JP2009171724A

JP2009171724A - 双方向コンバータ

Info

Publication number: JP2009171724A
Application number: JP2008006498A
Authority: JP
Inventors: Riichi Kitano; 利一北野; Takahisa Masashiro; 尊久正代; Akihiro Miyasaka; 明宏宮坂; Akira Yamashita; 明山下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】コストと設置スペースを節約する双方向コンバータを提供すること。
【解決手段】入力される直流電力を降圧して出力する降圧回路５と、切替回路６と、降圧回路５および切替回路６を制御する制御部１３とを有する双方向コンバータ４であって、降圧回路５は、あらかじめ定められた電流値以下の電流を出力し、切替回路６は、直流電源３から入力される直流電力を降圧回路５を介して組電池１へ供給する充電時接続８と、組電池１から入力される直流電力を降圧回路５を介して負荷２へ供給する放電時接続７との間の切替を行うことを特徴とする双方向コンバータを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は双方向コンバータに関し、特に、直流電力を変換して出力するコンバータに関する。

一般に、直流負荷装置へ電力を供給する電源システムでは、商用交流電力を受け、直流４８Ｖなどの直流電力を出力する整流器が用いられている。さらに、商用電力が停電した場合でも負荷装置への給電を継続するために、整流器の出力に蓄電池と、蓄電池を充電するための充電器を備えている。蓄電池を直流電源システムに適用する場合には、通常、単セルと呼ばれる１本の蓄電池を複数個直列にしたものを１つ以上並列接続した組電池を用いる。

下記特許文献１、２には、複数の組電池が出力する電力を放電器を介して負荷に供給する電池システムが記載され、特許文献１には、組電池と放電器中のコンバータとの間の電路が共通導線によって互いに電気的に接続されていることが記載され、特許文献２には、放電器の各動作を、制御部が発信する同一の動作信号に基づいて行わせることが記載されている。
特開２００７−１４３２６６号公報特開２００７−１４３２９１号公報

整流装置、蓄電池、充電器および放電器を組み合わせた直流バックアップ電源システムを図４に示す。図において、商用電源１５の交流電力は整流器１６に供給され、整流器１６は交流電力を所定の直流電力に変換して負荷２へ供給している。組電池１は、商用電源１５が有効であるときは充電器１７を介して充電され、商用電源１５の停電時に放電器１８を介して負荷２への放電を行う。負荷２は直流負荷である。商用電源１５が有効であるときは整流器１６から負荷２への給電が行われ、商用電源１５の停電時に組電池１から放電器１８を介して負荷２へ給電を行う。

整流器１６の出力電圧を５４Ｖ、組電池１を鉛蓄電池セル（定格２．０Ｖ、２００Ａｈ）を２４セル直列接続してなる組電池（定格４８Ｖ、２００Ａｈ）とする。この鉛蓄電池セルの満充電電圧は２．２Ｖであり、組電池１の満充電電圧は５２．８Ｖである。充電器１７は、整流器１６から入力した電力を組電池１へ供給して組電池１を充電するが、充電電流が過剰にならないように、出力電流を制限する機能を持つ。つまり、充電電流の制限を行うため、このシステムでは充電器が必要となっている。

放電器１８は、組電池１から入力した電力を、整流器１６の停止時に負荷２へ出力するが、出力電流が過剰にならないように、出力電流の制限を行い、また組電池１が最低使用電圧に達したときは、過放電による劣化を防ぐため組電池１からの放電を停止させる機能を持つ。つまり、放電電流を制限し、組電池１の過放電を防ぐため、このシステムでは放電器が必要である。

以上のように、充電器と放電器との両方を搭載することによるコストと設置スペースの増加という問題がある。

本発明は前記の、充電器と放電器との両方を搭載することにより、コストと設置スペースが増加するという問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、コストと設置スペースを節約する双方向コンバータを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
入力される直流電力を降圧して出力する降圧手段と、切替手段と、前記降圧手段および切替手段を制御する制御部とを有する双方向コンバータであって、前記降圧手段は、あらかじめ定められた電流値以下の電流を出力し、前記切替手段は、直流電源から入力される直流電力を前記降圧手段を介して蓄電池へ供給する充電時接続と、前記蓄電池から入力される直流電力を前記降圧手段を介して負荷へ供給する放電時接続との間の切替を行うことを特徴とする双方向コンバータを構成する。

また、本発明においては、請求項２に記載のように、
請求項１に記載の双方向コンバータにおいて、前記切替手段による接続が前記放電時接続である場合、前記降圧手段は、あらかじめ定められた第１の電流値以下の電流を出力し、前記切替手段による接続が前記充電時接続である場合、前記降圧手段は、あらかじめ定められた第２の電流値以下の電流を出力することを特徴とする双方向コンバータを構成する。

また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１または２に記載の双方向コンバータにおいて、前記切替手段である切替回路は、接続の切替を、接続切替用スイッチング素子により行うことを特徴とする双方向コンバータを構成する。

また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項１ないし３のいずれかに記載の双方向コンバータにおいて、前記降圧手段である降圧回路には、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側に電圧制御用スイッチング素子が、前記出力端に近い側にリアクトルが、それぞれ、挿入され、前記電圧制御用スイッチング素子と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、マイナス側の電路からプラス側の電路へ電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入され、前記コンデンサと前記出力端との間を結ぶ２つの電路の少なくとも一方には逆流防止用のダイオードが挿入されていることを特徴とする双方向コンバータを構成する。

また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項３に記載の双方向コンバータにおいて、前記降圧手段である降圧回路には、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、リアクトルが挿入され、前記入力端と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、マイナス側の電路からプラス側の電路へ電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入され、前記コンデンサと前記出力端との間を結ぶ２つの電路の少なくとも一方には逆流防止用のダイオードが挿入され、前記接続切替用スイッチング素子であって、他のスイッチング素子を介さずに前記降圧回路の入力端に接続するスイッチング素子が、電圧制御用スイッチング素子の役割を兼ねることを特徴とする双方向コンバータを構成する。

また、本発明においては、請求項６に記載のように、
請求項３、４または５に記載の双方向コンバータにおいて、前記制御部は、前記電圧制御用スイッチング素子および接続切替用スイッチング素子へ向けて、動的または静的スイッチング動作のための信号を送出することを特徴とする双方向コンバータを構成する。

また、本発明においては、請求項７に記載のように、
請求項１ないし６のいずれかに記載の双方向コンバータにおいて、前記制御部は、外部信号を受信している場合に、前記切替手段による接続を充電時接続とすることを特徴とする双方向コンバータを構成する。

本発明に係る双方向コンバータによれば、以下のごとき効果を奏することができる。
１つの変換回路が充電器と放電器との両方の機能を持つため、充電器と放電器をそれぞれ搭載する必要がなく、コストとスペースを節約することが可能となる。

本発明に係る双方向コンバータにおいては、例えば、リアクトル、コンデンサ、ダイオード、スイッチング素子により降圧回路を構成し、前記降圧回路の入出力を、切替回路によって、入れ替え可能とする。

以下に、本発明の実施の形態について、蓄電池の充放電器を例として説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

図１は、本発明の実施の形態例を説明する図である。図において、組電池１は、鉛蓄電池セル（定格電圧２．０Ｖ、定格容量２００Ａｈ）を２４セル直列接続して構成した組電池（定格電圧４８Ｖ、定格容量２００Ａｈ）である。負荷２は直流電力により動作する負荷装置であり、直流電源３は負荷２へ直流電力を供給すし、かつ、本発明に係る双方向コンバータ４を介して組電池１を充電する。

通常、直流電源３が直流５４Ｖを出力して直流電源３が負荷２への給電を行うが、直流電源３の出力が停止した場合や出力が不足する場合は、組電池１が出力する電力を、双方向コンバータ４を介して負荷２へ供給する。

組電池１は、充電されると電圧が上昇するが、鉛蓄電池セルの満充電電圧は２．２Ｖであり、組電池１の満充電電圧は５２．８Ｖである。また、組電池１は放電すると電圧が低下するが、放電終止電圧として設定された電圧を下回って放電を継続すると蓄電池が劣化する。この鉛蓄電池セルの放電終止電圧は１．７Ｖであり、組電池１の放電終止電圧は４０．８Ｖである。

本発明に係る双方向コンバータ４は、降圧手段である降圧回路５と、切替手段である切替回路６と、降圧回路５および切替回路６を制御する制御部１３とを構成要素とし、降圧回路５は、あらかじめ定められた電流値以下の電流を出力し、切替回路６は、直流電源３からの直流電力を降圧回路５を介して蓄電池である組電池１へ供給する充電時接続と、組電池１からの直流電力を降圧回路５を介して負荷２へ供給する放電時接続との間の切替を行う。なお、図１に示された制御部１３は切替回路６の制御も行うものとする。

降圧回路５は、電圧制御用スイッチング素子であるスイッチング素子９、リアクトル１０、コンデンサ１１、ダイオード１２、制御部１３により構成される。

制御部１３は、スイッチング素子９へ向けて、電圧制御用のスイッチング動作（動的スイッチング動作）のための信号を送出し、スイッチング素子９は、この信号を受けて動作し、それによって出力電圧が制御される。すなわち、降圧回路５は、制御部１３からスイッチング素子９へのＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号によるスイッチング素子９のスイッチング動作により、入力した電力を降圧して出力する。出力端に直結するダイオード１２は逆流防止用ダイオードである。

ＰＷＭ信号のＯＮ時間の比率はデューティー比と呼ばれ、スイッチング素子９としてエンハンスメント型（ノーマリ・オフ型）の電界効果トランジスタを用いれば、デューティー比を下げる（ＯＦＦ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は低下し、デューティー比を上げる（ＯＮ時間の比率を上げる）ことにより出力電圧は上昇する。ただし、デューティー比は最高でも１００％にしかならず、このときスイッチング素子９は短絡の状態であるため出力電圧は入力電圧からダイオード１２などの回路素子の電圧降下分（１．０Ｖ）だけ低い値となる。つまり、この回路は降圧するのみであるので、出力電圧は入力電圧より必ず低い。

切替回路６は、制御部１３の制御信号によって、降圧回路５の入力、出力を、直流電源３から負荷２への給電線と、組電池１のいずれかへ接続する。組電池１（＋）を降圧回路５の入力（＋）に接続し、直流電源３から負荷２への給電線（＋）を降圧回路５の出力（＋）に接続するとき、組電池１は負荷２へ放電することができるから、これを放電時接続７とする。また、直流電源３から負荷２への給電線（＋）を降圧回路５の入力（＋）に接続し、組電池１（＋）を降圧回路５の出力（＋）に接続するとき、直流電源３から組電池１を充電することができるから、これを充電時接続８とする。降圧回路５のマイナス側では入出力の切替を行っていないのは、降圧回路５内のマイナス側給電線には回路素子がなく、入出力の反転が必要ないからである。つまり、切替回路６において、接続が放電時接続７であるとき双方向コンバータ４は放電モードであり、接続が充電時接続８であるとき双方向コンバータ４は充電モードである。

上記の接続の切替を、さらに詳しく説明すると、図１に示したように、切替回路６内の電流通過点ＣＰ_１、ＣＰ_２、ＣＰ_３、ＣＰ_４間の接続は、放電時接続７であるときＣＰ_１−ＣＰ_２間とＣＰ_３−ＣＰ_４間との接続となり、充電時接続８であるときＣＰ_１−ＣＰ_３間とＣＰ_２−ＣＰ_４間との接続となる。

さらに、切替回路６は、例えば図２に示すように、接続切替用スイッチング素子であるスイッチング素子１４を使って構成することができる。ＣＰ_１−ＣＰ_２間にはスイッチング素子１４ａが挿入され、ＣＰ_３−ＣＰ_４間にはスイッチング素子１４ｂが挿入され、ＣＰ_２−ＣＰ_４間にはスイッチング素子１４ｃが挿入され、ＣＰ_１−ＣＰ_３間にはスイッチング素子１４ｄが挿入されている。

制御部１３は、スイッチング素子１４へ向けて、開閉動作（静的スイッチング動作）のための信号を送出し、スイッチング素子１４は、この信号を受けて開閉動作し、接続の切替が行われる。すなわち、接続を放電時接続７とする場合には、スイッチング素子１４ａ、１４ｂを閉成、１４ｃ、１４ｄを開放とし、充電時接続８とする場合には、スイッチング素子１４ａ、１４ｂを開放、１４ｃ、１４ｄを閉成とすればよい。ここで、スイッチング素子１４の開閉動作は、例えば、スイッチング素子１４をエンハンスメント型（ノーマリ・オフ型）の電界効果トランジスタで構成し、制御部１３がスイッチング素子１４の制御用電極へ信号を生成したり消去したりすることにより行わせることが可能である。

（放電モードの動作）
制御部１３は、直流電源３の出力が停止した場合や出力が不足する場合、直流電源３から負荷２への給電電圧が低下したことを検知して、切替回路６における接続を放電時接続７とする。この放電モードにおいて、組電池１が出力する電力は、双方向コンバータ４を介して負荷２へ供給される。ここで、降圧回路５のスイッチング素子９が短絡のままであると、負荷２が要求する電力によっては放電電流が過剰になる場合があり、放電可能な電流を超えて電池を劣化させる要因となるため、スイッチング素子９をスイッチング動作させることにより電流を制限する。制御部１３は、降圧回路５の出力電流を監視し、出力電流が６０Ａ（Ｉ_１、第１の電流値）を超えるときデューティー比を下げて出力電圧を急激に垂下させ、出力電流が６０Ａ（Ｉ_１、第１の電流値）を下回るときはデューティー比を上げて出力電圧を上昇させる。

降圧回路５の出力電流が６０Ａ（Ｉ_１、第１の電流値）を下回るときは、デューティー比が上昇し、１００％に達した場合にスイッチング素子９は短絡の状態となり、組電池１の電圧から双方向コンバータ４の電圧降下分（１．０Ｖ）を差し引いた電圧が負荷２へ印加される。組電池１の満充電電圧は５２．８Ｖであるから、負荷２への印加電圧は５１．８Ｖ以下である。

このように、切替回路６による接続が放電時接続７である場合、降圧回路５は、あらかじめ定められた第１の電流値Ｉ_１以下の電流を出力する。

降圧回路５の出力電流が６０Ａ（Ｉ_１、第１の電流値）を超えるとき、垂下により出力電圧が急激に低下し、出力電流が６０Ａ以下となることにより組電池１からの過電流出力が防止される。

また、組電池１の電圧が４０．８Ｖ（放電終止電圧）を下回ったとき、スイッチング素子９へのＰＷＭ信号のデューティー比を０として（スイッチング素子９は開放となる）、組電池１の放電を停止させることができる。

本発明に係る双方向コンバータは、自然エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する場合にも、有効に活用される。すなわち、太陽光や風力などの自然エネルギーを電気エネルギーに変換する自立電源においては、変換した電気エネルギーを一旦蓄電池に、１次蓄電量として蓄電し、それを所要の負荷に給電するが、自然エネルギーは、例えば日照変動などによって、１次蓄電量の増減が安定しない。この場合、１次蓄電量もしくは自然エネルギーの変換量を計測して、その計測信号に応じて本発明の双方向コンバータを放電モードにし、双方向コンバータを介して蓄電池から負荷の所要電力を（２次電力として）補填するよう構成することも可能である。

（充電モードの動作）
制御部１３は、外部から外部信号を受けることにより、切替回路６における接続を充電時接続８とし、充電モードとする。この充電モードにおいて、組電池１は、直流電源３が出力する電力により双方向コンバータ４を介して充電される。ここで、降圧回路５のスイッチング素子９が短絡のままであると、充電電流が過剰になり電池を劣化させる要因となるため、スイッチング素子９をスイッチング動作させることにより電流を制限する。制御部１３は、降圧回路５の出力電流を監視し、出力電流が２０Ａ（Ｉ_２、第２の電流値）を超えるときデューティー比を下げて出力電圧を急激に垂下させ、出力電流が２０Ａ（Ｉ_２、第２の電流値）を下回るときはデューティー比を上げて出力電圧を上昇させるため、組電池１の電圧が低いとき（充電の初期）、出力電流は２０Ａ（Ｉ_２、第２の電流値）に維持される。

このように、充電電流が２０Ａ（Ｉ_２、第２の電流値）に維持されながら組電池１は充電されるが、組電池１の電圧は充電に伴って上昇するため、満充電電圧（５２．８Ｖ）に達したとき充電モードを終了する。また、外部信号がリセットされた場合も充電モードを終了する。

このように、切替回路６による接続が充電時接続８である場合、降圧回路５は、あらかじめ定められた第２の電流値Ｉ_２以下の電流を出力する。

なお、充電モードを開始する信号を制御部１３へ送信する条件としては、直流電源３が正常に直流電力を出力していることを前提に、例えば組電池１の電圧が設定値以下となった場合や前回の充電から設定した日数が経過している場合とすればよい。充電モードとする外部信号をリセットする条件としては、例えば組電池１の電圧が一定値に達した場合、一定時間が経過した場合、組電池１の温度が上昇した場合とすればよい。

以上のように、双方向コンバータ４内の降圧回路５の入出力を入れ替えることにより、組電池１の充電と放電を共通の回路で行うことができ、充電器と放電器をそれぞれ備える必要がなく、コストと設置スペースを節約することができる。

本実施の形態例においては、降圧回路５を、図１に示すスイッチング素子、リアクトル、コンデンサ、ダイオードにより構成される回路としたが、降圧機能と出力電流を一定に保つ機能を有する回路であれば別の回路であってもよい。

また、本実施の形態例においては、切替回路６を、スイッチング素子１４により構成しているが、放電モードのときは放電時接続７、充電モードのときは充電時接続８とできれば、必ずしもスイッチング素子を用いる必要はない。別の方法としては、例えば継電器（リレー）を用いる方法がある。

さらに、本実施の形態例においては、降圧回路５と切替回路６がそれぞれスイッチング素子９、１４を持つが、切替回路６のスイッチング素子１４の一部が降圧回路５のスイッチング素子９の機能を兼ねることによりスイッチング素子９を省略することが可能である。すなわち、図３に示すように、降圧回路５内のスイッチング素子９を省略し、その代わりに、電圧制御用のスイッチング動作（動的スイッチング動作）を、放電モードにあってはスイッチング素子１４ａが、充電モードにあってはスイッチング素子１４ｃが行うようにすればよい。ここで、スイッチング素子１４ｂは放電モードで閉成、充電モードで開放であり、スイッチング素子１４ｄは放電モードで開放、充電モードで閉成である。ここで、電圧制御用のスイッチング動作を行うスイッチング素子１４ａ、１４ｃは、他のスイッチング素子を介さずに降圧回路５の入力端に接続するスイッチング素子である。

さらに、本実施の形態例においては、降圧回路５内の回路素子はプラス側（＋）に接続されているため、切替回路６もプラス側でのみ構成しているが、降圧回路５内の回路素子をマイナス側（−）に接続し、切替回路６もマイナス側でのみ構成する方法も可能である。

以下に、本発明によって生じる効果について説明する。

蓄電池の充放電を行うシステムでは、充電時の過剰な充電電流を防止するための充電器が必要であり、放電時の過剰な放電電流の防止と放電停止機能のための放電器が必要であるため、充電器と放電器とを両方搭載することによるコストと設置スペースの増加という問題がある。

本発明により、１つの変換回路が充電器と放電器との両方の機能を持つため、充電器と放電器をそれぞれ搭載する必要がなく、コストとスペースを節約することが可能となる。

本発明の実施の形態例を説明する図である。本発明の実施の形態例を説明する図である。本発明の実施の形態例を説明する図である。充電器と放電器とを両方搭載する直流バックアップ電源システムの構成図である。

符号の説明

１：組電池、２：負荷、３：直流電源、４：双方向コンバータ、５：降圧回路、６：切替回路、７：放電時接続、８：充電時接続、９：スイッチング素子、１０：リアクトル、１１：コンデンサ、１２：ダイオード、１３：制御部、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ：スイッチング素子、１５：商用電源、１６：整流器、１７：充電器、１８：放電器、ＣＰ_１、ＣＰ_２、ＣＰ_３、ＣＰ_４：電流通過点。

Claims

入力される直流電力を降圧して出力する降圧手段と、切替手段と、前記降圧手段および切替手段を制御する制御部とを有する双方向コンバータであって、
前記降圧手段は、あらかじめ定められた電流値以下の電流を出力し、
前記切替手段は、直流電源から入力される直流電力を前記降圧手段を介して蓄電池へ供給する充電時接続と、前記蓄電池から入力される直流電力を前記降圧手段を介して負荷へ供給する放電時接続との間の切替を行うことを特徴とする双方向コンバータ。
請求項１に記載の双方向コンバータにおいて、
前記切替手段による接続が前記放電時接続である場合、前記降圧手段は、あらかじめ定められた第１の電流値以下の電流を出力し、
前記切替手段による接続が前記充電時接続である場合、前記降圧手段は、あらかじめ定められた第２の電流値以下の電流を出力することを特徴とする双方向コンバータ。
請求項１または２に記載の双方向コンバータにおいて、
前記切替手段である切替回路は、接続の切替を、接続切替用スイッチング素子により行うことを特徴とする双方向コンバータ。
請求項１ないし３のいずれかに記載の双方向コンバータにおいて、
前記降圧手段である降圧回路には、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、前記入力端に近い側に電圧制御用スイッチング素子が、前記出力端に近い側にリアクトルが、それぞれ、挿入され、前記電圧制御用スイッチング素子と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、マイナス側の電路からプラス側の電路へ電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入され、前記コンデンサと前記出力端との間を結ぶ２つの電路の少なくとも一方には逆流防止用のダイオードが挿入されていることを特徴とする双方向コンバータ。
請求項３に記載の双方向コンバータにおいて、
前記降圧手段である降圧回路には、入力端と出力端との間を結ぶプラス側の電路とマイナス側の電路とが設けられ、該２つの電路の一方の電路には、リアクトルが挿入され、前記入力端と前記リアクトルとの間の電路と他方の電路との間には、マイナス側の電路からプラス側の電路へ電流を流す向きのダイオードが挿入され、前記リアクトルと前記出力端との間の電路と前記他方の電路との間にはコンデンサが挿入され、前記コンデンサと前記出力端との間を結ぶ２つの電路の少なくとも一方には逆流防止用のダイオードが挿入され、
前記接続切替用スイッチング素子であって、他のスイッチング素子を介さずに前記降圧回路の入力端に接続するスイッチング素子が、電圧制御用スイッチング素子の役割を兼ねることを特徴とする双方向コンバータ。
請求項３、４または５に記載の双方向コンバータにおいて、
前記制御部は、前記電圧制御用スイッチング素子および接続切替用スイッチング素子へ向けて、動的または静的スイッチング動作のための信号を送出することを特徴とする双方向コンバータ。
請求項１ないし６のいずれかに記載の双方向コンバータにおいて、
前記制御部は、外部信号を受信している場合に、前記切替手段による接続を充電時接続とすることを特徴とする双方向コンバータ。