JP7320781B2 - power conversion system - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換システムに関する。 The present invention relates to power conversion systems.
従来、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成された複数のバッテリとの間で電力授受可能な電力変換システムが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a power conversion system capable of exchanging power with a plurality of batteries that are configured to switch between series connection and parallel connection is known.
例えば特許文献1に開示された産業機械用電池システムは、高電圧下における急速充電が可能で且つ低電圧系のコンポーネントを使用可能とすることを目的とするものである。このシステムは、電池ユニットと充電入力部又は電力負荷との接続状態を択一的に切り替えるための充放電切り替え手段、及び、複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列または直列に択一的に切り替えるための並列/直列切り替え手段等を備える。
For example, a battery system for industrial machinery disclosed in
このシステムの放電制御フローでは、複数の電池ユニットを並列に接続した状態で、複数の電池ユニットから電力負荷への放電を行う。また充電制御フローでは、複数の電池ユニットを直列に接続した状態で、急速充電器から充電入力部を介して複数の電池ユニットに充電を行う。充電完了後、複数の電池ユニット間の電圧差が閾値以上である場合、電圧差をなくすための電池ユニット間バランス処理が行われる。 In the discharge control flow of this system, a plurality of battery units are connected in parallel and discharged to a power load. In the charging control flow, the plurality of battery units are charged from the quick charger through the charging input section while the plurality of battery units are connected in series. After charging is completed, if the voltage difference between the plurality of battery units is equal to or greater than the threshold, the battery unit balancing process is performed to eliminate the voltage difference.
特許文献1の電池ユニット間バランス処理では、抵抗が設けられた経路を介して二つの電池ユニット間に電流を流すため、抵抗による損失が発生する。また、抵抗により電流が抑えられるためバランス化に時間を要する。なお、特許文献1のシステムでは、電池ユニット間バランス処理の完了後、待機状態としており、バランス化に要する時間は問題にしていないものと推定される。
In the inter-battery unit balancing process of
以下、本明細書で「バッテリ」とは、特許文献1の「電池ユニット」と同様に、一つ以上の蓄電セルを含むバッテリモジュールを意味する。「複数のバッテリ」とは、複数の蓄電セルでなく、複数のバッテリモジュールを意味する。特許文献1の技術を電気自動車やプラグインハイブリッド自動車の外部充電に適用する場合、直列での充電完了後、リレー等の切り替え手段を操作して複数のバッテリを並列接続に切り替え、負荷である主機モータに放電して走行する状況が想定される。仮に、複数のバッテリ間の電圧差が大きいままで並列接続に切り替えると、突入電流によりリレー等の寿命が低下するおそれがある。
Hereinafter, the term "battery" in this specification means a battery module including one or more storage cells, like the "battery unit" of
そこで、リレー等の信頼性や寿命を向上させるため、並列接続への切り替え前に、複数のバッテリの電圧差を所定値以下とするように均等化する処理を行うことが考えられる。以下、本明細書において「バッテリ電圧を均等化する」とは、バッテリ電圧を厳密に一致させることでなく、複数のバッテリの電圧差を、突入電流等の影響が問題とならない程度の所定値以下にまで低減することを意味する。さらに、バッテリ電圧の均等化にあたり、効率の向上を図ることが求められる。 Therefore, in order to improve the reliability and life of relays and the like, it is conceivable to perform a process of equalizing the voltage differences of a plurality of batteries to a predetermined value or less before switching to parallel connection. Hereinafter, in this specification, "equalizing the battery voltages" does not mean that the battery voltages are strictly matched, but that the voltage difference between the plurality of batteries is equal to or less than a predetermined value at which the influence of inrush current or the like does not pose a problem. means to reduce to Furthermore, in equalizing the battery voltage, it is required to improve the efficiency.
本発明は、上述の課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、複数のバッテリの直列接続から並列接続への切り替えに際し、複数のバッテリの電圧を均等化する電力変換システムを提供することにある。 The present invention was created in view of the above problems, and its object is to provide a power conversion system that equalizes the voltages of a plurality of batteries when switching from series connection to parallel connection of a plurality of batteries. That's what it is.
本発明は、電力を出力可能な外部電源(150)と、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成された複数のバッテリ(BT1、BT2)との間に設けられ、外部電源と複数のバッテリとの間で双方向に電力授受可能な電力変換システムである。この電力変換システムは、マルチポート絶縁型コンバータ(300、301、302)と、複数の調整コンバータ(61-64)と、駆動回路(75)と、を備える。 The present invention is provided between an external power supply (150) capable of outputting electric power and a plurality of batteries (BT1, BT2) configured to be capable of switching between series connection and parallel connection. It is a power conversion system that can bi-directionally exchange power between The power conversion system comprises a multi-port isolated converter (300, 301, 302), a plurality of regulated converters (61-64) and a drive circuit (75).
マルチポート絶縁型コンバータは、外部電源に対して一台が接続され、又は、複数のバッテリに対応する複数台が並列接続される。マルチポート絶縁型コンバータは、一台当たりに、トランス(200、201、202)、一つの一次側スイッチング回路(31、32)、及び、複数の二次側スイッチング回路(41-44)を有する。 One multi-port isolated converter is connected to an external power supply, or a plurality of multi-port isolated converters corresponding to a plurality of batteries are connected in parallel. Each multiport isolation converter has transformers (200, 201, 202), one primary side switching circuit (31, 32), and a plurality of secondary side switching circuits (41-44).
トランスは、外部電源側の一次ポート(P11、P12)に接続される一つの一次巻線(211、212)及びバッテリ側の複数の二次ポート(P21-P24)に接続される複数の二次巻線(221-224)を有する。一次側スイッチング回路は、一次ポートと一次巻線との間に設けられている。複数の二次側スイッチング回路は、複数の二次ポートと複数の二次巻線との間に設けられている。 The transformer has one primary winding (211, 212) connected to primary ports (P11, P12) on the external power supply side and a plurality of secondary windings (211, 212) connected to a plurality of secondary ports (P21-P24) on the battery side. It has windings (221-224). A primary side switching circuit is provided between the primary port and the primary winding. A plurality of secondary side switching circuits are provided between the plurality of secondary ports and the plurality of secondary windings.
調整コンバータは、各バッテリに対応する複数の二次ポートのうちの一部である調整側ポートとバッテリとの間に接続され、バッテリ側の電圧を調整可能である。駆動回路は、マルチポート絶縁型コンバータ及び調整コンバータを駆動し、且つ、調整コンバータの動作を制御してバッテリ側の電圧を調整する。複数のバッテリを並列接続に切り替える前に、駆動回路は、複数のバッテリの電圧差が所定値以下となるように、マルチポート絶縁型コンバータ及び調整コンバータを駆動して電力授受を行う。 A regulating converter is connected between a regulating port, which is a portion of the plurality of secondary ports corresponding to each battery, and the battery, and is capable of regulating the voltage on the battery side. A drive circuit drives the multi-port isolated converter and the regulated converter and controls the operation of the regulated converter to regulate the voltage on the battery side. Before switching the plurality of batteries to parallel connection, the drive circuit drives the multiport isolation converter and the adjustment converter to transfer power so that the voltage difference between the plurality of batteries is equal to or less than a predetermined value.
本発明の電力変換システムは、複数のバッテリを並列接続に切り替える前に、マルチポート絶縁型コンバータ及び調整コンバータを駆動して複数のバッテリ間で電力授受を行い、複数のバッテリ電圧を均等化する。これにより、並列接続への切り替え時における突入電流等を抑制し、リレー等の信頼性や寿命を向上させることができる。また、マルチポート絶縁型コンバータは、各バッテリに対応する複数の二次ポートのうちの一部が調整側ポートであり、調整側ポート以外に非調整側ポートが設けられる。そのため、バッテリ最大電圧に対し非調整側ポートが分担する分だけ、調整コンバータによる出力調整範囲を狭くすることができる。したがって、調整コンバータのスイッチング素子の耐圧レベルを下げることができる。 The power conversion system of the present invention drives the multiport isolated converter and the regulating converter to transfer power between the batteries and equalize the voltages of the batteries before switching the batteries to parallel connection. As a result, it is possible to suppress the rush current or the like at the time of switching to the parallel connection, and improve the reliability and life of the relay and the like. Further, in the multi-port isolated converter, some of the plurality of secondary ports corresponding to each battery are adjustment ports, and non-adjustment ports are provided in addition to the adjustment ports. Therefore, the range of output adjustment by the adjustment converter can be narrowed by the amount shared by the non-adjustment side port with respect to the maximum battery voltage. Therefore, the withstand voltage level of the switching element of the adjustment converter can be lowered.
さらに、二次ポートとバッテリとの間に調整コンバータを備えない電力変換システムでは、駆動回路は、マルチポート絶縁型コンバータのDuty比を可変に制御することで、複数のバッテリの電圧を均等化するように出力電圧を調整する必要がある。そのため、動作させるDuty比の領域によっては効率が低下する場合がある。それに対し本発明では、バッテリの電圧変化に応じて調整コンバータの出力電圧を調整することで、マルチポート絶縁型コンバータのDuty比を高効率領域の値に固定して非制御で駆動することができる。 Furthermore, in a power conversion system that does not have a regulating converter between the secondary port and the battery, the drive circuit variably controls the duty ratio of the multiport isolated converter to equalize the voltages of multiple batteries. You need to adjust the output voltage so that Therefore, the efficiency may decrease depending on the range of duty ratios to be operated. On the other hand, in the present invention, by adjusting the output voltage of the adjustment converter according to the voltage change of the battery, the duty ratio of the multi-port isolated converter can be fixed to a value in the high efficiency region and can be driven without control. .
以下、電力変換システムの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。第1~第7実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態の電力変換システムは、電力を出力可能な外部電源と、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成された複数のバッテリとの間に設けられ、外部電源と複数のバッテリとの間で双方向に電力授受可能なシステムである。本実施形態では、「複数のバッテリ」として二つのバッテリBT1、BT2を備える全体システムに適用される例について説明する。 A plurality of embodiments of the power conversion system will be described below with reference to the drawings. The same reference numerals are assigned to substantially the same configurations in multiple embodiments, and the description thereof is omitted. The first to seventh embodiments are collectively referred to as "this embodiment". The power conversion system of the present embodiment is provided between an external power supply capable of outputting electric power and a plurality of batteries configured to switch between series connection and parallel connection, and between the external power supply and the plurality of batteries It is a system that can transmit and receive power bi-directionally. In the present embodiment, an example applied to an overall system including two batteries BT1 and BT2 as "a plurality of batteries" will be described.
[全体システム構成及び背景]
最初に図1~図4を参照し、各実施形態の電力変換システムが搭載される車両の全体システム構成、及び本実施形態の背景について説明する。図1には、充電スタンド等の給電設備に停車した車両の充電口14に外部充電器10から給電ケーブル13が接続された状態を示す。本明細書での「車両」は、電気自動車やプラグインハイブリッド車の意味であり、バッテリを動力源とする「移動体」の一例である。車両の内部には、二つのバッテリBT1、BT2、直並列切り替えリレーRY1-RY3、その他の経路開閉リレーRY4-RY7、及び、電力変換システム70等が設けられる。
[Overall system configuration and background]
First, with reference to FIGS. 1 to 4, the overall system configuration of a vehicle equipped with the power conversion system of each embodiment and the background of this embodiment will be described. FIG. 1 shows a state in which a
第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2は、リチウムイオン電池等の充放電可能な、例えば400Vの高圧バッテリモジュールであり、車両の動力源である主機バッテリとして機能する。以下、「バッテリモジュール」を省略して「バッテリ」という。なお、第3実施形態に用いられる補機バッテリBTaは、主機バッテリとは異なる低圧バッテリである。バッテリBT1、BT2は、充電口14と負荷80との間に設けられる。負荷80には、電気自動車やプラグインハイブリッド車で一般に用いられるインバータ、モータ、DC/DCコンバータ、エアコン等が含まれる。
The first battery BT1 and the second battery BT2 are chargeable/dischargeable high voltage battery modules, such as lithium ion batteries, of, for example, 400 V, and function as main batteries that are power sources of the vehicle. Hereinafter, "battery module" will be abbreviated as "battery". The auxiliary battery BTa used in the third embodiment is a low-voltage battery different from the main battery. Batteries BT1 and BT2 are provided between charging
直並列切り替えリレーのうち第1リレーRY1は、第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2の正極同士の間に設けられる。第2リレーRY2は、第1バッテリBT1の負極と第2バッテリBT2の正極との間に設けられる。第3リレーRY3は、第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2の負極同士の間に設けられる。 Among the series-parallel switching relays, the first relay RY1 is provided between the positive electrodes of the first battery BT1 and the second battery BT2. The second relay RY2 is provided between the negative electrode of the first battery BT1 and the positive electrode of the second battery BT2. The third relay RY3 is provided between the negative electrodes of the first battery BT1 and the second battery BT2.
その他の負荷リレーRY4及びRY5は、それぞれ第2バッテリBT2の正極及び負極と負荷80との間の経路を開閉する。充電口リレーRY6は、第1バッテリBT1の正極と充電口14の正極端子141との間の経路を開閉する。充電口リレーRY7は、第2バッテリBT2の負極と充電口14の負極端子142との間の経路を開閉する。
Other load relays RY4 and RY5 open and close paths between the positive and negative electrodes of the second battery BT2 and the
ここで、二つのバッテリBT1、BT2の接続状態を直列及び並列に切り替えることの意義について説明する。図2に、車両バッテリ用の充電インフラと負荷駆動電圧との関係を示す。バッテリの電圧は標準的に400V級であると仮定する。また、充電スタンド等の充電インフラには400V級対応及び800V級対応の2種類が存在し、使用される負荷も400V級で駆動されるものと800V級で駆動されるものの2種類が存在すると仮定する。400V級で負荷を駆動する車両のバッテリに400V級の充電インフラで充電する場合や、800V級で負荷を駆動する車両のバッテリに800V級の充電インフラで充電する場合、何ら問題は無い。 Here, the significance of switching the connection state of the two batteries BT1 and BT2 between series and parallel will be described. FIG. 2 shows the relationship between the charging infrastructure for a vehicle battery and the load driving voltage. Assume that the battery voltage is typically in the 400V class. In addition, it is assumed that there are two types of charging infrastructure such as charging stations, one compatible with the 400V class and the other compatible with the 800V class, and there are two types of loads used, one driven by the 400V class and the other driven by the 800V class. do. There is no problem in charging a battery of a vehicle driving a 400V class load with a 400V class charging infrastructure, or charging a battery of a vehicle driving a 800V class load with an 800V class charging infrastructure.
一方、負荷駆動電圧とは異なる電圧の充電インフラで車両バッテリを充電する場合を考える。すると、400V級の負荷を駆動するバッテリを充電時に二つ直列接続すれば、800V級の充電インフラで充電可能である。そして、負荷駆動時すなわち放電時には並列接続に切り替えて400V級で使用することができる。逆に、並列接続状態で400V級の充電インフラで充電したバッテリを、負荷駆動時に二直列接続に切り替えれば、800V級で使用することができる。このように複数のバッテリの接続状態を直列及び並列に切り替え可能とすることで、多くの充電インフラに対応可能となる。 On the other hand, consider the case where the vehicle battery is charged by a charging infrastructure with a voltage different from the load driving voltage. Then, if two batteries for driving a 400V class load are connected in series during charging, charging can be performed with an 800V class charging infrastructure. When driving a load, that is, when discharging, it can be switched to parallel connection and used in the 400V class. Conversely, if the batteries charged by the 400V class charging infrastructure in the parallel connection state are switched to the dual series connection when driving the load, they can be used in the 800V class. By making it possible to switch the connection state of a plurality of batteries between series and parallel in this way, it is possible to support many charging infrastructures.
具体的には、電動自動車やプラグインハイブリッド車の主機モータや補機等の車両機器及び充電インフラは、充電時間短縮等のため、現状の400V級から将来は800V級に移行すると予想される。すると、特に移行の過渡期には車両仕様と充電インフラの仕様とがマッチングしない状況が生じ得る。そこで、充電時と負荷駆動時(主機モータの駆動の場合には走行時)とで、バッテリの直並列を切り替え可能とすることが求められる。そのために直並列切り替えリレーが必要となる。 Specifically, vehicle equipment such as main motors and auxiliary equipment of electric vehicles and plug-in hybrid vehicles and charging infrastructure are expected to shift from the current 400V class to the 800V class in the future in order to shorten the charging time. Then, especially in the transitional period, a situation may arise in which vehicle specifications and charging infrastructure specifications do not match. Therefore, it is required to be able to switch the series/parallel connection of the battery between when charging and when driving the load (during running in the case of driving the main motor). Therefore, a series-parallel switching relay is required.
このような背景から、800V級の外部充電器10を用いる場合、第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2を二直列に接続した状態で直列充電が行われる。一方、400V級の外部充電器10を用いる場合、第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2を二並列に接続した状態で並列充電が行われる。
Against this background, when using the 800V class
以下のリレー開閉パターンの説明で、RY1-RY7のうちの「あるリレーがON」という場合、「それ以外のリレーはOFF」であるものとする。二直列充電時には、第2リレーRY2、及び充電口リレーRY6、RY7がONされる。二並列充電時には、第1リレーRY1、第3リレーRY3、及び充電口リレーRY6、RY7がONされる。並列接続されたバッテリBT1、BT2から負荷80に400Vの電力を供給する二並列放電時には、第1リレーRY1、第3リレーRY3、及び負荷リレーRY4、RY5がONされる。図1に短破線矢印で示すように、各リレーRY1-RY7の開閉はリレー操作部77により操作される。
In the following description of the relay opening/closing pattern, when "a certain relay among RY1 to RY7 is ON", it is assumed that "the other relays are OFF". During two-series charging, the second relay RY2 and charging port relays RY6 and RY7 are turned on. During two-parallel charging, the first relay RY1, the third relay RY3, and the charging port relays RY6 and RY7 are turned on. At the time of two parallel discharges in which 400V power is supplied from the parallel-connected batteries BT1 and BT2 to the
ところで、図3に示すように、直列接続から並列接続への切り替えに際し、内部抵抗等のばらつきに起因して、第1バッテリBT1と第2バッテリBT2との間に電圧差が生じている状況を想定する。第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2を直列接続したときの電圧を100%としたとき、例えば第1バッテリBT1の電圧が52%、第2バッテリBT2の電圧が48%であると仮定する。なお、太線の矢印は細線の矢印よりも電圧が高いことを意味する。そして、外部充電器時での直列充電後にリレーをONし並列接続に切り替えたとき、第1バッテリBT1と第2バッテリBT2との間の電圧差による突入電流が流れ、リレー接点にアークが発生する。 By the way, as shown in FIG. 3, when switching from series connection to parallel connection, it is assumed that a voltage difference occurs between the first battery BT1 and the second battery BT2 due to variations in internal resistance and the like. Suppose. Assume that the voltage of the first battery BT1 and the second battery BT2 is 100% when the first battery BT1 and the second battery BT2 are connected in series, for example, the voltage of the first battery BT1 is 52% and the voltage of the second battery BT2 is 48%. It should be noted that the thick line arrow means that the voltage is higher than the thin line arrow. Then, when the relay is turned on to switch to parallel connection after series charging with an external charger, an inrush current flows due to the voltage difference between the first battery BT1 and the second battery BT2, and an arc is generated at the relay contact. .
特許文献1(特許第5611400号公報)に開示された従来技術では、抵抗が設けられた経路を介して二つの電池ユニット間に電流を流すため、抵抗による損失が発生する。また、抵抗により電流が抑えられるためバランス化に時間を要するという問題がある。したがって、損失の発生や接点の寿命低下を回避しつつ、二つのバッテリBT1、BT2の電圧を短時間で均等化することが求められる。本明細書において「バッテリ電圧を均等化する」とは、バッテリBT1、BT2の電圧差を、突入電流等の影響が問題とならない程度の所定値以下にまで低減することを意味する。 In the prior art disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 5611400), a current flows between two battery units through a path provided with a resistor, so loss due to resistance occurs. In addition, there is a problem that it takes time to achieve balance because the current is suppressed by the resistor. Therefore, it is required to equalize the voltages of the two batteries BT1 and BT2 in a short period of time while avoiding loss and shortening of contact life. In this specification, "equalizing the battery voltages" means reducing the voltage difference between the batteries BT1 and BT2 to a predetermined value or less at which the influence of inrush current or the like does not pose a problem.
そこで、第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2を電力変換システム70に接続する構成を想定する。電力変換システム70は、電力を出力可能な外部電源150と、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成されたバッテリBT1、BT2との間で双方向に電力授受可能である。外部電源150は、例えばAC電源15の交流電力がAC/DC変換回路19により変換され、直流電力を出力する。電力変換システム70は、車載充電器用等DC/DCコンバータが兼用されてもよい。
Therefore, a configuration in which the first battery BT1 and the second battery BT2 are connected to the
電力変換システム70は、第1バッテリBT1のバッテリ電圧Vb1及び第2バッテリBT2のバッテリ電圧Vb2をそれぞれ検出し、バッテリBT1、BT2の電圧差が所定値以下であるか監視する。そして、バッテリBT1、BT2を並列接続する前に、電圧差が所定値を超えている場合、電力変換システム70は、バッテリBT1、BT2の間で電力を授受させる。つまり電力変換システム70は、各バッテリBT1、BT2の電圧Vb1、Vb2を降下又は上昇させることによってバッテリBT1、BT2の電圧差を所定値以下にする。
The
そして、電圧差が所定値以下となっている状態でリレー操作部77が並列接続用の第1リレーRY1及び第3リレーRY3をONする。このようにして過大な突入電流を生じることなく並列接続用の第1リレーRY1及び第3リレーRY3の接点をONすることで、アークの発生を防止し、リレーの信頼性や寿命を向上させることができる。
Then, when the voltage difference is equal to or less than a predetermined value, the
[電力変換システムの実施形態]
次に、電力変換システム70の具体的な構成について実施形態毎に説明する。各実施形態の電力変換システムの符号は、「70」に続く3桁目に実施形態の番号を付す。各実施形態の説明に移る前に、図4を参照し、比較例の電力変換システム709について説明する。比較例の電力変換システム709において、図5に示す第1実施形態の電力変換システム701と実質的に同一の構成には同一の符号を付し、後述の説明を援用する。なお、比較例は、特開2019-80473号公報の図11に開示された構成に相当する。
[Embodiment of power conversion system]
Next, a specific configuration of the
(比較例)
比較例の電力変換システム709においてマルチポート絶縁型コンバータ309を構成するトランス209は、一次ポートP11に接続される一つの一次巻線211、及び、二つの二次ポートP21、P23に接続される二つの二次巻線221、223がコア239に巻回される。一次ポートP11と一次巻線211との間には一次側スイッチング回路31が設けられる。二つの二次ポートP21、P23と二つの二次巻線221、223との間には、それぞれ二次側スイッチング回路41、43が設けられる。スイッチング回路31、41、43は、巻線211、221、223に流れる電流の向きを周期的に交替させる。二次ポートP21は第1バッテリBT1に接続され、二次ポートP23は第2バッテリBT2に接続される。
(Comparative example)
The
リレー操作部77が二つのバッテリBT1、BT2を並列接続に切り替える前に、駆動回路75は、マルチポート絶縁型コンバータ309を駆動し、バッテリBT1、BT2間で電力授受を行う。すなわち、図4に太線矢印で示すように、一方の二次側スイッチング回路41から他方の二次側スイッチング回路43を通る経路で、バッテリBT1、BT2間の電力が還流される。
Before the
このとき、駆動回路75は、バッテリBT1、BT2の電圧変化に応じて、スイッチング回路31、41、43のDuty比を可変に制御する。なお、Duty比は、各スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のON/OFF時間の比を規定する値である。本明細書では、「スイッチング周期に対する上アームスイッチング素子のON時間の比率」をDuty比と定義する。
At this time, the
ところで、マルチポート絶縁型コンバータ309の効率は、スイッチング回路31、41、43のDuty比に依存する。基本的にDuty比が0.5付近のとき効率は最大であり、0.5から離れると効率は低下する。そのため、Duty比を可変に制御する構成では、動作させるDuty比の領域によっては効率が低下する場合がある。したがって、本実施形態でバッテリBT1、BT2の電圧を均等化するにあたり、さらに効率の向上を図ることが求められる。
By the way, the efficiency of the
(第1実施形態)
図5~図10を参照し、第1実施形態の電力変換システム701について説明する。図5に模式的に示すように、電力変換システム701は、電力を出力可能な外部電源150と二つのバッテリBT1、BT2との間に設けられる。第1バッテリBT1及び第2バッテリBT2は、直並列切り替えリレーRY1-RY3により直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成されている。詳しくは図6に示すように、直列接続時には、第2リレーRY2がON、第1リレーRY1及び第3リレーRY3がOFFされる。並列接続時には、第1リレーRY1及び第3リレーRY3がON、第2リレーRY2がOFFされる。
(First embodiment)
A
電力変換システム701及びバッテリBT1、BT2は、車両等の「移動体」に搭載され、バッテリBT1、BT2は移動体の動力源として用いられる。外部電源150は、少なくとも電源自体が移動体の外部にあるものとして想定される。ただし、外部電源150のうち電源の電力を変換する回路の一部が移動体の内部に設けられてもよい。
The
電力変換システム701は、マルチポート絶縁型コンバータ300、各バッテリBT1、BT2に対応する二つのバッテリ充放電回路601、602、並びに駆動回路75を備える。なお、図5において、第2バッテリ充放電回路602には「バッテリ充放電回路」の名称の記載を省略する。第2~第4実施形態の各図においても同様とする。
The
第1バッテリBT1には、直列接続された二つのバッテリ側コンデンサCb1、Cb2が並列接続されている。高電位側のバッテリ側コンデンサCb1は、マルチポート絶縁型コンバータ300の二次ポートP21に直接接続される。低電位側のバッテリ側コンデンサCb2は、調整コンバータ62を介してマルチポート絶縁型コンバータ300の二次ポートP22に接続される。第1バッテリ充放電回路601は、これらの高電位側及び低電位側の回路により構成される。
Two series-connected battery-side capacitors Cb1 and Cb2 are connected in parallel to the first battery BT1. High-potential-side battery-side capacitor Cb1 is directly connected to secondary port P21 of multi-port
同様に第2バッテリBT2には、直列接続された二つのバッテリ側コンデンサCb3、Cb4が並列接続されている。高電位側のバッテリ側コンデンサCb3は、マルチポート絶縁型コンバータ300の二次ポートP23に直接接続される。低電位側のバッテリ側コンデンサCb4は、調整コンバータ64を介してマルチポート絶縁型コンバータ300の二次ポートP24に接続される。第2バッテリ充放電回路602は、これらの高電位側及び低電位側の回路により構成される。
Similarly, two series-connected battery-side capacitors Cb3 and Cb4 are connected in parallel to the second battery BT2. High-potential-side battery-side capacitor Cb3 is directly connected to secondary port P23 of multi-port
ここで、バッテリ充放電回路601、602の高電位側の回路において「直接接続される」とは、「調整コンバータを介さないで接続される」ことを意味しており、経路途中にリレーや抵抗等の素子が設けられることを排除するものではない。要するに、バッテリ充放電回路601、602の低電位側の回路は調整コンバータ62、64によってバッテリ側の電圧を調整する調整回路であるのに対し、高電位側の回路はバッテリ側の電圧を調整しない「非調整回路」である。
Here, "directly connected" in the high-potential side circuits of the battery charging/discharging
また、第1実施形態では低電位側に調整コンバータ62、64が設けられるが、後述する第4実施形態のように、高電位側に調整コンバータ61、63が設けられてもよい。ただし、低電位側(すなわちグランド側)の方がノイズの影響を受けにくく、有利なため、第4実施形態以外では低電位側に調整コンバータ62、64を設ける構成を基本とする。調整コンバータ62、64の具体的な構成及び作用効果については後述する。
Further, in the first embodiment,
第1実施形態では、二つのバッテリBT1、BT2に共通して対応する一台のマルチポート絶縁型コンバータ300が外部電源150に接続される。マルチポート絶縁型コンバータ300は、外部電源150側に一つ、バッテリBT1、BT2側に四つ、計五つの入出力ポートを有する。
In the first embodiment, one multiport isolated
マルチポート絶縁型コンバータ300を構成するトランス200は、一次ポートP11に接続される一つの一次巻線211、及び、四つの二次ポートP21、P22、P23、P24に接続される四つの二次巻線221、222、223、224がコア230に巻回される。一次ポートP11と一次巻線211との間には一次側スイッチング回路31が設けられる。四つの二次ポートP21、P22、P23、P24と四つの二次巻線221、222、223、224との間には、それぞれ二次側スイッチング回路41、42、43、44が設けられる。スイッチング回路31、41、42、43、44は、巻線211、221、222、223、224に流れる電流の向きを周期的に交替させる。
第1バッテリBT1に対応する二つの二次ポートP21、P22のうちの一部の二次ポートP22が「調整側ポート」に相当し、調整側ポートP22以外の二次ポートP21が「非調整側ポート」に相当する。第2バッテリBT2に対応する二つの二次ポートP23、P24のうちの一部の二次ポートP24が「調整側ポート」に相当し、調整側ポートP24以外の二次ポートP23が「非調整側ポート」に相当する。 A part of the secondary ports P21 and P22 of the two secondary ports P21 and P22 corresponding to the first battery BT1 corresponds to the "adjustment side port", and the secondary port P21 other than the adjustment side port P22 corresponds to the "non-adjustment side port". Equivalent to "Port". A part of the secondary ports P24 of the two secondary ports P23 and P24 corresponding to the second battery BT2 corresponds to the "adjustment side port", and the secondary port P23 other than the adjustment side port P24 corresponds to the "non-adjustment side port". Equivalent to "Port".
駆動回路75は、マルチポート絶縁型コンバータ300及び調整コンバータ62、64を駆動し、且つ、調整コンバータ62、64の動作を制御してバッテリBT1、BT2側の電圧を調整する。詳しくは、リレー操作部77が二つのバッテリBT1、BT2を並列接続に切り替える前に、駆動回路75は、バッテリ電圧Vb1、Vb2の差が所定値以内となるように、マルチポート絶縁型コンバータ300及び調整コンバータ62、64を駆動して電力授受を行う。
Drive
本実施形態では、駆動回路75によるマルチポート絶縁型コンバータ300の駆動において、一次側スイッチング回路31及び二次側スイッチング回路41-44のDuty比は固定値に設定されている。上述の通り、Duty比は、各スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のON/OFF時間の比を規定する値である。このように、スイッチング回路のDuty比を固定して駆動されるコンバータを本明細書では「非制御コンバータ」と称する。
In the present embodiment, when driving the multiport
図8等に示すように、一般にスイッチング回路は、上下アームのスイッチング素子を含んで構成される。基本的にはDuty比が0.5であるとき、マルチポート絶縁型コンバータ300の効率が最大となる。したがって、Duty比の固定値は約0.5に設定されることが好ましい。なお、厳密には、上下アームのスイッチング素子が同時にONし短絡電流が流れることを防止するためのデッドタイム分が差し引かれる。
As shown in FIG. 8 and the like, a switching circuit is generally configured including switching elements for upper and lower arms. Basically, the efficiency of the multiport
図4に示す比較例の電力変換システム709は、マルチポート絶縁型コンバータ309の二次ポートP21、P23と各バッテリBT1、BT2との間が「非調整回路」のみで接続されている。すなわち、比較例の電力変換システム709は調整コンバータを備えていないため、駆動回路75は、マルチポート絶縁型コンバータ309のDuty比を可変に制御することで、二つのバッテリBT1、BT2の電圧を均等化するように出力電圧を調整する必要がある。そのため、動作させるDuty比の領域によっては効率が低下する場合がある。
In the
それに対し本実施形態では、バッテリBT1、BT2の電圧変化に応じて調整コンバータ62、64の出力電圧を調整することで、マルチポート絶縁型コンバータ300のDuty比を高効率領域の値に固定して非制御で駆動することができる。このように第1実施形態の電力変換システム701は、マルチポート絶縁型コンバータ300及びバッテリ充放電回路601、602を介して、外部電源150と二つのバッテリBT1、BT2との間で双方向に電力授受可能である。
In contrast, in the present embodiment, the output voltages of the
図7(a)、(b)を参照し、電力変換システム701における電力授受作用について説明する。図7(a)、(b)には、直並列切り替えリレーRY1-RY3及び駆動回路75の図示を省略する。図7(a)に示すように、電力変換システム701は、マルチポート絶縁型コンバータ300の各スイッチング回路及び調整コンバータ62、64において、双方向の電力授受が可能である。また、図7(b)に示すように、電力変換システム701は、マルチポート絶縁型コンバータ300及びバッテリ充放電回路601、602を介してバッテリBT1、BT2間の電力を授受させることで、バッテリ電圧Vb1、Vb2を均等化させることができる。
The power exchange action in the
続いて図8に、外部電源150、マルチポート絶縁型コンバータ300、調整コンバータ62の具体的構成例を示す。図8以下の具体的構成例の図では、第1バッテリBT1に対応する図5等の上半分の部分のみを示し、第2バッテリBT2に対応する図5等の下半分の部分を省略する。また、直並列切り替えリレーRY1-RY3及び駆動回路75の図示を省略する。
Next, FIG. 8 shows a specific configuration example of the
図8の例の外部電源150は、AC電源15及びAC/DC変換回路19から構成されている。AC電源15は、100V又は200Vのコンセントから供給される50Hz又は60Hzの商用電源である。AC/DC変換回路19は、例えばPFC(力率改善)回路として構成され、車両等の移動体側に設けられてもよい。その他の例の外部電源150は、充電器等の直流電源であってもよい。
The
図8の例のマルチポート絶縁型コンバータ300では、一次側スイッチング回路31はハーフブリッジ式のDC/DCコンバータ51で構成されている。また、二次側スイッチング回路41、42はフルブリッジ式のDC/DCコンバータ(符号なし)で構成されている。
In the multiport
また、第1実施形態の調整コンバータ62は、マルチポート絶縁型コンバータ300からバッテリBT1に充電するとき降圧回路として機能する降圧コンバータ67で構成されている。降圧コンバータ67は、上下アームのスイッチング素子67a、67b及びコイル67cを含むチョッパ式降圧回路である。バッテリBT1の充電時、降圧コンバータ67は、調整側ポートP22の入力電圧VHを降圧してバッテリBT1側に出力する。
Further, the regulating
図9及び図10を参照し、バッテリのSOCに応じたバッテリ電圧の変化、及び、降圧コンバータ67によるバッテリ側電圧の調整について説明する。図9には代表として第1バッテリBT1を示しているが、いずれのバッテリBT1、BT2にも共通する説明であるため、バッテリ電圧の記号を単に「Vb」と記す。また、図10に示すように、バッテリSOCが0%のときの電圧を「バッテリ最小電圧Vmin」と記し、バッテリSOCが100%のときの電圧を「バッテリ最大電圧Vmax」と記す。バッテリ最大電圧Vmaxからバッテリ最小電圧Vminまでの範囲が降圧コンバータ67による電圧調整範囲となる。
A change in the battery voltage according to the SOC of the battery and adjustment of the battery side voltage by the step-
図9には、バッテリ充放電回路601における、非調整側ポートP21と調整側ポートP22との電圧分配を示す。非調整側ポートP21の電圧は、対応するバッテリのバッテリ最小電圧Vminに設定される。ただし、現実的には電圧検出誤差やマルチポート絶縁型コンバータ300の出力誤差等を考慮して、非調整側ポートP21の電圧は、対応するバッテリの「バッテリ最小電圧Vminと同等の値」に設定される。「同等」の範囲は、当該技術分野における技術常識に照らして決定されればよい。
FIG. 9 shows voltage distribution between the non-adjustment side port P21 and the adjustment side port P22 in the battery charging/discharging
また、調整側ポートP22の電圧は、対応するバッテリのバッテリ最大電圧Vmaxとバッテリ最小電圧Vminとの差分値(Vmax-Vmin)に設定され、この値が降圧コンバータ67の入力電圧VHとなる。降圧コンバータ67が出力する降圧後電圧VLは、バッテリ電圧Vbとバッテリ最小電圧Vminとの差分値(Vb-Vmin)となる。この関係が図10(a)に示される。
Further, the voltage of adjustment side port P22 is set to the difference value (Vmax-Vmin) between the battery maximum voltage Vmax and the battery minimum voltage Vmin of the corresponding battery, and this value becomes input voltage VH of step-
図10(b)に、二つのバッテリBT1、BT2の電圧Vb1、Vb2を均等化する作用を示す。例えば、第1バッテリ電圧Vb1が第2バッテリ電圧Vb2より高い場合、駆動回路75は、マルチポート絶縁型コンバータ300及び調整コンバータ62を駆動し、第1バッテリBT1から第2バッテリBT2へ電力供給させる。これにより、第1バッテリ電圧Vb1を降下させ、第2バッテリ電圧Vb2を上昇させて、バッテリ電圧Vb1、Vb2の差を所定値以下とするように均等化させる。
FIG. 10(b) shows the effect of equalizing the voltages Vb1 and Vb2 of the two batteries BT1 and BT2. For example, when the first battery voltage Vb1 is higher than the second battery voltage Vb2, the
以上のように、第1実施形態の電力変換システム701は、二つのバッテリBT1、BT2を並列接続に切り替える前に、マルチポート絶縁型コンバータ300及び調整コンバータ62、64を駆動してバッテリBT1、BT2間で電力授受を行い、バッテリ電圧Vb1、Vb2を均等化する。これにより、並列接続への切り替え時における突入電流等を抑制し、リレーの信頼性や寿命を向上させることができる。
As described above, the
また、マルチポート絶縁型コンバータ300は、各バッテリBT1、BT2に対応する複数の二次ポートのうちの一部が調整側ポートP22、P24であり、調整側ポート以外に非調整側ポートP21、P23が設けられる。そのため、バッテリ最大電圧Vmaxに対し非調整側ポートが分担する分だけ、調整コンバータ62、64による出力調整範囲を狭くすることができる。したがって、調整コンバータ62、64のスイッチング素子の耐圧レベルを下げることができる。
In multiport
さらに、駆動回路75によるマルチポート絶縁型コンバータ300の駆動において、各スイッチング回路のDuty比を固定値として約0.5に設定することで、バッテリ電圧の均等化における効率を向上させることができる。
Furthermore, in driving the multiport
加えて、調整コンバータ62、64に降圧コンバータ67を用いる構成において、非調整側ポートP21及び調整側ポートP22の電圧を図9のように設定することで、バッテリBT1、BT2のSOCに応じて、降圧コンバータ67による出力調整を効率的に行うことができる。
In addition, in the configuration using the step-
(第2実施形態)
次に図11を参照し、第2実施形態の電力変換システム702について説明する。第2実施形態では、二つのバッテリBT1、BT2に対応する二台のマルチポート絶縁型コンバータ301、302が外部電源150に対して並列接続される。各マルチポート絶縁型コンバータ301、302は、外部電源150側に一つ、バッテリBT1、BT2側に二つ、計三つの入出力ポートを有する。
(Second embodiment)
Next, with reference to FIG. 11, a
第1マルチポート絶縁型コンバータ301を構成するトランス201は、一次ポートP11に接続される一つの一次巻線211、及び、二つの二次ポートP21、P22に接続される二つの二次巻線221、222がコア231に巻回される。一次ポートP11と一次巻線211との間には一次側スイッチング回路31が設けられる。二つの二次ポートP21、P22と二つの二次巻線221、222との間には、それぞれ二次側スイッチング回路41、42が設けられる。スイッチング回路31、41、42は、巻線211、221、222に流れる電流の向きを周期的に交替させる。
The
第2マルチポート絶縁型コンバータ302を構成するトランス202は、一次ポートP12に接続される一つの一次巻線212、及び、二つの二次ポートP23、P24に接続される二つの二次巻線223、224がコア232に巻回される。一次ポートP12と一次巻線212との間には一次側スイッチング回路32が設けられる。二つの二次ポートP23、P24と二つの二次巻線223、224との間には、それぞれ二次側スイッチング回路43、44が設けられる。スイッチング回路32、43、44は、巻線212、223、224に流れる電流の向きを周期的に交替させる。
The
各マルチポート絶縁型コンバータ301、302の二次ポートP21、P23が非調整側ポートであり、P22、P24が調整側ポートである構成、及び、バッテリ充放電回路601、602の構成は第1実施形態と同様である。駆動回路75は、マルチポート絶縁型コンバータ301、302及び調整コンバータ62、64を駆動する。
The configuration in which the secondary ports P21 and P23 of the respective multiport isolated
各マルチポート絶縁型コンバータ301、302のDuty比は0.5で固定される。第2実施形態では、駆動回路75がマルチポート絶縁型コンバータ301、302及び調整コンバータ62、64を駆動することで、第1実施形態と同様に、二つのバッテリBT1、BT2の電圧を均等化する。
The duty ratio of each multiport
第2実施形態の変形例を図12に示す。外部電源150がAC電源15及びAC/DC変換回路を含む構成において、変形例では、AC電源15に対し二つのAC/DC変換回路191、192が並列接続されている。AC/DC変換回路191、192は、それぞれ、第1マルチポート絶縁型コンバータ301の一次ポートP11、及び、第2マルチポート絶縁型コンバータ302の一次ポートP12に接続される。
A modification of the second embodiment is shown in FIG. In the configuration in which the
(第3実施形態)
図13に示す第3実施形態の電力変換システム703は、図5に示す第1実施形態の電力変換システム701に対し、マルチポート絶縁型コンバータ303の二次側に五つめの二次巻線228、二次側スイッチング回路48、及び二次ポートP28がさらに設けられる。二次ポートP28には、補機バッテリBTa及び補機負荷49が接続される。なお、図13では、図5における駆動回路75及びその入出力の図示を省略する。また、第3実施形態の図13にのみ使用される符号は、[符号の説明]の欄の符号、及び、特許請求の範囲の参照符号としては記載しない。
(Third embodiment)
13 differs from the
また、第2実施形態の電力変換システム702に対しても同様に、二台のマルチポート絶縁型コンバータ301、302のいずれかの二次ポートに、補機バッテリBTa又は補機負荷49が接続される構成としてもよい。
Similarly, in the
電力変換システム703が「移動体」としての車両に搭載される場合、補機バッテリBTaは、主機バッテリBT1、BT2とは異なる低圧バッテリであり、補機負荷49は、車両の走行以外の機能を担う各種車載機器に相当する。第3実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータ300が補機バッテリBTaや補機負荷49への電力供給用DC/DCコンバータの機能を兼ねる。なお、電力変換システム703が搭載される「移動体」は、ドライバが運転する車両に限らず、バッテリを動力源とする無人車両、船舶、飛行機等であってもよい。その場合、補機負荷49は、移動体の移動以外の各種機能を担う。
When the
(第4実施形態)
図14に示す第4実施形態の電力変換システム704では、各バッテリBT1、BT2の高電位側に対応する二次ポートP21、P23とバッテリ側コンデンサCb1、Cb3との間に調整コンバータ61、63が接続される。各バッテリBT1、BT2の低電位側に対応する二次ポートP22、P24とバッテリ側コンデンサCb2、Cb4との間は直接接続される。つまり、第4実施形態では二次ポートP21、P23が調整側ポートとなり、二次ポートP22、P24が非調整側ポートとなる。このようにしても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる。
(Fourth embodiment)
In the
(第5~第7実施形態)
第5~第7実施形態は、図8に示された構成例に対し、マルチポート絶縁型コンバータ300の一次側スイッチング回路31、又は、調整コンバータ62の具体的な回路構成を変更したものである。図15、図16、図18には、図8、図9と同様に、第1バッテリBT1に対応する側の構成のみを示す。
(Fifth to seventh embodiments)
In the fifth to seventh embodiments, the specific circuit configuration of the primary
図15に示す第5実施形態の電力変換システム705では、一次側スイッチング回路31がフルブリッジ式のDC/DCコンバータ52で構成される。そのため、マルチポート絶縁型コンバータ300は、一次側及び二次側の双方にフルブリッジを有するデュアルアクティブブリッジ(DAB)方式をなす。一次側スイッチング回路31をフルブリッジ式とすることで、ハーフブリッジ式に対しスイッチング素子の耐圧を下げることができる。第5実施形態でもマルチポート絶縁型コンバータ300のDuty比が0.5で固定されることで、高効率駆動が可能となる。
In the
図16に示す第6実施形態の電力変換システム706では、調整コンバータ62は、マルチポート絶縁型コンバータ300からバッテリBT1に充電するとき昇圧回路として機能する昇圧コンバータ68で構成される。昇圧コンバータ68は、上下アームのスイッチング素子68a、68b及びコイル68cを含むチョッパ式昇圧回路である。バッテリBT1の充電時、昇圧コンバータ68は、調整側ポートP22の入力電圧VLを昇圧してバッテリBT1側に出力する。
In the
図16及び図17を参照し、バッテリのSOCに応じたバッテリ電圧の変化、及び、昇圧コンバータ68によるバッテリ側電圧の調整について説明する。説明に関する注記は、図9及び図10を参照する降圧コンバータ67についての注記に準ずる。昇圧コンバータ68の場合、入力電圧VLを0より大きい値にするため、非調整側ポートP21及び調整側ポートP22の電圧和に対する調整側ポートP22の電圧分配率をα(0<α<1)とする。「(1-α)×Vmin」からVmaxまでの範囲が昇圧コンバータ68による電圧調整範囲となる。
A change in the battery voltage according to the SOC of the battery and adjustment of the battery side voltage by the
図16には、バッテリ充放電回路601における、非調整側ポートP21と調整側ポートP22との電圧分配を示す。非調整側ポートP21の電圧は、対応するバッテリのバッテリ最小電圧Vminに基づき、「(1-α)×Vmin」に設定される。また、調整側ポートP22の入力電圧VLは「α×Vmin」に設定される。昇圧コンバータ68が出力する昇圧後電圧VHは、「Vb-(1-α)×Vmin」となる。この関係が図17に示される。
FIG. 16 shows the voltage distribution between the non-adjustment side port P21 and the adjustment side port P22 in the battery charging/discharging
図18に示す第7実施形態の電力変換システム707では、調整コンバータ62が絶縁型コンバータ69で構成される。絶縁型コンバータ69は、制御次第で、バッテリの充電時に降圧コンバータにもなり、昇圧コンバータにもなる。例えばバッテリの充電時に降圧コンバータとして機能する構成では、非調整側ポートP21及び調整側ポートP22の電圧を図9のように設定することで、出力調整を効率的に行うことができる。
In the
(参考形態)
図19に、本実施形態の構成を応用した参考形態を示す。参考形態の電力変換システム701Rでは、二つのバッテリBT1、BT2の接続状態は直列に固定されており、直列と並列とを切り替え可能に構成されていない。また、一方のバッテリ(例えば第2バッテリBT2)と並列に補機負荷49が接続されている。補機負荷49の電力消費により、第2バッテリBT2の電圧Vb2は第1バッテリBT1の電圧Vb1よりも低下する。
(Reference form)
FIG. 19 shows a reference embodiment to which the configuration of this embodiment is applied. In the
そこで駆動回路75は、マルチポート絶縁型コンバータ300及び調整コンバータ62、64を駆動して二つのバッテリBT1、BT2間で電力授受を行い、第2バッテリBT2の電圧Vb2を上昇させる。この場合、必ずしも二つのバッテリBT1、BT2の電圧Vb1、Vb2を均等にしなくてもよい。例えば、今後の補機負荷49の電力消費を見込んで、第2バッテリBT2の電圧Vb2が第1バッテリBT1の電圧Vb1よりも高めになるように電力授受が行われてもよい。
Therefore, the
(その他の実施形態)
(a)本発明の電力変換システムは、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成された三つ以上のバッテリを備える全体システムに適用されてもよい。その場合、三つ以上のバッテリが同時に電力変換システムに接続されるようにしてもよい。或いは、二つずつのバッテリが逐次、電力変換システムに接続されるようにしてもよい。
(Other embodiments)
(a) The power conversion system of the present invention may be applied to an overall system including three or more batteries configured to be switchable between series connection and parallel connection. In that case, three or more batteries may be connected to the power conversion system at the same time. Alternatively, two batteries may be sequentially connected to the power conversion system.
図20に示す全体システムは、直並列切り替えリレーRY1a-RY3a、RY1b-RY3b、RY1c-RY3cにより、三つのバッテリBT1、BT2、BT3をいずれか二つの二直列もしくは二並列、又は、三直列もしくは三並列に切り替え可能に構成されている。リレーRY1a-RY3aは第1バッテリBT1と第2バッテリBT2との直並列を切り替え、リレーRY1b-RY3bは第2バッテリBT1と第3バッテリBT32との直並列を切り替える。また、リレーRY1c-RY3cは第3バッテリBT3と第1バッテリBT1との直並列を切り替える。例えばリレーRY2a及びRY2bがONのとき三直列になり、リレーRY1a、RY1b、RY3a及びRY3bがONのとき三並列になる。 The overall system shown in FIG. 20 uses series-parallel switching relays RY1a-RY3a, RY1b-RY3b, and RY1c-RY3c to connect three batteries BT1, BT2, and BT3 in either two series or two parallel, or three series or three series. It is configured to be switchable in parallel. Relays RY1a-RY3a switch series-parallel between first battery BT1 and second battery BT2, and relays RY1b-RY3b switch series-parallel between second battery BT1 and third battery BT32. Also, relays RY1c-RY3c switch series/parallel between the third battery BT3 and the first battery BT1. For example, when the relays RY2a and RY2b are ON, 3 series are formed, and when the relays RY1a, RY1b, RY3a and RY3b are ON, 3 parallel are formed.
この全体システムに適用される電力変換システム708は、図5に示す電力変換システム701の構成に加え、第3バッテリBT3に対応する構成が追加されている。マルチポート絶縁型コンバータ308は、二次巻線225、226と二次ポートP25、P26との間に二次側スイッチング回路45、46をさらに備える。高電位側のバッテリ側コンデンサCb5は、非調整側ポートP25に直接接続される。低電位側のバッテリ側コンデンサCb6は、調整コンバータ66を介して調整側ポートP26に接続される。
A
(b)上記実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータの非調整側ポート及び調整側ポートは、対応する一つのバッテリに対し各一つ設けられている。他の実施形態では、対応する一つのバッテリに対し、図21に示す電力変換システム7091のマルチポート絶縁型コンバータ3091のように調整側ポートが複数設けられてもよい。或いは、図22に示す電力変換システム7092のマルチポート絶縁型コンバータ3092のように非調整側ポートが複数設けられてもよい。
(b) In the above embodiment, one non-adjustment side port and one adjustment side port of the multi-port isolated converter are provided for one corresponding battery. In another embodiment, a plurality of adjustment-side ports may be provided for one corresponding battery like the multi-port
図21に示す電力変換システム7091は、図5に示す電力変換システム701における符号「222、224、42、44、62、64、Cb2、Cb4」の要素を二組有する。図21では上記各要素の符号末尾に「1」及び「2」を付して示す。図22に示す電力変換システム7092は、図5に示す電力変換システム701における符号「221、223、41、43、61、63、Cb1、Cb3」の要素を二組有する。図22では上記各要素の符号末尾に「1」及び「2」を付して示す。
The
電力変換システム7091、7092において、図9、図10に示す調整コンバータに降圧コンバータを用いる構成での各二次ポートの電圧設定は、次のように拡張される。いずれも第1バッテリ電圧Vb1側の記号で説明する。
In the
調整側ポートが複数である電力変換システム7091では、複数の調整側ポートP221、P222の電圧VH1、VH2の合計が、対応するバッテリのバッテリ最大電圧Vmaxとバッテリ最小電圧Vminとの差分値に設定される。また、複数の調整コンバータ621、622の降圧後電圧VL1、VL2の合計がバッテリ電圧Vbとバッテリ最小電圧Vminとの差分値(Vb-Vmin)となる。非調整側ポートが複数である電力変換システム7092では、複数の非調整側ポートP211、P212の電圧V1、V2の合計が、対応するバッテリのバッテリ最小電圧Vminに設定される。
In the
なお、その他の実施形態の図20~図22にのみ使用される符号は、[符号の説明]の欄の符号、及び、特許請求の範囲の参照符号としては記載しない。 Reference numerals used only in FIGS. 20 to 22 of other embodiments are not described as reference numerals in the column of [Description of Codes] and claims.
(c)上記実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータのDuty比を高効率領域の固定値としているが、他の実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータのDuty比を可変に制御してもよい。その場合、例えばDuty比の可変領域を高効率の領域に限定し、調整コンバータによる出力電圧の調整と組み合わせ、微調整レベルで制御してもよい。 (c) In the above embodiment, the duty ratio of the multiport isolation converter is set to a fixed value in the high efficiency region, but in other embodiments, the duty ratio of the multiport isolation converter may be variably controlled. In that case, for example, the variable range of the duty ratio may be limited to a high-efficiency range, combined with adjustment of the output voltage by the adjustment converter, and controlled at a fine adjustment level.
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。 As described above, the present invention is by no means limited to the above embodiments, and can be embodied in various forms without departing from the spirit of the present invention.
150・・・外部電源、
200、201、202・・・トランス、
211、212・・・一次巻線、 221-224・・・二次巻線、
300、301、302・・・マルチポート絶縁型コンバータ、
31、32・・・一次側スイッチング回路、
41-44・・・二次側スイッチング回路、
61-64・・・調整コンバータ、
70(701-707)、・・・電力変換システム、
75・・・駆動回路、
BT1、BT2・・・バッテリ、
P11、P12・・・一次ポート、
P21-P24・・・二次ポート。
150 External power supply,
200, 201, 202...transformers,
211, 212... primary windings, 221-224... secondary windings,
300, 301, 302...multiport isolated converters,
31, 32... primary side switching circuit,
41-44 ... secondary side switching circuit,
61-64 Regulating converter,
70 (701-707), power conversion system,
75 ... drive circuit,
BT1, BT2... battery,
P11, P12...Primary ports,
P21-P24--Secondary ports.
Claims (7)
前記外部電源に対して一台が接続され、又は、複数の前記バッテリに対応する複数台が並列接続され、一台当たりに、前記外部電源側の一次ポート(P11、P12)に接続される一つの一次巻線(211、212)及び前記バッテリ側の複数の二次ポート(P21-P24)に接続される複数の二次巻線(221-224)を有するトランス(200、201、202)、前記一次ポートと前記一次巻線との間に設けられた一つの一次側スイッチング回路(31、32)、並びに、前記複数の二次ポートと前記複数の二次巻線との間に設けられた複数の二次側スイッチング回路(41-44)を有するマルチポート絶縁型コンバータ(300、301、302)と、
各前記バッテリに対応する複数の前記二次ポートのうちの一部である調整側ポートと前記バッテリとの間に接続され、前記バッテリ側の電圧を調整可能な複数の調整コンバータ(61-64)と、
前記マルチポート絶縁型コンバータ及び前記調整コンバータを駆動し、且つ、前記調整コンバータの動作を制御して前記バッテリ側の電圧を調整する駆動回路(75)と、
を備え、
複数の前記バッテリを並列接続に切り替える前に、
前記駆動回路は、複数の前記バッテリの電圧差が所定値以下となるように、前記マルチポート絶縁型コンバータ及び前記調整コンバータを駆動して電力授受を行う電力変換システム。 provided between an external power supply (150) capable of outputting electric power and a plurality of batteries (BT1, BT2) configured to switch between series connection and parallel connection, and between the external power supply and the plurality of batteries A power conversion system capable of bidirectionally transmitting and receiving power in
One unit is connected to the external power supply, or a plurality of units corresponding to the plurality of batteries are connected in parallel, and each unit is connected to the primary port (P11, P12) on the external power supply side. a transformer (200, 201, 202) having one primary winding (211, 212) and a plurality of secondary windings (221-224) connected to a plurality of secondary ports (P21-P24) on the battery side; one primary side switching circuit (31, 32) provided between the primary port and the primary winding; and a primary switching circuit (31, 32) provided between the plurality of secondary ports and the plurality of secondary windings. a multi-port isolated converter (300, 301, 302) having a plurality of secondary side switching circuits (41-44);
a plurality of regulating converters (61-64) connected between a regulating port, which is a portion of the plurality of secondary ports corresponding to each of the batteries, and the battery and capable of regulating the voltage on the battery side; and,
a driving circuit (75) for driving the multi-port isolated converter and the regulating converter and controlling the operation of the regulating converter to regulate the voltage on the battery side;
with
Before switching a plurality of said batteries into parallel connection,
The power conversion system, wherein the drive circuit drives the multiport isolation converter and the adjustment converter to transfer power so that the voltage difference between the plurality of batteries is equal to or less than a predetermined value.
前記一次側スイッチング回路及び複数の前記二次側スイッチング回路を構成する複数のスイッチング素子のON/OFF時間の比を規定するDuty比は、固定値に設定されている請求項1に記載の電力変換システム。 In driving the multiport isolated converter by the driving circuit,
Duty ratio defining a ratio of ON / OFF time of a plurality of switching elements constituting the primary side switching circuit and a plurality of the secondary side switching circuit, power conversion according to claim 1 is set to a fixed value system.
各前記バッテリに対応する前記非調整側ポートの電圧の合計は、対応する前記バッテリのSOCが0%のときの電圧であるバッテリ最小電圧(Vmin)に設定される請求項3に記載の電力変換システム。
Assuming that the secondary ports other than the adjustment-side port are non- adjustment-side ports,
4. The power conversion according to claim 3, wherein the sum of the voltages of the non-regulated ports corresponding to each battery is set to a battery minimum voltage (Vmin) that is the voltage when the SOC of the corresponding battery is 0%. system.
前記絶縁型コンバータの複数の前記二次ポートのうち少なくとも一つのポートは、前記主機バッテリとは異なるバッテリである補機バッテリ、又は、前記移動体の移動以外の機能を担う補機負荷にさらに接続される請求項6に記載の電力変換システム。 Assuming that the plurality of batteries in the moving object are main batteries,
At least one of the plurality of secondary ports of the isolated converter is further connected to an auxiliary battery, which is a battery different from the main battery, or to an auxiliary load that performs a function other than movement of the moving object. 7. The power conversion system of claim 6.
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