JP2015202002A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2015202002A
JP2015202002A JP2014080487A JP2014080487A JP2015202002A JP 2015202002 A JP2015202002 A JP 2015202002A JP 2014080487 A JP2014080487 A JP 2014080487A JP 2014080487 A JP2014080487 A JP 2014080487A JP 2015202002 A JP2015202002 A JP 2015202002A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
input
power
secondary side
circuit
primary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014080487A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6036741B2 (ja
Inventor
長下 賢一郎
Kenichiro Nagashita
賢一郎 長下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2014080487A priority Critical patent/JP6036741B2/ja
Priority to US14/677,362 priority patent/US9744856B2/en
Publication of JP2015202002A publication Critical patent/JP2015202002A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6036741B2 publication Critical patent/JP6036741B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/10Arrangements incorporating converting means for enabling loads to be operated at will from different kinds of power supplies, e.g. from ac or dc
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003Details of control, feedback or regulation circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584Bidirectional converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/337Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
    • H02M3/3376Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M3/3378Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration with automatic control of output voltage or current in a push-pull configuration of the parallel type
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72Electric energy management in electromobility
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12Electric charging stations
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

【課題】安価な電力変換装置を提供すること。【解決手段】車両に搭載される補機へと電力を供給する電力変換装置であって、1次側ポートを備える1次側回路と、複数の2次側ポートを備え、前記1次側回路と変圧器で磁気結合する2次側回路と、前記1次側回路のスイッチングと前記2次側回路のスイッチングとの位相差を変更することによって、前記1次側回路と前記2次側回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部と、第1の2次側ポートと接続され、前記1次側ポートを介して前記補機へと電力を供給するインバータと、第2の2次側ポートと接続され、前記1次側ポートを介して前記補機へと電力を供給する充電器と、を有する、電力変換装置。【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
従来、複数の1次側ポートを含む1次側変換回路と、複数の2次側ポートを含み、1次側変換回路と変圧器で磁気結合する2次側変換回路との間で伝送される伝送電力を、位相差φに応じて調整する電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
又、インバータに接続されるDCDCコンバータと、交流入力充電器に内蔵されるDCDCコンバータとを有し、適宜、補機へと電力を供給するPHV(プラグインハイブリッドカー)が知られている。
特開2011−193713号公報
しかしながら、電力供給源と接続されるDCDCコンバータの個数が多い程、コストがかかる。
そこで、安価な電力変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、一態様によれば、
車両に搭載される補機へと電力を供給する電力変換装置であって、
1次側ポートを備える1次側回路と、
複数の2次側ポートを備え、前記1次側回路と変圧器で磁気結合する2次側回路と、
前記1次側回路のスイッチングと前記2次側回路のスイッチングとの位相差を変更することによって、前記1次側回路と前記2次側回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部と、
第1の2次側ポートと接続され、前記1次側ポートを介して前記補機へと電力を供給するインバータと、
第2の2次側ポートと接続され、前記1次側ポートを介して前記補機へと電力を供給する充電器と、を有する、電力変換装置が提供される。
一態様によれば、安価な電力変換装置を提供することができる。
電力変換装置の実施形態である電源装置の構成例を示したブロック図 制御部の構成例を示したブロック図 1次側回路及び2次側回路のスイッチング例を示したタイミングチャート 制御部の構成例を示したブロック図 電力変換装置の実施形態である電源装置の構成例を示したブロック図 電力変換装置の実施形態である電源装置の構成例を示したブロック図 電力変換装置の実施形態である電源装置の構成例を示したブロック図 従来の電源装置の構成例を示したブロック図 従来の電源装置の構成例を示したブロック図
<電源装置101の構成>
図1は、電力変換装置の実施形態である電源装置101の構成例を示したブロック図である。電源装置101は、例えば、電源回路10と、制御部50と、センサ部70とを備えた電源システムである。電源装置101は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車載の各負荷に配電するシステムである。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車などが挙げられる。
電源装置101は、例えば、1次側高電圧系負荷(例えば、電動パワーステアリング装置(EPS)、等)61aが接続される第1入出力ポート60aと、1次側低電圧系負荷(例えば、電子制御装置(ECU)、電子制御ブレーキシステム(ECB)、等)61c及び1次側低電圧系電源62c(例えば、補機バッテリ)が接続される第2入出力ポート60cとを、1次側ポートとして有している。1次側低電圧系電源62cは、1次側低電圧系電源62cと同じ電圧系(例えば、12V系)で動作する1次側低電圧系負荷61cに電力を供給する。また、1次側低電圧系電源62cは、1次側低電圧系電源62cと異なる電圧系(例えば、12V系よりも高い48V系)で動作する1次側高電圧系負荷61aに、電源回路10に構成される1次側変換回路20によって昇圧された電力を供給する。1次側低電圧系電源62cの具体例として、鉛バッテリ等の二次電池が挙げられる。
電源装置101は、例えば、インバータ80、2次側高電圧系負荷61b及び2次側高電圧系電源62b(例えば、主機バッテリ、電池パック、等)が接続される第3入出力ポート60bと、充電器90及び2次側低電圧系負荷61dが接続される第4入出力ポート60dとを、2次側ポートとして有している。2次側高電圧系電源62bは、2次側高電圧系電源62bと同じ電圧系(例えば、12V系及び48V系よりも高い288V系)で動作する2次側高電圧系負荷61bに電力を供給する。また、2次側高電圧系電源62bは、2次側高電圧系電源62bと異なる電圧系(例えば、288V系よりも低い72V系)で動作する2次側低電圧系負荷61dに、電源回路10に構成される2次側変換回路30によって降圧された電力を供給する。2次側高電圧系電源62bの具体例として、リチウムイオン電池等の二次電池が挙げられる。
電源回路10は、上述の4つの入出力ポートを有し、それらの4つの入出力ポートのうちから任意の2つの入出力ポートが選択され、当該2つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する電力変換回路である。なお、電源回路10を備えた電源装置101は、少なくとも3つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも3つ以上の複数の入出力ポートのうちどの2つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な装置でもよい。例えば、電源回路10は、第4入出力ポート60dが無い3つの入出力ポートを有する回路でもよい。
ポート電力Pa,Pc,Pb,Pdは、それぞれ、第1入出力ポート60a,第2入出力ポート60c,第3入出力ポート60b,第4入出力ポート60dにおける入出力電力(入力電力又は出力電力)である。ポート電圧Va,Vc,Vb,Vdは、それぞれ、第1入出力ポート60a,第2入出力ポート60c,第3入出力ポート60b,第4入出力ポート60dにおける入出力電圧(入力電圧又は出力電圧)である。ポート電流Ia,Ic,Ib,Idは、それぞれ、第1入出力ポート60a,第2入出力ポート60c,第3入出力ポート60b,第4入出力ポート60dにおける入出力電流(入力電流又は出力電流)である。
電源回路10は、第1入出力ポート60aに設けられるキャパシタC1と、第2入出力ポート60cに設けられるキャパシタC3と、第3入出力ポート60bに設けられるキャパシタC2と、第4入出力ポート60dに設けられるキャパシタC4とを備えている。キャパシタC1,C2,C3,C4の具体例として、フィルムコンデンサ、アルミニウム電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、固体高分子コンデンサなどが挙げられる。
キャパシタC1は、第1入出力ポート60aの高電位側の端子613と、第1入出力ポート60a及び第2入出力ポート60cの低電位側の端子614との間に挿入される。キャパシタC3は、第2入出力ポート60cの高電位側の端子616と、第1入出力ポート60a及び第2入出力ポート60cの低電位側の端子614との間に挿入される。キャパシタC2は、第3入出力ポート60bの高電位側の端子618と、第3入出力ポート60b及び第4入出力ポート60dの低電位側の端子620との間に挿入される。キャパシタC4は、第4入出力ポート60dの高電位側の端子622と、第3入出力ポート60b及び第4入出力ポート60dの低電位側の端子620との間に挿入される。
キャパシタC1,C2,C3,C4は、電源回路10の内部に設けられてもよいし、電源回路10の外部に設けられてもよい。
電源回路10は、1次側変換回路20と、2次側変換回路30とを含んで構成された電力変換回路である。なお、1次側変換回路20と2次側変換回路30とは、1次側磁気結合リアクトル204及び2次側磁気結合リアクトル304を介して接続され、且つ、変圧器400(センタータップ式変圧器)で磁気結合されている。第1入出力ポート60a及び第2入出力ポート60cから構成される1次側ポートと、第3入出力ポート60b及び第4入出力ポート60dから構成される2次側ポートとは、変圧器400を介して接続されている。
1次側変換回路20は、1次側フルブリッジ回路200と、第1入出力ポート60aと、第2入出力ポート60cとを含んで構成された1次側回路である。1次側フルブリッジ回路200は、変圧器400の1次側コイル202と、1次側磁気結合リアクトル204と、1次側第1上アームU1と、1次側第1下アーム/U1と、1次側第2上アームV1と、1次側第2下アーム/V1とを含んで構成された1次側電力変換部である。ここで、1次側第1上アームU1と、1次側第1下アーム/U1と、1次側第2上アームV1と、1次側第2下アーム/V1は、それぞれ、例えば、Nチャネル型のMOSFETと、当該MOSFETの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該MOSFETに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
1次側フルブリッジ回路200は、第1入出力ポート60aの高電位側の端子613に接続される1次側正極母線298と、第1入出力ポート60a及び第2入出力ポート60cの低電位側の端子614に接続される1次側負極母線299とを有している。
1次側正極母線298と1次側負極母線299との間には、1次側第1上アームU1と、1次側第1下アーム/U1とを直列接続した1次側第1アーム回路207が取り付けられている。1次側第1アーム回路207は、1次側第1上アームU1及び1次側第1下アーム/U1のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な1次側第1電力変換回路部(1次側U相電力変換回路部)である。さらに、1次側正極母線298と1次側負極母線299との間には、1次側第2上アームV1と、1次側第2下アーム/V1とを直列接続した1次側第2アーム回路211が1次側第1アーム回路207と並列に取り付けられている。1次側第2アーム回路211は、1次側第2上アームV1及び1次側第2下アーム/V1のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な1次側第2電力変換回路部(1次側V相電力変換回路部)である。
1次側第1アーム回路207の中点207mと1次側第2アーム回路211の中点211mを接続するブリッジ部分には、1次側コイル202と1次側磁気結合リアクトル204とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、1次側第1アーム回路207の中点207mには、1次側磁気結合リアクトル204の1次側第1リアクトル204aの一方端が接続される。そして、1次側第1リアクトル204aの他方端には、1次側コイル202の一方端が接続される。さらに、1次側コイル202の他方端には、1次側磁気結合リアクトル204の1次側第2リアクトル204bの一方端が接続される。それから、1次側第2リアクトル204bの他方端が1次側第2アーム回路211の中点211mに接続される。なお、1次側磁気結合リアクトル204は、1次側第1リアクトル204aと、1次側第1リアクトル204aと結合係数k1で磁気結合する1次側第2リアクトル204bとを含んで構成される。
中点207mは、1次側第1上アームU1と1次側第1下アーム/U1との間の1次側第1中間ノードであり、中点211mは、1次側第2上アームV1と1次側第2下アーム/V1との間の1次側第2中間ノードである。
第1入出力ポート60aは、1次側正極母線298と1次側負極母線299との間に設けられるポートである。第1入出力ポート60aは、端子613と端子614とを含んで構成される。第2入出力ポート60cは、1次側負極母線299と1次側コイル202のセンタータップ202mとの間に設けられるポートである。第2入出力ポート60cは、端子614と端子616とを含んで構成される。
第1入出力ポート60aのポート電圧Va及び第2入出力ポート60cのポート電圧Vcは、1次側低電圧系電源62cの電圧に依存して変動する。
センタータップ202mは、第2入出力ポート60cの高電位側の端子616に接続されている。センタータップ202mは、1次側コイル202に構成される1次側第1巻線202aと1次側第2巻線202bとの中間接続点である。
2次側変換回路30は、2次側フルブリッジ回路300と、第3入出力ポート60bと、第4入出力ポート60dとを含んで構成された2次側回路である。2次側フルブリッジ回路300は、変圧器400の2次側コイル302と、2次側磁気結合リアクトル304と、2次側第1上アームU2と、2次側第1下アーム/U2と、2次側第2上アームV2と、2次側第2下アーム/V2とを含んで構成された2次側電力変換部である。ここで、2次側第1上アームU2と、2次側第1下アーム/U2と、2次側第2上アームV2と、2次側第2下アーム/V2は、それぞれ、例えば、Nチャネル型のMOSFETと、当該MOSFETの寄生素子であるボディダイオードとを含んで構成されたスイッチング素子である。当該MOSFETに並列にダイオードが追加接続されてもよい。
2次側フルブリッジ回路300は、第3入出力ポート60bの高電位側の端子618に接続される2次側正極母線398と、第3入出力ポート60b及び第4入出力ポート60dの低電位側の端子620に接続される2次側負極母線399とを有している。
2次側正極母線398と2次側負極母線399との間には、2次側第1上アームU2と、2次側第1下アーム/U2とを直列接続した2次側第1アーム回路307が取り付けられている。2次側第1アーム回路307は、2次側第1上アームU2及び2次側第1下アーム/U2のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な2次側第1電力変換回路部(2次側U相電力変換回路部)である。さらに、2次側正極母線398と2次側負極母線399との間には、2次側第2上アームV2と、2次側第2下アーム/V2とを直列接続した2次側第2アーム回路311が2次側第1アーム回路307と並列に取り付けられている。2次側第2アーム回路311は、2次側第2上アームV2及び2次側第2下アーム/V2のオンオフのスイッチング動作による電力変換動作が可能な2次側第2電力変換回路部(2次側V相電力変換回路部)である。
2次側第1アーム回路307の中点307mと2次側第2アーム回路311の中点311mを接続するブリッジ部分には、2次側コイル302と2次側磁気結合リアクトル304とが設けられている。ブリッジ部分についてより詳細に接続関係について説明すると、2次側第1アーム回路307の中点307mには、2次側磁気結合リアクトル304の2次側第1リアクトル304aの一方端が接続される。そして、2次側第1リアクトル304aの他方端には、2次側コイル302の一方端が接続される。さらに、2次側コイル302の他方端には、2次側磁気結合リアクトル304の2次側第2リアクトル304bの一方端が接続される。それから、2次側第2リアクトル304bの他方端が2次側第2アーム回路311の中点311mに接続される。なお、2次側磁気結合リアクトル304は、2次側第1リアクトル304aと、2次側第1リアクトル304aと結合係数k2で磁気結合する2次側第2リアクトル304bとを含んで構成される。
中点307mは、2次側第1上アームU2と2次側第1下アーム/U2との間の2次側第1中間ノードであり、中点311mは、2次側第2上アームV2と2次側第2下アーム/V2との間の2次側第2中間ノードである。
第3入出力ポート60bは、2次側正極母線398と2次側負極母線399との間に設けられるポートである。第3入出力ポート60bは、端子618と端子620とを含んで構成される。第4入出力ポート60dは、2次側負極母線399と2次側コイル302のセンタータップ302mとの間に設けられるポートである。第4入出力ポート60dは、端子620と端子622とを含んで構成される。
第3入出力ポート60bのポート電圧Vb及び第4入出力ポート60dのポート電圧Vdは、2次側低電圧系電源62bの電圧に依存して変動する。
センタータップ302mは、第4入出力ポート60dの高電位側の端子622に接続されている。センタータップ302mは、2次側コイル302に構成される2次側第1巻線302aと2次側第2巻線302bとの中間接続点である。
図1において、電源装置101は、センサ部70を備えている。センサ部70は、第1乃至第4入出力ポート60a,60c,60b,60dの少なくとも一つのポートにおける入出力値Yを所定の検出周期で検出し、その検出した入出力値Yに対応する検出値Ydを制御部50に対して出力する検出手段である。検出値Ydは、入出力電圧を検出して得られた検出電圧でもよいし、入出力電流を検出して得られた検出電流でもよいし、入出力電力を検出して得られた検出電力でもよい。センサ部70は、電源回路10の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
センサ部70は、例えば、第1乃至第4入出力ポート60a,60c,60b,60dの少なくとも一つのポートに生ずる入出力電圧を検出する電圧検出部を有している。センサ部70は、例えば、入出力電圧Vaと入出力電圧Vcの少なくとも一方の検出電圧を1次側電圧検出値として出力する1次側電圧検出部と、入出力電圧Vbと入出力電圧Vdの少なくとも一方の検出電圧を2次側電圧検出値として出力する2次側電圧検出部とを有している。
センサ部70の電圧検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電圧値をモニタする電圧センサと、該電圧センサによってモニタされた入出力電圧値に対応する検出電圧を制御部50に対して出力する電圧検出回路とを有している。
センサ部70は、例えば、第1乃至第4入出力ポート60a,60c,60b,60dの少なくとも一つのポートに流れる入出力電流を検出する電流検出部を有している。センサ部70は、例えば、入出力電流Iaと入出力電流Icの少なくとも一方の検出電流を1次側電流検出値として出力する1次側電流検出部と、入出力電流Ibと入出力電流Idの少なくとも一方の検出電流を2次側電流検出値として出力する2次側電流検出部とを有している。
センサ部70の電流検出部は、例えば、少なくとも一つのポートの入出力電流値をモニタする電流センサと、該電流センサによってモニタされた入出力電流値に対応する検出電流を制御部50に対して出力する電流検出回路とを有している。
電源装置101は、制御部50を備えている。制御部50は、例えば、CPUを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。制御部50は、電源回路10の内部に備えられても外部に備えられてもよい。
制御部50は、所定の制御パラメータXの値を変化させることによって、電源回路10で行われる電力変換動作をフィードバック制御し、電源回路10の第1乃至第4の各入出力ポート60a,60c,60b,60dにおける入出力値Yを調整できる。主な制御パラメータXとして、位相差φ及びデューティ比D(オン時間δ)の2種類の制御変数が挙げられる。
位相差φは、1次側フルブリッジ回路200と2次側フルブリッジ回路300との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ(タイムラグ)である。デューティ比D(オン時間δ)は、1次側フルブリッジ回路200及び2次側フルブリッジ回路300に構成される各電力変換回路部でのスイッチング波形のデューティ比(オン時間)である。
これらの2つの制御パラメータXは、互いに独立に制御されることが可能である。制御部50は、位相差φ及びデューティ比D(オン時間δ)を用いた1次側フルブリッジ回路200及び2次側フルブリッジ回路300のデューティ比制御及び/又は位相制御によって、電源回路10の各入出力ポートにおける入出力値Yを変化させる。
制御部50は、第1乃至第4入出力ポート60a,60c,60b,60dの少なくとも一つのポートにおける入出力値Yの検出値Ydが、該ポートに設定された目標値Yoに収束する値に、位相差φ又はデューティ比Dが変化するように、電源回路10による電力変換動作をフィードバック制御する。目標値Yoは、例えば、各入出力ポートに接続される負荷(例えば、1次側低電圧系負荷61c等)毎に規定される駆動条件に基づいて、制御部50又は制御部50以外の所定の装置によって設定される指令値である。目標値Yoは、電力がポートから出力されるときには出力目標値として機能し、電力がポートに入力されるときには入力目標値として機能し、目標電圧値でもよいし、目標電流値でもよいし、目標電力値でもよい。
また、制御部50は、1次側変換回路20と2次側変換回路30との間で変圧器400を介して伝送される伝送電力Pが、設定された目標伝送電力に収束する値に、位相差φが変化するように、電源回路10による電力変換動作をフィードバック制御する。伝送電力は、電力伝送量とも呼ばれる。目標伝送電力は、例えば、いずれかのポートにおける検出値Ydと目標値Yoとの偏差に基づいて、制御部50又は制御部50以外の所定の装置によって設定される指令値である。
図1において、電源装置101は、インバータ80と、充電器90とを備えている。
インバータ80は、例えば、第3入出力ポート60bと接続され、電源回路10、第2入出力ポート60cを介して、補機へと電力を供給する。インバータ80を備えることにより、電源装置101は、2次側高電圧系電源62bを使用できない場合(例えば、故障等)であっても、補機へと電力を供給することが可能になる。
充電器90は、例えば、第4入出力ポート60dと接続され、電源回路10、第2入出力ポート60cを介して、補機へと電力を供給する。充電器90を備えることにより、電源装置101は、2次側高電圧系電源62b及びインバータ80を使用できない場合であっても、補機へと電力を供給することが可能になる。
図2は、制御部50のブロック図である。制御部50は、1次側変換回路20の1次側第1上アームU1等の各スイッチング素子と2次側変換回路30の2次側第1上アームU2等の各スイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する制御部である。制御部50は、電力変換モード決定処理部502と、位相差φ決定処理部504と、オン時間δ決定処理部506と、1次側スイッチング処理部508と、2次側スイッチング処理部510等を含んで構成される。制御部50は、例えば、CPUを内蔵するマイクロコンピュータを備えた電子回路である。
電力変換モード決定処理部502は、例えば、所定の外部信号(例えば、いずれかのポートにおける検出値Ydと目標値Yoとの偏差を表す信号)に基づいて、次に述べる電源回路10の電力変換モードA〜Lの中から動作モードを選択して決定する。電力変換モードは、第1入出力ポート60aから入力された電力を変換して第2入出力ポート60cへ出力するモードAと、第1入出力ポート60aから入力された電力を変換して第3入出力ポート60bへ出力するモードBと、第1入出力ポート60aから入力された電力を変換して第4入出力ポート60dへ出力するモードCがある。
そして、第2入出力ポート60cから入力された電力を変換して第1入出力ポート60aへ出力するモードDと、第2入出力ポート60cから入力された電力を変換して第3入出力ポート60bへ出力するモードEと、第2入出力ポート60cから入力された電力を変換して第4入出力ポート60dへ出力するモードFがある。
さらに、第3入出力ポート60bから入力された電力を変換して第1入出力ポート60aへ出力するモードGと、第3入出力ポート60bから入力された電力を変換して第2入出力ポート60cへ出力するモードHと、第3入出力ポート60bから入力された電力を変換して第4入出力ポート60dへ出力するモードIがある。
それから、第4入出力ポート60dから入力された電力を変換して第1入出力ポート60aへ出力するモードJと、第4入出力ポート60dから入力された電力を変換して第2入出力ポート60cへ出力するモードKと、第4入出力ポート60dから入力された電力を変換して第3入出力ポート60bへ出力するモードLがある。
位相差φ決定処理部504は、電源回路10をDC−DCコンバータ回路として機能させるために、1次側変換回路20と2次側変換回路30との間でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを設定する機能を有する。
オン時間δ決定処理部506は、1次側変換回路20と2次側変換回路30をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、1次側変換回路20と2次側変換回路30のスイッチング素子のオン時間δを設定する機能を有する。
1次側スイッチング処理部508は、電力変換モード決定処理部502と位相差φ決定処理部504とオン時間δ決定処理部506の出力に基づいて、1次側第1上アームU1と、1次側第1下アーム/U1と、1次側第2上アームV1と、1次側第2下アーム/V1の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
2次側スイッチング処理部510は、電力変換モード決定処理部502と位相差φ決定処理部504とオン時間δ決定処理部506の出力に基づいて、2次側第1上アームU2と、2次側第1下アーム/U2と、2次側第2上アームV2と、2次側第2下アーム/V2の各スイッチング素子をスイッチング制御する機能を有する。
制御部50は、図2に示す処理に限定されず、1次側変換回路20と2次側変換回路30との間で伝送される伝送電力を制御するために必要とされる様々な処理を行うことが可能である。
<電源装置101の動作>
上記電源装置101の動作について、図1及び図2を用いて説明する。例えば、電源回路10の電力変換モードをモードFとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合には、制御部50の電力変換モード決定処理部502は、電源回路10の電力変換モードをモードFとして決定する。このとき、第2入出力ポート60cに入力された電圧が1次側変換回路20の昇圧機能によって昇圧され、その昇圧された電圧の電力が電源回路10のDC−DCコンバータ回路としての機能によって第3入出力ポート60b側へと伝送され、さらに、2次側変換回路30の降圧機能によって降圧されて第4入出力ポート60dから出力される。
ここで、1次側変換回路20の昇降圧機能について詳細に説明する。第2入出力ポート60cと第1入出力ポート60aについて着目すると、第2入出力ポート60cの端子616は、1次側第1巻線202aと、1次側第1巻線202aに直列接続される1次側第1リアクトル204aを介して、1次側第1アーム回路207の中点207mに接続される。そして、1次側第1アーム回路207の両端は、第1入出力ポート60aに接続されているため、第2入出力ポート60cの端子616と第1入出力ポート60aとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
さらに、第2入出力ポート60cの端子616は、1次側第2巻線202bと、1次側第2巻線202bに直列接続される1次側第2リアクトル204bを介して、1次側第2アーム回路211の中点211mに接続される。そして、1次側第2アーム回路211の両端は、第1入出力ポート60aに接続されているため、第2入出力ポート60cの端子616と第1入出力ポート60aとの間には、昇降圧回路が並列に取り付けられていることとなる。なお、2次側変換回路30は、1次側変換回路20とほぼ同様の構成を有する回路であるため、第4入出力ポート60dの端子622と第3入出力ポート60bとの間には、2つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。したがって、2次側変換回路30は、1次側変換回路20と同様に昇降圧機能を有する。
次に、電源回路10のDC−DCコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。第1入出力ポート60aと第3入出力ポート60bについて着目すると、第1入出力ポート60aには、1次側フルブリッジ回路200が接続され、第3入出力ポート60bは、2次側フルブリッジ回路300が接続されている。そして、1次側フルブリッジ回路200のブリッジ部分に設けられる1次側コイル202と、2次側フルブリッジ回路300のブリッジ部分に設けられる2次側コイル302とが結合係数kTで磁気結合することで、変圧器400が巻き数1:Nのセンタータップ式変圧器として機能する。したがって、1次側フルブリッジ回路200と2次側フルブリッジ回路300でのスイッチング素子のスイッチング周期運動の位相差φを調整することで、第1入出力ポート60aに入力された電力を変換して第3入出力ポート60bに伝送させ、あるいは、第3入出力ポート60bに入力された電力を変換して第1入出力ポート60aに伝送させることができる。
図3は、制御部50の制御によって、電源回路10に構成される各アームのオンオフのスイッチング波形のタイミングチャートを示す図である。図3において、U1は、1次側第1上アームU1のオンオフ波形であり、V1は、1次側第2上アームV1のオンオフ波形であり、U2は、2次側第1上アームU2のオンオフ波形であり、V2は、2次側第2上アームV2のオンオフ波形である。1次側第1下アーム/U1、1次側第2下アーム/V1、2次側第1下アーム/U2、2次側第2下アーム/V2のオンオフ波形は、それぞれ、1次側第1上アームU1、1次側第2上アームV1、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2のオンオフ波形を反転した波形である(図示省略)。なお、上下アームの両オンオフ波形間には、上下アームの両方がオンすることで貫通電流が流れないようにデッドタイムが設けられているとよい。また、図3において、ハイレベルがオン状態を表し、ローレベルがオフ状態を表している。
ここで、U1とV1とU2とV2の各オン時間δを変更することで、1次側変換回路20と2次側変換回路30の昇降圧比を変更することができる。例えば、U1とV1とU2とV2の各オン時間δを互いに等しくすることで、1次側変換回路20の昇降圧比と2次側変換回路30の昇降圧比を等しくできる。
オン時間δ決定処理部506は、1次側変換回路20と2次側変換回路30の昇降圧比が互いに等しくなるように、U1とV1とU2とV2の各オン時間δを互いに等しくする(各オン時間δ=1次側オン時間δ11=2次側オン時間δ12=時間値β)。
1次側変換回路20の昇降圧比は、1次側フルブリッジ回路200に構成されるスイッチング素子(アーム)のスイッチング周期Tに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Dによって決まる。同様に、2次側変換回路30の昇降圧比は、2次側フルブリッジ回路300に構成されるスイッチング素子(アーム)のスイッチング周期Tに占めるオン時間δの割合であるデューティ比Dによって決まる。1次側変換回路20の昇降圧比は、第1入出力ポート60aと第2入出力ポート60cとの間の変圧比であり、2次側変換回路30の昇降圧比は、第3入出力ポート60bと第4入出力ポート60dとの間の変圧比である。
したがって、例えば、
1次側変換回路20の昇降圧比
=第2入出力ポート60cの電圧/第1入出力ポート60aの電圧
=δ11/T=β/T
2次側変換回路30の昇降圧比
=第4入出力ポート60dの電圧/第3入出力ポート60bの電圧
=δ12/T=β/T
と表される。つまり、1次側変換回路20と2次側変換回路30の昇降圧比は互いに同じ値(=β/T)である。
なお、図3のオン時間δは、1次側第1上アームU1及び1次側第2上アームV1のオン時間δ11を表すとともに、2次側第1上アームU2及び2次側第2上アームV2のオン時間δ12を表す。また、1次側フルブリッジ回路200に構成されるアームのスイッチング周期Tと2次側フルブリッジ回路300に構成されるアームのスイッチング周期Tは等しい時間である。
また、U1とV1との位相差は、180度(π)で動作させ、U2とV2との位相差も180度(π)で動作させる。さらに、U1とU2の位相差φを変更することで、1次側変換回路20と2次側変換回路30の間の電力伝送量Pを調整することができ、位相差φ>0であれば、1次側変換回路20から2次側変換回路30に伝送し、位相差φ<0であれば、2次側変換回路30から1次側変換回路20に伝送することができる。
位相差φは、1次側フルブリッジ回路200と2次側フルブリッジ回路300との間で同じ相の電力変換回路部間でのスイッチングタイミングのずれ(タイムラグ)である。例えば、位相差φは、1次側第1アーム回路207と2次側第1アーム回路307との間でのスイッチングタイミングのずれであり、1次側第2アーム回路211と2次側第2アーム回路311との間でのスイッチングタイミングのずれである。それらのずれは互いに等しいまま制御される。つまり、U1とU2の位相差φ及びV1とV2の位相差φは、同じ値に制御される。
したがって、例えば、電源回路10の電力変換モードをモードFとして動作させることを要求する外部信号が入力されてきた場合に、電力変換モード決定処理部502はモードFを選択することを決定する。そして、オン時間δ決定処理部506は、1次側変換回路20を第2入出力ポート60cに入力された電圧を昇圧して第1入出力ポート60aに出力する昇圧回路として機能させる場合の昇圧比を規定するオン時間δを設定する。なお、2次側変換回路30では、オン時間δ決定処理部506によって設定されたオン時間δによって規定された降圧比で第3入出力ポート60bに入力された電圧を降圧して第4入出力ポート60dに出力する降圧回路として機能する。さらに、位相差φ決定処理部504は、第1入出力ポート60aに入力された電力を所望の電力伝送量Pで第3入出力ポート60bに伝送するための位相差φを設定する。
1次側スイッチング処理部508は、1次側変換回路20を昇圧回路として、かつ、1次側変換回路20をDC−DCコンバータ回路の一部として機能させるように、1次側第1上アームU1と、1次側第1下アーム/U1と、1次側第2上アームV1と、1次側第2下アーム/V1の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
2次側スイッチング処理部510は、2次側変換回路30を降圧回路として、かつ、2次側変換回路30をDC−DCコンバータ回路の一部として機能させるように、2次側第1上アームU2と、2次側第1下アーム/U2と、2次側第2上アームV2と、2次側第2下アーム/V2の各スイッチング素子をスイッチング制御する。
上記のように、1次側変換回路20および2次側変換回路30を昇圧回路あるいは降圧回路として機能させることができ、かつ、電源回路10を双方向DC−DCコンバータ回路としても機能させることができる。したがって、電力変換モードA〜Lの全てのモードの電力変換を行うことができ、換言すれば、4つの入出力ポートのうちから選択された2つの入出力ポート間で電力変換をすることができる。
制御部50により位相差φ、等価インダクタンスL、等に応じて調整される伝送電力P(電力伝送量Pともいう)は、1次側変換回路20と2次側変換回路30において一方の変換回路から他方の変換回路に変圧器400を介して送られる電力であり、
P=(N×Va×Vb)/(π×ω×L)×F(D,φ)
・・・式1
で表される。
なお、Nは、変圧器400の巻き数比、Vaは、第1入出力ポート60aの入出力電圧(1次側変換回路20の1次側正極母線298と1次側正極母線299との間の電圧)、Vbは、第3入出力ポート60bの入出力電圧(2次側変換回路30の1次側正極母線398と1次側正極母線399との間の電圧)である。πは、円周率、ω(=2π×f=2π/T)は、1次側変換回路20及び2次側変換回路30のスイッチングの角周波数である。fは、1次側変換回路20及び2次側変換回路30のスイッチング周波数、Tは、1次側変換回路20及び2次側変換回路30のスイッチング周期、Lは、磁気結合リアクトル204,304と変圧器400の電力伝送に関わる等価インダクタンスである。F(D,φ)は、デューティ比Dと位相差φを変数とする関数であり、デューティ比Dに依存せずに、位相差φが増加するにつれて単調増加する変数である。デューティ比D及び位相差φは、所定の上下限値に挟まれた範囲内で変化するように設計された制御パラメータである。
等価インダクタンスLは、1次側磁気結合リアクトル204及び/又は2次側磁気結合リアクトル304が接続された変圧器400の簡易等価回路上で定義できる。等価インダクタンスLは、簡易等価回路において、1次側磁気結合リアクトル204の漏れインダクタンス及び/又は2次側磁気結合リアクトルの漏れインダクタンスと、変圧器400の漏れインダクタンスとを合成した合成インダクタンスである。
例えば、2次側変換回路30側から測定される等価インダクタンスL(2次側換算値LEQ2)は、
EQ2 = 2L(1−k)N + 2L(1−k) + LT2(1−k
・・・式2
と表すことができる。
は、1次側磁気結合リアクトル204の自己インダクタンス、kは、1次側磁気結合リアクトル204の結合係数、Nは、変圧器400の巻き数比、Lは、2次側磁気結合リアクトル304の自己インダクタンス、kは、2次側磁気結合リアクトル304の結合係数、LT2は、変圧器400の2次側の励磁インダクタンス、kは、変圧器400の結合係数である。なお、第2入出力ポート60c又は第4入出力ポート60dを使用しない場合、式2において、第1項又は第2項で表される漏れインダクタンスが無い場合もありうる。
又、制御部50は、1次側ポートと2次側ポートのうち少なくとも一つの所定のポートにおけるポート電圧Vpが目標ポート電圧Voに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Pを調整する。したがって、当該所定のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部50は、位相差φを変化させることにより伝送電力Pを調整することによって、ポート電圧Vpが目標ポート電圧Voに対して落ち込むことを防止できる。
例えば、制御部50は、1次側ポートと2次側ポートのうち伝送電力Pの伝送先である片方のポートにおけるポート電圧Vpが目標ポート電圧Voに収束するように、位相差φを変更することによって、伝送電力Pを調整する。したがって、伝送電力Pの伝送先のポートに接続される負荷の消費電流が増えても、制御部50は、位相差φを上昇変化させることにより伝送電力Pを増加方向に調整することによって、ポート電圧Vpが目標ポート電圧Voに対して落ち込むことを防止できる。
図4は、PID算出値を算出する制御部50の構成例を示したブロック図である。制御部50は、PID制御部51、等を有している。PID算出値は、例えば、位相差φの指令値φo、デューティ比Dの指令値Doである。
PID制御部51は、PID制御によって、1次側ポートと2次側ポートの少なくとも一つのポートのポート電圧を目標電圧に収束させるための位相差φの指令値φoを、スイッチング周期T毎に生成する位相差指令値生成部を有する。例えば、PID制御部51の位相差指令値生成部は、ポート電圧Vaの目標電圧とセンサ部70によって取得されたポート電圧Vaの検出電圧との偏差に基づいてPID制御を行うことによって、当該偏差を零に収束させるための指令値φoをスイッチング周期T毎に生成する。
制御部50は、PID制御部51によって生成された指令値φoに従って、1次側変換回路20及び2次側変換回路30のスイッチング制御を行うことによって、ポート電圧が目標電圧に収束するように、式1によって定められる伝送電力Pを調整する。
また、PID制御部51は、PID制御によって、1次側ポートと2次側ポートの少なくとも一つのポートのポート電圧を目標電圧に収束させるためのデューティ比Dの指令値Doを、スイッチング周期T毎に生成するデューティ比指令値生成部を有する。例えば、PID制御部51のデューティ比指令値生成部は、ポート電圧Vcの目標電圧とセンサ部70によって取得されたポート電圧Vcの検出電圧との偏差に基づいてPID制御を行うことによって、当該偏差を零に収束させるための指令値Doをスイッチング周期T毎に生成する。
なお、PID制御部51は、デューティ比Dの指令値Doに代えて、オン時間δの指令値δoを生成するオン時間指令値生成部を有してもよい。
PID制御部51は、積分ゲインI1、微分ゲインD1、比例ゲインP1に基づいて、位相差φの指令値φoを調整し、積分ゲインI2、微分ゲインD2、比例ゲインP2に基づいて、デューティ比Dの指令値Doを調整する。
なお、ポート電圧Va、ポート電圧Vc、デューティ比Dの間には、ポート電圧Va×デューティ比D=ポート電圧Vcという関係が成立する。従って、一定のポート電圧Va(例えば、10V)を降圧して、ポート電圧Vcを増やしたい場合(例えば、1Vから5V)は、デューティ比Dを増加させれば良い(例えば、10%から50%)。逆に、一定のポート電圧Vc(例えば、5V)を昇圧して、ポート電圧Vaを増やしたい場合(例えば、10Vから50V)は、デューティ比Dを減少させれば良い(例えば、50%から10%)。つまり、PID制御部51は、制御対象(第1入出力ポート60a又は第2入出力ポート60c)を切り替えることによって、デューティ比Dの制御方向(デューティ比Dを増減させる方向)を、昇圧動作する場合と、降圧動作する場合とで、逆にする。
<補機に対する電力供給>
図5乃至図7は、補機500に対する電力供給の一例を示す図である。図5は、電池パック62bから補機500へと電力が供給される場合を示す図である。図6は、充電器90から補機500へと電力が供給される場合を示す図である。図7は、インバータ80から補機500へと電力が供給される場合を示す図である。
電池パック(2次側高電圧系電源)62bは、車両を駆動させるためのエネルギーを蓄電する高圧バッテリであって、SMR(システムメインリレー)、即ち、インバータ80側に設けられるSMR1と、充電器90側に設けられるSMR2と、を含む。電池パック62bと、インバータ80及び電源回路10との接続/非接続は、SMR1のオンオフにより制御される。又、電池パック62bと、充電器90及び電源回路10との接続/非接続は、SMR2のオンオフにより制御される。
なお、補機500とは、車両に搭載され、電池パック62b、充電器90、インバータ80、等から電力が供給される様々な装置や器具等を指し、例えば、電子制御装置、ランプ、ライトワイパー、等を挙げることができる。
[電池パック62bから補機500へと電力が供給される場合]
図5に示すように、車両の走行中は、電池パック62bから、電源回路10を介して、補機500へと電力が伝送される(図中矢印A参照)。
車両の走行中は、SMR1はオンし、SMR2はオフするため、電池パック62bとインバータ80とは接続となり、電池パック62bと充電器90とは非接続となる。
各アームのオンオフタイミングは、図3に示すスイッチング波形のタイミングチャートを参照できる。1次側第1上アームU1、1次側第2上アームV1のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形である。又、1次側第1下アーム/U1、1次側第2下アーム/V1のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形において、1次側第1上アームU1、1次側第2上アームV1のオンオフ波形を反転した波形である(図示省略)。
又、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形である。又、2次側第1下アーム/U2、2次側第2下アーム/V2のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形において、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2のオンオフ波形を反転した波形である(図示省略)。
制御部50が、電池パック62bに含まれるSMR1、SMR2のオンオフ、各アームのオンオフを適切に制御することにより、車両の走行中は、電池パック62bから補機500へと電力を供給することが可能になる。
[充電器90から補機500へと電力が供給される場合]
図6に示すように、車両の駐車中は、充電器90から、電源回路10を介して、補機500へと電力が伝送される(図中矢印B参照)。
車両の駐車中は、SMR1及びSMR2はオフするため、電池パック62bとインバータ80及び充電器90とは非接続となる。
各アームのオンオフタイミングは、図3に示すスイッチング波形のタイミングチャートを参照できる。1次側第1上アームU1、1次側第2上アームV1のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形である。又、1次側第1下アーム/U1、1次側第2下アーム/V1のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形において、1次側第1上アームU1、1次側第2上アームV1のオンオフ波形を反転した波形である(図示省略)。
又、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形において、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2のオンオフ波形をオフ固定した波形である(図示省略)。又、2次側第1下アーム/U2、2次側第2下アーム/V2のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形において、2次側第1下アーム/U2、2次側第2下アーム/V2のオンオフ波形をオン固定した波形である(図示省略)。
制御部50が、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2をオフ固定し、2次側第1下アーム/U2、2次側第2下アーム/V2をオン固定することにより、充電器90とインバータ80とは絶縁される。これにより、車両の駐車中は、充電器90から補機500へと電力を供給することが可能になる。
[インバータ80補機500へと電力が供給される場合]
図7に示すように、電池パック62bの故障中(車両は走行中である)は、インバータ80から、電源回路10を介して、補機500へと電力が伝送される(図中矢印C参照)。
電池パック62bの故障により、SMR1及びSMR2はオフするため、電池パック62bとインバータ80及び充電器90とは非接続となる。
各アームのオンオフタイミングは、図3に示すスイッチング波形のタイミングチャートを参照できる。1次側第1上アームU1、1次側第2上アームV1のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形である。又、1次側第1下アーム/U1、1次側第2下アーム/V1のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形において、1次側第1上アームU1、1次側第2上アームV1のオンオフ波形を反転した波形である(図示省略)。
又、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形である。又、2次側第1下アーム/U2、2次側第2下アーム/V2のオンオフ波形は、図3に示すスイッチング波形において、2次側第1上アームU2、2次側第2上アームV2のオンオフ波形を反転した波形である(図示省略)。
制御部50が、各アームのオンオフを適切に制御することにより、電池パック62bの故障中であっても、インバータ80から補機500へと電力を供給することが可能になる。このため、車両の走行中に、電池パック62bから補機500への電力供給が途絶えた場合であっても、インバータ80を利用して(電源の2重系)、フェールセーフ機能を十分に働かせることが可能になる。
図5乃至図7に示すように、電源装置101は、車両の走行中には、電池パック62bから電源回路10を介した補機500への電力供給(例えば、12V電力)、車両の駐車中には、充電器90から電源回路10を介した補機500への電力供給(例えば、12V電力)、電池パック62bの故障中には、インバータ80から電源回路10を介した補機500への電力供給(例えば、12V電力)を行うことができる。
[従来の電源装置の構成例]
図8に従来の電源装置の構成例を示す。
従来の電源装置600は、充電器601と、充電器601に内蔵されるDCDCコンバータ602(0.2kW程度)と、インバータ603と、インバータ603に接続されるDCDCコンバータ(補機DCDCコンバータ)604(1.5kW程度)と、電池パック605と、を含む。従来の電源装置600の構成は、2個のDCDCコンバータを有するためコストがかかっていた。従って、DCDCコンバータの個数を減らし、例えば、図9に示す構成とする場合について考える。
例えば、図9(A)に示すように、充電器607の外部にDCDCコンバータ606を設け、インバータ603に接続される補機DCDCコンバータ604を取り除く構成650とする。
図9(A)に示す構成では、電池パック605が故障すると、インバータ603とDCDCコンバータ606との間の経路が完全に遮断されてしまうため、インバータ603から補機へと電力を供給することができなくなってしまう。又、電池パック605から補機へと電力を供給する際には、充電器607側のSMRをオンさせ、インバータ603から補機へと電力を供給する際には、充電器607側のSMR及びインバータ603側のSMRを、オンさせなければならない。このため、SMRの切り替え回数が増加し、電池パック605は、劣化し易くなってしまう。なお、SMRの切り替え回数には、上限があり、通常は、電源投入回数(10万回程度)と一致するように設定される。
又、例えば、図9(B)に示すように、電池パック608の内部に、充電器601を設け、インバータ603に接続される補機DCDCコンバータ604を取り除く構成660とする。
図9(B)に示す構成においても、電池パック608が故障すると、インバータ603とDCDCコンバータ602との間の経路が完全に遮断されてしまうため、インバータ603からから補機へと電力を供給することができなくなってしまう。
つまり、図9(A)に示す構成650及び図9(B)に示す構成660は、従来の構成と比較して、DCDCコンバータの個数は減らせているが、従来の構成と同様の機能を実現することはできていない。
本実施の形態に係る電力変換装置の構成によれば、安価でありながら(複数のDCDCコンバータを利用することなく)、従来の構成と同様の機能を実現できる。
以上、電力変換装置を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、上述の実施形態では、スイッチング素子の一例として、オンオフ動作する半導体素子であるMOSFETを挙げた。しかしながら、スイッチング素子は、例えば、IGBT、MOSFETなどの絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子でもよいし、バイポーラトランジスタでもよい。
また、第1入出力ポート60a、第4入出力ポート60dに電源が接続されてもよい。
また、2次側を1次側と定義し、1次側を2次側と定義してもよい。
また、本発明は、少なくとも3つ以上の複数の入出力ポートを有し、少なくとも3つ以上の複数の入出力ポートのうちどの2つの入出力ポート間でも電力を変換することが可能な電力変換装置に適用できる。例えば、本発明は、図1に例示された4つの入出力ポートのうちいずれか一つの入出力ポートが無い構成を有する電源装置に対しても適用できる。
20 1次側変換回路
30 2次側変換回路
50 制御部
60a 第1入出力ポート
60b 第3入出力ポート(第1の2次側ポート)
60c 第2入出力ポート(1次側ポート)
60d 第4入出力ポート(第2の2次側ポート)
62b 2次側高電圧系電源
62c 1次側低電圧系電源
80 インバータ
90 充電器
101 電源装置(電力変換装置の一例)
400 変圧器
500 補機
U*,V* 上アーム
/U*,/V* 下アーム

Claims (6)

  1. 車両に搭載される補機へと電力を供給する電力変換装置であって、
    1次側ポートを備える1次側回路と、
    複数の2次側ポートを備え、前記1次側回路と変圧器で磁気結合する2次側回路と、
    前記1次側回路のスイッチングと前記2次側回路のスイッチングとの位相差を変更することによって、前記1次側回路と前記2次側回路との間で伝送される伝送電力を制御する制御部と、
    第1の2次側ポートと接続され、前記1次側ポートを介して前記補機へと電力を供給するインバータと、
    第2の2次側ポートと接続され、前記1次側ポートを介して前記補機へと電力を供給する充電器と、を有する、電力変換装置。
  2. 前記制御部は、
    前記充電器から前記補機へと電力が供給される場合、前記充電器と前記インバータとを絶縁する、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記2次側回路は、2次側第1上アーム、2次側第2上アーム、2次側第1下アーム、2次側第2下アームとを備え、
    前記制御部は、
    前記充電器から前記補機へと電力が供給される場合、前記2次側第1上アーム及び前記2次側第2上アームをオフ固定し、前記2次側第1下アーム及び前記2次側第2下アームをオン固定する、請求項1又は2のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  4. 前記車両の駐車中に、前記充電器から前記補機へと電力が供給される、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記第1の2次側ポート及び前記第2の2次側ポートと接続され、前記1次側ポートを介して前記補機へと電力を供給する2次側高電圧系電源を備え、
    前記車両の走行中に、前記2次側高電圧系電源から前記補機へと電力が供給される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. 前記2次側高電圧系電源の故障中に、前記インバータから前記補機へと電力が供給される、請求項5に記載の電力変換装置。
JP2014080487A 2014-04-09 2014-04-09 電力変換装置 Active JP6036741B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014080487A JP6036741B2 (ja) 2014-04-09 2014-04-09 電力変換装置
US14/677,362 US9744856B2 (en) 2014-04-09 2015-04-02 Power conversion apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014080487A JP6036741B2 (ja) 2014-04-09 2014-04-09 電力変換装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015202002A true JP2015202002A (ja) 2015-11-12
JP6036741B2 JP6036741B2 (ja) 2016-11-30

Family

ID=54264393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014080487A Active JP6036741B2 (ja) 2014-04-09 2014-04-09 電力変換装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9744856B2 (ja)
JP (1) JP6036741B2 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016178767A (ja) * 2015-03-19 2016-10-06 株式会社豊田中央研究所 電力変換回路システム
JPWO2018016106A1 (ja) * 2016-07-19 2018-10-04 三菱電機株式会社 Dc/dcコンバータ

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6135663B2 (ja) * 2014-12-26 2017-05-31 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置及び電力変換方法
US9837908B2 (en) * 2016-05-09 2017-12-05 Omron Corporation Power conversion device
US10811987B2 (en) * 2017-03-31 2020-10-20 Schneider Electric It Corporation Bi-directional DC-DC converter with load and source synchronized power control
JP7491080B2 (ja) * 2020-06-22 2024-05-28 富士電機株式会社 電力変換装置
US11575326B2 (en) * 2020-11-27 2023-02-07 Lear Corporation Wide high voltage-input range DC-DC converter
JP7465801B2 (ja) * 2020-12-28 2024-04-11 本田技研工業株式会社 給電システム及び移動体

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008109754A (ja) * 2006-10-24 2008-05-08 Tdk Corp スイッチング電源装置
JP2012125040A (ja) * 2010-12-08 2012-06-28 Toyota Central R&D Labs Inc 電力変換回路システム
JP2013150524A (ja) * 2012-01-23 2013-08-01 Toyota Motor Corp 電気自動車

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5815939B2 (ja) 2010-02-17 2015-11-17 株式会社豊田中央研究所 電力変換回路及び電力変換回路システム
JP5838997B2 (ja) * 2013-05-21 2016-01-06 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置及び電力補正方法
JP5807667B2 (ja) * 2013-11-19 2015-11-10 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置及び電力補正方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008109754A (ja) * 2006-10-24 2008-05-08 Tdk Corp スイッチング電源装置
JP2012125040A (ja) * 2010-12-08 2012-06-28 Toyota Central R&D Labs Inc 電力変換回路システム
JP2013150524A (ja) * 2012-01-23 2013-08-01 Toyota Motor Corp 電気自動車

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016178767A (ja) * 2015-03-19 2016-10-06 株式会社豊田中央研究所 電力変換回路システム
JPWO2018016106A1 (ja) * 2016-07-19 2018-10-04 三菱電機株式会社 Dc/dcコンバータ

Also Published As

Publication number Publication date
JP6036741B2 (ja) 2016-11-30
US20150291035A1 (en) 2015-10-15
US9744856B2 (en) 2017-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6036741B2 (ja) 電力変換装置
JP5971269B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP6160547B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP5929943B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP5928519B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP6003932B2 (ja) 電力変換装置及びその起動方法
JP5958487B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP6135663B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP6102898B2 (ja) 電力変換装置
JP5812040B2 (ja) 電力変換装置
JP2015202001A (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP2015204639A (ja) 電力変換装置及びその制御方法
JP5807667B2 (ja) 電力変換装置及び電力補正方法
JP2014230372A (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP5935789B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP5790709B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP5928518B2 (ja) 電力変換装置及びその制御方法
JP5915626B2 (ja) 電力変換装置及び電力変換方法
JP2014230373A (ja) 電力変換装置及び電圧変換方法
JP2015057031A (ja) 電力変換装置及び電力変換方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150825

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160308

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160310

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160428

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161004

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161017

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6036741

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151