JP5791153B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用交流電源等から供給された交流入力電圧を所望の直流出力電圧に変換し、該直流出力電圧で蓄電池を充電する蓄電装置に関する。

近年、電力需要のピーク値の抑制および深夜電力の有効活用を図るべく、蓄電装置の普及が進められている。従来の蓄電装置としては、例えば、図４に示す蓄電装置２０が知られている。蓄電装置２０は、深夜等の電力需要が低いときを見計らって、商用交流電源１０から供給された交流入力電圧Ｖａｃを所望の直流出力電圧Ｖｏｕｔに変換し、これにより蓄電池１１を充電するものである。

同図に示すように、蓄電装置２０は、ＡＣ／ＤＣ変換部２１、ＤＣ／ＤＣ変換部２２、平滑コンデンサＣ２および制御部２３を備えている。このうち、ＡＣ／ＤＣ変換部２１および平滑コンデンサＣ２は、交流入力電圧ＶａｃのピークにおいてもＡＣ／ＤＣ変換部２１の動作に必要不可欠な余裕度αが確保される電圧値まで交流入力電圧Ｖａｃを昇圧し、該昇圧によって得た直流電圧（ＤＣ／ＤＣ変換部２２の入力電圧Ｖｉｎ）を出力する（図５の動作１参照）。また、ＤＣ／ＤＣ変換部２２は、入力電圧Ｖｉｎを降圧して蓄電池１１の電圧値Ｖｂに等しい直流出力電圧Ｖｏｕｔを出力する（図５の動作２参照）。制御部２３は、ＡＣ／ＤＣ変換部２１およびＤＣ／ＤＣ変換部２２のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

なお、このような蓄電装置２０は、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００３−３０９９２７号公報

しかしながら、上記従来の蓄電装置２０は、定格電圧が低い蓄電池１１の充電を行う場合、および放電により電圧が低下した蓄電池１１の充電を行う場合に、ＤＣ／ＤＣ変換部２２における降圧幅、すなわちＤＣ／ＤＣ変換部２２の入力電圧（直流電圧Ｖｉｎ）の電圧値と出力電圧（直流出力電圧Ｖｏｕｔ）の電圧値との差が大きくなり、ＤＣ／ＤＣ変換部２２における損失が大きくなるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、従来のものよりも損失が少なく、効率が優れた蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る蓄電装置は、交流入力電圧を変換することによって得られた直流出力電圧により蓄電池を充電する蓄電装置であって、交流入力電圧が入力されるＡＣ／ＤＣ変換部と、ＡＣ／ＤＣ変換部の出力側に設けられ、直流出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣ変換部と、導通状態および非導通状態に切り替え可能なスイッチ部を介してＡＣ／ＤＣ変換部およびＤＣ／ＤＣ変換部の間に設けられた平滑コンデンサと、蓄電池の電圧値を検知する蓄電池電圧検知部と、検知された蓄電池の電圧値に応じてＡＣ／ＤＣ変換部、ＤＣ／ＤＣ変換部およびスイッチ部を制御する制御部とを備え、ＡＣ／ＤＣ変換部は、交流入力電圧を蓄電池の電圧値よりも高い電圧値まで昇圧する通常動作、および交流入力電圧を全波整流する整流動作が可能であり、ＤＣ／ＤＣ変換部は、該ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧を蓄電池の電圧値まで連続的に降圧する通常動作、および該ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧を蓄電池の電圧値まで間欠的に降圧する間欠降圧動作が可能であり、制御部は、（１）蓄電池の電圧値が予め設定された閾値以上の場合に、スイッチ部を導通状態にするとともに、ＡＣ／ＤＣ変換部およびＤＣ／ＤＣ変換部にそれぞれの通常動作を行わせ、（２）蓄電池の電圧値が閾値未満の場合に、スイッチ部を非導通状態にするとともに、ＡＣ／ＤＣ変換部に整流動作を行わせ、ＤＣ／ＤＣ変換部に間欠降圧動作を行わせる。

この構成によれば、蓄電池の電圧値が閾値未満である場合、すなわちＤＣ／ＤＣ変換部における降圧幅（損失）が許容できない程大きくなる場合に、間欠的に降圧チョッパ動作を行うＤＣ／ＤＣ変換部が昇圧されていない入力電圧を降圧するので、降圧幅が小さくなり、ＤＣ／ＤＣ変換部における損失を低減することができる。また、この構成によれば、蓄電池の電圧値が閾値未満である場合に、ＡＣ／ＤＣ変換部が整流動作するので、ＡＣ／ＤＣ変換部における損失を低減することもできる。

ＤＣ／ＤＣ変換部に間欠降圧動作を行わせるための構成としては、例えば、ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧の電圧値を検知する入力電圧検知部をさらに備えるとともに、制御部が、入力電圧検知部によって検知された入力電圧の電圧値が蓄電池の電圧値に所定の余裕度を加算した電圧値を超えている間に限り、ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧を蓄電池の電圧値まで降圧させる構成が考えられる。

上記蓄電装置は、ＡＣ／ＤＣ変換部およびＤＣ／ＤＣ変換部が双方向に動作し得る構成となっており、蓄電池に充電された電力を放電する際に、ＤＣ／ＤＣ変換部が蓄電池からの直流入力電圧を昇圧し、ＡＣ／ＤＣ変換部が昇圧された前記直流入力電圧を交流出力電圧に変換することが好ましい。

本発明によれば、従来のものよりも損失が少なく、効率が優れた蓄電装置を提供することができる。

本発明に係る蓄電装置の回路図である。 本発明に係る蓄電装置の電圧波形図であって、（Ａ）は蓄電池電圧値が予め設定された閾値以上の場合、（Ｂ）は蓄電池電圧値が閾値未満の場合である。 本発明に係る充放電動作が可能な蓄電装置の回路図である。 従来の蓄電装置の回路図である。 従来の蓄電装置の電圧波形図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る蓄電装置の実施形態について説明する。

［構成］
図１に、本発明の一実施形態に係る蓄電装置を示す。蓄電装置１は、深夜等の電力需要が低いときを見計らって、商用交流電源１０から供給された交流入力電圧Ｖａｃを所望の直流出力電圧Ｖｏｕｔに変換し、これにより蓄電池１１を充電するものである。同図に示すように、蓄電装置１は、ＡＣ／ＤＣ変換部２と、ＤＣ／ＤＣ変換部３と、直列接続された平滑コンデンサＣ２およびスイッチング素子ＳＷ４（本発明の“スイッチ部”に相当）と、制御部４とを備えている。なお、図１は充電動作のみを行う回路ブロック図であるが、後述（図３）するように、本発明は双方向動作（充放電動作）を行う蓄電装置に適用することもできる。

ＡＣ／ＤＣ変換部２は、ブリッジ接続された４つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ４、Ｄ５と、ダイオードＤ４に並列接続されたスイッチング素子ＳＷ１と、ダイオードＤ５に並列接続されたスイッチング素子ＳＷ２と、ダイオードＤ１とＤ４の接続点に一端が接続されたコイルＬ１と、ダイオードＤ２とＤ５の接続点に一端が接続されたコイルＬ２と、コイルＬ１の他端およびコイルＬ２の他端に接続されたコンデンサＣ１とを備えている。

スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２は、制御部４の制御下でＯＮ／ＯＦＦ制御される。スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２がいずれもＯＦＦの場合、ＡＣ／ＤＣ変換部２はダイオードブリッジとして動作する。この場合、ＡＣ／ＤＣ変換部２は、商用交流電源１０から供給された交流入力電圧Ｖａｃを全波整流してなる脈流電圧をＤＣ／ＤＣ変換部３の入力電圧Ｖｉｎとして出力する。一方、スイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２が交互にＯＮ／ＯＦＦを繰り返す場合、ＡＣ／ＤＣ変換部２はＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する。この場合、ＡＣ／ＤＣ変換部２は、交流入力電圧Ｖａｃのピークにおいても余裕度αが確保される電圧値まで昇圧された直流電圧をＤＣ／ＤＣ変換部３の入力電圧Ｖｉｎとして出力する。

ＤＣ／ＤＣ変換部３は、スイッチング素子ＳＷ３、コイルＬ３およびダイオードＤ３からなる降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣ変換部３は、制御部４の制御下でスイッチング素子ＳＷ３がＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、入力電圧Ｖｉｎを降圧し、該降圧により得た直流出力電圧Ｖｏｕｔを蓄電池１１に向けて出力する。

平滑コンデンサＣ２に直列接続されたスイッチング素子ＳＷ４も制御部４の制御下でＯＮ／ＯＦＦ制御される。後述するが、スイッチング素子ＳＷ４の制御はＡＣ／ＤＣ変換部２の制御に連動している。具体的には、ＡＣ／ＤＣ変換部２がダイオードブリッジとして動作する場合は、スイッチング素子ＳＷ４はＯＦＦとされ、平滑コンデンサＣ２が回路的に切り離される。この場合、ダイオードブリッジで整流されることにより発生した脈流電圧がＤＣ／ＤＣ変換部３の入力電圧Ｖｉｎとして入力される。一方、ＡＣ／ＤＣ変換部２がＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング素子ＳＷ４はＯＮとされる。ＡＣ／ＤＣ変換部２が直流の入力電圧Ｖｉｎを出力するためには、平滑コンデンサＣ２が不可欠だからである。

なお、スイッチング素子ＳＷ４としては、ＯＦＦ時における逆電圧対策が施されるとともに、ＯＮ時における平滑コンデンサＣ２の充放電電流を流すことが可能な素子を採用することができる。例えば、ＦＥＴのような双方向に電流を通流させることができる素子や、一方向にしか電流を通流させることができないＩＧＢＴとダイオードを並列接続したものを使用することができる。

制御部４は、入力電圧検知部５で検知された入力電圧Ｖｉｎの電圧値、蓄電池電圧検知部６で検知された蓄電池１１の電圧値（以下、“蓄電池電圧値Ｖｂ”という）および予め設定された閾値に基づいて、ＡＣ／ＤＣ変換部２のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＤＣ／ＤＣ変換部３のスイッチング素子ＳＷ３および平滑コンデンサＣ２に直列接続されたスイッチング素子ＳＷ４をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

より詳しくは、制御部４は、蓄電池電圧値Ｖｂが閾値以上の場合は、スイッチング素子ＳＷ４をＯＮにするとともに、ＡＣ／ＤＣ変換部２およびＤＣ／ＤＣ変換部３を通常動作させる（連続充電モード）。一方、制御部４は、蓄電池電圧値Ｖｂが閾値未満の場合は、スイッチング素子ＳＷ４をＯＦＦにするとともに、ＡＣ／ＤＣ変換部２をダイオードブリッジとして動作させ、かつＤＣ／ＤＣ変換部３を間欠的に降圧チョッパ動作させる（間欠充電モード）。以下、各モードについて、図２を参照しながらさらに詳しく説明する。

［連続充電モード（蓄電池電圧値Ｖｂ≧閾値）］
図２（Ａ）は、連続充電モードの電圧波形図である。前記の通り、本モードでは、ＡＣ／ＤＣ変換部２およびＤＣ／ＤＣ変換部３が従来と同様の通常動作を行う。

すなわち、ＡＣ／ＤＣ変換部２は、制御部４の制御下でスイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２が交互にＯＮ／ＯＦＦ制御されることにより、ＡＣ／ＤＣコンバータとして動作する。その結果、ＤＣ／ＤＣ変換部３の入力電圧Ｖｉｎは、交流入力電圧Ｖａｃ（正弦波）のピーク電圧に対し余裕度αが確保された直流電圧となる。一方、ＤＣ／ＤＣ変換部３は、制御部４の制御下でスイッチング素子ＳＷ３がＯＮ／ＯＦＦ制御されることにより、降圧チョッパ動作を行う。その結果、蓄電池１１には、蓄電池電圧値Ｖｂに等しい電圧値を有する直流出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

以上のように、連続充電モードでは、蓄電池電圧値Ｖｂが閾値以上であり、ＤＣ／ＤＣ変換部３における降圧幅（損失）が許容できる範囲に収まっているので、ＡＣ／ＤＣ変換部２およびＤＣ／ＤＣ変換部３が従来と同様の通常動作を行うことにより、蓄電池１１の充電が連続的に行われる。

［間欠充電モード（蓄電池電圧値Ｖｂ＜閾値）］
図２（Ｂ）は、間欠充電モードの電圧波形図である。前記の通り、本モードでは、制御部４の制御下でスイッチング素子ＳＷ１およびＳＷ２がいずれもＯＦＦに保持され、ＡＣ／ＤＣ変換部２がダイオードブリッジとして動作する。その結果、ＡＣ／ＤＣ変換部２は、交流入力電圧Ｖａｃを全波整流してなる脈流電圧を入力電圧Ｖｉｎとして出力する。

また、本モードでは、制御部４によって、脈流する入力電圧Ｖｉｎの電圧値と蓄電池電圧値Ｖｂに余裕度βを加算した電圧値Ｖｂ’との比較が行われる。そして、入力電圧Ｖｉｎの電圧値が電圧値Ｖｂ’を超えていれば、ＤＣ／ＤＣ変換部３が降圧チョッパ動作させられ、蓄電池電圧値Ｖｂに等しい電圧値を有する直流出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。一方、入力電圧Ｖｉｎの電圧値が電圧値Ｖｂ’を超えていなければ、ＤＣ／ＤＣ変換部３のスイッチング素子ＳＷ３がＯＦＦとされ、降圧チョッパ動作および直流出力電圧Ｖｏｕｔの出力が停止される。

以上のように、間欠充電モードでは、蓄電池電圧値Ｖｂが閾値未満であり、ＤＣ／ＤＣ変換部３における降圧幅（損失）が許容範囲を超えてしまうので、昇圧されていない脈流電圧（入力電圧Ｖｉｎ）をＤＣ／ＤＣ変換部３で直接的に降圧する。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換部３における降圧幅および損失が低減される。

なお、本モードでは、入力電圧Ｖｉｎの電圧値が電圧値Ｖｂ’を超えていないときに充電が行われないので、連続充電モードよりも充電時間が短くならざるを得ない。すなわち、本発明に係る蓄電装置１では、充電時間と損失がトレードオフの関係にある。損失を重視するのか、充電時間を重視するのかは、予め設定する閾値により調整することができる。例えば、損失を重視する場合は、閾値を高めに設定し、間欠充電モードを積極的に利用すればよい。一方、充電時間を重視する場合は、閾値を低めに設定し、損失がかなり大きくなる場合に限って間欠充電モードを利用すればよい。

ここで、本モードにおいて余裕度βを考慮するのは、ＤＣ／ＤＣ変換部３は降圧チョッパ動作をするため、入力電圧Ｖｉｎの電圧値が直流出力電圧Ｖｏｕｔ（蓄電池電圧値Ｖｂ）の電圧値よりも高くなければいけないという制約があるからである。コイルＬ３のインピーダンスおよびスイッチング素子ＳＷ３のＯＮ時のインピーダンスが低く、これらにおける電圧降下が少ない場合は、余裕度βを小さく設定することができる。一方、これらにおける電圧降下が大きい場合は、余裕度βを大きく設定しておかなければＤＣ／ＤＣ変換部３を正常動作させることができなくなる。このように余裕度βの値は、ＤＣ／ＤＣ変換部３の電流が通過する経路上の損失電圧と、ＤＣ／ＤＣ変換部３のスイッチング素子ＳＷ３の最大デューティの設計値で決定される。

以上、本発明に係る蓄電装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記の構成に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、説明の便宜上、一方向にのみ動作するＡＣ／ＤＣ変換部２およびＤＣ／ＤＣ変換部３を例に挙げたが、蓄電池１１に蓄電された電力を活用するために、ＡＣ／ＤＣ変換部２およびＤＣ／ＤＣ変換部３は双方向に動作することが好ましい。
図３に、本発明に係る充放電動作が可能な蓄電装置１’の回路図を示す。同図に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換部２は、ダイオードＤ１およびＤ２に並列接続されたスイッチング素子ＳＷ５およびＳＷ６を追加するだけで、双方向インバータとなる。また、ＤＣ／ＤＣ変換部３は、ダイオードＤ３に並列接続されたスイッチング素子ＳＷ７と、スイッチング素子ＳＷ３に並列接続されたダイオードＤ６を追加するだけで、双方向コンバータとなる。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換部３が蓄電池１１からの直流入力電圧Ｖｄｃを昇圧し、ＡＣ／ＤＣ変換部２が昇圧された直流入力電圧（Ｖｉｎ）を交流出力電圧Ｖｏｕｔに変換することで、蓄電池１１に充電された電力を放電することが可能となる。

また、ＤＣ／ＤＣ変換部３の構成は上記の構成に限定されず、任意の形式に適宜変更することができる。

１ 蓄電装置
２ ＡＣ／ＤＣ変換部
３ ＤＣ／ＤＣ変換部
４ 制御部
５ 入力電圧検知部
６ 蓄電池電圧検知部

Claims (3)

1. 交流入力電圧を変換することによって得られた直流出力電圧により蓄電池を充電する蓄電装置であって、
   前記交流入力電圧が入力されるＡＣ／ＤＣ変換部と、
   前記ＡＣ／ＤＣ変換部の出力側に設けられ、前記直流出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣ変換部と、
   導通状態および非導通状態に切り替え可能なスイッチ部を介して前記ＡＣ／ＤＣ変換部および前記ＤＣ／ＤＣ変換部の間に設けられた平滑コンデンサと、
   前記蓄電池の電圧値を検知する蓄電池電圧検知部と、
   検知された前記蓄電池の電圧値に応じて前記ＡＣ／ＤＣ変換部、前記ＤＣ／ＤＣ変換部および前記スイッチ部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記ＡＣ／ＤＣ変換部は、前記交流入力電圧を前記蓄電池の電圧値よりも高い電圧値まで昇圧する通常動作、および前記交流入力電圧を全波整流する整流動作が可能であり、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換部は、該ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧を前記蓄電池の電圧値まで連続的に降圧する通常動作、および該ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧を前記蓄電池の電圧値まで間欠的に降圧する間欠降圧動作が可能であり、
   前記制御部は、前記蓄電池の電圧値が予め設定された閾値以上の場合に、前記スイッチ部を導通状態にするとともに、前記ＡＣ／ＤＣ変換部および前記ＤＣ／ＤＣ変換部にそれぞれの前記通常動作を行わせ、前記蓄電池の電圧値が前記閾値未満の場合に、前記スイッチ部を非導通状態にするとともに、前記ＡＣ／ＤＣ変換部に前記整流動作を行わせ、前記ＤＣ／ＤＣ変換部に前記間欠降圧動作を行わせる、
   ことを特徴とする蓄電装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧の電圧値を検知する入力電圧検知部をさらに備え、
   前記間欠降圧動作において、前記制御部は、前記入力電圧検知部によって検知された電圧値が前記蓄電池の電圧値に所定の余裕度を加算した電圧値を超えている間に限り、前記ＤＣ／ＤＣ変換部に入力される電圧を前記蓄電池の電圧値まで降圧させることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記ＡＣ／ＤＣ変換部および前記ＤＣ／ＤＣ変換部は双方向の動作が可能に構成され、前記蓄電池に充電された電力を放電する際に、前記ＤＣ／ＤＣ変換部は前記蓄電池からの直流入力電圧を昇圧し、前記ＡＣ／ＤＣ変換部が昇圧された前記直流入力電圧を交流出力電圧に変換することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電装置。

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