JPWO2016194859A1 - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
電気自動車内の蓄電池と電力変換装置を連係する前に、昇圧ユニットにて電力変換手段に設けられたコンデンサを充電し、交直変換器を用いてさらに昇圧し、電気自動車と電力変換装置間に、絶縁診断用の電圧を印加して、健全性を確認する電力変換装置が開示されている(例えば、特許文献1)。
実施の形態1は、電力変換部、制御部、健全性確認部から構成され、主要機器として電力系統と電気自動車との間で電力を双方向に変換する交直変換器と、交直変換器の電気自動車側である二次側のコンデンサと、交直変換器の二次側に出力する電圧を発生する昇圧ユニットと、交直変換器の二次側に異常検出回路とを備えた電力変換装置に関するものである。
システム全体は、電力変換装置1と連係対象である電気自動車100からなる。電力変換装置1は、大きく電力変換部と制御部と健全性確認部とから構成される。
電力変換部は、主要機器として、交直変換器4、6、8と、絶縁トランス7と、コンデンサ5、10と、リアクトル3A、3Bと、コンタクタ2、15A、15Bと、コネクタ16とを備える。
制御部は、主要機器として、制御ユニット24と、駆動ユニット17〜19と、整流回路21と、電力供給ユニット22とを備える。
健全性確認部は、主要機器として、昇圧ユニット20と、地絡検出回路12と、電流センサ11と、放電回路9と、コンタクタ13と、制限抵抗14とを備える。
コンタクタ2は、後で説明する制御ユニット24からの指示に基づいて動作し、電力変換装置1を商用電力系統に連系または解列する。コンタクタ2が、ONの場合は商用電力系統と連系しており、OFFの場合は商用電力系統と解列している。
交直変換器4は、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどの複数のスイッチング素子と、各スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードから構成される。交直変換器4は、コンタクタ2にリアクトル3A、3Bを介して接続されている。
交直変換器4は、一次側(以降、商用電力系統側を示す)から供給される交流電力を直流電力に変換する。また、二次側(以降、電気自動車側を示す)から供給される直流電力を交流電力に変換する。
交直変換器4と交直変換器6の間には、各交直変換器4、6の端子間電圧を安定させるためのコンデンサ5が接続されている。
交直変換器8の一次側は、絶縁トランス7を介して、交直変換器6の二次側に接続されている。そして、交直変換器8は、一次側から供給される交流電力を直流電力に変換する。また、二次側から供給される直流電力を交流電力に変換する。交直変換器8の二次側には、交直変換器8の端子間電圧を安定させるためのコンデンサ10が接続されている。
逆に、電気自動車内蓄電池130から電力が供給される場合に、コンデンサ10の両端電圧よりコンデンサ5の両端電圧を高くしたり、あるいは低くしたりすることができる。
電力変換装置1では、交直変換器4、6、8が協働することで、商用電力系統からの交流電力が直流電力に変換され、電気自動車内蓄電池130に供給される。
また、電気自動車内蓄電池130からの直流電力が交流電力に変換され、商用電力系統に供給される。
駆動ユニット17〜19は、制御ユニット24の指示に基づいて、それぞれ交直変換器4、6、8を構成するスイッチング素子を動作させる。駆動ユニット17〜19の制御に用いられる電力は、電力供給ユニット22から供給される。
尚、説明の便宜上、電力変換装置1の一次側から二次側に電力が供給されるときの交直変換器4、6、8の動作を充電動作とし、電力変換装置の二次側から一次側に電力が供給されるときの交直変換器4、6、8の動作を放電動作とする。
電力供給ユニット22は、整流回路21を介して供給される電力を制御ユニット24、昇圧ユニット20、および駆動ユニット17〜19へ供給する。電力供給ユニット22は、これと同時に、電力供給ユニット22に接続された電力変換装置内蓄電池23(以降、適宜蓄電池23と記載する)にも供給する。これにより、電力変換装置1内の蓄電池23の充電が行われる。
この状態では、電力供給ユニット22は、蓄電池23から供給される電力を制御ユニット24へ供給する。
このため、商用電力系統の停電時も電力変換装置1の動作が可能である。電力変換装置1が放電動作を開始すると、交直変換器4の一次側から、リアクトル3A、3B、コンタクタ2と整流回路21を介して、電力供給ユニット22に電力を供給する。電力供給ユニット22は、蓄電池23を充電することができる。
蓄電池23は、商用電力系統が健全である場合に、商用電力系統から整流回路21を介して電力供給ユニット22に供給される電力を蓄電し、商用電力系統が停電した場合に、この蓄電した電力が交直変換器4、6、8を始動するために使用される。
まず、昇圧ユニット20を中心として、コンタクタ13、15A、15B、制限抵抗14、地絡検出回路12、放電回路9、および電流センサ11の機能、動作を図2に基づいて説明する。
図2は、昇圧ユニット20を中心として、昇圧ユニット20の内部構成と健全性確認に関連する構成要素を含めて記載した構成図である。
昇圧部71は、コンデンサ29、スイッチング素子30、絶縁トランス31、および整流用ダイオード32とから構成される。昇圧制御回路72は、制御回路33、絶縁回路34、およびフィードバック切替回路35から構成される。
フィードバック切替回路35は、制御ユニット24からのフィードバック切替信号36により絶縁回路34経由、絶縁診断時とプリチャージ時のフィードバック基準電圧を切り替える。絶縁回路34は、電力変換部の二次側と制御ユニット24および制御回路33との間を絶縁する。
なお、絶縁診断は、電力変換装置1と電気自動車100とを連係する前に、電力変換装置1と電気自動車100間の健全性を確認するために行うものである。
また、プリチャージは、電力変換装置1に電気自動車100を連係したときに、コンデンサ10に流れこむ突入電流を抑制するために行うものである。
昇圧ユニット20は、制御ユニット24から送信されるON/OFF信号38に基づいて、制御された電圧(絶縁診断用、あるいはプリチャージ用の電圧)を昇圧ユニット20の出力端26A、26Bに出力する。
図3は、昇圧制御回路72を構成するフィードバック切替回路35、絶縁回路34、および制御回路33の具体的な回路構成を示す。
まず、絶縁診断用基準電源40の基準電圧Aは、スイッチ41とダイオード43、アンプ49を通して、誤差増幅器50の片側(−端子)に入力される。絶縁診断時はスイッチ41をONする必要があるため、制御ユニット24からフィードバック切替信号36を送信し、フォトカプラ52を介して、トランジスタ45をONさせる。
このとき、プリチャージ用基準電圧Bが誤差増幅器50に入力されないように、スイッチ42はOFFされる。図3では、トランジスタ47がONし、トランジスタ46はOFFとなり、スイッチ42がOFFとなる。
アンプ49はボルテージフォロア回路を構成し、アンプ48と同様に、基準電圧B側と誤差増幅器50側とのインピーダンスを分離する。
このときは、絶縁診断用基準電圧Aが誤差増幅器50に入力されないように、スイッチ41はOFFされる。
図3では、トランジスタ45がOFFし、スイッチ41がOFFとなる。
なお、特許請求の範囲の切替回路がフィードバック切替回路35である。
絶縁診断時、コンタクタ15A、15BがONするため、第1フィードバック端27A、27Bの電圧は、第2フィードバック端28A、28Bにも印加されている。切り替えを行わずに、スイッチ41、42の両方がONの場合、プリチャージ用基準電圧Bが絶縁診断用基準電圧Aよりも大きいと、誤差増幅器50の片側(−端子)に入力される電圧は、基準電圧B側を優先して、昇圧ユニット20の出力電圧を上昇させる。
その後、昇圧ユニット20は、その出力端26A、26Bに絶縁診断用基準電圧Aよりも大きな電圧を出力し、更にその電圧を第2フィードバック端28A、28Bから検出し、アンプ49および誤差増幅器50のゲインに依存して、更に出力端26A、26Bの電圧を上昇させる。
実施の形態1のフィードバック切替回路35では、それぞれの絶縁診断用基準電圧Aとプリチャージ用基準電圧Bとを切り分けるスイッチ41、42を備え、かつ、絶縁診断時にスイッチ42をOFFする構成である。このため実施の形態1では、上記のようなループに陥ることなく、昇圧ユニット20は安定した制御で絶縁診断用電圧(400V〜500V)を出力することができる。
正常にプリチャージ用基準電圧Bを誤差増幅器50の片側(−端子)に入力するためには、スイッチ41をOFFすることで、昇圧ユニット20はプリチャージ用の電圧を出力することが可能となる。
バイポーラトランジスタを使用した場合は、基準電圧A、Bからバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間の電圧が降下した電圧がアンプ49に入力され、昇圧ユニット20の出力電圧が変化する。電界効果トランジスタを使用した場合、アンプ49の入力は高インピーダンスのため、基準電圧A、Bから流れる電流は微小電流である。電界効果トランジスタのドレイン−ソース間は低抵抗であるため、基準電圧A、Bの電圧降下量は減少する。
このように、フィードバック切替用スイッチとして、電界効果トランジスタを使用することで、高精度な基準電圧を入力することが可能となり、昇圧ユニット20の出力電圧の精度が向上する。
電気自動車100は、コネクタ16を介して、電力変換装置1に着脱自在に接続される。
コンタクタ135A、135Bは、車両制御ユニット133の指示に基づいて、駆動ユニット134によって駆動され、電力変換装置1と電気自動車100を連係、また解列する。
本実施の形態1では、電気自動車内蓄電池130は複数の3V〜4Vのリチウムイオン電池セルを直列に接続して、端子間電圧135V〜450Vのバッテリを構成している。
また、車両制御ユニット133は、電気自動車内蓄電池130に蓄電された電力量などの情報を取得し、必要に応じて、電力変換装置1の制御ユニット24にこれらの情報を提供する。
電気自動車100との連係前に絶縁診断を行うため、電気自動車内コンタクタ135A、135BをOFFにした状態で、コンタクタ15A、15B、13をONする。
昇圧ユニット20の出力端26A、26Bの電圧を絶縁診断用電圧(400V〜500V)にするため、フィードバック切替回路35内のスイッチ41をON、スイッチ42をOFFし、絶縁診断用基準電源40の基準電圧Aを誤差増幅器50の片方(−端)に入力する。
また、第1フィードバック端27A、27Bの電圧は、分圧抵抗RA、RBで分圧され、誤差増幅器50の他方(+端)に入力される。
誤差増幅器50は、入力端(+端、−端)の差電圧を増幅し、フォトカプラ51の出力電流(フィードバック信号37)を介して、電源制御IC53を制御する。制御回路33は、誤差増幅器50の出力電圧に基づき、昇圧ユニット20の出力端26A、26Bの電圧を絶縁診断用電圧(400V〜500V)に一定に制御する。
この結果、電気自動車内コンタクタ135A、135Bから交直変換器8の二次側の間で地絡が検出された場合、および基準値以上の直流電流が測定された場合には、電気自動車100のコンタクタ135A、135Bとコネクタ16との間または電力変換装置1側の絶縁耐力が低下していると判断できる。
絶縁診断終了後、放電回路9でコンデンサ10に充電された電荷を放電させて、コンデンサ10の電圧を0Vにする。
コンタクタ15A、15B、13をOFFし、電気自動車内コンタクタ135A、135BをONにする。
まず、フィードバック切替回路35内のスイッチ41をOFF、スイッチ42をONする。この操作により、電気自動車内蓄電池130の蓄電池電圧は第2フィードバック端28A、28Bを介して、昇圧ユニット20に入力される。この電圧は分圧抵抗RC、RDで分圧され、得られた基準電圧Bは誤差増幅器50の片方(−端)に入力される。
また、第1フィードバック端27A、27Bの電圧は分圧抵抗RA、RBで分圧され、誤差増幅器50の他方(+端)に入力される。
誤差増幅器50は、入力端(+端、−端)の差電圧を増幅し、フォトカプラ51の出力電流(フィードバック信号37)を介して、電源制御IC53を制御する。制御回路33は、誤差増幅器50の出力電圧に基づき、昇圧ユニット20の出力端26A、26Bの電圧を電気自動車内蓄電池130と等しい電圧に制御する。
電力変換装置1の交直変換器8の二次側から電気自動車内コンタクタ135A、135Bの一次側までの絶縁診断を行う方法を説明する。
絶縁診断を開始する(S01)と、まず電気自動車100のコンタクタ135A、135BをOFFする(S02)。
次に、電力変換装置1のコンタクタ13、15A、15BをONする(S03)。この操作により、電力変換装置1の交直変換器8の二次側から電気自動車100のコンタクタ135A、135Bの一次側までが接続される。
次に、第1フィードバック端27A、27Bの電圧が、正常か(ここでは絶縁診断用電圧下限値以上か)を確認する(S06)。
ステップS07において地絡が無い場合、第1フィードバック端27A側に設置されている電流センサ11で、直流電流を測定し、異常の有無を検出する(S08)。電流センサ11で、基準値以上の直流電流を測定した場合は、制御ユニット24が異常信号を出力する(S11)。
絶縁診断用電圧、地絡検出、および直流電流異常検出のいずれかで異常が検出された場合(S11)は、制御ユニット24はシステム(電力変換装置1)を安全に停止させて(S12)、絶縁診断の処理を終了する(S13)。異常発生の状況に応じて、必要な対応処置が行われる。
次に、制御ユニット24は放電回路9を動作させ、コンデンサ10に充電された電荷を放電させる(S10)。これで、絶縁診断の処理を終了する(S13)。
電力変換装置1に電気自動車100、すなわち電気自動車内蓄電池130を連係したときに、コンデンサ10や電気自動車内蓄電池130に流れこむ突入電流を抑制するために実施するコンデンサ10のプリチャージ方法を説明する。
プリチャージ動作を開始する(S21)と、電力変換装置1のコンタクタ13、15A、15BをOFFする(S22)。
次に、電気自動車100のコンタクタ135A、135BをONする(S23)。
この偏差が規定値を超えている場合は、制御ユニット24より異常信号を出力し(S30)、システム(電力変換装置1)を安全に停止させて(S31)、プリチャージの処理を終了する(S32)。異常発生の状況に応じて、必要な対応処置が行われる。
次に、コンタクタ15A、15BをONにする(S28)。この操作で電気自動車内蓄電池130の電圧とプリチャージしたコンデンサ10の電圧との電圧差で流れる突入電流を制限抵抗14で制限しながら、電圧差を解消する。
次に、コンタクタ13をONする(S29)。この操作により、制限抵抗14をバイパスし、電力変換装置1と電気自動車内蓄電池130との接続を完了する。これで、プリチャージの処理を終了する(S32)。
従来の電力変換装置では、コンデンサ5に相当するコンデンサにある一定の電圧で充電し、交直変換器を動作させ、コンデンサ10に相当するコンデンサに充電していた。しかし、この場合は、軽負荷であるため、効率が悪く、損失が大きい。実施の形態1では、交直変換器を動作させる必要がないため、電力変換装置1の損失の削減、省エネルギー化が図れるとともに、昇圧ユニット20を小型化、低コスト化できる。
なお、実施の形態1では、絶縁診断において絶縁診断用電圧、地絡検出回路12、および電流センサ11を使用して健全性を確認したが、地絡電流のみを検出して健全性を確認することもできる。また、異常検出装置として、地絡検出回路と電流センサの両方を設けたが、いずれか一方のみを設けて絶縁診断の健全性を確認することもできる。
また、電気自動車内蓄電池130には急激な充放電電流が流れないため、電気自動車内蓄電池130の長寿命化が図れる。
電気自動車に代えて直流電源、例えば専用のバッテリを備えた蓄電ユニットであってもよい。また、蓄電ユニットは、バッテリを備えた太陽光発電装置およびバッテリを備えた風力発電装置であってもよい。
三相の交直変換器を備える場合には、絶縁トランスとして、Y−Y結線の絶縁トランス、Y−Δ結線の絶縁トランス、あるいはΔ−Δ結線の絶縁トランスを用いることができる。この場合、単相三線式の家庭内電力系統への対応も容易になる。
また、蓄電池23は、制御に用いられる電力を蓄えるだけでよいため、例えばアルカリ乾電池等を用いることも可能である。また、蓄電池23を常時設置した状態にするのではなく、接続端子を準備することで、停電時にのみ蓄電池23を、制御ユニット24に接続する構成にすることができる。
蓄電池23の充電が不十分な場合には、汎用の乾電池を接続して、制御ユニット24に電力を供給してもよい。
また、蓄電池23に代えて、携帯用発電機、燃料電池、太陽電池、風力発電機を用いてもよい。携帯用発電機は、プロパンガス、ガソリン、軽油を利用して発電するものや、給湯器に蓄えられた熱エネルギーを利用して発電するペルチェ素子で構成されたものでもよい。
以上説明したように、電力変換装置内蓄電池23として、鉛蓄電池に代えて、アルカリ乾電池や携帯用発電機、燃料電池等を使用しても、同等の効果を実現することができる。
また、蓄電池の端子間電圧は、約135V〜450Vに限定されるものではない。
実施の形態2の電力変換装置は、昇圧ユニットの昇圧制御回路の切替用スイッチにアナログスイッチを使用したものである。
なお、実施の形態1の電力変換装置1と区別するために、実施の形態2では、昇圧制御回路272、フィードバック切替回路235としている。
実施の形態1の昇圧制御回路72との違いは、フィードバック切替回路35の構成要素である。具体的には、フィードバック切替回路235では、フィードバック切替回路35のスイッチ41、42をアナログスイッチ62に変更している。トランジスタ45をロジックIC55に変更し、トランジスタ46、47をロジックIC56に変更している。
実施の形態2のフィードバック切替回路235で使用しているアナログスイッチ62は低抵抗である。アンプ49の入力は高インピーダンスであるため、基準電圧A、Bから流れる電流は微小電流となる。このため、実施の形態2のフィードバック切替回路235では、基準電圧A、Bの電圧降下量は減少し、高精度な基準電圧を誤差増幅器50に入力することが可能となり、昇圧ユニットの出力電圧は変化しない。
実施の形態3の電力変換装置は、昇圧ユニットの昇圧制御回路の切替用スイッチに電磁接触式リレーを使用したものである。
なお、実施の形態1の電力変換装置1と区別するために、実施の形態3では、昇圧制御回路372、フィードバック切替回路335としている。
実施の形態1の昇圧制御回路72との違いは、フィードバック切替回路35の構成要素である。具体的には、フィードバック切替回路335では、フィードバック切替回路35のスイッチ41、42を電磁接触式リレー57、58に変更している。
実施の形態3のフィードバック切替回路335で使用している電磁接触式リレー57、58の接点は低抵抗である。アンプ49の入力は高インピーダンスであるため、基準電圧A、Bから流れる電流は微小電流となる。このため、実施の形態3のフィードバック切替回路335では、基準電圧A、Bの電圧降下量は減少し、高精度な基準電圧を誤差増幅器50に入力することが可能となり、昇圧ユニットの出力電圧は変化しない。
実施の形態4の電力変換装置は、昇圧ユニットの昇圧制御回路のフィードバック切替信号を絶縁診断用とプリチャージ用に分離したものである。
なお、実施の形態1の電力変換装置1と区別するために、実施の形態4では、制御ユニット424、昇圧制御回路472、フィードバック切替回路435、絶縁回路434としている。
実施の形態1の昇圧制御回路72との違いは、主としてフィードバック切替回路435、絶縁回路434の構成である。具体的には、フィードバック切替回路435では、フィードバック切替回路35のトランジスタ47を除去し、スイッチ42のON/OFFするプリチャージ用フィードバック切替信号を別に設けている。すなわち、スイッチ42のON/OFFを制御ユニット424のトランジスタ60および絶縁回路434のフォトカプラ59で行う。
実施の形態5の電力変換装置は、昇圧ユニットの絶縁診断用基準電圧、プリチャージ用基準電圧の入力および切替回路を簡素化したものである。
なお、実施の形態1の電力変換装置1と区別するために、実施の形態5では、昇圧制御回路572、フィードバック切替回路535としている。
実施の形態1の昇圧制御回路72との違いは、フィードバック切替回路35の構成である。具体的には、フィードバック切替回路535では、フィードバック切替回路35のスイッチ41、42を削除して、絶縁診断用基準電圧、プリチャージ用基準電圧のアンプ49への入力と切替回路を簡素化した。
実施の形態6の電力変換装置は、昇圧ユニットの絶縁診断用基準電圧、プリチャージ用基準電圧をバイポーラトランジタのエミッタ−コレクタ間耐電圧以下としたものである。
なお、実施の形態1の電力変換装置1と区別するために、実施の形態6では、昇圧制御回路672、フィードバック切替回路635としている。
実施の形態1の昇圧制御回路72との違いは、フィードバック切替回路35の構成である。具体的には、フィードバック切替回路635では、フィードバック切替回路35のダイオード43、44を削除して、スイッチ41、42のコレクタ側を直接絶縁診断用基準電圧、プリチャージ用基準電圧のアンプ49の+側端子に接続した。
しかし、ダイオード43、44を削除することにより、昇圧ユニットの小型化が見込める。また、ダイオードの順方向電圧による電圧降下量を減らすことができ、更にダイオードの順方向電圧の部品ばらつきや温度特性による電圧降下量の変化をなくすことができる。このため、基準電圧A、Bが精度良くアンプ49に入力され、昇圧ユニットの出力電圧の精度を向上させることができる。
なお、実施の形態1の図3を参照して、実施の形態1と差異を説明したが、実施の形態2から実施の形態5の昇圧制御回路に対しても、フィードバック切替回路のダイオード43、44を削除することで、昇圧ユニットの出力電圧の精度を向上させることができる。
Claims (11)
- 電力系統と直流電源との間で電力を変換する電力変換装置であって、
前記電力系統と前記直流電源との間で、交流電力から直流電力へ、又は直流電力から交流電力へ変換する交直変換器と、
前記交直変換器の前記直流電源側に設けた前記直流電力を蓄えるコンデンサと、
前記コンデンサを充電する昇圧ユニットと、
前記交直変換器の前記直流電源側に異常検出装置とを備え、
前記昇圧ユニットは、絶縁診断用基準電圧に基づいて絶縁診断用の電圧を発生させて、前記交直変換器の前記直流電源側に印加して前記コンデンサを充電する電力変換装置。 - 前記昇圧ユニットは、前記直流電源の電圧に基づいたプリチャージ用の電圧を発生させて、前記コンデンサを充電する請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記昇圧ユニットは、前記絶縁診断用基準電圧の信号と、前記直流電源の電圧の信号とを切り換える切替回路を備えた請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記切替回路は、電界効果トランジスタを使用した請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記切替回路は、アナログスイッチを使用した請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記切替回路は、電磁接触式リレーを使用した請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源は、電気自動車内蓄電池である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記異常検出装置は、地絡検出回路と電流センサの両方、あるいはいずれか一方である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記昇圧ユニットは、前記絶縁診断用基準電圧に基づいて、スイッチおよびアンプを用いて、前記絶縁診断用の電圧を発生させる請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記昇圧ユニットは、前記スイッチと前記アンプとの間にさらにダイオードを備えた請求項9に記載の電力変換装置。
- 電力系統と直流電源との間で電力を変換する交直変換器を備え、
前記交直変換器の前記直流電源側に設けた直流電力を蓄えるコンデンサと、前記コンデンサを充電する電圧を発生する昇圧ユニットとを備えた電力変換装置において、
前記直流電源と連係する前に行う、
前記昇圧ユニットで絶縁診断用の電圧を発生させて、前記直流電源と前記交直変換器との間に印加して健全性を確認する絶縁診断工程と、
前記昇圧ユニットで前記直流電源の電圧に基づいたプリチャージ用の電圧を発生させて、前記コンデンサを充電するプリチャージ工程と、を有する電力変換装置の制御方法。
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