JP2021022960A - Charge/discharge control device and battery with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バッテリと直流母線との間に配置され、直流母線間の電圧によるバッテリの充放電を制御する充放電制御装置に関する。 The present invention relates to a charge / discharge control device that is arranged between a battery and a DC bus and controls charging / discharging of the battery by a voltage between the DC buses.
直流母線には、直流電源と負荷装置が接続されている。直流母線の電圧は、負荷装置が正常に動作可能な範囲で変動する。そのため、直流母線とバッテリを接続する場合、直流母線のバッテリの電圧との大小関係を検知し、それに応じて充電と放電を切り替える必要がある。 A DC power supply and a load device are connected to the DC bus. The voltage of the DC bus fluctuates within the range in which the load device can operate normally. Therefore, when connecting the DC bus and the battery, it is necessary to detect the magnitude relationship between the DC bus and the battery voltage and switch between charging and discharging accordingly.
さらに、バッテリの充電および放電においては、バッテリの劣化を防止するために電流の大きさを制限する必要がある。このために、例えば特許文献1等では、バッテリと直流母線の間にリアクトルとスイッチ素子を直列に接続し、スイッチ素子をPWM(Pulse Width Modulation)制御することにより実現している。
Further, in charging and discharging the battery, it is necessary to limit the magnitude of the current in order to prevent the deterioration of the battery. For this purpose, for example, in
しかしながら、スイッチ素子のオン期間にリアクトルに蓄積された磁気エネルギーをスイッチ素子のオフ期間に外部に放出すると、例えば直流母線に接続された抵抗で消費させると、エネルギーを無駄にすることになる。 However, if the magnetic energy stored in the reactor during the on period of the switch element is released to the outside during the off period of the switch element, for example, if it is consumed by a resistor connected to the DC bus, the energy is wasted.
以上の現状から、本発明は、直流母線とバッテリとの間の充放電の切り替え機構が不要であり、かつエネルギーを無駄にしない充放電制御装置を提供することを目的とする。好ましくは、バッテリにおける過電圧および過電流の発生を防止できる充放電制御装置を提供することを目的とする。 From the above situation, it is an object of the present invention to provide a charge / discharge control device that does not require a charge / discharge switching mechanism between a DC bus and a battery and does not waste energy. Preferably, it is an object of the present invention to provide a charge / discharge control device capable of preventing the occurrence of overvoltage and overcurrent in the battery.
上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の態様は、直流母線の一方の電位ラインに接続される第1の端子と、バッテリの一方の極に接続される第2の端子と、直流母線の他方の電位ラインに接続される第3の端子と、バッテリの他方の極に接続される第4の端子とを有し、バッテリの充電と放電を制御する充放電制御装置において、
前記第1の端子と前記第2の端子とが接続されると共に、
前記第3の端子と前記第4の端子との間に直列に接続された、リアクトル並びに前記リアクトルの一端および他端にそれぞれ配置された第1および第2のスイッチ素子と、
前記リアクトルの一端と前記第1および第2の端子との間に接続された第1の整流要素と、
前記リアクトルの他端と前記第1および第2の端子との間に接続された第2の整流要素とを少なくとも有し、かつ、
前記第1および第2のスイッチ素子は、ボディダイオードをそれぞれ内蔵しかつ各々のボディダイオードが互いに逆向きとなるように接続されており、各スイッチ素子は、PWM信号により導通または遮断を制御される制御端を具備する。
・ 上記態様において、前記バッテリのバッテリ電圧を検知する第1の検知機構と、
前記バッテリに流れる充電電流または放電電流を検知する第2の検知機構と、
前記第1の検知機構により検知されたバッテリ電圧の検知値と、前記第2の検知機構により検知された電流の検知値とに基づいて、前記第1のスイッチ素子の制御端を制御する第1のPWM信号を生成する第1のPWM信号生成部と、
前記第1の検知機構により検知されたバッテリ電圧の検知値と、前記第2の検知機構により検知された電流の検知値とに基づいて、前記第2のスイッチ素子の制御端を制御する第2のPWM信号を生成する第2のPWM信号生成部と、を有することが、好適である。
・ 上記態様において、前記第1の検知機構が、バッテリ電圧を分圧する2つの抵抗からなることが、好適である。
・ 上記態様において、前記第2の検知機構が、充電電流および放電電流が流れる1つの抵抗素子からなることが、好適である。
・ 上記態様において、前記バッテリ電圧の検知値が上限もしくは下限に近づくとき、または、前記電流の検知値が上限に近づくとき、それに応じて、前記第1のPWM信号または前記第2のPWM信号のデューティ比を次第に小さくすることが、好適である。
・ 上記態様において、前記バッテリ電圧の検知値が上限もしくは下限に達したとき、または、前記電流の検知値が上限に達したとき、それに応じて、前記第1のPWM信号または前記第2のPWM信号のデューティ比を零にすることが、好適である。
・ 本発明の別の態様は、上記いずれかの態様の充放電制御装置を備えたバッテリである。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
-Aspects of the present invention are connected to a first terminal connected to one potential line of the DC bus, a second terminal connected to one pole of the battery, and the other potential line of the DC bus. In a charge / discharge control device having a third terminal and a fourth terminal connected to the other pole of the battery and controlling charging and discharging of the battery.
The first terminal and the second terminal are connected and
A reactor and first and second switch elements arranged at one end and the other end of the reactor, respectively, connected in series between the third terminal and the fourth terminal.
A first rectifying element connected between one end of the reactor and the first and second terminals,
It has at least a second rectifying element connected between the other end of the reactor and the first and second terminals, and
The first and second switch elements each have a built-in body diode and are connected so that the body diodes are in opposite directions to each other, and each switch element is controlled to conduct or cut off by a PWM signal. It has a control end.
-In the above aspect, the first detection mechanism for detecting the battery voltage of the battery and
A second detection mechanism that detects the charge current or discharge current flowing through the battery, and
A first that controls the control end of the first switch element based on the detection value of the battery voltage detected by the first detection mechanism and the detection value of the current detected by the second detection mechanism. The first PWM signal generation unit that generates the PWM signal of
A second that controls the control end of the second switch element based on the detected value of the battery voltage detected by the first detection mechanism and the detected value of the current detected by the second detection mechanism. It is preferable to have a second PWM signal generation unit that generates the PWM signal of the above.
-In the above aspect, it is preferable that the first detection mechanism comprises two resistors that divide the battery voltage.
-In the above embodiment, it is preferable that the second detection mechanism includes one resistance element through which a charging current and a discharging current flow.
In the above embodiment, when the detected value of the battery voltage approaches the upper limit or the lower limit, or when the detected value of the current approaches the upper limit, the first PWM signal or the second PWM signal is correspondingly. It is preferable to gradually reduce the duty ratio.
-In the above embodiment, when the detected value of the battery voltage reaches the upper limit or the lower limit, or when the detected value of the current reaches the upper limit, the first PWM signal or the second PWM is correspondingly. It is preferable that the duty ratio of the signal is zero.
-Another aspect of the present invention is a battery provided with the charge / discharge control device of any of the above aspects.
本発明により、直流母線とバッテリとの間の充放電の切り替え機構が不要であり、かつ、バッテリにおける過電圧および過電流の発生を防止できる。さらに好ましくは、エネルギーを無駄にしない充放電制御装置が実現される。 According to the present invention, a charge / discharge switching mechanism between the DC bus and the battery is unnecessary, and the occurrence of overvoltage and overcurrent in the battery can be prevented. More preferably, a charge / discharge control device that does not waste energy is realized.
以下、例示である図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明が適用されるバッテリは、一例として、1セル当たり約2Vのセルを6個直列に接続して12Vの出力電圧を得る鉛蓄電池である。しかしながら、本発明は、このような鉛蓄電池以外のバッテリに対しても適用可能であり、バッテリ電圧の範囲も限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the illustrated drawings. The battery to which the present invention is applied is, for example, a lead-acid battery in which six cells of about 2 V per cell are connected in series to obtain an output voltage of 12 V. However, the present invention is also applicable to batteries other than such lead-acid batteries, and the range of battery voltage is not limited.
(1)回路構成
図1は、本発明の実施形態による充放電制御装置10の回路構成の一例を概略的に示している。図1には、充放電制御装置10が接続される直流母線とバッテリBも示している。
(1) Circuit Configuration FIG. 1 schematically shows an example of the circuit configuration of the charge /
直流母線は、高電位ラインLHと低電位ラインLLで表している。高電位ラインLHと低電位ラインLLとの間の電圧をVdcで示している。直流母線には、図示しない直流電源と負荷装置が接続されており、直流母線の電圧Vdcは、負荷装置が正常に動作可能な範囲で変動する。また、バッテリBは正極と負極を有し、両極間の電圧であるバッテリ電圧をVbで示している。 The DC bus is represented by a high potential line LH and a low potential line LL. The voltage between the high potential line LH and the low potential line LL is indicated by Vdc. A DC power supply and a load device (not shown) are connected to the DC bus, and the voltage Vdc of the DC bus fluctuates within a range in which the load device can normally operate. Further, the battery B has a positive electrode and a negative electrode, and the battery voltage, which is a voltage between the two electrodes, is indicated by Vb.
充放電制御装置10は、直流母線とバッテリBとの間に配置される。充放電制御装置10は、直流母線の高電位ラインLHと接続される第1の端子1と、バッテリBの正極と接続される第2の端子2と、直流母線の低電位ラインLLと接続される第3の端子3と、バッテリBの負極と接続される第4の端子4を有する。ここでは一例として、バッテリBの負極である端子4を接地端とし、この点を基準電位とする。
The charge /
充放電制御装置10は、端子1、3において、直流母線との間に適宜のスイッチを設けることにより、直流母線と接続/遮断可能としてもよい。あるいは、充放電制御装置10は、端子1、3において、直流母線と適宜のコネクタを介して接続されることにより、直流母線に対して着脱可能としてもよい。さらに、充放電制御装置10とバッテリBとの間も着脱可能としてもよく、あるいは、充放電制御装置10とバッテリBとを一体化して1つの装置を構成してもよい。
The charge /
バッテリBが、直流母線の電圧Vdcにより充電されるか放電されるかは、バッテリ電圧Vbと直流母線電圧Vdcの大小関係で自然に決まる。すなわち図1の回路の場合、接地端である端子4に対する端子1の電位と端子2の電位の互いの高低関係で決まる(通常、端子4と端子3との間の電位差は、電圧Vdcに比べて無視できる程度である)。
Whether the battery B is charged or discharged by the DC bus voltage Vdc is naturally determined by the magnitude relationship between the battery voltage Vb and the DC bus voltage Vdc. That is, in the case of the circuit of FIG. 1, it is determined by the mutual high-low relationship between the potential of the
先ず、充放電制御装置10において実際に充放電電流が流れる主回路の構成について説明する。端子1と端子2とは、直接接続されている。一方、端子3と端子4との間に、複数の要素が直列に接続されている。
First, the configuration of the main circuit through which the charge / discharge current actually flows in the charge /
図示しないが、別の実施形態では、端子3と端子4とが直接接続され、端子1と端子2との間に同様の複数の要素が直列に接続されてもよい。
Although not shown, in another embodiment, the
端子3と端子4の間に直列に接続される複数の要素は、少なくともリアクトルL、第1のスイッチ素子Q1、および第2のスイッチ素子Q2を含む。図1の回路ではさらに、端子3と端子4の間に抵抗Rsが直列に接続されている。
The plurality of elements connected in series between the
リアクトルLの一端にスイッチ素子Q1が、リアクトルLの他端にスイッチ素子Q2がそれぞれ配置されている。スイッチ素子Q1、Q2はそれぞれ制御端を有する半導体スイッチ素子である。スイッチ素子Q1、Q2は、所定の制御信号により制御端を駆動することにより、各々の電流路を導通または遮断することができる。制御信号は、好適にはPWM信号である。スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とは、導通状態で流れる主電流の方向が互いに逆向きとなるように接続されている。 A switch element Q1 is arranged at one end of the reactor L, and a switch element Q2 is arranged at the other end of the reactor L. The switch elements Q1 and Q2 are semiconductor switch elements each having a control end. The switch elements Q1 and Q2 can conduct or cut off their respective current paths by driving the control ends with a predetermined control signal. The control signal is preferably a PWM signal. The switch element Q1 and the switch element Q2 are connected so that the directions of the main currents flowing in the conductive state are opposite to each other.
図1の回路では、一例として、スイッチ素子Q1、Q2がnチャネルMOSFET(電界効果トランジスタ)である。スイッチ素子Q1は、ドレインがリアクトルLの一端に、ソースが端子3に接続されている。スイッチ素子Q2は、ドレインがリアクトルLの他端に、ソースが抵抗Rsの一端に接続されている。
In the circuit of FIG. 1, as an example, the switch elements Q1 and Q2 are n-channel MOSFETs (field effect transistors). In the switch element Q1, the drain is connected to one end of the reactor L and the source is connected to the
FETはボディダイオードを内蔵している。したがって、スイッチ素子Q1、Q2は、それらのボディダイオードが互いに逆向きとなるように接続されている。FETは、遮断状態であってもボディダイオードにより主電流とは逆方向に電流が流れることができる。 The FET has a built-in body diode. Therefore, the switch elements Q1 and Q2 are connected so that their body diodes are opposite to each other. Even in the cut-off state of the FET, a current can flow in the direction opposite to the main current by the body diode.
抵抗Rsの他端は端子4に接続されている。抵抗Rsは、バッテリBを流れる充電電流または放電電流を検知するためのシャント抵抗である。抵抗Rsの一端の電圧Vsは、電流の検知値として用いられる。抵抗Rsは、その両端電圧により充放電電流を検知可能であれば、図示の位置に限定されない。 The other end of the resistor Rs is connected to the terminal 4. The resistors Rs are shunt resistors for detecting the charge current or discharge current flowing through the battery B. The voltage Vs at one end of the resistor Rs is used as a current detection value. The resistors Rs are not limited to the positions shown in the figure as long as the charge / discharge current can be detected by the voltage across the resistors Rs.
さらに、リアクトルLの一端と端子1および端子2との間にダイオードD1が接続され、リアクトルLの他端と端子1および端子2との間にダイオードD2が接続されている。ダイオードD1のアノードはリアクトルLの一端に、ダイオードD2のアノードはリアクトルLの他端にそれぞれ接続され、各ダイオードD1、D2のカソードは端子1および端子2に接続されている。ダイオードD1、D2は整流要素の一例であり、これに替えて他の整流素子または整流回路を用いることもできる。
Further, a diode D1 is connected between one end of the reactor L and the
さらに、端子2と端子4との間に抵抗R1と抵抗R2が直列接続されている。抵抗R1と抵抗R2の接続点の電圧Vb1は、バッテリ電圧Vbの分圧である。分圧比は、抵抗R1と抵抗R2の値により設定される。電圧Vb1は、バッテリ電圧Vbの検知値として用いられる。 Further, a resistor R1 and a resistor R2 are connected in series between the terminal 2 and the terminal 4. The voltage Vb1 at the connection point between the resistor R1 and the resistor R2 is a voltage divider of the battery voltage Vb. The voltage division ratio is set by the values of the resistors R1 and R2. The voltage Vb1 is used as a detection value of the battery voltage Vb.
次に、充放電制御装置10の制御回路について説明する。制御回路は、第1の検知部20と、第2の検知部30と、制御信号生成部40とを有する。ここでは制御回路の原理のみを説明するが、制御回路は多様な回路構成により実現可能であり、アナログ回路またはDSP等を用いたデジタル回路によっても構成できる。
Next, the control circuit of the charge /
第1の検知部20は、非反転入力端と、反転入力端と、出力端とを具備する第1の演算増幅器21を有する。演算増幅器21は、その非反転入力端に充電電流または放電電流の検知値Vsが入力され、反転入力端にバッテリ電圧Vbの検知値Vb1が入力される。演算増幅器21の出力端の出力電圧V1は、制御信号生成部40に与えられる。
The
第2の検知部30は、非反転入力端と、反転入力端と、出力端とを具備する第2の演算増幅器31を有する。演算増幅器31は、その非反転入力端にバッテリ電圧Vbの検知値Vb1が入力され、反転入力端に充電電流または放電電流の検知値Vsが入力される。演算増幅器31の出力端の出力電圧V2は、制御信号生成部40に与えられる。
The
なお、主回路に配置されたシャント抵抗Rsは、充電電流または放電電流の検知値を検知するための検知機構の一例である。同じく主回路に配置された分圧抵抗R1、R2は、バッテリ電圧Vbの検知値を検知するための検知機構の一例である。主回路を流れる電流およびバッテリ電圧を検知する機構は、これらに限られず、公知の機構を利用できる。 The shunt resistor Rs arranged in the main circuit is an example of a detection mechanism for detecting the detected value of the charging current or the discharging current. Similarly, the voltage dividing resistors R1 and R2 arranged in the main circuit are an example of a detection mechanism for detecting the detected value of the battery voltage Vb. The mechanism for detecting the current flowing through the main circuit and the battery voltage is not limited to these, and known mechanisms can be used.
制御信号生成部40は、第1のPWM信号生成部41と、第2のPWM信号生成部42と、三角波発生部43とを有する。
The control
第1のPWM信号生成部41は、第1の検知部20の出力電圧V1に対応する所定のデューティ比をもつ第1のPWM信号Vg1を生成し、出力する。したがって、出力電圧V1が変化するとPWM信号Vg1のデューティ比も変化する。出力されたPWM信号Vg1は、主回路の第1のスイッチ素子Q1の制御端を駆動する。ここでは一例として、PWM信号Vg1を生成するために、三角波発生部43が生成する一定の周波数の三角波を利用する。この三角波と出力電圧V1(またはこれを適切に変換した電圧)を比較器に入力することにより、出力電圧V1に応じたデューティ比をもつPWM信号Vg1を得ることができる。PWM信号の生成方法は周知であり、PWM信号生成用の専用ICも周知である。
The first PWM
第2のPWM信号生成部42は、第2の検知部30の出力電圧V2に対応する所定のデューティ比をもつ第2のPWM信号Vg2を生成し、出力する。したがって、出力電圧V2が変化するとPWM信号Vg2のデューティ比も変化する。出力されたPWM信号Vg2は、主回路の第2のスイッチ素子Q2の制御端を駆動する。PWM信号Vg2の生成においても、上述したPWM信号Vg1の生成と同様に、三角波発生部43が生成する三角波を利用する。
The second PWM
この例では、三角波発生部43がPWM信号生成部41、42により共有されるので、制御回路の構成を簡略化できる。この構成によれば、PWM信号Vg1とPWM信号Vg2は、周波数と位相が一致するPWM信号であるが、デューティ比すなわちパルスのH期間の一周期に対する比についてはそれぞれ独自に設定される。
In this example, since the triangular
(2)充放電動作
図2〜図5を参照して図1の回路の充放電動作について説明する。上述した通り、本発明の充放電制御装置は、バッテリの充電動作と放電動作を切り替えるための特別な検知機構や切り替え機構を備えていない。以下では、充電動作と放電動作をそれぞれ説明するが、これらの動作の間の切り替えは、直流母線とバッテリの電圧の大小関係に応じて自然に行われる。
(2) Charging / Discharging Operation The charging / discharging operation of the circuit of FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 to 5. As described above, the charge / discharge control device of the present invention does not include a special detection mechanism or switching mechanism for switching between the charging operation and the discharging operation of the battery. In the following, the charging operation and the discharging operation will be described, respectively, but the switching between these operations is naturally performed according to the magnitude relationship between the DC bus and the battery voltage.
(2−1)充電動作
図2および図3を参照して、バッテリBの充電時の動作を説明する。端子1の電位が端子2の電位より高いときに、直流母線からバッテリBへ充電電流が流れる。
(2-1) Charging Operation The operation of charging the battery B will be described with reference to FIGS. 2 and 3. When the potential of the
ここで、スイッチ素子Q1およびスイッチ素子Q2は、充電または放電のいずれが現在行われているかに関係なく、所定のPWM信号Vg1、Vg2によりそれぞれ定常的に駆動されていてよい。すなわち、一方のスイッチ素子が主導的に駆動されているときに、他方のスイッチ素子の駆動を停止させる必要はない。 Here, the switch element Q1 and the switch element Q2 may be constantly driven by predetermined PWM signals Vg1 and Vg2 regardless of whether charging or discharging is currently performed. That is, it is not necessary to stop the driving of the other switch element when one of the switch elements is being driven in the initiative.
図2は、PWM信号Vg1のH期間(on)における動作を示している。このとき、スイッチ素子Q1は導通状態となり、以下の経路で充電電流i1が流れる。
・端子1→端子2→バッテリB→端子4→抵抗Rs→スイッチ素子Q2→リアクトルL→スイッチ素子Q1→端子3
FIG. 2 shows the operation of the PWM signal Vg1 in the H period (on). At this time, the switch element Q1 becomes conductive, and the charging current i1 flows through the following path.
・
充電電流i1は、スイッチ素子Q2のボディダイオードの順方向に流れる。したがって、スイッチ素子Q2は、その制御端を駆動するPWM信号Vg2の有無と関係なく充電電流i1を流すことができる。 The charging current i1 flows in the forward direction of the body diode of the switch element Q2. Therefore, the switch element Q2 can flow the charging current i1 regardless of the presence or absence of the PWM signal Vg2 that drives the control end thereof.
充電電流i1により、直流母線からバッテリBに電力が供給される。リアクトルLは、充電電流i1の急激な立ち上がりを抑制する。また、充電電流i1が流れることによりリアクトルLのコアに磁気エネルギーが蓄積される。ダイオードD1、D2はいずれも逆バイアスとなるので電流は流れない。 The charging current i1 supplies power to the battery B from the DC bus. The reactor L suppresses the sudden rise of the charging current i1. Further, magnetic energy is accumulated in the core of the reactor L due to the flow of the charging current i1. Since the diodes D1 and D2 are both reverse biased, no current flows.
図3は、PWM信号Vg1のL期間(off)における動作を示している。スイッチ素子Q1が遮断されると、図2の充電電流i1は遮断される。これにより、リアクトルLに逆起電力が生じ、ダイオードD1が順バイアスとなり、以下の経路で電流i2が流れる。
・リアクトルL→ダイオードD1→端子3→バッテリB→端子4→抵抗Rs→スイッチ素子Q2
FIG. 3 shows the operation of the PWM signal Vg1 in the L period (off). When the switch element Q1 is cut off, the charging current i1 in FIG. 2 is cut off. As a result, a counter electromotive force is generated in the reactor L, the diode D1 becomes a forward bias, and the current i2 flows in the following path.
・ Reactor L → Diode
電流i2は、H期間に流れていた電流i1をリアクトルLがそのまま維持しようとする転流電流に相当する。ダイオードD1は転流ダイオードの役割を果たす。これによりリアクトルLに蓄積されていた磁気エネルギーが放出され、バッテリBに与えられる(充電される)。したがって、直流母線からの電力が無駄なくバッテリBに供給される。 The current i2 corresponds to a commutation current in which the reactor L tries to maintain the current i1 flowing in the H period as it is. The diode D1 acts as a commutation diode. As a result, the magnetic energy stored in the reactor L is released and given (charged) to the battery B. Therefore, the electric power from the DC bus is supplied to the battery B without waste.
(2−2)放電動作
図4および図5を参照して、バッテリBの放電時の動作を説明する。端子1の電位が端子2の電位より低いときに、バッテリBから直流母線へ放電電流が流れる。上述した通り、スイッチ素子Q1およびスイッチ素子Q2は、所定のPWM信号Vg1、Vg2によりそれぞれ定常的に制御端を駆動されていてもよい。
(2-2) Discharge Operation The operation of the battery B during discharge will be described with reference to FIGS. 4 and 5. When the potential of the
図4は、PWM信号Vg2のH期間(on)における動作を示している。このとき、スイッチ素子Q2は導通状態となり、以下の経路で放電電流i3が流れる。
・端子3→スイッチ素子Q1→リアクトルL→スイッチ素子Q2→抵抗Rs→端子4→バッテリB→端子2→端子1
FIG. 4 shows the operation of the PWM signal Vg2 in the H period (on). At this time, the switch element Q2 becomes conductive, and the discharge current i3 flows through the following path.
・
放電電流i3は、スイッチ素子Q1のボディダイオードの順方向に流れる。したがって、スイッチ素子Q1は、その制御端を駆動するPWM信号Vg1の有無と関係なく放電電流i3を流すことができる。 The discharge current i3 flows in the forward direction of the body diode of the switch element Q1. Therefore, the switch element Q1 can flow the discharge current i3 regardless of the presence or absence of the PWM signal Vg1 that drives the control end thereof.
放電電流i3により、バッテリBから直流母線に電力が供給される。リアクトルLは、放電電流i3の急激な立ち上がりを抑制する。また、放電電流i3が流れることによりリアクトルLのコアに磁気エネルギーが蓄積される。ダイオードD1、D2はいずれも逆バイアスとなるので電流は流れない。 Power is supplied from the battery B to the DC bus by the discharge current i3. The reactor L suppresses the sudden rise of the discharge current i3. Further, magnetic energy is accumulated in the core of the reactor L due to the flow of the discharge current i3. Since the diodes D1 and D2 are both reverse biased, no current flows.
図5は、PWM信号Vg2のL期間(off)における動作を示している。スイッチ素子Q2が遮断されると、図4の放電電流i3は遮断される。これにより、リアクトルLに逆起電力が生じ、ダイオードD2が順バイアスとなり、以下の経路で電流i4が流れる。
・リアクトルL→ダイオードD2→端子1→直流母線→端子3
FIG. 5 shows the operation of the PWM signal Vg2 in the L period (off). When the switch element Q2 is cut off, the discharge current i3 in FIG. 4 is cut off. As a result, a counter electromotive force is generated in the reactor L, the diode D2 becomes a forward bias, and the current i4 flows in the following path.
・ Reactor L → Diode
電流i4は、リアクトルLがH期間に流れていた電流をそのまま維持しようとする転流電流に相当する。ダイオードD2は転流ダイオードの役割を果たす。これによりリアクトルLに蓄積されていた磁気エネルギーが放出され、直流母線に与えられる(放電される)。したがって、バッテリBからの電力が無駄なく直流母線に供給される。 The current i4 corresponds to a commutation current in which the reactor L tries to maintain the current flowing in the H period as it is. The diode D2 acts as a commutation diode. As a result, the magnetic energy stored in the reactor L is released and given (discharged) to the DC bus. Therefore, the electric power from the battery B is supplied to the DC bus without waste.
(3)電圧および電流の制限動作
(3−1)充電時の電圧/電流の制限動作
図6を参照して、充放電制御装置10の充電時における電圧および電流の制限動作について説明する。充電時には、バッテリBが過充電とならないように、バッテリ電圧Vsが所定の上限電圧を超えないように制御する必要がある。また、充電電流についても所定の上限電流を超えないように制御する必要がある。以下の説明では、図1中の符号を参照する。
(3) Voltage and current limiting operation (3-1) Voltage / current limiting operation during charging The voltage and current limiting operation during charging of the charge /
図6(a1)〜(a3)は、充電時の電圧制限動作を概略的に説明する模式図である。縦軸は任意の単位であり、横軸は時間である(以下の図でも同様)。 6 (a1) to 6 (a3) are schematic views schematically explaining the voltage limiting operation during charging. The vertical axis is an arbitrary unit, and the horizontal axis is time (the same applies to the figure below).
図6(a1)は、第1の検知部20の演算増幅器21の非反転入力端に入力される電流検知値Vsと、反転入力端に入力される電圧検知値Vb1の変動の一例を示している。簡単とするために、ここでは電流検知値Vsがほぼ変化しないとする。電圧検知値Vb1が上昇していくと、非反転入力端の電位に対して反転入力端の電位が上昇するので、図6(a2)に示すように出力端の出力電圧V1は下降していく。図6(a3)に示すように、PWM信号生成部41は、出力電圧V1が下降するにつれてデューティ比が次第に小さくなるPWM信号Vg1を生成するように構成されている。
FIG. 6A1 shows an example of fluctuations in the current detection value Vs input to the non-inverting input end of the
そして、電圧検知値Vb1が上限値Vb1maxに達したときは、PWM信号Vg1のデューティ比が零となるように設定しておく。これにより、バッテリ電圧Vbが上限値に達したときは、スイッチ素子Q1が実質的に遮断状態となるので、たとえ直流母線の電圧Vdcがバッテリ電圧Vbよりも大きくても、バッテリBへの充電は停止される。 Then, when the voltage detection value Vb1 reaches the upper limit value Vb1max, the duty ratio of the PWM signal Vg1 is set to be zero. As a result, when the battery voltage Vb reaches the upper limit value, the switch element Q1 is substantially cut off. Therefore, even if the voltage Vdc of the DC bus is larger than the battery voltage Vb, the battery B can be charged. It will be stopped.
図6(b1)〜(b3)は、充電時の電流制限動作を概略的に説明する模式図である。
図6(b1)は、第1の検知部20の演算増幅器21の非反転入力端に入力される電流検知値Vsと、反転入力端に入力される電圧検知値Vb1の変動の一例を示している。簡単とするために、ここでは電圧検知値Vb1がほぼ変化しないとする。電流検知値Vs(ここでは負の値であるので、絶対値の意味である)が大きくなっていくと、反転入力端の電位に対して非反転入力端の電位が下降するので、図6(b2)に示すように出力端の出力電圧V1は下降していく。図6(b3)に示すように、PWM信号生成部41は、出力電圧V1が下降するにつれてデューティ比が次第に小さくなるPWM信号Vg1を生成するように構成されている。
6 (b1) to 6 (b3) are schematic views schematically explaining the current limiting operation during charging.
FIG. 6B1 shows an example of fluctuations in the current detection value Vs input to the non-inverting input end of the
そして、電流検知値Vsが上限値Vsmaxに達したときは、PWM信号Vg1のデューティ比が零となるように設定しておく。これにより、充電電流が上限値に達したときは、スイッチ素子Q1が実質的に遮断状態となるので、たとえ直流母線の電圧Vdcがバッテリ電圧Vbよりも大きくても、バッテリBへの充電は停止される。 Then, when the current detection value Vs reaches the upper limit value Vsmax, the duty ratio of the PWM signal Vg1 is set to be zero. As a result, when the charging current reaches the upper limit value, the switch element Q1 is substantially cut off, so that charging to the battery B is stopped even if the voltage Vdc of the DC bus is larger than the battery voltage Vb. Will be done.
(3−2)放電時の電圧/電流の制限動作
図7を参照して、充放電制御装置10の放電時における電圧および電流の制限動作について説明する。放電時には、バッテリBが過放電とならないように、バッテリ電圧Vsが所定の下限電圧より低下しないように制御する必要がある。また、放電電流についても所定の上限電流を超えないように制御する必要がある。以下の説明では、図1中の符号を参照する。
(3-2) Voltage / Current Limiting Operation at Discharge The voltage / current limiting operation at the time of discharging of the charge /
図7(a1)〜(a3)は、放電時の電圧制限動作を概略的に説明する模式図である。
図7(a1)は、第2の検知部30の演算増幅器31の反転入力端に入力される電流検知値Vsと、非反転入力端に入力される電圧検知値Vb1の変動の一例を示している。簡単とするために、ここでは電流検知値Vsがほぼ変化しないとする。電圧検知値Vb1が下降していくと、反転入力端の電位に対して非反転入力端の電位が下降するので、図7(a2)に示すように出力端の出力電圧V2は下降していく。図7(a3)に示すように、PWM信号生成部42は、出力電圧V2が下降するにつれてデューティ比が次第に小さくなるPWM信号Vg2を生成するように構成されている。
7 (a1) to 7 (a3) are schematic views schematically explaining the voltage limiting operation at the time of discharging.
FIG. 7A1 shows an example of fluctuations in the current detection value Vs input to the inverting input end of the
そして、電圧検知値Vb1が下限値Vb1minに達したときは、PWM信号Vg2のデューティ比が零となるように設定しておく。これにより、バッテリ電圧Vbが下限値に達したときは、スイッチ素子Q2が実質的に遮断状態となるので、たとえ直流母線の電圧Vdcがバッテリ電圧Vbよりも小さくても、直流母線への放電は停止される。 Then, when the voltage detection value Vb1 reaches the lower limit value Vb1min, the duty ratio of the PWM signal Vg2 is set to be zero. As a result, when the battery voltage Vb reaches the lower limit value, the switch element Q2 is substantially cut off. Therefore, even if the voltage Vdc of the DC bus is smaller than the battery voltage Vb, the discharge to the DC bus will occur. It will be stopped.
図7(b1)〜(b3)は、放電時の電流制限動作を概略的に説明する模式図である。
図7(b1)は、第2の検知部30の演算増幅器31の反転入力端に入力される電流検知値Vsと、非反転入力端に入力される電圧検知値Vb1の変動の一例を示している。簡単とするために、ここでは電圧検知値Vb1がほぼ変化しないとする。電流検知値Vs(ここでは正の値)が大きくなっていくと、非反転入力端の電位に対して反転入力端の電位が上昇するので、図7(b2)に示すように出力端の出力電圧V2は下降していく。図7(b3)に示すように、PWM信号生成部42は、出力電圧V2が下降するにつれてデューティ比が次第に小さくなるPWM信号Vg2を生成するように構成されている。
7 (b1) to 7 (b3) are schematic views schematically explaining the current limiting operation at the time of discharging.
FIG. 7B1 shows an example of fluctuations in the current detection value Vs input to the inverting input end of the
そして、電流検知値Vsが上限値Vsmaxに達したときは、PWM信号Vg2のデューティ比が零となるように設定しておく。これにより、放電電流が上限値に達したときは、スイッチ素子Q2が実質的に遮断状態となるので、たとえ直流母線の電圧Vdcがバッテリ電圧Vbよりも小さくても、直流母線への放電は停止される。 Then, when the current detection value Vs reaches the upper limit value Vsmax, the duty ratio of the PWM signal Vg2 is set to be zero. As a result, when the discharge current reaches the upper limit value, the switch element Q2 is substantially cut off, so that even if the voltage Vdc of the DC bus is smaller than the battery voltage Vb, the discharge to the DC bus is stopped. Will be done.
図6に示したように、充電時における電圧/電流制限の制御は第1の検知部20および第1のPWM信号生成部41によって行われる一方、図7に示したように、放電時における電圧/電流制限の制御は第2の検知部30および第2のPWM信号生成部42によって行われる。すなわちバッテリBを保護するための電圧および電流の制限が、充電時と放電時でそれぞれ別個に行われる。
As shown in FIG. 6, the voltage / current limit control during charging is performed by the
以上に説明した本発明の実施形態の具体的構成は、図示の例に限られず、本発明の主旨に沿う範囲において多様な変形が可能である。 The specific configuration of the embodiment of the present invention described above is not limited to the illustrated example, and various modifications can be made within a range in line with the gist of the present invention.
1 第1の端子
2 第2の端子
3 第3の端子
4 第4の端子
10 充放電制御装置
20 第1の検知部
21 第1の演算増幅器
30 第2の検知部
31 第2の演算増幅器
40 制御信号生成部
41 第1のPWM信号生成部
42 第2のPWM信号生成部
43 三角波発生部
B バッテリ
Q1、Q2 スイッチ素子
R1、R2、Rs 抵抗
D1、D2 ダイオード
L リアクトル
1 1st terminal 2
Claims (7)
前記第1の端子と前記第2の端子とが接続されると共に、
前記第3の端子と前記第4の端子との間に直列に接続された、リアクトル並びに前記リアクトルの一端および他端にそれぞれ配置された第1および第2のスイッチ素子と、
前記リアクトルの一端と前記第1および第2の端子との間に接続された第1の整流要素と、
前記リアクトルの他端と前記第1および第2の端子との間に接続された第2の整流要素とを少なくとも有し、かつ、
前記第1および第2のスイッチ素子は、ボディダイオードをそれぞれ内蔵しかつ各々のボディダイオードが互いに逆向きとなるように接続されており、各スイッチ素子は、PWM信号により導通または遮断を制御される制御端を具備することを特徴とする充放電制御装置。 A first terminal connected to one potential line of the DC bus, a second terminal connected to one pole of the battery, a third terminal connected to the other potential line of the DC bus, and a battery. In a charge / discharge control device that has a fourth terminal connected to the other pole of the battery and controls charging and discharging of the battery.
The first terminal and the second terminal are connected and
A reactor and first and second switch elements arranged at one end and the other end of the reactor, respectively, connected in series between the third terminal and the fourth terminal.
A first rectifying element connected between one end of the reactor and the first and second terminals,
It has at least a second rectifying element connected between the other end of the reactor and the first and second terminals, and
The first and second switch elements each have a built-in body diode and are connected so that the body diodes are in opposite directions to each other, and each switch element is controlled to conduct or cut off by a PWM signal. A charge / discharge control device including a control end.
前記バッテリに流れる充電電流または放電電流を検知する第2の検知機構と、
前記第1の検知機構により検知されたバッテリ電圧の検知値と、前記第2の検知機構により検知された電流の検知値とに基づいて、前記第1のスイッチ素子の制御端を制御する第1のPWM信号を生成する第1のPWM信号生成部と、
前記第1の検知機構により検知されたバッテリ電圧の検知値と、前記第2の検知機構により検知された電流の検知値とに基づいて、前記第2のスイッチ素子の制御端を制御する第2のPWM信号を生成する第2のPWM信号生成部と、を有することを特徴とする請求項1に記載の充放電制御装置。 The first detection mechanism for detecting the battery voltage of the battery and
A second detection mechanism that detects the charge current or discharge current flowing through the battery, and
A first that controls the control end of the first switch element based on the detection value of the battery voltage detected by the first detection mechanism and the detection value of the current detected by the second detection mechanism. The first PWM signal generation unit that generates the PWM signal of
A second that controls the control end of the second switch element based on the detected value of the battery voltage detected by the first detection mechanism and the detected value of the current detected by the second detection mechanism. The charge / discharge control device according to claim 1, further comprising a second PWM signal generation unit that generates the PWM signal of the above.
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