JP5786325B2

JP5786325B2 - 電力変換回路システム

Info

Publication number: JP5786325B2
Application number: JP2010273252A
Authority: JP
Inventors: 将紀石垣; 修二戸村; 梅野　孝治; 孝治梅野; 賢樹岡村; 大悟野辺; 好志中村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2030-12-08
Also published as: JP2012125040A

Description

本発明は、電力変換回路システムに係り、特に、複数の入出力ポートを有する電力変換回路を備える電力変換回路システムに関する。

複数の入出力ポートを有する電力変換回路において、複数の入出力ポートのうちの２つの入出力ポートの間で電力変換を行うことが望まれる場合がある。例えば、特許文献１には、３つの入出力ポートを有し、ハーフブリッジ回路を含むＤＣ−ＤＣコンバータ回路が開示されている。そして、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の３つの入出力ポートには、高圧インバータ回路と、１４ｖ用負荷と、４２ｖ用負荷とが接続されることが開示されている。

また、特許文献２には、２つの入出力ポートを有し、フルブリッジ回路を含むＤＣ−ＤＣコンバータ回路が開示されている。そして、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、変圧器を構成するリアクトルの他に３つのリアクトルが設けられている。また、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の２つの入出力ポートには、高圧インバータ回路と低圧電子機器が接続されることが開示されている。

米国特許第７４０８７９４号明細書特開２００６−１８７１４７号公報

ところで、１次側変換回路の２つの入出力ポートと、１次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含み、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路を備える電力変換回路システムのうち、１次側変換回路と２次側変換回路のそれぞれに二次電池が１つずつ接続されていることがある。このような場合に、４つの入出力ポートのいずれか１つに接続される外部交流電源を用いて、上記二次電池のいずれにも充電できることが求められる。

本発明の目的は、外部交流電源を用いて、１次側変換回路と２次側変換回路のそれぞれに接続される二次電池を好適に充電する電力変換回路システムを提供することである。

本発明に係る電力変換回路システムは、１次側変換回路の２つの入出力ポートと、１次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含み、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路システムであって、１次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される１次側二次電池と、２次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される２次側二次電池と、残りの入出力ポートのいずれか１つに接続される外部交流電源と、外部交流電源から入力された電力を１次側二次電池と２次側二次電池の少なくともいずれか１つに充電するように制御を行う制御部と、を備え、制御部は、外部交流電源から入力された電力を、１次側二次電池と２次側二次電池のうち外部交流電源が接続されている変換回路に接続される一方の二次電池を介して他方の二次電池に充電するように制御することを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換回路システムは、１次側変換回路の２つの入出力ポートと、１次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含み、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路システムであって、１次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される１次側二次電池と、２次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される２次側二次電池と、残りの入出力ポートのいずれか１つに接続される外部交流電源と、外部交流電源から入力された電力を１次側二次電池と２次側二次電池の少なくともいずれか１つに充電するように制御を行う制御部と、外部交流電源から入力された電力を、１次側二次電池と２次側二次電池とのうち外部交流電源が接続されている変換回路に接続される一方の二次電池に充電する際に、前記一方の二次電池を昇温する昇温手段とを備え、昇温手段は、前記一方の二次電池の内部インピーダンスが最も小さくなる周波数に基づいて決定されたタイミングで、前記一方の二次電池が接続される変換回路のスイッチング素子のスイッチングを切り替えるように制御することを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換回路システムは、１次側変換回路の２つの入出力ポートと、１次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含み、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路システムであって、１次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される１次側二次電池と、２次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される２次側二次電池と、残りの入出力ポートのいずれか１つに接続される外部交流電源と、外部交流電源から入力された電力を１次側二次電池と２次側二次電池の少なくともいずれか１つに充電するように制御を行う制御部とを備え、１次側変換回路は、１次側変換回路と２次側変換回路を磁気結合するセンタータップ式の変圧器の１次側コイルと、変圧器の１次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルと、を有するブリッジ部を含む１次側フルブリッジ回路と、１次側フルブリッジ回路の正極母線と負極母線との間に設けられる第１入出力ポートと、１次側フルブリッジ回路の負極母線と変圧器の１次側コイルのセンタータップとの間に設けられる第２入出力ポートとを有し、２次側変換回路は、センタータップ式の変圧器の２次側コイルと、変圧器の２次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される２次側磁気結合リアクトルと、を有するブリッジ部を含む２次側フルブリッジ回路と、２次側フルブリッジ回路の正極母線と負極母線との間に設けられる第３入出力ポートと、２次側フルブリッジ回路の負極母線と変圧器の２次側コイルのセンタータップとの間に設けられる第４入出力ポートとを有し、１次側二次電池は、第２入出力ポートに接続され、２次側二次電池は、第３入出力ポートに接続され、外部交流電源は、ダイオードブリッジ回路を介して第４入出力ポートに接続されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力変換回路システムにおいて、第４入出力ポートは、その接続先を、キャパシタとダイオードブリッジ回路を介した外部交流電源とのうち、いずれか一方に切り替える切替手段を有することが好ましい。

上記発明の構成によれば、外部交流電源から入力された電力を１次側二次電池と２次側二次電池の少なくともいずれか１つに充電するように制御することができる。これにより、外部交流電源を用いて、１次側変換回路と２次側変換回路のそれぞれに接続される二次電池を好適に充電することができる。

本発明に係る実施の形態において、電力変換回路を備える電力変換回路システムを示す図である。本発明に係る実施の形態において、制御回路の制御によって、電力変換回路に与えられる供給電圧に関するタイミングチャートを示す図である。本発明に係る実施の形態において、電力変換回路システムを示す図である。本発明に係る実施の形態において、２次側変換回路を示す図である。本発明に係る実施の形態において、二次電池の内部等価回路を示す図である。本発明に係る実施の形態において、２次側変換回路と二次電池に流れる電流波形を示す図である。本発明に係る実施の形態において、外部交流電源を用いて各二次電池を充電する手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、電力変換回路１０を備える電力変換回路システム１００を示す図である。電力変換回路システム１００は、電力変換回路１０と制御回路５０とを含んで構成される。電力変換回路１０は、４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートを選択し、当該２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する。電力変換回路１０は、１次側変換回路２０と、２次側変換回路３０とを含んで構成される。なお、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０とは、変圧器４００（センタータップ式変圧器）で磁気結合されている。

１次側変換回路２０は、１次側フルブリッジ回路２００と、第１入出力ポート２８０と、第２入出力ポート２９０とを含んで構成される。１次側フルブリッジ回路２００は、変圧器４００の１次側コイル２０２と、１次側磁気結合リアクトル２０４と、１次側左上アーム２０６と、１次側左下アーム２０８と、１次側右上アーム２１０と、１次側右下アーム２１２とを含んで構成される。ここで、１次側左上アーム２０６と、１次側左下アーム２０８と、１次側右上アーム２１０と、１次側右下アーム２１２は、それぞれＭＯＳトランジスタと、当該ＭＯＳトランジスタに並列に接続されるダイオードで構成されている。

１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側左上アーム２０６と、１次側左下アーム２０８とを直列接続した１次側左側アーム回路２０７が取り付けられている。さらに、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間には、１次側右上アーム２１０と、１次側右下アーム２１２とを直列接続した１次側右側アーム回路２１１が１次側左側アーム回路２０７と並列に取り付けられている。

１次側左側アーム回路２０７の中点２０７ｍと１次側右側アーム回路２１１の中点２１１ｍを接続するブリッジ部分には、１次側コイル２０２と１次側磁気結合リアクトル２０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、１次側左側アーム回路２０７の中点２０７ｍには、１次側磁気結合リアクトル２０４ａの一方端が接続される。そして、１次側磁気結合リアクトル２０４ａの他方端には、１次側コイル２０２の一方端が接続される。さらに、１次側コイル２０２の他方端には、１次側磁気結合リアクトル２０４ｂの一方端が接続される。それから、１次側磁気結合リアクトル２０４ｂの他方端が１次側右側アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。なお、１次側磁気結合リアクトル２０４は、１次側磁気結合リアクトル２０４ａと、その１次側磁気結合リアクトル２０４ａと磁気結合する１次側磁気結合リアクトル２０４ｂとを含んで構成される。

第１入出力ポート２８０は、１次側正極母線２９８と１次側負極母線２９９との間に設けられるポートである。第１入出力ポート２８０は、端子６０２と端子６０４とを含んで構成される。第２入出力ポート２９０は、１次側負極母線２９９と１次側コイル２０２のセンタータップ２０２ｍとの間に設けられるポートである。第２入出力ポート２９０は、端子６０４と端子６０６とを含んで構成される。

２次側変換回路３０は、２次側フルブリッジ回路３００と、第３入出力ポート３８０と、第４入出力ポート３９０とを含んで構成される。２次側フルブリッジ回路３００は、変圧器４００の２次側コイル３０２と、２次側磁気結合リアクトル３０４と、２次側左上アーム３０６と、２次側左下アーム３０８と、２次側右上アーム３１０と、２次側右下アーム３１２とを含んで構成される。ここで、２次側左上アーム３０６と、２次側左下アーム３０８と、２次側右上アーム３１０と、２次側右下アーム３１２は、それぞれバイポーラトランジスタと、当該バイポーラトランジスタに並列に接続されるダイオードで構成されている。

２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側左上アーム３０６と、２次側左下アーム３０８とを直列接続した２次側左側アーム回路３０７が取り付けられている。さらに、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間には、２次側右上アーム３１０と、２次側右下アーム３１２とを直列接続した２次側右側アーム回路３１１が２次側左側アーム回路３０７と並列に取り付けられている。

２次側左側アーム回路３０７の中点３０７ｍと２次側右側アーム回路３１１の中点３１１ｍを接続するブリッジ部分には、２次側コイル３０２と２次側磁気結合リアクトル３０４とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、２次側右側アーム回路３１１の中点３１１ｍには、２次側磁気結合リアクトル３０４ａの一方端が接続される。そして、２次側磁気結合リアクトル３０４ａの他方端には、２次側コイル３０２の一方端が接続される。さらに、２次側コイル３０２の他方端には、２次側磁気結合リアクトル３０４ｂの一方端が接続される。それから、２次側磁気結合リアクトル３０４ｂの他方端が２次側左側アーム回路３０７の中点３０７ｍに接続される。なお、２次側磁気結合リアクトル３０４は、２次側磁気結合リアクトル３０４ａと、その２次側磁気結合リアクトル３０４ａと磁気結合する１次側磁気結合リアクトル３０４ｂとを含んで構成される。

第３入出力ポート３８０は、２次側正極母線３９８と２次側負極母線３９９との間に設けられるポートである。第３入出力ポート３８０は、端子６０８と端子６１０とを含んで構成される。第４入出力ポート３９０は、２次側負極母線３９９と２次側コイル３０２のセンタータップ３０２ｍとの間に設けられるポートである。第４入出力ポート３９０は、端子６１０と端子６１２とを含んで構成される。

制御回路５０は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子（ＭＯＳトランジスタあるいはバイポーラトランジスタ）のスイッチング制御を行う機能を有する。制御回路５０は、電力変換モード決定処理部５０２と、位相差φ決定処理部５０４と、オン時間δ決定処理部５０６と、１次側スイッチング処理部５０８と、２次側スイッチング処理部５１０とを含んで構成される。

電力変換モード決定処理部５０２は、図示しない外部信号や後述する制御回路５０の外部充電処理部５１４（図３参照）からの信号に基づいて、次に述べる電力変換回路１０の電力変換モードＡ〜Ｌの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第１入出力ポート２８０から入力された電力を変換して第２入出力ポート２９０へ出力するモードＡと、第１入出力ポート２８０から入力された電力を変換して第３入出力ポート３８０へ出力するモードＢと、第１入出力ポート２８０から入力された電力を変換して第４入出力ポート３９０へ出力するモードＣがある。

そして、第２入出力ポート２９０から入力された電力を変換して第１入出力ポート２８０へ出力するモードＤと、第２入出力ポート２９０から入力された電力を変換して第３入出力ポート３８０へ出力するモードＥと、第２入出力ポート２９０から入力された電力を変換して第４入出力ポート３９０へ出力するモードＦがある。

さらに、第３入出力ポート３８０から入力された電力を変換して第１入出力ポート２８０へ出力するモードＧと、第３入出力ポート３８０から入力された電力を変換して第２入出力ポート２９０へ出力するモードＨと、第３入出力ポート３８０から入力された電力を変換して第４入出力ポート３９０へ出力するモードＩがある。

それから、第４入出力ポート３９０から入力された電力を変換して第１入出力ポート２８０へ出力するモードＪと、第４入出力ポート３９０から入力された電力を変換して第２入出力ポート２９０へ出力するモードＫと、第４入出力ポート３９０から入力された電力を変換して第３入出力ポート３８０へ出力するモードＬがある。

位相差φ決定処理部５０４は、電力変換回路１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間のスイッチング素子のスイッチング周期の位相差φを設定する機能を有する。

オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。

１次側スイッチング処理部５０８は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、１次側左上アーム２０６と、１次側左下アーム２０８と、１次側右上アーム２１０と、１次側右下アーム２１２の各スイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）をスイッチング制御する機能を有する。

２次側スイッチング処理部５１０は、電力変換モード決定処理部５０２と位相差φ決定処理部５０４とオン時間δ決定処理部５０６の出力に基づいて、２次側左上アーム３０６と、２次側左下アーム３０８と、２次側右上アーム３１０と、２次側右下アーム３１２の各スイッチング素子（バイポーラトランジスタ）をスイッチング制御する機能を有する。

上記電力変換回路システム１００の動作について、図１を用いて説明する。電力変換回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御回路５０の電力変換モード決定処理部５０２は、電力変換回路１０の電力変換モードをモードＦとして決定する。このとき、第２入出力ポート２９０に入力された電圧が１次側変換回路２０の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧が電力変換回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能によって第３入出力ポート側へと伝送され、さらに、２次側変換回路３０の降圧機能によって降圧されて第４入出力ポートから出力される。

ここで、１次側変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。第２入出力ポート２９０と第１入出力ポート２８０について着目すると、第２入出力ポート２９０の端子６０６は、１次側コイル２０２ａと、１次側コイル２０２ａに直列接続される１次側磁気結合リアクトル２０４ａを介して、１次側左側アーム回路２０７の中点２０７ｍに接続される。そして、１次側左側アーム回路２０７の両端は、第１入出力ポート２８０に接続されているため、第２入出力ポート２９０の端子６０６と第１入出力ポート２８０との間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。

さらに、第２入出力ポート２９０の端子６０６は、１次側コイル２０２ｂと、１次側コイル２０２ｂに直列接続される１次側磁気結合リアクトル２０４ｂを介して、１次側右側アーム回路２１１の中点２１１ｍに接続される。そして、１次側右側アーム回路２１１の両端は、第１入出力ポート２８０に接続されているため、第２入出力ポート２９０の端子６０６と第１入出力ポート２８０との間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第４入出力ポート３９０の端子６１２と第３入出力ポート３８０との間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、２次側変換回路３０は、１次側変換回路２０と同様に昇降圧機能を有する。

次に、電力変換回路１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第１入出力ポート２８０と第３入出力ポート３８０について着目すると、第１入出力ポート２８０には、１次側フルブリッジ回路２００が接続され、第３入出力ポート３８０は、２次側フルブリッジ回路３００が接続されている。そして、１次側フルブリッジ回路２００のブリッジ部分に設けられる１次側コイル２０２と、２次側フルブリッジ回路３００のブリッジ部分に設けられる２次側コイル３０２とが磁気結合することで、変圧器４００（巻き数が１：Ｎのセンタータップ式変圧器）として機能する。したがって、１次側フルブリッジ回路２００と２次側フルブリッジ回路３００のスイッチング素子のスイッチング周期の位相差を調整することで、第１入出力ポート２８０に入力された電力を変換して第３入出力ポート３８０に伝送し、あるいは、第３入出力ポート３８０に入力された電力を変換して第１入出力ポート２８０に伝送させることができる。

図２は、制御回路５０の制御によって、電力変換回路１０に与えられる供給電圧に関するタイミングチャートを示す図である。ここで、Ｖ_u1は、１次側左側アーム回路２０７の中点２０７ｍの電位であり、Ｖ_v1は、１次側右側アーム回路２１１の中点２１１ｍの電位であり、Ｖ_u2は、２次側左側アーム回路３０７の中点３０７ｍの電位であり、Ｖ_v2は、２次側右側アーム回路３１１の中点３１１ｍの電位である。

ここで、Ｖ_u1とＶ_v1とＶ_u2とＶ_v2の各オン時間δを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の昇降圧比を変更することができる。また、Ｖ_u1とＶ_v1との位相差は、１８０度（π）で動作させ、Ｖ_u2とＶ_v2との位相差も１８０度（π）で動作させる。さらに、Ｖ_u1とＶ_u2の位相差φを変更することで、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０の間の電力送電量を調整することができ、位相差φ＞０であれば、１次側変換回路２０から２次側変換回路３０に伝送し、位相差φ＜０であれば、２次側変換回路３０から１次側変換回路２０に伝送することができる。

したがって、電力変換回路１０の電力変換モードをモードＦとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部５０２はモードＦを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部５０６は、１次側変換回路２０を第２入出力ポート２９０に入力された電圧を昇圧して第１入出力ポート２８０に出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、２次側変換回路３０では、オン時間δ決定処理部５０６によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第３入出力ポート３８０に入力された電圧を降圧して第４入出力ポート３９０に出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部５０４は、第１入出力ポート２８０に入力された電力を所望の電力送電量で第３入出力ポート２９０に伝送するための位相差φを設定する。

１次側スイッチング処理部５０８は、１次側変換回路２０を昇圧回路として、かつ、１次側変換回路２０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、１次側左上アーム２０６と、１次側左下アーム２０８と、１次側右上アーム２１０と、１次側右下アーム２１２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。

２次側スイッチング処理部５１０は、２次側変換回路３０を降圧回路として、かつ、２次側変換回路３０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部として機能させるように、２次側左上アーム３０６と、２次側左下アーム３０８と、２次側右上アーム３１０と、２次側右下アーム３１２の各スイッチング素子をスイッチング制御する。

上記のように、１次側変換回路２０および２次側変換回路３０を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電力変換回路１０を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードＡ〜Ｆの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、４つの入出力ポートのうちから選択された２つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。

次に、電力変換回路１０の各ポートに二次電池等が接続された電力変換回路システム１０１について説明する。図３は、電力変換回路システム１０１を示す図である。電力変換回路システム１０１は、電力変換回路１０と、制御回路５０ａと、第１入出力ポート２８０に接続されたキャパシタ５１と、第２入出力ポート２９０に接続された二次電池５５と、第３入出力ポート３８０に接続された二次電池６０と、第４入出力ポートに接続される電流センサ７１、切替回路７２、キャパシタ７４、ダイオードブリッジ７６、外部交流電源７８とを含んで構成される。電力変換回路システム１０１と電力変換回路システム１００との相違は、キャパシタ５１、二次電池５５、二次電池６０、電流センサ７１、切替回路７２、キャパシタ７４、ダイオードブリッジ７６、外部交流電源７８、負荷６５、負荷６６、負荷６７を有する点と、制御回路５０ａのＳＯＣ読取処理部５１２、外部充電処理部５１４、昇温処理部５１６、リレー切替処理部５１８の機能であるため、その相違点を中心に説明する。

負荷６５は、車両駆動用の負荷装置であり、例えば、力行回生が可能なモータジェネレータを用いて構成される。二次電池６０は、負荷６５の要求電力に対して電力供給を行う車両駆動用バッテリであり、例えば、２００ｖ〜３００ｖの電圧を出力するリチウムイオン二次電池を用いて構成される。

負荷６６は、４２ｖ〜４６ｖ程度の電圧で動作する負荷装置であり、例えば、電動パワーステアリングを用いて構成される。負荷６７は、制御システム用の負荷装置である。キャパシタ５１は、１次側変換回路２０によって昇圧された電圧を蓄積する容量素子である。二次電池５５は、負荷６６と負荷６７の要求電力に対して電力を供給する制御システム用バッテリであり、例えば、１２ｖの電圧を出力する鉛蓄電池を用いて構成される。そして、二次電池５５から出力された１２ｖの電圧が負荷６７に供給されるとともに、１次側変換回路２０によって昇圧（昇圧比４倍）され、キャパシタ５１を介して負荷６６に供給される。

電流センサ７１は、第４入出力ポート３９０の端子６１２と切替回路７２の第１端子７２１との間に設けられる電流計である。

キャパシタ７４は、一方側端子が第４入出力ポート３９０の端子６１０と接続され、他方側端子が切替回路７２の第２端子７２２と接続される容量素子である。

ダイオードブリッジ７６は、ダイオード７６２，７６４，７６６，７６８を含んで構成されるブリッジ型全波整流回路であり、一方側端子が第４入出力ポートの端子６１０と接続され、他方側端子が切替回路７２の第３端子７２３と接続される。

外部交流電源７８は、一方側端子がダイオードブリッジ７６のダイオード７６２とダイオード７６４との接続点に接続され、他方側端子がダイオードブリッジ７６のダイオード７６６とダイオード７６８との接続点に接続される。外部交流電源７８は、電力会社等の系統電力から供給される商用電源を用いることができ、例えば１００ｖの交流電源が用いられる。

切替回路７２は、制御回路５０ａによって切替制御がなされ、第１端子７２１が第２端子７２２と接続されたときは第４入出力ポート３９０にはキャパシタ７４が接続されることとなり、第１端子７２１が第３端子７２３と接続されたときは第４入出力ポート３９０にはダイオードブリッジ７６を介して外部交流電源７８が接続されていることとなる。

ＳＯＣ読取処理部５１２は、各二次電池の蓄電量ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）（ここで、二次電池５５のＳＯＣをＳＯＣ（Ｓ）とし、二次電池６０のＳＯＣをＳＯＣ（Ｖ）とする）を読み取る機能を有する。また、ＳＯＣ読取処理部５１２は、二次電池５５のＳＯＣ（Ｓ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｓ））よりも大きいか否かを判断する機能を有する。さらに、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも大きいか否かを判断する機能を有する。そして、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の上限蓄電量（ＳＯＣ_max（Ｖ））よりも小さいか否かを判断する機能を有する。

外部充電処理部５１４は、外部交流電源７８からの電力によって二次電池６０に対して充電すべき充電電力に関する指令値を算出し、電力変換回路１０がモードＬとして動作するように電力変換モード決定処理部５０２に対して指令を与える機能を有する。また、外部充電処理部５１４は、外部交流電源７８からの電力を二次電池６０を介して二次電池５５を充電する場合にも、充電すべき充電電力に関する指令値を算出し、電力変換回路１０がモードＨとして動作するように電力変換モード決定処理部５０２に対して指令を与える機能を有する。さらに、外部充電処理部５１４は、外部交流電源７８の位相変化に応じて電流センサ７１によって計測される電流値Ｉを適宜制御することで、力率改善制御（ＰＦＣ制御）しながら２次側変換回路３０を昇圧回路として動作させる機能を有する。また、外部充電処理部５１４は、外部交流電源７８を用いて二次電池６０、二次電池５５を充電する２つのモードである充電モード１，２のうち、いずれの充電モードとなるかを設定し、設定した後はいずれの充電モードが設定されているかについて判断する機能を有する。

昇温処理部５１６は、２次側変換回路３０に対して昇温制御を行い、二次電池６０自身が発生する熱を利用して二次電池６０の温度を上昇させる機能を有する。ここで、昇温処理部５１６によって昇温制御がなされる前には、リレー切替処理部５１８によって切替回路７２の第１端子７２１の接続先が第２端子７２２に切り替えられているため、第４入出力ポート３９０にはキャパシタ７４が接続されていることとなる。そして、このときの２次側変換回路３０を切り出した図を図４として記載する。また、二次電池６０の内部等価回路を図５に示す。また、昇温処理部５１６は、二次電池６０の電池温度ＴＢが所定の閾値温度Ｔｘよりも大きいか否かを判断する機能を有する。

図５に示されるように、二次電池６０の内部インピーダンスは、抵抗成分６０６，６１０、リアクトル成分６０８、キャパシタ成分６０４を有しており、それぞれが変化すると二次電池６０の内部インピーダンスも変化する。したがって、二次電池６０の内部インピーダンスが最も小さくなるような周波数で２次側変換回路３０を動作させることで、二次電池６０を流れる電流のピーク値も大きくなり、これにより、二次電池６０からの発熱量が大きくなる。

このように、内部インピーダンスが最も小さくなるような周波数であり、２次側左側アーム回路３０７と２次側右側アーム回路３１１のデューティ比が５０％となるようなオン時間δを設定するようにオン時間δ決定処理部５０６に指令を与え、Ｖ_u1とＶ_u2との位相差φ及びＶ_v1とＶ_v2との位相差φも１８０度（π）で動作するように位相差φ決定処理部５０４に指令を与える。これにより、キャパシタ７４を介して２次側左側アーム回路３０７と２次側右側アーム回路３１１には、それぞれ図６に示される電流３０７ｉ、３１１ｉが流れ、二次電池６０には図６に示されるように６０ｉのように、のこぎり波状の電流が流れるため二次電池６０の昇温制御が行える。

なお、このとき、内部インピーダンスが最も小さくなる周波数としての周波数を負荷６５のモータジェネレータによって走行する動作周波数よりも低く設計することで、変圧器４００が飽和して無効化し空芯リアクトルとなるため、１次側変換回路２０と２次側変換回路３０との間での電力の授受は行われない。これにより、１次側変換回路２０の二次電池５５の電圧や蓄電量を考慮する制御は必要がない。

リレー切替処理部５１８は、切替回路７２の第１端子７２１の接続先を、第２端子７２２あるいは第３端子７２３に切り替える機能を有する。切替回路７２の第１端子７２１の接続先が第２端子７２２に切り替えられたときは、第４入出力ポート３９０には、キャパシタ７４が接続されていることとなり、切替回路７２の第１端子７２１の接続先が第３端子７２３に切り替えられたときは、第４入出力ポート３９０には、ダイオードブリッジ７６を介して外部交流電源７８が接続されていることとなる。

ところで、二次電池５５、二次電池６０に蓄積された電力を各負荷に対して供給していると、それぞれの二次電池５５、二次電池６０の蓄電量ＳＯＣが少なくなるが、電力変換回路システム１０１によれば、外部交流電源７８の電力を用いて、好適に二次電池５５，６０を充電することができる。以下に、電力変換回路システム１０１の動作について説明する。図７は、外部交流電源７８を用いて二次電池５５と二次電池６０の双方を充電する手順を示すフローチャートである。

まず、制御回路５０ａは、二次電池５５，６０の蓄電量ＳＯＣ（Ｓ），ＳＯＣ（Ｖ）を読み取る（Ｓ１０）。この工程は、制御回路５０ａのＳＯＣ読取処理部５１２の機能によって実行される。

次に、二次電池５５のＳＯＣ（Ｓ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｓ））よりも大きいか否かが判断される（Ｓ１２）。この工程は、制御回路５０ａのＳＯＣ読取処理部５１２の機能によって実行される。二次電池５５のＳＯＣ（Ｓ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｓ））よりも大きいと判断されると、Ｓ２２の工程へと進む。

二次電池５５のＳＯＣ（Ｓ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｓ））よりも小さいと判断されると、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも大きいか否かが判断される（Ｓ１４）。この工程は、制御回路５０ａのＳＯＣ読取処理部５１２の機能によって実行される。

Ｓ１４の工程において、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも大きいと判断されると、二次電池６０から二次電池５５に電力が伝送されるように、電力変換回路１０をモードＨとして動作させる（Ｓ１６）。この工程は、制御回路５０ａの外部充電処理部５１４と電力変換モード決定処理部５０２の機能によって実行される。Ｓ１６の工程の後は、Ｓ１２の工程へと進む。

Ｓ１４の工程において、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも小さいと判断されると、充電モードを１として設定する（Ｓ１８）。この工程は、制御回路５０ａの外部充電処理部５１４の機能によって実行される。

Ｓ１８の工程の後は、二次電池６０に対して必要な充電電力の最大指令値を算出する（Ｓ２８）。この工程は、制御回路５０ａの外部充電処理部５１４の機能によって実行される。そして、切替回路７２の第１端子７２１の接続先を第３端子７２３に切り替える（Ｓ３０）。この工程は、リレー切替処理部５１８の機能によって実行される。

Ｓ３０の工程の後は、外部交流電源７８の交流電力がダイオードブリッジ７６によって全波整流され、その電力が２次側変換回路３０によって昇圧されて二次電池６０に充電される。ここで、電力変換回路１０をモードＬとして動作するため、２次側変換回路３０は昇圧回路として機能するが、このとき力率改善制御（ＰＦＣ制御）が行われるように制御される。この工程は、制御回路５０ａの外部充電処理部５１４、電力変換モード決定処理部５０２の機能によって実行される。

Ｓ３２の工程の後は、切替回路７２の第１端子７２１の接続先を第２端子７２２に切り替える（Ｓ３３）。この工程は、リレー切替処理部５１８の機能によって実行される。それから、充電モードが１であるか２（充電モードが２の場合についてはＳ２６の工程で説明する）であるかを判断する（Ｓ２０）。この工程は、制御回路５０ａの外部充電処理部５１４の機能によって実行される。Ｓ２０の工程において、充電モードが１と判断されたときは、Ｓ１２の工程へと進む。また、Ｓ２０の工程において、充電モードが２と判断されたときは、Ｓ２２の工程へと進む。

Ｓ２２の工程では、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の上限蓄電量（ＳＯＣ_max（Ｖ））よりも小さいか否かが判断される（Ｓ２２）。この工程は、制御回路５０ａのＳＯＣ読取処理部５１２の機能によって実行される。Ｓ２２の工程において、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の上限蓄電量（ＳＯＣ_max（Ｖ））よりも小さいと判断されたときは、二次電池６０の電池温度ＴＢが所定の閾値温度Ｔｘよりも大きいか否かが判断される（Ｓ２４）。この工程は、制御回路５０ａの昇温処理部５１６の機能によって実行される。Ｓ２４の工程において、二次電池６０の電池温度ＴＢが所定の閾値温度Ｔｘよりも大きいと判断されたときは、充電モードを２として設定する（Ｓ２６）して、Ｓ２８の工程へと進む。この工程は、制御回路５０ａの外部充電処理部５１４の機能によって実行される。

Ｓ２４の工程において、二次電池６０の電池温度ＴＢが所定の閾値温度Ｔｘよりも小さいと判断されたときは、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも小さいか否かが判断される（Ｓ４０）。この工程は、制御回路５０ａのＳＯＣ読取処理部５１２の機能によって実行される。Ｓ４０の工程において、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも大きいと判断されたときは、Ｓ２６の工程へと進む。

Ｓ４０の工程において、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも小さいと判断されたときは、切替回路７２の第１端子７２１の接続先を第２端子７２２に切り替える（Ｓ３８）。この工程は、リレー切替処理部５１８の機能によって実行される。

Ｓ３８の工程の後は、２次側変換回路３０に対して昇温制御を行い、二次電池６０自身が発生する熱を利用して二次電池６０の温度を上昇させる（Ｓ３４）。この工程は、昇温処理部５１６の機能によって実行される。Ｓ３４の工程の後は、Ｓ２４の工程へと進む。

Ｓ２２の工程において、二次電池６０のＳＯＣ（Ｖ）が所定の上限蓄電量（ＳＯＣ_max（Ｖ））よりも大きいと判断されたときは、切替回路７２の第１端子７２１の接続先を第２端子７２２に切り替える（Ｓ３６）。この工程は、リレー切替処理部５１８の機能によって実行される。Ｓ３６の工程の後はＥＮＤ処理へと進む。

上記のように、電力変換回路システム１０１によれば、制御システム用バッテリである二次電池５５の蓄電量ＳＯＣ（Ｓ）が不足している場合に、車両駆動用バッテリである二次電池６０の蓄電量ＳＯＣ（Ｖ）が十分であれば、二次電池６０から二次電池５５に電力が伝送されるように制御することで二次電池５５の蓄電量ＳＯＣ（Ｓ）を補充することができる。

そして、二次電池５５の蓄電量ＳＯＣ（Ｓ）が不足している場合に、二次電池６０の蓄電量ＳＯＣ（Ｖ）も不足していれば、一旦外部交流電源７８を用いて二次電池６０を充電し二次電池６０の蓄電量ＳＯＣ（Ｖ）を十分な状態とし、その後二次電池６０から二次電池５５に電力が伝送されるように制御することで二次電池５５の蓄電量ＳＯＣ（Ｓ）を補充することができる。

また、電力変換回路システム１０１によれば、二次電池５５と二次電池６０のうち、二次電池５５の充電を優先的に行い、二次電池５５の蓄電量ＳＯＣ（Ｓ）が十分であることが確認されてから、二次電池６０の充電の必要性について判断されている。このとき、二次電池６０の蓄電量ＳＯＣ（Ｖ）が不足していると判断され、二次電池６０の温度ＴＢが低温状態で、かつ、蓄電量ＳＯＣ（Ｖ）が所定の下限蓄電量（ＳＯＣ_min（Ｖ））よりも下回っている場合には、２次側変換回路３０を昇温制御して二次電池６０の温度を上昇させることで、外部交流電源７８を用いる充電を好適に行わせることができる。

１０電力変換回路、２０１次側変換回路、３０２次側変換回路、５０，５０ａ制御回路、５１キャパシタ、５５，６０二次電池、６５，６６，６７負荷、７１電流センサ、７２切替回路、７４キャパシタ、７６ダイオードブリッジ、７８外部交流電源、１００，１０１電力変換回路システム、２００１次側フルブリッジ回路
２０２，２０２ａ，２０２ｂ１次側コイル、２０２ｍセンタータップ、２０４，２０４ａ，２０４ｂ１次側磁気結合リアクトル、２０６１次側左上アーム、２０７１次側左側アーム回路、２０７ｍ中点、２０８１次側左下アーム、２１０１次側右上アーム、２１１１次側右側アーム回路、２１１ｍ中点、２１２１次側右下アーム、２８０，２９０入出力ポート、２９８１次側正極母線、２９９１次側負極母線、３００２次側フルブリッジ回路、３０２２次側コイル、３０２ｍセンタータップ、３０４，３０４ａ，３０４ｂ２次側磁気結合リアクトル、３０６２次側左上アーム、３０７２次側左側アーム回路、３０７ｉ電流、３０７ｍ中点、３０８２次側左下アーム、３１０２次側右上アーム、３１１２次側右側アーム回路、３１１ｍ中点、３１２２次側右下アーム、３８０第３入出力ポート、３９０第４入出力ポート、３９８２次側正極母線、３９９２次側負極母線、４００変圧器、５０２電力変換モード決定処理部、５０４位相差φ決定処理部、５０６オン時間δ決定処理部、５０８１次側スイッチング処理部、５１０２次側スイッチング処理部、５１２ＳＯＣ読取処理部、５１４外部充電処理部、５１６昇温処理部、５１８リレー切替処理部、６０２，６０４，６０６，６０８，６１０，６１２端子、７２１第１端子、７２２第２端子、７２３第３端子、７６２，７６４，７６６，７６８ダイオード。

Claims

１次側変換回路の２つの入出力ポートと、
１次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含み、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路システムであって、
１次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される１次側二次電池と、
２次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される２次側二次電池と、
残りの入出力ポートのいずれか１つに接続される外部交流電源と、
外部交流電源から入力された電力を１次側二次電池と２次側二次電池の少なくともいずれか１つに充電するように制御を行う制御部と、
を備え、
制御部は、
外部交流電源から入力された電力を、１次側二次電池と２次側二次電池のうち外部交流電源が接続されている変換回路に接続される一方の二次電池を介して他方の二次電池に充電するように制御することを特徴とする電力変換回路システム。
１次側変換回路の２つの入出力ポートと、
１次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含み、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路システムであって、
１次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される１次側二次電池と、
２次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される２次側二次電池と、
残りの入出力ポートのいずれか１つに接続される外部交流電源と、
外部交流電源から入力された電力を１次側二次電池と２次側二次電池の少なくともいずれか１つに充電するように制御を行う制御部と、
外部交流電源から入力された電力を、１次側二次電池と２次側二次電池とのうち外部交流電源が接続されている変換回路に接続される一方の二次電池に充電する際に、前記一方の二次電池を昇温する昇温手段とを備え、
昇温手段は、前記一方の二次電池の内部インピーダンスが最も小さくなる周波数に基づいて決定されたタイミングで、前記一方の二次電池が接続される変換回路のスイッチング素子のスイッチングを切り替えるように制御することを特徴とする電力変換回路システム。
１次側変換回路の２つの入出力ポートと、
１次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含み、任意の２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換回路システムであって、
１次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される１次側二次電池と、
２次側変換回路の入出力ポートのいずれか１つに接続される２次側二次電池と、
残りの入出力ポートのいずれか１つに接続される外部交流電源と、
外部交流電源から入力された電力を１次側二次電池と２次側二次電池の少なくともいずれか１つに充電するように制御を行う制御部とを備え、
１次側変換回路は、
１次側変換回路と２次側変換回路を磁気結合するセンタータップ式の変圧器の１次側コイルと、変圧器の１次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルと、を有するブリッジ部を含む１次側フルブリッジ回路と、
１次側フルブリッジ回路の正極母線と負極母線との間に設けられる第１入出力ポートと、
１次側フルブリッジ回路の負極母線と変圧器の１次側コイルのセンタータップとの間に設けられる第２入出力ポートとを有し、
２次側変換回路は、
センタータップ式の変圧器の２次側コイルと、変圧器の２次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される２次側磁気結合リアクトルと、を有するブリッジ部を含む２次側フルブリッジ回路と、
２次側フルブリッジ回路の正極母線と負極母線との間に設けられる第３入出力ポートと、
２次側フルブリッジ回路の負極母線と変圧器の２次側コイルのセンタータップとの間に設けられる第４入出力ポートとを有し、
１次側二次電池は、第２入出力ポートに接続され、
２次側二次電池は、第３入出力ポートに接続され、
外部交流電源は、
ダイオードブリッジ回路を介して第４入出力ポートに接続されることを特徴とする電力変換回路システム。
請求項３に記載の電力変換回路システムにおいて、
第４入出力ポートは、
その接続先を、キャパシタとダイオードブリッジ回路を介した外部交流電源とのうち、いずれか一方に切り替える切替手段を有することを特徴とする電力変換回路システム。