(57)【要約】【課題】位相シフト方式を用いるＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減する。また、このようなＤＣ／ＤＣ変換装置を含む分散電源システムを提供する。【解決手段】絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換装置１０１であって、位相シフト方式でブリッジ回路１を動作させるとともに、部分共振の段階でトランスＴ１に定電流が流れるようにブリッジ回路１を動作させる制御部３と、ブリッジ回路１とトランスＴ１とを繋ぐ電路に挿入された、インダクタンス調整用のリアクトルＬｓ１と、を備えたものである。リアクトルＬｓ１が有するインダクタンス及びトランスＴ１の漏れインダクタンスの合成インダクタンスと、半導体スイッチ素子Ｑ２に対して並列に存在するキャパシタンスとによって部分共振が生じるとき、合成インダクタンスは、キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間とトランスＴ１に流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させる値である。【選択図】図８
2014176226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチ素子によって構成されたブリッジ回路及びこれに接続されたトランスを含む絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換装置であって、
位相シフト方式で前記ブリッジ回路を動作させるとともに、部分共振の段階で前記トランスに定電流が流れるように前記ブリッジ回路を動作させる制御部と、
前記ブリッジ回路と前記トランスとを繋ぐ電路に挿入された、インダクタンス調整用のリアクトルと、を備え、
前記リアクトルが有するインダクタンス及び前記トランスの漏れインダクタンスの合成インダクタンスと、前記半導体スイッチ素子に対して並列に存在するキャパシタンスとによって部分共振が生じるとき、前記合成インダクタンスは、前記キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間と前記トランスに流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させる値であるＤＣ／ＤＣ変換装置。
【請求項２】
半導体スイッチ素子によって構成されたブリッジ回路及びこれに接続されたトランスを含む絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換装置であって、
位相シフト方式で前記ブリッジ回路を動作させるとともに、部分共振の段階で前記トランスに定電流が流れるように前記ブリッジ回路を動作させる制御部を有し、
前記トランスの漏れインダクタンスと、前記半導体スイッチ素子に対して並列に存在するキャパシタンスとによって部分共振が生じるとき、前記漏れインダクタンスは、前記キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間と前記トランスに流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させる値であるＤＣ／ＤＣ変換装置。
【請求項３】
前記ブリッジ回路から前記トランス及び同期整流回路を介して蓄電池を充電し、逆に、当該蓄電池の放電により前記同期整流回路、前記トランス及び前記ブリッジ回路を介してＤＣバスに給電する双方向型の請求項１又は２に記載のＤＣ／ＤＣ変換装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記ＤＣバスの電圧が上昇して充電開始閾値以上になると前記蓄電池の充電動作を開始させ、前記ＤＣバスの電圧が下降して充電停止閾値以下になると前記蓄電池の充電動作を停止させ、また、前記ＤＣバスの電圧が下降して放電開始閾値以下になると前記蓄電池の放電動作を開始させ、前記ＤＣバスの電圧が上昇して放電停止閾値以上になると前記蓄電池の放電動作を停止させる機能を有し、当該機能により平均出力電流を調整し、
前記充電停止閾値及び前記放電停止閾値は、前記充電開始閾値と前記放電開始閾値との間の値であり、
前記制御部は、前記充電動作において前記蓄電池の充電電流を一定値に制御し、かつ、前記放電動作において前記蓄電池の放電電流を一定値に制御する、請求項３に記載のＤＣ／ＤＣ変換装置。
【請求項５】
前記キャパシタンスは、前記半導体スイッチ素子の寄生容量と、並列に接続されたスナバコンデンサの容量の合成値である請求項３又は４に記載のＤＣ／ＤＣ変換装置。
【請求項６】
需要家に設置される発電装置と、
前記発電装置に接続され、前記ＤＣバスに出力を供給する変換装置と、
前記蓄電池と、
前記蓄電池に接続され、前記ＤＣバスに出力を供給する請求項３〜５のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ変換装置と
を備えた分散電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ／ＤＣ変換装置に関し、特に、蓄電池の充放電に用いられるＤＣ／ＤＣ変換装置及び、これを用いた分散電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、一般家庭やオフィス等の需要家において、商用電源のみに依存しない分散電源システムへの関心が高まっている。例えば、太陽光発電を利用した分散電源システムでは、商用電源系統の他に、太陽光発電パネルと、充放電可能な蓄電池とを組み合わせた構成が用いられる（例えば、特許文献１参照。）。このような分散電源システムでは、商用電源（交流）、太陽光発電パネル（直流）、及び、蓄電池（直流）という異種・異電圧の電源を使用するため、それぞれ、変換装置（ＡＣ／ＤＣ変換又はＤＣ／ＤＣ変換）を通して共通のＤＣバスの電圧とするよう構成されている。蓄電池に用いられるＤＣ／ＤＣ変換装置は、充電・放電の双方向動作が可能である。
通常、上記ＤＣバスの電圧がさらに、インバータ装置により交流に変換され、需要家内の負荷に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６１１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＤＣ／ＤＣ変換装置では、元々、内部の回路を構成する半導体スイッチ素子がオン／オフする時にスイッチング損失が生じる。このようなスイッチング損失を低減する制御方式として、位相シフト方式が採用されている。一方、例えば上記のような従来の分散電源システムでは、蓄電池に接続されている双方向のＤＣ／ＤＣ変換装置が、ＤＣバスの電圧を一定値に維持しようとして、充放電電流を小刻みに変化させる。しかしながら、このような充放電電流の小刻みな変化は、ＤＣ／ＤＣ変換装置内部での環流の原因となる場合や、位相シフト方式の効果であるゼロボルトスイッチングを妨げる場合がある。いずれの場合も、回路として損失を生じ、好ましくない。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、位相シフト方式を用いるＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減することを目的とする。また、このようなＤＣ／ＤＣ変換装置を含む分散電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明は、半導体スイッチ素子によって構成されたブリッジ回路及びこれに接続されたトランスを含む絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換装置であって、位相シフト方式で前記ブリッジ回路を動作させるとともに、部分共振の段階で前記トランスに定電流が流れるように前記ブリッジ回路を動作させる制御部と、前記ブリッジ回路と前記トランスとを繋ぐ電路に挿入された、インダクタンス調整用のリアクトルと、を備えたものであり、前記リアクトルが有するインダクタンス及び前記トランスの漏れインダクタンスの合成インダクタンスと、前記半導体スイッチ素子に対して並列に存在するキャパシタンスとによって部分共振が生じるとき、前記合成インダクタンスは、前記キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間と前記トランスに流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させる値である。
【０００７】
上記のＤＣ／ＤＣ変換装置では、このように合成インダクタンスを定めることにより、キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間とトランスに流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させることができる。すなわち、適切な部分共振条件が整えられ、ＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減することができる。
【０００８】
（２）また、本発明は、半導体スイッチ素子によって構成されたブリッジ回路及びこれに接続されたトランスを含む絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換装置であって、位相シフト方式で前記ブリッジ回路を動作させるとともに、部分共振の段階で前記トランスに定電流が流れるように前記ブリッジ回路を動作させる制御部を有し、前記トランスの漏れインダクタンスと、前記半導体スイッチ素子に対して並列に存在するキャパシタンスとによって部分共振が生じるとき、前記漏れインダクタンスは、前記キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間と前記トランスに流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させる値である。
この場合も、上記と同様に、キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間とトランスに流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させることができる。すなわち、適切な部分共振条件が整えられ、ＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減することができる。
【０００９】
（３）また、上記（１）又は（２）のＤＣ／ＤＣ変換装置において、ブリッジ回路からトランス及び同期整流回路を介して蓄電池を充電し、逆に、蓄電池の放電により同期整流回路、トランス及びブリッジ回路を介してＤＣバスに給電する双方向型の構成とすることもできる。
この場合、蓄電池の充放電のために用いるＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減することができる。
【００１０】
（４）また、上記（３）のＤＣ／ＤＣ変換装置において、制御部は、以下の制御を行ってもよい。
（ａ）ＤＣバスの電圧が上昇して充電開始閾値以上になると蓄電池の充電動作を開始させ、ＤＣバスの電圧が下降して充電停止閾値以下になると蓄電池の充電動作を停止させ、また、ＤＣバスの電圧が下降して放電開始閾値以下になると蓄電池の放電動作を開始させ、ＤＣバスの電圧が上昇して放電停止閾値以上になると蓄電池の放電動作を停止させる機能を有し、この機能により平均出力電流を調整し、
（ｂ）充電停止閾値及び放電停止閾値は、充電開始閾値と放電開始閾値との間の値であり、制御部は、充電動作において蓄電池の充電電流を一定値に制御し、かつ、放電動作において蓄電池の放電電流を一定値に制御する。
この場合、蓄電池の充電電流が一定であることから部分共振時のトランスに流れる電流は一定である。その電流値に対して、半導体スイッチ素子の寄生容量と当該半導体スイッチに対して並列に存在するキャパシタンスとの合成キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間とトランスに流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させる部分共振条件のための前記合成インダクタンスを定めている。従って、充放電の定電流制御と、位相シフト方式のブリッジ回路の動作とが相まって、ＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減することができる。詳細は後述する。
【００１１】
（５）また、上記（３）又は（４）のＤＣ／ＤＣ変換装置において、キャパシタンスは、例えば、半導体スイッチ素子の寄生容量と、並列に接続されたスナバコンデンサの容量の合成値である。
この場合、スナバコンデンサによって所要のキャパシタンスを作ることができる。
【００１２】
（６）また、本発明の分散電源システムは、需要家に設置される発電装置と、発電装置に接続され、ＤＣバスに出力を供給する変換装置と、蓄電池と、蓄電池に接続され、ＤＣバスに出力を供給する上記（３）〜（５）のいずれかのＤＣ／ＤＣ変換装置とを備えたものである。
この場合、ＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減した分散電源システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、位相シフト方式を用いるＤＣ／ＤＣ変換装置の損失を低減することができる。また、このようなＤＣ／ＤＣ変換装置を含む分散電源システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る分散電源システムの構成例を示す接続図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣ変換装置の充放電動作の一例を示す図である。
【図３】ＤＣ／ＤＣ変換装置における充放電動作用の閾値電圧の一例を示す図である。
【図４】蓄電池用のＤＣ／ＤＣ変換装置の内部回路図の一例である。
【図５】ＤＣ／ＤＣ変換装置による電力供給動作の手順を示すフローチャートである。
【図６】例えば充電動作を行うＤＣ／ＤＣ変換装置の各部の信号、電圧、電流等を示すグラフである。
【図７】図４の一部を抜き出した回路図（時刻ｔ２〜ｔ３）である。
【図８】図４の一部を抜き出した回路図（時刻ｔ３〜ｔ４）である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
《分散電源システムの構成例》
図１は、本発明の一実施形態に係る分散電源システムの構成例を示す接続図である。ここでは、太陽光発電と蓄電池とを含む分散電源システムが、需要家に設置される場合を例示して説明する。
【００１６】
図１において、分散電源システム２０１は、蓄電池１０６と、蓄電池１０６用の双方向性のＤＣ／ＤＣ変換装置１０１と、太陽光発電パネル１０２と、太陽光発電パネル１０２の出力についてＭＰＰＴ（最大電力点追従）制御を行うＤＣ／ＤＣ変換装置１０３と、商用交流電源１０４（例えばＡＣ１００Ｖ）用のＡＣ／ＤＣ変換装置１０５と、負荷１０８（供給電圧は例えばＡＣ１００Ｖ）用のＤＣ／ＡＣ変換装置１０７とを備えている。ＤＣバス１５１は、３種類の電源（太陽光発電パネル１０２，蓄電池１０６，商用交流電源１０４）に対する共通の線路となる。
【００１７】
太陽光発電パネル１０２は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３及びＤＣ／ＡＣ変換装置（インバータ装置）１０７を介して、負荷１０８に電力を供給することができる。また、図１では図示していないが、ＤＣ／ＡＣ変換装置１０７の出力を、系統連系により売電することも可能である。
また、太陽光発電パネル１０２において発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３及びＤＣ／ＤＣ変換装置１０１を介して、蓄電池１０６を充電するために使用することができる。また、商用交流電源１０４からＡＣ／ＤＣ変換装置１０５及びＤＣ／ＤＣ変換装置１０１を介して、蓄電池１０６を充電することも可能である。
【００１８】
一方、蓄電池１０６を放電させることにより、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１及びＤＣ／ＡＣ変換装置１０７を介して、負荷１０８に電力を供給することができる。ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の充電が可能で、かつ、充電が必要なときは、充電用の動作を行う。このとき、ＤＣバス１５１の電圧は、蓄電池１０６の充電に適した電圧に変換される。また、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の放電が可能で、かつ、放電が必要なときは、放電用の動作を行う。このとき、蓄電池１０６の電圧は、ＤＣバス１５１の電圧に変換される。
【００１９】
蓄電池１０６は、充電可能な二次電池であり、例えば、鉛電池、リチウムイオン電池、レドックスフロー電池、ＮＡＳ電池、Ｎｉ−Ｃｄ電池、Ｎｉ−ＭＨ電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、又は、溶融塩電池を用いることができる。
【００２０】
ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０５及びＤＣ／ＡＣ変換装置１０７によるＤＣバス１５１の合成容量１０９は例えば９ｍＦである。この合成容量１０９、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３を介した太陽光発電パネル１０２の発電電力、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０５を介した商用交流電源１０４の供給電力、及び、負荷１０８の消費電力により、蓄電池１０６の充放電時におけるＤＣバス１５１の電圧上昇及び電圧下降の傾きが決まる。
【００２１】
なお、図１では需要家に設置される発電装置が太陽光発電パネル１０２である場合について説明したが、風力発電等、その他の電源であってもよい。
【００２２】
《ＤＣバスの電圧と充放電》
次に、ＤＣバス１５１の電圧の変化と、蓄電池１０６の充放電との関係について説明する。
図２は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１を中心とした充放電動作の一例を示す図である。図において、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃの下限値を、例えば、１６０Ｖとし、上限値を１９０Ｖとする。また、ここでは、負荷１０８の消費電力は一定であるとする。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、太陽光発電パネル１０２の発電量が増加し、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇して１９０Ｖに達すると、蓄電池１０６の充電を開始する（タイミングｔ１）。これにより、太陽光発電パネル１０２の発電する電力の余剰分が蓄電池１０６に供給され、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが下降する。このとき、蓄電池１０６における電流は−３０Ａ、すなわちＤＣバス１５１から蓄電池１０６へ３０Ａの充電電流が流れる。なお、３０Ａという数値は一例に過ぎない。
【００２４】
その後、例えば蓄電池１０６の充電量が大きい場合、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが下降して１７５Ｖに達すると、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の充電を停止する（タイミングｔ２）。この３０Ａとタイミングｔ１からタイミングｔ２までの時間との積により、充電電流の積分値が算出される。その後、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが再び上昇して１９０Ｖに達すると、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の充電を再び開始する（タイミングｔ３）。また、同様に、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが下降して１７５Ｖに達すると、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の充電を停止する。
【００２５】
一方、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、太陽光発電パネル１０２の発電量が減少し、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが下降して１６０Ｖに達すると、蓄電池１０６の放電を開始する（タイミングｔ１１）。これにより、太陽光発電パネル１０２の発電電力の不足分がＤＣバス１５１に供給され、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇する。このとき、蓄電池１０６における電流は３０Ａ、すなわち蓄電池１０６からＤＣバス１５１へ３０Ａの放電電流が流れる。
【００２６】
その後、例えば蓄電池１０６の放電量が大きい場合、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇して１７５Ｖに達すると、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の放電を停止する（タイミングｔ１２）。この３０Ａとタイミングｔ１１からタイミングｔ１２までの時間との積により、放電電流の積分値が算出される。その後、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが再び下降して１６０Ｖに達すると、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の放電を再び開始する（タイミングｔ１３）。また、同様に、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇して１７５Ｖに達すると、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の放電を停止する。
【００２７】
また、太陽光発電パネル１０２用のＤＣ／ＤＣ変換装置１０３は、ＤＣバス１５１の電圧が上昇して１９０Ｖ以上になると、ＤＣバス１５１の電圧が所定の上限値例えば１９５Ｖを超えないように出力抑制制御を行なう。
【００２８】
例えば、太陽光発電パネル１０２の発電量が増加し、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇して１９０Ｖに達し、蓄電池１０６の充電を開始した場合において（タイミングｔ２１）、太陽光発電パネル１０２の発電量が非常に大きいときには、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃがさらに上昇して１９５Ｖに達する。そうすると、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３は、太陽光発電パネル１０２のＭＰＰＴ制御を停止し、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが１９５Ｖを超えないように制御する、具体的には、太陽光発電パネル１０２から受ける電流を制限する（タイミングｔ２２）。そして、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３は、太陽光発電パネル１０２の発電量が減少し、出力電圧が１９５Ｖから低下すると、ＭＰＰＴ制御を再開する。
【００２９】
また、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０５は、ＤＣバス１５１の電圧が上昇して１９０Ｖより大きい１９３Ｖ以上になると、ＤＣバス１５１の電圧が所定の上限値例えば１９３Ｖを超えないように出力抑制制御を行なう。
【００３０】
例えば、太陽光発電パネル１０２の発電量が増加し、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇して１９０Ｖに達し、蓄電池１０６の充電を開始した場合において（タイミングｔ３１）、太陽光発電パネル１０２の発電量が非常に大きいときには、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃがさらに上昇して１９３Ｖに達する。そうすると、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０５は、定電流制御を停止し、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが１９３Ｖを超えないように制御する。具体的には、商用交流電源１０４から受ける電流を制限する（タイミングｔ３２）。そして、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０５は、太陽光発電パネル１０２の発電量が減少し、出力電圧が１９３Ｖから低下すると、定電流制御を再開する。
【００３１】
このように、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０５が出力抑制制御を開始する電圧である制限閾値を、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３が出力抑制制御を開始する電圧である制限閾値よりも小さくすることにより、太陽光発電パネル１０２を用いた自然エネルギーの活用を優先させることができる。
また、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０３、ＡＣ／ＤＣ変換装置１０５及びＤＣ／ＡＣ変換装置１０７は、ＤＣバス１５１の電圧が上昇して２００Ｖになると、ＤＣバス１５１の電圧が異常上昇していると判断し、動作を停止する。
【００３２】
上記のような動作において、蓄電池１０６の充電電流及び放電電流は３０Ａで一定である。この分散電源システム２０１では、充電電流及び放電電流を一定の電流に設定することができる。ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１における半導体スイッチのオン損失とリアクトルの銅損は両者ともに電流の二乗に比例する。半導体スイッチとして特にＩＧＢＴを使用した場合には電流を３０Ａのように大きく設定することでオン抵抗が小さい状態で回路を動作させることができる。そこで、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１の定格容量を加味した上でオン損失とリアクトルの銅損との合計損失が最小となる電流値設定をすることで、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１の効率を高めることができる。
【００３３】
なお、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃは、正電圧に限らず、負電圧であってもよい。負電圧の場合、電圧の「上昇」は、例えば−１８０Ｖから−１９０Ｖへの方向に電圧の大きさが変わることを意味し、電圧の「下降」は、例えば−１９０Ｖから−１８０Ｖへの方向に電圧の大きさが変わることを意味する。
【００３４】
図３は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１における充放電動作用の閾値電圧の一例を示す図である。図において、充電開始電圧ＶｄｃＨは１９０Ｖであり、充放電停止電圧ＶｄｃＳは１７５Ｖであり、放電開始電圧ＶｄｃＬは１６０Ｖである。
なお、充電停止電圧及び放電停止電圧は上記とは異なる電圧であってもよい。すなわち、充電停止電圧及び放電停止電圧は、充電開始電圧ＶｄｃＨ及び放電開始電圧ＶｄｃＬの間の電圧であればよい。
【００３５】
図３に示す例では、充電停止電圧及び放電停止電圧の値は、充電開始電圧ＶｄｃＨ及び放電開始電圧ＶｄｃＬの中央値である。
ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇して充電開始閾値以上すなわち充電開始電圧ＶｄｃＨ以上になると充電動作を開始させ、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが下降して充電停止閾値以下すなわち充放電停止電圧ＶｄｃＳ以下なると充電動作を停止させる。
【００３６】
また、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが下降して放電開始閾値以下すなわち放電開始電圧ＶｄｃＬ以下になると放電動作を開始させ、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが上昇して放電停止閾値以上すなわち充放電停止電圧ＶｄｃＳ以上になると放電動作を停止させる。
【００３７】
《蓄電池用のＤＣ／ＤＣ変換装置の詳細》
図４は、蓄電池１０６用のＤＣ／ＤＣ変換装置１０１の内部回路図の一例である。図において、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、主要な構成要素として、ＤＣバス１５１側にあるブリッジ回路（フルブリッジ回路）１、蓄電池１０６側にある同期整流回路としてのカレントダブラ回路２と、それらの中間にあって相互に絶縁を実現しているトランスＴ１と、ＣＰＵその他の制御中枢機能とＰＷＭ回路を含む制御部３とを備えている。
【００３８】
具体的には、ＤＣバス１５１に接続されたブリッジ回路１は、４つの半導体スイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４と、それぞれに並列接続されたスナバコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４とを有している。半導体スイッチＱ１〜Ｑ４は、制御部３によってスイッチングされる。また、ブリッジ回路１は、図示のように、インダクタンス調整用のリアクトルＬｓ１を介して、トランスＴ１の１次側巻線Ｎｐに接続されている。すなわち、ブリッジ回路１とトランスＴ１とを繋ぐ電路にリアクトルＬｓ１が挿入されている。ＤＣバス１５１の２線間には、電解コンデンサＣｄ１が接続されている。また、ＤＣバス１５１の２線間の電圧Ｖｄｃは電圧センサ４によって検知され、その検知出力に基づいて、制御部３は電圧Ｖｄｃを把握する。
【００３９】
一方、カレントダブラ回路２は、トランスＴ１の２次側巻線Ｎｓに接続され、２つの半導体スイッチ素子ＱＡ，ＱＢと、リアクトルＬ１，Ｌ２と、電解コンデンサＣｄ２とを備え、これらは図示のように接続されている。蓄電池１０６の両端に生じる電圧Ｖｂは、電圧センサ６によって検知され、その検知出力に基づいて、制御部３は、蓄電池１０６の電圧Ｖｂを把握する。蓄電池１０６の電流（充放電電流）Ｉｂは、電流センサ５によって検知され、その検知出力に基づいて、制御部３は、電流Ｉｂを把握する。
【００４０】
制御部３は、蓄電池１０６の充電時間及び放電時間を測定する。また、制御部３は、電圧Ｖｄｃに基づいて蓄電池１０６の充電動作及び放電動作の開始及び停止の判断を行なう。制御部３は、蓄電池１０６の充電時間及び放電時間、並びに、蓄電池１０６の電圧Ｖｂ及び電流Ｉｂに基づいて蓄電池１０６の蓄電残量例えば充電率（ＳＯＣ：State of Charge）を算出する。そして、制御部３は、算出した充電率に基づいて蓄電池１０６の充電動作及び放電動作の開始及び停止の判断を行なう。蓄電池１０６に電流が流れていないときの蓄電池１０６の電圧Ｖｂと、充電率とは、所定の対応関係がある。
【００４１】
制御部３は、蓄電池１０６の充電時間及び放電時間、並びに、蓄電池１０６の電圧Ｖｂ及び電流Ｉｂに基づいて、蓄電池１０６の起電力、すなわち蓄電池１０６の端子電圧から蓄電池１０６の内部抵抗ｒを通して流れる電流による電圧分が除外された電圧値を算出する。そして、制御部３は、予め記憶している対応関係を参照することにより、蓄電池１０６の起電力から蓄電池１０６の充電率を求める。
【００４２】
また、制御部３は、蓄電池１０６の充電率と、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃとに基づいて、ブリッジ回路１及びカレントダブラ回路２の各半導体スイッチＱ１〜Ｑ４，ＱＡ，ＱＢをスイッチングする。これにより、例えば、蓄電池１０６の放電動作において、蓄電池１０６の電圧Ｖｂが昇圧されてＤＣバス１５１に供給され、蓄電池１０６の充電動作において、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃが降圧されて蓄電池１０６に供給される。
【００４３】
ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は、蓄電池１０６の充電動作として定電流充電を行ない、蓄電池１０６の放電動作として定電流放電を行なう。すなわち、制御部１２は、充電動作において蓄電池１０６に流入する電流を一定値に制御し、かつ放電動作において蓄電池１０６から流出する電流を一定値に制御する。この一定値は、例えばユーザによって予め設定された値、すなわち所定値である。充放電電流は、トランスＴ１に流れる電流によって決まる。従って、制御部３は、トランスＴ１に所望の定電流が流れるように、ブリッジ回路１及びカレントダブラ回路２を制御する。
【００４４】
図５は、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１による電力供給動作の手順を示すフローチャートである。図において、停止モード（ステップＳ１）では、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は蓄電池１０６の充電動作及び放電動作を停止し、充電モード（ステップＳ４）では、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は蓄電池１０６の充電動作を行ない、放電モード（ステップＳ８）では、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１は蓄電池１０６の放電動作を行なう。
【００４５】
例えば、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１の制御部３は、停止モード時、すなわち充電動作及び放電動作が停止しているときの蓄電池１０６の電圧Ｖｂを測定する。
また、例えば、制御部３は、停止モードにおいて測定された蓄電池１０６の電圧Ｖｂに基づいて、蓄電池１０６の蓄電残量を算出する。そして、制御部３は、算出した蓄電残量が所定条件を満たす場合には、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃに関わらず、充電動作または放電動作を開始させない。
【００４６】
具体的には、制御部３は、停止モードにおいて（ステップＳ１）、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃの判定を行ない（ステップＳ２）、電圧Ｖｄｃが充電開始電圧ＶｄｃＨより大きい場合であって（ステップＳ２でＹＥＳ）、蓄電池１０６の残量、例えば充電率が所定値以下であるときには（ステップＳ３でＹＥＳ）、充電モードへ遷移する（ステップＳ４）。
【００４７】
次に、制御部３は、充電モードにおいて（ステップＳ４）、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃの判定を行ない（ステップＳ５）、電圧Ｖｄｃが充放電停止電圧ＶｄｃＳに達するまで充電モードを継続し（ステップＳ５でＮＯ）、電圧Ｖｄｃが充放電停止電圧ＶｄｃＳに達すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、停止モードへ遷移する（ステップＳ１）。
【００４８】
また、制御部３は、停止モードにおいて（ステップＳ１）、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃの判定を行ない（ステップＳ２）、電圧Ｖｄｃが充電開始電圧ＶｄｃＨ以下かつ放電開始電圧ＶｄｃＬ未満である場合であって（ステップＳ２でＮＯかつステップＳ６でＹＥＳ）、蓄電池１０６の残量例えば充電率が所定値以上であるときには（ステップＳ７でＹＥＳ）、放電モードへ遷移する（ステップＳ８）。
【００４９】
次に、制御部３は、放電モードにおいて（ステップＳ８）、ＤＣバス１５１の電圧Ｖｄｃの判定を行ない（ステップＳ９）、電圧Ｖｄｃが充放電停止電圧ＶｄｃＳに達するまで放電モードを継続し（ステップＳ９でＮＯ）、電圧Ｖｄｃが充放電停止電圧ＶｄｃＳに達すると（ステップＳ９でＹＥＳ）、停止モードへ遷移する（ステップＳ１）。
【００５０】
一方、制御部１２は、電圧Ｖｄｃが充電開始電圧ＶｄｃＨより大きい場合であっても（ステップＳ２でＹＥＳ）、蓄電池１０６の残量例えば充電率が所定値より大きいときには（ステップＳ３でＮＯ）、充電モードへ遷移せず、停止モードを継続する（ステップＳ１）。
【００５１】
また、制御部３は、電圧Ｖｄｃが放電開始電圧ＶｄｃＬ未満である場合であっても（ステップＳ６でＹＥＳ）、蓄電池１０６の残量例えば充電率が所定値未満であるときには（ステップＳ７でＮＯ）、放電モードへ遷移せず、停止モードを継続する（ステップＳ１）。
【００５２】
《ＤＣ／ＤＣ変換装置の動作の詳細》
次に、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１の動作の詳細について説明する。
図６は、例えば充電動作を行うＤＣ／ＤＣ変換装置１０１の各部の信号、電圧、電流等を示すグラフである。上から順に、スイッチングの基本となる鋸歯状波と閾値との関係、半導体スイッチＱ１のゲート信号、半導体スイッチＱ２のゲート信号、半導体スイッチＱ３のゲート信号、半導体スイッチＱ４のゲート信号、トランスＴ１の１次側巻線の電圧（Ｔ１電圧）、トランスＴ１の１次側巻線の電流（Ｔ１電流）、半導体スイッチＱＡのゲート信号、半導体スイッチＱＢのゲート信号、リアクトルＬ１に流れる電流ＩＬ１、リアクトルＬ２に流れる電流ＩＬ２、及び、蓄電池１０６の電流Ｉｂを示している。
【００５３】
半導体スイッチＱ１〜Ｑ４のゲート信号に示すように、制御部３は、ブリッジ回路１を位相シフト方式で動作させている。このようなスイッチングにより、トランスＴ１には図示のような電流（Ｔ１電流）が流れ、トランスＴ１の２次側のカレントダブラ回路２による整流・平滑動作を経て、概ね安定した電流Ｉｂを蓄電池１０６に供給することができる。なお、半導体スイッチＱ１と半導体スイッチＱ２とは交互にオンとなるが、切り替わる際に、遅延時間ＤＴ１が存在する。同様に、半導体スイッチＱ３と半導体スイッチＱ４とは交互にオンとなるが、切り替わる際に、遅延時間ＤＴ２が存在する。
【００５４】
位相シフト方式でブリッジ回路１を動作させるＤＣ／ＤＣ変換装置１０１では、半導体スイッチ素子（Ｑ１〜Ｑ４）の各々における寄生容量と、並列に接続されたスナバコンデンサ（Ｃ１〜Ｃ４）の合成容量（＝Ｃとする。）と、インダクタンス調整用のリアクトルＬｓ１のインダクタンスとトランスＴ１の漏れインダクタンスの合成インダクタンス（＝Ｌｓとする。）によって、部分共振が発生する。なお、半導体スイッチ素子（Ｑ１〜Ｑ４）の寄生容量は素子ごとにほぼ一定値に決まっている。スナバコンデンサ（Ｃ１〜Ｃ４）は、容量成分値の調整用であり、一定値である。
【００５５】
すなわち、位相シフト方式でブリッジ回路１を動作させるＤＣ／ＤＣ変換装置１０１では、半導体スイッチの切り替わりの間に、部分共振が生じる。そこで、例えば、図６における時刻ｔ２〜ｔ３〜ｔ４に着目して、部分共振について説明する。
【００５６】
図７は、図４の一部を抜き出した回路図である。時刻ｔ２〜ｔ３においては、半導体スイッチＱ１及びＱ３がオン（半導体スイッチＱ２及びＱ４はオフ）になっている。このとき、リアクトルＬｓ１及びトランスＴ１の１次側巻線Ｎｐにおける漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーにより、図中の太線で示すように電流が流れる。この電流は、充電に寄与している。一方、オフになっている半導体スイッチＱ２及びＱ４にそれぞれ並列に接続されているスナバコンデンサＣ２及びＣ４には、電圧Ｖｄｃが残っている。
【００５７】
図８は、図７と同じ回路部分の回路図であるが、時刻ｔ３〜ｔ４における状態を示している。図７の状態から半導体スイッチＱ１がオフに転じるとき、短絡状態にあったスナバコンデンサＣ１には電圧は無く、ゼロボルトスイッチングにより、半導体スイッチＱ１はオンからオフに転じる。図８において、時刻ｔ３〜ｔ４の時間帯においてオンとなっているのは、半導体スイッチＱ３のみであり、他の半導体スイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ４は、オフである。
【００５８】
このとき、電流は図中の太線で示すように流れる。半導体スイッチ素子Ｑ２の寄生容量とスナバコンデンサＣ２との合成キャパシタンスと、リアクトルＬｓ１のインダクタンス及び１次巻線Ｎｐの漏れインダクタンスの合成インダクタンスとは、部分共振の状態となる。時刻がｔ４に達すると、半導体スイッチ素子Ｑ２がターンオンするので、このときにゼロボルトスイッチングを達成するには、スナバコンデンサＣ２の電圧が０になっていることが必要である。
一方、前述のように、充電時のトランスＴ１に流れる電流は、蓄電池１０６の充電電流が一定であることから、毎周期一定の振る舞いを見せる。従って、蓄電池１０６に充電するための定電流が部分共振の状態に移る瞬間（時刻ｔ３）においてトランスＴ１に流れる電流値ＩＮＰは毎回（各周期において）一定値となる（図６のＴ１電流参照）。
【００５９】
ここで、スナバコンデンサＣ２の電圧をＶＣ２とすると、
ＶＣ２＝Ｖｄｃ−ＩＮＰ×（Ｌｓ／２Ｃ）１／２      ・・・（１）
である。一方、部分共振が生じている時間は、スナバコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が０になるまでの時間ｔＶＣ２として求めることができる。ここで、電圧Ｖｄｃは制御設定値として値が決まっており、電流ＩＮＰは一定、合成容量Ｃも固定値である。
一方、電流ＩＮＰが０になるまでの時間ｔＮＰは、共振周期の１／４すなわち、
ｔＮＰ＝２π×（２ＬｓＣ）１／２×（１／４）      ・・・（２）
である。
【００６０】
ここで、仮に、部分共振開始時の電流ＩＮＰが定電流ではなく変化し、電圧ＶＣ２が、共振周期の１／４の時間が経過する前にゼロになったとすると、その時点で共振は止まり、残った電流は半導体スイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードを通って還流し、回路損失となる。また、電圧ＶＣ２がゼロに達しない場合は、時刻ｔ４において、電圧ＶＣ２と、半導体スイッチ素子Ｑ２に流れる電流とによるスイッチング損失が発生し、回路損失となる。
【００６１】
前記の回路損失を最小にすることが効率向上につながるが、前述のＤＣバス電圧制御では電流ＩＮＰは一定である。そこで、時間ｔＶＣ２と時間ｔＮＰとが互いに一致するように合成インダクタンスＬｓの値を定め、そのために必要なリアクトルＬｓ１のインダクタンスを決定する。リアクトルＬｓ１はインダクタンス調整用に設けるものであるため、必要な値を用意することができる。また、リアクトルＬｓ１を設けず、１次側回路のインダクタンス成分がトランスＴ１の漏れインダクタンスのみの回路も考えることができる。
【００６２】
このように合成インダクタンスＬｓを定めることにより、キャパシタンスＣの電圧が無くなるまでの時間とトランスＴ１に流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させることができる。すなわち、適切な部分共振条件が整えられ、回路損失が特に少なくなる。このように、充放電の定電流制御と、位相シフト方式のブリッジ回路の動作とが相まって、ＤＣ／ＤＣ変換装置１０１の損失を低減した状態で充放電ができる。また、このようなＤＣ／ＤＣ変換装置１０１を含む分散電源システム２０１を提供することができる。
また、式（１）の第２項は分子Ｌｓに対して分母にＣがあるので、Ｃを小さくすればするほどＬｓを小さくすることができるという利点がある。Ｃの値は、スナバコンデンサによって自在に設定可能である。
【００６３】
なお、部分共振に関する上記の説明では半導体スイッチ素子Ｑ２に着目したが、他の半導体スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ４についても同様である。
【００６４】
参考までに、部分共振条件として好適な数値例を挙げると、例えば以下のようになる。
Ｖｄｃ＝２００Ｖ
Ｉｂ＝２０Ａ
半導体スイッチ素子の寄生容量：１３８０ｐＦ
スナバコンデンサの容量：５００ｐＦ
合成インダクタンスＬｓ＝０．３８μＨ
【００６５】
なお、上記実施形態では、リアクトルＬｓ１を用いたが、前述のように、リアクトルＬｓ１を省略することも可能である。この場合は、トランスＴ１の漏れインダクタンスと、半導体スイッチ素子に対して並列に存在するキャパシタンスとによって部分共振が生じる。従って、この部分共振が生じるときに、漏れインダクタンスは、キャパシタンスの電圧が無くなるまでの時間とトランスＴ１に流れる電流が無くなるまでの時間とを互いに一致させる値であればよい。
【００６６】
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６７】
１  ブリッジ回路
２  カレントダブラ回路（同期整流回路）
３  制御部
１０１  ＤＣ／ＤＣ変換装置
１０６  蓄電池
１５１  ＤＣバス
Ｃ１〜Ｃ４  スナバコンデンサ
Ｌｓ１  リアクトル
Ｑ１〜Ｑ４  半導体スイッチ
Ｔ１  トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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