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(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】
(24)【登録日】2023-03-30
(45)【発行日】2023-04-07
(54)【発明の名称】マルチポート電力変換システム
(51)【国際特許分類】
H02M 3/28 20060101AFI20230331BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20230331BHJP
【ＦＩ】
H02M3/28 V
H02J7/00 J
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019146286
(22)【出願日】2019-08-08
(65)【公開番号】P2021027768
(43)【公開日】2021-02-22
【審査請求日】2022-06-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】594158150
【氏名又は名称】学校法人君が淵学園
(74)【代理人】
【識別番号】110003214
【氏名又は名称】弁理士法人服部国際特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100093779
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 雅紀
(72)【発明者】
【氏名】西嶋 仁浩
(72)【発明者】
【氏名】間崎 耕司
(72)【発明者】
【氏名】山口 宜久
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼橋 将也
(72)【発明者】
【氏名】中屋敷 侑生
【審査官】栗栖 正和
(56)【参考文献】
【文献】特許第６０２５８８５（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】特開２０１６－１８９６３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０８０４７３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／２８
Ｈ０２Ｊ ７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力を出力可能な外部電源（１５０）と、一つ以上のバッテリ（ＢＴ、ＢＴ１、ＢＴ２）との間に設けられ、前記バッテリの電圧を目標電圧に近づけるように、前記バッテリを少なくとも充電可能なマルチポート電力変換システムであって、前記外部電源に対して一台が接続され、又は、前記バッテリが複数の場合において複数の前記バッテリに対応する複数台が並列接続され、一台当たりに、前記外部電源側の一次ポート（Ｐ１、Ｐ１１、Ｐ１２）に接続される一つの一次巻線（２１、２１１、２１２）及び前記バッテリ側の複数の二次ポート（Ｐ２１－Ｐ２４）に接続される複数の二次巻線（２２１－２２４）を有するトランス（２０、２００、２０１、２０２）、前記一次ポートと前記一次巻線との間に設けられた一つの一次側スイッチング回路（３１、３２）、並びに、前記複数の二次ポートと前記複数の二次巻線との間に設けられた複数の二次側スイッチング回路（４１－４４）を有するマルチポート絶縁型コンバータ（３０、３００、３０１、３０２）と、
前記バッテリの数に応じて、各前記バッテリに対応する複数の前記二次ポートのうちの一部である調整側ポートと前記バッテリとの間に接続され、前記バッテリ側の電圧を調整可能な一つ以上の調整コンバータ（６２、６４）と、
前記マルチポート絶縁型コンバータ及び前記調整コンバータを駆動し、且つ、前記バッテリの目標電圧に応じて、少なくとも前記調整コンバータの動作を制御して前記バッテリ側の電圧を調整する駆動回路（７５）と、
を備え、
前記マルチポート絶縁型コンバータの前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方は、複数のスイッチの動作モードを切り替えて出力電圧を複数段階に切り替え可能なマルチレベルスイッチング回路（３１Ｍ、４１Ｍ、４３Ｍ）として構成されているか、或いは、
前記マルチポート絶縁型コンバータの前記一次側スイッチング回路と前記外部電源との間、もしくは前記二次側スイッチング回路と前記バッテリとの間に前記マルチレベルスイッチング回路が設けられており、
前記駆動回路は、前記バッテリの目標電圧に応じて、さらに前記マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替えるマルチポート電力変換システム。
【請求項2】
前記調整側ポート以外の前記二次ポートを非調整側ポートとすると、前記バッテリへの出力電圧の増加時に一つ以上の前記調整コンバータの合計出力電圧が一つ以上の前記非調整側ポートの合計電圧以上となったとき、前記駆動回路は、前記マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを上げることが可能である請求項１に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項3】
双方向に電力授受可能であり、前記バッテリを充放電可能である請求項１または２に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項4】
前記外部電源と複数の前記バッテリとの間に設けられ、複数の前記バッテリの間で電力授受が可能に構成されている請求項１～３のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項5】
複数の前記バッテリは、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成されている請求項４に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項6】
前記調整側ポート以外の前記二次ポートを非調整側ポートとすると、前記非調整側ポートに対応する前記二次側スイッチング回路が前記マルチレベルスイッチング回路として構成されているか、或いは、
前記非調整側ポートに対応する前記二次側スイッチング回路と前記バッテリとの間に前記マルチレベルスイッチング回路が設けられている請求項１～５のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項7】
前記マルチポート絶縁型コンバータにおける前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方が前記マルチレベルスイッチング回路として構成された態様において、前記マルチレベルスイッチング回路（５４）は、
前記一次ポート又は前記二次ポートの両端子間に順に直列接続された第１スイッチ（ＳＷ１）、第２スイッチ（ＳＷ２）、第３スイッチ（ＳＷ３）及び第４スイッチ（ＳＷ４）の４個のスイッチと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチに対し並列接続された第１コンデンサ（Ｃｐ１）、並びに、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチに対し並列接続された第２コンデンサ（Ｃｐ２）と、
前記第１スイッチと前記第２スイッチとの中間点と、前記第３スイッチと前記第４スイッチとの中間点との間において、前記一次巻線又は前記二次巻線と直列接続され共振回路を構成する共振コンデンサ（Ｃｒ）と、
を含み、
前記４個のスイッチの動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である請求項１～６のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項8】
前記マルチポート絶縁型コンバータにおける前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方が前記マルチレベルスイッチング回路として構成された態様において、前記マルチレベルスイッチング回路（５５）は、
前記一次ポート又は前記二次ポートの両端子間に順に直列接続された第１スイッチ（ＳＷ１）、第２スイッチ（ＳＷ２）、第３スイッチ（ＳＷ３）及び第４スイッチ（ＳＷ４）の４個のスイッチと、
前記第２スイッチ及び前記第３スイッチに対し並列接続されたフライングキャパシタ（Ｃｆ）と、
前記第２スイッチと前記第３スイッチとの中間点と、前記第４スイッチと前記一次ポート又は前記二次ポートの一方の端子との接続点との間において、前記一次巻線又は前記二次巻線と直列接続され共振回路を構成する共振コンデンサ（Ｃｒ）と、
を含み、
前記４個のスイッチの動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である請求項１～６のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項9】
前記マルチポート絶縁型コンバータにおける前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方が前記マルチレベルスイッチング回路として構成された態様において、前記マルチレベルスイッチング回路（５６）は、
前記一次ポート又は前記二次ポートの両端子間に順に直列接続された第１スイッチ（ＳＷ１）、第２スイッチ（ＳＷ２）、第３スイッチ（ＳＷ３）、第４スイッチ（ＳＷ４）、第５スイッチ（ＳＷ５）及び第６スイッチ（ＳＷ６）の６個のスイッチと、
前記第２スイッチ、前記第３スイッチ、前記第４スイッチ及び前記第５スイッチに対し並列接続された第１フライングキャパシタ（Ｃｆ１）、並びに、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチに対し並列接続された第２フライングキャパシタ（Ｃｆ２）と、
前記第３スイッチと前記第４スイッチとの中間点と、前記第６スイッチと前記一次ポート又は前記二次ポートの一方の端子との接続点との間において、前記一次巻線又は前記二次巻線と直列接続され共振回路を構成する共振コンデンサ（Ｃｒ）と、
を含み、
前記６個のスイッチの動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である請求項１～６のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マルチポート電力変換システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、トランスに接続されたスイッチング回路を介してバッテリを充電可能な電力変換システムが知られている。
【0003】
例えば特許文献１に開示された電力変換装置は、磁気的に結合された複数の巻線に複数の電源が接続される場合において、損失を低減し、かつ接続されている全ての負荷機器に適正に電力を伝送することができ、負荷機器の動作領域を確保することを目的とする。
【0004】
具体的に実施の形態１の電力変換装置は、複合巻線トランスの２次側に接続される第２スイッチング回路と第２直流電源との間にチョッパ回路が設けられる。第２直流電源を充電する場合、チョッパ回路は降圧コンバータとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第６０２５８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
以下、本明細書で「バッテリ」とは、一つ以上の蓄電セルを含むバッテリモジュールを意味する。また、バッテリのＳＯＣが０％及び１００％のときの電圧を、それぞれ、最小電圧及び最大電圧と表す。特許文献１の構成では、バッテリの最小電圧から最大電圧までの変動範囲に対応するため、出力電圧レンジの広い降圧コンバータが必要となる。したがって、コンバータの負担が大きく、効率が悪い。また、ＳＯＣ－開回路電圧特性に基づくバッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性が乏しい。
【0007】
本発明は、上述の課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、コンバータの負担を軽減可能であり、且つ、バッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性を向上させるマルチポート電力変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、電力を出力可能な外部電源（１５０）と、一つ以上のバッテリ（ＢＴ、ＢＴ１、ＢＴ２）との間に設けられ、バッテリの電圧を目標電圧に近づけるように、バッテリを少なくとも充電可能なマルチポート電力変換システムである。このマルチポート電力変換システムは、マルチポート絶縁型コンバータ（３０、３００、３０１、３０２）と、一つ以上の調整コンバータ（６２、６４）と、駆動回路（７５）と、を備える。
【0009】
マルチポート絶縁型コンバータは、外部電源に対して一台が接続され、又は、バッテリが複数の場合において複数のバッテリに対応する複数台が並列接続される。マルチポート絶縁型コンバータは、一台当たりに、トランス（２０、２００、２０１、２０２）、一つの一次側スイッチング回路（３１、３２）、及び、複数の二次側スイッチング回路（４１－４４）を有する。
【0010】
トランスは、外部電源側の一次ポート（Ｐ１、Ｐ１１、Ｐ１２）に接続される一つの一次巻線（２１１、２１２）及びバッテリ側の複数の二次ポート（Ｐ２１－Ｐ２４）に接続される複数の二次巻線（２２１－２２４）を有する。一次側スイッチング回路は、一次ポートと一次巻線との間に設けられている。複数の二次側スイッチング回路は、複数の二次ポートと複数の二次巻線との間に設けられている。
【0011】
調整コンバータは、バッテリの数に応じて、各バッテリに対応する複数の二次ポートのうちの一部である調整側ポートとバッテリとの間に接続され、バッテリ側の電圧を調整可能である。駆動回路は、マルチポート絶縁型コンバータ及び調整コンバータを駆動し、且つ、バッテリの目標電圧に応じて、少なくとも調整コンバータの動作を制御してバッテリ側の電圧を調整する。
【0012】
このマルチポート電力変換システムは、複数のスイッチの動作モードを切り替えて出力電圧を複数段階に切り替え可能なマルチレベルスイッチング回路（３１Ｍ、４１Ｍ、４３Ｍ）が［１］或いは［２］のように構成されている。駆動回路は、バッテリの目標電圧に応じて、さらにマルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替える。
【0013】
［１］マルチポート絶縁型コンバータの一次側スイッチング回路、もしくは二次側スイッチング回路の少なくとも一方がマルチレベルスイッチング回路として構成されている。
【0014】
［２］マルチポート絶縁型コンバータの一次側スイッチング回路と外部電源との間、もしくは二次側スイッチング回路とバッテリとの間にマルチレベルスイッチング回路が設けられている。
【0015】
本発明のマルチポート電力変換システムは、バッテリの目標電圧に応じて、マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルが複数段階に切り替えられることで、調整コンバータによる出力調整範囲を狭くし、負担を軽減することができる。また、バッテリのＳＯＣ－開回路特性に応じて、マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替えられるため、バッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】第１実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図2】第１実施形態によるマルチレベルスイッチング回路等の構成例を示す図。
【図3】第１実施形態によるマルチレベルスイッチング回路等の構成例を示す図。
【図4】（ａ）第１実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すＳＯＣ－バッテリ電圧特性図、（ｂ）特性の異なるバッテリへの適用を説明する図。
【図5】第２実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図6】第２実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
【図7】（ａ）第２実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すＳＯＣ－バッテリ電圧特性図、（ｂ）特性の異なるバッテリへの適用を説明する図。。
【図8】（ａ）Ｄタイプマルチレベルスイッチング回路の図、（ｂ）動作モードＡのタイムチャート、（ｃ）動作モードＢのタイムチャート。
【図9】動作モードＡの説明図。
【図10】動作モードＢの説明図。
【図11】第３実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図12】第３実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
【図13】（ａ）第３実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すＳＯＣ－バッテリ電圧特性図、（ｂ）特性の異なるバッテリへの適用を説明する図。。
【図14】第４実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図15】第５実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
【図16】第６実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
【図17】（ａ）Ｆタイプマルチレベルスイッチング回路の図、（ｂ）動作モードＡのタイムチャート。
【図18】（ａ）動作モードＢのタイムチャート、（ｂ）動作モードＣのタイムチャート。
【図19】動作モードＡの説明図（１）。
【図20】動作モードＡの説明図（２）。
【図21】動作モードＢの説明図（１）。
【図22】動作モードＢの説明図（２）。
【図23】動作モードＣの説明図。
【図24】第７実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図25】第８実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図26】第９実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図27】直列接続時及び並列接続時のリレーの開閉状態を示す図。
【図28】第９実施形態のマルチポート電力変換システムが搭載される車両の全体システム図。
【図29】第１０実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図30】（ａ）フルブリッジ駆動時の説明図、（ｂ）動作タイムチャート。
【図31】（ａ）ハーフブリッジ駆動時の説明図、（ｂ）動作タイムチャート。
【図32】第１１実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図34】全波整流駆動時のタイムチャート。
【図35】（ａ）ダイオード整流、（ｂ）同期整流による全波整流駆動時の電流を示す図。
【図36】半波（倍電圧）整流駆動時のタイムチャート。
【図37】（ａ）ダイオード整流、（ｂ）同期整流による半波（倍電圧）整流駆動時の電流を示す図。
【図38】（ａ）第１１実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すＳＯＣ－バッテリ電圧特性図、（ｂ）各ＳＯＣ領域における電圧を示す表。
【図39】第１２実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図40】第１２実施形態の構成例を示す図。
【図41】その他の実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図42】その他の実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【図43】その他の実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明のマルチポート電力変換システムの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。第１～第１２実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態のマルチポート電力変換システムは、電力を出力可能な外部電源と、一つ以上のバッテリとの間に設けられ、バッテリの電圧を目標電圧に近づけるように、バッテリを充放電可能なシステムである。各実施形態のマルチポート電力変換システムの符号は、「７０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。
【0018】
まず、模式的な構成図である図１を参照し、第１実施形態のマルチポート電力変換システム７０１を例として、各実施形態に共通する基本構成について説明する。マルチポート電力変換システム７０１は、電力を出力可能な外部電源１５０と一つ以上のバッテリＢＴとの間に設けられる。
【0019】
ここで、本実施形態のマルチポート電力変換システム７０１は、バッテリＢＴが搭載される対象システムの内部に設けられることを想定する。また、外部電源１５０は、少なくとも電源自体が移動体の外部にあるものとして想定される。ただし、外部電源１５０のうち電源の電力を変換する回路の一部は対象システムの内部に設けられてもよい。例えば第９実施形態では、電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両が対象システムに相当する。
【0020】
図１の例の外部電源１５０は、ＡＣ電源１５及びＡＣ／ＤＣ変換回路１９から構成されている。ＡＣ電源１５は、１００Ｖ又は２００Ｖのコンセントから供給される５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電源である。ＡＣ／ＤＣ変換回路１９は、例えばＰＦＣ（力率改善）回路として構成され、車両等の対象システムの内部に設けられてもよい。その他の例の外部電源１５０は、充電器等の直流電源であってもよい。
【0021】
マルチポート電力変換システム７０１は、マルチポート絶縁型コンバータ３０、バッテリＢＴに対応するバッテリ充放電回路６０、及び駆動回路７５を備える。マルチポート絶縁型コンバータ３０は、外部電源１５０側に一つの一次ポートＰ１、バッテリＢＴ側に二つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２、すなわち計三つの入出力ポートを有する。
【0022】
バッテリＢＴには、直列接続された二つのバッテリ側コンデンサＣｂ１、Ｃｂ２が並列接続されている。高電位側のバッテリ側コンデンサＣｂ１は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の二次ポートＰ２１に直接接続される。低電位側のバッテリ側コンデンサＣｂ２は、調整コンバータ６２を介してマルチポート絶縁型コンバータ３０の二次ポートＰ２２に接続される。バッテリ充放電回路６０は、これらの高電位側及び低電位側の回路により構成される。
【0023】
バッテリ充放電回路６０の高電位側の回路において「直接接続される」とは、「調整コンバータを介さないで接続される」ことを意味しており、経路途中にリレーや抵抗等の素子が設けられることを排除するものではない。要するに、バッテリ充放電回路６０の低電位側の回路は調整コンバータ６２によってバッテリ側の電圧を調整する調整回路であるのに対し、高電位側の回路はバッテリ側の電圧を調整しない「非調整回路」である。
【0024】
また、第１実施形態等では低電位側に調整コンバータ６２が設けられるが、後述する第４実施形態のように、高電位側に調整コンバータ６１が設けられてもよい。ただし、低電位側（すなわちグランド側）の方がノイズの影響を受けにくく、有利なため、第４実施形態以外では低電位側に調整コンバータ６２を設ける構成を基本とする。調整コンバータ６２の具体的な構成及び作用効果については後述する。
【0025】
マルチポート絶縁型コンバータ３０を構成するトランス２０は、一次ポートＰ１に接続される一つの一次巻線２１、及び、二つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２に接続される二つの二次巻線２２１、２２２がコア２３に巻回される。一次ポートＰ１と一次巻線２１との間には一次側スイッチング回路３１が設けられる。二つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２と二つの二次巻線２２１、２２２との間には、それぞれ二次側スイッチング回路４１、４２が設けられる。スイッチング回路３１、４１、４２は、巻線２１１、２２１に流れる電流の向きを周期的に交替させる。図中、「スイッチング回路」を「ＳＷ回路」と記す。
【0026】
二つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２のうちの片側（すなわち一部）の二次ポートＰ２２が「調整側ポート」に相当し、調整側ポートＰ２２以外の二次ポートＰ２１が「非調整側ポート」に相当する。なお、第１実施形態の図１には、二次ポートＰ２１に対応する二次側スイッチング回路の符号が「４１Ｍ」となっているが、さしあたり「Ｍ」を無視し、単に「二次側スイッチング回路４１」として説明を進める。
【0027】
駆動回路７５は、電圧センサ等からバッテリＢＴの電圧Ｖｂを取得する。駆動回路７５は、マルチポート絶縁型コンバータ３０及び調整コンバータ６２を駆動し、且つ、調整コンバータ６２の動作を制御してバッテリＢＴ側の電圧を調整する。これによりマルチポート電力変換システム７０１は、バッテリＢＴの電圧Ｖｂを目標電圧に近づけるように、バッテリＢＴを充放電させる。すなわち、マルチポート電力変換システム７０１は、双方向に電力授受可能であり、バッテリＢＴを充放電可能である。図１に、双方向の電力授受の作用を両方向ブロック矢印で表す。以下の図では、双方向の電力授受を表す図示を省略する。
【0028】
一般にコンバータによる出力電圧の制御として、スイッチング回路のＤｕｔｙ比を可変に制御する構成が知られている。なお、Ｄｕｔｙ比は、各スイッチング回路を構成する複数のスイッチのＯＮ／ＯＦＦ時間の比を規定する値である。例えば「スイッチング周期に対する上アームスイッチのＯＮ時間の比率」がＤｕｔｙ比と定義される。ここで、マルチポート絶縁型コンバータの効率は、スイッチング回路のＤｕｔｙ比に依存する。基本的にＤｕｔｙ比が０．５付近のとき効率は最大であり、０．５から離れると効率は低下する。そのため、Ｄｕｔｙ比を可変に制御する構成では、動作させるＤｕｔｙ比の領域によっては効率が低下する場合がある。
【0029】
それに対し本実施形態では、バッテリＢＴの電圧変化に応じて駆動回路７５が調整コンバータ６２の出力電圧を調整することで、マルチポート絶縁型コンバータ３０のＤｕｔｙ比を高効率領域の値に固定して非制御で駆動する。すなわち、駆動回路７５によるマルチポート絶縁型コンバータ３０の駆動において、一次側スイッチング回路３１及び二次側スイッチング回路４１、４２のＤｕｔｙ比は固定値に設定されている。
【0030】
具体的には、各スイッチング回路のＤｕｔｙ比を固定値として約０．５に設定することで、バッテリ充放電時および電圧均等化時における効率を向上させることができる。このように、スイッチング回路のＤｕｔｙ比を固定して駆動されるコンバータを本明細書では「非制御コンバータ」と称する。
【0031】
続いて、上述の箇所で説明を飛ばしたスイッチング回路の符号「４１Ｍ」の意味について補足する。この符号末尾の「Ｍ」は、「マルチレベルスイッチング回路」であることを示す。マルチレベルスイッチング回路は、複数のスイッチの動作モードを切り替えて出力電圧を複数段階に切り替え可能なスイッチング回路である。言い換えれば、動作モードを切り替えなければ、マルチレベルスイッチング回路は通常のスイッチング回路として機能する。したがって、例えば符号「４１Ｍ」は「４１」の中の特殊な類型であり、「４１」の範疇に含まれるものと解釈する。
【0032】
本実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路、もしくは、非調整側ポートに対応する二次側スイッチング回路の少なくとも一方がマルチレベルスイッチング回路として構成されている。駆動回路７５は、バッテリＢＴの目標電圧に応じて、さらにマルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替える。以下の各実施形態は、主にマルチレベルスイッチング回路の構成が異なる。
【0033】
最初に、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側又は二次側のどちらにマルチレベルスイッチング回路が設けられるかにより、３通りの構成を第１～第３実施形態として示す。二次側にマルチレベルスイッチング回路が設けられる構成を第１実施形態とし、一次側にマルチレベルスイッチング回路が設けられる構成を第２実施形態とする。一次側及び二次側の両方にマルチレベルスイッチング回路が設けられる構成を第３実施形態とする。
【0034】
（第１実施形態）
図１～図４を参照し、第１実施形態について説明する。図１に示すように、第１実施形態のマルチポート電力変換システム７０１は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の二次側スイッチング回路４１Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成されている。以下の実施形態を含め、図１等の模式的なブロック図では具体的な回路構成は特定されない。一方、図２、図３等の構成図で、各スイッチング回路３１、４１Ｍ、４２や調整コンバータ６２の具体的な回路構成例が示される。図２、図３中の二次ポートＰ２１、Ｐ２２及びバッテリＢＴの電圧値は、図４の説明に引用される。
図１～図４を参照し、第１実施形態について説明する。図１に示すように、第１実施形態のマルチポート電力変換システム７０１は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の二次側スイッチング回路４１Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成されている。以下の実施形態を含め、図１等の模式的なブロック図では具体的な回路構成は特定されない。一方、図２、図３等の構成図で、各スイッチング回路３１、４１Ｍ、４２や調整コンバータ６２の具体的な回路構成例が示される。図２、図３中の二次ポートＰ２１、Ｐ２２及びバッテリＢＴの電圧値は、図４の説明に引用される。
【0035】
図２、図３を参照し、先に二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍ以外の構成例を説明する。図２の例では、一次側スイッチング回路３１はハーフブリッジ式のＤＣ／ＤＣコンバータ５１で構成されている。図３の例では、一次側スイッチング回路３１は、フルブリッジ式のＤＣ／ＤＣコンバータ５２で構成されている。いずれの構成を採用してもよいが、フルブリッジ式ではハーフブリッジ式に対しスイッチング素子の耐圧を下げることができる。
【0036】
図２、図３に共通し、調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路４２は、フルブリッジ式のＤＣ／ＤＣコンバータ（符号なし）で構成されている。また、調整コンバータ６２は、マルチポート絶縁型コンバータ３０からバッテリＢＴに充電するとき降圧回路として機能する降圧コンバータ６５で構成されている。降圧コンバータ６５は、上下アームのスイッチング素子及びコイルを含むチョッパ式降圧回路である。バッテリＢＴの充電時、降圧コンバータ６５は、調整側ポートＰ２２の入力電圧を降圧してバッテリＢＴ側に出力する。なお、他の実施形態の調整コンバータは、降圧コンバータで構成される構成に限らず、昇圧コンバータで構成されてもよい。また、非絶縁型のチョッパ式コンバータでなく、絶縁型コンバータ等で構成されてもよい。
【0037】
次に、二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍの構成例について説明する。本明細書では、この構成を、便宜上「Ｄタイプ」のマルチレベルスイッチング回路５４という。なお、動作モードを表す記号Ａ、Ｂ、Ｃとの混同を避けるため、「Ａ、Ｂ、Ｃタイプ」の名称は使用しない。第５、第６実施形態では、「Ｄタイプ」とは別の構成例として「Ｅタイプ」及び「Ｆタイプ」の構成例を示す。ここで、スイッチの記号「ＳＷ１」等は、タイプ毎に独立して用いる。つまり、Ｄタイプにおける「第１スイッチＳＷ１」と、Ｅタイプ又はＦタイプにおける「第１スイッチＳＷ１」とは、それぞれ構成や作用が異なる。各タイプにおける複数のスイッチの電気的特性は同等である。
【0038】
Ｄタイプのマルチレベルスイッチング回路５４は、４個のスイッチＳＷ１－ＳＷ４、第１コンデンサＣｐ１、第２コンデンサＣｐ２、及び共振コンデンサＣｒを含む。二次側スイッチング回路４１Ｍに適用される場合、４個のスイッチ、すなわち第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３及び第４スイッチＳＷ４は、二次ポートＰ２１の両端子間に順に直列接続されている。
【0039】
第１コンデンサＣｐ１は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２に対し並列接続されている。第２コンデンサＣｐ２は、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３に対し並列接続されている。第１コンデンサＣｐ１及び第２コンデンサＣｐ２の電気的特性は同等である。
【0040】
共振コンデンサＣｒは、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２との中間点と、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４との中間点との間において、二次巻線２２１と直列接続され共振回路を構成する。共振回路に励磁電流が流れたとき、共振コンデンサＣｒの両端に発生する電圧と、巻線２２１の両端に発生する電圧とが同等になるように各素子の特性が設定されている。この点に関してはＥタイプ、Ｆタイプでも同様とする。
【0041】
Ｄタイプのマルチレベルスイッチング回路５４が一次側スイッチング回路３１Ｍに適用される場合、上記説明中の二次ポートＰ２１が一次ポートＰ１に代わり、二次巻線２２１が一次巻線２１に代わる。Ｄタイプのマルチレベルスイッチング回路５４は、４個のスイッチＳＷ１－ＳＷ４の動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である。なお、Ｄタイプのマルチレベルスイッチング回路５４の動作モードは、第２実施形態の構成の後に説明する。
【0042】
次に図４のＳＯＣ－バッテリ電圧特性図を参照し、バッテリのＳＯＣに応じたバッテリ電圧の変化、及び、調整コンバータ６２によるバッテリ側電圧の調整について説明する。以下の図２、図６、図１２ではバッテリＢＴの最大電圧を４００Ｖとして例示する。また、図２に示す電圧値の例では、非調整側ポートＰ２１における二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍの出力電圧は１３３Ｖ、２６７Ｖの２段階で切り替えられ、調整側ポートＰ２２の電圧は１３３Ｖに設定されている。調整コンバータ６２は、入力された１３３Ｖの電圧を降圧し、０－１３３Ｖの範囲で調整して出力する。本明細書において１３３Ｖ、２６７Ｖは、それぞれ（４００／３）Ｖ、（４００×２／３）Ｖを意味する。同様に図１６の６７Ｖは（４００／６）Ｖを意味する。
【0043】
図４（ａ）に示すように、バッテリＢＴのＳＯＣが０％のときの最小電圧が１３３Ｖであり、ＳＯＣが１００％のときの最大電圧が４００Ｖである。バッテリ電圧はＳＯＣの増加に伴ってＳ字カーブを描いて上昇し、ＳＯＣがＸ％のとき、２６７Ｖになる。このような特性の場合、ＳＯＣが０－Ｘ％の範囲では、駆動回路７５は、非調整側の電圧を１３３Ｖに固定し、調整側で調整コンバータ６２による０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。
【0044】
ＳＯＣがＸ％のとき、駆動回路７５は、二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍの電圧レベルを１３３Ｖから２６７Ｖに上げる。そして、ＳＯＣがＸ－１００％の範囲では、駆動回路７５は、非調整側の電圧を２６７Ｖに固定し、調整側で０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。このように、バッテリＢＴへの出力電圧の増加時に調整コンバータ６２の出力電圧が非調整側ポートＰ２１の電圧以上となったとき、駆動回路７５は、二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍの電圧レベルを上げる。
【0045】
仮に非調整側ポートＰ２１の電圧を１３３Ｖの一段階で固定した場合、調整コンバータ６２の出力調整範囲は０－２６７Ｖとなる。これに比べ、本実施形態では、マルチレベルスイッチング回路を用いて非調整側ポートＰ２１の電圧を複数段階に切り替えることで、調整コンバータ６２による出力調整範囲を狭くし、負担を軽減することができる。
【0046】
なお、一次側スイッチング回路３１Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成される第２実施形態では、後述のように非調整側ポートＰ２１及び調整側ポートＰ２２の電圧が連動して切り替わる。そのため、図７に示すように、一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍの電圧レベルを上げたとき、調整コンバータ６２の出力調整範囲も０－２００Ｖに広がる。
【0047】
それに対し、二次側スイッチング回路４１Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成される第１実施形態では、調整側ポートＰ２２の電圧は一定に維持される。すなわち、調整コンバータ６２の出力調整範囲の上限は、二次側マルチレベルスイッチング回路４１の電圧レベルの切り替えの影響を受けず、一定に維持される。したがって、全ＳＯＣ領域で一様に調整コンバータ６２の負担を軽減することができる点でより有利である。
【0048】
また、図４（ｂ）に示すように、二種類のバッテリＩ、ＩＩはＳＯＣ－開回路電圧特性が異なる。バッテリＩ及びバッテリＩＩの最小電圧は、それぞれ１３３Ｖ及び２６７Ｖであり、最大電圧はいずれも４００Ｖである。バッテリＩに適用される場合、駆動回路７５は、図４（ａ）と同様に出力電圧を制御する。バッテリＩＩに適用される場合、駆動回路７５は、全ＳＯＣ領域で非調整側の電圧を２６７Ｖに固定し、調整側で０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。このように本実施形態では、バッテリのＳＯＣ－開回路特性に応じて、マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替えられるため、バッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性が向上する。
【0049】
（第２実施形態）
図５～図７を参照し、第２実施形態について説明する。第２実施形態のマルチポート電力変換システム７０２は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路３１Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成されている。図６には、一次側マルチレベルスイッチング回路３１ＭがＤタイプで構成された例を示す。図６中の二次ポートＰ２１、Ｐ２２及びバッテリＢＴの電圧値は、図７の説明に引用される。
図５～図７を参照し、第２実施形態について説明する。第２実施形態のマルチポート電力変換システム７０２は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路３１Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成されている。図６には、一次側マルチレベルスイッチング回路３１ＭがＤタイプで構成された例を示す。図６中の二次ポートＰ２１、Ｐ２２及びバッテリＢＴの電圧値は、図７の説明に引用される。
【0050】
図７に、第２実施形態によるＳＯＣ－バッテリ電圧特性の例を示す。図６に示す電圧値の例では、一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍの出力電圧の切り替えにより、非調整側ポートＰ２１及び調整側ポートＰ２２の電圧は、１００Ｖ及び１００Ｖ、２００Ｖ及び２００Ｖの２段階で連動して切り替わる。調整コンバータ６２は、調整側ポートＰ２２の電圧が１００Ｖのとき、０－１００Ｖの範囲で調整して出力し、調整側ポートＰ２２の電圧が２００Ｖのとき、０－２００Ｖの範囲で調整して出力する。
【0051】
図７（ａ）に示すように、バッテリＢＴのＳＯＣが０％のときの最小電圧が１００Ｖであり、ＳＯＣが１００％のときの最大電圧が４００Ｖである。バッテリ電圧はＳＯＣの増加に伴ってＳ字カーブを描いて上昇し、ＳＯＣがＸ％のとき、２００Ｖになる。このような特性の場合、ＳＯＣが０－Ｘ％の範囲では、駆動回路７５は、非調整側の電圧を１００Ｖに固定し、調整側で調整コンバータ６２による０－１００Ｖの出力電圧を制御する。
【0052】
ＳＯＣがＸ％のとき、駆動回路７５は、一次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍの電圧レベルを上げることで、非調整側ポートＰ２１及び調整側ポートＰ２２の電圧を２００Ｖに上げる。そして、ＳＯＣがＸ－１００％の範囲では、駆動回路７５は、非調整側の電圧を２００Ｖに固定し、調整側で０－２００Ｖの出力電圧を制御する。このように、バッテリＢＴへの出力電圧の増加時に調整コンバータ６２の出力電圧が非調整側ポートＰ２１の電圧以上となったとき、駆動回路７５は、一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍの電圧レベルを上げる。
【0053】
また、図７（ｂ）に示すように、二種類のバッテリＩ、ＩＩはＳＯＣ－開回路電圧特性が異なる。バッテリＩ及びバッテリＩＩの最小電圧は、それぞれ１００Ｖ及び２００Ｖであり、最大電圧はいずれも４００Ｖである。バッテリＩに適用される場合、駆動回路７５は、図７（ａ）と同様に出力電圧を制御する。バッテリＩＩに適用される場合、駆動回路７５は、全ＳＯＣ領域で非調整側の電圧を２００Ｖに固定し、調整側で０－２００Ｖの出力電圧を制御する。以上のように、第２実施形態による作用効果は、図４に示す第１実施形態の作用効果と基本的に同様である。
【0054】
次に図８～図１０を参照し、Ｄタイプのマルチレベルスイッチング回路５４が一次側に適用される構成を例として、２種類の動作モードＡ、Ｂについて説明する。図８（ａ）に示すように、マルチレベルスイッチング回路５４に入力される電源電圧をＥｄ、一次巻線２１の巻数をＮ１、二次巻線２２１、２２２の巻数をＮ２１、Ｎ２２と表す。図１７～図２３を含め、図中、「Ｎ１、Ｎ２１、Ｎ２２」の数字部分を下付文字で記す。
【0055】
図８（ｂ）、（ｃ）のタイムチャートは、それぞれ動作モードＡ、Ｂの１サイクルを示す。動作モードＡは４段階、動作モードＢは２段階のモードを含む。図９、図１０では、一次ポートＰ１等の図示を省略する。各モードにおいて、ＯＮされるスイッチ以外のスイッチはＯＦＦされるものとする。
【0056】
図９に、動作モードＡにおける各モードを示す。全モードを通じて第１コンデンサＣｐ１及び第２コンデンサＣｐ２には、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（１／２）が印加される。奇数モード＜１＞、＜３＞では、電源を通る回路が形成されるように各スイッチが操作されることで、一次巻線２１に励磁電流が流れ、それに伴って二次巻線２２１、２２２に負荷電流が流れる。
【0057】
詳しくは、モード＜１＞では第１スイッチＳＷ１及び第３スイッチＳＷ３がＯＮされ、第１コンデンサＣｐ１と共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１とを含む閉回路が形成される。モード＜３＞では第２スイッチＳＷ２及び第４スイッチＳＷ４がＯＮされ、第２コンデンサＣｐ２と共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１とを含む閉回路が形成される。こうして、モード＜１＞、＜３＞では、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（１／４）、（１／４）が印加される。これにより、各二次巻線２２１、２２２に平均値として「巻数比×（１／４）×Ｅｄ」の電圧が発生する。
【0058】
共通の偶数モード＜２＞、＜４＞では、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３がＯＮされることで、第１コンデンサＣｐ１及び第２コンデンサＣｐ２との接続が遮断され、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１を含む閉回路が形成される。このとき、奇数モード＜１＞、＜３＞とは逆向きの電圧が各巻線２１、２２１、２２２に発生し、電流が還流する。
【0059】
図１０に、動作モードＢにおける各モードを示す。モード＜１＞では、電源を通る回路が形成されるように各スイッチが操作されることで、一次巻線２１に励磁電流が流れ、それに伴って二次巻線２２１、２２２に負荷電流が流れる。
【0060】
モード＜１＞では、第１スイッチＳＷ１及び第４スイッチＳＷ４がＯＮされ、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（１／２）、（１／２）が印加される。これにより、各二次巻線２２１、２２２に平均値として「巻数比×（１／２）×Ｅｄ」の電圧が発生する。
【0061】
モード＜２＞では、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３がＯＮされることで、電源との接続が遮断され、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１を含む閉回路が形成される。このとき、モード＜１＞とは逆向きの電圧が各巻線２１、２２１、２２２に発生し、電流が還流する。
【0062】
このように、Ｄタイプのマルチレベルスイッチング回路５４は、動作モードＡ、Ｂを切り替えることで、相手側の巻線（この例では二次巻線２２１、２２２）に発生させる電圧レベルを２段階に切り替えることができる。
【0063】
（第３実施形態）
図１１～図１３を参照し、第３実施形態について説明する。第３実施形態のマルチポート電力変換システム７０３は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路３１Ｍ、及び、非調整側ポートＰ２１に対応する二次側スイッチング回路４１Ｍの両方がマルチレベルスイッチング回路として構成されている。図１２には、一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍ及び二次側マルチレベルスイッチング回路４１ＭがいずれもＤタイプで構成された例を示す。図１２中の二次ポートＰ２１、Ｐ２２及びバッテリＢＴの電圧値は、図１３の説明に引用される。
図１１～図１３を参照し、第３実施形態について説明する。第３実施形態のマルチポート電力変換システム７０３は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路３１Ｍ、及び、非調整側ポートＰ２１に対応する二次側スイッチング回路４１Ｍの両方がマルチレベルスイッチング回路として構成されている。図１２には、一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍ及び二次側マルチレベルスイッチング回路４１ＭがいずれもＤタイプで構成された例を示す。図１２中の二次ポートＰ２１、Ｐ２２及びバッテリＢＴの電圧値は、図１３の説明に引用される。
【0064】
図１３に、第３実施形態によるＳＯＣ－バッテリ電圧特性の例を示す。図１３に示す電圧値の例では、一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍの出力電圧の切り替えにより、非調整側ポートＰ２１の低レベルの電圧、及び調整側ポートＰ２２の電圧は、６７Ｖ及び１３３Ｖの２段階で連動して切り替わる。さらに、二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍの切り替えにより、非調整側ポートＰ２１の電圧は、低レベルが６７Ｖのとき高レベルでは１３３Ｖに切り替わり、低レベルが１３３Ｖのとき高レベルでは２６７Ｖに切り替わる。
【0065】
図１３（ａ）に示すように、バッテリＢＴのＳＯＣが０％のときの最小電圧が６７Ｖであり、ＳＯＣが１００％のときの最大電圧が４００Ｖである。バッテリ電圧は、ＳＯＣがＸ１％のとき１３３Ｖ、Ｘ２％のとき２００Ｖ、Ｘ３％のとき２６７Ｖになる。このような特性の場合、ＳＯＣが０－Ｘ１％の範囲では、駆動回路７５は、非調整側の電圧を６７Ｖに固定し、調整側で０－６７Ｖの出力電圧を制御する。
【0066】
ＳＯＣがＸ１－Ｘ３％の範囲では、駆動回路７５は、非調整側の電圧を１３３Ｖに固定し、調整側で０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。或いは、そのうちＸ１－Ｘ２％の範囲では、調整側で０－６７Ｖの出力電圧を制御してもよい。ＳＯＣがＸ３－１００％の範囲では、駆動回路７５は、非調整側の電圧を２６７Ｖに固定し、調整側で０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。
【0067】
また、図１３（ｂ）に示すように、三種類のバッテリＩ、ＩＩ、ＩＩＩはＳＯＣ－開回路電圧特性が異なる。バッテリＩ、バッテリＩＩ及びバッテリＩＩＩの最小電圧は、それぞれ６７Ｖ、１３３Ｖ及び２６７Ｖであり、最大電圧はいずれも４００Ｖである。バッテリＩに適用される場合、駆動回路７５は、図１３（ａ）と同様に出力電圧を制御する。
【0068】
バッテリＩＩに適用される場合、駆動回路７５は、バッテリ電圧２６７ＶまでのＳＯＣ領域では非調整側の電圧を１３３Ｖに固定し、調整側で０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。バッテリ電圧２６７－４００ＶのＳＯＣ領域では非調整側の電圧を２６７Ｖに固定し、調整側で０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。バッテリＩＩＩに適用される場合、駆動回路７５は、全ＳＯＣ領域で非調整側の電圧を２６７Ｖに固定し、調整側で０－１３３Ｖの出力電圧を制御する。このように第３実施形態では三種類の特性のバッテリに対応することができるため、バッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性が向上する。また、調整コンバータ６２の出力調整範囲をさらに狭くし、負担をより軽減することができる。
【0069】
（第４実施形態）
次に図１４を参照し、第４実施形態について説明する。第４実施形態のマルチポート電力変換システム７０４は、第１実施形態のマルチポート電力変換システム７０１に対し、バッテリＢＴの高電位側に対応する二次ポートＰ２１とバッテリ側コンデンサＣｂ１との間に調整コンバータ６１が接続される。バッテリＢＴの低電位側に対応する二次ポートＰ２２とバッテリ側コンデンサＣｂ２との間は直接接続される。つまり、二次ポートＰ２１が調整側ポートとなり、二次ポートＰ２２が非調整側ポートとなる。非調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路４２Ｍはマルチレベルスイッチング回路として構成される。なお、第４実施形態にのみ用いられる符号は、特許請求の範囲の参照符号として記載しない。
次に図１４を参照し、第４実施形態について説明する。第４実施形態のマルチポート電力変換システム７０４は、第１実施形態のマルチポート電力変換システム７０１に対し、バッテリＢＴの高電位側に対応する二次ポートＰ２１とバッテリ側コンデンサＣｂ１との間に調整コンバータ６１が接続される。バッテリＢＴの低電位側に対応する二次ポートＰ２２とバッテリ側コンデンサＣｂ２との間は直接接続される。つまり、二次ポートＰ２１が調整側ポートとなり、二次ポートＰ２２が非調整側ポートとなる。非調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路４２Ｍはマルチレベルスイッチング回路として構成される。なお、第４実施形態にのみ用いられる符号は、特許請求の範囲の参照符号として記載しない。
【0070】
このようにしても第１実施形態と同様の作用効果が得られる。第２、第３、第５、第６実施形態についても同様に、高電位側の二次ポートＰ２１が調整側ポートとなり、低電位側の二次ポートＰ２２が非調整側ポートとなるように変更してもよい。また、第７、第８実施形態では、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２に対応する四つの二次ポートＰ２１～Ｐ２４について、高電位側の二次ポートＰ２１、Ｐ２３が調整側ポートとなり、低電位側の二次ポートＰ２２、Ｐ２４が非調整側ポートとなるように変更してもよい。
【0071】
（第５実施形態）
図１５を参照し、第５実施形態のマルチポート電力変換システム７０５に用いられる「Ｅタイプ」のマルチレベルスイッチング回路について説明する。図１５において一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍを構成する回路５５を、本明細書では「Ｅタイプ」と呼ぶ。Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５は、フライングキャパシタ方式の４スイッチのスイッチング回路にＬＣ共振回路を組み合わせたものである。図１５には、一次側スイッチング回路３１Ｍに適用される場合を示しているが、Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５が二次側スイッチング回路４１Ｍに適用されてもよい。また、図１５に記載した電圧値の例は、図６に準ずる。
図１５を参照し、第５実施形態のマルチポート電力変換システム７０５に用いられる「Ｅタイプ」のマルチレベルスイッチング回路について説明する。図１５において一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍを構成する回路５５を、本明細書では「Ｅタイプ」と呼ぶ。Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５は、フライングキャパシタ方式の４スイッチのスイッチング回路にＬＣ共振回路を組み合わせたものである。図１５には、一次側スイッチング回路３１Ｍに適用される場合を示しているが、Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５が二次側スイッチング回路４１Ｍに適用されてもよい。また、図１５に記載した電圧値の例は、図６に準ずる。
【0072】
Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５は、４個のスイッチＳＷ１－ＳＷ４、１個のフライングキャパシタＣｆ、及び共振コンデンサＣｒを含む。一次側スイッチング回路３１Ｍに適用される場合、４個のスイッチ、すなわち第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３及び第４スイッチＳＷ４は、一次ポートＰ１の両端子間に順に直列接続されている。
【0073】
フライングキャパシタＣｆは、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３に対し並列接続されている。共振コンデンサＣｒは、第２スイッチＳＷ２と第３スイッチＳＷ３との中間点と、第４スイッチＳＷ４と一次ポートＰ１の一方の端子との接続点との間において、一次巻線２１と直列接続され共振回路を構成する。フライングキャパシタＣｆの電気的特性は、Ｅタイプの動作モードにおける下記の電圧比が得られるように設定されている。
【0074】
Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５が二次側スイッチング回路４１Ｍに適用される場合、上記説明中の一次ポートＰ１ポートが二次ポートＰ２１に代わり、一次巻線２１が二次巻線２２１に代わる。Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５は、４個のスイッチＳＷ１－ＳＷ４の動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である。
【0075】
なお、Ｅタイプのマルチレベルスイッチング回路５５の動作モードは、Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６の動作モードＢ、Ｃから類推されるため、詳しい説明を省略する。Ｅタイプでは、Ｄタイプと同様に、動作モードＡでは各二次巻線２２１、２２２に平均値として「巻数比×（１／４）×Ｅｄ」の電圧が発生し、動作モードＢでは各二次巻線２２１、２２２に平均値として「巻数比×（１／２）×Ｅｄ」の電圧が発生する。
【0076】
（第６実施形態）
図１６を参照し、第６実施形態のマルチポート電力変換システム７０６に用いられる「Ｆタイプ」のマルチレベルスイッチング回路について説明する。図１６において一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍを構成する回路５６を、本明細書では「Ｆタイプ」と呼ぶ。Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６は、フライングキャパシタ方式の６スイッチのスイッチング回路にＬＣ共振回路を組み合わせたものである。
図１６を参照し、第６実施形態のマルチポート電力変換システム７０６に用いられる「Ｆタイプ」のマルチレベルスイッチング回路について説明する。図１６において一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍを構成する回路５６を、本明細書では「Ｆタイプ」と呼ぶ。Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６は、フライングキャパシタ方式の６スイッチのスイッチング回路にＬＣ共振回路を組み合わせたものである。
【0077】
図１６には、一次側スイッチング回路３１Ｍに適用される場合を示しているが、Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６が二次側スイッチング回路４１Ｍに適用されてもよい。また、図１６に記載した電圧値の例は、図６に準ずる値の他、「６７Ｖ」が追加されている。
【0078】
Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６は、６個のスイッチＳＷ１－ＳＷ６、２個のフライングキャパシタＣｆ１、Ｃｆ２、及び共振コンデンサＣｒを含む。一次側スイッチング回路３１Ｍに適用される場合、６個のスイッチ、すなわち第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４、第５スイッチＳＷ５、及び第６スイッチＳＷ６は、一次ポートＰ１の両端子間に順に直列接続されている。
【0079】
外側の第１フライングキャパシタＣｆ１は、第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３、第４スイッチＳＷ４及び第５スイッチＳＷ５に対し並列接続されている。内側の第２フライングキャパシタＣｆ２は、第３スイッチＳＷ３及び第４スイッチＳＷ４に対し並列接続されている。第１フライングキャパシタＣｆ１及び第２フライングキャパシタＣｆ２の電気的特性は、Ｆタイプの動作モードにおける下記の電圧比が得られるように設定されている。共振コンデンサＣｒは、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４との中間点と、第６スイッチＳＷ６と一次ポートＰ１の一方の端子との接続点との間において、一次巻線２１と直列接続され共振回路を構成する。
【0080】
Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６が二次側スイッチング回路４１Ｍに適用される場合、上記説明中の一次ポートＰ１ポートが二次ポートＰ２１に代わり、一次巻線２１が二次巻線２２１に代わる。Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６は、６個のスイッチＳＷ１－ＳＷ６の動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である。
【0081】
次に図１７～図２３を参照し、Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６が一次側に適用される構成を例として、３種類の動作モードＡ、Ｂ、Ｃについて説明する。図１７（ａ）に示すように、マルチレベルスイッチング回路５６に入力される電源電圧をＥｄ、一次巻線２１の巻数をＮ１、二次巻線２２１、２２２の巻数をＮ２１、Ｎ２２と表す。図１７（ｂ）、図１８（ａ）、図１８（ｂ）のタイムチャートは、それぞれ動作モードＡ、Ｂ、Ｃの１サイクルを示す。動作モードＡは６段階、動作モードＢは４段階、動作モードＣは２段階のモードを含む。図１９～図２３では、一次ポートＰ１等の図示を省略する。各モードにおいて、ＯＮされるスイッチ以外のスイッチはＯＦＦされるものとする。
【0082】
図１９、図２０に、動作モードＡにおける各モードを示す。奇数モード＜１＞、＜３＞、＜５＞では、電源を通る回路が形成されるように各スイッチが操作されることで、一次巻線２１に励磁電流が流れ、それに伴って二次巻線２２１、２２２に負荷電流が流れる。詳しくは、モード＜１＞では第１スイッチＳＷ１、第４スイッチＳＷ４及び第５スイッチＳＷ５がＯＮされ、第１フライングキャパシタＣｆ１、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（４／６）、（１／６）、（１／６）が印加される。
【0083】
モード＜３＞では第２スイッチＳＷ２、第４スイッチＳＷ４及び第６スイッチＳＷ６がＯＮされ、第１フライングキャパシタＣｆ１、第２フライングキャパシタＣｆ２、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（４／６）、（２／６）、（１／６）、（１／６）が印加される。モード＜５＞では第３スイッチＳＷ３、第５スイッチＳＷ５及び第６スイッチＳＷ６がＯＮされ、第２フライングキャパシタＣｆ２、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（２／６）、（１／６）、（１／６）が印加される。これにより、各二次巻線２２１、２２２に平均値として「巻数比×（１／６）×Ｅｄ」の電圧が発生する。
【0084】
共通の偶数モード＜２＞、＜４＞、＜６＞では、第４スイッチＳＷ４、第５スイッチＳＷ５及び第６スイッチＳＷ６がＯＮされることで、電源との接続が遮断され、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１を含む閉回路が形成される。このとき、奇数モード＜１＞、＜３＞、＜５＞とは逆向きの電圧が各巻線２１、２２１、２２２に発生し、電流が還流する。
【0085】
図２１、図２２に、動作モードＢにおける各モードを示す。奇数モード＜１＞、＜３＞では、電源を通る回路が形成されるように各スイッチが操作されることで、一次巻線２１に励磁電流が流れ、それに伴って二次巻線２２１、２２２に負荷電流が流れる。詳しくは、モード＜１＞では第１スイッチＳＷ１、第４スイッチＳＷ４及び第５スイッチＳＷ５がＯＮされ、第１フライングキャパシタＣｆ１、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（２／４）、（１／４）、（１／４）が印加される。
【0086】
モード＜３＞では第２スイッチＳＷ２、第３スイッチＳＷ３及び第６スイッチＳＷ６がＯＮされ、第１フライングキャパシタＣｆ１、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（２／４）、（１／４）、（１／４）が印加される。これにより、各二次巻線２２１、２２２に平均値として「巻数比×（１／４）×Ｅｄ」の電圧が発生する。
【0087】
共通の偶数モード＜２＞、＜４＞では、第４スイッチＳＷ４、第５スイッチＳＷ５及び第６スイッチＳＷ６がＯＮされることで、電源との接続が遮断され、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１を含む閉回路が形成される。このとき、奇数モード＜１＞、＜３＞とは逆向きの電圧が各巻線２１、２２１、２２２に発生し、電流が還流する。
【0088】
図２３に、動作モードＣにおける各モードを示す。モード＜１＞では、電源を通る回路が形成されるように各スイッチが操作されることで、一次巻線２１に励磁電流が流れ、それに伴って二次巻線２２１、２２２に負荷電流が流れる。モード＜１＞では、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３がＯＮされ、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１に、それぞれ平均値として電源電圧Ｅｄの（１／２）、（１／２）が印加される。これにより、各二次巻線２２１、２２２に平均値として「巻数比×（１／２）×Ｅｄ」の電圧が発生する。
【0089】
モード＜２＞では、第４スイッチＳＷ４、第５スイッチＳＷ５及び第６スイッチＳＷ６がＯＮされることで、電源との接続が遮断され、共振コンデンサＣｒ及び一次巻線２１を含む閉回路が形成される。このとき、モード＜１＞とは逆向きの電圧が各巻線２１、２２１、２２２に発生し、電流が還流する。
【0090】
このように、Ｆタイプのマルチレベルスイッチング回路５６は、動作モードＡ、Ｂ、Ｃを切り替えることで、相手側の巻線（この例では二次巻線２２１、２２２）に発生させる電圧レベルを３段階に切り替えることができる。
【0091】
（第７、第８実施形態）
次に図２４、図２５を参照し、第７、第８実施形態について説明する。第７、第８実施形態のマルチポート電力変換システム７０７、７０８は、外部電源１５０と二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２との間に設けられる。マルチポート電力変換システム７０７、７０８は、マルチポート絶縁型コンバータの構成が異なる以外は共通に、各バッテリＢＴ１、ＢＴ２に対応する二つのバッテリ充放電回路６０１、６０２、及び駆動回路７５を備える。図２４、図２５において、第２バッテリ充放電回路６０２には「バッテリ充放電回路」の名称の記載を省略する。第９実施形態の図２６においても同様とする。
次に図２４、図２５を参照し、第７、第８実施形態について説明する。第７、第８実施形態のマルチポート電力変換システム７０７、７０８は、外部電源１５０と二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２との間に設けられる。マルチポート電力変換システム７０７、７０８は、マルチポート絶縁型コンバータの構成が異なる以外は共通に、各バッテリＢＴ１、ＢＴ２に対応する二つのバッテリ充放電回路６０１、６０２、及び駆動回路７５を備える。図２４、図２５において、第２バッテリ充放電回路６０２には「バッテリ充放電回路」の名称の記載を省略する。第９実施形態の図２６においても同様とする。
【0092】
第１バッテリＢＴ１に接続される第１バッテリ充放電回路６０１は、第１実施形態等のバッテリ充放電回路６０と実質的に同じである。同様に第２バッテリＢＴ２には、直列接続された二つのバッテリ側コンデンサＣｂ３、Ｃｂ４が並列接続されている。高電位側のバッテリ側コンデンサＣｂ３は、マルチポート絶縁型コンバータの非調整側ポートである二次ポートＰ２３に直接接続される。低電位側のバッテリ側コンデンサＣｂ４は、調整コンバータ６４を介して、マルチポート絶縁型コンバータの調整側ポートである二次ポートＰ２４に接続される。
【0093】
図２４に示す第７実施形態のマルチポート電力変換システム７０７は、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２に共通して対応する一台のマルチポート絶縁型コンバータ３００が外部電源１５０に接続される。マルチポート絶縁型コンバータ３００は、外部電源１５０側に一つ、バッテリＢＴ１、ＢＴ２側に四つ、計五つの入出力ポートを有する。
【0094】
マルチポート絶縁型コンバータ３００を構成するトランス２００は、一次ポートＰ１に接続される一つの一次巻線２１、及び、四つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４に接続される四つの二次巻線２２１、２２２、２２３、２２４がコア２３０に巻回される。一次ポートＰ１１と一次巻線２１１との間には一次側スイッチング回路３１が設けられる。四つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４と四つの二次巻線２２１、２２２、２２３、２２４との間には、それぞれ二次側スイッチング回路４１Ｍ、４２、４３Ｍ、４４が設けられる。
【0095】
図２５に示す第８実施形態のマルチポート電力変換システム７０８は、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２に対応する二台のマルチポート絶縁型コンバータ３０１、３０２が外部電源１５０に対して並列接続される。各マルチポート絶縁型コンバータ３０１、３０２は、外部電源１５０側に一つ、バッテリＢＴ１、ＢＴ２側に二つ、計三つの入出力ポートを有する。
【0096】
第１マルチポート絶縁型コンバータ３０１を構成するトランス２０１は、一次ポートＰ１１に接続される一つの一次巻線２１１、及び、二つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２に接続される二つの二次巻線２２１、２２２がコア２３１に巻回される。一次ポートＰ１１と一次巻線２１１との間には一次側スイッチング回路３１が設けられる。二つの二次ポートＰ２１、Ｐ２２と二つの二次巻線２２１、２２２との間には、それぞれ二次側スイッチング回路４１Ｍ、４２が設けられる。
【0097】
第２マルチポート絶縁型コンバータ３０２を構成するトランス２０２は、一次ポートＰ１２に接続される一つの一次巻線２１２、及び、二つの二次ポートＰ２３、Ｐ２４に接続される二つの二次巻線２２３、２２４がコア２３２に巻回される。一次ポートＰ１２と一次巻線２１２との間には一次側スイッチング回路３２が設けられる。二つの二次ポートＰ２３、Ｐ２４と二つの二次巻線２２３、２２４との間には、それぞれ二次側スイッチング回路４３Ｍ、４４が設けられる。
【0098】
第７、第８実施形態に共通して、非調整側ポートＰ２１、Ｐ２３に対応する二次側スイッチング回路４１Ｍ、４３Ｍは、マルチレベルスイッチング回路として構成されている。駆動回路７５は、マルチポート絶縁型コンバータ３００又は３０１、３０２、及び調整コンバータ６２、６４を駆動する。
【0099】
駆動回路７５は、電圧センサ等から各バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２を取得し、バッテリＢＴ１、ＢＴ２の目標電圧に応じて、調整コンバータ６２、６４の動作を制御してバッテリＢＴ１、ＢＴ２側の電圧を調整する。さらに駆動回路７５は、マルチレベルスイッチング回路４１Ｍ、４３Ｍの電圧レベルを必要に応じて切り替える。したがって、第７、第８実施形態のマルチポート電力変換システム７０７、７０８は、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２の間で電力授受が可能である。
【0100】
マルチポート電力変換システム７０７、７０８のマルチレベルスイッチング回路４１Ｍ、４３Ｍは、上述のＤタイプ、Ｅタイプ、Ｆタイプ等の構成を適宜採用可能である。また、マルチポート絶縁型コンバータ３００の二次側に代えて、一次側、又は、一次側と二次側との両方にマルチレベルスイッチング回路が設けられてもよい。
【0101】
（第９実施形態）
次に図２６～図２８を参照し、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２に接続される第７、第８実施形態の応用形態として、第９実施形態のマルチポート電力変換システム７０９について説明する。図２６には、第７実施形態の電力変換システム７０７を基礎とした構成例を示すが、第８実施形態のマルチポート電力変換システム７０８を基礎としてもよい。
次に図２６～図２８を参照し、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２に接続される第７、第８実施形態の応用形態として、第９実施形態のマルチポート電力変換システム７０９について説明する。図２６には、第７実施形態の電力変換システム７０７を基礎とした構成例を示すが、第８実施形態のマルチポート電力変換システム７０８を基礎としてもよい。
【0102】
第１バッテリＢＴ１及び第２バッテリＢＴ２は、直並列切り替えリレーＲＹ１－ＲＹ３により直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成されている。詳しくは図２７に示すように、直列接続時には、第２リレーＲＹ２がＯＮ、第１リレーＲＹ１及び第３リレーＲＹ３がＯＦＦされる。並列接続時には、第１リレーＲＹ１及び第３リレーＲＹ３がＯＮ、第２リレーＲＹ２がＯＦＦされる。
【0103】
例えば第９実施形態のマルチポート電力変換システム７０９は、電気自動車やプラグインハイブリッド車等に搭載され、主機バッテリとして機能するバッテリＢＴ１、ＢＴ２間での電力授受に用いられる。図２８に、充電スタンド等の給電設備に停車した車両の充電口１４に外部充電器１０から給電ケーブル１３が接続された状態を示す。車両の内部には、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２、直並列切り替えリレーＲＹ１－ＲＹ３、その他の経路開閉リレーＲＹ４－ＲＹ７、及び、マルチポート電力変換システム７０９等が設けられる。各リレーＲＹ１－ＲＹ７の開閉は、短破線矢印で示すようにリレー操作部７７により操作される。
【0104】
第１バッテリＢＴ１及び第２バッテリＢＴ２は、リチウムイオン電池等の充放電可能な、例えば４００Ｖの高圧バッテリモジュールである。以下、「バッテリモジュール」を省略して「バッテリ」という。バッテリＢＴ１、ＢＴ２は、充電口１４と負荷８０との間に設けられる。負荷８０には、電気自動車やプラグインハイブリッド車で一般に用いられるインバータ、モータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、エアコン等が含まれる。
【0105】
直並列切り替えリレーのうち第１リレーＲＹ１は、第１バッテリＢＴ１及び第２バッテリＢＴ２の正極同士の間に設けられる。第２リレーＲＹ２は、第１バッテリＢＴ１の負極と第２バッテリＢＴ２の正極との間に設けられる。第３リレーＲＹ３は、第１バッテリＢＴ１及び第２バッテリＢＴ２の負極同士の間に設けられる。
【0106】
その他の負荷リレーＲＹ４及びＲＹ５は、それぞれ第２バッテリＢＴ２の正極及び負極と負荷８０との間の経路を開閉する。充電口リレーＲＹ６は、第１バッテリＢＴ１の正極と充電口１４の正極端子１４１との間の経路を開閉する。充電口リレーＲＹ７は、第２バッテリＢＴ２の負極と充電口１４の負極端子１４２との間の経路を開閉する。
【0107】
ここで、バッテリの電圧は標準的に４００Ｖ級であり、外部充電器１０には４００Ｖ級対応及び８００Ｖ級対応の２種類が存在すると仮定すると、８００Ｖ級の外部充電器１０を用いる場合、第１バッテリＢＴ１及び第２バッテリＢＴ２を二直列に接続した状態で直列充電が行われる。一方、４００Ｖ級の外部充電器１０を用いる場合、第１バッテリＢＴ１及び第２バッテリＢＴ２を二並列に接続した状態で並列充電が行われる。
【0108】
ところで、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２の間に電圧差が生じていると、直列接続から並列接続へ切り替えたとき突入電流が流れ、リレー接点にアークが発生するという問題がある。そこで、直列接続から並列接続へ切り替える前に二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２の電圧差を所定値以下にするように均等化することで、突入電流を回避することができる。第９実施形態のマルチポート電力変換システム７０９は、このような目的で用いられる。
【0109】
具体的に駆動回路７５は、マルチポート絶縁型コンバータ３００及び調整コンバータ６２、６４を駆動して電力授受を行う。また、駆動回路７５は、各バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２を取得し、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２の差が所定値以内となるように、調整コンバータ６２、６４の動作を制御してバッテリＢＴ１、ＢＴ２側の電圧を調整する。さらに駆動回路７５は、マルチレベルスイッチング回路４１Ｍ、４３Ｍの電圧レベルを必要に応じて切り替える。これによりマルチポート電力変換システム７０９は、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２間での電力授受を行い、並列接続への切り替え時に、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２の電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２を均等化することができる。
【0110】
第９実施形態の変形例として、マルチポート電力変換システムは、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成された三つ以上のバッテリを備える車両等に適用されてもよい。その場合、三つ以上のバッテリが同時にマルチポート電力変換システムに接続されるようにしてもよい。或いは、二つずつのバッテリが逐次、マルチポート電力変換システムに接続されるようにしてもよい。
【0111】
（第１０実施形態）
次に図２９～図３１を参照し、第１０実施形態について説明する。第１０実施形態のマルチポート電力変換システム７１０は、マルチレベルスイッチング回路として、フルブリッジ式のＤＣ／ＤＣコンバータ５２によるフルブリッジ駆動とハーフブリッジ駆動との切り替え方式を採用する。図２９には、一次側スイッチング回路３１Ｍをこの方式のマルチレベルスイッチング回路で構成した例を示す。
次に図２９～図３１を参照し、第１０実施形態について説明する。第１０実施形態のマルチポート電力変換システム７１０は、マルチレベルスイッチング回路として、フルブリッジ式のＤＣ／ＤＣコンバータ５２によるフルブリッジ駆動とハーフブリッジ駆動との切り替え方式を採用する。図２９には、一次側スイッチング回路３１Ｍをこの方式のマルチレベルスイッチング回路で構成した例を示す。
【0112】
図３０、図３１のＤＣ／ＤＣコンバータ５２において、ブリッジ接続された一方のレッグにおける上アームスイッチを第１スイッチＳＷ１とし、下アームスイッチを第３スイッチＳＷ３とする。また、他方のレッグにおける上アームスイッチを第２スイッチＳＷ２とし、下アームスイッチを第４スイッチＳＷ４とする。各レッグの両端には電源電圧Ｅｄが印加される。
【0113】
図３０にフルブリッジ駆動の動作を示す。フルブリッジ駆動では、第１スイッチＳＷ１及び第４スイッチＳＷ４の組と第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３の組とがスイッチング周期Ｔｓｗで交互にＯＮ／ＯＦＦする。なお、デッドタイムの図示を省略する。
【0114】
この動作により、共振コンデンサＣｒには、０［Ｖ］を基準として、スイッチング周期Ｔｓｗを一周期とする正弦波状の電圧ＶＣ１が印加される。つまり、電圧ＶＣ１の平均値は０［Ｖ］となる。一次巻線２１には、第１スイッチＳＷ１及び第４スイッチＳＷ４がＯＮのとき、電圧Ｅｄを基準として正方向に凸となる半周期の正弦波状の電圧ＶＬ１が印加される。また、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３がＯＮのとき、電圧（－Ｅｄ）を基準として負方向に凸となる半周期の正弦波状の電圧ＶＬ１が印加される。
【0115】
図３１にハーフブリッジ駆動の動作を示す。ハーフブリッジ駆動では、第２スイッチＳＷ２は常時ＯＦＦ、第４スイッチＳＷ４は常時ＯＮであり、第１スイッチＳＷ１と第３スイッチＳＷ３とがスイッチング周期Ｔｓｗで交互にＯＮ／ＯＦＦする。或いは、第２スイッチＳＷ２と第４スイッチＳＷ４とのＯＮ／ＯＦＦを逆にし、第２スイッチＳＷ２が常時ＯＮ、第４スイッチＳＷ４が常時ＯＦＦとしてもよい。なお、デッドタイムの図示を省略する。
【0116】
この動作により、共振コンデンサＣｒには、電圧（Ｅｄ／２）を基準として、スイッチング周期Ｔｓｗを一周期とする正弦波状の電圧ＶＣ１が印加される。つまり、電圧ＶＣ１の平均値は（Ｅｄ／２）となる。一次巻線２１には、第１スイッチＳＷ１がＯＮのとき、電圧（Ｅｄ／２）を基準として正方向に凸となる半周期の正弦波状の電圧ＶＬ１が印加される。また、第３スイッチＳＷ３がＯＮのとき、電圧（－Ｅｄ／２）を基準として負方向に凸となる半周期の正弦波状の電圧ＶＬ１が印加される。
【0117】
このように、フルブリッジ駆動とハーフブリッジ駆動とを切り替えることで、一次巻線２１に印加される電圧ＶＬ１の基準値を「２：１」に変化させ、マルチレベルスイッチング回路として機能させることができる。
【0118】
（第１１実施形態）
次に図３２～図３８を参照し、第１１実施形態について説明する。図３２に示す第１１実施形態のマルチポート電力変換システム７１１は、図１１に示す第３実施形態のマルチポート電力変換システム７０３に対し、一次側スイッチング回路３１Ｍ、及び、調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路４２Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成されている。なお、第１１実施形態にのみ使用される符号は、［符号の説明］の欄の符号、及び、特許請求の範囲の参照符号としては記載しない。
次に図３２～図３８を参照し、第１１実施形態について説明する。図３２に示す第１１実施形態のマルチポート電力変換システム７１１は、図１１に示す第３実施形態のマルチポート電力変換システム７０３に対し、一次側スイッチング回路３１Ｍ、及び、調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路４２Ｍがマルチレベルスイッチング回路として構成されている。なお、第１１実施形態にのみ使用される符号は、［符号の説明］の欄の符号、及び、特許請求の範囲の参照符号としては記載しない。
【0119】
図３２に示すように、一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍでは、例えば２００Ｖ又は４００Ｖが切り替えられ、これに連動して非調整側ポートＰ２１の電圧は、１４０Ｖ又は２８０Ｖで切り替わる。また、調整側ポートＰ２２の電圧は、７０Ｖ又は１４０Ｖで切り替わる。なお、原理上は、調整側ポートＰ２２の電圧は２８０Ｖにも切り替わり可能であるが、この例では使用しない。バッテリ最大電圧は上記実施形態と同様に４００Ｖである。
【0120】
第１１実施形態の構成例としては、図２９に示す構成と同様に、一次側スイッチング回路３１、及び、調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路４２を共にＤＣ／ＤＣコンバータ５２とする構成を採用することができる。図２９の構成を第１１実施形態として使用する場合の動作について図３３～図３７を参照する。図３３では、一次側スイッチング回路、及び、調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路の符号を、マルチレベルスイッチング回路として「３１Ｍ」、「４２Ｍ」と記す。
【0121】
一次側スイッチング回路３１Ｍは、第１０実施形態と同様にフルブリッジ駆動とハーフブリッジ駆動とを切り替える動作をする。二次側スイッチング回路４２Ｍは、以下に説明するように、全波整流駆動と半波整流駆動とを切り替える動作をする。一次側と二次側との切り替え動作を組み合わせることで、図２９又は図３３の構成により第１１実施形態としての機能を実現可能である。
【0122】
図３３の調整側ポートＰ２２に対応する二次側スイッチング回路４２Ｍを構成するＤＣ／ＤＣコンバータ５２において、ブリッジ接続された一方のレッグにおける上アームスイッチを第５スイッチＳＷ５とし、下アームスイッチを第７スイッチＳＷ７とする。また、他方のレッグにおける上アームスイッチを第６スイッチＳＷ６とし、下アームスイッチを第８スイッチＳＷ８とする。また、共振コンデンサＣｒ及び二次巻線２１１に印加される電圧を、それぞれＶＣ２、ＶＬ２と記す。両方のレッグの上下アームの中点同士の間に発生する電圧をＶ２と記し、調整側ポートＰ２２に出力される出力電圧をＶｏｕｔと記す。
【0123】
全波整流駆動及び半波整流駆動は、それぞれダイオード整流又は同期整流により実現可能である。各駆動時におけるスイッチング動作及び電圧波形のタイムチャートを図３４、図３６に示し、電流の流れを図３５、図３７に示す。図３５、図３７では、スイッチがＯＦＦのときダイオードを図示し、スイッチがＯＮのとき電線のみを図示する。また、ＯＮのスイッチのみ記号を記す。ダイオード整流でも同期整流でも電圧波形はほぼ同じであるが、同期整流ではダイオードの通電損失を軽減することができる。半波整流駆動では全波整流駆動の倍の出力電圧Ｖｏｕｔが得られるため、「半波（倍電圧）整流駆動」と記す。
【0124】
図３４に示すように全波整流駆動のダイオード整流では、第５～第８スイッチＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８を常時ＯＦＦする。全波整流駆動の同期整流では、第５スイッチＳＷ５及び第８スイッチＳＷ８の組と第６スイッチＳＷ６及び第７スイッチＳＷ７の組とがスイッチング周期Ｔｓｗで交互にＯＮ／ＯＦＦする。これにより、図３５の動作Ｉ及び動作ＩＩに示すように電流が流れ、図３４に示すような電圧波形が得られる。
【0125】
図３６に示すように半波整流駆動のダイオード整流では、第５スイッチＳＷ５及び第７スイッチＳＷ７を常時ＯＦＦする。また、第６スイッチＳＷ６を常時ＯＦＦし第８スイッチＳＷ８を常時ＯＮするか、その逆に第６スイッチＳＷ６を常時ＯＮし第８スイッチＳＷ８を常時ＯＦＦする。半波整流駆動の同期整流では、第５スイッチＳＷ５及び第７スイッチＳＷ７がスイッチング周期Ｔｓｗで交互にＯＮ／ＯＦＦする。また、第６スイッチＳＷ６を常時ＯＦＦし第８スイッチＳＷ８を常時ＯＮするか、その逆に第６スイッチＳＷ６を常時ＯＮし第８スイッチＳＷ８を常時ＯＦＦする。なお、図３７には、第６スイッチＳＷ６を常時ＯＦＦし第８スイッチＳＷ８を常時ＯＮする場合の電流の流れを例示する。
【0126】
これにより、図３７の動作Ｉ及び動作ＩＩに示すように電流が流れ、図３６に示すような電圧波形が得られる。図３４及び図３６の出力電圧波形を比較すると、半波整流駆動時には、レッグ中点間電圧Ｖ２の最大値である出力電圧Ｖｏｕｔが全波整流駆動時の２倍になっていることがわかる。したがって、全波整流駆動と半波整流駆動とを切り替えることでマルチレベルスイッチング回路として機能させることができる。
【0127】
図３８に、第１１実施形態によるＳＯＣ－バッテリ電圧特性の例を示す。バッテリ電圧が１４０－２１０Ｖ、２１０－２８０Ｖ、２８０－４００ＶとなるＳＯＣ領域をそれぞれ＜１＞、＜２＞、＜３＞と記す。領域＜１＞、＜２＞では一次側電圧が２００Ｖ、固定側（非調整側）電圧が１４０Ｖである。領域＜１＞では、調整コンバータ６２側の入力電圧が７０Ｖ、出力が０－７０Ｖである。領域＜２＞では、調整コンバータ６２側の入力電圧が１４０Ｖ、出力が０－１４０Ｖである。
【0128】
領域＜３＞では一次側電圧が４００Ｖ、固定側（非調整側）電圧が２８０Ｖである。また、調整コンバータ６２側の入力電圧が１４０Ｖ、出力が０－１４０Ｖである。固定側電圧とコンバータ出力電圧との合計がバッテリ電圧に相当する。このような電圧条件で使用する場合、調整コンバータ６２の低電圧化が期待できる。
【0129】
具体的に図３３～図３７に示す構成例では、一次側スイッチング回路３１Ｍがハーフブリッジ駆動時に二次巻線２２２に印加される電圧ＶＬ２が下がる。二次側スイッチング回路４２Ｍが全波整流駆動の場合、出力電圧を１４０－２１０Ｖまで可変できる。また、半波（倍電圧）整流駆動にすると２８０Ｖまで可変できる。一次側スイッチング回路３１Ｍがハーフブリッジ駆動時であり、二次側スイッチング回路４２Ｍが全波整流駆動の場合、調整コンバータ６２の出力電圧を０－７０Ｖの範囲で使用できるため、スイッチングロスを少なくすることができる。
【0130】
（第１２実施形態）
次に図３９、図４０を参照し、第１２実施形態について説明する。図３９に示す第１２実施形態のマルチポート電力変換システム７１２は、図１に示す第１実施形態のマルチポート電力変換システム７０１に対し、マルチポート絶縁型コンバータ３０の二次側に三つ目の二次巻線２２８、補機側スイッチング回路４８、及び二次ポートＰ２８がさらに設けられる。二次ポートＰ２８には、例えば１２Ｖの補機バッテリＢＴａが接続される。なお、第１２実施形態にのみ使用される符号は、［符号の説明］の欄の符号、及び、特許請求の範囲の参照符号としては記載しない。
次に図３９、図４０を参照し、第１２実施形態について説明する。図３９に示す第１２実施形態のマルチポート電力変換システム７１２は、図１に示す第１実施形態のマルチポート電力変換システム７０１に対し、マルチポート絶縁型コンバータ３０の二次側に三つ目の二次巻線２２８、補機側スイッチング回路４８、及び二次ポートＰ２８がさらに設けられる。二次ポートＰ２８には、例えば１２Ｖの補機バッテリＢＴａが接続される。なお、第１２実施形態にのみ使用される符号は、［符号の説明］の欄の符号、及び、特許請求の範囲の参照符号としては記載しない。
【0131】
図４０に第１２実施形態の構成例を示す。この例では、図２の構成例に対し補機側スイッチング回路４８が追加されている。なお、一次ポートＰ１に接続される外部電源１５０の図示を省略する。図３９、図４０に示す構成に限らず、上記各実施形態と同様に、一次側、二次側の一方又は両方に、いずれかの構成のマルチレベルスイッチング回路が設けられればよい。
【0132】
例えばマルチポート電力変換システム７１２が車両に搭載される場合、補機バッテリＢＴａは、車両の走行以外の機能を担う各種車載機器に相当する補機負荷に低圧電力を供給する。図３９にブロック矢印で示すように、マルチポート絶縁型コンバータ３０を介して主機バッテリＢＴから補機バッテリＢＴａに電力を供給することで、補機バッテリＢＴａを充電可能である。
【0133】
（その他の実施形態）
（ａ）図１、図５、図１１に示す第１、第２、第３実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路３１Ｍ、もしくは、非調整側ポートＰ２１に対応する二次側スイッチング回路４１Ｍの少なくとも一方がマルチレベルスイッチング回路として構成されている。
（ａ）図１、図５、図１１に示す第１、第２、第３実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路３１Ｍ、もしくは、非調整側ポートＰ２１に対応する二次側スイッチング回路４１Ｍの少なくとも一方がマルチレベルスイッチング回路として構成されている。
【0134】
その他の実施形態として、図４１に示すマルチポート電力変換システム７１３は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の非調整側ポートＰ２１に対応する二次側スイッチング回路４１とバッテリＢＴとの間に二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍが設けられている。図４２に示すマルチポート電力変換システム７１４は、マルチポート絶縁型コンバータ３０の一次側スイッチング回路３１と外部電源１５０との間に一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍが設けられている。図４３に示すマルチポート電力変換システム７１５は、マルチポート電力変換システム７１３と同様の二次側マルチレベルスイッチング回路４１Ｍ、及び、マルチポート電力変換システム７１４と同様の一次側マルチレベルスイッチング回路３１Ｍの両方が設けられている。
【0135】
このような構成でも上記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、マルチレベルスイッチング回路を有さないマルチポート絶縁型コンバータを備えた既存の電力変換システムに対し、マルチレベルスイッチング回路を後付けして本実施形態の機能を追加することができる。なお、図４１～図４３の構成に対し、第４実施形態と同様に、バッテリ充放電回路６０における高電位側の回路と低電位側の回路とを入れ替えてもよい。
【0136】
（ｂ）上記実施形態のマルチポート電力変換システムは、マルチポート絶縁型コンバータと一つ以上のバッテリとの間で双方向に電力授受可能である。ただし、他の実施形態では、バッテリからマルチポート絶縁型コンバータへの放電を想定せず、マルチポート絶縁型コンバータからバッテリへの充電のみが可能であってもよい。
【0137】
（ｃ）上記実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータの非調整側ポート及び調整側ポートは、対応する一つのバッテリに対し各一つ設けられている。他の実施形態では、対応する一つのバッテリに対し非調整側ポート又は調整側ポートが複数設けられてもよい。その場合を含めると、駆動回路７５の作用について、「バッテリＢＴへの出力電圧の増加時に一つ以上の調整コンバータの合計出力電圧が一つ以上の非調整側ポートの合計電圧以上となったとき、駆動回路７５は、二次側マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを上げる」ということができる。
【0138】
（ｄ）上記実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータのＤｕｔｙ比を高効率領域の固定値としているが、他の実施形態では、マルチポート絶縁型コンバータのＤｕｔｙ比を可変に制御してもよい。
【0139】
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【0140】
１５０・・・外部電源、
２０、２００、２０１、２０２・・・トランス、
２１、２１１、２１２・・・一次巻線、 ２２１－２２４・・・二次巻線、
３０、３００、３０１、３０２・・・マルチポート絶縁型コンバータ、
３１、３２・・・一次側スイッチング回路、
４１－４４・・・二次側スイッチング回路、
３１Ｍ、４１Ｍ、４３Ｍ・・・マルチレベルスイッチング回路、
６２、６４・・・調整コンバータ、
７０（７０１－７１５）、・・・マルチポート電力変換システム、
７５・・・駆動回路、
ＢＴ、ＢＴ１、ＢＴ２・・・バッテリ、
Ｐ１、Ｐ１１、Ｐ１２・・・一次ポート、 Ｐ２１－Ｐ２４・・・二次ポート。
２０、２００、２０１、２０２・・・トランス、
２１、２１１、２１２・・・一次巻線、 ２２１－２２４・・・二次巻線、
３０、３００、３０１、３０２・・・マルチポート絶縁型コンバータ、
３１、３２・・・一次側スイッチング回路、
４１－４４・・・二次側スイッチング回路、
３１Ｍ、４１Ｍ、４３Ｍ・・・マルチレベルスイッチング回路、
６２、６４・・・調整コンバータ、
７０（７０１－７１５）、・・・マルチポート電力変換システム、
７５・・・駆動回路、
ＢＴ、ＢＴ１、ＢＴ２・・・バッテリ、
Ｐ１、Ｐ１１、Ｐ１２・・・一次ポート、 Ｐ２１－Ｐ２４・・・二次ポート。
【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】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】