JP6228059B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータおよびバッテリシステム - Google Patents

Description

本発明は、昇圧動作および降圧動作を行うＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータを備えたバッテリシステムに関する。

特許文献１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータでは、高圧バッテリの出力電圧値を所定の電圧値に降圧し、降圧後の電力を用いて低圧バッテリを充電している。ここで、高圧バッテリの放電によって、高圧バッテリの電圧値が最低電圧値まで低下したときにも、低圧バッテリを充電するためには、降圧後の電圧値を低圧バッテリの電圧値以上としなければならない。この点を考慮して、ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるトランスの変圧比（コイルの巻線比）が設定される。

特開２０１２−１８２８９４号公報

特許文献１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータでは、降圧動作だけを行っている。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれる１つのトランスを用いることにより、降圧動作だけでなく、昇圧動作を行うことも可能である。この場合、１つのトランスを用いているだけであるため、降圧時の変圧比は、昇圧時の変圧比と等しくなる。上述したように、降圧動作を考慮してトランスの変圧比を設定してしまうと、この変圧比よりも大きな変圧比において、昇圧動作を行うことができない。

本発明のＤＣ／ＤＣコンバータは、高圧バッテリの電圧値を降圧するとともに、低圧バッテリの電圧値を昇圧することができる双方向型のＤＣ／ＤＣコンバータである。低圧バッテリとは、高圧バッテリよりも低い電圧値を示すバッテリである。ＤＣ／ＤＣコンバータはトランスを有しており、トランスは、一端が高圧バッテリの第１電極端子に接続された高圧側コイルと、低圧バッテリに接続された低圧側コイルとを備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータにおける高圧側の回路は、一端が高圧側コイルの他端に接続され、他端が高圧バッテリの第２電極端子に接続された第１スイッチ素子と、第１スイッチ素子と並列に接続された第１コンデンサとを有する。第１スイッチ素子には、第１ダイオードが逆並列に接続される。また、高圧側の回路は、互いに直列に接続された第２スイッチ素子および第２コンデンサを有する。直列に接続された第２スイッチ素子および第２コンデンサと、高圧側コイルと、は並列に接続されている。第２スイッチ素子には、第２ダイオードが逆並列に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータにおける低圧側の回路は、低圧側コイルの一端にアノードが接続された第３ダイオードと、一端が第３ダイオードのカソードに接続され、他端が低圧バッテリの正極端子に接続されたリアクトルとを有する。また、低圧側の回路は、互いに直列に接続された第３スイッチ素子および第４ダイオードを有する。第３スイッチ素子の一端は、低圧側コイルおよび第３ダイオードの間の接続点に接続されている。第４ダイオードのカソードは、第３スイッチ素子の他端に接続され、第４ダイオードのアノードは、第３ダイオードおよびリアクトルの間の接続点に接続されている。第３スイッチ素子には、第５ダイオードが逆並列に接続される。

さらに、低圧側の回路は、第３コンデンサおよび第４スイッチ素子を有する。第３コンデンサの一端は、第３スイッチ素子および第４ダイオードの間の接続点に接続され、第３コンデンサの他端は、低圧側コイルの他端および低圧バッテリの負極端子を接続する電力ラインに接続されている。第４スイッチ素子の一端は、第３ダイオードおよびリアクトルの間の接続点に接続されているとともに、第４ダイオードのアノードに接続されている。第４スイッチ素子の他端は、低圧側コイルの他端および低圧バッテリの負極端子を接続する電力ラインに接続されている。第４スイッチ素子には、第６ダイオードが逆並列に接続されている。

本発明のＤＣ／ＤＣコンバータでは、１つのトランスを用いることにより、高圧バッテリの電圧値を降圧したり、低圧バッテリの電圧値を昇圧したりすることができる。ここで、降圧時には、トランスの変圧比（降圧比）によって、高圧バッテリの電圧値を降圧することができる。一方、昇圧時には、リアクトルを用いた昇圧と、トランスを用いた昇圧とを行うことができる。２つの昇圧を行うことにより、トランスの変圧比（昇圧比）よりも大きな変圧比において、低圧バッテリの電圧値を昇圧することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作について具体的に説明する。第１スイッチ素子をオンにすることにより、高圧バッテリから高圧側コイルに励磁電流を流すことができ、トランスの変圧比（降圧比）によって、高圧バッテリの電圧値を降圧することができる。ここで、第２スイッチ素子は、降圧時にトランスに蓄積された磁気エネルギをリセットするために用いられる。また、第３スイッチ素子は、低圧側の回路に流れる電流を整流するために用いられる。

降圧動作が行われた後の電力は、低圧バッテリや、低圧バッテリに接続された負荷に供給することができる。降圧後の電力を負荷に供給すれば、負荷を動作させることができる。降圧後の電力を低圧バッテリに供給すれば、低圧バッテリを充電することができる。ここで、高圧バッテリの電圧値が最低電圧値まで低下しても、低圧バッテリを充電することができるように、トランスの変圧比を設定できる。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作について具体的に説明する。まず、リアクトルを用いた昇圧では、第４スイッチ素子をオンにすることにより、低圧バッテリの放電電流がリアクトルに流れ、リアクトルに磁気エネルギが蓄積される。第４スイッチ素子をオフにすると、リアクトルに蓄積された磁気エネルギが放出され、第４ダイオードを介して、第３コンデンサに充電電流が流れる。これにより、第３コンデンサの電圧値は、低圧バッテリの電圧値よりも高くなる。

次に、第３スイッチ素子をオンにすると、第３コンデンサおよびトランスのインダクタンスによってＬＣ回路が構成され、低圧側コイルに励磁電流を流すことができる。これにより、低圧側コイルの電圧値を上昇させるとともに、高圧側コイルの電圧値を上昇させることができる。ここで、トランスの変圧比（昇圧比）によって、高圧側コイルの電圧値は、第３コンデンサの電圧値よりも高くなる。

第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、第３スイッチ素子および第４スイッチ素子の少なくとも１つのスイッチ素子としては、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いることができる。このとき、ＭＯＳＦＥＴとしてのスイッチ素子に逆並列に接続されたダイオードは、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオードとなる。

本発明のＤＣ／ＤＣコンバータは、高圧バッテリを負荷に接続するバッテリシステムで用いることができる。高圧バッテリは、正極ラインおよび負極ラインを介して負荷と接続される。正極ラインおよび負極ラインのそれぞれにはリレーが設けられており、正極ラインおよび負極ラインには平滑コンデンサが接続されている。

ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された後の電力を用いて、平滑コンデンサを充電することができる。具体的には、リレーをオフからオンに切り替える前に、平滑コンデンサを充電することができる。これにより、リレーをオンにする前に、平滑コンデンサの電圧値を高圧バッテリの電圧値にしたり、平滑コンデンサの電圧値を高圧バッテリの電圧値に近づけたりすることができる。平滑コンデンサを充電した後にリレーをオンにすれば、高圧バッテリから平滑コンデンサに突入電流が流れることを抑制できる。

本発明のＤＣ／ＤＣコンバータでは、上述したように、トランスの変圧比よりも大きな変圧比において、昇圧動作を行うことができる。上述したように、高圧バッテリの最低電圧値を考慮してトランスの変圧比（降圧比）が設定されているとき、高圧バッテリの電圧値が最低電圧値よりも高くなっても、この電圧値まで昇圧動作を行うことができる。

バッテリシステムの構成を示す図である。 バッテリシステムを起動する処理を示すフローチャートである。 ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１であるバッテリシステムについて説明する。図１は、本実施例であるバッテリシステムの構成を示す図である。本実施例のバッテリシステムは、車両に搭載されている。この車両としては、電気自動車やハイブリッド自動車がある。電気自動車は、車両を走行させる動力源として、後述するメインバッテリだけを備えている。ハイブリッド自動車は、車両を走行させる動力源として、後述するメインバッテリの他に、エンジン又は燃料電池を備えている。

メインバッテリ（本発明の高圧バッテリに相当する）１０は、直列に接続された複数の単電池１１を有する。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池が用いられる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることもできる。メインバッテリ１０には、並列に接続された複数の単電池１１が含まれていてもよい。

電圧センサ２１は、メインバッテリ１０の電圧値ＶＢを検出し、検出結果（電圧値ＶＢ）をコントローラ３０に出力する。電流センサ２２は、メインバッテリ１０の電流値ＩＢを検出し、検出結果（電流値ＩＢ）をコントローラ３０に出力する。コントローラ３０は、メモリ３１を有しており、メモリ３１には各種の情報が記憶されている。

メインバッテリ１０の正極端子には正極ラインＰＬが接続され、メインバッテリ１０の負極端子には負極ラインＮＬが接続されている。メインバッテリ１０は、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して、インバータ４１と接続されている。正極ラインＰＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂが設けられており、負極ラインＮＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇが設けられている。システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇは、コントローラ３０からの制御信号を受けることにより、オンおよびオフの間で切り替わる。

正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬには、コンデンサ（平滑コンデンサ）Ｃｏｕｔが接続されている。具体的には、コンデンサＣｏｕｔの一端は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂおよびインバータ４１を接続する正極ラインＰＬに接続されている。また、コンデンサＣｏｕｔの他端は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇおよびインバータ４１を接続する負極ラインＮＬに接続されている。電圧センサ２３は、コンデンサＣｏｕｔの電圧値ＶＬを検出し、検出結果（電圧値ＶＬ）をコントローラ３０に出力する。

インバータ４１は、メインバッテリ１０から出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータ（本発明の負荷に相当する）４２に出力する。モータ・ジェネレータ４２は、インバータ４１から出力された交流電力を受けて、車両の走行に用いられる運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ４２は、車輪と接続されており、モータ・ジェネレータ４２が生成した運動エネルギを車輪に伝達することにより、車両を走行させることができる。

モータ・ジェネレータ４２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ４１は、モータ・ジェネレータ４２が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力をメインバッテリ１０に出力する。これにより、回生電力をメインバッテリ１０に蓄えることができる。

正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬには、双方向型のＤＣ／ＤＣコンバータ５０が接続されている。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂおよびインバータ４１を接続する正極ラインＰＬと、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇおよびインバータ４１を接続する負極ラインＮＬとに接続されている。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇがオンであるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、メインバッテリ１０の電圧値ＶＢを降圧し、降圧後の電力を補機バッテリ（本発明の低圧バッテリに相当する）４３や補機４４に出力する。メインバッテリ１０からの電力を補機バッテリ４３に供給することにより、補機バッテリ４３を充電することができる。

また、メインバッテリ１０からの電力を補機４４に供給することにより、補機４４を動作させることができる。補機４４には、補機バッテリ４３からの電力を供給することもできる。補機バッテリ４３は、コントローラ３０やシステムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇを動作させるための電源となる。

補機バッテリ４３としては、鉛蓄電池やニッケル水素電池などの二次電池が用いられる。補機バッテリ４３の電圧値ＶＡは、補機バッテリ４３の充放電に応じて変化し、電圧値ＶＢは、メインバッテリ１０の充放電に応じて変化する。ここで、電圧値ＶＡ，ＶＢが変化しても、電圧値ＶＡは電圧値ＶＢよりも低くなる。

また、電圧値ＶＡが基準電圧値に維持されるように、補機バッテリ４３の充電が制御される。具体的には、補機バッテリ４３の放電によって電圧値ＶＡが基準電圧値よりも低下したときには、電圧値ＶＡが基準電圧値に到達するように、補機バッテリ４３の充電が行われる。補機バッテリ４３の出力電力は補機４４に供給されるため、補機４４の動作電圧を確保するためには、電圧値ＶＡを基準電圧値に維持する必要がある。

システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替える前において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、補機バッテリ４３の電圧値ＶＡを昇圧し、昇圧後の電力をコンデンサＣｏｕｔに出力する。これにより、コンデンサＣｏｕｔを充電することができる。

上述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、降圧動作および昇圧動作を行うことができる。このＤＣ／ＤＣコンバータ５０の動作は、コントローラ３０によって制御される。後述するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、降圧動作を行うアクティブクランプフォワードコンバータに対して、昇圧動作の機能を追加したものである。

図１に示すバッテリシステムにおいて、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えると、メインバッテリ１０からコンデンサＣｏｕｔに突入電流が流れてしまう。そこで、本実施例では、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替える前に、補機バッテリ４３から出力された電力を用いて、コンデンサＣｏｕｔを充電するようにしている。

具体的には、コンデンサＣｏｕｔの充電によって、電圧値ＶＬを電圧値ＶＢと等しくしたり、電圧値ＶＬを電圧値ＶＢに近づけたりしている。このようにコンデンサＣｏｕｔを充電しておけば、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替えたときに、メインバッテリ１０からコンデンサＣｏｕｔに突入電流が流れることを抑制できる。

なお、コンデンサＣｏｕｔを充電するだけでなく、補機バッテリ４３から出力された電力を用いて、メインバッテリ１０を充電することもできる。ここで、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇがオンであるときに、メインバッテリ１０の充電が行われる。

図２は、メインバッテリ１０およびインバータ４１を接続して、図１に示すバッテリシステムを起動状態（Ready-On）にするための処理を示す。ここで、図２に示す処理は、コントローラ３０によって実行され、車両のイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったときに開始される。図２に示す処理を開始するとき、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇはオフである。

ステップＳ１０１において、コントローラ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧動作を開始する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０が補機バッテリ４３の電圧値ＶＡを昇圧することにより、昇圧後の電力によってコンデンサＣｏｕｔが充電され、電圧値ＶＬが上昇する。ステップＳ１０１の処理を開始する前では、コンデンサＣｏｕｔが放電されており、電圧値ＶＬが０［Ｖ］となっている。

ステップＳ１０２において、コントローラ３０は、電圧センサ２３によって検出された電圧値ＶＬが、電圧センサ２１によって検出された電圧値ＶＢ以上であるか否かを判別する。電圧値ＶＬが電圧値ＶＢよりも低いとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧動作が継続される。電圧値ＶＬが電圧値ＶＢ以上であるとき、コントローラ３０は、ステップＳ１０３において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧動作を終了する。ステップＳ１０４において、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオフからオンに切り替える。これにより、図１に示すバッテリシステムは起動状態となる。

本実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧動作によって、電圧値ＶＬが電圧値ＶＢ以上となるまでコンデンサＣｏｕｔを充電しているが、これに限るものではない。具体的には、電圧値ＶＬが電圧値ＶＢよりも低い電圧値以上となるまで、コンデンサＣｏｕｔを充電することもできる。

なお、メインバッテリ１０およびインバータ４１の接続を遮断して、図１に示すバッテリシステムを停止状態（Ready-Off）にするとき、コントローラ３０は、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオンからオフに切り替える。このとき、コントローラ３０は、コンデンサＣｏｕｔを放電させて電圧値ＶＬを０［Ｖ］にする。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の回路構成について、図３を用いて説明する。図３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の回路構成に加えて、バッテリシステムの一部の構成も示している。

トランスＴｒの高圧側コイルＬｓ２は、電力ラインＬ１，Ｌ２を介して、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬに接続されている。ここで、高圧側コイルＬｓ２の一端に接続された電力ラインＬ１は、正極ラインＰＬに接続され、高圧側コイルＬｓ２の他端に接続された電力ラインＬ２は、負極ラインＮＬに接続されている。

電力ラインＬ２には、第１スイッチ素子（トランジスタ）ＳＷ１が設けられており、第１スイッチ素子ＳＷ１は、高圧側コイルＬｓ２と直列に接続されている。具体的には、第１スイッチ素子ＳＷ１のコレクタは、高圧側コイルＬｓ２の他端と接続され、第１スイッチ素子ＳＷ１のエミッタは、負極ラインＮＬに接続されている。

第１スイッチ素子ＳＷ１には、第１ダイオードＤ１が逆並列に接続されている。本実施例および本発明において、逆並列の接続とは、スイッチ素子の通電方向と、ダイオードの通電方向とが逆方向となるように、スイッチ素子およびダイオードが並列に接続されていることである。

具体的には、第１ダイオードＤ１のカソードが第１スイッチ素子ＳＷ１のコレクタに接続され、第１ダイオードＤ１のアノードが第１スイッチ素子ＳＷ１のエミッタに接続されている。ここで、第１スイッチ素子ＳＷ１がＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）であるとき、第１ダイオードＤ１は、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオードになる。また、第１スイッチ素子ＳＷ１には、第１コンデンサＣ１が並列に接続されている。

高圧側コイルＬｓ２には、第２コンデンサＣ２および第２スイッチ素子（トランジスタ）ＳＷ２が並列に接続されており、第２コンデンサＣ２および第２スイッチ素子ＳＷ２は、直列に接続されている。ここで、第２コンデンサＣ２の一端は、電力ラインＬ１に接続されており、第２コンデンサＣ２の他端は、第２スイッチ素子ＳＷ２のコレクタに接続されている。第２スイッチ素子ＳＷ２のエミッタは、高圧側コイルＬｓ２および第１スイッチ素子ＳＷ１の間の接続点に接続されている。

第２スイッチ素子ＳＷ２には、第２ダイオードＤ２が逆並列に接続されている。具体的には、第２ダイオードＤ２のカソードが第２スイッチ素子ＳＷ２のコレクタに接続され、第２ダイオードＤ２のアノードが第２スイッチ素子ＳＷ２のエミッタに接続されている。ここで、第２スイッチ素子ＳＷ２がＭＯＳＦＥＴであるとき、第２ダイオードＤ２は、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオードになる。

トランスＴｒの低圧側コイルＬｓ１は、電力ラインＬ３，Ｌ４を介して、補機バッテリ４３と接続されている。ここで、電力ラインＬ３は、低圧側コイルＬｓ１の一端と、補機バッテリ４３の正極端子とに接続されている。電力ラインＬ４は、低圧側コイルＬｓ１の他端と、補機バッテリ４３の負極端子とに接続されている。

電力ラインＬ３には、第３ダイオードＤ３およびリアクトルＬｄが設けられている。ここで、第３ダイオードＤ３のアノードが低圧側コイルＬｓ１の一端に接続され、第３ダイオードＤ３のカソードがリアクトルＬｄの一端に接続されている。リアクトルＬｄの他端は、補機バッテリ４３の正極端子に接続されている。

第３ダイオードＤ３には、第３スイッチ素子（トランジスタ）ＳＷ３および第４ダイオードＤ４が並列に接続されており、第３スイッチ素子ＳＷ３および第４ダイオードＤ４は、直列に接続されている。ここで、第３スイッチ素子ＳＷ３のエミッタは、低圧側コイルＬｓ１および第３ダイオードＤ３の間の接続点に接続されている。第３スイッチ素子ＳＷ３のコレクタには、第４ダイオードＤ４のカソードが接続されている。第４ダイオードＤ４のアノードは、第３ダイオードＤ３およびリアクトルＬｄの間の接続点に接続されている。

第３スイッチ素子ＳＷ３には、第５ダイオードＤ５が逆並列に接続されている。具体的には、第５ダイオードＤ５のカソードが第３スイッチ素子ＳＷ３のコレクタに接続され、第５ダイオードＤ５のアノードが第３スイッチ素子ＳＷ３のエミッタに接続されている。ここで、第３スイッチ素子ＳＷ３がＭＯＳＦＥＴであるとき、第５ダイオードＤ５は、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオードになる。

第３コンデンサＣ３の一端は、第３スイッチ素子ＳＷ３および第４ダイオードＤ４の間の接続点に接続されている。第３コンデンサＣ３の他端は、電力ラインＬ４に接続されている。ここで、第３コンデンサＣ３は、低圧側コイルＬｓ１や補機バッテリ４３に対して並列に接続されている。

第４スイッチ素子（トランジスタ）ＳＷ４のコレクタは、第３ダイオードＤ３およびリアクトルＬｄの間の接続点に接続されているとともに、第４ダイオードＤ４のアノードに接続されている。第４スイッチ素子ＳＷ４のエミッタは、電力ラインＬ４に接続されている。第４スイッチ素子ＳＷ４には、第６ダイオードＤ６が逆並列に接続されている。具体的には、第６ダイオードＤ６のカソードが第４スイッチ素子ＳＷ４のコレクタに接続され、第６ダイオードＤ６のアノードが第４スイッチ素子ＳＷ４のエミッタに接続されている。ここで、第４スイッチ素子ＳＷ４がＭＯＳＦＥＴであるとき、第６ダイオードＤ６は、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオードになる。

第４コンデンサＣ４は、補機バッテリ４３に並列に接続されている。具体的には、第４コンデンサＣ４の一端は、リアクトルＬｄと補機バッテリ４３の正極端子との間の接続点に接続されている。第４コンデンサＣ４の他端は、電力ラインＬ４に接続されている。

上述したＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、アクティブクランプフォワードコンバータの回路構成を含んでおり、この回路構成によって降圧動作を行うことができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０では、アクティブクランプフォワードコンバータの回路構成に対して、スイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４、ダイオードＤ４，Ｄ５および第３コンデンサＣ３を追加している。これにより、後述するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧動作を行うことができる。

トランスＴｒにおいて、高圧側コイルＬｓ２および低圧側コイルＬｓ１の間の巻線比は、以下に説明するように設定される。

メインバッテリ１０の電圧値ＶＢは、メインバッテリ１０の充放電によって変化し、下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎに到達することがある。下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎとは、メインバッテリ１０の充放電を制御するときに許容される電圧値ＶＢの下限値である。電圧値ＶＢが下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎに到達したときにも、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の降圧動作を行った後の電圧値は、補機バッテリ４３の電圧値ＶＡ以上とする必要がある。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の降圧後における電力を補機４４に供給するときには、補機４４の動作電圧を確保するために、降圧動作後の電圧値を電圧値ＶＡ以上とする必要がある。

上述したように、電圧値ＶＡは基準電圧値に維持されるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の降圧動作が行われた後の電圧値は、基準電圧値ＶＡ以上とする必要がある。このため、下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎおよび基準電圧値ＶＡに基づいて、低圧側コイルＬｓ１および高圧側コイルＬｓ２の間の巻線比（トランスＴｒの変圧比）が設定される。具体的には、低圧側コイルＬｓ１の巻数をＮ１とし、高圧側コイルＬｓ２の巻数をＮ２としたとき、巻線比（Ｎ２／Ｎ１）は、電圧値ＶＢ＿ｍｉｎおよび基準電圧値ＶＡの比（ＶＢ＿ｍｉｎ／ＶＡ）以下の値とすることができる。

このように巻線比（Ｎ２／Ｎ１）を設定すると、トランスＴｒを用いた昇圧だけでは、下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎよりも高い電圧値まで、電圧値ＶＡを昇圧することができないことがある。このため、電圧値ＶＢが下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎよりも高いときには、補機バッテリ４３を放電してコンデンサＣｏｕｔを充電しても、電圧値ＶＬを電圧値ＶＢまで上昇させることができないことがある。電圧値ＶＬが電圧値ＶＢよりも低すぎると、上述したように、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇをオンにしたときに、メインバッテリ１０からコンデンサＣｏｕｔに突入電流が流れてしまう。

そこで、本実施例では、リアクトルＬｄを用いて補機バッテリ４３の電圧値ＶＡを昇圧するとともに、この昇圧後の電圧値を、トランスＴｒを用いて更に昇圧している。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、補機バッテリ４３の電圧値ＶＡを、下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎよりも高い電圧値まで昇圧することができる。そして、補機バッテリ４３の放電電力を用いてコンデンサＣｏｕｔを充電するときには、電圧値ＶＢが下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎよりも高くても、コンデンサＣｏｕｔの電圧値ＶＬを電圧値ＶＢまで上昇させることができる。

以下、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧動作について説明する。

まず、昇圧動作を開始する前には、前回の昇圧動作によってトランスＴｒに蓄積された磁気エネルギをリセットさせる。ここで、コントローラ３０は、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４をオフにする。このとき、トランスＴｒの高圧側コイルＬｓ２から第２ダイオードＤ２を介して第２コンデンサＣ２に電流が流れる。これにより、第２コンデンサＣ２の負電圧が上昇する。一方、補機バッテリ４３の放電電流が、リアクトルＬｄおよび第４ダイオードＤ４を介して第３コンデンサＣ３に流れることにより、第３コンデンサＣ３の電圧値が上昇する。

次に、コントローラ３０は、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ４をオフからオンに切り替える。ここで、トランスＴｒに磁気エネルギが蓄積されている間は、第２スイッチ素子ＳＷ２をオンにしても、第２コンデンサＣ２の負電圧が上昇し続ける。一方、第４スイッチ素子ＳＷ４をオンにすることにより、補機バッテリ４３の放電電流がスイッチ素子ＳＷ４を流れ、リアクトルＬｄに磁気エネルギが蓄積される。

トランスＴｒに蓄積された磁気エネルギが無くなると、第２コンデンサＣ２に蓄積された負の電荷が放電される。ここで、第２コンデンサＣ２の放電電流は、第２スイッチ素子ＳＷ２を介して、トランスＴｒの高圧側コイルＬｓ２に流れる。

次に、コントローラ３０は、第４スイッチ素子ＳＷ４をオンからオフに切り替える。これにより、リアクトルＬｄに蓄積された磁気エネルギが放出され、リアクトルＬｄから第４ダイオードＤ４を介して、第３コンデンサＣ３に電流が流れる。そして、第３コンデンサＣ３が充電され、第３コンデンサＣ３の電圧値が上昇する。第３コンデンサＣ３の電圧値は、補機バッテリ４３の電圧値ＶＡよりも高くなる。

次に、コントローラ３０は、第３スイッチ素子ＳＷ３をオフからオンに切り替える。第３スイッチ素子ＳＷ３がオンになると、第３コンデンサＣ３およびトランスＴｒの励磁インダクタンスによってＬＣ回路が構成される。これにより、トランスＴｒの低圧側コイルＬｓ１に励磁電流が流れ、低圧側コイルＬｓ１の電圧値が上昇する。低圧側コイルＬｓ１の電圧値が上昇すると、低圧側コイルＬｓ１および高圧側コイルＬｓ２の間の巻線比（昇圧比）に応じて、高圧側コイルＬｓ２の電圧値が上昇する。このように、トランスＴｒによって、第３コンデンサＣ３の電圧が昇圧される。

高圧側コイルＬｓ２の電圧値が、低圧側コイルＬｓ１の電圧値に対して、低圧側コイルＬｓ１および高圧側コイルＬｓ２の間の巻線比に応じた電圧値に到達すると、第３コンデンサＣ３および低圧側コイルＬｓ１の漏れインダクタンスによってＬＣ回路が構成される。これに伴い、高圧側コイルＬｓ２からコンデンサＣｏｕｔに電流が流れ、コンデンサＣｏｕｔが充電される。そして、コンデンサＣｏｕｔの電圧値ＶＬが上昇する。ここで、コンデンサＣｏｕｔの充電電流は、高圧側コイルＬｓ２、コンデンサＣｏｕｔおよび第１ダイオードＤ１を流れる。

コンデンサＣｏｕｔを充電している間、第３コンデンサＣ３の放電によって第３コンデンサＣ３の電圧値が低下する。これに伴い、高圧側コイルＬｓ２の電圧値が低下し、コンデンサＣｏｕｔの充電が停止する。図２に示す処理を行うとき、コントローラ３０は、スイッチ素子ＳＷ３，ＳＷ４のオンおよびオフを制御することにより、コンデンサＣｏｕｔの電圧値ＶＬを電圧値ＶＢに到達させることができる。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の降圧動作について説明する。この降圧動作は、アクティブクランプフォワードコンバータの降圧動作と同様であり、以下、簡単に説明する。降圧動作を開始するとき、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４はオフである。

コントローラ３０は、第１スイッチ素子ＳＷ１をオンにする。これにより、メインバッテリ１０からトランスＴｒの高圧側コイルＬｓ２に励磁電流が流れる。そして、トランスＴｒに発生する起電力によって、第３ダイオードＤ３に電流が流れる。トランスＴｒでは、高圧側コイルＬｓ２および低圧側コイルＬｓ１の間の巻線比（降圧比）に応じて、メインバッテリ１０の電圧値ＶＢが降圧される。

また、第３ダイオードＤ３に電流が流れるとき、ダイオードＤ３，Ｄ６によって整流され、第４コンデンサＣ４によって平滑化された直流電力が補機バッテリ４３に供給される。なお、補機バッテリ４３を充電するとき、リアクトルＬｄに電流が流れる。ここで、リアクトルＬｄに蓄積された磁気エネルギは、第６ダイオードＤ６を含む電流経路において、放出することができる。

次に、コントローラ３０は、第１スイッチ素子ＳＷ１をオンからオフに切り替える。これにより、トランスＴｒの高圧側コイルＬｓ２から第１コンデンサＣ１に電流が流れ、第１コンデンサＣ１が充電される。第１コンデンサＣ１が充電されているときも、第３ダイオードＤ３に電流が流れている。第１コンデンサＣ１の電圧値が所定電圧値に到達すると、高圧側コイルＬｓ２から第２ダイオードＤ２を介して第２コンデンサＣ２に電流が流れ、第２コンデンサＣ２が充電される。ここで、高圧側コイルＬｓ２には、第２コンデンサＣ２の電圧が逆方向に印加されるため、高圧側コイルＬｓ２に流れる励磁電流が減少する。

コントローラ３０は、第２ダイオードＤ２が導通状態の間に、第２スイッチ素子ＳＷ２をオフからオンに切り替える。これにより、第２コンデンサＣ２に蓄積された電荷が高圧側コイルＬｓ２に放出され、高圧側コイルＬｓ２に流れる励磁電流がさらに減少する。これに伴い、トランスＴｒに蓄積された磁気エネルギがリセットされる。コントローラ３０が第２スイッチ素子ＳＷ２をオンからオフに切り替えることにより、第１コンデンサＣ１に蓄積された電荷を放出させることができる。第１コンデンサＣ１の放電電流は、高圧側コイルＬｓ２に流れる。これにより、第１コンデンサＣ１の放電が終了する。

上述したように、コントローラ３０はスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオンおよびオフを制御することにより、メインバッテリ１０からトランスＴｒを介して補機バッテリ４３に一定の直流電圧を出力することができる。

本実施例によれば、下限電圧値ＶＢ＿ｍｉｎを考慮して、トランスＴｒの変圧比（降圧比）を設定しているため、電圧値ＶＢが変化しても、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０から補機バッテリ４３に出力される電圧値を、電圧値ＶＡ以上にすることができる。

一方、昇圧動作を行うときには、リアクトルＬｄを用いて補機バッテリ４３の電圧値ＶＡを昇圧した後に、トランスＴｒによって更に昇圧している。これにより、トランスＴｒの変圧比（昇圧比）よりも大きな昇圧比において、補機バッテリ４３の電圧値ＶＢを昇圧することができる。したがって、電圧値ＶＢが変化しても、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０からコンデンサＣｏｕｔに出力される電圧値を電圧値ＶＢ以上にすることができる。

１０：メインバッテリ、１１：単電池、２１：電圧センサ、２２：電流センサ、
２３：電圧センサ、３０：コントローラ、３１：メモリ、４１：インバータ、
４２：モータ・ジェネレータ、４３：補機バッテリ、４４：補機、
５０：ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (2)

1. 高圧バッテリの電圧値を降圧するとともに、前記高圧バッテリよりも低い電圧値を示す低圧バッテリの電圧値を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   一端が前記高圧バッテリの第１電極端子に接続された高圧側コイルと、前記低圧バッテリに接続された低圧側コイルとを備えたトランスと、
   一端が前記高圧側コイルの他端に接続され、他端が前記高圧バッテリの第２電極端子に接続された第１スイッチ素子と、
   前記第１スイッチ素子と逆並列に接続された第１ダイオードと、
   前記第１スイッチ素子と並列に接続された第１コンデンサと、
   互いに直列に接続された第２スイッチ素子および第２コンデンサと、
   前記第２スイッチ素子と逆並列に接続された第２ダイオードと、
   前記低圧側コイルの一端にアノードが接続された第３ダイオードと、
   一端が前記第３ダイオードのカソードに接続され、他端が前記低圧バッテリの正極端子に接続されたリアクトルと、
   前記低圧側コイルおよび前記第３ダイオードの間の接続点に一端が接続された第３スイッチ素子と、
   カソードが前記第３スイッチ素子の他端に接続され、アノードが前記第３ダイオードおよび前記リアクトルの間の接続点に接続された第４ダイオードと、
   前記第３スイッチ素子と逆並列に接続された第５ダイオードと、
   前記第３スイッチ素子および前記第４ダイオードの間の接続点に一端が接続され、前記低圧側コイルの他端および前記低圧バッテリの負極端子を接続する電力ラインに他端が接続された第３コンデンサと、
   前記第３ダイオードおよび前記リアクトルの間の接続点および前記第４ダイオードのアノードに一端が接続され、前記低圧側コイルの他端および前記低圧バッテリの前記負極端子を接続する電力ラインに他端が接続された第４スイッチ素子と、
   前記第４スイッチ素子と逆並列に接続された第６ダイオードと、を有し、
   直列に接続された前記第２スイッチ素子および前記第２コンデンサと、前記高圧側コイルと、は並列に接続されていることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   正極ラインおよび負極ラインを介して前記高圧バッテリと接続される負荷と、
   前記正極ラインに設けられた第１リレーと、
   前記負極ラインに設けられた第２リレーと、
   前記第１リレーおよび前記負荷の間の前記正極ラインと、前記第２リレーおよび前記負荷の間の前記負極ラインとに接続された平滑コンデンサと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、前記第１リレー、および前記第２リレーを制御するコントローラと、を有し、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおける前記高圧側コイルの前記一端は、前記第１リレーおよび前記負荷の間の前記正極ラインに接続されており、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおける前記第１スイッチ素子の前記他端は、前記第２リレーおよび前記負荷の間の前記負極ラインに接続されており、
   前記コントローラは、前記第１リレーおよび前記第２リレーをオフからオンに切り替える前に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって前記低圧バッテリの電圧値を昇圧し、昇圧後の電力を用いて前記平滑コンデンサを充電することを特徴とする蓄電システム。
   

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