DE102013211828A1

DE102013211828A1 - Ladevorrichtung

Info

Publication number: DE102013211828A1
Application number: DE102013211828.7A
Authority: DE
Inventors: Tadao Nishiguchi; Takashi Yamada; Hideyuki Yasugi; Masayuki Hanatani; Yusaku Ido
Original assignee: Omron Automotive Electronics Co Ltd
Current assignee: Nidec Mobility Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2014-01-02
Also published as: US20140015496A1; JP2014011925A; CN103532208A

Abstract

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht eine Ladevorrichtung vor, die eine Spannung effizient wandeln kann. Die Ladevorrichtung umfasst einen Speicherungsteil und eine Steuereinrichtung. Eine von einem AC-Energieversorgungseingabeteil ausgegebene gleichgerichtete Spannung, eine von einem Energiewandlungsteil ausgegebene Ladespannung, eine Zwischenspannung, die mit der gleichgerichteten Spannung und der Ladespannung korreliert ist und von einem Leistungsfaktorkorrekturteil ausgegeben werden soll, sind in dem Speicherungsteil gespeichert. Die Steuereinrichtung erfasst die gleichgerichtete Spannung von einer Eingabespannungserfassungseinheit, erfasst die Ladespannung von einer Ausgabespannungserfassungseinheit, erfasst die Zwischenspannung von dem Speicherungsteils basierend auf der erfassten gleichgerichteten Spannung und der Ladespannung und steuert den Leistungsfaktorkorrekturteil basierend auf der Zwischenspannung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung, insbesondere eine Ladevorrichtung, die eine Phasenwinkelkorrekturschaltung bzw. Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die eine Wechselspannung bzw. Wechselstromspannung oder AC-Spannung (AC = engl. „Alternating Current”; Wechselstrom) in eine Gleichspannung bzw. Gleichstromspannung oder DC-Spannung (DC = engt. „Direct Current”; Gleichstrom) umwandelt, und eine Spannungswandlungsschaltung, die die Gleichspannung aus der Leistungsfaktorkorrekturschaltung in eine vorbestimmte Gleichspannung umwandelt und die vorbestimmte DC-Spannung an eine Speicherbatterie liefert.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise ist für die Ladevorrichtung, die eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die die Wechselspannung in die Gleichspannung umwandelt, und die Spannungswandlungsschaltung, die die Gleichspannung aus der Leistungsfaktorkorrekturschaltung in die vorbestimmte Gleichspannung umwandelt und die vorbestimmte Gleichspannung an die Speicherungsbatterie liefert, eine Technologie zum Umwandeln der verschiedenen vorbestimmten Eingabe- bzw. Eingangs-Wechselspannungen in die ausgabe- bzw. Ausgangs-Gleichspannungen und eine Technologie, die Umwandlung effizient durchzuführen, bekannt.
Beispielsweise offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 06-105545 eine Schalt-Energieversorgungsvorrichtung bzw. Schaltnetzteilvorrichtung für weltweit übliche Eingabetypen, die eine hohe Effizienz sowohl bei Eingangs-Wechselspannungen eines 100 V-Systems als auch eines 200 V-Systems bezüglich der Größenreduktion und Kostenreduktion aufweist. Bei der Schaltnetzteilvorrichtung sind ein Hilfswiderstand, ein Schaltteil und eine Spannungsdetektionsschaltung bzw. eine Spannungserkennungsschaltung bzw. ein Spannungserkennungsschaltkreis in einem Basisschaltungsteil eines Schalttransistors vorgesehen, anstatt eine konventionelle Konstantspannungsschaltung vorzusehen. Der Hilfswiderstand und der Schaltteil sind miteinander in Reihe geschaltet, und der Hilfswiderstand und der Schaltteil sind parallel zu einem Basiswiderstand geschaltet. Der Spannungsdetektionsschaltkreis bzw. die Spannungsdetektionsschaltung detektiert bzw. erkennt durch eine Spannung an einer Ausgabeseite einer mit einer Basiswindung eines Transformators verbundenen Diode, ob die Eingangs-Wechselspannung dem 100 V-System oder dem 200 V-System entspricht. Die Spannungsdetektionsschaltung schaltet den Schaltteil ein, wenn die Eingangs-Wechselspannung dem 100 V-System entspricht, und die Spannungsdetektionsschaltung schaltet den Schaltteil aus, wenn die Eingangs-Wechselspannung dem 200 V-System entspricht.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2008-099439 offenbart eine Schaltnetzteilvorrichtung, bei der ein Zustand einer PFC(PFC = „Power Factor Correction”; Leistungsfaktorkorrektur)-Schaltung bestimmt wird, ohne eine Ausgabespannung an der PFC-Schaltung auf eine hohe Spannung zu setzen, wobei eine billige und kompakte Komponente mit einer geringen Spannungsfestigkeit verwendet werden kann. Die Schaltnetzteilvorrichtung enthält die PFC-Schaltung, die einen Leistungsfaktor einer Vollwellengleichrichtungsausgabe bzw. Vollweggleichrichtungsausgabe korrigiert, einen DC/DC-Wandler bzw. Gleichstrom-/Gleichstromwandler, der eine DC-Ausgabe an der PFC-Schaltung in eine andere DC-Spannung bzw. Gleichspannung wandelt und die umgewandelte Gleichspannung ausgibt, eine integrierte Steuerschaltung bzw. ein Steuer-IC (IC = engl. „Integrated Circuit”; integrierte Schaltung), der einen DC/DC-Umwandlungsbetrieb des DC/DC-Wandlers steuert, und eine Detektionsschaltung, die den Zustand der PFC-Schaltung detektiert. Der digitale Controller bzw. die digitale Steuereinrichtung bestimmt den Zustand der PFC-Schaltung, die von dem Steuer-IC auf der Basis der Detektion der Detektionsschaltung gesteuert wird, und die digitale Steuereinrichtung steuert einen Start des DC/DC-Wandlers basierend auf der Bestimmung.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2009-213202 offenbart eine Schaltnetzteilvorrichtung, die mit einer einfachen Konfiguration mit einem breiten Eingabespannungsbereich umgeht. In der Schaltnetzteilvorrichtung enthält ein isolierter DC/DC-Wandler eine Batterieladeschaltung in einem Sekundärseiten-Schaltkreis bzw. einer Sekundärseiten-Schaltung eines Umsetzers bzw. Transformators. Eine Treiberschaltung bzw. Antriebsschaltung verringert eine Schaltfrequenz eines Schaltelements einer Primärseiten-Schaltung in dem Transformator des isolierten DC/DC-Wandlers in dem Fall, in dem eine Ausgabespannungsdetektionsschaltung, die eine Ausgabe- bzw. Ausgangsspannung einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung detektiert, eine niedrige Ausgabespannung an der Leistungsfaktorkorrekturschaltung detektiert. Die Ansteuer- bzw. Treiber- bzw. Antriebsschaltung erhöht die Schaltfrequenz des Schaltelements der Primärseiten-Schaltung in dem Transformator des isolierten DC/DC-Wandlers in dem Fall, in dem die Ausgabespannungsdetektionsschaltung eine hohe Ausgabespannung an der Leistungsfaktorkorrekturschaltung detektiert.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2010-041891 offenbart eine Ladeeinrichtung, in der eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung an einer Eingangsstufe einer Spannungswandlungsvorrichtung bereitgestellt ist, um eine Energiewandlungseffizienz in dem Fall eines geringen Ausgabe-Gleichstroms zu verbessern. Die Ladeeinrichtung enthält die Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die die Eingangs-Wechselspannung in die Ausgangs-Gleichspannung wandelt, und die Spannungswandlungsvorrichtung, die die Ausgangs-Gleichspannung an der Leistungsfaktorkorrekturschaltung in eine vorbestimmte Lade-Gleichspannung wandelt und die vorbestimmte Lade-Gleichspannung an einen Bleiakkumulator liefert. Die Ladeeinrichtung führt die Steuerung derart durch, dass die Ausgangs-Gleichspannung an der Leistungsfaktorkorrekturschaltung vergrößert oder verkleinert wird entsprechend einer Höhe bzw. Magnitude eines Lade-Gleichstroms, der von der Spannungswandlungsvorrichtung an den Bleiakkumulator geliefert wird.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine Ladevorrichtung vor, die die Spannung effizient umwandeln bzw. konvertieren kann, indem sie die zuvor erfasste bzw. erlangte oder aufgenommene Zwischenspannung mit der maximalen gesamten Effizienz bzw. dem maximalen gesamten Leistungsgrad entsprechend einer Spannungswandlungscharakteristik bzw. Spannungswandlungskennlinie der Ladevorrichtung ausgibt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Ladevorrichtung: einen Wechselspannungsversorgungseingabeteil bzw. AC-Energieversorgungseingabeteil, der eine AC-Spannung bzw. Wechselspannung gleichrichtet; einen Leistungsfaktorkorrekturteil, der eine gleichgerichtete Spannung, die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil ausgegeben wird, in eine DC-Zwischenspannung bzw. Zwischen-Gleichspannung umwandelt; einen Energiewandlungsteil bzw. Leistungswandlungsteil oder Spannungswandlungsteil, der die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil ausgegebene Zwischenspannung in eine Ladespannung umwandelt und die Ladespannung an eine Sekundärbatterie bzw. einen Akkumulator liefert; einen Eingabespannungserlangungsteil bzw. Eingabespannungserfassungsteil bzw. Eingabespannungsaufnahmeteil, der die von dem Wechselspannungsversorgungseingabeteil bzw. AC-Energieversorgungseingabeteil ausgegebene gleichgerichtete Spannung erfasst bzw. erlangt oder aufnimmt; eine Ausgabespannungserfassungseinheit, die die von dem Spannungs- bzw. Leistungs- bzw. Energiewandlungsteil ausgegebene Ladespannung erfasst; einen Speicherteil bzw. Speicherungsteil, in dem die gleichgerichtete Spannung, die Ladespannung und eine mit der gleichgerichteten Spannung und der Ladespannung korrelierte Ziel-Zwischenspannung gespeichert sind; und einen Controller bzw. eine Steuereinrichtung, die die gleichgerichtete Spannung von der Eingabespannungserfassungseinheit erfasst, die Ladespannung von der Ausgabespannungserfassungseinheit erfasst, die Ziel-Zwischenspannung von dem Speicherungsteil basierend auf der erfassten gleichgerichteten Spannung und der Ladespannung erfasst und den Leistungsfaktorkorrekturteil so steuert, dass die ausgegebene Zwischenspannung die Ziel-Zwischenspannung wird.
Daher wird die zuvor erfasste Zwischenspannung mit der maximalen gesamten Effizienz entsprechend der Spannungswandlungscharakteristik bzw. Spannungswandlungskennlinie der Ladevorrichtung ausgegeben, so dass eine Ladevorrichtung bereitgestellt werden kann, die die Spannung effizient wandelt.
Die Ladevorrichtung kann ferner eine Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit umfassen, die eine Zielspannung an der Sekundärbatterie bzw. dem Akkumulator erfasst, wobei die Steuereinrichtung die Zielspannung von der Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit erfasst und den Energiewandlungsteil basierend auf der Ladespannung und der Zielspannung steuert.
Daher kann eine effiziente Ladevorrichtung mit der Konfiguration, bei der eine Ladespannung nahe der Zielspannung an der Sekundärbatterie an die Sekundärbatterie unter Verwendung der Ziel-Ausgabespannung geliefert wird, zur Verfügung gestellt werden.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die zuvor erfasste Zwischenspannung mit der maximalen gesamten Effizienz gemäß der Spannungswandlungscharakteristik der Ladevorrichtung ausgegeben werden, so dass die Spannung effizient umgewandelt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ist ein Schaltkreisdiagramm bzw. Schaltungsdiagramm eines Leistungsfaktorkorrekturteils in der Ladevorrichtung der Ausführungsform;
3A ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Energiewandlungsteil und eine Steuereinrichtung in der Ladevorrichtung der Ausführungsform veranschaulicht, und 3B ist eine Ansicht, die eine Wellenform an einem vorbestimmten Ort veranschaulicht;
4 veranschaulicht eine in einem Speicherungsteil der Ladevorrichtung der Ausführungsform gespeicherte Tabelle;
5A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltung veranschaulicht, die Zwischenspannungen in der Ladevorrichtung der Ausführungsform ausgibt, und 5B veranschaulicht Zwischenspannungen, die aus einer Kombination von Widerstandswerten und Schaltern in der Schaltung erhalten werden (Teil 1);
6A ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltung veranschaulicht, die Zwischenspannungen in der Ladevorrichtung der Ausführungsform veranschaulicht, und 6B veranschaulicht Zwischenspannungen, die aus einer Kombination von Widerstandswerten und Schaltern in der Schaltung erhalten werden (Teil 2);
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung in der Ladevorrichtung der Ausführungsform veranschaulicht; und
8A ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erfassen einer Eingabespannung in die Ladevorrichtung der Ausführungsform veranschaulicht, und 8B ist eine erklärende Ansicht, die das Verfahren. zum Erfassen der Eingabespannung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.
(Ausführungsform)
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Ladevorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Ladevorrichtung 1 wandelt eine von einer kommerziellen AC-Energieversorgung 2 bzw. Wechselstromversorgung bzw. Wechselspannungsversorgung gelieferte Energie um und lädt eine Sekundärbatterie 3. Beispielsweise wird die Ladevorrichtung zum Laden eines Akkumulators bzw. einer Sekundärbatterie (beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie), die in einem elektrischen Automobil oder einem steckerfertigen bzw. einsteckbaren elektrischen Automobil vom Hybrid-Typ angebracht ist, mit der an jeden Haushalt gelieferten Energie bzw. Spannung verwendet. Allerdings ist die Verwendung der Ladevorrichtung 1 nicht auf die Sekundärbatterie begrenzt.
Die Ladevorrichtung 1 umfasst einen Wechselstromversorgungseingabeteil bzw. Wechselspannungsversorgungseingabeteil bzw. AC-Energieversorgungseingabeteil 10, einen Leistungsfaktorkorrekturteil 20 und einen Leistungs- bzw. Energiewandlungsteil 30. Der AC-Energieversorgungseingabeteil 10 richtet eine AC-Spannung bzw. Wechselspannung von der kommerziellen Wechselspannungsversorgung bzw. AC-Energieversorgung gleich. Der Leistungsfaktorkorrekturteil 20 wandelt eine gleichgerichtete Spannung, die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil 10 gleichgerichtet und ausgegeben wird, in eine DC-Zwischenspannung bzw. Zwischen-Gleichspannung. Der Leistungsfaktorkorrekturteil 20 verbessert eine effektive Leistungs- bzw. Energiemenge pro Zeiteinheit, die ein Teil einer Einheit bzw. Menge einer Versorgungsenergie der kommerziellen AC-Energieversorgung 2 ist und in der Sekundärbatterie 3 gespeichert wird. Der Leistungs- bzw. Energiewandlungsteil 30 wandelt die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 ausgegebene Zwischenspannung in eine vorbestimmte DC-Ladespannung bzw. Lade-Gleichspannung um und liefert die DC-Ladespannung an die Sekundärbatterie 3, um die Sekundärbatterie 3 zu laden.
Der AC-Energieversorgungseingabeteil 10 und der Leistungsfaktorkorrekturteil 20 werden unter Bezugnahme auf 2 besonders beschrieben werden. Der AC-Energieversorgungseingabeteil 10 richtet die AC-Spannung bzw. Wechselspannung von der kommerziellen AC-Energieversorgung 2 wie oben beschrieben gleich und umfasst typischerweise eine Diodenbrücke, wie in 2 gezeigt. Die kommerzielle AC-Energieversorgung 2 ist mit einer Eingabeseite des AC-Energieversorgungseingabeteils 10 verbunden, und eine Hochpotenzialleitung bzw. High-Side-Leitung LH und eine Niedrigpotenzialleitung bzw. Low-Side-Leitung LL sind mit einer Ausgabeseite verbunden. Der AC-Energieversorgungseingabeteil 10 führt Vollwellen-Gleichrichtung bzw. Vollweg-Gleichrichtung einer Spannungswellenform der eingegebenen AC-Energie bzw. Wechselspannung durch und gibt die gleichgerichtete Spannung durch die High-Side-Leitung LH und die Low-Side-Leitung LL aus. An diesem Punkt wird die gleichgerichtete Spannung als Vin bezeichnet.
Der Leistungsfaktorkorrekturteil 20 umfasst eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung bzw. einen Leistungsfaktorkorrekturschaltkreis 21, eine Leistungsfaktorkorrektursteuereinheit 22, eine Stabilisierungsschaltung 23 und einen Zwischenspannungsausgabeteil 24. Der Leistungsfaktorkorrekturschaltkreis 21 umfasst einen Reaktor bzw. eine Drosselspule oder Spule L, ein gleichrichtendes Element D und ein Schaltelement Q. Die Spule L und das gleichrichtende Element D sind in Reihe geschaltet auf der High-Side-Leitung LH vorgesehen. Ein Ende des Schaltelements Q ist mit einem Verbindungspunkt der Spule L und einer Anode des gleichrichtenden Elements D verbunden, und das andere Ende ist mit der Low-Side-Leitung LL verbunden.
Die Stabilisierungsschaltung 23 besteht aus einem Glättungskondensator C, der mit der High-Side-Leitung LH und der Low-Side-Leitung LL auf einer Kathodenseite des gleichrichtenden Elements D verbunden ist. In dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 steuert bzw. treibt die Leistungsfaktorkorrektursteuereinheit 22 das Schaltelement Q passend an, um ungefähr eine Phase der Vollwellengleichrichtungswellenform in der eingegebenen gleichgerichteten Spannung Vin mit einer Phase eines Stroms Is in Übereinstimmung zu bringen, was die effektive Leistungsmenge bzw. Energiemenge erhöht, und eine Zwischenspannung Vpfc_out kann durch Verstärken und Glätten der gleichgerichteten Spannung Vin erhalten werden.
Der Zwischenspannungsausgabeteil 24 umfasst zwei in Reihe verbundene Widerstände R0 und VR1, und die Zwischenspannung Vpfc_out, die einer der gesamten Ausgaben des Leistungsfaktorkorrekturteils 20 entspricht, wird an dem Verbindungspunkt der Widerstände R0 und VR1 geteilt, um die Ausgabe des Zwischenspannungsausgabeteils 24 zu erhalten. Der andere Anschluss des Widerstands R0 ist mit der Ausgabeseite der Position verbunden, an der die Stabilisierungsschaltung 23 mit der High-Side-Leitung LH verbunden ist, und der andere Anschluss des Widerstands VR1 ist mit der Ausgabeseite der Position verbunden, an der die Stabilisierungsschaltung 23 mit der Low-Side-Leitung LL verbunden ist. Der Widerstand VR1 ist ein variabler Widerstand, der einen Spannungswert steuern kann. Der detaillierte Widerstand VR1 wird später beschrieben.
Die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 ist mit einem Signalanschluss des Schaltelements Q des Leistungsfaktorkorrekturschaltkreises 21 und den Signalleitungen LI, LC und LO verbunden. Die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 erfasst Informationen über die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil 10 durch die Signalleitung LI ausgegebene Spannung Vin. In der Ausführungsform erfasst tatsächlich die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 eine geteilte Spannung. Die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 erfasst Informationen über den Strom Is durch die Signalleitung LC. So wie er hier verwendet wird, meint der Strom Is einen Strom, der durch die Low-Side-Leitung LL an die kommerzielle AC-Energieversorgung 2 zurückfließt.
Die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 erfasst Informationen über die Zwischenspannung Vpfc_out durch die Signalleitung LO. Insbesondere erfasst die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 eine Fehlerspannung bzw. einen Fehler zwischen der an dem Verbindungspunkt der Widerstände R0 und VR1 des Zwischenspannungsausgabeteils 24 geteilten Spannung und einer Referenzspannung aus einem Fehlerverstärker 221 durch die Signalleitung LO. Die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 treibt das Schaltelement Q basierend auf einem Produkt der gleichgerichteten Spannung Vin und dem Fehler an. Ein Schaltzyklus ist in etwa ein Tausendstel einer Frequenz der kommerziellen Energieversorgung kurz. Daher ändert sich ein Wert der gleichgerichteten Spannung Vin, mit der in jedem Schaltzeitintervall umgegangen wird, von Moment zu Moment in Verbindung mit einer Spannungsänderung der kommerziellen Energieversorgung. Der Strom Is zu einem bestimmten Moment wird von der gleichgerichteten Spannung Vin an diesem Moment durch Antreiben des Schaltelements Q gesteuert. Beispielsweise verringert sich der Strom Is, weil sich das Produkt mit abnehmender gleichgerichteter Spannung Vin verringert. Andererseits erhöht sich der Strom Is, weil sich das Produkt mit ansteigender gleichgerichteter Spannung Vin erhöht. Da der Strom Is in Verbindung mit der Änderung an der kommerziellen Energieversorgung aktualisiert und gesteuert wird, unterdrückt die Änderung im Strom Is eine Phasendifferenz bezüglich der gleichgerichteten Spannung Vin, die sich hintereinander bzw. im Tandem mit der Spannungsänderung der kommerziellen Energieversorgung bewegt. Als ein Ergebnis korrigiert die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 den Leistungsfaktor bzw. die Phasenverschiebung.
Der Leistungswandlungsteil bzw. Energiewandlungsteil 30, eine Ausgabespannungserfassungseinheit 42 und ein Controller bzw. eine Steuereinrichtung 40 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben werden. Ein Ende des Energiewandlungsteils 30 ist mit dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 verbunden, und das andere Ende ist mit dem Akkumulator bzw. der Sekundärbatterie 3 verbunden. Basierend auf einem Ladezustand der Sekundärbatterie 3 verstärkt der Energiewandlungsteil 30 die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 ausgegebene Zwischenspannung Vpfc_out oder verringert bzw. transformiert diese herunter bzw. abwärts wandelt sie und gibt eine Ladespannung Vout aus, die so angepasst ist, dass sie die Sekundärbatterie 3 vollständig lädt.
Der Energiewandlungsteil 30 umfasst einen Schaltteil 31, einen Umsetzer bzw. Transformator 32 und einen Gleichrichter 33, die auf einer Energie- bzw. Stromversorgungssystemleitung angeordnet sind. Der Transformator 32 empfängt eine Eingabe der Zwischenspannung Vpfc_out von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 und verstärkt oder verringert die Spannung, die ausgegeben wird, passend durch Ansteuern bzw. Antreiben des durch die Steuereinrichtung 40 gesteuerten Schaltteils 31. Der Gleichrichter 33 richtet die Wellenform bzw. den Schwingungsverlauf der verstärkten oder verringerten bzw. heruntertransformierten Spannung gleich und liefert die gleichgerichtete Spannung an die Sekundärbatterie 3.
Der Ausgabespannungserfassungsteil 42 ist eine Sekundärseite des Transformators 32, wird an einer nachfolgenden Stufe des Gleichrichters 33 bereitgestellt und erfasst die Ladespannung (Vout), die von dem Energiewandlungsteil 30 an die Sekundärbatterie 3 ausgegeben wird.
Die Steuereinrichtung 40 umfasst einen Taktgeber 404 und bestimmt ein Betriebszeitverhältnis bzw. eine relative Einschaltdauer einer Schaltsteuerungswellenform bzw. eines Schaltsteuerschwingungsverlaufs, der in den Schaltkreis 31 von einer Spannung (Vr) eingegeben wird, die sich in einer Sägezahnwellenform in Synchronisation mit dem Taktsignal 404 und der von der Ausgabespannungserfassungseinheit 42 detektierten Ladespannung (Vout), ändert.
Das heißt, die Steuereinrichtung 40 gibt einen von außen bereitgestellten Ausgabespannungseinstellwert bzw. -sollwert in den Fehlerverstärker 401 ein, während sie die Ladespannung (Vout), die von der Ausgabespannungserfassungseinheit 42 detektiert wird, auf einen Fehlerverstärker 401 zurückkoppelt, wodurch eine Fehlerspannung bzw. ein Fehler (Ve) detektiert wird. Daher kann die Steuereinrichtung 40 die Ladespannung (Vout) so steuern, dass die Ladespannung (Vout) nicht den Ausgabespannungseinstellwert überschreitet.
Die Steuereinrichtung 40 gibt die Fehlerspannung bzw. den Fehler (Ve) in einen nachfolgenden PWM-Vergleicher bzw. PWM-Komparator 402 ein (PWM = Pulsweitenmodulation). Die Spannung (Vr), die sich synchron mit dem Taktgeber 404 bzw. mit dem Taktsignal des Taktgebers ändert, wird in den anderen Eingangsanschluss bzw. Eingabeanschluss des PWM-Komparators 402 eingegeben. Basierend auf den beiden Eingabewerten moduliert der PWM-Komparator 402 eine Pulsweite einer Latch-Ausgabe zusammen mit einem Latch 403 bzw. zustandsgesteuerten Flip-Flop.
Wie in 3B veranschaulicht, wiederholt die mit dem Taktgeber 404 bzw. dessen Taktsignal synchronisierte Spannung (Vr) eine solche Bewegung, dass die Spannung mit der Zeit ansteigt und synchronisiert mit dem Taktgeber 404 bzw. dessen Taktsignal zurückgesetzt wird. Die von dem Latch 403 ausgegebenen Schaltsteuerungswellenform bzw. das ausgegebene Schaltsteuersignal ändert sich von niedrig (Low) nach hoch (High) in Synchronisation mit dem Taktgeber 404 bzw. dessen Taktsignal. Der Schaltkreis 31 wird in diesem Timing bzw. Zeitablauf angeschaltet. Die von dem Latch 403 ausgegebene Schaltsteuerungswellenform ändert sich von hoch (High) nach niedrig (Low) im Timing bzw. Zeitablauf, wenn die Spannung (Vr) den Fehlerwert bzw. Fehler (Ve) übersteigt. Bei diesem Timing wird der Schaltkreis 31 wird abgeschaltet.
Durch die Folge von von der Steuereinrichtung 40 durchgeführten Operationen wird beispielsweise die relative Schalt-Einschaltzeit sequenziell angepasst und wie folgt bestimmt. In dem Fall, in dem die Fehlerspannung bzw. der Fehler Ve sich aufgrund des großen Fehlers des Fehlerverstärkers 401 vergrößert, wird eine Zeit, in der die Spannung Vr einen Wert bzw. Level der Fehlerspannung bzw. des Fehlers Ve erreicht, verlängert. Daher wird eine Zeit, in der der Schaltkreis 31 eingeschaltet ist, verlängert, um die relative Schalt-Einschaltzeit zu vergrößern. Andererseits wird in dem Fall, in dem die Fehlerspannung bzw. der Fehler Ve sich aufgrund des kleinen Fehlers des Fehlerverstärkers 401 verringert, die Zeit, in der die Spannung Vr den Wert bzw. Level der Fehlerspannung bzw. des Fehlers Ve erreicht, verkürzt. Daher wird die Zeit, in der der schaltende Schaltkreis 31 angeschaltet ist, verkürzt, um die relative Schalt-Einschaltzeit zu verringern.
Die Ladevorrichtung 1 umfasst auch eine Eingabespannungserfassungseinheit 41, die auf einer Steuersystemleitung angeordnet ist. Die Eingabespannungserfassungseinheit 41 erfasst die gleichgerichtete Spannung Vin, die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil 10 ausgegeben wird. Ein Verfahren zum Erfassen der gleichgerichteten Spannung Vin mit der Eingabespannungserfassungseinheit 41 wird später beschrieben werden.
Die Ladevorrichtung 1 umfasst auch einen Speicherteil bzw. Speicherungsteil 44, der sich auf einer Steuersystemleitung befindet. Die gleichgerichtete Spannung Vin, die Ladespannung Vout und die Zwischenspannung Vpfc_out, die mit der gleichgerichteten Spannung Vin und der Ladespannung Vout korreliert ist, werden in dem Speicherungsteil 44 gespeichert. Der Speicherungsteil 44 umfasst ein Speichermedium, beispielsweise einen Speicher und eine Disk bzw. Platte oder Festplatte, und auf dem Speichermedium wird eine Tabelle gespeichert. Die Tabelle umfasst Werte der Zwischenspannung Vpfc_out, die mit der gleichgerichteten Spannung Vin und der Ladespannung Vout korreliert ist.
Die Steuereinrichtung 40 erfasst die gleichgerichtete Spannung Vin aus der Eingabespannungserfassungseinheit 41 und erfasst die Ladespannung Vout aus der Ausgabespannungserfassungseinheit 42. Die Steuereinrichtung 40 erfasst auch die Zwischenspannung Vpfc_out aus dem Speicherungsteil 44 basierend auf der erfassten gleichgerichteten Spannung Vin und der Ladespannung Vout und steuert den Leistungsfaktorkorrekturteil 20 basierend auf der erfassten Zwischenspannung Vpfc_out. Daher wird die zuvor erfasste Zwischenspannung mit der maximalen gesamten Effizienz gemäß einer Spannungswandlungskennlinie bzw. Spannungswandlungscharakteristik der Ladevorrichtung ausgegeben, so dass die Spannung effizient gewandelt bzw. konvertiert werden kann.
Die Tabelle im Besitz des Speicherungsteils 44, ein Schaltkreisdiagramm bzw. Schaltungsdiagramm des variablen Widerstands VR1 des Zwischenspannungsausgabeteils 24 und die durch eine Kombination von Widerstandswerten und Schaltern in der Schaltung erhaltene Zwischenspannung wird speziell unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben werden. In der Tabelle in 4 zeigt eine horizontale Achse die gleichgerichtete Spannung (Vin) an, eine vertikale Achse zeigt die Ladespannung (Vout) an, und die Zwischenspannung (Vpfc_out) wird an einem Überschneidungsbereich angezeigt. Die Zwischenspannung umfasst drei Werte 200 V, 300 V und 400 V. Eine Zwischenspannung ist so definiert, dass sie im Wesentlichen gleich oder größer als die gleichgerichtet Spannung (speziell, ein Wert multipliziert mit einer Quadratwurzel aus 2, der der Maximalwert der durchschnittlichen gleichgerichteten Spannung ist) und die Ladespannung ist. Vorzugsweise ist die Zwischenspannung in der Tabelle eine, die die maximale gesamte Effizienz ausgewählt aus einem tatsächlichen Messergebnis für jede Spannungswandlungscharakteristik der Ladevorrichtung aufweist.
Der variable Widerstand VR1 hat eine Schaltungskonfiguration in 5A gemäß der Tabelle in 4. Das heißt, der variable Widerstand VR1 ist gebildet durch zwei Schalter (SW1 und SW2), weil so die drei Werte ausgegeben werden können. Bei dem variablen Widerstand VR1 werden die Widerstandswerte so ausgewählt, dass die Spannungen von 200 V, 300 V und 400 V ausgegeben werden können.
Speziell sind, wie in 5A und 5B veranschaulicht, der Schalter SW1 und der Widerstand R1 (29,4 Ω) in Reihe verbunden, der Schalter SW2 und der Widerstand R2 (15,4 Ω) in Reihe verbunden und der Schalter SW1/Widerstand R1 und der Schalter SW2/Widerstand R2 parallel verbunden. Die Schalter SW1 und SW2 und die Widerstände R1 und R2 werden passend mit dem festen Widerstand kombiniert, und ein Anschalten und Ausschalten von jedem der Schalter SW1 und SW2 werden ebenfalls kombiniert. Daher kann die Ausgabe von drei Werten so erreicht werden, dass die Ausgabe von 197,8 V, also etwa 200 V, in dem Fall erreicht wird, in dem die Schalter SW1 und SW2 ausgeschaltet sind, so dass die Ausgabe von 299,8 V, also etwa 300 V, in dem Fall erreicht wird, in dem der Schalter SW1 angeschaltet ist, während der Schalter SW2 ausgeschaltet ist, und so dass die Ausgabe von 392,6 V, also etwa 400 V, in dem Fall erreicht wird, in dem der Schalter SW1 ausgeschaltet ist, während der Schalter SW2 angeschaltet ist.
Es gibt keine besondere Begrenzung für die Ausgabewerte. Die Tabelle in 4 enthält die drei Werte der Zwischenspannungen. Allerdings enthält die Tabelle zumindest vier Werte, und die Steuerung kann so durchgeführt werden, dass die Spannung noch feiner ausgegeben wird. Beispielsweise kann, wie in 6A und 6B veranschaulicht, wenn die Schaltungskonfiguration fünf Schalter umfasst, die Ausgabe von 32 (2⁵) Wegen bzw. möglichen Werten durchgeführt werden. In dem Fall, in dem der variable Widerstand VR1 die Konfiguration aufweist, kann die Tabelle im Besitz des Speicherungsteils 44 die 32-stufige bzw. 32-Schritt-Zwischenspannung aufweisen.
Daher kann eine Ladeeinrichtung, in der die Spannung dadurch effizient gewandelt werden kann, dass die zuvor erfasste Zwischenspannung mit der maximalen gesamten Effizienz gemäß der Spannungswandlungscharakteristik ausgewählt wird, bereitgestellt werden.
Die Ladevorrichtung 1 kann ferner eine Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 umfassen, die eine Zielspannung an der Sekundärbatterie 3 erfasst. Die Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 erfasst den Zielwert für die Ausgabe der Ladevorrichtung 1 von einer BMU (BMU = engl. „Battery Management Unit”; Batterieverwaltungseinheit) 45. Die BMU 45 gibt den Zielwert, der dem Zustand (einer Ladungsmenge) der Sekundärbatterie 3 entspricht, aus. Weil der Zustand der Sekundärbatterie 3 sich sequenziell während der Ladeoperation bzw. des Ladevorgangs ändert, gibt die BMU 45 den optimalen Zielwert entsprechend der Änderung des Zustands der Sekundärbatterie 3 aus.
Die Steuereinrichtung 40 erfasst die Zielspannung von der Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 und steuert bzw. treibt den schaltenden Schaltkreis 31 an, um den Energiewandlungsteil 30 basierend auf der Ladespannung und der Zielspannung zu steuern. Daher kann die Ladespannung nahe der Zielspannung an der Sekundärbatterie 3 an die Sekundärbatterie 3 geliefert werden.
Ein Fluss bzw. Ablauf der Steuerung in der Ladevorrichtung 1 wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben werden. In dem Flussdiagramm bzw. Ablaufdiagramm ist jeder Schritt mit S abgekürzt. In S100 wird die Ladevorrichtung 1 mit der kommerziellen AC-Energieversorgung 2 verbunden, um das Laden zu starten.
In S102 erfasst die Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 den Ausgabespannungswert von der BMU 45, der der Zielwert der Ladespannung wird, die verwendet wird, um die Sekundärbatterie 3 zu laden. In S104 erfasst die Eingabespannungserfassungseinheit 41 die gleichgerichtete Spannung Vin, die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil 10 ausgegeben wird.
In S106 erfasst die Steuereinrichtung 40, basierend auf der in Schritt S102 erfassten Ziel-Ladespannung und der in S104 erfassten gleichgerichteten Spannung, die Zwischenspannung, die mit der Ziel-Ladespannung und der gleichgerichteten Spannung korreliert ist, aus der in dem Speicherungsteil 44 gespeicherten Tabelle und bestimmt den Zwischenspannungswert als die Zwischenspannung Vpfc_out, die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 ausgegeben wird.
In S108 passt der Leistungsfaktorkorrekturteil 20 den variablen Widerstand VR1 des Zwischenspannungsausgabeteils 24 so an, dass die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 ausgegebene Spannung die in S106 bestimmte Zwischenspannung Vpfc_out wird.
In Schritt 110 treibt die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 des Leistungsfaktorkorrekturteils 20 das Schaltelement Q des Leistungsfaktorkorrekturschaltkreises 21 an, um den Betrieb des Leistungsfaktorkorrekturteils 20 zu starten. In S112 wartet die Ladevorrichtung 1 eine vorbestimmte Zeit lang (etwa einige 100 Millisekunden), die notwendig ist, um die Ausgabespannung aus dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 zu stabilisieren.
In S114 liefert die Steuereinrichtung 40 das Signal des Taktgebers 404 an einen Set-Eingang des Latches 403, treibt den Schaltkreis 31 an und startet die Funktion des Energiewandlungsteils 30.
In S116 erfasst die Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 den Ausgabespannungswert von der BMU 45, der der Zielwert der Ladespannung wird, die zum Laden der Sekundärbatterie 3 verwendet wird. In S118 setzt, entsprechend dem Ladungszustand der Sekundärbatterie 3, die Steuereinrichtung 40 die optimale Ziel-Ladespannung zurück, die von der Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 erfasst wird und von dem Energiewandlungsteil 30 ausgegeben werden soll.
In S122 erfasst in dem Fall, in dem die Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 in S116 die Ziel-Ladespannung erfasst, basierend auf der in S116 erfassten Ziel-Ladespannung und der in S104 erfassten gleichgerichteten Spannung, die Steuereinrichtung 40 die Zwischenspannung, die mit der Ziel-Ladespannung und der gleichgerichteten Spannung korreliert ist, aus der in dem Speicherungsteil 44 gespeicherten Tabelle und setzt den Zwischenspannungswert auf die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 ausgegebene Zwischenspannung Vpfc_out zurück.
In dem Fall, in dem die Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit 43 nicht die Ziel-Ladespannung in S116 erfasst, erfasst die Ausgabespannungserfassungseinheit 42 die Ladespannung in S120, die von dem Energiewandlungsteil 30 ausgegeben wird, so dass sie zu dem Ziel-Ladespannungswert passt. In S122 erfasst, basierend auf der Ladespannung und der in S104 erfassten gleichgerichteten Spannung, die Steuereinheit 40 die Zwischenspannung, die mit der Ladespannung und der gleichgerichteten Spannung korreliert ist, aus der in dem Speicherungsteil 44 gespeicherten Tabelle und setzt den Zwischenspannungswert auf die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 ausgegebene Zwischenspannung Vpfc_out zurück.
In S124 passt der Leistungsfaktorkorrekturteil 20 den variablen Widerstand VR1 des Zwischenspannungsausgabeteils 24 so an, dass die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil 20 ausgegebene Spannung die in S122 zurückgesetzte Zwischenspannung Vpfc_out wird.
Die Ladevorrichtung 1 wiederholt die Schritte S116 bis S124, bis die Sekundärbatterie 3 völlig geladen ist (S126). Der Ladungszustand wird von der BMU 45 erfasst.
In dem Fall, in dem die Sekundärbatterie 3 völlig geladen ist, stoppt die Steuereinrichtung 40 das Antreiben des Schaltkreises 31, um die Funktion des Energiewandlungsteils 30 zu stoppen.
In S128 stoppt die Leistungsfaktorkorrektursteuereinrichtung 22 das Ansteuern bzw. Antreiben des Schaltelements Q des Leistungsfaktorkorrekturschaltkreises 21, um den Betrieb des Leistungsfaktorkorrekturteils 20 zu stoppen.
In S130 trennt die Ladevorrichtung 1 die Eingabe aus bzw. von der kommerziellen AC-Energieversorgung 2 ab.
Wie die Eingabespannungserfassungseinheit 41 die gleichgerichtete Spannung Vin erfasst, wird unter Bezugnahme auf 8A beschrieben werden. In S202 wird die Ladevorrichtung 1 mit der kommerziellen AC-Energieversorgung 2 verbunden. In S204 erlaubt der AC-Energieversorgungseingabeteil 10 der kommerziellen AC-Energieversorgung 2, die Energie zu liefern.
In S206 startet die kommerzielle AC-Energieversorgung 2 das Liefern der Energie an die Ladevorrichtung 1, basierend auf der in S204 erhaltenen Erlaubnis. In S208 setzt bzw. startet die Ladevorrichtung 1 einen Zeitzähler (t).
Die Eingabespannungserfassungseinheit 41 erfasst die gleichgerichtete Spannung, die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil 10 in S210 ausgegeben wird, und hält in S212 den maximalen Spannungswert fest. Die Eingabespannungserfassungseinheit 41 wiederholt die Schritte S210 und S212, bis der Zeitzähler (t) weniger als 10 ms beträgt.
Die Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 8B erfolgen. Die AC-Spannung bzw. Wechselspannung, die durch die Ladevorrichtung 1 von der kommerziellen AC-Energieversorgung 2 empfangen wird, ist die Wellenform bzw. der Schwingungsverlauf, der eine gepunktete Linie beinhaltet, während die gleichgerichtete Spannung, die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil 10, der die Diodenbrücke beinhaltet, der Schwingungsverlauf mit der durchgezogenen Linie wird. Der maximale Spannungswert ist ein Scheitelpunkt eines sinusförmigen Schwingungsverlaufs, und man erhält den sinusförmigen Schwingungsverlauf immer, wenn ein Abtasten in mindestens einem halben Intervall bzw. einer halben Periode des sinusförmigen Schwingungsverlaufs erfolgt. Da die kommerzielle AC-Energieversorgung 2 normalerweise einen Wechselstrom von 50 Hz oder 60 Hz liefert, kann der maximale Spannungswert immer erfasst werden, wenn der Zeitzähler auf 10 ms gesetzt wird. Entsprechend wird der Zeitzähler in dem Fall, in dem eine AC-Energieversorgung mit einer anderen Frequenz verwendet wird, passend angepasst.
In S216 bestimmt die Eingabespannungserfassungseinheit 41 die durchschnittliche bzw. mittlere gleichgerichtete Spannung basierend auf dem in S212 festgehaltenen maximalen Spannungswert. Normalerweise wird der durchschnittliche Spannungswert durch Teilen bzw. Dividieren des maximalen Spannungswerts durch die Quadratwurzel von 2 erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform begrenzt, sondern verschiedene Änderungen und Modifikationen können gemacht werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 06-105545 [0003]
JP 2008-099439 [0004]
JP 2009-213202 [0005]
JP 2010-041891 [0006]

Claims

Ladevorrichtung umfassend: einen AC-Energieversorgungseingabeteil, der eine Wechselspannung gleichrichtet; einen Leistungsfaktorkorrekturteil, der eine von dem AC-Energieversorgungseingabeteil ausgegebene gleichgerichtete Spannung in eine Zwischen-Gleichspannung wandelt; einen Energiewandlungsteil, der die von dem Leistungsfaktorkorrekturteil ausgegebene Zwischenspannung in eine Ladespannung wandelt und die Ladespannung an eine Sekundärbatterie liefert; eine Eingabespannungserfassungseinheit, die die von dem AC-Energieversorgungseingabeteil ausgegebene gleichgerichtete Spannung erfasst; eine Ausgabespannungserfassungseinheit, die die von dem Energiewandlungsteil ausgegebene Ladespannung erfasst; einen Speicherungsteil, in dem die gleichgerichtete Spannung, die Ladespannung und eine mit der gleichgerichteten Spannung und der Ladespannung korrelierte Ziel-Zwischenspannung gespeichert sind; und eine Steuereinrichtung, die die gleichgerichtete Spannung von der Eingabespannungserfassungseinheit erfasst, die Ladespannung von der Ausgabespannungserfassungseinheit erfasst, die Ziel-Zwischenspannung von dem Speicherungsteil basierend auf der erfassten gleichgerichteten Spannung und der Ladespannung erfasst und den Leistungsfaktorkorrekturteil so steuert, dass die ausgegebene Zwischenspannung die Ziel-Zwischenspannung wird.
Ladevorrichtung nach Anspruch 1, ferner eine Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit umfassend, die eine Zielspannung an der Sekundärbatterie erfasst, wobei die Steuereinrichtung die Zielspannung von der Ziel-Ausgabespannungserfassungseinheit erfasst und den Energiewandlungsteil basierend auf der Ladespannung und der Zielspannung steuert.