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公開番号2021027768
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210222
出願番号2019146286
出願日20190808
発明の名称マルチポート電力変換システム
出願人株式会社デンソー,学校法人君が淵学園
代理人特許業務法人服部国際特許事務所,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20210125BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】コンバータの負担を軽減可能であり、且つ、バッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性を向上させるマルチポート電力変換システムを提供する。
【解決手段】マルチポート電力変換システム701は、外部電源150とバッテリBTとの間に設けられる。マルチポート絶縁型コンバータ30は、トランス20、一つの一次側スイッチング回路31、及び、二つの二次側スイッチング回路41、42を有する。調整コンバータ62は、調整側ポートP22に接続され、バッテリ側の電圧を調整可能である。駆動回路75は、調整コンバータ62の動作を制御してバッテリ側の電圧を調整する。二次側スイッチング回路41Mは、複数のスイッチの動作モードを切り替えて出力電圧を複数段階に切り替え可能な「マルチレベルスイッチング回路」として構成されている。駆動回路75は、バッテリの目標電圧に応じてマルチレベルスイッチング回路41Mの電圧レベルを切り替える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
電力を出力可能な外部電源(150)と、一つ以上のバッテリ(BT、BT1、BT2)との間に設けられ、前記バッテリの電圧を目標電圧に近づけるように、前記バッテリを少なくとも充電可能なマルチポート電力変換システムであって、
前記外部電源に対して一台が接続され、又は、前記バッテリが複数の場合において複数の前記バッテリに対応する複数台が並列接続され、一台当たりに、前記外部電源側の一次ポート(P1、P11、P12)に接続される一つの一次巻線(21、211、212)及び前記バッテリ側の複数の二次ポート(P21−P24)に接続される複数の二次巻線(221−224)を有するトランス(20、200、201、202)、前記一次ポートと前記一次巻線との間に設けられた一つの一次側スイッチング回路(31、32)、並びに、前記複数の二次ポートと前記複数の二次巻線との間に設けられた複数の二次側スイッチング回路(41−44)を有するマルチポート絶縁型コンバータ(30、300、301、302)と、
前記バッテリの数に応じて、各前記バッテリに対応する複数の前記二次ポートのうちの一部である調整側ポートと前記バッテリとの間に接続され、前記バッテリ側の電圧を調整可能な一つ以上の調整コンバータ(62、64)と、
前記マルチポート絶縁型コンバータ及び前記調整コンバータを駆動し、且つ、前記バッテリの目標電圧に応じて、少なくとも前記調整コンバータの動作を制御して前記バッテリ側の電圧を調整する駆動回路(75)と、
を備え、
前記マルチポート絶縁型コンバータの前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方は、複数のスイッチの動作モードを切り替えて出力電圧を複数段階に切り替え可能なマルチレベルスイッチング回路(31M、41M、43M)として構成されているか、或いは、
前記マルチポート絶縁型コンバータの前記一次側スイッチング回路と前記外部電源との間、もしくは前記二次側スイッチング回路と前記バッテリとの間に前記マルチレベルスイッチング回路が設けられており、
前記駆動回路は、前記バッテリの目標電圧に応じて、さらに前記マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替えるマルチポート電力変換システム。
続きを表示(約 2,200 文字)【請求項2】
前記調整側ポート以外の前記二次ポートを非調整側ポートとすると、
前記バッテリへの出力電圧の増加時に一つ以上の前記調整コンバータの合計出力電圧が一つ以上の前記非調整側ポートの合計電圧以上となったとき、前記駆動回路は、前記マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを上げることが可能である請求項1に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項3】
双方向に電力授受可能であり、前記バッテリを充放電可能である請求項1または2に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項4】
前記外部電源と複数の前記バッテリとの間に設けられ、複数の前記バッテリの間で電力授受が可能に構成されている請求項1〜3のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項5】
複数の前記バッテリは、直列接続及び並列接続を切り替え可能に構成されている請求項4に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項6】
前記調整側ポート以外の前記二次ポートを非調整側ポートとすると、
前記非調整側ポートに対応する前記二次側スイッチング回路が前記マルチレベルスイッチング回路として構成されているか、或いは、
前記非調整側ポートに対応する前記二次側スイッチング回路と前記バッテリとの間に前記マルチレベルスイッチング回路が設けられている請求項1〜5のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項7】
前記マルチポート絶縁型コンバータにおける前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方が前記マルチレベルスイッチング回路として構成された態様において、
前記マルチレベルスイッチング回路(54)は、
前記一次ポート又は前記二次ポートの両端子間に順に直列接続された第1スイッチ(SW1)、第2スイッチ(SW2)、第3スイッチ(SW3)及び第4スイッチ(SW4)の4個のスイッチと、
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチに対し並列接続された第1コンデンサ(Cp1)、並びに、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチに対し並列接続された第2コンデンサ(Cp2)と、
前記第1スイッチと前記第2スイッチとの中間点と、前記第3スイッチと前記第4スイッチとの中間点との間において、前記一次巻線又は前記二次巻線と直列接続され共振回路を構成する共振コンデンサ(Cr)と、
を含み、
前記4個のスイッチの動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である請求項1〜6のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項8】
前記マルチポート絶縁型コンバータにおける前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方が前記マルチレベルスイッチング回路として構成された態様において、
前記マルチレベルスイッチング回路(55)は、
前記一次ポート又は前記二次ポートの両端子間に順に直列接続された第1スイッチ(SW1)、第2スイッチ(SW2)、第3スイッチ(SW3)及び第4スイッチ(SW4)の4個のスイッチと、
前記第2スイッチ及び前記第3スイッチに対し並列接続されたフライングキャパシタ(Cf)と、
前記第2スイッチと前記第3スイッチとの中間点と、前記第4スイッチと前記一次ポート又は前記二次ポートの一方の端子との接続点との間において、前記一次巻線又は前記二次巻線と直列接続され共振回路を構成する共振コンデンサ(Cr)と、
を含み、
前記4個のスイッチの動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である請求項1〜6のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。
【請求項9】
前記マルチポート絶縁型コンバータにおける前記一次側スイッチング回路、もしくは前記二次側スイッチング回路の少なくとも一方が前記マルチレベルスイッチング回路として構成された態様において、
前記マルチレベルスイッチング回路(56)は、
前記一次ポート又は前記二次ポートの両端子間に順に直列接続された第1スイッチ(SW1)、第2スイッチ(SW2)、第3スイッチ(SW3)、第4スイッチ(SW4)、第5スイッチ(SW5)及び第6スイッチ(SW6)の6個のスイッチと、
前記第2スイッチ、前記第3スイッチ、前記第4スイッチ及び前記第5スイッチに対し並列接続された第1フライングキャパシタ(Cf1)、並びに、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチに対し並列接続された第2フライングキャパシタ(Cf2)と、
前記第3スイッチと前記第4スイッチとの中間点と、前記第6スイッチと前記一次ポート又は前記二次ポートの一方の端子との接続点との間において、前記一次巻線又は前記二次巻線と直列接続され共振回路を構成する共振コンデンサ(Cr)と、
を含み、
前記6個のスイッチの動作モードを切り替えることで、入出力の電圧比を切り替え可能である請求項1〜6のいずれか一項に記載のマルチポート電力変換システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、マルチポート電力変換システムに関する。
続きを表示(約 6,800 文字)【背景技術】
【0002】
従来、トランスに接続されたスイッチング回路を介してバッテリを充電可能な電力変換システムが知られている。
【0003】
例えば特許文献1に開示された電力変換装置は、磁気的に結合された複数の巻線に複数の電源が接続される場合において、損失を低減し、かつ接続されている全ての負荷機器に適正に電力を伝送することができ、負荷機器の動作領域を確保することを目的とする。
【0004】
具体的に実施の形態1の電力変換装置は、複合巻線トランスの2次側に接続される第2スイッチング回路と第2直流電源との間にチョッパ回路が設けられる。第2直流電源を充電する場合、チョッパ回路は降圧コンバータとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特許第6025885号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
以下、本明細書で「バッテリ」とは、一つ以上の蓄電セルを含むバッテリモジュールを意味する。また、バッテリのSOCが0%及び100%のときの電圧を、それぞれ、最小電圧及び最大電圧と表す。特許文献1の構成では、バッテリの最小電圧から最大電圧までの変動範囲に対応するため、出力電圧レンジの広い降圧コンバータが必要となる。したがって、コンバータの負担が大きく、効率が悪い。また、SOC−開回路電圧特性に基づくバッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性が乏しい。
【0007】
本発明は、上述の課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、コンバータの負担を軽減可能であり、且つ、バッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性を向上させるマルチポート電力変換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】
【0008】
本発明は、電力を出力可能な外部電源(150)と、一つ以上のバッテリ(BT、BT1、BT2)との間に設けられ、バッテリの電圧を目標電圧に近づけるように、バッテリを少なくとも充電可能なマルチポート電力変換システムである。このマルチポート電力変換システムは、マルチポート絶縁型コンバータ(30、300、301、302)と、一つ以上の調整コンバータ(62、64)と、駆動回路(75)と、を備える。
【0009】
マルチポート絶縁型コンバータは、外部電源に対して一台が接続され、又は、バッテリが複数の場合において複数のバッテリに対応する複数台が並列接続される。マルチポート絶縁型コンバータは、一台当たりに、トランス(20、200、201、202)、一つの一次側スイッチング回路(31、32)、及び、複数の二次側スイッチング回路(41−44)を有する。
【0010】
トランスは、外部電源側の一次ポート(P1、P11、P12)に接続される一つの一次巻線(211、212)及びバッテリ側の複数の二次ポート(P21−P24)に接続される複数の二次巻線(221−224)を有する。一次側スイッチング回路は、一次ポートと一次巻線との間に設けられている。複数の二次側スイッチング回路は、複数の二次ポートと複数の二次巻線との間に設けられている。
【0011】
調整コンバータは、バッテリの数に応じて、各バッテリに対応する複数の二次ポートのうちの一部である調整側ポートとバッテリとの間に接続され、バッテリ側の電圧を調整可能である。駆動回路は、マルチポート絶縁型コンバータ及び調整コンバータを駆動し、且つ、バッテリの目標電圧に応じて、少なくとも調整コンバータの動作を制御してバッテリ側の電圧を調整する。
【0012】
このマルチポート電力変換システムは、複数のスイッチの動作モードを切り替えて出力電圧を複数段階に切り替え可能なマルチレベルスイッチング回路(31M、41M、43M)が[1]或いは[2]のように構成されている。駆動回路は、バッテリの目標電圧に応じて、さらにマルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替える。
【0013】
[1]マルチポート絶縁型コンバータの一次側スイッチング回路、もしくは二次側スイッチング回路の少なくとも一方がマルチレベルスイッチング回路として構成されている。
【0014】
[2]マルチポート絶縁型コンバータの一次側スイッチング回路と外部電源との間、もしくは二次側スイッチング回路とバッテリとの間にマルチレベルスイッチング回路が設けられている。
【0015】
本発明のマルチポート電力変換システムは、バッテリの目標電圧に応じて、マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルが複数段階に切り替えられることで、調整コンバータによる出力調整範囲を狭くし、負担を軽減することができる。また、バッテリのSOC−開回路特性に応じて、マルチレベルスイッチング回路の電圧レベルを切り替えられるため、バッテリ電圧仕様の変化に対する汎用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0016】
第1実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
第1実施形態によるマルチレベルスイッチング回路等の構成例を示す図。
第1実施形態によるマルチレベルスイッチング回路等の構成例を示す図。
(a)第1実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すSOC−バッテリ電圧特性図、(b)特性の異なるバッテリへの適用を説明する図。
第2実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
第2実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
(a)第2実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すSOC−バッテリ電圧特性図、(b)特性の異なるバッテリへの適用を説明する図。。
(a)Dタイプマルチレベルスイッチング回路の図、(b)動作モードAのタイムチャート、(c)動作モードBのタイムチャート。
動作モードAの説明図。
動作モードBの説明図。
第3実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
第3実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
(a)第3実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すSOC−バッテリ電圧特性図、(b)特性の異なるバッテリへの適用を説明する図。。
第4実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
第5実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
第6実施形態によるマルチレベルスイッチング回路の構成例を示す図。
(a)Fタイプマルチレベルスイッチング回路の図、(b)動作モードAのタイムチャート。
(a)動作モードBのタイムチャート、(b)動作モードCのタイムチャート。
動作モードAの説明図(1)。
動作モードAの説明図(2)。
動作モードBの説明図(1)。
動作モードBの説明図(2)。
動作モードCの説明図。
第7実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
第8実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
第9実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
直列接続時及び並列接続時のリレーの開閉状態を示す図。
第9実施形態のマルチポート電力変換システムが搭載される車両の全体システム図。
第10実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
(a)フルブリッジ駆動時の説明図、(b)動作タイムチャート。
(a)ハーフブリッジ駆動時の説明図、(b)動作タイムチャート。
第11実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
図29の構成を第11実施形態として用いる場合の動作説明図。
全波整流駆動時のタイムチャート。
(a)ダイオード整流、(b)同期整流による全波整流駆動時の電流を示す図。
半波(倍電圧)整流駆動時のタイムチャート。
(a)ダイオード整流、(b)同期整流による半波(倍電圧)整流駆動時の電流を示す図。
(a)第11実施形態のマルチポート絶縁型コンバータの出力を示すSOC−バッテリ電圧特性図、(b)各SOC領域における電圧を示す表。
第12実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
第12実施形態の構成例を示す図。
その他の実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
その他の実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
その他の実施形態によるマルチポート電力変換システムの模式図。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明のマルチポート電力変換システムの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。第1〜第12実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態のマルチポート電力変換システムは、電力を出力可能な外部電源と、一つ以上のバッテリとの間に設けられ、バッテリの電圧を目標電圧に近づけるように、バッテリを充放電可能なシステムである。各実施形態のマルチポート電力変換システムの符号は、「70」に続く3桁目に実施形態の番号を付す。
【0018】
まず、模式的な構成図である図1を参照し、第1実施形態のマルチポート電力変換システム701を例として、各実施形態に共通する基本構成について説明する。マルチポート電力変換システム701は、電力を出力可能な外部電源150と一つ以上のバッテリBTとの間に設けられる。
【0019】
ここで、本実施形態のマルチポート電力変換システム701は、バッテリBTが搭載される対象システムの内部に設けられることを想定する。また、外部電源150は、少なくとも電源自体が移動体の外部にあるものとして想定される。ただし、外部電源150のうち電源の電力を変換する回路の一部は対象システムの内部に設けられてもよい。例えば第9実施形態では、電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両が対象システムに相当する。
【0020】
図1の例の外部電源150は、AC電源15及びAC/DC変換回路19から構成されている。AC電源15は、100V又は200Vのコンセントから供給される50Hz又は60Hzの商用電源である。AC/DC変換回路19は、例えばPFC(力率改善)回路として構成され、車両等の対象システムの内部に設けられてもよい。その他の例の外部電源150は、充電器等の直流電源であってもよい。
【0021】
マルチポート電力変換システム701は、マルチポート絶縁型コンバータ30、バッテリBTに対応するバッテリ充放電回路60、及び駆動回路75を備える。マルチポート絶縁型コンバータ30は、外部電源150側に一つの一次ポートP1、バッテリBT側に二つの二次ポートP21、P22、すなわち計三つの入出力ポートを有する。
【0022】
バッテリBTには、直列接続された二つのバッテリ側コンデンサCb1、Cb2が並列接続されている。高電位側のバッテリ側コンデンサCb1は、マルチポート絶縁型コンバータ30の二次ポートP21に直接接続される。低電位側のバッテリ側コンデンサCb2は、調整コンバータ62を介してマルチポート絶縁型コンバータ30の二次ポートP22に接続される。バッテリ充放電回路60は、これらの高電位側及び低電位側の回路により構成される。
【0023】
バッテリ充放電回路60の高電位側の回路において「直接接続される」とは、「調整コンバータを介さないで接続される」ことを意味しており、経路途中にリレーや抵抗等の素子が設けられることを排除するものではない。要するに、バッテリ充放電回路60の低電位側の回路は調整コンバータ62によってバッテリ側の電圧を調整する調整回路であるのに対し、高電位側の回路はバッテリ側の電圧を調整しない「非調整回路」である。
【0024】
また、第1実施形態等では低電位側に調整コンバータ62が設けられるが、後述する第4実施形態のように、高電位側に調整コンバータ61が設けられてもよい。ただし、低電位側(すなわちグランド側)の方がノイズの影響を受けにくく、有利なため、第4実施形態以外では低電位側に調整コンバータ62を設ける構成を基本とする。調整コンバータ62の具体的な構成及び作用効果については後述する。
【0025】
マルチポート絶縁型コンバータ30を構成するトランス20は、一次ポートP1に接続される一つの一次巻線21、及び、二つの二次ポートP21、P22に接続される二つの二次巻線221、222がコア23に巻回される。一次ポートP1と一次巻線21との間には一次側スイッチング回路31が設けられる。二つの二次ポートP21、P22と二つの二次巻線221、222との間には、それぞれ二次側スイッチング回路41、42が設けられる。スイッチング回路31、41、42は、巻線211、221に流れる電流の向きを周期的に交替させる。図中、「スイッチング回路」を「SW回路」と記す。
【0026】
二つの二次ポートP21、P22のうちの片側(すなわち一部)の二次ポートP22が「調整側ポート」に相当し、調整側ポートP22以外の二次ポートP21が「非調整側ポート」に相当する。なお、第1実施形態の図1には、二次ポートP21に対応する二次側スイッチング回路の符号が「41M」となっているが、さしあたり「M」を無視し、単に「二次側スイッチング回路41」として説明を進める。
【0027】
駆動回路75は、電圧センサ等からバッテリBTの電圧Vbを取得する。駆動回路75は、マルチポート絶縁型コンバータ30及び調整コンバータ62を駆動し、且つ、調整コンバータ62の動作を制御してバッテリBT側の電圧を調整する。これによりマルチポート電力変換システム701は、バッテリBTの電圧Vbを目標電圧に近づけるように、バッテリBTを充放電させる。すなわち、マルチポート電力変換システム701は、双方向に電力授受可能であり、バッテリBTを充放電可能である。図1に、双方向の電力授受の作用を両方向ブロック矢印で表す。以下の図では、双方向の電力授受を表す図示を省略する。
【0028】
一般にコンバータによる出力電圧の制御として、スイッチング回路のDuty比を可変に制御する構成が知られている。なお、Duty比は、各スイッチング回路を構成する複数のスイッチのON/OFF時間の比を規定する値である。例えば「スイッチング周期に対する上アームスイッチのON時間の比率」がDuty比と定義される。ここで、マルチポート絶縁型コンバータの効率は、スイッチング回路のDuty比に依存する。基本的にDuty比が0.5付近のとき効率は最大であり、0.5から離れると効率は低下する。そのため、Duty比を可変に制御する構成では、動作させるDuty比の領域によっては効率が低下する場合がある。
【0029】
それに対し本実施形態では、バッテリBTの電圧変化に応じて駆動回路75が調整コンバータ62の出力電圧を調整することで、マルチポート絶縁型コンバータ30のDuty比を高効率領域の値に固定して非制御で駆動する。すなわち、駆動回路75によるマルチポート絶縁型コンバータ30の駆動において、一次側スイッチング回路31及び二次側スイッチング回路41、42のDuty比は固定値に設定されている。
【0030】
具体的には、各スイッチング回路のDuty比を固定値として約0.5に設定することで、バッテリ充放電時および電圧均等化時における効率を向上させることができる。このように、スイッチング回路のDuty比を固定して駆動されるコンバータを本明細書では「非制御コンバータ」と称する。
(【0031】以降は省略されています)

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