CN105830304B - 充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种充电器(1A)，在对车载电池进行充电的充电器中，能够实现与所要求的安全水准相对应的级别下的风险降低。充电器(1A)具有AC/DC转换器(10)，该AC/DC转换器(10)将从外部交流电源(2)提供的交流电转换为直流电并进行输出；DC/DC转换器(20)，该DC/DC转换器(20)将AC/DC转换器(10)输出的直流电进行变压并提供给车载电池(3)；以及安全控制部(50),该安全控制部(50)以检测到车载电池在充电过程中发生异常为契机，使DC/DC转换器(20)强制停止，之后使AC/DC转换器(10)正常停止。

Description

充电器
技术领域
本发明涉及对电池进行充电的充电器，特别是涉及对以电动机为动力源进行行驶的车辆的电池进行充电的充电器。
背景技术
这种车辆的具体示例例如为电动汽车、混合动力汽车。这种车辆中，作为电动机的电源搭载有对人体而言危险的高电压电池，并且用于对该车载电池进行充电的车载充电器也涉及高电压，因此需要充分考虑安全性。作为汽车用功能安全标准之一例如有2011年正式颁布的ISO26262(参照非专利文献1)。ISO26262的目的是将风险抑制在放心、可接受的程度。ISO26262中规定了要具有在检测出异常时使车载充电器的全部功能强制停止的功能。这种车载充电器一般是由AC/DC转换器和DC/DC转换器串联连接而成的结构，该充电器中设有在异常发生时使AC/DC转换器和DC/DC转换器两者强制停止的功能。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1
互联网
＜URL：http://www.jari.or.jp/tabid/112/Default.aspx＞
发明内容
发明所要解决的技术问题
ISO26262中只要求与目标安全水准相对应的级别下的风险降低方法即可。与之相对地，在检测出异常时使AC/DC转换器和DC/DC转换器两者强制停止的结构中，尽管降低风险效果较高，但会导致高成本化，此外，也可能导致与目标安全水准相比形成超规格。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种在对车载电池进行充电的充电器中能够实现与所要求的目标安全水准相对应的级别下的风险降低的技术。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决所述问题，本发明使充电器的安全控制部执行如下的处理，该充电器具有AC/DC转换器、与该AC/DC转换器串联连接的DC/DC转换器、以及在异常发生时进行用于确保安全的控制的安全控制部。即，安全控制部以接收到对车载电池在充电过程中发生了异常进行通知的异常检测信号为契机，使AC/DC转换器和DC/DC转换器中预先确定的那一方优先停止。
例如，在对于充电器要求的目标安全水准是“即使在车载电池的充电过程中发生了某种异常，也要至少避免车载电池的破损”时，只要使DC/DC转换器优先停止即可。与之相对地，在目标安全水准所要求的是“即使在车载电池的充电过程中发生某种异常，也要至少避免充电器的破损(具体的是AC/DC转换器所包含的平滑化电容器的破损)”时，只要使AC/DC转换器优先停止即可。
在由AC/DC转换器和DC/DC转换器进行串联连接而成的车载电池用充电器中，一般会与对充电器整体的动作进行控制的安全控制部分开地设置控制器(以下称为转换器控制部)，该控制器与车载电池的充电状况相对应地对AC/DC转换器以及DC/DC转换器的动作进行控制。在这种结构的充电器中，设置屏蔽电路，该屏蔽电路以从安全控制部接收到有效电平的强制停止指示信号为契机，断开从转换器控制部向AC/DC转换器和DC/DC转换器中预先确定的那一方输出的驱动信号，使安全控制部执行如下处理：以接收到异常检测信号为契机向屏蔽电路提供有效电平的强制停止指示信号，向转换器控制部提供对驱动信号的输出停止进行指示的停止指示。根据这样的方式，与分别对AC/DC转换器以及DC/DC转换器设置屏蔽电路的方式相比，能够以低成本来实现所要求的安全水准。
一般而言，安全控制部与转换器控制部之间的通信通过串行总线进行。因此，即使使安全控制部同时进行有效电平的强制停止指示信号的输出以及所述停止指示的输出，也能使所述预先确定的那一方的转换器率先停止(即，时间上优先停止)。此外，也可在输出强制停止指示信号之后，使安全控制部执行输出所述停止指示的处理，以使得预先确定的那一方的转换器可靠地率先停止。
发明效果
根据本发明，在对车载电池进行充电的充电器中，能够高效地实现与所要求的目标安全水准相对应的级别下的风险降低。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的充电器1A的构成示例的图。
图2是表示充电器1A具有的屏蔽电路60的构成示例的图。
图3是表示充电器1A的动作示例的时序图。
图4是表示本发明的第2实施方式的充电器1B的构成示例的图。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式进行说明。
(A：第1实施方式)
图1是表示本发明的第1实施方式的充电器1A的构成示例的图。
充电器1A是搭载于电动汽车、混合动力汽车等作为动力源具有电动机的车辆上的车载充电器，并且是对向所述电动机提供电力的车载电池3进行充电的装置。若更详细地进行说明，则充电器1A通过电源线缆等与一般家庭用的交流电源(也即是、单相100V的交流电源)即外部交流电源2进行连接，将从外部交流电源2提供的交流电转换为直流电并对车载电池3进行充电。图1中除了充电器1A以外，还图示了充电器1A的充电对象的车载电池3、监视车载电池3的充电状况的充电监视部4、以及外部交流电源2。
充电监视部4例如是BCU(电池控制单元)。充电监视部4对车载电池3的充电状态(例如电池剩余量等)进行监视，并将表示该监视结果的数据经由CAN-BUS提供给充电器1A。此外，充电监视部4还对车载电池3的充电过程中是否发生某种异常(车载电池3中所包含的电容器的极板间电压的异常上升、高电位短路、接地短路等)进行监视。而且，在车载电池3的充电正常进行的期间，充电监视部4向充电器1A提供非有效电平(例如Low电平)的异常检测信号AR，以检测到某种异常发生(施加过高电压等)为契机，充电监视部4将异常检测信号AR的信号电平切换为有效电平(High电平)。也即是，本实施方式的充电监视部4起到异常检测单元的作用，该异常检测单元对车载电池3的充电过程中是否发生异常进行监视，并在检测到异常发生时向充电器1A(更准确地说是后述的安全控制部50)进行通知。此外，对于车载电池3的充电状态的监视以及充电过程中的异常监视，只要适当地使用已有的公知技术即可。
关于本实施方式的充电器1A的目标安全水准指的是“即使车载电池的充电过程中发生了某种异常，也要至少避免车载电池的破损”。本实施方式的充电器1A构成为能够尽可能以低成本来实现与此目标安全水准相对应的级别下的风险降低。如图1所示，充电器1A包含AC/DC转换器10、DC/DC转换器20、AC/DC控制部30、DC/DC控制部40、安全控制部50以及屏蔽电路60。
AC/DC转换器10将从外部交流电源2提供的交流电转换为直流电并输出。AC/DC转换器10由二极管110_1～110_2、续流二极管110_3～110_4、FET110_5～110_6、平滑化电容器110_7以及电抗器110_8～110_9构成。电抗器110_～110_9为了使高次谐波衰减而设置。二极管110_1～110_2以及FET110_5～110_6构成PFC电路，该PFC电路将从外部交流电源2提供的交流电压进行整流并将直流电压提供至平滑化电容器110_7。FET110_5～110_6中的各个FET在有效电平的驱动信号被提供至栅极时成为导通，在非有效电平的驱动信号被提供至栅极时成为断开。
平滑化电容器110_7是为了对从该PFC电路输出的直流电压进行平滑化而设置的电解电容器。续流二极管110_3～110_4与FET110_5～110_6进行逆并联连接，当FET110_5～110_6进行导通/断开切换时使由电抗器110_8～110_9中储存的电磁能产生的电流回流至输入电源(本实施方式中为外部交流电源2)侧。
AC/DC控制部30例如是CPU(中央处理单元)，根据车载电池3的充电状态进行AC/DC转换器10的动作控制。若更详细地进行说明，则AC/DC控制部30将提供给FET110_5～110_6各自的栅极的驱动信号ga1～ga2的信号电平从有效电平(例如High电平)切换至非有效电平(例如Low电平)，或者进行反向切换，以使得从AC/DC转换器10输出与车载电池3的充电状态相对应的优选的电压或者电流。由此实现AC/DC转换器10的动作控制。
DC/DC转换器20与AC/DC转换器10进行串联连接。DC/DC转换器20由逆变器121以及整流器122构成。逆变器121由FET121＿5～121＿8、续流二极管121＿1～121＿4以及变压器121_9构成。逆变器121是如下电路，该电路将对AC/DC转换器10的平滑化电容器110_7充电的直流电压作为电源电压，并利用FET121＿5～121＿8对该电源电压进行开关，从而将交流电压输出至变压器121_9的一次绕组。FET121_5～121_8中的各个FET也在有效电平的驱动信号被提供至栅极时成为导通，在非有效电平的驱动信号被提供至栅极时成为断开。
变压器121_9从二次绕组向整流器122输出与提供至一次绕组的交流电压相对应的交流电压。整流器122通过二极管122＿1～122＿4，将从变压器121_9的二次绕组输出的交流电压进行整流并将直流电压提供至车载电池3。
DC/DC控制部40与AC/DC控制部30同样是CPU。此外，以下有时将AC/DC控制部30和DC/DC控制部40两者统称为“转换器控制部”。DC/DC控制部40输出驱动信号gb1～gb4，该驱动信号用于切换逆变器121所包含的开关元件(本实施方式中的FET121＿5～121＿8)的导通/断开。通过根据车载电池3的充电状态对这些开关元件的开关周期进行调整，从而从DC/DC转换器20向车载电池3提供与车载电池3的充电状态相对应的优选的电压或者电流。如图1所示，驱动信号gb1～gb4分别经由屏蔽电路60作为驱动信号Gb1～Gb4提供给所述各开关元件。
安全控制部50与AC/DC控制部30同样是CPU，并经由串行总线(图1中省略图示)与AC/DC控制部30和DC/DC控制部40进行连接。安全控制部50以从充电监视部4接收到有效电平的异常检测信号AR为契机，进行用于确保安全的控制。若更详细地进行说明，则安全控制部50在从充电监视部4接收到非有效电平的异常检测信号AR的期间，向屏蔽电路60输出非有效电平的强制停止指示信号SS。而且，安全控制部50以接收到有效电平的异常检测信号AR为契机，将强制停止指示信号SS的信号电平切换成有效电平，之后，经由串行总线对AC/DC控制部30指示停止AC/DC转换器10，并且经由串行总线对DC/DC控制部40指示停止DC/DC转换器20。
使安全控制部50进行这种安全控制的理由是为了以尽可能低的成本来实现与所述目标安全水准(也即是，即使车载电池的充电过程中发生某种异常，也要至少避免车载电池的破损)相对应的级别的风险降低。对于通过使安全控制部50执行这种安全控制从而能实现与上述目标安全水准相对应的级别的风险降低的理由，将在后面进行详细说明。
屏蔽电路60是如下电路，该电路在接收到非有效电平的强制停止指示信号SS的期间，使DC/DC控制部40输出的驱动信号gb1～gb4作为驱动信号Gb1～Gb4原样通过，以强制停止指示信号SS变成有效电平为契机使驱动信号Gb1～Gb4断开(也即是，将驱动信号Gb1～Gb4维持在非有效电平)，并使逆变器121强制停止。也即是，本实施方式中，如果在车载电池3的充电过程中发生某种异常，则首先在时间上优先停止DC/DC转换器20，之后停止AC/DC转换器10。
作为屏蔽电路60的具体电路结构可考虑各种结构。例如，如图2(a)所示，可考虑如下方式：利用对逆变器121所包含的多个开关元件分别各设置一个的与门来构成屏蔽电路60。此外，图2(a)中只图示了与逆变器121所包含的4个FET中的FET121_5对应的结构。如图2(a)所示，向与门的一个输入端子提供利用反相器使强制停止指示信号SS实施逻辑非后的信号，向另一个输入端子提供从DC/DC控制部40输出的驱动信号以用于对与该与门相对应的开关元件进行导通/断开控制。因此，在从安全控制部50输出非有效电平的强制停止指示信号SS的期间，从DC/DC控制部40输出的驱动信号gb1通过所述AND门，并作为驱动信号Gb1提供至FET121_5的栅极。而且，如果强制停止指示信号SS从非有效电平切换至有效电平，则从DC/DC控制部40输出的驱动信号gb1在屏蔽电路60中被断开，驱动信号Gb1维持在Low电平。因此，FET121_5维持在断开状态。关于FET121＿6～121＿8也相同。如果FET121＿6～121＿8全部维持在断开状态，则逆变器121停止。
作为屏蔽电路60的其他构成例，考虑如下方式：例如利用与逆变器121所包含的开关元件分别相对应的脉冲变压器62、整流器64及开关元件66；以及经由开关元件66向脉冲变压器62的一次侧供电的电源68来构成屏蔽电路60。此外，图2(b)中与图2(a)同样，仅图示了与FET121_5对应的结构。向脉冲变压器62的一次绕组的一端提供DC/DC控制部40输出的驱动信号gb1，另一端经由开关元件66与电源68连接。开关元件66的导通/断开根据使强制停止指示信号SS实施逻辑非后的信号(图2(b)中以符号/SS表示的信号)进行切换。也即是，如果强制停止指示信号SS是非有效电平则开关元件66变成导通，反之如果是有效电平则开关元件66变成断开。
如果开关元件66变成导通，则与DC/DC控制部40输出的驱动信号gb1相对应地而在脉冲变压器62的二次绕组上产生的电压由整流器64进行整流，并提供至FET121-5以作为切换该FET121-5的导通/断开的驱动信号Gb1。与之相对地，如果开关元件66为断开，则向脉冲变压器62的一次侧的供电断开，驱动信号Gb1也断开。如图2(a)所示，在使用与门的结构的屏蔽电路60中，在与门破损时，有可能无法断开向逆变器121进行的驱动信号Gb1～Gb4的提供。与之相对地，如果如图2(b)所示采用使用了脉冲变压器的结构的屏蔽电路60，则能够可靠地断开向逆变器121进行的驱动信号Gb1～Gb4的提供，且能够可靠地强制停止DC/DC转换器20。
图3是表示充电器1A的动作示例的时序图。如图3所示，若在车载电池3的充电过程中，在某一时刻t0发生某种异常，则通过充电监视部4检测出异常的发生，充电监视部4将异常检测信号AR从非有效电平切换为有效电平。如果异常检测信号AR从非有效电平切换为有效电平，则安全控制部50首先将强制停止指示信号SS从非有效电平切换为有效电平，之后(例如延迟Δt)向AC/DC控制部30以及DC/DC控制部40提供停止指示。如图3所示，从时刻t0起经过时间Δt为止，AC/DC控制部30以及DC/DC控制部40持续进行驱动信号的输出，而若强制停止指示信号SS从非有效电平切换为有效电平，则驱动信号gb1～gb4通过屏蔽电路60被断开，因此DC/DC转换器20立即停止，而AC/DC转换器10延迟时间Δt后停止。
由此，安全控制部50在车载电池3的充电过程中发生某种异常时，优先停止DC/DC转换器20，因此能够可靠地避免车载电池3的过充电等，并且能够可靠地避免车载电池3的破损。但是，如果进行这种控制，则会向AC/DC转换器10所包含的平滑化电容器110_7施加过高的电压，难免会使平滑化电容器110_7破损。因此，为了使得即使假设发生了平滑化电容器110_7的破损，其影响也不会波及周围，优选坚固地构成充电器1A的壳体。
如果设置AC/DC转换器用与DC/DC转换器用的各个屏蔽电路(也即是，如果采用当异常发生时使AC/DC转换器与DC/CD转换器两者同时强制停止的结构)，当然能够在避免平滑化电容器110_7的破损的同时，避免车载电池3的破损。但是，这种结构中，相对于针对充电器1A所要求的目标安全水准会导致超规格，从而与充电器1A相比成本也会上升相当于设置AC/DC转换器用屏蔽电路的量。也即是，根据本实施方式的充电器1A，能够以低成本实现与目标安全水准相对应的级别下的风险降低，该目标安全水准是“即使在充电过程中发生了某种异常的情况下，也要至少避免车载电池的破损”。
(B：第2实施方式)
第1实施方式中，为了以低成本实现与“即使在充电过程中发生了某种异常的情况下，也要至少避免车载电池的破损”的目标安全水准相对应的风险降低，在车载电池3的充电过程中发生了异常时，使DC/DC转换器20的停止比AC/DC转换器10的停止更优先。但是，在比起保护车载电池3更优先保护AC/DC转换器10的平滑化电容器110_7的情况下，也即是在被要求的目标安全水准是“即使在充电过程中发生了某种异常时，也要至少避免充电器的破损(更准确地说是AC/DC转换器所包含的平滑化电容器的破损)”的情况下，只要使AC/DC转换器10的停止比DC/DC转换器20的停止更优先即可。具体而言，只要使用图4所示的充电器1B以取代图1所示的充电器1A即可。
充电器1B的结构与充电器1A的结构的不同点在于：具有电压监视部70这一点；将AC/DC控制部30输出的驱动信号ga1～ga2经由屏蔽电路60作为驱动信号Ga1～Ga2提供给AC/DC转换器10这一点；以及以电压监视部70输出的异常检测信号AR切换为有效电平为契机向安全控制部50输出有效电平的强制停止指示信号SS这一点。此外，作为图4的屏蔽电路60的结构，例如考虑将图2(a)或者图2(b)中的驱动信号gb1替换为驱动信号ga1，将驱动信号Gb1替换为驱动信号Ga1的结构。
电压监视部70包含对平滑化电容器110_7的极板间电压进行测量的电压传感器；将该电压传感器的输出电压与预定的阈值电压进行比较的比较器；以及产生该阈值电压并提供给所述比较器的恒定电压发生电路(图4中均省略图示)。例如，所述比较器中，若电压传感器的输出电压小于所述阈值电压，则输出Low电平信号，相反地若电压传感器的输出电压在所述阈值电压以上，则输出High电平信号。该比较器的输出信号作为异常检测信号AR提供给安全控制部50。也即是，充电监视部70起到异常检测部的作用，该异常检测部对车载电池3充电过程中是否发生异常进行监视，并在检测到异常发生时向安全控制部50进行通知。此外，关于所述阈值电压只要预先根据平滑化电容器110_7的耐压进行确定即可。
根据本实施方式，在车载电池3的充电过程中发生平滑化电容器110_7的极板间电压达到所述阈值电压这一异常时，能够优先停止AC/DC转换器10，并能够可靠地避免平滑化电容器110_7的破损。此时，能够可靠地保护AC/DC转换器10的平滑化电容器110_7，但另一方面由于停止DC/DC转换器20较慢，因此可能会导致车载电池3破损。但是，可以认为车载电池3的替换与充电器整体的替换相比能够容易且低成本地进行。因此，在从成本方面等考虑比起保护车载电池3更优先保护充电器整体时，优选采用本实施方式。根据本实施方式，与使AC/DC转换器与DC/DC转换器两者进行强制停止的方式相比，也能够以低成本来实现与所要求的目标安全水准相对应的级别下的风险降低。
(C：变形)
以上对于本发明的第1以及第2实施方式进行了说明，但这些实施方式也可进行以下的变形。
(1)所述各实施方式中，设置了用于使AC/DC转换器10和DC/DC转换器20中的一方进行强制停止的屏蔽电路60，在利用屏蔽电路60使该一方进行强制停止后再经由AC/DC控制部30(或者DC/DC控制部40)使另一方进行停止。也即是，所述各实施方式中，从硬件结构以及时间性两方面考虑优先地使AC/DC转换器10和DC/DC转换器20中的一方进行停止。但是，由于安全控制部50与AC/DC控制部30(或者DC/DC控制部40)之间的数据交换经由串行总线进行，因此即使在强制停止指示信号从非有效电平切换至有效电平的同时，对AC/DC控制部30(或者DC/DC控制部40)发出停止指示，也是前者的强制停止处理率先执行。因此，也可使安全控制部50同时执行强制停止指示信号从非有效电平到有效电平的切换以及对AC/DC控制部30(或者DC/DC控制部40)发出停止指示的处理。
此外，也可省略屏蔽电路60，对于AC/DC转换器10和DC/DC转换器20中作为优先停止而确定的那一方，经由AC/DC控制部30(或者DC/DC控制部40)使其停止。其原因是，即使在这种方式下，通过对AC/DC控制部30和DC/DC控制部40中的一方(也即是，对AC/DC转换器10和DC/DC转换器20中优先停止的那一方的动作进行控制的转换器控制部)发出停止指示后，对进行另一方的动作控制的转换器控制部发出停止指示，从而能够在时间上使AC/DC转换器10和DC/DC转换器20中预先确定的那一方优先停止。
(2)所述第1以及第2实施方式中，与对AC/DC转换器10的动作进行控制的AC/DC控制部30分开地，设置了对DC/DC转换器20的动作进行控制的DC/DC控制部40。但是，也可设置同时具备AC/DC转换器10的动作控制的功能和进行DC/DC转换器20的动作控制的功能的1个CPU作为转换器控制部，以取代AC/DC控制部30以及DC/DC控制部40。此外，也可使安全控制部兼备所述转换器控制部的功能。也就是说，只要是将如下部分组合成的车载充电器即可，这些部分包括：将从外部交流电源提供的交流电转换为直流电并输出的AC/DC转换器；将AC/DC转换器输出的直流电进行变压并提供至车载电池3的DC/DC转换器；以及根据车载电池的充电状况对AC/DC转换器以及DC/DC转换器的动作进行控制的安全控制部，该安全控制部以接收到对车载电池3在充电过程中发生了异常进行通知的异常检测信号AR为契机使AC/DC转换器和DC/DC转换器中预先确定的那一方率先停止，之后使另一方进行停止(也即是，使预先确定的那一方转换器优先停止)。
(3)所述各实施方式中对本发明用于车载充电器的适用例进行了说明，当然本发明也可适用于设置于充电站的充电器。其原因是，即使是设置于充电站的充电器，同样要求在充电过程中发生异常时对于车载电池、平滑化电容器进行保护，并且同样优选能够以低成本来实现与目标安全水准相对应的级别下的风险降低。
标号说明
1A、1B 充电器
2 外部交流电源
3 车载电池
4 充电监视部
10 AC/DC转换器
20 DC/DC转换器
30 AC/DC控制部
40 DC/DC控制部
50 安全控制部
60 屏蔽电路
70 电压监视部

Claims (2)

1.一种充电器，其特征在于，具有：
AC/DC转换器，该AC/DC转换器将从外部交流电源提供的交流电转换为直流电并进行输出；
DC/DC转换器，该DC/DC转换器将所述AC/DC转换器输出的直流电进行变压并提供给车载电池；
转换器控制部，该转换器控制部根据所述车载电池的充电状况，输出用于对所述AC/DC转换器和所述DC/DC转换器分别进行驱动的驱动信号；
屏蔽电路，该屏蔽电路在接收到非有效电平的强制停止信号的期间使从所述转换器控制部向所述AC/DC转换器和所述DC/DC转换器中预先确定的那一方输出的驱动信号通过，以接收到有效电平的强制停止信号为契机使从所述转换器控制部向所述AC/DC转换器和所述DC/DC转换器中预先确定的那一方输出的驱动信号断开；以及
安全控制部，该安全控制部以接收到对所述车载电池在充电过程中发生了异常进行通知的异常检测信号为契机，将提供给所述屏蔽电路的强制停止信号从非有效电平切换至有效电平，在该切换后，将指示停止输出驱动信号的停止指示提供给所述转换器控制部，使所述AC/DC转换器和所述DC/DC转换器中预先确定的那一方优先停止。
2.如权利要求1所述的充电器，其特征在于，所述屏蔽电路具有：
开关元件，该开关元件根据所述强制停止信号来切换导通/断开；
脉冲变压器，该脉冲变压器中初级绕组的一端经由所述开关元件与电源相连接，并向所述初级绕组的另一端提供从所述转换器控制部输出的驱动信号；以及
整流器，该整流器对所述脉冲变压器的次级绕组上感应出的交流电进行整流以生成向所述AC/DC转换器和所述DC/DC转换器中预先确定的那一方输出的驱动信号。
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