JP7079934B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、第１装置、第２装置及び第３装置の間で電力伝達を行う電力変換装置に関する。
従来、特許文献１に見られるように、第１～第４入出力ポートの間で電力伝達を行う電力変換装置が知られている。第１入出力ポートには、１次側高電圧系負荷である第１装置が接続され、第２入出力ポートには、１次側低電圧系負荷である第２装置が接続されている。第２装置は、２次電池であり、その端子間電圧（例えば１２Ｖ）は、第１装置の端子間電圧（例えば４８Ｖ）よりも低い。
第３入出力ポートには、２次側高電圧系電源である第３装置が接続され、第４入出力ポートには、２次側高電圧系負荷である第４装置が接続されている。第３装置は、２次電池であり、その端子間電圧（例えば２８８Ｖ）は、第４装置の端子間電圧（例えば７２Ｖ）よりも低い。また、第４装置の端子間電圧は、第１装置の端子間電圧よりも高い。
電力変換装置は、１次側変換回路、２次側変換回路及びトランスを備えている。トランスの１次側コイルには、１次側変換回路を介して第１，第２入出力ポートが接続され、トランスの２次側コイルには、２次側変換回路を介して第３，第４入出力ポートが接続されている。１次側変換回路を構成するスイッチのデューティ比を調整することにより、第１装置と第２装置との間の伝達電力を調整できる。デューティ比は、スイッチの１スイッチング周期に対するオン操作期間の比率である
また、２次側変換回路を構成するスイッチのスイッチング位相と、１次側変換回路を構成するスイッチのスイッチング位相との差を調整することにより、第１装置と第２装置との間の伝達電力を調整できる。
特開２０１５－１００１９８号公報
第１装置と第２装置との間で電力を伝達する場合において、第１装置の端子間電圧と第２装置の端子間電圧との差が大きいと、１次側変換回路を構成するスイッチのデューティ比が小さくなる。デューティ比が小さく設定された状態で第１装置と第３装置との間で電力を伝達しようとすると、トランス利用率が低下する。トランス利用率は、規定期間（例えば１スイッチング周期）のうち、１次側コイルの印加電圧が０以外の値となる期間の割合である。トランス利用率が低下すると、第１装置と第３装置との間で電力を伝達する場合における電力変換効率が低下する。
本発明は、トランス利用率を高めることができる電力変換装置を提供することを主たる目的とする。
第１，第２の発明は、第１装置と、蓄電装置である第２装置と、第３装置との間で電力伝達を行う電力変換装置において、
前記第１装置の端子間電圧は、前記第２装置の端子間電圧よりも高くて、かつ、前記第３装置の端子間電圧よりも低くされており、
前記第１装置の正極側に第１端が接続された第１スイッチと、
前記第１スイッチの第２端に第１端が接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの第２端に第１端が接続され、前記第２装置の負極側に第２端が接続された第２スイッチと、
前記第１スイッチの第２端に第１端が接続された第３スイッチと、
前記第３スイッチの第２端に第１端が接続され、前記第２装置の負極側に第２端が接続された第４スイッチと、を備える。
第１の発明は、前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第１リアクトルと、
前記コンデンサと前記第２スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第２リアクトルと、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記コンデンサと前記第２スイッチとの接続点に第２端が接続された１次側コイル、及び該１次側コイルと磁気結合する２次側コイルを有するトランスと、
前記２次側コイル及び前記第３装置の間に接続されるとともに変換スイッチを有し、前記２次側コイル及び前記第３装置の間の電力伝達を行う変換回路と、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させ、かつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させる制御装置と、を備える。
第２の発明は、前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第１の１次側コイルと、
前記コンデンサと前記第２スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第２の１次側コイルと、
前記第１の１次側コイルと磁気結合する第１の２次側コイルと、
前記第２の１次側コイルと磁気結合し、前記第１の２次側コイルと直列接続された第２の２次側コイルと、
前記各２次側コイル及び前記第３装置の間に接続されるとともに変換スイッチを有し、前記各２次側コイル及び前記第３装置の間の電力伝達を行う変換回路と、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させ、かつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させる制御装置と、を備える。
第１，第２の発明では、第１スイッチ及び第２スイッチが交互にオン操作されつつ、第１スイッチ及び第２スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とが同期させられる。また、第３スイッチ及び第４スイッチが交互にオン操作されつつ、第３スイッチ及び第４スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とが同期させられる。この際、各スイッチのデューティ比を調整することにより、第１装置と第２装置との間の伝達電力を調整できる。また、第１～第４スイッチのスイッチング位相と変換スイッチのスイッチング位相との差を調整することにより、第１装置と第３装置との間の伝達電力を調整できる。
第１の発明では、１次側変換回路が、第１，第２リアクトル、第１～第４スイッチ及びコンデンサで構成されている。また、第２の発明では、１次側変換回路が、第１，第２の１次側コイル、第１～第４スイッチ及びコンデンサで構成されている。この構成によれば、第１装置の端子間電圧と第２装置の端子間電圧との差が大きかったとしても、第１装置から第２装置に電力を伝達する場合における昇圧比を高めることができ、これにより第１～第４スイッチのデューティ比を高めることができる。その結果、第１装置と第３装置との間で電力を伝達する場合におけるトランス利用率を高めることができる。これにより、第１装置と第３装置との間で電力を伝達する場合における電力変換効率を高めることができる。
第１実施形態に係る電力変換システムの全体構成図。 デューティ比が５０％の場合における電力変換装置の動作態様を示すタイムチャート。 位相差と伝達電力との関係を示す図。 デューティ比と昇圧比との関係を示す図。 デューティ比が５０％を超える場合における電力変換装置の動作態様を示すタイムチャート。 トランス利用率の向上効果を示すタイムチャート。 リプル電流の低減効果を示すタイムチャート。 第２実施形態に係る電力変換システムの全体構成図。 第３実施形態に係る電力変換システムの全体構成図。 第４実施形態に係る電力変換システムの全体構成図。 第５実施形態に係る電力変換システムの全体構成図。 第６実施形態に係る電力変換システムの全体構成図。
＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る電力変換装置を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態において、電力変換装置は、マルチポートのＤＣＤＣコンバータとして具体化されており、車両に搭載されるものを想定している。
電力変換システムは、第１装置としての中圧蓄電池１０、第２装置としての低圧蓄電池２０、第３装置としての高圧蓄電池３０、及び電力変換装置４０を備えている。
低圧蓄電池２０の端子間電圧（例えば定格電圧）は、中圧蓄電池１０の端子間電圧（例えば定格電圧）よりも低く、中圧蓄電池１０の端子間電圧は、高圧蓄電池３０の端子間電圧（例えば定格電圧）よりも低い。本実施形態では、低圧蓄電池２０の端子間電圧が１２Ｖに設定され、中圧蓄電池１０の端子間電圧が４８Ｖに設定され、高圧蓄電池３０の端子間電圧が２００Ｖに設定されている。
電力変換装置４０は、第１コンデンサ４１、第２コンデンサ４２、第１リアクトル５１、第２リアクトル５２、第１変換回路６０、トランス７０及び第２変換回路８０を備えている。第１変換回路６０は、第１～第４スイッチＱ１～Ｑ４、及びデカップリングコンデンサ（以下、コンデンサ６１）を備えている。本実施形態において、第１～第４スイッチＱ１～Ｑ４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
第１スイッチＱ１のドレインには、電力変換装置４０の中圧第１端子ＴＭ１が接続され、第１スイッチＱ１のソースには、コンデンサ６１の第１端と、第３スイッチＱ３のドレインとが接続されている。コンデンサ６１の第２端には、第２スイッチＱ２のドレインが接続され、第２スイッチＱ２のソースには、電力変換装置４０の中圧第２端子ＴＭ２が接続されている。第３スイッチＱ３のソースには、第４スイッチＱ４のドレインが接続され、第４スイッチＱ４のソースには、中圧第２端子ＴＭ２が接続されている。中圧第１端子ＴＭ１には、第１コンデンサ４１を介して中圧第２端子ＴＭ２が接続されている。中圧第１端子ＴＭ１には、中圧蓄電池１０の正極端子が接続され、中圧蓄電池１０の負極端子には、中圧第２端子ＴＭ２が接続されている。
第３スイッチＱ３のソースと第４スイッチＱ４のドレインとの接続点には、第１リアクトル５１の第１端が接続されている。コンデンサ６１の第２端と第２スイッチＱ２のドレインとの接続点には、第２リアクトル５２の第１端が接続されている。第１リアクトル５１及び第２リアクトル５２それぞれの第２端には、電力変換装置４０の低圧第１端子ＴＬ１が接続されている。低圧第１端子ＴＬ１には、低圧蓄電池２０の正極端子が接続され、低圧蓄電池２０の負極端子には、電力変換装置４０の低圧第２端子ＴＬ２が接続されている。第４スイッチＱ４及び第２スイッチＱ２それぞれのソースには、中圧第２端子ＴＭ２と、低圧第２端子ＴＬ２とが接続されている。なお、低圧第２端子ＴＬ２と中圧第２端子ＴＭ２とは共通化されて１つの端子にされていてもよい。
第３スイッチＱ３のソースと第４スイッチＱ４のドレインとの接続点には、トランス７０の１次側コイル７１の第１端が接続されている。１次側コイル７１の第２端には、コンデンサ６１の第２端と第２スイッチＱ２のドレインとの接続点が接続されている。
第２変換回路８０は、変換スイッチとしての第５～第８スイッチＱ５～Ｑ８を備えている。本実施形態において、第５～第８スイッチＱ５～Ｑ８は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
第５スイッチＱ５及び第７スイッチＱ７それぞれのドレインには、電力変換装置４０の高圧第１端子ＴＨ１が接続されている。第５スイッチＱ５のソースには、第６スイッチＱ６のドレインが接続され、第７スイッチＱ７のソースには、第８スイッチＱ８のドレインが接続されている。第６スイッチＱ６及び第８スイッチＱ８それぞれのソースには、電力変換装置４０の高圧第２端子ＴＨ２が接続されている。高圧第１端子ＴＨ１には、第２コンデンサ４２を介して高圧第２端子ＴＨ２が接続されている。高圧第１端子ＴＨ１には、高圧蓄電池３０の正極端子が接続され、高圧蓄電池３０の負極端子には、高圧第２端子ＴＨ２が接続されている。
第５スイッチＱ５のソースと第６スイッチＱ６のドレインとの接続点には、トランス７０の２次側コイル７２の第１端が接続されている。２次側コイル７２の第２端には、第７スイッチＱ７のソースと第８スイッチＱ８のドレインとの接続点が接続されている。
１次側コイル７１と２次側コイル７２とは磁気結合している。１次側コイル７１の巻き数をＮ１とし、２次側コイル７２の巻き数をＮ２とし、中圧蓄電池１０の定格電圧をＶ１とし、高圧蓄電池３０の定格電圧をＶ３とする場合、Ｎ１：Ｎ２＝０．５×Ｖ１（２４Ｖ）：Ｖ３（２００Ｖ）に設定されている。この設定は、中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間の電力変換装置４０を介した電力変換の効率を高めるためのものである。
電力変換装置４０は、中電圧センサ９０、低電圧センサ９１及び高電圧センサ９２を備えている。中電圧センサ９０は、中圧蓄電池１０の端子間電圧（中圧第１端子ＴＭ１及び中圧第２端子ＴＭ２間の電位差）である第１電圧Ｖｄｃ１を検出する。低電圧センサ９１は、低圧蓄電池２０の端子間電圧（低圧第１端子ＴＬ１及び低圧第２端子ＴＬ２間の電位差）である第２電圧Ｖｄｃ２を検出する。高電圧センサ９２は、高圧蓄電池３０の端子間電圧（高圧第１端子ＴＨ１及び高圧第２端子ＴＨ２間の電位差）である第３電圧Ｖｄｃ３を検出する。各検出値Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２，Ｖｄｃ３は、電力変換装置４０が備える制御装置１００に入力される。
制御装置１００は、各検出値Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２，Ｖｄｃ３に基づいて、第１～第８スイッチＱ１～Ｑ８をオンオフ操作する。本実施形態において、各スイッチＱ１～Ｑ８の１スイッチング周期Ｔｓは同じ周期に設定されている。なお、制御装置１００が提供する機能は、例えば、実体的なメモリ装置に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ハードウェア、又はそれらの組み合わせによって提供することができる。
制御装置１００は、中圧蓄電池１０と低圧蓄電池２０との間の電力伝達を行うために、第１～第４スイッチＱ１～Ｑ４を操作する。詳しくは、制御装置１００は、第１スイッチＱ１及び第２スイッチＱ２を交互にオン操作しつつ、第１スイッチＱ１及び第２スイッチＱ２のうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させる。また、制御装置１００は、第３スイッチＱ３及び第４スイッチＱ４を交互にオン操作しつつ、第３スイッチＱ３及び第４スイッチＱ４のうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させる。この際、第２スイッチＱ２を第１デューティ比Ｄ１でオンオフ操作し、第４スイッチＱ４を第２デューティ比Ｄ２でオンオフ操作する。第２スイッチＱ２のオン操作時間をＴ１とする場合、第１デューティ比Ｄ１は「Ｔ１／Ｔｓ」で表される。第４スイッチＱ４のオン操作時間をＴ２とする場合、第２デューティ比Ｄ２は「Ｔ２／Ｔｓ」で表される。本実施形態において、第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２とは同じ値にされる。このため、以降、第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２とを単にデューティ比Ｄｕｔｙと称すことがある。
制御装置１００は、低圧蓄電池２０から中圧蓄電池１０へと電力を伝達するために、第１電圧Ｖｄｃ１及び第２電圧Ｖｄｃ２に基づいてデューティ比Ｄｕｔｙを設定する。詳しくは、制御装置１００は、第１電圧Ｖｄｃ１を第２電圧Ｖｄｃ２で除算した値である昇圧比Ｍ（＝Ｖｄｃ１／Ｖｄｃ２）を算出し、図４に実線で示すように、昇圧比Ｍに基づいてデューティ比Ｄｕｔｙを設定する。制御装置１００は、昇圧比Ｍが４となる場合、デューティ比Ｄｕｔｙを０．５（百分率で５０％）に設定する。本実施形態において、制御装置１００は、デューティ比Ｄｕｔｙを０．５以上かつ１未満の値に設定する。
制御装置１００は、中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間の電力伝達を行うために、上述した第１～第４スイッチＱ１～Ｑ４の操作に加え、第５，第８スイッチＱ５，Ｑ８の組と、第６，第７スイッチＱ６，Ｑ７の組とを交互にオン操作する。本実施形態において、第５～第８スイッチＱ５～Ｑ８は、上記デューティ比Ｄｕｔｙでオンオフ操作される。
図２（ａ）及び図２（ｉ）に示すように、第２スイッチＱ２のオン操作への切り替えタイミングと、第５，第８スイッチＱ５，Ｑ８のオン操作への切り替えタイミングとの差を位相差φとする。位相差φは、第２スイッチＱ２のオン操作への切り替えタイミングに対して、第５，第８スイッチＱ５，Ｑ８のオン操作への切り替えタイミングが遅れる場合を正とする。制御装置１００は、位相差φを調整することにより、中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間で伝達される電力Ｐｏを調整する。制御装置１００は、第１電圧Ｖｄｃ１及び第３電圧Ｖｄｃ３に基づいて、伝達電力Ｐｏを目標電力にするための位相差φを設定する。伝達電力Ｐｏと位相差φとの関係は、図３に示すものとなり、具体的には下式（ｅｑ１）に示すものとなる。
Figure 0007079934000001
 上式（ｅｑ１）において、Ｖｃはコンデンサ６１の端子間電圧を示し、ｆは各スイッチＱ１～Ｑ８のスイッチング周波数（＝２π／Ｔｓ）を示し、Ｌはトランス７０における電力伝達に関わるインダクタンス（例えば１次側コイル７１と２次側コイル７２間の漏れインダクタンス）を示す。位相差φが正の値になる場合、中圧蓄電池１０から高圧蓄電池３０へと電力が伝達される。位相差φが０の場合、中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間で伝達される電力が０になる。本実施形態において、制御装置１００は、位相差φを－９０度から＋９０度までの範囲で調整する。制御装置１００は、位相差φの設定に際し、第１電圧Ｖｄｃ１の１／２の値をコンデンサ６１の端子間電圧Ｖｃとして算出する。「Ｖｃ＝Ｖｄｃ１／２」となる理由は後述する。
図２を用いて、電力変換装置４０の動作態様について説明する。図２（ａ）は、第２，第１スイッチＱ２，Ｑ１の操作状態の推移を示し、図２（ｂ）は、第４，第３スイッチＱ４，Ｑ３の操作状態の推移を示し、図２（ｃ）は、第１リアクトル５１の端子間電圧ＶＬ１の推移を示し、図２（ｄ）は、第１リアクトル５１に流れる電流ＩＬ１の推移を示す。図２（ｅ）は、第２リアクトル５２の端子間電圧ＶＬ２の推移を示し、図２（ｆ）は、第２リアクトル５２に流れる電流ＩＬ２の推移を示し、図２（ｇ）は、第１，第２リアクトル５１，５２それぞれに流れる電流の合計値である合計電流Ｉｔｏｔａｌ（＝ＩＬ１＋ＩＬ２）の推移を示し、図２（ｈ）は、１次側コイル７１の端子間電圧である１次電圧Ｖｔｒａ１の推移を示す。図２（ｉ）は、第５，第８スイッチＱ５，Ｑ８の操作状態の推移を示し、図２（ｊ）は、第７，第６スイッチＱ７，Ｑ６の操作状態の推移を示し、図２（ｋ）は、２次側コイル７２の端子間電圧である２次電圧Ｖｔｒａ２の推移を示し、図２（ｍ）は、１次側コイル７１に流れる電流Ｉｔｒａ１の推移を示す。ここで、図２（ａ）の第１スイッチＱ１の操作状態は、図２（ａ）に示す操作状態（オン又はオフ操作）が反転した操作状態となり、図２（ｂ）の第３スイッチＱ３の操作状態は、図２（ｂ）に示す操作状態が反転した操作状態となる。例えば、図２（ａ）において、第２スイッチＱ２のオン操作期間は、第１スイッチＱ１のオフ操作期間となる。
第１リアクトル５１の端子間電圧ＶＬ１は、第１リアクトル５１において第２端の電位が第１端の電位よりも高い場合を正とし、第１リアクトル５１に流れる電流ＩＬ１は、第１リアクトル５１において第２端から第１端へと向かう方向に流れる場合を正とする。第２リアクトル５２の端子間電圧ＶＬ２は、第２リアクトル５２において第２端の電位が第１端の電位よりも高い場合を正とし、第２リアクトル５２に流れる電流ＩＬ２は、第２リアクトル５２において第２端から第１端へと向かう方向に流れる場合を正とする。１次電圧Ｖｔｒａ１は、１次側コイル７１において第１端の電位が第２端の電位よりも高い場合を正とし、２次電圧Ｖｔｒａ２は、２次側コイル７２において第１端の電位が第２端の電位よりも高い場合を正とし、１次側コイル７１に流れる電流Ｉｔｒａ１は、１次側コイル７１において第１端から第２端へと向かう方向に流れる場合を正とする。
第２スイッチＱ２がオン操作されるとともに第１スイッチＱ１がオフ操作され、第４スイッチＱ４がオフ操作されるとともに第３スイッチＱ３がオン操作されている場合、「ＶＬ１＝Ｖｄｃ２－Ｖｃ」，「ＶＬ２＝Ｖｄｃ２」となる。一方、第２スイッチＱ２がオフ操作されるとともに第１スイッチＱ１がオン操作され、第４スイッチＱ４がオン操作されるとともに第３スイッチＱ３がオフ操作されている場合、「ＶＬ１＝Ｖｄｃ２」，「ＶＬ２＝Ｖｄｃ２＋Ｖｃ－Ｖｄｃ１」となる。
各電圧値Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２等が変化しない定常状態において、ＶＬ１，ＶＬ２のＥＴ積の収支は０になる。つまり、図２（ｃ）及び図２（ｅ）のハッチング部分を参照して、「Ｓ１＝Ｓ２」，「Ｓ３＝Ｓ４」となる。この面積の関係から、下式（ｅｑ２），（ｅｑ３）が導かれる。
Figure 0007079934000002
Figure 0007079934000003
 上式（ｅｑ２），（ｅｑ３）から、下式（ｅｑ４），（ｅｑ５）が導かれる。
Figure 0007079934000004
Figure 0007079934000005
 上式（ｅｑ４）は、低圧蓄電池２０から中圧蓄電池１０へと電力伝達する場合における昇圧比Ｍを示す。上式（ｅｑ４）に示す昇圧比Ｍは、図４に示すように、一般的な昇圧チョッパ回路の昇圧比（図４の破線）の２倍の値である。上式（ｅｑ４）において「Ｖｄｃ１＝４８Ｖ，Ｖｄｃ２＝１２Ｖ」とする場合、デューティ比Ｄｕｔｙが０．５（５０％）となる。この場合、各スイッチＱ１～Ｑ８は、５０％のデューティ比Ｄｕｔｙでオンオフ操作される。
上式（ｅｑ５）は、コンデンサ６１の端子間電圧Ｖｃが中圧蓄電池１０の端子間電圧Ｖｄｃ１の１／２になることを示す。このため、１次側コイル７１には、図２（ｈ）及び図６（ａ）に示すように、＋Ｖｃと－Ｖｃとが交互に印加される。すなわち、１次側コイル７１には、中圧蓄電池１０の端子間電圧の１／２の電圧が極性を変化させながら印加される。この場合において、デューティ比Ｄｕｔｙが５０％に設定されていると、１次電圧Ｖｔｒａ１の波形は、０Ｖ区間を含まない理想的な矩形波となり、トランス利用率が１００％となる。本実施形態において、トランス利用率は、１スイッチング周期Ｔｓのうち、１次電圧Ｖｔｒａ１が０以外の値となる期間の割合である。
これに対し、図６（ｂ）に示すように、比較例では、１次電圧Ｖｔｒａ１に０Ｖ区間が含まれている。比較例は、上記特許文献１の図１に記載の回路構成である。比較例では、トランス利用率が低下し、中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間の電力変換効率が低下する。
本実施形態では、図２（ｄ）及び図２（ｆ）に示すように、第１リアクトル５１に流れる電流ＩＬ１の波形は、第２リアクトル５２に流れる電流ＩＬ２の波形の位相が反転したものとなる。このため、図２（ｇ）に示すように、合計電流Ｉｔｏｔａｌに含まれるリプル成分を理想的には０にできる。その結果、図７に示すように、比較例よりもリプル成分を低減でき、具体的には、比較例よりもリプル成分を１／１０以下にできる。
なお、図５に、デューティ比Ｄｕｔｙが０．５を超える場合における電力変換装置４０の動作態様を示す。図５（ａ）～図５（ｋ）は、先の図２（ａ）～図２（ｆ），図２（ｈ）～図２（ｍ）に対応している。デューティ比Ｄｕｔｙが０．５を超える場合、１次電圧Ｖｔｒａ１に０Ｖ区間が含まれるようになるものの、比較例よりもトランス利用率を高くすることはできる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
第１変換回路６０は、第１，第２リアクトル５１，５２、第１～第４スイッチＱ１～Ｑ４及びコンデンサ６１で構成されている。この構成によれば、中圧蓄電池１０の端子間電圧と低圧蓄電池２０の端子間電圧との差が大きかったとしても、中圧蓄電池１０から低圧蓄電池２０に電力を伝達する場合における昇圧比Ｍを高めることができ、デューティ比Ｄｕｔｙを高めることができる。その結果、中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間で電力を伝達する場合におけるトランス利用率を高めることができ、ひいては中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間で電力を伝達する場合の電力変換効率を高めることができる。
中圧蓄電池１０の定格電圧が低圧蓄電池２０の定格電圧の４倍に設定されている。制御装置１００は、第１～第４スイッチＱ１～Ｑ４を操作する場合のデューティ比を５０％に設定する。これにより、トランス利用率を１００％または１００％に近い値にすることができる。また、デューティ比Ｄｕｔｙを５０％に設定することにより、合計電流Ｉｔｏｔａｌに含まれるリプル成分を低減することができる。その結果、第１，第２リアクトル５１，５２のインダクタンスを低減することができ、第１，第２リアクトル５１，５２を小型化することができる。
１次側コイル７１の巻き数をＮ１とし、２次側コイル７２の巻き数をＮ２とし、中圧蓄電池１０の定格電圧をＶ１とし、高圧蓄電池３０の定格電圧をＶ３とする場合、Ｎ１：Ｎ２＝０．５×Ｖ１：Ｖ３に設定されている。これにより、中圧蓄電池１０と高圧蓄電池３０との間で電力を伝達する場合における電力変換効率を高めることができる。
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図８に示すように、第１リアクトル５３及び第２リアクトル５４が磁気結合している。図８において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。本実施形態では、第１リアクトル５３において第２端から第１端へと向かう方向に電流が流れる場合、第２リアクトル５４において第１端側の極性が正とされ、第２端側の極性が負とされる。なお、第１リアクトル５３及び第２リアクトル５４は、一体のリアクトルとされていてもよい。
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図９に示すように、第２変換回路８０は、フルブリッジ回路ではなくハーフブリッジ回路を備えている。図９において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
第２変換回路８０は、変換コンデンサ８１、第１変換スイッチＳＡ１及び第２変換スイッチＳＡ２を備えている。本実施形態において、各変換スイッチＳＡ１，ＳＡ２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
２次側コイル７２の第１端には、変換コンデンサ８１の第１端が接続されている。変換コンデンサ８１の第２端には、第１変換スイッチＳＡ１のソースと第２変換スイッチＳＡ２のドレインとの接続点が接続されている。第１変換スイッチＳＡ１のドレインには、高圧第１端子ＴＨ１が接続され、第２変換スイッチＳＡ２のソースには、２次側コイル７２の第２端と、高圧第２端子ＴＨ２とが接続されている。なお、本実施形態において、２次側コイル７２の巻き数Ｎ２は、第１実施形態の２次側コイル７２の巻き数の半分である。
ちなみに、本実施形態において、第１変換スイッチＳＡ１の操作態様は、第１実施形態の第５，第８スイッチＱ５，Ｑ８の操作態様と同じにすればよい。また、第２変換スイッチＳＡ２の操作態様は、第１実施形態の第６，第７スイッチＱ６，Ｑ７の操作態様と同じにすればよい。
＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態について、第３実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１０に示すように、第２変換回路８０の構成を変更している。図１０において、先の図９に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
第２変換回路８０は、第１～第３変換コンデンサ８２～８４、第１変換スイッチＳＢ１及び第２変換スイッチＳＢ２を備えている。本実施形態において、各変換スイッチＳＢ１，ＳＢ２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
２次側コイル７２の第１端には、第１変換コンデンサ８２の第１端が接続されている。第１変換コンデンサ８２の第２端には、第１変換スイッチＳＢ１のソースと第２変換スイッチＳＢ２のドレインとの接続点が接続されている。コンデンサ８２はトランス７０の偏磁防止用のコンデンサである。第１変換スイッチＳＢ１のドレインには、高圧第１端子ＴＨ１が接続され、第２変換スイッチＳＢ２のソースには、高圧第２端子ＴＨ２が接続されている。第１，第２変換スイッチＳＢ１，ＳＢ２の直列接続体には、第２，第３変換コンデンサ８３，８４の直列接続体が並列接続されている。第２変換コンデンサ８３と第３変換コンデンサ８４との接続点には、２次側コイル７２の第２端が接続されている。なお、本実施形態において、２次側コイル７２の巻き数Ｎ２は、第１実施形態の２次側コイル７２の巻き数の半分である。
ちなみに、本実施形態において、第１変換スイッチＳＢ１の操作態様は、第１実施形態の第５，第８スイッチＱ５，Ｑ８の操作態様と同じにすればよい。また、第２変換スイッチＳＢ２の操作態様は、第１実施形態の第６，第７スイッチＱ６，Ｑ７の操作態様と同じにすればよい。
＜第５実施形態＞
以下、第５実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１１に示すように、電力変換装置４０の構成を変更している。図１１において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。本実施形態では、高圧蓄電池３０を第１高圧蓄電池３０と称し、高電圧センサ９２を第１高電圧センサ９２と称すこととする。
電力変換システムは、さらに、第４装置としての第２高圧蓄電池３１を備えている。第２高圧蓄電池３１の端子間電圧（例えば定格電圧）は、中圧蓄電池１０の端子間電圧よりも高くされている。
電力変換装置４０は、中圧蓄電池１０、低圧蓄電池２０、第１高圧蓄電池３０及び第２高圧蓄電池３１の間の電力伝達を行う。電力変換装置４０は、第３リアクトル８６及び第４リアクトル８７を備えている。電力変換装置４０の第２変換回路８０は、第１～第４変換スイッチＳＣ１～ＳＣ４及び変換コンデンサ８５を備えている。本実施形態において、第１～第４変換スイッチＳＣ１～ＳＣ４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
第１変換スイッチＳＣ１のドレインには、高圧第１端子ＴＨ１が接続され、第１変換スイッチＳＣ１のソースには、変換コンデンサ８５の第１端と、第３変換スイッチＳＣ３のドレインとが接続されている。変換コンデンサ８５の第２端には、第２変換スイッチＳＣ２のドレインが接続され、第２変換スイッチＳＣ２のソースには、高圧第２端子ＴＨ２と、電力変換装置４０の高圧第４端子ＴＨ４とが接続されている。第３変換スイッチＳＣ３のソースには、第４変換スイッチＳＣ４のドレインが接続され、第４変換スイッチＳＣ４のソースには、高圧第２端子ＴＨ２と高圧第４端子ＴＨ４とが接続されている。
第３変換スイッチＳＣ３のソースと第４変換スイッチＳＣ４のドレインとの接続点には、２次側コイル７２の第１端と、第３リアクトル８６の第１端とが接続されている。変換コンデンサ８５の第２端と第２変換スイッチＳＣ２のドレインとの接続点には、２次側コイル７２の第２端と、第４リアクトル８７の第１端とが接続されている。第３リアクトル８６及び第４リアクトル８７それぞれの第２端には、電力変換装置４０の高圧第３端子ＴＨ３が接続されている。高圧第３端子ＴＨ３には、第２高圧蓄電池３１の正極端子が接続され、第２高圧蓄電池３１の負極端子には、高圧第４端子ＴＨ４が接続されている。なお、高圧第２端子ＴＨ２と高圧第４端子ＴＨ４とは共通化されて１つの端子にされていてもよい。
電力変換装置４０は、第２高電圧センサ９３を備えている。第２高電圧センサ９３は、第２高圧蓄電池３１の端子間電圧（高圧第３端子ＴＨ３及び高圧第４端子ＴＨ４間の電位差）である第４電圧Ｖｄｃ４を検出する。検出された第４電圧Ｖｄｃ４は、電力変換装置４０が備える制御装置１００に入力される。
制御装置１００は、第１～第４変換スイッチＳＣ１～ＳＣ４をオンオフ操作する。ちなみに、本実施形態において、第２，第３変換スイッチＳＣ２，ＳＣ３の操作態様は、第１実施形態の第８，第５スイッチＱ８，Ｑ５の操作態様と同じにすればよい。また、第１，第４変換スイッチＳＣ１，ＳＣ４の操作態様は、第１実施形態の第７，第６スイッチＱ７，Ｑ６の操作態様と同じにすればよい。また、制御装置１００は、中圧蓄電池１０と第２高圧蓄電池３１との間で電力を伝達する場合、第１電圧Ｖｄｃ１及び第４電圧Ｖｄｃ４に基づいて位相差φを設定すればよい。この場合の位相差φは、第２スイッチＱ２のオン操作への切り替えタイミングと、第２，第２変換スイッチＳＣ２，ＳＣ３のオン操作への切り替えタイミングとの差である。
＜第６実施形態＞
以下、第６実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１２に示すように、電力変換装置４０の構成を変更している。図１２において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
電力変換装置４０は、第１の１次側コイル５５及び第２の１次側コイル５６を備えている。第１の１次側コイル５５の第１端には、第３スイッチＱ３のソースと第４スイッチＱ４のドレインとの接続点が接続されている。第２の１次側コイル５６の第１端には、コンデンサ６１の第２端と第２スイッチＱ２のドレインとの接続点が接続されている。各１次側コイル５５，５６の第２端には、低圧第１端子ＴＬ１が接続されている。
電力変換装置４０は、第１の２次側コイル５７及び第２の２次側コイル５８を備えている。第２変換回路８０は、変換コンデンサ８８、第１変換スイッチＳＤ１及び第２変換スイッチＳＤ２を備えている。本実施形態において、各変換スイッチＳＤ１，ＳＤ２は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
第１の２次側コイル５７の第１端には、変換コンデンサ８８の第１端が接続されている。変換コンデンサ８８の第２端には、第１変換スイッチＳＤ１のソースと第２変換スイッチＳＤ２のドレインとの接続点が接続されている。第１変換スイッチＳＤ１のドレインには、高圧第１端子ＴＨ１が接続され、第２変換スイッチＳＤ２のソースには、高圧第２端子ＴＨ２が接続されている。第１の２次側コイル５７の第２端には、第２の２次側コイル５８の第１端が接続されている。第２の２次側コイル５８の第２端には、高圧第２端子ＴＨ２が接続されている。
第１の１次側コイル５５と第１の２次側コイル５７とは磁気結合している。また、第２の１次側コイル５６と第２の２次側コイル５８とは磁気結合している。本実施形態では、第１の１次側コイル５５において第２端から第１端へと向かう方向に電流が流れる場合、第１の２次側コイル５７において第１端側の極性が正とされ、第２端側の極性が負とされる。また、第２の１次側コイル５６において第２端から第１端へと向かう方向に電流が流れる場合、第２の２次側コイル５８において第２端側の極性が正とされ、第１端側の極性が負とされる。なお、各１次側コイル５５，５６及び各２次側コイル５７，５８は、一体化されていてもよい。
ちなみに、本実施形態において、第１変換スイッチＳＤ１の操作態様は、第１実施形態の第５，第８スイッチＱ５，Ｑ８の操作態様と同じにすればよい。また、第２変換スイッチＳＤ２の操作態様は、第１実施形態の第６，第７スイッチＱ６，Ｑ７の操作態様と同じにすればよい。
以上説明した本実施形態によれば、リアクトルとトランスとを共通化することができる。このため、電力変換装置４０の部品数を低減することができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・第１～第４装置としては、２次電池等の蓄電池に限らず、例えば大容量のコンデンサであってもよい。
・中圧第１端子ＴＭ１及び中圧第２端子ＴＭ２、並びに高圧第１端子ＴＨ１及び高圧第２端子ＴＨ２に接続される構成としては、蓄電池等の蓄電装置に限らず、エアコン装置や、電動パワーステアリング装置、ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）等の電気機器であってもよい。
１０…中圧蓄電池、２０…低圧蓄電池、３０…高圧蓄電池、４０…電力変換装置、５１，５２…第１，第２リアクトル、６１…コンデンサ、７０…トランス、７１…１次側コイル、７２…２次側コイル、８０…第２変換回路、１００…制御装置、Ｑ１～Ｑ８…第１～第８スイッチ。

Claims (6)

  1. 第１装置（１０）と、蓄電装置である第２装置（２０）と、第３装置（３０）との間で電力伝達を行う電力変換装置（４０）において、
    前記第１装置の端子間電圧は、前記第２装置の端子間電圧よりも高くて、かつ、前記第３装置の端子間電圧よりも低くされており、
    前記第１装置の正極側に第１端が接続された第１スイッチ（Ｑ１）と、
    前記第１スイッチの第２端に第１端が接続されたコンデンサ（６１）と、
    前記コンデンサの第２端に第１端が接続され、前記第２装置の負極側に第２端が接続された第２スイッチ（Ｑ２）と、
    前記第１スイッチの第２端に第１端が接続された第３スイッチ（Ｑ３）と、
    前記第３スイッチの第２端に第１端が接続され、前記第２装置の負極側に第２端が接続された第４スイッチ（Ｑ４）と、
    前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第１リアクトル（５１，５３）と、
    前記コンデンサと前記第２スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第２リアクトル（５２，５４）と、
    前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記コンデンサと前記第２スイッチとの接続点に第２端が接続された１次側コイル（７１）、及び該１次側コイルと磁気結合する２次側コイル（７２）を有するトランス（７０）と、
    前記２次側コイル及び前記第３装置の間に接続されるとともに変換スイッチ（Ｑ５～Ｑ８，ＳＡ１，ＳＡ２，ＳＢ１，ＳＢ２，ＳＣ１～ＳＣ４）を有し、前記２次側コイル及び前記第３装置の間の電力伝達を行う変換回路（８０）と、
    前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させ、かつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させる制御装置（１００）と、を備える電力変換装置。
  2. 第１装置（１０）と、蓄電装置である第２装置（２０）と、第３装置（３０）との間で電力伝達を行う電力変換装置（４０）において、
    前記第１装置の端子間電圧は、前記第２装置の端子間電圧よりも高くて、かつ、前記第３装置の端子間電圧よりも低くされており、
    前記第１装置の正極側に第１端が接続された第１スイッチ（Ｑ１）と、
    前記第１スイッチの第２端に第１端が接続されたコンデンサ（６１）と、
    前記コンデンサの第２端に第１端が接続され、前記第２装置の負極側に第２端が接続された第２スイッチ（Ｑ２）と、
    前記第１スイッチの第２端に第１端が接続された第３スイッチ（Ｑ３）と、
    前記第３スイッチの第２端に第１端が接続され、前記第２装置の負極側に第２端が接続された第４スイッチ（Ｑ４）と、
    前記第３スイッチと前記第４スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第１の１次側コイル（５５）と、
    前記コンデンサと前記第２スイッチとの接続点に第１端が接続され、前記第２装置の正極側に第２端が接続された第２の１次側コイル（５６）と、
    前記第１の１次側コイルと磁気結合する第１の２次側コイル（５７）と、
    前記第２の１次側コイルと磁気結合し、前記第１の２次側コイルと直列接続された第２の２次側コイル（５８）と、
    前記各２次側コイル及び前記第３装置の間に接続されるとともに変換スイッチ（ＳＤ１，ＳＤ２）を有し、前記各２次側コイル及び前記第３装置の間の電力伝達を行う変換回路（８０）と、
    前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させ、かつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを交互にオン操作しつつ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチのうち一方のオン操作期間と他方のオフ操作期間とを同期させる制御装置（１００）と、を備える電力変換装置。
  3. 前記１次側コイルの巻き数をＮ１とし、前記２次側コイルの巻き数をＮ２とし、前記第１装置の端子間電圧をＶ１とし、前記第３装置の端子間電圧をＶ３とする場合、Ｎ１：Ｎ２＝０．５×Ｖ１：Ｖ３に設定されている請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記第１装置の端子間電圧は、前記第２装置の端子間電圧の４倍であり、
    前記制御装置は、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチそれぞれをオンオフ操作する場合のデューティ比を５０％に設定する請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御装置は、前記第２スイッチのオン操作への切り替えタイミングと、前記変換スイッチのオン操作への切り替えタイミングとの差を調整することにより、前記第１装置と前記第３装置との間を伝達される電力を調整する請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御装置は、前記第１スイッチ、前記第２スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチそれぞれのデューティ比を調整することにより、前記第１装置と前記第２装置との間を伝達される電力を調整する請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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