JP7168475B2 - power conversion circuit - Google Patents
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Description
本発明は、外部からの交流電力により主機電池および補機電池を充電するための電力変換回路に関する。
BACKGROUND OF THE
PHV(プラグインハイブリッド自動車)や、EV(電気自動車)等においては、外部交流電源の電力(例えば、電力会社からの電力系統)を用いて車載電池を充電することができる。 In a PHV (plug-in hybrid vehicle), an EV (electric vehicle), or the like, an on-vehicle battery can be charged using power from an external AC power supply (for example, a power system from an electric power company).
特許文献1では、3ポートのトランスを用いる、系統と主機電池および補機電池との間の電力変換において、電池SOC(State of charge:充電状態)変動による効率低下を抑制するため、直流電圧を電池SOCに合わせて変動させることが示されている。
In
また、特許文献2では、系統と主機電池の電力交換を行うトランスと、主機電池と補機電池の電力交換を行うトランスを設け、各トランスの両側の位相差を制御することで各トランスでの電力交換を制御することが示されている。 Further, in Patent Document 2, a transformer that exchanges power between the system and the main battery and a transformer that exchanges power between the main battery and the auxiliary battery are provided, and the phase difference between both sides of each transformer is controlled. Controlling power exchange is shown.
ここで、通常、主機電池は補機電池に比べ、高電圧・大容量であり、系統からの充電電力も大きい。このため、トランスでの電力交換において、系統側ブリッジ回路:主機電池側ブリッジ回路間の位相差が系統側ブリッジ回路:補機電池側ブリッジ回路間の位相差より大きく設定される。従って、主機電池と補機電池を同時に充電する場合、主機電池側ブリッジ回路:補機電池側ブリッジ回路の位相差に基づき、系統側ブリッジ回路からの電力が補機電池側ブリッジ回路を経由して主機電池側ブリッジ回路に供給される電力迂回が生じ、補機電池側ブリッジ回路による損失が大きくなってしまう。 Here, the main battery usually has a higher voltage and a larger capacity than the auxiliary battery, and the charging power from the system is also large. Therefore, in the power exchange in the transformer, the phase difference between the system side bridge circuit and the main battery side bridge circuit is set larger than the phase difference between the system side bridge circuit and the auxiliary battery side bridge circuit. Therefore, when charging the main battery and the auxiliary battery at the same time, the power from the system side bridge circuit is transferred via the auxiliary battery side bridge circuit based on the phase difference between the main battery side bridge circuit and the auxiliary battery side bridge circuit. The power supplied to the main battery side bridge circuit is detoured, and the loss due to the auxiliary battery side bridge circuit is increased.
本発明に係る電力変換回路は、直列接続された2つのスイッチング素子からなるアームを2つ有し、外部からの交流電力を入力源として交流電力を出力する系統側ブリッジ回路と、第1ポートに系統側ブリッジ回路が接続される3ポートトランスと、直列接続された2つのスイッチング素子からなるアームを2つ有し、3ポートトランスの第2ポートに接続されるとともに主機電池に充電電力を供給する主機側ブリッジ回路と、直列接続された2つのスイッチング素子からなるアームを2つ有し、3ポートトランスの第3ポートに接続されるとともに補機電池に充電電力を供給する補機側ブリッジ回路と、を含み、補機側ブリッジ回路においてインダクタンスを増加させ、補機電池を充電するために必要な系統側ブリッジ回路おける交流に対する補機側ブリッジ回路における交流の必要位相差を、主機電池を充電するために必要な系統側ブリッジ回路における交流に対する主機側ブリッジ回路における交流についての必要位相差に近づける。 A power conversion circuit according to the present invention has two arms composed of two switching elements connected in series, a system side bridge circuit that outputs AC power with AC power from the outside as an input source, and a first port. It has a 3-port transformer to which a grid-side bridge circuit is connected and two arms consisting of two switching elements connected in series, and is connected to the second port of the 3-port transformer and supplies charging power to the main battery A main machine side bridge circuit, and an auxiliary machine side bridge circuit that has two arms consisting of two switching elements connected in series, is connected to the third port of the 3-port transformer, and supplies charging power to the auxiliary machine battery. , to increase the inductance in the auxiliary equipment side bridge circuit, and the necessary phase difference of the AC in the auxiliary equipment side bridge circuit with respect to the AC in the system side bridge circuit required for charging the auxiliary equipment battery, to charge the main equipment battery The required phase difference for the AC in the main machine side bridge circuit with respect to the AC in the system side bridge circuit is brought close to the required phase difference.
また、補機側ブリッジ回路においてインダクタンスを増加させ、系統側ブリッジ回路おける交流に対する補機側ブリッジ回路における交流の必要位相差を系統側ブリッジ回路における交流に対する主機側ブリッジ回路における交流についての必要位相差と同等にするとよい。 In addition, by increasing the inductance in the auxiliary equipment side bridge circuit, the required phase difference of the AC in the auxiliary equipment side bridge circuit with respect to the AC in the system side bridge circuit is adjusted to the required phase difference of the AC in the main equipment side bridge circuit with respect to the AC in the system side bridge circuit. should be equal to
また、補機側ブリッジ回路において、追加のインダクタを設けること、または第3ポートにおける漏れインダクタンスを増加することで、補機側ブリッジ回路においてインダクタンスを増加させるとよい。 Further, it is preferable to increase the inductance in the accessory-side bridge circuit by providing an additional inductor or increasing the leakage inductance at the third port in the accessory-side bridge circuit.
また、電力変換回路は車載されており、系統側ブリッジ回路と3ポートトランスの第1ポートとの間に設けられ、両者の接続または切り離しを制御するリレーを有し、走行時に、リレーにより系統側ブリッジ回路と3ポートトランスの第1ポートを切り離し、主機側ブリッジ回路と、補機側ブリッジ回路との間で電力を伝送し、停車時に、リレーにより系統側ブリッジ回路と3ポートトランスの第1ポートを接続し、系統側ブリッジ回路から、主機側ブリッジ回路および補機側ブリッジ回路に電力を伝送するとよい。 In addition, the power conversion circuit is mounted on the vehicle, and is provided between the grid side bridge circuit and the first port of the 3-port transformer, and has a relay that controls connection or disconnection between the two. The bridge circuit and the 1st port of the 3-port transformer are separated, power is transmitted between the bridge circuit on the main side and the bridge circuit on the auxiliary side, and when the vehicle is stopped, the grid-side bridge circuit and the 1st port of the 3-port transformer are relayed. and transmit power from the system side bridge circuit to the main side bridge circuit and the auxiliary side bridge circuit.
本発明によれば、主機電池と補機電池の同時充電の際の電力損失を低減することができる。 According to the present invention, power loss during simultaneous charging of the main battery and the auxiliary battery can be reduced.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. It should be noted that the invention is not limited to the embodiments described herein.
図1は、一実施形態に係る電力変換回路を用いたシステムの構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a system using a power conversion circuit according to one embodiment.
まず、3ポートトランスTRの第1トランス巻線LL1に第1ポートを介し接続される力率改善機能を有する系統側ブリッジ回路Aについて説明する。 First, the system side bridge circuit A having a power factor improving function connected to the first transformer winding LL1 of the 3-port transformer TR via the first port will be described.
例えば、交流100Vの商用電源などの外部交流電源10には、コンデンサC0が並列接続されており、外部交流電源10の一端は、整流回路を構成する同一方向を向く2つのダイオードD1,D2の直列接続の中点に接続される。外部交流電源10は、電力会社から供給されるものであり、適宜係合と呼ぶ。また、ダイオードD1,D2の直列接続のアノード側が正側母線、カソード側が負側母線となり、負側母線はグランドに接続されている。正側負側母線間には、平滑コンデンサC1が接続されているとともに、スイッチング素子S1,S2の直列接続からなるアームと、スイッチング素子S3,S4の直列接続からなるアームを含むフルブリッジBR1が接続されている。
For example, a capacitor C0 is connected in parallel to an external
スイッチング素子S1,S2の中点と、スイッチング素子S3,S4の中点はリレーRLを介し、3ポートトランスTRの第1トランス巻線LL1の両端である第1ポートに接続される。また、第1トランス巻線LL1の中間ポートには、外部交流電源10の他端に接続されている。
The middle point of the switching elements S1 and S2 and the middle point of the switching elements S3 and S4 are connected to the first port, which is both ends of the first transformer winding LL1 of the 3-port transformer TR, via the relay RL. Also, the intermediate port of the first transformer winding LL1 is connected to the other end of the external
従って、外部交流電源10のからの交流成分は、ダイオードD1,D2の中点と、3ポートトランスTRの第1トランス巻線LL1の中間ポートの間に印加される。整流ダイオードD1,D2で整流され平滑コンデンサC1で平滑された直流電圧VC1は、正側負側母線間に印加され、スイッチング素子S1~S4のスイッチングによって、トランスTRの第1トランス巻線LL1に所定の交流電圧Vuvが印加される。ここで、ライン周期(例えば、50Hz)で変動する外部交流電源の出力(系統電圧)に合わせて、スイッチング素子S1~S4からなるフルブリッジBR1のスイッチングを制御することで、第1トランス巻線LL1における電圧電流の位相を制御して損失を低減することができる。
Therefore, the AC component from the external
3ポートトランスTRの第2トランス巻線LL2の両端である、第2のポートには主機側ブリッジ回路Bが接続され、第3トランス巻線LL3の両端である第3ポートには補機側ブリッジ回路Cが接続される。このように、系統側ブリッジ回路A、主機側ブリッジ回路Bおよび補機側ブリッジ回路Cはトランスコアを共有している。 A main side bridge circuit B is connected to the second port, which is both ends of the second transformer winding LL2 of the 3-port transformer TR, and an auxiliary side bridge circuit is connected to the third port, which is both ends of the third transformer winding LL3. Circuit C is connected. Thus, the system side bridge circuit A, the main side bridge circuit B, and the auxiliary side bridge circuit C share the transformer core.
主機側ブリッジ回路Bは、スイッチング素子S5,S6の直列接続からなるアームと、スイッチング素子S7,S8の直列接続からなるアームを含むフルブリッジBR2を有しており、スイッチング素子S5,S6の中点と、スイッチング素子S7,S8の中点が、3ポートトランスTRの第2ポート、すなわち第2トランス巻線LL2の両端に接続されている。このフルブリッジBR2には、平滑コンデンサC2と主機電池12が並列接続されている。従って、スイッチング素子S5~S8のスイッチングを制御することで、3ポートトランスの第2ポートへの印加電圧Vwxを制御することができ、トランス巻線LL2の電圧を制御することができる。
The main machine side bridge circuit B has a full bridge BR2 including an arm formed by a series connection of switching elements S5 and S6 and an arm formed by a series connection of switching elements S7 and S8. , the middle point of the switching elements S7 and S8 is connected to the second port of the 3-port transformer TR, that is, to both ends of the second transformer winding LL2. A smoothing capacitor C2 and a
補機側ブリッジ回路Cは、上述した主機側ブリッジ回路Bと同様の構成を有しており、スイッチング素子S9,S10の直列接続からなるアームと、スイッチング素子S11,S12の直列接続からなるアームを含むフルブリッジBR3を有しており、スイッチング素子S9,S10の中点と、スイッチング素子S11,S12の中点が、3ポートトランスTRの第3ポート、すなわちトランス巻線LL3の両端に接続されている。フルブリッジBR3には、平滑コンデンサC3と補機電池14が並列接続されている。従って、スイッチング素子S9~S12のスイッチングを制御することで、3ポートトランスの第3ポートへの印加電圧Vyzを制御することができ、トランス巻線LL3の電圧を制御することができる。
The accessory-side bridge circuit C has the same configuration as the above-described main-side bridge circuit B, and has an arm composed of series-connected switching elements S9 and S10 and an arm composed of series-connected switching elements S11 and S12. The middle point of the switching elements S9 and S10 and the middle point of the switching elements S11 and S12 are connected to the third port of the 3-port transformer TR, that is, both ends of the transformer winding LL3. there is A smoothing capacitor C3 and an
なお、各スイッチング素子S1~S12は、逆流防止ダイオードがそれぞれ並列接続されている。 A backflow prevention diode is connected in parallel to each of the switching elements S1 to S12.
ここで、3ポートトランスTRの各トランス巻線LL1,LL2,LL3の巻線数の比によって各ポート間の電圧比を決定することができる。また、系統側ブリッジ回路A:主機側ブリッジ回路B:補機側ブリッジ回路Cの位相差を制御することで、電力伝送量を制御することができる。すなわち、回路間の伝送電力量は、回路間の位相差に比例し、回路間のインダクタンスに反比例する。なお、位相は、例えばブリッジ回路におけるスイッチング周期の位相としてよい。 Here, the voltage ratio between the ports can be determined by the ratio of the winding numbers of the transformer windings LL1, LL2, and LL3 of the 3-port transformer TR. Further, by controlling the phase difference of the system side bridge circuit A: the main machine side bridge circuit B: the auxiliary machine side bridge circuit C, the amount of power transmission can be controlled. That is, the amount of power transmitted between circuits is proportional to the phase difference between the circuits and inversely proportional to the inductance between the circuits. The phase may be the phase of the switching cycle in the bridge circuit, for example.
系統側ブリッジ回路Aと主機側ブリッジ回路B、補機側ブリッジ回路Cにおいては、フルブリッジBR1,BR2,BR3におけるスイッチング素子をPWM(パルス幅変調)制御して、対応するポートへの波形を制御する。特に、系統側ブリッジ回路Aでは、力率改善(PFC)機能を有しており、時比率(duty)を変調することで、入力電流高調波を抑制して、所定の位相で3ポートトランスTRの一次側に電力を供給する。また、主機側ブリッジ回路B、補機側ブリッジ回路Cでは、フルブリッジBR2,BR3のスイッチングを制御して、系統側ブリッジ回路Aとの位相差を制御するとともに、各回路間のインダクタンスを適切に設定することで、各回路間で伝送される電力量を制御する。 In the system side bridge circuit A, the main side bridge circuit B, and the auxiliary side bridge circuit C, the switching elements in the full bridges BR1, BR2, and BR3 are PWM (pulse width modulation) controlled to control the waveform to the corresponding port. do. In particular, the grid-side bridge circuit A has a power factor correction (PFC) function, and by modulating the duty ratio, suppresses input current harmonics and controls the 3-port transformer TR at a predetermined phase. supply power to the primary side of the In addition, in the main machine side bridge circuit B and the auxiliary machine side bridge circuit C, the switching of the full bridges BR2 and BR3 is controlled to control the phase difference with the system side bridge circuit A, and the inductance between each circuit is appropriately adjusted. By setting, the amount of power transmitted between each circuit is controlled.
「システムの動作」
図2は、停車時および走行時における回路動作を説明する図であり、(a)は停車時、(b)が走行時を示す。なお、図2においては、図1の回路を簡略化して示してある。
"System Behavior"
2A and 2B are diagrams for explaining the circuit operation when the vehicle is stopped and when the vehicle is running. FIG. 2A shows the operation when the vehicle is stopped, and FIG. 2, the circuit of FIG. 1 is shown in a simplified form.
図2(a)は停車時の状態を示し、リレーRLがオンし、外部交流電源10から主機電池12への充電(例えば3000W程度)が行われる。また、停車充電時であっても、電池監視ユニットなど複数の補機系部品が動作する。このため、補機電池14が枯渇しないように、3ポートトランスTRを介し、数百W程度の小電力を補機電池14へ供給する。
FIG. 2(a) shows the state when the vehicle is stopped, the relay RL is turned on, and charging (for example, about 3000 W) from the external
図2(b)は走行時の状態を示し、リレーRLをオフし、系統側ブリッジ回路Aを第1ポートから切り離す。そして、この状態で、必要に応じて、主機電池12から補機電池14へ給電する。このとき、PFC機能は不要のため、duty値は固定値、例えば変換効率が最大となるduty=50%近傍で動作させる。このように、動作シーン毎に、リレーRLのオンオフおよび回路動作を切り替えることで、車載充電およびDC/DC変換の機能を統合することができる。
FIG. 2(b) shows the state during running, in which the relay RL is turned off and the system side bridge circuit A is disconnected from the first port. In this state, power is supplied from the
なお、図2(a)に示した停車充電時に、ライン周期でdutyが変動することを除けば、2ポートの絶縁型コンバータを拡張した絶縁型3ポートDC/DCコンバータとして機能する。 Except for the fact that the duty varies with the line period during charging while the vehicle is stopped as shown in FIG.
図3は3ポートトランスTRの等価回路を示す図であり、(a)は、結合率を1とした理想的な3ポートトランスの等価回路、(b)はY結線トランス等価回路である。 FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the 3-port transformer TR, where (a) is an equivalent circuit of an ideal 3-port transformer with a coupling ratio of 1, and (b) is a Y-connected transformer equivalent circuit.
図3(a)のntr1,ntr2,ntr3は,それぞれ系統側ブリッジ回路A、主機側ブリッジ回路B、および補機側ブリッジ回路Cが接続されるトランス巻線LL1,LL2,LL3の巻数であり,Lmは励磁インダクタンス、L1,L2,L3は各巻線に外付けされたインダクタンス値である。このとき、巻数比を、N12=ntr1/ntr2,N13=ntr1/ntr3とし、Vwx’=N12・Vwx,Vyz’=N13・Vyzすると、3つのフルブリッジBR1,BR2,BR3をパルス電圧源としたY結線トランス等価回路は、図3(b)のように書き直せる。 n tr1 , n tr2 , and n tr3 in FIG. 3A are the number of turns of transformer windings LL1, LL2, and LL3 to which the system side bridge circuit A, the main side bridge circuit B, and the auxiliary side bridge circuit C are connected, respectively. where Lm is the excitation inductance, and L1, L2 , and L3 are the inductance values externally attached to each winding. At this time, if the turns ratio is N 12 =n tr1 /n tr2 , N 13 =n tr1 /n tr3 , and V wx ′=N 12 ·V wx , V yz ′=N 13 ·V yz , three full A Y-connected transformer equivalent circuit using the bridges BR1, BR2, and BR3 as pulse voltage sources can be rewritten as shown in FIG. 3(b).
各フルブリッジBR1,BR2,BR3間の伝送電力を導出するには,図3(b)のY結線等価回路を、Δ結線等価回路へ変換する必要がある。 In order to derive the transmission power between the full bridges BR1, BR2 and BR3, it is necessary to convert the Y-connection equivalent circuit of FIG. 3(b) into a Δ-connection equivalent circuit.
図4は、YΔ変換後の3ポートトランス等価回路を示す図である。このとき、パルス電圧源間のインダクタンス値L12r,L13rおよびL23rは,それぞれL12r=Lk/L3r,L13r=Lk/L2r,L23r=Lk/L1rで与えられる。ここで、Lkは、Y-Δ変換時に現れる分母項で、Lk=L1r・L2r+L1r・L3r+L2r・L3rで与えられる。 FIG. 4 is a diagram showing a three-port transformer equivalent circuit after YΔ conversion. At this time, the inductance values L12r , L13r and L23r between the pulse voltage sources are given by L12r = Lk/L3r , L13r = Lk / L2r and L23r = Lk / L1r , respectively. . Here, L k is a denominator term that appears during Y-Δ conversion and is given by L k =L 1r ·L 2r +L 1r ·L 3r +L 2r ·L 3r .
図4に示されるΔ結線等価回路において、外部交流電源10から主機電池12への伝送電力をP12、外部交流電源10から補機電池14への伝送電力をP13、および主機電池12から補機電池14への伝送電力をP23とすると、P12,P13,P23はそれぞれ式(1)の関係で与えられる。 In the delta-connection equivalent circuit shown in FIG. Assuming that the transmission power to the machine battery 14 is P23, P12 , P13 , and P23 are given by the relationship of Equation (1).
ここで、δ(=2πduty)は,フルブリッジBR1,BR2,BR3の時比率であり、本実施形態では、停車充電時においてすべてのブリッジ回路で、δを同期させている。また、Vuv(アッパーバー),Vwx(アッパーバー),Vyz(アッパーバー)は、各パルス電圧源の振幅である。式(1)より、φ1>φ2となる動作条件では、P12およびP13が正であり、系統側ブリッジ回路Aから主機側ブリッジ回路Bおよび補機側ブリッジ回路Cへ電力が伝送される。ここで、P23が負であり、補機側ブリッジ回路Cから主機側ブリッジ回路Bへ電力が伝送される。これは、補機電池14の負荷が必要としている電力以上の電力が、系統側ブリッジ回路Aから補機側ブリッジ回路Cへ伝送され、残りの電力が補機側ブリッジ回路Cを迂回して主機側ブリッジ回路Bへ伝送されることを示している。
Here, δ (=2πduty) is the duty ratio of the full bridges BR1, BR2, and BR3, and in this embodiment, δ is synchronized in all bridge circuits during charging while the vehicle is stopped. V uv (upper bar), V wx (upper bar), and V yz (upper bar) are the amplitudes of each pulse voltage source. From equation (1), under the operating conditions of φ 1 >φ 2 , P 12 and P 13 are positive, and power is transmitted from system side bridge circuit A to main side bridge circuit B and auxiliary side bridge circuit C. be. Here, P23 is negative, and power is transmitted from the accessory side bridge circuit C to the main side bridge circuit B. This is because power greater than or equal to the power required by the load of the
図5は、回路シミュレータによる、あるduty値における電力迂回発生時のトランス巻線LL3の電流iyの波形と、その電流実効値iyrmsの演算結果を示す図である。ここで、補機負荷は16Aである。このように、補機負荷の要求電流が16Aであるのに対し、トランス巻線LL3の電流の実効値iyrmsは30Aであり、迂回電力により補機側ブリッジ回路Cにおける電流ストレスが増大することが分かる。 FIG. 5 is a diagram showing the waveform of the current iy in the transformer winding LL3 when power bypass occurs at a certain duty value and the calculation result of the current effective value iyrms by the circuit simulator. Here, the accessory load is 16A. Thus, while the required current of the accessory load is 16 A, the effective value i yrms of the current of the transformer winding LL3 is 30 A, and the bypass power increases the current stress in the accessory side bridge circuit C. I understand.
電圧の低い補機側ブリッジ回路C側では、数百Wの迂回電力で電流実効値が顕著に増大するため、同時充電時の高効率を維持するためには、補機側ブリッジ回路Cへの迂回電力を抑制する必要がある。 On the auxiliary equipment side bridge circuit C side, where the voltage is low, the current effective value increases significantly with the bypass power of several hundred watts. It is necessary to suppress detour power.
上述の式(1)より、補機側ブリッジ回路Cを迂回する電力P23をゼロに抑制するためには、位相差φ1とφ2を等しくするか、位相差φ2をφ1より大きくすればよい。一方で、位相差φ1,φ2は、それぞれ主機電池12および補機電池14への充電電力に比例して増加させる必要があり、充電電力が大きい、系統側ブリッジ回路A:主機側ブリッジ回路B間の位相差φ1は、φ2に比べて必然的に大きくなる。
From the above equation ( 1 ), in order to suppress the power P23 bypassing the auxiliary equipment side bridge circuit C to zero, the phase differences φ1 and φ2 must be equal, or the phase difference φ2 must be larger than φ1. do it. On the other hand, the phase differences φ 1 and φ 2 must be increased in proportion to the charging power of the
これに対し、図2(a)における補機側インダクタンスL3rを増大させ、系統側ブリッジ回路A:補機側ブリッジ回路Cの必要位相差φ2を増やすことで、補機側ブリッジ回路Cを介し主機側ブリッジ回路Bへ迂回する電力を抑制することができる。なお、主機側ブリッジ回路Bを迂回して補機側ブリッジ回路Cに電力を伝送する場合、主機側ブリッジ回路Bの伝送量に比べて、迂回電力量が小さくほとんど問題にならない。 On the other hand, by increasing the accessory-side inductance L3r in FIG . The power detoured to the bridge circuit B on the main side can be suppressed. When power is transmitted to the auxiliary device side bridge circuit C by detouring the main device side bridge circuit B, the detour power amount is small compared to the transmission amount of the main device side bridge circuit B and causes almost no problem.
図6は、停車充電時にφ1=φ2となるよう補機側インダクタンスL3rを設定した際のトランス巻線LL2,LL3の電流波形を示す図である。電流実効値iyrmsは、負荷電流16Aと等価となり、補機側ブリッジ回路への迂回電力が抑制できていることが分かる。 FIG. 6 is a diagram showing current waveforms of the transformer windings LL2 and LL3 when the accessory-side inductance L3r is set so that φ1 = φ2 during charging while the vehicle is stopped. The current effective value i yrms is equivalent to the load current of 16 A, and it can be seen that the detour power to the accessory-side bridge circuit can be suppressed.
このとき、式(1)において、Vuv(アッパーバー)=Vwx(アッパーバー)=Vyz(アッパーバー)とすると、迂回電力抑制に必要なインダクタンス値L3rは下式で与えられる。必要なインダクタンスL3rを得る手段は、3ポートトランスTRの補機側ブリッジ回路Cが接続されるトランス巻線LL3への固定インダクタの追加か、もしくはトランス構造設計による漏れL成分の調整により実施可能である。図1においては、追加の固定インダクタLL3+を点線で示してある。 At this time, if V uv (upper bar)=V wx (upper bar)=V yz (upper bar) in equation (1), the inductance value L 3r required for bypass power suppression is given by the following equation. The means for obtaining the required inductance L3r can be implemented by adding a fixed inductor to the transformer winding LL3 to which the accessory-side bridge circuit C of the 3-port transformer TR is connected, or by adjusting the leakage L component through transformer structural design. is. An additional fixed inductor LL3+ is shown in dashed lines in FIG.
図7は、式(2)で与えられたインダクタンス設計条件下における、走行中(図2(b))の定格100A出力での動作波形を示す図であり、(a)は主機電池側、(b)は補機電池側を示す。走行時は、力率改善の必要がなく、式(1)におけるδを0.5に固定して動作させることで、伝送可能な電力を大きくすることができる。また、迂回抑制のため、補機側ブリッジ回路CのインダクタンスL3rを大きくしたことにより、Δ結線における主機側ブリッジ回路B:補機側ブリッジ回路C間のインダクタンスL23rが大きくなった回路条件においても、走行時に必要な電力を伝送可能である。すなわち、図2(b)に示すように、100Aでの補機電池14の充電が行える。
FIG. 7 is a diagram showing operating waveforms at a rated 100A output during running (FIG. 2(b)) under the inductance design conditions given by equation (2), (a) being the main battery side, ( b) shows the auxiliary battery side. During running, there is no need to improve the power factor, and by operating with δ in Equation (1) fixed at 0.5, the power that can be transmitted can be increased. In addition, in circuit conditions where the inductance L 23r between the main side bridge circuit B and the auxiliary side bridge circuit C in the Δ connection is increased by increasing the inductance L 3r of the auxiliary side bridge circuit C for detour suppression It is also possible to transmit the electric power necessary for running. That is, as shown in FIG. 2(b), the
「実施形態の効果」
本実施形態によれば、リレーRLを設け、走行時には系統側ブリッジ回路Aを3ポートトランスTRから切り離す。従って、3ポートトランスTR、主機側ブリッジ回路B、補機側ブリッジ回路Cを主機電池12と補機電池14との間のDC/DCコンバータとして使用することができ、効率的な電力伝送が行える。
"Effect of embodiment"
According to this embodiment, the relay RL is provided to disconnect the system side bridge circuit A from the 3-port transformer TR during running. Therefore, the 3-port transformer TR, the main machine side bridge circuit B, and the auxiliary machine side bridge circuit C can be used as a DC/DC converter between the
また、停車時の外部交流電源10からの充電時においては、3ポートトランスTRに接続された系統側ブリッジ回路A、主機側ブリッジ回路Bおよび補機側ブリッジ回路Cにおいて、位相差変調による電力伝送が行える。ここで、このような位相差変調による電力伝送を行う際、系統側ブリッジ回路A、主機側ブリッジ回路Bおよび補機側ブリッジ回路Cの負荷状態によっては、電力迂回が生じる。特に、主機電池12と補機電池14のように、電圧差が大きい負荷(電池)に対し同時充電する場合、電圧の低い補機側ブリッジ回路Cを迂回した主機側ブリッジ回路Bへの電力伝送が生じると、巻線や半導体スイッチへの電流ストレスが大きく効率悪化が懸念される。本実施形態では、同時充電時において、系統側ブリッジ回路A:主機側ブリッジ回路B間の必要位相差と、系統側ブリッジ回路A:補機側ブリッジ回路C間の必要位相差が等しくなるように、系統:補機側ブリッジ回路間の等価インダクタンス値を設定して、迂回電力を抑制することができる。このとき、系統側ブリッジ回路A:補機側ブリッジ回路C間の等価インダクタンス値は、補機側ブリッジ回路Cに接続されるトランス巻線LL3上のインダクタンス値で調整することができる。
Further, when charging from the external
また、回路間の伝送電力量は、回路間位相差に比例し、回路間等価インダクタンス値に反比例する。停車充電時は、一定電力での動作期間(定常期間)が充電期間のほとんどを占めるため、定常期間で電力迂回が発生しないように、予め回路間等価インダクタンス値を設計すれば、迂回電力を抑制するよう系統側ブリッジ回路A:主機側ブリッジ回路B間の必要位相差と、系統側ブリッジ回路A:補機側ブリッジ回路C間の必要位相差を等しくすることができる。 Also, the amount of power transmitted between circuits is proportional to the phase difference between the circuits and inversely proportional to the equivalent inductance value between the circuits. During charging while the vehicle is stationary, most of the charging period is during operation with constant power (steady period). Therefore, if the equivalent inductance value between circuits is designed in advance to prevent power detours during the steady period, detour power can be suppressed. Thus, the required phase difference between the system side bridge circuit A and the main machine side bridge circuit B and the required phase difference between the system side bridge circuit A and the auxiliary machine side bridge circuit C can be made equal.
このように、同時充電定常期間における必要位相差を、インダクタンス値の設計で等しく保つことで、効率悪化要因である迂回電力を抑制することができる。 In this way, by designing the inductance values to keep the required phase difference in the steady period of simultaneous charging equal, it is possible to suppress the detour power, which is a factor of deterioration in efficiency.
10 外部交流電源、12 主機電池、14 補機電池、A 系統側ブリッジ回路、B 主機側ブリッジ回路、C 補機側ブリッジ回路、BR1,BR2,BR3 フルブリッジ、C0~C3 コンデンサ、D1,D2 ダイオード、LL1,LL2,LL3 トランス巻線、RL リレー、S1~S12 スイッチング素子、TR 3ポートトランス。
10 external AC power supply, 12 main machine battery, 14 auxiliary machine battery, A system side bridge circuit, B main machine side bridge circuit, C auxiliary machine side bridge circuit, BR1, BR2, BR3 full bridge, C0 to C3 capacitor, D1, D2 diode , LL1, LL2, LL3 transformer windings, RL relays, S1 to S12 switching elements, TR 3-port transformer.
Claims (4)
第1ポートに系統側ブリッジ回路が接続される3ポートトランスと、
直列接続された2つのスイッチング素子からなるアームを2つ有し、3ポートトランスの第2ポートに接続されるとともに主機電池に充電電力を供給する主機側ブリッジ回路と、
直列接続された2つのスイッチング素子からなるアームを2つ有し、3ポートトランスの第3ポートに接続されるとともに補機電池に充電電力を供給する補機側ブリッジ回路と、
を含み、
補機側ブリッジ回路においてインダクタンスを増加させ、補機電池を充電するために必要な系統側ブリッジ回路おける交流に対する補機側ブリッジ回路における交流の必要位相差を、主機電池を充電するために必要な系統側ブリッジ回路における交流に対する主機側ブリッジ回路における交流についての必要位相差に近づける、
電力変換回路。 A grid-side bridge circuit that has two arms composed of two switching elements connected in series and that outputs AC power from an input source of AC power from the outside;
a 3-port transformer in which a grid-side bridge circuit is connected to a first port;
a main machine side bridge circuit having two arms consisting of two switching elements connected in series, connected to the second port of the 3-port transformer and supplying charging power to the main machine battery;
an auxiliary equipment-side bridge circuit having two arms composed of two switching elements connected in series, connected to a third port of a three-port transformer, and supplying charging power to an auxiliary battery;
including
By increasing the inductance in the auxiliary equipment side bridge circuit, the necessary phase difference of the AC in the auxiliary equipment side bridge circuit with respect to the AC in the system side bridge circuit required for charging the auxiliary equipment battery is adjusted to the required phase difference for charging the main equipment battery. Close to the required phase difference for the AC in the main machine side bridge circuit with respect to the AC in the system side bridge circuit,
power conversion circuit.
補機側ブリッジ回路においてインダクタンスを増加させ、系統側ブリッジ回路おける交流に対する補機側ブリッジ回路における交流の必要位相差を系統側ブリッジ回路における交流に対する主機側ブリッジ回路における交流についての必要位相差と同等にする、
電力変換回路。 In the power conversion circuit according to claim 1,
Increase the inductance in the auxiliary equipment side bridge circuit so that the required phase difference of the AC in the auxiliary equipment side bridge circuit with respect to the AC in the grid side bridge circuit is equal to the required phase difference for the AC in the main equipment side bridge circuit with respect to the AC in the grid side bridge circuit. to make
power conversion circuit.
補機側ブリッジ回路において、追加のインダクタを設けること、または第3ポートにおける漏れインダクタンスを増加することで、補機側ブリッジ回路においてインダクタンスを増加させる、
電力変換回路。 In the power conversion circuit according to claim 1 or 2,
increasing the inductance in the accessory-side bridge circuit by providing an additional inductor or increasing the leakage inductance at the third port in the accessory-side bridge circuit;
power conversion circuit.
電力変換回路は車載されており、
系統側ブリッジ回路と3ポートトランスの第1ポートとの間に設けられ、両者の接続または切り離しを制御するリレーを有し、
走行時に、リレーにより系統側ブリッジ回路と3ポートトランスの第1ポートを切り離し、主機側ブリッジ回路と、補機側ブリッジ回路との間で電力を伝送し、
停車時に、リレーにより系統側ブリッジ回路と3ポートトランスの第1ポートを接続し、系統側ブリッジ回路から、主機側ブリッジ回路および補機側ブリッジ回路に電力を伝送する、
電力変換回路。
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 3,
The power conversion circuit is installed in the vehicle,
A relay provided between the system side bridge circuit and the first port of the 3-port transformer and controlling connection or disconnection between the two,
When running, the system side bridge circuit and the first port of the 3-port transformer are separated by a relay, power is transmitted between the main side bridge circuit and the auxiliary side bridge circuit,
When the vehicle is stopped, the grid side bridge circuit and the first port of the 3-port transformer are connected by a relay, and power is transmitted from the grid side bridge circuit to the main machine side bridge circuit and the auxiliary machine side bridge circuit.
power conversion circuit.
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