JP5223932B2 - 直流電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を供給する直流電力供給装置に関し、例えば二次電池を充電する充電装置に利用される直流電力供給装置に関する。

特許文献１ないし特許文献４は、絶縁トランスによって一次側と二次側とを絶縁した絶縁型直流電力変換回路（以下、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、または絶縁コンバータと呼ぶ）を開示している。絶縁コンバータは、漏電を抑制するために有効である。

特開平７−２９８５１３号公報 特開２００８−３１２３８２号 特開２００９−３３８００号公報 特許４５２７６１６号

例えば、直流電力供給装置の用途のひとつである充電装置においては、商用電源などの系統から二次電池に充電する場合がある。二次電池が四輪車、二輪車、船舶、飛行機などの移動体に搭載されている場合、移動体に搭載された回路の浮遊容量が大きい場合がある。例えば、電気自動車や、プラグインハイブリッド車といった車両に二次電池が搭載されている場合、車両に搭載された高電圧回路とボディアース間の容量が大きい。容量としてはフィルタ回路や回路の浮遊容量がある。このような場合、系統の電力が浮遊容量を通して漏電することがあった。また、漏電が増加すると、系統と直流電力供給装置との間に設けられた漏電遮断器が作動することがある。この場合、電力供給が遮断される。絶縁コンバータは、このような漏電を抑制するために有効であった。

しかし、絶縁コンバータは、スイッチング回路と絶縁トランスとを通して電力を供給するため電力変換の効率が低いという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、改善された電力変換効率をもつ直流電力供給装置を提供することである。

本発明の他の目的は、改善された電力変換効率をもち、かつ、絶縁コンバータによる漏電抑制効果を得ることができる直流電力供給装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、系統を電源とするときには漏電抑制を図ることができ、かつ、二次電池を電源とするときには高い効率を実現することができる直流電力供給装置を提供することである。

本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明は、直流電源（２１、２２）と系統（２３）とを含む電源機器（２１、２２、２３）から供給される電力を変換し、二次電池（３１、２３１）へ直流電力を供給する変換回路（４、２０４、３０４、４０４）を備える直流電力供給装置において、変換回路は、入力と出力との間が非絶縁の非絶縁コンバータ回路（５１、３５１、４５１）によって直流電力を供給する状態と、入力と出力との間が絶縁トランスによって絶縁された絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）によって直流電力を供給する状態とに切替可能な変換回路（４、２０４、３０４、４０４）であって、さらに、変換回路が非絶縁コンバータ回路によって直流電力を供給するとき、系統から非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断する遮断装置（４６、２４６）を備え、変換回路（４、２０４、３０４、４０４）は、直流電力を二次電池（３１、２３１）に供給する充電回路であって、変換回路（４、２０４、３０４、４０４）は、二次電池の充電初期に非絶縁コンバータ回路（５１、３５１、４５１）によって直流電力を供給し、二次電池の充電後期に絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）によって直流電力を供給することを特徴とする。

この発明によると、非絶縁コンバータ回路によって直流電力を供給するとき、系統から非絶縁コンバータ回路への電力供給が遮断される。このため、非絶縁コンバータ回路は、直流電源から電力の供給を受けて、直流電力を供給する。非絶縁コンバータ回路は、絶縁トランスによって絶縁された絶縁コンバータ回路より高い電力変換効率を提供できる。この結果、非絶縁コンバータ回路によって直流電力を供給するとき、高い電力変換効率を提供することができる。しかも、系統が切り離されているから、非絶縁コンバータ回路の出力側における浮遊容量に起因する不具合が回避される。この発明によると、二次電池の充電初期に、非絶縁コンバータ回路による高い電力変換効率が提供される。また、二次電池の充電後期に、絶縁コンバータ回路によって浮遊容量に起因する不具合が回避される。

請求項２に記載の発明は、遮断装置は、変換回路が、非絶縁コンバータ回路（５１、３５１、４５１）によって直流電力を供給するとき、系統から非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断することにより、直流電源（２１、２２）だけから非絶縁コンバータ回路への電力供給を許容し、変換回路が、絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）によって直流電力を供給するとき、系統から絶縁コンバータ回路への電力供給を許容することにより、系統（２３）から供給される電力を絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）だけによって変換させることを特徴とする。

この発明によると、非絶縁コンバータ回路が直流電力を供給するときには、直流電源だけから非絶縁コンバータ回路へ電力が供給される。このため、非絶縁コンバータ回路の出力側における浮遊容量に起因する不具合を回避しながら、非絶縁コンバータ回路がもつ高い電力変換効率を提供できる。また、系統から供給される電力は、絶縁コンバータ回路だけによって変換される。このため、絶縁コンバータ回路の出力側における浮遊容量に起因する不具合が回避される。

請求項３に記載の発明は、直流電源（２１、２２）と系統（２３）とを含む電源機器（２１、２２、２３）から供給される電力を変換し、二次電池（３１、２３１）へ直流電力を供給する変換回路（３０４、４０４）を備える直流電力供給装置において、変換回路は、入力と出力との間が非絶縁の非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給する状態と、入力と出力との間が絶縁トランスによって絶縁された絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給する状態とに切替可能な変換回路（３０４、４０４）であって、さらに、変換回路が非絶縁コンバータ回路によって直流電力を供給するとき、系統から非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断する遮断装置（４６、２４６）を備え、変換回路（３０４、４０４）は、絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側に設けられた第１のフルブリッジ回路（ＦＢＲ１）と、絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の二次側に設けられた第２のフルブリッジ回路（ＦＢＲ２）と、絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側端子と二次側端子との間を短絡または開放するとともに、第１のフルブリッジ回路のマイナス線と第２のフルブリッジ回路のマイナス線との間を短絡または開放する切替装置（３５３）とを備え、切替装置により非絶縁コンバータ回路、または絶縁コンバータ回路に切替可能な切替可能型コンバータ回路（３５１、４５１）を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、遮断装置は、変換回路が、非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給するとき、系統から非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断することにより、直流電源（２１、２２）だけから非絶縁コンバータ回路への電力供給を許容し、変換回路が、絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給するとき、系統から絶縁コンバータ回路への電力供給を許容することにより、系統（２３）から供給される電力を絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）だけによって変換させることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、変換回路（３０４、４０４）は、直流電力を二次電池（３１、２３１）に供給する充電回路であって、二次電池の充電初期に非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給し、二次電池の充電後期に絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給することを特徴とする。

この発明によると、二次電池の充電初期に、非絶縁コンバータ回路による高い電力変換効率が提供される。また、二次電池の充電後期に、絶縁コンバータ回路によって浮遊容量に起因する不具合が回避される。

請求項６に記載の発明は、変換回路（３０４、４０４）は、直流電源（２１、２２）の電力供給能力の高低の境界に基づいて、電力供給能力が高いとき非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給し、電力供給能力が低いとき絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって直流電力を供給することを特徴とする。

この発明によると、直流電源の電力供給能力が高いときに、非絶縁コンバータ回路による高い効率が提供される。また、直流電源の電力供給能力が低いときに、絶縁コンバータ回路によって浮遊容量に起因する不具合が回避される。

請求項７に記載の発明は、変換回路（４、２０４）は、非絶縁コンバータ回路（５１）と、絶縁コンバータ回路（５２）と、非絶縁コンバータ回路（５１）と絶縁コンバータ回路（５２）とのいずれかを選択的に二次電池（３１、２３１）に接続する切替装置（５３、２５３）を備えることを特徴とする。

この発明によると、変換回路には、非絶縁コンバータ回路と、絶縁コンバータ回路とが、それぞれ独立した回路として設けられる。これらの回路は、選択的に二次電池に接続される。

請求項８に記載の発明は、切替装置（２５３）は、非絶縁コンバータ回路（５１）と絶縁コンバータ回路（５２）とを、複数の二次電池（３１、２３１）に入替え可能に接続することを特徴とする。

この発明によると、非絶縁コンバータ回路と絶縁コンバータ回路とによって、複数の二次電池に直流電力を供給することができる。

請求項９に記載の発明は、変換回路（３０４、４０４）は、絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側に設けられた第１のフルブリッジ回路（ＦＢＲ１）と、絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の二次側に設けられた第２のフルブリッジ回路（ＦＢＲ２）と、絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側端子と二次側端子との間を短絡または開放するとともに、第１のフルブリッジ回路のマイナス線と第２のフルブリッジ回路のマイナス線との間を短絡または開放する切替装置（３５３）とを備え、切替装置により非絶縁コンバータ回路、または絶縁コンバータ回路に切替可能な切替可能型コンバータ回路（３５１、４５１）を備えることを特徴とする。

この発明によると、非絶縁コンバータ回路、または絶縁コンバータ回路に切替可能な切替可能型コンバータ回路が提供される。この構成によると、第１のフルブリッジ回路と第２のフルブリッジ回路とのスイッチ素子を利用して、非絶縁コンバータ回路と絶縁コンバータ回路とを提供することができる。

請求項１０に記載の発明は、非絶縁コンバータ回路は、切替装置（３５３）が短絡状態のときの絶縁トランスの誘導成分と、第１のフルブリッジ回路と、第２のフルブリッジ回路とにより構成される昇降圧コンバータ回路であることを特徴とする。

この発明によると、切替装置が短絡状態にあるときの絶縁トランスの誘導成分によって、非絶縁コンバータ回路として機能する昇降圧コンバータ回路を提供することができる。

なお、特許請求の範囲および上記手段の項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明を適用した第１実施形態に係る直流電力供給装置を含む充電システムを示すブロック図である。 第１実施形態の交流直流変換回路の回路図である。 第１実施形態の非絶縁型直流電力変換回路の回路図である。 第１実施形態の絶縁型直流電力変換回路の回路図である。 第１実施形態の制御装置の作動を示すフローチャートである。 第１実施形態の定置二次電池の電圧を示すグラフである。 第１実施形態の充電電流を示すグラフである。 第１実施形態の充電回路の切替状態を示すグラフである。 本発明を適用した第２実施形態に係る直流電力供給装置を含む充電システムを示すブロック図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る直流電力供給装置を含む充電システムを示すブロック図である。 第３実施形態の切替可能型直流電力変換回路の回路図である。 第３実施形態の制御装置の作動を示すフローチャートである。 本発明を適用した第４実施形態に係る切替可能型直流電力変換回路の回路図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した第１実施形態に係る直流電力供給装置を含む充電システム１を示すブロック図である。充電システム１は、ひとつまたは複数の電源機器２と、ひとつまたは複数の負荷機器３と、電源機器２から供給される電力を変換する変換回路でもある充電回路４を備える。電源機器２によって供給される電力は、充電回路４によって、所定電圧の直流電力に変換され、負荷機器３へ供給される。充電システム１は、一戸の住宅、集合住宅、または不特定多数の負荷機器３へ充電する充電ステーションにおいて構成することができる。

電源機器２のそれぞれは、所定の電源電圧の電力を供給する電源を提供する。複数の電源機器２は、直流電力を供給する直流電源と、交流電力を供給する交流電源とを備える。直流電源は、太陽光発電器２１と、定置型の二次電池２２とを備える。交流電源は、系統２３から供給される商用電源を備える。太陽光発電器２１は、住宅の屋根などに配置された半導体太陽光電池パネルを備える。太陽光発電器２１の発電電圧は、太陽の日射量に依存して変動する。定置型の二次電池２２は、充電システム１の主たる二次電池として設けられている。二次電池２２は、住宅に固定された電池である。二次電池２２は、充電回路４に固定的に接続されている。二次電池２２は、第１二次電池とも呼ばれる。二次電池２２は、他の電源機器２、または負荷機器３の二次電池３１から供給される電力によって充電される。例えば、二次電池２２は、太陽光発電器２１から供給される電力、または系統２３から供給される電力によって充電される。よって、二次電池２２は、負荷機器３にも属することができる。系統２３は、電力供給会社などの供給者によって提供される電力網である。系統２３は、単相３線方式の電源であり、中性線（Ｏ）と、電圧線（Ｕ、Ｖ）とを有する。電源機器２には、さらに、燃料電池、および風力発電機などの小規模発電施設を含むことができる。

負荷機器３には、車両用の二次電池３１が含まれている。車両用の二次電池３１は、車両に搭載され、車両の走行用の動力源、または空調装置などの大型負荷の動力源として用いられる二次電池である。二次電池３１は、車両が所定位置に駐車され、車両の接続端子と、充電回路４の接続端子とがケーブル６１によって接続されたときに、住宅用の電力システムの一部となる。二次電池３１と充電回路４との間は断続可能である。充電回路４から二次電池３１を充電するために、または二次電池３１から充電回路４を経由して他の負荷機器３または電源機器２へ電力を供給するために、二次電池３１は充電回路４と接続される。二次電池３１は、第２二次電池とも呼ばれる。二次電池３１は、車両の走行用の動力源として使用できるように、比較的大きい容量をもっている。車両用の二次電池３１の容量は、定置型の二次電池２２の容量より大きい場合がある。また、二次電池３１は、車両が住宅の近くに駐車されているときだけ、充電回路４と接続される。二次電池３１が充電回路４と接続されている期間は、比較的短期間である。よって、二次電池３１は短期間の間に、急速に充電される必要がある。二次電池３１には、その充電期間の初期において、比較的大きい充電電流を流すことができる。例えば、二次電池３１への充電速度は、二次電池２２への充電速度より速く設定される。負荷機器３には、さらに、照明機器、および給湯器などの負荷を含むことができる。

充電回路４は、系統２３を含む電源機器２１、２２、２３から供給される電力を変換し、負荷機器３１へ直流電力を供給する変換回路である。充電回路４は、負荷機器３から供給される電力を電源機器２に供給する直流電力供給装置も構成している。充電回路４は、複数の電源機器２と、複数の負荷機器３とに接続される多入力多出力型の配電網を構成している。充電回路４は、配電装置とも呼ぶことができる。充電回路４は、直流母線として、−側電位を与えるマイナス線（Ｎ）４１と、＋側電位を与えるプラス線（Ｐ）４２とを備える。充電回路４と二次電池３１とは、充電用のケーブル６１によって接続される。ケーブル６１は、シールド線である。ケーブル６１は、充電回路４の容器と、二次電池３１を収容した車両のボディとを電気的に接続し、それらを同電位にする。

充電回路４は、複数の電源機器２と直流母線との間に設けられた複数のコンバータ回路４３、４４、４５を備える。複数のコンバータ回路４３、４４、４５は、電源機器２から供給される電力を変換し、直流母線に供給する。また、複数のコンバータ回路４３、４４、４５は、直流母線から供給される電力を電源機器２へ供給する場合もある。さらに、充電回路４は、直流母線と負荷機器３の間に設けられた複数のコンバータ回路５１、５２を備える。複数のコンバータ回路５１、５２は、直流母線から供給される電力を変換し、負荷機器３へ供給する。また、複数のコンバータ回路５１、５２は、負荷機器３から供給される電力を直流母線へ供給する場合もある。

コンバータ回路４３は、フルブリッジ型の昇降圧コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣ）である。コンバータ回路４３は、太陽光発電器２１の出力電圧から、昇圧、または降圧された電圧を直流母線に供給する。太陽光発電器２１の発電電力は、日射量に応じて変化する。太陽光発電器２１の両端電圧は、太陽光発電器２１が最大電力を出力できるように制御される。コンバータ回路４３は、太陽光発電器２１の電圧が変動しても、直流母線間電圧を一定に維持する。直流母線間電圧は、マイナス線４１とプラス線４２との間の電圧である。

コンバータ回路４４は、フルブリッジ型の昇降圧コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣ）である。コンバータ回路４４は、双方向変換回路である。コンバータ回路４４は、二次電池２２の端子間電圧から、昇圧、または降圧された電圧を直流母線に供給する。また、コンバータ回路４４は、直流母線の電圧から、昇圧、または降圧された電圧を二次電池２２に供給する。コンバータ回路４４は、主として系統２３の電力によって二次電池２２を充電するように制御される。例えば、コンバータ回路４４は、系統２３の深夜電力を利用して、二次電池２２を充電する。また、コンバータ回路４４は、系統２３からの電力供給が得られないときに、二次電池２２の電力を直流母線に供給し、さらに負荷機器３に供給する。

図２は、コンバータ回路４５の回路図である。コンバータ回路４５は、交流直流変換回路（ＡＣ−ＤＣ）である。コンバータ回路４５は、双方向変換回路である。コンバータ回路４５は、系統２３の交流電圧から、昇圧、または降圧され、かつ、整流された電圧を直流母線に供給する。また、コンバータ回路４５は、直流母線の電圧から、昇圧、または降圧された電圧を系統２３に供給する。コンバータ回路４５は、平滑コンデンサＣと、２つのリアクトルＬと、フルブリッジ回路ＦＢＲを構成する４つのスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４とを備える。例えば、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、ＩＧＢＴ素子によって提供される。

図３は、非絶縁コンバータ回路５１の回路図である。コンバータ回路５１は、非絶縁型直流電力変換回路（ＮＩＳ−ＤＣ／ＤＣ）である。コンバータ回路５１は、非絶縁コンバータ回路５１とも呼ばれる。非絶縁コンバータ回路５１は、双方向型の昇降圧コンバータ回路として対称に配置された回路を備える。非絶縁コンバータ回路５１は、二次電池３１を充電するとき、直流母線の電圧から、昇圧、または降圧された電圧を供給する昇降圧コンバータ回路である。非絶縁コンバータ回路５１は、昇圧コンバータ回路、または降圧コンバータ回路によって提供することもできる。非絶縁コンバータ回路５１は、リアクトルＬと、リアクトルＬの両端に設けられたハーフブリッジ回路ＨＢＲ１、ＨＢＲ２と、両端に設けられた平滑コンデンサＣ１、Ｃ２とを有する。ハーフブリッジ回路ＨＢＲ１、ＨＢＲ２のそれぞれは、直列接続された２つのスイッチ素子によって提供されている。非絶縁コンバータ回路５１は、これらスイッチ素子がスイッチング制御されることによって、昇圧、または降圧された電圧を供給する。

非絶縁コンバータ回路５１を含む充電回路４の容器は、接地されている。非絶縁コンバータ回路５１が二次電池３１と接続されるとき、非絶縁コンバータ回路５１を含む充電回路４には、浮遊容量ＳＴＣＧが表れる。さらに、二次電池３１を含む車載の回路には、浮遊容量ＳＴＣＶが表れる。非絶縁コンバータ回路５１は、充電回路４内を入力側と出力側とに絶縁分離しないから、これらの浮遊容量ＳＴＣＧ、ＳＴＣＶは、充電回路４に大きな浮遊容量を与える。このとき、系統２３と充電回路４とが電気的に接続されていると、浮遊容量ＳＴＣＧ、ＳＴＣＶを通して流れる漏洩電流が、漏電遮断器ＥＬＢを作動させるおそれがある。

図４は、第１実施形態の絶縁コンバータ回路５２の回路図である。コンバータ回路５２は、絶縁型直流電力変換回路（ＩＳＬ−ＤＣ／ＤＣ）である。コンバータ回路５２は、絶縁コンバータ回路５２とも呼ばれる。絶縁コンバータ回路５２は、双方向型の昇降圧コンバータ回路として対称に配置された回路を備える。絶縁コンバータ回路５２は、二次電池３１を充電するとき、直流母線の電圧から、昇圧、または降圧された電圧を供給する昇降圧コンバータ回路である。絶縁コンバータ回路５２は、昇圧コンバータ回路、または降圧コンバータ回路によって提供することもできる。絶縁コンバータ回路５２は、絶縁トランス（ＴＲ）５２ａと、絶縁トランス５２ａの一次コイルに接続された第１のフルブリッジ回路ＦＢＲ１と、絶縁トランス５２ａの二次コイルに接続された第２のフルブリッジ回路ＦＢＲ２とを備える。フルブリッジ回路ＦＢＲ１は、絶縁トランス５２ａの一次コイルに交流電流を流すことができる。フルブリッジ回路ＦＢＲ２は、絶縁トランス５２ａの二次コイルに交流電流を流すことができる。フルブリッジ回路ＦＢＲ１の直流端には、平滑コンデンサＣ１が設けられている。フルブリッジ回路ＦＢＲ２の直流端には、平滑コンデンサＣ２が設けられている。フルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２のそれぞれは、ブリッジ接続された４つのスイッチ素子によって提供されている。絶縁コンバータ回路５２は、これらスイッチ素子がスイッチング制御されることによって、昇圧、または降圧された電圧を供給する。

さらに、絶縁コンバータ回路５２は、その両端に、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１、ＳＵＤＣ２を備える。フルブリッジ回路ＦＢＲ１の直流端には、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１が設けられている。フルブリッジ回路ＦＢＲ２の直流端には、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２が設けられている。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１は、リアクトルＬ１と、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ１とを備える。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１は、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ１を構成するスイッチ素子がスイッチング制御されることによって、昇圧、または降圧された電圧を供給する。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１を省略し、その機能をコンバータ回路４３、４４、４５によって提供してもよい。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２は、リアクトルＬ２と、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ２とを備える。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２は、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ２を構成するスイッチ素子がスイッチング制御されることによって、昇圧、または降圧された電圧を供給する。

絶縁コンバータ回路５２を含む充電回路４の容器は、接地されている。絶縁コンバータ回路５２が二次電池３１と接続されるとき、絶縁トランス５２ａの一次側に接続された回路には、浮遊容量ＳＴＣＰが表れる。一方、絶縁トランス５２ａの二次側に接続され、かつ二次電池３１を含む回路には、浮遊容量ＳＴＣＳが表れる。絶縁トランス５２ａは、一次側と二次側とを絶縁するから、一次側の電流が浮遊容量ＳＴＣＳを通して直接に流れることを防止する。

二次電池３１を充電するときの非絶縁コンバータ回路５１の電力変換の効率は、二次電池３１を充電するときの絶縁コンバータ回路５２の電力変換の効率より高い。言い換えると、非絶縁コンバータ回路５１の回路は、絶縁コンバータ回路５２の回路より高い電力変換効率を提供するように構成されている。

図１に戻って、記号ＥＬＢは、漏電遮断器を示す。漏電遮断器ＥＬＢは、電源機器２と充電回路４との間に設けられている。記号ＦＬＴは、高周波ノイズを除去するフィルタ回路を示す。記号Ｆは、ヒューズを示す。記号ＲＳは、過電流防止用、または通電試験用の抵抗素子を示す。記号ＲＬＳは、太陽光発電器２１を接続後に閉じられるシステムリレーを示す。記号ＲＬＢは、二次電池２２を接続後に閉じられるシステムリレーを示す。

記号ＲＬＧは、系統２３との接続後に閉じられるシステムリレーを示す。システムリレーＲＬＧは、系統２３と充電回路４との間の接続を遮断し、両者を切り離す遮断装置でもある。システムリレーＲＬＧは、遮断リレー４６とも呼ばれる。遮断リレー４６は、後述する制御装置５４からの指令に応じて開閉可能である。遮断リレー４６は、複数のリレーＲＬＧ１、ＲＬＧ２、ＲＬＧ３、ＲＬＧ４を備える。少なくともリレーＲＬＧ１、ＲＬＧ４を閉じることによって、系統２３と充電回路４とが接続される。すべてのリレーＲＬＧ１、ＲＬＧ２、ＲＬＧ３、ＲＬＧ４を開くことによって、系統２３と充電回路４とが切り離される。遮断リレー４６は、充電回路４が、非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給するとき、系統２３から非絶縁コンバータ回路５１への電力供給を遮断する。

記号ＲＬＶは、二次電池３１との接続後に閉じられるシステムリレーを示す。システムリレーＲＬＶは、二次電池３１と充電回路４との間の接続を遮断し、両者を切り離す遮断装置でもある。さらに、システムリレーＲＬＶは、二次電池３１への充電回路を切替える切替装置でもある。システムリレーＲＬＶは、切替リレー（ＳＷ−ＲＬ）５３とも呼ばれる。切替リレー５３は、後述する制御装置５４からの指令に応じて開閉可能である。切替リレー５３は、複数のリレー（ＲＬＶ１、ＲＬＶ２、ＲＬＶ３、ＲＬＶ４）５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄを備える。リレー５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄは、単投型である。切替リレー５３は、二次電池３１へ充電電流を供給する充電回路４を、非絶縁コンバータ回路５１を含む非絶縁回路と、絶縁コンバータ回路５２を含む絶縁回路とのいずれかに切替える切替装置を提供する。よって、充電回路４は、二次電池３１に充電電流を供給するための回路を、非絶縁コンバータ回路５１と絶縁コンバータ回路５２とのいずれかに切り替え可能である。充電回路４は、入力と出力との間が非絶縁の非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給する状態と、入力と出力との間が絶縁トランス５２ａによって絶縁された絶縁コンバータ回路５２によって直流電力を供給する状態とに切替可能である。

図１に戻って、充電回路４は、制御装置５４を備える。制御装置５４は、充電回路４に設けられた複数のスイッチ素子、およびリレーなどを制御することにより、充電回路４において所定の回路を構成し、そこに含まれる回路要素が所望の機能を発揮するように制御する。制御装置５４は、コンバータ回路４３、４４、４５、５１、５２のスイッチ素子を制御する。さらに、制御装置５４は、システムリレーＲＬＳ、ＲＬＢ、ＲＬＧ、ＲＬＶを制御する。充電回路４は、複数の電源機器２のそれぞれの電圧および電流、ならびに、複数の負荷機器３のそれぞれの電圧および電流を検出する複数のセンサを備える。制御装置５４には、これらのセンサの検出信号が入力される。制御装置５４は、センサの検出信号に応じて、充電回路４を制御する。複数のセンサには、二次電池２２の電圧Ｖ２２を検出する電圧センサ５５と、二次電池３１へ供給される充電電流Ｉｃｈｒを検出する電流センサ５６とが含まれている。

制御装置５４は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを格納している。記憶媒体は、メモリによって提供されうる。プログラムは、制御装置によって実行されることによって、制御装置５４をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される制御方法を実行するように制御装置５４を機能させる。充電回路４が制御装置５４の制御の下で提供する手段は、所定の機能を達成する機能的ブロック、またはモジュールとも呼ぶことができる。

制御装置５４は、充電回路４を、非絶縁回路と、絶縁回路とに切替える。非絶縁回路は、系統２３と充電回路４とを切り離した状態で、二次電池２２から二次電池３１へ高い電力変換効率によって充電する。非絶縁回路においては、系統２３と充電回路４とを切り離すとともに、非絶縁コンバータ回路５１だけが活性化され、有効とされる。すなわち非絶縁回路においては、充電用の電力が、系統２３を除く電源機器２から供給される。

絶縁回路は、系統２３から二次電池３１へ漏電を抑制しながら充電する。絶縁回路においては、系統２３と充電回路４とを通電可能に接続するとともに、絶縁コンバータ回路５２だけが活性化され、有効とされる。すなわち絶縁回路においては、充電用の電力が、系統２３を含む電源機器２から供給される。

充電回路４は、所定の条件が成立するとき、非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給し、条件が不成立のとき絶縁コンバータ回路５２だけによって直流電力を供給する。例えば、所定の条件は、二次電池３１の充電初期と充電後期との境界を示すものとすることができる。この場合、充電初期に非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給し、充電後期に絶縁コンバータ回路５２によって直流電力を供給することができる。充電初期と充電後期との境界を示す条件は、例えば、タイマ装置によって計測される充電開始からの時間、または二次電池への充電電流を指標として設定することができる。例えば、充電開始からの時間が、所定時間より短いこと、または、充電電流が所定値より大きいことを条件とすることができる。また、所定の条件は、系統２３以外の電源機器２１、２２の電力供給能力の高低の境界を示すものとすることができる。この場合、電力供給能力が高いとき非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給し、電力供給能力が低いとき絶縁コンバータ回路５２によって直流電力を供給することができる。電力供給能力の高低の境界を示す条件は、例えば、電源機器２の出力電圧Ｖ２２を指標として設定することができる。例えば、電源機器２の出力電圧Ｖ２２が、所定電圧Ｖｔｈより高いことを条件とすることができる。

非絶縁回路と絶縁回路との切替えは、所定の切替条件が成立したか否かに応答して実行される。例えば、制御装置５４は、効率を優先すべきときに充電回路４を非絶縁回路に切替え、漏電防止を優先すべきときに充電回路４を絶縁回路に切替える。例えば、利用者の指示に応じて非絶縁回路と絶縁回路とのいずれかを選択し、切替えることができる。また、充電回路４の用途に応じて、非絶縁回路と絶縁回路とのいずれかを選択し、切替えることができる。別の態様においては、制御装置５４は、非絶縁回路と絶縁回路とを自動的に切替えることができる。例えば、制御装置５４は、二次電池３１への充電初期に充電回路４を非絶縁回路に切替え、二次電池３１への充電後期に充電回路４を絶縁回路に切替える。別の例においては、制御装置５４は、二次電池３１への充電電流が所定値を超えるときに充電回路４を非絶縁回路に切替え、二次電池３１への充電電流が所定値を下回るときに充電回路４を絶縁回路に切替える。別の例においては、制御装置５４は、系統２３以外の電源機器２が二次電池３１を充電するための電力を供給できるときに充電回路４を非絶縁回路に切替え、系統２３以外の電源機器２が二次電池３１を充電するための電力を供給できないときに充電回路４を絶縁回路に切替える。

図５は、第１実施形態の制御装置５４の作動を示すフローチャートである。制御装置５４は、切替制御１７０を所定のサイクルで繰り返し実行する。ステップ１７１では、二次電池３１への充電を開始するか否かが判断される。この処理は、充電回路４と二次電池３１とがケーブル６１によって接続されたか否かを判定する処理によって提供することができる。ステップ１７２では、遮断リレー（ＲＬＧ）４６がＯＦＦ状態とされる。これにより、系統２３と充電回路４とが電気的に切離される。これにより、系統２３から充電回路４への電流供給が遮断される。さらに、切替リレー（ＳＷ−ＲＬ）５３が、非絶縁（ＮＩＳ）状態とされる。すなわち、第１組のリレー（ＲＬＶ１、ＲＬＶ２）５３ａ、５３ｂがＯＮ状態とされ、第２組のリレー（ＲＬＶ３、ＲＬＶ４）５３ｃ、５３ｄがＯＦＦ状態とされる。ステップ１７３では、絶縁コンバータ回路５２がＯＦＦ状態とされ、非活性化される。すなわち、絶縁コンバータ回路５２の機能が停止される。これにより、充電回路４は非絶縁回路だけを提供する。ステップ１７４では、非絶縁回路による充電が実行される。すなわち、非絶縁コンバータ回路５１が、二次電池３１を充電するように制御される。

ステップ１７５では、所定の切替条件が成立したか否かが判定される。一般に、二次電池の充電初期の電流は、充電後期の電流より大きい。例えば、ステップ１７５では、充電初期の大きい電流が流れているか否かを判定する。また、ステップ１７５では、系統２３以外の電源機器２が二次電池３１を充電するために十分な電力を供給できる状態にあるか否かを判定してもよい。ステップ１７５において切替条件が成立するまで、ステップ１７４を繰り返す。この結果、非絶縁回路による充電が継続される。やがて、切替条件が成立すると、ステップ１７６へ進む。

ステップ１７６では、遮断リレー（ＲＬＧ）４６がＯＮ状態とされる。これにより、系統２３と充電回路４とが電気的に接続される。これにより、系統２３から充電回路４への電力供給が可能となる。さらに、切替リレー（ＳＷ−ＲＬ）５３が、絶縁（ＩＳＬ）状態とされる。すなわち、第１組のリレー（ＲＬＶ１、ＲＬＶ２）５３ａ、５３ｂがＯＦＦ状態とされ、第２組のリレー（ＲＬＶ３、ＲＬＶ４）５３ｃ、５３ｄがＯＮ状態とされる。ステップ１７７では、非絶縁コンバータ回路５１がＯＦＦ状態とされ、非活性化される。すなわち、非絶縁コンバータ回路５１の機能が停止される。これにより、充電回路４は絶縁回路だけを提供する。ステップ１７８では、絶縁回路による充電が実行される。すなわち、絶縁コンバータ回路５２が、二次電池３１を充電するように制御される。

ステップ１７９では、二次電池３１の充電が終了したか否かが判定される。二次電池３１の充電が終了していない場合、ステップ１７６へ戻る。この結果、絶縁回路による充電が継続される。二次電池３１の充電が終了すると、切替制御１７０が終了される。

以上に述べたように、遮断リレー４６は、充電回路４が、非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給するとき、系統２３から非絶縁コンバータ回路５１への電力供給を遮断することにより、系統２３以外の電源機器２１、２２だけから非絶縁コンバータ回路５１への電力供給を許容する。また、遮断リレー４６は、充電回路４が、絶縁コンバータ回路５２によって直流電力を供給するとき、系統２３から絶縁コンバータ回路５１への電力供給を許容することにより、系統２３から供給される電力を絶縁コンバータ回路５１だけによって変換させる。

図６は、第１実施形態の二次電池２２の電圧Ｖ２２を示すグラフである。図示の例においては、時刻ｔ０から充電が開始される。時刻ｔ０においては、電圧Ｖ２２はＶｓｔである。時刻ｔ０から時刻ｔ１まで非絶縁回路による充電が実行される。時刻ｔ１において電圧Ｖ２２が閾値電圧Ｖｔｈを下回ると、絶縁回路による充電が実行される。ここで、閾値電圧Ｖｔｈは、上記切替条件を提供する。閾値電圧Ｖｔｈは、二次電池３１を充電するために十分な電力を二次電池２２が供給できるか否かを判定する閾値である。

図７は、第１実施形態の充電電流Ｉｃｈｒを示すグラフである。図示の例においては、時刻ｔ０から充電が開始される。時刻ｔ０においては、充電電流Ｉｃｈｒは初期電流Ｉｓｔである。時刻ｔ０から時刻ｔ１まで非絶縁回路による充電が実行される。時刻ｔ１において充電電流Ｉｃｈｒが閾値電流Ｉｔｈを下回ると、絶縁回路による充電が実行される。ここで、閾値電流Ｉｔｈは、上記切替条件を提供する。閾値電流Ｉｔｈは、充電初期と充電後期とを識別するための閾値である。充電後期には、初期電流Ｉｓｔより明らかに小さい後期電流Ｉｃｓが二次電池３１に供給される。

図８は、第１実施形態の充電回路の切替状態を示すグラフである。図中において、縦軸は、切替リレー５３の切替状態を示す。非絶縁回路状態（ＮＩＳ）と、絶縁回路状態（ＩＳＬ）とが提供されている。時刻ｔ０から時刻ｔ１まで非絶縁回路（ＮＩＳ−ＤＣ／ＤＣ）による充電が実行される。時刻ｔ１から時刻ｔ２まで絶縁回路（ＩＳＬ−ＤＣ／ＤＣ）による充電が実行される。

この実施形態によると、非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給するとき、系統２３から非絶縁コンバータ回路５１への電力供給が遮断される。このため、非絶縁コンバータ回路５１は、系統２３以外の電源機器２１、２２から電力の供給を受けて、直流電力を供給する。非絶縁コンバータ回路５１は、絶縁トランスによって絶縁された絶縁コンバータ回路５２より高い電力変換効率を提供できる。この結果、非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給するとき、高い電力変換効率を提供することができる。しかも、系統２３が切り離されているから、非絶縁コンバータ回路５１の出力側における浮遊容量に起因する不具合が回避される。

この実施形態によると、非絶縁コンバータ回路５１が直流電力を供給するときには、系統２３以外の電源機器２１、２２だけから非絶縁コンバータ回路５１へ電力が供給される。このため、非絶縁コンバータ回路５１の出力側における浮遊容量に起因する不具合を回避しながら、非絶縁コンバータ回路５１がもつ高い電力変換効率を提供できる。また、系統２３から供給される電力は、絶縁コンバータ回路５２だけによって変換される。このため、絶縁コンバータ回路５２の出力側における浮遊容量に起因する不具合が回避される。

この実施形態によると、非絶縁コンバータ回路５１を経由して二次電池３１を充電するときには、遮断リレー４６によって系統２３と充電回路４とが切離される。従って、系統２３の電力が車両に起因する浮遊容量ＳＴＣＶを通して漏電することが回避される。また、絶縁トランス５２ａを持たない非絶縁コンバータ回路５１を経由して電力を供給することができる。このため、絶縁トランス５２ａを持つ絶縁コンバータ回路５２だけを経由して電力を供給する場合に比べて電力変換の効率を向上することができる。

この実施形態によると、所定の条件の成立、不成立に応じて、非絶縁コンバータ回路５１と絶縁コンバータ回路５２とを選択することができる。しかも、条件が不成立のときには、絶縁コンバータ回路５２だけによって直流電力を供給するから、系統２３を負荷機器３から絶縁することができる。

この実施形態によると、二次電池３１の充電初期に、非絶縁コンバータ回路５１による高い電力変換効率が提供される。また、二次電池３１の充電後期に、絶縁コンバータ回路５２によって浮遊容量に起因する不具合が回避される。充電初期と充電後期との境界を示す条件は、例えば、タイマ装置によって計測される充電開始からの時間、または二次電池への充電電流を指標として設定することができる。例えば、充電開始からの時間が、所定時間より短いこと、または、充電電流が所定値より大きいことを条件とすることができる。

この実施形態によると、系統２３以外の電源機器２１、２２の電力供給能力が高いときに、非絶縁コンバータ回路５１による高い効率が提供される。また、系統２３以外の電源機器２１、２２の電力供給能力が低いときに、絶縁コンバータ回路５２によって浮遊容量に起因する不具合が回避される。電力供給能力の高低の境界を示す条件は、例えば、電源機器２２の出力電圧を指標として設定することができる。例えば、電源機器２２の出力電圧が、所定電圧より高いことを条件とすることができる。また、充放電電流の積算やクーロンカウンタ法により求めた蓄電池の残存量（ＳＯＣ）を条件を定める指標としてもよい。

二次電池３１に流れる充電電流が大きいときに、非絶縁コンバータ回路５１を経由して充電用の電力を供給し、二次電池３１に流れる充電電流が小さくなると絶縁コンバータ回路５２だけを経由して充電用の電力を供給する。このため、充電用の大電流を高い効率で供給できる。この結果、充電に要する電力全体の変換効率を効率的に高めることができる。しかも、充電電流が小さい期間においては、絶縁コンバータ回路５２による利点を提供することができる。例えば、絶縁コンバータ回路５２だけを経由して二次電池３１を充電するときには、絶縁トランス５２ａによって一次側と二次側とが絶縁分離される。従って、系統２３の電力が浮遊容量ＳＴＣＳを通して漏電することが回避される。

この実施形態によると、充電回路４には、非絶縁コンバータ回路５１と、絶縁コンバータ回路５２とが、それぞれ独立した回路として設けられる。これらの回路は、選択的に負荷機器３に接続される。

（第２実施形態）
図９は、本発明を適用した第２実施形態に係る直流電力供給装置を含む充電システム１を示すブロック図である。この実施形態では、充電回路２０４は、２台の車両の二次電池３１、２３１に同時に充電できるように構成されている。充電回路２０４は、第１ケーブル６１と、第２ケーブル２６１とを備える。

切替リレー（ＳＷ−ＲＬ）２５３は、システムリレーＲＬＶを構成する単投双極型のリレー（ＲＬＶ１、ＲＬＶ２、ＲＬＶ３、ＲＬＶ４）２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２５３ｄを備える。リレー２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２５３ｄは、非絶縁コンバータ回路５１と絶縁コンバータ回路５２とを、第１ケーブル６１と第２ケーブル２６１とに入れ替え可能に接続する。リレー２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２５３ｄは、非絶縁コンバータ回路５１と第１ケーブル６１とが接続されるとき、絶縁コンバータ回路５２と第２ケーブル２６１とを接続する。リレー２５３ａ、２５３ｂ、２５３ｃ、２５３ｄは、絶縁コンバータ回路５２と第１ケーブル６１とが接続されるとき、非絶縁コンバータ回路５１と第２ケーブル２６１とを接続する。

さらに、充電回路２０４は、系統２３を含む充電回路４５、４６、５２と、系統２３を除く電源機器２だけを含む充電回路４３、４４、５１とを分離するための分離装置としての分離リレー（ＲＬＷ）２４６を備える。分離リレー２４６は、分離リレー（ＲＬＷ１）２４６ａと、分離リレー（ＲＬＷ２）２４６ｂとを備える。分離リレー２４６ａは、マイナス線４１に設けられ、マイナス線４１を断続する。分離リレー２４６ｂは、プラス線４２に設けられ、プラス線４２を断続する。分離リレー２４６ａ、２４６ｂは、非絶縁コンバータ回路５１によって二次電池３１を充電し、かつ、絶縁コンバータ回路５２によって二次電池２３１を充電するときに、ＯＦＦ状態とされる。分離リレー２４６ａ、２４６ｂは、系統２３の電力を二次電池２２または二次電池３１に供給するときにＯＮ状態とされる。また、分離リレー２４６ａ、２４６ｂは、系統２３を除く電源機器２の電力を二次電池２３１に供給するときにＯＮ状態とされる。さらに、分離リレー２４６ａ、２４６ｂは、二次電池３１の電力を二次電池２３１に供給するときにもＯＮ状態とされる。このように、分離リレー２４６ａ、２４６ｂは、系統２３から非絶縁コンバータ回路５１への電力供給を遮断するための遮断装置を構成している。

制御装置２５４は、切替リレー２５３を制御することによって、二次電池３１、または二次電池２３１のいずれかだけに対して、上記実施形態と同様の充電処理を提供する。このとき、制御装置２５４は、分離リレー２４６ａ、２４６ｂをＯＮ状態とする。

さらに、制御装置２５４は、２つの二次電池３１、２３１を同時に充電する処理を提供する。制御装置２５４は、非絶縁コンバータ回路５１だけを経由して一方の二次電池３１を充電しながら、絶縁コンバータ回路５２だけを経由して他方の二次電池２３１を充電する。また、制御装置５４は、絶縁コンバータ回路５２だけを経由して一方の二次電池３１を充電しながら、非絶縁コンバータ回路５１だけを経由して他方の二次電池２３１を充電する。制御装置２５４は、両方の二次電池３１、２３１が同時に充電されるとき、分離リレー２４６ａ、２４６ｂをＯＦＦ状態とする。従って、分離リレー２４６ａ、２４６ｂは、非絶縁コンバータ回路５１を含む充電回路を系統２３から切離す。分離リレー２４６は、充電回路４が、非絶縁コンバータ回路５１によって直流電力を供給するとき、系統２３から非絶縁コンバータ回路５１への電力供給を遮断する遮断装置を提供する。この結果、二次電池３１を含む回路の浮遊容量が系統２３に及ぼす影響が抑制される。また、二次電池２３１を含む回路は、絶縁コンバータ回路５２によって系統２３から分離されている。よって、二次電池２３１を含む回路の浮遊容量が系統２３に及ぼす影響が抑制される。

この実施形態では、充電回路４は、非絶縁コンバータ回路５１と、絶縁コンバータ回路５２とを、独立した回路として備える。さらに、切替リレー２５３は、非絶縁コンバータ回路５１と絶縁コンバータ回路５２とのいずれかを選択的に負荷機器３に接続する切替装置を提供する。切替装置２５３は、非絶縁コンバータ回路５１と絶縁コンバータ回路５２とを、複数の負荷機器３１、２３１に入替え可能に接続する。この実施形態によると、非絶縁コンバータ回路５１と絶縁コンバータ回路５２とによって、複数の負荷機器３１、２３１に直流電力を供給することができる。

（第３実施形態）
図１０は、本発明を適用した第３実施形態に係る直流電力供給装置を含む充電システム１を示すブロック図である。上記実施形態では、非絶縁コンバータ回路５１と、絶縁コンバータ回路５２とを設けていた。これに代えて、この実施形態では、充電回路３０４は、非絶縁回路と絶縁回路とに選択的に切替可能なコンバータ回路３５１を備える。コンバータ回路３５１は、切替可能型直流電力変換回路（ＮＩＳ−ＩＳＬ−ＤＣ／ＤＣ）である。コンバータ回路３５１は、切替可能型コンバータ回路３５１とも呼ばれる。切替可能型コンバータ回路３５１は、絶縁コンバータ回路としての構成要素と、切替装置としての切替リレー（ＳＷ−ＲＬ）３５３とを備える。システムリレーＲＬＶは、２つのリレーＲＬＶ１、ＲＬＶ２によって提供されている。制御装置３５４は、系統２３を充電回路４から切離すために遮断リレー４６を制御するとともに、切替可能型コンバータ回路３５１を非絶縁回路と絶縁回路とのいずれかに切替えるために切替リレー３５３を制御する。

図１１は、第３実施形態の切替可能型コンバータ回路３５１の回路図である。切替可能型コンバータ回路３５１は、双方向型の昇降圧コンバータ回路として対称に配置された回路を備える。切替可能型コンバータ回路３５１は、二次電池３１を充電するとき、直流母線の電圧から、昇圧、または降圧された電圧を供給する昇降圧コンバータ回路である。切替可能型コンバータ回路３５１は、昇圧コンバータ回路、または降圧コンバータ回路によって提供することもできる。切替可能型コンバータ回路３５１は、絶縁トランス（ＴＲ）３５１ａと、絶縁トランス３５１ａの一次側に設けられた第１のフルブリッジ回路ＦＢＲ１と、絶縁トランス３５１ａの二次側に設けられた第２のフルブリッジ回路ＦＢＲ２とを備える。

フルブリッジ回路ＦＢＲ１は、絶縁トランス３５１ａの一次コイルに交流電流を流すことができる。フルブリッジ回路ＦＢＲ２は、絶縁トランス３５１ａの二次コイルに交流電流を流すことができる。フルブリッジ回路ＦＢＲ１の直流端には、平滑コンデンサＣ１が設けられている。フルブリッジ回路ＦＢＲ２の直流端には、平滑コンデンサＣ２が設けられている。フルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２のそれぞれは、ブリッジ接続された４つのスイッチ素子によって提供されている。

切替可能型コンバータ回路３５１が絶縁回路であるとき、フルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２のうちの入力側に位置する一方に属する複数のスイッチ素子は、直流電力を交流電力に変換し、絶縁トランス３５１ａに供給するように、スイッチング制御される。交流電力は絶縁トランス３５１ａで電圧変換される。さらに、フルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２のうちの出力側に位置する他方に属する複数のスイッチ素子は、交流電力を直流電力に変換し、出力するように、スイッチング制御される。切替可能型コンバータ回路３５１が非絶縁回路であるとき、フルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２に属する複数のスイッチ素子は、フルブリッジ回路ＦＲＢ１、ＦＲＢ２と絶縁トランス３５１ａとが構成する昇降圧コンバータ回路によって電圧変換を実行するように、スイッチング制御される。

切替可能型コンバータ回路３５１は、絶縁回路と非絶縁回路とのいずれかに切替える切替装置としての切替リレー３５３を備える。切替リレー３５３は、絶縁トランス３５１ａの一次コイルの巻き始め端と、絶縁トランス３５１ａの二次コイルの巻き始め端とを断続可能なリレー（ＲＬＴ１）３５３ａを備える。切替リレー３５３は、フルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２の接地線の間を断続可能なリレー（ＲＬＴ２）３５３ｂを備える。切替リレー３５３が開いているとき、すなわち２つのリレー３５３ａ、３５３ｂの両方が開いているとき、絶縁トランス３５１ａの一次側端子と二次側端子との間が遮断され、かつ、フルブリッジ回路ＦＢＲ１の接地線とフルブリッジ回路ＦＢＲ２の接地線との間が遮断される。このとき、絶縁トランス３５１ａは通常の絶縁トランスとして機能することができる。言い換えると、切替リレー３５３が開いているとき、絶縁トランス３５１ａによって絶縁された絶縁回路が提供される。切替リレー３５３が閉じているとき、すなわち２つのリレー３５３ａ、３５３ｂの両方が閉じているとき、絶縁トランス３５１ａの一次側端子と二次側端子との間が短絡され、かつ、フルブリッジ回路ＦＢＲ１の接地線とフルブリッジ回路ＦＢＲ２の接地線との間が接続される。言い換えると、切替リレー３５３が閉じているとき、絶縁トランス３５１ａによる電磁結合を介することのない非絶縁回路が提供される。

切替リレー３５３は、リレー３５３ａ、３５３ｂが閉じているとき、フルブリッジ回路ＦＢＲ１とフルブリッジ回路ＦＢＲ２との間に漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２が直列に表れるように配置されている。切替リレー３５３が閉じているとき、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２と、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２に接続されたフルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２のスイッチングアームとが、降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路とを含む非絶縁コンバータ回路を構成する。例えば、二次電池２２から二次電池３１へ充電する場合、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２と、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２に接続されたフルブリッジ回路ＦＢＲ１のひとつのスイッチングアームとが降圧チョッパ回路を構成する。また、上記の場合、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２と、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２に接続されたフルブリッジ回路ＦＢＲ２のひとつのスイッチングアームとが昇圧チョッパ回路を構成する。

さらに、切替可能型コンバータ回路３５１は、その両端に、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１、ＳＵＤＣ２を備える。フルブリッジ回路ＦＢＲ１の直流端には、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１が設けられている。フルブリッジ回路ＦＢＲ２の直流端には、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２が設けられている。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１は、リアクトルＬ１と、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ１とを備える。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１は、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ１を構成するスイッチ素子がスイッチング制御されることによって、昇圧、または降圧された電圧を供給する。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１を省略し、その機能をコンバータ回路４３、４４、４５によって提供してもよい。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２は、リアクトルＬ２と、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ２とを備える。昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２は、ハーフブリッジ回路ＨＢＲ２を構成するスイッチ素子がスイッチング制御されることによって、昇圧、または降圧された電圧を供給する。

この実施形態では、絶縁トランス３５１ａの一次側コイルと二次側コイルとの巻数比は、１：１である。絶縁トランス３５１ａとフルブリッジ回路ＦＢＲ１、フルブリッジ回路ＦＢＲ２とは、降圧型の絶縁コンバータ回路を構成する。絶縁トランス３５１ａとフルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２とが構成する降圧型の絶縁コンバータ回路と、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１、ＳＵＤＣ２とによって、直流母線の電圧と二次電池３１の電圧との間の変換が実行される。

切替可能型コンバータ回路３５１を含む充電回路４の容器は、接地されている。切替可能型コンバータ回路３５１が二次電池３１と接続されるとき、絶縁トランス３５１ａの一次側に接続された回路には、浮遊容量ＳＴＣＰが表れる。一方、絶縁トランス３５１ａの二次側に接続され、かつ二次電池３１を含む回路には、浮遊容量ＳＴＣＳが表れる。絶縁トランス３５１ａは、一次側と二次側とを絶縁するから、一次側の電流が浮遊容量ＳＴＣＳを通して直接に流れることを防止する。

二次電池３１を充電するときの非絶縁回路の電力変換の効率は、二次電池３１を充電するときの絶縁回路の電力変換の効率より高い。言い換えると、切替可能型コンバータ回路３５１の回路は、非絶縁回路のときに、絶縁回路のときより高い電力変換効率を提供するように構成されている。

図１２は、第３実施形態の制御装置３５４の作動を示すフローチャートである。制御装置３５４は、切替制御３７０を所定のサイクルで繰り返し実行する。ステップ１７１では、二次電池３１への充電を開始するか否かが判断される。ステップ３７２では、遮断リレー（ＲＬＧ）４６がＯＦＦ状態とされる。さらに、切替リレー３５３が、非絶縁（ＮＩＳ）状態とされる。すなわち、リレー（ＲＬＴ１、ＲＬＴ２）３５３ａ、３５３ｂがＯＮ状態とされる。これにより、絶縁トランス３５１ａの一次側と二次側とが短絡される。これにより、充電回路４は非絶縁回路だけを提供する。ステップ３７４では、非絶縁回路による充電が実行される。すなわち、切替可能型コンバータ回路３５１によって提供される非絶縁回路が、二次電池３１を充電するように制御される。ここでは、制御装置３５４は、直流母線の電圧、すなわち二次電池２２の電圧から、昇圧された電圧をフルブリッジ回路ＦＢＲ１に供給するように、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１を制御する。制御装置３５４は、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２と、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２に接続されたフルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２のスイッチングアームとが、非絶縁コンバータ回路として機能するように、フルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２の複数のスイッチ素子を制御する。さらに、制御装置３５４は、フルブリッジ回路ＦＢＲ２から供給される直流電圧を二次電池３１を充電するために適した電圧に変換して供給するように昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２を制御する。

ステップ１７５では、所定の切替条件が成立したか否かが判定される。ステップ１７５において切替条件が成立するまで、ステップ３７４を繰り返す。この結果、非絶縁回路による充電が継続される。やがて、切替条件が成立すると、ステップ３７６へ進む。

ステップ３７６では、遮断リレー（ＲＬＧ）４６がＯＮ状態とされる。さらに、切替リレー３５３が、絶縁（ＩＳＬ）状態とされる。すなわち、リレー（ＲＬＴ１、ＲＬＴ２）３５３ａ、３５３ｂがＯＦＦ状態とされる。これにより、充電回路４は絶縁回路だけを提供する。ステップ３７８では、絶縁回路による充電が実行される。すなわち、切替可能型コンバータ回路３５１によって提供される絶縁回路が、二次電池３１を充電するように制御される。ここでは、制御装置３５４は、直流母線の電圧、すなわち二次電池２２の電圧から、昇圧された電圧をフルブリッジ回路ＦＢＲ１に供給するように、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ１を制御する。制御装置３５４は、ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）動作を実現するように、フルブリッジ回路ＦＢＲ１をフェーズシフトＰＷＭ制御する。フェーズシフトＰＷＭ制御においては、フルブリッジ回路ＦＢＲ１の複数のスイッチ素子は、デューティ比５０％でスイッチングされる。フェーズシフトＰＷＭ制御においては、絶縁トランス３５１ａの一次コイルに順方向通電するスイッチ素子の対のスイッチングタイミングと、絶縁トランス３５１ａの一次コイルに逆方向通電するスイッチ素子の対のスイッチングタイミングとの間のシフト時間が制御される。これにより、順方向通電時間と、逆方向通電時間とが制御される。このとき、漏れインダクタンスＬｋ１、Ｌｋ２を含む絶縁トランス３５１ａの誘導成分と、複数のスイッチ素子に並列に生じるコンデンサを含む容量成分とによって電圧が共振する。この共振によってスイッチ素子の両端電圧が０Ｖになった時に、スイッチ素子はスイッチング制御される。例えば、端子電圧が０Ｖになった時に、スイッチ素子は、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に制御される。このようなＺＶＳ動作によって、スイッチングエッジの電流と電圧のクロス時間を減らし、スイッチング損失が低減される。フルブリッジ回路ＦＢＲ１からフルブリッジ回路ＦＢＲ２へ電力を供給するときには、漏れインダクタンスＬｋ１とフルブリッジ回路ＦＢＲ１のスイッチ素子のコンデンサとを含む成分の共振が利用される。フルブリッジ回路ＦＢＲ２からフルブリッジ回路ＦＢＲ１へ電力を供給するときには、漏れインダクタンスＬｋ２とフルブリッジ回路ＦＢＲ２のスイッチ素子のコンデンサとを含む成分の共振が利用される。制御装置３５４は、絶縁トランス３５１ａから供給される交流を直流に変換して昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２に供給するようにフルブリッジ回路ＦＢＲ２を制御する。さらに、制御装置３５４は、フルブリッジ回路ＦＢＲ２から供給される直流電圧を二次電池３１を充電するために適した電圧に変換して供給するように昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２を制御する。

ステップ１７９では、二次電池３１の充電が終了したか否かが判定される。二次電池３１の充電が終了していない場合、ステップ３７６へ戻る。この結果、絶縁回路による充電が継続される。二次電池３１の充電が終了すると、切替制御３７０が終了される。

この実施形態によると、絶縁トランス３５１ａの一次側端子と二次側端子との間を短絡または開放するとともに、第１のフルブリッジ回路ＦＢＲ１の−側電位線と第２のフルブリッジ回路ＦＢＲ２の−側電位線との間を短絡または開放する切替装置３５３が設けられる。さらに、切替装置３５３の短絡または開放に応じて、非絶縁コンバータ回路、または絶縁コンバータ回路に切替可能な切替可能型コンバータ回路３５１が提供される。よって、絶縁コンバータ回路と非絶縁コンバータ回路とを切替可能型コンバータ回路３５１によって提供することができる。この構成によると、第１のフルブリッジ回路ＦＲＢ１と第２のフルブリッジ回路ＦＲＢ２とのスイッチ素子を利用して、非絶縁コンバータ回路と絶縁コンバータ回路とを提供することができる。

また、非絶縁コンバータ回路は、切替装置３５３が短絡状態のときの絶縁トランス３５１ａの誘導成分Ｌｋ１、Ｌｋ２と、第１のフルブリッジ回路ＦＢＲ１と、第２のフルブリッジ回路ＦＢＲ２とにより構成される昇降圧コンバータ回路である。よって、切替装置３５３が短絡状態にあるときの絶縁トランス３５１ａの誘導成分によって、非絶縁コンバータ回路として機能する昇降圧コンバータ回路を提供することができる。

（第４実施形態）
図１３は、本発明を適用した第４実施形態に係る切替可能型直流電力変換回路の回路図である。この実施形態でも、充電回路４０４は、非絶縁回路と絶縁回路とに選択的に切替可能なコンバータ回路４５１を備える。切替可能型コンバータ回路４５１は、入力と出力との間を絶縁する絶縁トランス４５１ａを備える。絶縁トランス４５１ａの一次側コイルと二次側コイルとの巻数比は、１：ｎ（ｎ＞１）である。絶縁トランス４５１ａは、フルブリッジ回路ＦＢＲ１から供給される電圧を、ｎ倍に変換して、フルブリッジ回路ＦＢＲ２に供給する。この結果、絶縁トランス４５１ａとフルブリッジ回路ＦＢＲ１、ＦＢＲ２とは、昇圧型の絶縁コンバータ回路を提供する。さらに、この実施形態では、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２だけを備える。二次電池３１を充電するとき、直流母線の電圧は、絶縁トランス４５１ａによって昇圧された後に、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２によって二次電池３１の充電に適した電圧に調節される。逆に、二次電池３１から直流母線に電力を供給するとき、昇降圧コンバータ回路ＳＵＤＣ２によって昇圧した後に、絶縁トランス４５１ａによって１/ｎ倍に降圧され、直流母線に供給される。

この実施形態によると、絶縁トランス４５１ａの絶縁機能に加えて、さらに絶縁トランス４５１ａの変圧機能を利用することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

例えば、上記実施形態では、非絶縁回路においては、非絶縁コンバータ回路５１だけが活性化され、有効とされる。これに代えて、非絶縁回路においては、絶縁コンバータ回路５２も活性化し、有効としてもよい。これにより、二次電池３１への充電電流を増やすことができる。このような変形例においても、絶縁回路においては、絶縁コンバータ回路５２だけを活性化し、有効とする。これにより、非絶縁回路においては、非絶縁コンバータ回路５１を併用することによる電力変換の効率向上の利点を提供しながら、絶縁回路においては、絶縁コンバータ回路５２だけを経由することによる利点を得ることができる。

例えば、上記実施形態では、切替装置および遮断装置をリレーによって提供した。これに代えて、切替装置および遮断装置を半導体スイッチによって提供してもよい。

例えば、制御装置が提供する手段と機能は、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置をアナログ回路によって構成してもよい。

１ 充電システム
２ 電源機器
２１ 太陽光発電器
２２ 二次電池
２３ 系統
３ 負荷機器
３１ 二次電池
４ 充電回路
４１ マイナス線
４２ プラス線
４３ コンバータ回路
４４ コンバータ回路
４５ コンバータ回路
４６ 遮断リレー
５１ 非絶縁コンバータ回路
５２ 絶縁コンバータ回路
５２ａ 絶縁トランス
５３ 切替リレー
５４ 制御装置
５５ 電圧センサ
５６ 電流センサ
６１ ケーブル
２０４ 充電回路
２３１ 二次電池
２６１ ケーブル
２５３ 切替リレー
２４６ 分離リレー
２５４ 制御装置
３０４ 充電回路
３５１ 切替可能型コンバータ回路
３５１ａ 絶縁トランス
３５３ 切替リレー
３５４ 制御装置
４０４ 充電回路
４５１ 切替可能型コンバータ回路
４５１ａ 絶縁トランス

Claims (10)

1. 直流電源（２１、２２）と系統（２３）とを含む電源機器（２１、２２、２３）から供給される電力を変換し、二次電池（３１、２３１）へ直流電力を供給する変換回路（４、２０４、３０４、４０４）を備える直流電力供給装置において、
   前記変換回路は、入力と出力との間が非絶縁の非絶縁コンバータ回路（５１、３５１、４５１）によって前記直流電力を供給する状態と、入力と出力との間が絶縁トランスによって絶縁された絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）によって前記直流電力を供給する状態とに切替可能な変換回路（４、２０４、３０４、４０４）であって、
   さらに、前記変換回路が前記非絶縁コンバータ回路によって前記直流電力を供給するとき、前記系統から前記非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断する遮断装置（４６、２４６）を備え、
   前記変換回路（４、２０４、３０４、４０４）は、前記直流電力を前記二次電池（３１、２３１）に供給する充電回路であって、
   前記変換回路（４、２０４、３０４、４０４）は、前記二次電池の充電初期に前記非絶縁コンバータ回路（５１、３５１、４５１）によって前記直流電力を供給し、前記二次電池の充電後期に前記絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）によって前記直流電力を供給することを特徴とする直流電力供給装置。
2. 前記遮断装置は、
   前記変換回路が、前記非絶縁コンバータ回路（５１、３５１、４５１）によって前記直流電力を供給するとき、前記系統から前記非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断することにより、前記直流電源（２１、２２）だけから前記非絶縁コンバータ回路への電力供給を許容し、
   前記変換回路が、前記絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）によって前記直流電力を供給するとき、前記系統から前記絶縁コンバータ回路への電力供給を許容することにより、前記系統（２３）から供給される電力を前記絶縁コンバータ回路（５２、３５１、４５１）だけによって変換させることを特徴とする請求項１に記載の直流電力供給装置。
3. 直流電源（２１、２２）と系統（２３）とを含む電源機器（２１、２２、２３）から供給される電力を変換し、二次電池（３１、２３１）へ直流電力を供給する変換回路（３０４、４０４）を備える直流電力供給装置において、
   前記変換回路は、入力と出力との間が非絶縁の非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給する状態と、入力と出力との間が絶縁トランスによって絶縁された絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給する状態とに切替可能な変換回路（３０４、４０４）であって、
   さらに、前記変換回路が前記非絶縁コンバータ回路によって前記直流電力を供給するとき、前記系統から前記非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断する遮断装置（４６、２４６）を備え、
   前記変換回路（３０４、４０４）は、
   前記絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側に設けられた第１のフルブリッジ回路（ＦＢＲ１）と、
   前記絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の二次側に設けられた第２のフルブリッジ回路（ＦＢＲ２）と、
   前記絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側端子と二次側端子との間を短絡または開放するとともに、前記第１のフルブリッジ回路のマイナス線と前記第２のフルブリッジ回路のマイナス線との間を短絡または開放する切替装置（３５３）とを備え、
   前記切替装置により前記非絶縁コンバータ回路、または前記絶縁コンバータ回路に切替可能な切替可能型コンバータ回路（３５１、４５１）を備えることを特徴とする直流電力供給装置。
4. 前記遮断装置は、
   前記変換回路が、前記非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給するとき、前記系統から前記非絶縁コンバータ回路への電力供給を遮断することにより、前記直流電源（２１、２２）だけから前記非絶縁コンバータ回路への電力供給を許容し、
   前記変換回路が、前記絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給するとき、前記系統から前記絶縁コンバータ回路への電力供給を許容することにより、前記系統（２３）から供給される電力を前記絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）だけによって変換させることを特徴とする請求項３に記載の直流電力供給装置。
5. 前記変換回路（３０４、４０４）は、前記直流電力を前記二次電池（３１、２３１）に供給する充電回路であって、
   前記二次電池の充電初期に前記非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給し、前記二次電池の充電後期に前記絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の直流電力供給装置。
6. 前記変換回路（３０４、４０４）は、前記直流電源（２１、２２）の電力供給能力の高低の境界に基づいて、前記電力供給能力が高いとき前記非絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給し、前記電力供給能力が低いとき前記絶縁コンバータ回路（３５１、４５１）によって前記直流電力を供給することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の直流電力供給装置。
7. 前記変換回路（４、２０４）は、
   前記非絶縁コンバータ回路（５１）と、
   前記絶縁コンバータ回路（５２）と、
   前記非絶縁コンバータ回路（５１）と前記絶縁コンバータ回路（５２）とのいずれかを選択的に前記二次電池（３１、２３１）に接続する切替装置（５３、２５３）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流電力供給装置。
8. 前記切替装置（２５３）は、
   前記非絶縁コンバータ回路（５１）と前記絶縁コンバータ回路（５２）とを、複数の前記二次電池（３１、２３１）に入替え可能に接続することを特徴とする請求項７に記載の直流電力供給装置。
9. 前記変換回路（３０４、４０４）は、
   前記絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側に設けられた第１のフルブリッジ回路（ＦＢＲ１）と、
   前記絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の二次側に設けられた第２のフルブリッジ回路（ＦＢＲ２）と、
   前記絶縁トランス（３５１ａ、４５１ａ）の一次側端子と二次側端子との間を短絡または開放するとともに、前記第１のフルブリッジ回路のマイナス線と前記第２のフルブリッジ回路のマイナス線との間を短絡または開放する切替装置（３５３）とを備え、
   前記切替装置により前記非絶縁コンバータ回路、または前記絶縁コンバータ回路に切替可能な切替可能型コンバータ回路（３５１、４５１）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流電力供給装置。
10. 前記非絶縁コンバータ回路は、前記切替装置（３５３）が短絡状態のときの前記絶縁トランスの誘導成分と、前記第１のフルブリッジ回路と、前記第２のフルブリッジ回路とにより構成される昇降圧コンバータ回路であることを特徴とする請求項３、請求項４、請求項５、請求項６および請求項９のいずれかに記載の直流電力供給装置。

Images