(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリと、バッテリの直流電圧を昇圧するコンバータと、コンバータの直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、コンバータ及びインバータの出力電圧を制御する制御回路と、インバータ出力電圧を検出しこれを制御回路に送る交流電圧検出手段と、インバータの起動停止手段と、インバータ出力に接続した負荷機器とを有し、インバータ出力電圧のピーク値がしきい値以下となった場合はコンバータ出力電圧を増加させ、さらにこのしきい値より小さい値に設定された第２しきい値以下となった場合には、インバータに停止信号を出力するようにしたバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項２】
インバータ起動停止手段は負荷機器が接続されている状態からのインバータの再起動時に基準正弦波のゼロ電圧に同期して起動信号を出力して、インバータ出力電圧を交流電圧のゼロクロスタイミングから徐々に増加させる請求項１に記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バッテリに蓄電された直流電力を家庭電化機器や車載機器の電源として使用可能な交流電力に変換するバッテリ内蔵型電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のバッテリ内蔵型電力変換装置は図９に示す構成であった。すなわち、バッテリ１と、バッテリ１の直流電圧を昇圧するコンバータ２と、コンバータ２の直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータ３が順に接続され、インバータ３はそれぞれにダイオードが並列接続された４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４とリアクトルとコンデンサで構成されている。インバータ３の出力は交流出力コンセント４を通じて出力されるものである。また、制御回路５はコンバータ２とインバータ３を制御するもので、インバータ３の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のパルス幅を指令する。
【０００３】
以下に動作を説明する。バッテリ１として例えば鉛蓄電池の使用した場合、バッテリ１の直流電圧は通常１０Ｖ〜１４Ｖ程度になるため、コンバータ２はバッテリ１の電圧を１５０Ｖ以上の直流に昇圧する。インバータ３はコンバータ２の出力直流電圧をパルス幅変調制御（ＰＷＭ）することで高周波のパルス電圧列に変換し、得られたパルス電圧はリアクトルとコンデンサを通過することで高周波のリップルが除去されるため、インバータ３の出力として正弦波状の電圧波形が生成される。ここで、インバータ３の出力を正弦波のＡＣ１００Ｖにする場合、ピーク電圧は１４１Ｖとなることから、インバータ３内のリアクトルの電圧降下を考慮すると少なくともコンバータ出力（＝インバータ入力電圧）は１５０Ｖ以上が必要である。一方、インバータ３はスイッチング時にまつわる損失、ノイズの低減のために入力電圧はできるだけ小さい方が望ましい。そこで、制御回路５は、コンバータ出力電圧をインバータ３の交流出力電圧のピーク値に対してわずかに高い値に設定してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時間を制御する。最終的にインバータ３の出力は、交流出力コンセント４を介して５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧（通常１００Ｖ）として、家庭で使用する電気機器に電力を供給している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、インバータ３から電力を取り出す際、例えば接続機器がコンデンサインプット形の整流回路を有し、交流電圧のピーク付近で大電流が流れるような場合、瞬時電力の大きさに比例して出力電流が増加するため、特にインバータ３を構成するリアクトルのピーク付近では電圧降下の影響が大きく、部分的にスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時間を増加させても所望の出力電圧波形が得られない状態が発生する。つまり、ピーク付近において出力電圧波形の歪みが大きくなったり、必要な出力電圧実効値が得られなくなったりするため、特に並列して接続されている接続機器の誤動作が発生するという課題を有していた。
【０００５】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、接続機器のピーク電流が大きい場合でも出力電圧が歪むことなく、常に正弦波出力を維持することができるバッテリ内蔵型電力変換装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明のバッテリ内蔵型電力変換装置は、インバータ出力電圧を検出する交流電圧検出手段を有し、インバータ出力電圧のピーク値が制御回路内部のしきい値以下となった場合、制御回路はコンバータの出力電圧を増加させるようにしたものである。
【０００７】
これによって、接続機器のピーク電流が大きい場合でもインバータを構成するリアクトルの電圧降下を補償して、インバータ出力電圧が歪むことなく、常に正弦波出力を維持するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載した発明は、バッテリと、バッテリの直流電圧を昇圧するコンバータと、コンバータの直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、コンバータ及びインバータの出力電圧を制御する制御回路と、インバータ出力電圧を検出しこれを制御回路に送る交流電圧検出手段と、インバータの起動停止手段と、インバータ出力に接続した負荷機器とを有し、インバータ出力電圧のピーク値がしきい値以下となった場合はコンバータ出力電圧を増加させ、さらにこのしきい値より小さい値に設定された第２しきい値以下となった場合には、インバータに停止信号を出力するようにしたバッテリ内蔵型電力変換装置とすることにより、接続機器のピーク電流が大きい場合でもインバータを構成するリアクトルの電圧降下を補償して、インバータ出力電圧が歪むことなく、常に正弦波出力を維持するものである。
【０００９】
さらに、インバータの保護と接続機器の保護を同時に実現するものである。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、インバータ起動停止手段は負荷機器が接続されている状態からのインバータの再起動時に基準正弦波のゼロ電圧に同期して起動信号を出力して、インバータ出力電圧を交流電圧のゼロクロスタイミングから徐々に増加させる請求項１に記載のバッテリ内蔵型電力変換装置とすることにより、インバータの再起動時に、インバータ出力に短絡した機器が接続されていたとしても、再起動によって安全性を損なうことがないものである。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の実施例１について図１、図２を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施例のバッテリ内蔵型電力変換装置は、バッテリ１１と、バッテリ１１の直流電圧を昇圧するコンバータ１２と、コンバータ１２の直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータ１３と、インバータ１３の出力が供給される交流出力コンセント１４と、コンバータ１２及びインバータ１３を制御する制御回路１５と、インバータ出力電圧を検出しこれを制御回路に送る交流電圧検出手段１６とを有している。
【００１２】
前記インバータ１３は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４によるフルブリッジとリアクトルとコンデンサで構成され、フルブリッジの中間端子には高周波フィルタとして機能するリアクトルとコンデンサが接続されている。ここで、インバータ１３の出力は交流出力コンセント１４に供給され、家庭電化製品のプラグと接続可能である。また、制御回路１５がコンバータ１２、及びインバータ１３の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時間を制御するために、交流電圧検出手段１６からインバータ出力電圧の検出値を制御回路１５に送る構成になっている。
【００１３】
そして、コンバータ１２は、バッテリ１１の電圧を通常正弦波である交流出力電圧のピーク値（例えば、交流出力電圧がＡＣ１００Ｖの場合、ピーク電圧は１４１Ｖ）以上に昇圧する。ここで、バッテリ１１はセルが複数直列に接続された構成であり、前述のピーク電圧以下の電圧になるように構成されている。インバータ１３は、コンバータ１２が出力する直流電圧をパルス幅変調制御（ＰＷＭ）して平均値が正弦波状となる高周波のパルス電圧に変換する。得られたパルス電圧はリアクトルとコンデンサを通過させることで高周波のリップルを除去して、正弦波状の電圧波形を交流出力コンセント１４に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧（通常１００Ｖ）として発生させる。ここで交流出力コンセント１４に接続された機器がコンデンサインプット形のようにピーク電流でのみ電流が流れるような負荷の場合、ピーク付近におけるリアクトルの電圧降下が大きくなり、出力電圧が低下すると共に波形は歪む。ここで、図２に示すように、交流電圧検出手段１６で得られた検出値は、制御回路１５内部の第１しきい値以下となり、制御回路１５はコンバータ１２のスイッチング素子のオン時間を増加させてコンバータ１２の出力電圧を大きくし、インバータ出力電圧は実効値と正弦波を維持するようにしている。
【００１４】
以上のように本実施例によれば、負荷によってインバータ出力電圧が低下したことを検知して、コンバータ１２の出力電圧を通常より高く制御することによって、常時安定な実効値と正弦波を維持することのできる高品位なバッテリ内蔵型電力変換システムを実現することができる。
【００１５】
（実施例２）
以下、本発明の実施例２について図３を参照しながら説明する。なお、各構成要素は実施例１と同様であるので、説明を省略する。
【００１６】
インバータ出力電圧が低下する原因としては、実施例１に記載した条件以外に、何らかの理由で負荷である接続家電機器が短絡またはそれに近い状態か、インバータが破壊していることも考えられる。この状態でコンバータ出力電圧を増加してもインバータ出力電圧は大きくならず、逆に出力電流が大きくなり安全性が損なわれる場合が考えられる。そこで、図に示すように、交流電圧検出手段１６の検出値が制御回路１５内の第１しきい値以下に設定された第２しきい値以下となった際、インバータ１３を停止させるようにしたものである。
【００１７】
以上のように本実施例によれば、交流電圧検出手段１６の検出値が制御回路１５内に設定された第１しきい値以下の値を有する第２のしきい値以下となった際、インバータ１３を停止をさせることで、接続機器とインバータの保護を同時に実現することのできるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現しているものである。
【００１８】
（実施例３）
以下、本発明の実施例３について図４、図５を参照しながら説明する。本実施例において、実施例１と異なるのは、制御回路１５内に基準正弦波１７とインバータ起動停止手段１８とを追加した点である。上記以外の構成要素は実施例１と同等であり、説明を省略する。
【００１９】
以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について図５の各部の波形を参照して動作を説明する。コンバータ１２とインバータ１３が動作中に、交流電圧検出手段１６の検出値が制御回路１５内に設定された第２しきい値以下まで減少した場合、起動信号を送っていた制御回路１５内のインバータ起動停止手段１８は基準正弦波１７のゼロ電圧位相に同期してインバータ１３に停止信号を送る。インバータ１３の出力電圧がゼロの時に停止することによって、停止時にインバータ１３を構成する出力コンデンサに残留する電圧が概ねゼロとなり、仮に、負荷の接続を解除した直後に使用者が交流出力コンセント１４に触れたとしても、交流出力コンセント１４に発生する電圧は安全なレベルで維持されているため、感電することはない。
【００２０】
以上のように本実施例によれば、インバータまたは接続機器の短絡のような異常状態になった場合でも安全にシステムを停止して、しかも使用者の感電を確実に回避することのできるバッテリ内蔵型電力変換器を実現することができる。
【００２１】
（実施例４）
以下、本発明の実施例４について図６を参照しながら説明する。なお、各構成要素は実施例３と同様であるので、説明を省略する。
【００２２】
図に示すように、インバータ１３が何らかの異常で交流電圧検出手段１６の検出値が制御回路１５内部に設定された第２しきい値以下となった際、インバータ１３はインバータ起動停止手段１８の停止信号で停止する。ここで異常状態の原因が接続機器の短絡にあった場合、接続機器をシステムから分離することで、異常状態は解除されるため、インバータ１３は再起動が可能になる。しかし内部が短絡している異常な負荷（家電機器）が分離されたか、接続中かについてはインバータ１３からは知ることができない。そこで、インバータ１３の再起動に際して、基準正弦波１７のゼロ電圧に同期してインバータ起動停止手段１８からの起動信号を出力して、目標となるインバータ出力電圧が低い間に交流出力コンセント１４に接続されている機器の状態を判定する。
【００２３】
以上のように本実施例によれば、仮に短絡した接続機器が繋がっていても再起動の際、インバータ１３の出力電圧が低く、大電流が流れる前に異常負荷の接続を判定するため、より安全なバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができる。
【００２４】
（実施例５）
以下、本発明の実施例５について図７を参照しながら説明する。なお、各構成要素は実施例３と同等であるので、説明を省略する。
【００２５】
図に示すように、交流出力コンセント１４に接続された機器が何らかの理由で短絡し、インバータ出力電圧が低下した際、インバータ１３は制御回路１５内のインバータ起動停止手段１８から出力される停止信号によって停止する。再起動時は基準正弦波１７の振幅を最終目標電圧に対して十分小さい振幅から、徐々（数秒程度）に増加させることで、交流出力コンセント１４に発生するインバータ出力電圧が急激に大きくならないようにスイッチング素子のオン時間を制御する。ここで異常原因である接続機器が取り除かれていれば、基準正弦波１７に比例してインバータ出力電圧が大きくなるが、仮に接続機器が分離されていない場合、インバータ出力電圧が増加しない。
【００２６】
以上のように本実施例によれば、仮に短絡した接続機器が繋がっていても再起動の際、インバータ１３の出力電圧が低く維持される時間が長く、低速で異常負荷の接続を判定すればよいため、より簡素で安価な構成で安全なバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができる。
【００２７】
（実施例６）
以下、本発明の実施例６について図８を参照しながら説明する。実施例３の回路構成と異なるのは、インバータ１３の出力に交流駆動ファン１９を接続した点である。上記以外の構成要素は実施例１と同等であり、説明を省略する。
【００２８】
交流駆動ファン１９は、交流モータで駆動する。ここで、コンバータ１２及びインバータ１３が動作し、交流出力コンセント１４に交流電圧を出力している時は、負荷の有無に関わらずコンバータ１２及びインバータ１３には電力損失が発生して、スイッチング素子は発熱する。その時、インバータ交流出力に接続された交流駆動ファン１９は、特に制御せずとも自動で回転動作を始めてコンバータ１２及びインバータ１３のスイッチング素子を冷却する。逆にコンバータ１２及びインバータ１３が不動作のため冷却の必要がない時は、インバータ出力に電圧が発生していないので交流駆動ファン１９は回転せず、バッテリ１１から不必要な電力をとりだすこともない。なお、交流駆動ファン１９は、バッテリ１１、コンバータ１２、インバータ１３の全部または少なくともいずれかを冷却するものである。
【００２９】
以上のように本実施例によれば、交流出力コンセント１４に並列に交流駆動ファン１９を接続することで、特に制御を必要としない簡素な構成で、コンバータ１２、インバータ１３等の冷却制御が可能なバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、インバータ出力電圧を検出する交流電圧検出手段と、インバータの起動停止手段と、インバータ出力に接続した負荷機器とを有し、インバータ出力電圧のピーク値がしきい値以下となった場合はコンバータ出力電圧を増加させ、さらにこのしきい値より小さい値に設定された第２しきい値以下となった場合には、インバータに停止信号を出力するようにしたバッテリ内蔵型電力変換装置としたものであり、接続機器のピーク電流が大きい場合でもインバータを構成するリアクトルの電圧降下を補償して、インバータ出力電圧が歪むことなく、常に正弦波出力を維持するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１におけるバッテリ内蔵型電力変換装置の構成を示すブロック図
【図２】  同バッテリ内蔵型電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図３】  本発明の実施例２におけるバッテリ内蔵型電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図４】  本発明の実施例３におけるバッテリ内蔵型電力変換装置の構成を示すブロック図
【図５】  同バッテリ内蔵型電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図６】  本発明の実施例４におけるバッテリ内蔵型電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図７】  本発明の実施例５におけるバッテリ内蔵型電力変換装置の各部動作を示す波形図
【図８】  本発明の実施例６におけるバッテリ内蔵型電力変換装置の構成を示すブロック図
【図９】  従来のバッテリ内蔵型電力変換装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１１  バッテリ
１２  コンバータ
１３  インバータ
１４  交流出力コンセント
１５  制御回路
１６  交流電圧検出手段
１７  基準正弦波
１８  インバータ起動停止手段
１９  交流駆動ファン
【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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【図９】
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