JP2007236116A

JP2007236116A - インバータ充電装置

Info

Publication number: JP2007236116A
Application number: JP2006055078A
Authority: JP
Inventors: Yukitsugu Iwashita; 幸嗣岩下
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】容積を低減し、装置全体を小型化し、さらに充電が早く完了することができるインバータ充電装置を提供する。
【解決手段】メインバッテリ１とメインバッテリに直列接続されたメインリレー２，３と、メインリレーに直列接続されてメインバッテリ電圧を昇圧するために昇圧リアクトル９を有する昇圧コンバータ８と、昇圧コンバータの出力線間に接続されるインバータ１１と、メインリレーに並列接続され、昇圧リアクトルの途中に直列に接続されて、インバータのコンデンサ１２を充電するためにスイッチング制御される制御トランジスタ１３とで成る回路構成とする。昇圧リアクトル９のインピーダンスを利用し、制御トランジスタをスイッチングすることにより、コンデンサを一定電流で充電する。
【選択図】図１

Description

本発明はインバータ充電装置に関し、特に、従来必要であった充電抵抗を不要にしたインバータ充電装置に関する。

従来技術として、インバータの入力段にある電圧平滑用コンデンサ充電装置は、抵抗体と電磁開閉器を利用して、CR過渡応答回路を構成するものが知られている（特許文献１，２を参照されたい。）。この従来例を図2に示す。1はメインバッテリ、2はメインリレーA、3はメインリレーB、4はサブリレー、5は充電抵抗、6は制御ユニット、7は電流センサ、8は昇圧コンバータ、9は昇圧リアクトル、10は昇圧コンバータ平滑コンデンサ、11はインバータ、12はインバータ平滑コンデンサ、14はST信号である。

ST信号14が制御ユニット6に入力されると、制御ユニット6は、メインリレー3とサブリレー4の接点をオンするための電源供給を行う。メインリレー3とサブリレー4の接点がオンすると、メインバッテリ1からコンデンサ10及び14に電力が供給され、充電を行う。ある時間、電流を流しつづけることにより、各コンデンサに電荷が蓄えられ、一定の電圧に達した時点で、メインリレー2の接点をオンするための電源供給を行い、その後サブリレー4をオフするために電源供給を止めることで充電を完了する。
持開平10(1998)−164709号公報特開平08(1996)−107601号公報

上述した従来技術では、以下のような問題点があった。
問題点1
コンデンサヘ充電される静電エネルギー量を充電抵抗で消費させるにあたり、充電抵抗5の熱容量を確保し、且つ放熱設計をしなければならない構成となっていたため、充電抵抗のレイアウトスペースを大きく取らなければならず、コストアップの要因となる問題があった。
問題点2
充電回路への切り替え用にサブリレーを設定していたため、充電抵抗同様に、サブリレーのレイアウトスペースを大きく取らなければならない問題があった。
問題点3
充電回路の時定数が、コンデンサの静電容量と充電抵抗の抵抗値との積値により決まるため、時定数が大きい回路の場合は、充電時間が長くなる問題があった。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明によるインバータ充電装置は、
メインバッテリとこれに直列接続された２つのメインリレーと、これらメインリレーに直列接続されてメインバッテリ電圧を昇圧するために昇圧リアクトルを有する昇圧コンバータと、この昇圧コンバータの出力線間に接続されるインバータと、前記メインリレーに並列接続され、かつ、前記昇圧リアクトルの途中に設けた接続点に接続され、前記インバータを構成するコンデンサを充電するためにスイッチング制御される制御トランジスタとで成る回路構成を持ち、前記制御トランジスタをスイッチングすることによって、前記昇圧リアクトルを構成するインピーダンス成分の一部（接続点で分割された分割インピーダンス）を介して前記コンデンサを一定電流で充電することを特徴とする。
また、第２の発明によるインバータ充電装置は、
前記昇圧リアクトルが、第１の昇圧リアクトル、前記接続点、および、第２の昇圧リアクトルの直列接続で構成される、ことを特徴とする。

第１の発明によれば、従来必要であった充電抵抗5を廃止でき、容積を下げることができる。また、制御トランジスタを使うことにより、従来必要であったサブリレー4を廃止し、容積を低減し、装置全体を小型化することができる。また、リアクトルのインピーダンス成分全体ではなく、中途接続によってインピーダンス成分の一部（分割インピーダンス）を充電抵抗と同様の機能として利用し、さらに、リアクトルの残りのインピーダンス成分を経由しない充電ルートを設定することによって、充電が早く完了し、かつ、一定電流で充電することができる。即ち、充電抵抗を用いずに、リアクトルのインピーダンス成分の一部を充電抵抗として代用し、充電時には必要性が低い残りのリアクトルのインピーダンス成分を迂回したものである。また、従来の回路に対して、新規に部品や装置を追加する必要がないため、価格を下げることができる。

また、第２の発明によれば、第１の昇圧リアクトルと第２の昇圧リアクトルとを別個に設けた形式でも本発明を実現できるようになる。

以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態によるインバータ充電装置の構成を示すブロック図である。図に示すように、メインバッテリ1とメインバッテリに直列接続されたメインリレー2及び3と、メインリレーに直列接続されてメインバッテリ電圧を昇圧するために昇圧リアクトル9を有する昇圧コンバータ8と、昇圧コンバータの出力線間に接続されるインバータ11と、メインリレーに並列接続され、昇圧リアクトルの途中に直列に接続されて、インバータのコンデンサ12を充電するためにスイッチング制御される制御トランジスタ13とで成る回路構成とする。昇圧リアクトル9のインピーダンス16を利用し、制御トランジスタ13をスイッチングすることにより、コンデンサ12を一定電流で充電する。なお、図2と同じ符号のものは同様に動作する。

図に示すように、制御トランジスタ13は、昇圧コンバータ8の昇圧リアクトル9の途中に設けた接続点以降で直列接続され、接続点より手前では制御トランジスタ13と昇圧リアクトルは並列接続の構成になっている。ここで、充電時の電気等価回路を図３に示す。16と17は、接続点での中途接続によって、昇圧リアクトル9において分割されたインピーダンス成分である。

次に動作を説明する。ST（始動）信号14が制御ユニット6に入力されると、制御ユニット6は、メインリレー3の接点と制御トランジスタ13をオンするための電源供給を行う。さらに電流センサ7に流れる電流を検知しながら電流値が一定となるようPWM制御などを行う。電流は、昇圧リアクトル9のインピーダンス成分17を介してコンデンサ10に流れ込み、また昇圧リアクトル9のインピーダンス成分16と還流ダイオード15を介してコンデンサ12に流れ込む。

ある時間、電流を流しつづけることにより、各コンデンサに電荷が蓄えられ、一定の電圧に達した時点で、メインリレー2の接点をオンするための電源供給を行い、その後、制御トランジスタ13をオフするために電源供給を止めることで充電が完了する。

本発明では、従来の抵抗(R)成分の代わり、昇圧コンバータの昇圧リアクトルが持つインピーダンス成分を代用する。制御トランジスタ13を極めて短時間でオンした場合のリアクトルのインピーダンス成分と平滑コンデンサの過渡応答回路を構成し充電を行う。リアクトルの持つ周波数特性を利用して、トランジスタのオン−オフ周波数を一定にすれば、ある一定のインピーダンス(Ω)にすることが可能となる。

リアクトルへの接続点の位置（即ち、リアクトルを構成するインピーダンス成分の分割比である）は、昇圧コンバータの平滑コンデンサ10とインバータの平滑コンデンサ12との両コンデンサを充電する時定数が同等となるように、各コンデンサの静電容量の比率と同値で、リアクトルを分割する位置を設定する（分割比を設定）ことが好適である。時定数を同等にした場合、コンデンサ10,12の各コンデンサ電圧が共に同値で充電されるため、起動シーケンス上、制御し易いからである。図５は、リアクトルの接続点比（リアクトル分割比）の一例を示す回路図である。図５は、図１に示した回路において、昇圧コンバータの平滑コンデンサ10の静電容量をＣとしたとき、インバータの平滑コンデンサ12の静電容量を３倍の３Ｃとする。このような静電容量１：３に対しては、図に示すように、接続点比を３：１にすることが好適である。

コンデンサ10及び12に印加される電圧と時間の関係を図４に示す。従来例の場合の波形をA、本発明の場合の波形をBに示す。本発明による波形Ｂに示すように、本発明による充電機構では、一定電流で充電するため、電圧増加を直線的に変化させることができ、従来よりも充電が早く完了する。

＜充電時間の短縮＞
従来のＣＲ回路では、充電時のコンデンサ電圧は下式で表される。
ｖ（従来）＝Ｖ・（１―ｔ／Ｃ・Ｒ）
（ここで、Ｖ＝システム総電圧、Ｒ＝リアクトルのインピーダンス、Ｃ＝コンデンサ静電容量値、ｔ＝充電（通電）時間である。）
本発明のリアクトル回路では、充電時のコンデンサ電圧は下式で表される。
ｖ（本発明）＝ｔ・Ｉ／Ｃ
（ここで、Ｃ＝コンデンサ静電容量値、Ｉ＝充電定電流値，ｔ＝充電（通電）時間である。）
例えば、Ｖ＝400[V]、Ｃ＝0.005[F]、Ｒ＝10[Ω]、Ｉ＝40[A]、ｔ＝0.05[s]とした場合は、
ｖ（従来）＝252.8482[V]
ｖ（本発明）＝400[V]
となり、本発明によるリアクトル回路で40A定電流充電した場合50msで充電が完了するが、同じ時間では、従来のＣＲ回路の場合はその６割程度しか充電完了しない。

本発明で利用するリアクトルの耐熱性の問題について説明する。本発明によるインバータ充電装置で使用するリアクトルには様々なものがあるが、例えば、連続通電電流定格仕様が４０Ａ〜５０Ａ程度のものが現存する。また、電動車両用途を考えれば、加速時には数百Ａの電流を数秒間通電することもあるため、一般的に冷却（空冷、水冷）してあるため、リアクトルに対して特に放熱設計を施す必要はない。

本発明を適用した場合のリアクトルの消費エネルギーは以下のようになる。
消費エネルギー＝Ｖ・Ｉ・ｔ [J]
（ここで、Ｖ＝システム総電圧、Ｉ＝充電定電流値，ｔ＝充電（通電）時間、Ｍ＝リアクトル線の質量[g]、Ｃ＝リアクトル線（銅）の比熱[J/g・K]、Ｔ＝温度上昇[deg]である。）
例えば、Ｖ＝400[V]、I=40[A]、Ｍ＝20[g]、Ｃ＝0.4[J/g・K]としたとき
800[J]=Ｍ・Ｃ・Ｔ（瞬時に発熱するため、放熱のファクタを考慮せずにこの式が成立する）
Ｔ＝100[deg]となる。即ち、本発明においてリアクトル回路で40A定電流充電した場合、50msで充電が完了し、リアクトルを構成する銅線の温度上昇は100deg程度であり、耐熱性に何ら問題がないことがわかる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各回路、各部材などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段や部材（回路）などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

本発明のインバータ充電装置の実施形態を示す図である。従来例のインバータ充電装置の実施形態を示す図である。本発明の充電時における電気等価回路を示す図である。従来例と本発明におけるコンデンサ電圧と充電時間の関係を表す図である。リアクトルの接続点比（リアクトル分割比）の一例を示す回路図である。

符号の説明

1 メインバッテリ
2 メインリレーA
3 メインリレーB
4 サブリレー
5 充電抵抗
6 制御ユニット
7 電流センサ
8 昇圧コンバータ
9 昇圧リアクトル
10 昇圧コンバータ平滑コンデンサ
11 インバータ
12 インバータ平滑コンデンサ
13 制御トランジスタ
14 ST信号
15 還流ダイオード
16,17 昇圧リアクトルの分割インピーダンス

Claims

メインバッテリとこれに直列接続された２つのメインリレーと、これらメインリレーに直列接続されてメインバッテリ電圧を昇圧するために昇圧リアクトルを有する昇圧コンバータと、この昇圧コンバータの出力線間に接続されるインバータと、前記メインリレーに並列接続され、かつ、前記昇圧リアクトルの途中に設けた接続点に接続され、前記インバータを構成するコンデンサを充電するためにスイッチング制御される制御トランジスタとで成る回路構成を持ち、前記制御トランジスタをスイッチングすることによって、前記昇圧リアクトルを構成するインピーダンス成分の一部を介して前記コンデンサを一定電流で充電することを特徴とするインバータ充電装置。
請求項１に記載のインバータ充電装置において、
前記昇圧リアクトルが、第１の昇圧リアクトル、前記接続点、および、第２の昇圧リアクトルの直列接続で構成される、
ことを特徴とするインバータ充電装置。