特許 6019804 双方向電力変換装置、及び、充放電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019804

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】双方向電力変換装置、及び、充放電システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20161020BHJP

   H02M 3/335 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 H

   H02M3/335 E

【請求項の数】2

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2012-143384(P2012-143384)

(22)【出願日】2012年6月26日

(65)【公開番号】特開2014-7904(P2014-7904A)

(43)【公開日】2014年1月16日

【審査請求日】2015年2月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】395011665

【氏名又は名称】株式会社オートネットワーク技術研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000183406

【氏名又は名称】住友電装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100108257

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 伊知良

(72)【発明者】

【氏名】廣田 将義

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０７０４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２０３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３５９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２３８６２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００− ３／４４

Ｈ０２Ｍ ７／００− ７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の入出力端子対に供給される交流電力を交流−直流変換して第２の入出力端子対へ出力し、前記第２の入出力端子対に供給される直流電力を直流−交流変換して前記第１の入出力端子対へ出力する双方向電力変換装置であって、
前記第１の入出力端子対間に接続された容量素子と、
前記第２の入出力端子対間に直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子であって、その間のノードが前記第１の入出力端子対の一方に電気的に接続された当該第１及び第２のスイッチング素子と、
前記第２の入出力端子対間に直列に接続された第３及び第４のスイッチング素子であって、その間のノードが前記第１の入出力端子対の他方に電気的に接続された当該第３及び第４のスイッチング素子と、
前記第１〜第４のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第１〜第４の整流素子と、
前記第１及び第２のスイッチング素子の間のノードと前記容量素子との間、及び、前記第３及び第４のスイッチング素子の間のノードと前記容量素子との間のうちの少なくとも何れか一方に接続されたインダクタ素子と、
前記第１〜第４のスイッチング素子をスイッチング制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記交流−直流変換時のスイッチング周波数よりも前記直流−交流変換時のスイッチング周波数を高くする、
双方向電力変換装置。

【請求項2】

第１のシステム入出力端子対に供給される交流電力によって第２のシステム入出力端子対に接続される蓄電装置を充電すると共に、前記蓄電装置に蓄えられた直流電力を前記第１のシステム入出力端子対へ放電する充放電システムであって、
請求項１に記載の双方向電力変換装置であって、第１の入出力端子対が前記第１のシステム入出力端子対に電気的に接続された当該双方向電力変換装置と、
前記双方向電力変換装置の第２の入出力端子対に接続された第１の入出力端子対と、第２の入出力端子対とを有し、充電時には、該第１の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該第２の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第１の電力変換部と、
前記第１の電力変換部の第２の入出力端子対間に接続された一次側コイルを有するトランスと、
前記トランスの二次側コイルに接続された第１の入出力端子対と、前記第２のシステム入出力端子対に電気的に接続された第２の入出力端子対とを有し、充電時には、該第１の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該第２の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第２の電力変換部と、
を備える、充放電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電装置（例えば、バッテリ）を充電すると共に、当該蓄電装置に蓄えられた電力を利用可能にするための充放電システム、及び、この充放電システムに適用可能な双方向電力変換装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両が実用化されている。電気自動車では、車両外部の電源（例えば、電源コンセント）から車載のバッテリを充電可能になっている。例えば、自宅や共用施設などに設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより充電を行う。一方、ハイブリッド車でも、同様に、車両外部の電源から車載のバッテリを充電可能にしたプラグインハイブリッド車が実用化されている。

【0003】

近年、車載のバッテリを、車載機器だけでなく、他の電気機器に給電する移動用、災害用又は非常用の電源として利用することが期待されており、車載のバッテリに蓄えられた電力を車両の充電口、充電ケーブルを介して放電可能にすることが要望されている。すなわち、充電と放電との双方化が可能な充放電システムを車両に搭載することが要望されている。特許文献１には、この種の充放電システムとして双方向コンバータが開示されている。

【0004】

特許文献１に開示の双方向コンバータ１は、ＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）２ＡとＤＣ／ＤＣ変換部２Ｂとを含む交流／直流変換部２を備えている。ＡＣ／ＤＣ変換部２Ａは、コンデンサＣ１と、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４及び整流素子によって構成されたフルブリッジ型回路と、このフルブリッジ型回路とコンデンサＣ１との接続ライン上に挿入された一対のインダクタ２４Ｌ１，２４Ｌ２と、コンデンサ２５Ｃとを備えている。一方、ＤＣ／ＤＣ変換部２Ｂは、フルブリッジ型のスイッチング素子ＳＷ３１〜ＳＷ３４及び整流素子によって構成されたＤＣ／ＡＣ変換部と、トランス２２と、フルブリッジ型のスイッチング素子ＳＷ４１〜ＳＷ４４及び整流素子によって構成されたＡＣ／ＤＣ変換部と、コンデンサ２６Ｃとを備えている。この双方向コンバータ１では、バッテリ充電時（交流−直流変換時）には、ＡＣ／ＤＣ変換部２ＡがＰＦＣ機能を有する同期整流回路として機能し、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４がインバータ回路として機能し、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４が整流回路として機能する。一方、バッテリ放電時（直流−交流変換時）には、ＡＣ／ＤＣ変換部ＳＷ４１〜ＳＷ４４がインバータ回路として機能し、ＤＣ／ＡＣ変換部ＳＷ３１〜ＳＷ３４が整流回路として機能し、ＡＣ／ＤＣ変換部２Ａがインバータ回路として機能する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−１７８５６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載のＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）２Ａでは、バッテリ充電時（交流−直流変換時）、力率改善のためにコンデンサＣ１のキャパシタンスを小さくする必要がある。

【0007】

一方、バッテリ放電時（直流−交流変換時）、インダクタ２４Ｌ１，２４Ｌ２とコンデンサＣ１とがＬＣフィルタとして機能し、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４（インバータ回路）のスイッチング周波数のリップル電圧を低減する。一般に、ＬＣフィルタの遮断周波数は、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４のスイッチング周波数の１／１０倍に設定され、スイッチング周波数のリップル電圧は１／１００倍（−４０ｄＢ）まで低減される。ＬＣフィルタの遮断周波数はｆｃ＝１／２π√ＬＣであるので、上記したようにバッテリ充電時の力率改善のためにコンデンサＣ１のキャパシタンスを小さくすると、バッテリ放電時に適切なＬＣフィルタの遮断周波数を得るために、インダクタ２４Ｌ１，２４Ｌ２のインダクタンスを大きくする必要がある。その結果、インダクタ２４Ｌ１，２４Ｌ２が大きくなり、装置の大型化を招いてしまう。

【0008】

この点に関し、装置の小型化のために、すなわち、インダクタ２４Ｌ１，２４Ｌ２のインダクタンスを小さくするために、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４のスイッチング周波数を高くし、ＬＣフィルタの遮断周波数を高くすることが考えられる。しかしながら、スイッチング周波数を高くすると、バッテリ放電時のみならず、スイッチング周波数を高くする必要性がないバッテリ充電時にも、スイッチング素子ＳＷ２１〜ＳＷ２４のスイッチング損失が増加してしまう。

【0009】

そこで、本発明は、小型化とスイッチング損失低減との両立が可能な双方向電力変換装置、及び、充放電システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の双方向電力変換装置は、第１の入出力端子対に供給される交流電力を交流−直流変換して第２の入出力端子対へ出力し、前記第２の入出力端子対に供給される直流電力を直流−交流変換して前記第１の入出力端子対へ出力する双方向電力変換装置であって、（ａ）第１の入出力端子対間に接続された容量素子と、（ｂ）第２の入出力端子対間に直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子であって、その間のノードが第１の入出力端子対の一方に電気的に接続された当該第１及び第２のスイッチング素子と、（ｃ）第２の入出力端子対間に直列に接続された第３及び第４のスイッチング素子であって、その間のノードが第１の入出力端子対の他方に電気的に接続された当該第３及び第４のスイッチング素子と、（ｄ）第１〜第４のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第１〜第４の整流素子と、（ｅ）第１及び第２のスイッチング素子の間のノードと容量素子との間、及び、第３及び第４のスイッチング素子の間のノードと容量素子との間のうちの少なくとも何れか一方に接続されたインダクタ素子と、（ｆ）第１〜第４のスイッチング素子をスイッチング制御する制御部とを備え、（ｇ）制御部は、交流−直流変換時のスイッチング周波数よりも直流−交流変換時のスイッチング周波数を高くする。

【0011】

また、本発明の充放電システムは、第１のシステム入出力端子対に供給される交流電力によって第２のシステム入出力端子対に接続される蓄電装置を充電すると共に、蓄電装置に蓄えられた直流電力を第１のシステム入出力端子対へ放電する充放電システムであって、上記した双方向電力変換装置であって、第１の入出力端子対が第１のシステム入出力端子対に電気的に接続された当該双方向電力変換装置と、双方向電力変換装置の第２の入出力端子対に接続された第１の入出力端子対と、第２の入出力端子対とを有し、充電時には、該第１の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該第２の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第１の電力変換部と、第１の電力変換部の第２の入出力端子対間に接続された一次側コイルを有するトランスと、トランスの二次側コイルに接続された第１の入出力端子対と、第２のシステム入出力端子対に電気的に接続された第２の入出力端子対とを有し、充電時には、該第１の入出力端子対に供給される交流電力を直流電力に変換して該直流電力を該第２の入出力端子対へ出力し、放電時には、該第２の入出力端子対に供給される直流電力を交流電力に変換して該交流電力を該第１の入出力端子対へ出力する第２の電力変換部とを備える。

【0012】

この双方向電力変換装置及び充放電システムによれば、制御部によって、交流−直流変換時のスイッチング周波数よりも直流−交流変換時のスイッチング周波数を高くするので、交流−直流変換時の力率改善のために容量素子の容量値を小さくしても、直流−交流変換時、容量素子とインダクタ素子とで構成されるＬＣフィルタの遮断周波数を、第１〜第４のスイッチング素子のスイッチング周波数に相関して高めることができ、インダクタ素子のインダクタンスを小さくすることができる。その結果、インダクタを小さくすることができ、装置の小型化が可能となる。

【0013】

一方、スイッチング周波数を高くする必要性がない交流−直流変換時には、直流−交流変換時よりもスイッチング周波数が低いので、第１〜第４のスイッチング素子のスイッチング損失を低減することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、小型化とスイッチング損失低減との両立が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る充放電システム及び双方向電力変換装置を示す回路図である。

【図2】ＬＣフィルタの利得−周波数特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

【0017】

図１は、本発明の一実施形態に係る充放電システム及び双方向電力変換装置を示す回路図である。図１に示す充放電システム１は、例えば、電気自動車やプラグインハイブリッド車両などの電動車両に搭載され、車載バッテリの充放電を行うものであり、第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２が車両の充電口であり、第２のシステム入出力端子対Ｔ３，Ｔ４がバッテリ２に接続される。なお、バッテリ充電の際には、車両外部の電源（例えば、自宅や共用施設などに設けられた電源コンセント）が、充電ケーブル等を介して第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２に接続され、バッテリ放電の際には、第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２に交流電力が生成されることとなる。

【0018】

この充放電システム１は、ノイズフィルタ１０と、ＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）２０と、コンデンサ２５と、ＤＣ／ＡＣ変換部（第１の電力変換部）３０と、トランス４０と、ＡＣ／ＤＣ変換部（第２の電力変換部）５０と、コンデンサ５５と、制御部６０とを備えている。

【0019】

ノイズフィルタ１０は、第１のシステム入出力端子対Ｔ１，Ｔ２に供給される商用交流電力のノイズを除去するためのものである。ノイズが除去された交流電力は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２へ供給される。

【0020】

ＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）２０は、バッテリ充電時（交流−直流変換時）にはＰＦＣ機能を有する整流回路として機能し、バッテリ放電時（直流−交流変換時）にはインバータ回路として機能する。ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、コンデンサ（容量素子）２１と、インダクタ（インダクタ素子）２２ａ，２２ｂと、第１〜第４のｎ型トランジスタ（スイッチング素子）２３ａ〜２３ｄ及び第１〜第４のダイオード（整流素子）２４ａ〜２４ｄを含むフルブリッジ回路とによって構成されている。なお、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄとしては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor）等の大電力用トランジスタを用いることができる。本実施形態では、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄとしてＩＧＢＴを用いた場合を例示する。

【0021】

ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２間にはコンデンサ２１が接続されている。また、第１の入出力端子対の一方２０Ｔ１は、インダクタ２２ａを介して、第１のトランジスタ２３ａのエミッタ及び第２のトランジスタ２３ｂのコレクタに接続されており、第１の入出力端子対の他方２０Ｔ２は、インダクタ２２ｂを介して、第３のトランジスタ２３ｃのエミッタ及び第４のトランジスタ２３ｄのコレクタに接続されている。

【0022】

第１のトランジスタ２３ａのコレクタは第２の入出力端子対の一方２０Ｔ３に接続されており、第１のトランジスタ２３ａのエミッタは第２のトランジスタ２３ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ２３ｂのエミッタは第２の入出力端子対の他方２０Ｔ４に接続されている。同様に、第３のトランジスタ２３ｃのコレクタは第２の入出力端子対の一方２０Ｔ３に接続されており、第３のトランジスタ２３ｃのエミッタは第４のトランジスタ２３ｄのコレクタに接続されている。第４のトランジスタ２３ｄのエミッタは第２の入出力端子対の他方２０Ｔ４に接続されている。

【0023】

また、第１〜第４のダイオード２４ａ〜２４ｄのアノードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのエミッタに接続されており、第１〜第４のダイオード２４ａ〜２４ｄのカソードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのコレクタに接続されている。

【0024】

このＡＣ／ＤＣ変換部２０の第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４間には、コンデンサ２５が電気的に接続されている。また、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４は、それぞれＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１の入出力端子対３０Ｔ１，３０Ｔ２に接続されている。

【0025】

ＡＣ／ＤＣ変換部３０は、バッテリ充電時にはインバータ回路として機能し、バッテリ放電時には整流回路として機能する。ＡＣ／ＤＣ変換部３０は、第１〜第４のｎ型トランジスタ（スイッチング素子）３１ａ〜３１ｄと、第１〜第４のダイオード（整流素子）３２ａ〜３２ｄとを含むフルブリッジ回路によって構成されている。なお、第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄとしては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の大電力用トランジスタを用いることができる。本実施形態では、第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄとしてＩＧＢＴを用いた場合を例示する。

【0026】

第１のトランジスタ３１ａのコレクタは第１の入出力端子対の一方３０Ｔ１に接続されており、第１のトランジスタ３１ａのエミッタは第２のトランジスタ３１ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ３１ｂのエミッタは第１の入出力端子対の他方３０Ｔ２に接続されている。同様に、第３のトランジスタ３１ｃのコレクタは第１の入出力端子対の一方３０Ｔ１に接続されており、第３のトランジスタ３１ｃのエミッタは第４のトランジスタ３１ｄのコレクタに接続されている。第４のトランジスタ３１ｄのエミッタは第１の入出力端子対の他方３０Ｔ２に接続されている。

【0027】

第１のトランジスタ３１ａのエミッタ及び第２のトランジスタ３１ｂのコレクタはトランス４０の１次側コイルの一方の端子に接続されており、第３のトランジスタ３１ｃのエミッタ及び第４のトランジスタ３１ｄのコレクタはトランス４０の１次側コイルの他方の端子に接続されている。

【0028】

また、第１〜第４のダイオード３２ａ〜３２ｄのアノードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄのエミッタに接続されており、第１〜第４のダイオード３２ａ〜３２ｄのカソードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄのコレクタに接続されている。

【0029】

ここで、車両に搭載される電気機器の接地電位はフローティング電位であり、車両外部の電源と車載バッテリ２とを絶縁する必要がある。トランス４０は、車両外部の電源と車載バッテリ２とを絶縁するためのものである。トランス４０の二次側コイルは、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１の入出力端子対５０Ｔ１，５０Ｔ２に接続されている。

【0030】

ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、バッテリ充電時には整流回路として機能し、バッテリ放電時にはインバータ回路として機能する。ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、第１〜第４のｎ型トランジスタ（スイッチング素子）５１ａ〜５１ｄ及び第１〜第４のダイオード（整流素子）５２ａ〜５２ｄを含むフルブリッジ回路によって構成されている。なお、第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄとしては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の大電力用トランジスタを用いることができる。本実施形態では、第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄとしてＩＧＢＴを用いた場合を例示する。

【0031】

ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１の入出力端子対の一方５０Ｔ１は、第１のトランジスタ５１ａのエミッタ及び第２のトランジスタ５１ｂのコレクタに接続されており、第１の入出力端子対の他方５０Ｔ２は、第３のトランジスタ５１ｃのエミッタ及び第４のトランジスタ５１ｄのコレクタに接続されている。

【0032】

第１のトランジスタ５１ａのコレクタは第２の入出力端子対の一方５０Ｔ３に接続されており、第１のトランジスタ５１ａのエミッタは第２のトランジスタ５１ｂのコレクタに接続されている。第２のトランジスタ５１ｂのエミッタは第２の入出力端子対の他方５０Ｔ４に接続されている。同様に、第３のトランジスタ５１ｃのコレクタは第２の入出力端子対の一方５０Ｔ３に接続されており、第３のトランジスタ５１ｃのエミッタは第４のトランジスタ５１ｄのコレクタに接続されている。第４のトランジスタ５１ｄのエミッタは第２の入出力端子対の他方５０Ｔ４に接続されている。

【0033】

また、第１〜第４のダイオード５２ａ〜５２ｄのアノードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄのエミッタに接続されており、第１〜第４のダイオード５２ａ〜５２ｄのカソードは、それぞれ第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄのコレクタに接続されている。

【0034】

このＡＣ／ＤＣ変換部５０の第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４間には、コンデンサ５５が電気的に接続されている。また、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４は、それぞれ第２のシステム入出力端子対Ｔ３，Ｔ４に接続されている。

【0035】

また、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄ、ＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄ、及び、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄ各々のゲートは、制御部６０に接続されている。制御部６０は、これらのトランジスタにおけるコレクタ−エミッタ間の導通状態をスイッチング制御する制御電圧（又は制御電流）を生成する。

【0036】

また、制御部６０は、バッテリ充電時（交流−直流変換時）とバッテリ放電時（直流−交流変換時）とで、ＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング周波数を変更する。具体的には、制御部６０は、バッテリ充電時のスイッチング周波数よりもバッテリ放電時のスイッチング周波数を高くする。例えば、バッテリ充電時のスイッチング周波数を２０ｋＨｚとし、バッテリ放電時のスイッチング周波数を５０ｋＨｚとする。

【0037】

次に、本実施形態の充放電システム１の動作を説明する。
（バッテリ充電時）

【0038】

まず、バッテリ充電時、制御部６０によって生成された制御電圧が、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第２及び第４のトランジスタ２３ｂ，２３ｄのゲート、及び、ＤＣ／ＡＣ変換部３０の第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄのゲートに供給される。このとき、制御部６０は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第２及び第４のトランジスタ２３ｂ，２３ｄのスイッチング周波数を例えば２０ｋＨｚに設定する。

【0039】

すると、ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、例えば、第１及び第３のトランジスタ２３ａ，２３ｃをオフ状態とし、交流電圧の半周期ごとに第２のトランジスタ２３ｂと第４のトランジスタ２３ｄとを交互にスイッチング制御することによって、第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２に供給される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４へ出力する。

【0040】

このとき、第２のトランジスタ２３ｂをオン状態とし、第４のトランジスタ２３ｄをオフ状態とする半周期では、交流電圧の位相と交流電流の位相とを合わせるように、第２のトランジスタ２３ｂをＰＷＭ制御する。同様に、第２のトランジスタ２３ｂをオフ状態とし、第４のトランジスタ２３ｄをオン状態とする半周期では、交流電圧の位相と交流電流の位相とを合わせるように、第４のトランジスタ２３ｄをＰＷＭ制御する。これにより、ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、ＰＦＣ機能を有する整流回路として機能することとなる。

【0041】

次に、ＤＣ／ＡＣ変換部３０は、インバータとして機能することによって、具体的には、第１及び第４のトランジスタ３１ａ，３１ｄと第２及び第３のトランジスタ３１ｂ，３１ｃとを交互にスイッチング制御することによって、第１の入出力端子対３０Ｔ１，３０Ｔ２に供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を第２の入出力端子対３０Ｔ３，３０Ｔ４へ出力する。

【0042】

次に、ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄをオフ状態とし、第１〜第４のダイオード５２ａ〜５２ｄによって、第１の入出力端子対５０Ｔ１，５０Ｔ２に供給される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４へ出力する。
（バッテリ放電時）

【0043】

一方、バッテリ放電時、制御部６０によって生成された制御電圧が、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのゲート、及び、ＡＣ／ＤＣ変換部５０の第１〜第４のトランジスタ５１ａ〜５１ｄのゲートに供給される。このとき、制御部６０は、ＡＣ／ＤＣ変換部２０の第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング周波数を例えば５０ｋＨｚに設定する。

【0044】

すると、ＡＣ／ＤＣ変換部５０は、インバータとして機能することによって、具体的には、第１及び第４のトランジスタ５１ａ，５１ｄと第２及び第３のトランジスタ５１ｂ，５１ｃとを交互にスイッチング制御することによって、第２の入出力端子対５０Ｔ３，５０Ｔ４に供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を第１の入出力端子対５０Ｔ１，５０Ｔ２へ出力する。

【0045】

次に、ＤＣ／ＡＣ変換部３０は、第１〜第４のトランジスタ３１ａ〜３１ｄをオフ状態とし、第１〜第４のダイオード３２ａ〜３２ｄによって、第２の入出力端子対３０Ｔ３，３０Ｔ４に供給される交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を第１の入出力端子対３０Ｔ１，３０Ｔ２へ出力する。

【0046】

次に、ＡＣ／ＤＣ変換部２０は、インバータとして機能することによって、具体的には、第１及び第４のトランジスタ２３ａ，２３ｄと第２及び第３のトランジスタ２３ｂ，２３ｃとを交互にスイッチング制御することによって、第２の入出力端子対２０Ｔ３，２０Ｔ４に供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を第１の入出力端子対２０Ｔ１，２０Ｔ２へ出力する。

【0047】

ここで、ＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）２０では、バッテリ充電時（交流−直流変換時）、力率改善のためにコンデンサ２１のキャパシタンスを小さくする必要がある。

【0048】

一方、バッテリ放電時（直流−交流変換時）、インダクタ２２ａ，２２ｂとコンデンサ２１とがＬＣフィルタとして機能し、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄ（インバータ回路）のスイッチング周波数のリップル電圧を低減する。一般に、図２に示すように、ＬＣフィルタの遮断周波数ｆｃは、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング周波数ｆｓｗの１／１０倍に設定され、スイッチング周波数ｆｓｗのリップル電圧は１／１００倍（−４０ｄＢ）まで低減される。ＬＣフィルタの遮断周波数はｆｃ＝１／２π√ＬＣであるので、上記したようにバッテリ充電時の力率改善のためにコンデンサ２１のキャパシタンスを小さくすると、バッテリ放電時に適切なＬＣフィルタの遮断周波数を得るために、インダクタ２２ａ，２２ｂのインダクタンスを大きくする必要がある。その結果、インダクタ２２ａ，２２ｂが大きくなり、装置の大型化を招いてしまう。

【0049】

この点に関し、装置の小型化のために、すなわち、インダクタ２２ａ，２２ｂのインダクタンスを小さくするために、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング周波数を高くし、ＬＣフィルタの遮断周波数を高くすることが考えられる。しかしながら、スイッチング周波数を高くすると、バッテリ放電時のみならず、スイッチング周波数を高くする必要性がないバッテリ充電時にも、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング損失が増加してしまう。

【0050】

しかしながら、本実施形態のＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）２０及び充放電システム１によれば、制御部６０によって、バッテリ充電時（交流−直流変換時）のスイッチング周波数よりもバッテリ放電時（直流−交流変換時）のスイッチング周波数を高くするので、バッテリ充電時の力率改善のためにコンデンサ２１のキャパシタンスを小さくしても、バッテリ放電時、コンデンサ２１とインダクタ２２ａ，２２ｂとで構成されるＬＣフィルタの遮断周波数を、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング周波数に相関して高めることができ、インダクタ２２ａ，２２ｂのインダクタンスを小さくすることができる。その結果、インダクタ２２ａ，２２ｂを小さくすることができ、装置の小型化が可能となる。

【0051】

例えば、バッテリ充電時の力率改善のためにコンデンサ２１のキャパシタンスを１μＦとする場合を考える。バッテリ充電時とバッテリ放電時とのスイッチング周波数を同じ２０ｋＨｚとし、バッテリ放電時のＬＣフィルタの遮断周波数を２ｋＨｚとすると、インダクタ２２ａ，２２ｂのインダクタンスは合計６．３ｍＨとなる。その結果、インダクタ２２ａ，２２ｂのサイズはかなり大きくなってしまう。

【0052】

一方、バッテリ放電時のスイッチング周波数を５０ｋＨｚとし、ＬＣフィルタの遮断周波数を５ｋＨｚとすると、インダクタ２２ａ，２２ｂのインダクタンスを２／５倍に小さくすることできる。その結果、インダクタ２２ａ，２２ｂのサイズを小さくすることができる。

【0053】

一方、スイッチング周波数を高くする必要性がないバッテリ充電時には、バッテリ放電時よりもスイッチング周波数が低いので、第１〜第４のトランジスタ２３ａ〜２３ｂのスイッチング損失を低減することができる。

【0054】

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、第１及び第２のスイッチング素子２３ａ，２３ｂの間のノードと容量素子２１の一方の端子との間にインダクタ素子２２ａを備え、かつ、第３及び第４のスイッチング素子２３ｃ，２３ｄの間のノードと容量素子２１の他方の端子との間にインダクタ素子２２ｂを備える形態を例示したが、インダクタ素子２２ａ，２２ｂの何れか一方を備える形態であってもよい。

【0055】

また、本実施形態では、車両外部の電源と車両の充電口とを充電ケーブルで接続することにより車載バッテリの充電を行う手法を例示したが、本発明の特徴はこの手法に限定されない。例えば、近年、充電ケーブルを用いない非接触充電手法が注目されている。本発明の充放電システムは、このような非接触充電手法にも適用可能である。この場合、トランスの二次側を車両に搭載し、一次側を車両外部に設ければよい。

【0056】

また、本実施形態では、車載バッテリ等の充放電を行う大電力系の充放電システムを例示したが、携帯端末等のバッテリの充放電を行う小電力系の充放電システムや、系統電源（商用電源）との連携を行うＰＣＳに接続されるバッテリの充放電を行う充放電システム等の様々なものにも適用可能である。

【符号の説明】

【0057】

１，１Ｘ…充放電システム、Ｔ１，Ｔ２…第１のシステム入出力端子対、Ｔ３，Ｔ４…第２のシステム入出力端子対、２…バッテリ（蓄電装置）、１０…ノイズフィルタ、２０…ＡＣ／ＤＣ変換部（双方向電力変換装置）、２０Ｔ１，２０Ｔ２…第１の入出力端子対、２０Ｔ３，２０Ｔ４…第２の入出力端子対、２１…コンデンサ（容量素子）、２２ａ，２２ｂ…インダクタ（インダクタ素子）、２３ａ〜２３ｄ…第１〜第４のトランジスタ（第１〜第４のスイッチング素子）、２４ａ〜２４ｄ…第１〜第４のダイオード（第１〜第４の整流素子）、２５…コンデンサ、３０…ＤＣ／ＡＣ変換部（第１の電力変換部）、３０Ｔ１，３０Ｔ２…第１の入出力端子対、３０Ｔ３，３０Ｔ４…第２の入出力端子対、３１ａ〜３１ｄ…第１〜第４のトランジスタ、３２ａ〜３２ｄ…第１〜第４のダイオード、４０…トランス、５０…ＡＣ／ＤＣ変換部（第２の電力変換部）、５０Ｔ１，５０Ｔ２…第１の入出力端子対、５０Ｔ３，５０Ｔ４…第２の入出力端子対、５１ａ〜５１ｄ…第１〜第４のトランジスタ、５２ａ〜５２ｄ…第１〜第４のダイオード、５５…コンデンサ、６０…制御部。

【図1】

【図2】