JP2021027281A - トランス、電力変換装置およびコネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】トランスの漏れインダクタンスおよび巻線間の結合度を適度な値とする。【解決手段】トランス１において、プライマリコア１０の上面には円形状の溝１６が形成されており、溝１６の内側にプライマリ柱状部が形成されている。セカンダリコア１２の下面にも円形状の溝が形成されており、溝の内側にセカンダリ柱状部が形成されている。プライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部を構成する２つの分割柱は、それぞれの軸方向断面が分割ギャップ１０Ｇ、１２Ｇを形成する。第１プライマリ巻線２２Ａは、プライマリ柱状部に属する分割柱１８Ａの周囲に設けられ、第２プライマリ巻線２２Ｂは、プライマリ柱状部に属する分割柱１８Ｂの周囲に設けられている。セカンダリ巻線は、セカンダリ柱状部の周囲に設けられている。第１プライマリ巻線２２Ａの一端および第２プライマリ巻線２２Ｂの一端とが接続された位置にタップが設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、トランス、トランスを備える電力変換装置、および巻線を備えるコネクタに関し、特に、巻線の構造および巻線が設けられるコアの構造に関する。

電池の出力電力を利用する技術、あるいは、電池を充電する技術につき広く研究が行われている。例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動自動車には、駆動用のモータジェネレータに電力を供給するための電池が搭載されている。電動自動車では、外部の装置から供給される電力によって電池が充電される。また、回生制動によって電池が充電され、特に、ハイブリッド自動車では、エンジンの駆動力によってジェネレータを駆動し、その発電電力によって電池が充電される。

一般に、電池を用いる装置や自動車では、電池から出力された電力を調整して電力供給先の電気回路に出力し、あるいは、外部から供給された電力を調整して電池に出力する電力変換装置が用いられる。電力変換装置には、複数のスイッチング回路に加えて複数のスイッチング回路を結合するトランスを用いることで、各スイッチング回路の入出力電圧を整合させるものがある。また、トランスを構成する巻線のインダクタンスを利用して昇圧または降圧を行うものがある。さらに、トランスを用いることで、ユーザが操作する部位を電池から絶縁する設計が行われることもある。また、トランスのプライマリ巻線が設けられた装置と、トランスのセカンダリ巻線が設けられた装置とを個別に構成し、プライマリ巻線側の装置とセカンダリ巻線側の装置とを着脱自在としたものもある。

以下の特許文献１〜４には、２つのスイッチング回路をトランスによって結合させる電力変換装置が記載されている。これらの引用文献に記載の電力変換装置では、プライマリ巻線を有するコネクタと、セカンダリ巻線を有するコネクタとが結合することでトランスが構成される。なお、特許文献５については後述する。

特開２００３−６１２６９号公報 米国特許５３４１０８３２号明細書 米国特許公開公報２０１７−１７９７６５号明細書 米国特許９４６６４２０号明細書 特開２０１２−７０５１４号公報

一般に、電力変換装置に用いられるトランスは、巻線の構造によっては、各巻線の漏れインダクタンスが適度な値とならず、電力変換装置の昇圧性能や降圧性能が低下することがある。また、巻線の構造によっては、巻線間の結合度が所望の値とならず、伝送電力が所望の値から外れてしまうこともある。

本発明は、トランスの漏れインダクタンスおよび巻線間の結合度を適度な値とすることを目的とする。

本発明は、柱状部を含むコアと、第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線と、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に結合するセカンダリ巻線と、を備え、前記柱状部は、柱形状を軸方向断面で分割して得られる形状をそれぞれが有し、それぞれの前記軸方向断面が分割ギャップを形成するように配置された２つの分割柱を備え、前記柱状部の軸を横切るギャップによってプライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部に分割されており、前記第１プライマリ巻線は、前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、前記第２プライマリ巻線は、前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、前記セカンダリ巻線は、前記セカンダリ柱状部の周囲に設けられ、前記第１プライマリ巻線の一端および前記第２プライマリ巻線の一端が中途接続点を形成することを特徴とする。

また、本発明は、柱状部を含むコアと、第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線と、前記第１プライマリ巻線に結合する第１セカンダリ巻線と、前記第２プライマリ巻線に結合する第２セカンダリ巻線と、を備え、前記柱状部は、柱形状を軸方向断面で分割して得られる形状をそれぞれが有し、それぞれの前記軸方向断面が分割ギャップを形成するように配置された２つの分割柱を備え、前記柱状部の軸を横切るギャップによってプライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部に分割されており、前記第１プライマリ巻線は、前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、前記第２プライマリ巻線は、前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、前記第１セカンダリ巻線は、前記セカンダリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、前記第２セカンダリ巻線は、前記セカンダリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、前記第１プライマリ巻線の一端および前記セカンダリ巻線の一端がプライマリ中途接続点を形成し、前記第１セカンダリ巻線の一端および前記第２セカンダリ巻線の一端がセカンダリ中途接続点を形成することを特徴とする。

望ましくは、前記セカンダリ柱状部に形成される前記分割ギャップでは、前記第１セカンダリ巻線を形成する導線と、前記第２セカンダリ巻線を形成する導線が、方向を揃えて交互に並べられている。

望ましくは、前記プライマリ柱状部および前記セカンダリ柱状部が、接近および離反自在である。

望ましくは、前記プライマリ柱状部に形成される前記分割ギャップでは、前記第１プライマリ巻線を形成する導線と、前記第２プライマリ巻線を形成する導線が、方向を揃えて交互に並べられている。

また、本発明は、前記トランスと、前記中途接続点に接続される電源部と、前記第１プライマリ巻線の他端と、前記第２プライマリ巻線の他端との間に接続される第１スイッチング回路と、前記セカンダリ巻線に接続される第２スイッチング回路と、を備え、前記第１スイッチング回路のスイッチングに応じて、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に誘導起電力を発生させて、前記第１スイッチング回路が備えるコンデンサを充電し、前記第１スイッチング回路および前記第２スイッチング回路のスイッチングによって、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路との間で電力が伝送されることを特徴とする。

また、本発明は、前記トランスと、前記プライマリ中途接続点に接続される電源部と、前記第１プライマリ巻線の他端と、前記第２プライマリ巻線の他端との間に接続される第１スイッチング回路と、前記第１セカンダリ巻線の他端と、前記第２セカンダリ巻線の他端との間に接続される第２スイッチング回路と、を備え、前記第１スイッチング回路のスイッチングに応じて、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に誘導起電力を発生させて、前記第１スイッチング回路が備えるコンデンサを充電し、前記第１スイッチング回路および前記第２スイッチング回路のスイッチングによって、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路との間で電力が伝送されることを特徴とする。

また、本発明は、柱状部を含むコアと、第１巻線および第２巻線と、を備え、前記柱状部は、柱形状を軸方向断面で分割して得られる形状をそれぞれが有し、それぞれの前記軸方向断面が分割ギャップを形成するように配置された２つの分割柱を備え、前記第１巻線は、２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、前記第２巻線は、２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、前記第１巻線の一端および前記第２巻線の一端が中途接続点を形成することを特徴とする。

望ましくは、前記分割ギャップでは、前記第１巻線を形成する導線と、前記第２巻線を形成する導線が、方向を揃えて交互に並べられている。

また、本発明は、前記コネクタと、前記中途接続点に接続される電源部と、前記第１巻線の他端と、前記第２巻線の他端との間に接続される第１スイッチング回路と、前記第１巻線および前記第２巻線に結合する巻線に接続される第２スイッチング回路と、を備え、前記第１スイッチング回路のスイッチングに応じて、前記第１巻線および前記第２巻線に誘導起電力を発生させて、前記第１スイッチング回路が備えるコンデンサを充電し、前記第１スイッチング回路および前記第２スイッチング回路のスイッチングによって、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路との間で電力が伝送されることを特徴とする。

本発明によれは、トランスの漏れインダクタンスおよび巻線間の結合度を適度な値とすることができる。

本発明の第１実施形態に係るトランスの斜視図である。 プライマリコアおよびセカンダリコアを離して配置した場合のトランスの斜視図である。 プライマリコアの上面側からトランスを眺めた図である。 セカンダリコアの下面側からトランスを眺めた図である。 第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線の第２の構成例を示す図である。 トランスの等価回路を示す図である。 セカンダリ巻線の具体的な構造を示す図である。 第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線の具体的な構造を示す図である。 第２プライマリ巻線の具体的な構造を示す図である。 トランスの断面図である。 電力変換システムを示す図である。 電力制御システムを示す図である。 電池制御システムの制御アルゴリズムを概念的に示す図である。 電池制御システムのシミュレーション結果を示す図である。 交換型電池充放電システムを示す図である。 交換型電池／モータジェネレータシステムを示す図である。 交換型電池／ＤＣバスシステムを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るトランスの斜視図である。 トランスの等価回路を示す図である。 電力変換システムを示す図である。 電池交換式モータジェネレータシステムを示す図である。 ２モード型電池交換式モータジェネレータシステムを示す図である。

図１には、本発明の第１実施形態に係るトランス１の斜視図が示されている。トランス１は、略円柱形状のプライマリコア１０、略円柱形状のセカンダリコア１２を備えている。図２には、プライマリコア１０およびセカンダリコア１２を離して配置した場合の斜視図が示されている。ただし、図２では、セカンダリコア１２およびプライマリコア１０が上下の配置を逆にして描かれている。プライマリコア１０とセカンダリコア１２のそれぞれは、中心軸を含む断面で円柱形状が分割された形状を有している。

プライマリコア１０を構成する２つの分割コア１０Ａおよび１０Ｂのうちの一方の断面と、他方の断面とが対向して分割ギャップ１０Ｇが形成されている。また、セカンダリコア１２を構成する２つの分割コア１２Ａおよび１２Ｂのうちの一方の断面と、他方の断面とが対向して分割ギャップ１２Ｇが形成されている。

図２においては、プライマリコア１０およびセカンダリコア１２の軸方向にｚ軸が定義され、プライマリコア１０およびセカンダリコア１２の軸に垂直なｘｙ平面が定義されている。特に断らない限り、以下の説明においてはこのｘｙｚ座標系が用いられる。また、各図を参照した説明における「奥」、「手前」、「上」、「下」、「左」および「右」の用語は、それぞれ、ｙ軸正方向、ｙ軸負方向、ｚ軸正方向、ｚ軸負方向、ｘ軸負方向およびｘ軸正方向を意味する。これらの用語は、説明の便宜上のものであり、トランス１を配置する際の姿勢を限定するものではない。

プライマリコア１０およびセカンダリコア１２は、プライマリコア１０の上面が、セカンダリコア１２の下面に対向するように配置され、プライマリコア１０およびセカンダリコア１２との間にプライマリ／セカンダリギャップ１４が形成される。プライマリコア１０を構成する各分割コア１０Ａおよび１０Ｂの上面には、円形状の溝１６が形成されている。分割コア１０Ａに形成された溝１６の内側には分割柱１８Ａが形成され、分割コア１０Ａに形成された溝１６の外側には弧状壁２０Ａが形成されている。分割コア１０Ｂに形成された溝１６の内側には分割柱１８Ｂが形成され、分割コア１０Ｂに形成された溝１６の外側には弧状壁２０Ｂが形成されている。

分割柱１８Ａおよび１８Ｂの周囲には、それぞれ第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂが設けられている。

セカンダリコア１２は、プライマリコア１０と同様の形状を有している。セカンダリコア１２の下面には円形状の溝が形成されている。その溝にはセカンダリ巻線が設けられている。すなわち、溝の内側には柱状の部分が形成されており、柱状部の周囲にはセカンダリ巻線が設けられている。

このように、プライマリコア１０の上面には円形状の溝２６が形成されており、溝２６の内側に、柱状の部分であるプライマリ柱状部が形成されている。同様に、セカンダリコア１２の下面にも円形状の溝が形成されており、溝の内側に柱状の部分であるセカンダリ柱状部が形成されている。すなわち、プライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部を１つの柱状部とみなした場合、柱状部は、その軸を横切るプライマリ／セカンダリギャップ１４によってプライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部に分割されている。プライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部のそれぞれは、柱形状を軸方向断面で分割して得られる形状をそれぞれが有する２つの分割柱を備えている。２つの分割柱は、それぞれの軸方向断面が分割ギャップを形成するように配置されている。

プライマリコア１０には第１プライマリ巻線２２Aおよび第２プライマリ巻線２２Bが設けられ、プライマリコア１０、第１プライマリ巻線２２Aおよび第２プライマリ巻線２２Ｂがプライマリ巻線構造Ｐを構成する。セカンダリコア１２にはセカンダリ巻線が設けられ、セカンダリコア１２およびセカンダリ巻線がセカンダリ巻線構造Ｓを構成する。プライマリ巻線構造Ｐにおけるプライマリコア１０の上面と、セカンダリ巻線構造Ｓにおけるセカンダリコア１２の下面とが対向するように各巻線構造が配置されることで、トランス１が構成される。

図３には、セカンダリコア１２およびセカンダリ巻線を取り除き、プライマリコア１０の上面側からトランス１を眺めた図が模式的に示されている。第１プライマリ巻線２２Ａの両端は第１プライマリ端子３０およびタップ３２に接続されており、分割柱１８Ａを図の時計回りに３周する。第１プライマリ巻線２２Ａは、第１プライマリ端子３０から分割コア１０Ａの溝１６の手前側の一端まで伸びる。第１プライマリ巻線２２Ａは、分割柱１８Ａの周囲を時計回りに半周した後、分割柱１８Ａの分割面に沿って直線区間４０１をｙ軸負方向に伸びる。第１プライマリ巻線２２Ａは、１ピッチだけ内側に入って分割柱１８Ａの周囲を時計回りに半周した後、分割柱１８Ａの分割面に沿って直線区間４０２をｙ軸負方向に伸びる。第１プライマリ巻線２２Ａは、さらに１ピッチだけ内側に入って分割柱１８Ａの周囲を時計回りに半周した後、分割柱１８Ａの分割面に沿って直線区間４０３をｙ軸負方向に伸び、タップ３２に至る。

ここでは、第１プライマリ巻線２２Ａが分割柱１８Ａの周囲を周回するごとに、１ピッチだけ内側に入る構造について説明した。第１プライマリ巻線２２Ａは、分割柱１８Ａの周囲を周回するごとに、１ピッチだけ上側または下側に向かう構造であってもよい。

第２プライマリ巻線２２Ｂの両端は、タップ３２および第２プライマリ端子３４に接続されており、分割柱１８Ｂを図の時計回りに３周する。第２プライマリ巻線２２Ｂは、タップ３２から分割柱１８Ｂの分割面に沿って直線区間４０４をｙ軸正方向に伸び、分割コア１０Ｂの溝１６の奥側の一端まで伸びる。第２プライマリ巻線２２Ｂは、分割柱１８Ｂの周囲を時計回りに半周した後、分割柱１８Ｂの分割面に沿って直線区間４０５をｙ軸正方向に伸びる。第２プライマリ巻線２２Ｂは、１ピッチだけ内側に入って分割柱１８Ｂの周囲を時計回りに半周した後、分割柱１８Ｂの分割面に沿って直線区間４０６をｙ軸正方向に伸びる。第２プライマリ巻線２２Ｂは、分割柱１８Ｂの周囲を時計回りに半周した後、第２プライマリ端子３４に至る。

ここでは、第２プライマリ巻線２２Ｂが分割柱１８Ｂの周囲を周回するごとに、１ピッチだけ内側に入る構造について説明した。第２プライマリ巻線２２Ｂは、分割柱１８Ｂの周囲を周回するごとに、１ピッチだけ上側または下側に向かう構造であってもよい。

本実施形態においては、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂが形成する中途接続点としてのタップ３２は、第１プライマリ端子３０側の巻き数と第２プライマリ端子３４側の巻き数とが等しくなる位置におけるセンタータップである。以下の説明における各実施形態におけるタップもまた、センタータップであってよい。

図４には、セカンダリコア１２の下面側からトランス１を眺めた図が模式的に示されている。セカンダリ巻線２４の両端は、第１セカンダリ端子３６および第２セカンダリ端子３８に接続されており、セカンダリコア１２の下面に形成された溝２６に沿って、分割柱２８Ａの周囲のうちの円弧状の区間および分割柱２８Ｂの周囲のうちの円弧状の区間（以下、単に、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲という）を図の反時計回りに３周する。

セカンダリ巻線２４は、第１セカンダリ端子３６から、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの間の分割ギャップ１２Ｇを通って分割柱２８Ａの溝２６の手前側の一端まで伸びる。セカンダリ巻線２４は、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲を図の反時計回りに１周し、１ピッチだけ内側に入って、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲を図の反時計回りに１周する。セカンダリ巻線２４は、さらに、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲を図の反時計回りに１周し、１ピッチだけ内側に入って、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲を図の反時計回りに１周する。このようにしてセカンダリ巻線２４は、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲を反時計回りに３周した後、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの間の分割ギャップ１２Ｇを手前側に伸びて第２セカンダリ端子３８に至る。

ここでは、セカンダリ巻線２４が分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲を周回するごとに、１ピッチだけ内側に入る構造について説明した。セカンダリ巻線２４は、分割柱２８Ａおよび２８Ｂの周囲を周回するごとに、１ピッチだけ上側または下側に向かう構造であってもよい。

プライマリコア１０の上面が、セカンダリコア１２の下面に対向するように、これらのコアが配置されることで、第１プライマリ巻線２２Ａのうち、分割柱１８Ａの円弧状の外周に沿って周回する区間と、セカンダリ巻線２４とが対向する。同様に、第２プライマリ巻線２２Ｂのうち、分割柱１８Ｂの円弧状の外周に沿って周回する区間と、セカンダリ巻線２４とが対向する。

第１プライマリ巻線２２Ａのうち、分割コア１０Ａの溝１６に配置された区間から発せられる磁束は、分割柱１８Ａおよび２８Ａを通ってセカンダリ巻線２４に鎖交する。また、セカンダリ巻線２４から発せられる磁束は、分割柱２８Ａおよび１８Ａを通って、第１プライマリ巻線２２Ａのうち、分割コア１０Ａの溝１６に配置された区間に鎖交する。これによって、第１プライマリ巻線２２Ａとセカンダリ巻線２４とが結合する。

同様に、第２プライマリ巻線２２Ｂのうち、分割コア１０Ｂの溝１６に配置された区間から発せられる磁束は、分割柱１８Ｂおよび２８Ｂを通ってセカンダリ巻線２４に鎖交する。また、セカンダリ巻線２４から発せられる磁束が、分割柱２８Ｂおよび１８Ｂを通って、第２プライマリ巻線２２Ｂのうち、分割コア１０Ｂの溝１６に配置された区間に鎖交する。これによって、第２プライマリ巻線２２Ｂとセカンダリ巻線２４とが結合する。

本実施形態に係るトランス１では、プライマリコア１０が分割コア１０Ａおよび１０Ｂに分割され、セカンダリコア１２が分割コア１２Ａおよび１２Ｂに分割されている。そのため、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂのうちの一方から発生し、他方に鎖交する磁束は小さい。これによって、第１プライマリ巻線２２Ａと第２プライマリ巻線２２Ｂとの間の結合度は小さくなり、第１プライマリ巻線２２Ａと第２プライマリ巻線２２Ｂにおいて適度な漏れインダクタンスが得られる。

また、第１プライマリ巻線２２Ａおよびセカンダリ巻線２４は、プライマリコア１０において溝１６を囲む磁路と、セカンダリコア１２において溝２６を囲む磁路によって囲まれている。したがって、第１プライマリ巻線２２Ａとセカンダリ巻線２４との結合度が大きくなる。同様の原理によって、第２プライマリ巻線２２Ｂとセカンダリ巻線２４との結合度が大きくなる。さらに、プライマリコア１０とセカンダリコア１２との間には、プライマリ／セカンダリギャップ１４が設けられているため、磁気飽和が生じ難くなる。

本実施形態に係るトランス１では、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂが昇圧用または降圧用のインダクタとして用いられる。それと共に、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂのそれぞれがセカンダリ巻線２４に結合し、電力伝送路としての変圧器が構成される。

図５には第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂの第２の構成例が示されている。この構成例では、分割柱１８Ａおよび１８Ｂの間に形成される分割ギャップ１０Ｇに、第１プライマリ巻線２２Ａの直線区間と第２プライマリ巻線２２Ｂの直線区間が隣接するように配置されている。すなわち、ｘ軸正方向に分割ギャップ１０Ｇを横切る方向を見たときに、直線区間４０３、４０４、４０２、４０５、４０１および４０６の順に、直線区間４０１〜４０６が配置され、第１プライマリ巻線２２Ａの直線区間および第２プライマリ巻線２２Ｂの直線区間が交互に配置されている。

図６には、本発明の実施形態に係るトランス１の等価回路が示されている。トランス１は、プライマリ巻線２２およびセカンダリ巻線２４を備えている。プライマリ巻線２２にはタップ３２が設けられている。プライマリ巻線２２の一端に設けられた第１プライマリ端子３０とタップ３２との間の巻線が第１プライマリ巻線２２Ａであり、プライマリ巻線２２の他端に設けられた第２プライマリ端子３４とタップ３２との間の巻線が、第２プライマリ巻線２２Ｂである。プライマリ巻線２２とセカンダリ巻線２４とが結合することで、第１プライマリ巻線２２Ａとセカンダリ巻線２４とが結合し、さらに、第２プライマリ巻線２２Ｂとセカンダリ巻線２４とが結合する。第１プライマリ巻線２２Ａと第２プライマリ巻線２２Ｂの結合度は小さい。

図７には図４に示されたセカンダリ巻線２４の具体的な構造が示されている。セカンダリ巻線２４は、ｙ軸方向に伸びる端子区間αおよびβを備えている。セカンダリ巻線２４は３枚の円環板５０１〜５０３を備えている。これらの円環板は上下に対向する板面が絶縁体によって絶縁された上で、あるいは所定の間隔を隔てて上下方向に重ねられている。端子区間αは、第１セカンダリ端子３６から奥（ｙ軸正方向）に向かって伸び、最上の円環板５０１の一端に接続されている。円環板５０１の他端は、上から第２番目の円環板５０２の一端に接続されている。円環板５０２の他端は、上から３番目の円環板５０３の一端に接続されている。円環板５０３の他端は、端子区間βに接続されている。端子区間βは、円環板５０３の他端から手前（ｙ軸負方向）に向かって伸び、第２セカンダリ端子３８に接続されている。

図８には、図５に示された第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂの具体的な構造が示されている。図９には、第２プライマリ巻線２２Ｂの具体的な構造が示されている。第２プライマリ巻線２２Ｂは、端子区間γ、端子区間δ、半円板５２１〜５２３、第４直線板４２４、第５直線板４２５および第６直線板４２６を備えている。

端子区間γ、端子区間δ、第４直線板４２４、第５直線板４２５および第６直線板４２６はｙ軸方向に伸び、ｙｚ平面内に広がっている帯状の導体である。第４直線板４２４〜第６直線板４２６は、ｙ軸方向に延伸方向を揃え、対向する板面が絶縁体によって絶縁された上で、あるいは、所定の間隔を隔ててｘ軸方向に並べて配置されている。

半円板５２１〜５２３は、ｘｙ平面内に広がった円環板を折半した形状を有する。半円板５２１〜５２３は、上下に対向する板面が絶縁体によって絶縁された上で、あるいは所定の間隔を隔てて上下方向に重ねられている。

端子区間γは、タップ３２から奥（ｙ軸正方向）に伸び、第４直線板４２４の手前側の一端に接続されている。第４直線板４２４の奥側の他端は、最上の半円板５２１の奥側の一端に接続されている。半円板５２１の手前側の他端は、第４直線板４２４の右側に隣接する第５直線板４２５の手前側の一端に接続されている。第５直線板４２５の奥側の他端は、上から第２番目の半円板５２２の奥側の一端に接続されている。半円板５２２の手前側の他端は、第５直線板４２５の右側に隣接する第６直線板４２６の手前側の一端に接続されている。第６直線板４２６の奥側の他端は、上から第３番目の半円板５２３の奥側の一端に接続されている。半円板５２３の手前側の他端は、端子区間δに接続されている。端子区間δは、半円板５２３の手前側の他端から手前（ｙ軸負方向）に伸び、第２プライマリ端子３４に接続されている。

第５直線板４２５は、第４直線板４２４よりも手前側に伸びており、第５直線板４２５の一端は、第４直線板４２４の一端よりも手前側にある。第６直線板４２６は、第５直線板４２５よりも手前側に伸びており、第６直線板４２６の一端は、第５直線板４２５の一端よりも手前側にある。

図１０には、図２に示されるＡＡ線においてトランス１を切断し、ｙ軸正方向から眺めたときの断面図が示されている。セカンダリコア１２の溝２６には、上から順に円環板５０１〜５０３が設けられている。分割コア１０Ａの溝１６には、上から順に半円板５４１〜５４３が設けられている。分割コア１０Ｂの溝１６には、上から順に半円板５２１〜５２３が設けられている。

分割コア１０Ａと分割コア１０Ｂとの間の分割ギャップ１０Ｇには、左から順に、第３直線板４２３、第４直線板４２４、第２直線板４２２、第５直線板４２５、第１直線板４２１および第６直線板４２６が配置されている。これらの直線板は、それぞれ、図５に示された直線区間４０３、直線区間４０４、直線区間４０２、直線区間４０５、直線区間４０１および直線区間４０６に対応している。

図８および９を参照して第１プライマリ巻線２２Ａの構造について説明する。第１プライマリ巻線２２Ａは、端子区間ε、端子区間ζ、第１直線板４２１、第２直線板４２２および第３直線板４２３、半円板５４１〜５４３を備えている。端子区間ε、端子区間ζ、第１直線板４２１、第２直線板４２２および第３直線板４２３はｙ軸方向に伸び、ｙｚ平面内に広がっている帯状の導体である。半円板５４１〜５４３は、ｘｙ平面内に広がった円環板を折半した形状を有する。半円板５４１〜５４３は、上下に対向する板面が絶縁体によって絶縁された上で、あるいは所定の間隔を隔てて上下方向に重ねられている。

端子区間εは、第１プライマリ端子３０から奥に伸び、半円板５４１の手前側の一端に接続されている。半円板５４１の奥側の他端には、第１直線板４２１の奥側の一端が接続されている。第１直線板４２１は、第５直線板４２５と第６直線板４２６との間に位置し、手前側に伸びている。第１直線板４２１の手前側の他端は、半円板５２１および第５直線板４２５を上側に跨いで半円板５２１〜５２３の左側に至り、半円板５４２の手前側の一端に接続されている。半円板５４２の奥側の他端には、第２直線板４２２の奥側の一端が接続されている。第２直線板４２２は、第４直線板４２４と第５直線板４２５との間に位置し、手前側に伸びている。第２直線板４２２の手前側の他端は、第４直線板４２４を上側に跨いで半円板５２１〜５２３の左側に至り、半円板５４３の手前側の一端に接続されている。半円板５４３の奥側の他端には、第３直線板４２３の奥側の一端が接続されている。第３直線板４２３は、第４直線板４２４の左側に位置し、手前側に伸びている。端子間区間ζは、第４直線板４２４から手前側に伸び、タップ３２に接続されている。

本実施形態に係るトランス１では、分割柱１８Ａおよび１８Ｂの間に形成される分割ギャップ１０Ｇに、第１プライマリ巻線２２Ａの直線板と第２プライマリ巻線２２Ｂの直線板とが隣接するように配置されている。すなわち、ｘ軸正方向に分割ギャップ１０Ｇを横切る方向を見たときに、第３直線板４２３、第４直線板４２４、第２直線板４２２、第５直線板４２５、第１直線板４２１および第６直線板４２６の順に、これらの直線板が配置され、第１プライマリ巻線２２Ａの直線板および第２プライマリ巻線２２Ｂの直線板が交互に配置されている。

第１プライマリ端子３０から第１プライマリ巻線２２Ａに電流が流入し、タップ３２を経て第２プライマリ巻線２２Ｂに電流が流入し、さらに、第２プライマリ端子３４から電流が流出するとき、あるいは、その逆向きに電流が流れるとき、分割ギャップ１０Ｇにおいて隣接する直線板には互いに逆向きの電流が流れる。

したがって、隣接する導体板によって生じる近接効果が抑制され、各導体板で生じる損失が低減される。ここで、近接効果とは、方向を揃えて隣接する２つの導線に同一方向の電流が流れた場合、各導線に流れる電流が発生する磁束によって、各導線の断面における電流分布が不均一となり、損失が増加する効果をいう。

図１１には、上記のトランス１が用いられた電力変換システム１００が示されている。電力変換システム１００は、電源部１０２、プライマリ・スイッチング回路１０４、トランス１およびセカンダリ・スイッチング回路１０６を備えている。

電力変換システム１００は、第１スイッチング回路としてのプライマリ・スイッチング回路１０４のスイッチングに応じて、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂに誘導起電力を発生させて、プライマリ・スイッチング回路１０４が備えるプライマリコンデンサＣｐを充電する。さらに、プライマリ・スイッチング回路１０４およびセカンダリ・スイッチング回路１０６のスイッチングによって、プライマリ・スイッチング回路１０４とセカンダリ・スイッチング回路１０６との間で電力が伝送される。

プライマリ・スイッチング回路１０４は、ハーフブリッジＸ、ハーフブリッジＹ、およびプライマリコンデンサＣｐを備えている。ハーフブリッジＸは、２つのスイッチング素子を直列に接続したものである。２つのスイッチング素子の一方がオンであるときは、他方はオフになり、２つのスイッチング素子は交互にオンオフする。

図９にはスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴが用いられた場合が示されている。一方のＭＯＳＦＥＴのソース端子に他方のＭＯＳＦＥＴのドレイン端子が接続されている。各ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子とソース端子との間には、ドレイン端子の側をカソード端子としてダイオードが接続されている。

ハーフブリッジＸにおける２つのスイッチング素子の接続点（以下、ブリッジ接続点という。他のハーフブリッジについても同様である。）は、トランス１の第１プライマリ端子３０に接続されている。ハーフブリッジＹにおけるブリッジ接続点は、トランス１の第２プライマリ端子３４に接続されている。ハーフブリッジＸおよびＹは並列接続され、ハーフブリッジＸおよびＹの上側の並列接続点と、ハーフブリッジＸおよびＹの下側の並列接続点との間には、プライマリコンデンサＣｐが接続されている。

ハーフブリッジＸ、ハーフブリッジＹおよびプライマリコンデンサＣｐの下側の並列接続点と、トランス１のタップ３２との間には、電源部１０２が接続されている。

セカンダリ・スイッチング回路１０６は、ハーフブリッジＵ、ハーフブリッジＶ、およびセカンダリコンデンサＣｓを備えている。ハーフブリッジＵおよびＶは並列接続され、ハーフブリッジＵおよびＶの上側の並列接続点と、ハーフブリッジＵおよびＶの下側の並列接続点との間には、セカンダリコンデンサＣｓが接続されている。ハーフブリッジＵにおけるブリッジ接続点は、トランス１の第１セカンダリ端子３６に接続されている。ハーフブリッジＶにおけるブリッジ接続点はトランス１の第２セカンダリ端子３８に接続されている。セカンダリコンデンサＣｓの上側の端子は、セカンダリ正極端子１０８Ｐに接続され、セカンダリコンデンサＣｓの下側の端子は、セカンダリ負極端子１０８Ｎに接続されている。セカンダリ正極端子１０８Ｐとセカンダリ負極端子１０８Ｎには、負荷／発電回路（図示せず）が接続される。負荷／発電回路は、セカンダリ・スイッチング回路１０６から供給される電力を消費する回路であってもよいし、セカンダリ・スイッチング回路１０６に電力を供給する回路であってもよい。

ハーフブリッジＸおよびＹのスイッチング位相差と、オン時比率を調整することで、電源部１０２が出力する直流電圧が昇圧され、プライマリコンデンサＣｐが充電される。ここで、各ハーフブリッジのスイッチングタイミングは、各ハーフブリッジにおける上側のスイッチング素子のオンオフのタイミングとして定義される。各ハーフブリッジのオン時比率は、スイッチング周期に対する、各ハーフブリッジにおける上側のスイッチング素子がオンになる時間の比率として定義される。

すなわち、ハーフブリッジＸのスイッチングによって、第１プライマリ巻線２２Ａに誘導起電力が発生し、電源部１０２が出力する電圧と誘電起電力に基づく昇圧後の電圧がプライマリコンデンサＣｐに印加される。また、ハーフブリッジＹのスイッチングによって、第２プライマリ巻線２２Ｂに誘導起電力が発生し、電源部１０２が出力する電圧と誘電起電力に基づく昇圧後の電圧がプライマリコンデンサＣｐに印加される。

ハーフブリッジＵおよびＶのオン時比率は、ハーフブリッジＸおよびＹのオン時比率と同一であってよい。ハーフブリッジＵおよびＶは、例えば、１８０°の位相差でスイッチングする。また、ハーフブリッジＸおよびＹと、ハーフブリッジＵおよびＶのスイッチング位相差が調整されることで、プライマリ・スイッチング回路１０４からセカンダリ・スイッチング回路１０６に伝送される電力、または、セカンダリ・スイッチング回路１０６からプライマリ・スイッチング回路１０４に伝送される電力が調整されてよい。

すなわち、ハーフブリッジＸおよびＹと、ハーフブリッジＵおよびＶとの間にスイッチング位相差が生じることで、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂのそれぞれの端子間電圧と、セカンダリ巻線２４の端子間電圧との差異が大きくなる。これによって、ハーフブリッジＵおよびＶを介して、セカンダリコンデンサＣｓおよび負荷／発電回路に流れる電流が大きくなり、セカンダリコンデンサＣｓおよび負荷／発電回路に電力が供給される。あるいは、セカンダリコンデンサＣｓおよび負荷／発電回路からプライマリ・スイッチング回路１０４に向けて電力が供給される。

上記のように、本実施形態に係るトランス１は、プライマリコア１０、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂから構成されるプライマリ巻線構造Ｐと、セカンダリコア１２およびセカンダリ巻線２４から構成されるセカンダリ巻線構造Ｓから構成されている。トランス１は、プライマリ巻線構造Ｐと、セカンダリ巻線構造Ｓとが接近および離反自在な構造であってよい。この場合、プライマリ巻線構造Ｐがプライマリ側コネクタを形成し、セカンダリ巻線構造Ｓがセカンダリ側コネクタを形成してよい。

プライマリ側コネクタは、電源部１０２およびプライマリ・スイッチング回路１０４から引き出された導線の先に接続されてよい。また、セカンダリ側コネクタは、セカンダリ・スイッチング回路１０６から引き出された導線の先に接続されてよい。プライマリコア１０の接続面（図２に示されている上面）と、セカンダリコア１２の接続面（図２に示されている下面）とが対向することで、プライマリ側コネクタとセカンダリ側コネクタとが結合し、プライマリ・スイッチング回路１０４とセカンダリ・スイッチング回路１０６とが結合する。

本実施形態に係る電力変換システム１００では、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂの結合度が小さい。そのため、プライマリ・スイッチング回路１０４のスイッチングによって、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂに、十分な誘導起電力が発生し、電源部１０２の出力電圧を昇圧してプライマリコンデンサＣｐに印加するという昇圧効果が高められる。さらに、第１プライマリ巻線２２Ａとセカンダリ巻線２４との結合、および第２プライマリ巻線２２Ｂとセカンダリ巻線２４との結合によって、プライマリ・スイッチング回路１０４とセカンダリ・スイッチング回路１０６との間で電力が授受される。

図１２には、電池制御システム１２０が示されている。電池制御システム１２０は、図１１に示された電力変換システム１００における電源部１０２を、複数の電池モジュール１２２に置き換えたものである。複数の電池モジュール１２２のそれぞれは、正極端子１２８Ｐおよび負極端子１２８Ｎを備えており、複数の電池モジュール１２２は、前段の電池モジュール１２２の負極端子１２８Ｎに後段の電池モジュール１２２の正極端子１２８Ｐが接続されるように直列接続されている。

各電池モジュール１２２は、電池１２４、シリーズスイッチング素子１２６Ｓ、パラレルスイッチング素子１２６Ｐ、モジュール内コンデンサＣｍを備えている。正極端子１２８Ｐと負極端子１２８Ｎとの間にはパラレルスイッチング素子１２６Ｐが接続されている。図１０には、パラレルスイッチング素子１２６ＰとしてＭＯＳＦＥＴが用いられた例が示されている。この場合、ドレイン端子が正極端子１２８Ｐに接続され、ソース端子が負極端子１２８Ｎに接続される。

正極端子１２８Ｐと電池１２４の正電極との間には、シリーズスイッチング素子１２６Ｓが接続されている。シリーズスイッチング素子１２６ＳとしてＭＯＳＦＥＴが用いられた場合、ソース端子が正極端子１２８Ｐに接続され、ドレイン端子が電池１２４の正電極に接続される。電池１２４の負電極は負極端子１２８Ｎに接続されている。

各スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴが用いられた場合、各ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子とソース端子との間には、ドレイン端子の側をカソード端子としてダイオードが接続される。電池１２４の正電極とシリーズスイッチング素子１２６Ｓとの接続点と、負極端子１２８Ｎとの間にはモジュール内コンデンサＣｍが接続されている。

各電池モジュール１２２の動作について説明する。パラレルスイッチング素子１２６Ｐ、シリーズスイッチング素子１２６Ｓおよびモジュール内コンデンサＣｍは、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂと共に、降圧コンバータ回路を構成する。 すなわち、パラレルスイッチング素子１２６Ｐおよびシリーズスイッチング素子１２６Ｓが交互にオンオフすることによって、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂに誘導起電力が発生し、複数の電池モジュール１２２における電池１２４の出力電圧の加算合計値に対する降圧電圧が、ハーフブリッジＸのブリッジ接続端とハーフブリッジＹのブリッジ接続端との間に印加される。

各電池モジュール１２２におけるシリーズスイッチング素子１２６Ｓおよびパラレルスイッチング素子１２６Ｐは、各電池モジュール１２２における電池１２４の充電量の指標であるＳＯＣ（State Of Charge）に応じたオン時比率でオンオフ制御されてよい。この場合、スイッチング周期に対する、シリーズスイッチング素子１２６Ｓがオンになる時間の比率としてオン時比率を定義すると、電池１２４のＳＯＣが大きいほどオン時比率が小さくされる。これによって、複数の電池１２４の出力電圧のバラツキが抑制され、ハーフブリッジＸのブリッジ接続端とハーフブリッジＹのブリッジ接続端との間に印加される電圧が安定化される。

図１２の上から第ｉ番目の電池モジュール１２２における電池１２４の出力電圧Ｖｂｉと、プライマリコンデンサＣｐの端子間電圧Ｖ１との関係は、（数１）によって表される。

（数１）Ｖ１＝（Ｄｄ／Ｄｂ）・ΣＶｂｉ

Σは整数ｉについて加算合計することを意味する。Ｄｄは各電池モジュール１２２のオン時比率であり、ＤｂはハーフブリッジＸ、Ｙ、ＵおよびＶのオン時比率である。本実施形態では、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂを併せた巻き数と、セカンダリ巻線２４の巻き数とを同一としてよい。この場合、プライマリコンデンサＣｐの端子間電圧Ｖ１と、セカンダリコンデンサＣｓの端子間電圧Ｖ２、すなわちセカンダリ電圧Ｖ２とは等しくなり、セカンダリ電圧Ｖ２は（数２）のように表される。

（数２）Ｖ２＝（Ｄｄ／Ｄｂ）・ΣＶｂｉ

ハーフブリッジＸ、Ｙ、ＵおよびＶのオン時比率Ｄｂを０．５とすることで、各スイッチング素子におけるスイッチング損失や、トランス１における銅損が低減される。（数２）においてＤｂ＝０．５、Ｄｄ＝１とした場合、セカンダリ電圧Ｖ２はＶ２＝２・ΣＶｂｉである。各電池モジュール１２２のオン時比率ＤｄをＤｄ＝１として一定にすることは、各電池モジュール１２２におけるパラレルスイッチング素子１２６Ｐをオフに維持し、各電池モジュール１２２におけるシリーズスイッチング素子１２６Ｓをオンに維持することを意味している。セカンダリ・スイッチング回路１０６が、２・ΣＶｂｉよりも小さい電圧をセカンダリ電圧Ｖ２として出力する場合、０を超える１未満の範囲で時比率Ｄｄを調整することで、（数３）に示されるように、セカンダリ電圧Ｖ２が０を超える２・ΣＶｂｉ未満の電圧に調整される。

（数３）Ｖ２＝２・Ｄｄ・ΣＶｂｉ

これによって、電力損失を抑制しつつ、２・ΣＶｂｉよりも小さいセカンダリ電圧Ｖ２がセカンダリ・スイッチング回路１０６から出力される。

次に、２・ΣＶｂｉよりも大きいセカンダリ電圧Ｖ２をセカンダリ・スイッチング回路１０６が出力する場合について説明する。（数２）においてＤｄ＝１とした場合、セカンダリ電圧Ｖ２は（数４）で表される。

（数４）Ｖ２＝（１／Ｄｂ）・ΣＶｂｉ

したがって、各電池モジュール１２２のオン時比率ＤｄをＤｄ＝１として一定に維持し、ハーフブリッジＸ、Ｙ、ＵおよびＶのオン時比率Ｄｂを０を超える０．５未満の値に調整することで、セカンダリ電圧Ｖ２が２・ΣＶｂｉを超える電圧に調整される。

図１３には、横軸にΣＶｂｉをとり、縦軸にセカンダリ電圧Ｖ２をとったＶ２−ΣＶｂｉ平面によって、電池制御システム１２０の制御アルゴリズムが概念的に示されている。傾きが正の直線ＬＬは、Ｖ２＝２ΣＶｂｉで表される直線である。

直線ＬＬよりも下側の領域Ｌｏｗは、ハーフブリッジＸ、Ｙ、ＵおよびＶのオン時比率Ｄｂを０．５に維持した上で、０を超える１未満の範囲で時比率Ｄｄを調整することで、セカンダリ電圧Ｖ２が（数３）に従って調整される領域である。直線ＬＬよりも上側の領域Ｈｉｇｈは、各電池モジュール１２２のオン時比率Ｄｄを１に維持した上で、０を超える０．５未満の範囲で時比率Ｄｂを調整することで、セカンダリ電圧Ｖ２が（数４）に従って調整される領域である。

図１４（ａ）〜（ｄ）には電池制御システム１２０のシミュレーション結果が示されている。図１４（ａ）には、セカンダリ電圧Ｖ２に対する電力伝送効率ηが示されている。横軸はセカンダリ電圧Ｖ２を示し、縦軸は電力伝送効率ηを示す。電池モジュール１２２の個数は６個であり、各電池１２４の出力電圧Ｖｂの範囲は、４０Ｖ〜５５Ｖである。セカンダリ電圧Ｖ２の可変範囲において、電力伝送効率ηは９４％以上９７％以下の範囲内にある。図１４（ｂ）には、タップ３２に流入する電流Ｉｍの時間波形が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電流Ｉｍを示す。第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂのインダクタンスによって、電流Ｉｍのリプル成分が抑制されている。図１４（ｃ）には、第１プライマリ端子３０に流入する電流Ｉａ３および第２プライマリ端子３４から流出する電流Ｉａ４の時間波形が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電流Ｉａ３およびＩａ４を示す。図１４（ｄ）には、第１セカンダリ端子３６に流入する電流Ｉｂ３が示されている。横軸は時間を示し、縦軸は電流Ｉｂ３を示す。

図１５には、交換型電池充放電システム１４０が示されている。交換型電池充放電システム１４０は、複数の電池側システム１４２および１つのアプリケーション側システム１４３を備えている。各電池側システム１４２は、複数の電池モジュール１２２、プライマリ・スイッチング回路１０４、およびプライマリ側コネクタ１４４を備えている。各電池側システム１４２におけるプライマリ側コネクタ１４４は、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂを備えている。図に示されている白抜きの両矢印は、トランス１がプライマリ側コネクタ１４４およびセカンダリ側コネクタ１４６を備え、これらのコネクタが接近および離反自在であることを意味する。以下の図面についても同様である。

アプリケーション側システム１４３は、セカンダリ側コネクタ１４６およびセカンダリ・スイッチング回路１０６を備えている。セカンダリ側コネクタ１４６はセカンダリ巻線２４を備えている。セカンダリ・スイッチング回路１０６のセカンダリ正極端子１０８ＰはＤＣバス１４８の正極線１４８Ｐに接続され、セカンダリ負極端子１０８ＮはＤＣバス１４８の負極線１４８Ｎに接続されている。ＤＣバス１４８には直流電力で動作し、あるいは、直流電力を出力する負荷／発電装置が接続されている。

複数の電池側システム１４２のうち１つは、プライマリ側コネクタ１４４がセカンダリ側コネクタ１４６に結合することで、アプリケーション側システム１４３に結合する。複数の電池側システム１４２のうち、アプリケーション側システム１４３に結合するものは、ユーザの操作によって選択されてよい。すなわち、ユーザは、複数の電池側システム１４２のうち１つを選択し、選択した１つのプライマリ側コネクタ１４４をセカンダリ側コネクタ１４６に結合させる。また、複数の電池側システム１４２のうち１つを選択し、選択した１つのプライマリ側コネクタ１４４をセカンダリ側コネクタ１４６に結合させる機構が設けられてもよい。

アプリケーション側システム１４３は、ＤＣバス１４８との間で電力を授受し、アプリケーション側システム１４３に結合した電池側システム１４２はアプリケーション側システム１４３との間で電力を授受する。電池側システム１４２とアプリケーション側システム１４３との間の電力の授受に伴い、電池側システム１４２における複数の電池モジュール１２２のそれぞれは充電されあるいは放電する。

複数の電池側システム１４２のうち、アプリケーション側システム１４３に結合していないものについては、電池モジュール１２２が交換されてもよい。また、アプリケーション側システム１４３に結合している電池側システム１４２における複数の電池モジュール１２２のうちいずれかに交換の必要が生じた場合には、その電池側システム１４２に代えて別の電池側システム１４２をアプリケーション側システム１４３に結合し、電池モジュール１２２を交換する操作が行われてもよい。

図１６には、交換型電池／モータジェネレータシステム１５０が示されている。このシステムは、図１５に示された交換型電池充放電システム１４０において、ＤＣバス１４８にモータジェネレータ駆動装置１５２を接続したものである。モータジェネレータ駆動装置１５２は、固定電池１５４、リレースイッチ１５６、インバータ１５８およびモータジェネレータ１６０を備えている。固定電池１５４の正電極は、リレースイッチ１５６の一端に接続され、リレースイッチ１５６の他端はインバータ１５８の正極端子１５８Ｐに接続されている。固定電池１５４の負電極は、インバータ１５８の負極端子１５８Ｎに接続されている。インバータ１５８の交流端子１５８ＡＣにはモータジェネレータ１６０が接続されている。インバータ１５８の正極端子１５８Ｐは、ＤＣバス１４８の正極線１４８Ｐに接続され、インバータ１５８の負極端子１５８Ｎは、ＤＣバス１４８の負極線１４８Ｎに出力されている。

インバータ１５８は、正極端子１５８Ｐおよび負極端子１５８Ｎから供給される直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ１６０に出力する。あるいは、モータジェネレータ１６０が発電した交流電力を直流電力に変換して正極端子１５８Ｐおよび負極端子１５８Ｎに出力する。

リレースイッチ１５６がオフのときは、アプリケーション側システム１４３とモータジェネレータ１６０との間で電力の授受が行われる。リレースイッチ１５６がオンのときは、固定電池１５４、アプリケーション側システム１４３およびモータジェネレータ１６０の相互間で電力の授受が行われる。

交換型電池／モータジェネレータシステム１５０は、モータジェネレータ１６０で駆動される電気自動車や、モータジェネレータ１６０およびエンジンの少なくとも一方によって駆動されるハイブリッド自動車等の電動自動車に搭載されてよい。

図１７には、交換型電池／ＤＣバスシステム１７０が示されている。このシステムは、図１５に示された交換型電池充放電システム１４０において、ＤＣバス１４８に複数のセカンダリ・スイッチング回路１０６を並列に接続したものである。各セカンダリ・スイッチング回路１０６のセカンダリ正極端子１０８ＰはＤＣバス１４８の正極線１４８Ｐに接続され、セカンダリ負極端子１０８ＮはＤＣバス１４８の負極線１４８Ｎに接続されている。また、各セカンダリ・スイッチング回路１０６には、セカンダリ側コネクタ１４６を構成するセカンダリ巻線２４が接続されている。ＤＣバス１４８には、負荷／発電装置として太陽電池を用いた太陽光発電装置が接続されてよい。複数のセカンダリ・スイッチング回路１０６のうちいずれかまたは総てには、電池側システム１４２が結合する。

このような構成によれば、発電電力または消費電力が一定でない負荷／発電装置がＤＣバス１４８に接続されていたとしても、発電電力または消費電力に応じた数の電池側システム１４２およびセカンダリ・スイッチング回路１０６が用いられることで、負荷／発電装置が適切な状態で使用される。すなわち、負荷／発電装置の発電電力に過不足があったり、負荷／発電装置への供給電力に過不足があったりすることが回避され、負荷／発電装置の電気的負担が軽減される。

図１８には、本発明の第２実施形態に係るトランス２が示されている。トランス２は、１次側巻線構造Ｑ１および２次側巻線構造Ｑ２を備えている。１次側巻線構造Ｑ１および第２巻線構造Ｑ２のそれぞれは、図１に示されているトランス１におけるプライマリ巻線構造Ｐと同一の構造を有している。すなわち、トランス２は、トランス１におけるセカンダリ巻線構造Ｓを、プライマリ巻線構造Ｐと同一の構造に置き換えたものに相当する。

なお、トランス２の構造に関する説明では、トランス１の構造と区別するため、「プライマリ」および「セカンダリ」の用語の代わりに、それぞれ「１次側」および「２次側」の用語を用いる。

トランス２における１次側巻線構造Ｑ１については、プライマリ巻線構造Ｐにおけるプライマリコア１０、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂに対応する構成要素を、それぞれ、１次側コア６０、１次側・第１巻線および１次側・第２巻線という。２次側巻線構造Ｑ２については、プライマリコア１０、第１プライマリ巻線２２Ａおよび第２プライマリ巻線２２Ｂに対応する構成要素を、それぞれ、２次側コア６２、２次側・第１巻線および２次側・第２巻線という。

１次側巻線構造Ｑ１および２次側巻線構造Ｑ２は、１次側コア６０の上面が２次側コアの下面に対向するように配置され、１次側コア６０および２次側コア６２との間にギャップが形成される。

図１９には、トランス２の等価回路が示されている。トランス２は、１次巻線７６および２次巻線７８を備えている。１次巻線７６には１次側タップ６６が設けられ、２次巻線７８には２次側タップ７２が設けられている。

１次巻線７６の一端に設けられた１次側・第１端子６４と１次側タップ６６との間の巻線が１次側・第１巻線７６Ａであり、１次巻線７６の他端に設けられた１次側・第２端子６８と１次側タップ６６との間の巻線が、１次側・第２巻線７６Ｂである。２次巻線７８の一端に設けられた２次側・第１端子７０と２次側タップ７２との間の巻線が２次側・第１巻線７８Ａであり、２次巻線７８の他端に設けられた２次側・第２端子７４と２次側タップ７２との間の巻線が、２次側・第２巻線７８Ｂである。

１次巻線７６と２次巻線７８とが結合することで、１次側・第１巻線７６Ａと２次側・第１巻線７８Ａとが結合し、さらに、１次側・第２巻線７６Ｂと２次側・第２巻線７８Ｂとが結合する。１次側・第１巻線７６Ａと１次側・第２巻線７６Ｂの結合度は小さい。また、１次側・第１巻線７６Ａと２次側第・第２巻線７８Ｂの結合度は小さく、さらに、１次側・第２巻線７６Ｂと２次側・第１巻線７８Ａの結合度も小さい。

図１８に示されている１次側巻線構造Ｑ１では、１次側コア６０に形成された分割ギャップ６０Ｇから、端子区間ε１、ζ１、δ１およびγ１が引き出されている。これらの端子区間は、それぞれ、プライマリ巻線構造Ｐにおける端子区間ε、ζ、δおよびγに対応する。端子区間ε１は１次側・第１端子６４に接続され、端子区間δ１は１次側・第２端子６８に接続される。端子区間ζ１およびγ１は、１次側タップ６６に接続される。

２次側巻線構造Ｑ２では、２次側コア６２に形成された分割ギャップ６２Ｇから、端子区間ε２、ζ２、δ２およびγ２が引き出されている。これらの端子区間は、それぞれ、プライマリ巻線構造Ｐにおける端子区間ε、ζ、δおよびγに対応する。端子区間ε２は２次側・第１端子７０に接続され、端子区間δ２は２次側・第２端子７４に接続される。端子区間ζ２およびγ２は、２次側タップ７２に接続される。

図２０には、トランス２が用いられた電力変換システム２００が示されている。電力変換システム２００は、１次側電源部２０２、１次側スイッチング回路２０４、トランス２、２次側スイッチング回路２０６および２次側・負荷／発電装置２０８を備えている。

１次側スイッチング回路２０４は、ハーフブリッジＸ、ハーフブリッジＹ、および１次側コンデンサＣ１を備えている。２次側スイッチング回路２０６は、ハーフブリッジＷ、ハーフブリッジＺ、および２次側コンデンサＣ２を備えている。１次側スイッチング回路２０４および２次側スイッチング回路２０６は同一の構成を有している。１次側スイッチング回路２０４および２次側スイッチング回路２０６は、さらに、図１１に示されたプライマリ・スイッチング回路１０４と同一の構成を有している。

１次側電源部２０２は、１次側タップ６６と、ハーフブリッジＸ、ハーフブリッジＹおよびコンデンサＣ１の下側の並列接続点との間に直流電圧を出力する。２次側・負荷／発電装置２０８は、２次側タップ７２と、ハーフブリッジＷ、ハーフブリッジＺおよびコンデンサＣ２の下側の並列接続点との間に直流電圧を出力する。ハーフブリッジＸおよびＹと、ハーフブリッジＷおよびＺのスイッチング位相差を調整することで、１次側電源部２０２と２次側・負荷／発電装置２０８との間で授受される電力が調整される。

図２１には、トランス２が用いられた電池交換式モータジェネレータシステム２１５が示されている。このシステムは、１次側電源部２０２として、直列接続された複数の電池モジュール１２２が用いられ、２次側・負荷／発電装置２０８としてモータジェネレータ駆動装置１５２が設けられたものである。

モータジェネレータ駆動装置１５２は、固定電池１５４、リレースイッチ１５６、昇圧コンバータ２１０、インバータ１５８およびモータジェネレータ１６０を備えている。固定電池１５４の正電極は、リレースイッチ１５６の一端に接続され、リレースイッチ１５６の他端は昇圧コンバータ２１０の低圧側正極端子２１０Ｌに接続されている。

固定電池１５４の負電極は、昇圧コンバータ２１０の負極端子２１０Ｎに接続されている。昇圧コンバータ２１０の高圧側正極端子２１０Ｈおよび負極端子２１０Ｎは、それぞれ、インバータ１５８の正極端子１５８Ｐおよび負極端子１５８Ｎに接続されている。インバータ１５８の３相交流端子１５８ＡＣにはモータジェネレータ１６０が接続されている。また、インバータ１５８の正極端子１５８Ｐは、２次側スイッチング回路２０６の２次側正極端子２０６Ｐを介して、２次側タップ７２に接続されている。インバータ１５８の負極端子１５８Ｎは、２次側スイッチング回路２０６の２次側負極端子２０６Ｎを介して、ハーフブリッジＷ、ハーフブリッジＺおよび２次側コンデンサＣ２の下側の並列接続点に接続されている。

モータジェネレータ駆動装置１５２では、昇圧コンバータ２１０によって、固定電池１５４の出力電圧が昇圧され、昇圧後の電圧がインバータ１５８および２次側スイッチング回路２０６に印加される。昇圧コンバータ２１０が昇圧後の出力電圧を調整することで、２次側スイッチング回路２０６およびインバータ１５８において生じる電力損失が低減される。

図２２には、２モード型電池交換式モータジェネレータシステム２２０が示されている。このシステムは、図２１に示されている昇圧コンバータ２１０を２モード型昇圧コンバータ２２２に置き換え、リレースイッチ１５６を省略したものである。２モード型昇圧コンバータ２２２は特許文献５に記載されている電源システムと同様の構成を有し、この電源システムと同様に動作する。２モード型昇圧コンバータ２２２は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４およびリアクトルＬを備えている。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は直列接続されている。

スイッチング素子ＳＷ１の上端は、インバータ１５８の正極端子１５８Ｐに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２の接続点は、２次側正極端子２０６Ｐを介して２次側タップ７２に接続されている。スイッチング素子ＳＷ３およびＳＷ４の接続点は、２次側負極端子２０６Ｎを介してハーフブリッジＷ、ハーフブリッジＺおよび２次側コンデンサＣ２の下側の並列接続点に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ２およびＳＷ３の接続点は、リアクトルＬの一端に接続され、リアクトルＬの他端は、固定電池１５４の正電極に接続されている。スイッチング素子ＳＷ４の下端は固定電池１５４の負電極およびインバータ１５８の負極端子１５８Ｎに接続されている。

２モード型昇圧コンバータ２２２は、固定電池１５４および２次側スイッチング回路２０６が直列に接続された状態で、リアクトルＬ、２次側・第１巻線７８Ａおよび２次側・第２巻線７８Ｂに誘導起電力を発生させるシリーズ接続モードで動作する。ここで、２次側スイッチング回路２０６が、２次側正極端子２０６Ｐおよび２次側負極端子２０６Ｎの左側に接続された２端子のデバイスであるものとして、固定電池１５４および２次側スイッチング回路２０６の直列接続が定義される。

また、２モード型昇圧コンバータ２２２は、固定電池１５４およびリアクトルＬの直列接続部分と、２次側スイッチング回路２０６とが並列に接続された状態で、リアクトルＬ、２次側・第１巻線７８Ａおよび２次側・第２巻線７８Ｂに誘導起電力を発生させるパラレル接続モードで動作する。この場合、２次側スイッチング回路２０６が、２次側正極端子２０６Ｐおよび２次側負極端子２０６Ｎの左側に接続された２端子のデバイスであるものとして、固定電池１５４およびリアクトルＬの直列接続部分と、２次側スイッチング回路２０６との並列接続が定義される。シリーズ接続モード、またはパラレル接続モードのいずれで動作するかは、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングの状態によって定まる。

２モード型昇圧コンバータ２２２では、パラレル接続モードおよびシリーズ接続モードを適宜切り替えることによって、各スイッチング素子の耐圧を大きくすることなく、インバータ１５８に出力される電圧の範囲が拡大される。本実施形態に係るトランス２では、１次側スイッチング回路２０４と２次側スイッチング回路２０６との間での電力伝送がされる共に、２次側・第１巻線７８Ａおよび２次側・第２巻線７８Ｂが、２モード型昇圧コンバータ２２２の昇圧用のインダクタとして用いられる。これによって、２モード型電池交換式モータジェネレータシステム２２０が小型化される。

１，２ トランス、１０ プライマリコア、１０Ａ，１０Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ 分割コア、１０Ｇ，１２Ｇ，６２Ｇ 分割ギャップ、１２ セカンダリコア、１４ プライマリ／セカンダリギャップ、１６，２６ 溝、１８Ａ，１８Ｂ，２８Ａ，２８Ｂ 分割柱、２２Ａ 第１プライマリ巻線、２２Ｂ 第２プライマリ巻線、２４ セカンダリ巻線、３０ 第１プライマリ端子、３２ タップ、３４ 第２プライマリ端子、３６ 第１セカンダリ端子、３８ 第２セカンダリ端子、４０１〜４０６ 直線区間、４２１ 第１直線板、４２２ 第２直線板、４２３ 第３直線板、４２４ 第４直線板、４２５ 第５直線板、４２６ 第６直線板、５０１〜５０３ 円環板、５２１〜５２３，５４１〜５４３ 半円板、６０ １次側コア、６２ ２次側コア、６４ １次側・第１端子、６６ １次側タップ、６８ １次側・第２端子、７０ ２次側・第１端子、７２ ２次側タップ、７４ ２次側・第２端子、７６ １次巻線、７６Ａ １次側・第１巻線、７６Ｂ １次側・第２巻線、７８ ２次巻線、７８Ａ ２次側・第１巻線、７８Ｂ ２次側・第２巻線、１００，２００ 電力変換システム（電力変換装置）、１０２ 電源部、１０４ プライマリ・スイッチング回路、１０６ セカンダリ・スイッチング回路、１０８Ｐ セカンダリ正極端子、１０８Ｎ セカンダリ負極端子、１２０ 電池制御システム（電力変換装置）、１２２ 電池モジュール、１２４ 電池、１２６Ｓ シリーズスイッチング素子、１２６Ｐ パラレルスイッチング素子、１２８Ｐ，１５８Ｐ 正極端子、１２８Ｎ，１５８Ｎ，２１０Ｎ 負極端子、１４０ 交換型電池充放電システム（電力変換装置）、１４２ 電池側システム、１４３ アプリケーション側システム、１４４ プライマリ側コネクタ、１４６ セカンダリ側コネクタ、１４８ ＤＣバス、１４８Ｐ 正極線、１４８Ｎ 負極線、１５０ 交換型電池／モータジェネレータシステム（電力変換装置）、１５２ モータジェネレータ駆動装置、１５４ 固定電池、１５６ リレースイッチ、１５８ インバータ、１５８ＡＣ 交流端子、１６０ モータジェネレータ、１７０ 交換型電池／ＤＣバスシステム（電力変換装置）、２０２ １次側電源部、２０４ １次側スイッチング回路、２０６ ２次側スイッチング回路、２０８ ２次側・負荷／発電装置、２１０ 昇圧コンバータ、２１０Ｌ 低圧側正極端子、２１５ 電池交換式モータジェネレータシステム（電力変換装置）、２１０Ｈ 高圧側正極端子、２２０ ２モード型電池交換式モータジェネレータシステム（電力変換装置）、Ｐ プライマリ巻線構造、Ｓ セカンダリ巻線構造、Ｑ１ １次側巻線構造、Ｑ２ ２次側巻線構造、Ｘ，Ｙ，Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｚ ハーフブリッジ、ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチング素子、Ｃｐ プライマリコンデンサ、Ｃｓ セカンダリコンデンサ、Ｃｍ モジュール内コンデンサ、Ｌ リアクトル，α，β，γ，δ，ε，ζ 端子区間。

Claims (10)

1. 柱状部を含むコアと、
   第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線と、
   前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に結合するセカンダリ巻線と、を備え、
   前記柱状部は、
   柱形状を軸方向断面で分割して得られる形状をそれぞれが有し、それぞれの前記軸方向断面が分割ギャップを形成するように配置された２つの分割柱を備え、
   前記柱状部の軸を横切るギャップによってプライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部に分割されており、
   前記第１プライマリ巻線は、
   前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、
   前記第２プライマリ巻線は、
   前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、
   前記セカンダリ巻線は、
   前記セカンダリ柱状部の周囲に設けられ、
   前記第１プライマリ巻線の一端および前記第２プライマリ巻線の一端が中途接続点を形成することを特徴とするトランス。
2. 柱状部を含むコアと、
   第１プライマリ巻線および第２プライマリ巻線と、
   前記第１プライマリ巻線に結合する第１セカンダリ巻線と、
   前記第２プライマリ巻線に結合する第２セカンダリ巻線と、を備え、
   前記柱状部は、
   柱形状を軸方向断面で分割して得られる形状をそれぞれが有し、それぞれの前記軸方向断面が分割ギャップを形成するように配置された２つの分割柱を備え、
   前記柱状部の軸を横切るギャップによってプライマリ柱状部およびセカンダリ柱状部に分割されており、
   前記第１プライマリ巻線は、
   前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、
   前記第２プライマリ巻線は、
   前記プライマリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、
   前記第１セカンダリ巻線は、
   前記セカンダリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、
   前記第２セカンダリ巻線は、
   前記セカンダリ柱状部に属する２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、
   前記第１プライマリ巻線の一端および前記セカンダリ巻線の一端がプライマリ中途接続点を形成し、
   前記第１セカンダリ巻線の一端および前記第２セカンダリ巻線の一端がセカンダリ中途接続点を形成することを特徴とするトランス。
3. 請求項２に記載のトランスにおいて、
   前記セカンダリ柱状部に形成される前記分割ギャップでは、
   前記第１セカンダリ巻線を形成する導線と、前記第２セカンダリ巻線を形成する導線が、方向を揃えて交互に並べられていることを特徴とするトランス。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のトランスにおいて、
   前記プライマリ柱状部および前記セカンダリ柱状部が、接近および離反自在であることを特徴とするトランス。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のトランスにおいて、
   前記プライマリ柱状部に形成される前記分割ギャップでは、
   前記第１プライマリ巻線を形成する導線と、前記第２プライマリ巻線を形成する導線が、方向を揃えて交互に並べられていることを特徴とするトランス。
6. 請求項１に記載のトランスと、
   前記中途接続点に接続される電源部と、
   前記第１プライマリ巻線の他端と、前記第２プライマリ巻線の他端との間に接続される第１スイッチング回路と、
   前記セカンダリ巻線に接続される第２スイッチング回路と、を備え、
   前記第１スイッチング回路のスイッチングに応じて、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に誘導起電力を発生させて、前記第１スイッチング回路が備えるコンデンサを充電し、
   前記第１スイッチング回路および前記第２スイッチング回路のスイッチングによって、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路との間で電力が伝送されることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項２に記載のトランスと、
   前記プライマリ中途接続点に接続される電源部と、
   前記第１プライマリ巻線の他端と、前記第２プライマリ巻線の他端との間に接続される第１スイッチング回路と、
   前記第１セカンダリ巻線の他端と、前記第２セカンダリ巻線の他端との間に接続される第２スイッチング回路と、を備え、
   前記第１スイッチング回路のスイッチングに応じて、前記第１プライマリ巻線および前記第２プライマリ巻線に誘導起電力を発生させて、前記第１スイッチング回路が備えるコンデンサを充電し、
   前記第１スイッチング回路および前記第２スイッチング回路のスイッチングによって、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路との間で電力が伝送されることを特徴とする電力変換装置。
8. 柱状部を含むコアと、
   第１巻線および第２巻線と、を備え、
   前記柱状部は、
   柱形状を軸方向断面で分割して得られる形状をそれぞれが有し、それぞれの前記軸方向断面が分割ギャップを形成するように配置された２つの分割柱を備え、
   前記第１巻線は、２つの前記分割柱のうちの一方の周囲に設けられ、
   前記第２巻線は、２つの前記分割柱のうちの他方の周囲に設けられ、
   前記第１巻線の一端および前記第２巻線の一端が中途接続点を形成することを特徴とするコネクタ。
9. 請求項８に記載のコネクタにおいて、
   前記分割ギャップでは、前記第１巻線を形成する導線と、前記第２巻線を形成する導線が、方向を揃えて交互に並べられていることを特徴とするコネクタ。
10. 請求項８または請求項９に記載のコネクタと、
    前記中途接続点に接続される電源部と、
    前記第１巻線の他端と、前記第２巻線の他端との間に接続される第１スイッチング回路と、
    前記第１巻線および前記第２巻線に結合する巻線に接続される第２スイッチング回路と、
    を備え、
    前記第１スイッチング回路のスイッチングに応じて、前記第１巻線および前記第２巻線に誘導起電力を発生させて、前記第１スイッチング回路が備えるコンデンサを充電し、
    前記第１スイッチング回路および前記第２スイッチング回路のスイッチングによって、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路との間で電力が伝送されることを特徴とする電力変換装置。
    

Images