CN112531804A - 充放电装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明实施方式的充放电装置包括输入或输出直流电的第一和第二电极端子。第一开关元件至第三开关元件串联连接在第一电极端子和第二电极端子之间。第一蓄电部与位于第一开关元件和第三开关元件之间的第二开关元件并联连接。第二蓄电部与第三开关元件并联连接。第一二极管至第三二极管分别与第一开关元件至第三开关元件反并联连接。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2019年9月18日提交的在先日本专利申请No.2019-169769的优先权，其通过引用全文并入本申请。
技术领域
本发明的实施方式涉及充放电装置。
背景技术
电源装置需要根据电力负载的电流消耗在短时间内输出大电流或长时间连续放电。已经研发了连接到电源装置的充放电装置来辅助电源装置。然而，在传统的充放电装置中，通过开关切换多种类型的蓄电池以应对各种放电操作。在这种情形下，尽管充放电装置可以分别对这些类型的蓄电池进行充电或放电，但是蓄电池不能同时使用。
为了解决该问题，考虑为每种类型的蓄电池提供转换器(converter)。但是，这不利地增加了充放电装置的电路规模。
发明内容
根据本发明实施方式的充放电装置包括输入或输出直流电的第一电极端子和第二电极端子。第一开关元件至第三开关元件串联连接在第一电极端子和第二电极端子之间。第一蓄电部与位于第一开关元件和第三开关元件之间的第二开关元件并联连接。第二蓄电部与第三开关元件并联连接。第一二极管至第三二极管分别与第一开关元件至第三开关元件反并联连接。
附图说明
图1是示出根据第一实施方式的充放电装置的示例的结构图；
图2是示出控制器的内部功能的示例的图；
图3至图11是示出充电操作或放电操作的示例的概念图；
图12是示出根据第二实施方式的充放电装置的示例的结构图；
图13是示出根据第三实施方式的充放电装置的示例的结构图；
图14是示出电力负载的消耗电力模式的示例的时序图。
具体实施方式
现将参照附图描述实施方式。本发明不限于这些实施方式。在本说明书和附图中，与前述附图中描述的元件相同的元件由相同的附图标记表示，并且适当地省略其详细说明。
(第一实施方式)
图1是示出根据第一实施方式的充放电装置的示例的构造图。根据本实施方式的充放电装置1与向电力负载2供电的电源***3并联连接并用作辅助电源，当来自电源***3的电力不足或电源***3停止运行时，该辅助电源可以为电力负载2提供电力。电力负载2可以是需要电力的任何设备或设施，例如电器、电梯、铁路中使用的电气设备、房屋、发电厂、污水处理设施、或工厂中安装的电气设备。电力负载2可以是仅消耗电力的电力负载，也可以是在停止时作为发电机输出电力的装置，例如电动机。
电源***3包括电源30、电压变换器31、转换器32、电容器33、和逆变器34。电源30是AC电源，并且例如可以是架空电源线或商用电源。电压变换器31具有将来自电源30的电源电压变换为期望电压的变换功能。转换器32将交流电转换成直流电，并将直流电提供给电源线35和36。提供电容器33以消除在传输到电源线35和36的DC电力中产生的AD分量(电压波动)。逆变器34将来自转换器32的DC电力转换为AC电力，并将该AC电力提供给电力负载2。电源***3可以向单个电力负载2供电或者可以并行地向多个电力负载2供电。
充放电装置1连接至转换器32和逆变器34之间的电源线35和36，并且向电源线35和36输出DC电力，或者从电源线35和36输入DC电力。充放电装置1包括电极端子T1和T2、开关元件11、13和15、二极管D11、D13和D15、电感器元件12和14、第一蓄电部17、第二蓄电部18、电流传感器S1和S2、以及控制器16。
第一电极端子T1连接至电源线35，第二电极端子T2连接至电源线36。例如，在电源线35为高压线，电源线36为低压线的情形下，电极端子T1位于高压侧，而电极端子T2位于低压侧。在下文中，将假设电极端子T1连接到高压线且电极端子T2连接到低压线来进行说明。
作为第一至第三开关元件的开关元件11、13和15以该顺序串联连接在电极端子T1和电极端子T2之间。例如，开关元件11、13和15分别为可以施加大电流的开关元件，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管Insulated Gate Bipolar Transistors)。尽管开关元件11、13和15优选具有基本相同的构造和特性，但是其构造和特性不限于此。
开关元件11的集电极连接到电极端子T1，其发射极连接到开关元件13的集电极。开关元件13的发射极连接至开关元件15的集电极，并且开关元件15的发射极连接至电极端子T2。
开关元件11、13和15的栅电极连接至控制器16。开关元件11、13和15分别由来自控制器16的栅极信号单独进行开关控制(控制为开/关)。
二极管D11具有连接到开关元件11的发射极(电极端子T2侧的端子)的阳极、和连接到开关元件11的集电极(电极端子T1侧的端子)的阴极。换言之，二极管D11相对于从高压电极端子T1至低压电极端子T2的方向反并联连接。
二极管D13具有连接到开关元件13的发射极(电极端子T2侧的端子)的阳极、和连接到开关元件13的集电极(电极端子T1侧的端子)的阴极。换言之，二极管D13也相对于从高压电极端子T1至低压电极端子T2的方向反并联连接。
二极管D15具有连接到开关元件15的发射极(电极端子T2侧的端子)的阳极、和连接到开关元件15的集电极(电极端子T1侧的端子)的阴极。换言之，二极管D15也相对于从高压电极端子T1至低压电极端子T2的方向反并联连接。
第一蓄电部17与连接在开关元件11和开关元件15之间的开关元件13和二极管D13并联连接。例如，第一蓄电部17是能够蓄电并放电的蓄电装置，例如电容器或二次电池。在下文中，将在假设第一蓄电部17是电容器的情况下进行描述。
电容器可以在短时间内提供大电流，也可以在短时间内蓄积(吸收)大电流。因此，第一蓄电部17可以在短时间内被充电，然后快速向电源***3供应电力，以快速消耗电力负载2的电力从而辅助电力***3。也就是说，第一蓄电部17能实现电源***3的峰值移动操作(peak shift operation)。
第二蓄电部18连接在开关元件13和开关元件15之间的节点与电极端子T2之间，并且与开关元件15和二极管D15并联连接。例如，第二蓄电部18也是能够蓄电并放电的蓄电装置，例如电容器或二次电池。在下文中，将假定第二蓄电部18是二次电池来进行描述。
尽管二次电池难以在短时间内供应或吸收大电流，但是二次电池可以存储大量电力，并且可以长时间地连续供应电力。二次电池通常可以比电容器存储更多的电量。因此，当由于断电等原因无法使用电源30时，第二蓄电部18可以通过电源***3连续向电力负载2供应电力，也可以为第一蓄电部17充电以实现峰值移动操作。
通过以这种方式使用第一蓄电部17和第二蓄电部18作为具有不同特性的蓄电装置，可以将第一蓄电部17和第二蓄电部18分别用于不同的目的。例如，当电力负载2消耗超过预设电流目标值的大电流(峰值电流)时，除了来自电源30的电流之外，通过从第一蓄电部17进行放电，使得电源30的电流保持等于或小于电流目标值。因此，第一蓄电部17可以用作电源30的峰值移动电源。即，电源***3可以进行峰值移动操作。同时，电容器的可储存电力量少于二次电池。因此，当电源30发生故障等时，可能存在第一蓄电部17无法连续向电源***3供应电力或无法在电源***3的峰值移动操作中多次供电的情形。为了解决该问题，在电源30发生故障等的情况下，第二蓄电部18持续向电力负载2供给控制电力。随之，第二蓄电部18在电力负载2不消耗高于电流目标值的大电流的期间对第一蓄电部17进行充电。因而，当电力负载2接下来消耗高于电流目标值的峰值电流时，第一蓄电部17将电流供应至电源***3以进行电源***3的峰值移动操作。也就是说，充放电装置1在电源30正常运行时为第一和第二蓄电部17和18充电，反之当电源30发生故障时能够在控制电力负载2并为第一蓄电部17充电的同时持续进行电源***3的峰值移动操作。
充电和放电装置1可以被广泛地应用于任何电力负载2的电力消耗的波动，而不受限于电源***3的峰值移动操作。
作为第一电感器元件的电感器元件(电抗器)12***在由开关元件13或二极管D13以及第一蓄电部17构成的第一环路LP1中。电感器元件12的一端连接至开关元件11与开关元件13之间的节点。电感器元件12的另一端与第一蓄电部17的一端连接。
作为第二电感器元件的电感器元件(电抗器)14***在由开关元件15或二极管D15以及第二蓄电部18构成的第二环路LP2中。电感器元件14的一端连接至开关元件13与开关元件15之间的节点。电感器元件14的另一端连接在第一蓄电部17的另一端与第二蓄电部18的一端之间。
电流传感器S1设置在第一蓄电部17的高压侧的一端，并且检测充入第一蓄电部17的电流或从第一蓄电部17释放的电流。电流传感器S1向控制器16通知电流测量值IS1。在本实施方式中，假设电流测量值IS1的极性在放电时为正值。
电流传感器S2设置在第二蓄电部18的高压侧的一端，并且检测充入第二蓄电部18的电流或从第二蓄电部18释放的电流。电流传感器S2向控制器16通知电流测量值IS2。在本实施方式中，假设电流测量值IS2的极性在放电时为正值。
控制器16连接至开关元件11、13和15的栅电极，并且分别对开关元件11、13和15进行开关控制(接通/断开控制)。在收到电流指令值C1和C2以及来自电流传感器S1和S2的电流测量值IS1和IS2时，控制器16基于电流指令值C1和C2以及电流测量值IS1和IS2分别产生用于开关控制开关元件11、13和15的栅极信号。电流指令值C1和C2从位于充放电装置1的内部或外部的指令装置(未示出，例如计算机)输出。控制器16以特定的频率周期性地重复开关元件11、13和15的接通/断开，并且通过改变占空比来调节流过开关元件11、13和15的电流。占空比是开关元件11、13和15中的每一个的接通时间/一个周期(一个周期＝接通时间+断开时间)。因此，通过使用控制器16将占空比模拟地从零变为小于1的值，可以改变包括开关元件11、13和15中每个的接通和断开的一个周期中的接通时间，以调节流经每个开关元件11、13和15的电流。占空比为零的状态表示开关元件11、13或15将断开状态持续一个周期。占空比为1的状态表示开关元件11、13或15将接通状态持续一个周期。
充放电装置1可以被配置为一个装置或一个***。可替换地，开关元件11、13和15、二极管D11，D13和D15以及电感器元件12和14可以被配置为一个DC转换器DC_COM。在这种情况下，第一蓄电部17、第二蓄电部18和控制器16从外部附接至DC转换器DC_COM。
如果转换器32和逆变器34的电力转换没有损失，并且电源***3的输入电力和输出电力相等，则电源线35和36的电压为一定。进一步地，因为通常控制转换器32以使电源线35和36的电压一定，所以当逆变器34的输出电力根据电力负载2的消耗电力而变化时，转换器32调节电源线35和36的电力不足或电力冗余。但是，当在峰值移动操作或突然停电需要大电流时而要提供电力时，转换器32不能调节不足的电力，因此充放电装置1补偿了电力的不足。下面说明充放电装置1的操作。
图2是示出控制器16的内部功能的示例的示图。图3至图11是示出充电操作或放电操作的示例的概念图。参照图2至11描述根据本实施方式的充放电装置1的操作。如图2所示，控制器16包括加法部21至23、PI(比例积分)运算部24至26、PWM(脉冲宽度调制)运算部27至29、逆变器电路INV1、与门G1(AND)。图2中所示的控制器16的配置仅仅是示例，并且不受特别限制。控制器16可以具有具有相同功能的其他电路配置。
(第一和第二蓄电部17和18的充电操作)
图3是示出对第一蓄电部17和第二蓄电部18两者进行充电的操作的示例的概念图。在通常将来自图3中的电源30的电力供应给电力负载2时，充放电装置1可以通过电源***3的电源线35和36接收电力，并对第一和第二蓄电部17和18充电。当第一和第二蓄电部17和18都要充电时，控制器16增大开关元件11的占空比以提高接通状态的比率，同时将开关元件13和15的占空比保持为低(几乎为断开状态)。因此，第一蓄电部17的一端经由开关元件11和电感器元件12连接至电极端子T1。从而，第一和第二蓄电部17和18串联连接在电极端子T1和电极端子T2之间，并由电源***3的电源线35和36充电。图3中的虚线箭头Ich表示充电电流。此时，相反方向上的电压被施加到二极管D11、D13和D15，并且几乎没有电流流过其中。
此处参考图2对该充电操作进行说明。加法部21接收由电流传感器S1检测出的第一蓄电部17的充放电电流的测量值IS1和由电流传感器S2检测出的第二蓄电部18的充放电电流的测量值IS2并将这些值相加，并且进一步接收第一蓄电部17的电流指令值C1和第二蓄电部18的电流指令值C2并从相加结果中减去这些值。换言之，加法部21计算第一和第二蓄电部的总放电电流与第一和第二蓄电部17和18的电流指令值C1和C2的和之间的差(IS1+IS2-C1-C2)。控制器16控制DC转换器DC_COM以使该差(IS1+IS2-C1-C2)为零。
如上所述，电流测量值IS1和IS2以及电流指令值C1和C2在第一和第二蓄电部17和18放电时为正值，而在第一和第二蓄电部17和18充电时为负值。因此，在充电操作中，电流指令值C1和C2为负值。控制器16控制开关元件11以使电流测量值IS1和IS2之和为等于电流指令值C1和C2之和的负值。为了将电流测量值IS1和IS2设置为负值，控制器16增大开关元件11的占空比以延长接通时间，并使大量电流从电源线35流到第一和第二蓄电部17和18。
例如，PI运算部24延长了来自PWM运算部27的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)，以增大开关元件11的占空比(接通时间)。来自PWM运算部27的脉冲信号经由与门G1输出至开关元件11。与门G1对来自PWM运算部27的脉冲信号和来自PWM运算部28的脉冲信号进行“与”运算。如稍后将描述的，来自PWM运算部28的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)缩短，因此来自逆变器INV1的输出的上升持续时间(高电平持续时间)反而被延长。由此，上升持续时间在来自PWM运算部27和28的脉冲信号的“与”运算的输出中延长了。由于这增大了开关元件11的占空比，因此延长了第一和第二蓄电部17和18在电极端子T1和电极端子T2之间串联连接的时间，并且第一和第二蓄电部17和18通过电源***3的电源线35和36充电。
另一方面，加法部22从电流指令值C1减去电流测量值IS1(C1-IS1)。控制器16执行开关元件13的反馈控制，以使该差(C1-IS1)为零。因为在充电操作中电流指令值C1为负值，所以控制器16执行开关元件13的反馈控制，以使电流测量值IS1具有与电流指令值C1相同的负值。为了将电流测量值IS1设置为负值(为第一蓄电部17充电)，控制器16降低开关元件13的占空比，以缩短导通时间并减少第一蓄电部17的两个电极的短路持续时间。
例如，PI运算部25缩短了来自PWM运算部28的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)，以减小开关元件13的占空比。因为这降低了开关元件13的占空比，所以缩短了开关元件13的接通时间并且延长了断开时间。结果，缩短了第一蓄电部17的放电时间，并且使第一蓄电部17处于可充电状态。
来自PWM运算部28的脉冲信号被逆变器电路INV1反相，然后输入到与门G1。相反，来自PWM运算部28的脉冲信号的反相信号是具有长上升持续时间(占空比减小)的脉冲信号。因而，与门G1有效地使来自PWM运算部27的脉冲信号通过的周期被延长，并且可以根据来自PWM运算部27的脉冲信号来提高开关元件11的占空比。
类似地，加法部23从电流指令值C2减去电流测量值IS2(C2-IS2)。控制器16控制开关元件15以使该差(C2-IS2)为零。因为在充电操作中电流指令值C2为负值，所以控制器16控制开关元件15以使电流测量值IS2具有与电流指令值C2相同的负值。为了将电流测量值IS2设置为负值(对第二蓄电部18充电)，控制器16降低开关元件15的占空比，以缩短导通时间并减少第二蓄电部18的两个电极的短路持续时间。
例如，PI运算部26缩短了来自PWM运算部29的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)，以降低开关元件15的占空比。因为这降低了开关元件15的占空比，所以缩短了开关元件15的接通时间并且延长了断开时间。结果，第二蓄电部18的放电时间缩短并且使第二蓄电部18进入可充电状态。
通过以这种方式增大开关元件11的占空比(接通时间)并降低开关元件13和15的占空比，第一和第二蓄电部17和18在电极端子T1和电极端子T2之间串联连接较长时间并被充电。
(第一蓄电部17的充电操作)
图4是示出对第一蓄电部17进行充电的操作的示例的概念图。当仅第一蓄电部17要被充电而第二蓄电部18不被充电时，控制器16才增大开关元件11的占空比(接通时间)，并且基本上同时也将开关元件15的占空比(接通时间)增加到与开关元件11相同的程度。开关元件13的占空比保持为较低。这使得开关元件15在与开关元件11基本相同的时间进入接通状态，并且环路LP2短路。当环路LP2短路时，如图4中的实线箭头所示，放电电流Idisch流过环路LP2。因此，第二蓄电部18不被充电。另一方面，第一蓄电部17连接在电极端子T1和电极端子T2之间并被充电。第一蓄电部17低压侧的电极在短路状态下经由环路LP2与电极端子T2连接。
这里参考图2。开关元件11和13的控制与图3所示的充电操作中的控制相同，并且在此省略其说明。
加法部23计算电流指令值C2与电流测量值IS2之间的差(C2-IS2)。控制器16控制DC转换器DC_COM以使该差(C2-IS2)为零。
由于第二蓄电部18在该充电操作中没有被充电，因此在第二蓄电部18的放电操作中将电流指令值C2类似地设置为正值。控制器16控制开关元件15以使电流测量值IS2具有与电流指令值C2相同的正值。为了将电流测量值IS2设置为正值(使第二蓄电部18放电)，控制器16增大开关元件15的占空比，以延长导通时间并延长第二蓄电部18的两个电极的短路持续时间。
例如，PI运算部26延长了来自PWM运算部29的脉冲信号的上升持续时间(高电平周期)，以增大开关元件15的占空比。因为这增大了开关元件15的占空比，所以延长了开关元件15的接通时间并且缩短了断开时间。结果，延长了第二蓄电部18的放电时间，并且使第二蓄电部18处于放电状态。
于是，在第一蓄电部17被充电的同时，由于环路LP2的短路，图4中的放电电流Idisch流过第二蓄电部18。因此，在图4中当充电电流Ich对第一蓄电部17充电时，第二蓄电部18未被充电。
(第二蓄电部18的充电操作)
图5是示出第二蓄电部18的充电操作的示例的概念图。当仅对第二蓄电部18充电而不对第一蓄电部17充电时，控制器16才增大开关元件11的占空比(接通时间)，并且基本上同时将开关元件13的占空比(接通时间)增加到与开关元件11相同的程度。开关元件15的占空比保持为较低。这使得开关元件13在与开关元件11基本相同的时间处于导通状态，并且环路LP1短路。当环路LP1短路时，放电电流Idisch流经环路LP1，如图5中的实线箭头所示。因此，第一蓄电部17不被充电。同时，第二蓄电部18连接在电极端子T1和电极端子T2之间并被充电。第二蓄电部18高压侧的电极在短路状态下经由环路LP1与电极端子T1连接。
这里参考图2。开关元件11和15的控制与图3所示的充电操作中的控制相同，并且省略其说明。
加法部22计算电流指令值C1与电流测量值IS1之间的差(C1-IS1)。控制器16控制DC转换器DC_COM以使该差(C1-IS1)为零。
因为在该充电操作中第一蓄电部17没有被充电，所以与第一蓄电部17的放电操作类似地，将电流指令值C1设置为正值。控制器16控制开关元件13以使电流测量值IS1具有与电流指令值C1相同的正值。为了将电流测量值IS1设置为正值(将第一蓄电部17放电)，控制器16增大开关元件13的占空比，以延长导通时间并延长第一蓄电部17的两个电极的短路持续时间。
例如，PI运算部25延长了来自PWM运算部28的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)，以提高开关元件13的占空比。因为这增大了开关元件13的占空比，所以延长了开关元件13的接通时间并缩短了断开时间。结果，第一蓄电部17的放电时间延长，并且使第一蓄电部17进入放电状态。
因此，在第二蓄电部18被充电的同时，由于环路LP1的短路，图5中的放电电流Idisch流过第一蓄电部17。从而，在图5中的虚线箭头所示的充电电流Ich对第二蓄电部18充电时，第一蓄电部17未被充电。
可以用来自第二蓄电部18的电力对第一蓄电部17充电或相反地用第一蓄电部17的电力对第二蓄电部充电，而不使用来自电源30的电力。这些充电操作将在下文描述。
(第一蓄电部17的放电操作)
图6是示出对第一蓄电部17放电操作的示例的概念图。当电力负载2的电流消耗迅速增加时，充放电装置1需要响应于这样的峰值电流而在短时间内提供大电流。为了应对这种情况，第一蓄电部17在短时间内放电以向电源***3的电源线35和36补充电流。例如，在第一蓄电部17是大容量的电容器的情况下，第一蓄电部17可以在短时间内向电源线35和36提供大电流。因此，充放电装置1能够在进行电源***3的峰值移动操作的同时，应对电流消耗的急剧增加。
当将第一蓄电部17放电时，控制器16将开关元件13的占空比(接通时间)增加到高于开关元件11的占空比，以提升接通状态的比率，同时保持开关元件11的低的占空比(基本上为断开状态)。因此，当开关元件13处于接通状态时，第一蓄电部17的两个电极通过开关元件13和电感器元件12和14被短路，并且第一蓄电部17使短路电流(箭头Aon)通过环路LP1。此后，当开关元件13处于断开状态时，第一蓄电部17的两个电极均断开。然而，电感器元件12原样使短路电流流过，并且将其作为放电电流(箭头Aoff)经由二极管D11从电极T1供给至电源线35。通过重复开关元件13的这种接通/断开操作，电感器元件12可以将短路电流从电极端子T1供应到电源线35。通过增大开关元件13的占空比，从电感器元件12提供的电流(放电电流)也增大。
此时，电感器元件12的短路电流也可以用作对第二蓄电部18进行充电的电流。因此，基于是否对第二蓄电部18进行充电，来改变开关元件15的占空比。例如，当第二蓄电部18要被充电时，使开关元件15的占空比低于开关元件13的占空比，这将在后面参考图7进行描述。这使得在对第一蓄电部17放电操作的同时能对第二蓄电部18充电。
这里参考图2。加法部22计算电流指令值C1与电流测量值IS1之间的差(C1-IS1)。控制器16执行DC转换器DC_COM的反馈控制，以使差(C1-IS1)为零。
在第一蓄电部17的放电操作中，电流指令值C1被设定为正值。控制器16执行开关元件13的反馈控制，以使电流测量值IS1具有与电流指令值C1相同的正值。为了将电流测量值IS1设置为正值(将第一蓄电部17放电)，控制器16增大开关元件13的占空比，以延长接通时间并延长第一蓄电部17的两个电极的短路持续时间。
例如，PI运算部25延长了来自PWM运算部28的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)，以增大开关元件13的占空比。因为这增加了开关元件13的占空比，所以延长了开关元件13的接通时间并且缩短了断开时间。结果，延长了第一蓄电部17的放电时间，并且使第一蓄电部17进入放电状态。
开关元件11的占空比根据电流指令值C1和C2之间的大小关系而变化。然而，由于来自PWM运算部28的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)已变长，因此与门G1禁止来自PWM运算部27的脉冲信号输出的周期也是长的。从而，当电流指令值C1和C2的上升持续时间重叠时，不管电流指令值C1的上升持续时间(高电平持续时间)如何，开关元件11的占空比必然会减小。
开关元件15的占空比，即电流指令值C2根据第二蓄电部18的充电量而变化。例如，当第二蓄电部18的充电量太大时，将电流指令值C2设置为正值以增大开关元件15的占空比。这延长了开关元件15的接通时间(环路LP2短路的周期)，并且电感器元件12和14的短路电流几乎不施加到第二蓄电部18。第二蓄电部18的放电量增多，并且可以调节第二蓄电部18的充电量。
另一方面，例如，当在第一蓄电部17的放电操作的同时要对第二蓄电部18充电时，将图2中的电流指令值C2设为负值。图7是示出对第一蓄电部17放电操作和对第二蓄电部18充电操作的示例的概念图。这降低了开关元件15的占空比，并且电感器元件12和14的、当环路LP1被电断开时而流动的短路电流如图7中虚线箭头所示的那样也作为充电电流Ich流动，并施加到第二蓄电部18，并且也可以用于对第二蓄电部18进行充电。图7中所示的其余操作可以与图6中的放电操作相同。
(第二蓄电部18的放电操作)
图8是示出第二蓄电部18的放电操作的示例的概念图。当电源30发生故障时，充放电装置1需要连续提供电流。为了应对这种情况，第二蓄电部18放电相对较长的时间以向电源***3的电源线35和36补充电流。例如，在第二蓄电部18是二次电池的情形下，第二蓄电部18可以在相对较长时间内向电源线35和36供给电流。因此，在电源30发生故障时，充放电装置1可以向负载2供电。第二蓄电部18还可以对第一蓄电部17(如电容器)充电，并且能进行电源***3的峰值移动操作。
当要将第二蓄电部18放电时，控制器16将开关元件15的占空比增大到高于开关元件11的占空比，以增加接通状态的比率，同时保持开关元件11的低占空比(基本为断开状态)。因此，当开关元件15处于导通状态时，第二蓄电部18的两个电极经由开关元件15和电感器元件14而短路，并且第二蓄电部18使短路电流(箭头Aon)通过环路LP2。此后，当开关元件15处于断开状态时，第二蓄电部18的两个电极均被断开。然而，电感器元件14继续使短路电流通过，并将其作为放电电流(箭头Aoff)经由二极管D13和D11从电极端子T1供给至电源线35。通过重复开关元件15的这种接通/断开操作，电感器元件14可以将短路电流从电极端子T1供应到电源线35。通过增大开关元件15的占空比，从电感器元件14提供的电流(放电电流)也增大。
此时，电感器元件14的短路电流也可以用作对第一蓄电部17充电的电流。因此，基于是否对第一蓄电部17进行充电，来改变开关元件13的占空比。当第一蓄电部17不被充电时，如参考图5所描述的，能够增大开关元件13的占空比以使其与开关元件15的占空比相同。因此，第一蓄电部17的两个电极短路，并且抑制了第一蓄电部17的充电。当第一蓄电部17要被充电时，将开关元件13的占空比降低为低于开关元件15的占空比，如稍后参考图9所述。这使得在第二蓄电部18的放电操作的同时能对第一蓄电部17充电。
这里参考图2。加法部23计算电流指令值C2与电流测量值IS2之间的差(C2-IS2)。控制器16控制DC转换器DC_COM以使该差(C2-IS2)为零。
在第二蓄电部18的放电操作中，将电流指令值C2设定为正值。控制器16控制开关元件15以使电流测量值IS2具有与电流指令值C2相同的正值。为了将电流测量值IS2设置为正值(将第二蓄电部18放电)，控制器16增大开关元件15的占空比，以延长导通时间并延长第二蓄电部18的两个电极的短路持续时间。
例如，PI运算部26延长了来自PWM运算部29的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)，以增大开关元件15的占空比。因为这增大了开关元件15的占空比，所以延长了开关元件15的接通时间并且缩短了断开时间。结果，延长了第二蓄电部18的放电时间，并使第二蓄电部18处于放电状态。
开关元件11的占空比根据电流指令值C1和C2之间的大小关系而改变。例如，当第一蓄电部17要被充电时，将电流指令值C1设定为负值以减小开关元件13的占空比。在这种情况下，足以将电流指令值C2的绝对值设置成大于电流指令值C1的绝对值，并使加法部21能够输出负值。这也可以降低开关元件11的占空比。
开关元件13的占空比，即电流指令值C1根据第一蓄电部17的充电量而变化。例如，当第一蓄电部17的充电量过大时，将电流指令值C1设置为正值以增大开关元件13的占空比。这延长了开关元件13的接通时间(环路LP1短路的周期)，并且电感器元件12的短路电流不太会被施加于第一蓄电部17。另外，第一蓄电部17的放电量增多，并且可以调节第一蓄电部17的充电量。
另一方面，例如，在第二蓄电部18的放电操作的同时要对第一蓄电部17充电时，将电流指令值C1设定为负值。图9是示出第二蓄电部18的放电操作和第一蓄电部17的充电操作的示例的概念图。这降低了开关元件13的占空比，并且电感器元件14的、当环路LP2被电断开时而流动的短路电流如图9中虚线箭头所示的那样也作为充电电流Ich流动，并经由二极管D13施加到第一蓄电部17，并且也可用于对第一蓄电部17进行充电。图9中所示的其余操作可以与图8中的放电操作相同。
(第一和第二蓄电部17和18的放电操作)
当第一和第二蓄电部17和18都放电时，控制器16增大开关元件13和15两者的占空比就足够了。开关元件11的占空比可以保持较低。换言之，既执行图6中的第一蓄电部17的放电操作，又执行图8中的第二蓄电部18的放电操作即可。这使得第一和第二蓄电部17和18都能向电源线35和36供电。
由于开关元件13的占空比高并且来自图2中PWM运算部28的脉冲信号的上升持续时间(高电平持续时间)长，因此与门G1禁止来自PWM运算部27的脉冲信号的输出的期间变长。PWM运算部27可以被配置为在第一和第二蓄电部17和18的放电操作中不输出脉冲信号。
(第一或第二蓄电部17或18的内部充电操作)
图10是示出从第一蓄电部17向第二蓄电部18的内部充电操作的示例的概念图。例如，当电源***3正常工作并且电源线35的电压高于第一或第二蓄电部17或18的输出电压时，即使控制器16执行参照图7所描述的放电操作，也不进行从第一蓄电部17向电源线35的放电。但是，可以如图10所示执行从第一蓄电部17向第二蓄电部18的内部充电操作。
图11是示出从第二蓄电部18向第一蓄电部17的内部充电操作的示例的概念图。例如，当电源***3正常工作并且电源线35的电压高于第一或第二蓄电部17或18的输出电压时，即使开关元件11、13和15执行参照图9所描述的放电操作，也不进行从第二蓄电部18向电源线35的放电。然而，随着由开关元件11、13和15执行的图9中的放电操作，可以如图11所示那样执行从第二蓄电部18向第一蓄电部17的内部充电操作。
通过这种方式，当电源***3正常工作时，可以在第一蓄电部17和第二蓄电部18内部之间进行电力的充电或放电。
(其他充电/放电操作)
当第一蓄电部17的输出电压低于第二蓄电部18的输出电压时，即使开关元件11、13和15保持在断开状态而不进行开关控制，第一蓄电部17也可以经由二极管D13用第二蓄电部18的电力进行充电。
当电源线35的输出电压低于第一蓄电部17和/或第二蓄电部18的输出电压时，即使开关元件11、13和15保持在断开状态而不进行开关控制，第一蓄电部17和/或第二蓄电部18的电力也可以通过二极管D13和D11供应(放电)到电源线35。
如上所述，根据本发明的实施方式，DC转换器DC_COM包括串联连接在电极端子T1和电极端子T2之间的开关元件11、13和15，以及分别与开关元件11、13和15并联连接的二极管D11、D13和D15。第一蓄电部17经由电感器元件12与开关元件13并联连接而构成环路LP1。第二蓄电部18经由电感器元件14与开关元件15并联连接而构成环路LP2。控制器16可以通过改变开关元件11、13和15的各自的占空比(接通时间)来执行各种充电操作和各种放电操作。
第一和第二蓄电部17和18共享DC转换器DC_COM。例如，DC转换器DC_COM通过公共电极端子T1和T2用来自电源***3的电力为第一和第二蓄电部17和18两者或其中之一充电，或通过公共电极端子T1和T2将电力放电到电源***3。以此方式，通过相对于多种类型的蓄电部17和18共享DC转换器DC_COM，可以缩小根据本实施方式的充放电装置1的尺寸。此外，充放电装置1可以同时使用诸如为电容器和二次电池的多种类型的蓄电部17和18，并且可以执行各种充电操作和各种放电操作。
(第二实施方式)
图12是示出根据第二实施方式的充放电装置的示例的构造图。根据第二实施方式的充放电装置1与第一实施方式的不同之处在于，第一蓄电部17是二次电池。第二实施方式的其他构造可以与第一实施方式的相应构造相同。
虽然第一蓄电部17可以是具有与第二蓄电部18相同特性的二次电池，但是第一蓄电部17优选是具有与第二蓄电部18不同特性的二次电池。这使得第一和第二蓄电部17和18可以根据应用场合或目的进行不同的使用。
例如，第一蓄电部17可以是能在短时间内输入和输出高功率的锂离子二次电池，而第二蓄电部18可以是能对大量电力进行充电和放电的锂离子二次电池。同样，在这种情况下，第一蓄电部17能够进行电源***3的峰值移动操作。第二蓄电部18可以在断电等情况下持续向电力***3供应电力，以补充电力负载2的正常电力消耗。可替换地，第二蓄电部18可以对第一蓄电部17充电以进行峰值移动操作。因此，第二实施方式还可以执行与第一实施方式相同的操作，并且获得相同的效果。
即使第一和第二蓄电部17和18为具有相同特性的二次电池，劣化程度也可能根据周围环境或使用频率而不同。即使在这种情况下，第二实施方式也能够使第一和第二蓄电部17和18分别地工作，因此能够使劣化程度均匀。
(第三实施方式)
图13是示出根据第三实施方式的充放电装置的示例的构造图。根据第三实施方式的充放电装置1与第一实施方式的不同之处在于，电感器元件14连接至环路LP2的负极侧。第二实施方式的其他构造可以与第一实施方式的相应构造相同。电感器元件14的一端连接至开关元件15与电极端子T2之间的节点，而电感器元件14的另一端与第二蓄电部18的负极连接。
在第三实施方式中，控制器16通过在保持开关元件11和15的占空比低的同时增大开关元件13的占空比，而可以在不对第二蓄电部18进行充电或放电的情况下使第一蓄电部17放电。另一方面，控制器16可以通过在保持开关元件11和13的占空比低的同时增大开关元件15的占空比，而可以在不对第一蓄电部17进行充电或放电的情况下使第二蓄电部18放电。也就是说，第一和第二蓄电部17和18的操作通过开关元件的操作而被明确区分，从而导致了具有高可控性的配置。
此外，第三实施方式也可以获得第一实施方式的效果。第三实施方式可以与第二实施方式结合。因此，第三实施方式也可以获得第二实施方式的效果。
图14是示出电力负载2的消耗电力模式的示例的时序图。纵轴表示消耗的电力W，横轴表示时间T。例如，电力负载2持续消耗电力Wb作为基础电力，并且周期性地需要大的峰值电力Wp。该峰值电力Wp在一个周期TP中大约出现3次。
为了使电源***3能够执行峰值移动操作，充放电装置1的第一蓄电部17将峰值电力Wp提供给电源***3。当电源***3由于停电等原因无法提供基础电力Wb时，充放电装置1的第二蓄电部18将基础电力Wb提供给电源***3。这样，充放电装置1可以有助于电源***3的电力供应功能。
尽管已经描述了某些实施方式，但是这些实施方式仅以示例的方式给出，并且不意图限制本发明的范围。实际上，本文描述的新颖的方法和***可以以多种其他形式来体现；并且，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对本文所述的方法和***的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本发明的范围和精神内的这种形式或修改。
Claims (10)
1.一种充放电装置，包括：
第一电极端子和第二电极端子，输入或输出直流电力；
第一开关元件至第三开关元件，串联连接在所述第一电极端子和所述第二电极端子之间；
第一蓄电部，与位于所述第一开关元件和所述第三开关元件之间的所述第二开关元件并联连接；
第二蓄电部，与所述第三开关元件并联连接；和
第一二极管至第三二极管，分别与所述第一开关元件至第三开关元件反并联连接。
2.根据权利要求1所述的充放电装置，还包括：
第一电感器元件，被***在由所述第二开关元件和所述第一蓄电部构成的第一环路中；和
第二电感器元件，被***在由所述第三开关元件和所述第二蓄电部构成的第二环路中。
3.根据权利要求1所述的充放电装置，其中，
所述第一电极端子的电压高于所述第二电极端子的电压，
所述第一开关元件至第三开关元件以第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件的顺序串联连接在所述第一电极端子和所述第二电极端子之间，
所述第一二极管至第三二极管的阴极分别连接至所述第一开关元件至第三开关元件的所述第一电极端子一侧的端子，和
所述第一二极管至第三二极管的阳极分别连接至所述第一开关元件至第三开关元件的所述第二电极端子一侧的端子。
4.根据权利要求1所述的充放电装置，其中，
所述第一蓄电部为电容器，以及
所述第二蓄电部为二次电池。
5.根据权利要求1所述的充放电装置，其中，
所述第一蓄电部为二次电池，以及
所述第二蓄电部为二次电池。
6.根据权利要求2所述的充放电装置，其中，
所述第一电感器元件的一端连接至所述第一开关元件和所述第二开关元件之间的节点，并且所述第一电感器元件的另一端连接至所述第一蓄电部，以及
所述第二电感器元件的一端连接至所述第二开关元件和所述第三开关元件之间的节点，并且所述第二电感器元件的另一端连接至所述第二蓄电部。
7.根据权利要求2所述的充放电装置，其中，
所述第一电感器元件的一端连接至所述第一开关元件和所述第二开关元件之间的节点，并且所述第一电感器元件的另一端连接至所述第一蓄电部，以及
所述第二电感器元件的一端连接至所述第三开关元件和所述第二电极端子之间的节点，并且所述第二电感器元件的另一端连接至所述第二蓄电部。
8.根据权利要求1所述的充放电装置，
还包括：控制所述第一开关元件至第三开关元件的控制器，其中，
所述控制器通过增加所述第一开关元件的接通时间来对所述第一蓄电部和所述第二蓄电部中的至少一个进行充电。
9.根据权利要求1所述的充放电装置，
还包括：控制所述第一开关元件至第三开关元件的控制器，其中，
所述控制器通过将所述第二开关元件的接通时间增加到比所述第一开关元件和所述第三开关元件的接通时间更长来使所述第一蓄电部放电。
10.根据权利要求1所述的充放电装置，
还包括：控制所述第一开关元件至第三开关元件的控制器，其中，
所述控制器通过将所述第三开关元件的接通时间增加到比所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通时间更长来使所述第二蓄电部放电。
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