(57)【要約】【課題】充電から放電の切り換え又は放電から充電の切り換え時に、電力供給の停止時間がなく、大容量のコンデンサーを必要としない二次電池用双方向電源装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】切り換えにあって停止期間を必要とするコンバータと、これに接続される双方向チョッパー１６とを備え、二次電池１４の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置１０において、コンバータを２分割したコンバータ１３及びコンバータ１３ａと、コンバータと双方向チョッパー１６との間に設けられたコンデンサー１７と、充電と放電の切り換え時に、１）コンバータ１３はその順動作を維持したままコンバータ１３ａを停止する処理１、２）コンバータ１３を停止すると共にコンバータ１３ａに逆動作をさせる処理２、３）コンバータ１３を逆動作させる処理３を順次行う制御手段１８と備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーとを備え、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置において、
前記コンバータを２分割したコンバータＡ及びコンバータＢと、
前記コンバータと前記双方向チョッパーとの間に設けられたコンデンサーと、
前記充電と放電の切り換え時に、１）前記コンバータＡはその順動作を維持したまま前記コンバータＢを停止する処理１、２）前記コンバータＡを停止すると共に前記コンバータＢに逆動作をさせる処理２、３）前記コンバータＡを逆動作させる処理３を順次行う制御手段とを備えることを特徴とする二次電池用双方向電源装置。
【請求項２】
切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーとを備え、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置において、
前記コンバータの一つであって常時は停止しているコンバータＣと、
前記コンバータＣ以外のコンバータＤと、
前記コンバータＤに接続される二次電池の順動作から逆動作への切り換え時に、前記コンバータＤを停止にすると共に前記コンバータＣを逆動作させる制御手段を備えることを特徴とする二次電池用双方向電源装置。
【請求項３】
切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーを有して、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置の制御方法において、
前記コンバータと前記双方向チョッパーとの間にコンデンサーを設け、前記コンバータを、コンバータＡとコンバータＢとに２分割し、
更に、前記充電と放電の切り換えに、１）前記コンバータＡはその状態を維持したまま前記コンバータＢを停止する第１工程と、２）前記コンバータＡを停止すると共に前記コンバータＢに逆動作をさせる第２工程と、３）前記コンバータＡを逆動作させる第３工程とを有することを特徴とする二次電池用双方向電源装置の制御方法。
【請求項４】
切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーとを備え、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置の制御方法において、
前記コンバータの一つを常時は停止しているコンバータＣとし、
前記コンバータＣ以外のコンバータＤに接続される二次電池の順動作から逆動作への切り換え時に、前記コンバータＤを停止にすると共に前記コンバータＣを逆動作させることを特徴とする二次電池用双方向電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池に対して充電と放電を行う場合に、急速に充電（力行）から放電（回生）に、又は急速に放電から充電に切り換える二次電池用双方向電源装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、交流側端子が交流電源に接続され、直流側端子が直流バスに接続される双方向ＡＣ−ＤＣコンバータと、一端が直流バスに接続され、他端が電池（試料）に接続される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して双方向ＤＣ−ＤＣコンバータによる電池に対する充放電を制御する制御装置を有する充放電装置を備えた充放電試験システムが提案されている。
【０００３】
更に、双方向高周波絶縁型コンバータと双方向チョッパー回路とを組み合わせた二次電池の充放電回路において、急激に充電（力行）から放電（回生）に、又は放電から充電に切り換えることも行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５４７９３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、従来の充放電回路においては、急激に充電（力行）から放電（回生）に、又は放電から充電に切り換える場合に、双方向コンバータの入力と出力のスイッチング素子を切り換えるのに停止時間が必要であり、この停止時間を補うために、大容量かつ高耐電圧のコンデンサーが必要であり、高耐電圧の電解コンデンサーは存在しないので、電解コンデンサーを直列に接続して使用することになり、直列に接続すると全体の容量は半分になるので、高価となって嵩張るという問題がある。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、充電から放電の切り換え又は放電から充電の切り換え時に、電力供給の停止時間がなく、従って、大容量のコンデンサーを必要としない二次電池用双方向電源装置及びその制御方法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】
【０００７】
前記目的に沿う第１の発明に係る二次電池用双方向電源装置は、切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーとを備え、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置において、
前記コンバータを２分割したコンバータＡ及びコンバータＢと、
前記コンバータと前記双方向チョッパーとの間に設けられたコンデンサーと、
前記充電と放電の切り換え時に、１）前記コンバータＡはその順動作を維持したまま前記コンバータＢを停止する処理１、２）前記コンバータＡを停止すると共に前記コンバータＢに逆動作をさせる処理２、３）前記コンバータＡを逆動作させる処理３を順次行う制御手段とを備える。ここで、順動作とは二次電池の「充電又は放電」のいずれか一方を行う動作をいい、逆動作とは前記した「充電又は放電」のうちいずれか他方の動作を行うことをいう（以下、同じ）。
【０００８】
また、第２の発明に係る二次電池用双方向電源装置は、切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーとを備え、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置において、
前記コンバータの一つであって常時は停止しているコンバータＣと、
前記コンバータＣ以外のコンバータＤと、
前記コンバータＤに接続される二次電池の順動作から逆動作への切り換え時に、前記コンバータＤを停止にすると共に前記コンバータＣを逆動作させる制御手段を備える。
なお、コンバータＣが作動し、コンバータＤが停止すると、コンバータＣはコンバータＤに代わり、コンバータＤは停止する（第４の発明においても同じ）。
【０００９】
第３の発明に係る二次電池用双方向電源装置の制御方法は、切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーを有して、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置の制御方法において、
前記コンバータと前記双方向チョッパーとの間にコンデンサーを設け、前記コンバータを、コンバータＡとコンバータＢとに２分割し、
更に、前記充電と放電の切り換えに、１）前記コンバータＡはその状態を維持したまま前記コンバータＢを停止する第１工程と、２）前記コンバータＡを停止すると共に前記コンバータＢに逆動作をさせる第２工程と、３）前記コンバータＡを逆動作させる第３工程とを有する。
【００１０】
第４の発明に係る二次電池用双方向電源装置の制御方法は、切り換えにあって停止期間を必要とする双方向高周波絶縁型コンバータ又はブリッジコンバータからなる複数のコンバータと、該コンバータに接続される双方向チョッパーとを備え、二次電池の充電と放電の切り換えを行う二次電池用双方向電源装置の制御方法において、
前記コンバータの一つを常時は停止しているコンバータＣとし、
前記コンバータＣ以外のコンバータＤに接続される二次電池の順動作から逆動作への切り換え時に、前記コンバータＤを停止にすると共に前記コンバータＣを逆動作させる。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明に係る二次電池用双方向電源装置及び第３の発明に係る二次電池用双方向電源装置の制御方法においては、複数のコンバータをコンバータＡとコンバータＢに２分割し、二次電池の充電から放電又は放電から充電の切り換えを行う場合には、１）コンバータＢを止めてコンバータＡをそのまま順動作させ、２）コンバータＢの停止期間を取り、コンバータＢを逆動作させ、コンバータＡを止め、３）コンバータＡの停止期間を取った後、コンバータＡの逆動作をさせることによって、コンバータＡ、Ｂの切り換えを行うので、コンバータに停止期間があっても、常時二次電池が電源側に繋がっていることになり、コンバータと双方向チョッパーとの間に形成される直流バスに異常な高電圧が発生しない。従って、高耐電圧で大容量のコンデンサーが不要となり、設備が小型で安価になる。
【００１２】
第２の発明に係る二次電池用双方向電源装置及び第４の発明に係る二次電池用双方向電源装置の制御方法において、常時は停止しているコンバータＣを設け、コンバータＤが充放電の切り換えを行う場合は、コンバータＤの停止期間にコンバータＣを作動させるので、コンバータと双方向チョッパーとの間に形成される直流バスに異常な高電圧が発生しない。これにより、高耐電圧で大容量のコンデンサーが不要となり、設備が小型で安価になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る二次電池用双方向電源装置のブロック図である。
【図２】同二次電池用双方向電源装置に使用する双方向ＡＣ／ＤＣインバータ及び双方向チョッパーの動作説明図である。
【図３】同二次電池用双方向電源装置に使用する双方向高周波絶縁型コンバータの動作説明図である。
【図４】同二次電池用双方向電源装置の制御方法（充電から放電）の説明図である。
【図５】直流バス電圧の変化を示すグラフである。
【図６】同二次電池用双方向電源装置の制御方法（放電から充電）の説明図である。
【図７】直流バス電圧の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る二次電池用双方向電源装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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に示すように、本発明の一実施の形態に係る二次電池用双方向電源装置１０は、電源１１に接続される双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２と、この双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２に接続される双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａ（複数のコンバータを２分割したコンバータＡ、Ｂの一例）と、この双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａと二次電池１４の間に直流バス１５を介して接続される双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー（双方向チョッパーの一例）１６と、直流バス１５に接続されるコンデンサー１７と、これらの制御装置１８とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。なお、双方向高周波絶縁型コンバータ１３はコンバータＡに、双方向高周波絶縁型コンバータ１３ａはコンバータＢに対応する。
【００１５】
双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２は周知の構造となって一方にＡＣ電源１１（例えば、５０Ｈｚ）が、他方に直流電源（この実施の形態では、双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａ）が接続されて、制御装置１８から発する充電及び放電の外部信号によってその動作が、ＡＣ／ＤＣ間で変化するものが使用される。この場合の電流の方向及び大きさの時間的変化は、図２に示す通りであり、殆ど瞬時に切り換えが可能である。
【００１６】
双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａは、周知の構造となって、それぞれ一次側及び二次側に直流を電源とするインバータ１９、１９ａを有し、インバータ１９、１９ａで交流に変換した後、トランス２０で結合し、インバータ１９、１９ａに接続されたダイオードで整流し、二次側及び一次側に直流出力を発生している。この双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａは、中間部をトランス２０によって一次側と二次側を直流的に絶縁していることに特徴がある。なお、変換の方向は制御装置１８からの信号によって切り換える。
【００１７】
この双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａの動作を図３に示すが、力行（充電、二次側に電力を加える）を行っている状態から回生（放電、一次側に電力を加える）又はその逆方向に切り換える場合は、トランジスタ（スイッチング素子の一例）及びダイオードの流れを完全に止める必要があり、停止時間（通常、１０〜２０ｍｓ）が必要である。
【００１８】
双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６は片側の電圧（直流バス側）を、電圧変換して他側に伝えるもので、二次電池１４の充電に適正な電圧（例えば、５００Ｖ）を得るもので、放電時は逆に二次電池１４の電力を変圧して一次側に伝えている。この時の切り換え動作は、制御装置１８からの信号によって行うもので、動作は図２に示すように一定の停止時間を必要とすることなく瞬時に切り換えが可能である。
【００１９】
直流バス１５に設けられているコンデンサー１７は、二次電池１４の充電から放電、又は放電から充電時に生じる直流バス１５の電圧低下を補償するもので、急激な電圧変化も吸収する。
【００２０】
この二次電池用双方向電源装置１０の充電から放電の切り換え動作について、図４のａ〜ｄを参照しながら説明する。この実施の形態においては、図４のａ及び図５のａに示すように、双方向高周波絶縁型コンバータ（以下、単に、「高周波絶縁型コンバータ」又は「コンバータ」と称する場合もある）１３、１３ａを並列に接続し、双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２、２つのコンバータ１３、１３ａ、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６を充電側に設定し、電源１１より二次電池１４に電力を流して充電する。
【００２１】
そして、二次電池１４の放電準備を始める場合は、図４のｂ及び図５のｂに示すように、高周波絶縁型コンバータ１３ａを停止し、高周波絶縁型コンバータ１３のみを作動（順動作）させて、二次電池１４を充電する。この場合、一方の高周波絶縁型コンバータ１３のみからの電力供給となるので供給電力が不足し、徐々に直流バス１５の電圧が下がり、コンデンサー１７の電荷も放電して双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６の供給電圧を極端に下げないようにするが、二次電池１４の充電は継続している。
【００２２】
次に、図４のｃ、図５のｃに示すように、高周波絶縁型コンバータ１３を停止して高周波絶縁型コンバータ１３ａを回生側にして作動（逆動作）させる。この場合、高周波絶縁型コンバータ１３ａは必要な停止期間を取っているので、この回生動作が可能である。これによって、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６を介して二次電池１４からの電力が回生放電され、徐々に直流バス１５（即ち、コンデンサー１７）の電圧が上昇する。そして、高周波絶縁型コンバータ１３の停止期間後、図４のｄ及び図５のｄに示すように、高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａの双方が回生動作（逆動作）を始め、直流バス１５の電圧が正常価になる。
【００２３】
図５に比較のために、双方向高周波絶縁型コンバータが一つの場合の従来方法による充電から放電の切り換え時の電圧変化を点線で示すが、時間ｈで二次電池１４を充電から放電に切り換えると、双方向高周波絶縁型コンバータは停止しているが、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６は動作しているので、コンデンサー１７に電荷が溜まり、コンデンサー１７の電圧は上昇する。時間ｉで双方向高周波絶縁型コンバータが作動を開始するので、コンデンサー１７の電荷は徐々に放電され、時間ｊの時点でもとの電圧に戻る。
【００２４】
なお、本試験は二次電池１４の充電から放電の瞬時切り換えであるので、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６は図２に示すように短時間で切り換わるが、双方向高周波絶縁型コンバータの停止期間に、コンデンサー１７の端子電圧が高くなって、大量のコンデンサー１７を必要とするので、双方向高周波絶縁型コンバータを２つに分けて順次動作をさせることによって、この問題が解決する。
【００２５】
図６のａ〜ｄには二次電池１４を放電状態から充電状態に切り換える場合の動作を示し、図７のａ〜ｄにはその動作に対応する直流バス電圧の変化を示すが、図６のｂの状態で、高周波絶縁型コンバータ１３ａが停止し、片側状態の回生（順動作）となるので、コンデンサー１７の電圧が上昇する。この場合、双方向高周波絶縁型コンバータ１３は動作しているので、コンデンサー１７の電圧は通常の１．３倍以下で済み高電圧とならない。そして、図６のｃの片側の高周波絶縁型コンバータ１３ａのみで力行運転（逆動作）をすると、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６側の電流が供給側より多いので、コンデンサー１７の電圧が徐々に下がる。
【００２６】
ここで、双方向高周波絶縁型コンバータを１つ使用した従来方法においては、図７に示すように、時間ｑで双方向高周波絶縁型コンバータを停止する。この場合、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６は充電状態に切り換わるので、コンデンサー１７の電圧は徐々に下がる。時間ｒで双方向高周波絶縁型コンバータが力行運転を開始すると、徐々にコンデンサー１７の電圧が上昇し、通常値に戻る。この場合、コンデンサー１７のみの運転が継続するので、従来技術においては大容量のコンデンサー１７が必要となるが、この実施の形態では双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａのうちいずれかが作動しているので、コンデンサー１７の容量は小さくて済む。
【００２７】
制御装置１８には以上のように、二次電池１４の充電から放電、又は放電から充電に際して、図４のａ〜ｄ又は図６のａ〜ｄに示す動作をするように、双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２、双方向高周波絶縁型コンバータ１３、１３ａ、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー１６に切り換え信号を与えるプログラムされた制御手段が設けられている。
【００２８】
続いて、図８を参照しながら、本発明の他の実施の形態に係る二次電池用双方向電源装置２３について説明する。なお、二次電池用双方向電源装置１０と同一の構成要素は同一の番号を付して詳しい説明を省略する。
二次電池用双方向電源装置２３は、電源１１に接続される双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２と、双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２に接続される並列接続された複数（この実施の形態では２つ）の双方向高周波絶縁型コンバータ２５、２６（コンバータＣ、Ｄの一例）と、双方向高周波絶縁型コンバータ２５、２６に接続される双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー２７と、双方向高周波絶縁型コンバータ２５、２６と双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー２７の間の直流バス２８に接続されるコンデンサー２９と、これらの制御装置３０とを有している。
【００２９】
この実施の形態においては、双方向高周波絶縁型コンバータを一つの二次電池用双方向電源装置２３において少なくとも２組備え、常時は一つの双方向高周波絶縁型コンバータ２６（コンバータＤに相当）を使用し、双方向高周波絶縁型コンバータ２５（コンバータＣに相当）は停止させ、二次電池１４を充電から放電又は逆に切り換える場合は、双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２と双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー２７を充電から放電又は逆方向に切り換えると共に、双方向高周波絶縁型コンバータ２６から双方向高周波絶縁型コンバータ２５に切り換える。これによって、直流バス２８の電圧が下がることはないので、充電から放電又はその逆の動作が円滑に行える。従って、一つのコンバータは必ず休止をしていることになる。
【００３０】
この場合、コンデンサー２９は切り換え時に発生するノイズや瞬時遮断を補う容量があればよいので、小型で済む。
この実施の形態においては、双方向高周波絶縁型コンバータの数は２つであったが、３以上でもよく、そのうちの一つ又は半分を常時休止しているコンバータとすることもできる。制御装置３０には、双方向ＡＣ／ＤＣインバータ１２、双方向高周波絶縁型コンバータ２５、２６、双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー２７に切り換え信号を与えるプログラムされた制御手段が設けられている。
【００３１】
本発明は以上の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の改良、機器の増加等はあり得る。
前記実施の形態の双方向高周波絶縁型コンバータの代わりに、周知のブリッジコンバータを使用することもできる。
【符号の説明】
【００３２】
１０：二次電池用双方向電源装置、１１：電源、１２、双方向ＡＣ／ＤＣインバータ、１３、１３ａ：双方向高周波絶縁型コンバータ、１４：二次電池、１５：直流バス、１６：双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー、１７：コンデンサー、１８：制御装置、１９、１９ａ：インバータ、２０：トランス、２３：二次電池用双方向電源装置、２５、２６：双方向高周波絶縁型コンバータ、２７：双方向ＤＣ／ＤＣチョッパー、２８：直流バス、２９：コンデンサー、３０：制御装置
【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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