JP2014230392A - Bidirectional power source device - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bidirectional power source device that can be configured comparatively easily and that is low in cost.SOLUTION: A bidirectional power source device comprises: a high frequency transformer 14 having a primary coil 46 with an m1 number of winds, and a secondary coil 31 with an m2 number of winds; and a bidirectional full bridge converter 15 connected to the secondary side of the high frequency transformer 14. The bidirectional power source device 10 charges/discharges secondary battery 16 by connecting the secondary battery 16 to the bidirectional full bridge converter 15. In the bidirectional power source device 10, when the secondary battery 16 is charged such that the bidirectional full bridge converter operates as a rectifier circuit, the bidirectional full bridge converter 15 is connected to the secondary coil 31 with the m2 number of winds, thereby conducting all-wave rectification. When the secondary battery 16 is discharged such that the bidirectional full bridge converter 15 operates as an inverter, the bidirectional full bridge converter 15 is connected to the secondary coil 31 with an m3 number of winds, which is smaller than the m2 number of winds.

Description

Translated fromJapanese

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。The present invention relates to a bidirectional power supply apparatus that supplies electric power from a commercial power source to a secondary battery, and further, when necessary, from the secondary battery to the commercial power source.

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。A bidirectional power supply device that supplies (charges) power from a commercial power supply to a secondary battery and supplies (discharges) power from the secondary battery to the commercial power supply in an emergency is known from, for example, Patent Document 1.
FIG. 5 shows a bidirectionalpower supply apparatus 100 using a bidirectional full bridge converter according to a conventional example. 1) A first bidirectional AC /DC converter 102 connected to acommercial power supply 101 and 2) a diode for each. A second bidirectional AC /DC converter 112 havingswitching elements 108 to 111 to which 104 to 107 are connected in parallel, 3) a high-frequency transformer 114, and 4)diodes 115 to 118 are connected in parallel, respectively. A third bidirectional AC /DC converter 123 includingswitching elements 119 to 122 is connected in series, and power is supplied from thecommercial power source 101 to thesecondary battery 125 or supplied from thesecondary battery 125 to thecommercial power source 101. Was.

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。In this case, when thesecondary battery 125 is charged, the electric power from thecommercial power source 101 is converted into direct current by the first bidirectional AC /DC converter 102, and the second bidirectional AC /DC converter 112 converts the electric power from 20˜ The high frequency alternating current of 100 kHz was converted and supplied to the third bidirectional AC /DC converter 123 via thehigh frequency transformer 114 to charge thesecondary battery 125 as a direct current. When thesecondary battery 125 is discharged, the third bidirectional AC /DC converter 123 converts the high-frequency alternating current to a high-frequency alternating current, and then supplies the second bidirectional AC /DC converter 112 via the high-frequency transformer 114 to a direct current. The first bi-directional AC /DC converter 102 is supplied, converted into commercial alternating current, and supplied to thecommercial power source 101.

特開２００９−１３６０４４号公報JP 2009-136044 A

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。However, the turn ratio of the high-frequency transformer 114 is set based on the charging voltage of thesecondary battery 125. That is, the charging voltage of thesecondary battery 125 is performed by the output voltage V of the first bidirectional AC / DC converter 102 (same or slightly higher than the voltage of the commercial power supply 101) and the second bidirectional AC /DC converter 112. It is determined by the duty ratio r1 of PWM control and the turn ratio n1 of the high-frequency transformer 114. Here, if the duty ratio R1 is reduced, the secondary side voltage of the high-frequency transformer 114 is reduced, so that the turns ratio n1 needs to be increased (that is, m2 / m1> 1, m1, m2 are the primary side coil and the second side coil). Number of turns of secondary coil). When the turn ratio n1 is increased, when thesecondary battery 125 is discharged, the output voltage is lowered by the high-frequency transformer 114 and cannot be supplied to thecommercial power supply 101. Therefore, normally, m1 = m2. The relationship between the input voltage and the output voltage is as follows.
Output voltage = (m2 / m1) × ton / (ton + toff) × input voltage, where ton represents the energization time of PWM control, and toff represents the non-energization time of PWM control.

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。However, even when the turn ratio n1 = 1 of the high-frequency transformer 114 is set, the output voltage (primary side voltage) of the high-frequency transformer 114 decreases when the voltage of thesecondary battery 125 decreases during discharging. Therefore, the duty ratio of the third bidirectional AC /DC converter 123 that changes the direct current to the alternating current by performing PWM control is raised, but it cannot be 100% or more. Therefore, as shown in FIG. 6, a step-up / down circuit (chopper) 127 is provided on thesecondary battery 125 side, and when the voltage of thesecondary battery 125 decreases, the voltage drop of thesecondary battery 125 is reduced by the step-up / downcircuit 127. Compensation.

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。Providing such a step-up / step-downcircuit 127 complicates the entire apparatus and increases the price, and further requires extra maintenance.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an inexpensive bidirectional power supply apparatus that can be configured relatively easily.

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）。The bidirectional power supply according to the first invention that meets the above-described object is a high-frequency transformer that includes a primary coil having a winding number m1 and a secondary coil having a winding number m2, and a bidirectional device that is connected to the secondary side of the high-frequency transformer. In a bidirectional power supply device that has a full bridge converter and connects and charges a secondary battery to the bidirectional full bridge converter to charge and discharge the secondary battery,
When charging the secondary battery in which the bidirectional full bridge converter functions as a rectifier circuit, the bidirectional full bridge converter is connected to the secondary coil having the number of turns m2 to perform full wave rectification, and the bidirectional full bridge converter. When the secondary battery serving as an inverter is discharged, the bidirectional full bridge converter is connected to a secondary coil having a winding number m3 smaller than the winding number m2. Note that m1, m2, and m3 are given for ease of understanding and are not limited by the specific numbers described in the embodiments (the same applies to the following description).

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。A bidirectional power supply according to a second invention is the bidirectional power supply according to the first invention, wherein the bidirectional full-bridge converter generates a voltage of the secondary coil having the number of turns m2 when the secondary battery is charged. An auxiliary diode for full-wave rectification is provided.

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。A bidirectional power supply according to a third invention is the bidirectional power supply according to the first and second inventions, wherein the secondary coil having the number of turns m3 is provided with an intermediate tap on the secondary coil having the number of turns m2. Formed.

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。The bidirectional power supply according to a fourth aspect of the present invention is the bidirectional power supply according to the first to third aspects of the present invention, wherein a switch is provided in the secondary coil having the number of turns m2, and the secondary battery At the time of discharging, the bidirectional full bridge converter functions as the inverter, and when power is supplied to the secondary coil having the number of turns m3, the switch is turned off.

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。The bidirectional power supply according to the first to fourth aspects of the present invention does not require a booster circuit (and a step-down circuit) even when the voltage of the secondary battery drops, and is directed from the secondary battery to the high-frequency transformer side. Therefore, the bidirectional power supply apparatus can be constructed at a low cost with fewer parts.

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。In particular, in the bidirectional power supply device according to the second aspect of the invention, the bidirectional full bridge converter includes an auxiliary diode that full-wave rectifies the voltage of the secondary coil having the number of turns m2 when the secondary battery is charged. A high DC voltage capable of reliably charging the secondary battery can be obtained.

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。In the bidirectional power supply device according to the third aspect of the invention, since the secondary coil having the number of turns m3 is formed by providing an intermediate tap on the secondary side coil having the number of turns m2, the high-frequency transformer is used when charging the secondary battery. Efficiency is improved.

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。In the bidirectional power supply according to the fourth aspect of the present invention, when a switch is provided in the secondary coil having the number of turns m2, and the bidirectional full bridge converter is connected to the secondary coil having the number of turns m3, the switch is turned off. Therefore, the circulating current of the circuit can be reduced.

（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。(A), (B) is operation | movement explanatory drawing at the time of charge of the bidirectional | two-way power supply device which concerns on one embodiment of this invention.（Ａ）、（Ｂ）は同双方向電源装置の放電時の動作説明図である。(A), (B) is operation | movement explanatory drawing at the time of discharge of the bidirectional power supply.（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。(A), (B) is explanatory drawing of the bidirectional | two-way power supply device which concerns on other embodiment of this invention, respectively.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。It is explanatory drawing of the bidirectional | two-way power supply device which concerns on other embodiment of this invention.従来例に係る双方向電源装置の説明図である。It is explanatory drawing of the bidirectional | two-way power supply device which concerns on a prior art example.従来例を更に改良した双方向電源装置の説明図である。It is explanatory drawing of the bidirectional | two-way power supply device which improved further the prior art example.

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。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIGS. 1A, 1B, 2A, and 2B, abidirectional power supply 10 according to an embodiment of the present invention uses acommercial power supply 11 as a first bidirectional full power supply. The DC is converted into a direct current by thebridge converter 12, the direct current is converted into a high frequency alternating current by the second bidirectionalfull bridge converter 13, and this high frequency power is connected to the secondary side of thehigh frequency transformer 14 through thehigh frequency transformer 14. Secondary battery that is supplied to a full-bridge converter (to be a bidirectional full-bridge converter according to the present invention) 15 and is converted to a direct current to charge asecondary battery 16 connected to the third bidirectional full-bridge converter 15 It is used for the charge / dischargepower supply device 18.

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。In this embodiment, two sets of bidirectionalfull bridge converter 15 are connected in parallel with switching elements 20-23 connected in series and in parallel, and switching elements 20-23 being reversed in polarity. It has diodes 24-27. The bidirectional full-bridge converter 15 is further connected with diodes (an example of auxiliary diodes) 28 and 29 in parallel (precisely in parallel). Thesecondary side coil 31 of the high-frequency transformer 14 has anintermediate tap 32, and thisintermediate tap 32 is connected to one input /output unit 33 of the bidirectionalfull bridge converter 15, and the other input /output unit 34 has a secondary tap. Oneside winding end 35 of theside coil 31 is connected. Further, aswitch 36 a is provided at the otherside winding end 35 a of thesecondary coil 31, and is connected to the connectingportion 37 a of thediodes 28 and 29.

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。On the other hand, the second bidirectional full-bridge converter 13 includesswitching elements 36 to 39 each having two sets connected in series, anddiodes 40 to 43 connected in reverse parallel to theswitching elements 36 to 39. Intermediate input /output terminals 44 and 45 are connected to theprimary coil 46 of the high-frequency transformer 14.

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。The first bidirectionalfull bridge converter 12 has a circuit for converting the commercial power source (50 Hz or 60 Hz) 11 to a direct current or from a direct current to a commercial frequency. The first, second, and third bidirectionalfull bridge converters 12, 13, and 15 are controlled by acontrol device 47 that has a plurality of programs for performing inverter control and simple rectification control.
Note that the switching elements and diodes described in FIGS. 1B, 2A, and 2B are the same as the switching elements and diodes described in FIG. Is omitted.

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。A case where thesecondary battery 16 is charged by the secondary battery charging / dischargingpower supply device 18 will be described with reference to FIGS.
Theswitch 36a connected to thesecondary side coil 31 of the high-frequency transformer 14 is turned on, and the first bidirectionalfull bridge converter 12 is used as a rectifier circuit in accordance with a command from thecontrol device 47, and the second bidirectional full bridge converter. 13 is an inverter, and the third bidirectional full-bridge converter 15 is operated as a rectifier circuit.

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。Therefore, thecommercial power supply 11 is converted into direct current by the first bidirectionalfull bridge converter 12, and this direct current is converted into high frequency alternating current having a frequency of 20 to 100 kHz by the second bidirectionalfull bridge converter 13. To theprimary side coil 46. In this case, the number of turns m1 of theprimary side coil 46 and the number of turns m2 of thesecondary side coil 31 are, for example, the same number of turns, and the primary side voltage and the secondary side voltage of the high-frequency transformer 14 are the same.

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。Thesecondary coil 31 is provided with anintermediate tap 32 at a position where the number of turns is m3. In this embodiment, m3 = m1 / 2 = m2 / 2.
When thehigh frequency transformer 14 is used, the circuit on the commercial power supply side and the circuit on the secondary battery side are galvanically isolated, and the first and second bidirectional full-bridge converters 12 and 13 function as inverters. Harmonics are reduced from this waveform, and the stability of the device is improved.

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。Since theswitch 36a on the winding m2 side of thesecondary side coil 31 is on, the third bidirectionalfull bridge converter 15 is connected to thesecondary side coil 31 and is fully connected by thediodes 28 and 29 and thediodes 26 and 27. It operates as a bridge rectifier, and a high voltage, that is, a DC voltage obtained by full-wave rectification of thesecondary coil 31 is applied to both ends of thesecondary battery 16. Thereby, thesecondary battery 16 is charged. In addition, since this apparatus is the secondary battery charging / dischargingpower supply apparatus 18, although the measuring device which measures an electric current and a voltage is provided, description is abbreviate | omitted.

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。The charging voltage and current of thesecondary battery 16 are adjusted by changing the duty ratio of PWM control of the second bidirectionalfull bridge converter 13 that functions as an inverter. Note that arrows a and b in FIGS. 1A and 1B indicate energization paths during charging of the third bidirectional full-bridge converter 15. In this case, since theintermediate tap 32 has an intermediate potential between the one-side windingend portion 35 and the other-side winding terminal 35a, no current flows through the connected conductor.

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。Next, referring to FIGS. 2A and 2B, when the secondary battery charging / dischargingpower supply device 18 discharges thesecondary battery 16, that is, power from thesecondary battery 16 to thecommercial power supply 11. The case of supplying the will be described. When power is supplied from thesecondary battery 16, theswitch 36a is turned off. As a result, the number of turns m1 of theprimary side coil 46 with respect to the number of turns m3 of thesecondary side coil 31 of the high-frequency transformer 14 is doubled.

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。The third bidirectional full-bridge converter 15 functions as an inverter and supplies a high-frequency voltage to thesecondary coil 31 having a winding number m3 of the high-frequency transformer 14. A voltage twice as high as that applied to thesecondary coil 31 is induced on the primary side, and is converted into a direct current by the second bidirectionalfull bridge converter 13 that operates as a rectifier circuit. The signal is input to the bidirectionalfull bridge converter 12 and converted to the frequency of thecommercial power supply 11, and the phase is also synchronized with thecommercial power supply 11 and supplied to thecommercial power supply 11.

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）。Here, the output voltage of the first bidirectionalfull bridge converter 12 is determined by the duty ratio of the third bidirectionalfull bridge converter 15 that performs PWM modulation. Accordingly, in consideration of the number of turns m1 and m3 of the primary side and secondary side coils 46 and 31 of the high-frequency transformer 14, the voltage V1 generated in theprimary side coil 46 is expressed by the following equation when the voltage of thesecondary battery 16 is Vb. It becomes like this.
V1 = Vb × (m1 / m3) × ton / (ton + toff)
When this high-frequency voltage V1 is rectified by the second bidirectional full-bridge converter 13 and converted to a commercial power source by the first bidirectional full-bridge converter 12, the voltage Vc = kV1 (k is a proportional constant).

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。Therefore, when the voltage of the suppliedcommercial power supply 11 is Vs, Vc> Vs. In this case, the current Ic supplied to thecommercial power supply 11 is Ic = (Vc−Vs) / R (R is an internal resistance). Here, since the turn ratio of the high-frequency transformer 14 is aconstant value 2, the duty ratio of the third bidirectional full-bridge converter 15 is changed to determine the value of Ic.

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。The terminal voltage of thesecondary battery 16 initially maintains a specified value, but the voltage decreases by discharging, for example, when the voltage is halved, in the conventional secondary battery charge / discharge power supply device, Although it is impossible to return the electric power, in the case of the present invention, since the turns ratio m1 / m3 of the high-frequency transformer 14 is increased (= 2), discharge is possible even if the voltage of thesecondary battery 16 decreases. Become.
Note that when thesecondary battery 16 is charged, the turn ratio is restored, so that the DC voltage can be increased (higher than the voltage of the secondary battery 16), and thesecondary battery 16 is sufficiently charged. It becomes possible.

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。3 (A), 3 (B), and 4 show secondary battery charge / discharge power supply devices 52-54 using bidirectional power supply devices 49-51 according to other embodiments of the present invention. Since secondary battery charge / dischargepower supply devices 52 to 54 are substantially the same as secondary battery charge / dischargepower supply device 18 shown in FIGS. 1 and 2, only different components will be described.

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。In the secondary battery charge / dischargepower supply device 52 shown in FIG. 3A, as shown in FIG. 1A, theswitch 36a connected to one side of thesecondary coil 31 of the high-frequency transformer 14 is eliminated, and the diode When the third bidirectionalfull bridge converter 15 operates as an inverter by providing aswitch 55 on one side of 29, it is prevented from flowing through the entiresecondary coil 31, that is, all the turns m2. When the third bidirectionalfull bridge converter 15 is operated as a rectifier circuit, theswitch 55 is turned on.

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。Further, in the secondary battery charge / dischargepower supply device 53 shown in FIG. 3B, theswitch 36a shown in FIG. 1 and FIG. The otherside winding terminal 35 a of thesecondary coil 31 is connected to the connectingportion 37 a of the third bidirectionalfull bridge converter 15. The operation is the same as that of the secondary battery charge / dischargepower supply device 18 shown in FIGS. 1 (A), 1 (B), 2 (A), 2 (B).

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。FIG. 4 further shows a bidirectionalpower supply device 51 according to another embodiment of the present invention. Thesecondary coil 58 is provided with twointermediate taps 59 and 60 to provide a third bidirectional full-bridge converter 61. When it works as a rectifier circuit using thediodes 62 to 65, theswitches 66 and 67 are turned on and connected to both ends (number of turns m4) of thesecondary coil 58. Of course, theswitches 66 and 67 provided on both sides of thesecondary coil 58 may be turned off, and the output from the intermediate taps 59 and 60 (the number of turns m5) may be used as the input to the rectifier circuit.

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。When the third bidirectional full-bridge converter 61 operates as an inverter using thesecondary battery 16 as a power source, when theswitches 66 and 67 are turned off and a high frequency voltage is applied to the positions of the intermediate taps 59 and 60, the high frequency A voltage boosted at a turns ratio (m1 / m5) is generated in theprimary coil 46 of thetransformer 70. Of course, when the generated voltage is high, the duty ratio of the third bidirectional full-bridge converter 61 is adjusted.
In addition, as for the turns ratio of the primary side coil and the secondary side coil of the high frequency transformer, it is preferable to match the charging voltage of the secondary battery with the ratio of the minimum discharge voltage of the secondary battery.

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。The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the configuration thereof can be changed without changing the gist of the present invention. For example, the bidirectional power supply device of the present invention can also be applied to a power supply circuit for automobiles, a power supply using solar cells, a power supply using fuel cells, and the like.

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10: bidirectional power supply device, 11: commercial power supply, 12: first bidirectional full bridge converter, 13: second bidirectional full bridge converter, 14: high frequency transformer, 15: third bidirectional full bridge converter, 16: secondary battery, 18: secondary battery charge / discharge power supply device, 20-23: switching element, 24-29: diode, 31: secondary coil, 32: intermediate tap, 33, 34: input / output unit, 35 : One side winding end, 35a: other side winding terminal, 36 to 39: switching element, 36a: switch, 37a: connecting portion, 40 to 43: diode, 44, 45: input / output terminal, 46: primary side coil, 47: control device, 49-51: bidirectional power supply device, 52-54: secondary battery charge / discharge power supply device, 55, 56: switch, 58: secondary coil, 59, 60: intermediate tap, 1: third bidirectional full bridge converter, 62 to 65: diode, 66 and 67: switch, 70: high-frequency transformer

Claims (4)

Translated fromJapanese

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。A high-frequency transformer having a primary coil having a winding number of m1 and a secondary-side coil having a winding number of m2, and a bidirectional full-bridge converter connected to a secondary side of the high-frequency transformer; In a bidirectional power supply device for connecting and charging a secondary battery to charge and discharge the secondary battery,
When charging the secondary battery in which the bidirectional full bridge converter functions as a rectifier circuit, the bidirectional full bridge converter is connected to the secondary coil having the number of turns m2 to perform full wave rectification, and the bidirectional full bridge converter. The bidirectional full-bridge converter is connected to a secondary coil having a number of turns m3 smaller than the number of turns m2 when the secondary battery serving as an inverter is discharged.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。2. The bidirectional power supply device according to claim 1, wherein the bidirectional full-bridge converter includes an auxiliary diode that full-wave rectifies the voltage of the secondary coil having the number of turns m2 when the secondary battery is charged. Bidirectional power supply.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。3. The bidirectional power supply device according to claim 1, wherein the secondary coil having the winding number m <b> 3 is formed by providing an intermediate tap on the secondary coil having the winding number m <b> 2.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。4. The bidirectional power supply device according to claim 1, wherein a switch is provided on the secondary coil having the number of turns m <b> 2, and the bidirectional full bridge converter is configured to discharge the secondary battery. The bidirectional power supply device which functions as the inverter and turns off the switch when power is supplied to the secondary coil having the number of turns m3.

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