JP2020150701A - Bidirectional DC-DC converter - Google Patents

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心一 浦部
Shinichi Urabe
心一 浦部
将年 鵜野
Masatoshi Uno
将年 鵜野
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Ibaraki University NUC
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Toyota Motor Corp
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Abstract

To provide a compact bidirectional DC-DC converter in which two cells or circuit elements between which electrical energy is transferred are not electrically connected, and a transformer or the like is not used.SOLUTION: The converter of the present invention includes two sets of circuits that include each input/output terminal pairs, a capacitor, and two switching means which are connected in series, in which the positive electrode sides and the negative electrode sides of the switching means on the negative electrode side in the two sets of the circuits are connected to each other via the capacitor and an inductor; the two switching means of each circuit are switched between a conductive state and a cut-off state in opposite phases to each other, at a predetermined cycle; and the state of the switching means is controlled so that after the switching means on the positive electrode side of the circuit on the transfer source side of the electrical energy has been switched to a conductive state, the switching means on the positive electrode side of the circuit on the transfer destination side of the electrical energy is switched to a conductive state, and so that the charging time period on the transfer destination side of the electrical energy is longer than the discharging time period.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電圧の異なる二つの直流電源間に於ける電気エネルギーの伝送に利用することのできるDC−DCコンバータに係り、より詳細には、二組以上の入出力端子対の間の双方向に於いて電気エネルギーを伝送可能である双方向DC−DCコンバータに係る。 The present invention relates to a DC-DC converter that can be used for transmission of electrical energy between two DC power sources having different voltages, and more specifically, bidirectionally between two or more sets of input / output terminal pairs. The present invention relates to a bidirectional DC-DC converter capable of transmitting electrical energy.

従前より、車両用の電源システム、太陽光発電システム、燃料電池を用いた家庭用蓄電システムなどの複数の蓄電池(バッテリ、セル)が用いられるシステムに於けるセル・バランスや、直流電源電圧の、半導体装置又はその他の電子部品の作動に必要な電圧への変換などに使用される双方向DC−DCコンバータとして、種々の構成が提案され、実用化されている。例えば、特許文献1、非特許文献1等に於いては、二組の、電源の陽極と陰極とが接続される入出力端子対のそれぞれの間に一つのコンデンサと二つの直列に接続されたスイッチング手段(スイッチング手段列)とが並列に接続された回路に於いて、かかる二組の回路のスイッチング手段列の陰極側のスイッチング手段の陰極側の端子が互いに接続され、陽極側の端子が互いにインダクタンスを介して接続された回路構成の双方向DC−DCコンバータが開示されている(二組の昇降圧チョッパ回路に於いて、インダクタンスとコンデンサとを共通にして、出力側端子同士が連結された構成となっている。)。また、特許文献2、非特許文献1等には、二組の、電源の陽極と陰極とが接続される入出力端子対のそれぞれの間に一つのコンデンサが並列に接続され、更に、スイッチング手段のブリッジ回路が接続され、かかる二組のブリッジ回路の(入出力端子対が接続されていない)対角点間がトランスのコイルとして互いに誘導結合している回路構成が開示されている。 Conventionally, cell balance and DC power supply voltage in systems that use multiple storage batteries (batteries, cells) such as power supply systems for vehicles, solar power generation systems, and household power storage systems that use fuel cells. Various configurations have been proposed and put into practical use as a bidirectional DC-DC converter used for conversion to a voltage required for operating a semiconductor device or other electronic components. For example, in Patent Document 1, Non-Patent Document 1, etc., one capacitor and two in series are connected between each of two sets of input / output terminal pairs to which the inductance and cathode of the power supply are connected. In a circuit in which switching means (switching means row) are connected in parallel, the terminals on the cathode side of the switching means on the cathode side of the switching means rows of the two sets of circuits are connected to each other, and the terminals on the anode side are connected to each other. A bidirectional DC-DC converter having a circuit configuration connected via an inductance is disclosed (in two sets of buck-boost chopper circuits, the inductance and the capacitor are shared, and the output side terminals are connected to each other. It has a structure.) Further, in Patent Document 2, Non-Patent Document 1, etc., one capacitor is connected in parallel between each of two sets of input / output terminal pairs to which the anode and cathode of the power supply are connected, and further, switching means. A circuit configuration is disclosed in which the bridge circuits of the above two sets of bridge circuits are inductively coupled to each other as a transformer coil between the diagonal points (the input / output terminal pairs are not connected).

国際公開2007/108115号International Publication No. 2007/108115 特開2018−137894JP-A-2018-137894

「平地研究室技術メモNo.20160601 双方向DC/DCコンバータの各種回路方式」 2016年 http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/29160601-1.pdf"Technical Memo No.20160601 Bidirectional DC / DC Converter Various Circuit Methods" 2016 http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/29160601-1.pdf

上記の如き双方向DC−DCコンバータの一つの用途に於いては、具体的には、複数のセル(本明細書に於いて、「セル」という場合には、一つのバッテリ又は蓄電池などの電気エネルギーを蓄積する形式の電源を指すものとする。)から成るセルの群のうちの任意の二つのセルがコンバータ(本明細書に於いて、「コンバータ」という場合には、特に、断らない限り、双方向DC−DCコンバータを指すものとする。)の二組の入出力端子対間にそれぞれ接続され、一方のセルから他方のセルへ電気エネルギーの移送が実行される。その際、コンバータの回路内に於いて二組の入出力端子対が互いに電気的に接続されている構成の場合には、入出力端子対に接続される二つのセルも電気的に接続されることとなるので、各セルをコンバータの入出力端子対へ接続するための回路に於いて、二つのセルが電気的に接続されてもよいように工夫されていなければならない。例えば、直列接続されたセル群のうちの二つのセル間にて電気エネルギーを移送する場合、そのままでは二つのセルを電気的に接続することはできず、それらのセルをセル群から電気的に絶縁してからコンバータの入出力端子対へ接続する必要があるため、そのための接続切換用の回路が必要となる。一方、二組の入出力端子対間に接続されたスイッチング手段のブリッジ回路の対角点間の回路線がトランスのコイルとして誘導結合している構成の場合(絶縁型コンバータ)には、入出力端子対に接続される二つのセルは電気的には絶縁された状態となるので、上記の如く二つのセルが電気的に接続されてもよいようにする回路は不要であるが、コンバータ内の回路要素として寸法の嵩張るトランスや部品点数の多いスイッチング手段のブリッジ回路を用いているので、回路の構成が嵩張るものとなり、利用可能な領域が制限される場合がある。従って、トランスなどの嵩張る回路要素を用いずに、また、コンバータ内に於ける部品数ができるだけ少なくてよいコンバータが構成できれば、有利である。このことは、電源と電子部品などの回路要素との間、或いは、回路要素間に於いて電気エネルギーの移送が為される場合も同様である。 In one application of the bidirectional DC-DC converter as described above, specifically, a plurality of cells (in the present specification, the term "cell" refers to electricity such as one battery or storage battery). Unless otherwise specified, any two cells in the group of cells consisting of a power source of the form of storing energy are converters (in the present specification, "converters"). , A bidirectional DC-DC converter.), Which are connected to each of the two sets of input / output terminal pairs, and transfer of electrical energy from one cell to the other is performed. At that time, in the case of a configuration in which two sets of input / output terminal pairs are electrically connected to each other in the circuit of the converter, the two cells connected to the input / output terminal pairs are also electrically connected. Therefore, in the circuit for connecting each cell to the input / output terminal pair of the converter, it is necessary to devise so that the two cells may be electrically connected. For example, when transferring electrical energy between two cells in a group of cells connected in series, the two cells cannot be electrically connected as they are, and those cells can be electrically connected from the cell group. Since it is necessary to insulate and then connect to the input / output terminal pair of the converter, a circuit for switching the connection for that purpose is required. On the other hand, in the case of a configuration in which the circuit lines between the diagonal points of the bridge circuit of the switching means connected between the two sets of input / output terminal pairs are inductively coupled as a transformer coil (isolated converter), the input / output Since the two cells connected to the terminal pair are electrically isolated, there is no need for a circuit that allows the two cells to be electrically connected as described above, but in the converter. Since a transformer having a large size and a bridge circuit of a switching means having a large number of parts are used as circuit elements, the configuration of the circuit becomes bulky and the available area may be limited. Therefore, it is advantageous if a converter that does not use a bulky circuit element such as a transformer and that requires as few components as possible in the converter can be configured. This also applies when electrical energy is transferred between a power source and a circuit element such as an electronic component, or between circuit elements.

かくして、本発明の一つの課題は、双方向DC−DCコンバータであって、電気エネルギーの移送が為される二つのセル又はその他の回路要素が電気的に接続されない回路構成を有し、且つ、トランスなどの嵩張る回路要素を用いずに、また、コンバータ内に於ける部品数ができるだけ少なくてよい構成のコンバータを提供することである。 Thus, one subject of the present invention is a bidirectional DC-DC converter having a circuit configuration in which two cells or other circuit elements to which electrical energy is transferred are not electrically connected, and It is an object of the present invention to provide a converter having a configuration in which a bulky circuit element such as a transformer is not used and the number of components in the converter can be as small as possible.

また、電気エネルギーの移送が為される二つのセル又はその他の回路要素が一つのコンバータの二組の入出力端子対のうちのいずれかに接続される構成の場合、セル又はその他の回路要素の各々を、二組しかないコンバータの入出力端子対のいずれかへ接続できるように回路を工夫する必要があるところ、二つのセル又はその他の回路要素とし選択され得る回路要素の数が多くなればなるほど、それらをコンバータの入出力端子対へ接続するための回路の構成は複雑になりやすい。一方、もしコンバータの入出力端子対が二組よりも多くなれば、即ち、コンバータに於いて一つの入出力端子対から複数の入出力端子対へ電気エネルギーの伝送ができるようになっていれば、電気エネルギーの移送が為される二つのセル又はその他の回路要素をコンバータの入出力端子対へ接続するための回路の構成が簡単化することが可能となり、有利である。 Also, in the case where two cells or other circuit elements for which electrical energy is transferred are connected to one of two sets of input / output terminal pairs of one converter, the cells or other circuit elements Where it is necessary to devise a circuit so that each can be connected to either of the input / output terminal pairs of the converter, which has only two sets, if the number of circuit elements that can be selected as two cells or other circuit elements increases. Indeed, the configuration of the circuit for connecting them to the input / output terminal pair of the converter tends to be complicated. On the other hand, if the number of input / output terminal pairs of the converter is more than two sets, that is, if the converter is capable of transmitting electrical energy from one input / output terminal pair to a plurality of input / output terminal pairs. It is advantageous because it makes it possible to simplify the circuit configuration for connecting two cells or other circuit elements for which electrical energy is transferred to the input / output terminal pair of the converter.

かくして、本発明のもう一つの課題は、上記の如き双方向DC−DCコンバータであって、一つの入出力端子対から複数の入出力端子対へ電気エネルギーの伝送が可能な構成のコンバータを提供することである。 Thus, another object of the present invention is to provide a bidirectional DC-DC converter as described above, which has a configuration capable of transmitting electrical energy from one input / output terminal pair to a plurality of input / output terminal pairs. It is to be.

本発明によれば、上記の課題は、双方向DC−DCコンバータ装置であって、
第一の電源又は回路要素の陽極及び陰極にそれぞれ接続される正極端子と負極端子とから成る第一の入出力端子対と、
前記第一の入出力端子対の間にて接続された第一のコンデンサと、
前記第一の入出力端子対の前記正極端子と前記負極端子との間にて順に直列に接続された第一及び第二のスイッチング手段にして、それぞれ、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と、
第二の電源又は回路要素の陽極及び陰極にそれぞれ接続される正極端子と負極端子とから成る第二の入出力端子対と、
前記第二の入出力端子対の間にて接続された第二のコンデンサと、
前記第二の入出力端子対の前記正極端子と前記負極端子との間にて順に直列に接続された第三及び第四のスイッチング手段にして、それぞれ、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と
を含み、
前記第二のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段の正極側端子間が第一の連結コンデンサを介して接続され、前記第二のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段の負極側端子間が第二の連結コンデンサを介して接続され、且つ、前記第二のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段の正極側端子間及び負極側端子間の接続線に於いて少なくとも一つの第一のインダクタが挿入され、
前記第一のスイッチング手段と前記第二のスイッチング手段に於けるそれぞれの両端間の状態が互いに逆位相にて所定の周期にて導通状態と遮断状態との間で切換えられ、
前記第三のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段に於けるそれぞれの両端間の状態が互いに逆位相にて前記所定の周期にて導通状態と遮断状態との間で切換えられ、
前記第一の電源又は回路要素から前記第二の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第一のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第一のスイッチング手段と前記第三のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第三のスイッチング手段と前記第二のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第四のスイッチング手段の両端間の状態が制御され、
前記第二の電源又は回路要素から前記第一の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第一のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第三のスイッチング手段と前記第一のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第一のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第四のスイッチング手段の両端間の状態が制御される装置によって達成される。
According to the present invention, the above problem is a bidirectional DC-DC converter device.
A first input / output terminal pair consisting of a positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to the anode and cathode of the first power supply or circuit element, respectively.
The first capacitor connected between the first input / output terminal pair and
The first and second switching means connected in series between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the first input / output terminal pair are used, and both terminals are selectively electrically connected to each other. Switching means and
A second input / output terminal pair consisting of a positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to the anode and cathode of the second power supply or circuit element, respectively.
The second capacitor connected between the second input / output terminal pair and
A third and fourth switching means connected in series between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the second input / output terminal pair are used, and both terminals are selectively electrically connected to each other. Including switching means
The second switching means and the positive electrode side terminal of the fourth switching means are connected via the first connecting capacitor, and the second switching means and the negative electrode side terminal of the fourth switching means are connected to each other. At least one first inductor is inserted in the connection line between the positive electrode side terminal and the negative electrode side terminal of the second switching means and the fourth switching means, which are connected via the second connecting capacitor. Being done
The states between both ends of the first switching means and the second switching means are switched between the conductive state and the cutoff state at predetermined cycles in opposite phases to each other.
The states between both ends of the third switching means and the fourth switching means are switched between the conductive state and the cutoff state in the predetermined cycle in opposite phases to each other.
When transferring electrical energy from the first power source or circuit element to the second power source or circuit element, the third switching means shuts off after the first switching means switches from the cutoff state to the conductive state. The time during which the first switching means and the third switching means are in the conductive state while switching from the state to the conductive state is such that the third switching means and the second switching means are in the conductive state. The state between both ends of the first to fourth switching means is controlled so as to be longer than the time of.
When transferring electrical energy from the second power source or circuit element to the first power source or circuit element, the first switching means shuts off after the third switching means switches from the cutoff state to the conductive state. The time during which the third switching means and the first switching means are in the conductive state while switching from the state to the conductive state is such that the first switching means and the fourth switching means are in the conductive state. It is achieved by an apparatus in which the state between both ends of the first to fourth switching means is controlled so as to be longer than the time.

上記の構成に於いて、「第一の電源又は回路要素」、「第二の電源又は回路要素」とは、本実施形態のコンバータ装置に於いて、電気エネルギーの移送元又は移送先となるセル、電源或いは回路要素であり、上記の如く、バッテリ又は蓄電池などの電気エネルギーを蓄積する形式の任意の電源、蓄電器、直流電圧にて動作する電子部品、半導体装置などの回路要素であってよい。なお、電気エネルギーを供給する移送元として用いられる場合には、電力を出力することのできる電源となる。「コンデンサ」及び「インダクタ」は、この分野で通常用いられるコンデンサ及びインダクタであってよい。「連結コンデンサ」は、この分野で通常用いられるコンデンサであってよい。「連結コンデンサ」という用語は、入出力端子対の間に接続されるコンデンサと区別する目的で使用されている。第一のインダクタは、前記第二のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段の正極側端子間及び負極側端子間の接続線のうちのいずれか一方又は両方に挿入されていてよい。「スイッチング手段」は、MOSFET又はその他のこの分野に於いて利用されているトランジスタなど、制御入力端子に入力される制御信号に応答して、一対の端子間の電流の導通状態と遮断状態とが切換えられる任意の手段であってよい。スイッチング手段の制御入力端子に対しては、上記の態様にてそれぞれの両端間の状態が切換わるように、外部の制御装置から制御信号が供給されるようになっていてよい。スイッチング手段の両端間の状態の導通状態と遮断状態との間の切換えに関して、「所定の周期」とは、装置による電気エネルギーの移送が達成されるように任意に設定されてよい周期であり、「逆位相」とは、第一及び第二のスイッチング手段又は第三及び第四のスイッチング手段に於いて、一方が導通状態のときには、他方が遮断状態となっていることを意味するものとする。なお、第一乃至第四のスイッチング手段の制御に於いて、満たされるべき条件は、上記の通りであるところ、第一及び第二のスイッチング手段又は第三及び第四のスイッチング手段に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えは、簡単には、それぞれ、等間隔にて実行されてよい。その場合、前記第一乃至第四のスイッチング手段の両端間の状態は、前記第一の電源又は回路要素から前記第二の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第一のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記所定の周期の長さの1/4未満の時間の経過時に前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わるように、前記第二の電源又は回路要素から前記第一の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記所定の周期の長さの1/4未満の時間の経過時に前記第一のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わるように、それぞれ、制御されてよい。 In the above configuration, the "first power supply or circuit element" and the "second power supply or circuit element" are cells that are the transfer source or transfer destination of electrical energy in the converter device of the present embodiment. , A power source or a circuit element, and as described above, it may be an arbitrary power source such as a battery or a storage battery in a form for storing electric energy, a capacitor, an electronic component operating with a DC voltage, a circuit element such as a semiconductor device, and the like. When used as a transfer source for supplying electrical energy, it becomes a power source capable of outputting electric power. The "capacitor" and "inductor" may be capacitors and inductors commonly used in the art. The "coupled capacitor" may be a capacitor commonly used in the art. The term "coupled capacitor" is used to distinguish it from a capacitor connected between an input / output terminal pair. The first inductor may be inserted in either or both of the connection lines between the second switching means and the positive electrode side terminal and the negative electrode side terminal of the fourth switching means. A "switching means" is a current conduction state and a cutoff state between a pair of terminals in response to a control signal input to a control input terminal, such as a MOSFET or other transistor used in this field. It may be any means that can be switched. A control signal may be supplied to the control input terminal of the switching means from an external control device so that the state between both ends is switched in the above embodiment. With respect to switching between the conduction state and the cutoff state of the state between both ends of the switching means, the "predetermined period" is a period that may be arbitrarily set so that the transfer of electrical energy by the device is achieved. The term "opposite phase" means that in the first and second switching means or the third and fourth switching means, when one is in the conductive state, the other is in the cutoff state. .. In the control of the first to fourth switching means, the conditions to be satisfied are as described above, and the continuity in the first and second switching means or the third and fourth switching means. Switching between states and cutoff states may simply be performed at equal intervals, respectively. In that case, the state between both ends of the first to fourth switching means is the state of the first switching means when transferring electrical energy from the first power source or circuit element to the second power source or circuit element. The second switching means switches from the cut-off state to the conductive state when less than 1/4 of the length of the predetermined cycle elapses after switching from the cut-off state to the conductive state. When transferring electrical energy from a power source or circuit element to the first power source or circuit element, less than a quarter of the predetermined period length after the third switching means has switched from a cutoff state to a conductive state. Each of the first switching means may be controlled so as to switch from the cutoff state to the conductive state when the time has elapsed.

上記の構成によれば、後の実施形態の説明の欄に於いて説明される如く、第一及び第二の入出力端子対に接続される第一の電源又は回路要素と第二の電源又は回路要素の間に於いて、電気エネルギーが移送されるところ、第二のスイッチング手段と第四のスイッチング手段の間がコンデンサ(連結コンデンサ)を介して接続されていることから、第一及び第二の入出力端子対は互いに電気に接続されておらず、第一の電源又は回路要素と第二の電源又は回路要素とは、電気的に接続されずに、電気エネルギーの移送が達成される。従って、本発明のコンバータに於いても電気エネルギーの移送のために、第一の電源又は回路要素と第二の電源又は回路要素との間に、電気的な接続が為されてもよいようにするためのやや複雑な回路構成を準備しなくてもよいこととなる。そして、上記の構成に於いては、従来の絶縁型コンバータと異なり、第一の入出力端子対側と第二の入出力端子対側とを絶縁するためにトランスは使用されておらず、また、各入出力端子対側に於いてスイッチング手段のブリッジ回路は構成されていないので、回路の寸法が嵩張らず、部品点数もより少なくてよいこととなる。 According to the above configuration, the first power supply or circuit element and the second power supply or the second power supply connected to the first and second input / output terminal pairs, as described in the description column of the later embodiment. Where electrical energy is transferred between the circuit elements, the first and second switching means are connected via a capacitor (connecting capacitor) between the second switching means and the fourth switching means. The input / output terminal pairs of the above are not electrically connected to each other, and the transfer of electric energy is achieved without the first power supply or circuit element and the second power supply or circuit element being electrically connected to each other. Therefore, even in the converter of the present invention, an electrical connection may be made between the first power supply or circuit element and the second power supply or circuit element for the transfer of electrical energy. It is not necessary to prepare a slightly complicated circuit configuration for this purpose. In the above configuration, unlike the conventional isolated converter, a transformer is not used to insulate the opposite side of the first input / output terminal and the opposite side of the second input / output terminal. Since the bridge circuit of the switching means is not configured on the opposite side of each input / output terminal, the size of the circuit is not bulky and the number of parts may be smaller.

また、本実施形態の更なる態様として、上記の双方向DC−DCコンバータ装置は、更に、第三の電源又は回路要素の陽極及び陰極にそれぞれ接続される正極端子と負極端子とから成る第三の入出力端子対と、
前記第三の入出力端子対の間にて接続された第三のコンデンサと、
前記第三の入出力端子対の前記正極端子と前記負極端子との間にて順に直列に接続された第五及び第六のスイッチング手段にして、それぞれ、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段とを含み、
前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の正極側端子間が第三の連結コンデンサを介して接続され、前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の負極側端子間が第四の連結コンデンサを介して接続され、且つ、前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の正極側端子間及び前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の負極側端子間の接続線に於いて少なくとも一つの第二のインダクタが挿入され、
前記第五のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段に於けるそれぞれの両端間の状態が互いに逆位相にて所定の周期にて導通状態と遮断状態との間で切換えられ、
前記第一或いは前記第二の電源又は回路要素から前記第三の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第一又は前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第一又は前記第三のスイッチング手段と前記第五のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第五のスイッチング手段と前記第二又は第四のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第六のスイッチング手段の両端間の状態が制御され、
前記第三の電源又は回路要素から前記第一或いは前記第二の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第一又は前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第五のスイッチング手段と前記第一又は前記第三のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第六のスイッチング手段の両端間の状態が制御されるようになっていてよい。
Further, as a further aspect of the present embodiment, the above-mentioned bidirectional DC-DC converter device further comprises a positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to the anode and the cathode of the third power supply or circuit element, respectively. Input / output terminal pair and
With the third capacitor connected between the third input / output terminal pair,
The fifth and sixth switching means connected in series between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the third input / output terminal pair are used, and both terminals are selectively electrically connected to each other. Including switching means
The second or fourth switching means and the positive electrode side terminal of the sixth switching means are connected via a third connecting capacitor, and the second or fourth switching means and the sixth switching means The negative electrode side terminals are connected via a fourth connecting capacitor, and the second or fourth switching means, the positive electrode side terminals of the sixth switching means, and the second or fourth switching means. At least one second inductor is inserted in the connection line between the negative electrode side terminals of the sixth switching means.
The states between both ends of the fifth switching means and the sixth switching means are switched between the conductive state and the cutoff state at predetermined cycles in opposite phases to each other.
When transferring electrical energy from the first or second power source or circuit element to the third power source or circuit element, after the first or third switching means is switched from the cutoff state to the conductive state. The time during which the fifth switching means is switched from the cutoff state to the conductive state and the first or third switching means and the fifth switching means are in the conductive state is the fifth switching. The state between both ends of the first to sixth switching means is controlled so that the time between the means and the second or fourth switching means is longer than the time during which the second or fourth switching means is in a conductive state.
When transferring electrical energy from the third power source or circuit element to the first or second power source or circuit element, the first or second switching means is switched from the cutoff state to the conductive state. The time during which the third switching means is switched from the cutoff state to the conductive state and the fifth switching means and the first or third switching means are in the conductive state is the second or third. The state between both ends of the first to sixth switching means may be controlled so as to be longer than the time during which the fourth switching means and the sixth switching means are in the conductive state. ..

上記の態様の構成に於いて、第二のインダクタは、前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の正極側端子間及び前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の負極側端子間の接続線のうちのいずれか一方又は両方に挿入されていてよい。また、第一乃至第六のスイッチング手段に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えの時期を上記の如く制御することにより、いずれか一つの電源又は回路要素から同時に複数の他の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送することも可能である。なお、第一乃至第六のスイッチング手段に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えは、簡単には、それぞれ、等間隔にて実行されてよい。その場合、前記第一乃至第六のスイッチング手段の両端間の状態は、前記第一或いは前記第二の電源又は回路要素から前記第三の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第一又は前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に、前記所定の周期の長さの1/4未満の時間の経過時に前記第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わるように、前記第三の電源又は回路要素から前記第一或いは前記第二の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に、前記所定の周期の長さの1/4未満の時間の経過時に前記第一又は前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わるように、それぞれ、制御されるようになっていてよい。 In the configuration of the above aspect, the second inductor is between the second or fourth switching means and the positive electrode side terminal of the sixth switching means, and the second or fourth switching means and the sixth. It may be inserted into either one or both of the connection lines between the negative electrode side terminals of the switching means of. Further, by controlling the switching timing between the conduction state and the cutoff state in the first to sixth switching means as described above, a plurality of other power sources or a plurality of other power sources can be simultaneously supplied from any one power source or circuit element. It is also possible to transfer electrical energy to circuit elements. The switching between the conduction state and the cutoff state in the first to sixth switching means may be easily executed at equal intervals. In that case, the state between both ends of the first to sixth switching means is the first or second power source or circuit element when the electrical energy is transferred from the first or second power source or circuit element to the third power source or circuit element. After the first or third switching means is switched from the cut-off state to the conductive state, the fifth switching means is changed from the cut-off state to the conductive state when a time less than 1/4 of the length of the predetermined cycle elapses. When transferring electrical energy from the third power source or circuit element to the first or second power source or circuit element so as to switch, the fifth switching means switches from the cutoff state to the conductive state. Later, the first or third switching means are controlled so as to switch from the cutoff state to the conductive state when a time of less than 1/4 of the predetermined period length elapses. You can.

或いは、上記の装置に於いて、更に、第四の電源又は回路要素の陽極及び陰極にそれぞれ接続される正極端子と負極端子とから成る第四の入出力端子対と、
前記第四の入出力端子対の間にて接続された第四のコンデンサと、
前記第四の入出力端子対の前記正極端子と前記負極端子との間にて順に直列に接続された第七及び第八のスイッチング手段にして、それぞれ、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段とを含み、
前記第六のスイッチング手段と前記第八のスイッチング手段との正極端子側が第五の連結コンデンサを介して接続され、前記第六のスイッチング手段と前記第八のスイッチング手段との負極端子側が第六の連結コンデンサを介して接続され、且つ、前記第六のスイッチング手段と前記第八のスイッチング手段の正極側端子間及び前記第六のスイッチング手段と前記第八のスイッチング手段の負極側端子間の接続線に於いて少なくとも一つの第三のインダクタが挿入され、
前記第七のスイッチング手段と前記第八のスイッチング手段に於けるそれぞれの両端間の状態が互いに逆位相にて所定の周期にて導通状態と遮断状態との間で切換えられ、
前記第一、前記第二或いは前記第三の電源又は回路要素から前記第四の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第一、前記第三又は第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第七のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第一、前記第三又は第五のスイッチング手段と前記第七のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第七のスイッチング手段と前記第二、第四又は第六のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第六のスイッチング手段の両端間の状態が制御され、
前記第四の電源又は回路要素から前記第一、前記第二或いは第三の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第七のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第一、前記第三又は第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第七のスイッチング手段と前記第一、前記第三又は第五のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第二、第四又は第六のスイッチング手段と前記第八のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第六のスイッチング手段の両端間の状態が制御されるようになっていてよい。即ち、かかる態様に於いては、二つの入出力端子対を有する双方向DC−DCコンバータ装置が二つ連結された構成となっている。
Alternatively, in the above device, a fourth input / output terminal pair composed of a positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to the anode and the cathode of the fourth power supply or circuit element, respectively,
The fourth capacitor connected between the fourth input / output terminal pair and
The seventh and eighth switching means connected in series between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the fourth input / output terminal pair are used, and both terminals are selectively electrically connected to each other. Including switching means
The positive electrode terminal side of the sixth switching means and the eighth switching means is connected via a fifth connecting capacitor, and the negative electrode terminal side of the sixth switching means and the eighth switching means is the sixth. A connection line connected via a connecting capacitor and between the positive electrode side terminals of the sixth switching means and the eighth switching means and between the negative electrode side terminals of the sixth switching means and the eighth switching means. At least one third inductor is inserted in
The states between both ends of the seventh switching means and the eighth switching means are switched between the conductive state and the cutoff state at predetermined cycles in opposite phases.
When transferring electrical energy from the first, second or third power source or circuit element to the fourth power source or circuit element, the first, third or fifth switching means is released from the cutoff state. After switching to the conductive state, the seventh switching means is switched from the cutoff state to the conductive state, and the first, third or fifth switching means and the seventh switching means are in the conductive state. Both ends of the first to sixth switching means so that the time spent is longer than the time during which the seventh switching means and the second, fourth, or sixth switching means are in a conductive state. The state between is controlled,
When transferring electrical energy from the fourth power source or circuit element to the first, second or third power source or circuit element, the seventh switching means is switched from the cutoff state to the conductive state, and then the said. The first, third or fifth switching means is switched from the cutoff state to the conductive state, and the seventh switching means and the first, third or fifth switching means are in the conductive state. Between both ends of the first to sixth switching means so that the time spent is longer than the time during which the second, fourth or sixth switching means and the eighth switching means are in a conductive state. The state of may be controlled. That is, in such an embodiment, two bidirectional DC-DC converter devices having two input / output terminal pairs are connected.

上記の態様の構成に於いて、第三のインダクタは、前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の正極側端子間及び前記第二又は第四のスイッチング手段と前記第六のスイッチング手段の負極側端子間の接続線のうちのいずれか一方又は両方に挿入されていてよい。また、第一乃至第八のスイッチング手段に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えの時期を上記の如く制御することにより、いずれか一つの電源又は回路要素から同時に複数の他の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送することも可能である。なお、第一乃至第八のスイッチング手段に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えは、簡単には、それぞれ、等間隔にて実行されてよい。その場合、前記第一乃至第八のスイッチング手段の両端間の状態は、前記第一、前記第二或いは前記第三の電源又は回路要素から前記第四の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第一、前記第三又は第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記所定の周期の長さの1/4未満の時間の経過時に前記第七のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わるように、前記第四の電源又は回路要素から前記第一、前記第二或いは前記第三の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第七のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記所定の周期の長さの1/4未満の時間の経過時に前記第一、前記第三又は第五のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わるように、それぞれ、制御されるようになっていてよい。 In the configuration of the above aspect, the third inductor is between the second or fourth switching means and the positive electrode side terminal of the sixth switching means, and the second or fourth switching means and the sixth. It may be inserted into either one or both of the connection lines between the negative electrode side terminals of the switching means of. Further, by controlling the timing of switching between the conduction state and the cutoff state in the first to eighth switching means as described above, a plurality of other power sources or a plurality of other power sources can be simultaneously supplied from any one power source or circuit element. It is also possible to transfer electrical energy to circuit elements. It should be noted that the switching between the conduction state and the cutoff state in the first to eighth switching means may be easily executed at equal intervals. In that case, the state between both ends of the first to eighth switching means transfers electrical energy from the first, second or third power source or circuit element to the fourth power source or circuit element. Occasionally, after the first, third, or fifth switching means has switched from the cut-off state to the conductive state, the seventh switching means has elapsed less than a quarter of the length of the predetermined period. When transferring electrical energy from the fourth power source or circuit element to the first, second or third power source or circuit element so as to switch from the cutoff state to the conductive state, the seventh switching means. The first, third, or fifth switching means switches from the cut-off state to the conductive state when less than a quarter of the length of the predetermined cycle elapses after switching from the cut-off state to the conductive state. As such, each may be controlled.

上記の本実施形態の更なる態様によれば、一つの入出力端子対から複数の入出力端子対のうちのいずれかへ電気エネルギーの移送が可能となる。かかる構成によれば、コンバータ装置による電気エネルギーの移送元又は移送先となる電源又は回路要素は、3組以上あるうちの入出力端子対のいずれかに接続されるようになっていればよく、また、上記の如く、入出力端子対同士は、いずれも、連結コンデンサにて接続され、電気的には絶縁された状態となっているので、電源又は回路要素からコンバータ装置の入出力端子対までの切換え接続のための回路が簡単化される。 According to a further aspect of the present embodiment described above, it is possible to transfer electrical energy from one input / output terminal pair to any one of a plurality of input / output terminal pairs. According to such a configuration, the power supply or circuit element to be the transfer source or transfer destination of the electric energy by the converter device may be connected to any one of three or more pairs of input / output terminals. Further, as described above, since the input / output terminal pairs are all connected by a connecting capacitor and are electrically insulated, from the power supply or the circuit element to the input / output terminal pair of the converter device. The circuit for switching connection of is simplified.

なお、本実施形態の双方向DC−DCコンバータ装置に於いては、更に、任意の数の電源又は回路要素の陽極及び陰極にそれぞれ接続される正極端子と負極端子とから成る入出力端子対と、入出力端子対の間にて接続されたコンデンサと、入出力端子対の陽極端子と負極端子との間にて順に直列に接続された二つのスイッチング手段にして、それぞれ、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段とからなる構成が、負極端子側のスイッチング手段の正極側の端子間が互いに連結コンデンサを介して接続され、負極側の端子が互いに連結コンデンサを介して接続され、少なくとも一つのインダクタが連結コンデンサに直列に接続されるよう挿入される態様にて、上記の構成に接続され、上記の同様の態様にて、スイッチング手段の両端間の導通が制御されるようになっていてもよく、これにより、一つの入出力端子対から更に任意の数の入出力端子対のうちのいずれかへ電気エネルギーの移送が可能となるように構成されていてもよい。かくして、入出力端子対の数が増えれば、電源又は回路要素からコンバータ装置の入出力端子対までの切換え接続のための回路が更に簡単化される。 In the bidirectional DC-DC converter device of the present embodiment, an input / output terminal pair composed of a positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to an anode and a cathode of an arbitrary number of power supplies or circuit elements, respectively. , A capacitor connected between the input / output terminal pair and two switching means connected in series between the anode terminal and the negative electrode terminal of the input / output terminal pair, and select between both terminals respectively. In a configuration consisting of switching means that are electrically conductive with each other, the terminals on the positive electrode side of the switching means on the negative electrode terminal side are connected to each other via a connecting capacitor, and the terminals on the negative electrode side are connected to each other via a connecting capacitor, at least. One inductor is inserted so as to be connected in series with a connecting capacitor, and is connected to the above configuration, and conduction between both ends of the switching means is controlled in the same manner as described above. This may be configured to allow the transfer of electrical energy from one input / output terminal pair to any of any number of input / output terminal pairs. Thus, as the number of input / output terminal pairs increases, the circuit for switching connection from the power supply or circuit element to the input / output terminal pairs of the converter device is further simplified.

かくして、上記の本発明によれば、コンバータ内に於いて、二つのセル又はその他の回路要素が電気的に接続されない状態にて、電気エネルギーの移送が達成されるところ、二つのセル又はその他の回路要素が接続される入出力端子対が、トランスではなく、コンデンサにより、結合されており、また、回路内で使用される要素も少ないので、従前に比して、コンパクトで簡単な構成の双方向DC−DCコンバータが提供される。また、一つの入出力端子対から複数の入出力端子対のうちのいずれかへ電気エネルギーの移送が可能な態様に於いては、電気エネルギーの移送の対象となるセル又はその他の回路要素からコンバータの入出力端子対までの接続切換のための回路が簡単化され、コストの低減、回路の構成のための労力の低減が図られることが期待される。 Thus, according to the invention described above, where the transfer of electrical energy is achieved in the converter without the two cells or other circuit elements being electrically connected, the two cells or other The input / output terminal pair to which the circuit elements are connected is connected by a capacitor instead of a transformer, and since there are few elements used in the circuit, both are more compact and simpler than before. A DC-DC converter is provided. Further, in a mode in which electrical energy can be transferred from one input / output terminal pair to any one of a plurality of input / output terminal pairs, a converter is used from the cell or other circuit element to which the electrical energy is transferred. It is expected that the circuit for switching the connection to the input / output terminal pair of the above will be simplified, the cost will be reduced, and the labor for configuring the circuit will be reduced.

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will be apparent from the following description of preferred embodiments of the present invention.

図1(A)は、本発明による双方向DC−DCコンバータ装置の第一の実施形態の回路構成を示す図である。図1(B)、(C)は、図1(A)の構成に於いて、インダクタL1の挿入部位を変更した例を示している。FIG. 1A is a diagram showing a circuit configuration of the first embodiment of the bidirectional DC-DC converter device according to the present invention. 1 (B) and 1 (C) show an example in which the insertion portion of the inductor L1 is changed in the configuration of FIG. 1 (A). 図2(A)は、図1の構成の回路に於いて、V1側からV2側へ電気エネルギーを移送する際のスイッチング手段のON/OFF状態の時間変化を示しており、図2(B)は、図1の構成の回路に於いて、V2側からV1側へ電気エネルギーを移送する際のスイッチング手段のON/OFF状態の時間変化を示している。FIG. 2A shows the time change of the ON / OFF state of the switching means when the electric energy is transferred from the V1 side to the V2 side in the circuit having the configuration of FIG. 1B. Shows the time change of the ON / OFF state of the switching means when the electric energy is transferred from the V2 side to the V1 side in the circuit having the configuration of FIG. 図3(A)〜(D)は、それぞれ、図1の構成の回路に於いてV1側からV2側へ電気エネルギーを移送する際の相I〜相IVに於けるスイッチング手段の状態と、各回路要素の電圧の向き、及び、回路内に流通する電流の向きとを示している。3 (A) to 3 (D) show the states of the switching means in the phases I to IV when the electric energy is transferred from the V1 side to the V2 side in the circuit having the configuration of FIG. 1, respectively. The direction of the voltage of the circuit element and the direction of the current flowing in the circuit are shown. 図4(A)〜(D)は、それぞれ、図1の構成の回路に於いてV2側からV1側へ電気エネルギーを移送する際の相I〜相IVに於けるスイッチング手段の状態と、各回路要素の電圧の向き、及び、回路内に流通する電流の向きとを示している。4 (A) to 4 (D) show the states of the switching means in the phases I to IV when the electric energy is transferred from the V2 side to the V1 side in the circuit having the configuration of FIG. 1, respectively. The direction of the voltage of the circuit element and the direction of the current flowing in the circuit are shown. 図5は、本発明による双方向DC−DCコンバータ装置の第二の実施形態の回路構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of a second embodiment of the bidirectional DC-DC converter device according to the present invention. 図6は、本発明による双方向DC−DCコンバータ装置の第三の実施形態の回路構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration of a third embodiment of the bidirectional DC-DC converter device according to the present invention. 図7(A)は、単方向DC−DCコンバータ装置をセル・バランサとして使用する際に必要となる各セルからコンバータの入出力端子までの回路の構成の例を示している。図7(B)は、双方向DC−DCコンバータ装置をセル・バランサとして使用する際に必要となる各セルからコンバータの入出力端子までの回路の構成の例を示している。FIG. 7A shows an example of a circuit configuration from each cell to the input / output terminals of the converter, which is required when the unidirectional DC-DC converter device is used as a cell balancer. FIG. 7B shows an example of a circuit configuration from each cell to the input / output terminals of the converter, which is required when the bidirectional DC-DC converter device is used as a cell balancer.

ot+n…入出力端子(正極)(nは、数符号である。)
ot−n…入出力端子(負極)
Vn…電力送受要素(又はその電圧)
Cn…コンデンサ
Mn…スイッチング手段(MOSFET等)
Sn…制御入力
Cln…連結コンデンサ
Ln…インダクタ
ot + n ... Input / output terminal (positive electrode) (n is a number code)
ot-n ... Input / output terminal (negative electrode)
Vn ... Power transmission / reception element (or its voltage)
Cn ... Capacitor Mn ... Switching means (MOSFET, etc.)
Sn ... Control input Cln ... Connected capacitor Ln ... Inductor

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。 Some preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying figures. In the figure, the same reference numerals indicate the same parts.

双方向DC−DCコンバータの利点
図7を参照して、DC−DCコンバータを、例えば、直列接続されたバッテリ・セル列のセル・バランサ、即ち、セル間の充電量の均一にするべく、セル間で電気エネルギーの移送を実行する装置、として使用することを考える。DC−DCコンバータが、単方向DC−DCコンバータである場合、図7(A)にて描かれている如く、各セルは、電気エネルギーを別のセルへ供給する側にも、別のセルから受容する側にも成れるように、コンバータの入力側端子にも出力側端子にも接続できるよう、切換回路が準備される必要がある。具体的には、例えば、図示の如く、各セルの各電極には、その電極をコンバータの入力側端子へ選択的に接続するためのスイッチSinとコンバータの側出力端子へ選択的に接続するためのスイッチSoutとがそれぞれ必要となり、セル数がnのとき、2n+10個のスイッチが用いられることとなる。一方、DC−DCコンバータが、双方向DC−DCコンバータである場合、図7(B)にて描かれている如く、コンバータに於いて、電気エネルギーは、V1側端子からV2側端子の方向にも、V2側の端子からV1側端子の方向にも、移送できるので、セル列に於ける各セルの両極には、その電極をコンバータに於けるいずれか一方の、例えば、近い方の端子へ選択的に接続する回路が設けられればよいこととなる。具体的には、例えば、図示の如く、各セルの各電極には、その電極をコンバータの入出力端子V1又はV2のいずれかへ選択的に接続するスイッチS又はSが準備され、セル数がnのとき、n+10個のスイッチが用いられることとなる。従って、双方向DC−DCコンバータは、単方向DC−DCコンバータの場合に比して、使用するスイッチの個数は低減され、また、各電極をコンバータの端子へ接続する回路数も低減され、回路の構成が簡単化できる点で有利である。
Advantages of Bidirectional DC-DC Converters With reference to FIG. 7, the DC-DC converters are used, for example, in order to make the cell balancer of the battery cell rows connected in series, that is, the charge amount uniform between the cells. Consider using it as a device that performs the transfer of electrical energy between. When the DC-DC converter is a unidirectional DC-DC converter, as shown in FIG. 7A, each cell also supplies electrical energy to another cell from another cell. It is necessary to prepare a switching circuit so that it can be connected to both the input side terminal and the output side terminal of the converter so that it can also be on the receiving side. Specifically, for example, as shown in the figure, each electrode of each cell is selectively connected to a switch Sin for selectively connecting the electrode to the input side terminal of the converter and to the side output terminal of the converter. Switch Sout is required respectively, and when the number of cells is n, 2n + 10 switches are used. On the other hand, when the DC-DC converter is a bidirectional DC-DC converter, as shown in FIG. 7B, the electrical energy in the converter is in the direction from the V1 side terminal to the V2 side terminal. Also, since it can be transferred from the terminal on the V2 side to the terminal on the V1 side, the electrode can be transferred to both poles of each cell in the cell row to one of the terminals in the converter, for example, the closer terminal. It suffices if a circuit for selectively connecting is provided. Specifically, for example, as shown in the figure, each electrode of each cell, switches S A and S B for selectively connecting the electrode converter input and output terminals V1 or V2 to either of are prepared, cells When the number is n, n + 10 switches are used. Therefore, the number of switches used in the bidirectional DC-DC converter is reduced as compared with the case of the unidirectional DC-DC converter, and the number of circuits for connecting each electrode to the terminal of the converter is also reduced. It is advantageous in that the configuration of can be simplified.

本発明による双方向DC−DCコンバータの第一の実施形態
図1(A)を参照して、本発明による双方向DC−DCコンバータの第一の実施形態は、電気エネルギーの移送元又は移送先の一方となるセル、電源又はその他の回路要素V1(以下、「電力送受要素V1」と称する。)の陽極及び陰極がそれぞれ接続される入出力端子対ot+1(正極側)、ot−1(負極側)と、入出力端子対間ot+1、ot−1にて接続されたコンデンサC1と、入出力端子対間ot+1、ot−1にて二つの直列に接続されたスイッチング手段M1、M2と、電気エネルギーの移送先又は移送元の他方となるセル、電源又はその他の回路要素V2(以下、「電力送受要素V2」と称する。)の陽極及び陰極がそれぞれ接続される入出力端子対ot+2(正極側)、ot−2(負極側)と、入出力端子対間ot+2、ot−2にて接続されたコンデンサC2と、入出力端子対間ot+2、ot−2にて二つの直列に接続されたスイッチング手段M3、M4とを含み、更に、スイッチング手段M2とスイッチング手段M4とが、その正極側に於いて、連結コンデンサCl1とインダクタL1とを介して接続され、その負極側に於いて、連結コンデンサCl2を介して接続された構成を有する。なお、インダクタL1は、図1(B)の如く、スイッチング手段M2とスイッチング手段M4の負極側の接続線に連結コンデンサCl2に直列に挿入されていてもよく、或いは、図1(C)の如く、スイッチング手段M2とスイッチング手段M4の正極側と負極側の接続線の両方に連結コンデンサCl1、Cl2のそれぞれに対して直列に挿入されていてもよい。
First Embodiment of a Bidirectional DC-DC Converter According to the Invention With reference to FIG. 1 (A), a first embodiment of a bidirectional DC-DC converter according to the present invention is a transfer source or transfer destination of electrical energy. Input / output terminal pairs ot + 1 (positive side) and ot-1 (negative side) to which the anode and cathode of one cell, power supply or other circuit element V1 (hereinafter referred to as "power transmission / reception element V1") are connected, respectively. (Side), capacitors C1 connected between input / output terminal pairs ot + 1, ot-1, and two switching means M1 and M2 connected in series at input / output terminal pairs ot + 1, ot-1, and electricity. Input / output terminal pair ot + 2 (positive side) to which the anode and cathode of the cell, power supply, or other circuit element V2 (hereinafter referred to as "power transmission / reception element V2"), which is the transfer destination or the other of the energy transfer source, are connected, respectively. ), Ot-2 (negative side), capacitor C2 connected by input / output terminal pair ot + 2, ot-2, and switching connected in series by input / output terminal pair ot + 2, ot-2. The means M3 and M4 are included, and the switching means M2 and the switching means M4 are connected to each other via the connecting capacitor Cl1 and the inductor L1 on the positive side thereof, and the connecting capacitor Cl2 is connected to the negative side thereof. It has a configuration connected via. The inductor L1 may be inserted in series with the connecting capacitor Cl2 in the connection line on the negative electrode side of the switching means M2 and the switching means M4 as shown in FIG. 1 (B), or as shown in FIG. 1 (C). , The connecting capacitors Cl1 and Cl2 may be inserted in series on both the positive electrode side and the negative electrode side of the switching means M2 and the switching means M4.

かかる構成に於いて、電力送受要素V1、V2は、既に述べた如き、直列接続されたセル(バッテリ、充電池等)の列に於ける各セルの他、電気エネルギーの供給又は受容が可能な任意の電源や蓄電器、電力を消費して作動する電機や半導体装置などの回路要素などであってよい。なお、電力送受要素V1、V2は、電気エネルギーの供給元(移送元)と成る場合には、電気エネルギーを供給できるセル、蓄電器又はその他の電源である必要がある。コンデンサ及び連結コンデンサ並びにインダクタは、この分野に於いて通常使用されるコンデンサ又はインダクタであってよい。スイッチング手段は、それぞれ、MOSFET等の、制御入力端子(S1〜S4)を有し、外部のスイッチング制御装置(SW制御)から各制御入力端子へ与えられる制御信号に応答して、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段又は素子であり、この分野に於いて通常使用されるものであってよい。 In such a configuration, the power transmission / reception elements V1 and V2 can supply or receive electric energy in addition to each cell in the row of cells (batteries, rechargeable batteries, etc.) connected in series as described above. It may be an arbitrary power source, a capacitor, a circuit element such as an electric machine or a semiconductor device that operates by consuming electric power. When the power transmission / reception elements V1 and V2 serve as a supply source (transfer source) of electric energy, they need to be cells, capacitors, or other power sources capable of supplying electric energy. Capacitors and articulated capacitors and inductors may be capacitors or inductors commonly used in the art. Each switching means has control input terminals (S1 to S4) such as MOSFETs, and switches between both terminals in response to a control signal given to each control input terminal from an external switching control device (SW control). Switching means or elements that selectively conduct with each other and may be those commonly used in the art.

そして、上記の構成に於いて、電力送受要素V1側のスイッチング手段M1、M2及び電力送受要素V2側のスイッチング手段M3、M4は、それぞれ、各々の両端子間の状態が、図2(A)、(B)に示されている如く、互いに逆位相にて所定の周期Tsにて任意に設定されてよい所定の間隔に導通状態(ON状態)と遮断状態(OFF状態)との間で切換えられるよう制御され、後に詳細に説明される如く、電気エネルギーの移送元側のスイッチング手段のON/OFF状態の切換のタイミングが電気エネルギーの移送先側のスイッチング手段よりも早くなるように、即ち、ON/OFF状態変化の位相が進むように、そして、電気エネルギーの移送先側の電力送受要素に於いて、充電の生ずる時間が放電の生ずる時間よりも長くなるように、スイッチング制御装置から制御信号を受信するよう構成される。所定の周期Tsは、コンバータが以下に説明される動作を適切に実行できるように適宜設定可能である。なお、スイッチング手段M1〜M4の各制御に於いて、簡単には、ON状態とOFF状態とが等間隔にて生ずるように切換が実行されてよい。その場合には、電気エネルギーの移送元側のスイッチング手段のON/OFF状態の切換のタイミングが、電気エネルギーの移送先側のスイッチング手段よりも、所定の周期Tsの長さの1/4未満の時間(dTs)だけ早くなるように設定される。 In the above configuration, the switching means M1 and M2 on the power transmission / reception element V1 side and the switching means M3 and M4 on the power transmission / reception element V2 side have their respective states in FIG. 2 (A). , (B), switching between the conductive state (ON state) and the cutoff state (OFF state) at predetermined intervals which may be arbitrarily set in a predetermined period Ts in opposite phases to each other. As will be described in detail later, the timing of switching the ON / OFF state of the switching means on the transfer source side of the electric energy is earlier than that of the switching means on the transfer destination side of the electric energy. A control signal from the switching controller so that the phase of the ON / OFF state change advances, and the time during which charging occurs is longer than the time during which discharging occurs in the power transmission / reception element on the transfer destination side of electrical energy. Is configured to receive. The predetermined period Ts can be appropriately set so that the converter can appropriately perform the operation described below. In each control of the switching means M1 to M4, switching may be simply executed so that the ON state and the OFF state occur at equal intervals. In that case, the timing of switching the ON / OFF state of the switching means on the transfer source side of the electric energy is less than 1/4 of the length of the predetermined period Ts than the switching means on the transfer destination side of the electric energy. It is set to be faster by the time (dTs).

図1のコンバータの作動に於いては、電力送受要素V1から電力送受要素V2へ電気エネルギーを移送する場合、入出力端子対間ot+1、ot−1に電力送受要素V1の陽極及び陰極をそれぞれ接続し、入出力端子対間ot+2、ot−2に電力送受要素V2の陽極及び陰極をそれぞれ接続した状態で、図2(A)に示されている如く、スイッチング手段M1がON状態に切り換った後に、時間dTsの経過時にスイッチング手段M3がON状態に切り換えられるように、スイッチング手段M1〜M4が制御される。スイッチング手段M1〜M4の両端間のON状態とOFF状態とが等間隔にて生ずるようにスイッチング手段M1〜M4が制御される場合、dは、<0.25を満たす任意の正数である。また、電気エネルギーの移送前の電力送受要素の電圧に於いて、V1>V2が条件となる。 In the operation of the converter of FIG. 1, when transferring electrical energy from the power transmission / reception element V1 to the power transmission / reception element V2, the anode and cathode of the power transmission / reception element V1 are connected to the input / output terminal pairs ot + 1 and ot-1, respectively. Then, with the anode and cathode of the power transmission / reception element V2 connected to the input / output terminal pair ot + 2 and ot-2, respectively, the switching means M1 is switched to the ON state as shown in FIG. 2 (A). After that, the switching means M1 to M4 are controlled so that the switching means M3 is switched to the ON state when the time dTs elapses. When the switching means M1 to M4 are controlled so that the ON state and the OFF state between both ends of the switching means M1 to M4 occur at equal intervals, d is an arbitrary positive number satisfying <0.25. Further, V1> V2 is a condition in the voltage of the power transmission / reception element before the transfer of electric energy.

このようにスイッチング手段の状態が制御されると、図3を参照して、相I(スイッチング手段M1、M4がON、スイッチング手段M2、M3がOFF)に於いては、図3(A)に描かれている如く、電流iが、電力送受要素V1からスイッチング手段M1、インダクタL1、連結コンデンサCl1、スイッチング手段M4、連結コンデンサCl2を通って流れ、かくして、電力送受要素V1から電気エネルギーが放出される状態となる(放電状態)。その際、電力送受要素V2は、陽極が開放されているので、充放電が為されない状態(フロート状態)となっている。次に、相II(スイッチング手段M1、M3がON、スイッチング手段M2、M4がOFF)となると、図3(B)に描かれている如く、電流iが、電力送受要素V1からスイッチング手段M1、インダクタL1、連結コンデンサCl1を経て、スイッチング手段M3、電力送受要素V2、連結コンデンサCl2を通って流れることとなるので、電力送受要素V1(放電状態)の放出する電気エネルギーが電力送受要素V2に充電されることとなる(充電状態)。そして、相III(スイッチング手段M2、M3がON、スイッチング手段M1、M4がOFF)となると、図3(C)に描かれている如く、電流iが、電力送受要素V2からスイッチング手段M3、連結コンデンサCl1、インダクタL1、スイッチング手段M2、連結コンデンサCl2を通って流れることとなるので、電力送受要素V2が電気エネルギーを放出する状態となる(放電状態)。かくして、相IV(スイッチング手段M2、M4がON、スイッチング手段M1、M3がOFF)となると、図3(D)に描かれている如く、電力送受要素V1、V2は、フロート状態となり、電流iが、スイッチング手段M2、インダクタL1、連結コンデンサCl1、スイッチング手段M4及び連結コンデンサCl2から成るループを流れ、回路内に蓄積したエネルギーが放出されることとなる。かかる相Iから相IVまでの過程に於いて、電力送受要素V1は、相I及び相IIに於いて放電状態となり、電力送受要素V2は、相IIに於いて充電状態、相IIIに於いて放電状態となるところ、図2(A)を参照して理解される如く、相IIの時間が相IIIよりも長くなるようにスイッチング手段の状態が制御されると、電力送受要素V2が充電される時間が放電される時間より長くなり、結局、電力送受要素V1が放出した電気エネルギーが電力送受要素V2に充電され、電気エネルギーの移送が達成される。 When the state of the switching means is controlled in this way, with reference to FIG. 3, in phase I (switching means M1 and M4 are ON, switching means M2 and M3 are OFF), FIG. 3 (A) shows. As depicted, the current i flows from the power transfer element V1 through the switching means M1, the inductor L1, the coupling capacitor Cl1, the switching means M4, and the coupling capacitor Cl2, and thus electrical energy is released from the power transmission / reception element V1. (Discharged state). At that time, the power transmission / reception element V2 is in a state in which charging / discharging is not performed (float state) because the anode is open. Next, when phase II (switching means M1 and M3 are ON and switching means M2 and M4 are OFF), as shown in FIG. 3B, the current i is transferred from the power transmission / reception element V1 to the switching means M1. Since the electric energy flows through the switching means M3, the power transmission / reception element V2, and the connection capacitor Cl2 via the inductor L1 and the connection capacitor Cl1, the electric energy emitted by the power transmission / reception element V1 (discharged state) charges the power transmission / reception element V2. Will be (charged). Then, when the phase III (switching means M2 and M3 are ON and switching means M1 and M4 are OFF), the current i is connected to the switching means M3 from the power transmission / reception element V2 as shown in FIG. 3C. Since the current flows through the capacitor Cl1, the inductor L1, the switching means M2, and the connecting capacitor Cl2, the power transmission / reception element V2 is in a state of releasing electric energy (discharge state). Thus, when the phase IV (switching means M2 and M4 are ON and switching means M1 and M3 are OFF), the power transmission / reception elements V1 and V2 are in a float state and the current i is as shown in FIG. 3 (D). However, the energy stored in the circuit is released through a loop including the switching means M2, the inductor L1, the connecting capacitor Cl1, the switching means M4, and the connecting capacitor Cl2. In the process from Phase I to Phase IV, the power transmission / reception element V1 is in a discharged state in Phase I and Phase II, and the power transmission / reception element V2 is in a charged state in Phase II and in Phase III. When the state of the switching means is controlled so that the time of phase II is longer than that of phase III, the power transmission / reception element V2 is charged, as is understood with reference to FIG. 2A. The time becomes longer than the time for discharging, and eventually, the electric energy released by the power transmitting and receiving element V1 is charged to the power transmitting and receiving element V2, and the transfer of the electric energy is achieved.

一方、電力送受要素V2から電力送受要素V1へ電気エネルギーを移送する場合、には、入出力端子対間ot+1、ot−1に電力送受要素V1の陽極及び陰極をそれぞれ接続し、入出力端子対間ot+2、ot−2に電力送受要素V2の陽極及び陰極をそれぞれ接続した状態で、図2(B)に示されている如く、スイッチング手段M3がON状態に切り換った後に、時間dTsの経過時にスイッチング手段M1がON状態に切り換えられるように、スイッチング手段M1〜M4が制御される。図3の場合と同様に、スイッチング手段M1〜M4の両端間のON状態とOFF状態とが等間隔にて生ずるようにスイッチング手段M1〜M4が制御される場合、dは、<0.25を満たす任意の正数である。この場合、電気エネルギーの移送前の電力送受要素の電圧に於いて、V2>V1が条件となる。 On the other hand, when transferring electrical energy from the power transmission / reception element V2 to the power transmission / reception element V1, the anode and cathode of the power transmission / reception element V1 are connected to the input / output terminal pairs ot + 1 and ot-1, respectively, and the input / output terminal pair With the anode and cathode of the power transmission / reception element V2 connected to ot + 2 and ot-2, respectively, as shown in FIG. 2B, after the switching means M3 is switched to the ON state, the time dTs The switching means M1 to M4 are controlled so that the switching means M1 is switched to the ON state after the lapse of time. Similar to the case of FIG. 3, when the switching means M1 to M4 are controlled so that the ON state and the OFF state between both ends of the switching means M1 to M4 occur at equal intervals, d sets <0.25. Any positive number that satisfies. In this case, V2> V1 is a condition for the voltage of the power transmission / reception element before the transfer of electric energy.

図2(B)のように、スイッチング手段の状態が制御されると、図4を参照して、相I(スイッチング手段M2、M3がON、スイッチング手段M1、M4がOFF)に於いては、図4(A)に描かれている如く、電流iが、電力送受要素V2からスイッチング手段M3、連結コンデンサCl1、インダクタL1、スイッチング手段M2、連結コンデンサCl2を通って流れ、かくして、電力送受要素V2から電気エネルギーが放出される状態となる(放電状態)。その際、電力送受要素V1は、陽極が開放されているので、フロート状態となっている。次に、相II(スイッチング手段M1、M3がON、スイッチング手段M2、M4がOFF)となると、図4(B)に描かれている如く、電流iが、電力送受要素V2からスイッチング手段M3、連結コンデンサCl1、インダクタL1を経て、スイッチング手段M1、電力送受要素V1、連結コンデンサCl2を通って流れ、電力送受要素V2(放電状態)の放出する電気エネルギーが電力送受要素V1に充電されることとなる(充電状態)。そして、相III(スイッチング手段M1、M4がON、スイッチング手段M2、M3がOFF)となると、図4(C)に描かれている如く、電流iが、電力送受要素V1からスイッチング手段M1、インダクタL1、連結コンデンサCl1、スイッチング手段M4、連結コンデンサCl2を通って流れ、電力送受要素V2が電気エネルギーを放出する状態となり(放電状態)、相IV(スイッチング手段M2、M4がON、スイッチング手段M1、M3がOFF)となると、図4(D)に描かれている如く、電力送受要素V1、V2は、フロート状態となり、電流iが、連結コンデンサCl1、インダクタL1、スイッチング手段M2、連結コンデンサCl2及びスイッチング手段M4から成るループを流れ、回路内に蓄積したエネルギーが放出されることとなる。かかる相Iから相IVまでの過程に於いて、電力送受要素V2は、相I及び相IIに於いて放電状態となり、電力送受要素V1は、相IIに於いて充電状態、相IIIに於いて放電状態となるところ、図2(B)を参照して理解される如く、相IIの時間が相IIIよりも長くなるようにスイッチング手段の状態が制御されると、電力送受要素V1が充電される時間が放電される時間より長くなり、結局、電力送受要素V2が放出した電気エネルギーが電力送受要素V1に充電され、電気エネルギーの移送が達成される。 When the state of the switching means is controlled as shown in FIG. 2B, with reference to FIG. 4, in phase I (switching means M2 and M3 are ON, switching means M1 and M4 are OFF), As depicted in FIG. 4A, a current i flows from the power transmission / reception element V2 through the switching means M3, the coupling capacitor Cl1, the inductor L1, the switching means M2, and the connection capacitor Cl2, and thus the power transmission / reception element V2. Electric energy is released from (discharged state). At that time, the power transmission / reception element V1 is in a float state because the anode is open. Next, when the phase II (switching means M1 and M3 are ON and switching means M2 and M4 are OFF), the current i is transferred from the power transmission / reception element V2 to the switching means M3, as shown in FIG. 4 (B). The electric energy that flows through the switching means M1, the power transmission / reception element V1, and the connection capacitor Cl2 via the connection capacitor Cl1 and the inductor L1 and is released by the power transmission / reception element V2 (discharged state) is charged to the power transmission / reception element V1. Becomes (charged). Then, when the phase III (switching means M1 and M4 are ON and switching means M2 and M3 are OFF) is set, the current i is transferred from the power transmission / reception element V1 to the switching means M1 and the inductor as shown in FIG. 4C. Flowing through L1, the coupling capacitor Cl1, the switching means M4, and the connecting capacitor Cl2, the power transmission / reception element V2 is in a state of releasing electrical energy (discharged state), and the phase IV (switching means M2, M4 is ON, switching means M1, When M3 is OFF), as shown in FIG. 4D, the power transmission / reception elements V1 and V2 are in a float state, and the current i is the coupling capacitor Cl1, the inductor L1, the switching means M2, the coupling capacitor Cl2 and It flows through a loop composed of the switching means M4, and the energy stored in the circuit is released. In the process from Phase I to Phase IV, the power transmission / reception element V2 is in a discharged state in Phase I and Phase II, and the power transmission / reception element V1 is in a charged state in Phase II and in Phase III. When the state of the switching means is controlled so that the time of phase II is longer than that of phase III, the power transmission / reception element V1 is charged, as is understood with reference to FIG. 2 (B). The time becomes longer than the time for discharging, and eventually, the electric energy released by the power transmitting and receiving element V2 is charged to the power transmitting and receiving element V1, and the transfer of the electric energy is achieved.

かくして、上記のコンバータに於いては、電力送受要素V1側と電力送受要素V2側のスイッチング手段のON/OFFの切換の位相を変更するだけで、電力送受要素V1から電力送受要素V2へ電気エネルギーを移送することも、その逆も可能となるので、図7に関連して説明された如く、電気エネルギーの移送の対象となる電力送受要素からコンバータの二組の入出力端子対までの回路の構成が簡単化される。また、上記の構成に於いて、相IIのときに、電力送受要素V1と電力送受要素V2とが同時にコンバータにて充電状態又は放電状態となるが、電力送受要素V1側と電力送受要素V2側のスイッチング手段M2、M4が、正負両極にて、連結コンデンサCl1、Cl2を介して接続され、電力送受要素V1と電力送受要素V2とは電気的には分離された状態となった、所謂、絶縁型のコンバータとなっているので、電力送受要素V1と電力送受要素V2をそれぞれコンバータへ接続する際に、電力送受要素V1と電力送受要素V2とが電気的に接続できるように回路を工夫する必要がなくなっていることは理解されるべきである。更に、絶縁型のコンバータを実現するに当たり、本発明では、トランスやスイッチング手段のブリッジ回路などを用いていないので、回路内の回路要素数が少なく、回路の寸法を小さくすることが可能である。 Thus, in the above converter, only by changing the ON / OFF switching phase of the switching means on the power transmission / reception element V1 side and the power transmission / reception element V2 side, the electric energy from the power transmission / reception element V1 to the power transmission / reception element V2. And vice versa, as described in connection with FIG. 7, of the circuit from the power transfer element to which the electrical energy is transferred to the two sets of input / output terminal pairs of the converter. The configuration is simplified. Further, in the above configuration, in the phase II, the power transmission / reception element V1 and the power transmission / reception element V2 are simultaneously charged or discharged by the converter, but the power transmission / reception element V1 side and the power transmission / reception element V2 side. The switching means M2 and M4 of the above are connected at both positive and negative poles via the connecting capacitors Cl1 and Cl2, and the power transmission / reception element V1 and the power transmission / reception element V2 are electrically separated, so-called insulation. Since it is a type converter, when connecting the power transmission / reception element V1 and the power transmission / reception element V2 to the converter, it is necessary to devise a circuit so that the power transmission / reception element V1 and the power transmission / reception element V2 can be electrically connected. It should be understood that is gone. Further, in realizing an isolated converter, in the present invention, since a transformer or a bridge circuit of a switching means is not used, the number of circuit elements in the circuit is small, and the size of the circuit can be reduced.

本発明による双方向DC−DCコンバータの第二及び第三の実施形態
図1に示したコンバータに於いては、電力送受要素V1側の回路(コンデンサC1、スイッチング手段M1、M2)と電力送受要素V2側の回路(コンデンサC2、スイッチング手段M3、M4)とが、インダクタ(L1)と一対の連結コンデンサ(Cl1、Cl2)と介して接続され、電気エネルギーの移送は、電気エネルギーの移送元側の正極側のスイッチング手段(M1又はM3)をON状態に切換えた後に、dTsの経過時に電気エネルギーの移送先側の正極側のスイッチング手段をONに切換える態様にて電力送受要素V1側と電力送受要素V2側のスイッチング手段を制御することによって達成される。従って、これと同様の回路動作はコンバータに於いて、電力送受要素に接続される入出力端子対とコンデンサと二つの直列接続されたスイッチング手段とから成る回路が、3つ以上設けられ、それらの回路が、インダクタと一対の連結コンデンサと介して接続された構成に於いても実現可能である。そこで、本発明に於いては、図5及び図6に例示されている如く、3組以上の入出力端子対とコンデンサと二つの直列接続されたスイッチング手段とから成る回路がインダクタと一対の連結コンデンサと介して接続された構成が提供される。
The second and third embodiments of the bidirectional DC-DC converter according to the present invention In the converter shown in FIG. 1, the circuit (capacitor C1, switching means M1, M2) on the power transmission / reception element V1 side and the power transmission / reception element The circuit on the V2 side (capacitor C2, switching means M3, M4) is connected to the inductor (L1) via a pair of connecting capacitors (Cl1, Cl2), and the transfer of electric energy is performed on the transfer source side of the electric energy. After switching the switching means (M1 or M3) on the positive side to the ON state, the switching means on the positive side on the transfer destination side of the electric energy is switched to ON when dTs elapses, and the power transmission / reception element V1 side and the power transmission / reception element This is achieved by controlling the switching means on the V2 side. Therefore, in a circuit operation similar to this, in the converter, three or more circuits consisting of an input / output terminal pair connected to a power transmission / reception element, a capacitor, and two switching means connected in series are provided, and these are provided. The circuit can also be realized in a configuration in which the inductor is connected via a pair of connecting capacitors. Therefore, in the present invention, as illustrated in FIGS. 5 and 6, a circuit including three or more sets of input / output terminal pairs, a capacitor, and two switching means connected in series is connected to the inductor in a pair. A configuration connected via a capacitor is provided.

かくして、図5を参照して、本発明の双方向DC−DCコンバータの第二の実施形態は、図1のコンバータの構成に加えて、更に、電力送受要素V3の陽極及び陰極がそれぞれ接続される入出力端子対ot+3(正極側)、ot−3(負極側)と、入出力端子対間ot+3、ot−3にて接続されたコンデンサC3と、入出力端子対間ot+3、ot−3にて二つの直列に接続されたスイッチング手段M5、M6とから成る回路を含み、スイッチング手段M2、M4とスイッチング手段M6とが、その正極側に於いて、連結コンデンサCl3とインダクタL2とを介して接続され、その負極側に於いて、連結コンデンサCl4を介して接続された構成を有する。なお、図示していないが、インダクタL2は、スイッチング手段M2、M4とスイッチング手段M6との負極側の接続線にて連結コンデンサCl4に直列して挿入されていてもよく、スイッチング手段M2、M4とスイッチング手段M6との正極側と負極側の接続線の両方にて連結コンデンサCl3、連結コンデンサCl4にそれぞれ直列して挿入されていてもよい。かかる構成に於いて、電力送受要素V3、コンデンサC3、スイッチング手段M5、M6、連結コンデンサCl3、Cl4、インダクタL2とは、それぞれ、図1の場合の対応する回路要素と同様のものであってよい。 Thus, with reference to FIG. 5, in the second embodiment of the bidirectional DC-DC converter of the present invention, in addition to the configuration of the converter of FIG. 1, the anode and cathode of the power transmission / reception element V3 are further connected. Input / output terminal pairs ot + 3 (positive electrode side), ot-3 (negative electrode side), capacitors C3 connected by input / output terminal pair ot + 3, ot-3, and input / output terminal pair ot + 3, ot-3 Including a circuit consisting of two switching means M5 and M6 connected in series, the switching means M2 and M4 and the switching means M6 are connected via the connecting capacitor Cl3 and the inductor L2 on the positive electrode side thereof. It has a configuration in which it is connected via a connecting capacitor Cl4 on the negative electrode side thereof. Although not shown, the inductor L2 may be inserted in series with the connecting capacitor Cl4 at the connection line on the negative electrode side between the switching means M2 and M4 and the switching means M6, and may be inserted in series with the switching means M2 and M4. It may be inserted in series with the connecting capacitor Cl3 and the connecting capacitor Cl4 at both the positive electrode side and the negative electrode side connecting lines with the switching means M6. In such a configuration, the power transmission / reception element V3, the capacitor C3, the switching means M5, M6, the connecting capacitors Cl3, Cl4, and the inductor L2 may be the same as the corresponding circuit elements in the case of FIG. 1, respectively. ..

図5の回路構成に於いても、スイッチング手段M5、M6は、それぞれ、各々の両端子間の状態が、図2(A)、(B)に示されている如く、互いに逆位相にて所定の周期Tsにて導通状態(ON状態)と遮断状態(OFF状態)との間で切換えられるよう制御される。そして、電力送受要素V3が電気エネルギーの移送元と成って、電力送受要素V1又は電力送受要素V2へ電気エネルギーを供給する場合には(V3>V1又はV2が条件となる。)、スイッチング手段M5がON状態に切り換った後に、時間dTsの経過時にスイッチング手段M1又はM3がON状態に切り換えられ、相IIの時間が相IIIの時間より長くなるように、スイッチング手段M1〜M6が制御される。そうすると、図3、4等に説明された態様と同様の態様にて、電力送受要素V3の放出した電気エネルギーが電力送受要素V1又は電力送受要素V2に充電されることとなる。一方、電力送受要素V3が電気エネルギーの移送先と成って、電力送受要素V1又は電力送受要素V2から電気エネルギーを受容する場合には(V3<V1又はV2が条件となる。)、スイッチング手段M5は、スイッチング手段M1又はM3がON状態に切り換わった後から時間dTsの経過時にON状態に切り換えられ、相IIの時間が相IIIの時間より長くなるように、スイッチング手段M1〜M6が制御される。そうすると、図3、4等に説明された態様と同様の態様にて、電力送受要素V1又は電力送受要素V2の放出した電気エネルギーが電力送受要素V3に充電されることとなる。即ち、スイッチング手段M1〜M6のON/OFFの切換の位相を変更するだけで、電力送受要素V1〜V3のいずれかから電力送受要素V1〜V3のいずれかへ電気エネルギーを移送することが可能となる。また、スイッチング手段M1〜M6に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えの時期の前後関係と各相の長短関係とを上記の如く調整することにより、いずれか一つの電源又は回路要素から同時に複数の他の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送することも可能である。従って、例えば、図7に関連して説明された如く、コンバータを直列接続されたセル列のセル・バランサとして用いる場合には、各セルは、3組の入出力端子対のうちの最寄りの端子対に接続できるように回路が構成されていればよく、回路の構成が簡単化される。 Even in the circuit configuration of FIG. 5, in the switching means M5 and M6, the states between the two terminals are predetermined in opposite phases as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), respectively. It is controlled so as to be switched between the conduction state (ON state) and the cutoff state (OFF state) in the cycle Ts of. When the power transmission / reception element V3 serves as a transfer source of electric energy and supplies electric energy to the power transmission / reception element V1 or the power transmission / reception element V2 (V3> V1 or V2 is a condition), the switching means M5 The switching means M1 or M6 are controlled so that the switching means M1 or M3 is switched to the ON state when the time dTs elapses and the time of Phase II is longer than the time of Phase III after switching to the ON state. To. Then, the electric energy released by the power transmission / reception element V3 is charged to the power transmission / reception element V1 or the power transmission / reception element V2 in the same manner as those described in FIGS. On the other hand, when the power transmission / reception element V3 serves as a transfer destination of electric energy and receives electric energy from the power transmission / reception element V1 or the power transmission / reception element V2 (V3 <V1 or V2 is a condition), the switching means M5. Is switched to the ON state when the time dTs elapses after the switching means M1 or M3 is switched to the ON state, and the switching means M1 to M6 are controlled so that the time of Phase II becomes longer than the time of Phase III. To. Then, the electric energy released by the power transmission / reception element V1 or the power transmission / reception element V2 is charged to the power transmission / reception element V3 in the same manner as those described in FIGS. That is, it is possible to transfer electrical energy from any of the power transmission / reception elements V1 to V3 to any of the power transmission / reception elements V1 to V3 simply by changing the ON / OFF switching phase of the switching means M1 to M6. Become. Further, by adjusting the context of the switching timing between the conduction state and the cutoff state in the switching means M1 to M6 and the length relationship of each phase as described above, from any one power source or circuit element. It is also possible to transfer electrical energy to multiple other power sources or circuit elements at the same time. Thus, for example, as described in connection with FIG. 7, when the converter is used as a cell balancer for a row of cells connected in series, each cell is the nearest terminal of the three sets of input / output terminal pairs. It suffices if the circuit is configured so that it can be connected in pairs, and the circuit configuration is simplified.

更に、図6を参照して、本発明の双方向DC−DCコンバータの第三の実施形態は、図5の構成に加えて、更に、電力送受要素V4の陽極及び陰極がそれぞれ接続される入出力端子対ot+4(正極側)、ot−4(負極側)と、入出力端子対間ot+4、ot−4にて接続されたコンデンサC4と、入出力端子対間ot+4、ot−4にて二つの直列に接続されたスイッチング手段M7、M8とから成る回路を含み、その回路のスイッチング手段M8が、電力送受要素V3側の回路のスイッチング手段M6に対して、その正極側に於いて、連結コンデンサCl5とインダクタL3とを介して接続され、その負極側に於いて、連結コンデンサCl6を介して接続された構成を有する。即ち、第三の実施形態のコンバータは、図1の構成のコンバータの二つが、インダクタと一対の連結コンデンサとを介して接続された構成となっている。なお、図示していないが、インダクタL3は、スイッチング手段M6とスイッチング手段M8との負極側の接続線にて連結コンデンサCl6に直列して挿入されていてもよく、スイッチング手段M6とスイッチング手段M8との正極側と負極側の接続線の両方にて連結コンデンサCl5、連結コンデンサCl6にそれぞれ直列して挿入されていてもよい。かかる構成に於いても、電力送受要素V4、コンデンサC4、スイッチング手段M7、M8、連結コンデンサCl5、Cl6、インダクタL3とは、それぞれ、図1の場合の対応する回路要素と同様のものであってよい。 Further, referring to FIG. 6, in the third embodiment of the bidirectional DC-DC converter of the present invention, in addition to the configuration of FIG. 5, the anode and the cathode of the power transmission / reception element V4 are further connected to each other. Output terminal pair ot + 4 (positive electrode side), ot-4 (negative electrode side), input / output terminal pair ot + 4, ot-4 connected capacitor C4, input / output terminal pair ot + 4, ot-4 A circuit including switching means M7 and M8 connected in series is included, and the switching means M8 of the circuit is a connecting capacitor on the positive electrode side of the switching means M6 of the circuit on the power transmission / reception element V3 side. It has a configuration in which Cl5 and the inductor L3 are connected via a connecting capacitor Cl6 on the negative electrode side thereof. That is, the converter of the third embodiment has a configuration in which two converters having the configuration shown in FIG. 1 are connected via an inductor and a pair of connecting capacitors. Although not shown, the inductor L3 may be inserted in series with the connecting capacitor Cl6 at the connection line on the negative electrode side between the switching means M6 and the switching means M8, and the switching means M6 and the switching means M8 It may be inserted in series with the connecting capacitor Cl5 and the connecting capacitor Cl6 at both the positive electrode side and the negative electrode side connecting wires. Even in such a configuration, the power transmission / reception element V4, the capacitor C4, the switching means M7, M8, the connecting capacitors Cl5, Cl6, and the inductor L3 are the same as the corresponding circuit elements in the case of FIG. 1, respectively. Good.

図6の回路構成に於いても、スイッチング手段M7、M8は、それぞれ、各々の両端子間の状態が、図2(A)、(B)に示されている如く、互いに逆位相にて所定の周期Tsにて導通状態(ON状態)と遮断状態(OFF状態)との間で切換えられるよう制御される。そして、電力送受要素V4が電気エネルギーの移送元と成る場合には、スイッチング手段M7がON状態に切り換った後に、時間dTsの経過時にスイッチング手段M1、M3又はM5がON状態に切り換えられ、相IIの時間が相IIIの時間より長くなるように、スイッチング手段M1〜M8が制御され、そうすると、図3、4等に説明された態様と同様の態様にて、電力送受要素V4の放出した電気エネルギーが電力送受要素V1、V2又はV3に充電されることとなる。一方、電力送受要素V4が電気エネルギーの移送先と成る場合には、スイッチング手段M1、M3又はM5がON状態に切り換えられた後、時間dTsの経過時にスイッチング手段M7がON状態に切り換えられ、相IIの時間が相IIIの時間より長くなるように、スイッチング手段M1〜M8が制御され、図3、4等に説明された態様と同様の態様にて、電力送受要素V1、V2又はV3の放出した電気エネルギーが電力送受要素V4に充電されることとなる。即ち、スイッチング手段M1〜M8のON/OFFの切換の位相を変更するだけで、電力送受要素V1〜V4のいずれかから電力送受要素V1〜V4のいずれかへ電気エネルギーを移送することが可能となる。また、スイッチング手段M1〜M8に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えの時期の前後関係と各相の長短関係とを上記の如く調整することにより、いずれか一つの電源又は回路要素から同時に複数の他の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送することも可能である。従って、例えば、図7に関連して説明された如く、コンバータを直列接続されたセル列のセル・バランサとして用いる場合には、各セルは、4組の入出力端子対のうちの最寄りの端子対に接続できるように回路が構成されていればよく、回路の構成が簡単化される。 Also in the circuit configuration of FIG. 6, in the switching means M7 and M8, the states between the two terminals are predetermined in opposite phases as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), respectively. It is controlled so as to be switched between the conduction state (ON state) and the cutoff state (OFF state) in the cycle Ts of. Then, when the power transmission / reception element V4 serves as a transfer source of electric energy, after the switching means M7 is switched to the ON state, the switching means M1, M3 or M5 is switched to the ON state when the time dTs elapses. The switching means M1 to M8 were controlled so that the time of phase II was longer than the time of phase III, and then the power transmission / reception element V4 was released in the same manner as that described in FIGS. The electric energy will be charged to the power transmission / reception element V1, V2 or V3. On the other hand, when the power transmission / reception element V4 serves as a transfer destination of electric energy, the switching means M1, M3, or M5 is switched to the ON state, and then the switching means M7 is switched to the ON state when the time dTs elapses. The switching means M1 to M8 are controlled so that the time of II is longer than the time of phase III, and the power transmission / reception elements V1, V2, or V3 are released in the same manner as those described in FIGS. The generated electric energy will be charged to the power transmission / reception element V4. That is, it is possible to transfer electrical energy from any of the power transmission / reception elements V1 to V4 to any of the power transmission / reception elements V1 to V4 simply by changing the ON / OFF switching phase of the switching means M1 to M8. Become. Further, by adjusting the context of the switching timing between the conduction state and the cutoff state in the switching means M1 to M8 and the length relationship of each phase as described above, from any one power source or circuit element. It is also possible to transfer electrical energy to multiple other power sources or circuit elements at the same time. Thus, for example, as described in connection with FIG. 7, when the converter is used as a cell balancer for a row of cells connected in series, each cell is the nearest terminal of the four sets of input / output terminal pairs. It suffices if the circuit is configured so that it can be connected in pairs, and the circuit configuration is simplified.

なお、図示していないが、本発明の双方向DC−DCコンバータに於いては、図5、6の場合よりも多くの数の電力送受要素の陽極及び陰極がそれぞれ接続される入出力端子対と、入出力端子対間にて接続されたコンデンサと、入出力端子対間にて二つの直列に接続されたスイッチング手段とから成る回路が、インダクタと一対の連結コンデンサとを介して追加的に接続されてよい。その場合もスイッチング手段のON/OFFの切換の位相を変更するだけで、コンバータのいずれかの入出力端子対に接続された電力送受要素から別の入出力端子対に接続された電力送受要素へ電気エネルギーを移送することが可能となる。また、各スイッチング手段に於ける導通状態と遮断状態との間の切換えの時期の前後関係と各相の長短関係とを上記の如く調整することにより、いずれか一つの電源又は回路要素から同時に複数の他の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送することも可能である。その際、電力送受要素同士は、連結コンデンサを介して接続されることとなるので、それらの陽極又は陰極が直接に接続されることはなく(等電位にならない)、従って、電気エネルギーの移送が為される電力送受要素同士が電気的に接続できるように回路を工夫する必要がなくなっていることは理解されるべきであり、そのような絶縁型のコンバータが連結コンデンサを介した接続によって達成されることから、コンバータの回路をコンパクトにすることが可能となり、有利である。 Although not shown, in the bidirectional DC-DC converter of the present invention, a pair of input / output terminals to which an anode and a cathode of a larger number of power transmission / reception elements are connected than in the cases of FIGS. A circuit consisting of a capacitor connected between the input / output terminal pair and two switching means connected in series between the input / output terminal pair is additionally provided via an inductor and a pair of connecting capacitors. May be connected. In that case as well, simply by changing the ON / OFF switching phase of the switching means, the power transmission / reception element connected to one of the input / output terminal pairs of the converter can be changed to the power transmission / reception element connected to another input / output terminal pair. It is possible to transfer electrical energy. Further, by adjusting the context of the switching timing between the conduction state and the cutoff state in each switching means and the length relationship of each phase as described above, a plurality of simultaneous power sources or circuit elements can be used. It is also possible to transfer electrical energy to other power sources or circuit elements. At that time, since the power transmission / reception elements are connected to each other via a connecting capacitor, their anodes or cathodes are not directly connected (they do not have equal potentials), and therefore, the transfer of electric energy is carried out. It should be understood that it is no longer necessary to devise circuits so that the power transmission and reception elements made can be electrically connected to each other, and such an isolated converter is achieved by connecting via a connecting capacitor. Therefore, it is possible to make the circuit of the converter compact, which is advantageous.

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。 Although the above description has been made in connection with the embodiments of the present invention, many modifications and modifications can be easily made by those skilled in the art, and the present invention is limited to the embodiments exemplified above. It will be clear that it is not limited and is applied to various devices without departing from the concept of the present invention.

Claims (1)

双方向DC−DCコンバータ装置であって、
第一の電源又は回路要素の陽極及び陰極にそれぞれ接続される正極端子と負極端子とから成る第一の入出力端子対と、
前記第一の入出力端子対の間にて接続された第一のコンデンサと、
前記第一の入出力端子対の前記正極端子と前記負極端子との間にて順に直列に接続された第一及び第二のスイッチング手段にして、それぞれ、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と、
第二の電源又は回路要素の陽極及び陰極にそれぞれ接続される正極端子と負極端子とから成る第二の入出力端子対と、
前記第二の入出力端子対の間にて接続された第二のコンデンサと、
前記第二の入出力端子対の前記正極端子と前記負極端子との間にて順に直列に接続された第三及び第四のスイッチング手段にして、それぞれ、両端子間を選択的に互いに導通するスイッチング手段と
を含み、
前記第二のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段の正極側端子間が第一の連結コンデンサを介して接続され、前記第二のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段の負極側端子間が第二の連結コンデンサを介して接続され、且つ、前記第二のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段の正極側端子間及び負極側端子間の接続線に於いて少なくとも一つの第一のインダクタが挿入され、
前記第一のスイッチング手段と前記第二のスイッチング手段に於けるそれぞれの両端間の状態が互いに逆位相にて所定の周期にて導通状態と遮断状態との間で切換えられ、
前記第三のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段に於けるそれぞれの両端間の状態が互いに逆位相にて前記所定の周期にて導通状態と遮断状態との間で切換えられ、
前記第一の電源又は回路要素から前記第二の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第一のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第一のスイッチング手段と前記第三のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第三のスイッチング手段と前記第二のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第四のスイッチング手段の両端間の状態が制御され、
前記第二の電源又は回路要素から前記第一の電源又は回路要素へ電気エネルギーを移送するときには、前記第三のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わった後に前記第一のスイッチング手段が遮断状態から導通状態に切換わり、且つ、前記第三のスイッチング手段と前記第一のスイッチング手段とが導通状態となっている時間が前記第一のスイッチング手段と前記第四のスイッチング手段とが導通状態となっている時間よりも長くなるように前記第一乃至第四のスイッチング手段の両端間の状態が制御される装置。
A bidirectional DC-DC converter device
A first input / output terminal pair consisting of a positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to the anode and cathode of the first power supply or circuit element, respectively.
The first capacitor connected between the first input / output terminal pair and
The first and second switching means connected in series between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the first input / output terminal pair are used, and both terminals are selectively electrically connected to each other. Switching means and
A second input / output terminal pair consisting of a positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to the anode and cathode of the second power supply or circuit element, respectively.
The second capacitor connected between the second input / output terminal pair and
A third and fourth switching means connected in series between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the second input / output terminal pair are used, and both terminals are selectively electrically connected to each other. Including switching means
The second switching means and the positive electrode side terminal of the fourth switching means are connected via the first connecting capacitor, and the second switching means and the negative electrode side terminal of the fourth switching means are connected to each other. At least one first inductor is inserted in the connection line between the positive electrode side terminal and the negative electrode side terminal of the second switching means and the fourth switching means, which are connected via the second connecting capacitor. Being done
The states between both ends of the first switching means and the second switching means are switched between the conductive state and the cutoff state at predetermined cycles in opposite phases to each other.
The states between both ends of the third switching means and the fourth switching means are switched between the conductive state and the cutoff state in the predetermined cycle in opposite phases to each other.
When transferring electrical energy from the first power source or circuit element to the second power source or circuit element, the third switching means shuts off after the first switching means switches from the cutoff state to the conductive state. The time during which the first switching means and the third switching means are in the conductive state while switching from the state to the conductive state is such that the third switching means and the second switching means are in the conductive state. The state between both ends of the first to fourth switching means is controlled so as to be longer than the time of.
When transferring electrical energy from the second power source or circuit element to the first power source or circuit element, the first switching means shuts off after the third switching means switches from the cutoff state to the conductive state. The time during which the third switching means and the first switching means are in the conductive state while switching from the state to the conductive state is such that the first switching means and the fourth switching means are in the conductive state. A device in which the state between both ends of the first to fourth switching means is controlled so as to be longer than the time.
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