TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
10個以上の画像は省略されています。
公開番号2021166431
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211014
出願番号2020068513
出願日20200406
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20210917BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】主受電回路に発生するサージ電圧を抑制することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、送電端子、副受電端子、主受電端子及び互いに磁気結合する送電コイル、副受電コイル及び主受電コイルを有するトランスを備え、送電端子からトランスを介して副受電端子及び主受電端子へと電力を供給する。さらに、電力変換装置は、主受電コイルと主受電端子とを接続する主受電回路と、主受電コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して主受電端子に供給すべく主受電回路のスイッチング制御を行う制御部と、を備える。制御部は、主受電端子の電圧をその電圧指令値に制御すべく、主受電回路のスイッチング制御を行い、制御期間TAにおいて、主受電端子に流れる電流の大きさを漸増させるように、送電端子の電圧及び副受電端子の電圧に基づいて、電圧指令値を設定する。
【選択図】 図6
特許請求の範囲【請求項1】
送電端子(CH1,CL1)、副受電端子(CH2,CL2,CH5,CL5)、主受電端子(CH3,CL3)及びトランス(80)を備え、前記送電端子から前記トランスを介して前記副受電端子及び前記主受電端子へと電力を供給する電力変換装置(40)において、
前記トランスは、互いに磁気結合する送電コイル(81)、副受電コイル(82,87)及び主受電コイル(83)を有し、
前記送電コイルと前記送電端子とを接続する送電回路(50,110,130)と、
前記副受電コイルと前記副受電端子とを接続する副受電回路(60,120,140,150)と、
前記主受電コイルと前記主受電端子とを接続する主受電回路(70)と、
前記送電端子から入力される直流電圧を交流電圧に変換して前記送電コイルに供給すべく前記送電回路のスイッチング制御を行い、前記副受電コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して前記副受電端子に供給すべく前記副受電回路のスイッチング制御を行い、前記主受電コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して前記主受電端子に供給すべく前記主受電回路のスイッチング制御を行う制御部(100)と、を備え、
前記制御部は、
前記主受電端子の電圧を電圧指令値に制御すべく、前記主受電回路のスイッチング制御を行い、
前記主受電コイルの電圧極性が第1極性から第2極性に切り替えられてから、前記送電コイルの電圧極性が第2極性から第1極性に切り替えられるまでの期間において、前記主受電端子に流れる電流の大きさを漸増させるように、前記送電端子の電圧及び前記副受電端子の電圧に基づいて、前記電圧指令値を設定する電力変換装置。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
前記制御部は、前記送電端子の電圧及び前記副受電端子の電圧が高いほど、前記電圧指令値を高く設定する請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記制御部は、前記送電端子から前記主受電端子へ供給される電力が大きいほど、前記電圧指令値を低く設定する請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記送電コイルの巻き数をN1とし、前記副受電コイルの巻き数をN2とし、前記主受電コイルの巻き数をN3とし、前記送電端子の電圧をV1rとし、前記副受電端子の電圧をV2rとし、前記電圧指令値をV3*とし、前記送電コイル及び前記主受電コイル間の相互インダクタンスをL13とし、前記副受電コイル及び前記主受電コイル間の相互インダクタンスをL23とする場合、前記制御部は、前記電圧指令値を、下式(b1)を満たす値に設定する請求項1〜3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記主受電端子に接続され、該主受電端子の電圧を降圧して出力するDCDCコンバータを備える請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記主受電コイルの巻き数は、前記送電コイルの巻き数及び前記副受電コイルの巻き数よりも小さい請求項1〜5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記送電回路は、上アーム送電スイッチ(Q1,Q3,Q5,Q7)及び下アーム送電スイッチ(Q2,Q4,Q6,Q8)の直列接続体を有するブリッジ回路であり、
前記副受電回路は、上アーム副受電スイッチ(SW1,SW3,SW9,SW11,SW13,SW15)及び下アーム副受電スイッチ(SW2,SW4,SW10,SW12,SW14,SW16)の直列接続体を有するブリッジ回路であり、
前記主受電回路は、上アーム主受電スイッチ(SW5,SW7)及び下アーム主受電スイッチ(SW6,SW8)の直列接続体を有するブリッジ回路であり、
前記制御部は、前記上アーム送電スイッチ及び前記下アーム送電スイッチを交互にオンするスイッチング制御を行い、前記上アーム副受電スイッチ及び前記下アーム副受電スイッチを交互にオンするスイッチング制御を行い、前記上アーム主受電スイッチ及び前記下アーム主受電スイッチを交互にオンするスイッチング制御を行う請求項1〜6のいずれか一項に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関する。
続きを表示(約 8,200 文字)【背景技術】
【0002】
従来、例えば特許文献1に記載されているように、送電端子、副受電端子、主受電端子及びトランスを備え、送電端子から、トランスを介して副受電端子及び主受電端子へと電力を供給する電力変換装置が知られている。
【0003】
この電力変換装置は、さらに、送電回路、副受電回路、主受電回路及び制御部を備えている。送電回路は、トランスに備えられた送電コイルと送電端子とを接続する。副受電回路は、トランスに備えられた副受電コイルと副受電端子とを接続する。主受電回路は、トランスに備えられた主受電コイルと主受電端子とを接続する。送電コイル、副受電コイル及び主受電コイルは互いに磁気結合されている。
【0004】
制御部は、送電回路、副受電回路及び主受電回路のスイッチング制御を行う。送電回路がスイッチング制御されることで、送電端子から入力される直流電圧が交流電圧に変換され、送電コイルに供給される。副受電回路がスイッチング制御されることで、副受電コイルから出力される交流電圧が直流電圧に変換され、副受電端子に供給される。主受電回路がスイッチング制御されることで、主受電コイルから出力される交流電圧が直流電圧に変換され、主受電端子に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2015−119598号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ここで、主受電回路がスイッチング制御されることに伴い、主受電回路にサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、主受電端子に流れる主受電電流が大きいほど高くなる。
【0007】
また、主受電回路に発生するサージ電圧は、例えば、以下の場合において、特に問題となる。すなわち、主受電コイルの巻き数が送電コイル及び副受電コイルの巻き数よりも小さい場合を考える。この場合、主受電コイルのインダクタンスが送電コイル及び副受電コイルのインダクタンスよりも小さくなるため、主受電電流の大きさが送電端子に流れる送電電流及び副受電端子に流れる副受電電流の大きさよりも大きくなる。そのため、主受電回路に発生するサージ電圧が増大される可能性がある。
【0008】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、主受電回路に発生するサージ電圧を抑制することができる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、送電端子、副受電端子、主受電端子及びトランスを備え、前記送電端子から前記トランスを介して前記副受電端子及び前記主受電端子へと電力を供給する電力変換装置において、前記トランスは、互いに磁気結合する送電コイル、副受電コイル及び主受電コイルを有し、前記送電コイルと前記送電端子とを接続する送電回路と、前記副受電コイルと前記副受電端子とを接続する副受電回路と、前記主受電コイルと前記主受電端子とを接続する主受電回路と、前記送電端子から入力される直流電圧を交流電圧に変換して前記送電コイルに供給すべく前記送電回路のスイッチング制御を行い、前記副受電コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して前記副受電端子に供給すべく前記副受電回路のスイッチング制御を行い、前記主受電コイルから出力される交流電圧を直流電圧に変換して前記主受電端子に供給すべく前記主受電回路のスイッチング制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記主受電端子の電圧を電圧指令値に制御すべく、前記主受電回路のスイッチング制御を行い、前記主受電コイルの電圧極性が第1極性から第2極性に切り替えられてから、前記送電コイルの電圧極性が第2極性から第1極性に切り替えられるまでの期間において、前記主受電端子に流れる電流の大きさを漸増させるように、前記送電端子の電圧及び前記副受電端子の電圧に基づいて、前記電圧指令値を設定する。
【0010】
主受電コイルの電圧極性が第1極性から第2極性に切り替えられるタイミングにおいて、主受電端子に流れる電流の大きさが小さいほど、主受電回路に発生するサージ電圧が抑制される。ただし、主受電端子に流れる電流の大きさが小さいと、送電回路から主受電回路へ供給される電力が低下する懸念がある。
【0011】
そこで、本願発明者は、主受電コイルの電圧極性が第1極性から第2極性に切り替えられてから、送電コイルの電圧極性が第2極性から第1極性に切り替えられるまでの期間において、主受電端子に流れる電流の大きさを漸増させる構成について検討した。この構成によれば、上述した期間において、主受電端子に流れる電流の大きさが一定とされる構成と比較して、主受電コイルの電圧極性が第1極性から第2極性に切り替えられるタイミングにおける、主受電端子に流れる電流の大きさが低減される。その結果、主受電回路に発生するサージ電圧が抑制される。また、主受電コイルに流れる電流の大きさが漸増させられるため、送電回路から主受電回路へ供給される電力の低下を防止又は抑制できる。
【0012】
ここで、主受電回路のスイッチング制御に用いられる主受電端子の電圧指令値は、主受電端子に流れる電流の大きさに影響を及ぼす。また、主受電端子に流れる電流の大きさの時間変化量は、送電端子の電圧、副受電端子の電圧及び主受電端子の電圧に依存する。この点に鑑み、本発明では、電圧指令値が、送電端子の電圧及び副受電端子の電圧に基づいて、上述した期間において主受電端子に流れる電流の大きさが漸増されるように設定される。以上説明した本発明によれば、主受電回路に発生するサージ電圧を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
第1実施形態に係る電力変換装置を示す図。
制御部の処理内容を示すブロック図。
各スイッチの操作状態及びトランスの電圧の推移を示すタイムチャート。
制御部が実行する処理のフローチャート。
トランスの等価回路を示す図。
トランスの電圧及び電流の推移を示すタイムチャート。
第1実施形態及び比較例に係るトランスの電流及び電圧、第5変換スイッチの端子電圧の推移を示すタイムチャート。
シミュレーション結果を示す図。
第2実施形態に係る電圧指令値の設定方法を示す図。
第3実施形態に係る電圧指令値の設定方法を示す図。
第4実施形態に係る電力変換装置を示す図。
第5実施形態に係る電力変換装置を示す図。
第6実施形態に係る電力変換装置を示す図。
その他の実施形態に係る電力変換装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
<第1実施形態>
以下、本発明に係る電力変換装置を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の電力変換装置は、マルチポート型のものであり、例えば、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)や電気自動車(EV)等の電動化車両に搭載されている。
【0015】
図1に示すように、電源システムは、第1蓄電池10、第2蓄電池20、第3蓄電池30、電気負荷31及び電力変換装置40を備えている。各蓄電池10,20,30は、充放電可能な2次電池である。第1,第2蓄電池10,20は、例えばリチウムイオン蓄電池又はニッケル水素蓄電池であり、第3蓄電池30は、例えば鉛蓄電池である。本実施形態において、第1蓄電池10の定格電圧(例えば400V)は第2蓄電池20の定格電圧(例えば300V)よりも高く、第2蓄電池20の定格電圧は第3蓄電池30の定格電圧(例えば14V)よりも高い。また、電気負荷31には、供給電圧が一定であること、または供給電圧の変動が所定範囲内となることが要求される定電圧負荷が含まれる。定電圧負荷の具体例としては、ナビゲーション装置や、オーディオ装置、メータ装置及び各種ECUが挙げられる。
【0016】
電力変換装置40は、第1フルブリッジ回路50を備えている。第1フルブリッジ回路50は、第1〜第4スイッチQ1〜Q4と、第1コンデンサ51とを備えている。本実施形態において、第1〜第4スイッチQ1〜Q4は、NチャネルMOSFETである。第1スイッチQ1及び第3スイッチQ3のドレインには、電力変換装置40の第1高電位側端子CH1が接続されている。第1スイッチQ1のソースには、第2スイッチQ2のドレインが接続され、第3スイッチQ3のソースには、第4スイッチQ4のドレインが接続されている。第2スイッチQ2及び第4スイッチQ4のソースには、電力変換装置40の第1低電位側端子CL1が接続されている。第1高電位側端子CH1には、第1コンデンサ51の第1端と、第1蓄電池10の正極端子とが接続され、第1低電位側端子CL1には、第1コンデンサ51の第2端と、第1蓄電池10の負極端子とが接続されている。
【0017】
本実施形態において、第1フルブリッジ回路50が「送電回路」に相当し、第1スイッチQ1及び第3スイッチQ3が「上アーム送電スイッチ」に相当し、第2スイッチQ2及び第4スイッチQ4が「下アーム送電スイッチ」に相当する。
【0018】
なお、第1高電位側端子CH1及び第1低電位側端子CL1には、第1蓄電池10に代えて、外部電源から入力される交流電力を直流電力に変換して出力するACDCコンバータの出力側が接続されていてもよい。また、本実施形態において、第1高電位側端子CH1及び第1低電位側端子CL1が「送電端子」に相当する。
【0019】
電力変換装置40は、第2フルブリッジ回路60を備えている。第2フルブリッジ回路60は、第1〜第4変換スイッチSW1〜SW4と、第2コンデンサ61とを備えている。本実施形態において、第1〜第4変換スイッチSW1〜SW4は、NチャネルMOSFETである。第1変換スイッチSW1及び第3変換スイッチSW3のドレインには、電力変換装置40の第2高電位側端子CH2が接続されている。第1変換スイッチSW1のソースには、第2変換スイッチSW2のドレインが接続され、第3変換スイッチSW3のソースには、第4変換スイッチSW4のドレインが接続されている。第2変換スイッチSW2及び第4変換スイッチSW4のソースには、電力変換装置40の第2低電位側端子CL2が接続されている。第2高電位側端子CH2には、第2コンデンサ61の第1端と、第2蓄電池20の正極端子とが接続され、第2低電位側端子CL2には、第2コンデンサ61の第2端と、第2蓄電池20の負極端子とが接続されている。
【0020】
なお、本実施形態において、第2高電位側端子CH2及び第2低電位側端子CL2が「副受電端子」に相当し、第2フルブリッジ回路60が「副受電回路」に相当し、第1変換スイッチSW1及び第3変換スイッチSW3が「上アーム副受電スイッチ」に相当し、第2変換スイッチSW2及び第4変換スイッチSW4が「下アーム副受電スイッチ」に相当する。
【0021】
電力変換装置40は、第3フルブリッジ回路70を備えている。第3フルブリッジ回路70は、第5〜第8変換スイッチSW5〜SW8と、第3コンデンサ71とを備えている。本実施形態において、第5〜第8変換スイッチSW5〜SW8は、NチャネルMOSFETである。第5変換スイッチSW5及び第7変換スイッチSW7のドレインには、電力変換装置40の第3高電位側端子CH3が接続されている。第5変換スイッチSW5のソースには、第6変換スイッチSW6のドレインが接続され、第7変換スイッチSW7のソースには、第8変換スイッチSW8のドレインが接続されている。第6変換スイッチSW6及び第8変換スイッチSW8のソースには、電力変換装置40の第3低電位側端子CL3が接続されている。第3高電位側端子CH3には、第3コンデンサ71の第1端が接続され、第3低電位側端子CL3には、第3コンデンサ71の第2端が接続されている。第3高電位側端子CH3及び第3低電位側端子CL3間の電圧は、所定の電圧範囲(例えば40〜48V)に収まるように制御される。
【0022】
なお、本実施形態において、第3高電位側端子CH3及び第3低電位側端子CL3が「主受電端子」に相当し、第3フルブリッジ回路70が「主受電回路」に相当し、第5変換スイッチSW5及び第7変換スイッチSW7が「上アーム主受電スイッチ」に相当し、第6変換スイッチSW6及び第8変換スイッチSW8が「下アーム主受電スイッチ」に相当する。
【0023】
電力変換装置40は、降圧チョッパ回路72を備えている。降圧チョッパ回路72は、第1変圧スイッチSC1、第2変圧スイッチSC2、リアクトル73及び第4コンデンサ74を備えている。本実施形態において、第1変圧スイッチSC1及び第2変圧スイッチSC2は、NチャネルMOSFETである。第1変圧スイッチSC1のドレインには、電力変換装置40の第3高電位側端子CH3が接続されている。第1変圧スイッチSC1のソースには、リアクトル73の第1端及び第2変圧スイッチSC2のドレインが接続されている。リアクトル73の第2端には、第4コンデンサ74の第1端及び電力変換装置40の第4高電位側端子CH4が接続されている。第2変圧スイッチSC2のソースには、電力変換装置40の第3,4低電位側端子CL3,CL4及び第4コンデンサ74の第2端が接続されている。第4高電位側端子CH4には、第3蓄電池30の正極端子及び電気負荷31の第1端が接続され、第4低電位側端子CL4には第3蓄電池30の負極端子及び電気負荷31の第2端が接続されている。本実施形態において、降圧チョッパ回路72が「DCDCコンバータ」に相当する。
【0024】
電力変換装置40は、第1コイル81、第2コイル82及び第3コイル83を有するトランス80を備えている。第1コイル81の第1端には、第1スイッチQ1のソース及び第2スイッチQ2のドレインが接続され、第1コイル81の第2端には、第3スイッチQ3のソース及び第4スイッチQ4のドレインが接続されている。第2コイル82の第1端には、第1変換スイッチSW1のソース及び第2変換スイッチSW2のドレインが接続され、第2コイル82の第2端には、第3変換スイッチSW3のソース及び第4変換スイッチSW4のドレインが接続されている。第3コイル83の第1端には、第5変換スイッチSW5のソース及び第6変換スイッチSW6のドレインが接続され、第3コイル83の第2端には、第7変換スイッチSW7のソース及び第8変換スイッチSW8のドレインが接続されている。
【0025】
第1コイル81、第2コイル82及び第3コイル83は、例えばトランス80が備えるコアを介して、互いに磁気結合する。第1コイル81の第2端に対する第1端の電位が高くなる場合、第2コイル82及び第3コイル83それぞれには、その第2端よりも第1端の電位が高くなるような誘起電圧が発生する。一方、第1コイル81の第1端に対する第2端の電位が高くなる場合、第2コイル82及び第3コイル83それぞれには、その第1端よりも第2端の電位が高くなるような誘起電圧が発生する。なお、本実施形態において、第1コイル81が「送電コイル」に相当し、第2コイル82が「副受電コイル」に相当し、第3コイル83が「主受電コイル」に相当する。
【0026】
第1コイル81の第2端に対する第1端の電位が高くなる場合、第1コイル81の電圧Vt1の極性を正極性と定義し、この場合に第1コイル81に流れる電流IL1の向きを正と定義する。第2コイル82の第2端に対する第1端の電位が高くなる場合、第2コイル82の電圧Vt2の極性を正極性と定義し、この場合に第2コイル82に流れる電流IL2の向きを正と定義する。第3コイル83の第2端に対する第1端の電位が高くなる場合、第3コイル83の電圧Vt3の極性を正極性と定義し、この場合に第3コイル83に流れる電流IL3の向きを正と定義する。なお、本実施形態において、第1〜第3コイル81〜83の極性が正極性の場合を「第1極性」とすると、第1〜第3コイル81〜83の極性が負極性の場合は「第2極性」に相当する。一方、第1〜第3コイル81〜83の極性が負極性の場合を「第1極性」とすると、第1〜第3コイル81〜83の極性が正極性の場合は「第2極性」に相当する。
【0027】
電力変換装置40は、第1〜第3電圧センサ91〜93と、第1〜第3電流センサ94〜96を備えている。第1電圧センサ91は、第1コンデンサ51の端子電圧である第1電圧V1rを検出し、第2電圧センサ92は、第2コンデンサ61の端子電圧である第2電圧V2rを検出し、第3電圧センサ93は、第3コンデンサ71の端子電圧である第3電圧V3rを検出する。
【0028】
第1電流センサ94は、第1高電位側端子CH1と第1フルブリッジ回路50との間を流れる電流である第1電流I1rを検出する。第2電流センサ95は、第2フルブリッジ回路60と第2高電位側端子CH2との間に流れる電流である第2電流I2rを検出する。第3電流センサ96は、第3フルブリッジ回路70と第3高電位側端子CH3との間を流れる電流である第3電流I3rを検出する。なお、本実施形態では、第1〜第3電流I1r〜I3rの符号を以下のように定義する。第1電流I1rの符号は、第1蓄電池10の正極端子から第1高電位側端子CH1へと向かう方向を正と定義する。第2電流I2rの符号は、第2高電位側端子CH2から第2蓄電池20の正極端子へと向かう方向を正と定義する。第3電流I3rの符号は、第3高電位側端子CH3から第1変圧スイッチSC1のドレインへと向かう方向を正と定義する。
【0029】
第1〜第3電圧センサ91〜93及び第1〜第3電流センサ94〜96の検出値は、電力変換装置40が備える制御部100に入力される。制御部100は、第1〜第4スイッチQ1〜Q4、第1〜第8変換スイッチSW1〜SW8、第1変圧スイッチSC1及び第2変圧スイッチSC2をオンオフする。以下、図2を用いて、これら各スイッチQ1〜Q4,SW1〜SW8,SC1,SC2の操作方法について説明する。図2は、制御部100が実行する処理のブロック図である。
【0030】
制御部100は、第1指令電流算出部200と、第1電流制御部210とを備えている。第1指令電流算出部200は、第1電流算出部201と、第1最小値選択部202とを備えている。第1電流算出部201は、入力された第1指令電力P1*を、第2電圧センサ92により検出された第2電圧V2rで除算することにより、第2蓄電池20に流す充電電流の指令値である指令電流I1pを算出する。指令電流I1pは、定電力制御(CP)により第2蓄電池20に電力を供給するために設定される。指令電流I1pの符号が正の場合、第2蓄電池20が充電される側に第2高電位側端子CH2に第2電流I2rが流れる。なお、第1指令電流算出部200に入力される第1指令電力P1*が0の場合、指令電流I1pが0となる。
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

株式会社SOKEN
治具
株式会社SOKEN
噴射弁
株式会社SOKEN
電動車両
株式会社SOKEN
送風装置
株式会社SOKEN
制御装置
株式会社SOKEN
駆動装置
株式会社SOKEN
送風装置
株式会社SOKEN
燃料電池
株式会社SOKEN
制動装置
株式会社SOKEN
レーダ装置
株式会社SOKEN
点火プラグ
株式会社SOKEN
燃料噴射弁
株式会社SOKEN
高圧タンク
株式会社SOKEN
燃料噴射弁
株式会社SOKEN
燃料噴射弁
株式会社SOKEN
面圧センサ
株式会社SOKEN
レーダ装置
株式会社SOKEN
高圧タンク
株式会社SOKEN
レーダ装置
株式会社SOKEN
電力変換装置
株式会社SOKEN
ガス検知装置
株式会社SOKEN
駆動システム
株式会社SOKEN
物体検出装置
株式会社SOKEN
動力伝達装置
株式会社SOKEN
表示制御装置
株式会社SOKEN
物標追跡装置
株式会社SOKEN
電力変換装置
株式会社SOKEN
運転支援装置
株式会社SOKEN
情報統合装置
株式会社SOKEN
電力変換装置
株式会社SOKEN
電流注入装置
株式会社SOKEN
電力変換装置
株式会社SOKEN
電力変換装置
株式会社SOKEN
交通システム
株式会社SOKEN
交通システム
株式会社SOKEN
形状計測装置
続きを見る