JP2020065410A - 充放電制御装置および充放電制御装置付き蓄電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】充電時の電流の経路と放電時の電流の経路を切り換えるスイッチを不要とし、直流母線の電圧と蓄電池の電圧との大小関係が変化したときに蓄電池の充電と放電を瞬時に切り換える。【解決手段】充放電制御装置1は、蓄電池40の負極と直流母線の低電位側との間に配置される。電流方向変更部10は、直流母線の電圧が蓄電池40の電圧より高い場合に、充電電流を電流制限部20に向けて流し、電流制限部20によって出力される電流を充電電流の向きに戻す。また、電流方向変更部10は、蓄電池40の電圧が直流母線の電圧より高い場合に、放電電流を電流制限部20に向けて流し、電流制限部20によって出力される電流を放電電流の向きに戻す。電流制限部20は、NMOSトランジスタ21が電流を導通させる時間を調整することにより、充電電流と放電電流に所定の制限を加える。【選択図】図1
Description
本発明は、蓄電池と直流母線の間に配置され、蓄電池の充電と放電を切り換える充放電制御装置および充放電制御装置付き蓄電池に関する。
蓄電池を充電する場合も放電させる場合も、蓄電池の劣化を防ぐために電流の大きさを制限する必要がある。一方、直流母線には直流電源と負荷装置が接続されており、その電圧は負荷装置が正常に動作可能な所定の範囲で変動する。このため、直流母線に蓄電池を接続する場合、直流母線の電圧と蓄電池の電圧との大小関係に応じて充電と放電を切り換える必要がある。これは、例えば、充電用と放電用の電流制御回路を別々に設けて充電時と放電時で切り換えたり、または、例えば、1つの電流制限回路を充電時と放電時で共用し、その電流制限回路を流れる電流の向きを充電時と放電時で逆方向に切り換えることで可能となる。
しかし、充電用と放電用の電流制限回路を別々に設ける場合であっても、1つの電流制限回路を充電時と放電時で共用する場合であっても、充電時の電流の経路と放電時の電流の経路を切り換えるスイッチが必要である。
そして、スイッチには動作する時間が必要であり、直流母線の電圧と蓄電池の電圧との大小関係が変化してから電流の経路が切り換わるまでに時間遅れが生じる。しかし、例えば、風力発電機は風力により発電電力が頻繁に変動する。このような発電機が直流母線に接続されている場合、発電状態に応じて充電と放電をできるだけ早く切り換えることが望ましい。
さらに、モーターの起動時のように瞬間的に電圧低下を生じる負荷装置が直流母線に接続されている場合、充電から放電への切り換えの遅れが他の負荷装置の動作に悪影響を及ぼすおそれがある。
そして、スイッチには動作する時間が必要であり、直流母線の電圧と蓄電池の電圧との大小関係が変化してから電流の経路が切り換わるまでに時間遅れが生じる。しかし、例えば、風力発電機は風力により発電電力が頻繁に変動する。このような発電機が直流母線に接続されている場合、発電状態に応じて充電と放電をできるだけ早く切り換えることが望ましい。
さらに、モーターの起動時のように瞬間的に電圧低下を生じる負荷装置が直流母線に接続されている場合、充電から放電への切り換えの遅れが他の負荷装置の動作に悪影響を及ぼすおそれがある。
本発明の目的は、充電時の電流の経路と放電時の電流の経路を切り換えるスイッチが不要であり、直流母線の電圧と蓄電池の電圧との大小関係が変化したときに蓄電池の充電と放電を瞬時に切り換えることができる充放電制御装置および充放電制御装置付き蓄電池を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の充放電制御装置は、
蓄電池と直流母線の間に配置され、蓄電池の充電と放電を切り換える充放電制御装置であって、
電流の導通と非導通を繰り返すスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子が電流を導通させる時間を調整することにより、前記蓄電池を充電する充電電流と前記蓄電池を放電させる放電電流に所定の制限を加える電流制限部と、
前記直流母線の電圧が前記蓄電池の電圧より高い場合に、前記スイッチング素子が導通している間、前記直流母線の高電位側から前記蓄電池の正極に流れ、かつ前記蓄電池の負極から前記直流母線の低電位側に流れる前記充電電流が入力され、入力された当該充電電流を前記スイッチング素子に向けて流し、前記スイッチング素子によって出力される電流を当該充電電流の向きに戻し、一方、前記蓄電池の電圧が前記直流母線の電圧より高い場合に、前記スイッチング素子が導通している間、前記直流母線の低電位側から前記蓄電池の負極に流れ、かつ前記蓄電池の正極から前記直流母線の高電位側に流れる前記放電電流が入力され、入力された当該放電電流を前記スイッチング素子に向けて流し、前記スイッチング素子によって出力される電流を当該放電電流の向きに戻す電流方向変更部と、
を備える。
蓄電池と直流母線の間に配置され、蓄電池の充電と放電を切り換える充放電制御装置であって、
電流の導通と非導通を繰り返すスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子が電流を導通させる時間を調整することにより、前記蓄電池を充電する充電電流と前記蓄電池を放電させる放電電流に所定の制限を加える電流制限部と、
前記直流母線の電圧が前記蓄電池の電圧より高い場合に、前記スイッチング素子が導通している間、前記直流母線の高電位側から前記蓄電池の正極に流れ、かつ前記蓄電池の負極から前記直流母線の低電位側に流れる前記充電電流が入力され、入力された当該充電電流を前記スイッチング素子に向けて流し、前記スイッチング素子によって出力される電流を当該充電電流の向きに戻し、一方、前記蓄電池の電圧が前記直流母線の電圧より高い場合に、前記スイッチング素子が導通している間、前記直流母線の低電位側から前記蓄電池の負極に流れ、かつ前記蓄電池の正極から前記直流母線の高電位側に流れる前記放電電流が入力され、入力された当該放電電流を前記スイッチング素子に向けて流し、前記スイッチング素子によって出力される電流を当該放電電流の向きに戻す電流方向変更部と、
を備える。
好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
前記電流方向変更部が、カソードが前記電流制限部の入力に接続される第1のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記電流制限部の出力と前記第1のダイオードのアノードとに接続される第2のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記直流母線の低電位側と前記電流制限部の入力とに接続される第3のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記電流制限部の出力と前記直流母線の低電位側とに接続される第4のダイオードとを有しており、前記スイッチング素子が導通している間に前記直流母線の電圧と前記蓄電池の電圧との大小に応じて、前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードとの接続部分に前記充電電流が流れ込むか、または当該接続部分から前記放電電流が流れ出す。
前記電流方向変更部が、カソードが前記電流制限部の入力に接続される第1のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記電流制限部の出力と前記第1のダイオードのアノードとに接続される第2のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記直流母線の低電位側と前記電流制限部の入力とに接続される第3のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記電流制限部の出力と前記直流母線の低電位側とに接続される第4のダイオードとを有しており、前記スイッチング素子が導通している間に前記直流母線の電圧と前記蓄電池の電圧との大小に応じて、前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードとの接続部分に前記充電電流が流れ込むか、または当該接続部分から前記放電電流が流れ出す。
好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
逆極性の一次コイルと二次コイルを有するトランスを備え、前記直流母線の電圧が前記蓄電池の電圧より高い場合、前記スイッチング素子が導通している間に前記充電電流が当該一次コイルの一端から他端に向けて流れると共に、前記充電電流により当該トランスのコアに磁気エネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子が非導通である間に当該蓄積された磁気エネルギーにより当該一次コイルに生じる逆起電力によって、充電電流が当該一次コイルの他端から前記蓄電池の正極に流れ、前記蓄電池の負極から当該一次コイルの一端に流れ、一方、前記蓄電池の電圧が前記直流母線の電圧より高い場合、前記スイッチング素子が導通している間に前記放電電流が当該一次コイルの他端から一端に向けて流れると共に、前記放電電流により当該トランスのコアに磁気エネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子が非導通である間に当該蓄積された磁気エネルギーにより前記二次コイルに生じる逆起電力によって電流が前記直流母線の低電位側から前記二次コイルの他端に流れ、前記二次コイルの一端から前記直流母線の高電位側に流れる充放電部を備える。
逆極性の一次コイルと二次コイルを有するトランスを備え、前記直流母線の電圧が前記蓄電池の電圧より高い場合、前記スイッチング素子が導通している間に前記充電電流が当該一次コイルの一端から他端に向けて流れると共に、前記充電電流により当該トランスのコアに磁気エネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子が非導通である間に当該蓄積された磁気エネルギーにより当該一次コイルに生じる逆起電力によって、充電電流が当該一次コイルの他端から前記蓄電池の正極に流れ、前記蓄電池の負極から当該一次コイルの一端に流れ、一方、前記蓄電池の電圧が前記直流母線の電圧より高い場合、前記スイッチング素子が導通している間に前記放電電流が当該一次コイルの他端から一端に向けて流れると共に、前記放電電流により当該トランスのコアに磁気エネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子が非導通である間に当該蓄積された磁気エネルギーにより前記二次コイルに生じる逆起電力によって電流が前記直流母線の低電位側から前記二次コイルの他端に流れ、前記二次コイルの一端から前記直流母線の高電位側に流れる充放電部を備える。
好ましくは、本発明の充放電制御装置において、
前記充放電部が、逆極性の一次コイルと二次コイルを有するトランスと、アノードとカソードとがそれぞれ当該一次コイルの他端と前記蓄電池の正極とに接続される第5のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ当該二次コイルの一端と前記直流母線の高電位側とに接続される第6のダイオードとを有しており、前記一次コイルの一端が前記蓄電池の負極に接続され、前記二次コイルの他端が前記直流母線の低電位側に接続される。
前記充放電部が、逆極性の一次コイルと二次コイルを有するトランスと、アノードとカソードとがそれぞれ当該一次コイルの他端と前記蓄電池の正極とに接続される第5のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ当該二次コイルの一端と前記直流母線の高電位側とに接続される第6のダイオードとを有しており、前記一次コイルの一端が前記蓄電池の負極に接続され、前記二次コイルの他端が前記直流母線の低電位側に接続される。
また、本発明の充放電制御装置付き蓄電池は、
上述した充放電制御装置と、
前記充放電制御装置に接続される蓄電池とを、
備える充放電制御装置付き蓄電池。
上述した充放電制御装置と、
前記充放電制御装置に接続される蓄電池とを、
備える充放電制御装置付き蓄電池。
本発明によれば、充電時の電流の経路と放電時の電流の経路を切り換えるスイッチを不要とし、直流母線の電圧と蓄電池の電圧との大小関係が変化したときに蓄電池の充電と放電を瞬時に切り換えることができる。
以下、本発明の実施形態に係る充放電制御装置と充放電制御装置付き蓄電池について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る充放電制御装置1の構成の一例を示す。
充放電制御装置1は、電流方向変更部10と、電流制限部20とを有する。
また、充放電制御装置1は、端子DC+と端子DC−を有する。端子DC+と端子DC−は、それぞれ直流母線の高電位側と低電位側に接続される。直流母線にはインピーダンスを有する直流電源と負荷装置が接続されており、その電圧は負荷装置が正常に動作可能な所定の範囲で変動する。充放電制御装置1は、蓄電池40の負極と直流母線の低電位側との間に配置され、蓄電池40の充電と放電を切り換える。充放電制御装置1と蓄電池40は、充放電制御装置付き蓄電池を構成する。
なお、本発明における蓄電池と直流母線の間に配置される充放電制御装置とは、充放電制御装置1が蓄電池の負極と直流母線の低電位側との間に配置される場合を含む。
充放電制御装置1は、電流方向変更部10と、電流制限部20とを有する。
また、充放電制御装置1は、端子DC+と端子DC−を有する。端子DC+と端子DC−は、それぞれ直流母線の高電位側と低電位側に接続される。直流母線にはインピーダンスを有する直流電源と負荷装置が接続されており、その電圧は負荷装置が正常に動作可能な所定の範囲で変動する。充放電制御装置1は、蓄電池40の負極と直流母線の低電位側との間に配置され、蓄電池40の充電と放電を切り換える。充放電制御装置1と蓄電池40は、充放電制御装置付き蓄電池を構成する。
なお、本発明における蓄電池と直流母線の間に配置される充放電制御装置とは、充放電制御装置1が蓄電池の負極と直流母線の低電位側との間に配置される場合を含む。
電流方向変更部10は、ダイオードD1と、ダイオードD2と、ダイオードD3と、ダイオードD4とを有するダイオードブリッジ回路である。
ダイオードD1のアノードは、蓄電池40の負極およびダイオードD2のカソードに接続されている。ダイオードD1のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD3のカソードに接続されている。
ダイオードD2のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD4のアノードに接続されている。ダイオードD2のカソードは蓄電池40の負極およびダイオードD1のアノードと接続されている。
ダイオードD3のアノードは、端子DC−(直流母線の低電位側)およびダイオードD4のカソードに接続されている。ダイオードD3のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD1のカソードと接続されている。
ダイオードD4のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD2のアノードに接続されている。ダイオードD4のカソードは、端子DC−(直流母線の低電位側)およびダイオードD3のアノードに接続されている。
ダイオードD1のアノードは、蓄電池40の負極およびダイオードD2のカソードに接続されている。ダイオードD1のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD3のカソードに接続されている。
ダイオードD2のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD4のアノードに接続されている。ダイオードD2のカソードは蓄電池40の負極およびダイオードD1のアノードと接続されている。
ダイオードD3のアノードは、端子DC−(直流母線の低電位側)およびダイオードD4のカソードに接続されている。ダイオードD3のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD1のカソードと接続されている。
ダイオードD4のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD2のアノードに接続されている。ダイオードD4のカソードは、端子DC−(直流母線の低電位側)およびダイオードD3のアノードに接続されている。
電流制限部20は、NMOSトランジスタ21と、制御部22と、シャント抵抗SRとを有する。
NMOSトランジスタ21は、本発明のスイッチング素子の一例であり、電流の導通と非導通を繰り返す。
NMOSトランジスタ21の電流路(ドレイン・ソース間)とシャント抵抗SRは、直列に接続される。NMOSトランジスタ21の電流路とシャント抵抗SRとが直列に接続された回路の一端と他端は、それぞれ電流制限部20の入力と出力である。シャント抵抗SRは、NMOSトランジスタ21の電流路を流れる電流の大きさに応じた電圧を出力する。
制御部22は、PWM(Pulse Width Modulation)信号を出力する。PWM信号は、シャント抵抗SRによって出力される電圧に応じたデューティ比でハイレベルとローレベルを繰り返すパルス電圧である。PWM信号は、NMOSトランジスタ21のゲートに入力される。従って、制御部22は、シャント抵抗SRによって出力される電圧に応じてNMOSトランジスタ21の導通と非導通を制御する。
NMOSトランジスタ21は、本発明のスイッチング素子の一例であり、電流の導通と非導通を繰り返す。
NMOSトランジスタ21の電流路(ドレイン・ソース間)とシャント抵抗SRは、直列に接続される。NMOSトランジスタ21の電流路とシャント抵抗SRとが直列に接続された回路の一端と他端は、それぞれ電流制限部20の入力と出力である。シャント抵抗SRは、NMOSトランジスタ21の電流路を流れる電流の大きさに応じた電圧を出力する。
制御部22は、PWM(Pulse Width Modulation)信号を出力する。PWM信号は、シャント抵抗SRによって出力される電圧に応じたデューティ比でハイレベルとローレベルを繰り返すパルス電圧である。PWM信号は、NMOSトランジスタ21のゲートに入力される。従って、制御部22は、シャント抵抗SRによって出力される電圧に応じてNMOSトランジスタ21の導通と非導通を制御する。
次に、充放電制御装置1の動作について説明する。
電流方向変更部10は、蓄電池40を充電する充電電流と蓄電池40を放電させる放電電流を電流制限部20に向けて流し、電流制限部20によって出力される電流を充電電流と放電電流の向きに戻す。
電流制限部20は、NMOSトランジスタ21が電流を導通させる時間を調整することにより、充電電流と放電電流に所定の制限を加える。なお、所定の制限とは、例えば、充電電流と放電電流の最大値または平均値を所定の大きさ以下に制限したり、充電電流と放電電流を一定の大きさとする等である。
電流方向変更部10は、蓄電池40を充電する充電電流と蓄電池40を放電させる放電電流を電流制限部20に向けて流し、電流制限部20によって出力される電流を充電電流と放電電流の向きに戻す。
電流制限部20は、NMOSトランジスタ21が電流を導通させる時間を調整することにより、充電電流と放電電流に所定の制限を加える。なお、所定の制限とは、例えば、充電電流と放電電流の最大値または平均値を所定の大きさ以下に制限したり、充電電流と放電電流を一定の大きさとする等である。
図2は、図1の充放電制御装置1において、直流母線の電圧が蓄電池40の電圧より高い場合であってNMOSトランジスタ21が導通しているときに充電電流i1が流れる経路の一例を示す。
直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)が蓄電池40の電圧より高い場合に、NMOSトランジスタ21が導通している間、充電電流i1が流れる。充電電流i1は、まず端子DC+(直流母線の高電位側)から蓄電池40の正極に流れる。次に、充電電流i1は、蓄電池40の負極から電流方向変更部10に流れる。
電流方向変更部10において、充電電流i1はダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分に流れ込む。次に、充電電流i1はダイオードD1のカソードから電流制限部20の入力に流れる。充電電流i1は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通り、電流制限部20の出力からダイオードD4のアノードに流れる。そして、充電電流i1は、ダイオードD4のカソードから端子DC−に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、充電電流i1をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を充電電流i1の向きに戻す。
直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)が蓄電池40の電圧より高い場合に、NMOSトランジスタ21が導通している間、充電電流i1が流れる。充電電流i1は、まず端子DC+(直流母線の高電位側)から蓄電池40の正極に流れる。次に、充電電流i1は、蓄電池40の負極から電流方向変更部10に流れる。
電流方向変更部10において、充電電流i1はダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分に流れ込む。次に、充電電流i1はダイオードD1のカソードから電流制限部20の入力に流れる。充電電流i1は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通り、電流制限部20の出力からダイオードD4のアノードに流れる。そして、充電電流i1は、ダイオードD4のカソードから端子DC−に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、充電電流i1をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を充電電流i1の向きに戻す。
図3は、図1の充放電制御装置1において、蓄電池40の電圧が直流母線の電圧より高い場合であってNMOSトランジスタ21が導通しているときに放電電流i2が流れる経路の一例を示す。
蓄電池40の電圧が直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)より高い場合、NMOSトランジスタ21が導通している間に、放電電流i2が流れる。放電電流i2は、まず端子DC−(直流母線の低電位側)から電流方向変更部10に流れる。
電流方向変更部10において、放電電流i2はダイオードD3のアノードに入力される。次に、放電電流i2はダイオードD3のカソードから電流制限部20の入力に流れる。放電電流i2は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通って電流制限部20の出力からダイオードD2のアノードに流れる。そして、放電電流i2は、ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分から流れ出し、蓄電池40の負極に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、放電電流i2をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を放電電流i2の向きに戻す。
そして、放電電流i2は、蓄電池40の正極から端子DC+(直流母線の高電位側)に流れる。
蓄電池40の電圧が直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)より高い場合、NMOSトランジスタ21が導通している間に、放電電流i2が流れる。放電電流i2は、まず端子DC−(直流母線の低電位側)から電流方向変更部10に流れる。
電流方向変更部10において、放電電流i2はダイオードD3のアノードに入力される。次に、放電電流i2はダイオードD3のカソードから電流制限部20の入力に流れる。放電電流i2は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通って電流制限部20の出力からダイオードD2のアノードに流れる。そして、放電電流i2は、ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分から流れ出し、蓄電池40の負極に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、放電電流i2をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を放電電流i2の向きに戻す。
そして、放電電流i2は、蓄電池40の正極から端子DC+(直流母線の高電位側)に流れる。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る充放電制御装置2の構成の一例を示す。
充放電制御装置2は、電流方向変更部10と、電流制限部20と、充放電部30とを有する。充放電制御装置2は、第1の実施形態に係る充放電制御装置1に充放電部30が付加された構成である。電流方向変更部10と電流制限部20とは、第1の実施形態に係る充放電制御装置1におけるものと同一の構成である。
充放電制御装置2は、端子DC+と端子DC−を有する。端子DC+と端子DC−は、それぞれ直流母線の高電位側と低電位側に接続される。充放電制御装置2は、蓄電池40と直流母線の間に配置され、蓄電池40の充電と放電を切り換える。充放電制御装置2と蓄電池40は、充放電制御装置付き蓄電池を構成する。
充放電制御装置2は、電流方向変更部10と、電流制限部20と、充放電部30とを有する。充放電制御装置2は、第1の実施形態に係る充放電制御装置1に充放電部30が付加された構成である。電流方向変更部10と電流制限部20とは、第1の実施形態に係る充放電制御装置1におけるものと同一の構成である。
充放電制御装置2は、端子DC+と端子DC−を有する。端子DC+と端子DC−は、それぞれ直流母線の高電位側と低電位側に接続される。充放電制御装置2は、蓄電池40と直流母線の間に配置され、蓄電池40の充電と放電を切り換える。充放電制御装置2と蓄電池40は、充放電制御装置付き蓄電池を構成する。
充放電部30は、トランス31と、ダイオードD5と、ダイオードD6とを有する。
トランス31は、コアおよびそのコアに巻回された逆極性の一次コイル32と二次コイル33とを有する。一次コイル32の一端は、蓄電池40の負極に接続される。一次コイル32の他端は、ダイオードD5を介して蓄電池40の正極と端子DC+に接続される。すなわち、ダイオードD5のアノードとカソードとは、それぞれ一次コイル32の他端と蓄電池40の正極とに接続される。二次コイル33の一端は、ダイオードD6を介して蓄電池40の正極と端子DC+に接続される。すなわち、ダイオードD6のアノードとカソードとは、それぞれ二次コイル33の一端と端子DC+(直流母線の高電位側)に接続される。二次コイル33の他端は、端子DC−(直流母線の低電位側)に接続される。
トランス31は、コアおよびそのコアに巻回された逆極性の一次コイル32と二次コイル33とを有する。一次コイル32の一端は、蓄電池40の負極に接続される。一次コイル32の他端は、ダイオードD5を介して蓄電池40の正極と端子DC+に接続される。すなわち、ダイオードD5のアノードとカソードとは、それぞれ一次コイル32の他端と蓄電池40の正極とに接続される。二次コイル33の一端は、ダイオードD6を介して蓄電池40の正極と端子DC+に接続される。すなわち、ダイオードD6のアノードとカソードとは、それぞれ二次コイル33の一端と端子DC+(直流母線の高電位側)に接続される。二次コイル33の他端は、端子DC−(直流母線の低電位側)に接続される。
電流方向変更部10は、ダイオードD1と、ダイオードD2と、ダイオードD3と、ダイオードD4とを有するダイオードブリッジ回路である。
ダイオードD1のアノードは、充放電部30の一次コイル32の他端およびダイオードD2のカソードと接続されている。ダイオードD1のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD3のカソードと接続されている。
ダイオードD2のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD4のアノードとに接続されている。ダイオードD2のカソードは充放電部30の一次コイル32の他端およびダイオードD1のアノードと接続されている。
ダイオードD3のアノードは、端子DC−(直流母線の低電位側)、充放電部30の二次コイル33の他端、およびダイオードD4のカソードと接続されている。ダイオードD3のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD1のカソードと接続されている。
ダイオードD4のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD2のアノードとに接続されている。ダイオードD4のカソードは、端子DC−(直流母線の低電位側)、充放電部30の二次コイル33の他端、およびダイオードD3のアノードと接続されている。
ダイオードD1のアノードは、充放電部30の一次コイル32の他端およびダイオードD2のカソードと接続されている。ダイオードD1のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD3のカソードと接続されている。
ダイオードD2のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD4のアノードとに接続されている。ダイオードD2のカソードは充放電部30の一次コイル32の他端およびダイオードD1のアノードと接続されている。
ダイオードD3のアノードは、端子DC−(直流母線の低電位側)、充放電部30の二次コイル33の他端、およびダイオードD4のカソードと接続されている。ダイオードD3のカソードは、電流制限部20の入力およびダイオードD1のカソードと接続されている。
ダイオードD4のアノードは、電流制限部20の出力およびダイオードD2のアノードとに接続されている。ダイオードD4のカソードは、端子DC−(直流母線の低電位側)、充放電部30の二次コイル33の他端、およびダイオードD3のアノードと接続されている。
電流制限部20は第1の実施形態に係る充放電制御装置1における電流制限部20と同一の構成であるため、その説明を省略する。
次に、充放電制御装置2の動作について説明する。
図5は、図4の充放電制御装置2において、直流母線の電圧が蓄電池40の電圧より高い場合であってNMOSトランジスタ21が導通しているときに充電電流i3が流れる経路の一例を示す。
直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)が蓄電池40の電圧より高い場合に、NMOSトランジスタ21が導通している間、充電電流i3が流れる。充電電流i3は、まず端子DC+(直流母線の高電位側)から蓄電池40の正極に流れる。次に、充電電流i3は、蓄電池40の負極から一次コイル32の一端に流れ、一次コイル32を経て一次コイル32の他端から電流方向変更部10に流れる。充電電流i3が一次コイル32の一端から他端に向けて流れる間に、充電電流i3によってトランス31のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
電流方向変更部10において、充電電流i3はダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分に流れ込む。次に、充電電流i3はダイオードD1のカソードから電流制限部20の入力に流れる。充電電流i3は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通り、電流制限部20の出力からダイオードD4のアノードに流れる。そして、充電電流i3は、ダイオードD4のカソードから端子DC−に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、充電電流i3をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を充電電流i3の向きに戻す。
図5は、図4の充放電制御装置2において、直流母線の電圧が蓄電池40の電圧より高い場合であってNMOSトランジスタ21が導通しているときに充電電流i3が流れる経路の一例を示す。
直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)が蓄電池40の電圧より高い場合に、NMOSトランジスタ21が導通している間、充電電流i3が流れる。充電電流i3は、まず端子DC+(直流母線の高電位側)から蓄電池40の正極に流れる。次に、充電電流i3は、蓄電池40の負極から一次コイル32の一端に流れ、一次コイル32を経て一次コイル32の他端から電流方向変更部10に流れる。充電電流i3が一次コイル32の一端から他端に向けて流れる間に、充電電流i3によってトランス31のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
電流方向変更部10において、充電電流i3はダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分に流れ込む。次に、充電電流i3はダイオードD1のカソードから電流制限部20の入力に流れる。充電電流i3は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通り、電流制限部20の出力からダイオードD4のアノードに流れる。そして、充電電流i3は、ダイオードD4のカソードから端子DC−に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、充電電流i3をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を充電電流i3の向きに戻す。
図6は、図4の充放電制御装置2において、直流母線の電圧が蓄電池40の電圧より高い場合であってNMOSトランジスタ21が非導通であるときに充電電流i4が流れる経路の一例を示す。
上述したように、トランス31のコアには、NMOSトランジスタ21が導通している間に充電電流i3によって磁気エネルギーが蓄積される。NMOSトランジスタ21が非導通になると、この磁気エネルギーにより、一次コイル32に逆起電力が生じ、充電電流i4が流れる。充電電流i4は、一次コイル32の他端からダイオードD5を通って蓄電池40の正極に流れ、蓄電池40の負極から一次コイル32の一端に流れる。このとき、二次コイル33に電流が流れることは、ダイオードD6によって阻止される。
上述したように、トランス31のコアには、NMOSトランジスタ21が導通している間に充電電流i3によって磁気エネルギーが蓄積される。NMOSトランジスタ21が非導通になると、この磁気エネルギーにより、一次コイル32に逆起電力が生じ、充電電流i4が流れる。充電電流i4は、一次コイル32の他端からダイオードD5を通って蓄電池40の正極に流れ、蓄電池40の負極から一次コイル32の一端に流れる。このとき、二次コイル33に電流が流れることは、ダイオードD6によって阻止される。
図7は、図4の充放電制御装置2において、蓄電池40の電圧が直流母線の電圧より高い場合であってNMOSトランジスタ21が導通しているときに放電電流i5が流れる経路の一例を示す。
蓄電池40の電圧が直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)より高い場合、NMOSトランジスタ21が導通している間に、放電電流i5が流れる。放電電流i5は、まず端子DC−(直流母線の低電位側)から電流方向変更部10に流れる。電流方向変更部10において、放電電流i5はダイオードD3のアノードに入力される。次に、放電電流i5はダイオードD3のカソードから電流制限部20の入力に流れる。放電電流i5は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通って電流制限部20の出力からダイオードD2のアノードに流れる。そして、放電電流i5は、ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分から流れ出し、充放電部30の一次コイル32の他端に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、放電電流i5をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を放電電流i5の向きに戻す。
次に、放電電流i5は、一次コイル32を経て、蓄電池40の負極に流れる。放電電流i5が一次コイル32の他端から一端に向けて流れる間に、放電電流i5によってトランス31のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
そして、放電電流i5は、蓄電池40の正極から端子DC+(直流母線の高電位側)に流れる。
蓄電池40の電圧が直流母線の電圧(端子DC+と端子DC−間の電圧)より高い場合、NMOSトランジスタ21が導通している間に、放電電流i5が流れる。放電電流i5は、まず端子DC−(直流母線の低電位側)から電流方向変更部10に流れる。電流方向変更部10において、放電電流i5はダイオードD3のアノードに入力される。次に、放電電流i5はダイオードD3のカソードから電流制限部20の入力に流れる。放電電流i5は、NMOSトランジスタ21とシャント抵抗SRを通って電流制限部20の出力からダイオードD2のアノードに流れる。そして、放電電流i5は、ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続部分から流れ出し、充放電部30の一次コイル32の他端に流れる。すなわち、電流方向変更部10は、放電電流i5をNMOSトランジスタ21に向けて流し、NMOSトランジスタ21によって出力される電流を放電電流i5の向きに戻す。
次に、放電電流i5は、一次コイル32を経て、蓄電池40の負極に流れる。放電電流i5が一次コイル32の他端から一端に向けて流れる間に、放電電流i5によってトランス31のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
そして、放電電流i5は、蓄電池40の正極から端子DC+(直流母線の高電位側)に流れる。
図8は、図4の充放電制御装置2において、蓄電池40の電圧が直流母線の電圧より高い場合であってNMOSトランジスタ21が非導通であるときに電流i6が流れる経路の一例を示す。
上述したように、トランス31のコアには、NMOSトランジスタ21が導通している間に放電電流i5によって磁気エネルギーが蓄積される。NMOSトランジスタ21が非導通になると、この磁気エネルギーにより、二次コイル33に逆起電力が生じ、電流i6が流れる。電流i6は、端子DC−(直流母線の低電位側)から二次コイル33の他端に流れ、二次コイル33の一端からダイオードD6を通って端子DC+(直流母線の高電位側)に流れる。このとき、一次コイル32に電流が流れることは、ダイオードD5によって阻止される。
上述したように、トランス31のコアには、NMOSトランジスタ21が導通している間に放電電流i5によって磁気エネルギーが蓄積される。NMOSトランジスタ21が非導通になると、この磁気エネルギーにより、二次コイル33に逆起電力が生じ、電流i6が流れる。電流i6は、端子DC−(直流母線の低電位側)から二次コイル33の他端に流れ、二次コイル33の一端からダイオードD6を通って端子DC+(直流母線の高電位側)に流れる。このとき、一次コイル32に電流が流れることは、ダイオードD5によって阻止される。
以上説明したように、本発明によれば、充電時の電流の経路と放電時の電流の経路を切り換えるスイッチを不要とし、直流母線の電圧と蓄電池の電圧との大小関係が変化したときに蓄電池の充電と放電を瞬時に切り換えることができる。
さらに、本発明によれば、NMOSトランジスタ21が導通している間にトランス31のコアに蓄えられた磁気エネルギーによって、NMOSトランジスタ21が非導通であるときに、直流母線の電圧が蓄電池40の電圧より高い場合には蓄電池40を充電し、蓄電池40の電圧が直流母線の電圧より高い場合には直流母線に電流を流すことができ、エネルギーを有効に利用することができる。
さらに、本発明によれば、NMOSトランジスタ21が導通している間にトランス31のコアに蓄えられた磁気エネルギーによって、NMOSトランジスタ21が非導通であるときに、直流母線の電圧が蓄電池40の電圧より高い場合には蓄電池40を充電し、蓄電池40の電圧が直流母線の電圧より高い場合には直流母線に電流を流すことができ、エネルギーを有効に利用することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。
1,2…充放電制御装置、10…電流方向変更部、20…電流制限部、21…NMOSトランジスタ、22…制御部、30…充放電部、31…トランス、32…一次コイル、33…二次コイル、40…蓄電池、D1〜D6…ダイオード、SR…シャント抵抗
Claims (5)
- 蓄電池と直流母線の間に配置され、蓄電池の充電と放電を切り換える充放電制御装置であって、
電流の導通と非導通を繰り返すスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子が電流を導通させる時間を調整することにより、前記蓄電池を充電する充電電流と前記蓄電池を放電させる放電電流に所定の制限を加える電流制限部と、
前記直流母線の電圧が前記蓄電池の電圧より高い場合に、前記スイッチング素子が導通している間、前記直流母線の高電位側から前記蓄電池の正極に流れ、かつ前記蓄電池の負極から前記直流母線の低電位側に流れる前記充電電流が入力され、入力された当該充電電流を前記スイッチング素子に向けて流し、前記スイッチング素子によって出力される電流を当該充電電流の向きに戻し、一方、前記蓄電池の電圧が前記直流母線の電圧より高い場合に、前記スイッチング素子が導通している間、前記直流母線の低電位側から前記蓄電池の負極に流れ、かつ前記蓄電池の正極から前記直流母線の高電位側に流れる前記放電電流が入力され、入力された当該放電電流を前記スイッチング素子に向けて流し、前記スイッチング素子によって出力される電流を当該放電電流の向きに戻す電流方向変更部と、
を備える充放電制御装置。 - 前記電流方向変更部が、カソードが前記電流制限部の入力に接続される第1のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記電流制限部の出力と前記第1のダイオードのアノードとに接続される第2のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記直流母線の低電位側と前記電流制限部の入力とに接続される第3のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ前記電流制限部の出力と前記直流母線の低電位側とに接続される第4のダイオードとを有しており、前記スイッチング素子が導通している間に前記直流母線の電圧と前記蓄電池の電圧との大小に応じて、前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードとの接続部分に前記充電電流が流れ込むか、または当該接続部分から前記放電電流が流れ出す請求項1に記載の充放電制御装置。
- 逆極性の一次コイルと二次コイルを有するトランスを備え、前記直流母線の電圧が前記蓄電池の電圧より高い場合、前記スイッチング素子が導通している間に前記充電電流が当該一次コイルの一端から他端に向けて流れると共に、前記充電電流により当該トランスのコアに磁気エネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子が非導通である間に当該蓄積された磁気エネルギーにより当該一次コイルに生じる逆起電力によって、充電電流が当該一次コイルの他端から前記蓄電池の正極に流れ、前記蓄電池の負極から当該一次コイルの一端に流れ、一方、前記蓄電池の電圧が前記直流母線の電圧より高い場合、前記スイッチング素子が導通している間に前記放電電流が当該一次コイルの他端から一端に向けて流れると共に、前記放電電流により当該トランスのコアに磁気エネルギーが蓄積され、前記スイッチング素子が非導通である間に当該蓄積された磁気エネルギーにより前記二次コイルに生じる逆起電力によって電流が前記直流母線の低電位側から前記二次コイルの他端に流れ、前記二次コイルの一端から前記直流母線の高電位側に流れる充放電部を備える請求項1または2に記載の充放電制御装置。
- 前記充放電部が、逆極性の一次コイルと二次コイルを有するトランスと、アノードとカソードとがそれぞれ当該一次コイルの他端と前記蓄電池の正極とに接続される第5のダイオードと、アノードとカソードとがそれぞれ当該二次コイルの一端と前記直流母線の高電位側とに接続される第6のダイオードとを有しており、前記一次コイルの一端が前記蓄電池の負極に接続され、前記二次コイルの他端が前記直流母線の低電位側に接続される請求項2に記載の充放電制御装置。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の充放電制御装置と、
前記充放電制御装置に接続される蓄電池とを、
備える充放電制御装置付き蓄電池。
Priority Applications (1)
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JP2018197169A JP2020065410A (ja) | 2018-10-19 | 2018-10-19 | 充放電制御装置および充放電制御装置付き蓄電池 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2018197169A JP2020065410A (ja) | 2018-10-19 | 2018-10-19 | 充放電制御装置および充放電制御装置付き蓄電池 |
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JP2020065410A true JP2020065410A (ja) | 2020-04-23 |
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Family Applications (1)
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JP2018197169A Pending JP2020065410A (ja) | 2018-10-19 | 2018-10-19 | 充放電制御装置および充放電制御装置付き蓄電池 |
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2018
- 2018-10-19 JP JP2018197169A patent/JP2020065410A/ja active Pending
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