JP7402305B1 - チョッパ型双方向ａｃｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧バッテリと家庭用ネットワークとの間の双方向電力伝送を行う簡素な回路構成の双方向ＡＣＤＣコンバータをを提供する。【解決手段】チョッパ型双方向ＡＣＤＣコンバータは、直流電圧がバッテリ９から印加される左レグ１０Ｌ及び右レグ１０ＲからなるＨブリッジ１０を含む。左レグ及び右レグは、直列接続されたリアクトル５及び交流電源を通じて互いに接続される交流端子１０Ａ、１０Ｂをもつ。Ｈブリッジは、昇圧コンバータモード及び降圧インバータモードをもつ。昇圧コンバータモードは、単相交流電圧を高電圧の直流電圧に変換する。降圧インバータモードは、直流電圧を低電圧の単相交流電圧に変換する。昇圧コンバータモード及び降圧インバータモードはそれぞれ、ポジティブモード及びネガティブモードをもつ。ポジティブモードは単相交流電圧の正半波期間に実施され、ネガティブモードは単相交流電圧の負半波期間に実施される。【選択図】図１

Description

本発明は、チョッパ型双方向ACDCコンバータに関し、特に電気自動車と家庭用ネットワークとの間の双方向の電力移動を実現するためのチョッパ型双方向ACDCコンバータに関する。

家庭用ネットワークのために電気自動車の強力なバッテリを利用する双方向送電技術が望まれている。言い換えれば、交流電力供給機能及び直流電力供給機能の両方をもつ双方向ACDCコンバータが要求されている。交流電力供給機能は、電気自動車から家庭用ネットワークに電力を供給する。直流電力供給機能は、家庭用ネットワークから電気自動車に電力を供給する。

しかし、電気自動車用バッテリは家庭用ネットワークの単相グリッド電圧よりも高電圧である。このため、チョッパ型双方向ACDCコンバータは、電圧形式及び電圧振幅の両方を双方向に変換する必要がある。その結果、双方向ACDCコンバータの回路構成が複雑となるという問題があった。

たとえば、特許文献１の双方向ACDCコンバータは、Hブリッジ型のACDC変換部、デュアルアクティブブリッジ（DAB）型のDCDC変換部、及びこれらの変換部を制御するコントローラを備える。単相グリッドは、AC側フィルタを通じてACDC変換部に交流電圧を印加する。バッテリはDC側フィルタを通じてDCDC変換部に直流電圧を印加する。中間キャパシタがACDC変換部及びDCDC変換部を接続する一対の直流バスに接続されている。

特開２０１7-７０１９３号公報

本発明は、高電圧バッテリと家庭用ネットワークとの間の双方向電力伝送を行う双方向ACDCコンバータを簡素な回路構成により実現することをその目的としている。

本発明の一つの様相によれば、たとえば電気自動車用バッテリである高電圧の直流電源は、交流電源にチョッパ型双方向ACDCコンバータを通じて双方向電力移動可能に接続される。交流電源はたとえば単相グリッドに接続される家庭用ネットワークである。このチョッパ型双方向ACDCコンバータは、直流電圧がバッテリから印加される左レグ及び右レグからなるHブリッジを含む。左レグ及び右レグはそれぞれ、リアクトルを通じて交流電源に接続される交流端子をもつ。

Hブリッジは、昇圧コンバータモード及び降圧インバータモードをもつ。昇圧コンバータモードは、単相交流電圧を直流電圧に変換する。降圧インバータモードは、直流電圧を単相交流電圧に変換する。昇圧コンバータモード及び降圧インバータモードはそれぞれ、ポジティブモード及びネガティブモードをもつ。ポジティブモードは単相交流電圧の正半波期間に実施され、ネガティブモードは単相交流電圧の負半波期間に実施される。

昇圧コンバータモードのポジティブモードにおいて、左レグ及び右レグのどちらか一方の下アームスイッチがスイッチングされる。これにより、リアクトル及び左レグ及び右レグのどちらか一方は、昇圧チョッパとして動作する。昇圧コンバータモードのネガティブモードにおいて、左レグ及び右レグのどちらか他方の下アームスイッチがスイッチングされる。これにより、リアクトル及び左レグ及び右レグのどちらか他方は、昇圧チョッパとして動作する。

降圧インバータモードのポジティブモードにおいて、左レグ及び右レグのどちらか一方の上アームスイッチがスイッチングされる。これにより、リアクトル及び左レグ及び右レグのどちらか一方は、降圧チョッパとして動作する。降圧インバータモードのネガティブモードにおいて、左レグ及び右レグのどちらか他方の上アームスイッチがスイッチングされる。これにより、リアクトル及び左レグ及び右レグのどちらか他方は、降圧チョッパとして動作する。

好適な態様において、リアクトルは単相変圧器の一対のコイルの一方と直列に接続される。一対のコイルの他方は、交流電源に接続される。これにより、直流電源の高い直流電圧が交流電源に印加されることを防止することができる。単相変圧器の漏れインダクタンスをこのリアクトルとして使用することは可能である。

好適な態様において、電気自動車のモータを駆動する３相インバータは、３つのモータ駆動用Hブリッジからなる。一つのモータ駆動用Hブリッジの一つのレグは、チョッパ型双方向ACDCコンバータの左レグを兼ねる。もう一つのモータ駆動用Hブリッジの一つのレグは、チョッパ型双方向ACDCコンバータの右レグを兼ねる。これにより、チョッパ型双方向ACDCコンバータのHブリッジを省略することができる。

図１は、本発明のチョッパ型双方向ACDCコンバータの一つの実施例を示す回路図である。 図２は、昇圧コンバータモードのポジティブモードを示す等価回路図である。 図３は、昇圧コンバータモードのネガティブモードを示す等価回路図である。 図４は、降圧インバータモードのポジティブモードを示す等価回路図である。 図５は、降圧インバータモードのネガティブモードを示す等価回路図である。 図６は、本発明のチョッパ型双方向ACDCコンバータの一つの変形態様を示す回路図である。 図７は、本発明のチョッパ型双方向ACDCコンバータのもう一つの変形態様を示す回路図である。 図８は、本発明のチョッパ型双方向ACDCコンバータのもう一つの変形態様を示す回路図である。

本発明のチョッパ型双方向ACDCコンバータの一つの実施例が図１を参照して説明される。このコンバータは、Hブリッジ１０、リアクトル５、平滑キャパシタ６及び７からなり、電気自動車のバッテリ９およびプラグ８を双方向電力移動可能に接続している。Hブリッジ１０の動作はコントローラ１１により制御される。

バッテリ９は、定格電圧４００Vのリチウム二次電池からなる。プラグ８は、単相グリッドから１００Vの単相交流電圧が供給されている家庭用ネットワークのアウトレットに接続される。したがって、チョッパ型双方向ACDCコンバータは、DC４００Vのバッテリ電圧VbとAC１００Vのグリッド電圧Vacとの間の電力変換を実行する。

Hブリッジ１０は、左レグ１０L及び右レグ１０Rからなる。左レグ１０Lは、直列接続された上アームスイッチ１及び下アームスイッチ２からなる。右レグ１０Rは、直列接続された上アームスイッチ３及び下アームスイッチ４からなる。上アームスイッチ１及び下アームスイッチ２の接続点である交流端子１０Aは、リアクトル５の一端に接続されている。リアクトル５の他端は平滑キャパシタ７を通じて、上アームスイッチ３及び下アームスイッチ４の接続点である交流端子１０Bに接続されている。プラグ８の一つの端子８１は、リアクトル５及び平滑キャパシタ７の接続点に接続されている。プラグ８のもう一つの端子８２は、上アームスイッチ３及び下アームスイッチ４の接続点に接続されている。

Hブリッジ１０の高電位直流端子はバッテリ９の正極端子９１に接続され、Hブリッジ１０の低電位直流端子はバッテリ９の負極端子に接続されている。平滑キャパシタ６はバッテリ９と並列に接続されている。平滑キャパシタ６はHブリッジ１０のスイッチングノイズ電流がバッテリ９に流入するのを抑止する。平滑キャパシタ７はプラグ８と並列に接続されている。平滑キャパシタ７はHブリッジ１０のスイッチングノイズ電流が家庭用ネットワーク及び単相グリッドに流入するのを抑止する。

結局、このチョッパ型双方向ACDCコンバータは、Hブリッジ１０による電流方向変更機能と、リアクトル５による電圧変更機能をもつ。このチョッパ型双方向ACDCコンバータは、グリッド電圧Vacを整流し、昇圧してバッテリ９を充電する昇圧コンバータモードと、バッテリ電圧Vbをグリッド電圧Vacに変更して家庭用ネットワークに供給する降圧インバータモードとをもつ。

昇圧コンバータモード及び降圧インバータモードはそれぞれ、プラグ８のターミナル８１がターミナル８２よりも高い電位をもつポジティブモードと、プラグ８のターミナル８１がターミナル８２よりも低い電位をもつネガティブモードからなる。言い換えれば、ポジティブモードはグリッド電圧Vacの正半波期間に実施され、ネガティブモードはグリッド電圧Vacの負半波期間に実施される。

昇圧コンバータモードのポジティブモード
昇圧コンバータモードのポジティブモードが図２を参照して説明される。スイッチ３は常にオフされ、スイッチ４は常にオンされている。スイッチ２は所定テ゛ューティ比でスイッチングされる。スイッチ１は、本質的にダイオードとして動作する。このモードは、本質的に通常の昇圧チョッパ動作と同じである。

スイッチ２がオンされる期間に、家庭用ネットワークのグリッド電圧Vacは、端子８１、リアクトル５、スイッチ２、スイッチ４、及び端子８２の順に形成された閉回路に印加され、その結果、リアクトル５は磁気エネルギーを蓄積する。スイッチ２がオフされる期間に、グリッド電圧Vacとリアクトル５の電圧との和が、端子８１、リアクトル５、スイッチ１のダイオード、バッテリ９、スイッチ４、端子８２の順に形成された閉回路に印加され、バッテリ９が充電される。

昇圧コンバータモードのネガティブモード
昇圧コンバータモードのネガティブモードが図３を参照して説明される。スイッチ２は常にオンされ、スイッチ１は常にオフされている。スイッチ４は所定テ゛ューティ比でスイッチングされる。スイッチ3は、本質的にダイオードとして動作する。
このモードは、本質的に通常の昇圧チョッパ動作と同じである。

スイッチ４がオンされる期間に、家庭用ネットワークのグリッド電圧Vacは、端子８２、スイッチ４、スイッチ２、リアクトル５、端子８１、及び端子８２の順に形成された閉回路に印加され、その結果、リアクトル５は磁気エネルギーを蓄積する。スイッチ４がオフされる期間に、グリッド電圧Vacとリアクトル５の電圧との和が、端子８２、スイッチ３のダイオード、バッテリ９、スイッチ２、リアクトル５、端子８１、及び端子８２の順に形成された閉回路に印加され、バッテリ９が充電される。

降圧インバータモードのポジティブモード
降圧インバータモードのポジティブモードが図４を参照して説明される。スイッチ３は常にオフされ、スイッチ４は常にオンされる。スイッチ１は所定テ゛ューティ比でスイッチングされる。スイッチ２は本質的にダイオードとして動作する。このモードは、本質的に通常の降圧チョッパ動作と同じである。

スイッチ１がオンされる期間に、バッテリ電圧Vbは、スイッチ１、リアクトル５、端子８１、端子８２、スイッチ４、バッテリ９、及びスイッチ１の順に形成された閉回路に印加される。その結果、バッテリ９はグリッド電圧Vacをリアクトル５を通じて家庭用ネットワークに印加し、リアクトル５は磁気エネルギーを蓄積する。スイッチ１がオフされる期間に、リアクトル５の磁気エネルギーは、リアクトル５，端子８１、端子８２、スイッチ４、スイッチ２のダイオード、及びリアクトル５の順に形成された閉回路に電流を供給し、リアクトル５の磁気エネルギーは低減される。

降圧インバータモードのネガティブモード
降圧インバータモードのネガティブモードが図５を参照して説明される。スイッチ２は常にオンされ、スイッチ１は常にオフされる。スイッチ３は所定テ゛ューティ比でスイッチングされる。スイッチ４は本質的にダイオードとして動作する。このモードは、本質的に通常の降圧チョッパ動作と同じである。

スイッチ３がオンされる期間に、バッテリ電圧Vbは、バッテリ９，スイッチ３、端子８２、端子８１、リアクトル５，スイッチ２、及びバッテリ９の順に形成された閉回路に印加され、その結果、バッテリ９はリアクトル５を通じてグリッド電圧Vacを家庭用ネットワークに印加する。さらに、リアクトル５は磁気エネルギーを蓄積する。スイッチ３がオフされる期間に、リアクトル５の磁気エネルギーは、リアクトル５，スイッチ２、スイッチ４、端子８２，端子８１、及びリアクトル５の順に形成された閉回路に電流を供給し、リアクトル５の磁気エネルギーは低減される。

単相グリッドから家庭用ネットワークにグリッド電圧Vacが供給されているケースにおいて、このグリッド電圧Vacの振幅値が非常に低い時、上記した昇圧コンバータモード及び降圧インバータモードを休止することは可能である。これにより、Hブリッジ１０の電力損失を低減することができる。

図１に示されるチョッパ型双方向ACDCコンバータの一つの変形態様が図６を参照して説明される。図６に示されるコンバータは、単相変圧器５０を除いて図１に示されるコンバータと本質的に同じ回路構造及び動作をもつ。この単相変圧器５０の一次コイル５１はリアクトル５と直列に接続されている。一次コイル５１の一端は、スイッチ３及び４の接続点に接続されている。一次コイル５１の他端はリアクトル５を通じてスイッチ１及び２の接続点に接続されている。単相変圧器５０の二次コイル５２は、プラグ８に接続されている。平滑キャパシタ７は、二次コイル５２と並列に接続されている。

単相変圧器５０は漏れ変圧器により構成されることができる。この漏れ変圧器の一次コイルは高い漏れインダクタンスをもつ。この漏れインダクタンスは、リアクトル５として使用されることができる。

図１に示されるチョッパ型双方向ACDCコンバータのもう一つの変形態様が図７を参照して説明される。図７において、３相モータのステータコイルは、互いに独立している３つのダブルエンド相巻線１２-１４からなる。相巻線１２-１４を駆動する３相インバータは、３つのHブリッジ１０U、１０V、及び１０Wからなる。Hブリッジ１０UはU相交流電圧をU相巻線１２に印加し、Hブリッジ１０VはV相交流電圧をV相巻線１３に印加し、Hブリッジ１０WはW相交流電圧をW相巻線１４に印加する。バッテリ９は、３つのHブリッジ１０U、１０V、及び１０Wにモータ駆動のための直流電力を供給する。

U相レグ１０Uは、スイッチ１A及び２Aからなる左レグと、スイッチ１B及び２Bからなる右レグとからなる。V相レグ１０Vは、スイッチ３A及び４Aからなる左レグと、スイッチ３B及び４Bからなる右レグとからなる。W相レグ１０Wは、スイッチ５A及び６Aからなる左レグと、スイッチ５B及び６Bからなる右レグとからなる。

この変形態様によれば、図７に示されるように、リアクトル５、平滑キャパシタ７、及びプラグ８からなるチョッパ型双方向ACDCコンバータ用の追加回路がさらに追加されている。この追加回路は、図１に示されるリアクトル５、平滑キャパシタ７、及びプラグ８と同じである。

結局、３相インバータのU相Hブリッジ１０Uのスイッチ１A及び２Aが、図１に示されるHブリッジ１０のスイッチ１及び２の代わりに採用される。さらに、V相Hブリッジ１０Vのスイッチ３A及び４Aが、図１に示されるHブリッジ１０のスイッチ３及び４の代わりに採用される。

この変形態様の動作が図７を参照して説明される。家庭用ネットワークと車載バッテリ９との間の電力伝送が実施される時、３相モータの回転は停止される。この変形態様によれば、チョッパ型双方向ACDCコンバータ専用のHブリッジ１０を省略することが可能となる。

図７において、U相Hブリッジ１０Uのスイッチ１A及び１Bは同じスイッチンク゛動作を行うことができる。U相Hブリッジ１０Uのスイッチ２A及び２Bは同じスイッチンク゛動作を行うことができる。V相Hブリッジ１０Vのスイッチ３A及び３Bは同じスイッチンク゛動作を行うことができる。V相Hブリッジ１０Vのスイッチ４A及び４Bは同じスイッチンク゛動作を行うことができる。

もう一つの変形態様が図８を参照して説明される。図８に示されるコンバータは、リアクトル５、平滑キャパシタ７、及び単相変圧器５０の配置が図６及び図７に示されるコンバータと異なっている。

図８に示されるコンバータのリアクトル５、平滑キャパシタ７、及び単相変圧器５０は家庭用ネットワーク側に配置されている。図８において、プラグ８の端子８１はHブリッジ１０Uの左レグに接続され、プラグ８の端子８２はHブリッジ１０Vの左レグに接続されている。プラグ８は、アウトレット１５に接続可能となっている。アウトレット１５は、直列接続されたリアクトル５及び単相変圧器５０のペアに接続されている。平滑キャパシタ７はこのペアと並列接続されている。単相変圧器５０の二次コイルは、図略の家庭用ネットワークに接続されている。リアクトル５は単相変圧器５０の漏れインダクタンスにより構成される。

図１に示されるチョッパ型双方向ACDCコンバータを全て家庭用ネットワーク側に設置することも可能であり、図７に示される追加回路を家庭用ネットワーク側に設置することも可能である。

既述されたHブリッジの４つのモードにおいて、Hブリッジの４つのアームスイッチの一つがPWMスイッチングされる。このPWMスイッチングは、要求された波形及び要求された振幅を得るために実施される。

Claims (1)

1. 所定の単相交流電圧をもつ単相グリッドに接続された家庭用ネットワークからなる交流電源と、この単相交流電圧よりも高い直流電圧をもつ電気自動車のバッテリからなる直流電源との間で双方向の電力移動を行うチョッパ型双方向ACDCコンバータにおいて、
   ２つのレグをもつHブリッジと、前記交流電源と直列接続されるリアクトルと、前記Hブリッジを制御するコントローラとを備え、
   前記２つのレグはそれぞれ、直列接続された上アームスイッチ及び下アームスイッチの接続点を有し、
   前記２つの接続点は、直列接続された前記リアクトル及び前記交流電源を通じて接続され、
   前記直流電源は、前記各レグに前記直流電圧を印加し、
   前記コントローラは、２つの前記下アームスイッチをスイッチングすることにより前記Hブリッジ及び前記リアクトルを昇圧チョッパとして動作させる昇圧コンバータモード、並びに、２つの前記上アームスイッチをスイッチングすることにより前記Hブリッジ及び前記リアクトルを降圧チョッパとして動作させる降圧インバータモードをもち、
   前記Hブリッジは、３相モータ駆動用の３相インバータの一部により構成され、
   前記３相インバータは、３つの単相インバータからなり、
   それぞれの前記単相インバータは、２つの前記レグを備え、
   前記Hブリッジは、２つの前記単相インバータそれぞれの一つの前記レグを用いて構成されることを特徴とするチョッパ型双方向ACDCコンバータ。

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