(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022172903
(43)【公開日】2022-11-17
(54)【発明の名称】マルチポートコンバータ及びコンバータシステム
(51)【国際特許分類】
H02J 1/00 20060101AFI20221110BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20221110BHJP
H02M 7/12 20060101ALI20221110BHJP
H02M 3/155 20060101ALI20221110BHJP
B60L 50/60 20190101ALN20221110BHJP
B60L 53/12 20190101ALN20221110BHJP
B60L 53/22 20190101ALN20221110BHJP
B60L 58/10 20190101ALN20221110BHJP
【FI】
H02J1/00 306D
H02J7/00 L
H02M7/12 K
H02M3/155 A
B60L50/60
B60L53/12
B60L53/22
B60L58/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021079242
(22)【出願日】2021-05-07
(71)【出願人】
【識別番号】000125370
【氏名又は名称】学校法人東京理科大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】太田 涼介
(72)【発明者】
【氏名】星 伸一
【テーマコード(参考)】
5G165
5G503
5H006
5H125
5H730
【Fターム(参考)】
5G165AA08
5G165CA02
5G165CA05
5G165DA06
5G165DA07
5G165EA06
5G165FA01
5G165GA09
5G165HA02
5G165HA03
5G165LA01
5G165MA01
5G165NA01
5G165NA03
5G165NA04
5G503AA01
5G503AA07
5G503BA03
5G503BB01
5G503CA01
5G503CC02
5G503DA07
5G503FA06
5G503GB03
5G503GB06
5H006BB05
5H006CA02
5H006CB01
5H006CB08
5H006CB09
5H006DA04
5H125AA01
5H125AC12
5H125AC26
5H125BB05
5H125BB07
5H125BC21
5H125DD02
5H125EE12
5H125EE13
5H125FF16
5H730AA15
5H730AS04
5H730AS05
5H730BB13
5H730BB14
5H730BB86
5H730CC05
5H730CC17
5H730DD04
5H730EE13
(57)【要約】
【課題】小型でかつ高効率のマルチポートコンバータ及びコンバータシステムを得る。
【解決手段】コンバータは、充電及び放電する蓄電部が接続される第1の直流ポートの電圧を昇圧して高電圧ラインを形成し、交流ポートより供給された交流電流を直流変換し、前記第1の直流ポート側及び前記高電圧ライン側の少なくとも一方に、前記直流変換された電流を流す第1の電力変換部と、前記第1の電力変換部で形成した高電圧ラインの直流電圧を直接もしくは降圧し、負荷が接続された第2の直流ポート側に出力する第2の電力変換部と、を備える。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
充電及び放電する蓄電部が接続される第1の直流ポートの電圧を昇圧して高電圧ラインを形成し、交流ポートより供給された交流電流を直流変換し、前記第1の直流ポート側及び前記高電圧ライン側の少なくとも一方に、前記直流変換された電流を流す第1の電力変換部と、
前記第1の電力変換部で形成した高電圧ラインの直流電圧を直接もしくは降圧し、負荷が接続された第2の直流ポート側に出力する第2の電力変換部と、
を備えたマルチポートコンバータ。
【請求項2】
前記第1の電力変換部は、
第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とが直列接続された第1のスイッチング素子群と、第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とが直列接続された第2のスイッチング素子群と、が並列接続され、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子の第1の接続点と前記蓄電部が接続された前記第1の直流ポートのプラス端との間に第1のコイルが接続され、前記第1の接続点と、前記第3のスイッチング素子及び前記第4のスイッチング素子の第2の接続点と、が前記交流ポートとなる構成であり、
前記第2の電力変換部は、
第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子とが直列接続された第3のスイッチング素子群と、第1のコンデンサと、が並列接続され、前記第5のスイッチング素子及び前記第6のスイッチング素子の第3の接続点と前記第2の直流ポートのプラス端側との間に第2のコイルが接続され、
前記第1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群のハイレベル端と前記第3のスイッチング素子群のハイレベル端とが接続され、
前記第1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群のローレベル端と前記第3のスイッチング素子群のローレベル端とが前記蓄電部を介して接続されている
請求項1記載のマルチポートコンバータ。
【請求項3】
前記第3のスイッチング素子群のハイレベル端と前記第2の直流ポートのプラス端側との間に接続された第7のスイッチング素子
を備えた請求項2記載のマルチポートコンバータ。
【請求項4】
前記第3のスイッチング素子及び前記第4のスイッチング素子の第2の接続点と前記第1の直流ポートのプラス端との間に接続された第3のコイル
を備えた請求項2又は請求項3記載のマルチポートコンバータ。
【請求項5】
前記第1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群と並列接続された第2のコンデンサと、
前記第1の直流ポートのプラス端側と第2の直流ポートのプラス端側との間に接続された第3のコンデンサと、
を備えた請求項2~4の何れか1項に記載のマルチポートコンバータ。
【請求項6】
前記第2の直流ポートに単相もしくは二相以上のインバータが接続され、
第7のスイッチング素子と第8のスイッチング素子とが直列接続された第4のスイッチング素子群が、前記第1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群と並列接続され、
前記第7のスイッチング素子と前記第8のスイッチング素子との第4の接続点と、前記第1の直流ポートのプラス端との間に第4のコイルが接続され、
前記第1の接続点と、前記第2の接続点と、前記第7のスイッチング素子及び前記第8のスイッチング素子の第4の接続点と、が前記交流ポートとなる構成である
請求項2~5の何れか1項に記載のマルチポートコンバータ。
【請求項7】
請求項1~6の何れか1項に記載のマルチポートコンバータと、
前記交流ポートからの前記交流電流の供給の有無及び前記第2の直流ポート側に供給すべき直流電圧の大きさに応じて、前記第1の電力変換部及び前記第2の電力変換部における制御を切り替える制御部と、
を備えたコンバータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
開示の技術は、マルチポートコンバータ及びコンバータシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、カーボンニュートラルを目標に、電気自動車(EV: Electric Vehicle)の普及が求められている。しかし、バッテリシステム等に課題を抱え、まだ普及には至っていない。特許文献1には、EVのバッテリシステムに関する技術が開示されている。
【0003】
EVが普及に至らない主な原因として、「一充電あたりの航続距離が短い」、「充電時間が長い」、「価格が高い」ことが挙げられる。航続距離については、バッテリ容量を大きくすることで伸ばすことができるが、車体重量の増加(電費の悪化)、充電時間の増加、車体の高価格化を招いてしまう。さらには、ライフ・サイクル・アセスメントにおける評価を下げることにもつながってしまう。
【0004】
これらの問題は、EVのバッテリ充電システムに走行中非接触給電(DWPT:Dynamic Wireless Power Transfer)技術を用いることで、解決できる可能性がある。走行中給電は、EVと道路にコイルを埋め込み、電磁誘導を用いることで可能となり、バッテリの小容量化と航続距離の飛躍的な伸張を同時に実現できる。つまり、DWPTは、EVの普及に欠かせない技術である。しかし、まだ、大衆向けEVへの適用は実現できていない。これは、EV向けの大容量DWPT技術には様々な課題があるためである。特にその中でも、電力変換効率の高効率化は重要課題である。これは、効率が低いと、大容量化と共に熱冷却機構も巨大化し、車内空間を圧迫するためである。特にDWPTシステムは高周波電圧・電流を扱っていることに加え、電力変換回数(電力変換回路の段数)が多く、効率が低いため、重要な課題となる。つまり、さらなる高効率化を行わない限り、EVが走行中に必要とする電力を十分に給電できる、大容量のDWPTシステムを車載できない。
【0005】
そして、さらなる車内空間確保のためには、DWPTシステムのみならず、モータドライブ(MD)システムも考慮した車載パワーエレクトロニクスシステム全体で高効率化を行う必要がある。しかし、DWPTシステムとMDシステムを同時に高効率化しようとする試みはこれまでになく、異なる研究課題として検討されてきた。これは、両システムを統合できるコンバータが存在しなかったためで、それぞれに高効率化手法を適用しようとした場合、複数のコンバータが必要となり、スイッチング素子の数と電力変換回数の増加、つまり大型化と効率の低下を招いてしまう。
【0006】
これらの課題に対し、DWPTシステム及びMDシステムを統合した小型でかつ高効率のマルチポートアクティブブリッジ(MAB;Multi-port Active Bridge)コンバータが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
開示の技術は、小型でかつ高効率のマルチポートコンバータ及びコンバータシステムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため、第1態様に係るマルチポートコンバータは、充電及び放電する蓄電部が接続される第1の直流ポートの電圧を昇圧して高電圧ラインを形成し、交流ポートより供給された交流電流を直流変換し、前記第1の直流ポート側及び前記高電圧ライン側の少なくとも一方に、前記直流変換された電流を流す第1の電力変換部と、前記第1の電力変換部で形成した高電圧ラインの直流電圧を直接もしくは降圧し、負荷が接続された第2の直流ポート側に出力する第2の電力変換部と、を備える。
【0010】
第1態様に係るマルチポートコンバータにおいて、前記第1の電力変換部は、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とが直列接続された第1のスイッチング素子群と、第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とが直列接続された第2のスイッチング素子群と、が並列接続され、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子の第1の接続点と前記蓄電部が接続された前記第1の直流ポートのプラス端との間に第1のコイルが接続され、前記第1の接続点と、前記第3のスイッチング素子及び前記第4のスイッチング素子の第2の接続点と、が前記交流ポートとなる構成であり、前記第2の電力変換部は、第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子とが直列接続された第3のスイッチング素子群と、第1のコンデンサと、が並列接続され、前記第5のスイッチング素子及び前記第6のスイッチング素子の第3の接続点と前記第2の直流ポートのプラス端側との間に第2のコイルが接続され、前記第1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群のハイレベル端と前記第3のスイッチング素子群のハイレベル端とが接続され、前記第1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群のローレベル端と前記第3のスイッチング素子群のローレベル端とが前記蓄電部を介して接続されている構成としてもよい。
【0011】
第1態様に係るマルチポートコンバータにおいて、前記第3のスイッチング素子群のハイレベル端と前記第2の直流ポートのプラス端側との間に接続された第7のスイッチング素子を備えた構成としてもよい。
【0012】
第1態様に係るマルチポートコンバータにおいて、前記第3のスイッチング素子及び前記第4のスイッチング素子の第2の接続点と前記第1の直流ポートのプラス端との間に接続された第3のコイルを備えた構成としてもよい。
【0013】
第1態様に係るマルチポートコンバータにおいて、前記1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群と並列接続された第2のコンデンサと、前記第1の直流ポートのプラス端側と第2の直流ポートのプラス端側との間に接続された第3のコンデンサと、を備えた構成としてもよい。
【0014】
第1態様に係るマルチポートコンバータにおいて、前記第2の直流ポートに単相もしくは二相以上のインバータが接続され、第7のスイッチング素子と第8のスイッチング素子とが直列接続された第4のスイッチング素子群が、前記第1のスイッチング素子群及び前記第2のスイッチング素子群と並列接続され、前記第7のスイッチング素子と前記第8のスイッチング素子との第4の接続点と、前記第1の直流ポートのプラス端との間に第4のコイルが接続され、前記第1の接続点と、前記第2の接続点と、前記第7のスイッチング素子及び前記第8のスイッチング素子の第4の接続点と、が前記交流ポートとなる構成である構成としてもよい。
【0015】
第2態様に係るコンバータシステムは、第1態様に係るマルチポートコンバータと、前記交流ポートからの前記交流電流の供給の有無及び前記第2の直流ポート側に供給すべき直流電圧の大きさに応じて、前記第1の電力変換部及び前記第2の電力変換部における制御を切り替える制御部と、を備える。
【発明の効果】
【0016】
開示の技術によれば、小型でかつ高効率のマルチポートコンバータ及びコンバータシステムを得ることができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【
図3】走行モード、給電状態、走行状態、及び電力変換回数の対応関係を示す表である。
【
図4】低速モードにおけるマルチポートコンバータの状態を示す回路図である。
【
図5】中高速モードにおけるマルチポートコンバータの状態を示す回路図である。
【
図6】スタティックWPTモードにおけるマルチポートコンバータの状態を示す回路図である。
【
図7】低速DWPTモードにおけるマルチポートコンバータの状態を示す回路図である。
【
図8】中速DWPTモードにおけるマルチポートコンバータの状態を示す回路図である。
【
図9】高速DWPTモードにおけるマルチポートコンバータの状態を示す回路図である。
【
図10】従来例に係るマルチポートコンバータの回路図である。
【
図11】変形例に係るマルチポートコンバータの回路図である。
【
図12】変形例に係るマルチポートコンバータの回路図である。
【
図13】変形例に係るマルチポートコンバータの回路図である。
【
図14】変形例に係るマルチポートコンバータの回路図である。
【
図15】変形例に係るマルチポートコンバータの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0019】
図1は、本実施形態に係るマルチポートコンバータの回路図である。
図1に示すように、マルチポートコンバータCVは、第1の電力変換部PC1及び第2の電力変換部PC2を備え、蓄電部の一例としてのバッテリーVAと接続される。
【0020】
なお、本実施形態では、バッテリーVAが、電気自動車(EV)に搭載された駆動源としてのモータに電力を供給するバッテリーである場合について説明する。
【0021】
また、本実施形態では、マルチポートコンバータCVが、道路等の地上側に設けられた一次コイルと、電気自動車側に設けられた二次コイルと、を含む共振回路による電磁誘導により発生した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリーVAに蓄電すると共に、モータMを駆動するインバータIVに供給するマルチポートコンバータである場合について説明する。
【0022】
第1の電力変換部PC1は、充電及び放電するバッテリーVAが接続される第1の直流ポートDP1の電圧を昇圧して高電圧ラインHVLを形成し、交流ポートAPより供給された交流電流を直流変換し、第1の直流ポートDP1側及び高電圧ラインHVL側の少なくとも一方に、直流変換された電流を流す。なお、本実施形態では、交流ポートAPには、前述したように、道路等の地上側に設けられた一次コイルと、電気自動車側に設けられた二次コイルと、を含む共振回路による電磁誘導により発生した交流電圧が漏れインダクタンス及び補償キャパシタを介することで交流電流として流入する場合、すなわちマルチポートコンバータCVがワイヤレス給電に用いられる場合について説明するが、これに限られない。例えば、交流ポートAPに電力系統、発電機等の電源システム及び電力変換器から出力された交流電圧が印加されてもよい。
【0023】
バッテリーVAは、第1の直流ポートDP1から、第1の電力変換部PC1により直流変換された電流によって充電されると共に、充電された電荷を放電する。すなわち、バッテリーVAは、充放電が可能な二次電池である。なお、バッテリーVAの両端の電圧をEbatで表す。
【0024】
第2の電力変換部PC2は、第1の電力変換部PC1で形成した高電圧ラインHVLの直流電圧を降圧した電圧を、負荷の一例としてのモータMを駆動するインバータIVが接続された第2の直流ポートDP2側に出力する。なお、インバータIVに印加される電圧をEinv、インバータIVに供給される電流をIinvで表す。
【0025】
具体的には、第1の電力変換部PC1は、第1のスイッチング素子S1と第2のスイッチング素子S2とが直列接続された第1のスイッチング素子群と、第3のスイッチング素子S3と第4のスイッチング素子S4とが直列接続された第2のスイッチング素子群と、が並列接続され、第1のスイッチング素子S1及び第2のスイッチング素子S2の第1の接続点A1とバッテリーVAが接続された第1の直流ポートDP1のプラス端との間に第1のコイルL1が接続され、第1の接続点A1と、第3のスイッチング素子S3及び第4のスイッチング素子S4の第2の接続点A2と、が交流ポートAPとなる構成である。
【0026】
また、第1の電力変換部PC1は、第3のスイッチング素子S3及び第4のスイッチング素子S4の第2の接続点A2と第1の直流ポートDP1のプラス端との間に接続された第3のコイルL3を備える。
【0027】
また、第1の電力変換部PC1は、第4のスイッチング素子S4と並列接続された第2のコンデンサC2を備える。なお、コンデンサC2の両端の電圧をE2で表す。
【0028】
交流ポートAPの交流電圧Vacは、高電圧ラインHVLと第1の電力変換部PC1の制御により生成された電圧である。第1の電力変換部PC1には、交流ポートAPから交流電流Iacが供給される。交流電流Iacは、道路等の地上側に設けられた一次コイルと、マルチポートコンバータCVが搭載された自動車側に設けられた二次コイルと、を含む共振回路による電磁誘導により発生した交流電流である。
【0029】
交流電流Iacは、第1の電力変換部PC1によって直流電流Ibatに変換され、バッテリーVA及び高電圧ラインHVLに供給される。
【0030】
第2の電力変換部PC2は、第5のスイッチング素子S5と第6のスイッチング素子S6とが直列接続された第3のスイッチング素子群と、第1のコンデンサC1と、が並列接続され、第5のスイッチング素子S5及び第6のスイッチング素子S6の第3の接続点A3と第2の直流ポートDP2のプラス端側との間に第2のコイルL2が接続され、第1のスイッチング素子群及び第2のスイッチング素子群のハイレベル端Ph1と第3のスイッチング素子群のハイレベル端Ph2とが接続され、第1のスイッチング素子群及び第2のスイッチング素子群のローレベル端Pl1と第3のスイッチング素子群のローレベル端Pl2とがバッテリーVAを介して接続されている。
【0031】
また、第2の電力変換部PC2は、第1の直流ポートDP1のプラス端側と第2の直流ポートDP2のプラス端側との間に接続された第3のコンデンサC3を備える。なお、コンデンサC3の両端の電圧をE3で表す。
【0032】
図2に示すように、制御部CTは、マルチポートコンバータCVの第1のスイッチング素子S
1、第2のスイッチング素子S
2、第3のスイッチング素子S
3、第4のスイッチング素子S
4、第5のスイッチング素子S
5、及び第6のスイッチング素子S
6と接続されている。
【0033】
制御部CTは、交流ポートAPからの交流電流Iacの供給の有無及び第2の直流ポートDP2側に供給すべき直流電圧の大きさに応じて、第1の電力変換部PC1及び第2の電力変換部PC2における制御、すなわち、第1のスイッチング素子S1、第2のスイッチング素子S2、第3のスイッチング素子S3、第4のスイッチング素子S4、第5のスイッチング素子S5、及び第6のスイッチング素子S6の制御方法を切り替える。なお、マルチポートコンバータCV及び制御部CTによりコンバータシステムCVSが構成される。
【0034】
具体的には、制御部CTは、電気自動車の走行モードに応じて、各スイッチング素子の制御方法を切り替える。
【0035】
本実施形態では、走行モードとして以下の6個の走行モードがある場合について説明するが、走行モードの種類はこれに限られるものではない。
【0036】
(1)低速モード
(2)中高速モード
(3)スタティックWPTモード
(4)低速DWPTモード
(5)中速DWPTモード
(6)高速DWPTモード
【0037】
図3には、各走行モードにおけるDWPTの給電状況、電気自動車の走行状態、本実施形態に係るマルチポートコンバータCVの電力変換回数、及び従来のコンバータCV2における電力変換回数の対応関係を示した。なお、電力変換回数については後述する。
【0038】
図3に示すように、(1)低速モード及び(2)中高速モードでは、DWPTによる給電は無い。すなわち、電気自動車は、一次コイルが設けられていない道路を走行中であり、前述した電磁誘導によってバッテリーVAを充電することができない状態である。
【0039】
また、(3)スタティックWPTモード、(4)低速DWPTモード、(5)中速DWPTモード、(6)高速DWPTモードは、DWPTによる給電は有る。すなわち、電気自動車は、一次コイルが設けられている道路上で停止、もしくはを走行中であり、前述した電磁誘導によってバッテリーVAを充電することができる状態である。
【0040】
なお、低速とは、電気自動車の走行速度が一例として0km/h以上で且つ40km/h未満の範囲の速度であることをいう。また、中速とは、電気自動車の走行速度が一例として40km/h以上で且つ80km/h未満の範囲の速度であることをいう。また、高速とは、電気自動車の走行速度が一例として80km/h以上の速度であることをいう。
【0041】
以下、各走行モードにおける各スイッチング素子の制御について説明する。
【0042】
(1)低速モード
【0043】
低速モードは、DWPTによる給電が無い状態かつ低速で走行している状態である。給電がないためバッテリーVAに充電することはできない。また、低速で走行するため、中速及び高速で走行する場合と比較してモータMに供給する電力は少ない。低速モードの場合、制御部CTは、第6のスイッチング素子S6のみ常時オン信号を与え、それ以外のスイッチング素子に常時オフ信号を与える。
【0044】
図4には、DWPTによる給電が無い、すなわち交流ポートAPからの交流電流の流入はなく、第6のスイッチング素子S
6のみオン信号を与えた状態を示した。
図4では、動作に関係ない回路部分をグレーアウトで示し、電流の流れを矢印で示している(後述する
図5以降も同様)。
【0045】
図4に示すように、低速モードでは、交流ポートAPに交流電圧は印加されない。また、バッテリーVAからの電流が第6のスイッチング素子S
6、第2のコイルL
2を通って第2の直流ポートDP2のプラス端に供給される。すなわち、第2の電力変換部PC2では電力変換が行われず、バッテリーVAの端子間電圧E
batが第2の直流ポートDP2に直接印加される。
【0046】
低速モードにおける電力変換回数の合計は、インバータIVによる1回である。なお、電力変換回数の合計とは、交流ポートAPに交流電流が流入してからインバータIVから交流電圧がモータMに出力されるまでに行われる電力変換回数の和である。
【0047】
(2)中高速モード
【0048】
中高速モードは、DWPTによる給電が無い状態かつ中速又は高速で走行している状態である。給電がないためバッテリーVAを充電することはできない。中速又は高速で走行するため、低速で走行する場合と比較してモータMに供給する電力は多い。中高速モードの場合、制御部CTは、第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4にオンオフ信号を与え、第5のスイッチング素子S5に常時オン信号を与え、第6のスイッチング素子S6に常時オフ信号を与える。このとき、交流ポートAPに交流電圧を発生させないよう、第1のスイッチング素子群及び第2のスイッチング素子群は同位相で制御する。
【0049】
図5には、DWPTによる給電が無い、すなわち交流ポートAPに交流電流の流入がなく、第1のスイッチング素子S
1~第4のスイッチング素子S
4にオンオフ信号を与え、第5のスイッチング素子S
5に常時オン信号を与え、第6のスイッチング素子S
6には常時オフ信号を与えている状態を示した。
【0050】
図5に示すように、交流ポートAPに交流電流が流入しない。また、バッテリーVAからの電流が第1のコイルL
1、第1のスイッチング素子群を通って高電圧ラインHVLに流れる。また、バッテリーVAからの電流が第3のコイルL
3、第2のスイッチング素子群を通って高電圧ラインHVLに流れる。高電圧ラインHVLを流れる電流は、第5のスイッチング素子S
5、第2のコイルL
2を通って第2の直流ポートDP2のプラス端に供給される。このとき、第2の電力変換部PC2では電力変換が行われない。すなわち、第1の電力変換部PC1がバッテリーVAの電圧を昇圧して高電圧ラインHVLを形成し、その高電圧ラインHVLの電圧が第2の直流ポートDP2に直接印加される。
【0051】
中高速モードにおける電力変換の回数は、第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4による電力変換において1回、インバータIVによる電力変換において1回、の合計2回である。
【0052】
(3)スタティックWPTモード
【0053】
スタティックWPTモードは、WPTによる給電が有る状態で停止した状態である。給電があるため、バッテリーVAを充電することができる。スタティックWPTモードの場合、制御部CTは、第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4にオンオフ信号を与え、その他のスイッチング素子には常時オフ信号を与える。
【0054】
図6には、DWPTによる給電が有る、すなわち交流ポートAPに交流電流が流入し、第1のスイッチング素子S
1~第4のスイッチング素子S
4にオンオフ信号を与え、整流している状態を示した。
【0055】
図6に示すように、交流ポートAPに交流電流が流入する。また、交流電流I
acが第1の電力変換部PC1で直流電流に変換され、バッテリーVAに供給される。これによりバッテリーVAが充電される。
【0056】
スタティックWPTモードにおける電力変換回数の合計は、第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4による電力変換の1回である。
【0057】
(4)低速DWPTモード
【0058】
低速DWPTモードは、DWPTによる給電が有る状態かつ低速で走行している状態である。低速で走行するので中高速で走行する場合と比較して電力消費は少ない。DWPTによる給電電力量がモータMの消費電力量よりも多い場合は、モータMを駆動しながらバッテリーVAを充電することができる。低速DWPTモードの場合、制御部CTは、第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4にオンオフ信号を与え、第5のスイッチング素子S5に常時オフ信号を与え、第6のスイッチング素子S6に常時オン信号を与える。
【0059】
図7には、DWPTによる給電が有る、すなわち交流ポートAPに交流電流が流入し、第1のスイッチング素子S
1~第4のスイッチング素子S
4にオンオフ信号を与え、第5のスイッチング素子S
5に常時オフ信号を与え、第6のスイッチング素子S
6に常時オン信号を与えている状態を示した。
【0060】
図7に示すように、交流ポートAPに交流電流が流入する。また、交流電流I
acが第1の電力変換部PC1で直流電流に変換され、第3のスイッチング素子群のローレベル端P
l2に流れ込む。DWPTによる給電電力がモータMで消費される電力を上回る場合、バッテリーVAが充電される。一方、DWPTによる給電電力がモータMで消費される電力を下回る場合、バッテリーVAは放電する。また、第1の電力変換部PC1で変換された直流電流、及びバッテリVAから放電された直流電流は、第6のスイッチング素子S
6、第2のコイルL2を通って第2の直流ポートDP2のプラス端に流れる。これにより、インバータIVで変換された交流電圧がモータMに印加される。
【0061】
低速DWPTモードにおける電力変換回数の合計は、第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4による電力変換及びインバータIVによる電力変換の2回である。
【0062】
(5)中速DWPTモード
【0063】
中速DWPTモードは、DWPTによる給電が有る状態かつ中速で走行している状態である。中速で走行するので、低速で走行する場合と比較して電力消費は多く、高速で走行する場合と比較して電力消費は少ない。DWPTによる給電電力量がモータMの消費電力量よりも多い場合は、モータMを駆動しながらバッテリーVAを充電することができる。中速DWPTモードの場合、制御部CTは、第1のスイッチング素子S1~第6のスイッチング素子S6にオンオフ信号を与える。
【0064】
図8には、DWPTによる給電が有る、すなわち交流ポートAPに交流電流が流入し、第1のスイッチング素子S
1~第6のスイッチング素子S
6にオンオフ信号を与えている状態を示した。
【0065】
図8に示すように、交流ポートAPに交流電流が流入する。加えて、第1の電力変換部PC1はバッテリーVAの電圧を昇圧して高電圧ラインHVLを形成する。また、交流電流I
acが第1の電力変換部PC1で直流電流に変換される。DWPTによる給電電力がモータMで消費される電力よりも多い場合、電力変換部PC1で直流変換された電流は高電圧ラインHVL及びバッテリーVAに流れ込む、すなわちバッテリーVAは充電される。一方、DWPTによる給電電力がモータMで消費される電力よりも少ない場合、バッテリーVAは放電され、その放電された電流は、電力変換部PC1で直流変換された電流と共に高電圧ラインHVLに流れ込む。高電圧ラインHVLの電圧及び電流は、電力変換部PC2で降圧され、第2の直流ポートDP2のプラス端に供給される。すなわち、第1の電力変換部PC1によりバッテリーVAの電圧を昇圧して高電圧ラインHVLを形成し、第2の電力変換部PC2により高電圧ラインHVLの電圧を降圧し、直流ポートDP2に印加する。これにより、インバータIVで変換された交流電圧がモータMに印加される。
【0066】
中速DWPTモードにおける電力変換回数の合計は、第1の電力変換部PC1、第2の電力変換部PC2、及びインバータIVによる電力変換の3回である。
【0067】
(6)高速DWPTモード
【0068】
高速DWPTモードは、DWPTによる給電が有る状態かつ高速で走行している状態である。高速で走行するため、低速及び中速で走行する場合と比較して電力消費は多い。DWPTによる給電電力量がモータMの消費電力量よりも多い場合は、モータMを駆動しながらバッテリーVAを充電することができる。中速DWPTモードの場合、制御部CTは、第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4にオンオフ信号を与え、第5のスイッチング素子S5に常時オン信号を与え、第6のスイッチング素子S6に常時オフ信号を与える。
【0069】
図9には、DWPTによる給電が有る、すなわち交流ポートAPに交流電流が流入し、第1のスイッチング素子S
1~第4のスイッチング素子S
4にオンオフ信号を与え、第5のスイッチング素子S
5に常時オン信号を与え、第6のスイッチング素子S
6に常時オフ信号を与えている状態を示した。
【0070】
図9に示すように、交流ポートAPに交流電流が流入する。加えて、第1の電力変換部PC1はバッテリーVAの電圧を昇圧して高電圧ラインHVLを形成する。また、交流電流I
acが第1の電力変換部PC1で直流電流に変換される。DWPTによる給電電力がモータMで消費される電力よりも多い場合、電力変換部PC1で直流変換された電流は高電圧ラインHVL及びバッテリーVAに流れ込む、すなわちバッテリーVAは充電される。一方、DWPTによる給電電力がモータMで消費される電力よりも少ない場合、バッテリーVAは放電され、その放電された電流は、電力変換部PC1で直流変換された電流と共に高電圧ラインHVLに流れ込む。高電圧ラインHVLの電流は、第5のスイッチング素子S
5及び第2のコイルを経由して、第2の直流ポートDP2のプラス端に供給される。すなわち、第1の電力変換部PC1によりバッテリーVAの電圧を昇圧して高電圧ラインHVLを形成し、その高電圧ラインHVLの電圧が直接、第2の直流ポートDP2に印加される。これにより、インバータIVで変換された交流電圧がモータMに印加される。
【0071】
高速DWPTモードにおける電力変換回数の合計は、第1の電力変換部PC1及びインバータIVによる電力変換の2回である。
【0072】
ここで、電力変換の回数を比較するために、従来のコンバータの一例を簡単に説明する。
【0073】
図10には、従来におけるコンバータCV2の構成を示した。
図10に示すように、コンバータCV2は、第1のスイッチング素子S
1~第8のスイッチング素子S
8と、第1のコンデンサC
1及び第2のコンデンサC
2と、第1のコイルL
1及び第2のコイルL
2と、を含んで構成される。
【0074】
第1のスイッチング素子S1~第4のスイッチング素子S4はAC/DCコンバータを構成する。また、第1のコンデンサC1と、第5のスイッチング素子S5及び第6のスイッチング素子S6と、第1のコイルL1と、は降圧DC/DCコンバータを構成する。また、第2のコイルL2と、第7のスイッチング素子S7及び第8のスイッチング素子S8と、第2のコンデンサC2と、は昇圧DC/DCコンバータを構成する。
【0075】
このような構成のコンバータCV2において、(1)低速モードにおける電力変換の回数は、インバータIVによる電力変換の1回である。
【0076】
また、(2)中高速モードにおける電力変換の回数は、昇圧DC/DCコンバータ及びインバータIVによる電力変換の2回である。
【0077】
また、(3)スタティックWPTモードにおける電力変換の回数は、AC/DCコンバータ及び降圧DC/DCコンバータによる電力変換の2回である。
【0078】
また、(4)低速DWPTモードにおける電力変換の回数は、AC/DCコンバータ、降圧DC/DCコンバータ、及びインバータIVによる電力変換の3回である。
【0079】
また、(5)中速DWPTモード及び(6)高速DWPTモードにおける電力変換の回数は、AC/DCコンバータ、降圧DC/DCコンバータ、昇圧DC/DCコンバータ、 及びインバータIVによる電力変換の4回である。
【0080】
従って、
図3に示すように、本実施形態に係るマルチポートコンバータCV及び従来例に係るコンバータCV2の電力変換回数を比較すると、本実施形態に係るマルチポートコンバータCVは、給電有りの(3)スタティックWPTモード、(4)低速DWPTモード、(5)中速DWPTモード、(6)高速DWPTモードにおいて、電力変換回数が従来例に係るコンバータCV2よりも少ない。加えて、(2)中高速モードにおいては、従来例に係るコンバータCV2の昇圧DC/DCコンバータが一相であることに対し、本実施形態に係るマルチポートコンバータCVにおける第1の電力変換部PC1は、二相の昇圧DC/DCコンバータとして動作するため、昇圧時の電流を分流でき、導通損失を大きく軽減できる。すなわち、本実施形態に係るマルチポートコンバータCVの方が、従来例におけるコンバータCV2と比較して、高効率のコンバータであるといえる。また、本実施形態に係るマルチポートコンバータCVは、スイッチング素子が6個であるのに対し、従来例におけるコンバータCV2は、スイッチング素子が8個である。すなわち、本実施形態に係るマルチポートコンバータCVの方が、従来例におけるコンバータCV2と比較して、低コスト化かつ小型化が可能なコンバータであるといえる。
【0081】
なお、上記実施形態は、本発明の構成例を例示的に説明するものに過ぎない。開示の技術は上記の具体的な形態には限定されることはなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。以下変形例について説明する。
【0082】
<変形例1>
【0083】
例えば、
図11に示すように、第3のコンデンサC
3と直列接続された第7のスイッチング素子S
7を設けた構成としてもよい。第7のスイッチング素子S
7には、中高速モード及び高速DWPTモードにおいて常時オン信号を与え、スイッチング素子S
5には常時オフ信号を与える。これにより、
図1の構成ではスイッチング素子S
5及び第2のコイルL
2を流れていた電流が、スイッチング素子S
7を流れるようになる。このため、第2のコイルL
2における導通損失がゼロとなる。
【0084】
<変形例2>
【0085】
例えば、
図12に示すように、バッテリーVAに代えて、大容量のキャパシタC
4を用いた構成としてもよい。
【0086】
<変形例3>
【0087】
例えば、
図13に示すように、第3のコイルL
3を省略した構成としてもよい。
【0088】
<変形例4>
【0089】
例えば、
図14に示すように、第2のコンデンサC
2及び第3のコンデンサC
3を省略した構成としてもよい。
【0090】
<変形例5>
【0091】
本実施形態では、マルチポートコンバータCVが電気自動車に使用される場合について説明したが、これに限られない。例えば、マルチポートコンバータCVを無停電電源、非常用電源に使用してもよい。
【0092】
図15には、マルチポートコンバータCVを無停電電源に使用する場合の構成を示した。
図15に示すように、
図1の構成と異なるのは、交流ポートAPが3端子である点、第4のコイルL
4、第7のスイッチング素子S
7及び第8のスイッチング素子S
8からなる第4のスイッチング素子群が追加されている点である。第4のスイッチング素子群は、第1のスイッチング素子群及び第2のスイッチング素子群と並列接続される。第4のコイルL
4は、第7のスイッチング素子S
7及び第8のスイッチング素子S
8の第4の接続点A
4と第1の直流ポートDP1との間に接続される。この場合、インバータIVは、単相インバータ又は二相以上のインバータで構成される。このような構成により、無停電電源システム、非常用電源システム等の電気自動車以外の用途についても電力を高効率で変換できると共に、装置を小型化することができる。
【符号の説明】
【0093】
CV マルチポートコンバータ
CV2 コンバータ
CVS コンバータシステム
PC1 第1の電力変換部
PC2 第2の電力変換部
VA バッテリー
IV インバータ
M モータ