特許 7368218 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路および蓄電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-16

(45)【発行日】2023-10-24

(54)【発明の名称】双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路および蓄電システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20231017BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

H02M3/28 Q

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019226311

(22)【出願日】2019-12-16

(65)【公開番号】P2021097465

(43)【公開日】2021-06-24

【審査請求日】2022-06-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岡本 直久

【審査官】白井 孝治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０１２７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７１３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０５４１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９４０３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３８３６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１９５４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０５４０４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－１６４１５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／００～ ３／４４

Ｈ０２Ｊ ７／００～ ７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電池を充電する充電動作と前記蓄電池を放電させる放電動作とを行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路であって、
一対の第１入出力端および一対の第２入出力端と、
第１スイッチング素子および第２スイッチング素子が直列接続された第１アームと第３スイッチング素子および第４スイッチング素子が直列接続された第２アームとを有し、前記第１アームと前記第２アームとが前記一対の第１入出力端間に並列接続された第１フルブリッジ回路と、
第５スイッチング素子および第６スイッチング素子が直列接続された第３アームと第７スイッチング素子および第８スイッチング素子が直列接続された第４アームとを有し、前記第３アームと前記第４アームとが前記一対の第２入出力端間に並列接続された第２フルブリッジ回路と、
１次巻線および２次巻線を有し、前記１次巻線が前記第１フルブリッジ回路に接続され、前記２次巻線が前記第２フルブリッジ回路に接続された絶縁トランスと、
前記１次巻線と前記第１フルブリッジ回路との間に設けられた共振用コンデンサと、
前記第１フルブリッジ回路に接続された動作切替回路と、
前記動作切替回路、前記第１フルブリッジ回路および前記第２フルブリッジ回路を制御し、前記蓄電池の電池電圧に応じて前記動作切替回路を制御することで前記第１フルブリッジ回路の動作を切り替える制御部と、を備え、
前記共振用コンデンサは、一端が前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記１次巻線の一端側に接続され、
前記動作切替回路は、第１開閉スイッチと、第２開閉スイッチと、前記一対の第１入出力端間に直列接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサと、前記一対の第１入出力端間に直列接続された第３コンデンサおよび第４コンデンサとを有し、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの接続点は、前記第１開閉スイッチを介して前記１次巻線の他端に接続され、
前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとの接続点は、前記第２開閉スイッチを介して前記共振用コンデンサの一端に接続され、
前記１次巻線の他端は、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の接続点に接続され、
前記２次巻線は、一端が前記第７スイッチング素子および前記第８スイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記第５スイッチング素子および前記第６スイッチング素子の接続点に接続され、
前記蓄電池は、前記一対の第２入出力端に接続され、
前記制御部は、前記第１開閉スイッチと前記第２開閉スイッチとを制御することで、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が所定の第１閾値以下の場合に前記動作をハーフブリッジ動作に切り替え、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第１閾値よりも大きい場合に前記動作をフルブリッジ動作に切り替え、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が所定の第２閾値以下の場合に前記動作を倍電圧整流動作に切り替え、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第２閾値よりも大きい場合に前記動作をブリッジ整流動作に切り替えることを特徴とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路。

【請求項2】

前記制御部は、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第１閾値以下の場合に、前記第１開閉スイッチを開状態、前記第２開閉スイッチを閉状態にするとともに、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をオフ状態にして、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をスイッチング動作させ、かつ前記第２フルブリッジ回路をブリッジ整流動作させる一方、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第１閾値よりも大きい場合に、前記第１開閉スイッチおよび前記第２開閉スイッチを開状態にするとともに、前記第１フルブリッジ回路をフルブリッジ動作させ、かつ前記第２フルブリッジ回路をブリッジ整流動作させることを特徴とする請求項１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路。

【請求項3】

前記制御部は、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第２閾値以下の場合に、前記第１開閉スイッチを閉状態、前記第２開閉スイッチを開状態にするとともに、前記第２フルブリッジ回路をフルブリッジ動作させ、かつ前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフ状態にして、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をスイッチング動作させる一方、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第２閾値よりも大きい場合に、前記第１開閉スイッチおよび前記第２開閉スイッチを開状態にするとともに、前記第２フルブリッジ回路をフルブリッジ動作させ、かつ前記第１フルブリッジ回路をブリッジ整流動作させることを特徴とする請求項１または２に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路。

【請求項4】

蓄電池と、
前記蓄電池を充電する充電動作と前記蓄電池を放電させる放電動作とを行う請求項１～３のいずれかに記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
前記蓄電池と前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路との間に設けられ、前記充電動作時に降圧動作を行い、前記放電動作時に昇圧動作を行う双方向チョッパ回路と、
入力された交流電圧を直流電圧に変換して前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に出力するＡＣ／ＤＣ変換動作と、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するＤＣ／ＡＣ変換動作とを行う双方向インバータ回路と、
を備え、
前記蓄電池は、前記双方向チョッパ回路を介して前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の前記一対の第２入出力端に接続され、
前記双方向インバータ回路は、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の前記一対の第１入出力端に接続されることを特徴とする蓄電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路および蓄電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

図３に、従来の蓄電システム１’のブロック図を示す。蓄電システム１’は、従来の絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０’と、蓄電池２と、リレー回路３と、双方向インバータ回路４と、双方向チョッパ回路（非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路）５と、制御部６とを備える。

【0003】

蓄電システム１’は、低価格の深夜電力を利用して蓄電池２を充電し、昼間に蓄電池２を放電させて蓄電池２の放電電力を使用することで、電力会社から購入する高価格の昼間電力を削減することができる。

【0004】

商用電力系統が通電状態にある系統通電時は、リレーＳ１～Ｓ４とリレーＳ７がオン状態になり、リレーＳ５，Ｓ６がオフ状態になる。充電動作時において、商用電力系統から供給された交流電圧は、リレー回路３を介して双方向インバータ回路４に入力され、双方向インバータ回路４で直流電圧に変換される。変換された直流電圧は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０’で絶縁されて（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０’の入出力電圧比は１：１）、双方向チョッパ回路５に入力される。双方向チョッパ回路５は、入力された直流電圧を蓄電池２が必要とする直流電圧に降圧して、蓄電池２を充電する。

【0005】

放電動作時において、蓄電池２の放電電圧は双方向チョッパ回路５で昇圧され、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０’で絶縁されて（双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０’の入出力電圧比は１：１）、双方向インバータ回路４に入力される。双方向インバータ回路４は、入力された直流電圧を交流電圧に変換し、リレー回路３を介して商用電力系統に出力する。

【0006】

一方、商用電力系統が停電状態にある系統停電時は、リレーＳ１～Ｓ４がオフ状態になり、リレーＳ５，Ｓ６とリレーＳ７とがオン状態になる。蓄電システム１’は、上記の放電動作時と同様に、蓄電池２の放電電圧を自立出力ラインＬａ，Ｌｂに出力する。自立出力ラインＬａ，Ｌｂには、系統停電時に優先的に動作させたい家庭内負荷（例えば、冷蔵庫などの家電製品）が接続される。

【0007】

ところで、蓄電池２には電池電圧が高いものや低いものが存在するため、双方向チョッパ回路５の蓄電池２側の入出力電圧範囲が大きくなり、双方向チョッパ回路５の電力の変換効率が低下するという問題がある。

【0008】

上記の問題を解決するために、特許文献１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、出力側回路の整流動作をブリッジ整流動作と倍電圧整流動作に切り換えるための短絡回路を、１次側と２次側の双方に備えている。

【0009】

特許文献１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を図３の蓄電システム１’に適用した場合、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の入出力電圧比は、１：１または１：２になる。このため、放電動作時においては、双方向チョッパ回路５の変換効率の低下を抑制できる。

【0010】

しかしながら、充電動作時においては、特許文献１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路では、双方向チョッパ回路５の変換効率の低下を抑制できない。また、特許文献１に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、上記のとおり１次側と２次側の双方に短絡回路を備えるため、回路全体の大型化を招くという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】特開２０１５－１２７８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、蓄電池との間に設けられる双方向チョッパ回路の変換効率の低下を抑制可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路および蓄電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】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、
蓄電池を充電する充電動作と前記蓄電池を放電させる放電動作とを行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路であって、
第１スイッチング素子および第２スイッチング素子が直列接続された第１アームと第３スイッチング素子および第４スイッチング素子が直列接続された第２アームとを有し、前記第１アームと前記第２アームとが並列接続された第１フルブリッジ回路と、
第５スイッチング素子および第６スイッチング素子が直列接続された第３アームと第７スイッチング素子および第８スイッチング素子が直列接続された第４アームとを有し、前記第３アームと前記第４アームとが並列接続された第２フルブリッジ回路と、
１次巻線および２次巻線を有し、前記１次巻線が前記第１フルブリッジ回路に接続され、前記２次巻線が前記第２フルブリッジ回路に接続された絶縁トランスと、
前記１次巻線と前記第１フルブリッジ回路との間に設けられた共振用コンデンサと、
前記第１フルブリッジ回路および前記第２フルブリッジ回路を制御する制御部と、
前記蓄電池の電池電圧に応じて前記第１フルブリッジ回路の動作を切り替える動作切替回路と、を備え、
前記動作切替回路は、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が所定の第１閾値以下の場合に前記動作をハーフブリッジ動作に切り替え、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第１閾値よりも大きい場合に前記動作をフルブリッジ動作に切り替え、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が所定の第２閾値以下の場合に前記動作を倍電圧整流動作に切り替え、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第２閾値よりも大きい場合に前記動作をブリッジ整流動作に切り替えることを特徴とする。

【0014】

この構成によれば、充電動作時には、第１フルブリッジ回路の動作をハーフブリッジ動作とフルブリッジ動作とに切り替え、放電動作時には、第１フルブリッジ回路の動作を倍電圧整流動作とブリッジ整流動作とに切り替えるので、双方向チョッパ回路の変換効率の低下を抑制することができる。さらに、この構成によれば、動作切替回路は１次側にのみ設けられているので、回路全体の大型化を回避することができる。

【0015】

上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路において、
前記共振用コンデンサは、一端が前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の接続点に接続され、他端が前記１次巻線の一端側に接続され、
前記動作切替回路は、第１開閉スイッチと、第２開閉スイッチと、直列接続された第１コンデンサおよび第２コンデンサと、直列接続された第３コンデンサおよび第４コンデンサとを有し、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの接続点は、前記第１開閉スイッチを介して前記１次巻線の他端に接続され、
前記第３コンデンサと前記第４コンデンサとの接続点は、前記第２開閉スイッチを介して前記共振用コンデンサの前記一端に接続されるよう構成できる。

【0016】

上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路において、
前記制御部は、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第１閾値以下の場合に、前記第１開閉スイッチを開状態、前記第２開閉スイッチを閉状態にするとともに、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をオフ状態にして、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をスイッチング動作させ、かつ前記第２フルブリッジ回路をブリッジ整流動作させる一方、
前記充電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第１閾値よりも大きい場合に、前記第１開閉スイッチおよび前記第２開閉スイッチを開状態にするとともに、前記第１フルブリッジ回路をフルブリッジ動作させ、かつ前記第２フルブリッジ回路をブリッジ整流動作させるよう構成できる。

【0017】

上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路において、
前記制御部は、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第２閾値以下の場合に、前記第１開閉スイッチを閉状態、前記第２開閉スイッチを開状態にするとともに、前記第２フルブリッジ回路をフルブリッジ動作させ、かつ前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子をオフ状態にして、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子をスイッチング動作させる一方、
前記放電動作開始時でかつ前記電池電圧が前記第２閾値よりも大きい場合に、前記第１開閉スイッチおよび前記第２開閉スイッチを開状態にするとともに、前記第２フルブリッジ回路をフルブリッジ動作させ、かつ前記第１フルブリッジ回路をブリッジ整流動作させるよう構成できる。

【0018】

上記課題を解決するために、本発明に係る蓄電システムは、
蓄電池と、
前記蓄電池を充電する充電動作と前記蓄電池を放電させる放電動作とを行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
前記蓄電池と前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路との間に設けられ、前記充電動作時に降圧動作を行い、前記放電動作時に昇圧動作を行う双方向チョッパ回路と、
入力された交流電圧を直流電圧に変換して前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に出力するＡＣ／ＤＣ変換動作と、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するＤＣ／ＡＣ変換動作とを行う双方向インバータ回路と、
を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、蓄電池との間に設けられる双方向チョッパ回路の変換効率の低下を抑制可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路および蓄電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明に係る蓄電システムを示す図である。

【図2】本発明に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を示す図である。

【図3】従来の蓄電システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路および蓄電システムの実施形態について説明する。

【0022】

図１に、本発明の一実施形態に係る蓄電システム１を示す。蓄電システム１は、本発明の一実施形態に係る絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０と、蓄電池２と、リレー回路３と、双方向インバータ回路４と、双方向チョッパ回路（非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路）５と、制御部６とを備える。

【0023】

蓄電池２は、少なくとも１つの電池ユニットを備える。蓄電池２は、電池ユニットに取り付けられたバッテリーマネージメントシステム（ＢＭＳ）を備えてもよい。バッテリーマネージメントシステムは、電池ユニットの電池情報（例えば、電池電圧）を取得し、制御部６に送信する。なお、バッテリーマネージメントシステムは、制御部６に含まれていてもよい。

【0024】

リレー回路３は、制御部６の制御下でオン／オフするリレーＳ１～Ｓ６を備える。リレーＳ１は、商用電力系統に接続される単相３線式のＵ相の電力ラインに介装されている。リレーＳ２は、Ｗ相の電力ラインに介装されている。リレーＳ３は、Ｏ相の電力ラインと自立出力ラインＬａとを接続する電力ラインに介装されている。リレーＳ４は、リレーＳ２よりも商用電力系統側において、Ｗ相の電力ラインと自立出力ラインＬｂとを接続する電力ラインに介装されている。リレーＳ５は、リレーＳ３が介装された電力ラインとの接続点よりも双方向インバータ回路４側において、自立出力ラインＬａに介装されている。リレーＳ６は、リレーＳ４が介装された電力ラインとの接続点よりも双方向インバータ回路４側において、自立出力ラインＬｂに介装されている。

【0025】

商用電力系統が通電状態にある系統通電時は、リレーＳ１～Ｓ４がオン状態になり、リレーＳ５，Ｓ６がオフ状態になる。一方、商用電力系統が停電状態にある系統停電時は、リレーＳ１～Ｓ４がオフ状態になり、リレーＳ５，Ｓ６がオン状態になる。自立出力ラインＬａ，Ｌｂには、系統停電時に優先的に動作させたい家庭内負荷（例えば、冷蔵庫などの家電製品）が接続される。

【0026】

双方向インバータ回路４は、Ｕ，Ｏ，Ｗ相の電力ラインにそれぞれ接続される系統接続端Ｔｕ，Ｔｏ，Ｔｗと、自立出力ラインＬａ，Ｌｂにそれぞれ接続される自立出力端Ｔｌａ，Ｔｌｂと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０の第１入出力端Ｔ１，Ｔ１’にそれぞれ接続される直流端Ｔ３，Ｔ３’とを備える。双方向インバータ回路４は、制御部６の制御下で、交流入力電圧を直流出力電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換動作と、直流入力電圧を交流出力電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換動作とを行う。

【0027】

双方向チョッパ回路５は、蓄電池２と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０との間に設けられる。双方向チョッパ回路５は、制御部６の制御下で、降圧動作および昇圧動作を行う。例えば、双方向チョッパ回路５は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０から入力された直流電圧を蓄電池２が必要とする直流電圧に降圧して、蓄電池２を充電する。また、双方向チョッパ回路５は、蓄電池２を放電させ、蓄電池２の放電電圧を昇圧して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０に出力する。

【0028】

双方向チョッパ回路５は、スイッチ手段ＳＷ９，ＳＷ１０と、コイルＬ２と、コンデンサＣ４とを備える。スイッチ手段ＳＷ９，ＳＷ１０は、スイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０と、スイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０に逆並列接続されたダイオードＤ９，Ｄ１０とを含む。

【0029】

スイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０は、電力用半導体スイッチング素子で構成される。スイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０として、例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体型電界効果トランジスタ）またはＩＧＢＴ（絶縁ゲートトランジスタ）等のパワートランジスタが使用される。ダイオードＤ９，Ｄ１０は、それぞれスイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０の寄生ダイオードおよび／または外付けのダイオードである。

【0030】

スイッチング素子Ｑ９，Ｑ１０は直列接続され、一端（＋側）が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０の第２入出力端Ｔ２に接続され、他端（－側）が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０の第２入出力端Ｔ２’に接続される。スイッチング素子Ｑ９とスイッチング素子Ｑ１０との接続点は、コイルＬ２を介してコンデンサＣ４の一端（＋側）に接続される。コンデンサＣ４の他端（－側）は、第２入出力端Ｔ２’に接続される。

【0031】

コンデンサＣ４の一端（＋側）と蓄電池２の一端（＋側）とを接続する電力ラインにはリレーＳ７が介装されている。リレーＳ７は、制御部６の制御下でオン／オフする。

【0032】

制御部６は、蓄電池２から電池ユニットの電池情報（例えば、電池電圧）を取得しつつ、リレー回路３と、双方向インバータ回路４と、双方向チョッパ回路５とを制御するよう構成される。なお、制御部６が後述するコンバータ制御部１４を含む場合、制御部６は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０も制御する。

【0033】

図２に示すように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０は、双方向電流共振回路を構成し、第１入出力端Ｔ１，Ｔ１’と、第２入出力端Ｔ２，Ｔ２’と、絶縁トランスＴＲ１と、共振用コイルＬ１と、共振用コンデンサＣ２と、第１フルブリッジ回路１１と、第２フルブリッジ回路１２と、電解コンデンサＣ３と、動作切替回路１３と、コンバータ制御部１４とを備える。

【0034】

絶縁トランスＴＲ１は、１次巻線Ｎ１および２次巻線Ｎ２を有する。本実施形態では、１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２は同極性であり、１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の巻数比は１：１である。１次巻線Ｎ１は第１フルブリッジ回路１１および動作切替回路１３に接続され、２次巻線Ｎ２は第２フルブリッジ回路１２に接続される。

【0035】

第１フルブリッジ回路１１は、４つのスイッチ手段ＳＷ１～ＳＷ４で構成される。各スイッチ手段ＳＷ１～ＳＷ４は、本発明の「第１～第４スイッチング素子」に相当するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４と、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に逆並列接続されたダイオードＤ１～Ｄ４とを含む。

【0036】

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、電力用半導体スイッチング素子で構成される。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４として、例えば、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ等のパワートランジスタが使用される。ダイオードＤ１～Ｄ４は、それぞれスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の寄生ダイオードおよび／または外付けのダイオードである。

【0037】

第１フルブリッジ回路１１では、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が第１アームを構成し、直列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が第２アームを構成する。第１アームと第２アームとは、並列接続されている。第１アームの中間接続点（スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続点）は、１次巻線Ｎ１の他端に接続される。第２アームの中間接続点（スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続点）は、共振用コンデンサＣ２および共振用コイルＬ１を介して１次巻線Ｎ１の一端に接続される。なお、共振用コイルＬ１は、絶縁トランスＴＲ１の漏れインダクタおよび／または外付けのインダクタである。

【0038】

第２フルブリッジ回路１２は、４つのスイッチ手段ＳＷ５～ＳＷ８で構成される。各スイッチ手段ＳＷ５～ＳＷ８は、本発明の「第５～第８スイッチング素子」に相当するスイッチング素子Ｑ５～Ｑ８と、スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８に逆並列接続されたダイオードＤ５～Ｄ８とを含む。

【0039】

スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４と同様に、電力用半導体スイッチング素子で構成される。ダイオードＤ５～Ｄ８は、それぞれスイッチング素子Ｑ５～Ｑ８の寄生ダイオードおよび／または外付けのダイオードである。

【0040】

第２フルブリッジ回路１２では、直列接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６が第３アームを構成し、直列接続されたスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８が第４アームを構成する。第３アームと第４アームとは、並列接続されている。第３アームの中間接続点（スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６との接続点）は、２次巻線Ｎ２の他端に接続される。第４アームの中間接続点（スイッチング素子Ｑ７とスイッチング素子Ｑ８との接続点）は、２次巻線Ｎ２の一端に接続される。

【0041】

スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７の接続点およびスイッチング素子Ｑ６、Ｑ８の接続点は、電解コンデンサＣ３を介して第２入出力端Ｔ２，Ｔ２’に接続される。電解コンデンサＣ３の一端（＋側）は第２入出力端Ｔ２に接続され、電解コンデンサＣ３の他端（－側）は第２入出力端Ｔ２’に接続される。

【0042】

動作切替回路１３は、第１開閉スイッチＳ８と、第２開閉スイッチＳ９と、直列接続された第１コンデンサＣ１１および第２コンデンサＣ１２と、直列接続された第３コンデンサＣ１３および第４コンデンサＣ１４とを有する。第１開閉スイッチＳ８および第２開閉スイッチＳ９は、例えば、コンバータ制御部１４の制御下で閉状態（オン状態）と開状態（オフ状態）とが切り替わるリレーで構成される。

【0043】

第１コンデンサＣ１１と第２コンデンサＣ１２との接続点は、第１開閉スイッチＳ８を介して、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続点および１次巻線Ｎ１の他端に接続される。第３コンデンサＣ１３と第４コンデンサＣ１４との接続点は、第２開閉スイッチＳ９を介して、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続点および共振用コンデンサＣ２の一端に接続される。第１コンデンサＣ１１と第３コンデンサＣ１３の接続点は第１入出力端Ｔ１に接続され、第２コンデンサＣ１２と第４コンデンサＣ１４の接続点は第１入出力端Ｔ１’に接続される。

【0044】

コンバータ制御部１４は、制御回路と、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８を駆動する第１駆動回路と、第１開閉スイッチＳ８および第２開閉スイッチＳ９を駆動する第２駆動回路とを含む。制御回路は、例えば、マイコンまたはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の制御ＩＣによって構成され、蓄電池２から電池ユニットの電池情報（例えば、電池電圧）を取得しつつ、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８の制御指令信号（例えば、ＰＷＭ信号）と、第１開閉スイッチＳ８および第２開閉スイッチＳ９のオンオフ切替信号とを生成する。第１駆動回路は、制御指令信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１～Ｑ８をオン／オフさせる。第２駆動回路は、オンオフ切替信号に基づいて第１開閉スイッチＳ８および第２開閉スイッチＳ９をオン／オフさせる。コンバータ制御部１４は、制御部６に含まれていてもよい。

【0045】

蓄電池２を充電する充電動作時および蓄電池２を放電させる放電動作時において、コンバータ制御部１４は、蓄電池２から電池ユニットの電池電圧を所定の周期で取得する。なお、双方向チョッパ回路５のコンデンサＣ４に並列接続された電池電圧検出回路（図１では図示せず）が存在する場合、コンバータ制御部１４は電池電圧検出回路から電池電圧を取得してもよい。

【0046】

充電動作開始時でかつ電池電圧が所定の第１閾値以下の場合、コンバータ制御部１４は、第１フルブリッジ回路１１の動作をハーフブリッジ動作に切り換えるため、第２開閉スイッチＳ９をオン状態にし、第１開閉スイッチＳ８をオフ状態にする。第１フルブリッジ回路１１では、共振用コイルＬ１と、共振用コンデンサＣ２と、第３コンデンサＣ１３または第４コンデンサＣ１４とによる電流共振が行われる。

【0047】

コンバータ制御部１４は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をオフ状態にして、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング動作させる（例えば、適切なデットタイムを設けてデューティ５０％で交互にスイッチング動作させる）。さらに、コンバータ制御部１４は、２次巻線Ｎ２に発生する電圧に同期させてスイッチング素子Ｑ５～Ｑ８をスイッチングさせることで、第２フルブリッジ回路１２に同期整流のブリッジ整流動作をさせる。

【0048】

第１フルブリッジ回路１１にハーフブリッジ動作をさせることで、絶縁トランスＴＲ１に印加される電圧が第３コンデンサＣ１３および第４コンデンサＣ１４で分圧されるため、第１コンデンサＣ１１および第２コンデンサＣ１２の両端電圧に対し、電解コンデンサＣ３の両端電圧は半分の値になる。すなわち、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０の入出力電圧比は、１：０．５になる。

【0049】

充電動作開始時でかつ電池電圧が所定の第１閾値よりも大きい場合、コンバータ制御部１４は、第１フルブリッジ回路１１の動作をフルブリッジ動作に切り換えるため、第１開閉スイッチＳ８および第２開閉スイッチＳ９をオフ状態にする。第１フルブリッジ回路１１では、共振用コイルＬ１と共振用コンデンサＣ２とによる電流共振が行われる。

【0050】

コンバータ制御部１４は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチング動作させる（例えば、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をペアにし、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をペアにして、適切なデットタイムを設けてデューティ５０％で交互にスイッチング動作させる）。さらに、コンバータ制御部１４は、２次巻線Ｎ２に発生する電圧に同期させてスイッチング素子Ｑ５～Ｑ８をスイッチングさせることで、第２フルブリッジ回路１２に同期整流のブリッジ整流動作をさせる。

【0051】

第１フルブリッジ回路１１にフルブリッジ動作をさせることで、第１コンデンサＣ１１および第２コンデンサＣ１２の両端電圧に対し、電解コンデンサＣ３の両端電圧は同じ値になる。すなわち、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０の入出力電圧比は、１：１になる。

【0052】

上記のとおり、充電動作時の電池電圧によって、第１フルブリッジ回路１１の動作をハーフブリッジ動作とフルブリッジ動作とに切り換えることで、双方向チョッパ回路５に印加される電圧を可変できる。これにより、双方向チョッパ回路５の降圧電圧比が削減可能になり、双方向チョッパ回路５の変換効率の低下を抑制することができる。なお、充電動作中に第１フルブリッジ回路１１の動作の切り換えが必要になった場合は、充電動作をいったん停止させ、動作の切り換えを行った後に充電動作を再開してもよい。

【0053】

本実施形態では、共振用コンデンサＣ２の静電容量に対して、第３コンデンサＣ１３および第４コンデンサＣ１４の静電容量が十分に大きい。このため、第１フルブリッジ回路１１の動作をハーフブリッジ動作からフルブリッジ動作に切り換えたときの、電流共振に寄与するコンデンサの静電容量の変化量が小さくなる。その結果、共振周期が大きく変化するのを防ぐことができる。

【0054】

例えば、共振用コンデンサＣ２の静電容量を０．１［ｕＦ］とし、第３コンデンサＣ１３および第４コンデンサＣ１４の静電容量をそれぞれ１［ｕＦ］とした場合、フルブリッジ動作時の電流共振に寄与するコンデンサの静電容量は０．１［ｕＦ］である。一方、ハーフブリッジ動作の上記静電容量は０．１［ｕＦ］／（０．１［ｕＦ］＋１［ｕＦ］）＝０．０９［ｕＦ］である。このように、静電容量の変化量が小さい場合、共振周期が大きく変化することはない。

【0055】

放電動作開始時でかつ電池電圧が所定の第２閾値以下の場合、コンバータ制御部１４は、第１フルブリッジ回路１１の動作を倍電圧整流動作に切り替えるため、第１開閉スイッチＳ８をオン状態にし、第２開閉スイッチＳ９をオフ状態にする。なお、第２閾値は、第１閾値と同じ値でもよいし、第１閾値とは異なる値でもよい。

【0056】

コンバータ制御部１４は、スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８をスイッチング動作させる（例えば、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ８をペアにし、スイッチング素子Ｑ６，Ｑ７をペアにして、適切なデットタイムを設けてデューティ５０％で交互にスイッチング動作させる）。すなわち、コンバータ制御部１４は、第２フルブリッジ回路１２にフルブリッジ動作をさせる。

【0057】

コンバータ制御部１４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ状態にする一方、２次巻線Ｎ２に発生する電圧に同期させてスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４をスイッチングさせることで、第１フルブリッジ回路１１に同期整流の倍電圧整流動作をさせる。第１フルブリッジ回路１１に倍電圧整流動作をさせることで、電解コンデンサＣ３の両端電圧に対し、第１コンデンサＣ１１および第２コンデンサＣ１２の両端電圧は２倍の値になる。すなわち、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０の入出力電圧比は、１：２になる。

【0058】

放電動作開始時でかつ電池電圧が所定の第２閾値よりも大きい場合、コンバータ制御部１４は、第１フルブリッジ回路１１の動作をブリッジ整流動作に切り替えるため、第１開閉スイッチＳ８および第２開閉スイッチＳ９をオフ状態にする。

【0059】

コンバータ制御部１４は、スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８をスイッチング動作させる（例えば、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ８をペアにし、スイッチング素子Ｑ６，Ｑ７をペアにして、適切なデットタイムを設けてデューティ５０％で交互にスイッチング動作させる）。すなわち、コンバータ制御部１４は、第２フルブリッジ回路１２にフルブリッジ動作をさせる。

【0060】

コンバータ制御部１４は、２次巻線Ｎ２に発生する電圧に同期させてスイッチング素子Ｑ１～Ｑ４をスイッチングさせることで、第１フルブリッジ回路１１に同期整流のブリッジ整流動作をさせる。第１フルブリッジ回路１１にブリッジ整流動作をさせることで、電解コンデンサＣ３の両端電圧に対し、第１コンデンサＣ１１および第２コンデンサＣ１２の両端電圧は同じ値になる。すなわち、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０の入出力電圧比は、１：１になる。

【0061】

上記のとおり、放電動作時の電池電圧によって、第１フルブリッジ回路１１の動作を倍電圧整流動作とブリッジ整流動作とに切り換えることで、双方向チョッパ回路５の出力電圧を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１０側で可変できる。これにより、双方向チョッパ回路５の昇圧電圧比が削減可能になり、双方向チョッパ回路５の変換効率の低下を抑制することができる。なお、放電動作中に第１フルブリッジ回路１１の動作の切り換えが必要になった場合は、放電動作をいったん停止させ、動作の切り換えを行った後に放電動作を再開してもよい。

【0062】

以上、本発明に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路および蓄電システムの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

【0063】

例えば、本発明に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、蓄電池を充電する充電動作と蓄電池を放電させる放電動作とを行う双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路であって、第１フルブリッジ回路と、第２フルブリッジ回路と、絶縁トランスと、共振用コンデンサと、制御部と、動作切替回路とを備え、動作切替回路が、
（１）充電動作開始時でかつ電池電圧が所定の第１閾値以下の場合に、第１フルブリッジ回路の動作をハーフブリッジ動作に切り替え、
（２）充電動作開始時でかつ電池電圧が第１閾値よりも大きい場合に、第１フルブリッジ回路の動作をフルブリッジ動作に切り替え、
（３）放電動作開始時でかつ電池電圧が所定の第２閾値以下の場合に、第１フルブリッジ回路の動作を倍電圧整流動作に切り替え、
（４）放電動作開始時でかつ電池電圧が第２閾値よりも大きい場合に、第１フルブリッジ回路の動作をブリッジ整流動作に切り替えるのであれば、適宜構成を変更できる。

【0064】

また、本発明に係る蓄電システムは、蓄電池と、上記本発明に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、蓄電池と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路との間に設けられ、充電動作時に降圧動作を行い、放電動作時に昇圧動作を行う双方向チョッパ回路と、入力された交流電圧を直流電圧に変換して双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に出力する第１変換動作と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する第２変換動作とを行う双方向インバータ回路とを備えるのであれば、適宜構成を変更できる。

【符号の説明】

【0065】

１ 蓄電システム
２ 蓄電池
３ リレー回路
４ 双方向インバータ回路
５ 双方向チョッパ回路
６ 制御部
１０ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ回路
１１ 第１フルブリッジ回路
１２ 第２フルブリッジ回路
１３ 動作切替回路
１４ コンバータ制御部

【図1】

【図2】

【図3】