JP2023144659A - 電力供給システム - Google Patents

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Abstract

【課題】コストや回路サイズの増大を抑制しつつ、負荷量が変動する場合でも、高い変換効率を維持できる電力供給システムを提供する。【解決手段】系統電力線より車両のバッテリに充電を行うと共に、そのバッテリに充電されている電力を家庭内の複数の電気機器にも供給する。ＤＣ／ＤＣ変換部を、系統電力線及び家庭内配線とバッテリとの間に接続し、ＤＣ／ＤＣ変換部をＶ２Ｈ制御部が制御する。ＤＣ／ＤＣ変換部は、フルブリッジ回路を有する絶縁コンバータ回路を３並列に接続したもので、それらの１つを、昇圧回路を備えた昇圧コンバータ回路とする。Ｖ２Ｈ制御部は、家庭内の複数の電気機器の動作状態をモニタする上位コントローラよりその動作状態に応じた負荷量情報を受信すると（Ｓ０）、負荷量情報に基づいて（Ｓ１～Ｓ４）ＤＣ／ＤＣ変換部５の動作を第１～第４動作に切り替える（Ｓ５～Ｓ８）。【選択図】図３

Description

本発明は、系統電力線より電気自動車のバッテリに充電を行うと共に、そのバッテリに充電されている電力を、家庭内の電気機器にも供給可能にするシステムに関する。
現在、図９に示すように、系統電力線より電気自動車のバッテリに充電を行うと共に、そのバッテリに充電されている電力を、家庭内の電気機器にも供給可能にするＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムの需要が高まっている。例えば、災害時に系統電源網が停電状態となった場合でも、Ｖ２Ｈシステムがあれば、家庭内の電気機器に電力を供給して動作させることができる。
Ｖ２Ｈシステムを構成するＶ２Ｈ充放電器は、内部に絶縁コンバータとＡＣ／ＤＣインバータとを備えているが、電気自動車のバッテリに充電されている電力を効率的に使用するには、絶縁コンバータの変換効率を向上させる必要がある。家庭内の電気機器には様々な種類があり、同時に動作する機器の数が変化することも多いため、広い負荷範囲に対して高い変換効率を維持することが課題となる。
特許文献１は、Ｖ２Ｈシステムに関するものではないが、スイッチング電源回路の力率を改善して効率を高めることを目的として、スイッチングコンバータを３並列接続し、負荷量に応じて、スイッチングコンバータを１台だけ動作させたり、２台以上を並列に動作させるように切り替えを行っている。
特開２００４－１２９３２０号公報
図１０は、最大負荷量として６ｋＷを想定した際に、絶縁コンバータを単機即ち１台のみ、２並列、３並列で動作させるように切り替えた場合の、負荷量と変換効率との関係を示している。２並列動作、３並列動作の場合、１台の絶縁コンバータが負担する負荷量はそれぞれ３ｋＷ，２ｋＷになる。このように、並列動作数が増えるのに応じて、低負荷時の効率が上昇している。
したがって、特許文献１の構成をＶ２Ｈシステムに適用することを想定すると、低負荷時に並列動作を行なわせることで変換効率を高めることは可能である。しかしながら、特許文献１の構成では、コンバータを並列に接続する数に応じて、コストや回路のサイズが増加してしまう。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストや回路サイズの増大を抑制しつつ、負荷量が変動する場合でも、高い変換効率を維持できる電力供給システムを提供することにある。
請求項１記載の電力供給システムによれば、系統電力線より電気自動車のバッテリに充電を行うと共に、そのバッテリに充電されている電力を、家庭内の複数の電気機器にも供給する。絶縁コンバータ部を、系統電力線及び家庭内配線とバッテリとの間に接続し、この絶縁コンバータ部を制御部が制御する。絶縁コンバータ部は、フルブリッジ回路を有する絶縁コンバータ回路を複数並列に接続したもので、それらの１つを、絶縁部を間に挟む両側に、フルブリッジ回路に加えて昇圧回路を備えた昇圧コンバータ回路とする。
制御部は、家庭内の複数の電気機器の動作状態をモニタするモニタ装置より、その動作状態に応じた負荷量情報を受信すると、負荷量情報に基づいて、絶縁コンバータ部の動作を、以下の第１～第４動作に切り替える。
・第１動作：昇圧コンバータ回路のフルブリッジ回路をハーフブリッジスイッチングする。
・第２動作：複数の絶縁コンバータ回路のうち何れか１つのフルブリッジ回路をフルブリッジスイッチングする。
・第３動作：昇圧コンバータ回路のフルブリッジ回路をハーフブリッジスイッチングすると共に、他の１つ以上の絶縁コンバータ回路のフルブリッジ回路をフルブリッジスイッチングする。
・第４動作：２つ以上の絶縁コンバータ回路のフルブリッジ回路をフルブリッジスイッチングする。
そして、第１動作及び第３動作では、昇圧コンバータ回路の昇圧回路を昇圧動作させる。
尚、「フルブリッジスイッチング」とは、フルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子を全てスイッチング動作させることを示し、「ハーフブリッジスイッチング」とは、前記４つのスイッチング素子のうち２つだけをスイッチング動作させて、実質的にハーフブリッジ回路のように動作させることを意味している。
このように、制御部は、昇圧コンバータ回路のスイッチング動作を、ハーフブリッジスイッチングとフルブリッジスイッチングとに切り替えると共に、ハーフブリッジスイッチングの際には昇圧回路を昇圧動作させて、変換効率の低下を防止する。これにより、家庭内の複数の電気機器の動作状態によって、負荷量が小さく絶縁コンバータ部を介して出力する電力量が少ない際には、第１動作に切り替えることで、絶縁コンバータ部の変換効率を高めることができる。そして、負荷量が増大するのに応じて第２～第４動作に切り替えることで、高い変換効率を維持できる。
このように構成すれば、同じ並列接続数の絶縁コンバータ回路を常にフルブリッジスイッチング動作させる従来構成に比較して、回路素子数を削減できる。一例を挙げると、本願発明の絶縁コンバータ部を特許文献１と同様に３並列構成とした際には、６並列の従来構成と同様の変換効率を、より少ない回路素子数で達成できる。
一実施形態であり、ＤＣ／ＤＣ変換部を示す回路図 Ｖ２Ｈシステムを中心に示す機能ブロック図 Ｖ２Ｈ制御部がＤＣ／ＤＣ変換部を制御する部分に係る処理内容を示すフローチャート １日の時間経過に応じた家庭内負荷の変化を示す図 フルブリッジ回路をハーフブリッジスイッチングさせる動作を示すタイミングチャート フルブリッジ回路をフルブリッジスイッチングさせる動作を示すタイミングチャート 車両のバッテリを充電する際の、昇圧回路による昇圧動作を示すタイミングチャート 車両のバッテリを放電する際の、昇圧回路による昇圧動作を示すタイミングチャート 従来のＶ２Ｈシステムを説明する図 ３並列接続した絶縁コンバータの並列動作数を、負荷量に応じて切り替えた場合の変換効率を示す図
以下、一実施形態について説明する。図２は、本実施形態の電力供給システムの一例であるＶ２Ｈシステムを中心に示す機能ブロック図である。Ｖ２Ｈシステム１は、系統電力線２及び家庭内負荷３と、電気自動車である車両４において、走行駆動用のモータに電力を供給するバッテリとの間に接続される。家庭内負荷３には、家庭内の電源配線を介して接続されている。Ｖ２Ｈシステム１は、ＤＣ／ＤＣ変換部５、ＡＣ／ＤＣインバータ６及びＶ２Ｈ制御部７を備えている。
Ｖ２Ｈシステム１は、系統電力線２より供給される交流電力を直流電力に変換して車両４のバッテリを充電する。また、災害等により停電が発生し、系統電力線２より電力が供給されなくなった際には、車両４のバッテリより放電させた直流電力を交流電力に変換して、家庭内負荷３に供給する。家庭内負荷３とは、例えば冷蔵庫、洗濯機、エアコンディショナ、テレビ、電子レンジ、ＩＨ調理器等の電気機器である。
モニタ装置に相当する上位コントローラ８は、家庭内負荷３に接続されていると共に、車両４及びＶ２Ｈ制御部７と通信を行なう。上位コントローラ８は、家庭内負荷３より、各電気機器の動作状況に応じた必要な負荷量、すなわち電力量や許容電流量の通知を受ける。また、上位コントローラ８は、ユーザインターフェイス機能を介して、ユーザより放電、充電及び自立運転等の指示を受ける。更に、上位コントローラ８は、車両４より充放電の可否や許容電流量の通知を受ける。そして、上位コントローラ８は、車両４、家庭内負荷３及びユーザからの情報に基づいて、運転情報と動作負荷量とをＶ２Ｈ制御部７に通知する。
図１は、ＤＣ／ＤＣ変換部５の回路図である。絶縁コンバータ部であるＤＣ／ＤＣ変換部５は、例えば３台の絶縁コンバータ回路１１，１２及び１３を並列に接続した構成である。絶縁コンバータ回路１１～１３は、絶縁部であるトランス１４を備え、その両側には、スイッチング素子である例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ＿Ｑ１～Ｑ４をＨブリッジ接続したフルブリッジ回路１５Ｖ、１５Ｐがそれぞれ接続されている。尚、図中左側は車両４側であるからＶ側と称し、図中右側は系統電力線２側であるからＰ側と称する場合がある。また、特にＶ側、Ｐ側を区別する必要がない場合には、符号に「Ｖ、Ｐ」を付すことを省略する。
フルブリッジ回路１５Ｖを構成するＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ３の共通接続点は、コンデンサ１６Ｖ及びコイル１７Ｖを介してトランス１４のＶ側コイルの一端に接続されている。また、ＦＥＴ＿Ｑ２及びＱ４の共通接続点は、トランス１４のＶ側コイルの他端に接続されている。フルブリッジ回路１５Ｐを構成するＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ３の共通接続点は、トランス１４のＰ側コイルの一端に接続されている。また、ＦＥＴ＿Ｑ２及びＱ４の共通接続点は、コンデンサ１６Ｐ及びコイル１７Ｐを介してトランス１４のＰ側コイルの一端に接続されている。
３台のうち、絶縁コンバータ回路１１だけは、Ｖ側、Ｐ側のそれぞれに昇圧回路１８Ｖ、１８Ｐを備えている。すなわち、絶縁コンバータ回路１１は昇圧コンバータ回路に相当する。昇圧回路１８Ｖは、平滑コンデンサ１９Ｖの両端に接続されるＮチャネルＭＯＳＦＥＴ＿Ｔ１及びＴ２の直列回路と、ＦＥＴ＿Ｔ１及びＴ２の共通接続点とＦＥＴ＿Ｑ１のドレインとの間に接続されるコイル２０Ｖとを備えている。尚、説明の都合上、昇圧回路１８Ｐを構成するＦＥＴの符号はＴ４及びＴ３としている。ＦＥＴ＿Ｑ１～Ｑ４及びＴ１～Ｔ４のスイッチング動作は、Ｖ２Ｈ制御部７により制御される。
次に、本実施形態の作用について説明する。図３は、Ｖ２Ｈ制御部７がＤＣ／ＤＣ変換部５を制御する部分に係る処理内容を示すフローチャートである。尚、前提条件として、絶縁コンバータ回路１１及び１２が単独で動作可能である許容負荷量は２ｋＷとする。後述するように、絶縁コンバータ回路１１には、フルブリッジ回路１５をハーフブリッジスイッチングさせるハーフブリッジ運転をさせるが、そのハーフブリッジ運転で動作可能である許容負荷量は１ｋＷである。
Ｖ２Ｈ制御部７は、上位コントローラ８より運転命令及び負荷量ｘが通知されると（Ｓ０）、その負荷量ｘが下記の何れの範囲内にあるかをステップＳ１～Ｓ４で判断する。
・ステップＳ１： ０＜ｘ≦１ｋＷ
・ステップＳ２： １ｋＷ＜ｘ≦２ｋＷ
・ステップＳ３： ２ｋＷ＜ｘ≦３ｋＷ
・ステップＳ４： ３ｋＷ＜ｘ≦４ｋＷ
図４に示すように、横軸である１日の時間が経過するのに応じて、家庭内負荷３を担う各電気機器の稼働状況は変化する。例えば冷蔵庫のように、常時動作している機器の負荷量をベースとして、例えばエアコンが動作したりテレビが動作する等に応じて、負荷量は上昇し、動作していた機器が停止すれば、それに応じて負荷量は低下する。
そして、ステップＳ１～Ｓ４で、それぞれ「ｙｅｓ」と判断すると、対応するステップＳ５～Ｓ８で、ＤＣ／ＤＣ変換部５を以下のように制御する。
・ステップＳ５：単機ハーフブリッジ運転
・ステップＳ６：単機フルブリッジ運転
・ステップＳ７：並列（ハーフ＋フルブリッジ）運転
・ステップＳ８：並列フルブリッジ運転
「単機ハーフブリッジ運転」は、絶縁コンバータ回路１１のフルブリッジ回路１５をハーフブリッジスイッチングさせる動作モードである。すなわち、図５に示すように、ＦＥＴ＿Ｑ２は連続ＯＮ，ＦＥＴ＿Ｑ４は連続ＯＦＦとして、ＦＥＴ＿Ｑ１、Ｑ３をデューティ比５０％で交互にＯＮ／ＯＦＦする。これにより、フルブリッジ回路１５を実質的にハーフブリッジ回路のようにスイッチングさせる。「単機ハーフブリッジ運転」は第１動作に相当する。
「単機フルブリッジ運転」は、絶縁コンバータ回路１１のフルブリッジ回路１５を通常通り、フルブリッジスイッチングさせる動作モードである。すなわち、図６に示すように、ＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ４を同期させて、デューティ比５０％で交互にＯＮ／ＯＦＦする。同様に、ＦＥＴ＿Ｑ２及びＱ２を同期させて、ＦＥＴ＿Ｑ１及びＱ４に対して逆相となる関係で、デューティ比５０％で交互にＯＮ／ＯＦＦする。「単機フルブリッジ運転」は第２動作に相当する。尚、この動作モードでは、絶縁コンバータ回路１１に替えて、絶縁コンバータ回路１２をフルブリッジスイッチングさせても良い。
「並列（ハーフ＋フルブリッジ）運転」は、上記の「単機ハーフブリッジ運転」と、絶縁コンバータ回路１２を上記のようにフルブリッジスイッチングさせる運転との組み合わせであり、第３動作に相当する。また、第１動作及び第３動作において、絶縁コンバータ回路１１をハーフブリッジスイッチングさせる際には、昇圧回路１８に昇圧動作を行なわせる。車両４のバッテリを充電する際には、図７に示すように、昇圧回路１８ＰのＦＥＴ＿Ｔ３及びＴ４をＯＦＦにする。そして、昇圧回路１８ＶのＦＥＴ＿Ｔ２常時をＯＮにした上で、ＦＥＴ＿Ｔ１をデューティ比５０％で交互にＯＮ／ＯＦＦする。また、車両４のバッテリを放電させる際には、図８に示すように、昇圧回路１８ＶのＦＥＴ＿Ｔ１及びＴ２をＯＦＦにする。そして、昇圧回路１８ＰのＦＥＴ＿Ｔ４を常時ＯＮにした上で、ＦＥＴ＿Ｔ３をデューティ比５０％で交互にＯＮ／ＯＦＦする。これにより、ハーフブリッジスイッチングによる電圧の低下を補い、効率が低下することを回避する。
「並列フルブリッジ運転」は、絶縁コンバータ回路１１及び１２の両方をフルブリッジスイッチングさせる運転であり、第４動作に相当する。このように、家庭内負荷３の負荷量が変動するのに合わせて、ＤＣ／ＤＣ変換部５の動作モードを切り替えることで、変換効率を最適化する。
ここで、図１に示す３並列構成において、１台の許容負荷量を２ｋＷとして、負荷範囲を最大６ｋＷまで対応することを想定する。その場合、ステップＳ４の先に負荷量の判断ステップを追加して対応する。
・ステップＳ９ ： ４ｋＷ＜ｘ≦５ｋＷ
・ステップＳ１０： ５ｋＷ＜ｘ≦６ｋＷ
そして、ステップＳ９、Ｓ１０でそれぞれ「ｙｅｓ」と判断すると、対応するステップＳ１１、Ｓ１２で、ＤＣ／ＤＣ変換部５を以下のように制御することになる。
・ステップＳ１１：並列（ハーフ＋フルブリッジ）運転
・ステップＳ１２：並列フルブリッジ運転
ステップＳ１１、Ｓ１２では、絶縁コンバータ回路１３のフルブリッジスイッチング動作を加えて３並列で運転を行うことになる。
また、上記のように負荷量を１ｋＷ区切りとして最大６ｋＷまで対応することを、特許文献１の構成により行うことを想定すると、１台の許容負荷量を１ｋＷとして、６台の絶縁コンバータ回路を並列接続することになる。その際に必要となる回路素子数を、本実施形態の構成と比較する。
＜６並列構成＞
ＦＥＴ：４８，トランス：６、コイル：１２、コンデンサ：２４、となる。これに対して、本実施形態では、
＜３並列構成＞
ＦＥＴ：２８，トランス数：３、コイル：８、コンデンサ数：１２となるので、より少ない回路素子数で同じ性能を達成できる。
以上のように本実施形態によれば、Ｖ２Ｈシステムにおいて、系統電力線２より車両４のバッテリに充電を行うと共に、そのバッテリに充電されている電力を、家庭内の複数の電気機器にも供給する。ＤＣ／ＤＣ変換部５を、系統電力線２及び家庭内配線とバッテリとの間に接続し、このＤＣ／ＤＣ変換部５をＶ２Ｈ制御部７が制御する。ＤＣ／ＤＣ変換部５は、フルブリッジ回路１５を有する絶縁コンバータ回路１１～１３を並列に接続したもので、それらの１つを、昇圧回路１８を備えた昇圧コンバータ回路１１とする。
Ｖ２Ｈ制御部７は、家庭内の複数の電気機器の動作状態をモニタする上位コントローラ８より、その動作状態に応じた負荷量情報を受信すると、負荷量情報に基づいて、ＤＣ／ＤＣ変換部５の動作を第１～第４動作に切り替える。そして、第１動作及び第３動作では、昇圧コンバータ回路１１の昇圧回路１８を昇圧動作させ、ハーフブリッジスイッチング動作による変換効率の低下を防止する。
これにより、家庭内の複数の電気機器の動作状態によって、負荷量が小さくＤＣ／ＤＣ変換部５を介して出力する電力量が少ない際には、第１動作に切り替えることで、ＤＣ／ＤＣ変換部５の変換効率を高めることができる。そして、負荷量が増大するのに応じて第２～第４動作に切り替えることで、高い変換効率を維持できる。そして、同じ並列接続数の絶縁コンバータ回路を常にハーフブリッジスイッチング動作を行なう従来構成に比較して回路素子数を削減でき、コストや回路サイズの増大を抑制できる。
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
スイッチング素子は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限ることなく、ハイサイドにＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いても良いし、ＩＧＢＴやバイポーラトランジスタ等を用いても良い。
絶縁コンバータ回路の並列接続数は、「２」又は「４」以上でも良い。
一台の絶縁コンバータ回路の許容負荷量は、個別の設計に応じて適宜設定すれば良い。
図面中、１はＶ２Ｈシステム、２は系統電力線、３は家庭内負荷、４は車両、５はＤＣ／ＤＣ変換部、７はＶ２Ｈ制御部、８は上位コントローラ、１１～１３は絶縁コンバータ回路、１５はフルブリッジ回路、１８は昇圧回路を示す。

Claims (1)

  1. 系統電力線より電気自動車のバッテリに充電を行うと共に、そのバッテリに充電されている電力を、家庭内の複数の電気機器にも供給可能にする電力供給システムであって、
    前記系統電力線及び家庭内配線と、前記バッテリとの間に接続される絶縁コンバータ部と、
    この絶縁コンバータ部を制御する制御部とを備え、
    前記絶縁コンバータ部は、絶縁部を間に挟む両側にフルブリッジ回路を有する絶縁コンバータ回路が複数並列に接続され、
    前記複数の絶縁コンバータ回路の１つは、更に前記両側に昇圧回路を備えた昇圧コンバータ回路であり、
    前記制御部は、前記家庭内の複数の電気機器の動作状態をモニタするモニタ装置より、前記動作状態に応じた負荷量情報を受信し、その負荷量情報に基づいて、前記絶縁コンバータ部の動作を、
    前記昇圧コンバータ回路のフルブリッジ回路をハーフブリッジスイッチングする第１動作と、
    前記複数の絶縁コンバータ回路のうち何れか１つのフルブリッジ回路をフルブリッジスイッチングする第２動作と、
    前記昇圧コンバータ回路のフルブリッジ回路をハーフブリッジスイッチングすると共に、他の１つ以上の絶縁コンバータ回路のフルブリッジ回路をフルブリッジスイッチングする第３動作と、
    ２つ以上の絶縁コンバータ回路のフルブリッジ回路をフルブリッジスイッチングする第４動作と、に切り替え、
    前記第１動作及び前記第３動作では、前記昇圧回路を昇圧動作させる電力供給システム。
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