JP2021013216A - 電力供給システム、ｄｃ／ｄｃ変換機 - Google Patents

電力供給システム、ｄｃ／ｄｃ変換機 Download PDF

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Abstract

【課題】一次側の回路と二次側の回路とを高精度に同期させることが可能であって、かつ小型化、簡易化に有利な電力供給システムを提供する。【解決手段】バッテリ装置１８、バッテリ装置１８から電圧が供給されるトランジスタ素子１１、１２、トランジスタ素子１１、１２のオン時に給電電流が供給されるコイル部１３、１４、給電電流の流れ方向を切り換えるコンデンサ１７、給電電流の流れ方向に応じてトランジスタ素子１１、１２をオン、オフする駆動コイル１５を有する第一回路１０、コイル部１３、１４に流れる給電電流によって誘導起電力が生じるコイル部２３、２４及び駆動コイル２５、駆動コイル２５に生じた誘導起電力によってオン、オフするトランジスタ素子２１、２２、トランジスタ素子２１、２２のオン時に電力の供給を受けるバッテリ装置２８を有する第二回路２０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給システム及びＤＣ／ＤＣ変換機に関する。
一台で充電、放電の両方が可能な電力の変換装置として、双方向コンバータがある。このような双方向コンバータとしては、例えば、特許文献１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられる。このＤＣ／ＤＣコンバータは、一次側回路とトランス装置と二次側回路とを備え、一次側回路、二次側回路がそれぞれフルブリッジ構成の四つの逆導通型の半導体スイッチを備えている。４つの半導体スイッチは、それぞれ制御回路によってそのオン、オフが制御されている。制御回路は、四つの半導体スイッチのうち、対角線上に位置する半導体スイッチにそれぞれの位相が同期するゲート制御信号を与えている。また、制御回路は、ゲート電極間が短絡することを防ぐため、ゲート制御信号のオンデューティ比を１周期のうち最大で５０％とし、隣り合って接続される半導体スイッチを同時にオンさせる制御信号を与えないように制御している。
特開２０１１−２３４５４１号公報
しかしながら、特許文献１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータは、一次側回路、二次側回路にそれぞれ上記した制御回路を設け、半導体スイッチを制御して半導体スイッチ同士を同期させている。このような制御回路は、上記の制御を高精度に行うため、回路構成が大きくなり、一台でバッテリの充電、放電の両方を管理して装置全体の小型化や構成の簡易化を図るということに不利である。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、一次側の回路と二次側の回路とを高精度に同期させることが可能であって、かつ小型化、簡易化に有利な電力供給システム及びＤＣ／ＤＣ変換機に関する。
本発明の電力供給システムは、第一回路及び第二回路を含む電力供給システムであって、前記第一回路は、電力を蓄積する第一バッテリ装置と、前記第一バッテリ装置から電圧の供給を受ける第一スイッチング素子と、前記第一スイッチング素子のオン時に前記第一バッテリ装置から給電電流が供給される第一給電コイルと、前記第一給電コイルを流れる前記給電電流の流れ方向を切り換える切換素子と、前記給電電流の流れ方向に応じて前記第一スイッチング素子をオン、オフする第一駆動コイルと、を備え、前記第二回路は、前記第一給電コイルに流れる給電電流によって誘導起電力が生じる第二給電コイル及び第二駆動コイルと、前記第二駆動コイルに生じた誘導起電力によってオン、オフする第二スイッチング素子と、前記第二スイッチング素子のオン時に前記第二給電コイルから電力の供給を受ける負荷と、を備える。
本発明のＤＣ／ＤＣ変換機は、第一回路及び第二回路を含む双方向のＤＣ／ＤＣ変換機であって、前記第一回路は、電力を蓄積する直流の第一バッテリ装置と、前記第一バッテリ装置から電圧の供給を受ける二つの第一スイッチング素子と、前記第一スイッチング素子のオン時に前記第一バッテリ装置から給電電流が供給される二つの第一給電コイルと、前記第一給電コイルを流れる前記給電電流の流れ方向を切り換える切換素子と、前記給電電流の流れ方向に応じて前記第一スイッチング素子をオン、オフする第一駆動コイルと、を備え、前記第二回路は、前記第一給電コイルに流れる給電電流によって誘導起電力が生じる二つの第二給電コイル及び二つの第二駆動コイルと、前記第二駆動コイルに生じた誘導起電力によって交互にオン、オフする二つの第二スイッチング素子と、前記第二スイッチング素子のオン時に前記第二給電コイルから電力の供給を受ける直流の第二バッテリ装置と、を備える。
本発明は、一次側の回路と二次側の回路とを高精度に同期させることが可能であって、かつ小型化、簡易化に有利な電力供給システム及びＤＣ／ＤＣ変換機を提供することができる。
本発明の一実施形態の電力供給システムをＤＣ／ＤＣ変換機として構成した例を示す図である。 第一回路から第二回路へ給電する場合の電力供給システムの動作を説明するための図である。 第一回路から第二回路へ給電する場合の電力供給システムの動作を説明するための他の図である。 第二回路から第一回路へ給電する場合の電力供給システムの動作を説明するための図である。 第二回路から第一回路へ給電する場合の電力供給システムの動作を説明するための他の図である。 図１に示す電力供給システムの変形例１を示す図である。 図１に示す電力供給システムの変形例２を示す図である。
以下に、本発明の一実施形態の電力供給システムを説明する。なお、本実施形態は、発明の構成を例示して発明の技術思想を示すものであり、その具体的な構成を例示したものに限定するものではない。また、本実施形態で示す図においては、同様の構成を同様の符号で示し、その説明を一部略している。特に、図２から図５に示す電流は、回路において同じノードを流れる電流に同じ符号を示している。電流に示す符号の同一は、電流の向きまでが同じであることを示すものではない。
図１は、本実施形態の電力供給システム１を説明するための回路図である。電力供給システム１は、バッテリ装置をそれぞれ備える一次側の第一回路１０、二次側の第二回路２０を含み、互いのバッテリ装置に電力を供給し合うものである。ただし、本実施形態においては、電力供給システム１のバッテリ装置１８、２８をそれぞれ直流のバッテリ装置とし、電力供給システム１を双方向のＤＣ／ＤＣ変換機として構成した例を示す。
電力供給システム１は、第一回路１０、第二回路２０のうちのいずれか一方のバッテリ装置が予め定められた規定電圧以下になった場合、他方のバッテリ装置が自励的に規定電圧以下のバッテリ装置に充電するシステムである。
（第一回路）
上記の構成のうち、先ず、第一回路について説明する。
図１に示すように、電力供給システム１は、第一回路１０、第二回路２０を含んでいる。第一回路１０と第二回路２０は完全に絶縁された状態になっていて、電磁誘導により互いに電力を授受し得るように構成されている。第一回路１０は、電力を蓄積する第一バッテリ装置であるバッテリ装置１８と、バッテリ装置１８から電圧の供給を受ける第一スイッチング素子であるトランジスタ素子１１、１２と、トランジスタ素子１１、１２のオン時にバッテリ装置１８から給電電流が供給される第一給電コイルを構成するコイル部１３、１４と、コイル部１３、１４を流れる給電電流の流れ方向を切り換える切換素子であるコンデンサ１７と、給電電流の流れ方向に応じてトランジスタ素子１１、１２をオン、オフする第一駆動コイルである駆動コイル１５と、を備えている。
バッテリ装置１８から電圧の供給を受けるトランジスタ素子１１、１２は、バッテリ装置１８から常時閾値電圧値以下の電圧の供給を受けると共に、バッテリ装置１８から電力の供給を受ける駆動コイル１５から駆動電圧の供給を受けている。したがって、トランジスタ素子１１、１２は、バッテリ装置１８の充電電圧が低下するとオンすることができなくなる。このような本実施形態は、バッテリ装置１８の充電電圧を監視する必要がなく、充電電圧によってトランジスタ素子１１、１２の発振を始動、または停止することができる。
少なくとも第一回路１０において、第一スイッチング素子は、二つのトランジスタ素子１１、１２を有するトランジスタ対として構成される。図１に示すトランジスタ素子１１、１２は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）であり、トランジスタ素子１１、１２のソース間にコンデンサ１７が設けられている。また、コイル部１３、１４は、トランジスタ素子１１、１２の各々に対応する二つのコイル部であって、コイル対を構成する。ここで、「対応する」とは、トランジスタ素子１１がオンする場合にコイル部１３に電流が流れ、トランジスタ素子１２がオンする場合にコイル部１４に電流が流れることをいう。
また、第一回路１０は、コンデンサ１７がコイル対に含まれる二つのコイル部１３、１４に対して給電電流が交互に供給されるように切り換えている。本実施形態のコンデンサ１７は、トランジスタ素子１１、１２のソース間で充放電し、コンデンサ１７の充放電によりコイル部１３、１４に対して交互に給電電流が供給される。コイル部１３、１４への給電の切換のタイミングはトランジスタ素子１１、１２のオン、オフのタイミングに一致する。このため、第一回路１０の駆動周波数は、コンデンサ１７の容量、コイル部１３、１４と共にトランスを構成する第二回路２０のコイル部２３、２４の巻き比及びインダクタンスとコンデンサ２７の容量とによって設定される。
上記のように、トランジスタ素子を使って整流動作する本実施形態の電力供給システム１は、トランジスタのゲート端子にトランジスタをオンさせる閾値電圧以上の電圧を印加することによって動作することができる。トランジスタの閾値電圧は多くの場合ダイオードの順電圧より低い。このことから、本実施形態は、整流動作にダイオードを使う構成の回路よりも省力化に有利であって、かつ動作効率が高いものといえる。
トランジスタ素子１１、１２のゲート端子には抵抗素子ｒ１１、ｒ１２、ｒ１３、ｒ１４により構成される抵抗群Ｒ１が接続されている。抵抗素子ｒ１１、ｒ１２、ｒ１３、ｒ１４の値は、トランジスタ素子１１、１２の閾値電圧に比較的近い電圧がトランジスタ素子１１、１２に印加されるように設定されている。
また、トランジスタ素子１１、１２はいずれも抵抗群Ｒ１に接続されている。しかし、発振の開始時において、トランジスタ素子１１、１２の製造上の特性バラつきによりトランジスタ素子１１、１２の一方が他方に先んじてオンする。トランジスタ素子１１、１２の一方がオンした後、トランジスタ素子１１，１２は駆動コイル１５によって交互にオン、オフされる。このような動作により、トランジスタ素子１１、トランジスタ素子１２は、抵抗群Ｒ１で発生する電圧値が閾値電圧以下になるまで発振を継続することができる。
駆動コイル１５は、その両端がノードｇ１１及びノードｇ１２に接続されていて、ノードｇ１１、ｇ１２は、トランジスタ素子１１，１２のゲート端子と接続されている。このため、駆動コイル１５にはトランジスタ素子１１またはトランジスタ素子１２をオンするために印加される電圧と値が等しく、逆相の電圧が印加されて駆動電流が流れる。ここで「等しい電圧」とは、トランジスタ素子１１、１２のゲート端子と駆動コイル１５とが同一の抵抗群Ｒ１のノードｇ１１、ｇ１２と接続されるために略同一であり、配線長さや素子特性により生じる差異を許容する。
駆動コイル１５の両端は、ノードｇ１１、ｇ１２に接続されている。コンデンサ１７の充電期間と放電期間とで抵抗群Ｒ１を流れる流路が切り替わり、ノードｇ１１に閾値電圧より大きい電圧が印加されている間にはノードｇ１２に閾値電圧より小さい電圧が印加される。このようにすることにより、本実施形態は、ノードｇ１１、ｇ１２に閾値電圧より高い駆動電圧と閾値電圧よりも低い駆動電圧とを交互に与え、トランジスタ素子１１、１２を交互にオン、オフすることができる。
また、本実施形態では、ノードｇ１１、ｇ１２に与える駆動電圧の切換周期とコンデンサ１７の充放電の周期とが一致しているので、コイル部１３に供給電流が流れるときにトランジスタ素子１１をオンさせて、かつ、コイル部１４に供給電流が流れるときにトランジスタ素子１２をオンさせて両者を発振させることができる。
駆動コイル１５には、ノードｇ１１に閾値電圧より大きい電圧が印加されてトランジスタ素子１１がオンしている間にはコイル部１３を流れる電流が流れる。また、駆動コイル１５には、ノードｇ１２に閾値電圧より大きい電圧が印加されてトランジスタ素子１２がオンしている間にはコイル部１４を流れる電流が流れる。つまり、駆動コイル１５には、コイル部１３、１４に流れる電流が駆動電流として交互に供給される。交互に流れる駆動電流を合成すると、トランジスタ素子１１、１２の閾値電圧を中心にして振幅がプラス、マイナスに切り換るパルス状の電流になる。
さらに、第一回路１０は、バッテリ装置１８の電圧値を検出する電圧検出部である電圧監視回路１９と、電圧監視回路１９により検出された電圧値が予め定められた値よりも高くなったとき、第一回路１０からバッテリ装置１８を切り離すバッテリ切断回路をさらに含んでいる。図１に示す例では、電圧監視回路１９の出力に接続されるドライブ回路３６、抵抗素子３９、３４、トランジスタ素子３７が切断回路を構成する。電圧監視回路１９は、例えば、バッテリ装置１８の電圧に対応する電位差を生じる抵抗素子３２、３３間の電圧をモニターし、この電圧が予め定められた値以上である場合にトランジスタ素子３７に対してゲート電圧を印加する。図１に示す例では、トランジスタ素子３７をＰ型のＭＯＳトランジスタとし、ゲート電圧の印加によってオフするものとした。
トランジスタ素子３７がオフすることにより、第一回路１０からバッテリ装置１８が切り離される。このような構成によれば、バッテリ装置１８に何らかの異常が生じた場合にバッテリ装置１８の異常が電力供給システム１に影響することをなくし、電力供給システム１を保護することができる。
なお、このような電圧監視回路１９は、第一回路１０、第二回路２０の両方に設けられるものであってもよいし、第一回路１０、第二回路２０のうちバッテリ装置の過充電が起こり易い側にのみ設けるようにしてもよい。
さらに、電圧検出部及びバッテリ切断回路は、図１に示す構成に限定されるものでなく、バッテリ装置１８の異常を検出してバッテリ装置１８を第一回路１０から電気的に切り離すものであればどのようなものであってもよい。
上記した構成の他、第一回路１０は、ヒューズ３５、電解コンデンサ３１及びコイル３８を備えている。ヒューズ３５は、第一回路１０の自励発振回路に異常が発生して過大な電流が発生した場合に溶融してバッテリ装置１８を第一回路から切り離し、バッテリ装置１８がさらに高温になることを防ぐものである。電解コンデンサ３１は、バッテリ装置１８の充放電に伴う電圧の変化を吸収する。コイル３８は、第一回路１０のリアクタンス成分を調整するものである。
（第二回路）
第二回路２０は、コイル部１３、１４に流れる給電電流によって誘導起電力が生じる第二給電コイルを構成するコイル部２３、２４及び第二駆動コイルである駆動コイル２５と、駆動コイル２５に生じた誘導起電力によってオン、オフする第二スイッチング素子であるトランジスタ素子２１、２２と、を備えている。さらに、第二回路２０は、トランジスタ素子２１、２２のオン時にコイル部２３、２４から電力の供給を受ける負荷を備えている。電力供給システム１をＤＣ／ＤＣ変換機として構成する本実施形態では、負荷を第二バッテリ装置であるバッテリ装置２８としている。
また、本実施形態の第二回路２０は、第一回路と同様に、コイル部２３、２４に対して交互に供給電流を流すコンデンサ２７、抵抗素子ｒ２１から抵抗素子ｒ２４により構成される抵抗群Ｒ２を有している。
上記の構成によれば、例えば、第一回路１０から第二回路２０に給電する場合、コイル部１３に給電電流が流れると、コイル部２３に誘導起電力が生じる。コイル部１３に給電電流が流れている間はトランジスタ素子１１がオン、トランジスタ素子１２がオフ状態になっている。このとき、駆動コイル１５にはコイル部１３を流れる電流に同期した電流が駆動電流として供給される。このとき、駆動コイル２５にもコイル部１３を流れる電流に同期した誘導電流が生じる。
誘導電流が流れることによってトランジスタ素子２１のゲート端子がオンする。このとき、コイル部２３、コイル３８、ヒューズ３５、バッテリ装置２８を通ってコイル部２３に戻る電流の流路が形成される。流路の形成により、コイル部２３に生じた誘導起電力がバッテリ装置２８に蓄積される。
次に、コイル部１４に給電電流が流れると、駆動コイル２５に誘導起電力が生じ、トランジスタ素子２１がオフし、トランジスタ素子２２がオンする。トランジスタ素子２２がオンすることにより、コイル部２４、コイル３８、ヒューズ３５、バッテリ装置２８を通ってコイル部２４に戻る電流の流路が形成される。流路の形成により、コイル部２４に生じた誘導起電力がバッテリ装置２８に蓄積される。
本実施形態は、コイル部１３、１４に交互に給電電流を供給することによりコイル部２３、２４に交互に誘電起電力を発生させる。そして、駆動コイル１５、２５によってトランジスタ素子２１、２２を駆動して第二回路２０の側で誘導電流の流路を形成し、発生した誘導起電力をバッテリ装置２８に充電する。
また、第二回路２０は、トランジスタ素子２１、２２をオンさせるための電力が供給されるゲート端子にバッテリ装置２８の電力を供給する電力供給ノードであるノードｇ２１、ｇ２２をさらに含んでいる。このような構成により、第二回路２０は、バッテリ装置２８の電圧が規定電圧に達した後はトランジスタ素子２１、２２に対してバッテリ装置２８から電圧を供給するようにできる。このような本実施形態によれば、第一回路１０のバッテリ装置１８が規定電圧以下になった場合にはバッテリ装置２８に蓄積されている電圧をバッテリ装置１８に供給することができる。なお、図１に示した例では、電力供給ノードがトランジスタ素子のゲート端子に接続されて電圧を印加するものとしているが、電力供給ノードはトランジスタ素子をオンさせるための電圧、電流のいずれを与えるものであってもよく、トランジスタ素子の構成により適宜選択される。
以下、このような動作を順を追って詳細に説明する。
図２から図５は、電力供給システム１の動作を説明するための図である。図２及び図３は、第一回路１０の側から第二回路２０へ給電する動作を説明するための図である。第一回路１０から第二回路２０へ給電する場合、電力供給システム１は、図２に示す動作と、図３に示す動作とを繰り返す。図４及び図５は、第二回路２０の側から第一回路１０の側へ給電する動作を説明するための図である。第二回路２０から第一回路１０へ給電する場合、電力供給システム１は、図４に示す動作と、図５に示す動作とを繰り返す。
なお、第一回路１０、第二回路２０の一方から他方への給電は、給電側のバッテリ装置１８、２８が規定電圧以上の電圧を有する間継続される。バッテリ装置１８、２８の充電は、自身の電圧が規定電圧以下である間に行われるが、トランジスタ素子１１、１２及びトランジスタ素子２１、２２の発振は、バッテリ装置１８、２８が共に規定電圧以下になるまで継続する。なお、バッテリ装置１８、２８が共に規定電圧である場合、トランジスタ素子１１、１２及びトランジスタ素子２１、２２が共に発振する。このとき、第一回路１０、第二回路２０は、共に負荷が接続されていない所謂オープンの状態になる。
バッテリ装置１８の電圧が規定電圧以上であって、かつバッテリ装置２８が規定電圧以下である場合、コンデンサ１７の充電期間はバッテリ装置１８から電流ｉ１が流れ、コイル３８を通過して電流ｉ２としてコイル部１３に流れ込こみ、電流ｉ３がコイル部１３を通過する。このような場合、抵抗群Ｒ１のノードｇ１１、ｇ１２に接続された駆動コイル１５には図２中にＨ（High）、Ｌ（Low）で示す電位差が生じる。Ｈの側に接続されているトランジスタ素子１１のゲート端子はオンし、Ｌの側に接続されているトランジスタ素子１２のゲート端子はオフする。このため、電流ｉ４がトランジスタ素子１１を通って電流ｉ５、ｉ６としてバッテリ装置１８に帰還する。
一方、第二回路２０においては、コイル部２３に生じた誘導起電力により電流ｉ３と反対向きの電流ｉ９が発生する。駆動コイル２５には駆動コイル１５を流れる電流により図１に示すＨ、Ｌで示す電位差が生じる。この電位差がノードｇ２１、ｇ２２に印加され、Ｈの側に接続されているトランジスタ素子２１のゲート端子はオンし、Ｌの側に接続されているトランジスタ素子２２のゲート端子はオフする。このため、電流ｉ９が電流ｉ１０、ｉ１１としてバッテリ装置２８に充電される。バッテリ装置２８からは電流ｉ１２、ｉ１３が流れ、電流ｉ１４としてトランジスタ素子２１を通過する。
コンデンサ１７は、充電完了後に放電する。このとき、図３に示すように、電流ｉ１、ｉ２は、電流ｉ８としてコイル部１４を通過する。このとき、ノードｇ１２が高電位になると共に、ノードｇ１１が低電位になり、トランジスタ素子１２がオンすると共にトランジスタ素子１１がオフする。電流ｉ４は、トランジスタ素子１２を通過して電流ｉ５、ｉ６としてバッテリ装置１８に帰還する。
このとき、コイル部２４においては、電流ｉ８により生じた誘導起電力によって電流ｉ７が流れる。また、駆動コイル２５には駆動コイル１５により誘起された電位差が生じ、Ｈの側にゲート電極が接続されているトランジスタ素子２２がオンする。また、Ｌの側にゲート電極が接続されているトランジスタ素子２１がオフする。トランジスタ素子２２がオンすることにより、電流ｉ７はコイル部２４を通過して電流ｉ１０、ｉ１１としてバッテリ装置２８に流れ込み、バッテリ装置２８を充電する。電流ｉ１２は、バッテリ装置２８から流れて電流ｉ１３を経て電流ｉ１４としてトランジスタ素子２２を通過する。
次に、バッテリ装置２８の電圧が規定電圧以上であって、かつバッテリ装置１８が規定電圧以下である場合の電力供給システム１の動作を説明する。図４に示すように、コンデンサ２７の充電期間はバッテリ装置２８から電流ｉ１１が流れ、電流ｉ１０を経て電流ｉ９としてコイル部２３を通過する。トランジスタ素子２１がオンし、トランジスタ素子２２がオフしている場合、駆動コイル２５には図４中にＨ、Ｌで示す電位差が生じ、Ｈ側のトランジスタ素子２１がオンしてトランジスタ素子２２がオフする。電流ｉ４は、トランジスタ素子２１を通過して電流ｉ１３を経て電流ｉ１２としてバッテリ装置２８に帰還する。
一方、第一回路１０においては、コイル部１３に生じた誘導起電力により電流ｉ９と反対向きの電流ｉ３が発生する。駆動コイル１５には駆動コイル２５を流れる電流により図４に示すＨ、Ｌで示す電位差が生じる。この電位差がノードｇ１１、ｇ１２に印加され、Ｈの側に接続されているトランジスタ素子１１はオンし、Ｌの側に接続されているトランジスタ素子１２はオフする。このため、電流ｉ３が電流ｉ２、ｉ１としてバッテリ装置１８に充電される。バッテリ装置１８からは電流ｉ６、ｉ５が流れ、電流ｉ４としてトランジスタ素子１１を通過する。
次に、コンデンサ２７が放電する。このとき、図５に示すように、電流ｉ１１、ｉ１０は、電流ｉ７としてコイル部２４を通過する。このとき、ノードｇ２２が高電位になると共に、ノードｇ２１が低電位になり、トランジスタ素子２２がオンしてトランジスタ素子２１がオフする。電流ｉ４は、トランジスタ素子２２を通過して電流ｉ１３、ｉ１２としてバッテリ装置２８に帰還する。
このとき、コイル部１４においては、電流ｉ７により生じた誘導起電力によって電流ｉ８が流れる。また、駆動コイル１５には駆動コイル２５により誘起された電位差が生じ、Ｈの側に接続されているトランジスタ素子１２がオンする。また、Ｌの側に接続されているトランジスタ素子１１がオフする。トランジスタ素子１２がオンすることにより、電流ｉ８はコイル部１４を通過して電流ｉ２、ｉ１としてバッテリ装置１８に流れ込み、バッテリ装置１８を充電する。電流ｉ６は、バッテリ装置１８から流れて電流ｉ５を経て電流ｉ４としてトランジスタ素子１２を通過する。
以上説明した本実施形態によれば、第一回路１０と第二回路２０とを設け、例えば第一回路１０においてバッテリ装置１８から電圧をトランジスタ素子１１、１２に供給することにより、バッテリ装置１８の電圧が規定電圧以上であれば自動的にトランジスタ素子１１、１２を発振させることができる。このため、本実施形態は、バッテリ装置１８の電圧を監視して発振させる構成が必要ない。
また、本実施形態は、トランジスタ素子１１、１２のオン時にバッテリ装置１８から給電電流が供給されるコイル部１３、１４を備えている。このため、本実施形態は、バッテリ装置１８の電圧が規定電圧以上である場合にコイル部１３、１４に給電電流を流すことができる。さらに、本実施形態は、トランジスタ素子１１、１２をオン、オフする駆動コイル１５を備えている。トランジスタ素子１１、１２がオン、オフすることにより、コイル部１３、１４に流れる給電電流が変化し、第二回路２０のコイル部２３、２４及び駆動コイル２５に誘導起電力を生じさせることができる。
さらに、本実施形態は、駆動コイル１５に発生する電位差によってトランジスタ素子１１、１２をオン、オフすることにより、トランジスタ素子１１、１２のゲート電圧を外部から制御する構成が不要になる。ゲート電圧の制御回路は、電力供給システム１の他に設けられる構成であるから電力供給システム１を大型化、複雑化、ひいては高コスト化する一因になり得る。このような制御回路が不要な本実施形態は、電力供給システム１の小型化、簡易化、低コスト化に有利である。
また、本実施形態は、バッテリ装置２８を備えたことにより、コイル部２３、２４の誘導起電力により生じた電力を蓄積することができ、第二回路２０、第一回路１０の双方向の給電が可能になる。また、本実施形態は、第一回路１０、第二回路２０を電流により自動的に高い精度で同期させることができる。さらに、本実施形態の電力供給システム１は、第一回路１０、第二回路２０が共に電流スイッチング構成であるため、出力のリップルを軽減し易い構成となっている。
以上説明したように、本実施形態は、一次側の回路と二次側の回路とを高精度に同期させることが可能であって、かつ小型化、簡易化に有利な電力供給システム及びＤＣ／ＤＣ変換機を提供することができるものといえる。
（変形例１）
図６は、先に説明した実施形態のように電圧の監視にトランジスタ素子を使うことに代えてリレースイッチ６７を用いた例を示す図である。図１、図６に示すように、バッテリ装置１８、２８を切り離す構成は、電圧を監視し、第一回路１０、第二回路２０に異常が発生したとき速やかに第一回路１０からバッテリ装置１８を、第二回路２０からバッテリ装置２８を切り離すことができるものであればどのような構成であってもよいし、第一回路１０、第二回路２０で異なる構成を用いても良い。また、第一回路１０、第二回路２０の両方に設けるものに限定されず、異常の発生が懸念される一方にのみ設けるようにしてもよい。
（変形例２）
さらに、本実施形態の電力供給システムは、第一回路１０と第二回路２０とを一対一に設けることに限定されるものではなく、二次側に複数の回路を設けるようにしてもよい。図７は、上記実施形態の電力供給システム１の二次側に二つの第二回路２０、第三回路６０を設けた電力供給システム６を説明するための図である。第三回路６０は、第一回路１０、第二回路２０と同様に構成されており、バッテリ装置６８、抵抗素子ｒ６１から抵抗素子ｒ６４、トランジスタ素子６１、６２、コンデンサ２７、コイル部６３、６４及び駆動コイル６５を備えている。また、第三回路６０においても異常を検出し、バッテリ装置６８を第三回路６０から切り離すための構成が設けられている。
第三回路６０は、第一回路１０によって第二回路２０と同様に動作する。すなわち、コイル部１３に給電電流が流れるタイミングで駆動コイル６５に駆動電流が流れてトランジスタ素子６１がオンする。また、コイル部１４に給電電流が流れるタイミングで駆動コイル６５に先の駆動電流とは反対方向に駆動電流が流れてトランジスタ素子６２がオンする。トランジスタ素子６１、６２が交互にオン、オフを繰り返す間にコイル部２３、２４に生じた誘導電流がバッテリ装置６８に流れ込み、バッテリ装置６８はバッテリ装置２８と共に充電される。
また、第三回路６０は、第一回路１０のバッテリ装置１８の電圧が規定の電圧より低下した場合、バッテリ装置６８からバッテリ装置１８、２８を充電することができる。このような変形例２は、第一回路１０、第二回路２０及び第三回路６０の各バッテリ装置１８、２８、６８の電圧が異なっていてもよく、例えば、４００Ｖ、４８Ｖ、１２Ｖのバッテリ装置間で充放電することが可能になる。
上記実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
（１）第一回路及び第二回路を含む電力供給システムであって、前記第一回路は、電力を蓄積する第一バッテリ装置と、前記第一バッテリ装置から電圧の供給を受ける第一スイッチング素子と、前記第一スイッチング素子のオン時に前記第一バッテリ装置から給電電流が供給される第一給電コイルと、前記第一給電コイルを流れる前記給電電流の流れ方向を切り換える切換素子と、前記給電電流の流れ方向に応じて前記第一スイッチング素子をオン、オフする第一駆動コイルと、を備え、前記第二回路は、前記第一給電コイルに流れる給電電流によって誘導起電力が生じる第二給電コイル及び第二駆動コイルと、前記第二駆動コイルに生じた誘導起電力によってオン、オフする第二スイッチング素子と、前記第二スイッチング素子のオン時に前記第二給電コイルから電力の供給を受ける負荷と、を備える、電力供給システム。
（２）前記負荷が第二バッテリ装置であり、前記第二バッテリ装置の電圧に対応する電圧を前記第二スイッチング素子に印加して前記第二スイッチング素子をオンさせる電圧印加ノードをさらに含む、（１）の電力供給システム。
（３）少なくとも前記第一回路において、前記第一スイッチング素子は少なくとも二つのトランジスタ素子を有するトランジスタ対を含み、前記第一給電コイルは前記トランジスタ素子の各々に対応する少なくとも二つのコイル部を有するコイル対を含み、前記第一駆動コイルが前記トランジスタ素子を交互にオン、オフさせる、（１）または（２）の電力供給システム。
（４）前記第一駆動コイルの両端は、二つの前記トランジスタ素子にゲート電圧を印加するノードとそれぞれ接続されている、（３）の電力供給システム。
（５）前記切換素子は、前記コイル対に含まれる前記二つのコイル部に対して前記給電電流が交互に供給されるように切り換える、（３）または（４）の電力供給システム。
（６）少なくとも前記第一回路は、前記第一バッテリ装置の電圧値を検出する電圧検出部と、当該電圧検出部により検出された電圧値が予め定められた値よりも高くなったとき、前記第一回路から前記第一バッテリ装置を切り離すバッテリ切断回路をさらに含む、（１）から（５）のいずれか一つの電力供給システム。
（７）第一回路及び第二回路を含む双方向のＤＣ／ＤＣ変換機であって、前記第一回路は、電力を蓄積する直流の第一バッテリ装置と、前記第一バッテリ装置から電圧の供給を受ける二つの第一スイッチング素子と、前記第一スイッチング素子のオン時に前記第一バッテリ装置から給電電流が供給される二つの第一給電コイルと、前記第一給電コイルを流れる前記給電電流の流れ方向を切り換える切換素子と、前記給電電流の流れ方向に応じて前記第一スイッチング素子をオン、オフする第一駆動コイルと、を備え、前記第二回路は、前記第一給電コイルに流れる給電電流によって誘導起電力が生じる二つの第二給電コイル及び二つの第二駆動コイルと、前記第二駆動コイルに生じた誘導起電力によって交互にオン、オフする二つの第二スイッチング素子と、前記第二スイッチング素子のオン時に前記第二給電コイルから電力の供給を受ける直流の第二バッテリ装置と、を備える、ＤＣ／ＤＣ変換機。
１、２、６・・・電力供給システム
１０・・・第一回路
１１、１２，２１、２２、３７、６１、６２・・・トランジスタ素子
１３、１４、２３、２４、６３、６４・・・コイル部
１５、２５、６５・・・駆動コイル
１７、２７・・・コンデンサ
１８、２８・・・バッテリ装置
１９・・・電圧監視回路
２０・・・第二回路
３１・・・電解コンデンサ
３２、３３、３４、３９、４０・・・抵抗素子
３５・・・ヒューズ
３６・・・ドライブ回路
３８・・・コイル
４１・・・リレー
６０・・・第三回路
ｒ１１、ｒ１２、ｒ１３、ｒ１４、ｒ２１、ｒ２２、ｒ２３、ｒ２４・・・抵抗素子
Ｒ１、Ｒ２・・・抵抗群
ｇ１１、ｇ１２、ｇ２１、ｇ２２・・・ノード
（第二回路）
第二回路２０は、コイル部１３、１４に流れる給電電流によって誘導起電力が生じる第二給電コイルを構成するコイル部２３、２４及び第二駆動コイルである駆動コイル２５と、駆動コイル２５に生じた誘導起電力によってオン、オフする第二スイッチング素子であるトランジスタ素子２１、２２と、を備えている。さらに、第二回路２０は、トランジスタ素子２１、２２のオン時にコイル部２３、２４から電力の供給を受ける負荷を備えている。電力供給システム１をＤＣ／ＤＣ変換機として構成する本実施形態では、負荷を第二バッテリ装置であるバッテリ装置２８としている。
また、本実施形態の第二回路２０は、第一回路と同様に、コイル部２３、２４に対して交互に給電電流を流すコンデンサ２７、抵抗素子ｒ ２１ から抵抗素子ｒ ２４ により構成される抵抗群Ｒ２を有している。
一方、第二回路２０においては、コイル部２３に生じた誘導起電力により電流ｉ３と反対向きの電流ｉ９が発生する。駆動コイル２５には駆動コイル１５を流れる電流により図２に示すＨ、Ｌで示す電位差が生じる。この電位差がノードｇ２１、ｇ２２に印加され、Ｈの側に接続されているトランジスタ素子２１のゲート端子はオンし、Ｌの側に接続されているトランジスタ素子２２のゲート端子はオフする。このため、電流ｉ９が電流ｉ１０、ｉ１１としてバッテリ装置２８に充電される。バッテリ装置２８からは電流ｉ１２、ｉ１３が流れ、電流ｉ１４としてトランジスタ素子２１を通過する。
次に、コンデンサ２７が放電する。このとき、図５に示すように、電流ｉ１１、ｉ１０は、電流ｉ７としてコイル部２４を通過する。このとき、ノードｇ２２が高電位になると共に、ノードｇ２１が低電位になり、トランジスタ素子２２がオンしてトランジスタ素子２１がオフする。電流ｉ１４は、トランジスタ素子２２を通過して電流ｉ１３、ｉ１２としてバッテリ装置２８に帰還する。
（変形例１）
図６は、先に説明した実施形態のように電圧の監視にトランジスタ素子を使うことに代えてリレースイッチ６７を用いた電力供給システム２を示す図である。図１、図６に示すように、バッテリ装置１８、２８を切り離す構成は、電圧を監視し、第一回路１０、第二回路２０に異常が発生したとき速やかに第一回路１０からバッテリ装置１８を、第二回路２０からバッテリ装置２８を切り離すことができるものであればどのような構成であってもよいし、第一回路１０、第二回路２０で異なる構成を用いても良い。また、第一回路１０、第二回路２０の両方に設けるものに限定されず、異常の発生が懸念される一方にのみ設けるようにしてもよい。
第三回路６０は、第一回路１０によって第二回路２０と同様に動作する。すなわち、コイル部１３に給電電流が流れるタイミングで駆動コイル６５に駆動電流が流れてトランジスタ素子６１がオンする。また、コイル部１４に給電電流が流れるタイミングで駆動コイル６５に先の駆動電流とは反対方向に駆動電流が流れてトランジスタ素子６２がオンする。トランジスタ素子６１、６２が交互にオン、オフを繰り返す間にコイル部６３、６４に生じた誘導電流がバッテリ装置６８に流れ込み、バッテリ装置６８はバッテリ装置２８と共に充電される。
また、第三回路６０は、第一回路１０のバッテリ装置１８の電圧が規定の電圧より低下した場合、バッテリ装置６８からバッテリ装置１８、２８を充電することができる。このような変形例２は、第一回路１０、第二回路２０及び第三回路６０の各バッテリ装置１８、２８、６８の電圧が異なっていてもよく、例えば、４００Ｖ、４８Ｖ、１２Ｖのバッテリ装置間で充放電することが可能になる。
１、２、６・・・電力供給システム
１０・・・第一回路
１１、１２，２１、２２、３７、６１、６２・・・トランジスタ素子
１３、１４、２３、２４、６３、６４・・・コイル部
１５、２５、６５・・・駆動コイル
１７、２７・・・コンデンサ
１８、２８・・・バッテリ装置
１９・・・電圧監視回路
２０・・・第二回路
３１・・・電解コンデンサ
３２、３３、３４、３９、４０・・・抵抗素子
３５・・・ヒューズ
３６・・・ドライブ回路
３８・・・コイル
６０・・・第三回路
ｒ１１、ｒ１２、ｒ１３、ｒ１４、ｒ２１、ｒ２２、ｒ２３、ｒ２４・・・抵抗素子
Ｒ１、Ｒ２・・・抵抗群
ｇ１１、ｇ１２、ｇ２１、ｇ２２・・・ノード

Claims (7)

  1. 第一回路及び第二回路を含む電力供給システムであって、
    前記第一回路は、
    電力を蓄積する第一バッテリ装置と、
    前記第一バッテリ装置から電圧の供給を受ける第一スイッチング素子と、
    前記第一スイッチング素子のオン時に前記第一バッテリ装置から給電電流が供給される第一給電コイルと、
    前記第一給電コイルを流れる前記給電電流の流れ方向を切り換える切換素子と、
    前記給電電流の流れ方向に応じて前記第一スイッチング素子をオン、オフする第一駆動コイルと、を備え、
    前記第二回路は、
    前記第一給電コイルに流れる給電電流によって誘導起電力が生じる第二給電コイル及び第二駆動コイルと、
    前記第二駆動コイルに生じた誘導起電力によってオン、オフする第二スイッチング素子と、
    前記第二スイッチング素子のオン時に前記第二給電コイルから電力の供給を受ける負荷と、
    を備える、電力供給システム。
  2. 前記負荷が第二バッテリ装置であり、前記第二スイッチング素子をオンさせるための電力が供給されるノードに前記第二バッテリ装置の電力を供給する電力供給ノードをさらに含む、請求項１に記載の電力供給システム。
  3. 少なくとも前記第一回路において、前記第一スイッチング素子は少なくとも二つのトランジスタ素子を有するトランジスタ対を含み、前記第一給電コイルは前記トランジスタ素子の各々に対応する少なくとも二つのコイル部を有するコイル対を含み、前記第一駆動コイルが前記トランジスタ素子を交互にオン、オフさせる、請求項１または２に記載の電力供給システム。
  4. 前記第一駆動コイルの両端は、二つの前記トランジスタ素子にゲート電圧を印加するノードとそれぞれ接続されている、請求項３に記載の電力供給システム。
  5. 前記切換素子は、前記コイル対に含まれる前記二つのコイル部に対して前記給電電流が交互に供給されるように切り換える、請求項３または４に記載の電力供給システム。
  6. 少なくとも前記第一回路は、前記第一バッテリ装置の電圧値を検出する電圧検出部と、当該電圧検出部により検出された電圧値が予め定められた値よりも高くなったとき、前記第一回路から前記第一バッテリ装置を切り離すバッテリ切断回路をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力供給システム。
  7. 第一回路及び第二回路を含む双方向のＤＣ／ＤＣ変換機であって、
    前記第一回路は、
    電力を蓄積する直流の第一バッテリ装置と、
    前記第一バッテリ装置から電圧の供給を受ける二つの第一スイッチング素子と、
    前記第一スイッチング素子のオン時に前記第一バッテリ装置から給電電流が供給される二つの第一給電コイルと、
    前記第一給電コイルを流れる前記給電電流の流れ方向を切り換える切換素子と、
    前記給電電流の流れ方向に応じて前記第一スイッチング素子をオン、オフする第一駆動コイルと、を備え、
    前記第二回路は、
    前記第一給電コイルに流れる給電電流によって誘導起電力が生じる二つの第二給電コイル及び二つの第二駆動コイルと、
    前記第二駆動コイルに生じた誘導起電力によって交互にオン、オフする二つの第二スイッチング素子と、
    前記第二スイッチング素子のオン時に前記第二給電コイルから電力の供給を受ける直流の第二バッテリ装置と、
    を備える、ＤＣ／ＤＣ変換機。
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