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【発明の名称】 バッテリ内蔵型電力変換装置
【発明者】 【氏名】住吉 眞一郎
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地 松下電器産業株式会社内

【氏名】貞平 匡史
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地 松下電器産業株式会社内

【氏名】藤下 和男
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地 松下電器産業株式会社内

【氏名】藤濤 知也
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地 松下電器産業株式会社内
【要約】 【課題】ＡＣ１２０ＶやＡＣ２３０Ｖを出力するには、バッテリのセル数を比例的に増やす必要があり、内部インピーダンスが大きくなり、損失が増大する、バッテリの全体容量が大きくなる。また、バッテリセルの直列数を多くすると各セル間の容量バラツキが拡大し、電力を取り出す際、最も小さい容量のセルで出力電力量が決定されることから、使用性が悪くなるという課題を有していた。

【解決手段】バッテリセルの直列数を出力する交流電圧のピーク電圧以下になるように制限し、バッテリ１３電圧を必要とする交流電圧のピーク電圧以上に昇圧する第２の昇圧コンバータ１７をバッテリ１３とインバータ１４の間に接続して、バッテリ１３電圧に関わらず、インバータ１４の入力電圧が交流電圧のピーク電圧以上で且つ一定となるように制御する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 太陽電池と、第１の昇圧コンバータと、バッテリと、第２の昇圧コンバータと、インバータを有し、前記第１の昇圧コンバータは太陽電池を最大電力点で動作させると共に、昇圧して前記バッテリを充電し、前記第２の昇圧コンバータはバッテリ電圧を前記インバータの交流出力電圧のピーク電圧以上に昇圧するバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項２】 第２の昇圧コンバータを制御する制御回路を備え、前記制御回路は複数の出力電圧設定値を有し、前記出力電圧設定値に応じて第２の昇圧コンバータは出力電圧を可変する請求項１記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項３】 インバータの出力電流を検知する出力電流検知手段を有し、前記出力電流検知手段の検出値に応じて第２の昇圧コンバータの出力電圧を可変する請求項２記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項４】 出力電流検出手段の検出値が所定値以下のときは、第２の昇圧コンバータを間欠発振する請求項３記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項５】 出力電流検知手段の検出値が無負荷に相当する値を検知した場合、第２の昇圧コンバータの動作を停止する請求項４記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項６】 出力電流検知手段が所定値以上の電流を検知した際、第２の昇圧コンバータが動作を停止した後、インバータを停止する請求項５記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項７】 バッテリと並列接続される前記電気二重層コンデンサおよび切換手段を備え、前記電気二重層コンデンサと前記切換手段は直列に接続され、前記バッテリ交換時に前記切換手段をオンする請求項６記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【請求項８】 双方向コンバータと、数１０μＦ以下のフィルムコンデンサと、インバータとが並列に接続され、前記双方向コンバータは前記インバータの出力に接続される機器が発生する無効電力をバッテリに回生する請求項６記載のバッテリ内蔵型電力変換装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池で発電した電力を家庭電化機器や車載機器の電源として使用可能な電力形態に変換するバッテリ内蔵型電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１１は、従来使用しているバッテリ内蔵型電力変換装置の構成を示す接続図である。ここでバッテリ内蔵型電力変換装置の発電手段は太陽電池としている。太陽電池１と、太陽電池の直流出力を昇圧してバッテリに充電する昇圧コンバータ２と、バッテリ３と、バッテリ３の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４が並列に接続され、インバータ４はそれぞれにダイオードが並列接続された４個のスイッチング素子とリアクトルとコンデンサで構成されている。インバータ４の出力は交流出力コンセント５を通じて出力されるものである。バッテリ３は出力したい交流電圧（通常正弦波）のピーク以上の電圧が必要であることから、例えば出力電圧がＡＣ１００Ｖの場合、ピークが１４１Ｖであるから、バッテリのセル電圧を１．２Ｖとした場合、１２０本直列で構成される。
【０００３】以下に動作を説明する。昇圧コンバータ２は日照によって変化する太陽電池１の最大出力を追尾する制御を行うことで、太陽電池１から得られた電力をバッテリ３に充電しているものである。インバータ４はバッテリ３の直流電圧をパルス幅変調制御（ＰＷＭ）することに高周波のパルス電圧列に変換し、得られたパルス電圧はリアクトルとコンデンサを通過することで高周波のリップルが除去されるため、インバータ４の出力として正弦波状の電圧波形が生成される。インバータ４の出力は、交流出力コンセント５を介して５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧（通常１００Ｖ）として、家庭で使用する電気機器に電力を供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の構成ではインバータの交流出力電圧の振幅がバッテリセルの直列数に依存することから、例えば国外の機器を動作するためにＡＣ１２０ＶやＡＣ２３０Ｖを出力するには、ＡＣ１００Ｖの時に比べてバッテリのセル数を比例的に増やす必要があり、個別設計が必要となるととともに、内部インピーダンスが大きくなり、損失が増大する。しかもバッテリの全体容量が大きくなり、形状・重量とも大きくなる。また、バッテリセルの直列数を多くすると各セル間の容量バラツキが拡大し、電力を取り出す際、最も小さい容量のセルで出力電力量が決定されることから、使用性が悪くなるという課題を有していた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は従来の構成が有している課題を解決するもので、バッテリセルの直列数を出力する交流電圧のピーク電圧以下になるように制限し、バッテリ電圧を必要とする交流電圧のピーク電圧以上に昇圧する第２の昇圧コンバータをバッテリとインバータの間に接続して、バッテリ電圧に関わらず、インバータの入力電圧が交流電圧のピーク電圧以上で且つ一定となるように制御するバッテリ内蔵型電力変換装置を提供する構成としたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】請求項１に記載した発明は、第１の昇圧コンバータが太陽電池を最大電力点で動作させると共に、昇圧してバッテリを充電し、第２の昇圧コンバータはバッテリ電圧をインバータの交流出力電圧のピーク電圧以上に昇圧するバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、使用するバッテリ電圧が交流出力電圧のピーク以下でも第２の昇圧コンバータがバッテリ電圧を昇圧することで、インバータが交流出力を可能とする電圧を生成できるため、バッテリ直列数に自由度を有してシステムの容量変更が容易なバッテリ内蔵電力変換装置を実現することができるものである。
【０００７】請求項２に記載した発明は、特に請求項１記載の発明において、第２の昇圧コンバータを制御する制御回路を備え、制御回路が複数の出力電圧設定値を有し、前記出力電圧設定値に応じて第２の昇圧コンバータの出力電圧を可変するバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、交流出力電圧の大きさに応じて第２の昇圧コンバータの出力電圧を可変させることで、使用する地域によって電圧定格の異なる交流機器に対してで電力を供給することができるため、使用機器の範囲拡大が図れるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現できるものである。
【０００８】請求項３に記載した発明は、特に請求項２記載の発明において、インバータの出力電流を検知する出力電流検知手段を有し、前記出力電流検知手段の検出値に応じて第２の昇圧コンバータの出力電圧を可変するバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、第２の昇圧コンバータの出力電圧を出力電流の大きさに応じて変更することで、特に出力電流が小さいときには交流出力電圧を維持しつつ、スイッチング損失を小さくすることができることから、使用時間の延長が可能になるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができるものである。
【０００９】請求項４に記載した発明は、特に請求項３記載の発明において、出力電流検出手段の検出値が所定値以下のときは、第２の昇圧コンバータを間欠発振するバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、制御回路内に出力電流のしきい値を設けて、出力電流検出値と比較して、しきい値以下であれば第２の昇圧コンバータのスイッチング動作を商用周波の間欠動作とすることで、低損失でシステムとしての使用時間を延長することのできるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができるものである。
【００１０】請求項５に記載した発明は、特に請求項４記載の発明において、出力電流検知手段の検出値が無負荷に相当する値を検知した場合、第２の昇圧コンバータの動作を停止するバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、出力電流検出手段の出力がゼロになった場合、無負荷と判断して、第２の昇圧コンバータを停止することで、不必要な電力消費（損失）を抑えることができるため、長時間使用が可能なバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができるものである。
【００１１】請求項６に記載した発明は、特に請求項５記載の発明において、出力電流検知手段が所定値以上の電流を検知した際、第２の昇圧コンバータの動作を停止させた後、インバータを停止するバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、出力電流検出手段２０の出力がしきい値を超えた場合、使用機器の不具合と判断して、第２の昇圧コンバータを停止して、一定時間の後でインバータの動作を停止することで、インバータを構成するスイッチング素子に耐圧をこえる電圧が印加されることがなく、仮に機器の短絡事故があったとしても安全に停止するバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができるものである。
【００１２】請求項７に記載した発明は、特に請求項６記載の発明において、電気二重層コンデンサと切換手段を直列に接続し、電気二重層コンデンサと切換手段がバッテリと並列接続される構成において、バッテリ交換時に前記切換手段をオンするバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、電気二重層コンデンサをバッテリ交換時のバックアップとして使用することで、家電機器の連続使用時にバッテリ交換による使用の中断を発生させることのない利便性の高いバッテリ内蔵型電力変換装置を実現できるものである。
【００１３】請求項８に記載した発明は、特に請求項６記載の発明において、第２の昇圧コンバータと数１０μＦ以下のフィルムコンデンサとインバータが並列に接続され、第２の昇圧コンバータはインバータの出力に接続される機器が発生する無効電力をバッテリに回生するバッテリ内蔵型電力変換装置としているもので、バッテリとインバータをつなぐ電力変換部を２つのスイッチング素子構成の双方向コンバータとして双方向の電力フローを実現することで、双方向コンバータの出力に必要であった大容量のコンデンサ（通常、電解コンデンサで寿命が短い）を小容量で長寿命のフィルムコンデンサに変更できることから、装置の長寿命化が図れるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現できるものである。
【００１４】
【実施例】（実施例１）以下、本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は本実施例の構成を示すブロック図である。本実施例のバッテリ内蔵型電力変換装置は、太陽電池１１を入力電源として使用し、太陽電池１１の直流電力を第１の電力変換装置１２を介してバッテリ１３に充電する。バッテリ１３に蓄電された電力は第２の昇圧コンバータ１７で昇圧され、インバータ１４によって交流電圧に変換される。インバータ１４はＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の４個のスイッチング素子によるフルブリッジとリアクトルとコンデンサで構成され、フルブリッジの中間端子には高周波フィルタとして機能するリアクトルとコンデンサが接続されている。また、インバータ１４の出力は交流出力コンセントに供給され、家庭電化製品のプラグと接続可能な構成になっている。
【００１５】以上の様に構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について図２の各部波形を参照して動作を説明する。第１の昇圧コンバータ１２は、太陽電池１１から得られる直流電力を安定な直流電力に変換し、バッテリ１３を充電する。さらに第１の昇圧コンバータは日照条件によって大幅に変化する太陽電池１１の最大電力点（電圧、電流）を追尾する。第２の昇圧コンバータはバッテリ１３の電圧を通常正弦波である交流出力電圧のピーク値（例えば、交流出力電圧がＡＣ１００Ｖの場合、ピーク電圧は１４１Ｖ）以上に昇圧する。ここで、バッテリ１３はセルが複数直列に接続された構成であり、前述のピーク電圧以下の電圧になるように構成されている。インバータ１４は昇圧コンバータ１７出力の直流電圧をパルス幅変調制御（ＰＷＭ）して平均値が正弦波状となる高周波のパルス電圧に変換する。得られたパルス電圧はリアクトルとコンデンサを通過させることで高周波のリップルを除去して、正弦波状の電圧波形を交流出力コンセント１５に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧（通常１００Ｖ）を発生させる。ここでフルブリッジの各素子の動作の一例を説明する。図示の通り、出力電圧として交流電圧を得る場合、出力電圧Ｖｏ≧０の時はＱ１を高周波でスイッチングして、Ｑ２とＱ３をオフ、Ｑ４をオンし、Ｖｏ＜０の時はＱ２を高周波スイッチングしてＱ１とＱ４をオフ、Ｑ３をオンする動作を行う。
【００１６】以上のように本実施例によれば、使用するバッテリ電圧が交流出力電圧のピーク以下でも第２の昇圧コンバータがバッテリ電圧を昇圧することで、インバータが交流出力を可能とする電圧を生成できるため、バッテリ直列数に自由度を有してシステムの容量変更が容易なバッテリ内蔵電力変換装置を実現することができる。
【００１７】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。図３は本実施例の構成を示すブロック図である。図３において図１の回路構成と異なるのは、第２の昇圧コンバータ１７の出力電圧を検知する出力電圧検知手段１８と出力電圧設定手段を有し、制御回路１６内に入力した点である。上記以外の構成要素は第１の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００１８】以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について動作を説明する。第２の昇圧コンバータ１７の出力電圧を検知する出力電圧検知手段１８は、複数の設定値が切換可能な出力電圧設定手段１９で決定される出力電圧設定値と制御回路１６内で比較され、両者が一致するようにフィードバック制御される。ここで、出力電圧設定値は交流電圧の大きさに比例して変化させるものである。例えば、交流出力電圧が１００Ｖの場合、そのピーク値である１４１Ｖ以上の設定値が与えられ、また交流出力電圧２３０Ｖの場合は直流３５０Ｖといったように設定される。前述の通り交流電圧のピーク値以上の電圧に設定すれば交流電圧出力は可能だが、スイッチング損失を低減するには、交流出力電圧のピークに近い設定値にすることが望ましいことはいうまでもない。
【００１９】以上のように本実施例によれば、交流出力電圧の大きさに応じて第２の昇圧コンバータの出力電圧を可変させることで、使用する地域によって電圧定格の異なる交流機器に対してで電力を供給することができるため、使用機器の範囲拡大が図れるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現できる。
【００２０】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。図４は本実施例の構成を示すブロック図である。図４において図１の回路構成と異なるのは、交流出力電流を検知する出力電流検知手段２０を有し、その値を制御回路１６に入力した点である。上記以外の構成要素は従来例と同等であり、説明を省略する。
【００２１】以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について図５を参照して動作を説明する。交流出力コンセントに接続された機器の消費電流を出力電流検知手段２０で検出し、第２の昇圧コンバータ１７の出力電圧設定値を出力電流の大きさに対して変更して、出力電圧を可変する。消費電力が小さい時は第２の昇圧コンバータ１７の出力電圧を大きく設定し、消費電力が大きく定格電流に近づくにしたがって第２の昇圧コンバータ１７の出力電圧設定値を大きくして、電流によるインバータ１４内部のスイッチング素子及びリアクトルでの電圧降下を補償することで、スイッチング素子のオン時間を大きく変更することなく、出力交流電圧値を維持することにより、低電位差でスイッチングして損失を最小化する。
【００２２】以上のように本実施例によれば、第２の昇圧コンバータの出力電圧を出力電流の大きさに応じて変更することで、特に出力電流が小さいときには交流出力電圧を維持しつつ、スイッチング損失を小さくすることができることから、使用時間の延長が可能になるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができる。
【００２３】（実施例４）以下、本発明の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。図６は本実施例の動作を示す波形図である。構成要素は従来例と同等であり、説明を省略する。
【００２４】以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について動作を説明する。出力電流検知手段２０の出力は制御回路１６内のしきい値と比較され、しきい値以上（消費電力大）の場合、第２の昇圧コンバータ１７は常時昇圧のためのスイッチングを行い、インバータ１４の入力電圧を所定値に制御する。ここで、制御回路１６内で設定されたしきい値以下（消費電力小）になった場合、第２の昇圧コンバータ１７は間欠発振して、交流の１周期毎に動作と不動作を繰り返す。第２の昇圧コンバータの出力には定格電流出力が可能な比較的容量の大きい図示していないコンデンサが配置されており、電流出力が小さい場合、商用１周期ごとに昇圧しても常時電圧は一定される。これにより第２の昇圧コンバータ１７の損失は概ね半減する。
【００２５】以上のように本実施例によれば、制御回路内に出力電流のしきい値を設けて、出力電流検出値と比較して、しきい値以下であれば第２の昇圧コンバータのスイッチング動作を商用周波の間欠動作とすることで、低損失でシステムとしての使用時間を延長することのできるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができる。
【００２６】（実施例５）以下、本発明の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。図７は本実施例の動作を示す波形図である。構成要素は従来例と同等であり、説明を省略する。
【００２７】以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について動作を説明する。インバータ１４は交流電圧を発生して、家電機器に電力を供給するものであるが、無負荷で電圧を生成した場合でも第２の昇圧コンバータ１７及びインバータ１４内部損失により、バッテリ１３の電力が消費される。ここで出力電流検知手段２０の出力がゼロの場合、第２の昇圧コンバータ１７の出力には１周期の間定格電力出力があっても電圧が低下しない程度の容量をもつコンデンサが配置されているため、第２の昇圧コンバータ１７の動作を停止して、損失を低減する。このときインバータ１４のスイッチング動作を続けることで、インバータの交流出力電圧を維持する。さらに、インバータ１４の低損失化による効果を得るために、無負荷状態が一定時間続いたことを検知した時点で、制御回路１６はインバータ１４の動作を停止させて、負荷への電電圧供給を停止してもよい。
【００２８】以上のように本実施例によれば、出力電流検出手段の出力がゼロになった場合、無負荷と判断して、第２の昇圧コンバータを停止することで、不必要な電力消費（損失）を抑えることができるため、長時間使用が可能なバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができる。
【００２９】（実施例６）以下、本発明の第６の実施例について図面を参照しながら説明する。図８は本実施例の動作を示す波形図である。構成要素は従来例と同等であり、説明を省略する。
【００３０】以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について動作を説明する。インバータ１４の出力に接続された交流出力コンセント１５に家電機器が繋がっている状態において機器内部の交流短絡が発生した場合、インバータ１４の出力には定格を大幅に越えた過電流が流れる。その際、出力電流検知手段２０の出力は制御回路１６内部のしきい値を越える。そこで、インバータ１４は動作している状態で、まず第２の昇圧コンバータ１７を停止する。するとバッテリ１３の電力はインバータ１４に供給されないので、インバータ１４の入力電圧がスイッチング素子の耐圧をオーバーすることがない。また、インバータ１４が動作していても出力電流には制限がかかり、短絡状態が続いても接続された機器に障害を与えることも防ぐことができる。
【００３１】以上のように本実施例によれば、出力電流検出手段２０の出力がしきい値を超えた場合、使用機器の不具合と判断して、第２の昇圧コンバータを停止して、一定時間の後でインバータの動作を停止することで、インバータを構成するスイッチング素子に耐圧をこえる電圧が印加されることがなく、仮に機器の短絡事故があったとしても安全に停止するバッテリ内蔵型電力変換装置を実現することができる。
【００３２】（実施例７）以下、本発明の第７の実施例について図面を参照しながら説明する。図９は本実施例の構成を示すブロック図である。図９において、図４の回路構成と異なるのは、切換手段２１と大容量電力デバイスである電気二重層コンデンサ２２を直列に接続して、バッテリ１３と並列に接続した点である。上記以外の構成要素は第３の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３３】以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について動作を説明する。バッテリ１３に充電する際、切換手段２１をオンして電気二重層コンデンサ２２にも蓄電しておく。続いて切換手段２１をオフしておき、、交流コンセント１５に接続された機器が連続使用によってバッテリ容量がゼロに近づき、交換が必要な場合、切換手段２１をオンして電気二重層コンデンサ２２に蓄電されている電力を使用して機器の連続運転状態を維持する。交換用に用意していたバッテリ１３に切り換える間、電気二重層コンデンサが交流出力電圧を所定値（例えばＡＣ１００Ｖ）に維持し、バッテリ１３の交換後、切換手段２１をオフする。
【００３４】以上のように本実施例によれば、電気二重層コンデンサをバッテリ交換時のバックアップとして使用することで、家電機器の連続使用時にバッテリ交換による使用の中断を発生させることのない利便性の高いバッテリ内蔵型電力変換装置を実現できる。
【００３５】（実施例８）以下、本発明の第８の実施例について図面を参照しながら説明する。図１０は本実施例の構成を示すブロック図である。図１０において、図４の回路構成と異なるのは、第２の昇圧コンバータ１７をスイッチング素子２個による双方向動作が可能なハーフブリッジ構成の双方向コンバータ２３とし、また、出力段には大容量のコンデンサを配置せずに数１０μＦ程度のフィルムコンデンサ２４を配置した点である。上記以外の構成要素は第３の実施例と同等であり、説明を省略する。
【００３６】以上のように構成されたバッテリ内蔵型電力変換装置について動作を説明する。交流出力コンセント１５に接続された家電機器がモータのように回生電力を発生する負荷の場合、発生した回生電力は双方向コンバータ２３の出力に配置されたフィルムコンデンサ２４を充電するが、容量が小さく数１０μＦ程度しかないため、インバータ１４の入力電圧がインバータ１４を構成するスイッチング素子の耐圧を超えないように、双方向コンバータ２３を構成するハーフブリッジのハイサイドのスイッチング素子をオンして、電力をバッテリに回生する。
【００３７】以上のように本実施例によればバッテリとインバータをつなぐ電力変換部を２つのスイッチング素子構成の双方向コンバータとして双方向の電力フローを実現することで、双方向コンバータの出力に必要であった大容量のコンデンサ（通常、電解コンデンサで寿命が短い）を小容量で長寿命のフィルムコンデンサに変更できることから、装置の長寿命化が図れるバッテリ内蔵型電力変換装置を実現できる。
【００３８】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、使用するバッテリ電圧が交流出力電圧のピーク以下でも第２の昇圧コンバータがバッテリ電圧を昇圧することで、インバータが交流出力を可能とする電圧を生成できるため、バッテリ直列数に自由度を有してシステムの容量変更が容易なバッテリ内蔵電力変換装置を実現することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【住所又は居所】大阪府門真市大字門真１００６番地
【出願日】 平成１３年８月２８日（２００１．８．２８）
【代理人】 【識別番号】１０００９７４４５
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
【公開番号】 特開２００３−６７０６５（Ｐ２００３−６７０６５Ａ）
【公開日】 平成１５年３月７日（２００３．３．７）
【出願番号】 特願２００１−２５７３４８（Ｐ２００１−２５７３４８）