JP2011234527A - 作業車に搭載した蓄電池充電器の充電回路構造及び充電回路制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】従来の充電回路の欠点である高調波電流を低減するために、商用電源からPFC回路により、高調波成分の少ない50/60Hz の交流電流を入力するように構成し、その制御は高周波数のスイッチ制御とする。スイッチ周波数が高いために、高調波電流防止のフィルタ回路は、小型軽量で製作でき、入力商用電圧が異電圧(100Vまたは200V)でも充電回路が正常運転できるように回路電圧を維持するようにしている。
【選択図】 図1
Description
1)車載の蓄電池の負電極は車体に接地されている。また充電に使う商用電源も給電設備側で接地極を接地されており、作業車に搭載した蓄電池を商用電源で充電するには、車体の接地極と商用電源の接地極を分離するためには絶縁トランスを用いる必要があり、商用周波数の50/60Hzで運転する絶縁トランスでは、形状が大きく重いなどの不都合がある。
これは商用電源から正弦波電流で電力の供給を受ける。また、商用電源の運転電圧は、100V、200Vのいずれでの電圧でも動作できるように回路構成し、同一装置で、異種電圧で運転できるようにした。また、PFC回路を2回路することで、単相電源や三相電源にも同一機種で対応可能にする。
E =K×Bg×S×F×N
E:トランスの巻線電圧( V:ボルト)
K:巻線定数
Bg :磁気回路の磁束密度( Wb/m2 )
S:磁気回路の断面積
F:トランスの運転周波数( Hz)
N:トランスのコイル巻数(ターン)で表現する。
F:共振周波数(Hz)
L:共振トランスの漏インダクタンス(H)
C:共振コンデンサ(F)で表す。
V1=K×φ×F×n1 の関係式とトランスの二次巻線を短絡したときの漏インダクタンス Lt を満足するn1を決定する。二次巻線数n2は、上記4)項の関係式を満足する値を決める。
マルチ電源(単相100V、200V、三相200V)入力や入力電圧が変動しても、直流電圧 VDCを安定化させる役割と入力電流を正弦波電流にして高調波電流の発生を抑制する役割がある。三相、単相電源に対応させるために、PFC回路が2回路構成とした。単相電源に対応させるには、PFC回路は一つの回路で対応できる。
図5、図6の回路例は、Hブリッジ型インバータで構成した。ハーフブリッジ型で構成することもある。図11に、ハーフブリッジ型の高周波インバータ回路を示す。スイッチに並列に転流コンデンサを設置した。インバータ出力容量は共振周波数を変動させて行った。スイッチロス低減のために転流コンデンサをスイッチ素子に並列に設置した。この転流コンデンサは無くても良い。容量制御は、高周波インバータの共振周波数を変動させル代わりに、回路の直流電圧を高めに設計して、PFC回路が発生する直流電圧 Vdcを変動させることでも出力電力を調整することもできる。しかし、この方法は出力電力調整範囲が狭い。
蓄電池回路と充電回路の絶縁のために絶縁型高周波トランスで回路を構成した。この絶縁型共振トランスは、下記2点の方法で構成することができる。一つの方法は、トランスの磁気回路のなかで、一次、二次巻線を、分離配置すると、一次と二次の巻線比を変えずに各々の巻数を変えることで、漏れインダクタンス Lt を有した共振型高周波トランスを作ることができる。他の方法は、トランスの磁気回路のなかで、一次、二次巻線を、重ね巻きして各巻線の結合係数が「1」に近い漏れインダクタンスの小さいトランスを作る。
一次巻線に直列にインダクタンスLtを有した別個のインダクタンスを接続することで、絶縁型共振トランスを構成することができる。この絶縁型共振トランスの一次側巻線に、直列に共振コンデンサC0を接続して直列共振回路を構成する。または、上記の絶縁型共振トランスの一次巻線に並列に、共振コンデンサC0を接続して並列共振回路を構成することもできる。
蓄電池の充電回路は、絶縁型高周波トランスの二次側回路に、整流回路を設けた簡単な回路構成である。整流回路は、ブリッジ整流回路や両波整流回路で構成する。一般的な蓄電池の整流回路は、蓄電池の内部インピーダンスが小さいために、トランスの出力電圧の僅かな変動で、急峻な電流が流れる特性がある。それは整流器や半導体をオーバサイズにする。防止策に絶縁トランスと蓄電池の間に直列にインダクタンスなどの減流回路を設けている。しかし、本発明の充電回路は、絶縁型共振トランスが有している漏れインダクタンスと共振コンデンサにより、充電電流は正弦波状の充電回路を供給することができる。
そのために、整流回路の損失は小さく、高調波ノイズの少ない充電回路が構成できる特徴がある。
B ブリッジインバータ回路
C 共振トランス回路
Lt 共振絶縁トランスのインダクタンス
C0 共振コンデンサ
Claims (2)
- PFC回路、高周波インバータ回路、一次二次巻線を絶縁した共振トランス、絶縁トランス、絶縁トランスの二次側出力の整流回路とで構成される作業車に搭載した蓄電池充電器の充電回路構造において、
PFC回路(A)の一次側と二次側を絶縁した絶縁トランスで、各巻線間の漏れインダクタンスを大きくするために巻線配置した漏れリアクタンス型トランス、
または通常の絶縁トランスの一次側に漏れインダクタスに相当したリヤクトルを直列に接続構成した共振絶縁トランスを有し、
共振絶縁トランス(C)の一次側に、直列、または並列に共振用コンデンサを有し、
前記、絶縁トランス、または共振絶縁トランスの回路を駆動させるフルブリッジ型、またはハーフブリッジ型のインバータ装置(B)を有し、
該インバータ装置に、共振絶縁トランスに流れる電流と印加電圧の位相差を検出する手段を有し、
絶縁トランスの一次側、または二次側の電流を検出する手段を有し、
絶縁トランスの二次側に、ブリッジダイオード回路、または両波整流回路で構成して、整流出力を蓄電池に接続した回路を有する
ことを特徴とする作業車に搭載した蓄電池充電器の充電回路構造。 - 蓄電池の充電に際し、
共振絶縁トランスの二次側の出力電圧を調整し、
蓄電池の端子電圧が設定電圧を超えない範囲では、充電電流を設定値に維持するように出力電圧を調整して充電電流制御し、また、蓄電池の端子電圧が設定上限値を超える場合は、充電電流制御をせずに、端子電圧が設定値に維持するように出力電圧制御し、
共振絶縁トランスの二次側の出力電圧は、共振周波数近辺で最大となるため、出力電圧の低減調整は、共振トランスに加える運転周波数をインバータ装置で可変調整し、
共振絶縁トランス回路の共振周波数は、共振絶縁トランスのインダクタンス(Lt)と共振コンデンサ(C0)の積で決まる固有値であるため、共振絶縁トランスの二次側の出力電圧の調整は、共振回路に加える周波数を可変することで行い、
共振絶縁トランスと共振コンデンサが直列接続した直列共振回路では、インバータ出力周波数を調整して、共振周波数で最大電圧を、発振周波数を高めることで出力電圧を低減させる方法で行い、
共振絶縁トランスと共振コンデンサが並列接続した並列共振回路では、インバータ出力周波数を調整して、共振周波数で最大電圧を、発振周波数を低めることで出力電圧を低減させる方法で行い、
共振回路の動作で印加電圧と電流との位相差は、零で一致した位相関係であるとし、
インバータの発振周波数は、発生周波数の電圧変化点、インバータの上アームから下アームにスイッチした時から、共振回路の電流検出器の出力が正電圧から負電圧に変化するまでの時間、即ち,電圧波形と電流波形の位相差を計測して調整し、その時間が一致していれば共振周波数の運転にし、インバータの運転は、電流位相が電圧位相より遅れた関係、または一致した位相関係で運転し、
そのため、直列共振回路では、共振周波数および、それより高い周波数で運転することで電圧調整を行い
並列共振回路では、共振周波数および、それより低い周波数で運転することで電圧調整を行う
ことを特徴とする作業車に搭載した蓄電池充電器の充電回路制御方法。
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