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(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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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】
【特許文献1】特表２０２０－５３７４７４号公報
【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1】マルチポートコンバータの回路図である。
【図2】コンバータシステムの構成図である。
【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
（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Ｓ６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Ｓ６、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Ｅｂａｔ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Ｌ１、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Ｌ３、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Ｓ５、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Ｓ１～第４のスイッチング素子Ｓ４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Ｉａｃ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Ｉａｃ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Ｐｌ２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Ｓ６、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Ｓ１～第６のスイッチング素子Ｓ６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Ｉａｃ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Ｉａｃ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Ｓ５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Ｓ１～第８のスイッチング素子Ｓ８と、第１のコンデンサＣ１及び第２のコンデンサＣ２と、第１のコイルＬ１及び第２のコイルＬ２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Ｃ３と直列接続された第７のスイッチング素子Ｓ７を設けた構成としてもよい。第７のスイッチング素子Ｓ７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Ｓ５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Ｓ５及び第２のコイルＬ２を流れていた電流が、スイッチング素子Ｓ７を流れるようになる。このため、第２のコイルＬ２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Ｃ４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Ｌ３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Ｃ２及び第３のコンデンサＣ３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Ｌ４、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Ｌ４は、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の第４の接続点Ａ４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
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
