JP2021016267A - 電力変換システム - Google Patents
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Abstract
Description
最初に図1〜図4を参照し、各実施形態の電力変換システムが搭載される車両の全体システム構成、及び本実施形態の背景について説明する。図1には、充電スタンド等の給電設備に停車した車両の充電口14に外部充電器10から給電ケーブル13が接続された状態を示す。本明細書での「車両」は、電気自動車やプラグインハイブリッド車の意味であり、バッテリを動力源とする「移動体」の一例である。車両の内部には、二つのバッテリBT1、BT2、直並列切り替えリレーRY1−RY3、その他の経路開閉リレーRY4−RY7、及び、電力変換システム70等が設けられる。
次に、電力変換システム70の具体的な構成について実施形態毎に説明する。各実施形態の電力変換システムの符号は、「70」に続く3桁目に実施形態の番号を付す。各実施形態の説明に移る前に、図4を参照し、比較例の電力変換システム709について説明する。比較例の電力変換システム709において、図5に示す第1実施形態の電力変換システム701と実質的に同一の構成には同一の符号を付し、後述の説明を援用する。なお、比較例は、特開2019−80473号公報の図11に開示された構成に相当する。
比較例の電力変換システム709においてマルチポート絶縁型コンバータ309を構成するトランス209は、一次ポートP11に接続される一つの一次巻線211、及び、二つの二次ポートP21、P23に接続される二つの二次巻線221、223がコア239に巻回される。一次ポートP11と一次巻線211との間には一次側スイッチング回路31が設けられる。二つの二次ポートP21、P23と二つの二次巻線221、223との間には、それぞれ二次側スイッチング回路41、43が設けられる。スイッチング回路31、41、43は、巻線211、221、223に流れる電流の向きを周期的に交替させる。二次ポートP21は第1バッテリBT1に接続され、二次ポートP23は第2バッテリBT2に接続される。
図5〜図10を参照し、第1実施形態の電力変換システム701について説明する。図5に模式的に示すように、電力変換システム701は、電力を出力可能な外部電源150と二つのバッテリBT1、BT2との間に設けられる。第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2は、直並列切り替えリレーRY1−RY3により直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成されている。詳しくは図6に示すように、直列接続時には、第2リレーRY2がON、第1リレーRY1及び第3リレーRY3がOFFされる。並列接続時には、第1リレーRY1及び第3リレーRY3がON、第2リレーRY2がOFFされる。
次に図11を参照し、第2実施形態の電力変換システム702について説明する。第2実施形態では、二つのバッテリBT1、BT2に対応する二台のマルチポート絶縁型コンバータ301、302が外部電源150に対して並列接続される。各マルチポート絶縁型コンバータ301、302は、外部電源150側に一つ、バッテリBT1、BT2側に二つ、計三つの入出力ポートを有する。
図13に示す第3実施形態の電力変換システム703は、図5に示す第1実施形態の電力変換システム701に対し、マルチポート絶縁型コンバータ303の二次側に五つめの二次巻線228、二次側スイッチング回路48、及び二次ポートP28がさらに設けられる。二次ポートP28には、補機バッテリBTa及び補機負荷49が接続される。なお、図13では、図5における駆動回路75及びその入出力の図示を省略する。また、第3実施形態の図13にのみ使用される符号は、[符号の説明]の欄の符号、及び、特許請求の範囲の参照符号としては記載しない。
図14に示す第4実施形態の電力変換システム704では、各バッテリBT1、BT2の高電位側に対応する二次ポートP21、P23とバッテリ側コンデンサCb1、Cb3との間に調整コンバータ61、63が接続される。各バッテリBT1、BT2の低電位側に対応する二次ポートP22、P24とバッテリ側コンデンサCb2、Cb4との間は直接接続される。つまり、第4実施形態では二次ポートP21、P23が調整側ポートとなり、二次ポートP22、P24が非調整側ポートとなる。このようにしても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
第5〜第7実施形態は、図8に示された構成例に対し、マルチポート絶縁型コンバータ300の一次側スイッチング回路31、又は、調整コンバータ62の具体的な回路構成を変更したものである。図15、図16、図18には、図8、図9と同様に、第1バッテリBT1に対応する側の構成のみを示す。
図19に、本実施形態の構成を応用した参考形態を示す。参考形態の電力変換システム701Rでは、二つのバッテリBT1、BT2の接続状態は直列に固定されており、直列と並列とを切り替え可能に構成されていない。また、一方のバッテリ(例えば第2バッテリBT2)と並列に補機負荷49が接続されている。補機負荷49の電力消費により、第2バッテリBT2の電圧Vb2は第1バッテリBT1の電圧Vb1よりも低下する。
(a)本発明の電力変換システムは、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成された三つ以上のバッテリを備える全体システムに適用されてもよい。その場合、三つ以上のバッテリが同時に電力変換システムに接続されるようにしてもよい。或いは、二つずつのバッテリが逐次、電力変換システムに接続されるようにしてもよい。
200、201、202・・・トランス、
211、212・・・一次巻線、 221−224・・・二次巻線、
300、301、302・・・マルチポート絶縁型コンバータ、
31、32・・・一次側スイッチング回路、
41−44・・・二次側スイッチング回路、
61−64・・・調整コンバータ、
70(701−707)、・・・電力変換システム、
75・・・駆動回路、
BT1、BT2・・・バッテリ、
P11、P12・・・一次ポート、
P21−P24・・・二次ポート。
Claims (7)
- 電力を出力可能な外部電源(150)と、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成された複数のバッテリ(BT1、BT2)との間に設けられ、前記外部電源と前記複数のバッテリとの間で双方向に電力授受可能な電力変換システムであって、
前記外部電源に対して一台が接続され、又は、複数の前記バッテリに対応する複数台が並列接続され、一台当たりに、前記外部電源側の一次ポート(P11、P12)に接続される一つの一次巻線(211、212)及び前記バッテリ側の複数の二次ポート(P21−P24)に接続される複数の二次巻線(221−224)を有するトランス(200、201、202)、前記一次ポートと前記一次巻線との間に設けられた一つの一次側スイッチング回路(31、32)、並びに、前記複数の二次ポートと前記複数の二次巻線との間に設けられた複数の二次側スイッチング回路(41−44)を有するマルチポート絶縁型コンバータ(300、301、302)と、
各前記バッテリに対応する複数の前記二次ポートのうちの一部である調整側ポートと前記バッテリとの間に接続され、前記バッテリ側の電圧を調整可能な複数の調整コンバータ(61−64)と、
前記マルチポート絶縁型コンバータ及び前記調整コンバータを駆動し、且つ、前記調整コンバータの動作を制御して前記バッテリ側の電圧を調整する駆動回路(75)と、
を備え、
複数の前記バッテリを並列接続に切り替える前に、
前記駆動回路は、複数の前記バッテリの電圧差が所定値以下となるように、前記マルチポート絶縁型コンバータ及び前記調整コンバータを駆動して電力授受を行う電力変換システム。 - 前記駆動回路による前記マルチポート絶縁型コンバータの駆動において、
前記一次側スイッチング回路及び複数の前記二次側スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のON/OFF時間の比を規定するDuty比は、固定値に設定されている請求項1に記載の電力変換システム。 - 前記調整コンバータは、前記バッテリの充電時、前記調整側ポートの電圧を降圧して前記バッテリ側に出力可能な降圧コンバータ(67)である請求項1または2に記載の電力変換システム。
- 前記調整側ポート以外の前記二次ポートを前記非調整側ポートとすると、
各前記バッテリに対応する前記非調整側ポートの電圧の合計は、対応する前記バッテリのSOCが0%のときの電圧であるバッテリ最小電圧(Vmin)に設定される請求項3に記載の電力変換システム。 - 各前記バッテリに対応する前記調整側ポートの電圧の合計は、対応する前記バッテリのSOCが100%のときの電圧であるバッテリ最大電圧(Vmax)と、対応する前記バッテリのSOCが0%のときの電圧であるバッテリ最小電圧(Vmin)との差分値に設定される請求項3または4に記載の電力変換システム。
- 複数の前記バッテリを動力源とする移動体に搭載される請求項1〜5のいずれか一項に記載の電力変換システム。
- 前記移動体における複数の前記バッテリを主機バッテリとすると、
前記絶縁型コンバータの複数の前記二次ポートのうち少なくとも一つのポートは、前記主機バッテリとは異なるバッテリである補機バッテリ、又は、前記移動体の移動以外の機能を担う補機負荷にさらに接続される請求項6に記載の電力変換システム。
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