JP2015100178A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】車両の状況に適した電圧変換動作に切り替えできる、電力変換装置及び電力変換方法を提供すること。【解決手段】複数のポートを有し、前記複数のポート間で電力を変換する電力変換装置であって、第１のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を第２のポートに出力する第１の電圧変換部と、前記第２のポートと第３のポートのうち、一方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を他方のポートに出力する第１の動作、又は前記他方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を前記一方のポートに出力する第２の動作をする第２の電圧変換部とを備え、前記第２の電圧変換部は、前記一方のポートの電力が不足する車両状況が前記第１の動作をしているときに検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替えることを特徴とする、電力変換装置。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のポート間で電力を変換する技術に関する。
従来、複数のポート間で電力を変換する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この電力変換装置は、ポートの電圧を昇圧又は降圧する電圧変換動作を行う昇降圧回路をポート間に備えている。
特開２０１１−１９３７１３号公報
しかしながら、ポートに要求される電力は車両の状況に応じて変動する。そのため、昇降圧回路が車両の状況に適した電圧変換動作をしているとは限らない。そこで、車両の状況に適した電圧変換動作に切り替えできる、電力変換装置及び電力変換方法の提供を目的とする。
一つの案では、
複数のポートを有し、前記複数のポート間で電力を変換する電力変換装置であって、
第１のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を第２のポートに出力する第１の電圧変換部と、
前記第２のポートと第３のポートのうち、一方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を他方のポートに出力する第１の動作、又は前記他方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を前記一方のポートに出力する第２の動作をする第２の電圧変換部とを備え、
前記第２の電圧変換部は、前記一方のポートの電力が不足する車両状況が前記第１の動作をしているときに検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替えることを特徴とする、電力変換装置が提供される。
また、一つの案では、
複数のポート間で電力を変換する電力変換方法であって、
第１のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を第２のポートに出力する工程と、
前記第２のポートと第３のポートのうち、一方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を他方のポートに出力する第１の動作工程と、
前記一方のポートの電力が不足する車両状況が前記第１の動作工程のときに検出された場合、前記第１の動作工程を、前記他方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を前記一方のポートに出力する第２の動作工程に切り替える工程とを有することを特徴とする、電力変換方法が提供される。
一態様によれば、車両の状況に適した電圧変換動作に切り替えできる。
電力変換装置の構成例を示した図 電力変換方法の例を示した図 電力変換装置の構成例を示した図 制御部の構成例を示したブロック図 １次側回路及び２次側回路のスイッチング例を示したタイミングチャート
＜電源装置１００の構成＞
図１は、電力変換装置の一実施形態である電源装置１００の構成例を示したブロック図である。電源装置１００は、例えば、電源回路１１０と、制御部１５０と、センサ部１７０とを備えた電源システムである。電源装置１００は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車載の各負荷に配電するシステムである。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車などが挙げられる。電源装置１００は、エンジンを走行駆動源とする車両に搭載されてもよい。
電源回路１１０は、３つのポート１２１，１２２，１２３を有し、それらの３つのポート間のうち２つのポート間で電力を変換する電力変換回路である。ポート電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、それぞれ、ポート１２１，１２２，１２３における入出力電力（入力電力又は出力電力）である。ポート電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、それぞれ、ポート１２１，１２２，１２３における入出力電圧（入力電圧又は出力電圧）である。
第１のポート１２１は、例えば、高電圧系の電源１４１及び高電圧系の負荷１６１が接続される端子である。電源１４１及び負荷１６１は、例えば、２８８Ｖ系のシステムである。電源１４１の具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。電源１４１は、主機バッテリとも称される。負荷１６１の具体例として、直流を交流に変換するインバータなどが挙げられる。負荷１６１は、ポート１２１に接続されなくてもよい。電源１４１又は負荷１６１の個数は、単数でも複数でもよい。
第２のポート１２２は、例えば、中電圧系の負荷１６２が接続される端子である。負荷１６２は、例えば、２８８Ｖよりも低い４８Ｖ系のシステムである。負荷１６２の具体例として、車両の操舵操作をアシストするモータなどが挙げられる。車両の仕様に応じて、負荷１６２は、車両の姿勢を制御するモータであってもよいし、車両の制動力を制御するモータであってもよいし、これら以外の負荷であってもよい。負荷１６２の個数は、単数でも複数でもよい。
第３のポート１２３は、例えば、低電圧系の電源１４３及び低電圧系の負荷１６３が接続される端子である。電源１４３及び負荷１６３は、例えば、４８Ｖよりも低い１２Ｖ系のシステムである。電源１４３の具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。電源１４３は、補機バッテリとも称される。負荷１６３の具体例として、電子制御ユニット（いわゆる、ＥＣＵ）等のコンピュータ、センサ、ランプ、ワイパー、燃料ポンプなどが挙げられるが、負荷１６３は、これら以外の負荷であってもよい。電源１４３又は負荷１６３の個数は、単数でも複数でもよい。
電源回路１１０は、コンバータ１１１と、コンバータ１１２とを備えている。
コンバータ１１１は、ポート電圧Ｖ１を変換して電圧変換後のポート電力Ｐ２をポート１２２に出力する第１の電圧変換部である。具体的には、コンバータ１１１は、ポート電圧Ｖ１を降圧して降圧後のポート電力Ｐ２をポート１２２に出力する降圧動作をするＤＣ−ＤＣコンバータである。コンバータ１１１は、このような降圧動作をする降圧機能を有するだけでなく、ポート電圧Ｖ２を昇圧して昇圧後のポート電力Ｐ１をポート１２１に出力する昇圧動作をする昇圧機能も有する昇降圧部であってもよい。また、コンバータ１１１は、入出力間がトランス等の変圧器により絶縁されている絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータであるが、入出力間が変圧器により絶縁されていない非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。
コンバータ１１２は、ポート電圧Ｖ２を降圧して降圧後のポート電力Ｐ３をポート１２３に出力する降圧動作をするのか、ポート電圧Ｖ３を昇圧して昇圧後のポート電力Ｐ２をポート１２２に出力する昇圧動作をするのかを切り替える第２の電圧変換部である。コンバータ１１２は、非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータであるが、絶縁型のコンバータであってもよい。
コンバータ１１２は、ポート１２２に接続されるシステムの動作又はポート１２３に接続されるシステムの動作に影響を与える車両状況に応じて、降圧動作をするのか昇圧動作をするのかを切り替える昇降圧部である。コンバータ１１２がこのような昇降圧部であることにより、ポート１２２又はポート１２３に接続されるシステムが必要とする電力が車両状況に応じて変動しても、その車両状況に適した電圧変換動作（つまり、昇圧動作又は降圧動作）に切り替えできる。なお、図１の場合、ポート１２２に接続されるシステムは、負荷１６２であり、ポート１２３に接続されるシステムは、負荷１６３又は電源１４３である。
例えば、コンバータ１１２は、ポート１２２の電力が不足する車両状況が降圧動作をしているときに検出された場合、降圧動作をしていても、自身の電圧変換動作を降圧動作から昇圧動作に切り替える。コンバータ１１２がこのような場合に昇圧動作をすることによって、負荷１６２の動作に必要とする電力が不足することを抑制できる。また、この場合、コンバータ１１２が昇圧動作をしても、電源１４３から負荷１６３に電力を供給できるので、負荷１６３の動作に必要とする電力が不足することを抑制できる。
また、コンバータ１１２は、ポート１２２の電力が不足する車両状況が降圧動作をしているときに予測された場合、降圧動作をしていても、自身の電圧変換動作を降圧動作から昇圧動作に切り替える。これにより、ポート１２２の電力が実際に不足する前に降圧動作から昇圧動作に切り替えできるので、負荷１６２の動作に必要とする電力が不足することを未然に防止できる。
一方、例えば、コンバータ１１２は、ポート１２３の電力が不足する車両状況が昇圧動作をしているときに検出された場合、昇圧動作をしていても、自身の電圧変換動作を昇圧動作から降圧動作に切り替える。コンバータ１１２がこのような場合に降圧動作をすることによって、負荷１６３又は電源１４３の動作に必要とする電力が不足することを抑制できる。また、この場合、コンバータ１１２が降圧動作をしても、コンバータ１１１からポート１２２に接続される負荷１６２に電力を供給できるので、負荷１６２の動作に必要とする電力が不足することを抑制できる。
また、コンバータ１１２は、ポート１２３の電力が不足する車両状況が昇圧動作をしているときに予測された場合、昇圧動作をしていても、自身の電圧変換動作を昇圧動作から降圧動作に切り替える。これにより、ポート１２３の電力が実際に不足する前に昇圧動作から降圧動作に切り替えできるので、負荷１６３又は電源１４３の動作に必要とする電力が不足することを未然に防止できる。
センサ部１７０は、電源装置１００を搭載する車両の状況を検出又は予測する手段である。センサ部１７０は、現在又は将来の車両状況がポート１２２の電力が不足する状況であるのか、あるいは、現在又は将来の車両状況がポート１２３の電力が不足する状況であるのかを検出する。センサ部１７０の個数は単数でも複数でもよい。
コンバータ１１２は、例えば、負荷１６２が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることがコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替える。負荷１６２が所定値以上の大電力を必要とする動作をする状況は、コンバータ１１２が降圧動作をしている場合、ポート１２２の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、負荷１６２の動作状態を表す動作信号に基づいて、負荷１６２が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることを検出又は予測する。
このように、降圧動作から昇圧動作に切り替えることにより、負荷１６２の動作に必要とする電力の不足を抑制でき、負荷１６２の動作に電源１４３から供給される電力を充当できる。よって、負荷１６２の動作がポート１２２の電力不足によって影響を受けることを防止できる。
例えば、負荷１６２が車両の操舵操作をアシストするモータを有する場合であれば、ドライバーのステアリング操作によって車両が旋回している状況は、負荷１６２は大電力を必要とする。よって、コンバータ１１２は、例えば、車両の状況が操舵状態であることがセンサ部１７０によって検出された場合（例えば、ドライバーのステアリング操作角度又は操作トルクが所定の閾値以上であることが検出された場合）、降圧動作を昇圧動作に切り替える。あるいは、コンバータ１１２は、例えば、車両の状況が操舵状態になることがセンサ部１７０によって予測された場合（例えば、道路のカーブ及び交差点の位置を特定可能なカーナビゲーション情報に基づいて予測された場合）、降圧動作を昇圧動作に切り替える。
したがって、降圧動作から昇圧動作への切り替えにより、負荷１６３が特に大電力を消費している状態で、負荷１６２によるステアリング操作のアシスト力が電力供給不足で低下することを抑制でき、負荷１６２のアシスト動作を電源１４３でバックアップできる。
コンバータ１１２は、負荷１６２が所定値以上の大電力を必要としない動作をすることがコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、昇圧動作から降圧動作に切り替えて、降圧動作を行ってよい。
コンバータ１１２は、例えば、負荷１６３が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることがコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替える。負荷１６３が所定値以上の大電力を必要とする動作をする状況は、コンバータ１１２が降圧動作をしている場合、ポート１２２の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、負荷１６３の動作状態を表す動作信号に基づいて、負荷１６３が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることを検出又は予測する。
このように、降圧動作から昇圧動作に切り替えることにより、負荷１６２の動作に必要とする電力の不足を抑制でき、負荷１６２の動作に電源１４３から供給される電力を充当できる。よって、負荷１６２の動作がポート１２２の電力不足によって影響を受けることを防止できる。
コンバータ１１２は、負荷１６３が所定値以上の大電力を必要としない動作をすることがコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、昇圧動作から降圧動作に切り替えて、降圧動作を行ってよい。
コンバータ１１２は、例えば、電源１４１の異常な状況がコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替える。電源１４１の異常な状況は、コンバータ１１２が降圧動作をしている場合、ポート１２２の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、電源１４１の動作状態を表す動作信号に基づいて、電源１４１が異常な状況であることを検出又は予測する。
このように、降圧動作から昇圧動作に切り替えることにより、電源１４１から供給される電力が減少することによって負荷１６２の動作に必要とする電力が不足することを抑制できるとともに、負荷１６２の動作に電源１４３から供給される電力を充当できる。よって、負荷１６２の動作がポート１２２の電力不足によって影響を受けることを防止できる。
電源１４１の異常とは、例えば、温度低下によって電源１４１の電源電圧が所定の電圧値よりも低下すること、電源１４１とポート１２１とを結ぶ電線が断線することなどが挙げられる。
コンバータ１１２は、電源１４１の正常な状況がコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、昇圧動作から降圧動作に切り替えて、降圧動作を行ってよい。
コンバータ１１２は、例えば、コンバータ１１１の異常な状況がコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替える。コンバータ１１１の異常な状況は、コンバータ１１２が降圧動作をしている場合、ポート１２２の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、コンバータ１１１の動作状態を表す動作信号に基づいて、コンバータ１１１が異常な状況であることを検出又は予測する。
このように、降圧動作から昇圧動作に切り替えることにより、コンバータ１１１から供給される電力が減少することによって負荷１６２の動作に必要とする電力が不足することを抑制できるとともに、負荷１６２の動作に電源１４３から供給される電力を充当できる。
コンバータ１１１の異常とは、例えば、コンバータ１１１の動作が異常停止すること、コンバータ１１１から出力される電力が所望の値よりも下回ることなどが挙げられる。
コンバータ１１２は、コンバータ１１１の正常な状況がコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、昇圧動作から降圧動作に切り替えて、降圧動作を行ってよい。
例えば、負荷１６１が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることがコンバータ１１１及びコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、コンバータ１１１とコンバータ１１２はそれぞれ降圧動作を昇圧動作に切り替える。負荷１６１が所定値以上の大電力を必要とする動作をする状況は、コンバータ１１１及びコンバータ１１２が降圧動作をしている場合、ポート１２２の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、負荷１６１の動作状態を表す動作信号に基づいて、負荷１６１が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることを検出又は予測する。
このように、降圧動作から昇圧動作に切り替えることにより、負荷１６１の動作に必要とする電力の不足を抑制でき、負荷１６１の動作にコンバータ１１１から供給される電力を充当できる。そして、コンバータ１１１から負荷１６１に電力が供給されることにより、コンバータ１１１から負荷１６２に供給される電力が無くなっても、負荷１６２の動作に電源１４３から供給される電力を充当でき、負荷１６２の電力不足を抑制できる。
負荷１６１が所定値以上の大電力を必要としない動作をすることがコンバータ１１１及びコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、コンバータ１１１又はコンバータ１１２は、昇圧動作から降圧動作に切り替えて、降圧動作を行ってよい。
なお、電源がポート１２２に接続されてもよい。コンバータ１１２は、例えば、ポート１２２に接続される電源の給電能力が低下している状況がコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替える。ポート１２２に接続される電源の給電能力が低下している状況は、コンバータ１１２が降圧動作をしている場合、ポート１２２の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、ポート１２２に接続される電源の動作状態を表す動作信号に基づいて、ポート１２２に接続される電源の給電能力の低下を検出又は予測する。
このように、降圧動作から昇圧動作に切り替えることにより、負荷１６２の動作に必要とする電力の不足を抑制でき、負荷１６２の動作に電源１４３から供給される電力を充当できる。よって、負荷１６２の動作がポート１２２の電力不足によって影響を受けることを防止できる。
ポート１２２に接続される電源の給電能力の低下とは、例えば、当該電源の電源電圧が所定の電圧値よりも低下すること、当該電源に充電されている充電量が所定の値よりも低下することなどが挙げられる。
コンバータ１１２は、例えば、電源１４３の給電能力が低下している状況がコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、昇圧動作を降圧動作に切り替える。なぜならば、コンバータ１１１が降圧動作をしていても、コンバータ１１２が昇圧動作をしていると、コンバータ１１２は電源１４３又は負荷１６３が必要とする電力を供給できないからである。電源１４３の給電能力が低下している状況は、コンバータ１１２が昇圧動作をしている場合、ポート１２３の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、電源１４３の動作状態を表す動作信号に基づいて、電源１４３の給電能力の低下を検出又は予測する。
このように、昇圧動作から降圧動作に切り替えることにより、負荷１６３又は電源１４３の動作に必要とする電力の不足を抑制でき、負荷１６３又は電源１４３の動作にコンバータ１１２から供給される電力を充当できる。よって、負荷１６３又は電源１４３の動作がポート１２３の電力不足によって影響を受けることを防止できる。
電源１４３の給電能力の低下とは、例えば、電源１４３の電源電圧が所定の電圧値よりも低下すること、電源１４３に充電されている充電量が所定の値よりも低下することなどが挙げられる。
コンバータ１１２は、電源１４３の給電能力が低下していない状況がコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、降圧動作から昇圧動作に切り替えて、昇圧動作を行ってよい。
コンバータ１１２は、例えば、負荷１６３が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることがコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、昇圧動作を降圧動作に切り替える。負荷１６３が所定値以上の大電力を必要とする動作をする状況は、コンバータ１１２が昇圧動作をしている場合、ポート１２３の電力が不足する車両状況である。センサ部１７０は、例えば、負荷１６３の動作状態を表す動作信号に基づいて、負荷１６３が所定値以上の大電力を必要とする動作をすることを検出又は予測する。
このように、昇圧動作から降圧動作に切り替えることにより、負荷１６３の動作に必要とする電力の不足を抑制でき、負荷１６３の動作にコンバータ１１２から供給される電力を充当できる。よって、負荷１６３の動作がポート１２３の電力不足によって影響を受けることを防止できる。
例えば、負荷１６３が車両周辺を照らすランプを有する場合であれば、車両の周囲が暗い状況（例えば、夜間やトンネル内に存在する場合など）であるとき、負荷１６３はランプの点灯による大電力を必要とする。よって、コンバータ１１２は、例えば、センサ部１７０によって検出又は予測された車両の状況がランプを点灯させる状況か否かに応じて、降圧動作をするのか昇圧動作をするのかを切り替える。
車両の状況がランプを点灯させる状況か否かを検出又は予測するためにセンサ部１７０が取得する情報は、例えば、トンネルの位置を特定可能なカーナビゲーション情報、時刻情報、車両周囲の照度情報、ランプの点灯情報、ランプを点灯させる操作情報などが挙げられる。
コンバータ１１２は、車両の周囲の状況がランプを点灯させる状況（例えば、夜間やトンネル内に存在する場合など）であることがコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、昇圧動作を降圧動作に切り替える。これにより、ランプの明るさが電力不足による電圧変動により揺らぐことを抑制できる。
一方、コンバータ１１２は、車両の周囲の状況がランプを点灯させない状況（例えば、昼間や屋外に存在する場合など）であることがコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替えてよい。これにより、ポート１２２の電力不足を抑制できる。
例えば、負荷１６３が車両の窓を拭くワイパーを有する場合であれば、車両の周囲の天候が雨天の状況であるとき、負荷１６３はワイパーの作動による大電力を必要とする。よって、コンバータ１１２は、例えば、センサ部１７０によって検出又は予測された車両の状況がワイパーを作動させる状況か否かに応じて、降圧動作をするのか昇圧動作をするのかを切り替える。
車両の状況がワイパーを作動させる状況か否かを検出又は予測するためにセンサ部１７０が取得する情報は、例えば、雨量情報、ワイパー作動情報、ワイパーを作動させる操作情報などが挙げられる。
コンバータ１１２は、車両の周囲の状況がワイパーを作動させる状況（例えば、雨天時など）であることがコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、昇圧動作を降圧動作に切り替える。これにより、ワイパーの速度が電力不足による電圧変動により変動することを抑制できる。
一方、コンバータ１１２は、車両の周囲の状況がワイパーを作動させない状況（例えば、晴天時など）であることがコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替えてよい。これにより、ポート１２２の電力不足を抑制できる。
例えば、負荷１６３が車両の燃料を燃料タンクから汲み上げる燃料ポンプを有する場合であれば、車両が走行している状況であるとき、負荷１６３は燃料ポンプの作動による大電力を必要とする。よって、コンバータ１１２は、例えば、センサ部１７０によって検出又は予測された車両の状況が燃料ポンプを作動させる状況か否かに応じて、降圧動作をするのか昇圧動作をするのかを切り替える。
車両の状況が燃料ポンプを作動させる状況か否かを検出又は予測するためにセンサ部１７０が取得する情報は、例えば、車速情報、エンジン回転数情報、燃料ポンプ作動情報などが挙げられる。
コンバータ１１２は、車両が走行している状況であることがコンバータ１１２の昇圧動作中にセンサ部１７０によって検出又は予測された場合、昇圧動作を降圧動作に切り替える。これにより、燃料ポンプのモータの回転速度が電力不足による電圧変動により変動することを抑制できる。
一方、コンバータ１１２は、車両が走行していない状況であることがコンバータ１１２の降圧動作中にセンサ部１７０によって検出された場合、降圧動作を昇圧動作に切り替えてよい。これにより、ポート１２２の電力不足を抑制できる。
制御部１５０は、センサ部１７０によって得られた車両状況の検出結果又は予測結果に基づいて、コンバータ１１１又はコンバータ１１２の電圧変換動作を昇圧動作にするのか降圧動作にするのかを制御する制御手段である。制御部１５０は、例えばマイクロコンピュータを有している。
図２は、制御部１５０で行われる電力変換方法を示したブロック図である。制御部１５０は、センサ部１７０によって上述のように検出又は予測された車両状況に応じて、コンバータ１１２の制御方法を切り替える。例えば、制御部１５０は、センサ部１７０によって検出又は予測された車両状況に応じて、コンバータ１１２の昇降圧制御量を算出するための目標電圧を切り替えて、コンバータ１１２に昇圧動作をさせるか降圧動作をさせるかを制御する。昇降圧制御量Ｄｏは、例えば、コンバータ１１２の昇降圧比を調整するためのデューティ比Ｄ又はオン時間δの指令値である。コンバータ１１２の昇降圧比とは、ポート１２２とポート１２３との間の変圧比である。
制御部１５０は、コンバータ１１２に昇圧動作をさせる場合、ポート１２２における目標ポート電圧Ｖ２Ｏとセンサ部１７０によって取得されたポート電圧Ｖ２の検出電圧との偏差に基づきＰＩＤ制御を行う。制御部１５０は、ＰＩＤ制御を行うことによって、昇降圧制御量（＝Ｇ１×（Ｖ２Ｏ−Ｖ２））を算出する。Ｇ１は、ＰＩＤ制御の比例ゲインを表す。制御部１５０は、算出した昇降圧制御量でコンバータ１１２を昇圧動作させることによって、目標ポート電圧Ｖ２Ｏとポート電圧Ｖ２の検出電圧との偏差を零に収束させることができる。
一方、制御部１５０は、コンバータ１１２に降圧動作をさせる場合、ポート１２３における目標ポート電圧Ｖ３Ｏとセンサ部１７０によって取得されたポート電圧Ｖ３の検出電圧との偏差に基づきＰＩＤ制御を行う。制御部１５０は、ＰＩＤ制御を行うことによって、昇降圧制御量（＝Ｇ２×（Ｖ３Ｏ−Ｖ３））を算出する。Ｇ２は、ＰＩＤ制御の比例ゲインを表す。制御部１５０は、算出した昇降圧制御量でコンバータ１１２を降圧動作させることによって、目標ポート電圧Ｖ３Ｏとポート電圧Ｖ３の検出電圧との偏差を零に収束させることができる。
＜電源装置１０１の構成＞
図３は、電力変換装置の実施形態である電源装置１０１の構成例を示したブロック図である。電源装置１０１は、図１の電源装置１００の詳細な具体例であり、電源装置１００と同じ機能及び効果を有する。図１のコンバータ１１１は、１次側フルブリッジ回路２００と、１次側フルブリッジ回路２００と変圧器４００で磁気結合する２次側フルブリッジ回路３００とを備えている。一方、図１のコンバータ１１２は、コンバータ１１１と共有する１次側フルブリッジ回路２００を有している。
図１における第１のポート１２１，第２のポート１２２及び第３のポート１２３は、それぞれ、図３において、第３入出力ポート６０ｂ，第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃに対応する。図１における電源１４１と電源１４３は、それぞれ、図３において、２次側高電圧系電源６２ｂと１次側低電圧系電源６２ｃに対応する。図１における負荷１６１，負荷１６２及び負荷１６３は、それぞれ、図３において、２次側高電圧系負荷６１ｂ，１次側高電圧系負荷６１ａ及び１次側低電圧系負荷６１ｃに対応する。図１における制御部１５０とセンサ部１７０は、それぞれ、図３において、制御部５０とセンサ部７０に対応する。
１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００を有する電源回路１０は、１次側フルブリッジ回路２００のスイッチングと２次側フルブリッジ回路３００のスイッチングとの位相差φを変更して電力を第１入出力ポート６０ａに出力する。位相差φを変更して電力を出力する点については後述する。
電源装置１０１は、１次側フルブリッジ回路２００と変圧器４００と２次側フルブリッジ回路３００とを含んで構成された一体構造によって、コンバータ１１１とコンバータ１１２の両方の機能を実現している。一体構造でそれらの両方の機能を実現しているため、別体構造に比べて、ポート電力Ｐ１，ポート電力Ｐ２又はポート電力Ｐ３を高精度に所望の電力に制御でき、ポート電圧Ｖ１，ポート電圧Ｖ２又はポート電圧Ｖ３を高精度に所望の電圧に制御できる。また、一体構造とすることにより、スイッチングタイミングやインダクタンスが各電源装置間でばらつくことを抑制できるため、ポート電力やポート電圧を高精度に所望の値に制御できる。
以下、電源装置１０１について詳細に説明する。
電源装置１０１は、例えば、電源回路１０と、制御部５０と、センサ部７０とを備えた電源システムである。電源装置１０１は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車載の各負荷に配電するシステムである。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車などが挙げられる。電源装置１００は、エンジンを走行駆動源とする車両に搭載されてもよい。
電源装置１０１は、例えば、１次側高電圧系負荷６１ａが接続される第１入出力ポート６０ａと、１次側低電圧系負荷６１ｃ及び１次側低電圧系電源６２ｃが接続される第２入出力ポート６０ｃとを、１次側ポートとして有している。１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系）で動作する１次側低電圧系負荷６１ｃに電力を供給する。また、１次側低電圧系電源６２ｃは、１次側低電圧系電源６２ｃと異なる電圧系（例えば、１２Ｖ系よりも高い４８Ｖ系）で動作する１次側高電圧系負荷６１ａに、電源回路１０に構成される１次側変換回路２０によって昇圧された電力を供給する。１次側低電圧系電源６２ｃの具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。
電源装置１０１は、例えば、２次側高電圧系負荷６１ｂ及び２次側高電圧系電源６２ｂが接続される第３入出力ポート６０ｂと、２次側低電圧系負荷６１ｄが接続される第４入出力ポート６０ｄとを、２次側ポートとして有している。２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと同じ電圧系（例えば、１２Ｖ系及び４８Ｖ系よりも高い２８８Ｖ系）で動作する２次側高電圧系負荷６１ｂに電力を供給する。また、２次側高電圧系電源６２ｂは、２次側高電圧系電源６２ｂと異なる電圧系（例えば、２８８Ｖ系よりも低い７２Ｖ系）で動作する２次側低電圧系負荷６１ｄに、電源回路１０に構成される２次側変換回路３０によって降圧された電力を供給する。２次側高電圧系電源６２ｂの具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。
電源回路１０は、上述の４つの入出力ポートを有し、それらの４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートが選択され、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路である。なお、電源回路１０を備えた電源装置１０１は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な装置でもよい。例えば、電源回路１０は、第４入出力ポート６０ｄが無い３つの入出力ポートを有する回路でもよい。
ポート電力Ｐａ，Ｐｃ，Ｐｂ，Ｐｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電力（入力電力又は出力電力）である。ポート電圧Ｖａ，Ｖｃ，Ｖｂ，Ｖｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電圧（入力電圧又は出力電圧）である。ポート電流Ｉａ，Ｉｃ，Ｉｂ，Ｉｄは、それぞれ、第１入出力ポート６０ａ，第２入出力ポート６０ｃ，第３入出力ポート６０ｂ，第４入出力ポート６０ｄにおける入出力電流（入力電流又は出力電流）である。
電源回路１０は、第１入出力ポート６０ａに設けられるキャパシタＣ１と、第２入出力ポート６０ｃに設けられるキャパシタＣ３と、第３入出力ポート６０ｂに設けられるキャパシタＣ２と、第４入出力ポート６０ｄに設けられるキャパシタＣ４とを備えている。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の具体例として、フィルムコンデンサ、アルミニウム電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、固体高分子コンデンサなどが挙げられる。
キャパシタＣ１は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ３は、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４との間に挿入される。キャパシタＣ２は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。キャパシタＣ４は、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０との間に挿入される。
キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、電源回路１０の内部に設けられてもよいし、電源回路１０の外部に設けられてもよい。
電源回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成された電力変換回路である。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、１次側磁気結合リアクトル２０４及び２次側磁気結合リアクトル３０４を介して接続され、且つ、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃから構成される１次側ポートと、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄから構成される２次側ポートとは、変圧器４００を介して接続されている。
１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポート６０ａと、第２入出力ポート６０ｃとを含んで構成された１次側回路である。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを含んで構成された１次側電力変換部である。ここで、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
１次側フルブリッジ回路２００は、第１入出力ポート６０ａの高電位側の端子６１３に接続される１次側正極母線２９８と、第１入出力ポート６０ａ及び第２入出力ポート６０ｃの低電位側の端子６１４に接続される１次側負極母線２９９とを有している。
１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１とを直列接続した１次側第１アーム回路２０７が取り付けられている。１次側第１アーム回路２０７は、１次側第１上アームＵ１及び１次側第１下アーム／Ｕ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第１電力変換回路部（１次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１とを直列接続した１次側第２アーム回路２１１が１次側第１アーム回路２０７と並列に取り付けられている。１次側第２アーム回路２１１は、１次側第２上アームＶ１及び１次側第２下アーム／Ｖ１のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な１次側第２電力変換回路部（１次側Ｖ相電力変換回路部）である。
１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第１リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側第１リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４の１次側第２リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側第２リアクトル２０４ｂの他方端が１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側第１リアクトル２０４ａと、１次側第１リアクトル２０４ａと結合係数ｋ１で磁気結合する１次側第２リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。
中点２０７ｍは、１次側第１上アームＵ１と１次側第１下アーム／Ｕ１との間の１次側第１中間ノードであり、中点２１１ｍは、１次側第２上アームＶ１と１次側第２下アーム／Ｖ１との間の１次側第２中間ノードである。
第１入出力ポート６０ａは、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポート６０ａは、端子６１３と端子６１４とを含んで構成される。第２入出力ポート６０ｃは、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポート６０ｃは、端子６１４と端子６１６とを含んで構成される。
センタータップ２０２ｍは、第２入出力ポート６０ｃの高電位側の端子６１６に接続されている。センタータップ２０２ｍは、１次側コイル２０２に構成される１次側第１巻線２０２ａと１次側第２巻線２０２ｂとの中間接続点である。
２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポート６０ｂと、第４入出力ポート６０ｄとを含んで構成された２次側回路である。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを含んで構成された２次側電力変換部である。ここで、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２は、それぞれ、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴと、当該ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該ＭＯＳＦＥＴに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
２次側フルブリッジ回路３００は、第３入出力ポート６０ｂの高電位側の端子６１８に接続される２次側正極母線３９８と、第３入出力ポート６０ｂ及び第４入出力ポート６０ｄの低電位側の端子６２０に接続される２次側負極母線３９９とを有している。
２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２とを直列接続した２次側第１アーム回路３０７が取り付けられている。２次側第１アーム回路３０７は、２次側第１上アームＵ２及び２次側第１下アーム／Ｕ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第１電力変換回路部（２次側Ｕ相電力変換回路部）である。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２とを直列接続した２次側第２アーム回路３１１が２次側第１アーム回路３０７と並列に取り付けられている。２次側第２アーム回路３１１は、２次側第２上アームＶ２及び２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な２次側第２電力変換回路部（２次側Ｖ相電力変換回路部）である。
２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側第１アーム回路３０７の中点３０７ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第１リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側第１リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４の２次側第２リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側第２リアクトル３０４ｂの他方端が２次側第２アーム回路３１１の中点３１１ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側第１リアクトル３０４ａと、２次側第１リアクトル３０４ａと結合係数ｋ２で磁気結合する２次側第２リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。
中点３０７ｍは、２次側第１上アームＵ２と２次側第１下アーム／Ｕ２との間の２次側第１中間ノードであり、中点３１１ｍは、２次側第２上アームＶ２と２次側第２下アーム／Ｖ２との間の２次側第２中間ノードである。
第３入出力ポート６０ｂは、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポート６０ｂは、端子６１８と端子６２０とを含んで構成される。第４入出力ポート６０ｄは、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポート６０ｄは、端子６２０と端子６２２とを含んで構成される。
センタータップ３０２ｍは、第４入出力ポート６０ｄの高電位側の端子６２２に接続されている。センタータップ３０２ｍは、２次側コイル３０２に構成される２次側第１巻線３０２ａと２次側第２巻線３０２ｂとの中間接続点である。
図３において、電源装置１０１は、センサ部７０を備えている。センサ部７０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙを所定の検出周期で検出し、その検出した入出力値Ｙに対応する検出値Ｙｄを制御部５０に対して出力する検出手段である。検出値Ｙｄは、入出力電圧を検出して得られた検出電圧でもよいし、入出力電流を検出して得られた検出電流でもよいし、入出力電力を検出して得られた検出電力でもよい。センサ部７０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに生ずる入出力電圧を検出する電圧検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電圧Ｖａと入出力電圧Ｖｃの少なくとも一方の検出電圧を１次側電圧検出値として出力する１次側電圧検出部と、入出力電圧Ｖｂと入出力電圧Ｖｄの少なくとも一方の検出電圧を２次側電圧検出値として出力する２次側電圧検出部とを有している。
センサ部７０の電圧検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電圧値をモニタする電圧センサと、該電圧センサによってモニタされた入出力電圧値に対応する検出電圧を制御部５０に対して出力する電圧検出回路とを有している。
センサ部７０は、例えば、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートに流れる入出力電流を検出する電流検出部を有している。センサ部７０は、例えば、入出力電流Ｉａと入出力電流Ｉｃの少なくとも一方の検出電流を１次側電流検出値として出力する１次側電流検出部と、入出力電流Ｉｂと入出力電流Ｉｄの少なくとも一方の検出電流を２次側電流検出値として出力する２次側電流検出部とを有している。
センサ部７０の電流検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電流値をモニタする電流センサと、該電流センサによってモニタされた入出力電流値に対応する検出電流を制御部５０に対して出力する電流検出回路とを有している。
電源装置１０１は、制御部５０を備えている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。制御部５０は、電源回路１０の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
制御部５０は、第１乃至第４入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄの少なくとも一つのポートにおける入出力値Ｙの検出値Ｙｄが、該ポートに設定された目標値Ｙｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。目標値Ｙｏは、例えば、各入出力ポートに接続される負荷（例えば、１次側低電圧系負荷６１ｃ等）毎に規定される駆動条件に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。目標値Ｙｏは、電力がポートから出力されるときには出力目標値として機能し、電力がポートに入力されるときには入力目標値として機能し、目標電圧値でもよいし、目標電流値でもよいし、目標電力値でもよい。
また、制御部５０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間で変圧器４００を介して伝送される伝送電力Ｐが、設定された目標伝送電力Ｐｏに収束するように、電源回路１０による電力変換動作をフィードバック制御する。伝送電力は、電力伝送量とも呼ばれる。目標伝送電力Ｐｏは、例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差に基づいて、制御部５０又は制御部５０以外の所定の装置によって設定される指令値である。
制御部５０は、所定の制御パラメータＸの値を変化させることによって、電源回路１０で行われる電力変換動作をフィードバック制御し、電源回路１０の第１乃至第４の各入出力ポート６０ａ，６０ｃ，６０ｂ，６０ｄにおける入出力値Ｙを調整できる。主な制御パラメータＸとして、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）の２種類の制御変数が挙げられる。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。デューティ比Ｄ（オン時間δ）は、１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００に構成される各電力変換回路部でのスイッチング波形のデューティ比（オン時間）である。
これらの２つの制御パラメータＸは、互いに独立に制御されることが可能である。制御部５０は、位相差φ及びデューティ比Ｄ（オン時間δ）を用いた１次側フルブリッジ回路２００及び２次側フルブリッジ回路３００のデューティ比制御及び／又は位相制御によって、電源回路１０の各入出力ポートにおける入出力値Ｙを変化させる。
図４は、制御部５０のブロック図である。制御部５０は、１次側変換回路２０の１次側第１上アームＵ１等の各スイッチング素子と２次側変換回路３０の２次側第１上アームＵ２等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する制御部である。制御部５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０とを含んで構成される。制御部５０は、例えば、ＣＰＵを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。
電力変換モード決定処理部５０２は、例えば、所定の外部信号（例えば、いずれかのポートにおける検出値Ｙｄと目標値Ｙｏとの偏差を表す信号）に基づいて、次に述べる電源回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＡと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＢと、第１入出力ポート６０ａから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＣがある。
そして、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＤと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＥと、第２入出力ポート６０ｃから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＦがある。
さらに、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＧと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＨと、第３入出力ポート６０ｂから入力された電力を変換して第４入出力ポート６０ｄへ出力するモードＩがある。
それから、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａへ出力するモードＪと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第２入出力ポート６０ｃへ出力するモードＫと、第４入出力ポート６０ｄから入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂへ出力するモードＬがある。
位相差φ決定処理部５０４は、電源回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを設定する機能を有する。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。
１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
＜電源装置１０１の動作＞
上記電源装置１０１の動作について、図３及び図４を用いて説明する。例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御部５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧の電力が電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポート６０ｂ側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポート６０ｄから出力される。
ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポート６０ｃと第１入出力ポート６０ａについて着目すると、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第１巻線２０２ａと、１次側第１巻線２０２ａに直列接続される１次側第１リアクトル２０４ａを介して、１次側第１アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側第１アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
さらに、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６は、１次側第２巻線２０２ｂと、１次側第２巻線２０２ｂに直列接続される１次側第２リアクトル２０４ｂを介して、１次側第２アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側第２アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポート６０ａに接続されているため、第２入出力ポート６０ｃの端子６１６と第１入出力ポート６０ａとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポート６０ｄの端子６２２と第３入出力ポート６０ｂとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。
次に、電源回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポート６０ａと第３入出力ポート６０ｂについて着目すると、第１入出力ポート６０ａには、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポート６０ｂは、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが結合係数ｋＴで磁気結合することで、変圧器４００が巻き数１：Ｎのセンタータップ式変圧器として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを調整することで、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を変換して第３入出力ポート６０ｂに伝送させ、あるいは、第３入出力ポート６０ｂに入力された電力を変換して第１入出力ポート６０ａに伝送させることができる。
図５は、制御部５０の制御によって、電源回路１０に構成される各アームのオンオフのスイッチング波形のタイミングチャートを示す図である。図５において、Ｕ１は、１次側第１上アームＵ１のオンオフ波形であり、Ｖ１は、１次側第２上アームＶ１のオンオフ波形であり、Ｕ２は、２次側第１上アームＵ２のオンオフ波形であり、Ｖ２は、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形である。１次側第１下アーム／Ｕ１、１次側第２下アーム／Ｖ１、２次側第１下アーム／Ｕ２、２次側第２下アーム／Ｖ２のオンオフ波形は、それぞれ、１次側第１上アームＵ１、１次側第２上アームＶ１、２次側第１上アームＵ２、２次側第２上アームＶ２のオンオフ波形を反転した波形である（図示省略）。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図５において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。
ここで、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。例えば、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくすることで、１次側変換回路２０の昇降圧比と２次側変換回路３０の昇降圧比を等しくできる。
オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比が互いに等しくなるように、Ｕ１とＶ１とＵ２とＶ２の各オン時間δを互いに等しくする（各オン時間δ＝１次側オン時間δ１１＝２次側オン時間δ１２＝時間値α）。
１次側変換回路２０の昇降圧比は、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。同様に、２次側変換回路３０の昇降圧比は、２次側フルブリッジ回路３００に構成されるスイッチング素子（アーム）のスイッチング周期Ｔに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Ｄによって決まる。１次側変換回路２０の昇降圧比は、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃとの間の変圧比であり、２次側変換回路３０の昇降圧比は、第３入出力ポート６０ｂと第４入出力ポート６０ｄとの間の変圧比である。
したがって、例えば、
１次側変換回路２０の昇降圧比
＝第２入出力ポート６０ｃの電圧／第１入出力ポート６０ａの電圧
＝δ１１／Ｔ＝α／Ｔ
２次側変換回路３０の昇降圧比
＝第４入出力ポート６０ｄの電圧／第３入出力ポート６０ｂの電圧
＝δ１２／Ｔ＝α／Ｔ
と表される。つまり、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比は互いに同じ値（＝α／Ｔ）である。
なお、図５のオン時間δは、１次側第１上アームＵ１及び１次側第２上アームＶ１のオン時間δ１１を表すとともに、２次側第１上アームＵ２及び２次側第２上アームＶ２のオン時間δ１２を表す。また、１次側フルブリッジ回路２００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔと２次側フルブリッジ回路３００に構成されるアームのスイッチング周期Ｔは等しい時間である。
また、Ｕ１とＶ１との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｕ２とＶ２との位相差も１８０度（π）で動作させる。さらに、Ｕ１とＵ２の位相差φを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間の電力伝送量Ｐを調整することができ、位相差φ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送し、位相差φ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送することができる。
位相差φは、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ（タイムラグ）である。例えば、位相差φは、１次側第１アーム回路２０７と２次側第１アーム回路３０７との間でのスイッチングタイミングのずれであり、１次側第２アーム回路２１１と２次側第２アーム回路３１１との間でのスイッチングタイミングのずれである。それらのずれは互いに等しいまま制御される。つまり、Ｕ１とＵ２の位相差φ及びＶ１とＶ２の位相差φは、同じ値に制御される。
したがって、例えば、電源回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポート６０ｃに入力された電圧を昇圧して第１入出力ポート６０ａに出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポート６０ｂに入力された電圧を降圧して第４入出力ポート６０ｄに出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポート６０ａに入力された電力を所望の電力伝送量Ｐで第３入出力ポート６０ｂに伝送するための位相差φを設定する。
１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側第１上アームＵ１と、１次側第１下アーム／Ｕ１と、１次側第２上アームＶ１と、１次側第２下アーム／Ｖ１の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側第１上アームＵ２と、２次側第１下アーム／Ｕ２と、２次側第２上アームＶ２と、２次側第２下アーム／Ｖ２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電源回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｌの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。
制御部５０により位相差φに応じて調整される伝送電力Ｐ（電力伝送量Ｐともいう）は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０において一方の変換回路から他方の変換回路に変圧器４００を介して送られる電力であり、
Ｐ＝（Ｎ×Ｖａ×Ｖｂ）／（π×ω×Ｌ）×Ｆ（Ｄ，φ）
・・・式１
で表される。
なお、Ｎは、変圧器４００の巻き数比、Ｖａは、第１入出力ポート６０ａの入出力電圧、Ｖｂは、第３入出力ポート６０ｂの入出力電圧である。πは、円周率、ω（＝２π×ｆ＝２π／Ｔ）は、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチングの角周波数である。ｆは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周波数、Ｔは、１次側変換回路２０及び２次側変換回路３０のスイッチング周期、Ｌは、磁気結合リアクトル２０４，３０４と変圧器４００の電力伝送に関わる等価インダクタンスである。Ｆ（Ｄ，φ）は、デューティ比Ｄと位相差φを変数とする関数であり、デューティ比Ｄに依存せずに、位相差φが増加するにつれて単調増加する変数である。デューティ比Ｄ及び位相差φは、所定の上下限値に挟まれた範囲内で変化するように設計された制御パラメータである。
制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち少なくとも一つの所定のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、当該所定のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを変化させることにより伝送電力Ｐを調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
例えば、制御部５０は、１次側ポートと２次側ポートのうち伝送電力Ｐの伝送先である片方のポートにおけるポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Ｐを調整する。したがって、伝送電力Ｐの伝送先のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部５０は、位相差φを上昇変化させることにより伝送電力Ｐを増加方向に調整することによって、ポート電圧Ｖｐが目標ポート電圧Ｖｏに対して落ち込むことを防止できる。
以上、電力変換装置及び電力変換方法を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるＭＯＳＦＥＴを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
また、第１入出力ポート６０ａに電源が接続されてもよいし、第４入出力ポート６０ｄに電源が接続されてもよい。また、第２入出力ポート６０ｃに電源が接続されなくてもよいし、第３入出力ポート６０ｂに電源が接続されなくてもよい。
また、図３において、第２入出力ポート６０ｃに１次側低電圧系電源６２ｃが接続されているが、第１入出力ポート６０ａと第２入出力ポート６０ｃのいずれにも電源が接続されなくてもよい。
また、本発明は、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも３つ以上の複数の入出力ポートのうちどの２つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置に適用できる。例えば、本発明は、図３に例示された４つの入出力ポートのうちいずれか一つの入出力ポートが無い構成を有する電源装置に対しても適用できる。
また、上述の説明において、１次側を２次側と定義し、２次側を１次側と定義してもよい。
１０，１１０ 電源回路
２０ １次側変換回路
３０ ２次側変換回路
５０ 制御部
６０ａ 第１入出力ポート（第２のポートの例）
６０ｂ 第３入出力ポート（第１のポートの例）
６０ｃ 第２入出力ポート（第３のポートの例）
６０ｄ 第４入出力ポート
７０ センサ部
１００，１０１ 電源装置（電力変換装置の例）
１１１ コンバータ（第１の電圧変換部）
１１２ コンバータ（第２の電圧変換部）
１２１ ポート（第１のポートの例）
１２２ ポート（第２のポートの例）
１２３ ポート（第３のポートの例）
２００ １次側フルブリッジ回路
２０２ １次側コイル
２０４ １次側磁気結合リアクトル
２０７ １次側第１アーム回路
２１１ １次側第２アーム回路
２０７ｍ，２１１ｍ 中点
２１３ 切替回路
２９７ １次側第２正極母線
２９８ １次側正極母線（１次側第１正極母線）
２９９ １次側負極母線
３００ ２次側フルブリッジ回路
３０２ ２次側コイル
３０４ ２次側磁気結合リアクトル
３０７ ２次側第１アーム回路
３１１ ２次側第２アーム回路
３０７ｍ，３１１ｍ 中点
３９７ ２次側第２正極母線
３９８ ２次側正極母線（２次側第１正極母線）
３９９ ２次側負極母線
４００ 変圧器
Ｕ＊，Ｖ＊ 上アーム
／Ｕ＊，／Ｖ＊ 下アーム

Claims (15)

  1. 複数のポートを有し、前記複数のポート間で電力を変換する電力変換装置であって、
    第１のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を第２のポートに出力する第１の電圧変換部と、
    前記第２のポートと第３のポートのうち、一方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を他方のポートに出力する第１の動作、又は前記他方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を前記一方のポートに出力する第２の動作をする第２の電圧変換部とを備え、
    前記第２の電圧変換部は、前記一方のポートの電力が不足する車両状況が前記第１の動作をしているときに検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替えることを特徴とする、電力変換装置。
  2. 前記第２の電圧変換部は、前記一方のポート又は前記他方のポートに接続される負荷が所定値以上の電力を必要とする動作が検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替える、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記第２の電圧変換部は、前記一方のポート又は前記他方のポートに接続される電源の給電能力の低下が検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替える、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 前記一方のポートが前記第２のポートであり、前記他方のポートが前記第３のポートである、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記第２の電圧変換部は、前記第１の電圧変換部の異常又は前記第１のポートに接続される電源の異常が検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替える、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 前記電源の異常は、前記電源の電圧低下である、請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記第１のポートに接続される負荷が所定値以上の電力を必要とする動作が検出された場合、
    前記第２の電圧変換部は、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替え、
    前記第１の電圧変換部は、前記第２のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を前記第１のポートに出力する動作に切り替える、請求項４に記載の電力変換装置。
  8. 前記一方のポートに接続される負荷は、車両の操舵操作をアシストする負荷である、請求項４から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  9. 前記一方のポートが前記第３のポートであり、前記他方のポートが前記第２のポートである、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  10. 前記一方のポートに接続される負荷がランプである場合において、
    前記第２の電圧変換部は、前記ランプの点灯する状況が検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替える、請求項９に記載の電力変換装置。
  11. 前記一方のポートに接続される負荷がワイパーである場合において、
    前記第２の電圧変換部は、前記ワイパーの作動する状況が検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替える、請求項９に記載の電力変換装置。
  12. 前記一方のポートに接続される負荷が燃料ポンプである場合において、
    前記第２の電圧変換部は、前記燃料ポンプの作動する状況が検出された場合、前記第１の動作を前記第２の動作に切り替える、請求項９に記載の電力変換装置。
  13. 前記第１の電圧変換部は、前記第２のポート及び前記第３のポートが接続される１次側フルブリッジ回路と、前記１次側フルブリッジ回路と変圧器で磁気結合し且つ前記第１のポートが接続される２次側フルブリッジ回路とを有し、
    前記第２の電圧変換部は、前記１次側フルブリッジ回路を前記第１の電圧変換部と共有し、
    前記第１の電圧変換部は、前記１次側フルブリッジ回路のスイッチングと前記２次側フルブリッジ回路のスイッチングとの位相差を変更して前記第２のポートに電力を出力する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  14. 前記車両状況が検出された場合は、前記車両状況が予測された場合である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  15. 複数のポート間で電力を変換する電力変換方法であって、
    第１のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を第２のポートに出力する工程と、
    前記第２のポートと第３のポートのうち、一方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を他方のポートに出力する第１の動作工程と、
    前記一方のポートの電力が不足する車両状況が前記第１の動作工程のときに検出された場合、前記第１の動作工程を、前記他方のポートの電圧を変換して電圧変換後の電力を前記一方のポートに出力する第２の動作工程に切り替える工程とを有することを特徴とする、電力変換方法。
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