JP2011160649A5

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Publication number: JP2011160649A5
Application number: JP2010290558A
Authority: JP
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-10-04

Description

電気自動車用高電圧充電システム

本発明は、高電圧充電システムに関し、より詳しくは、電気自動車用高電圧充電システムに関する。

発明の詳細な説明

化石燃料（例：石油及び石炭）は、自動車又は発電所において、動力又は電力を生成するために広く利用されている。既知のように、化石燃料を燃焼させると、排ガス及び二酸化炭素が生成される。排ガスは、空気を汚染する場合がある。さらに、二酸化炭素は、高められた温室効果の主要因であると考えられている。世界の石油供給は、次の数十年で枯渇するであろうと見積もられている。石油の枯渇は、世界経済危機につながるかも知れない。

そのため、クリーンで再生可能なエネルギーに対する要望が増してきている。近年、電気自動車及びプラグインハイブリッド電気自動車が研究開発されてきた。電気自動車及びプラグインハイブリッド電気自動車は、発電機を用いて、電気を生成する。従来のガソリン車及びディーゼル車と比較して、電気自動車及びハイブリッド電気自動車は、低汚染、低ノイズ及びより良いエネルギー利用の点で利点がある。電気自動車及びハイブリッド電気自動車の利用は、二酸化炭素放出を低減させて、温室効果を減速させることができる。

既知のように、電気自動車又はプラグインハイブリッド電気自動車は、電気エネルギーを供給して車両に動力を供給するための安定なエネルギー源として、内蔵バッテリーを有する。バッテリーに貯蔵された電気エネルギーが使い果たされると、バッテリーは、通常、充電器によって充電される。一般に、現在の充電器は、絶縁アーキテクチャーを有し、絶縁DC-DCコンバーターの電気エネルギーパスにおいて、変圧器が必須の構成要素である。変圧器によって電気エネルギーを変換するプロセスの間に、磁気損失(鉄損)及びワイヤー損失(銅損)が生じる。つまり、絶縁DC-DCコンバーターの電力損失が非常に大きい。この状況では、バッテリーの充電時間が長い。さらに、変圧器の二次巻線から一次巻線を絶縁するために、絶縁テープ又は三層絶縁ワイヤーが必要であるので、変圧器の製造プロセスが複雑であり、高コストである。

従って、従来技術の欠点を除去する電気自動車用高電圧充電システムを提供することの必要性がある。

米国特許第6160374号明細書米国特許出願公開第2001/0011880号明細書米国特許出願公開第2005/0285570号明細書

電力損失を低減し、製造コストを低減し、充電時間を短縮し、動作効率を高めるために、電気自動車用高電圧充電システムを提供することが本発明の目的である。

本発明の一観点によれば、電気自動車用高電圧充電システムが提供される。この高電圧充電システムは、電気自動車の車体に設置され、車体内の高電圧バッテリーユニットを充電する。この高電圧充電システムは、整流回路、力率補正回路及び非絶縁DC-DC変換回路を含む。整流回路は、共通端子に接続されており、AC入力電圧を整流して整流電圧にする。力率補正回路は、整流回路及びバスに接続されており、力率を高め、かつバス電圧を生成する。非絶縁DC-DC変換回路は、力率補正回路及び高電圧バッテリーユニットに接続されており、高電圧バッテリーユニットを充電する。非絶縁DC-DC変換回路には、変圧器が含まれていない。

本発明の上記内容は、次の詳細な説明及び添付図面を検討した後に、当業者により容易に明らかになるであろう。

図1は、本発明の一実施形態による、高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す回路ブロック図である。

図2は、本発明の一実施形態による、高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。

図3は、本発明の一実施形態による、別の高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。

図4は、図2及び3の高電圧充電システムで処理された、対応する電圧信号及び電流信号を概略的に示すタイミング波形図である。

図5は、本発明のさらなる実施形態による、別の高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。

図6は、本発明のさらなる実施形態による、別の高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。

ここで、次の実施形態を参照して、より具体的に、本発明の説明を行う。この発明の好ましい実施形態の次の記述は、例示と説明の目的のためにのみ、ここで提示する。開示された形態によって本発明が網羅されることは意図されず、また、このような形態に本発明が限定されることも意図されない。

図1は、本発明の一実施形態による、高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す回路ブロック図である。この高電圧充電システムは、電気自動車車体1に設置される。この高電圧充電システムは、商用電源からのAC入力電圧V_inの電気エネルギーを受け取り、高電圧バッテリーユニット2を充電するために利用される。図1に示すように、この高電圧充電システムは、整流回路3、力率補正(PFC)回路4、非絶縁DC-DC変換回路5及びバスキャパシタC_busを備える。

この実施形態では、高電圧充電システムは、電磁干渉(EMI)フィルタリング回路6をさらに備える。EMIフィルタリング回路6は、整流回路3の入力側に接続されており、AC入力電圧V_in及びAC入力電流I_inに含まれているサージ及び高周波ノイズを除去する。さらに、EMIフィルタリング回路6を使用すると、非絶縁DC-DC変換回路5及びPFC回路4のスイッチング回路から生じる電磁干渉を低減することができ、電磁干渉がAC入力電圧V_in及びAC入力電流I_inに与える悪影響が最小限になる。EMIフィルタリング回路6によってサージ及び高周波ノイズを除去した後、AC入力電圧V_in及びAC入力電流I_inが整流回路3の入力側に送られる。AC入力電圧V_inは、整流回路3によって整流されて整流電圧V_rになる。

PFC回路4は、整流回路3とバスB₁の間に接続されて、力率を増大させ、バス電圧V_busを生成する。非絶縁DC-DC変換回路5は、PFC回路4と高電圧バッテリーユニット2の間に接続されて、バス電圧V_busを充電電圧V_Hbに変換する。高電圧バッテリーユニット2は、充電電圧V_Hbによって充電される。バスキャパシタC_busは、エネルギー貯蔵及び電圧安定化のために、バスB₁と共通端子COMの間に接続される。本発明の重要な特徴によれば、非絶縁DC-DC変換回路5の電気エネルギーパスに変圧器が含まれていない。非絶縁DC-DC変換回路5のスイッチング回路及び出力フィルター回路によって、高電圧バッテリーユニット2は、充電電圧V_Hbによって充電される。

この実施形態では、AC入力電圧V_inの大きさは、110〜380ボルト、バス電圧V_busの大きさは、350〜450ボルト、充電電圧V_Hbの大きさは、200〜380ボルトである。高電圧充電システム7の、整流回路3、PFC回路4、非絶縁DC-DC変換回路5、EMIフィルタリング回路6及びバスキャパシタC_bus及び高電圧バッテリーユニット2は、高電圧値で動作する。このように、高電圧充電システム7は、充電プロセスの間、充電損失が小さく、充電時間が短い。また、高電圧充電システム7は、運転プロセスの間、電力損失が小さく、効率が高い。一般に、高電圧充電システム7及び高電圧バッテリーユニット2の電圧値は、安全超低電圧(例：36V)よりも高い。AC入力電圧V_in、バス電圧V_bus又は充電電圧V_Hbが電気自動車車体1内で運転手又は乗客に危害を加えることを防ぐために、耐高電圧絶縁材料を用いて、高電圧充電システム7及び高電圧バッテリーユニットを、運転手又は乗客が触れることができる電気自動車車体1から分離又は絶縁している。別の実施形態では、高電圧充電システム7及び高電圧バッテリーユニット2は、少なくとも規定安全距離(例：3〜8mm、5mm、6mm、6.5mm、7mm、9mm又は12mm)によって、電気自動車車体1から分離されている。

一実施形態では、高電圧充電システム7及び高電圧バッテリーユニット2は、それぞれ、絶縁容器内に収容される。さらに、高電圧充電システム7は、絶縁被覆を有する耐高電圧ケーブルを介して、高電圧バッテリーユニット2及び商用電源と接続されている(図示せず)。このように、充電電圧V_Hb及び入力電圧V_inは、それぞれ、耐高電圧ケーブルを通じて、高電圧バッテリーユニット2及び高電圧充電システム7に伝達される。

いくつかの実施形態では、運転手又は乗客を保護するために、電気自動車車体1の表面が耐高電圧絶縁材料(例：絶縁ワニス)で被覆されているか、又は電気自動車車体1、高電圧充電システム7及び高電圧バッテリーユニット2の間の接触領域に絶縁スペーサーが配置されている。

非絶縁DC-DC変換回路5の例は、降圧型非絶縁DC-DC変換回路、昇降圧型非絶縁DC-DC変換回路又は昇圧型非絶縁DC-DC変換回路を含むがこれに限定されない。PFC回路4の例は、連続伝導モード(CCM)昇圧型PFC回路、直結変調バイアス(DCMB)昇圧型PFC回路、降圧型PFC回路又は昇降圧型PFC回路を含むがこれに限定されない。高電圧バッテリーユニット2は、１又は複数のバッテリー（例：鉛酸バッテリー、鉛酸ニッケルカドミウムバッテリー、ニッケル-鉄バッテリー、ニッケル-金属水素化物バッテリー、リチウムイオンバッテリー、又はその組み合わせ）を含む。

図2は、本発明の一実施形態による、高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。図2に示すように、PFC回路4は、第１インダクタL₁、第１ダイオードD₁(第１整流素子)、第１スイッチング回路41、第１電流検出回路42及び力率補正制御ユニット43を備える。第１インダクタL₁の第１端子は、整流回路3の正出力端子に接続されている。第１インダクタL₁の第２端子は、第１接続ノードK₁に接続されている。第１スイッチング回路41及び第１電流検出回路42は、第１接続ノードK₁と共通端子COMの間にシリアル接続されている。第１ダイオードD₁のアノードは、第１接続ノードK₁に接続されており、第１ダイオードD₁のカソードは、バスB₁に接続されている。力率補正制御ユニット43は、共通端子COM、整流回路3の正出力端子、バスB₁、第１スイッチング回路41の制御端子及び第１電流検出回路42に接続されている。力率補正制御ユニット43は、PFC回路4の動作制御に利用される。

第１スイッチング回路41が導通すると、第１インダクタL₁が充電状態になり、第１電流I₁の電流量が増加する。第１電流I₁は、第１スイッチング回路41を通じて、第１インダクタL₁から第１電流検出回路42へ伝達され、電流検出信号V_sが第１電流検出回路42によって生成される。一方、第１スイッチング回路41が遮断されると、第１インダクタL₁が放電状態になり、第１電流I₁の電流量が減少する。第１電流I₁は、第１ダイオードD₁を通じて、バスキャパシタC_busへ伝達される。

この実施形態では、力率補正制御ユニット43は、入力波形検出回路431、第１フィードバック回路432及び力率補正コントローラー433を備える。入力波形検出回路431は、整流回路3の正入力端子、力率補正コントローラー433及び共通端子COMに接続されている。入力波形検出回路431は、整流電圧V_rの電圧振幅を低減させ、整流電圧V_rに含まれる高周波ノイズを除去することによって、入力検出信号V_raを生成するために利用される。入力検出信号V_raの波形は、整流後のAC入力電圧V_inの波形と同一である。第１フィードバック回路432は、バスB₁、力率補正コントローラー433及び共通端子COMに接続されている。第１フィードバック回路432によってバス電圧V_busが電圧分割されて、第１フィードバック信号V_f1が生成される。

言い換えると、力率補正コントローラー433は、検出信号V_raによって入力電圧V_inの波形を獲得する。力率補正コントローラー433は、バス電圧V_busが定格電圧値(例：450V)に維持されているかどうかを第１フィードバック信号V_f1によって判別する。第１電流I₁の量の増加は、電流検出信号V_sによって検出される。検出信号V_ra、V_f1、及びV_sに従って、力率補正コントローラー433は、第１スイッチング回路41のデューティサイクルを制御する。結果として、バス電圧V_busは、定格電圧値に維持され、AC入力電流I_inの分配は、AC入力電圧V_inの波形に類似する。第１電流I₁の分配は、整流後のAC入力電圧V_inの波形に類似する。図4に示すように、第１電流I₁の包絡線E1は、入力電流I_inの波形の周縁を取り囲む点線を示す。AC入力電流I_inがEMIフィルタリング回路6によって処理された後、AC入力電流I_inの包絡線は、AC入力電圧V_inの波形に類似する。さらに、AC入力電流I_inの位相は、AC入力電圧V_inの位相に類似する。この状況下で、より良い力率補正機能が達成される。

この実施形態では、非絶縁DC-DC変換回路5は、単相非絶縁DC-DC変換回路である。非絶縁DC-DC変換回路5は、第２インダクタL₂、第２ダイオードD₂(第２整流素子)、第１出力キャパシタCo₁、第２スイッチング回路51a及びDC-DC制御ユニット52を含む。第２インダクタL₂、第２ダイオードD₂(第２整流素子)、第１出力キャパシタCo₁及び第２スイッチング回路51aは、第１位相電力回路を規定する。第２インダクタL₂は、第２接続ノードK₂と高電圧バッテリーユニット2の間に接続される。第２ダイオードD₂は、第２接続ノードK₂と共通端子COMの間に接続される。第１出力キャパシタCo₁は、高電圧バッテリーユニット2及び共通端子COMの間に接続される。第２スイッチング回路51aは、バスB₁及び第２接続ノードK₂の間に接続される。DC-DC制御ユニット52は、第２スイッチング回路51aの制御端子、共通端子COM及び高電圧バッテリーユニット2に接続されている。第２スイッチング回路51aのon/off状態は、充電電圧V_Hbに従って、DC-DC制御ユニット52によって制御される。

この実施形態では、DC-DC制御ユニット52は、第２フィードバック回路521及びDC-DCコントローラー522を備える。第２フィードバック回路521は、高電圧バッテリーユニット2、DC-DCコントローラー522及び共通端子COMに接続されている。第２フィードバック回路521によって充電電圧V_Hbが電圧分割されて、第２フィードバック信号V_f2が生成される。DC-DCコントローラー522は、第２スイッチング回路51aの制御端子、第２フィードバック回路521及び共通端子COMに接続されている。DC-DCコントローラー522は、充電電圧V_Hbが定格電圧値(例：380V)に維持されているかどうかを第２フィードバック信号V_f2に従って判断する。結果として、第２スイッチング回路51aのデューティサイクルが制御され、充電電圧V_Hbが定格電圧値に維持される。

非絶縁DC-DC変換回路5の電気エネルギーパスは、第２スイッチング回路51a及び第２インダクタL₂を通過する。言い換えると、非絶縁DC-DC変換回路5には、変圧器が含まれない。非絶縁DC-DC変換回路5では、第１出力フィルター回路は、第２インダクタL₂及び第１出力キャパシタCo₁によって規定される。第１出力フィルター回路及び第２スイッチング回路51aの動作により、高電圧バッテリーユニット2が充電電圧V_Hbによって充電される。つまり、非絶縁DC-DC変換回路5のスイッチング回路及び出力フィルター回路によって、高電圧バッテリーユニット2は、充電電圧V_Hbによって充電される。

図3は、本発明の一実施形態による、別の高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。図2とは対照的に、図3の非絶縁DC-DC変換回路5は、多相非絶縁DC-DC変換回路である。第１位相電力回路及びDC-DC制御ユニット52に加えて、図3の非絶縁DC-DC変換回路5は、第２位相電力回路をさらに備える。第２インダクタL₂、第２ダイオードD₂(第２整流素子)、第１出力キャパシタCo₁及び第２スイッチング回路51aは、集合的に第１位相電力回路を規定する。第３インダクタL₃、第３ダイオードD₃(第３整流素子)、第３出力キャパシタCo₂及び第３スイッチング回路51bは、集合的に第２位相電力回路を規定する。第２位相電力回路は、第１位相電力回路と並列接続されている。

第３インダクタL₃は、第３接続ノードK₃と高電圧バッテリーユニット2の間に接続される。第３ダイオードD₃は、第３接続ノードK₃と共通端子COMの間に接続される。第２出力キャパシタCo₂は、高電圧バッテリーユニット2と共通端子COMの間に接続される。第３スイッチング回路51bは、バスB₁と第３接続ノードK₃の間に接続される。DC-DC制御ユニット52は、第２スイッチング回路51aの制御端子、第３スイッチング回路51bの制御端子、共通端子COM及び高電圧バッテリーユニット2に接続されている。第２スイッチング回路51a及び第３スイッチング回路51bは、DC-DC制御ユニット52の制御下で、充電電圧V_Hbに従って、交互に導通される。結果として、第２スイッチング回路51a及び第３スイッチング回路51bのデューティサイクルが制御され、充電電圧V_Hbが定格電圧値に維持される。

この実施形態では、非絶縁DC-DC変換回路5が多相変換回路であるので、高電圧充電システム7は、より高い充電電力(例：1000又は2000ワット)を有する電気自動車に適用された場合、動作効率及び熱放散効率が高められる。

上記実施形態では、整流回路3は、ブリッジ整流回路である。整流回路3の正出力端子は、力率補正回路4の入力端子に接続されている。整流回路3の負出力端子は、共通端子COMに接続されている。第１電流検出回路42の例は、変流器又は検出抵抗器R_sを含むがこれに限定されない。第１スイッチング回路41、第２スイッチング回路51a及び第３スイッチング回路51bのそれぞれは、１又は複数のスイッチ素子を含む。スイッチ素子は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、バイポーラジャンクショントランジスタ(BJT)又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)である。この実施形態では、第１スイッチング回路41、第２スイッチング回路51a及び第３スイッチング回路51bのそれぞれは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を含む。力率補正コントローラー433及びDC-DCコントローラー522のそれぞれは、コントローラー、マイクロコントローラーユニット(MCU)又はデジタル・シグナル・プロセッサ(DSP)を含む。

図4は、図2及び3の高電圧充電システムで処理された、対応する電圧信号及び電流信号を概略的に示すタイミング波形図である。図4に示すように、第１スイッチング回路41が導通又は遮断されると、第１電流I₁が増減する。第１電流I₁の分配は、整流後のAC入力電圧V_inの波形に類似する。第１電流I₁の包絡線E1は、AC入力電圧V_inの波形に類似する。

AC入力電流I_inの波形は、AC入力電流I_inが整流されていないことと、AC入力電流I_inに含まれるサージ及び高周波ノイズがEMIフィルタリング回路6によって除去されたことを示す。この実施形態では、非絶縁DC-DC変換回路5及びPFC回路4のスイッチング回路から生じる電磁干渉が最小化される。AC入力電流I_inの分配は、AC入力電圧V_inの波形に類似する。AC入力電流I_inの包絡線は、AC入力電圧V_inの波形に類似する。AC入力電流I_inの位相は、AC入力電圧V_inの位相に類似する。位相差が非常に小さい(例：1〜15度)ので、より良い力率補正機能が達成される。

図5は、本発明のさらなる実施形態による、別の高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。図２とは対照的に、図5の高電圧充電システムは、補助電力回路8をさらに備える。補助電力回路8の電力入力端子は、バスB₁に接続されている。補助電力回路8の電力出力端子は、力率補正制御ユニット43及びDC-DC制御ユニット52に接続され、バス電圧V_busを補助電圧V_aに変換して、力率補正制御ユニット43及びDC-DC制御ユニット52を動作させるのに必要な電気エネルギーを提供する。この実施形態では、補助電力回路8の電力出力端子は、力率補正コントローラー433及びDC-DCコントローラー522に接続されている。いくつかの実施形態では、補助電力回路8は、入力波形検出回路431、第１フィードバック回路432及び第２フィードバック回路521に接続されており、入力波形検出回路431、第１フィードバック回路432及び第２フィードバック回路521に電気エネルギーを提供する(図示せず)。補助電力回路8がAC入力電圧V_inではなくバス電圧V_busを受け取るので、集積回路の全体の力率が補助電力回路8によって悪影響を受けることなく、安定な補助電圧V_aが得られる。

図6は、本発明のさらなる実施形態による、別の高電圧充電システムのアーキテクチャーを示す詳細な回路ブロック図である。この実施形態では、高電圧充電システムは、第２電流検出回路523をさらに備える。第２電流検出回路523は、非絶縁DC-DC変換回路5から出力された電流信号をサンプリングして、非絶縁DC-DC変換回路5の第２インダクタL₂から流れる電流を検出するか、又は第２スイッチング回路51a及び第２ダイオードD₂から流れる電流を検出するために用いられる。分かりやすくするために、非絶縁DC-DC変換回路5の第２インダクタL₂から流れる電流のみを示している。その他の電流は、同様のアプローチによって検出可能である。図５と対照的に、図6の非絶縁DC-DC変換回路5のDC-DC制御ユニット52は、第２電流検出回路523をさらに備える。第２電流検出回路523は、第２インダクタL₂及びDC-DCコントローラー522に接続されており、非絶縁DC-DC変換回路5から出力された電流信号をサンプリングする。この実施形態では、出力電流は、第２インダクタL₂から流れる電流で置き換えられる。高電圧バッテリーユニット2は、非絶縁DC-DC変換回路5によって定電圧で充電される。さらに、第２インダクタL₂から流れる電流は、第２電流検出回路523によって検出される。第２スイッチング回路51aのデューティサイクルは、DC-DC制御ユニット52によって決定可能である。この状況では、高電圧バッテリーユニット2は、非絶縁DC-DC変換回路5によって定電流で充電可能である。いくつかの実施形態では、第２スイッチング回路51aのデューティサイクルは、第２電流検出回路523によって検出される第２インダクタL₂の電流又は第２フィードバック回路521によって獲得される出力電圧に従って、DC-DC制御ユニット52によって決定される。この状況では、高電圧バッテリーユニット2は、非絶縁DC-DC変換回路5によって定電力で充電可能である。つまり、高電圧バッテリーユニット2は、一定の充電電流又は一定の充電電力で、充電可能である。高電圧バッテリーユニット2がオーバーヒートであり充電電流が高すぎる場合に、第２電流検出回路523は、充電電流が閾値を超えるかどうかを判別することができる。DC-DCコントローラー522の制御下で、第２スイッチング回路51aのデューティサイクルを減少させるか、又は第２スイッチング回路51aを無効(disable)にする。結果として、非絶縁DC-DC変換回路5がバーンアウトする可能性が最小限になる。

上記記載から、本発明による高電圧充電システムの非絶縁DC-DC変換回路の電気エネルギーパスには変圧器が含まれないので、電力損失と製造コストの両方が低減され、充電時間が短縮され、動作効率が高められる。さらに、高電圧充電システム及び高電圧バッテリーユニットの動作電圧が非常に高いので、充電損失が減少し、充電時間がさらに短縮される。力率補正回路及び電磁干渉フィルタリング回路により、力率が高められ、電磁干渉が低減される。

最も実用的で好ましい実施形態であると現在は考えているものについて本発明の説明を行ったが、本発明は、開示された実施形態に限定される必要がないことが理解されるべきである。逆に、本発明は、添付の請求項の精神と範囲内に含まれる種々の修正及び類似の構成を含むことが意図される。添付の請求項は、全てのこのような修正及び類似構造を包含するように最も広い解釈が与えられる。