JP2020145771A - 充放電制御装置および充放電制御装置付き蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子がオンである間にトランスのコアに蓄積された磁気エネルギーにより、スイッチング素子がオフである間に蓄電池の充電または直流母線への電力供給を行う。【解決手段】直流母線の電圧が蓄電池３０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充電電流が一次コイル１２に流れ、トランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。ＮＭＯＳトランジスタ２１が非導通である間にこの磁気エネルギーにより一次コイル１２に逆起電力が生じ、電流が一次コイル１２から蓄電池３０に流れる。蓄電池３０の電圧が直流母線の電圧より高い場合、ＰＭＯＳトランジスタ２２が導通している間に放電電流が一次コイル１２に流れ、トランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。ＰＭＯＳトランジスタ２２が非導通である間にこの磁気エネルギーにより二次コイル１３に逆起電力が生じ、電流が二次コイル１３から直流母線に流れる。【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、蓄電池の充放電を制御す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。

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なければならない。
そして、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。これは、例えば、蓄電池と直流母線との間に直列に接続されたコイルとスイッチング素子とを配置し、スイッチング素子をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することで実現できる。先行技術文献としては、国際公開第２０１７／０８６３４９、特開２００７−２５９６３３号公報、特許第６０３２５１６号明細書がある。

しかし、スイッチング素子がオンとなってコイルに電流が流れると、コイルが巻回されているコアに磁気エネルギーが蓄積される。この磁気エネルギーはスイッチング素子がオフとなっている間に放出する必要がある。コアから放出されるエネルギーは、例えば抵抗で消費することができるが、抵抗で消費された磁気エネルギーは無駄になる。

本発明の目的は、スイッチング素子がオンとなっている間にトランスのコアに蓄積された磁気エネルギーにより、スイッチング素子がオフとなっている間に蓄電池の充電または直流母線への電力供給を行う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制御する充放電制御装置であって、
少なくとも１つのスイッチング素子と制御部を有し、当該制御部が当該スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、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、
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、前記電流制限部によって制限された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前記一次コイルに生じる逆起電力によって前記蓄電池を充電する電流が前記一次コイルから前記蓄電池に流れ、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、前記電流制限部によって制限された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二次コイルから前記直流母線に流れる充放電部と、
を備える。

好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
前記充放電部が、前記一次コイルの他端から前記蓄電池の正極に向けて電流を流す第１の整流素子と、前記二次コイルの一端から前記直流母線の高電位側に向けて電流を流す第２の整流素子とを有し、
前記一次コイルの一端が前記蓄電池の負極に接続され、前記一次コイルの他端から前記電流制限部に充電電流が流れるか、または前記電流制限部から前記一次コイルの他端に放電電流が流れ、
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。

好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
前記電流制限部が、
前記充電電流に所定の制限を加える第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子に、前記充電電流を流し、前記放電電流が流れることを阻止する第３の整流素子と、
前記放電電流に所定の制限を加える第２のスイッチング素子と、
前記第２のスイッチング素子に、前記放電電流を流し、前記充電電流が流れることを阻止する第４の整流素子と、
を有する。

好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
前記電流制限部において、前記第１のスイッチング素子と前記第３の整流素子とが直列に接続された第１の直列回路と、前記第２のスイッチング素子と前記第４の整流素子とが直列に接続された第２の直列回路とが並列に前記一次コイルの他端と前記直流母線の低電位側とに接続されている。

好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
前記電流制限部が、
前記充電電流に所定の制限を加える第３のスイッチング素子と、
前記放電電流に所定の制限を加える第４のスイッチング素子と、
前記第４のスイッチング素子をバイパスして前記充電電流を流す第５の整流素子と、
前記第３のスイッチング素子をバイパスして前記放電電流を流す第６の整流素子と、
を有する。

好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
前記電流制限部において、前記第３のスイッチング素子と前記第６の整流素子とが並列に接続された第１の並列回路と、前記第４のスイッチング素子と前記第５の整流素子とが並列に接続された第２の並列回路とが直列に前記一次コイルの他端と前記直流母線の低電位側とに接続されている。

好ましくは、本発明の充放電制御装置は、
前記電流制限部が、
スイッチング素子を１個のみ有し、
前記充電電流が入力されるとき、前記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前記充電電流の向きに戻し、一方、前記放電電流が入力されるとき、前記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前記放電電流の向きに戻す電流方向変更部を有する。

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、
アノードとカソードとがそれぞれ前記一次コイルの他端と前記スイッチング素子の入力とに接続される第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スイッチング素子の出力と前記一次コイルの他端とに接続される第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スイッチング素子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スイッチング素子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、
を有する。

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。

本発明によれば、スイッチング素子がオンとなっている間にトランスのコアに蓄積された磁気エネルギーにより、スイッチング素子がオフとなっている間に蓄電池の充電または直流母線への電力供給を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る充放電制御装置の構成の一例を示す図である。 図１の充放電制御装置において、直流母線の電圧が蓄電池の電圧より高い場合であってＮＭＯＳトランジスタが導通しているときに充電電流が流れる経路の一例を示す図である。 図１の充放電制御装置において、直流母線の電圧が蓄電池の電圧より高い場合であってＮＭＯＳトランジスタが非導通であるときに蓄電池を充電する電流が流れる経路の一例を示す図である。 図１の充放電制御装置において、蓄電池の電圧が直流母線の電圧より高い場合であってＰＭＯＳトランジスタが導通しているときに放電電流が流れる経路の一例を示す図である。 図１の充放電制御装置において、蓄電池の電圧が直流母線の電圧より高い場合であってＰＭＯＳトランジスタが非導通であるときに電流が流れる経路の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る充放電制御装置の構成の一例を示す図である。 図６の充放電制御装置において、直流母線の電圧が蓄電池の電圧より高い場合であって第１のＮＭＯＳトランジスタが導通しているときに充電電流が流れる経路の一例を示す図である。 図６の充放電制御装置において、蓄電池の電圧が直流母線の電圧より高い場合であって第２のＮＭＯＳトランジスタが導通しているときに放電電流が流れる経路の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る充放電制御装置の構成の一例を示す図である。 図９の充放電制御装置において、直流母線の電圧が蓄電池の電圧より高い場合であってＮＭＯＳトランジスタが導通しているときに充電電流が流れる経路の一例を示す図である。 図９の充放電制御装置において、蓄電池の電圧が直流母線の電圧より高い場合であってＮＭＯＳトランジスタが導通しているときに放電電流が流れる経路の一例を示す図である。

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、充放電部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−とは、それぞれ直流母線の高電位側と低電位側とに接続される。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。充放電制御装置１は、蓄電池３０と直流母線との間に配置され、蓄電池３０の充電と放電を制御する。充放電制御装置１と蓄電池３０は、充放電制御装置付き蓄電池を構成する。

充放電部１０は、トランス１１と、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ２とを有する。
トランス１１は、コア、および逆極性となるようにコアに巻回された一次コイル１２と二次コイル１３とを有する。一次コイル１２の一端は、蓄電池３０の負極に接続される。一次コイル１２の他端は、ダイオードＤ１を介して蓄電池３０の正極と端子ＤＣ＋に接続される。すなわち、ダイオードＤ１のアノードとカソードとは、それぞれ一次コイル１２の他端と蓄電池３０の正極とに接続される。ダイオードＤ１は、一次コイル１２の他端から蓄電池３０の正極に向けて電流を流す。二次コイル１３の一端は、ダイオードＤ２を介して蓄電池３０の正極と端子ＤＣ＋に接続される。すなわち、ダイオードＤ２のアノードとカソードとは、それぞれ二次コイル１３の一端と端子ＤＣ＋に接続される。ダイオードＤ２は、二次コイル１３の一端から端子ＤＣ＋（直流母線の高電位側）に向けて電流を流す。二次コイル１３の他端は、端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）に接続される。
なお、ダイオードＤ１は本発明の第１の整流素子の例であり、ダイオードＤ２は本発明の第２の整流素子の例である。

電流制限部２０は、ＮＭＯＳトランジスタ２１と、ＰＭＯＳトランジスタ２２と、制御部２３と、ダイオードＤ３と、ダイオードＤ４とを有する。
ダイオードＤ３のアノードとカソードとは、それぞれ一次コイル１２の他端とＮＭＯＳトランジスタ２１のドレインとに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ２１のソースは、端子ＤＣ−に接続される。ダイオードＤ４のアノードとカソードとは、それぞれＰＭＯＳトランジスタ２２のドレインと一次コイル１２の他端とに接続される。ＰＭＯＳトランジスタ２２のソースは、端子ＤＣ−に接続される。
すなわち、電流制限部２０において、ＮＭＯＳトランジスタ２１の電流路（ドレイン・ソース間）とダイオードＤ３とが直列に接続された第１の直列回路と、ＰＭＯＳトランジスタ２２の電流路（ドレイン・ソース間）とダイオードＤ４とが直列に接続された第２の直列回路とが並列に一次コイル１２の他端と端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）とに接続される。

制御部２３は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号であるＰＷＭ１とＰＷＭ２を出力する。ＰＷＭ１は、ＮＭＯＳトランジスタ２１のゲートに入力される。ＰＷＭ２は、ＰＭＯＳトランジスタ２２のゲートに入力される。ＰＷＭ１とＰＷＭ２は、ハイレベル（高電位）とローレベル（低電位）を繰り返すパルス電圧である。ＮＭＯＳトランジスタ２１は、ＰＷＭ１がハイレベルのときに電流路が導通する。ＰＭＯＳトランジスタ２２は、ＰＷＭ２がローレベルのときに電流路が導通する。
なお、ＮＭＯＳトランジスタ２１は本発明の第１のスイッチング素子の例であり、ダイオードＤ３は本発明の第３の整流素子の例であり、ＰＭＯＳトランジスタ２２は本発明の第２のスイッチング素子の例であり、ダイオードＤ４は本発明の第４の整流素子の例である。また、第２のスイッチング素子としてＰＭＯＳトランジスタ２２ではなく、ＮＭＯＳトランジスタを用いることもできる。

次に、充放電制御装置１の動作について説明する。
制御部２３は、ＮＭＯＳトランジスタ２１とＰＭＯＳトランジスタ２３とをそれぞれＰＷＭ制御する。図２に示すように、充電電流ｉ１はＮＭＯＳトランジスタ２１の電流路を流れる。制御部２３は、ＰＷＭ１のデューティ比を変化させることにより、充電電流ｉ１に所定の制限を加える。また、図４に示すように、放電電流ｉ３はＰＭＯＳトランジスタ２２の電流路を流れる。制御部２３は、ＰＷＭ２のデューティ比を変化させることにより、放電電流ｉ３に所定の制限を加える。ここで、所定の制限とは、例えば、充電電流ｉ１と放電電流ｉ３の最大値または平均値を所定の大きさ以下に制限する、充電電流ｉ１と放電電流ｉ３を一定の大きさとする、蓄電池３０が過充電のときに充電電流ｉ１を０にする、蓄電池３０が過放電のときに放電電流ｉ３を０にする等である。

充放電制御装置１は、蓄電池３０を流れる電流の値を測定するための図示しない電流測定回路を有する。制御部２３は、測定された電流の値に応じて充電電流ｉ１と放電電流ｉ３の最大値または平均値が所定の大きさ以下となるように制御したり、充電電流ｉ１と放電電流ｉ３が一定の大きさになるように制御したりする。
ダイオードＤ３は、ＮＭＯＳトランジスタ２１に充電電流ｉ１を流し、放電電流ｉ３が流れることを阻止する。このため、蓄電池３０を充電するとき、ＰＷＭ１だけでなく、ＰＷＭ２もハイレベルとローレベルを繰り返してもよい。また、ダイオードＤ４は、ＰＭＯＳトランジスタ２２に放電電流ｉ３を流し、充電電流ｉ１が流れることを阻止する。このため、蓄電池３０を放電させるとき、ＰＷＭ２だけでなく、ＰＷＭ１もハイレベルとローレベルを繰り返してもよい。ＰＷＭ１とＰＷＭ２が両方ともハイレベルとローレベルを繰り返しているときに蓄電池３０の電圧と直流母線の電圧との大小関係が変化した場合、蓄電池３０の充電と放電は瞬時に切り替わる。

また、充放電制御装置１は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧の値を測定するための図示しない電圧測定回路を有する。
制御部２３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過充電電圧まで上昇したとき、ＰＷＭ１をローレベルに固定してＮＭＯＳトランジスタ２１をオフにし、充電電流ｉ１を０にする。このとき、ＰＷＭ２がハイレベルとローレベルを繰り返していると、直流母線の電圧が低下したときに蓄電池３０は瞬時に放電を始める。
制御部２３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過放電電圧まで低下したとき、ＰＷＭ２をハイレベルに固定してＰＭＯＳトランジスタ２２をオフにし、放電電流ｉ３を０にする。このとき、ＰＷＭ１がハイレベルとローレベルを繰り返していると、直流母線の電圧が上昇したときに蓄電池３０の充電が瞬時に開始される。

図２に示すように、直流母線の電圧（端子ＤＣ＋と端子ＤＣ−間の電圧）が蓄電池３０の電圧より高い場合に、ＮＭＯＳトランジスタ２１の電流路が導通している間、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３０の正極に流れる。次に、充電電流ｉ１は、蓄電池３０の負極から一次コイル１２の一端に流れ、一次コイル１２を経て一次コイル１２の他端からダイオードＤ３に流れる。そして、充電電流ｉ１は、ＮＭＯＳトランジスタ２１の電流路を通って端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）に流れる。充電電流ｉ１が一次コイル１２の一端から他端に向けて流れる間に、充電電流ｉ１によってトランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。

図３に示すように、ＮＭＯＳトランジスタ２１が非導通になると、トランス１１のコアに蓄積された磁気エネルギーにより、一次コイル１２に逆起電力が生じ、蓄電池３０を充電する電流ｉ２が一次コイル１２から蓄電池３０に流れる。電流ｉ２は、一次コイル１２の他端からダイオードＤ１を通って蓄電池３０の正極に流れ、蓄電池３０の負極から一次コイル１２の一端に流れる。このとき、二次コイル１３に電流が流れることは、ダイオードＤ２によって阻止される。

図４に示すように、蓄電池３０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、ＰＭＯＳトランジスタ２２が導通している間に、放電電流ｉ３が流れる。放電電流ｉ３は、まず端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）からＰＭＯＳトランジスタ２２に流れる。ＰＭＯＳトランジスタ２２の電流路を流れた放電電流ｉ３は、ダイオードＤ４を通って一次コイル１２の他端に流れる。次に、放電電流ｉ３は、一次コイル１２を経て、蓄電池３０の負極に流れる。放電電流ｉ３が一次コイル１２の他端から一端に向けて流れる間に、放電電流ｉ３によってトランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
そして、放電電流ｉ３は、蓄電池３０の正極から端子ＤＣ＋（直流母線の高電位側）に流れる。

図５に示すように、ＰＭＯＳトランジスタ２２が非導通になると、トランス１１のコアに蓄積された磁気エネルギーにより、二次コイル１３に逆起電力が生じ、電流ｉ４が二次コイル１３から直流母線に流れる。電流ｉ４は、端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）から二次コイル１３の他端に流れ、二次コイル１３の一端からダイオードＤ２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１２に電流が流れることは、ダイオードＤ１によって阻止される。

図６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、充放電部１０と、電流制限部４０とを有する。
充放電制御装置２も、充放電制御装置１と同様に、蓄電池３０と直流母線との間に配置され、蓄電池３０の充電と放電を制御する。充放電制御装置２と蓄電池３０は、充放電制御装置付き蓄電池を構成する。充放電部１０の構成は、充放電制御装置１と充放電制御装置２で同一である。

電流制限部４０は、ＮＭＯＳトランジスタ４１と、ＮＭＯＳトランジスタ４２と、制御部４３と、ダイオードＤ５と、ダイオードＤ６とを有する。
ＮＭＯＳトランジスタ４１のドレインとソースは、それぞれ一次コイル１２の他端とＮＭＯＳトランジスタ４２のソースとに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ４２のドレインは、端子ＤＣ−に接続される。ダイオードＤ５のアノードとカソードとは、それぞれＮＭＯＳトランジスタ４２のソースとドレインとに接続される。ダイオードＤ６のアノードとカソードとは、それぞれＮＭＯＳトランジスタ４１のソースとドレインとに接続される。
すなわち、電流制限部４０において、ＮＭＯＳトランジスタ４１とダイオードＤ６とが並列に接続された第１の並列回路と、ＮＭＯＳトランジスタ４２とダイオードＤ５とが並列に接続された第２の並列回路とが直列に一次コイル１２の他端と端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）とに接続される。

制御部４３は、ＰＷＭ信号であるＰＷＭ３とＰＷＭ４を出力する。ＰＷＭ３は、ＮＭＯＳトランジスタ４１のゲートに入力される。ＰＷＭ４は、ＮＭＯＳトランジスタ４２のゲートに入力される。ＰＷＭ３とＰＷＭ４は、ハイレベル（高電位）とローレベル（低電位）を繰り返すパルス電圧である。ＮＭＯＳトランジスタ４１は、ＰＷＭ３がハイレベルのときに電流路が導通する。ＮＭＯＳトランジスタ４２は、ＰＷＭ４がハイレベルのときに電流路が導通する。
なお、ＮＭＯＳトランジスタ４１は本発明の第３のスイッチング素子の例であり、ダイオードＤ５は本発明の第５の整流素子の例であり、ＮＭＯＳトランジスタ４２は本発明の第４のスイッチング素子の例であり、ダイオードＤ６は本発明の第６の整流素子の例である。

次に、充放電制御装置２の動作について説明する。
制御部４３は、ＮＭＯＳトランジスタ４１とＮＭＯＳトランジスタ４２とをそれぞれＰＷＭ制御する。図７に示すように、充電電流ｉ５はＮＭＯＳトランジスタ４１の電流路とダイオードＤ５を流れる。ダイオードＤ５は、ＮＭＯＳトランジスタ４２をバイパスして充電電流ｉ５を流す。制御部４３は、ＰＷＭ３のデューティ比を変化させることにより、充電電流ｉ５に所定の制限を加える。また、図８に示すように、放電電流ｉ６はＮＭＯＳトランジスタ４２の電流路とダイオードＤ６を流れる。ダイオードＤ６は、ＮＭＯＳトランジスタ４１をバイパスして放電電流ｉ６を流す。制御部４３は、ＰＷＭ４のデューティ比を変化させることにより、放電電流ｉ６に所定の制限を加える。ここで、所定の制限とは、例えば、充電電流ｉ５と放電電流ｉ６の最大値または平均値を所定の大きさ以下に制限する、充電電流ｉ５と放電電流ｉ６を一定の大きさとする、蓄電池３０が過充電のときに充電電流ｉ５を０にする、蓄電池３０が過放電のときに放電電流ｉ６を０にする等である。

充放電制御装置２は、蓄電池３０を流れる電流の値を測定するための図示しない電流測定回路を有する。制御部４３は、測定された電流の値に応じて充電電流ｉ５と放電電流ｉ６の最大値または平均値が所定の大きさ以下となるように制御したり、充電電流ｉ５と放電電流ｉ６が一定の大きさになるように制御したりする。
上述したように、ダイオードＤ５は、ＮＭＯＳトランジスタ４２をバイパスして充電電流ｉ５を流す。このため、蓄電池３０を充電するとき、ＰＷＭ３だけでなく、ＰＷＭ４もハイレベルとローレベルを繰り返してもよい。また、ダイオードＤ６は、ＮＭＯＳトランジスタ４１をバイパスして放電電流ｉ６を流す。このため、蓄電池３０を放電させるとき、ＰＷＭ４だけでなく、ＰＷＭ３もハイレベルとローレベルを繰り返してもよい。ＰＷＭ３とＰＷＭ４が両方ともハイレベルとローレベルを繰り返しているときに蓄電池３０の電圧と直流母線の電圧との大小関係が変化した場合、蓄電池３０の充電と放電は瞬時に切り替わる。

また、充放電制御装置２は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧の値を測定するための図示しない電圧測定回路を有する。
制御部４３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過充電電圧まで上昇したとき、ＰＷＭ３をローレベルに固定してＮＭＯＳトランジスタ４１をオフにし、充電電流ｉ５を０にする。このとき、ＰＷＭ４がハイレベルとローレベルを繰り返していると、直流母線の電圧が低下したときに蓄電池３０は瞬時に放電を始める。
制御部４３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過放電電圧まで低下したとき、ＰＷＭ４をローレベルに固定してＮＭＯＳトランジスタ４２をオフにし、放電電流ｉ６を０にする。このとき、ＰＷＭ３がハイレベルとローレベルを繰り返していると、直流母線の電圧が上昇したときに蓄電池３０の充電が瞬時に開始される。

図７に示すように、直流母線の電圧（端子ＤＣ＋と端子ＤＣ−間の電圧）が蓄電池３０の電圧より高い場合に、ＮＭＯＳトランジスタ４１の電流路が導通している間、充電電流ｉ５が流れる。充電電流ｉ５は、まず端子ＤＣ＋（直流母線の高電位側）から蓄電池３０の正極に流れる。次に、充電電流ｉ５は、蓄電池３０の負極から一次コイル１２の一端に流れ、一次コイル１２を経て一次コイル１２の他端からＮＭＯＳトランジスタ４１に流れる。そして、充電電流ｉ５は、ＮＭＯＳトランジスタ４１の電流路とダイオードＤ５を通って端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）に流れる。充電電流ｉ５が一次コイル１２の一端から他端に向けて流れる間に、充電電流ｉ５によってトランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
ＮＭＯＳトランジスタ４１が導通から非導通に変化したときの動作は、第１の実施形態に係る充放電制御装置１と同様である。すなわち、図３に示したように、トランス１１のコアに蓄積された磁気エネルギーにより、一次コイル１２に逆起電力が生じ、蓄電池３０を充電する電流ｉ２が一次コイル１２から蓄電池３０に流れる。

図８に示すように、蓄電池３０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４２が導通している間に、放電電流ｉ６が流れる。放電電流ｉ６は、まず端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）からＮＭＯＳトランジスタ４２に流れる。そして、放電電流ｉ６は、ＮＭＯＳトランジスタ４２の電流路とダイオードＤ６を通って一次コイル１２の他端に流れる。次に、放電電流ｉ６は、一次コイル１２を経て、蓄電池３０の負極に流れる。放電電流ｉ６が一次コイル１２の他端から一端に向けて流れる間に、放電電流ｉ６によってトランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
ＮＭＯＳトランジスタ４２が導通から非導通に変化したときの動作は、第１の実施形態に係る充放電制御装置１と同様である。すなわち、図５に示したように、トランス１１のコアに蓄積された磁気エネルギーにより、二次コイル１３に逆起電力が生じ、電流ｉ４が二次コイル１３から直流母線に流れる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る充放電制御装置３の構成の一例を示す。
充放電制御装置３は、充放電部１０と、電流制限部５０とを有する。
充放電制御装置３も、充放電制御装置１と同様に、蓄電池３０と直流母線との間に配置され、蓄電池３０の充電と放電を制御する。充放電制御装置３と蓄電池３０は、充放電制御装置付き蓄電池を構成する。充放電部１０の構成は、充放電制御装置１と充放電制御装置３で同一である。

電流制限部５０は、ＮＭＯＳトランジスタ５１と、電流方向変更部５２と、制御部５３とを有する。
電流方向変更部５２は、ダイオードＤ７と、ダイオードＤ８と、ダイオードＤ９と、ダイオードＤ１０を有するダイオードブリッジ回路である。
ダイオードＤ７のアノードは、一次コイル１２の他端およびダイオードＤ８のカソードに接続されている。ダイオードＤ７のカソードは、ＮＭＯＳトランジスタ５１のドレイン（電流路の入力）およびダイオードＤ９のカソードに接続されている。
ダイオードＤ８のアノードは、ＮＭＯＳトランジスタ５１のソース（電流路の出力）およびダイオードＤ１０のアノードに接続されている。ダイオードＤ８のカソードは一次コイル１２の他端およびダイオードＤ７のアノードと接続されている。
ダイオードＤ９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Ｄ１０のカソードに接続されている。ダイオードＤ９のカソードは、ＮＭＯＳトランジスタ５１のソースおよびダイオードＤ１０のカソードと接続されている。
ダイオードＤ１０のアノードは、ＮＭＯＳトランジスタ５１のソースおよびダイオードＤ８のアノードに接続されている。ダイオードＤ１０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Ｄ９のアノードに接続されている。
なお、ＮＭＯＳトランジスタ５１は本発明のスイッチング素子の例であり、ダイオードＤ７は本発明の第１のダイオードの例であり、ダイオードＤ８は本発明の第２のダイオードの例であり、ダイオードＤ９は本発明の第３のダイオードの例であり、ダイオードＤ１０は本発明の第４のダイオードの例である。

制御部５３は、ＰＷＭ信号であるＰＷＭ５を出力する。ＰＷＭ５は、ＮＭＯＳトランジスタ５１のゲートに入力される。ＰＷＭ５は、ハイレベル（高電位）とローレベル（低電位）を繰り返すパルス電圧である。ＮＭＯＳトランジスタ５１は、ＰＷＭ５がハイレベルのときに電流路が導通する。

次に、充放電制御装置３の動作について説明する。
図１０に示すように、電流方向変更部５２は、充電電流ｉ７が入力されるとき、充電電流ｉ７をＮＭＯＳトランジスタ５１に向けて流し、ＮＭＯＳトランジスタ５１によって出力される電流を充電電流ｉ７の向きに戻す。また、図１１に示すように、放電電流ｉ８が入力されるとき、放電電流ｉ８をＮＭＯＳトランジスタ５１に向けて流し、ＮＭＯＳトランジスタ５１によって出力される電流を放電電流ｉ８の向きに戻す。蓄電池３０の電圧と直流母線の電圧との大小関係が変化した場合、蓄電池３０の充電と放電は瞬時に切り替わる。

制御部５３は、ＮＭＯＳトランジスタ５１をＰＷＭ制御する。制御部５３は、ＰＷＭ５のデューティ比を変化させることにより、充電電流ｉ７と放電電流ｉ８に所定の制限を加える。ここで、所定の制限とは、例えば、充電電流ｉ７と放電電流ｉ８の最大値または平均値を所定の大きさ以下に制限する、充電電流ｉ７と放電電流ｉ８を一定の大きさとする、蓄電池３０が過充電のときに充電電流ｉ７を０にする、蓄電池３０が過放電のときに放電電流ｉ８を０にする等である。

充放電制御装置３は、蓄電池３０を流れる電流の値を測定するための図示しない電流測定回路を有する。制御部５３は、測定された電流の値に応じて充電電流ｉ７と放電電流ｉ８の最大値または平均値が所定の大きさ以下となるように制御したり、充電電流ｉ７と放電電流ｉ８を一定の大きさになるように制御したりする。
また、充放電制御装置３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧の値を測定するための図示しない電圧測定回路を有する。制御部５３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過充電電圧まで上昇したとき、ＰＷＭ５をローレベルに固定してＮＭＯＳトランジスタ５１をオフにし、充電電流ｉ７を０にする。また、制御部５３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過放電電圧まで低下したとき、ＰＷＭ５をローレベルに固定してＮＭＯＳトランジスタ５１をオフにし、放電電流ｉ８を０にする。

また、充放電制御装置３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧の値を測定するための図示しない電圧測定回路を有する。
制御部５３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過充電電圧まで上昇したとき、ＰＷＭ５をローレベルに固定してＮＭＯＳトランジスタ５１をオフにし、充電電流ｉ５を０にする。また、制御部５３は、蓄電池３０の正極端子と負極端子の間の電圧が所定の過放電電圧まで低下したとき、ＰＷＭ５をローレベルに固定してＮＭＯＳトランジスタ５１をオフにし、放電電流ｉ６を０にする。

図１０に示すように、直流母線の電圧（端子ＤＣ＋と端子ＤＣ−間の電圧）が蓄電池３０の電圧より高い場合に、ＮＭＯＳトランジスタ５１の電流路が導通している間、充電電流ｉ７が流れる。充電電流ｉ７は、まず端子ＤＣ＋（直流母線の高電位側）から蓄電池３０の正極に流れる。次に、充電電流ｉ７は、蓄電池３０の負極から一次コイル１２の一端に流れ、一次コイル１２を経て一次コイル１２の他端から電流方向変更部５２に流れる。充電電流ｉ７が一次コイル１２の一端から他端に向けて流れる間に、充電電流ｉ７によってトランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
電流方向変更部５２において、充電電流ｉ７はダイオードＤ７のアノードとダイオードＤ８のカソードとの接続部分に流れ込む。次に、充電電流ｉ７はダイオードＤ７のカソードからＮＭＯＳトランジスタ５１のドレイン（電流路の入力）に流れる。次に、充電電流ｉ７は、ＮＭＯＳトランジスタ５１のソース（電流路の出力）からダイオードＤ１０のアノードに流れる。そして、充電電流ｉ７は、ダイオードＤ１０のカソードから端子ＤＣ−に流れる。
ＮＭＯＳトランジスタ５１が導通から非導通に変化したときの動作は、第１の実施形態に係る充放電制御装置１と同様である。すなわち、図３に示したように、トランス１１のコアに蓄積された磁気エネルギーにより、一次コイル１２に逆起電力が生じ、蓄電池３０を充電する電流ｉ２が一次コイル１２から蓄電池３０に流れる。

図１１に示すように、蓄電池３０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５１が導通している間に、放電電流ｉ８が流れる。放電電流ｉ８は、まず端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）から電流方向変更部５２に流れる。電流方向変更部５２において、放電電流ｉ８はダイオードＤ９のアノードに入力される。次に、放電電流ｉ８はダイオードＤ９のカソードからＮＭＯＳトランジスタ５１のドレイン（電流路の入力）に流れる。放電電流ｉ８は、ＮＭＯＳトランジスタ５１のソース（電流路の出力）からダイオードＤ８のアノードに流れる。そして、放電電流ｉ８は、ダイオードＤ８のカソードから、一次コイル１２の他端に流れる。
次に、放電電流ｉ８は、一次コイル１２を経て、蓄電池３０の負極に流れる。放電電流ｉ８が一次コイル１２の他端から一端に向けて流れる間に、放電電流ｉ８によってトランス１１のコアに磁気エネルギーが蓄積される。
ＮＭＯＳトランジスタ５１が導通から非導通に変化したときの動作は、第１の実施形態に係る充放電制御装置１と同様である。すなわち、図５に示したように、トランス１１のコアに蓄積された磁気エネルギーにより、二次コイル１３に逆起電力が生じ、電流ｉ４が二次コイル１３から直流母線に流れる。

なお、上述した実施形態では、電流制限部が充放電部と端子ＤＣ−（直流母線の低電位側）との間に配置されている例を示したが、電流制限部を充放電部とＤＣ＋（直流母線の高電位側）との間に配置することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、スイッチング素子がオンとなっている間にトランスのコアに蓄積された磁気エネルギーにより、スイッチング素子がオフとなっている間に蓄電池の充電または直流母線への電力供給を行うことができ、エネルギーを有効に利用することができる。
また、蓄電池の電圧と直流母線の電圧との大小関係が変化した場合、蓄電池の充電と放電を瞬時に切り替えることができる。

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。

１，２，３…充放電制御装置、１０…充放電部、１１…トランス、１２…一次コイル、１３…二次コイル、２０…電流制限部、２１…ＮＭＯＳトランジスタ、２２…ＰＭＯＳトランジスタ、、２３…制御部、３０…蓄電池、４０…電流制限部、４１，４２…ＮＭＯＳトランジスタ、４３…制御部、５０…電流制限部、５…ＮＭＯＳトランジスタ、５２…電流方向変更部、Ｄ１〜Ｄ１０…ダイオード

Claims (9)

1. 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制御する充放電制御装置であって、
   少なくとも１つのスイッチング素子と制御部を有し、当該制御部が当該スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、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、
   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、前記電流制限部によって制限された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前記一次コイルに生じる逆起電力によって前記蓄電池を充電する電流が前記一次コイルから前記蓄電池に流れ、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、前記電流制限部によって制限された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二次コイルから前記直流母線に流れる充放電部と、
   を備える充放電制御装置。
2. 前記充放電部が、前記一次コイルの他端から前記蓄電池の正極に向けて電流を流す第１の整流素子と、前記二次コイルの一端から前記直流母線の高電位側に向けて電流を流す第２の整流素子とを有し、
   前記一次コイルの一端が前記蓄電池の負極に接続され、前記一次コイルの他端から前記電流制限部に充電電流が流れるか、または前記電流制限部から前記一次コイルの他端に放電電流が流れ、
   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１に記載の充放電制御装置。
3. 前記電流制限部が、
   前記充電電流に所定の制限を加える第１のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子に、前記充電電流を流し、前記放電電流が流れることを阻止する第３の整流素子と、
   前記放電電流に所定の制限を加える第２のスイッチング素子と、
   前記第２のスイッチング素子に、前記放電電流を流し、前記充電電流が流れることを阻止する第４の整流素子と、
   を有する請求項１または２に記載の充放電制御装置。
4. 前記電流制限部において、前記第１のスイッチング素子と前記第３の整流素子とが直列に接続された第１の直列回路と、前記第２のスイッチング素子と前記第４の整流素子とが直列に接続された第２の直列回路とが並列に前記一次コイルの他端と前記直流母線の低電位側とに接続されている請求項３に記載の充放電制御装置。
5. 前記電流制限部が、
   前記充電電流に所定の制限を加える第３のスイッチング素子と、
   前記放電電流に所定の制限を加える第４のスイッチング素子と、
   前記第４のスイッチング素子をバイパスして前記充電電流を流す第５の整流素子と、
   前記第３のスイッチング素子をバイパスして前記放電電流を流す第６の整流素子と、
   を有する請求項１または２に記載の充放電制御装置。
6. 前記電流制限部において、前記第３のスイッチング素子と前記第６の整流素子とが並列に接続された第１の並列回路と、前記第４のスイッチング素子と前記第５の整流素子とが並列に接続された第２の並列回路とが直列に前記一次コイルの他端と前記直流母線の低電位側とに接続されている請求項５に記載の充放電制御装置。
7. 前記電流制限部が、
   スイッチング素子を１個のみ有し、
   前記充電電流が入力されるとき、前記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前記充電電流の向きに戻し、一方、前記放電電流が入力されるとき、前記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前記放電電流の向きに戻す電流方向変更部を有する、
   請求項１または２に記載の充放電制御装置。
8. 前記電流方向変更部が、
   アノードとカソードとがそれぞれ前記一次コイルの他端と前記スイッチング素子の入力とに接続される第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スイッチング素子の出力と前記一次コイルの他端とに接続される第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スイッチング素子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スイッチング素子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、
   を有する請求項７に記載の充放電制御装置。
9. 請求項１ないし８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。

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