JP2010284004A - Quick charging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車等のバッテリーや大容量コンデンサを急速充電する急速充電装置に関する。 The present invention relates to a rapid charging apparatus that rapidly charges a battery such as an automobile or a large-capacity capacitor.
電気自動車等のバッテリーや大容量コンデンサを急速充電する急速充電装置としては、比較的長時間をかけて充電されるバッテリーと、このバッテリーから電気自動車等の動力源用バッテリーを急速充電するための急速充電部とを備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a quick charging device that rapidly charges a battery such as an electric vehicle or a large-capacity capacitor, a battery that is charged over a relatively long period of time and a rapid charging device that quickly charges a power source battery such as an electric vehicle from the battery. The thing provided with the charging part is known (for example, refer patent document 1).
図13は、この急速充電装置の構成の全体図である。図13において、1は車軸をモータで動かす電気自動車であり、2はそのモータに電力を供給する動力源用バッテリーである。3は、数10kVA程度の電力を給電する交流電源であり、4は交流電源3に接続され比較的長時間かけて充電される低速充電部である。5は、低速充電部4により常時充電されるバッテリーである。6は、バッテリーから電力を供給され、動力源用バッテリー2を充電する急速充電部である。この急速充電装置では、交流電源3から低速充電部4を介して、バッテリー5を小電流で緩やかに充電しておき、バッテリー5から急速充電部6を介して電気自動車1の動力源用バッテリー2を急速に充電する。
FIG. 13 is an overall view of the configuration of this rapid charging apparatus. In FIG. 13,
現在利用されている電気自動車のバッテリー急速充電装置を図14に示し、その構成、動作の概要を説明する。交流電源3から、ブレーカ10、電流検出器15,16、リアクトル17〜19を通って3相PWMコンバータ20により、ほぼ力率=1の昇圧コンバータを構成する。この昇圧コンバータの交流側電流を正弦波状でしかも高力率に制御しながらコンデンサ21を充電する。交流側フィルタ用コンデンサ12〜14は、PWM制御による高周波電流を供給するためのものである。
FIG. 14 shows a battery quick charging device for an electric vehicle currently used, and an outline of the configuration and operation will be described. A step-up converter with a power factor of approximately 1 is constituted by the three-
コンデンサ21の電圧はPWMインバータブリッジ22により高周波電圧(10kHz〜20kHz程度)に変換して、高周波トランス23の1次側へ供給する。高周波トランス23の2次側は、ダイオードブリッジ24で直流に変換し、リアクトル25とコンデンサ27によるフィルタ効果によりPWMに伴うリプルを低減し、電流検出器26で電流を検出して充電電流を制御する。接触器28は、負荷の無電流開閉装置である。
The voltage of the
現在の急速充電装置出力は、400V,100A程度で15分間充電を行っている。このため、交流電力は50kVA程度が必要となる。しかし、電気自動車においては従来のガソリンの給油時間との比較から、充電時間の15分は長すぎるという意見があり、5分程度の充電時間が要望されている。従来は、こんな短時間の充電はバッテリーの特性上の不可能であったが、最近酸化物系の電極材料を使用したリチウムイオン電池(商品名:SCiB(登録商標))が発表され5分間での充電が現実化して来ている。 The current quick charger output is charged at 400V, 100A for 15 minutes. For this reason, about 50 kVA is required for AC power. However, in an electric vehicle, there is an opinion that 15 minutes of charging time is too long from comparison with the conventional gasoline refueling time, and a charging time of about 5 minutes is desired. In the past, charging for such a short time was impossible due to the characteristics of the battery. Recently, a lithium ion battery (trade name: SCiB (registered trademark)) using an oxide-based electrode material was announced in 5 minutes. Charging has become a reality.
このような改良されたリチウムイオン電池を使用して、400V,300Aの充電を行えば、5分間での充電が可能となる。そこで、これを実現する急速充電装置を考えると、例えば、図15の様な回路が考えられる。すなわち、充電は400V,300Aで行い、その場合の120kWでの効率等を考えると、直接充電方式(図14)なら、交流電力は、150kVA程度必要となり、かなりの受電設備が必要となる。そのため、受電設備が高価となる。そこで、受電容量を15kVA程度で、出力120kWで5分間の充電を行うことのできる図15の回路が考えられる。 If such an improved lithium ion battery is used and charged at 400 V and 300 A, charging in 5 minutes becomes possible. Therefore, when considering a quick charging apparatus that realizes this, for example, a circuit as shown in FIG. 15 can be considered. That is, charging is performed at 400 V and 300 A, and considering the efficiency at 120 kW in that case, for the direct charging method (FIG. 14), AC power is required to be about 150 kVA, and considerable power receiving equipment is required. Therefore, the power receiving facility becomes expensive. In view of this, the circuit shown in FIG. 15 can be considered which can charge for 5 minutes at an output of 120 kW with a power receiving capacity of about 15 kVA.
この図15の回路は、図14の回路のPWMインバータブリッジに代えて、コンデンサ21の電圧からIGBT33,リアクトル32,ダイオード34,電流検出器31から成る降圧コンバータを設け、この降圧コンバータにより充電装置内のバッテリー5を緩やかに充電する。充電完了したバッテリー5の電圧を、高周波変換用のインバータ22を介して高周波トランス23のに印加して昇圧した後、ダイオードブリッジ24を介して車両側のバッテリー2の急速充電を行う。
The circuit of FIG. 15 is provided with a step-down converter comprising an
このような急速充電装置には、
(1) 交流入力容量が少ないこと
(2) 交流側が高力率であること
(3) 高効率な特性であること
という課題が要求される。
For such a quick charger,
(1) Low AC input capacity
(2) AC side has high power factor
(3) The problem of high efficiency is required.
しかしながら、特許文献1の発明では、急速充電装置の基本概念は示されているが、具体的な回路が提示されていない。また、交流電源と自動車バッテリー間に、絶縁が施されていないため、感電の危険があるという問題点があった。さらに、充電装置の効率を高めるために、交流電源側は高効率であることが必要であるが、その点については示唆されていない。
However, in the invention of
前記図14や図15の回路は、前記(1) 〜(3) の課題を解決するために提案されたものではあるが、図14の回路では、交流入力容量が大きいことから、ごく短時間の急速充電には不適当であった。一方、図15の回路は、交流入力容量を小さくできるものの、交流電源から充電部終端までの半導体通過回数が多く効率が低くなる問題があった。 The circuits shown in FIGS. 14 and 15 have been proposed in order to solve the problems (1) to (3). However, the circuit shown in FIG. It was unsuitable for rapid charging. On the other hand, although the circuit of FIG. 15 can reduce the AC input capacity, there is a problem in that the number of times of passing through the semiconductor from the AC power source to the charging unit terminal is large and the efficiency is lowered.
また、図14や図15の回路では、3相PWMコンバータを使用しているが、この3相PWMコンバータは、高速半導体スイッチング素子を多数必要とするため、スイッチングロスが大きい。例えば、3相のうちの1相分の電流が通過する素子数を、高速半導体スイッチング素子に換算した半導体通過回数は、PWMコンバータ20部分で2回、降圧コンバータのIGBT33で1回の合計3回となる。また、急速充電部では、高周波インバータ22で2回、高周波ダイオードブリッジ24で2回の合計4回となる。このように、図14や図15の回路は高速半導体スイッチング素子の通過回数が多いため、効率が悪い欠点があった。
14 and 15 use a three-phase PWM converter. However, since this three-phase PWM converter requires a large number of high-speed semiconductor switching elements, the switching loss is large. For example, the number of elements through which the current of one phase of three phases passes is converted into a high-speed semiconductor switching element, and the number of times of passing through the semiconductor is two times in the
前記の問題点を解決するため、図14や図15の回路に使用される3相PWMコンバータ20から成る昇圧コンバータに代えて、直流ダイオードブリッジを使用することも考えられる。確かに、直流ダイオードブリッジの場合には、IGBT33のような高速半導体スイッチング素子がないため、その部分でのスイッチングロスは少なくなり、効率は良くなる。その反面、直流ダイオードブリッジでは、3相PWMコンバータ20のようなほぼ力率=1の回路を構成することができず、交流側の力率低下という問題が生じる。
In order to solve the above problems, it is conceivable to use a DC diode bridge instead of the step-up converter including the three-
本発明は、上記の問題点を解決するためのものであり、その目的は、少ない交流入力容量でありながら、スイッチングロスによる効率低下及び直流ダイオードブリッジの使用に伴う力率低下を防止して、高効率・高力率な急速充電装置を提供することである。 The present invention is for solving the above-mentioned problems, and its purpose is to prevent a decrease in efficiency due to switching loss and a decrease in power factor associated with the use of a DC diode bridge while having a small AC input capacity. The aim is to provide a high-efficiency, high power factor rapid charging device.
前記の目的を達成するために、本発明の急速充電装置は、交流電源から変圧器を介して30゜位相差の3相電源を得る手段、前記2組の3相電源から3相ダイオードブリッジで整流した直流を得て、その2組の直流出力部に小容量のコンデンサを接続し、この直流部から昇圧チョッパ又は降圧チョッパを介して充電部のバッテリー又は大容量コンデンサを充電する手段、前記バッテリー又は大容量コンデンサから2相の昇圧チョッパ又は降圧チョッパにより負荷のバッテリー又は大容量コンデンサを充電する手段により、急速充電部のバッテリー又は大容量コンデンサを急速充電することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the rapid charging apparatus of the present invention is a means for obtaining a three-phase power source having a phase difference of 30 ° from an AC power source through a transformer, and a three-phase diode bridge from the two sets of three-phase power sources. Means for obtaining a rectified direct current, connecting a small-capacitance capacitor to the two sets of direct-current output sections, and charging a battery in the charging section or a large-capacity capacitor from the direct current section via a step-up chopper or a step-down chopper; Alternatively, the battery or the large-capacitance capacitor in the rapid charging unit is rapidly charged by means of charging the load battery or the large-capacity capacitor from the large-capacity capacitor by a two-phase step-up chopper or step-down chopper.
本発明によれば、3相ダイオードブリッジを使用することにより、高速半導体スイッチング素子の使用個数を低減して、装置全体としてのスイッチングロスを低減することができる。また、3相交流電源から変圧器を介して30゜位相差の2組の電源を得て、これを2組の昇圧チョッパ又は降圧チョッパを介して並列にバッテリー又は大容量コンデンサに接続することにより、バッテリー又は大容量コンデンサに流れる充電電流のリプルを低下することができる。更に、3相交流電源から変圧器を介して30゜位相差の2組の電源を得る場合に、前記3相ダイオードブリッジの出力電流をフラットな波形に制御することで、交流電源側、すなわち変圧器の1次側の電流波形を正弦波波形に近いものとすることができ、高高率な電流を得ることが可能となる。 According to the present invention, by using a three-phase diode bridge, the number of high-speed semiconductor switching elements used can be reduced, and the switching loss of the entire device can be reduced. Also, by obtaining two sets of power with a phase difference of 30 ° from a three-phase AC power source via a transformer and connecting them to a battery or a large-capacity capacitor in parallel via two sets of step-up choppers or step-down choppers. In addition, the ripple of the charging current flowing in the battery or the large-capacity capacitor can be reduced. Further, when two sets of power supplies having a phase difference of 30 ° are obtained from a three-phase AC power source via a transformer, the output current of the three-phase diode bridge is controlled to a flat waveform, so that the AC power source side, that is, the transformer The current waveform on the primary side of the device can be made close to a sine wave waveform, and a high-rate current can be obtained.
以下、本発明に係る急速充電装置の実施例を図面を参照して説明する。前記従来技術及び各実施例で同一又は類似の構成部分には、共通の符号を付し、重複する説明は省略する。 Embodiments of a quick charging apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Constituent parts that are the same or similar in the prior art and each embodiment are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.
[1−1.構成]
図1は、実施例1の低速充電部4の構成図である。この低速充電部4は、交流電源3から変圧器40を介して、30度の位相差がある2次側△巻線41と2次側Y巻線42の電源をそれぞれダイオードブリッジ43,53で整流した2組の直流部を有する。各直流部には、それぞれ小容量のコンデンサ44,54を前記ダイオードブリッジ43,53に対して並列に接続する。これらダイオードブリッジと小容量コンデンサに対して、電流検出器45,55を介して、昇圧チョッパを接続する。この昇圧チョッパは、それぞれリアクトル46,56、IGBT47,57、ダイオード48,58から構成する。各組の昇圧チョッパのダイオード48,58の出力側を充電バッテリ5に接続して充電部を構成する。コンデンサ49,59は、サージ抑制用のコンデンサで、ダイオード48,58の出力側とIGBT47,57のエミッタ側に接続する。
[1-1. Constitution]
FIG. 1 is a configuration diagram of the low-
図2(A)は、前記昇圧チョッパを構成するIGBT47の制御回路を示す。なお、IGBT57の制御回路は、同一構成のため、説明は省略する。この制御回路は、電流基準I*と電流検出器45の出力I1を入力するPID増幅器471と、このPID増幅器471の出力をPWM信号にするPWM回路472を有する。PWM回路472からのPWM信号によりIGBT駆動回路473を介してIGBT47をPWM制御し、昇圧チョッパからの出力電流I12を3相ブリッジ出力電圧と同じ波形となるように制御する。そのため、電流基準I*としては、図2(B)のような一定値の電流を供給する。
FIG. 2A shows a control circuit of the
図3は、前記図1に示す実施例1の変形例である。図2の低速充電部4は、図1の昇圧チョッパの部分を降圧チョッパに変更したものである。すなわち、図1の昇圧チョッパの部分が、IGBT47、ダイオード48、リアクトル46、電流検出器45からなる第1の降圧チョッパと、IGBT57、ダイオード58、リアクトル56、電流検出器55からなる第2の降圧チョッパから構成されている。
FIG. 3 shows a modification of the first embodiment shown in FIG. The low-
図4(A)は、図3の降圧チョッパを構成するIGBT47の制御回路を示す。なお、IGBT57の制御回路は、同一構成のため、説明は省略する。この制御回路は、電流基準I*と電流検出器45の出力I1を入力するPID増幅器474と、このPID増幅器474の出力をPWM信号にするPWM回路475を有する。PWM回路475からのPWM信号によりIGBT駆動回路476を介してIGBT47をPWM制御し、降圧チョッパからの入力電流I11を一定値に制御する。そのため、電流基準I*としては、図4(B)のような3相ブリッジ出力電圧波形と同形状の波形の電流を供給する。
FIG. 4A shows a control circuit of the
次に、急速充電部6の一例について、図5により説明する。図5のA端子は、図1又は図3のa端子と、B端子はb端子と接続する。この急速充電部6は、電流検出器60を介して、リアクトル61,IGBT62,ダイオード63からなる第1の昇圧チョッパと、電流検出器70を介してリアクトル71,IGBT72,ダイオード73から成る第2の昇圧チョッパの出力側を共通化する。これら昇圧チョッパの出力側には、フィルタ用コンデンサ64を接続して、負荷のバッテリー2を接続する。なお、フィルタ用コンデンサ64は、充電リプル許容値が大きい場合には、省略しても良い。
Next, an example of the
図6は、急速充電部6の変形例である。この急速充電部6において、前記図1又は図3の低速充電部に接続するための端子A,Bの接続方法は、図5と同様である。図6の急速充電部は、IGBT62,ダイオード63,リアクトル64,電流検出器65からなる第1の降圧チョッパと、IGBT72,ダイオード73,リアクトル74,電流検出器75からなる第2の降圧チョッパを有する。これら2組の降圧チョッパの出力側を並列に接続し、負荷のバッテリー2に接続する。端子A,B間に接続したコンデンサ66は、IGBT62,72のサージ吸収用である。
FIG. 6 is a modification of the
[1−2.作用]
このような構成を有する実施例1の動作を図1及び図2により説明する。図2(A)に示すように、電流基準I*と電流検出器45の出力IとをPID増幅器471で増幅し、PWM回路472でPWM信号にする。このPWM信号によりIGBT駆動回路473を介して、IGBT47をPWM制御し、電流I1を一定に制御する。実際の電流I1には、キャリア周波数のPWMリプルが含まれているが、このリプルをコンデンサ44で平滑化することで、ダイオードブリッジ43の出力電流I11は、図2(B)に示すように一定値となる。
[1-2. Action]
The operation of the first embodiment having such a configuration will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2A, the current reference I * and the output I of the
一方、昇圧チョッパの出力電流I12は、図2(B)に示すように、3相ブリッジ出力電圧と同じ波形となる。その理由は、昇圧チョッパ入力電圧は、3相ブリッジ出力電圧波形で、その出力電流フラットな波形のため、チョッパ入力電力は、3相ブリッジ出力電圧波形状となる。チョッパ出力の電圧は、バッテリー5の電圧で一定値のため入力電力=出力電力のため、出力電流I12は、3相ブリッジ電圧波形状となる。
On the other hand, the output current I 12 of boost chopper includes, as shown in FIG. 2 (B), the same waveform as the 3-phase bridge output voltage. The reason is that the step-up chopper input voltage has a three-phase bridge output voltage waveform and its output current is flat, so that the chopper input power has a three-phase bridge output voltage waveform. Voltage of chopper output for input power = output power for a constant value in the voltage of the
図1では、このようなチョッパ回路出力を2組並列にしているので、PMWのキャリアを180゜差にする。これにより、2相制御となり出力電流のリプルはきわめて少なくなる。このように、ダイオードブリッジ出力電流I11をフラットな波形に制御して、交流電源側を図1に示すように30゜の位相差を持たせた場合、交流電源側電流波形は、図7に示すように高調波の少ない電流波形となり高力率運転が可能となる。 In FIG. 1, since two sets of such chopper circuit outputs are arranged in parallel, the carrier of the PMW is set to a difference of 180 °. As a result, two-phase control is achieved and the output current ripple is extremely reduced. Thus, the diode bridge output current I 11 is controlled to a flat waveform, if the AC power supply side to have a 30 ° phase difference, as shown in FIG. 1, the AC power supply side current waveform, FIG. 7 As shown, the current waveform has less harmonics and high power factor operation is possible.
この点を図8によって、具体的に説明する。図8(A)において、3は交流電源、40は変圧器、41は2次側△巻線、42は2次側Y巻線、43,53はダイオードブリッジである。IACは変圧器40の1次側電流、Iacbは2次側△巻線41からの出力電流、Iacbは2次側Y巻線42からの出力電流、I11aはダイオードブリッジ43の出力電流、I11bはダイオードブリッジ53の出力電流である。この場合、変圧器40の1次側の電流IACは、2次側△巻線41からの出力電流Iacbによって定まるI411と、2次側Y巻線42からの出力電流Iacbによって定まるI421の合成波形となる。
This point will be specifically described with reference to FIG. 8A, 3 is an AC power source, 40 is a transformer, 41 is a secondary side Δ winding, 42 is a secondary side Y winding, and 43 and 53 are diode bridges. IAC is the primary current of the
従って、図8(B)に示すように、ダイオードブリッジ43,53の出力電流I11a,I11bを一定に制御すると、2次側△巻線41の1次側電流I411と、2次側Y巻線42の1次側電流I421は図8(C)のようになる。このため、変圧器1次側電流I411とI421の合成波形IACは、図8(C)に示すように正弦波波形に近づいて高力率な電流になる。 Therefore, as shown in FIG. 8B, when the output currents I 11a and I 11b of the diode bridges 43 and 53 are controlled to be constant, the primary current I 411 of the secondary Δ winding 41 and the secondary side The primary current I 421 of the Y winding 42 is as shown in FIG. Therefore, a composite waveform I AC transformer primary winding current I 411 and I 421 becomes the high power factor current approaching sinusoidal waveform as shown in FIG. 8 (C).
次に、図1及び図2に示した実施例1の変形例である図3及び図4の回路の動作を説明する。図4(A)に示すように、電流基準I*として、図4(B)に示すような3相全波整流波形の電流を供給し、これを電流検出器45の出力I1とを比較し、PID増幅器474で増幅する。このPID増幅器474からの出力をPWM回路475でPWM信号にして、IGBT駆動回路476を介してIGBT47を駆動する。電流基準I*と電流検出器出力電流I1はほぼ同形となる。但し、電流検出器出力電流I1には、PWMキャリアによるリプルが重乗している。このため、バッテリー5に流入する電力は、バッテリー電圧一定、流入電流I12は3相全波整流波形状となる。ダイオードブリッジ43の出力電流I11は、バッテリー入力電力を電圧で割った波形となるので、出力電流I11はフラットな一定電流となる。
Next, the operation of the circuits of FIGS. 3 and 4 which are modifications of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described. As shown in FIG. 4A, a current having a three-phase full-wave rectified waveform as shown in FIG. 4B is supplied as the current reference I * , and this is compared with the output I 1 of the
このような図3及び図4に示す降圧チョッパを使用した低速充電回路4においても、交流電源電流は図7に示すように、正弦波に近い波形となり高力率である。
Also in the low-
一方、図5の2組の昇圧チョッパを使用した急速充電部6では、電流検出器60,70の出力I1,I2を制御して、IGBT62,72をオン・オフ制御する。このIGBT62,72の駆動回路は、前記図2,4と同様なものを使用できる。このようにして昇圧チョッパを2相制御して昇圧チョッパの入力電流I1,I2をオン・オフすれば、各相の昇圧チョッパからの出力電流電流i1,i2は、図9のように位相がずれた断続電流となる。
On the other hand, in the
すなわち、図9において、時刻t1〜t2間にIGBT62をオンにすると、端子AB間のバッテリー5からリアクトル61→IGBT62の回路に短絡電流が流れ、電流I1は上昇する。時刻t2〜t3間でIGBT62をオフにすると、リアクトル61に蓄えられたエネルギーがダイオード63を通過してバッテリー2を充電する。この電流がi1である。一方、IGBT72は、t2〜t3間でオンし、t3〜t4間でオフする。IGBT62とIGBT72は、位相差180゜でスイッチングされる。このように各昇圧チョッパから出力される急速充電電流は、それぞれi1,i2となるので、これらの合成電流であるバッテリ充電電流はi1+i2となり、昇圧チョッパの入力電流に比較してそのリプル電流は少なくなる。更に、2組の昇圧チョッパの出力側に設けたコンデンサ64により、リプル電流をフィルタすることにより、負荷バッテリーの電流はより平滑化される。
That is, in FIG. 9, turning on
なお、この図9は、IGBT62,72のPWM制御回路によるPWMのデューティを50%とした場合の波形を示した。すなわち、図9のデューティ50%の時の波形はリプルが最も少ないが、PWM制御においてデューティ50%でない場合はリプルが増加する。この場合は、前記のようにコンデンサ64にフィルタ効果を持たせ、バッテリー2に流れるリプルは規定値以下になるようにする。
FIG. 9 shows a waveform when the PWM duty by the PWM control circuit of the
次に、図6の降圧チョッパを2組用いて、2相電流制御した場合の波形を図10に示す。この図10もPWMのデューティ50%の場合を示す。図6の回路では、電流検出器65,75で検出した降圧チョッパの出力電流I1,I2により、IGBT62,72を制御することにより、各降圧チョッパにおいて図10に示すような180°位相がずれた波形の電流を得る。2相の降圧チョッパの出力を合成することで、2つの降圧チョッパの出力電流i1のリプルと出力電流i2のリプルが打ち消し、負荷バッテリー2に流れる電流i1+i2のリプルは0なる。なお、この回路では、デューティが50%以外でも、リプルは非常に少なくなる。
Next, FIG. 10 shows waveforms when two-phase current control is performed using two sets of the step-down choppers of FIG. FIG. 10 also shows a case where the PWM duty is 50%. In the circuit of FIG. 6, by controlling the
[1−3.効果]
以上のような、実施例1と従来技術の効果を比較すると次の通りである。
[1-3. effect]
A comparison of the effects of the first embodiment and the prior art as described above is as follows.
(1)低速充電部の力率と効率
図15に示した従来の低速充電部と、実施例1の低速充電部である図1又は図3を比較する。従来技術では、力率≒1の正弦波コンバータを使用しているため、その力率は非常によい。実施例1は、図7の波形のため力率はやや低くなるが、その波形は正弦波に近いため極端に低下することはなく、正弦波コンバータに近い力率を得ることができる。
(1) Power Factor and Efficiency of Low-Speed Charging Unit The conventional low-speed charging unit shown in FIG. 15 is compared with FIG. 1 or FIG. In the prior art, since a sine wave converter with a power factor ≈ 1 is used, the power factor is very good. In the first embodiment, the power factor is slightly low due to the waveform of FIG. 7, but since the waveform is close to a sine wave, the power factor is not extremely reduced, and a power factor close to that of a sine wave converter can be obtained.
半導体通過回数を高速半導体スイッチング素子に換算して比較すると、従来技術は3回であるのに対して、本実施例は、ダイオードブリッジ43,53において低速ダイオードを2回通過する。この低速ダイオードは、高速ダイオードに対して電圧降下が1/1.5で、スイッチングによるロスが無いため損失が1/2とみなすことができる。そのため、ダイオードブリッジ43,53部分を高速素子に換算すると1回とみなすことができるため、低速充電部全体では高速半導体スイッチング素子2回となるので、実施例1が有利である。こられらを考慮すると効率は実施例1の方が高い。 When the number of times of passing through the semiconductor is converted into a high-speed semiconductor switching element and compared, the prior art is 3 times, whereas in this embodiment, the diode bridges 43 and 53 pass the low-speed diode twice. This low-speed diode has a voltage drop of 1 / 1.5 compared to the high-speed diode, and since there is no loss due to switching, the loss can be regarded as 1/2. Therefore, since the diode bridges 43 and 53 can be regarded as one time when converted to a high-speed element, the entire low-speed charging unit requires two high-speed semiconductor switching elements, and thus the first embodiment is advantageous. Considering these, the efficiency of Example 1 is higher.
(2)変圧器部
変圧器部の比較では、急速充電部6に変圧器を配置する従来技術では、400V,300Aで5分間の充電を行うには、150kVAで5分間の定格の変圧器が必要となる。変圧器の大きさは、1/√fにほぼ比例するので、例えばf=15kHzのインバータトランスを使用した場合f≒10〜15kHzであり、50Hzの商用交流電源を使用する実施例1より小型である。実施例1では、15kVA程度の変圧器となるが、周波数が50Hzとなるので大きさでは、実施例1がやや不利である。しかし、変圧器部の損失を考慮すると、150kVAの従来技術に比較して、小容量の15kVAの変圧器で済む実施例1の方が格段に優れている。
(2) Transformer part In the comparison of the transformer part, in the conventional technology in which a transformer is arranged in the
(3)急速充電部
急速充電部6の比較では、従来技術では高速半導体スイッチング素子の通過回数が4回となる。これに対して、実施例1では、図5又は図6に示すように、高速半導体スイッチング素子の通過回数は1回となるので、実施例1のほうが著しく有利であり、効率も実施例1が非常に良い。
(4)システム全体
システム全体で比較すると、実施例1が効率で有利である。また、急速充電部は、図5,図6,図9,図10のように2相電流制御することにより出力リプルを著しく減少させることができ、負荷バッテリーの寿命を長くすることができる。
(3) Rapid charging unit In comparison with the
(4) Whole system Compared with the whole system, Example 1 is advantageous in terms of efficiency. Further, the rapid charging unit can significantly reduce the output ripple by performing two-phase current control as shown in FIGS. 5, 6, 9, and 10, and can extend the life of the load battery.
図11は、本発明に係る実施例2の高速電部6の構成図である。この実施例2では、バッテリー5からの入力端子A,Bに2系統のチョッパ回路を並列に接続し、これらのチョッパ回路を介してバッテリー2を充電する。すなわち、第1のチョッパ回路には、IGBT62、ダイオード63、リアクトル64、電流検出器65からなる降圧チョッパと、IGBT621,ダイオード631とフィルタ用コンデンサ641,リアクトル64,電流検出器65からなる昇圧チョッパを設ける。第2のチョッパ回路にも、IGBT72,ダイオード73,リアクトル74,電流検出器75からなる降圧チョッパと、IGBT721,ダイオード731,コンデンサ642からなる昇圧チョッパを設ける。
FIG. 11 is a configuration diagram of the high-
このような実施例2では、図12に示すように、電流基準I*と電流検出器65からの検出電流に65を入力したPID増幅器100により電流制御を行う。すなわち、PID増幅器100の出力Vが50%以上になると第1のPWM回路101が動作する。第1のPWM回路101によりIGBT621をオンオフするようPMW制御し、出力Vが50%以下で第2のPWM回路102が動作し、IGBT62を駆動する。IGBT62がPWM制御している出力Vが低い場合は、IGBT621はオフのままであり、降圧チョッパとして動作する。この場合、端子AB間電圧より、バッテリー2の電圧が高くなると電流が流れなくなるので、第2のPWM回路102はIGBT62をオン状態にし、出力Vが増加し、第1のPWM回路101を動作させるように作用して、IGBT621がオンオフして昇圧チョッパとして動作する。
In the second embodiment, as shown in FIG. 12, current control is performed by the
このような構成の実施例2では、2組の昇降圧チョッパを2相制御して、充電電流のリプルを減少させることができる。また、昇降圧チョッパを使用しているので、負荷バッテリー2の電圧が大幅に変わるような場合、例えばバッテリーの代わりに電気二重層コンデンサ等に適している。
In the second embodiment having such a configuration, two sets of step-up / step-down choppers can be controlled in two phases to reduce charging current ripple. In addition, since the step-up / step-down chopper is used, when the voltage of the
1…電気自動車
2…動力源用バッテリー
3…交流電源
4…低速充電部
5…バッテリー
6…急速充電部
10…ブレーカー
12,13,14…コンデンサ
15,16…電流検出器
17,18,19…リアクトル
20…IGBTブリッジ
21…コンデンサ
22…IGBTブリッジ
23…高周波変圧器
24…ダイオードブリッジ
25…リアクトル
26…電流検出器
27…コンデンサ
28…接触器
31…電流検出器
32…リアクトル
33…IGBT
34…ダイオード
40…変圧器
41…2次側△巻線
42…2次側Y巻線
43,53…ダイオードブリッジ
44,54…コンデンサ
45,55…電流検出器
46,56、IGBT
47,57、…リアクトル
48,58…ダイオード
49,59…コンデンサ
471,474…PID増幅器
472,475…PWM回路
473,476…IGBT駆動回路
60,70…電流検出器
61,71…リアクトル
62,72…IGBT
63,73…ダイオード
64,66,641,642…コンデンサ
DESCRIPTION OF
34 ...
47, 57, ...
63, 73 ...
Claims (6)
前記低速充電部が、交流電源に接続した変圧器の2次側に30゜位相差で取り出された2組の交流電源と、この交流電源にそれぞれ接続された3相ダイオードブリッジを備えた2組の直流部と、この直流部の出力側に接続された2組の降圧チョッパ回路又は昇圧チョッパ回路を備え、
各組のチョッパ回路が前記装置内部のバッテリー又は大容量コンデンサの入力側に並列に接続されていることを特徴とする急速充電装置。 A fast charging unit comprising a low-speed charging unit for charging a battery or a large-capacitance capacitor inside the quick-charging device from an AC power source, and a quick-charging unit for rapidly charging a load battery or a large-capacity capacitor from the battery or the large-capacity capacitor with a large amount of power. In the device
Two sets of the low-speed charging unit including two sets of AC power supplies extracted at a phase difference of 30 ° on the secondary side of the transformer connected to the AC power supply, and three-phase diode bridges connected to the AC power supplies, respectively. And two sets of step-down chopper circuits or step-up chopper circuits connected to the output side of the DC unit,
A rapid charging device, wherein each set of chopper circuits is connected in parallel to an input side of a battery or a large-capacitance capacitor in the device.
2組のチョッパ回路から出力される3相全波波形状の充電電流のリプルの位相差を180°として充電電流のリプルを平滑化したことを特徴とする請求項1に記載の急速充電装置。 The two sets of chopper circuits are provided with a current detector for detecting a current flowing through the chopper circuit, and output from the chopper circuit by PWM control based on the current of the chopper circuit by the current detector and a flat current reference. To control the charging current waveform to the battery or large-capacitance capacitor inside the device to a three-phase full-wave shape,
2. The rapid charging apparatus according to claim 1, wherein the ripple of the charging current is smoothed by setting a phase difference between the ripples of the charging current in a three-phase full-wave waveform output from the two sets of chopper circuits to 180 °.
前記2相のチョッパ回路からの出力のリプルが位相差180°で前記負荷のバッテリーまたは大容量コンデンサを急速充電することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の急速充電装置。 The quick charging unit is configured to load a load through any one of a chopper circuit having a two-phase step-up chopper, a chopper circuit having a two-phase step-down chopper, or a two-phase chopper circuit combining a step-up chopper and a step-down chopper. Connected to a battery or a large capacitor,
The rapid ripple according to any one of claims 1 to 5, wherein a ripple of an output from the two-phase chopper circuit rapidly charges the battery or the large-capacity capacitor of the load with a phase difference of 180 °. Charging device.
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JP2012222999A (en) * | 2011-04-12 | 2012-11-12 | Hitachi Ltd | Power conversion device and power conversion device group system |
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JP2014158344A (en) * | 2013-02-15 | 2014-08-28 | Hitachi Automotive Systems Ltd | Charger |
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