特開 2024-121204 電力変換装置および充放電システム

(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】P2024121204

(43)【公開日】2024-09-06

(54)【発明の名称】電力変換装置および充放電システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240830BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240830BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240830BHJP

   H01M 10/615 20140101ALI20240830BHJP

   H01M 10/625 20140101ALI20240830BHJP

   H01M 10/633 20140101ALI20240830BHJP

   H01M 10/637 20140101ALI20240830BHJP

   B60L 50/60 20190101ALN20240830BHJP

   B60L 53/14 20190101ALN20240830BHJP

   B60L 53/22 20190101ALN20240830BHJP

   B60L 55/00 20190101ALN20240830BHJP

   B60L 58/12 20190101ALN20240830BHJP

   B60L 58/25 20190101ALN20240830BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

H02J7/00 L

H02J7/00 P

H01M10/48 P

H01M10/48 301

H01M10/615

H01M10/625

H01M10/633

H01M10/637

B60L50/60

B60L53/14

B60L53/22

B60L55/00

B60L58/12

B60L58/25

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023028168

(22)【出願日】2023-02-27

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504203572

【氏名又は名称】国立大学法人茨城大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】岡田 隆

(72)【発明者】

【氏名】鵜野 将年

【テーマコード（参考）】

5G503

5H030

5H031

5H125

5H730

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA03

5G503BB01

5G503CB11

5G503DA07

5G503FA06

5G503GB03

5G503GB06

5H030AS08

5H030FF22

5H030FF41

5H030FF42

5H030FF43

5H030FF44

5H030FF52

5H031AA09

5H031HH06

5H125AA01

5H125AC12

5H125AC24

5H125BB05

5H125BC05

5H125BC21

5H125BC24

5H125CD09

5H125DD02

5H125EE25

5H125EE27

5H730AA15

5H730AS01

5H730AS08

5H730AS17

5H730BB27

5H730BB37

5H730BB57

5H730DD04

5H730DD16

5H730EE04

5H730EE07

5H730EE13

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD31

5H730FF09

5H730FG05

5H730FG22

(57)【要約】

【課題】
蓄電池に交流電流を印可して昇温する機能を、追加部品が少ない簡易な構成で実現する。
【解決手段】
蓄電池１４に接続され複数の第１のスイッチを有する第１のブリッジ回路と、複数の第２のスイッチを有する第２のブリッジ回路と、第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路との間に配置されたトランスＴｒとを有する絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータ２と、第１のブリッジ回路におけるトランスＴｒへの出力ノードと蓄電池の中点１４Ａとの間に設けられた第３のスイッチＳと、第１のスイッチと第２のスイッチと第３のスイッチＳとを制御する制御部３とを有し、制御部３は、制御モードとして、蓄電池に充電させる制御を行う充電モードと、蓄電池から放電させる制御を行う放電モードと、蓄電池に交流電流を印可して昇温する制御を行う昇温モードと、蓄電池の充電・放電・昇温を行わず待機する待機モードとを有し、制御モードの１つを選択的に実行する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電池に接続され複数の第１のスイッチを有する第１のブリッジ回路と、複数の第２のスイッチを有する第２のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路と前記第２のブリッジ回路との間に配置されたトランスとを有する絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータと、
前記第１のブリッジ回路における前記トランスへの出力ノードと前記蓄電池の中点との間に設けられた第３のスイッチと、
前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記第３のスイッチとを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、制御モードとして、前記蓄電池に充電させる制御を行う充電モードと、前記蓄電池から放電させる制御を行う放電モードと、前記蓄電池に交流電流を印可して昇温する制御を行う昇温モードと、前記蓄電池の充電・放電・昇温を行わず待機する待機モードとを有し、前記制御モードの１つを選択的に実行することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記制御部は、前記充電モードおよび前記放電モードでは、前記第３のスイッチをオフ状態に制御することを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項１において、
前記制御部は、前記昇温モードでは、前記複数の第２のスイッチを制御して前記トランスを短絡させるとともに、前記第３のスイッチおよび前記複数の第１のスイッチを制御して前記蓄電池に前記交流電流を印可することを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項１から３の何れかに記載の電力変換装置と、
外部からの充放電の要求と、前記蓄電池の充電状態と、前記蓄電池の温度とに基づいて、前記電力変換装置の前記制御部に実行させる前記制御モードを選択する統合制御装置とを有することを特徴とする充放電システム。

【請求項5】

請求項４において、
前記統合制御装置は、外部から放電の要求があった場合には、
前記蓄電池の充電状態が放電閾値より大きく、前記蓄電池の温度が温度閾値以下の場合は、前記昇温モードを選択し、
前記蓄電池の充電状態が前記放電閾値より大きく、前記蓄電池の温度が前記温度閾値より大きい場合は、前記放電モードを選択し、
前記蓄電池の充電状態が前記放電閾値以下の場合は、前記待機モードを選択する
ことを特徴とする充放電システム。

【請求項6】

請求項４において、
前記統合制御装置は、外部から充電の要求があった場合には、
前記昇温モードを選択中で、前記蓄電池の充電状態が昇温閾値より大きく、前記蓄電池の温度が温度閾値以下の場合は、前記昇温モードを選択し、
前記昇温モードを選択中で、前記蓄電池の充電状態が前記昇温閾値より大きく、前記蓄電池の温度が前記温度閾値より大きい場合は、前記充電モードを選択し、
前記昇温モードを選択中で、前記蓄電池の充電状態が前記昇温閾値以下の場合は、前記充電モードを選択し、
前記昇温モードを選択中ではなく、前記蓄電池の充電状態が前記昇温閾値より大きい充電閾値より大きく、前記蓄電池の温度が前記温度閾値より大きい場合は、前記待機モードを選択し、
前記昇温モードを選択中ではなく、前記蓄電池の充電状態が前記充電閾値より大きく、前記蓄電池の温度が前記温度閾値以下の場合は、前記昇温モードを選択し、
前記昇温モードを選択中ではなく、前記蓄電池の充電状態が前記充電閾値以下の場合は、前記充電モードを選択する
ことを特徴とする充放電システム。

【請求項7】

請求項４において、
前記統合制御装置は、外部から充放電の要求がない場合には、
前記蓄電池の充電状態が昇温閾値より大きく、前記蓄電池の温度が温度閾値以下の場合は、前記昇温モードを選択し、
前記蓄電池の充電状態が前記昇温閾値より大きく、前記蓄電池の温度が前記温度閾値より大きい場合は、前記待機モードを選択し、
前記蓄電池の充電状態が前記昇温閾値以下の場合は、前記待機モードを選択する
ことを特徴とする充放電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置および充放電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

蓄電池の中でも、特に車両用蓄電池は、極低温時でも動作しなければならないが、極低温時には、内部抵抗が増加して出力電圧が低下する、あるいは、蓄電池の電力の容量が低下するという蓄電池の特性の低温による劣化（低温劣化）が起こるため、蓄電池の昇温が必要となる。

【0003】

蓄電池の昇温には、外付けヒータなどによって外部から加熱する外部加熱方式と、交流電流を蓄電池に印可して加熱する交流内部加熱方式がある。交流内部加熱方式は、加熱ムラがなく、加熱効率が高いという利点がある。

【0004】

交流内部加熱方式に関する技術としては、例えば非特許文献１がある。

【0005】

図１６は、従来の電力変換装置の回路構成を説明する回路図である。図１６は、非特許文献１のＦｉｇ．７に記載された回路に対応する図である。

【0006】

図１６に示すように、非特許文献１では、第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌと、第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌと、トランスＴｒとで構成された絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータ２に対して、インダクタＬｒ１、Ｌｒ２とキャパシタＣｒ１、Ｃｒ２とを追加することにより、蓄電池１４に対する交流加熱の機能を追加している。なお、インダクタＬｒ１とキャパシタＣｒ１は、蓄電池の中点と１４Ａと、第１のスイッチＱ１Ｈと第１のスイッチＱ１Ｌとの接続ノードとの間に、直列に接続されている。同様に、インダクタＬｒ２とキャパシタＣｒ２は、蓄電池の中点と１４Ａと、第１のスイッチＱ２Ｈと第１のスイッチＱ２Ｌとの間の接続ノードとの間に、直列に接続されている。

【0007】

図１６に示した回路は、交流加熱モードと電力伝送モードのいずれかで動作する。２つのモードが非干渉となるよう、それぞれ異なるスイッチング周波数ｆｓで動作させる。

【0008】

電力伝送モードでは従来のＤＡＢ（Dual Active Bridge）コンバータと同様、スイッチング周波数ｆｓは数十ｋＨｚで動作する。電力伝送モードでは、全てのスイッチを使用し、位相シフト制御により双方向の電力伝送を行う。

【0009】

交流加熱モードでは、スイッチング周波数ｆｓを数ｋＨｚとし、第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌを制御して蓄電池１４に交流を印加して内部加熱を行う。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】笹間裕太、ほか２名、「リチウムイオンバッテリ向け交流加熱インバータを統合した電動車両用Dual Active Bridgeコンバータ」、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）Vol.141 No.6 pp.453-460、2021年6月1日

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、図１６に示した従来の電力変換装置の回路構成では、インダクタＬｒ１、Ｌｒ２とキャパシタＣｒ１、Ｃｒ２とを追加する必要があるので、追加部品点数が多く、コストアップするという課題がある。

【0012】

本発明が解決しようとする課題は、蓄電池に交流電流を印可して昇温する機能を、追加部品が少ない簡易な構成で実現した電力変換装置および充放電システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、蓄電池に接続され複数の第１のスイッチを有する第１のブリッジ回路と、複数の第２のスイッチを有する第２のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路と前記第２のブリッジ回路との間に配置されたトランスとを有する絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータと、前記第１のブリッジ回路における前記トランスへの出力ノードと前記蓄電池の中点との間に設けられた第３のスイッチと、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチと前記第３のスイッチとを制御する制御部とを有し、前記制御部は、制御モードとして、前記蓄電池に充電させる制御を行う充電モードと、前記蓄電池から放電させる制御を行う放電モードと、前記蓄電池に交流電流を印可して昇温する制御を行う昇温モードと、前記蓄電池の充電・放電・昇温を行わず待機する待機モードとを有し、前記制御モードの１つを選択的に実行することを特徴とする。

【0014】

また、本発明の充放電システムは、上記した電力変換装置と、外部からの充放電の要求と、前記蓄電池の充電状態と、前記蓄電池の温度とに基づいて、前記電力変換装置の前記制御部に実行させる前記制御モードを選択する統合制御装置とを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、蓄電池に交流電流を印可して昇温する機能を、追加部品が少ない簡易な構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施例の電力変換装置の回路構成を説明する回路図。

【図2】実施例の全体構成を説明する機能ブロック図。

【図3】実施例の充電ステーションの構成を説明する機能ブロック図。

【図4】実施例の電力変換装置の昇温モードにおける等価回路を説明する回路図。

【図5】実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の一例を説明する波形図。

【図6】実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の一例を説明する回路図。

【図7】実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の一例を説明する波形図。

【図8】実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の一例を説明する波形図。

【図9】実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の他の例を説明する波形図。

【図10】実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の他の例を説明する回路図。

【図11】実施例の充放電システムにおける動作を説明するフローチャート。

【図12】実施例の充放電システムにおける動作を説明するフローチャート。

【図13】実施例の充放電システムにおける充電シーンの動作を説明する図。

【図14】実施例の充放電システムにおける放電シーンの動作を説明する図。

【図15】実施例の充放電システムにおける充放電以外のシーンの動作を説明する図。

【図16】従来の電力変換装置の回路構成を説明する回路図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。各図、各実施例において、同一または類似の構成要素については同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

【0018】

図１は、実施例の電力変換装置の回路構成を説明する回路図である。

【0019】

実施例の電力変換装置１は、ＤＣＤＣ変換回路４と、制御部３とを有する。ＤＣＤＣ変換回路４は、絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータ２を有する。

【0020】

絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータ２は、例えばＤＡＢ（Dual Active Bridge）コンバータであり、複数の第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌを有する第１のブリッジ回路と、複数の第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌを有する第２のブリッジ回路と、第１のブリッジ回路と第２のブリッジ回路との間に配置されたトランスＴｒとを有する。ここでは、蓄電池１４に接続される側を第１のブリッジ回路とした。また、ＤＣＤＣ変換回路４は、第１のブリッジ回路に接続された平滑キャパシタＣｉｎと、第２のブリッジ回路に接続された平滑キャパシタＣｏｕｔとを有する。

【0021】

ここで、実施例のＤＣＤＣ変換回路４は、さらに、第１のブリッジ回路におけるトランスＴｒへの出力ノードと蓄電池の中点１４Ａとの間に設けられた第３のスイッチＳを有する。なお、蓄電池の中点１４Ａは、蓄電池１４の電位の半分の電位となるノードであり、低電位側の蓄電池の電圧ＶｂａｔＬ＝高電位側の蓄電池の電圧ＶｂａｔＨとなっている。実施例の電力変換装置１は、絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータ２に対して、第３のスイッチＳを追加するという簡易な構成により、蓄電池１４に交流電流を印可して昇温する機能を追加することができる。

【0022】

制御部３は、第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌと第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌと第３のスイッチＳとを制御する。

【0023】

制御部３は、制御モードとして、蓄電池１４に充電させる制御を行う充電モードと、蓄電池１４から放電させる制御を行う放電モードと、蓄電池１４に交流電流を印可して昇温する制御を行う昇温モードと、蓄電池１４の充電・放電・昇温を行わず待機する待機モードとを有し、制御モードの１つを選択的に実行する。

【0024】

制御部３は、充電モードおよび放電モードでは、第３のスイッチＳをオフ状態に制御する。これにより、第３のスイッチＳを追加していない従来のＤＣＤＣ変換回路４と同じ構成になるので、従来と同様に第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌと第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌを制御することで充放電の動作が可能となる。

【0025】

なお、放電モードでは、図１に示すように蓄電池１４からの電圧を入力電圧Ｖｉｎとし、出力電圧Ｖｏｕｔ、出力電流ｉｏｕｔを出力する。充電モードでは、入力と出力が入れ替わり、第２のブリッジ回路側に外部からの電力が入力され、蓄電池１４に出力することで充電が行われる。

【0026】

制御部３は、待機モードでは、例えば、第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌと第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌと第３のスイッチＳをすべてオフ状態に制御することで待機状態とする。

【0027】

制御部３は、昇温モードでは、第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌを制御してトランスＴｒを短絡させるとともに、第３のスイッチＳおよび第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌを制御して蓄電池１４に交流電流を印可する。昇温モードにおける動作の詳細については後述する。

【0028】

図２は、実施例の全体構成を説明する機能ブロック図である。

【0029】

図２では、図１に示した実施例の電力変換装置１を車両１０に搭載される双方向車載充電器１５に適用した例を用いて説明するが、これに限られず、車載用途以外の電力変換装置に適用してもよい。

【0030】

車両１０は、例えば電気自動車であり、統合制御装置１１と、ＧＷ（Gate Way）１２と、ＢＭＳ（Battery Management System）１３と、蓄電池１４と、双方向車載充電器１５と、コネクタ１６とを有する。また、車両１０は、各種機器と通信を行う図示しないネットワークを有する。

【0031】

統合制御装置１１は、車両１０の各種の制御を行う制御装置である。統合制御装置１１は、図示しない各種センサおよびドライバの操作に基づいて、駆動力指令を演算し、図示しないインバータおよびモータを制御して、車両１０の駆動力を制御する。また、統合制御装置１１は、車両１０の電力エネルギ管理を行う。

【0032】

ＧＷ１２は、外部とのデータのやり取りを行う装置である。

【0033】

ＢＭＳ１３は、蓄電池１４の状態を監視し、統合制御装置１１に送信する。蓄電池１４の状態としては、例えば、蓄電池１４の充電状態（以下、ＳＯＣ（State Of Charge）と呼ぶ場合もある）、蓄電池１４の温度などである。なお、ＳＯＣとは、充電状態または充電率を表す指標である。

【0034】

蓄電池１４は、例えばリチウムイオン電池などが用いられる。

【0035】

双方向車載充電器１５は、ＤＣＤＣ変換回路４と、ＡＣＤＣ変換回路５と、制御部３とを有する。双方向車載充電器１５は、図１で示した電力変換装置１の第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌ側にＡＣＤＣ変換回路５を接続した構成に相当する。ＡＣＤＣ変換回路５は、制御部３により制御される。双方向車載充電器１５は、蓄電池１４の電力をＤＣＤＣ変換回路４とＡＣＤＣ変換回路５を介して外部へ交流電力として出力するとともに、外部から入力された交流電力をＡＣＤＣ変換回路５とＤＣＤＣ変換回路４を介して蓄電池１４を充電する。また、双方向車載充電器１５は、蓄電池１４に交流電流を印可して昇温する機能を有する。なお、双方向車載充電器１５の外部から直流電力が供給される場合には、ＡＣＤＣ変換回路５を省略してもよいし、あるいは、ＡＣＤＣ変換回路５を介さないように外部からＤＣＤＣ変換回路４に直流電力を供給する構成を追加してもよい。

【0036】

コネクタ１６は、外部電源や負荷に接続するための車両１０側のコネクタであり、双方向車載充電器１５のＡＣＤＣ変換回路５に接続されている。

【0037】

車両１０のコネクタ１６を家庭２０のコネクタ２９と接続することで、家庭２０の余剰電力を車両１０の蓄電池１４へ充電したり、車両１０の蓄電池１４の電力を放電して家庭２０に電力を供給したりすることができる。

【0038】

例えば、家庭２０のＰＶ（Photovoltaics；太陽光発電）２２で発電した電力は、ＰＣＳ（Power Conditioning System）２３を介して分電盤２４に供給されて家庭２０内の電力として活用される。このとき、家庭２０内のエアコン、ＴＶ、照明などの家庭電力負荷２５で使用する電力が少ない場合は、ＰＶ２２で発電した余剰電力を車両１０の蓄電池１４に蓄えることが望まれる。その場合、家庭２０の電力を管理するＨＥＭＳ（Home Electric Management System）コントローラ２６から車両１０へ充電の要求を出力する。この充電の要求は、コネクタ２９、１６、あるいは、無線などを介して、ＧＷ１２で受信され、統合制御装置１１に送信される。

【0039】

統合制御装置１１は、外部から充電の要求があると、車両１０の蓄電池１４が余剰電力を充電可能かを判断する。充電可能かの判断は、余剰電力量、蓄電池１４の充電状態、蓄電池１４の温度などに応じて行われる。

【0040】

統合制御装置１１により蓄電池１４への充電を行うと判断されると、家庭２０の余剰電力は、分電盤２４からＥＶＰＳ（Electric Vehicle Power System）２８を経由し、コネクタ２９、１６を介して、車両１０へ伝送される。なお、ＥＶＰＳ２８の需給電は、ＡＣ受給電とＤＣ受給電のいずれかの可能性があるが、ここではＡＣ受給電の場合を例に説明する。伝送された余剰電力は、コネクタ１６から双方向車載充電器１５へ伝送され、交流から直流へ変換されて、蓄電池１４を充電する。

【0041】

統合制御装置１１により蓄電池１４への充電を行わないと判断されると、ＨＥＭＳコントローラ２６は、電力系統３０への提供が許容される場合、余剰電力を電力量計２１を介して電力系統３０に供給する。

【0042】

一方、ＰＶ２２の発電量が少なく、家庭２０での電力消費が多い場合、ＨＥＭＳコントローラ２６は、不足分の電力を車両１０の蓄電池１４から供給するよう車両１０に放電の要求を出力する。この放電の要求は、充電の要求と同様に、統合制御装置１１に送信される。

【0043】

統合制御装置１１は、外部から放電の要求があると、車両１０の蓄電池１４が放電可能かを判断する。放電可能かの判断は、不足電力量、蓄電池１４の充電状態、蓄電池１４の温度などに応じて行われる。

【0044】

統合制御装置１１により蓄電池１４の放電を行うと判断されると、蓄電池１４の電力は、双方向車載充電器１５で直流から交流へ変換され、コネクタ１６、２９、ＥＶＰＳ２８、分電盤２４を介して家庭２０へ供給される。

【0045】

なお、ここではＥＶＰＳ２８を介して家庭２０へ電力を供給する例を示したが、ＥＶＰＳ２８に代えて、Ｖ２Ｌ（Vehicle to Load）装置２７を介して家庭２０へ交流電力を提供してもよい。

【0046】

また、車両１０が走行を終えて家庭２０へ帰ってきた際に、車両１０の蓄電池１４の蓄電状態が低下しており、充電を行うことがある。その場合、コネクタ１６をコネクタ２９に接続し、車両１０の統合制御装置１１は、蓄電池１４の充電状態が低いと判断して、充電の要求を出力し、コネクタ１６、２９、あるいは、別の通信手段にて家庭２０と車両１０の接続が確認できると、ＥＶＰＳ２８を介して家庭２０から供給される電力を用いて車両１０の蓄電池１４を充電する。この際、家庭２０からの電力は、ＰＶ２２からの電力でもよいし、電力系統３０から提供される電力でもよい。

【0047】

図３は、実施例の充電ステーションの構成を説明する機能ブロック図である。

【0048】

充電ステーション４０は、コネクタ４３を有する複数の充放電装置４２と、充放電装置４２を管理する充電管理システム４１とを有する。

【0049】

充放電装置４２のコネクタ４３に車両１０のコネクタ１６を接続することで、充放電装置４２と車両１０が通信を行い、充放電の要求に応じて充放電を実行する。コネクタ１６、４３の接続では、電力の授受とともに、情報・データの授受も行う。あるいは、別の通信手段にて情報・データの授受を行ってもよい。

【0050】

例えば、車両１０の蓄電池１４の充電状態が低い場合は、車両１０は充放電装置４２から蓄電池１４への充電を要求する。これは通常の充電要求である。この充電に関しては、充電管理システム４１は、充電ステーション４０内の電力使用量に応じて、充電開始タイミングなどの充電タイミングや充電レートを変更することもある。これによって、充電ステーション４０の電力使用のピークを抑えることができる。車両１０の蓄電池１４の充電状態が高くなったら、充放電装置４２からの充電は停止する。

【0051】

また、充電ステーション４０にて、充放電装置４２を介して車両１０の蓄電池１４から電力を受け取る場合もある。例えば、充電ステーション４０内で急速充電が必要な要求があるが、これ以上電力系統からの電力供給を受けることができない場合、充電ステーション４０内の許容されている複数の車両１０の蓄電池１４から電力を受け取り、急速充電に利用する場合もある。また、電力系統の安定化のために、電力系統へ電力を戻す必要がある際に、許容されている複数の車両１０の蓄電池１４の電力を電力系統へ戻す場合もある。これらの場合は、充電管理システム４１が車両１０に放電の要求を送信し、車両１０の統合制御装置１１は、放電が可能かを判断し、放電が可能な場合は蓄電池１４から放電を行う。

【0052】

充電ステーション４０では、ＤＣ充電による急速充電とＡＣ充電による普通充電の２つの充電がある。

【0053】

充電時間を短縮するために、ＤＣ急速充電では、充電電圧を４００Ｖで提供している。ここで、車両１０の蓄電池１４として、８００Ｖの蓄電池システムを搭載している場合は、供給された４００Ｖを８００Ｖに昇圧して充電する必要がある。このため、８００の蓄電池を搭載する場合は、車両１０は、昇圧ＤＣＤＣ車載変換器をさらに備えるようにしてもよい。

【0054】

一方、ＡＣ普通充電は、受電時間は長くなるが、充放電装置４２の本体の値段が安いので、多数の設置が可能となる。多数の設置が可能であれば、比較的長時間つなげることができ、充電以外にも車両１０からの放電を行える可能性がある。ＡＣ普通充電と放電が可能な充放電装置４２に対しては、車両１０は、双方向車載充電器１５によって、車両１０への充電と車両１０からの放電が可能となる。

【0055】

図４は、実施例の電力変換装置の昇温モードにおける等価回路を説明する回路図である。図５、図７、図８は、実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の一例を説明する波形図である。図６は、実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の一例を説明する回路図である。図５の横軸は時刻ｔを示し、縦軸は電圧または電流を示す。図７、図８の横軸は時刻を示し、縦軸は電流を示す。

【0056】

制御部３は、昇温モードでは、図１の第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌを制御してトランスＴｒを短絡させる。具体的には、第２のスイッチＱ３Ｌ、Ｑ４Ｌを常にオン状態とする。もしくは、第２のスイッチＱ３Ｈ、Ｑ４Ｈを常にオン状態とする。これにより、トランスＴｒの第２のブリッジ回路側である２次巻線側が短絡され、トランスＴｒの励磁インダクタンスの存在を無視できるようになり、漏れインダクタンスＬｋｇのみを交流加熱用インダクタとして利用できる。等価回路で表すと、図４に示すように、トランスＴｒは等価的に漏れインダクタンスＬｋｇのみで表される。なお、図４のキャパシタＣｂａｔは図１の平滑キャパシタＣｉｎに対応する。

【0057】

この状態で、制御部３が第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌを適切に駆動することで、漏れインダクタンスＬｋｇに台形波状の電流ｉＬｋｇを発生させる。この台形波状の電流ｉＬｋｇを制御部３が制御する第３のスイッチＳ経由で蓄電池の中点１４Ａに与えることで、交流内部加熱を行う。

【0058】

制御部３は、図５に示すように、ＰＷＭ制御により交流加熱電流ｉｈを生成する。交流加熱電流ｉｈの周波数ｆｈは、リチウムイオン電池の充放電を繰り返すことで内部抵抗が増加する、あるいは、電力の容量が低下するというような使用による劣化（使用劣化）が生じない周波数域である数ｋＨｚ以上とする。周波数ｆｈは、スイッチング周波数ｆｓよりも小さく設定される。

【0059】

第１のスイッチＱ２Ｈの搬送波ｖｃａｒｒと指令信号ｖｒｅｆとを比較することで第１のスイッチＱ２ＨをＰＷＭ制御でスイッチングする。第１のスイッチＱ２Ｈのドレイン－ソース間電圧ｖＱ２Ｈは図５に示すようになる。なお、第１のスイッチＱ２Ｈと第１のスイッチＱ２Ｌは相補的に駆動する。

【0060】

係数ｄｒｅｆを０＜ｄｒｅｆ＜０．５としたとき、周期Ｔｈ（＝１／ｆｈ）のうちの最初のｄｒｅｆＴｈの期間である時刻Ｔ０から時刻Ｔ１の期間がＭｏｄｅ１、次の（０．５－ｄｒｅｆ）Ｔｈの期間である時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の期間がＭｏｄｅ２、次のｄｒｅｆＴｈの期間である時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間がＭｏｄｅ３、次の（０．５－ｄｒｅｆ）Ｔｈの期間である時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の期間がＭｏｄｅ４となる。

【0061】

Ｍｏｄｅ１とＭｏｄｅ３では、漏れインダクタンスＬｋｇの電流ｉＬｋｇを急峻に変化させて電流極性を切り替える。指令信号ｖｒｅｆの絶対値を搬送波ｖｃａｒｒよりも大きくすることで過変調状態としつつ、第３のスイッチＳをオフ状態とすることで蓄電池１４の全体の電圧（ＶｂａｔＨ＋ＶｂａｔＬ）を漏れインダクタンスＬｋｇに印加する。具体的には、図６に示すように、Ｍｏｄｅ１では第１のスイッチＱ１Ｌ、Ｑ２Ｈをオンすることで、漏れインダクタンスＬｋｇの電圧はＶｂａｔＨ＋ＶｂａｔＬとなる。Ｍｏｄｅ３では第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ２Ｌをオンすることで、漏れインダクタンスＬｋｇの電圧は－（ＶｂａｔＨ＋ＶｂａｔＬ）となる。これにより、Ｍｏｄｅ１とＭｏｄｅ３では、電流ｉＬｋｇが急峻に変化する。

【0062】

一方、Ｍｏｄｅ２とＭｏｄｅ４では、第１のスイッチＱ１Ｈ、Ｑ１Ｌをオフとしつつ、第３のスイッチＳをオン状態とすることで、蓄電池の中点１４Ａに交流加熱電流ｉｈを与える。第３のスイッチＳをオンすることで漏れインダクタンスＬｋｇに印加される電圧がＶｂａｔＬあるいはＶｂａｔＨとなるため、電流ｉＬｋｇの変化率はＭｏｄｅ１やＭｏｄｅ３と比べて抑えられる。

【0063】

ここで、回路中の抵抗成分による電流ｉＬｋｇの減衰を補償するために、バイアスＶｂｉａｓを指令信号ｖｒｅｆに設けることで交流加熱電流ｉｈを所定の範囲に維持する。Ｍｏｄｅ２とＭｏｄｅ４は、第１のスイッチＱ２Ｈ、Ｑ２Ｌのスイッチング状態に応じて、サブモードＭｏｄｅ２－Ａ、Ｍｏｄｅ２－Ｂ、及び、Ｍｏｄｅ４－Ａ、Ｍｏｄｅ４－Ｂに分けることができる。サブモードＡ（Ｍｏｄｅ２－Ａ、Ｍｏｄｅ４－Ａ）ではＱ２Ｌがオン、サブモードＢ（Ｍｏｄｅ２－Ｂ、Ｍｏｄｅ４－Ｂ）ではＱ２Ｈがオン状態である。サブモードＡでは交流加熱電流ｉｈは減少し、サブモードＢでは交流加熱電流ｉｈは増加する。

【0064】

スイッチング周波数ｆｓ＝２５０ｋＨｚの条件でシミュレーション解析を行い、取得した電流波形を図７に示す。図７の電流ｉＬｋｇと交流加熱電流ｉｈは、図５に示す理論波形とのよい一致を示し、実施例の昇温モードでの制御方法による台形波電流の生成を確認できた。

【0065】

また、電流ピーク値を２０Ａとしたときの交流加熱電流ｉｈと正弦波電流の波形を図８に示す。交流加熱電流ｉｈと正弦波電流のピーク値に対する実効値の比はそれぞれ０．８３と０．７１であった。交流加熱電流ｉｈを台形波電流とすることで、電流実効値が約１．１７倍に向上したことから、加熱時間を短縮できることが示唆される。

【0066】

図９は、実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の他の例を説明する波形図である。図１０は、実施例の電力変換装置の昇温モードにおける動作の他の例を説明する回路図である。図９の横軸は時刻ｔを示し、縦軸は電圧または電流を示す。

【0067】

図４から図８では台形波状の交流加熱電流ｉｈを生成する方法について述べたが、これに限られず、図９および図１０に示すように、三角波状の交流加熱電流ｉｈで内部加熱を行うことも可能である。

【0068】

三角波状の交流加熱電流ｉｈを生成する場合は、図１０に示すように第１のスイッチＱ１Ｌ、Ｑ１Ｈは常時オフ、第３のスイッチＳは常時オンとする。そして、第１のスイッチＱ２Ｌ、Ｑ２Ｈを５０％のデューティで交互に駆動する。

【0069】

第１のスイッチＱ２Ｈがオン状態であるＭｏｄｅＡでは、漏れインダクタンスＬｋｇにはＶｂａｔＨの電圧が印加され、図９に示すように電流ｉＬｋｇは直線状に増加する。なお、図９の電圧ｖｇｓは第１のスイッチＱ２Ｈまたは第１のスイッチＱ２Ｌのゲート－ソース間電圧である。

【0070】

一方、第１のスイッチＱ２Ｌがオン状態であるＭｏｄｅＢでは、漏れインダクタンスＬｋｇには、ＭｏｄｅＡとは逆極性でＶｂａｔＬの電圧が印加されるため、電流ｉＬｋｇは直線状に低下する。

【0071】

ＭｏｄｅＡとＭｏｄｅＢを交互に繰り返すことで三角波状の電流ｉＬｋｇを生成し、これを交流加熱電流ｉｈとして蓄電池の中点１４Ａに与えることで交流内部加熱を行う。

【0072】

同一のピーク電流あたりの三角波電流の実効値は台形波と比べて低いため、三角波電流での加熱には長い時間を要するが、台形波電流の生成時と比べて回路の駆動方法が簡易にできるという効果がある。

【0073】

図１１および図１２は、実施例の充放電システムにおける動作を説明するフローチャートである。

【0074】

実施例の充放電システムは、図１および図２のＤＣＤＣ変換回路４と、制御部３と、統合制御装置１１とを少なくとも有している。充放電システムとして、ＢＭＳ１３、蓄電池１４、ＡＣＤＣ変換回路５など、実施例で説明した他の構成を含めてもよい。統合制御装置１１は、外部からの充放電の要求と、蓄電池１４の充電状態と、蓄電池１４の温度とに基づいて、電力変換装置１の制御部３に実行させる制御モードを選択する。

【0075】

統合制御装置１１は、所定周期で、図１１および図１２の処理フローを実行する。Ｓ０１の開始ステップから開始し、Ｓ１６の戻るステップまで処理を終えると、再びＳ０１に戻る。

【0076】

Ｓ０２は、接続確認ステップであり、家庭２０や充電ステーション４０などの外部の充放電設備との接続を確認する。

【0077】

Ｓ０３は、充放電要求検知ステップであり、Ｓ０２の接続確認後に、ＧＷ１２経由で受信した外部からの充放電の要求を検知し、取得する。なお、外部からの充放電の要求には、蓄電池１４の充電状態（ＳＯＣ）が低下したことに伴うＢＭＳ１３からの充電の要求を含めてもよい。

【0078】

Ｓ０４は、蓄電池ＳＯＣ検出ステップであり、ＢＭＳ１３から蓄電池１４の充電状態を取得する。

【0079】

Ｓ０５は、蓄電池温度検出ステップであり、ＢＭＳ１３から蓄電池１４の温度を取得する。

【0080】

なお、Ｓ０３からＳ０５までの処理は順序を入れ替えてもよい。

【0081】

Ｓ０６は、要求判定ステップであり、外部からの充放電の要求の判定を行う。放電の要求があった場合（放電要求）はＳ０７に、充電の要求があった場合（充電要求）はＡを経由して図１２のＳ１７に、充放電の要求がない場合（充放電要求以外）は、Ｓ１２に移る。

【0082】

Ｓ０７は、ＳＯＣ判定ステップであり、蓄電池１４の充電状態が放電閾値より大きい場合はＳ０８に移る。蓄電池１４の充電状態が放電閾値以下の場合はＳ１１に移り、Ｓ１１では、充電状態が不足しており放電できないため待機モードを選択する。

【0083】

Ｓ０８は、温度判定ステップであり、蓄電池１４の温度が温度閾値以下の場合は、Ｓ０９に移り、Ｓ０９では、放電前に昇温が必要であるとして昇温モードを選択する。これにより、低温での放電を回避して、蓄電池１４の低温劣化を防止できる。蓄電池１４の温度が温度閾値より大きい場合は、Ｓ１０に移り、Ｓ１０では、放電が可能であるとして放電モードを選択する。

【0084】

Ｓ１２は、ＳＯＣ判定ステップであり、蓄電池１４の充電状態が昇温閾値以下の場合はＳ１４に移り、Ｓ１４では、昇温に必要な蓄電池１４の電力が不足しているため待機モードを選択する。蓄電池１４の充電状態が昇温閾値より大きい場合はＳ１３に移る。

【0085】

Ｓ１３は、温度判定ステップであり、蓄電池１４の温度が温度閾値より大きい場合は、Ｓ１４に移り、Ｓ１４では、今後の充放電の要求があっても温度は問題ないとして待機モードを選択する。蓄電池１４の温度が温度閾値以下の場合は、Ｓ１５に移り、Ｓ１５では、今後の充放電の要求に備えてあらかじめ昇温しておくために昇温モードを選択する。これにより、Ｓ０９の状態の昇温による待ち時間を低減できる。また、後述するようなＳ２０やＳ２５の状態において低温状態でも充電することにより昇温する状況を避けて、蓄電池１４の低温劣化を防止できる。

【0086】

Ｓ１７は、モード判定ステップであり、昇温モード選択中の場合は、Ｓ２３に移り、昇温モード選択中ではない場合（昇温モード選択中以外）は、Ｓ１８に移る。なお、フローの開始直後など、制御モードが何も選択されていない場合についても、昇温モード選択中ではない場合に含まれる。

【0087】

Ｓ１８は、ＳＯＣ判定ステップであり、蓄電池１４の充電状態が充電閾値以下の場合はＳ２０に移り、Ｓ２０では、放電が必要であるとして充電モードを選択する。ここで、蓄電池１４の低温劣化を避けるためには蓄電池１４の温度は温度閾値より大きいことが望ましいが、温度閾値以下であったとしても、充電により蓄電池１４が発熱するので昇温することができる。したがって、このフローでは蓄電池１４の温度にかかわらず充電モードを選択している。蓄電池１４の充電状態が充電閾値より大きい場合は、Ｓ１９に移る。

【0088】

Ｓ１９は、温度判定ステップであり、蓄電池１４の温度が温度閾値以下の場合は、Ｓ２１に移り、Ｓ２１では、充電前に昇温した方が望ましいとして昇温モードを選択する。これにより、低温での充電を回避して、蓄電池１４の低温劣化を防止できる。蓄電池１４の温度が温度閾値より大きい場合は、Ｓ２２に移り、Ｓ２２では、充電も昇温も不要であるとして待機モードを選択する。

【0089】

Ｓ２３は、昇温モード選択中におけるＳＯＣ判定ステップであり、蓄電池１４の充電状態が昇温閾値以下の場合はＳ２５に移り、Ｓ２５では、昇温モード選択中なので蓄電池１４の温度は温度閾値以下であるが、昇温に必要な蓄電池１４の電力が足りないため、充電により蓄電池１４が発熱して昇温すべく、充電モードを選択する。蓄電池１４の充電状態が昇温閾値より大きい場合はＳ２４に移る。

【0090】

Ｓ２４は、昇温モード選択中における温度判定ステップであり、蓄電池１４の温度が温度閾値以下の場合は、Ｓ２６に移り、Ｓ２６では、充電前に昇温を継続した方が望ましいとして昇温モードを選択する。これにより、低温での充電を回避して、蓄電池１４の低温劣化を防止できる。蓄電池１４の温度が温度閾値より大きい場合は、Ｓ２７に移り、Ｓ２７では、昇温の必要がなくなったので通常の充電に切り替えるべく充電モードを選択する。

【0091】

Ｓ０９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７の後は、Ｓ１６の戻るステップに移る。

【0092】

以上の処理により、低温での蓄電池１４の充放電を可能な範囲で避けることができるので、蓄電池１４の低温劣化を防止できる。

【0093】

図１３は、実施例の充放電システムにおける充電シーンの動作を説明する図である。図１３の横軸は時刻である。１段目のタイムチャートの縦軸は、Ｓ０６の要求判定ステップの結果（放電要求、充電要求、その他）を示している。２段目のタームチャートの縦軸は、蓄電池１４の温度を示している。３段目のタームチャートの縦軸は、蓄電池１４の充電状態（ＳＯＣ）を示している。ここでは、放電閾値＜昇温閾値＜充電閾値に設定されている。４段目のタームチャートの縦軸は、選択された制御モード（充電モード、放電モード、昇温モード、待機モード）を示している。なお、各タイムチャートの縦軸と横軸は、後述する図１４および図１５についても同様である。

【0094】

時刻Ｔ１において、コネクタ１６が接続される。ここでは、Ｓ０６で、充電要求が判定され、昇温モード選択中ではなく充電閾値以下なので、Ｓ２０で充電モードが選択される。これにより、蓄電池温度と蓄電池ＳＯＣが上昇していく。その後も、Ｓ２０の充電モードの選択が継続する。

【0095】

時刻Ｔ２では、蓄電池ＳＯＣが充電閾値より大きくなったが、蓄電池温度は温度閾値以下であるため、Ｓ２１で昇温モードが選択され、昇温モードに移行する。これにより、蓄電池温度は上昇し、蓄電池ＳＯＣは低下していく。昇温モードに移行後は、Ｓ２６の昇温モードが選択され、選択が継続する。

【0096】

時刻Ｔ３では、蓄電池温度は温度閾値より大きくなったが、蓄電池ＳＯＣは昇温閾値より大きく充電閾値以下であるため、Ｓ２７で充電モードが選択されて充電モードに移行し、その後はＳ２０の充電モードの選択が継続する。これにより、蓄電池温度と蓄電池ＳＯＣが上昇していく。

【0097】

時刻Ｔ４では、蓄電池ＳＯＣが充電閾値より大きくなり、蓄電池温度も温度閾値より大きいため、Ｓ２２の待機モードが選択され、充電が終了する。このとき、要求判定は、その他に移行する。

【0098】

図１４は、実施例の充放電システムにおける放電シーンの動作を説明する図である。

【0099】

時刻Ｔ１において、コネクタ１６が接続される。ここでは、Ｓ０６で、放電要求が判定され、蓄電池ＳＯＣが放電閾値より大きく、蓄電池温度が温度閾値以下なので、Ｓ０９で昇温モードが選択される。これにより、蓄電池温度が上昇し、蓄電池ＳＯＣが低下していく。その後も、Ｓ０９の昇温モードの選択が継続する。これにより、低温での放電を避けることができ、蓄電池１４の低温劣化を防止できる。なお、緊急の放電を要する場合などには、外部から強制放電要求を受信するようにし、昇温モードを選択せず放電モードを選択するようにしてもよい。

【0100】

時刻Ｔ２では、蓄電池温度が温度閾値より大きくなり、蓄電池ＳＯＣも放電閾値より大きいため、Ｓ１０で放電モードが選択されて放電モードに移行し、その後はＳ１０の放電モードの選択が継続する。これにより、蓄電池温度が上昇し、蓄電池ＳＯＣが低下していく。

【0101】

時刻Ｔ３では、蓄電池ＳＯＣが放電閾値以下となるため、Ｓ１１の待機モードが選択され、放電が終了する。このとき、要求判定は、その他に移行する。

【0102】

図１５は、実施例の充放電システムにおける充放電以外のシーンの動作を説明する図である。

【0103】

時刻Ｔ１において、コネクタ１６が接続される。ここでは、Ｓ０６で、充放電要求がないのでその他（充放電要求以外）が判定され、蓄電池ＳＯＣが昇温閾値より大きく、蓄電池温度が温度閾値以下なので、Ｓ１５で昇温モードが選択される。これにより、蓄電池温度が上昇し、蓄電池ＳＯＣが低下していく。その後も、Ｓ１５の昇温モードの選択が継続する。これにより、蓄電池１４を昇温して今後の充放電の要求に備えることができる。なお、例えば節電のために待機時昇温モード禁止の要求や強制待機要求などがあった場合は、昇温モードを選択せずに待機モードを選択するようにしてもよい。

【0104】

時刻Ｔ２では、蓄電池温度が温度閾値より大きくなり、蓄電池ＳＯＣも昇温閾値より大きいため、Ｓ１４で待機モードが選択されて昇温が終了する。このとき、要求判定は、その他に移行する。

【0105】

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は実施例に記載された構成に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施例で説明した構成の一部または全部を組み合わせて適用してもよい。

【符号の説明】

【0106】

１ 電力変換装置
２ 絶縁型双方向ＤＣＤＣコンバータ
３ 制御部
４ ＤＣＤＣ変換回路
５ ＡＣＤＣ変換回路
１０ 車両
１１ 統合制御装置
１２ ＧＷ
１３ ＢＭＳ
１４ 蓄電池
１４Ａ 蓄電池の中点
１５ 双方向車載充電器
１６ コネクタ
２０ 家庭
２１ 電力量計
２２ ＰＶ
２３ ＰＣＳ
２４ 分電盤
２５ 家庭電力負荷
２６ ＨＥＭＳコントローラ
２７ Ｖ２Ｌ装置
２８ ＥＶＰＳ
２９ コネクタ
３０ 電力系統
４０ 充電ステーション
４１ 充電管理システム
４２ 充放電装置
４３ コネクタ
Ｑ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌ 第１のスイッチ
Ｑ３Ｈ、Ｑ３Ｌ、Ｑ４Ｈ、Ｑ４Ｌ 第２のスイッチ
Ｓ 第３のスイッチ
Ｔｒ トランス
Ｌｋｇ 漏れインダクタンス
ｉｈ 交流加熱電流

【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】

【図16】