JP5621193B2

JP5621193B2 - 電力変換装置

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Description

本発明は、トランスを用いた電力変換装置に関し、特に電気自動車に搭載して好適な電力変換装置に関する。

一般的に、電気自動車には、外部の交流電源（コンセント）から車両駆動用の主バッテリを充電する充電器と、主バッテリから補機駆動用の補機バッテリを充電するためのＤＣＤＣコンバータが搭載されている。これら充電器およびＤＣＤＣコンバータは、主バッテリに接続する強電回路と交流電源や補機バッテリなどの弱電回路を絶縁するためにトランスを用いた回路構成となっている。近年では、これらの充電器とＤＣＤＣコンバータを一体化して構成する試みがなされており、特許文献１には、１つのトランスを共有し、主バッテリ用の巻線と交流電源用の巻線と補機バッテリ用の巻線の３つの巻線を共通のコアに巻き、このコアを介して電力変換を行うようにした電力変換装置が開示されている。

特開平８−３１７５０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている電力変換装置では、共通のコアを用いてトランスを共有した構成となっているものの、コアに３つの巻線を巻くためのスペースが必要となるためトランスのサイズが大きくなり、装置全体としては大型化してしまうという問題がある。

本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消すべく創案されたものであって、装置全体の小型化を実現することができる電力変換装置を提供することを目的としている。

本発明に係る電力変換装置は、交流電源と第１蓄電手段のいずれか一方と第２蓄電手段との間でトランスを介して電力授受を行う電力変換装置であり、交流電源の一方の極と第１蓄電手段の一方の極とを共通母線によりトランスの一次巻線に接続するとともに、交流電源の他方の極と第１蓄電手段の他方の極とを第１のスイッチ回路によってトランスの一次巻線に選択的に接続し、第２蓄電手段は第２のスイッチ回路によりトランスの二次巻線に接続する。また、第１のスイッチ回路と第２のスイッチ回路は、トランスを介して授受される電力を変換する機能を有し、制御手段が、第１のスイッチ回路および第２のスイッチ回路のスイッチのオン／オフを操作することで、交流電源と第１蓄電手段と第２蓄電手段の電力を制御する。

本発明に係る電力変換装置によれば、巻線まで共用した１つのトランスを用いて交流電源と第１蓄電手段と第２蓄電手段との間での電力授受を適切に行えるようにしているので、装置全体の小型化を実現することができる。

第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。双方向スイッチの構成を説明する図である。一次側のインバータ回路の動作を説明する図である。一次側のインバータ回路をインバータとして動作させるときの回路の切り替えを説明する図である。一次側のインバータ回路をコンバータとして動作させるときの回路の切り替えを説明する図である。第１の実施形態に係る電力変換装置における制御装置の制御ブロック図である。第１バッテリの電圧Ｖｄｃ＿ｂの値と配分比γ２との関係を示す図である。一次側のインバータ回路をインバータとして動作させる時間とコンバータとして動作させる時間との時間配分の一例を示したタイミングチャートである。交流電源からの電力を共用トランスを介して二次側に供給して第２バッテリに充電する経路と、第２バッテリからの電力を共用トランスを介して一次側に供給して第１バッテリを充電する経路とを説明する図である。第１の実施形態に係る電力変換装置を電気自動車に搭載した場合のレイアウトの一例を示す図である。第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。第４の実施形態に係る電力変換装置における制御装置の制御ブロック図である。第１バッテリの電圧Ｖｄｃ＿ｂと配分時間Ｔｂ１との関係を示す図である。交流電源からの電力を共用トランスを介して二次側に供給して第２バッテリに充電する時間と、第２バッテリからの電力を共用トランスを介して一次側に供給して第１バッテリを充電する時間との時間配分の一例を示したタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１Ａの構成を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置１Ａは、交流電源２と第１バッテリ３のいずれか一方と第２バッテリ４との間でトランスを介して電力授受を行うものであり、例えば、電気自動車に搭載される電力変換装置として好適なものである。この電力変換装置１Ａを電気自動車に搭載する場合、例えば、交流電源２は単相１００Ｖｒｍｓの外部電源、第１バッテリ３が補機駆動用の低電圧バッテリ（例えば１２Ｖ鉛バッテリ）、第２バッテリ４が３００Ｖクラスの強電バッテリとなり、外部電源から強電バッテリに充電する機能と、強電バッテリの出力を降圧して補機駆動用の低電圧バッテリに充電する機能とを、この電力変換装置１Ａにより実現する。電気自動車の強電バッテリはアース（車体）から絶縁されており、例え＋−のいずれか一方を触れることがあっても、それだけでは感電しないような安全設計になっている。一方で、低電圧バッテリは車体にアースがとられており、交流電源も片側はアースであるため、強電バッテリとはトランスを介して絶縁している。なお、本発明の電力変換装置は、以上のような電気自動車用だけでなく、複数の電圧と出力電圧との間でトランスを介して電力授受を行うための電力変換装置として広く適用可能であり、複数の電圧と出力電圧との組み合わせとしては、電源とバッテリとの組み合わせだけでなく、例えば電源と負荷との組み合わせや、バッテリと負荷との組み合わせなども考えられる。

本実施形態の電力変換装置１Ａは、図１に示すように、接続端子として交流電源２が接続される端子と、第１バッテリ３が接続される端子と、第２バッテリ４が接続される端子とを備え、その内部には、整流器１１と、ＰＦＣ回路（力率改善回路；Power Factor Correction）１２と、インバータ回路１３と、共用トランス１４と、インバータ回路１５とが設けられている。

この電力変換装置１Ａにおいて、交流電源２から入力される電力は、ダイオードブリッジで構成される整流器１１により整流され、ＰＦＣ回路１２を介してからＤＣＡＣ変換を行うインバータ回路１３に入力される。また、第１バッテリ３の負極は交流電源２を整流した後の負極と共通に接続され（共通母線ＣＢ）、第１バッテリ３の正極はＰＦＣ回路１２の出力とは別の極としてインバータ回路１３に入力している。

インバータ回路１３は、負極の共通母線ＣＢとＰＦＣ回路１２の出力と第１バッテリ３の正極の３つの電位が入力となる。このインバータ回路１３は、共用トランス１４の１次巻線１４１ａ，１４１ｂの中点に共通母線ＣＢを接続し、共用トランス１４の１次巻線１４１ａ，１４１ｂの両端の端子を、それぞれ双方向スイッチを介して交流電源２側の正極（ＰＦＣ回路１２の出力）と第１バッテリ３の正極とに接続した構成である。

双方向スイッチを構成する各スイッチ２１〜２８には、逆方向の電圧への耐圧を持たせるために、図２（ａ），（ｂ）に示すように、各スイッチ素子ごとにダイオードを直列に接続する。スイッチ素子としては、耐圧などにより図２（ａ）のようなＩＧＢＴでの構成や、図２（ｂ）のようなＭＯＳＦＥＴでの構成を選択すればよい。そして、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、２つのスイッチを組み合わせて逆向きに並列接続することで、双方向スイッチを構成する。なお、スイッチ素子として逆方向に耐圧性のある逆阻止特性を持つスイッチを用いる場合は、ダイオードを設けなくてもよい。

また、インバータ回路１３には、双方向スイッチのスイッチングによる電圧変動を抑制するために、各正負極間に平滑コンデンサ２９ａ，２９ｂが設けられている。これら平滑コンデンサ２９ａ，２９ｂは、それぞれ双方向スイッチに近い位置に接続されている。

一方、共用トランス１４を介してインバータ回路１３に接続されるインバータ回路１５は、第２バッテリ４に接続され、第２バッテリ４への充電時の整流器として動作するとともに、第２バッテリ４からの給電時のインバータとして動作する。このインバータ回路１５は、共用トランス１４の２次巻線１４２ａ，１４２ｂの中点にスイッチ３１，３２を直列に接続し、これらスイッチ３１，３２の間に第２バッテリ４の負極、共用トランス１４の２次巻線１４２ａ，１４２ｂの両端に第２バッテリ４の正極を接続した構成とされ、スイッチ３１，３２のオン／オフを操作することで、整流器あるいはインバータとして動作する。また、このインバータ回路１５においても、インバータ回路１３と同様、スイッチ３１，３２のスイッチングによる電圧変動を抑制するために平滑コンデンサ３３が設けられている。

なお、第１バッテリ３と第２バッテリ４は、負荷に電力供給する電源として用いられるものであり、図１には示していないが、第１バッテリ３と第２バッテリ４にはそれぞれ負荷が接続されている。また、電力変換装置１Ａには、インバータ回路１３の双方向スイッチを構成する各スイッチ２１〜２８やインバータ回路１５のスイッチ３１，３２のオン／オフを操作して、交流電源２と第１バッテリ３と第２バッテリ４の電力を制御する制御装置１００が設けられており、第１バッテリ３は、この制御装置１００のセンサや演算装置などを駆動する電源としても用いられる。

次に、以上のように構成される本実施形態の電力変換装置１Ａにおいて、交流電源２から共用トランス１４を介して第２バッテリ４に電力供給して第２バッテリ４を充電する機能と、第２バッテリ４から共用トランス１４を介して第１バッテリ３に電力供給して第１バッテリ３を充電する機能とを実現するための回路動作について、図３乃至図５を参照して説明する。

本実施形態の電力変換装置１Ａにおいて、インバータ回路１３の動作は、それぞれの正極（ＰＦＣ回路１２の出力と第１バッテリ３の正極）に接続された２つのインバータ・コンバータと考える。このインバータ回路１３でＰＦＣ回路１２の出力電位に接続するインバータを構成する場合、その回路は図３（ａ）の太線で示す回路となる。また、インバータ回路１３で第１バッテリ３の出力電位を接続するコンバータを構成する場合、その回路は図３（ｂ）の太線で示す回路となる。なお、図３（ｂ）の太線で示す回路は、第１バッテリ３を充電するコンバータとしてだけでなく、インバータとして動作することもできる。

図３（ａ）のインバータの動作の詳細を示したのが図４（ａ）及び図４（ｂ）である。インバータ回路１３を図３（ａ）のインバータとして動作させる場合、図４（ａ）の太線で示す回路と図４（ｂ）の太線で示す回路とを、双方向スイッチを構成するスイッチ２５〜２８のオン／オフを操作することで切り替える。インバータ回路１３は、図４（ａ）の太線で示す回路で共用トランス１４の１次巻線１４１ｂに正の電圧を印加し、図４（ｂ）の太線で示す回路では共用トランス１４の１次巻線１４１ａに負の電圧を加えており、正負の電圧を発生させることで共用トランス１４を介した電力変換を行う。

また、図３（ｂ）のコンバータの動作を示したのが図５（ａ）及び図５（ｂ）である。インバータ回路１３を図３（ｂ）のコンバータとして動作させる場合、図５（ａ）の太線で示す回路と図５（ｂ）の太線で示す回路とを、双方向スイッチを構成するスイッチ２１〜２４のオン／オフを操作することで切り替える。これにより、共用トランス１４の１次巻線１４１ａ，１４１ｂに発生する交流電圧から第１バッテリ３を充電することができる。

一方、共用トランス１４の２次巻線１４２ａ，１４２ｂに接続するインバータ回路１５は、スイッチ３１，３２のオン／オフの操作により、インバータ動作のほか、整流を行うコンバータとして動作することができる。本実施形態の電力変換装置１Ａにおいては、交流電源２から第２バッテリ４を充電する際にはこのインバータ回路１５をコンバータとして動作させ、第２バッテリ４から第１バッテリ３を充電させるときにはインバータ回路１５をインバータとして動作させる。

次に、本実施形態の電力変換装置１Ａにおける制御装置１００の制御動作について、さらに詳しく説明する。

図６は、制御装置１００の制御ブロック図である。制御装置１００は、図６に示すように、電圧制御器１０１と、電力配分制御器１０２と、ＰＷＭ生成器１０３とを備える。

電圧制御器１０１は、平滑コンデンサ２９ａ，２９ｂ，３３の電圧をそれぞれ検出した値であるＶｄｃ＿ａ，Ｖｄｃ＿ｂ，Ｖｄｃ＿ｃと、電圧指令値Ｖｄｃ＿ｂ^＊，Ｖｄｃ＿ｃ^＊とに基づいて、ｄｕｔｙ指令を共用トランス１４の巻線の巻数比と電圧の比率から演算する。なお、ｄｕｔｙ指令ａはスイッチ２５〜２８のオン時間を指令する指令値であり、ｄｕｔｙ指令ｂはスイッチ２１〜２４のオン時間を指令する指令値であり、ｄｕｔｙ指令ｃはスイッチ３１，３２のオン時間を指令する指令値である。

電力配分制御器１０２は、前述のインバータ回路１３のインバータとしての動作時間とコンバータとしての動作時間との比を求める制御器であり、電力指令ａと電力指令ｂと電圧Ｖｄｃ＿ｂを入力として時間配分に相当する配分比γを演算する。

ここで、電力指令ａは第２バッテリ４への充電電力の指令値として与えられるものであり、交流電源２の能力に合わせて設定される。また、電力指令ｂは第１バッテリ３への充電電力指令であり、第１バッテリ３の負荷電力を演算し電力指令として推定量を与える。電力配分制御器１０２は、まず、これら電力指令ａと電力指令ｂとから求まる配分比γ１を演算する。配分比γ１は次の式で求める。
γ1＝電力指令ａ／（電力指令ａ＋電力指令ｂ）

また、電圧Ｖｄｃ＿ｂは、平滑コンデンサ２９ｂで平滑化された第１バッテリ３の電圧である。本実施形態の電力変換装置１Ａでは、上述したように、第１バッテリ３を制御電源にも用いていることから、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂの電圧降下を予防するため、この電圧値に応じて配分比γ２を操作する。第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂの値と配分比γ２との関係を図７に示す。この図７に示すように、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂが下限値Ｖｄｃ＿ｂ＿Ｌと上限値Ｖｄｃ＿ｂ＿Ｈとの間であれば、配分比γ２は電圧Ｖｄｃ＿ｂが大きいほど大きな値をとり、電圧Ｖｄｃ＿ｂが下限値Ｖｄｃ＿ｂ＿Ｌよりも低いときには配分比γ２は０となり、交流電源２から第２バッテリ４への充電を停止して、第２バッテリ４から第１バッテリ３への充電のみを行う。なお、第１バッテリ３として１２Ｖ鉛バッテリを用いた場合には、下限値Ｖｄｃ＿ｂ＿Ｌは例えば９Ｖ、上限値Ｖｄｃ＿ｂ＿Ｈは例えば１４Ｖに設定される。

電力配分制御器１０２は、以上の演算で求められた配分比γ１と配分比γ２のうち、小さい値を最終的な配分比γとして選択し、ＰＷＭ生成器１０３に出力する。

ＰＷＭ生成器１０３は、電力配分制御器１０２からの配分比γに応じて、インバータ回路１３をインバータとして動作させる時間とコンバータとして動作させる時間との時間配分を決定する。そして、電圧制御器１０１からのｄｕｔｙ指令に応じて、インバータ回路１３をインバータとして動作させる区間ではスイッチ２５〜２８のオン／オフを操作するためのＰＷＭパルスを生成し、インバータ回路１３をコンバータとして動作させる区間ではスイッチ２１〜２４とスイッチ３１，３２のオン／オフを操作するためのＰＷＭパルスを生成する。

図８は、配分比γに対する時間配分の一例を示した図である。この図８において、ＴｓはＰＷＭの１周期でありＰＷＭキャリア周期を設定する。ＰＷＭ生成器１０３は、このＴｓを配分比γで分割し、（１−γ）Ｔｓの区間内ではｄｕｔｙ指令ｂとｄｕｔｙ指令ｃとに応じてスイッチ２１〜２４とスイッチ３１，３２のオン／オフを操作するためのＰＷＭパルスを生成し、γＴｓの区間内ではｄｕｔｙ指令ａに応じてスイッチ２５〜２８のオン／オフを操作するためのＰＷＭパルスを生成する。これにより、（１−γ）Ｔｓの区間では、図９（ｂ）の太線で示す経路で、第２バッテリ４からの電力が共用トランス１４を介してインバータ回路１３側に供給され、スイッチ２１〜２４を用いて整流されて、第１バッテリ３に充電される。そして、次にγＴｓの区間では、図９（ａ）の太線で示す経路で、交流電源２からの電力が共用トランス１４を介してインバータ回路１５側に供給され、第２バッテリ４に充電される。なお、このとき、整流器１１とＰＦＣ回路１２は電力配分に関らずに動作する。また、交流電源２や第１バッテリ３、第２バッテリ４の電力は、平滑コンデンサ２９ａ，２９ｂ，３３を通すことで時間平均された電力となるため、本実施形態の電力変換装置１Ａによる以上の動作は、複数の電力変換器で電力制御を行うときと同様な連続的な動作と見ることができる。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の電力変換装置１Ａによれば、共用トランス１４の一次側となるインバータ回路１３のスイッチ２１〜２８および共用トランス１４の二次側となるインバータ回路１５のスイッチ３１，３２のオン／オフを制御装置１００により制御することによって、交流電源２から第２バッテリ４への充電と第２バッテリ４から第１バッテリ３への充電といった複数電源間の電力制御を、１つの共用トランス１４を巻線まで共用した回路で実現することができ、装置を小型化することができる。特に、この種の電力変換装置においてはトランスの重さ・体積が大きく、小型化の点で課題となっているため、トランスの共用による小型化の効果は大きい。

また、本実施形態の電力変換装置１Ａは、上述したように、電気自動車に搭載される電力変換装置として特に有効である。図１０は、本実施形態の電力変換装置１Ａを電気自動車に搭載した場合のレイアウトの一例を示す図である。この図１０に示す例において、第１バッテリ３は補機駆動用の低電圧バッテリであり、第２バッテリ４は駆動モータＭへ電力を供給する強電バッテリである。従来の電気自動車では、外部の単相交流から車両駆動用の強電バッテリに充電するための充電器と、車両駆動用の強電バッテリから補機駆動用の低電圧バッテリを充電するためのＤＣＤＣコンバータを搭載しているが、本実施形態の電力変換装置１Ａによりこれらの機能を１つの装置で実現することができ、さらに装置自体が小型化されているため、車両の軽量化を実現できることに加えて、車載レイアウトの自由度を高めることができ、車両設計を容易にすることができる。

また、本実施形態の電力変換装置１Ａでは、交流電源２の入力電圧を整流する整流器１１を設けているので、交流電源２の負極と第１バッテリ３の負極とを共通母線ＣＢに接続して共通極とした構成であっても、交流電源２の正極側と第１バッテリ３の正極側との間での電位の大小関係を維持することができる。

また、本実施形態の電力変換装置１Ａでは、制御装置１００が、第１バッテリ３への充電電力指令（電力指令ｂ）と第２バッテリ４への充電電力指令（電力指令ａ）との比率に基づいて、交流電源２から第２バッテリ４に電力供給する時間と第２バッテリ４から第１バッテリ３に電力供給する時間との時間配分を求め、その時間配分に従って、インバータ回路１３のスイッチ２１〜２８およびインバータ回路１５のスイッチ３１，３２のオン／オフを操作するようにしているので、要求、もしくは推定される負荷電力の大きさに応じて、交流電源２から第２バッテリ４への充電電力と第２バッテリ４から第１バッテリ３への充電電力とを適切に制御することができる。また、これらの各電力は、スイッチ２１〜２８，３１，３２の動作する時間比率の操作により、その時間を短い周期における比率とすることによって、時間平均された電力はインバータ回路１３やインバータ回路１５を通した後には、複数の電力変換器で電力制御を行うときと同様な連続的な動作が可能となる。

さらに、本実施形態の電力変換装置１Ａでは、制御装置１００が、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂの値に応じて、交流電源２から第２バッテリ４に電力供給する時間と第２バッテリ４から第１バッテリ３に電力供給する時間との時間配分を調整するようにしているので、第１バッテリ３の充電状態を電圧から判断して第１バッテリ３の充電状態が低下している場合には第１バッテリ３への充電を優先させることができ、制御装置１００の電源として用いる第１バッテリ３の電圧降下によって制御不良などが生じるといった問題を未然に回避することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１Ｂの構成を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置１Ｂは、平滑コンデンサ２９ａと平滑コンデンサ２９ｂとの間をダイオード４１で接続することで、平滑コンデンサ２９ａの電圧が平滑コンデンサ２９ｂの電圧以上に維持されるようにした例である。なお、本実施形態の電力変換装置１Ｂにおける基本的な構成および動作は第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と共通若しくは対応する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置１Ｂにおいては、ダイオード４１により平滑コンデンサ２９ａの電圧が平滑コンデンサ２９ｂの電圧以上に維持される回路構成となっているため、交流電源２が停電、もしくは接続されていない場合であっても、電位の大小関係が逆転することはない。したがって、インバータ回路１３のスイッチ２５，２６を、図２（ａ），（ｂ）に示したような逆耐圧を持たせた構成とする必要はなく、スイッチに直列のダイオードは不要となる。また、平滑コンデンサ２９ｂから平滑コンデンサ２９ａへの経路をスイッチで遮断する必要がないため、スイッチ２５，２６に対して逆向きに並列接続されるスイッチ２７，２８は不要となり、ダイオードのみをスイッチ２５，２６に並列接続すればよい。なお、平滑コンデンサ２９ａと平滑コンデンサ２９ｂとの間に接続したダイオード４１は、交流電源２が接続されていない場合には、平滑コンデンサ２９ａを充電する機能を有する。

以上のように、本実施形態の電力変換装置１Ｂは、ダイオード４１により平滑コンデンサ２９ａの電圧を平滑コンデンサ２９ｂの電圧以上に維持する回路構成としているので、インバータ回路１３のスイッチ数をさらに削減して、さらなる小型・低コスト化を実現することができる。また、電気自動車への適用を考えると、補機駆動用の第１バッテリ３として電圧１２Ｖの鉛バッテリを用いることが多く、一方で交流電源２としては電圧１００Ｖｒｍｓなどの商用電源を用いるため、整流後の電圧は第１バッテリ３よりも高い電圧となる。このため、電圧の逆転が生じず、小型化を実現した本実施形態の電力変換装置１Ｂを有効に適用することができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置１Ｃの構成を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置１Ｃは、共用トランス１４の一次巻線１４１ａ，１４１ｂの途中に端子を設け、インバータ回路１３のスイッチ２１〜２４をそれらの端子に接続するようにした例である。なお、本実施形態の電力変換装置１Ｃにおける基本的な構成および動作は第２の実施形態と同様であるので、第２の実施形態と共通若しくは対応する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置１Ｃでは、共用トランス１４の一次巻線１４１ａ，１４１ｂの中点に共通母線ＣＢが接続され、１次巻線１４１ａ，１４１ｂの両端の端子がインバータ回路１３のスイッチ２５，２６を介して交流電源２側の正極（ＰＦＣ回路１２の出力）に接続されるとともに、１次巻線１４１ａ，１４１ｂの途中に設けられた端子がスイッチ２１〜２４を介して第１バッテリ３の正極に接続されている。なお、１次巻線１４１ａ，１４１ｂの端子を設ける巻数は、第１バッテリ３の通常使用時の電圧から設定する。

以上のように、本実施形態の電力変換装置１Ｃは、インバータ回路１３のスイッチ２１〜２４を共用トランス１４の１次巻線１４１ａ，１４１ｂの途中に設けた端子に接続した回路構成としているので、１次巻線１４１ａ，１４１ｂの途中に設けた端子の低い電圧からスイッチ２１〜２４のスイッチングを行うことで、各スイッチ２１〜２４における損失を低減することができる（スイッチの損失にはオンしている間の定常損失とスイッチング損失があるが、スイッチング損失は電流と電圧の積のため、低い電圧からスイッチングしたほうが損失が減る）。したがって、本実施形態の電力変換装置１Ｃによれば、第１バッテリ４への充電を効率良く行うことが可能となり、スイッチの熱を放熱するための冷却器を小型化できるとともに、消費電力の削減を図ることができる。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置１Ｄの構成を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置１Ｄは、整流器やＰＦＣ回路を設けずに、交流電源２のＡＣ出力をそのままインバータ回路１３に入力するようにした例である。なお、本実施形態の電力変換装置１Ｄにおけるその他の構成および基本動作は第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と共通若しくは対応する構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置１Ｄに接続される交流電源２は、片方の電位がアースに接続されている電源であり、一般的な単相１００Ｖの電源である。本実施形態の電力変換装置１Ｄでは、この交流電源２の入力を整流器やＰＦＣ回路を介さずにコンデンサ２９ａ’に接続する。コンデンサ２９ａ’は、第１の実施形態で説明した平滑コンデンサ２９ａよりも容量は小さく、スイッチ２５〜２８のスイッチングによって発生するリプル電流を吸収できる容量とし、第１バッテリ３側の平滑コンデンサ２９ｂよりも小容量のものを用いることができる。

図１４は、本実施形態の電力変換装置１Ｄにおける制御装置１００の制御ブロック図である。本実施形態の電力変換装置１Ｄでは、制御装置１００の電力配分制御器１０２が、コンデンサ２９ａ’の電圧（交流電源２の入力電圧）Ｖ＿ａと平滑コンデンサ２９ｂの電圧（第１バッテリ３の電圧）Ｖｄｃ＿ｂを入力とし、これらの電圧をもとに交流電源２の周期を時間配分する配分時間Ｔｂを求める。配分時間Ｔｂは、第２バッテリ４から第１バッテリ３を充電するための時間であり、交流電源２の周期Ｔａｃのうち、交流電源２から第２バッテリ４を充電する時間はＴａｃ−Ｔｂとなる。

電力配分制御器１０２は、コンデンサ２９ａ’の電圧Ｖ＿ａが所定の閾値Ｖａ＿ｔｈよりも低いときに交流電源２から第２バッテリ４への充電を行わないようにするための時間配分として配分時間Ｔｂ０を演算する。この配分時間Ｔｂ０は、コンデンサ２９ａ’の電圧Ｖ＿ａと閾値Ｖａ＿ｔｈとの比較により求めることができる。また、電力配分制御器１０２は、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂの電圧降下を予防するための時間配分として配分時間Ｔｂ１を演算する。この配分時間Ｔｂ１は、図１５に示す第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂと配分時間Ｔｂ１との関係に基づき、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂから求めることができる。そして、電力配分制御器１０２は、以上のように求めた配分時間Ｔｂ０とＴｂ１のうち、大きい値を最終的な配分時間Ｔｂとして選択し、ＰＷＭ生成器１０３に出力する。

ＰＷＭ生成器１０３は、電力配分制御器１０２からの配分時間Ｔｂに応じて、第２バッテリ４から第１バッテリ３を充電する区間ではスイッチ２１〜２４とスイッチ３１，３２のオン／オフを操作するためのＰＷＭパルスを生成し、交流電源２から第２バッテリ４を充電する区間ではスイッチ２１〜２４とスイッチ３１，３２のオン／オフを操作するためのＰＷＭパルスを生成する。この制御によって、コンデンサ２９ａ’の電圧Ｖ＿ａが低いときにはスイッチ２５〜２８のスイッチングが行われないため、第２バッテリ４へ充電するために共用トランス１４に高い昇圧比は要求されず、トランス巻線の巻き数比を、そのために高くする必要は無い。

図１６は、コンデンサ２９ａ’の電圧Ｖ＿ａと配分時間Ｔｂに対する時間配分の一例を示した図である。この図１６に示すように、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂが十分に高い状況では、コンデンサ２９ａ’の電圧Ｖ＿ａが所定の閾値Ｖａ＿ｔｈよりも低い領域においてスイッチ２１〜２４とスイッチ３１，３２をスイッチングさせて、第２バッテリ４から第１バッテリ３を充電し、コンデンサ２９ａ’の電圧Ｖ＿ａが所定の閾値Ｖａ＿ｔｈよりも高い領域でスイッチ２５〜２８をスイッチングさせて、交流電源２から第２バッテリ４への充電を行う。また、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂが低くなると配分時間Ｔｂを操作して第１バッテリ３への充電時間を変化させ、第１バッテリ３への充電量を制御する。

以上のように、本実施形態の電力変換装置１Ｄは、整流器やＰＦＣ回路を設けずに、交流電源２のＡＣ出力をそのままインバータ回路１３に入力する回路構成としているので、装置全体のさらなる小型・低コスト化を実現することができる。また、電気自動車への適用を考えると、補機駆動用の第１バッテリ３として用いる１２Ｖの鉛バッテリと交流電源２となる単相１００Ｖは、ともに一端がアースであるため、それらのアース側を共通母線ＣＢに接続するとともに交流電源２のもう一方の端子を整流せずに共用トランス１４の一次巻線１４ａ，１４ｂに接続し、制御装置１００が低電圧の領域でのスイッチングを行わない配分制御を行うことで、トランス巻線の巻数比を不要に増やすことなく、共用トランス１４を介した電力変換を適切に行うことができる。

また、本実施形態の電力変換装置１Ｄでは、制御装置１００が、交流電源２の入力電圧Ｖ＿ａが閾値Ｖａ＿ｔｈよりも高い領域で交流電源２から第２バッテリ４への充電が行われ、交流電源２の入力電圧Ｖ＿ａが閾値Ｖａ＿ｔｈよりも低い領域では第２バッテリ４から第１バッテリ３への充電が行われるように、インバータ回路１３のスイッチ２１〜２８およびインバータ回路１５のスイッチ３１，３２のオン／オフを操作するようにしているので、低い交流電圧から大きな昇圧比をとって電力変換を行うことがなく、トランス巻線の巻き数比を選択する際にその設計が容易になる。また、交流電源２の入力電圧Ｖ＿ａが高い領域で第２バッテリ４への充電を行うことで、電力変換の際の損失増加を未然に防ぐことができる。さらに、第１バッテリ３への充電を交流電源２の周期ごとに行えるので、第１バッテリ３を適切な充電量に維持することができる。

さらに、本実施形態の電力変換装置１Ｄでは、制御装置１００が、第１バッテリ３の電圧Ｖｄｃ＿ｂの値に応じて、交流電源２から第２バッテリ４への充電を行う時間と第２バッテリ４から第１バッテリ３への充電を行う時間との時間配分を調整するようにしているので、第１バッテリ３の充電状態が低下している場合には第１バッテリ３への充電を優先させることができ、制御装置１００の電源として用いる第１バッテリ３の電圧降下によって制御不良が生じるといった問題を未然に回避することができる。

なお、以上説明した本発明の実施形態は、本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が上記の実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

１Ａ〜１Ｄ電力変換装置
２交流電源
３第１バッテリ
４第２バッテリ
１１整流器
１３インバータ回路（第１のスイッチ回路）
１４共用トランス
１４１ａ，１４１ｂ一次巻線
１４２ａ，１４２ｂ二次巻線
１５インバータ回路（第２のスイッチ回路）
２１〜２８，３１，３２スイッチ
４１ダイオード
ＣＢ共通母線

Claims

交流電源と第１蓄電手段のいずれか一方と第２蓄電手段との間でトランスを介して電力授受を行う電力変換装置であって、
前記交流電源の入力電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力の負極側と前記第１蓄電手段の負極とを前記トランスの一次巻線に接続する共通母線と、
前記整流回路の出力の正極側と前記第１蓄電手段の正極とを前記トランスの一次巻線に選択的に接続するとともに電力変換を行う第１のスイッチ回路と、
前記第２蓄電手段を前記トランスの二次巻線に接続するとともに電力変換を行う第２のスイッチ回路と、
前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路のスイッチのオン／オフを操作して前記交流電源と前記第１蓄電手段と前記第２蓄電手段の電力を制御する制御手段と、を備え、
前記整流回路の出力の正極側と前記第１蓄電手段の正極とがダイオードを介して接続され、
前記ダイオードは、前記第１蓄電手段の正極から前記整流回路の出力の正極側に向かう方向が順方向となるように、前記第１蓄電手段の正極と前記整流回路の出力の正極側との間に設けられ、
前記第１のスイッチ回路は、前記第１蓄電手段の正極と前記トランスの一次巻線とを逆方向の耐圧を持たせたスイッチで接続するとともに、前記整流回路の出力の正極側と前記トランスの一次巻線とを逆方向の耐圧がないスイッチで接続している
ことを特徴とする電力変換装置。
交流電源と第１蓄電手段のいずれか一方と第２蓄電手段との間でトランスを介して電力授受を行う電力変換装置であって、
前記交流電源の一方の極と前記第１蓄電手段の一方の極とを前記トランスの一次巻線に接続する共通母線と、
前記交流電源の他方の極と前記第１蓄電手段の他方の極とを前記トランスの一次巻線に選択的に接続するとともに電力変換を行う第１のスイッチ回路と、
前記第２蓄電手段を前記トランスの二次巻線に接続するとともに電力変換を行う第２のスイッチ回路と、
前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路のスイッチのオン／オフを操作して前記交流電源と前記第１蓄電手段と前記第２蓄電手段の電力を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記第１蓄電手段に対して要求される充電電力と前記第２蓄電手段に対して要求される充電電力との比率に基づいて、前記交流電源から前記トランスを介して前記第２蓄電手段に電力供給される時間と前記第２蓄電手段から前記トランスを介して前記第１蓄電手段に電力供給される時間との時間配分を求め、当該時間配分に従って、前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路のスイッチのオン／オフを操作する
ことを特徴とする電力変換装置。
前記制御手段は、前記第１蓄電手段の電圧を監視し、前記第１蓄電手段の電圧に応じて、前記交流電源から前記トランスを介して前記第２蓄電手段に電力供給される時間と前記第２蓄電手段から前記トランスを介して前記第１蓄電手段に電力供給される時間との時間配分を調整することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
交流電源と第１蓄電手段のいずれか一方と第２蓄電手段との間でトランスを介して電力授受を行う電力変換装置であって、
前記交流電源の一方の極と前記第１蓄電手段の一方の極とを前記トランスの一次巻線に接続する共通母線と、
前記交流電源の他方の極と前記第１蓄電手段の他方の極とを前記トランスの一次巻線に選択的に接続するとともに電力変換を行う第１のスイッチ回路と、
前記第２蓄電手段を前記トランスの二次巻線に接続するとともに電力変換を行う第２のスイッチ回路と、
前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路のスイッチのオン／オフを操作して前記交流電源と前記第１蓄電手段と前記第２蓄電手段の電力を制御する制御手段と、を備え、
前記共通母線は、前記交流電源のアース端子と前記第１蓄電手段の負極とを前記トランスの一次巻線に接続し、
前記第１のスイッチ回路は、前記交流電源のアース端子以外の端子と前記第１蓄電手段の正極とを前記トランスの一次巻線に選択的に接続し、
前記制御手段は、前記交流電源の入力電圧を監視し、前記交流電源の入力電圧が所定の閾値よりも高い区間において前記交流電源から前記トランスを介して前記第２蓄電手段に電力供給され、前記交流電源の入力電圧が所定の閾値よりも低い区間において前記第２蓄電手段から前記トランスを介して前記第１蓄電手段に電力供給されるように、前記第１のスイッチ回路および前記第２のスイッチ回路のスイッチのオン／オフを操作する
ことを特徴とする電力変換装置。
前記制御手段は、前記第１蓄電手段の電圧を監視し、前記第１蓄電手段の電圧に応じて、前記交流電源から前記トランスを介して前記第２蓄電手段に電力供給される時間と前記第２蓄電手段から前記トランスを介して前記第１蓄電手段に電力供給される時間との時間配分を調整することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記トランスの一次巻線に当該巻線の巻数を分割する途中端子が設けられ、
前記第１蓄電手段の他方の極が、前記第１のスイッチ回路のスイッチを介して前記トランスの一次巻線に設けられた途中端子に接続されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の電力変換装置。