JP6679042B2 - Charger and charger - Google Patents

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Description

本発明は、複数個の蓄電セル(二次電池や電気二重層キャパシタ等)の直列接続により構成される蓄電セルストリングにおいて、各蓄電セルの電圧を均等化しつつ充電を行う充電器、充放電器(統合型コンバータ)に関する。   The present invention relates to a storage cell string configured by connecting a plurality of storage cells (such as a secondary battery and an electric double layer capacitor) in series, and a charger and a charger / charger for charging while equalizing the voltage of each storage cell. (Integrated converter)

二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電セルは、所望の電圧を得るために複数個のセルを直列に接続することにより蓄電セルストリングを構成して使用される。蓄電セルストリングにおいては繰り返し充放電を行ううちに、各セルの容量、内部抵抗、環境温度、自己放電等のばらつきに起因したセル電圧のばらつきが発生する。一般的に電圧ばらつきが発生した蓄電セルストリングにおいては、劣化の加速的進行および利用可能エネルギーの低下等といった問題が発生する。このような問題を解消するために、各種の電圧均等化回路が提案されている。   A storage cell such as a secondary battery or an electric double layer capacitor is used by forming a storage cell string by connecting a plurality of cells in series to obtain a desired voltage. During repeated charging / discharging of the storage cell string, variations in cell voltage occur due to variations in capacity, internal resistance, environmental temperature, self-discharge, etc. of each cell. Generally, in an electricity storage cell string in which voltage variation occurs, problems such as accelerated progress of deterioration and reduction of usable energy occur. In order to solve such a problem, various voltage equalization circuits have been proposed.

回路構成の簡素な均等化回路として図1に示す多段倍電圧整流回路を用いた均等化回路が提案されている(特許文献1,非特許文献1)。従来の多くの方式ではセルの数に比例した複数個のスイッチが必要であったのに対して、多段倍電圧整流回路を用いた均等化回路では必要となるスイッチの数が2つのみであるため、回路構成を飛躍的に簡素化することが可能である。更に、図2に示すように、この多段倍電圧整流回路を用いた均等化回路とコンバータ(充放電器)を一体化した統合化方式も報告されている(特許文献2,非特許文献2)。コンバータ内のスイッチングノードにおいて副次的に発生する矩形波電圧を利用して多段倍電圧整流回路を駆動させることで、均等化回路としてはスイッチレスの回路構成することができるため、回路構成の更なる簡素化が可能になる。さらに、均等化回路とコンバータの一体化によりシステム構成の簡素化も見込める。   As an equalization circuit having a simple circuit configuration, an equalization circuit using the multistage voltage doubler rectifier circuit shown in FIG. 1 has been proposed (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). Many conventional systems require a plurality of switches in proportion to the number of cells, whereas an equalization circuit using a multistage voltage doubler rectifier circuit requires only two switches. Therefore, the circuit configuration can be dramatically simplified. Further, as shown in FIG. 2, an integrated system in which an equalizing circuit using this multistage voltage doubler rectifying circuit and a converter (charger / discharger) are integrated has also been reported (Patent Document 2, Non-Patent Document 2). . By driving the multistage voltage doubler rectifier circuit by utilizing the rectangular wave voltage that is secondary generated in the switching node in the converter, a switchless circuit configuration can be achieved as the equalization circuit. Can be simplified. Furthermore, the system configuration can be simplified by integrating the equalization circuit and the converter.

上記のコンバータと均等化回路を一体化させた統合化方式は回路構成とシステム構成の簡素化という観点から非常に有用なものであるが、欠点としてトランス(変圧器)が不可欠であるという点が挙げられる。上記統合化方式は、コンバータのスイッチングノードで発生している矩形波電圧の電圧振幅をトランスによりいったん小さな矩形波電圧に変換しておき、その変換された矩形波電圧によりコンデンサとダイオードにより構成される多段倍電圧整流回路を駆動するものである。トランスを用いなくとも多段倍電圧整流回路の駆動は可能であるが、多段倍電圧整流回路に印加される矩形波電圧の振幅が大きいが故に多段倍電圧整流回路内に過大な電流が発生し大きな損失に繋がり実用的でなくなってしまう。   The integrated method in which the converter and the equalization circuit are integrated is very useful from the viewpoint of simplifying the circuit configuration and system configuration, but the drawback is that a transformer is essential. Can be mentioned. In the integrated method, the voltage amplitude of the rectangular wave voltage generated at the switching node of the converter is once converted into a small rectangular wave voltage by a transformer, and the converted rectangular wave voltage is configured by a capacitor and a diode. It drives a multi-stage voltage doubler rectifier circuit. It is possible to drive a multi-stage voltage doubler rectifier circuit without using a transformer, but because the amplitude of the rectangular wave voltage applied to the multi-stage voltage doubler rectifier circuit is large, an excessive current is generated in the multi-stage voltage doubler rectifier circuit, which is large. It leads to loss and becomes impractical.

これに関し、トランスを用いて矩形波電圧の振幅を調節することで過大電流の発生を防止することができるが、トランスの巻線比は蓄電セルの直列接続数やコンバータの入出力電圧に応じて適切に決定する必要がある。言い換えると、何らかの理由により蓄電セルの直列接続数に変更が生じた際にはトランスの再設計が必要となる。一般に、任意の仕様を満たすトランスは存在しない、即ちカタログ品が存在しないため、仕様に応じて適宜設計を行う必要があるが、一般にトランスは設計が困難な素子である。よって、用途等によって蓄電セルの直列接続数に変更が生じた際に迅速な設計変更が困難であるため、このコンバータと均等化回路を一体化した統合化方式は設計性や拡張性の観点で課題が残る。   In this regard, adjusting the amplitude of the rectangular wave voltage using a transformer can prevent the generation of excessive current, but the winding ratio of the transformer depends on the number of series-connected storage cells and the input / output voltage of the converter. You need to make an appropriate decision. In other words, if the number of storage cells connected in series changes for some reason, the transformer must be redesigned. In general, there are no transformers that meet arbitrary specifications, that is, there are no catalog products, so it is necessary to design appropriately according to the specifications, but generally transformers are difficult to design. Therefore, it is difficult to quickly change the design when the number of storage cells connected in series changes depending on the application.Therefore, the integrated method that integrates this converter and the equalization circuit is designed in terms of designability and expandability. Challenges remain.

特開2013−183557号公報JP, 2013-183557, A 特開2014−233128号公報JP, 2014-233128, A

Masatoshi uno and Akio Kukita, “Double-switch series-resonant cell-voltage equalizer using a voltage multiplier for series-connected energy storage cells”, Electrical Engineering Japan, Vol. 189, No. 3, pp. 41-51, Nov. 2014.Masatoshi uno and Akio Kukita, “Double-switch series-resonant cell-voltage equalizer using a voltage multiplier for series-connected energy storage cells”, Electrical Engineering Japan, Vol. 189, No. 3, pp. 41-51, Nov. 2014. Masatoshi uno and Akio Kukita, “Bidirectional PWM converter integrating cell voltage equalizer using series-resonant voltage multiplier for series-connected energy storage cells”, IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 30, No. 6, pp. 3077-3090, Jun. 2015.Masatoshi uno and Akio Kukita, “Bidirectional PWM converter integrating cell voltage equalizer using series-resonant voltage multiplier for series-connected energy storage cells”, IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 30, No. 6, pp. 3077-3090, Jun . 2015. 鵜野将年、久木田明夫 “直列共振形多段倍電圧整流回路を用いた二石式セルバランス回路−充放電器との統合化に適した動作モードについての検討−,” 電子情報通信学会(電子通信エネルギー研究会)、信学技報告vol.114, no.63, pp.7-12.Masato Uno, Akio Kukita "Futaki-type cell balance circuit using series resonant multi-stage voltage rectifier circuit-Study on operation mode suitable for integration with charger-discharger-," IEICE Energy Research Group), Technical Report vol.114, no.63, pp.7-12.

本発明はこのような背景の下でなされたものである。本発明は、コンバータと多段倍電圧整流回路との間にトランスを用いる必要がない、コンバータと均等化回路との統合方式を提供し、また均等化回路内に過大な電流が流れることを防止できる方式を提供することを課題とする。   The present invention has been made under such a background. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides an integrated system of a converter and an equalization circuit which does not require a transformer between the converter and the multi-stage voltage doubler rectification circuit, and can prevent an excessive current from flowing in the equalization circuit. The challenge is to provide a method.

上記課題を解決するため、本発明は、直列接続された第1から第n(nは2以上の整数)のキャパシタの各々に対して、2つの直列接続されたダイオードを並列に接続し、更に、2つの直列接続されたダイオードの各々における中間点に中間キャパシタを接続した、多段倍電圧整流回路と、スイッチ切り替えにより動作し、スイッチ切り替えに応じて変動する第1の電圧が印加されるコンバータ内インダクタを備えたスイッチングコンバータと、スイッチングコンバータの出力部と多段倍電圧整流回路との間に接続された中間インダクタであって、スイッチの切り替え状態のうち少なくとも一つの状態においてスイッチングコンバータを流れる電流経路上に配置されたことにより、スイッチ切り替えに応じて変動する第2の電圧が印加される、中間インダクタとを備え、スイッチングコンバータの出力部に、中間インダクタを介して、直列接続された第1から第nのキャパシタを接続することにより、スイッチングコンバータから中間インダクタを介して出力される電圧によって第1から第nのキャパシタを充電するとともに、中間インダクタから多段倍電圧整流回路に入力される電圧で多段倍電圧整流回路が動作することにより、第1から第nのキャパシタを充電するよう構成された、充電器を提供する。   In order to solve the above problems, the present invention connects two series-connected diodes in parallel to each of the series-connected first to n-th (n is an integer of 2 or more) capacitors, A multi-stage voltage doubler rectifier circuit in which an intermediate capacitor is connected to an intermediate point in each of two diodes connected in series, and a converter to which a first voltage that operates by switching and that fluctuates according to switching is applied A switching converter including an inductor, an intermediate inductor connected between the output section of the switching converter and the multistage voltage doubler rectifier circuit, on the current path flowing through the switching converter in at least one of the switching states of the switch. The second voltage that fluctuates according to the switching of the switch is applied due to the arrangement An intermediate inductor, and by connecting the series-connected first to n-th capacitors to the output section of the switching converter via the intermediate inductor, the first output voltage from the switching converter is output via the intermediate inductor. It is configured to charge the 1st to nth capacitors and to charge the 1st to nth capacitors by operating the multistage voltage doubler rectifier circuit with the voltage input from the intermediate inductor to the multistage voltage doubler rectifier circuit. , Provide a charger.

上記充電器によれば、コンバータ内インダクタ,中間インダクタのインダクタンスの比を調整する等して、トランスを用いることなく、多段倍電圧整流回路に流れる電流が過大となることを防止できる。   According to the above charger, it is possible to prevent the current flowing through the multi-stage voltage doubler rectifier circuit from becoming excessive without adjusting the ratio of the inductors in the converter and the intermediate inductor.

スイッチングコンバータとしては、降圧型PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)コンバータ、昇圧型PWMコンバータ、Zetaコンバータ、ハーフブリッジコンバータ等、任意のスイッチングコンバータを用いることができる。   As the switching converter, any switching converter such as a step-down PWM (Pulse Width Modulation) converter, a step-up PWM converter, a Zeta converter, or a half-bridge converter can be used.

スイッチングコンバータの出力部と多段倍電圧整流回路との間に共振キャパシタが更に接続されることにより、中間インダクタと共振キャパシタが共振回路を構成するよう、上記充電器を構成することができる。   By connecting a resonance capacitor between the output section of the switching converter and the multistage voltage doubler rectifier circuit, the charger can be configured such that the intermediate inductor and the resonance capacitor form a resonance circuit.

コンバータ内インダクタと中間インダクタとが同一のコアに対して巻回されることによりカップルドインダクタを形成するよう、上記充電器を構成することができる。   The charger may be configured such that the in-converter inductor and the intermediate inductor are wound around the same core to form a coupled inductor.

さらに、本発明の充電器においてスイッチングコンバータとして双方向スイッチングコンバータを用いることにより、充放電器を構成することができる。   Further, by using a bidirectional switching converter as a switching converter in the charger of the present invention, a charger / discharger can be configured.

本発明が教示するトランスレス均等化回路統合型コンバータによれば、トランスを用いることなくコンバータと均等化回路の一体化が可能である。トランスレスの回路構成であるため、蓄電セルの直列接続数に変更が生じた際においても柔軟に迅速に設計変更が可能であるため、従来の方式と比較して優れた拡張性と設計柔軟性を実現できる。   According to the transformerless equalization circuit integrated converter taught by the present invention, the converter and the equalization circuit can be integrated without using a transformer. The transformer-less circuit configuration allows flexible and quick design changes even when the number of storage cells connected in series changes, resulting in superior expandability and design flexibility compared to conventional methods. Can be realized.

多段倍電圧整流回路を用いた従来の均等化回路の回路図。FIG. 6 is a circuit diagram of a conventional equalization circuit using a multistage voltage doubler rectifier circuit. 多段倍電圧整流回路を用いた均等化回路とコンバータ(充放電器)を一体化した従来の統合型コンバータの回路図。FIG. 10 is a circuit diagram of a conventional integrated converter in which an equalization circuit using a multistage voltage doubler rectifier circuit and a converter (charger / discharger) are integrated. 本発明の充電器、充放電器において用いることができる、降圧型コンバータの回路図。FIG. 3 is a circuit diagram of a step-down converter that can be used in the charger and the charger / discharger of the present invention. 本発明の充電器、充放電器において用いることができる、昇圧型コンバータの回路図。The circuit diagram of a boost converter that can be used in the charger and the charger / discharger of the present invention. 本発明の充電器、充放電器において用いることができる、昇降圧コンバータの回路図。The circuit diagram of the buck-boost converter that can be used in the charger and the charger / discharger of the present invention. 本発明の充電器、充放電器において用いることができる、SEPICコンバータの回路図。The circuit diagram of the SEPIC converter which can be used in the charger and charger of the present invention. 本発明の充電器、充放電器において用いることができる、Zetaコンバータの回路図。The circuit diagram of the Zeta converter that can be used in the charger and the charger / discharger of the present invention. 本発明の充電器、充放電器において用いることができる、Cukコンバータの回路図。FIG. 3 is a circuit diagram of a Cuk converter that can be used in the charger and the charger / discharger of the present invention. 降圧型コンバータの動作時における、スイッチQがオンの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of operation of a step-down converter when switch Q is ON. 降圧型コンバータの動作時における、スイッチQがオフの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of operation of a step-down converter when switch Q is OFF. 多段倍電圧整流回路の一例を示す回路図。A circuit diagram showing an example of a multistage voltage doubler rectifier circuit. 図5に示す多段倍電圧整流回路の矩形波状電圧による動作時における、モード1の電流経路を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a current path of mode 1 when the multi-stage voltage doubler rectifier circuit shown in FIG. 5 operates with a rectangular wave voltage. 図5に示す多段倍電圧整流回路の矩形波状電圧による動作時における、モード2の電流経路を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a current path in mode 2 when the multi-stage voltage doubler rectifier circuit shown in FIG. 5 operates with a rectangular wave voltage. 図5に示す多段倍電圧整流回路の等価回路の回路図。FIG. 6 is a circuit diagram of an equivalent circuit of the multistage voltage doubler rectifier circuit shown in FIG. 5. 図5に示す多段倍電圧整流回路の、別の入力位置からの矩形波状電圧による動作時における、モード1の電流経路を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a current path of mode 1 when the multistage voltage doubler rectifier circuit shown in FIG. 5 is operated by a rectangular wave voltage from another input position. 図5に示す多段倍電圧整流回路の、別の入力位置からの矩形波状電圧による動作時における、モード2の電流経路を示す図。The figure which shows the current path of the mode 2 at the time of the operation | movement by the rectangular wave voltage from another input position of the multistage voltage doubler rectifier circuit shown in FIG. 本発明の第1の実施形態である、降圧型コンバータ、共振回路、多段倍電圧整流回路を用いた均等化機能付充電器に、直列接続された蓄電セルB1〜B4を接続したシステムの回路図。A circuit diagram of a system in which storage cells B1 to B4 connected in series are connected to a charger with an equalizing function using a step-down converter, a resonance circuit, and a multistage voltage doubler rectifier circuit, which is the first embodiment of the present invention. . 図9に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの理論動作波形。10 is a theoretical operation waveform of the transformerless equalizing circuit integrated converter shown in FIG. 9. 図9に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード1)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 9 (mode 1) 図9に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード2)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 9 (mode 2) 図9に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード3)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 9 (mode 3) 図9に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード4)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 9 (mode 4) 図9に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード5)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 9 (mode 5) 図9に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード6)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 9 (mode 6) 昇圧型コンバータの動作時における、スイッチQがオンの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of operation | movement of a boost converter when switch Q is ON. 昇圧型コンバータの動作時における、スイッチQがオフの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of operation of a boost converter when switch Q is OFF. 本発明の第2の実施形態である、昇圧型コンバータ、共振回路、多段倍電圧整流回路を用いた均等化機能付充電器に、直列接続された蓄電セルB1〜B4を接続したシステムの回路図。2nd Embodiment of this invention The circuit diagram of the system which connected the series-connected storage cells B1-B4 to the charger with the equalization function which used the boost converter, the resonance circuit, and the multistage voltage doubler rectification circuit which is 2nd Embodiment. . 図13に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの理論動作波形。FIG. 14 is a theoretical operation waveform of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 13. 図13に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード1)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 13 (mode 1) 図13に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード2)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 13 (mode 2) 図13に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード3)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 13 (mode 3) 図13に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード4)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 13 (mode 4) 図13に示したトランスレス均等化回路統合型コンバータの動作時における電流経路(モード5)Current path during operation of the transformerless equalization circuit integrated converter shown in FIG. 13 (mode 5) Zetaコンバータの動作時における、スイッチQがオンの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of operation of a Zeta converter when switch Q is one | on. Zetaコンバータの動作時における、スイッチQがオフの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of operation of a Zeta converter when switch Q is OFF. 本発明の第3の実施形態である、Zetaコンバータ、共振回路、多段倍電圧整流回路を用いた均等化機能付充電器に、直列接続された蓄電セルB1〜B4を接続したシステムの回路図。The circuit diagram of the system which connected the storage cells B1-B4 connected in series to the charger with an equalization function which uses the Zeta converter, the resonance circuit, and the multistage voltage doubler rectification circuit which are the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態である、ハーフブリッジコンバータ、共振回路、多段倍電圧整流回路を用いた均等化機能付充電器に、直列接続された蓄電セルB1〜B4を接続したシステムの回路図。A circuit diagram of a system in which storage cells B1 to B4 connected in series are connected to a charger with an equalizing function using a half-bridge converter, a resonance circuit, and a multistage voltage doubler rectifier circuit, which is a fourth embodiment of the present invention. . 本発明の第5の実施形態である、特にカップルドインダクタを用いた、降圧型コンバータ、共振回路、多段倍電圧整流回路からなる均等化機能付充電器に、直列接続された蓄電セルB1〜B4を接続したシステムの回路図。The fifth embodiment of the present invention, in particular, storage cells B1 to B4 connected in series to a charger with an equalizing function, which is composed of a step-down converter, a resonance circuit, and a multistage voltage doubler rectifier circuit, which uses a coupled inductor. Schematic of the system with connected. 本発明の第6の実施形態である、特にカップルドインダクタを用いた、昇圧型コンバータ、共振回路、多段倍電圧整流回路からなる均等化機能付充電器に、直列接続された蓄電セルB1〜B4を接続したシステムの回路図。The sixth embodiment of the present invention, in particular, storage cells B1 to B4 connected in series to a charger with an equalizing function, which includes a step-up converter, a resonance circuit, and a multistage voltage doubler rectifier circuit using a coupled inductor. Schematic of the system with connected. 多段倍電圧整流回路にインダクタLr,キャパシタCrを接続して直列共振形倍電圧整流回路とした回路図。The circuit diagram which connected the inductor Lr and the capacitor Cr to the multistage voltage doubler rectifier circuit, and set it as the series resonance type voltage doubler rectifier circuit. 多段倍電圧整流回路にインダクタLrのみを接続して非共振形倍電圧整流回路とした回路図。FIG. 6 is a circuit diagram of a non-resonant voltage doubler rectifier circuit in which only the inductor Lr is connected to the multistage voltage doubler rectifier circuit. 多段倍電圧整流回路にインダクタLr,キャパシタCrを接続して並列共振形倍電圧整流回路とした回路図。The circuit diagram which connected the inductor Lr and the capacitor Cr to the multistage voltage doubler rectifier circuit, and set it as the parallel resonance type voltage doubler rectifier circuit. 多段倍電圧整流回路にインダクタLr,キャパシタCr,インダクタLaを接続してLLC共振形倍電圧整流回路とした回路図。FIG. 6 is a circuit diagram in which an inductor Lr, a capacitor Cr, and an inductor La are connected to a multistage voltage doubler rectifier circuit to form an LLC resonant voltage doubler rectifier circuit. 双方向コンバータの放電動作時における、スイッチQHがオフ、スイッチQLがオンの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of discharge operation of a bidirectional converter when switch QH is OFF and switch QL is ON. 双方向コンバータの放電動作時における、スイッチQHがオン、スイッチQLがオフの時の電流経路を示す図。The figure which shows the electric current path at the time of discharge operation of a bidirectional converter when switch QH is ON and switch QL is OFF. 本発明の第7の実施形態である、双方向コンバータ、共振回路、多段倍電圧整流回路からなる均等化機能付充放電器に、直列接続された蓄電セルB1〜B4を接続したシステムの回路図。A circuit diagram of a system in which storage cells B1 to B4 connected in series are connected to a charger / discharger with an equalizing function, which is a bidirectional converter, a resonance circuit, and a multistage voltage doubler rectifier circuit, which is a seventh embodiment of the present invention. .

これより図面を用いて、本発明に係る充電器、及び充放電器を説明する。但し、本発明に係る充電器、充放電器の構成は、各図面にて示される特定の具体的構成へと限定されるわけではなく、本発明の範囲内で適宜変更可能である。例えば、以下において各キャパシタは主に単独の蓄電素子であるとして、また蓄電セルは二次電池、電気二重層キャパシタ等であるとして説明するが、これらは充放電可能な任意の素子、複数の素子からなるモジュール、あるいはそれらモジュールを用いて構成される任意の装置であってもよい。その他、以下の実施例における多段倍電圧整流回路は4段倍電圧整流回路として示されているが、本発明における多段倍電圧整流回路の段数、すなわち直列接続されるキャパシタの数nは2以上の任意の整数であってよい。   The charger and the charger / discharger according to the present invention will now be described with reference to the drawings. However, the configurations of the charger and the charger / discharger according to the present invention are not limited to the specific specific configurations shown in the drawings, and can be appropriately changed within the scope of the present invention. For example, in the following description, each capacitor is mainly described as a single power storage element, and the power storage cell is described as a secondary battery, an electric double layer capacitor, or the like, but these are arbitrary chargeable / dischargeable elements or a plurality of elements. It may be a module consisting of, or any device configured using those modules. In addition, although the multistage voltage doubler rectifier circuit in the following embodiments is shown as a 4-stage voltage doubler rectifier circuit, the number of stages of the multistage voltage doubler rectifier circuit in the present invention, that is, the number n of capacitors connected in series is 2 or more. It can be any integer.

電圧均等化機能を有する本発明の充電器、及び充放電器は、(コンバータ内)インダクタを備えたスイッチングコンバータ(充電回路)、中間インダクタ(及び、任意で追加的なキャパシタやインダクタ等の要素)、及び多段倍電圧整流回路の3つの機能部を備えている。コンバータとして用いることが可能な代表例として、図3a〜図3fは、降圧型コンバータ、昇圧型コンバータ、反転型昇降圧コンバータ、SEPICコンバータ、Zetaコンバータ、Cukコンバータをそれぞれ示している。これらコンバータの出力電圧によって、多段倍電圧整流回路に含まれる各キャパシタを充電することができる。   The charger and the charger / discharger of the present invention having a voltage equalizing function include a switching converter (charging circuit) having an inductor (in the converter), an intermediate inductor (and optionally an element such as an additional capacitor or inductor). , And a multi-stage voltage doubler rectifier circuit. As typical examples that can be used as the converter, FIGS. 3a to 3f show a step-down converter, a step-up converter, an inverting buck-boost converter, a SEPIC converter, a Zeta converter, and a Cuk converter, respectively. The capacitors included in the multistage voltage doubler rectifier circuit can be charged by the output voltages of these converters.

図3a〜図3f中では、コンバータ内のスイッチングノードにおいて発生する矩形波状の電圧も併せて図示されている。後述のとおりコンバータの出力側に配置される中間インダクタに、これら矩形波状電圧の一部が印加されることにより、中間インダクタからの入力電圧で多段倍電圧整流回路を動作させることが可能となる。   In FIGS. 3a to 3f, the rectangular wave voltage generated at the switching node in the converter is also shown. As described later, by applying a part of the rectangular wave voltage to the intermediate inductor arranged on the output side of the converter, it becomes possible to operate the multistage voltage doubler rectifier circuit with the input voltage from the intermediate inductor.

ここでは非絶縁型のPWM(Pulse Width Modulation)コンバータについて例を示したが、その他の非絶縁型コンバータやの絶縁型コンバータ(ハーフブリッジやフルブリッジ等)、共振形コンバータ等を用いることも可能である。ここで示したコンバータはいずれもダイオードを用いた単方向コンバータであるため、充電器のみ(もしくは放電器のみ)に用いることができる。ダイオードをスイッチに置き換えて、これらコンバータを双方向コンバータとして用いることで、後述のとおり本発明の充放電器を構成することができる。   Although an example of a non-isolated PWM (Pulse Width Modulation) converter is shown here, it is also possible to use other non-isolated converters, isolated converters (half bridge, full bridge, etc.), resonant converters, etc. is there. Since all the converters shown here are unidirectional converters using diodes, they can be used only for the charger (or only the discharger). By replacing the diode with a switch and using these converters as bidirectional converters, the charger / discharger of the present invention can be configured as described below.

例として、図3a〜図3fのコンバータのうち、図3aの降圧型コンバータの動作時における電流経路を図4a,図4bにそれぞれ示す。   As an example, current paths during operation of the step-down converter of FIG. 3a among the converters of FIGS. 3a to 3f are shown in FIGS. 4a and 4b, respectively.

スイッチQがオンとなる期間では、キャパシタCin,CoutからインダクタLに電圧が印加されることにより(入力電圧をVin、出力電圧をVoutとすればVin−Voutが印加される。)、インダクタLを流れる電流は直線的に増加する。このときスイッチQに印加されている電圧はゼロである(オン抵抗を無視した。)。スイッチQがオフとなる期間では、インダクタLを流れる電流はダイオードDoを介して負荷側へ流れる。インダクタLに印加される電圧は、−Voutであり(図4a,図4b中、矢印方向に電流を流す電圧を正とした。)、インダクタLを流れる電流は直線的に減少する。このように、スイッチング動作に伴い、インダクタLの電圧は矩形波状電圧となる。 During the period when the switch Q is turned on, a voltage is applied from the capacitors Cin and Cout to the inductor L (V in −V out is applied when the input voltage is V in and the output voltage is V out ). , The current flowing through the inductor L increases linearly. At this time, the voltage applied to the switch Q is zero (ignoring the on resistance). During the period when the switch Q is off, the current flowing through the inductor L flows to the load side through the diode Do. The voltage applied to the inductor L is −V out (in FIG. 4a and FIG. 4b, the voltage that causes the current to flow in the direction of the arrow is positive), and the current flowing through the inductor L decreases linearly. In this way, the voltage of the inductor L becomes a rectangular wave voltage due to the switching operation.

図5に、多段倍電圧整流回路の一例が示されている。多段倍電圧整流回路は、直列接続されたキャパシタCout1〜Cout4の各々に対して、2つの直列接続されたダイオードD1,D2と、D3,D4と、D5,D6と、D7,D8と、をそれぞれ並列に接続し、更に、2つの直列接続されたダイオードの各々における中間点に中間キャパシタC1〜C4をそれぞれ接続してなる。   FIG. 5 shows an example of a multi-stage voltage doubler rectifier circuit. The multi-stage voltage doubler rectifier circuit includes two diodes D1, D2, D3, D4, D5, D6, and D7, D8 connected in series to each of the capacitors Cout1 to Cout4 connected in series. The capacitors C1 to C4 are connected in parallel, and the intermediate capacitors C1 to C4 are connected to the intermediate points of the two diodes connected in series.

多段倍電圧整流回路は、矩形波状や正弦波状の電圧等、交流電圧を入力することで動作する。図5の端子A−B間に矩形波状電圧が入力されるとき、入力される矩形波状電圧の変化に応じてキャパシタCout1〜Cout4に充放電電流が流れ、多段倍電圧整流回路内の奇数番号のダイオードD1,D3,D5,D7と偶数番号のダイオードD2,D4,D6,D8が交互に導通する。   The multi-stage voltage doubler rectifier circuit operates by inputting an AC voltage such as a rectangular wave or sine wave voltage. When a rectangular wave voltage is input between the terminals A and B in FIG. 5, a charging / discharging current flows through the capacitors Cout1 to Cout4 according to a change in the input rectangular wave voltage, and an odd-numbered voltage in the multi-stage voltage doubler rectifier circuit Diodes D1, D3, D5, D7 and even-numbered diodes D2, D4, D6, D8 are alternately conducted.

具体的には、図5中、端子Bから端子Aへと(矢印方向)電流を流す極性の電圧が多段倍電圧整流回路へと入力されるとき、図6aに示すとおりの経路を電流が流れて、図5中、端子Aから端子Bへと電流を流す極性の電圧が多段倍電圧整流回路へと入力されるとき、図6bに示すとおりの経路を電流が流れる。   Specifically, in FIG. 5, when a voltage of a polarity that causes a current to flow from the terminal B to the terminal A (in the direction of the arrow) is input to the multistage voltage doubler rectifier circuit, the current flows through the path as shown in FIG. 6a. Then, in FIG. 5, when the voltage of the polarity that causes the current to flow from the terminal A to the terminal B is input to the multistage voltage doubler rectifier circuit, the current flows through the path as shown in FIG. 6b.

ここで、キャパシタCout1〜Cout4の容量が中間キャパシタC1〜C4の容量と比較して十分大きいとすれば、入力電圧VSNの動作周波数が十分高い場合、キャパシタCout1,Cout2,Cout3,Cout4の電圧VCout1,VCout2,VCout3,VCout4は1サイクル前後において不変であるとみなすことができる。図6aのモード1におけるVSNの大きさをEとし、モード1における中間キャパシタC1,C2,C3,C4の電圧の大きさをVC1a,VC2a,VC3a,VC4aとすれば、図6aの電流経路についてキルヒホッフの第2法則を適用することにより以下の式(1)が得られる。

Figure 0006679042
(1) Here, assuming that the capacitances of the capacitors Cout1 to Cout4 are sufficiently larger than the capacitances of the intermediate capacitors C1 to C4, when the operating frequency of the input voltage V SN is sufficiently high, the voltage V of the capacitors Cout1, Cout2, Cout3, Cout4 is increased. Cout1, V Cout2, V Cout3, V Cout4 can be regarded as invariant in one cycle before and after. If the magnitude of V SN in mode 1 of FIG. 6a is E and the magnitudes of the voltages of the intermediate capacitors C1, C2, C3 and C4 in mode 1 are V C1a , V C2a , V C3a and V C4a , FIG. By applying Kirchhoff's second law to the current path of, the following equation (1) is obtained.
Figure 0006679042
(1)

なお、VCout1〜VCout4については、図6a中でキャパシタCout2〜Cout4を流れている方向に電流を流す極性の電圧を正とし、Vc1a〜Vc4a(及び、後述のVc1b〜Vc4b)については、図6a中で中間キャパシタC1〜C4を流れている方向に電流を流す極性の電圧を正とした。 Note that the V Cout1 ~V Cout 4, city the polarity of the voltage to flow a current in the direction flowing through the capacitor Cout2~Cout4 in Figure 6a positive, V c1a ~V c4a (and, V c1b ~V C4b below) 6a, the voltage of the polarity that causes the current to flow in the direction in which the intermediate capacitors C1 to C4 flow in FIG. 6a is positive.

同様に、図6bのモード2におけるVSNの大きさを0とし(例えば図3aの降圧型コンバータに含まれるインダクタLの電圧は正と負の値をとり、後述のとおり中間インダクタが分担する電圧も正負で変動するが、電圧の基準点を負側の電圧と取ることにより、モード2におけるVSNをゼロとしてよい。)、中間キャパシタC1,C2,C3,C4の電圧の大きさをVC1b,VC2b,VC3b,VC4bとすれば、図6bの電流経路についてキルヒホッフの第2法則を適用することにより以下の式(2)が得られる。

Figure 0006679042
(2) Similarly, the magnitude of V SN in mode 2 of FIG. 6b is set to 0 (for example, the voltage of the inductor L included in the step-down converter of FIG. 3a takes positive and negative values, and the voltage shared by the intermediate inductor will be described later). Also varies in positive and negative, but V SN in mode 2 may be set to zero by taking the reference point of the voltage as the negative voltage.), And the magnitude of the voltage of the intermediate capacitors C1, C2, C3, C4 is V C1b. , V C2b , V C3b , and V C4b , the following equation (2) can be obtained by applying Kirchhoff's second law to the current path of FIG. 6b.
Figure 0006679042
(2)

上記式(1),(2)より、中間キャパシタC1〜C4における、モード1とモード2の間での電圧変動△VC1=VC1b−VC1a,△VC2=VC2b−VC2a,△VC3=VC3b−VC3a,△VC4=VC4b−VC4aは以下のとおり計算される。

Figure 0006679042
(3) From the above equations (1) and (2), the voltage variation between the mode 1 and the mode 2 in the intermediate capacitors C1 to C4 ΔV C1 = V C1b −V C1a , ΔV C2 = V C2b −V C2a , Δ V C3 = V C3b −V C3a and ΔV C4 = V C4b −V C4a are calculated as follows.
Figure 0006679042
(3)

中間キャパシタC1〜C4の容量をそれぞれG1,G2,G3,G4とした場合、中間キャパシタC1〜C4からキャパシタCout1〜Cout4に流れる電流IC1,IC2,IC3,IC4は、電流=周波数×電荷量=周波数×容量×電圧変動という関係から、

Figure 0006679042
(4)
となる。ここで、fは入力電圧VSNの周波数である。ここで、オームの法則から、f×G1,f×G2,f×G3,f×G4はそれぞれ抵抗の逆数、つまりコンダクタンスの次元であることが分かる。 When the capacitances of the intermediate capacitors C1 to C4 are G1, G2, G3, and G4, respectively, the currents I C1 , I C2 , I C3 , and I C4 flowing from the intermediate capacitors C1 to C4 to the capacitors Cout1 to Cout4 are: current = frequency × From the relationship of charge amount = frequency × capacity × voltage fluctuation,
Figure 0006679042
(4)
Becomes Here, f is the frequency of the input voltage V SN . From Ohm's law, it can be seen that f × G1, f × G2, f × G3, and f × G4 are the reciprocal of resistance, that is, the conductance dimension.

よって、上記式(4)から、図5の回路を図7のような等価回路に置き換えることができる。ここで等価電源Vdcは出力電圧Eの直流電源であり、等価抵抗R1〜R4は中間キャパシタC1〜C4の充放電動作を等価抵抗に置き換えたものであり、等価抵抗R1〜R4の抵抗値はそれぞれ、1/(f×G1),1/(f×G2),1/(f×G3),1/(f×G4)と表すことができる。G1〜G4が等しい場合、R1〜R4の値も等しくなるため、図7においてキャパシタCout1〜Cout4の各電圧が同じ場合は等価抵抗R1〜R4に流れる電流も等しくなる。つまりキャパシタCout1〜Cout4は均等に充電されることになる。   Therefore, from the above equation (4), the circuit of FIG. 5 can be replaced with an equivalent circuit as shown in FIG. Here, the equivalent power source Vdc is a DC power source of the output voltage E, the equivalent resistors R1 to R4 are obtained by replacing the charge / discharge operation of the intermediate capacitors C1 to C4 with equivalent resistors, and the equivalent resistors R1 to R4 have resistance values, respectively. , 1 / (f × G1), 1 / (f × G2), 1 / (f × G3), 1 / (f × G4). When G1 to G4 are equal, the values of R1 to R4 are also equal. Therefore, when the voltages of the capacitors Cout1 to Cout4 are the same in FIG. 7, the currents flowing through the equivalent resistors R1 to R4 are also equal. That is, the capacitors Cout1 to Cout4 are evenly charged.

その結果、キャパシタCout1〜Cout4の電圧は定常状態で均等となる。定常状態におけるキャパシタCout1〜Cout4の各電圧はEとなる(ただし、ダイオードにおける電圧降下は無視する。以下同様。)。なお、G1〜G4が異なる場合、等価抵抗R1〜R4に流れる電流も異なることとなるが、最終的にキャパシタCout1〜Cout4の電圧が定常状態でEの均一値となることに変わりはない。   As a result, the voltages of the capacitors Cout1 to Cout4 become uniform in the steady state. Each voltage of the capacitors Cout1 to Cout4 in the steady state is E (however, the voltage drop in the diode is ignored. The same applies hereinafter). Note that when G1 to G4 are different, the currents flowing through the equivalent resistances R1 to R4 are also different, but the voltage of the capacitors Cout1 to Cout4 eventually becomes a uniform value of E in a steady state.

なお、多段倍電圧入力回路に対して交流電圧を入力する位置は、図5で示した位置に限らず任意である。一例として、特許文献2の図7に示す位置から入力した場合の動作を、特許文献2の[0022]〜[0030]に従って説明する。   The position where the AC voltage is input to the multistage voltage doubler input circuit is not limited to the position shown in FIG. As an example, an operation when input is performed from the position shown in FIG. 7 of Patent Document 2 will be described according to [0022] to [0030] of Patent Document 2.

図8a,図8bに示すとおり、入力回路の端子A−B間には矩形波状電圧が入力される。このとき、入力される矩形波状電圧の変化に応じてキャパシタCout1〜Cout4に充放電電流が流れ、多段倍電圧整流回路内の奇数番号のダイオードD1,D3,D5,D7と偶数番号のダイオードD2,D4,D6,D8が交互に導通する。   As shown in FIGS. 8a and 8b, a rectangular wave voltage is input between terminals A and B of the input circuit. At this time, a charging / discharging current flows through the capacitors Cout1 to Cout4 according to the change of the input rectangular wave voltage, and the odd-numbered diodes D1, D3, D5, D7 and the even-numbered diodes D2 in the multistage voltage doubler rectifier circuit. D4, D6 and D8 are alternately conducted.

具体的には、図8aに示すとおり端子Bから端子Aへと電流を流す極性の電圧が多段倍電圧整流回路へと入力されるとき、図8aに示すとおりの経路を電流が流れて、図8bに示すとおり端子Aから端子Bへと電流を流す極性の電圧が多段倍電圧整流回路へと入力されるとき、図8bに示すとおりの経路を電流が流れる。   Specifically, when a voltage of a polarity that causes a current to flow from the terminal B to the terminal A as shown in FIG. 8a is input to the multistage voltage doubler rectifier circuit, the current flows through the path as shown in FIG. When a voltage of a polarity that causes a current to flow from the terminal A to the terminal B as shown in 8b is input to the multistage voltage doubler rectifier circuit, the current flows through the path as shown in FIG. 8b.

ここで、キャパシタCout1〜Cout4の容量が中間キャパシタC1〜C4の容量と比較して十分大きいとすれば、入力電圧VSNの動作周波数が十分高い場合、キャパシタCout1,Cout2,Cout3,Cout4の電圧VCout1,VCout2,VCout3,VCout4は1サイクル前後において不変であるとみなすことができる。モード1におけるVSNの大きさをEとし、図8aのモード1における中間キャパシタC1,C2,C3,C4の電圧の大きさをVC1a,VC2a,VC3a,VC4aとすれば、図8aの電流経路についてキルヒホッフの第2法則を適用することにより以下の式(5)が得られる。

Figure 0006679042
(5) Here, assuming that the capacitances of the capacitors Cout1 to Cout4 are sufficiently larger than the capacitances of the intermediate capacitors C1 to C4, when the operating frequency of the input voltage V SN is sufficiently high, the voltage V of the capacitors Cout1, Cout2, Cout3, Cout4 is increased. Cout1, V Cout2, V Cout3, V Cout4 can be regarded as invariant in one cycle before and after. If the magnitude of V SN in mode 1 is E and the magnitudes of the voltages of the intermediate capacitors C1, C2, C3 and C4 in mode 1 of FIG. 8a are V C1a , V C2a , V C3a and V C4a , FIG. By applying Kirchhoff's second law to the current path of, the following equation (5) is obtained.
Figure 0006679042
(5)

なお、VCout1〜VCout4については、図8a中でキャパシタCout3を流れている方向に電流を流す極性の電圧を正とし、Vc1a〜Vc4a(及び、後述のVc1b〜Vc4b)については、図8a中で中間キャパシタC1〜C4を流れている方向に電流を流す極性の電圧を負とした。 Note that the V Cout1 ~V Cout 4, voltage is positive polarity flowing current in the direction flowing through the capacitor Cout3 in FIG 8a, the V c1a ~V c4a (and, V c1b ~V C4b below) is In FIG. 8a, the voltage of the polarity that causes the current to flow in the direction in which the intermediate capacitors C1 to C4 flow is negative.

同様に、図8bのモード2におけるVSNの大きさを0とし(電圧の基準点を負側の電圧と取ることにより、モード2におけるVSNをゼロとしてよい。)、中間キャパシタC1,C2,C3,C4の電圧の大きさをVC1b,VC2b,VC3b,VC4bとすれば、図8bの電流経路についてキルヒホッフの第2法則を適用することにより以下の式(6)が得られる。

Figure 0006679042
(6) Similarly, the magnitude of V SN in mode 2 of FIG. 8B is set to 0 (V SN in mode 2 may be set to zero by taking the reference point of the voltage as the negative voltage), and the intermediate capacitors C1, C2. If the magnitudes of the voltages of C3 and C4 are V C1b , V C2b , V C3b and V C4b , the following equation (6) can be obtained by applying Kirchhoff's second law to the current path of FIG. 8b.
Figure 0006679042
(6)

上記式(5),(6)より、中間キャパシタC1〜C4における、モード1とモード2の間での電圧変動△VC1=VC1a−VC1b,△VC2=VC2a−VC2b,△VC3=VC3a−VC3b,△VC4=VC4a−VC4bは上記式(3)のとおり計算され、したがって図8a,図8bに示す位置から電圧が入力される場合であっても多段倍電圧整流回路の動作は図7の等価回路で説明できる。 From the above equations (5) and (6), the voltage variation between the modes 1 and 2 in the intermediate capacitors C1 to C4 ΔV C1 = V C1a −V C1b , ΔV C2 = V C2a −V C2b , Δ V C3 = V C3a −V C3b and ΔV C4 = V C4a −V C4b are calculated according to the above equation (3), and therefore even if the voltage is input from the positions shown in FIGS. The operation of the voltage doubler rectifier circuit can be explained by the equivalent circuit of FIG.

図3aの降圧型PWMコンバータと多段倍電圧整流回路とを、中間インダクタであるインダクタLrを介して接続してなる、本発明の第1の実施形態である充電器に、4直列の蓄電セルストリングB1〜B4を接続した、均等化機能付充電システムの回路図を図9に示す。Vinは直流電源、Qはスイッチ、Dはダイオード、Lはコンバータ内インダクタ、Lrは中間インダクタを表わし、多段倍電圧整流回路については図5で示したとおりである。図9に示すとおり、降圧型コンバータと多段倍電圧整流回路との間には共振用キャパシタCrが更に接続されており、後述のとおり中間インダクタLrと共振用キャパシタCrとで共振回路(共振タンク)が構成されている(以下、共振回路と多段倍電圧整流回路が接続されてなる回路を直列共振形倍電圧整流回路と呼ぶ。またスイッチングコンバータと直列共振形倍電圧整流回路等、後述の図21a〜図21dのような変形例の整流回路とを接続してなる充電器を、トランスレス均等化回路統合型コンバータと呼ぶ。)。なお、Rbiasは、各キャパシタの電圧値が不定値になるのを防止するためのバイアス抵抗である。   3 series storage cell strings are connected to the charger, which is the first embodiment of the present invention, in which the step-down PWM converter of FIG. 3a and the multistage voltage doubler rectifier circuit are connected via an inductor Lr which is an intermediate inductor. FIG. 9 shows a circuit diagram of a charging system with an equalizing function, in which B1 to B4 are connected. Vin is a DC power supply, Q is a switch, D is a diode, L is an inductor in the converter, Lr is an intermediate inductor, and the multistage voltage doubler rectifier circuit is as shown in FIG. As shown in FIG. 9, a resonance capacitor Cr is further connected between the step-down converter and the multistage voltage doubler rectifier circuit, and the resonance circuit (resonance tank) is formed by the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr as described later. (Hereinafter, a circuit formed by connecting a resonance circuit and a multistage voltage doubler rectifier circuit is referred to as a series resonance type voltage doubler rectifier circuit. Further, a switching converter and a series resonance type voltage doubler rectifier circuit, etc. will be described later with reference to FIG. 21d is a charger which is connected to a rectifier circuit of a modified example as shown in FIG. 21d is called a transformerless equalization circuit integrated converter. Note that Rbias is a bias resistor for preventing the voltage value of each capacitor from becoming an indefinite value.

2つのインダクタL,Lrは、降圧型PWMコンバータにおけるフィルタインダクタとして振る舞う。一方、中間インダクタLrは直列共振形倍電圧整流回路内で共振用インダクタとしても振る舞い、共振用キャパシタCrとの間で共振することで、直列共振形倍電圧整流回路において正弦波状電流を生成する。すなわち、中間インダクタLrは2つの回路部によって共有されており、2つの役割を担う。   The two inductors L and Lr behave as filter inductors in the step-down PWM converter. On the other hand, the intermediate inductor Lr also acts as a resonance inductor in the series resonance type voltage doubler rectifier circuit, and resonates with the resonance capacitor Cr to generate a sinusoidal current in the series resonance type voltage doubler rectifier circuit. That is, the intermediate inductor Lr is shared by the two circuit units and plays two roles.

実施例1のトランスレス均等化回路統合型コンバータ(充電器)においては、降圧型PWMコンバータが蓄電セルストリング全体(直列接続された蓄電セルB1〜B4)の充電を行う一方で、直列共振形倍電圧整流回路により蓄電セル電圧の均等化が行われる。降圧型PWMコンバータの動作時に自動的に直列共振形倍電圧整流回路は駆動される。入力電圧Vinと出力電圧(すなわち蓄電セルB1〜B4の電圧の合計電圧であるストリング電圧Vstring)の関係は、汎用的な降圧型PWMコンバータと同様、スイッチの時比率(スイッチQのスイッチング1周期に対するオン期間の割合)をDとすると、インダクタにおける磁束の変化分が定常状態、1周期を通してゼロであるという条件より、以下の式(7)で表わされる。

Figure 0006679042
(7) In the transformerless equalization circuit integrated converter (charger) of the first embodiment, the step-down PWM converter charges the entire storage cell string (storage cells B1 to B4 connected in series), while the series resonance type doubler is used. The voltage rectifier circuit equalizes the voltage of the storage cells. The series resonance type voltage doubler rectifier circuit is automatically driven during operation of the step-down PWM converter. The relationship between the input voltage V in and the output voltage (that is, the string voltage V string that is the total voltage of the voltages of the storage cells B1 to B4) is similar to that of a general-purpose step-down PWM converter, and the duty ratio of the switch (switching of the switch Q 1 When the ratio of the ON period to the cycle) is D, the change in the magnetic flux in the inductor is expressed by the following equation (7) under the condition that the change amount of the magnetic flux in the inductor is zero in one steady state.
Figure 0006679042
(7)

スイッチQのスイッチングにより図9の充電器を動作させたときに各素子を流れる電流、電圧の動作波形を図10に、全蓄電セル電圧が均一時における、各動作モード1〜6における電流経路を図11a〜図11fにそれぞれ示す。図10及び図11a〜図11fは、スイッチQのスイッチング1周期に共振回路の共振周期が2周期含まれている、電流不連続モードで動作した場合の動作波形及び電流経路を示している。図10中のTsはスイッチQのスイッチング周期である。なお、図10のグラフ中、各電流については、図9で示す向きを正とし、また共振用キャパシタCrの電圧VCrについては、図9に示す向きに電流iCrが流れることで充電される電圧を正とした。 FIG. 10 shows operation waveforms of current and voltage flowing through each element when the charger of FIG. 9 is operated by switching the switch Q, and current paths in each operation mode 1 to 6 when all the storage cell voltages are uniform. 11a to 11f, respectively. 10 and 11a to 11f show operating waveforms and current paths when operating in the discontinuous current mode, in which one cycle of switching of the switch Q includes two resonance cycles of the resonance circuit. Ts in FIG. 10 is a switching cycle of the switch Q. Note that, in the graph of FIG. 10, for each current, the direction shown in FIG. 9 is positive, and for the voltage V Cr of the resonance capacitor Cr, the current i Cr flows in the direction shown in FIG. 9 to be charged. The voltage was positive.

図11aに示すモード1ではスイッチQがターンオンし、コンバータ内インダクタLと中間インダクタLrには、それぞれのインダクタンス値に応じた電圧が印加される。コンバータ内インダクタLのインダクタンスをLとし、中間インダクタLrのインダクタンスをLrとすれば、インダクタL,Lrに印加される電圧値VL、VLrはおおよそ次式で表される(図9中、iL,iLrの矢印方向に電流を流す極性を正とする。)。

Figure 0006679042
(8)
Figure 0006679042
(9) In the mode 1 shown in FIG. 11A, the switch Q is turned on, and the voltage according to the respective inductance value is applied to the inductor L in the converter and the intermediate inductor Lr. The inductance of the converter in the inductor L and L, if the inductance of the intermediate inductor Lr and L r, inductor L, the voltage value V L which is applied to Lr, V Lr is approximately expressed by the following equation (in FIG. 9, The polarity of the current flowing in the direction of the arrows i L and i Lr is positive.).
Figure 0006679042
(8)
Figure 0006679042
(9)

Lrにより共振タンク内で、すなわち中間インダクタLrと共振用キャパシタCrとの間で共振が起こり、直列共振形倍電圧整流回路内では正弦波状の共振電流が流れる。コンバータ内インダクタLを流れる電流iLは、既に降圧型コンバータの動作として説明したとおり、ほぼ直線的に増加する(図10中、iLのグラフ参照)。一方、中間インダクタLrを流れる電流iLrは、図9の電流経路からわかるとおり、iLと、共振用キャパシタCrの電流iCrとの差に相当するため、直線的に増加するiLに正弦波状電流iCrが重畳した(iLからiCrを減じた)電流波形となる(図10中、iLrのグラフ参照)。多段倍電圧整流回路内の中間キャパシタC1〜C4を流れる電流は偶数番号のダイオードD2,D4,D6,D8を経由して流れる。共振用キャパシタCrの電流iCrが共振により正弦波状に変化してゼロとなり、電流極性が反転すると同時に、動作はモード2へと移行する。 V Lr causes resonance in the resonance tank, that is, between the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr, and a sinusoidal resonance current flows in the series resonance type voltage doubler rectifier circuit. The current i L flowing through the inductor L in the converter increases almost linearly as already described as the operation of the step-down converter (see the graph of i L in FIG. 10). On the other hand, the current i Lr flowing through the intermediate inductor Lr, as seen from the current path in FIG. 9, and i L, to correspond to the difference between the current i Cr of the resonance capacitor Cr, a sinusoidal to i L linearly increases The current waveform is a waveform in which the wavy current i Cr is superimposed (i L is subtracted from i Cr ) (see the graph of i Lr in FIG. 10). The current flowing through the intermediate capacitors C1 to C4 in the multi-stage voltage doubler rectifier circuit flows through the even-numbered diodes D2, D4, D6 and D8. The current i Cr of the resonance capacitor Cr changes sinusoidally due to resonance and becomes zero, and the current polarity is reversed, and at the same time, the operation shifts to the mode 2.

図11bに示すモード2においてもスイッチQはオン状態であり、インダクタL,Lrに印加されている電圧はモード1の場合とほぼ同等である。中間インダクタLrと共振用キャパシタCrは共振を続けており、モード2では正弦波状共振電流iCrの極性がモード1の場合とは逆のため、奇数番号のダイオードD1,D3,D5,D7が導通する。モード2は正弦波状電流iCrが再び0に到達するまで継続される。なお、上記のとおりインダクタL,Lrに印加される電圧はモード1と同様におおよそ式(8),(9)で表わされ、極性もモード1のときと同様に、正の電流iCrを流す極性である。 Also in the mode 2 shown in FIG. 11B, the switch Q is in the ON state, and the voltage applied to the inductors L and Lr is almost the same as in the mode 1. The intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr continue to resonate, and since the polarity of the sinusoidal resonance current i Cr in mode 2 is opposite to that in mode 1, the odd-numbered diodes D1, D3, D5, and D7 are conductive. To do. Mode 2 is continued until the sinusoidal current i Cr reaches 0 again. As described above, the voltages applied to the inductors L and Lr are approximately expressed by the equations (8) and (9) as in the mode 1, and the polarity is the same as that in the mode 1, and the positive current i Cr is It has a flowing polarity.

図11cに示すモード3においても依然としてスイッチQはオン状態であり、インダクタL,Lrに印加される電圧はモード1の場合と同様である。多段倍電圧整流回路内の電流は全てゼロとなるため、モード3においてはiL=iLrとなる。 In mode 3 shown in FIG. 11c, the switch Q is still in the on state, and the voltage applied to the inductors L and Lr is the same as in mode 1. Since the currents in the multistage voltage doubler rectifier circuit are all zero, i L = i Lr in mode 3.

スイッチQをターンオフさせると、インダクタL,Lrを流れていた電流がダイオードDへと転流し、図11dに示すモード4の電流経路が実現する。モード4においてインダクタLに印加される電圧VLと、インダクタLrに印加される電圧値VLrとは、ダイオードの順方向降下を無視するとおおよそ次式で表される(極性の定義は式(8),(9)と同様)。

Figure 0006679042
(10)
Figure 0006679042
(11) When the switch Q is turned off, the current flowing through the inductors L and Lr commutates to the diode D, and the mode 4 current path shown in FIG. 11d is realized. In mode 4, the voltage V L applied to the inductor L and the voltage value V Lr applied to the inductor Lr are approximately expressed by the following equations when the forward drop of the diode is ignored (the definition of the polarity is expressed by the equation (8 ), Same as (9)).
Figure 0006679042
(10)
Figure 0006679042
(11)

Lrにより共振タンク内で、すなわち中間インダクタLrと共振用キャパシタCrとの間で共振が起こり、直列共振形倍電圧回路内では正弦波状の共振電流が再び流れる。コンバータ内インダクタLを流れる電流iLは、既に降圧型コンバータの動作として説明したとおり、ほぼ直線的に減少する(図10中、iLのグラフ参照)。一方、中間インダクタLrを流れる電流iLrは、図9の電流経路からわかるとおり、iLと、共振用キャパシタCrの電流iCrとの差に相当するため、直線的に減少するiLに正弦波状電流iCrが重畳した(iLからiCrを減じた)電流波形となる(図10中、iLrのグラフ参照)。多段倍電圧整流回路内の中間キャパシタC1〜C4の電流は奇数番号のダイオードD1,D3,D5,D7を経由して流れる。共振用キャパシタCrの電流iCrがゼロとなり、電流極性が反転すると同時に、動作はモード5へと移行する。 V Lr causes resonance in the resonance tank, that is, between the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr, and a sinusoidal resonance current flows again in the series resonance type voltage doubler circuit. The current i L flowing through the inductor L in the converter decreases almost linearly as already described as the operation of the step-down converter (see the graph of i L in FIG. 10). On the other hand, the current i Lr flowing through the intermediate inductor Lr, as seen from the current path in FIG. 9, and i L, to correspond to the difference between the current i Cr of the resonance capacitor Cr, a sinusoidal to i L linearly decreases The current waveform is a waveform in which the wavy current i Cr is superimposed (i L is subtracted from i Cr ) (see the graph of i Lr in FIG. 10). The currents in the intermediate capacitors C1 to C4 in the multistage voltage doubler rectifier circuit flow through the odd-numbered diodes D1, D3, D5, and D7. Current i Cr of the resonance capacitor Cr becomes zero, at the same time the current polarity is reversed, the operation shifts to Mode 5.

図11eに示すモード5においてもスイッチQはオフ状態であり、インダクタL,Lrに印加されている電圧はモード4の場合とほぼ同等である。中間インダクタLrと共振用キャパシタCrは共振を続けており、モード5では正弦波状電流の極性がモード4の場合と逆であるため、偶数番号のダイオードD2,D4,D6,D8が導通する。モード5は正弦波状電流が再びゼロに到達するまで継続される。なお、上記のとおりインダクタL,Lrに印加される電圧はモード4と同様におおよそ式(10),(11)で表わされ、極性もモード4のときと同様に、負の電流iCrを流す極性である。 Also in mode 5 shown in FIG. 11e, the switch Q is in the off state, and the voltage applied to the inductors L and Lr is almost the same as in mode 4. The intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr continue to resonate, and in mode 5, the polarity of the sinusoidal current is opposite to that in mode 4, so that the even-numbered diodes D2, D4, D6, and D8 conduct. Mode 5 continues until the sinusoidal current again reaches zero. As described above, the voltages applied to the inductors L and Lr are approximately expressed by the equations (10) and (11) as in the mode 4, and the polarity is the negative current i Cr as in the mode 4. It has a flowing polarity.

図11fに示すモード6においても依然としてスイッチQはオフ状態であり、インダクタL,Lrに印加される電圧はモード4の場合と同様である。多段倍電圧整流回路内の電流は全てゼロとなるため、モード6においてはiL=iLrとなる。 Even in the mode 6 shown in FIG. 11f, the switch Q is still in the off state, and the voltage applied to the inductors L and Lr is the same as that in the mode 4. Since the currents in the multistage voltage doubler rectifier circuit are all zero, i L = i Lr in mode 6.

以上、図11a〜図11fの電流経路と式(8)〜(11)で示したとおり、中間インダクタLrの両端には、コンバータ内インダクタLと中間インダクタLrのインダクタンスの比に応じた電圧が発生する。中間インダクタLrの両端に発生する電圧を簡単のために矩形波電圧であると仮定すると、その振幅VLr_p-pは式(9),(11)より次式で表される。

Figure 0006679042
(12) As described above, as shown in the current paths of FIGS. 11a to 11f and the equations (8) to (11), a voltage corresponding to the inductance ratio between the inductor L in the converter and the intermediate inductor Lr is generated across the intermediate inductor Lr. To do. Assuming that the voltage generated across the intermediate inductor Lr is a rectangular wave voltage for the sake of simplicity, its amplitude V Lr_p-p is expressed by the following equation from equations (9) and (11).
Figure 0006679042
(12)

一般的に、共振タンクに流れる共振電流の波高値iCr-peakは印加電圧に比例し、

Figure 0006679042
(13)
の形式で表わすことができる。ここで、Zrは共振タンクのインピーダンスである。式(12),(13)が示すとおり、本発明のトランスレス均等化回路統合型コンバータではインダクタL,Lrのインダクタンス比を任意に決定することでiCr-peakを抑えつつ、蓄電セル電圧の均等化機能を担う多段倍電圧整流回路を駆動することができる。 Generally, the peak value i Cr-peak of the resonance current flowing in the resonance tank is proportional to the applied voltage,
Figure 0006679042
(13)
Can be represented in the form of. Here, Zr is the impedance of the resonance tank. As shown in equations (12) and (13), the transformerless equalization circuit integrated converter of the present invention arbitrarily determines the inductance ratio of the inductors L and Lr to suppress i Cr-peak and reduce the storage cell voltage. It is possible to drive a multi-stage voltage doubler rectifier circuit having an equalizing function.

蓄電セル用均等化回路である直列共振形倍電圧整流回路による蓄電セル電圧均等化の原理については、特許文献2や非特許文献3で詳細な説明がなされており、また本明細書においても図5〜図8bを用いて詳細に説明したとおりである。ここで、図10の波形図で示す充電器の動作は6つのモードからなり、スイッチQのオン状態においてはモード1〜3が、スイッチQのオフ状態においてはモード4〜6が実現されるが、電流が矩形波状であっても、あるいは正弦波状であっても、中間キャパシタC1〜C4が奇数番号のダイオードを介して、そして偶数番号のダイオードを介して充放電されさえすれば、キャパシタCout1〜Cout4の電圧は均等化される。したがって、中間インダクタLrと共振用キャパシタCrの共振によって6モード動作となった場合であっても、モード1〜モード6に亘るスイッチングの1周期を通じて、奇数番号、偶数番号のダイオードを介して中間キャパシタC1〜C4が充放電されることにより、キャパシタCout1〜Cout4の電圧は均等化されるのであり、定性的には上記式(1)〜(4)や図7の等価回路を用いて説明される均等化動作と同様であると考えられる。   The principle of equalizing the voltage of the storage cell by the series resonance type voltage doubler rectifying circuit, which is the equalization circuit for the storage cell, is described in detail in Patent Document 2 and Non-Patent Document 3, and also in this specification. 5 to 8b as described in detail. Here, the operation of the charger shown in the waveform diagram of FIG. 10 is composed of six modes. Modes 1 to 3 are realized when the switch Q is on, and modes 4 to 6 are realized when the switch Q is off. Whether the current has a rectangular wave shape or a sine wave shape, as long as the intermediate capacitors C1 to C4 are charged and discharged through the odd-numbered diodes and the even-numbered diodes, the capacitors Cout1 to The voltage of Cout4 is equalized. Therefore, even when 6-mode operation is performed due to the resonance of the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr, the intermediate capacitor is passed through the odd-numbered and even-numbered diodes through one cycle of switching from mode 1 to mode 6. By charging and discharging C1 to C4, the voltages of the capacitors Cout1 to Cout4 are equalized, and it is qualitatively described using the above equations (1) to (4) and the equivalent circuit of FIG. 7. It is considered to be similar to the equalization operation.

なお、図9の充電器が、共振タンクの共振周期よりもスイッチング1周期が短い連続モードで動作する場合、その動作は図11aと図11dで電流経路が表わされる2モード動作となるから、定性的には、上記式(1)〜(4)や図6a,図6b,図7の等価回路を用いて説明される均等化動作と同様であると考えられる。また図9の充電器から共振キャパシタCrを除き、共振キャパシタCrのあった部分を単なる導線とした場合(後述の図21b参照)も、その動作は図11aと図11dで電流経路が表わされる2モード動作となるから(共振タンクがないため上述の共振が起こらない)、上記式(1)〜(4)や図6a,図6b,図7の等価回路を用いて説明される均等化動作と同様であると考えられる。   Note that when the charger of FIG. 9 operates in a continuous mode in which one cycle of switching is shorter than the resonance cycle of the resonance tank, the operation is a two-mode operation in which the current paths are shown in FIGS. 11a and 11d. Specifically, it is considered that the equalization operation is described using the above equations (1) to (4) and the equivalent circuits of FIGS. 6a, 6b, and 7. Also, when the resonance capacitor Cr is removed from the charger of FIG. 9 and the portion where the resonance capacitor Cr is present is simply a conducting wire (see FIG. 21b, which will be described later), the operation is the same as the current path shown in FIGS. 11a and 11d. Since the mode operation is performed (the resonance described above does not occur because there is no resonance tank), the equalization operation described using the equations (1) to (4) and the equivalent circuits of FIGS. 6a, 6b, and 7 is performed. Considered to be similar.

以上では降圧型PWMコンバータと直列共振形倍電圧整流回路を組み合わせた例について説明したが、その他のコンバータと共振形倍電圧整流回路の組み合わせも可能である。一例として、図3bの昇圧型PWMコンバータを用いた充電器について説明する。なお、特に断りのない限り、以降の実施例においても実施例1と同様の参照符号、変数定義等を用いる。   The example in which the step-down PWM converter and the series resonance type voltage doubler rectifier circuit are combined has been described above, but other converters and the resonance type voltage doubler rectifier circuit can be combined. As an example, a charger using the step-up PWM converter of FIG. 3b will be described. It should be noted that, unless otherwise specified, the same reference numerals, variable definitions, and the like as those in the first embodiment are used in the following embodiments.

図3bの昇圧型コンバータの動作時における電流経路を図12a,図12bにそれぞれ示す。スイッチQがオンとなる期間では、キャパシタCinからインダクタLに電圧が印加されることにより(入力電圧をVinとすればVinが印加される。)、インダクタLを流れる電流は直線的に増加する。このときスイッチQに印加されている電圧はゼロである(オン抵抗を無視した。)。スイッチQがオフとなる期間では、インダクタLを流れる電流はダイオードDoを介して負荷側へ流れる。インダクタLに印加される電圧は、−(Vout−Vin)であり(図12a,図12b中、矢印方向に電流を流す電圧を正とした。)、インダクタLを流れる電流は直線的に減少する。このように、スイッチング動作に伴い、インダクタLの電圧は矩形波状電圧となる。 Current paths during operation of the boost converter of FIG. 3b are shown in FIGS. 12a and 12b, respectively. In the period in which the switch Q is turned on, a voltage is applied from the capacitor Cin to the inductor L (V in is applied if the input voltage is V in ), so that the current flowing through the inductor L increases linearly. To do. At this time, the voltage applied to the switch Q is zero (ignoring the on resistance). During the period when the switch Q is off, the current flowing through the inductor L flows to the load side through the diode Do. The voltage applied to the inductor L is − (V out −V in ) (in FIGS. 12a and 12b, the voltage that causes the current to flow in the direction of the arrow is positive). The current flowing through the inductor L is linear. Decrease. In this way, the voltage of the inductor L becomes a rectangular wave voltage due to the switching operation.

図3bの昇圧型PWMコンバータと多段倍電圧整流回路とを、中間インダクタであるインダクタLrを介して接続してなる、本発明の第2の実施形態である充電器に、4直列の蓄電セルストリングB1〜B4を接続した、均等化機能付充電システムの回路図を図13に示す。Vinは直流電源、Qはスイッチ、Dはダイオード、Lはコンバータ内インダクタ、Lrは中間インダクタを表わし、多段倍電圧整流回路については図5で示したとおりである。図13に示すとおり、昇圧型コンバータと多段倍電圧整流回路との間には共振用キャパシタCrが更に接続されており、実施例1の図9と同様に中間インダクタLrと共振用キャパシタCrとで共振回路(共振タンク)が構成されている。2つのインダクタL,Lrや共振用キャパシタCrの動作、役割は実施例1と同様である。   A battery charger in which the step-up PWM converter of FIG. 3b and the multi-stage voltage doubler rectifier circuit are connected via an inductor Lr, which is an intermediate inductor, is connected to the charger according to the second embodiment of the present invention in four series storage cell strings. FIG. 13 shows a circuit diagram of a charging system with an equalizing function, in which B1 to B4 are connected. Vin is a DC power supply, Q is a switch, D is a diode, L is an inductor in the converter, Lr is an intermediate inductor, and the multistage voltage doubler rectifier circuit is as shown in FIG. As shown in FIG. 13, a resonance capacitor Cr is further connected between the boost converter and the multi-stage voltage doubler rectifier circuit, and the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr are connected to each other as in the case of FIG. 9 of the first embodiment. A resonance circuit (resonance tank) is configured. The operations and roles of the two inductors L and Lr and the resonance capacitor Cr are similar to those of the first embodiment.

実施例2のトランスレス均等化回路統合型コンバータ(充電器)においては、昇圧型PWMコンバータが蓄電セルストリング全体(直列接続された蓄電セルB1〜B4)の充電を行う一方で、直列共振形倍電圧整流回路により蓄電セル電圧の均等化が行われる。昇圧型PWMコンバータの動作時に自動的に直列共振形倍電圧整流回路は駆動される。入力電圧Vinと出力電圧(すなわち蓄電セルB1〜B4の電圧の合計電圧であるストリング電圧Vstring)の関係は、汎用的な昇圧型PWMコンバータと同様、スイッチの時比率(スイッチQのスイッチング1周期に対するオン期間の割合)をDとすると、インダクタにおける磁束の変化分が定常状態、1周期を通してゼロであるという条件より、以下の式(14)で表わされる。

Figure 0006679042
(14) In the transformerless equalization circuit integrated converter (charger) of the second embodiment, the step-up PWM converter charges the entire storage cell string (storage cells B1 to B4 connected in series) while the series resonance type doubler is used. The voltage rectifier circuit equalizes the voltage of the storage cells. The series resonance type voltage doubler rectifier circuit is automatically driven during operation of the step-up PWM converter. The relationship between the input voltage V in and the output voltage (that is, the string voltage V string that is the total voltage of the voltages of the storage cells B1 to B4) is similar to that of a general-purpose step-up PWM converter. When the ratio of the ON period to the cycle) is D, the change in the magnetic flux in the inductor is represented by the following equation (14) under the condition that the change amount of the magnetic flux in the inductor is zero in the steady state for one cycle.
Figure 0006679042
(14)

スイッチQのスイッチングにより図13の充電器を動作させたときに各素子を流れる電流、電圧の動作波形を図14に、各動作モード1〜5における電流経路を図15a〜図15eにそれぞれ示す。図14のグラフ中、各電流については、図13で示す向きを正とし、また共振用キャパシタCrの電圧VCrについては、図13に示す向きに電流iCrが流れることで充電される電圧を正とした。 FIG. 14 shows operation waveforms of current and voltage flowing through each element when the charger of FIG. 13 is operated by switching of the switch Q, and FIGS. 15a to 15e show current paths in each operation mode 1 to 5. In the graph of FIG. 14, the direction shown in FIG. 13 is positive for each current, and the voltage V Cr of the resonance capacitor Cr is the voltage charged by the current i Cr flowing in the direction shown in FIG. It was positive.

図14の動作波形に示すとおり、不連続モードにおいて図13の充電器は5つの動作モード(モード1〜5)を繰り返しつつ動作する。便宜上、モード2から説明を行う。   As shown in the operation waveform of FIG. 14, in the discontinuous mode, the charger of FIG. 13 operates while repeating five operation modes (modes 1 to 5). For convenience, mode 2 will be described.

スイッチQがターンオンしているモード2(図15b)においては入力電圧源Vinによりコンバータ内インダクタLの充電が行われ、コンバータ内インダクタLを流れる電流iLは直線的に増加する。このとき、共振形倍電圧整流回路内に電流は流れていない。モード2においてインダクタL,Lrに印加される電圧値VL,VLrは次式で表される。

Figure 0006679042
(15)
Figure 0006679042
(16) In mode 2 (FIG. 15b) in which the switch Q is turned on, the inductor L in the converter is charged by the input voltage source Vin, and the current i L flowing through the inductor L in the converter increases linearly. At this time, no current flows in the resonant voltage doubler rectifier circuit. Voltage value V L of the mode 2 is applied to the inductor L, Lr, V Lr is expressed by the following equation.
Figure 0006679042
(15)
Figure 0006679042
(16)

図15cに示すモード3では、スイッチQをターンオフさせることでスイッチQを流れていた電流がダイオードDへと転流し、ダイオードDに電流iDが流れ始める。iDは共振インダクタ(中間インダクタ)Lrと共振用キャパシタCrを経由して流れることになる。モード3での共振インダクタLrを流れる電流iLrの初期値はゼロであり、一般的にインダクタの電流は急激には変化することはできないため、モード3の初期においてiDは全て共振用キャパシタCrを通過して流れることになる。モード3においてインダクタL,Lrに印加される電圧値VL,VLrはダイオードの順方向降下を無視するとおおよそ次式で表される。

Figure 0006679042
(17)
Figure 0006679042
(18) In the mode 3 shown in FIG. 15c, by turning off the switch Q, the current flowing through the switch Q is commutated to the diode D, and the current i D starts flowing through the diode D. i D flows through the resonance inductor (intermediate inductor) Lr and the resonance capacitor Cr. In the mode 3, the initial value of the current i Lr flowing through the resonant inductor Lr is zero, and in general, the current of the inductor cannot rapidly change. Therefore, at the beginning of the mode 3, i D is all the resonance capacitor Cr. Will flow through. Inductor L in the mode 3, the voltage value V L which is applied to Lr, V Lr is expressed by the approximate equation Neglecting the forward drop of the diode.
Figure 0006679042
(17)
Figure 0006679042
(18)

Lrにより共振タンク内で、すなわち中間インダクタLrと共振用キャパシタCrとの間で共振が起こり、直列共振形倍電圧回路内では共振電流が流れ始める。コンバータ内インダクタLを流れる電流iLは、既に昇圧型コンバータの動作として説明したとおり、ほぼ直線的に低下する(図14中、iLのグラフ参照)。一方、中間インダクタLrを流れる電流iLrは、図13の電流経路からわかるとおり、モード3においては、iLと、共振用キャパシタCrの電流iCrの差に相当するため、直線的に低下するiLに正弦波電流iCrが重畳した(iLからiCrを減じた)電流波形となる(図14中、iLrのグラフ参照)。多段倍電圧整流回路内の中間キャパシタC1〜C4を流れる電流は偶数番号のダイオードD2,D4,D6,D8を経由して流れる。共振用キャパシタCrの電流iCrが共振により正弦波状に変化してゼロとなり、電流極性が反転すると同時に、動作は次のモード4へと移行する。 Due to V Lr , resonance occurs in the resonance tank, that is, between the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr, and a resonance current starts flowing in the series resonance type voltage doubler circuit. The current i L flowing through the inductor L in the converter decreases almost linearly as already described as the operation of the boost converter (see the graph of i L in FIG. 14). On the other hand, as can be seen from the current path in FIG. 13, the current i Lr flowing through the intermediate inductor Lr corresponds to the difference between i L and the current i Cr of the resonance capacitor Cr in mode 3, and therefore decreases linearly. i L sinusoidal current i Cr is superimposed on (i minus i Cr from L) becomes a current waveform (see the graph in FIG. 14, i Lr). The current flowing through the intermediate capacitors C1 to C4 in the multi-stage voltage doubler rectifier circuit flows through the even-numbered diodes D2, D4, D6 and D8. The current i Cr of the resonance capacitor Cr changes sinusoidally due to resonance and becomes zero, and the current polarity is reversed, and at the same time, the operation shifts to the next mode 4.

図15dに示すモード4においてもスイッチQはオフ状態であり、インダクタL,Lrに印加されている電圧はモード3の場合とほぼ同等である。中間インダクタLrと共振用キャパシタCrは共振を続けており、モード4では正弦波状共振電流iCrの極性がモード3の場合とは逆のため、奇数番号のダイオードD1,D3,D5,D7が導通する。モード4は正弦波状電流が再びゼロに到達するまで継続される。 Also in mode 4 shown in FIG. 15d, the switch Q is in the off state, and the voltage applied to the inductors L and Lr is almost the same as in mode 3. The intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr continue to resonate, and in mode 4, since the polarity of the sinusoidal resonance current i Cr is opposite to that in mode 3, the odd-numbered diodes D1, D3, D5, and D7 conduct. To do. Mode 4 continues until the sinusoidal current again reaches zero.

図15eに示すモード5においても依然としてスイッチQはオフ状態であり、インダクタL,Lrに印加される電圧はモード3の場合と同様である。多段倍電圧整流回路内の電流は全てゼロとなるため、モード5においてはiL=iLrとなる。 In the mode 5 shown in FIG. 15e, the switch Q is still in the off state, and the voltage applied to the inductors L and Lr is the same as that in the mode 3. Since the currents in the multistage voltage doubler rectifier circuit are all zero, i L = i Lr in mode 5.

スイッチQをターンオンさせるとダイオードDがターンオフされ、図15aに示すモード1が始まる。コンバータ内インダクタLの電流iLはスイッチQを経由して流れ始める一方、中間インダクタLrの電流iLrは共振用キャパシタCrを介して流れ始め、中間インダクタLrと共振用キャパシタCrの間で再び共振が始まる。モード1においてインダクタL,Lrに印加されている電圧はモード2の場合とほぼ同等である。 Turning on switch Q turns off diode D and begins mode 1 shown in Figure 15a. The current i L of the inductor L in the converter starts to flow through the switch Q, while the current i Lr of the intermediate inductor Lr starts to flow through the resonance capacitor Cr and resonates between the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr. Begins. The voltage applied to the inductors L and Lr in mode 1 is almost the same as that in mode 2.

以上、図15a〜図15eの電流経路と式(15)〜(18)で示したとおり、中間インダクタLrの両端には、コンバータ内インダクタLと中間インダクタLrのインダクタンスの比に応じた電圧が発生する。中間インダクタLrの両端に発生する電圧を簡単のために矩形波電圧であると仮定すると、その振幅VLr_p-pは式(16),(18)より次式で表される。

Figure 0006679042
(19) As described above, as shown in the current paths of FIGS. 15a to 15e and the equations (15) to (18), a voltage corresponding to the inductance ratio between the inductor L in the converter and the intermediate inductor Lr is generated across the intermediate inductor Lr. To do. Assuming that the voltage generated across the intermediate inductor Lr is a rectangular wave voltage for simplification, its amplitude V Lr_p-p is expressed by the following equation from the equations (16) and (18).
Figure 0006679042
(19)

既に述べたとおり、一般的に、共振タンクに流れる共振電流の波高値iCr-peakは印加電圧に比例して上式(13)の形式で表わすことができるため、実施例2のトランスレス均等化回路統合型コンバータにおいても、インダクタL,Lrのインダクタンス比を任意に決定することでiCr-peakを抑えつつ、蓄電セル電圧の均等化機能を担う多段倍電圧整流回路を駆動することができる。 As described above, generally, the peak value i Cr-peak of the resonance current flowing in the resonance tank can be expressed in the form of the above equation (13) in proportion to the applied voltage, and therefore the transformerless equalization of the second embodiment is performed. Also in the integrated circuit integrated converter, it is possible to drive the multi-stage voltage doubler rectifier circuit having the equalizing function of the storage cell voltages while suppressing i Cr-peak by arbitrarily determining the inductance ratio of the inductors L and Lr. .

蓄電セル用均等化回路である直列共振形倍電圧整流回路による蓄電セル電圧均等化の原理については、実施例1等で詳細に説明したとおりである。ここで、図14の波形図で示す充電器の動作は5つのモードからなり、スイッチQのオン状態においてはモード1〜2が、スイッチQのオフ状態においてはモード3〜5が実現されるが、実施例1と同様に、スイッチングの1周期を通じて、奇数番号、偶数番号のダイオードを介して中間キャパシタC1〜C4が充放電されることにより、キャパシタCout1〜Cout4の電圧は均等化されるのであり、中間インダクタLrと共振用キャパシタCrの共振によって5モード動作となった場合であっても、定性的には上記式(1)〜(4)や図7の等価回路を用いて説明される均等化動作と同様であると考えられる。   The principle of equalizing the voltage of the storage cell by the series resonance type voltage doubler rectifying circuit which is the equalization circuit for the storage cell is as described in detail in the first embodiment. Here, the operation of the charger shown in the waveform diagram of FIG. 14 is composed of five modes, and modes 1 and 2 are realized when the switch Q is on, and modes 3 and 5 are realized when the switch Q is off. As in the first embodiment, the intermediate capacitors C1 to C4 are charged and discharged through the odd-numbered and even-numbered diodes through one cycle of switching, so that the voltages of the capacitors Cout1 to Cout4 are equalized. Even if the 5-mode operation is performed due to the resonance of the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr, it is qualitatively equivalent to that described using the above equations (1) to (4) and the equivalent circuit of FIG. 7. It is considered to be the same as the activating operation.

なお、図13の充電器が、共振タンクの共振周期よりもスイッチング1周期が短い連続モードで動作する場合、その動作は図15aと図15cで電流経路が表わされる2モード動作となるから、定性的には、上記式(1)〜(4)や図6a,図6b,図7の等価回路を用いて説明される均等化動作と同様であると考えられる。また図13の充電器から共振キャパシタCrを除き、共振キャパシタCrのあった部分を単なる導線とした場合(後述の図21b参照)も、その動作は図15aと図15cで電流経路が表わされる2モード動作となるから(共振タンクがないため上述の共振が起こらない)、上記式(1)〜(4)や図6a,図6b,図7の等価回路を用いて説明される均等化動作と同様であると考えられる。   Note that, when the charger of FIG. 13 operates in a continuous mode in which one cycle of switching is shorter than the resonance cycle of the resonance tank, the operation is a two-mode operation in which the current path is shown in FIGS. 15a and 15c. Specifically, it is considered that the equalization operation is described using the above equations (1) to (4) and the equivalent circuits of FIGS. 6a, 6b, and 7. Also, when the resonance capacitor Cr is removed from the charger of FIG. 13 and the portion where the resonance capacitor Cr was present is simply a conducting wire (see FIG. 21b described later), the operation is represented by the current path shown in FIGS. 15a and 15c. Since the mode operation is performed (the resonance described above does not occur because there is no resonance tank), the equalization operation described using the equations (1) to (4) and the equivalent circuits of FIGS. 6a, 6b, and 7 is performed. Considered to be similar.

以上では降圧型PWMコンバータおよび昇圧型PWMコンバータと直列共振形倍電圧整流回路を組み合わせた実施例について説明を行ったが、その他のコンバータを基本回路として組み合わせることも可能である。一例として、図3eのZetaコンバータを用いた充電器について説明する。   Although the embodiment in which the step-down PWM converter, the step-up PWM converter, and the series resonance type voltage doubler rectifier circuit are combined has been described above, other converters can be combined as a basic circuit. As an example, a charger using the Zeta converter of FIG. 3e will be described.

図3eのZetaコンバータの動作時における電流経路を図16a,図16bにそれぞれ示す。スイッチQの切り替えに伴い、既に説明した降圧型、昇圧型と同様にインダクタに流れる電流が直線的に増加又は減少する。インダクタL1,L2における磁束の変化分が定常状態、1周期を通してゼロであるという条件より、入出力電圧比は

Figure 0006679042
(20)
と表わされる。 Current paths during operation of the Zeta converter of FIG. 3e are shown in FIGS. 16a and 16b, respectively. With the switching of the switch Q, the current flowing through the inductor linearly increases or decreases as in the step-down type and step-up type described above. From the condition that the change of the magnetic flux in the inductors L1 and L2 is zero in the steady state for one cycle, the input / output voltage ratio is
Figure 0006679042
(20)
Is represented.

図3eのZetaコンバータと多段倍電圧整流回路とを、中間インダクタであるインダクタLrを介して接続してなる、本発明の第3の実施形態である充電器に、4直列の蓄電セルストリングB1〜B4を接続した、均等化機能付充電システムの回路図を図17に示す。図17に示すとおり、Zetaコンバータと多段倍電圧整流回路との間には共振用キャパシタCrが更に接続されており、実施例1の図9と同様に中間インダクタLrと共振用キャパシタCrとで共振回路(共振タンク)が構成されている。インダクタL1,L2,Lrや共振用キャパシタCrの動作、役割は実施例1と同様である。   4 series storage cell strings B1 to the charger which is the third embodiment of the present invention in which the Zeta converter of FIG. 3e and the multistage voltage doubler rectifier circuit are connected via the inductor Lr which is an intermediate inductor. FIG. 17 shows a circuit diagram of a charging system with an equalizing function to which B4 is connected. As shown in FIG. 17, a resonance capacitor Cr is further connected between the Zeta converter and the multistage voltage doubler rectifier circuit, and resonance occurs between the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr as in FIG. 9 of the first embodiment. A circuit (resonant tank) is configured. The operations and roles of the inductors L1, L2, Lr and the resonance capacitor Cr are similar to those of the first embodiment.

実施例3のトランスレス均等化回路統合型コンバータ(充電器)においては、Zetaコンバータが蓄電セルストリング全体(直列接続された蓄電セルB1〜B4)の充電を行う一方で、直列共振形倍電圧整流回路により蓄電セル電圧の均等化が行われる。Zetaコンバータの動作時に自動的に直列共振形倍電圧整流回路は駆動される。入力電圧Vinと出力電圧Vout(すなわち蓄電セルB1〜B4の電圧の合計電圧であるストリング電圧Vstring)の関係は、上式(20)で表わされる。 In the transformerless equalization circuit integrated converter (charger) of the third embodiment, the Zeta converter charges the entire storage cell string (storage cells B1 to B4 connected in series), while series resonant double voltage rectification. The circuit equalizes the storage cell voltages. The series resonance type voltage doubler rectifier circuit is automatically driven when the Zeta converter operates. The relationship between the input voltage V in and the output voltage V out (that is, the string voltage V string that is the total voltage of the voltages of the storage cells B1 to B4) is represented by the above equation (20).

スイッチQのオン、オフ切り替えに応じてコンバータ内インダクタL1,L2には矩形波状電圧が印加され、これに伴い中間インダクタLrにも矩形波状電圧が印加される。中間インダクタLrと共振用キャパシタCrが共振回路を形成することにより、多段倍電圧整流回路には正弦波状電圧が入力される。以降、実施例1,2と同様の原理で多段倍電圧整流回路の動作により蓄電セル電圧が均等化される。共振用キャパシタCrを除いた場合も実施例1,2と同様である(以降の実施例も同様)。   A rectangular wave voltage is applied to the inductors L1 and L2 in the converter in response to the switching on and off of the switch Q, and accordingly, a rectangular wave voltage is also applied to the intermediate inductor Lr. Since the intermediate inductor Lr and the resonance capacitor Cr form a resonance circuit, a sinusoidal voltage is input to the multistage voltage doubler rectifier circuit. After that, the storage cell voltages are equalized by the operation of the multistage voltage doubler rectifier circuit according to the same principle as in the first and second embodiments. The case where the resonance capacitor Cr is removed is the same as the first and second embodiments (the same applies to the following embodiments).

図18に、絶縁型コンバータの一種であるハーフブリッジコンバータと直列共振形倍電圧整流回路とをトランスレスで組み合わせた充電器(本発明の第4の実施形態)に、4直列の蓄電セルストリングB1〜B4を接続した、均等化機能付充電システムの回路図を示す。   FIG. 18 illustrates a charger (fourth embodiment of the present invention) in which a half-bridge converter, which is a type of insulation converter, and a series resonance type voltage doubler rectifier circuit are combined without a transformer, and four series storage cell strings B1. [Fig. 6] Fig. 6 shows a circuit diagram of a charging system with an equalizing function, in which ~ B4 is connected.

ハーフブリッジコンバータは、入力電源Vin、キャパシタCa,Cb、スイッチQa,Qb、コンバータ内トランス(絶縁トランス)、ダイオードDa,Db,Dc,Dd、コンバータ内インダクタLからなり、スイッチQaのみがオンの状態とスイッチQbのみがオンの状態とを交互に切り替えることで矩形波状電圧を発生させ、これをコンバータ内トランスで変圧し、さらにダイオードDa,Db,Dc,Ddからなる整流回路で整流して出力する。絶縁トランス二次巻線側の整流回路の出力端には、フィルタ用として設けられたコンバータ内インダクタLと直列に中間インダクタLrが接続されており、スイッチQa,Qbのオン、オフ切り替えに応じて中間インダクタLrに矩形波状の電圧が印加されるため、上述の実施例と同様の原理で共振形倍電圧整流回路が駆動され、蓄電セル電圧が均等化される。   The half-bridge converter includes an input power source Vin, capacitors Ca and Cb, switches Qa and Qb, a converter transformer (insulating transformer), diodes Da, Db, Dc, Dd, and a converter inductor L, and only the switch Qa is in an on state. And a switch Qb are turned on alternately to generate a rectangular wave voltage, which is transformed by a transformer in the converter and further rectified and output by a rectifying circuit composed of diodes Da, Db, Dc, Dd. . An intermediate inductor Lr is connected in series with an in-converter inductor L provided for a filter at the output terminal of the rectifier circuit on the secondary winding side of the insulation transformer, and switches the switches Qa and Qb between on and off. Since a rectangular wave voltage is applied to the intermediate inductor Lr, the resonant voltage doubler rectifier circuit is driven according to the same principle as in the above-described embodiment, and the storage cell voltages are equalized.

具体的に、コンバータ内トランスの一次巻線に印加される電圧の大きさは入力電圧をVinとして0.5Vinとなるため、一次巻線の巻数N1と二次巻線の巻数N2との巻線比N2/N1=Nとすれば、二次巻線に印加される電圧の大きさは0.5NVinとなる。よって、上式(8)〜(11)中、Vinを0.5NVinで置き換えることにより、以下の式(21)〜(24)が得られる。

Figure 0006679042
(21)
Figure 0006679042
(22)
Figure 0006679042
(23)
Figure 0006679042
(24) Specifically, since the magnitude of the voltage applied to the primary winding of the converter in the transformer becomes 0.5V in input voltage as V in, the number of turns N2 of the number of turns N1 of the primary winding a secondary winding If the winding ratio N2 / N1 = N, the magnitude of the voltage applied to the secondary winding is 0.5 NV in . Therefore, in the above equations (8) to (11), the following equations (21) to (24) are obtained by replacing V in with 0.5 NV in .
Figure 0006679042
(21)
Figure 0006679042
(22)
Figure 0006679042
(23)
Figure 0006679042
(24)

コンバータ内インダクタLの電圧VLはおおよそ上式(21),(23)で表わされる矩形波状電圧となり、中間インダクタLrの電圧VLrは、おおよそ上式(22),(24)で表わされる矩形波状電圧となる。上式(22),(24)の差をとることにより、中間インダクタにはおおよそ

Figure 0006679042
(25)
で表される振幅VLr_p-pの矩形波状電圧が印加される。以降、多段倍電圧整流回路による蓄電セル電圧の均等化は上述の実施例と同様である。 The voltage V L of the inductor L in the converter is a rectangular wave voltage represented by the above equations (21) and (23), and the voltage V Lr of the intermediate inductor Lr is a rectangle represented by the above equations (22) and (24). It becomes a wavy voltage. By taking the difference between the above equations (22) and (24), the intermediate inductor is approximately
Figure 0006679042
(25)
A rectangular wave voltage having an amplitude V Lr_p-p represented by is applied. After that, the equalization of the storage cell voltage by the multi-stage voltage doubler rectifier circuit is the same as in the above-described embodiment.

以上の実施形態では、フィルタ用のインダクタと共振形倍電圧整流回路用のインダクタLrが個別に必要であったため、回路全体としては少なくとも2つの磁性素子が必要であった。しかしながら、カップルドインダクタを用いることによりこれらの磁性素子を1つの素子として集約することも可能である。カップルドインダクタを用いて降圧型PWMコンバータに共振形倍電圧整流回路を組み合わせた本発明の第5の実施形態である充電器に4直列の蓄電セルストリングB1〜B4を接続した、均等化機能付充電システムの回路図を図19に示す。   In the above embodiment, since the inductor for the filter and the inductor Lr for the resonance type voltage doubler rectifier circuit are individually required, at least two magnetic elements are required for the entire circuit. However, it is possible to combine these magnetic elements as one element by using a coupled inductor. With a equalizing function, four series storage cell strings B1 to B4 are connected to a charger which is a fifth embodiment of the present invention in which a step-down PWM converter is combined with a resonance type voltage doubler rectifier circuit using a coupled inductor. A circuit diagram of the charging system is shown in FIG.

図19の回路構成は概ね図9のものと同様であるが、2つのインダクタ(図9中、コンバータ内インダクタLと中間インダクタLr)が、同一のコアに対して巻回されることで一つの磁性素子(カップルドインダクタ)へと集約されている。図19中、LmgとLkgはそれぞれカップルドインダクタの励磁インダクタンスと漏洩インダクタンスを表わし、励磁インダクタンスLmgは降圧型PWMコンバータにおけるフィルタインダクタL(図9参照)として振る舞う一方、漏洩インダクタンスLkgは直列共振形倍電圧整流回路用の共振用インダクタLrの機能を果たす。カップルドインダクタはトランスと同様で1つのコアに複数の巻線が施された磁性素子であり、各々の巻線に印加される電圧は巻線比(N1:N2)で決定される。漏洩インダクタンスLkgに印加される電圧は十分小さく無視できるため、スイッチQがオンの期間に一次巻線に印加される電圧VN1、二次巻線に印加される電圧VN2はおおよそ下式(26),(27)で表される(一次巻線の巻数をN1、二次巻線の巻数をN2とする。)。

Figure 0006679042
(26)

Figure 0006679042
(27) The circuit configuration of FIG. 19 is generally similar to that of FIG. 9, but two inductors (inductor L in converter and intermediate inductor Lr in FIG. 9) are wound around the same core to form one inductor. It is integrated into a magnetic element (coupled inductor). In FIG. 19, Lmg and Lkg represent the exciting inductance and the leakage inductance of the coupled inductor, respectively. The exciting inductance Lmg behaves as the filter inductor L (see FIG. 9) in the step-down PWM converter, while the leakage inductance Lkg is the series resonance type double. The function of the resonance inductor Lr for the voltage rectification circuit is fulfilled. The coupled inductor is a magnetic element in which one core is provided with a plurality of windings like the transformer, and the voltage applied to each winding is determined by the winding ratio (N1: N2). Since the voltage applied to the leakage inductance Lkg is sufficiently small and can be ignored, the voltage V N1 applied to the primary winding and the voltage V N2 applied to the secondary winding while the switch Q is on are approximately represented by the following equation (26 ), (27) (the number of turns of the primary winding is N1, and the number of turns of the secondary winding is N2).
Figure 0006679042
(26)

Figure 0006679042
(27)

N2により共振タンク、すなわち漏洩Lkgと共振用キャパシタCrの間で共振が起こり、直列共振形倍電圧回路内では正弦波状の共振電流が流れる。一方、スイッチQがオフの期間はダイオードDが導通する。一次巻線と二次巻線に印加される電圧値は、ダイオードの順方向降下を無視するとおおよそ下式(28),(29)で表される。

Figure 0006679042
(28)
Figure 0006679042
(29) Due to V N2 , resonance occurs between the resonance tank, that is, the leakage Lkg and the resonance capacitor Cr, and a sinusoidal resonance current flows in the series resonance type voltage doubler circuit. On the other hand, the diode D conducts while the switch Q is off. The voltage values applied to the primary winding and the secondary winding are approximately represented by the following equations (28) and (29), ignoring the forward drop of the diode.
Figure 0006679042
(28)
Figure 0006679042
(29)

スイッチQがオフの期間においてもVN2により共振タンク、すなわち漏洩インダクタンスLkgと共振用キャパシタCrの間で共振が起こり、直列共振形倍電圧回路内では正弦波状の共振電流が流れる。 Even when the switch Q is off, resonance occurs between the resonance tank, that is, the leakage inductance Lkg and the resonance capacitor Cr due to V N2 , and a sinusoidal resonance current flows in the series resonance type voltage doubler circuit.

以上、式(27),(29)で示したとおり、二次巻線の両端にはN1とN2の比に応じた電圧が発生する。二次巻線の両端に発生する電圧を簡単のために矩形波電圧であると仮定すると、その振幅VN2_p-pは式(27),(29)より次式で表される。

Figure 0006679042
(30) As described above, as shown in equations (27) and (29), a voltage corresponding to the ratio of N1 and N2 is generated across the secondary winding. Assuming that the voltage generated across the secondary winding is a rectangular wave voltage for the sake of simplicity, its amplitude V N2 — p-p is expressed by the following equation from equations (27) and (29).
Figure 0006679042
(30)

共振タンクに流れる共振電流の波高値iCr-peakは式(13)と同様で印加電圧に比例し、

Figure 0006679042
(31)
の形式で表わすことができる。ここで、Zrは共振タンクのインピーダンスである。式(30),(31)式が示すように、カップルドインダクタを用いたトランスレス均等化回路統合型コンバータでは、N1とN2の比を任意に決定することでiCr-peakを抑えつつ、セル電圧の均等化機能を担う倍電圧整流回路を駆動することができる。なお、図19の充電器の動作原理も実施例1等と同様であり、上式(7)で表わされる降圧型PWMコンバータの出力電圧によって蓄電セルB1〜B4を充電しつつ、共振タンクの共振電流によって多段倍電圧整流回路を動作させることにより蓄電セル電圧を均等化する。 The peak value i Cr-peak of the resonance current flowing in the resonance tank is similar to equation (13) and is proportional to the applied voltage,
Figure 0006679042
(31)
Can be represented in the form of. Here, Zr is the impedance of the resonance tank. As shown in the equations (30) and (31), in the transformerless equalization circuit integrated converter using the coupled inductor, i Cr-peak is suppressed while arbitrarily determining the ratio of N1 and N2. It is possible to drive a voltage doubler rectifier circuit having a function of equalizing cell voltages. The operating principle of the charger of FIG. 19 is the same as that of the first embodiment and the like, and the storage tanks B1 to B4 are charged by the output voltage of the step-down PWM converter represented by the above formula (7), and the resonance of the resonance tank is generated. By operating the multistage voltage doubler rectifier circuit with the current, the voltage of the storage cells is equalized.

実施例5では、降圧型PWMコンバータに対してカップルドインダクタを用いつつ均等化回路を統合した例について示したが、その他のコンバータに対してもカップルドインダクタを用いた統合が可能である。一例として、昇圧型PWMコンバータに対してカップルドインダクタを用いつつ均等化回路を統合した、本発明の第6の実施形態である充電器に4直列の蓄電セルストリングB1〜B4を接続した、均等化機能付充電システムの回路図を図20に示す。   In the fifth embodiment, the example in which the equalizing circuit is integrated while using the coupled inductor for the step-down PWM converter has been shown, but the integration using the coupled inductor is also possible for other converters. As an example, a series of storage cell strings B1 to B4 are connected to a charger, which is a sixth embodiment of the present invention, in which an equalization circuit is integrated with a step-up PWM converter while using a coupled inductor. FIG. 20 shows a circuit diagram of the charging system with an activating function.

図20の構成は、図13で示した昇圧型コンバータのコンバータ内インダクタLと共振形倍電圧整流回路内の中間インダクタLrを、同一のコアに対して巻回することでカップルドインダクタにより集約した実施例に相当する。基本的な動作原理は図13に示したものと同様であり、上式(14)で表わされる昇圧型PWMコンバータの出力電圧によって蓄電セルB1〜B4を充電しつつ、共振タンクの共振電流によって多段倍電圧整流回路を動作させることにより蓄電セル電圧を均等化する。図19を用いて説明した実施例5と同様の原理から、各巻線に発生する矩形波状電圧の振幅はカップルドインダクタの巻線比に依存するのであり、一次巻線と二次巻線の比を任意に決定することで共振電流の波高値iCr-peakを抑えつつ、セル電圧の均等化機能を担う倍電圧整流回路を駆動することができる。 In the configuration of FIG. 20, the inductor L in the converter of the step-up converter shown in FIG. 13 and the intermediate inductor Lr in the resonance-type voltage doubler rectifier circuit are wound around the same core to form a coupled inductor. It corresponds to the embodiment. The basic operation principle is the same as that shown in FIG. 13, and the storage cells B1 to B4 are charged by the output voltage of the step-up PWM converter represented by the above formula (14), while the resonance current of the resonance tank causes the multi-stage operation. The storage cell voltage is equalized by operating the voltage doubler rectifier circuit. According to the same principle as that of the fifth embodiment described with reference to FIG. 19, the amplitude of the rectangular wave voltage generated in each winding depends on the winding ratio of the coupled inductor. Can be arbitrarily determined to drive the voltage doubler rectifier circuit having the cell voltage equalizing function while suppressing the peak value i Cr-peak of the resonance current.

その他の変形例
以上の各実施例においては、主には直列共振形の共振回路から共振電流を入力することで多段倍電圧整流回路を動作させる実施形態について説明を行ってきたが、非共振形の入力部や、その他の共振形の入力部からの入力電流により多段倍電圧整流回路を動作させることも可能である。
Other Modifications In each of the above-described embodiments, the embodiment in which the multistage voltage doubler rectifier circuit is operated by inputting the resonance current mainly from the series resonance type resonance circuit has been described. It is also possible to operate the multi-stage voltage doubler rectifier circuit by the input current from the input section of 1 or other input section of the resonance type.

本発明の教示するトランスレス均等化回路統合型コンバータに用いることができる、入力部と多段倍電圧整流回路との構成例を図21a〜図21dに示す。図21aは直列共振形入力部と多段倍電圧整流回路との接続例であり、これまで説明してきた各実施形態で用いている構成である。図21bは非共振形の入力部と多段倍電圧整流回路との接続例であり、図21aの直列共振形の回路における共振用キャパシタCrを削除した形態と同等である。非共振形の入力部を用いる場合の多段倍電圧整流回路の動作は、図5〜図7等を用いて説明したとおりである。図21aの共振用キャパシタCrの容量を十分大きく設定した場合においても、図21bの非共振形と同等の動作波形や特性を得ることができる。   21a to 21d show configuration examples of the input unit and the multistage voltage doubler rectifier circuit that can be used in the transformerless equalization circuit integrated converter taught by the present invention. FIG. 21a shows an example of the connection between the series resonance type input section and the multistage voltage doubler rectifier circuit, which is the configuration used in each of the embodiments described so far. FIG. 21b shows an example of connection between the non-resonant type input section and the multistage voltage doubler rectifier circuit, which is equivalent to the form in which the resonance capacitor Cr is removed from the series resonant type circuit of FIG. 21a. The operation of the multistage voltage doubler rectifier circuit when the non-resonant type input section is used is as described with reference to FIGS. Even when the capacitance of the resonance capacitor Cr of FIG. 21a is set to be sufficiently large, it is possible to obtain an operation waveform and characteristics equivalent to those of the non-resonance type of FIG. 21b.

図21cは並列共振形の入力部と多段倍電圧整流回路との接続例であり、図21dはLLC共振形の入力部と多段倍電圧整流回路との接続例である。これらの入力部を用いる場合であっても、多段倍電圧整流回路は共振電流により、上述の各実施例と同様に動作する。図21a〜図21dで示した各回路は一般的によく知られた共振・非共振回路方式を多段倍電圧整流回路に適用したものであり、その他の共振・非共振回路を多段倍電圧整流回路に適用することも可能である。   FIG. 21c shows an example of connection between the parallel resonance type input section and the multistage voltage doubler rectifier circuit, and FIG. 21d shows an example of connection between the LLC resonance type input section and the multistage voltage doubler rectifier circuit. Even when these input sections are used, the multistage voltage doubler rectifier circuit operates in the same manner as in the above-described respective embodiments due to the resonance current. Each of the circuits shown in FIGS. 21a to 21d is a generally well-known resonant / non-resonant circuit system applied to a multi-stage voltage doubler rectifier circuit. It is also possible to apply to.

上記各実施例においては、単方向の電力伝送、すなわち蓄電セルストリングの充電を行うためのコンバータに均等化回路をトランスレスで統合した構成を用いていたが、上述の全ての実施例について、充放電可能な双方向コンバータを用いることにより、トランスレス均等化回路統合型双方向コンバータを構成することができる。   In each of the above-described embodiments, the configuration in which the equalizing circuit is integrated without a transformer in the converter for performing unidirectional power transmission, that is, the charging of the storage cell string is used. By using the dischargeable bidirectional converter, the transformerless equalization circuit integrated bidirectional converter can be configured.

一般的には、単方向のコンバータに含まれるダイオードをスイッチに置き換えることで、各種コンバータを双方向コンバータとして応用することができる。図3aの降圧型PWMコンバータのダイオードをスイッチに置き換えることで構成される双方向コンバータについて、負荷RL(出力)側からの放電動作時、スイッチの切り替え状態に応じて実現される電流経路を図22a(スイッチQHがオフ、スイッチQLがオン。モード1とする。),図22b(スイッチQHがオン、スイッチQLがオフ。モード2とする。)に示す。コンバータ内インダクタLには、図22aのモード1において出力電圧−Voutが、図22bのモード2においては入出力電圧差に相当するVin−Voutが印加されるため、単方向の場合と同様に矩形波状電圧が印加される。入出力電圧比も単方向の場合と同様、上式(7)で表わされる。 Generally, various converters can be applied as bidirectional converters by replacing the diode included in the unidirectional converter with a switch. For the bidirectional converter configured by replacing the diode of the step-down PWM converter of FIG. 3a with a switch, the current path realized according to the switching state of the switch during the discharging operation from the load RL (output) side is shown in FIG. 22a. (Switch QH is off, switch QL is on. Mode 1 is shown.) And FIG. 22b (switch QH is on, switch QL is off. Mode 2 is shown). The output voltage −V out is applied to the inductor L in the converter in the mode 1 of FIG. 22a, and V in −V out corresponding to the input / output voltage difference is applied in the mode 2 of FIG. 22b. Similarly, a rectangular wave voltage is applied. The input / output voltage ratio is also represented by the above equation (7), as in the case of the unidirectional.

図22a.図22bに示す双方向降圧型PWMコンバータを、中間インダクタLrを介して多段倍電圧整流回路へと接続してなる本発明の第7の実施形態である充放電器を、直列接続された蓄電セルB1〜B4に接続してなる充放電システムの回路図を、図23に示す。図23の充放電システムは、図9に示した実施形態におけるダイオードDをスイッチQLに置き換えることで双方向化に対応させた実施形態である。この実施形態では、充電時および放電時の両方において上式(8)〜(13)が成立するため、図9で示した第1の実施形態と同様の原理にて蓄電セルの均等化が充電と放電の両方の場合において行われる。   Figure 22a. A storage cell in which the charger / discharger according to the seventh embodiment of the present invention in which the bidirectional step-down PWM converter shown in FIG. 22b is connected to a multistage voltage doubler rectifier circuit via an intermediate inductor Lr is connected in series A circuit diagram of the charging / discharging system connected to B1 to B4 is shown in FIG. The charging / discharging system of FIG. 23 is an embodiment in which the diode D in the embodiment shown in FIG. 9 is replaced with a switch QL to support bidirectional operation. In this embodiment, since the above formulas (8) to (13) are satisfied both during charging and discharging, the equalization of the storage cells is performed by the same principle as in the first embodiment shown in FIG. And in the case of both discharges.

本発明は、二次電池および電気二重層キャパシタ等の蓄電セルを用いる電源等に広く適用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely applied to power sources and the like that use storage cells such as secondary batteries and electric double layer capacitors.

B1〜B4 蓄電セル
Cout1〜Cout4 キャパシタ
C1〜C4 中間キャパシタ
D1〜D8 ダイオード
Lr インダクタ
Cr 共振キャパシタ
Vin,Vdc 電源
L1,L2 インダクタ
Q,Qa,Qb スイッチ
Do ダイオード
Cout,Cin,Cet キャパシタ
Rbias バイアス抵抗
Lmg 励磁インダクタンス
Lkg 漏洩インダクタンス
La インダクタ
QL,QH スイッチ
B1 to B4 Storage cells Cout1 to Cout4 Capacitors C1 to C4 Intermediate capacitors D1 to D8 Diodes Lr Inductors Cr Resonant capacitors Vin, Vdc Power supplies L1, L2 Inductors Q, Qa, Qb Switches Do Diodes Cout, Cin, Cet Capacitors Rbias Bias resistance Lmg Excitation Inductance Lkg Leakage inductance La Inductor QL, QH switch

Claims (7)

直列接続された第1から第n(nは2以上の整数)のキャパシタの各々に対して、2つの直列接続されたダイオードを並列に接続し、更に、該2つの直列接続されたダイオードの各々における中間点に中間キャパシタを接続した、多段倍電圧整流回路と、
スイッチ切り替えにより動作し、スイッチ切り替えに応じて変動する第1の電圧が印加されるコンバータ内インダクタを備えたスイッチングコンバータと、
前記スイッチングコンバータの出力部と前記多段倍電圧整流回路との間に接続された中間インダクタであって、前記スイッチの切り替え状態のうち少なくとも一つの状態において該スイッチングコンバータを流れる電流経路上に配置されたことにより、スイッチ切り替えに応じて変動する第2の電圧が印加される、中間インダクタと
を備え、
前記スイッチングコンバータの前記出力部と前記多段倍電圧整流回路との間にはトランスが接続されず、
前記スイッチングコンバータの前記出力部に、前記中間インダクタを介して、前記直列接続された第1から第nのキャパシタを接続することにより、該スイッチングコンバータから該中間インダクタを介して出力される電圧によって該第1から第nのキャパシタを充電するとともに、
前記中間インダクタから前記多段倍電圧整流回路に入力される電圧で該多段倍電圧整流回路が動作することにより、該第1から第nのキャパシタを充電する
よう構成された、充電器。
Two series-connected diodes are connected in parallel to each of the first to n-th (n is an integer of 2 or more) capacitors connected in series, and each of the two series-connected diodes is further connected. A multi-stage voltage doubler rectifier circuit in which an intermediate capacitor is connected to the intermediate point of
A switching converter that includes an in-converter inductor that operates by switching and that is applied with a first voltage that fluctuates in accordance with switching;
An intermediate inductor connected between the output section of the switching converter and the multistage voltage doubler rectifier circuit, the intermediate inductor being arranged on a current path flowing through the switching converter in at least one of the switching states of the switch. Thus, a second voltage that fluctuates according to the switching of the switch is applied, and an intermediate inductor is provided,
A transformer is not connected between the output section of the switching converter and the multistage voltage doubler rectifier circuit,
By connecting the series-connected first to n-th capacitors to the output section of the switching converter via the intermediate inductor, the voltage output from the switching converter via the intermediate inductor is used. While charging the 1st to nth capacitors,
A charger configured to charge the first to nth capacitors by operating the multistage voltage doubler rectifier circuit with a voltage input from the intermediate inductor to the multistage voltage multiplier rectifier circuit.
前記スイッチングコンバータとして降圧型PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)コンバータを用いる、請求項1に記載の充電器。   The charger according to claim 1, wherein a step-down PWM (Pulse Width Modulation) converter is used as the switching converter. 前記スイッチングコンバータとして昇圧型PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)コンバータを用いる、請求項1に記載の充電器。   The charger according to claim 1, wherein a step-up type PWM (Pulse Width Modulation) converter is used as the switching converter. 前記スイッチングコンバータとしてZetaコンバータを用いる、請求項1に記載の充電器。   The charger according to claim 1, wherein a Zeta converter is used as the switching converter. 前記スイッチングコンバータとしてハーフブリッジコンバータを用いる、請求項1に記載の充電器。   The charger according to claim 1, wherein a half bridge converter is used as the switching converter. 前記スイッチングコンバータの出力部と前記多段倍電圧整流回路との間に共振キャパシタが更に接続されることにより、前記中間インダクタと該共振キャパシタが共振回路を構成する、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の充電器。   The resonance capacitor is further connected between the output section of the switching converter and the multi-stage voltage doubler rectifier circuit, so that the intermediate inductor and the resonance capacitor form a resonance circuit. Charger according to item. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の充電器において前記スイッチングコンバータとして双方向スイッチングコンバータを用いることにより構成される、充放電器。 Constructed by using a bi-directional switching converter as the switching converter in the charger according to any one of claims 1 to 6, the charge and discharge device.
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