JP6668056B2 - 電力変換装置、これを用いた電源システム及び自動車 - Google Patents
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Description
(回路構成)
図2は、第1の実施形態における電力変換装置の構成図である。本実施形態における電力変換装置は、高圧バッテリ21aに接続された昇圧チョッパ回路1aと、前記昇圧チョッパ1aに接続され、かつ低圧バッテリ22aに接続されるDC-DCコンバータ11aと、前記昇圧チョッパ1aと前記DC-DCコンバータ11aと動作状態を切り替える切替機41aと、制御する制御回路31と、で構成される。
(降圧動作)
ここでは、実施例1における電力変換装置の降圧動作に係るゲート信号波形を示す図4を用いて、本電力変換装置の高圧バッテリ21aから、低圧バッテリ22aへ電力変換が行われる降圧動作モードを説明する。
(昇圧チョッパ回路の電流経路)
図4(B)および図4(C)には、降圧動作モードにおける昇圧チョッパ回路1aの電流経路を示す。
高圧バッテリ21aの電圧はすべてチョークコイル3に印加されるため、チョークコイル3に蓄えられるエネルギーが急激に上昇していく。
スイッチング素子4がOFF状態になると、チョークコイル3に蓄えられたエネルギーがダイオード4に導通し、出力コンデンサ6に流れ込む。この動作後、スイッチング素子4をターンオンすることで、図4(B)の状態へ戻る。
(DC-DCコンバータの電流経路)
図4(D)から図4(G)には、降圧動作モードにおけるDC-DCコンバータ11aの電流経路を示す。DC-DCコンバータ11aには4つの動作モードがある。以下で説明していく。
(図4(D) SH1:OFF、SH2:ON、SH3:OFF、SH4:ON)
スイッチング素子群13aのスイッチング素子SH2とSH4がON状態であるため、高圧側のトランス14aに印加される電圧はゼロである。チョークコイル16aの電流特性より、電流は低圧側コンデンサ17aから低圧側のスイッチング素子群15aのSL2を通り、低圧側トランス14aを通り、低圧側のスイッチング素子群15aのSL3を通り、低圧側コンデンサ17aへと流れる。スイッチング素子群13aのSH2とSH4には、低圧側スイッチング素子群15aの電流により、スイッチング素子群13aのSH2とSH4を循環する循環電流が流れる。
(図4(E) SH1:ON、SH2:OFF、SH3:OFF、SH4:ON)
スイッチング素子群13aのSH2がターンオフし、スイッチング素子群13aのSH1がターンオンすると、スイッチング素子群13aのSH1とSH4がON状態となるため、トランス14aに高圧側コンデンサ12aの電圧が印加される。従って、電流は高圧側コンデンサ12aより、スイッチング素子群13aのSH1を通り、高圧側トランス14aを通り、スイッチング素子群13aのSH4を通り、高圧側コンデンサ12a へ流れる。低圧側スイッチング素子群15aのSL1とSL4は、高圧側スイッチング素子群13aの電流により、低圧側トランス14aから低圧側スイッチング素子群15aのSL1を通り、チョークコイル16aを通り、低圧側コンデンサ17aを通り、低圧側スイッチング素子群15aのSL4を通り、低圧側のトランス14aへ流れる。
(図4(F) SH1:ON、SH2:OFF、SH3:ON、SH4:OFF)
スイッチング素子群13aのSH4がターンオフし、スイッチング素子群13aのSH3がターンオンすると、スイッチング素子群13aのSH1とSH3がON状態であるため、高圧側のトランス14aに印加される電圧はゼロとなる。チョークコイル16aの電流特性より、電流は低圧側コンデンサ17aから低圧側のスイッチング素子群15aのSL4から低圧側トランス14aを通り、低圧側のスイッチング素子群15aのSL1を通り、低圧側のコンデンサ17aへと流れる。スイッチング素子群13aのSH2とSH4は、低圧側スイッチング素子群15aの電流により、スイッチング素子群13aのSH1とSH3を循環する循環電流が流れる。
(図4(G) SH1:ON、SH2:OFF、SH3:OFF、SH4:ON)
スイッチング素子群13aのSH1がターンオフし、スイッチング素子群13aのSH2がターンオンすると、スイッチング素子群13aのSH2とSH3がON状態となるため、高圧側トランス14aに高圧側コンデンサ12aの電圧が印加される。従って、電流は高圧側コンデンサ12aより、スイッチング素子群13aのSH2を通り、高圧側トランス14aを通り、スイッチング素子群13aのSH3を通り、高圧側コンデンサ12a へ流れる。低圧側スイッチング素子群15aのSL2とSL3は、高圧側スイッチング素子群13aの電流により、低圧側トランス14aから低圧側スイッチング素子群15aのSL3を通り、チョークコイル16aを通り、低圧側コンデンサ17aを通り、低圧側スイッチング素子群15aのSL2を通り、低圧側トランス14aへ流れる。
(降圧動作時の制御)
降圧動作時では、図4(B)及び図4(C)に示されるように、スイッチング素子41aは常時OFFとする。昇圧チョッパ回路1aのスイッチング素子4は、昇圧チョッパ回路1aの入力コンデンサ2の電圧と、出力コンデンサ6の電圧を用いて、図1に示される制御回路31により、必要な昇圧比を算出し、スイッチング素子4へゲート信号波形を送る。このとき、図4(a)に示されるように、スイッチング素子4に送られるゲート信号波形は、入出力電圧に応じて、制御回路31で演算された第一の時間比(duty1)の信号が送られる。
(昇圧動作)
ここでは、図5(A)のゲート信号波形図及び図5(B)ないし図5(F)の回路図を用いて、電力変換方向が低圧バッテリ22aから、高圧バッテリ21aへ電力変換が行われる昇圧動作モードに関して説明する。
(VHV > VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの昇圧動作)
低圧バッテリ22aの電圧はDC-DCコンバータ11aにおける低圧側スイッチング素子群15aとチョークコイル16aにより昇圧されたパルス電圧に変換される。変換された電圧はトランス14aに印加され、トランス14aの巻数比に応じて、高圧側スイッチング素子群13aにパルス電圧が印加される。高圧側スイッチング素子群13aと高圧側コンデンサ12aにより直流電圧に変換され、高圧側コンデンサ12aに電力が供給される。高圧側コンデンサ12aに蓄えられた電圧は、スイッチング素子41aが常時ONとなっているため、高圧側コンデンサ12aの電圧が直接高圧バッテリ21aに供給される。
(昇圧モードにおける昇圧チョッパ回路の電流経路)
図5(B)は、昇圧動作モードにおけるDC-DCコンバータの電流経路を示す。
(VHV > VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの電流経路)
図5(C)から図5(F)は、昇圧動作モードにおけるDC-DCコンバータ11aの電流経路を示す。DC-DCコンバータ11aには4つの動作モードがある。以下で説明していく。
(図5(C) SH1:ON、SH2:ON、SH3:ON、SH4:ON)
低圧側スイッチング素子群15aのスイッチング素子SL1、SL2、SL3およびSL4がON状態であるため、低圧側のトランス14aに印加される電圧はゼロである。チョークコイル16aに低圧側コンデンサ17aの電圧が印加されるため、チョークコイル16aの電流は増加していく。電流は低圧側コンデンサ17aから低圧側のスイッチング素子群15aのスイッチング素子SL1およびSL3から、低圧側のスイッチング素子群15aのスイッチング素子SL2およびSL4を通り、低圧側コンデンサ17aへと流れる。高圧側スイッチング素子群13aにはトランス14aに電圧が印加されていないため電流は流れない。
(図5(D) SH1:ON、SH2:OFF、SH3:OFF、SH4:ON)
低圧側スイッチング素子群15aのSL2およびSL3がターンオフすると、スイッチング素子群15aのSL1とSL4がON状態であるため、トランス14aの低圧側に低圧側コンデンサ17aの電圧が印加され、チョークコイル16aの電流は減少していく。
(図5(E) SH1:ON、SH2:ON、SH3:ON、SH4:ON)
低圧側スイッチング素子群15aのSL1とSL4がターンオンすると、低圧側スイッチング素子群15aのSL1、SL2、SL3およびSL4がON状態であるため、低圧側のトランス14aに印加される電圧はゼロである。
(図5(F) SH1:OFF、SH2:ON、SH3:ON、SH4:OFF)
低圧側スイッチング素子群15aのSL1およびSL4がターンオフすると、スイッチング素子群15aのSL2とSL3がON状態であるため、トランス14aの低圧側に高圧側コンデンサ17aの電圧が印加され、チョークコイル16aの電流は減少していく。従って、電流は低圧側コンデンサ17aより、スイッチング素子群15aのSL3を通り、トランス14aを通り、スイッチング素子群15aのSL2を通り、低圧側コンデンサ17a へ流れる。高圧側スイッチング素子群13aのSH2とSH3は、低圧側スイッチング素子群15aの電流により、トランス14aの高圧側から高圧側スイッチング素子群13aのSH3を通り、高圧側コンデンサ12aを通り、高圧側スイッチング素子群13aのSH2を通り、トランス14aの高圧側へ流れる。
(昇圧動作のデューティー制御1)
高圧バッテリが低圧バッテリとトランス巻数比の積より大きい場合、DC-DCコンバータ11aにおけるスイッチング素子群13aおよび低圧側スイッチング素子群15aは、DC-DCコンバータ11aの高圧側コンデンサ12aの電圧と、低圧側コンデンサ17aの電圧を用いて、制御回路31により、必要な昇圧比を演算し、高圧側スイッチング素子群13aおよび低圧側スイッチング素子群15aへゲート信号波形を送る。
(VHV < VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの昇圧動作)
低圧バッテリの電圧22aはDC-DCコンバータ11aにおける低圧側スイッチング素子群15aとチョークコイル16aにより昇圧されたパルス電圧に変換される。変換された電圧はトランス14aに印加され、トランス14aの巻数比に応じて、高圧側スイッチング素子群13aにパルス電圧が印加される。高圧側スイッチング素子群13aと高圧側コンデンサ12aにより直流電圧に変換され、高圧側コンデンサ12aに電力が供給される。高圧側コンデンサ12aに蓄えられた電圧は、スイッチング素子41aが常時ONとなっているため、高圧側コンデンサ12aの電圧が直接高圧バッテリ21aに供給される。
(VHV < VLV ×NにおけるDC-DCコンバータの電流経路)
図6(B)から図6(E)は、昇圧動作モードにおけるDC-DCコンバータ11aの電流経路を示す。DC-DCコンバータ11aには4つの動作モードがある。以下で説明していく。
(図6(B) SH1:OFF、SH2:ON、SH3:OFF、SH4:ON)
低圧側スイッチング素子群15aのSL2およびSL4がON状態であるため、低圧側のトランス14aに印加される電圧はゼロである。電流は低圧側コンデンサ17aから低圧側のスイッチング素子群15aのSL4から、トランス14aの低圧側を通り、低圧側のスイッチング素子群15aのSL2を通る循環電流が流れる。高圧側スイッチング素子群13aにはトランス14aに電圧が印加されていないため電流は流れない。
(図6(C) SH1:ON、SH2:OFF、SH3:OFF、SH4:ON)
低圧側スイッチング素子群15aのSL2がターンオフし、SL1がターンオンすると、スイッチング素子群15aのSL1とSL4がON状態であるため、トランス14aの低圧側に高圧側コンデンサ17aの電圧が印加される。
(図6(D) SH1:ON、SH2:OFF、SH3:ON、SH4:OFF)
低圧側スイッチング素子群15aのSL4がターンオフし、SL3がターンオンすると、低圧側スイッチング素子群15aのSL1およびSL3がON状態であるため、低圧側のトランス14aに印加される電圧はゼロである。電流は低圧側コンデンサ17aから低圧側のスイッチング素子群15aのSL1から、トランス14aの低圧側を通り、低圧側のスイッチング素子群15aのスイッチング素子SL3を通る循環電流が流れる。高圧側スイッチング素子群13aにはトランス14aに電圧が印加されていないため電流は流れない。
低圧側スイッチング素子群15aのSL1がターンオフし、SL2がターンオンすると、スイッチング素子群15aのスイッチング素子SL2とSL3がON状態であるため、トランス14aの低圧側に高圧側コンデンサ17aの電圧が印加される。従って、電流は低圧側コンデンサ17aより、スイッチング素子群15aのSL3を通り、低圧側トランス14aを通り、スイッチング素子群15aのSL2を通り、低圧側コンデンサ17a へ流れる。高圧側スイッチング素子群13aのSH2とSH3は、低圧側スイッチング素子群15aの電流により、高圧側トランス14aから高圧側スイッチング素子群13aのSH3を通り、高圧側コンデンサ12aを通り、高圧側スイッチング素子群13aのSH2を通り、トランス14aの高圧側へ流れる。
(昇圧動作のデューティー制御2)
高圧バッテリが低圧バッテリとトランス巻数比の積より小さい場合、DC-DCコンバータ11aにおけるスイッチング素子群13aおよび低圧側スイッチング素子群15aは、DC-DCコンバータ11aの高圧側コンデンサ12aの電圧と、低圧側コンデンサ17aの電圧を用いて、制御回路31により、必要な昇圧比を演算し、高圧側スイッチング素子群13aおよび低圧側スイッチング素子群15aへゲート信号波形を送る。このとき、高圧側スイッチング素子群13aおよび低圧側スイッチング素子群15aに送られるゲート信号波形は、入出力電圧に応じて、制御回路31で演算された第四の時間比(Duty4)の信号が送られる(図6(A)参照)。
(昇圧動作のデューティー制御の移行期間)
昇圧動作モードは2つの動作モードが存在するため、電圧条件によって、2つの動作モードを移行する必要がある。図7に2つの昇圧動作モードの移行期間における電力変換装置のゲート信号波形図を示す。移行期間では、低圧側スイッチング素子群SL1とSL4およびSL2とSL3の時間比が0.5の状態である。昇圧動作モード1に移行する場合には、図7に示す移行期間とした後に、低圧側スイッチング素子群の時間比を増加させればよい。また、昇圧動作モード2に移行する場合には、図7に示す移行期間とした後に、低圧側スイッチング素子群のSL1とSL2の時間比をSL3とSL4から、演算された時間比分だけSL1とSL2のゲート信号波形の位相を変更すればよく、2つの昇圧動作モードの切替を行うことが可能である。
以上の双方向回路構成および降圧動作制御および昇圧動作制御により、降圧動作時には昇圧チョッパ回路を用いることで、DC-DCコンバータの入力電圧を一定にできるため、DC-DCコンバータのサイズ・コストを削減することが可能となる。また、昇圧動作時では、スイッチング素子による切替機を設けることで昇圧チョッパ回路を停止させ、DC-DCコンバータのみで高圧バッテリ電圧を制御することが可能となり、損失の大きいチョッパ回路を削減したことによる電力変換装置の高効率化が可能となる。
第2の実施形態は、第1の実施形態における電力変換装置の使用方法に関するものである。図9(A)は、第1の実施形態における電力変換装置を備えた電源システムの例として、自動車100に適用した場合の実施形態である。
(降圧動作モード)
図9(B)は、第一のバッテリ21から、第一のDC-DCコンバータ1と第二のコンバータ11を用いて、第二のバッテリ22に電力供給を示す図である。第一のDC-DCコンバータ1により、第一のバッテリ21の電圧を昇圧し、第二のDC-DCコンバータ11で第二のバッテリ22の電圧となるように制御される。このとき、ON/OFF切替機41はオフ状態とする。電気自動車などは、エアコンやランプ等の第二のバッテリ側負荷の電力を第二のバッテリから供給するだけでなく、第一のDC-DCコンバータ1と第二のコンバータ11を用いて、第一のバッテリから電力を供給することも可能である。
(昇圧動作モード)
このモードは、第一のバッテリが上がってしまった場合などで行う動作モードである。
なお、本実施形態においては、電源システムとして自動車に適用した場合を例示したが、これ以外の電源システムへの適用も可能である。
2:入力コンデンサ
3:チョークコイル
4:スイッチング素子
5:ダイオード
6:出力コンデンサ
11:第二のDC-DCコンバータ
11a:DC-DCコンバータ
12b:DC-DCコンバータ
12a:高圧側コンデンサ
12b:高圧側コンデンサ
13a:高圧側スイッチング素子群
13b:高圧側スイッチング素子群
14a:トランス
14b:トランス
15a:低圧側スイッチング素子群
15b:低圧側スイッチング素子群
16a:チョークコイル
16b:チョークコイル
17a:低圧側コンデンサ
17b:低圧側コンデンサ
21:第一のバッテリ
21a:高圧バッテリ
22:第二のバッテリ
22a:低圧バッテリ
31:制御回路
41:ON/OFF切替機
41a:スイッチング素子
51:第一のバッテリ側負荷
62:第二のバッテリ側負荷
100:自動車
Claims (4)
- 降圧もしくは昇圧を行う電力変換装置であって、
第一のバッテリに接続された昇圧回路と、前記第一のバッテリよりも低い電圧の第二のバッテリに接続された双方向DC−DCコンバータと、
前記昇圧回路と並列に接続されるON/OFFを切り替える手段を有する切替機を有し、
前記昇圧回路から前記双方向DC−DCコンバータへ電力を供給する降圧動作の場合は前記切替機をOFFとし、
前記双方向DC−DCコンバータから前記昇圧回路へ電力を供給する昇圧動作の場合は前記切替機をONとするように制御され、
前記双方向DC−DCコンバータが絶縁トランスと、前記第二のバッテリ側にスイッチング素子とチョークコイルを有し、
前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より大きい場合、前記双方向DC−DCコンバータの前記スイッチング素子を短絡する期間を設けるように制御され、
前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より大きい場合と、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より小さい場合とが混在する際に、移行期間を設けた後に制御を切り替える電力変換装置。 - 降圧もしくは昇圧を行う電力変換装置であって、
第一のバッテリに接続された昇圧回路と、前記第一のバッテリよりも低い電圧の第二のバッテリに接続された双方向DC−DCコンバータと、
前記昇圧回路と並列に接続されるON/OFFを切り替える手段を有する切替機を有し、
前記昇圧回路から前記双方向DC−DCコンバータへ電力を供給する降圧動作の場合は前記切替機をOFFとし、
前記双方向DC−DCコンバータから前記昇圧回路へ電力を供給する昇圧動作の場合は前記切替機をONとするように制御され、
前記双方向DC−DCコンバータが絶縁トランスと、前記第二のバッテリ側にスイッチング素子とチョークコイルを有し、
前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より小さい場合、前記双方向DC−DCコンバータの前記スイッチング素子を用いて、前記絶縁トランスへ印加される前記第二のバッテリ電圧が制御され、
前記第二のバッテリから前記第一のバッテリへ電力供給する際に、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より大きい場合と、前記第一のバッテリが第二のバッテリと前記絶縁トランスの巻数比の積より小さい場合とが混在する際に、移行期間を設けた後に制御を切り替える電力変換装置。 - 請求項1又は請求項2に記載された電力変換装置と、
前記昇圧回路と接続される前記第一のバッテリと、
前記双方向DC−DCコンバータと接続される前記第二のバッテリと、
前記第二のバッテリと並列に接続される負荷と、を備え、
前記第一のバッテリの電圧を前記電力変換装置を介して前記第二のバッテリを充電もしくは前記負荷に電力を供給する電源システム。 - 請求項3に記載の電源システムを備える自動車。
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