄電池３２への充電に適し、しかも損失が少ない絶縁型充電装置４を提供することである。

（第２実施形態）
図６において、本発明の第２実施形態に係る絶縁型充電装置２０４は、スナバ回路を備える。スナバ回路は、二次側フルブリッジ回路６の直流端子間に接続された抵抗器４５とコンデンサ４６との直列回路で構成される。スナバ回路は、二次側フルブリッジ回路６のリカバリー動作によるサージ電圧を抑制する。さらに、絶縁型充電装置４は、リップル低減のためのノーマルコイル４７と、直流電圧の安定化のためのコンデンサ４８とを備える。ノーマルコイル４７は、二次側フルブリッジ回路６の直流端と電圧変換回路７との間に直列接続されている。コンデンサ４８は、電圧変換回路７の入力側に並列接続されている。

（第３実施形態）
図７において、本発明の第３実施形態に係る絶縁型充電装置３０４は、電流共振型コンバータを構成する。絶縁トランス１０は、一次巻線１１に対して並列の電圧共振用のコンデンサ１３と、一次巻線１１に対して直列の電流共振用のコンデンサ１４とを有する。電流共振型コンバータを構成することにより、ソフトスイッチング動作が得られる。

（第４実施形態）
図８において、本発明の第４実施形態に係る絶縁型充電装置４０４は、スイッチ素子６５、６６、６７、６８により構成された二次側フルブリッジ回路４０６と、双方向に電圧変換が可能な電圧変換回路４０７とを備える。二次側フルブリッジ回路４０６を構成するスイッチ素子６５、６６、６７、６８は、ＭＯＳＦＥＴ素子と、逆接続ダイオードと、容量成分との並列回路をもつ。この構成では、制御装置４１は、二次側フルブリッジ回路４０６によって低電力を整流する低電力変換時に、スイッチ素子６５、６６、６７、６８をアクティブにスイッチングすることにより同期整流する。これにより、低電力変換時の損失を抑制することができる。

また、電圧変換回路４０７は、スイッチ素子７４を備える。電圧変換回路４０７は、双方向に通電可能な回路を提供する。制御装置４１は、蓄電池３２から電力供給システム１および蓄電池３１へ給電するときに、スイッチ素子７４をＯＮ状態に駆動する。さらに、制御装置４１は、二次側フルブリッジ回路４０６を直交変換回路として駆動し、一次側フルブリッジ回路５を整流回路として駆動する。この結果、蓄電池３２から蓄電池３１への逆方向の給電が可能である。

（他の実施形態）
以上、開示された発明の好ましい実施形態について説明したが、開示された発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、開示された発明の技術的範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。開示された発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

例えば、制御装置が提供する手段と機能は、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置をアナログ回路によって構成してもよい。

上記実施形態では、蓄電池３２は、道路走行車両に搭載した。これに代えて、蓄電池３２は、利用者が携行可能な可搬型電池としてもよい。また、蓄電池３２は、定置型電池としてもよい。

上記実施形態では、絶縁トランス１０の巻き数比ｎ２／ｎ１は、ｎ２／ｎ１＝（充電側蓄電池（３２）の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ／放電側蓄電池（３１）の放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬ）＝ＮＨとした。これに代えて、巻き数比ｎ２／ｎ１は、ｎ２／ｎ１＝（充電側蓄電池（３２）の放電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＬ／放電側蓄電池（３１）の充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨ）＝ＮＬとしてもよい。また、巻き数比ｎ２／ｎ１は、ＮＬ≦ｎ２／ｎ１≦ＮＨとしてもよい。

ｎ２／ｎ１＝Ｖ２ｎｏｍＬ／Ｖ１ｎｏｍＨ＝である場合も、Ｖ２ｎｏｍＬとＶ１ｎｏｍＨとは所定の微小差内にあるから、巻き数比ｎ２／ｎ１は、１に近い。二次巻線１２に表れる二次電圧Ｖｓは、Ｖｓ＝Ｖ２ｎｏｍＬ／Ｖ１ｎｏｍＨ×Ｖ１により与えられる。

蓄電池３１の電圧Ｖ１が充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨを上回るとき、二次電圧Ｖｓは、蓄電池３２の放電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＬを上回る。電圧Ｖ１が充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨと等しいとき、二次電圧Ｖｓは、蓄電池３２の放電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＬである。電圧Ｖ１が充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨを下回るとき、二次電圧Ｖｓは、蓄電池３２の放電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＬを下回る。この形態によると、蓄電池３２の電圧Ｖ２が低い充電初期においては、二次電圧Ｖｓは電圧Ｖ２を上回る。よって、電圧変換回路７を作動させることなく、蓄電池３２を充電できる。このため、この形態によっても、スイッチング損失が抑制される。ただし、この形態では、電圧変換回路７を作動させることなく蓄電池３２を充電できる期間は、第１実施形態より短くなる。巻き数比ｎ２／ｎ１を、ＮＬ＜ｎ２／ｎ１≦ＮＨに設定することにより、電圧変換回路７を作動させることなく蓄電池３２を充電できる期間を長くすることができる。

絶縁トランス１０の巻き数比ｎ２／ｎ１は、分母を放電側の蓄電池３１の放電を停止したい電圧に設定し、分子を定電流充電制御において蓄電池３２を充電するために必要な電圧に設定することにより、蓄電池３１が最大限に放電するまでの長期間にわたって、二次側フルブリッジ回路６の出力で蓄電池３２を充電できるから、電圧変換回路７のスイッチング損失を抑制することができる。上述の望ましい形態のひとつでは、分母を放電側の蓄電池３１の放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬの近傍に設定し、分子を充電側の蓄電池３２の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨの近傍に設定している。

上記実施形態では、蓄電池３１の特性は、蓄電池３２の特性とわずかに異なっている。これに代えて、蓄電池３１と蓄電池３２とに同じ特性をもつ電池を利用してもよい。

１ 電力供給システム、 ２ 電源機器、
３１ 蓄電池、 ３２ 蓄電池、
４、２０４、３０４、４０４ 絶縁型充電装置、
５ 一次側フルブリッジ回路、
６、４０６ 二次側フルブリッジ回路、
７、４０７ 電圧変換回路、
１０ 絶縁トランス、 １１ 一次巻線、 １２ 二次巻線、
４１ 制御装置。

Claims (8)

1. 直流電源（２、３１）から供給される直流電力により蓄電池（３２）を充電する絶縁型充電装置（４、２０４、３０４、４０４）において、
   一次巻線、および前記一次巻線から絶縁された二次巻線を有する絶縁トランス（１０）と、
   前記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を前記一次巻線に供給するスイッチング回路（５）と、
   前記二次巻線に誘起される交流電力を直流電力に整流する整流回路（６、４０６）と、
   前記整流回路から出力される直流電力を断続するスイッチ素子（７２）のスイッチングにより前記整流回路から出力される直流電力の電圧を変換し、変換された直流電力を前記蓄電池（３２）に供給する電圧変換回路（７、４０７）とを備えることを特徴とする絶縁型充電装置。
2. 前記電圧変換回路（７、４０７）は、
   前記スイッチ素子のスイッチングにより電圧変換された直流電力、および前記整流回路から出力される直流電力を選択的に前記蓄電池（３２）に供給することを特徴とする請求項１に記載の絶縁型充電装置。
3. 前記電圧変換回路（７、４０７）は、
   前記絶縁トランス（１０）の二次電圧（Ｖｓ）が前記蓄電池（３２）の電圧（Ｖ２）を上回るとき、前記スイッチ素子（７２）のスイッチングを停止して前記整流回路から出力される直流電力を前記蓄電池（３２）に供給し、
   前記二次電圧が前記蓄電池（３２）の前記電圧を下回るとき、前記スイッチ素子のスイッチングにより前記整流回路から出力される直流電力の電圧を昇圧し、昇圧された直流電力を前記蓄電池に供給することを特徴とする請求項２に記載の絶縁型充電装置。
4. さらに、前記蓄電池（３２）の電圧（Ｖ２）が前記蓄電池（３２）の充電終止電圧（Ｖ２ｎｏｍＨ）を下回るとき前記蓄電池を定電流で充電する定電流充電制御を実行し、前記蓄電池（３２）の前記電圧（Ｖ２）が前記充電終止電圧（Ｖ２ｎｏｍＨ）以上のとき前記蓄電池を定電圧で充電する定電圧充電制御を実行する制御装置（４１）を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の絶縁型充電装置。
5. 前記蓄電池（３２）は充電される充電側蓄電池（３２）を提供し、
   前記直流電源は、前記充電側蓄電池を充電するために放電される放電側蓄電池（３１）を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の絶縁型充電装置。
6. 前記充電側蓄電池（３２）の電圧変動範囲と、前記放電側蓄電池（３１）の電圧変動範囲とは、前記放電側蓄電池から放電された電力を前記充電側蓄電池に充電する充電工程において電圧の大小関係が反転することがある関係にあることを特徴とする請求項５に記載の絶縁型充電装置。
7. 前記絶縁トランスの巻き数比（ｎ２／ｎ１）は、
   ＮＬ＝（充電側蓄電池（３２）の放電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＬ／放電側蓄電池（３１）の充電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＨ）とし、
   ＮＨ＝（充電側蓄電池（３２）の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ／放電側蓄電池（３１）の放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬ）として、
   ＮＬ≦ｎ２／ｎ１≦ＮＨに設定されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の絶縁型充電装置。
8. 前記絶縁トランスの巻き数比（ｎ２／ｎ１）は、
   ｎ２／ｎ１＝（充電側蓄電池（３２）の充電終止電圧Ｖ２ｎｏｍＨ／放電側蓄電池（３１）の放電終止電圧Ｖ１ｎｏｍＬ）に設定されていることを特徴とする請求項７に記載の絶縁型充電装置。

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