JP2020043640A - バッテリ充電回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換回路１台で直流交流変換、昇圧チョッパ動作を兼用するバッテリ充電回路において、三相交流電源に対してバランスさせる。【解決手段】バッテリ５と、三相の電力変換回路４と、モータ６と、三相交流電源８ｂを変圧して二次側Ｍ座、二次側Ｔ座に出力するスコットトランス１ｂと、スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座，二次側Ｔ座の一端と接続され、三相の電力変換回路４の直流側に並列接続された整流回路２ａ，２ｂと、半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点とモータ６との間に接続されたスイッチＳＷと、半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点とスコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の他端との間に接続された単相リアクトル３と、を備える。半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点とスコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の他端とが接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換回路、モータ及びバッテリを備えたバッテリ充電回路に係り、特に、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータに出力するインバータ動作と、交流電源を整流した直流電圧を昇圧してバッテリに充電する昇圧チョッパ動作と、を一つの電力変換回路で行うバッテリ充電回路に関する。

図２に電力変換回路、モータ及びその電源としてのバッテリを備えた従来のバッテリ充電回路を示す。図２に示すバッテリ充電回路は、モータを１台、電力変換回路を１台備え、車両（例えば、ゴルフカート等）に適用される。図２に示すバッテリ充電回路では、バッテリ５に充電された直流電力を電力変換回路（インバータ）４で交流電力に変換し、モータ６に出力する。

また、単相交流電源８ａ（単相交流１００Ｖまたは２００Ｖまたは４００Ｖ）と電力変換回路４との間には、単相トランス１ａと整流回路２が接続されており、交流電力が直流電力に変換される。この直流電力は、第１，第２チョッパ回路９ａ，９ｂにおいて、昇圧チョッパ動作により昇圧されてバッテリ５に充電される。

第１チョッパ回路９ａは、電力変換回路４のＶ相の半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４およびモータ６のＵ相巻線、Ｖ相巻線（インダクタンス）により構成される。第２チョッパ回路９ｂは、電力変換回路４のＷ相の半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６およびモータ６のＵ相巻線、Ｗ相巻線（インダクタンス）により構成される。

具体的には、第１チョッパ回路９ａでは、単相トランス１ａの二次側の一端から電流が出力される場合、半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＮ，半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＦＦすると、単相トランス１ａの二次側の一端→ダイオードＤ１→半導体スイッチング素子Ｓ３→モータ６のＶ相巻線→モータ６のＵ相巻線→単相トランス１ａの二次側の他端の経路で電流が流れ、モータ６のＶ相巻線、Ｕ相巻線にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＦＦした状態で半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＦＦすると、モータ６のＶ相巻線→モータ６のＵ相巻線→単相トランス１ａ→ダイオードＤ１→バッテリ５→半導体スイッチング素子Ｓ４に逆並列接続されたダイオードの経路で電流が流れる。これにより、昇圧した状態でバッテリ５に充電される。

また、単相トランス１ａの二次側の他端から電流が出力される場合、半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＦＦ，半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＮすると、単相トランス１ａの二次側の他端→モータ６のＵ相巻線→モータ６のＶ相巻線→半導体スイッチング素子Ｓ４→ダイオードＤ２→単相トランス１ａの二次側の一端の経路で電流が流れ、モータ６のＶ相巻線、Ｕ相巻線にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＦＦした状態で半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＦＦすると、モータ６のＵ相巻線→モータ６のＶ相巻線→半導体スイッチング素子Ｓ３に逆並列接続されたダイオード→バッテリ５→ダイオードＤ２→単相トランス１ａの二次側の一端→単相トランス１ａの二次側の他端の経路で電流が流れる。これにより、昇圧した状態でバッテリ５に充電される。

また、第２チョッパ回路９ｂでは、単相トランス１ａの二次側の一端から電流が出力される場合、半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＮ，半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＦＦすると、単相トランス１ａの二次側の一端→ダイオードＤ１→半導体スイッチング素子Ｓ５→モータ６のＷ相巻線→モータ６のＵ相巻線→単相トランス１ａの二次側の他端の経路で電流が流れ、モータ６のＷ相巻線、Ｕ相巻線にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＦＦした状態で半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＦＦすると、モータ６のＷ相巻線→モータ６のＵ相巻線→単相トランス１ａ→ダイオードＤ１→バッテリ５→半導体スイッチング素子Ｓ６に逆並列接続されたダイオードの経路で電流が流れる。これにより、昇圧した状態でバッテリ５に充電される。

また、単相トランス１ａの二次側の他端から電流が出力される場合、半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＦＦ，半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＮすると、単相トランス１ａの二次側の他端→モータ６のＵ相巻線→モータ６のＷ相巻線→半導体スイッチング素子Ｓ６→ダイオードＤ２→単相トランス１ａの二次側の一端の経路で電流が流れ、モータ６のＷ相巻線、Ｕ相巻線にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＦＦした状態で半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＦＦすると、モータ６のＵ相巻線→モータ６のＷ相巻線→半導体スイッチング素子Ｓ５に逆並列接続されたダイオード→バッテリ５→ダイオードＤ２→単相トランス１ａの二次側の一端→単相トランス１ａの二次側の他端の経路で電流が流れる。これにより、昇圧した状態でバッテリ５に充電される。

なお、バッテリ５を充電する際、第１，第２チョッパ回路９ａ，９ｂは何れか一方のみを使用しても、両方使用しても良い。

特許文献１には、バッテリ充電回路として、トランス、フィルタ、インバータ１台、切り離しコネクタを利用した技術が開示されている。

また、特許文献２には、バッテリ充電回路として、スコットトランス、インバータ２台、モータ２台を利用した技術が開示されている。

特願平６−２６２１６３号公報 特許第５５５６６７７号

図２では電源が単相交流電源の場合を示している。しかし、電源が三相交流電源の場合は、三相交流電源から単相を取り出すと電源が不平衡となる恐れがある。また、同じ容量を電源から供給するためには、単相分の電流が多くなることになる。三相電源に接続する機器としては、三相がバランスした機器が望ましい。

以上示したようなことから、電力変換回路１台で直流交流変換、昇圧チョッパ動作を兼用するバッテリ充電回路において、三相交流電源に対してバランスさせることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、バッテリと、各相に第１，第２半導体スイッチング素子、第３，第４半導体スイッチング素子、第５、第６半導体スイッチング素子がそれぞれ直列接続され、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換する三相の電力変換回路と、前記電力変換回路から出力された交流電力により駆動するモータと、三相交流電源を変圧して二次側Ｍ座、二次側Ｔ座に出力するスコットトランスと、前記スコットトランスの二次側Ｍ座の一端と接続され、前記三相の電力変換回路の直流側に並列接続された第１整流回路と、前記スコットトランスの二次側Ｔ座の一端と接続され、前記三相の電力変換回路の直流側に並列接続された第２整流回路と、前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記モータとの間に接続されたスイッチと、前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記スコットトランスの二次側Ｔ座の他端との間に接続された単相リアクトルと、を備え、前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記スコットトランスの二次側Ｍ座の他端とが接続されたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記第３，第４半導体スイッチング素子、および、前記モータの巻線のうち前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された巻線により構成されるＭ座チョッパと、前記第５，第６半導体スイッチング素子、および、前記単相リアクトルにより構成されるＴ座チョッパと、を用いて、前記バッテリを充電することを特徴とする。

また、その一態様として、前記モータはスター結線、または、Δ結線であることを特徴とする。

本発明によれば、電力変換回路１台で直流交流変換、昇圧チョッパ動作を兼用するバッテリ充電回路において、三相交流電源に対してバランスさせることが可能となる。

実施形態におけるバッテリ充電回路を示す概略図。 従来のバッテリ充電回路の一例を示す概略図。

以下、本願発明におけるバッテリ充電回路の実施形態を図１に基づいて詳述する。

［実施形態］
本実施形態におけるバッテリ充電回路の構成を図１に示す。図１に示すように、本実施形態におけるバッテリ充電回路は、スコットトランス１ｂと、整流回路２ａ，２ｂと、単相リアクトル３と、電力変換回路４と、バッテリ５と、モータ６と、スイッチＳＷと、直流電流検出器７と、を備える。

スコットトランス１ｂの１次側には、三相交流電源８ｂ（１００Ｖ系、２００Ｖ系、または、４００Ｖ系）が接続される。スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の一端は整流回路２ａに接続され、他端は電力変換回路４およびモータ６に接続される。スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の一端は整流回路２ｂに接続され、他端は単相リアクトル３を介して電力変換回路４およびモータ６に接続される。

整流回路２ａはダイオードＤ１，Ｄ２の直列接続で構成される。ダイオードＤ１のアノードがダイオードＤ２のカソードに接続される。ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点はスコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の一端に接続される。整流回路２ａは電力変換回路４、バッテリ５、及び、整流回路２ｂに並列接続される。ダイオードＤ１のカソードは、後述するダイオードＤ３のカソード、電力変換回路４およびバッテリ５の＋側に接続される。ダイオードＤ２のアノードは、後述するダイオードＤ４のアノード、電力変換回路４およびバッテリ５の−側に接続される。

整流回路２ｂはダイオードＤ３，Ｄ４の直列接続で構成される。ダイオードＤ３のアノードがダイオードＤ４のカソードに接続される。ダイオードＤ３，Ｄ４の接続点はスコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の一端に接続される。整流回路２ｂは、電力変換回路４、バッテリ５、及び、整流回路２ａに並列接続される。ダイオードＤ３のカソードは、ダイオードＤ１のカソード、電力変換回路４およびバッテリ５の＋側に接続される。ダイオードＤ４のアノードはダイオードＤ２のアノード、電力変換回路４およびバッテリ５の−側に接続される。

電力変換回路４は三相インバータであり、各相２個、合計６個の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６（例えば、ＩＧＢＴ）で構成される。各半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６にはダイオードが逆並列接続されている。各相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）において、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が直列接続され、半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４が直列接続され、半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が直列接続される。

半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５のコレクタ端子はダイオードＤ１，Ｄ３のカソード、および、バッテリ５の＋側に接続される。半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５のエミッタ端子は半導体スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のコレクタ端子に接続される。半導体スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のエミッタ端子はダイオードＤ２，Ｄ４のアノード、および、バッテリ５の−側に接続される。

半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点にはモータ６のＵ相巻線の一端が接続される。半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点にはモータ６のＶ相巻線の一端が接続される。半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点にはスイッチＳＷを介してモータ６のＷ相巻線の一端が接続される。モータ６のＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線の他端同士は接続され、スター結線となる。

また、半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点には、スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の他端が接続される。半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点には、単相リアクトル３を介してスコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の他端が接続される。また、バッテリ５の＋側と電力変換回路４との間には直流電流検出器７が設けられる。

バッテリ５の充電時以外は、制御装置（図示省略）の指令により、半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がオン・オフ制御され、バッテリ５の直流電力が交流電力に変換されてモータ６に供給され、モータ６が駆動する。なお，このときのスイッチＳＷは閉とする。

バッテリ５の充電時は、Ｍ座チョッパ１０ａ，Ｔ座チョッパ１０ｂそれぞれで単相昇圧チョッパ動作を行う。Ｍ座チョッパ１０ａは、半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４およびモータ６のＵ相巻線、Ｖ相巻線（モータ６の巻線のうち半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点と半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点との間に接続された巻線）で構成される。具体的な電流経路を以下に説明する。

（スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の一端から電流が出力されている状態）
半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＮ，半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＦＦとすると、スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の一端→ダイオードＤ１→半導体スイッチング素子Ｓ３→モータ６のＶ相巻線→モータ６のＵ相巻線→スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の他端の経路で電流が流れ、モータ６のＵ相巻線、Ｖ相巻線にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＦＦのまま、半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＦＦとすると、モータ６のＶ相巻線→モータ６のＵ相巻線→スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の他端→スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の一端→ダイオードＤ１→バッテリ５→半導体スイッチング素子Ｓ４に逆並列接続されたダイオードの経路で電流が流れ、昇圧された状態でバッテリ５が充電される。

（スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の他端から電流が出力されている状態）
半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＦＦ，半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＮとすると、スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の他端→モータ６のＵ相巻線→モータ６のＶ相巻線→半導体スイッチング素子Ｓ４→ダイオードＤ２→スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の一端の経路で電流が流れ、モータ６のＵ相巻線、Ｖ相巻線にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ３をＯＦＦのまま、半導体スイッチング素子Ｓ４をＯＦＦとすると、モータ６のＵ相巻線→モータ６のＶ相巻線→半導体スイッチング素子Ｓ３に逆並列接続されたダイオード→バッテリ５→ダイオードＤ２→スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座の一端の経路で電流が流れ、昇圧された状態でバッテリ５が充電される。

Ｔ座チョッパ１０ｂは、半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６と単相リアクトル３で構成される。Ｔ座チョッパ１０ｂは、単相リアクトル３を使用した単相昇圧チョッパで充電を行う。スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座からモータ６への回り込みを防止するために、半導体スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点とモータ６のＷ相巻線との間にスイッチＳＷを接続する。充電時はスイッチＳＷを開にする。具体的な電流経路を以下に説明する。

（スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の一端から電流が出力されている状態）
半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＮ，半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＦＦとすると、スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の一端→ダイオードＤ３→半導体スイッチング素子Ｓ５→単相リアクトル３→スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の他端の経路で電流が流れ、単相リアクトル３にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＦＦのまま、半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＦＦとすると、単相リアクトル３→スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の他端→スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の一端→ダイオードＤ３→バッテリ５→半導体スイッチング素子Ｓ６に逆並列接続されたダイオードの経路で電流が流れ、昇圧された状態でバッテリ５が充電される。

（スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の他端から電流が出力されている状態）
半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＦＦ，半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＮとすると、スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の他端→単相リアクトル３→半導体スイッチング素子Ｓ６→ダイオードＤ４→スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の一端の経路で電流が流れ、単相リアクトル３にエネルギーが蓄えられる。

そして、半導体スイッチング素子Ｓ５をＯＦＦのまま、半導体スイッチング素子Ｓ６をＯＦＦとすると、単相リアクトル３→半導体スイッチング素子Ｓ５に逆並列接続されたダイオード→バッテリ５→ダイオードＤ４→スコットトランス１ｂの二次側Ｔ座の一端の経路で電流が流れ、昇圧された状態でバッテリ５が充電される。

なお、スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座，二次側Ｔ座から出力される電流実効値は三相交流電源電流が許容される不平衡範囲となるように交流電流検出器７ｖ，７ｗに基づいて，電流値の制御を行う。なお、スコットトランス１ｂの二次側Ｍ座とＴ座の電流が同一となるよう制御することで、三相交流電源電流は、三相電流バランスとなる。また、電流位相はスコットトランス１ｂの二次側Ｔ座，Ｍ座の電源位相にそれぞれを一致させる。

なお，直流電流検出器７は充電動作に必須ではないが，充電時の電流精度向上のために７ｖ，７ｗと併用することも可能であり，過電流を検出して装置保護を行うことも可能である。

また、本実施形態では、モータ６をスター結線としているが、モータ６はΔ結線としても良い。なお、本実施形態のようにスター結線の場合はＭ座チョッパ１０ａでＵ相巻線とＶ相巻線の２つを利用するが、Δ結線の場合はＭ座チョッパ１０ａで１つの巻線のみを使用するため、インダクタンス値が異なる。

以上のように、本実施形態によれば、電力変換回路１台で直流交流変換、昇圧チョッパ動作を兼用するバッテリ充電回路において、三相交流電源が不平衡となることを抑制し、三相交流電源に対しバランスさせることが可能となる。

また、追加部品が単相リアクトル３とスイッチＳＷのみであるため、コストの増加を抑制することが可能となる。

特許文献１の図１、図２では、三相交流電源を用いてバッテリに充電する技術が開示されているが、バッテリ充電時は切り離しコネクタでモータを切り離し、インバータで交流直流変換を行うため、本実施形態とは技術思想が異なる。

特許文献２にも三相交流電源を用いてバッテリに充電する技術が開示されているが、特許文献２は、インバータ２台、モータ２台有することを前提としているため、本実施形態と異なる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１ａ…単相トランス
１ｂ…スコットトランス
２，２ａ，２ｂ…整流回路，第１整流回路，第２整流回路
３…単相トランス
４…電力変換回路
５…バッテリ
６…モータ
７…直流電流検出器
７ｖ…交流電流検出器Ｖ相
７ｗ…交流電流検出器Ｗ相
８ａ…単相交流電源
８ｂ…三相交流電源
９ａ，９ｂ…第１，第２チョッパ回路
１０ａ…Ｍ座チョッパ回路
１０ｂ…Ｔ座チョッパ回路
Ｓ１〜Ｓ６…第１〜第６半導体スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ４…第１〜第４ダイオード
ＳＷ…スイッチ

Claims (3)

1. バッテリと、
   各相に第１，第２半導体スイッチング素子、第３，第４半導体スイッチング素子、第５、第６半導体スイッチング素子がそれぞれ直列接続され、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換する三相の電力変換回路と、
   前記電力変換回路から出力された交流電力により駆動するモータと、
   三相交流電源を変圧して二次側Ｍ座、二次側Ｔ座に出力するスコットトランスと、
   前記スコットトランスの二次側Ｍ座の一端と接続され、前記三相の電力変換回路の直流側に並列接続された第１整流回路と、
   前記スコットトランスの二次側Ｔ座の一端と接続され、前記三相の電力変換回路の直流側に並列接続された第２整流回路と、
   前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記モータとの間に接続されたスイッチと、
   前記第５，第６半導体スイッチング素子の接続点と前記スコットトランスの二次側Ｔ座の他端との間に接続された単相リアクトルと、
   を備え、
   前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記スコットトランスの二次側Ｍ座の他端とが接続されたことを特徴とするバッテリ充電回路。
2. 前記第３，第４半導体スイッチング素子、および、前記モータの巻線のうち前記第１，第２半導体スイッチング素子の接続点と前記第３，第４半導体スイッチング素子の接続点との間に接続された巻線により構成されるＭ座チョッパと、
   前記第５，第６半導体スイッチング素子、および、前記単相リアクトルにより構成されるＴ座チョッパと、を用いて、前記バッテリを充電することを特徴とする請求項１記載のバッテリ充電回路。
3. 前記モータはスター結線、または、Δ結線であることを特徴とする請求項１または２記載のバッテリ充電回路。

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