(57)【要約】【課題】比較的簡単に構成でき廉価な双方向電源装置を提供する。【解決手段】巻数ｍ１の一次側コイル４６及び巻数ｍ２の二次側コイル３１を備えた高周波トランス１４と、高周波トランス１４の二次側に接続される双方向フルブリッジコンバータ１５とを有し、双方向フルブリッジコンバータ１５に二次電池１６を接続して二次電池１６の充放電を行う双方向電源装置１０において、双方向フルブリッジコンバータ１５が整流回路として働く二次電池１６の充電時には、双方向フルブリッジコンバータ１５を巻数ｍ２の二次側コイル３１に接続して全波整流を行い、双方向フルブリッジコンバータ１５がインバータとして働く二次電池１６の放電時には、双方向フルブリッジコンバータ１５を巻数ｍ２より少ない巻数ｍ３の二次側コイル３１に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻数ｍ１の一次側コイル及び巻数ｍ２の二次側コイルを備えた高周波トランスと、該高周波トランスの二次側に接続される双方向フルブリッジコンバータとを有し、該双方向フルブリッジコンバータに二次電池を接続して該二次電池の充放電を行う双方向電源装置において、
前記双方向フルブリッジコンバータが整流回路として働く前記二次電池の充電時には、前記双方向フルブリッジコンバータを前記巻数ｍ２の二次側コイルに接続して全波整流を行い、前記双方向フルブリッジコンバータがインバータとして働く前記二次電池の放電時には、前記双方向フルブリッジコンバータを前記巻数ｍ２より少ない巻数ｍ３の二次側コイルに接続することを特徴とする双方向電源装置。
【請求項２】
請求項１記載の双方向電源装置において、前記双方向フルブリッジコンバータは、前記二次電池の充電時に前記巻数ｍ２の二次側コイルの電圧を全波整流する補助ダイオードを備えることを特徴とする双方向電源装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の双方向電源装置において、前記巻数ｍ３の二次側コイルは、前記巻数ｍ２の二次側コイルに中間タップを設けて形成されることを特徴とする双方向電源装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の双方向電源装置において、前記巻数ｍ２の二次側コイルにはスイッチが設けられて、前記二次電池の放電時に、前記双方向フルブリッジコンバータが前記インバータとして働き、前記巻数ｍ３の二次側コイルに電力が供給されている場合は、前記スイッチをオフにすることを特徴とする双方向電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
商用電源から二次電池に、更に必要な場合は二次電池から商用電源に電力を供給する双方向電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
商用電源から二次電池に電力を供給（充電）し、緊急時に二次電池から商用電源に電力を供給（放電）する双方向電源装置については、例えば、特許文献１等で知られている。
図５に従来例に係る双方向フルブリッジコンバータを用いた双方向電源装置１００を示すが、１）商用電源１０１に接続される第１の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２と、２）それぞれにダイオード１０４〜１０７が並列に接続されたスイッチング素子１０８〜１１１を備えた第２の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２と、３）高周波トランス１１４と、４）それぞれにダイオード１１５〜１１８が並列に接続されたスイッチング素子１１９〜１２２を備えた第３の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１２３とを直列に接続し、商用電源１０１から二次電池１２５に電力を供給又は二次電池１２５から商用電源１０１に電力を供給していた。
【０００３】
この場合、二次電池１２５を充電する場合には、商用電源１０１からの電力を第１の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２で直流に変換し、第２の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２で２０〜１００ｋＨｚの高周波交流に変換し、高周波トランス１１４を介して第３の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１２３に供給して直流として二次電池１２５を充電していた。また、二次電池１２５を放電する場合は、第３の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１２３で高周波交流にし、高周波トランス１１４を介して第２の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２に供給し直流にした後、第１の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２に供給して商用交流に変換して商用電源１０１に供給していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１３６０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、高周波トランス１１４の巻数比は二次電池１２５の充電電圧を基準にして設定される。即ち、二次電池１２５の充電電圧は、第１の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２の出力電圧Ｖ（商用電源１０１の電圧と同一かやや高い）と第２の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１１２で行うＰＷＭ制御のデューティ比ｒ１と、高周波トランス１１４の巻数比ｎ１によって決定される。ここで、デューティ比Ｒ１を小さく取ると高周波トランス１１４の二次側電圧は小さくなるので、巻数比ｎ１を大きくする必要がある（即ち、ｍ２／ｍ１＞１、ｍ１、ｍ２は一次側コイル及び二次側コイルの巻数）。巻数比ｎ１を大きくすると、二次電池１２５の放電を行う場合は、高周波トランス１１４によって出力電圧が下がり、商用電源１０１に供給できないので、通常はｍ１＝ｍ２としている。なお、入力電圧と出力電圧の関係は以下の通りとなる。
出力電圧＝（ｍ２／ｍ１）×ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）×入力電圧、ここで、ｔｏｎはＰＷＭ制御の通電時間、ｔｏｆｆはＰＷＭ制御の非通電時間を示す。
【０００６】
ところが、高周波トランス１１４の巻数比ｎ１＝１としても、放電時に二次電池１２５の電圧が下がると、高周波トランス１１４の出力電圧（一次側電圧）が下がる。そこで、ＰＷＭ制御を行って直流を交流にする第３の双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１２３のデューティ比を挙上げることになるが、１００％以上は不可能である。そこで、図６に示すように二次電池１２５側に昇圧降圧回路（チョッパー）１２７を設け、二次電池１２５の電圧が下がった場合には、昇圧降圧回路１２７によって二次電池１２５の電圧降下を補償している。
【０００７】
このような昇圧降圧回路１２７を設けると、全体の装置が複雑化して価格も高騰し、更に、余分なメンテナンスが必要となる。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、比較的簡単に構成でき、廉価な双方向電源装置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】
【０００８】
前記目的に沿う第１の発明に係る双方向電源装置は、巻数ｍ１の一次側コイル及び巻数ｍ２の二次側コイルを備えた高周波トランスと、該高周波トランスの二次側に接続される双方向フルブリッジコンバータとを有し、該双方向フルブリッジコンバータに二次電池を接続して該二次電池の充放電を行う双方向電源装置において、
前記双方向フルブリッジコンバータが整流回路として働く前記二次電池の充電時には、前記双方向フルブリッジコンバータを前記巻数ｍ２の二次側コイルに接続して全波整流を行い、前記双方向フルブリッジコンバータがインバータとして働く前記二次電池の放電時には、前記双方向フルブリッジコンバータを前記巻数ｍ２より少ない巻数ｍ３の二次側コイルに接続する。なお、ｍ１、ｍ２、ｍ３は理解を容易にするために付したもので、実施の形態に説明する具体的数字によって限定されるものではない（以下の説明においても同じ）。
【０００９】
第２の発明に係る双方向電源装置は、第１の発明に係る双方向電源装置において、前記双方向フルブリッジコンバータは、前記二次電池の充電時に前記巻数ｍ２の二次側コイルの電圧を全波整流する補助ダイオードを備えている。
【００１０】
第３の発明に係る双方向電源装置は、第１、第２の発明に係る双方向電源装置において、前記巻数ｍ３の二次側コイルは、前記巻数ｍ２の二次側コイルに中間タップを設けて形成される。
【００１１】
そして、第４の発明に係る双方向電源装置は、第１〜第３の発明に係る双方向電源装置において、前記巻数ｍ２の二次側コイルにはスイッチが設けられて、前記二次電池の放電時に、前記双方向フルブリッジコンバータが前記インバータとして働き、前記巻数ｍ３の二次側コイルに電力が供給されている場合は、前記スイッチをオフにする。
【発明の効果】
【００１２】
第１〜第４の発明に係る双方向電源装置は、二次電池の電圧が下がった場合であっても、昇圧回路（及び降圧回路）を必要とせず、二次電池から高周波トランス側に向けて電力供給が可能となるので、より部品点数が少なく、廉価に双方向電源装置を構成できる。
【００１３】
特に、第２の発明に係る双方向電源装置は、双方向フルブリッジコンバータが、二次電池の充電時に巻数ｍ２の二次側コイルの電圧を全波整流する補助ダイオードを備えているので、二次電池を確実に充電できる高い直流電圧を得ることができる。
【００１４】
第３の発明に係る双方向電源装置は、巻数ｍ３の二次側コイルが、巻数ｍ２の二次側コイルに中間タップを設けて形成されるので、二次電池の充電時の高周波トランスの利用効率が向上する。
【００１５】
第４の発明に係る双方向電源装置は、巻数ｍ２の二次側コイルにスイッチが設けられて、双方向フルブリッジコンバータが巻数ｍ３の二次側コイルに接続されている場合はスイッチをオフにしているので、回路の循環電流を減少できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係る双方向電源装置の充電時の動作説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は同双方向電源装置の放電時の動作説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施の形態に係る双方向電源装置の説明図である。
【図４】本発明の更に他の実施の形態に係る双方向電源装置の説明図である。
【図５】従来例に係る双方向電源装置の説明図である。
【図６】従来例を更に改良した双方向電源装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る双方向電源装置１０は、商用電源１１を第１の双方向フルブリッジコンバータ１２によって直流にし、この直流を第２の双方向フルブリッジコンバータ１３によって高周波交流とし、この高周波電力を高周波トランス１４を介して、高周波トランス１４の二次側に接続される第３の双方向フルブリッジコンバータ（本発明に係る双方向フルブリッジコンバータになる）１５に供給し、直流に変換して第３の双方向フルブリッジコンバータ１５に接続される二次電池１６を充電する二次電池充放電電源装置１８に使用されている。
【００１８】
この実施の形態においては、双方向フルブリッジコンバータ１５には、それぞれ２組が直列かつ並列に接続されたスイッチング素子２０〜２３と、スイッチング素子２０〜２３に極性を逆にして並列に接続されたダイオード２４〜２７を有している。この双方向フルブリッジコンバータ１５には、更に並列（正確には逆並列）にダイオード（補助ダイオードの一例）２８、２９が接続されている。高周波トランス１４の二次側コイル３１は中間タップ３２を有し、この中間タップ３２は双方向フルブリッジコンバータ１５の一方の入出力部３３に接続されて、他方の入出力部３４には二次側コイル３１の一側巻き端部３５が接続されている。また、二次側コイル３１の他側巻き端部３５ａにはスイッチ３６ａが設けられ、ダイオード２８、２９の連結部３７ａに接続されている。
【００１９】
一方、第２の双方向フルブリッジコンバータ１３は、それぞれ２組が直列に接続されたスイッチング素子３６〜３９と、スイッチング素子３６〜３９に逆並列に接続されたダイオード４０〜４３とを有し、中間部の入出力端子４４、４５が高周波トランス１４の一次側コイル４６に接続されている。
【００２０】
また、第１の双方向フルブリッジコンバータ１２は商用電源（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）１１を直流に、又は直流から商用周波数に変換する回路を有している。第１、第２、第３の双方向フルブリッジコンバータ１２、１３、１５は内部にインバータ制御及び単なる整流制御を行うプログラムを複数有する制御装置４７によって制御されている。
なお、図１（Ｂ）、図２（Ａ）、（Ｂ）に記載されているスイッチング素子、ダイオードは図１（Ａ）に記載されているスイッチング素子、ダイオードと同一であるので、これらの符号を省略する。
【００２１】
図１（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、二次電池充放電電源装置１８によって二次電池１６の充電を行う場合について説明する。
高周波トランス１４の二次側コイル３１に接続されるスイッチ３６ａはオンにしておき、制御装置４７の指令によって、第１の双方向フルブリッジコンバータ１２を整流回路とし、第２の双方向フルブリッジコンバータ１３をインバータとし、第３の双方向フルブリッジコンバータ１５を整流回路として作動させるようにする。
【００２２】
従って、商用電源１１を第１の双方向フルブリッジコンバータ１２によって直流に変換し、この直流を第２の双方向フルブリッジコンバータ１３によって周波数が２０〜１００ｋＨｚの高周波交流に変換して、高周波トランス１４の一次側コイル４６に供給している。この場合の一次側コイル４６の巻数ｍ１と二次側コイル３１の巻数ｍ２は例えば同一巻数となって、高周波トランス１４の一次側の電圧と二次側の電圧は同一となる。
【００２３】
二次側コイル３１には巻数ｍ３の位置に中間タップ３２が設けられ、この実施の形態では、ｍ３＝ｍ１／２＝ｍ２／２となっている。
なお、高周波トランス１４を用いることによって、商用電源側の回路と二次電池側の回路が直流的に絶縁されると共に、第１、第２の双方向フルブリッジコンバータ１２、１３がインバータとして働く場合の波形から高調波が減少し、より装置の安定性がよくなる。
【００２４】
二次側コイル３１の巻数ｍ２側のスイッチ３６ａがオンとなっているので、第３の双方向フルブリッジコンバータ１５は二次側コイル３１に接続され、ダイオード２８、２９とダイオード２６、２７によるフルブリッジ整流器として作動し、二次電池１６の両端に高電圧、即ち、二次側コイル３１を全波整流した直流電圧がかかることになる。これによって、二次電池１６の充電が行われる。なお、この装置は二次電池充放電電源装置１８であるので、電流及び電圧を測定する計測器は設けられているが、説明は省略する。
【００２５】
二次電池１６の充電電圧及び電流の調整はインバータとして働く第２の双方向フルブリッジコンバータ１３のＰＷＭ制御のデューティ比を変えて行う。なお、図１（Ａ）、（Ｂ）の矢印ａ、ｂは第３の双方向フルブリッジコンバータ１５の充電時の通電経路を示す。この場合、中間タップ３２は一側巻き端部３５と他側巻き端子３５ａの中間電位となるので、接続される導線には電流は流れない。
【００２６】
次に、図２（Ａ）、（Ｂ）を参照して、この二次電池充放電電源装置１８が二次電池１６を放電させる場合、即ち、商用電源１１に対して二次電池１６から電力を供給する場合について説明する。二次電池１６から電力を供給させる場合はスイッチ３６ａはオフにする。これによって、高周波トランス１４の二次側コイル３１の巻数ｍ３に対する一次側コイル４６の巻数ｍ１は２倍となる。
【００２７】
第３の双方向フルブリッジコンバータ１５はインバータとして働き、高周波電圧を高周波トランス１４の巻数ｍ３の二次側コイル３１に供給する。一次側には二次側コイル３１にかかる電圧の２倍の電圧が誘起され、整流回路として作動する第２の双方向フルブリッジコンバータ１３によって直流に変換され、この直流はインバータとして働く第１の双方向フルブリッジコンバータ１２に入力されて、商用電源１１の周波数に変換され、位相も商用電源１１に同期させて、商用電源１１に供給される。
【００２８】
ここで、第１の双方向フルブリッジコンバータ１２の出力電圧は、ＰＷＭ変調を行う第３の双方向フルブリッジコンバータ１５のデューティ比によって決定される。従って、高周波トランス１４の一次側、二次側コイル４６、３１の巻数ｍ１、ｍ３を考慮すると、一次側コイル４６に発生する電圧Ｖ１は、二次電池１６の電圧をＶｂとすると以下の式のようになる。
Ｖ１＝Ｖｂ×（ｍ１／ｍ３）×ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）
この高周波電圧Ｖ１を第２の双方向フルブリッジコンバータ１３で整流し、第１の双方向フルブリッジコンバータ１２で商用電源に変換すると、その電圧Ｖｃ＝ｋＶ１となる（ｋは比例定数）。
【００２９】
従って、供給される商用電源１１の電圧をＶｓとすると、Ｖｃ＞Ｖｓとなる。この場合、商用電源１１に供給される電流Ｉｃは、Ｉｃ＝（Ｖｃ−Ｖｓ）／Ｒ（Ｒは内部抵抗）となる。ここで、高周波トランス１４の巻数比は一定値２であるので、第３の双方向フルブリッジコンバータ１５のデューティ比を変えて、Ｉｃの値を決めることになる。
【００３０】
二次電池１６の端子電圧は、最初は規定値を維持しているが、放電させることによって電圧が下がり、例えば、電圧が半分になると従来の二次電池充放電電源装置では、商用電源側に電力を返すことは不可能になるが、本発明の場合、高周波トランス１４の巻数比ｍ１／ｍ３を大きくしている（＝２）ので、二次電池１６の電圧が下がっても放電が可能となる。
なお、二次電池１６を充電する場合は、巻数比を元に戻しているので、直流電圧を高圧（二次電池１６の電圧より高い）とすることが可能となり二次電池１６の充電が十分に可能となる。
【００３１】
図３（Ａ）、（Ｂ）、図４は本発明の他の実施の形態に係る双方向電源装置４９〜５１を用いた二次電池充放電電源装置５２〜５４を示す。なお、二次電池充放電電源装置５２〜５４は図１、図２に示す二次電池充放電電源装置１８と実質同一であるので、異なる構成要素についてのみ説明する。
【００３２】
図３（Ａ）に示す二次電池充放電電源装置５２においては、図１（Ａ）に示すように、高周波トランス１４の二次側コイル３１の片側に接続されていたスイッチ３６ａを無くし、ダイオード２９の片側にスイッチ５５を設けて、第３の双方向フルブリッジコンバータ１５がインバータとして作動する場合は、二次側コイル３１の全体、即ち巻数ｍ２の全部に流れるのを防止している。なお、第３の双方向フルブリッジコンバータ１５を整流回路として作動させる場合は、スイッチ５５をオンにする。
【００３３】
また、図３（Ｂ）に示す二次電池充放電電源装置５３においては、図１、図２に示すスイッチ３６ａを省略し、一側巻き端子３５にスイッチ５６として設けている。そして、二次側コイル３１の他側巻き端子３５ａは、第３の双方向フルブリッジコンバータ１５の連結部３７ａに接続されている。動作は、図１（Ａ）、（Ｂ）、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す二次電池充放電電源装置１８と同一である。
【００３４】
図４には、更に本発明の他の実施の形態に係る双方向電源装置５１を示すが、二次側コイル５８に２つの中間タップ５９、６０を設け、第３の双方向フルブリッジコンバータ６１がダイオード６２〜６５を用いる整流回路として働く場合には、スイッチ６６、６７をオンにして二次側コイル５８の両端（巻数ｍ４）に接続する。勿論、二次側コイル５８の両側に設けられているスイッチ６６、６７をオフにして、中間タップ５９、６０（巻数ｍ５）からの出力を整流回路の入力としてもよい。
【００３５】
第３の双方向フルブリッジコンバータ６１が二次電池１６を電源とするインバータとして作動する場合には、スイッチ６６、６７をオフにして、中間タップ５９、６０の位置に高周波電圧を加えると、高周波トランス７０の一次側コイル４６に、巻数比（ｍ１／ｍ５）で昇圧された電圧が発生する。勿論、発生電圧が高い場合は、第３の双方向フルブリッジコンバータ６１のデューティ比を調整する。
なお、高周波トランスの一次側コイルと、二次側コイルの巻数比は、二次電池の充電電圧を二次電池の最小放電電圧の比に合わせておくのが好ましい。
【００３６】
本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、本発明の双方向電源装置を、自動車用の電源回路、太陽電池を用いる電源、燃料電池を用いる電源等に適用することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１０：双方向電源装置、１１：商用電源、１２：第１の双方向フルブリッジコンバータ、１３：第２の双方向フルブリッジコンバータ、１４：高周波トランス、１５：第３の双方向フルブリッジコンバータ、１６：二次電池、１８：二次電池充放電電源装置、２０〜２３：スイッチング素子、２４〜２９：ダイオード、３１：二次側コイル、３２：中間タップ、３３、３４：入出力部、３５：一側巻き端部、３５ａ：他側巻き端子、３６〜３９：スイッチング素子、３６ａ：スイッチ、３７ａ：連結部、４０〜４３：ダイオード、４４、４５：入出力端子、４６：一次側コイル、４７：制御装置、４９〜５１：双方向電源装置、５２〜５４：二次電池充放電電源装置、５５、５６：スイッチ、５８：二次側コイル、５９、６０：中間タップ、６１：第３の双方向フルブリッジコンバータ、６２〜６５：ダイオード、６６、６７：スイッチ、７０：高周波トランス
【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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