JP2012085378A - Resonant charging apparatus and vehicle using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池を充電する共振形充電装置及びそれを搭載した車両に関する。 The present invention relates to a resonance type charging device for charging a secondary battery and a vehicle equipped with the same.
近年、地球環境保全への意識の高まりから、効率が高いハイブリッド車の普及が進められている。ハイブリッド車は、走行モータ駆動用の二次電池をもつ。この二次電池を商用の交流電源から充電すれば、ハイブリッド車の燃費を改善することができる。商用電源から二次電池に、より少ない電力で安全に充電するためには、変換効率が高く、且つ、絶縁型のDC−DCコンバータが必要になる。整流ダイオードの耐圧を低減することで変換効率の向上を狙った絶縁型のDC−DCコンバータとして、特許文献1が開示されている。 In recent years, high-efficiency hybrid vehicles have been popularized due to increasing awareness of global environmental conservation. The hybrid vehicle has a secondary battery for driving the traveling motor. If this secondary battery is charged from a commercial AC power source, the fuel efficiency of the hybrid vehicle can be improved. In order to safely charge a secondary battery from a commercial power source with less power, an conversion type DC-DC converter with high conversion efficiency is required. Patent Document 1 is disclosed as an insulated DC-DC converter that aims to improve conversion efficiency by reducing the withstand voltage of a rectifier diode.
一方、特許文献2には、力率改善コンバータの後段に共振型コンバータが接続される電源装置において、広い電流範囲で高効率動作させることを狙った電源装置が開示されている。
On the other hand,
一般的に絶縁型のDC−DCコンバータを高効率化するためには、トランス2次巻線の電圧電流を整流するダイオードの耐圧を低減することが効果的である。しかしながら、特許文献1に開示された従来のDC−DCコンバータでは、走行モータ駆動用の二次電池を充電するために高い出力電圧を得る場合には、ダイオードの耐圧を高くする必要があり高効率化の障害となっていた。また、特許文献2に開示された従来の電源装置は、広い負荷電流範囲において高効率化を図ったが、広い出力電圧範囲において高効率化を図ったものとなっていない。
Generally, in order to increase the efficiency of an insulated DC-DC converter, it is effective to reduce the withstand voltage of a diode that rectifies the voltage current of the transformer secondary winding. However, in the conventional DC-DC converter disclosed in Patent Document 1, in order to obtain a high output voltage for charging a secondary battery for driving a traveling motor, it is necessary to increase the withstand voltage of the diode, and to achieve high efficiency. It has become an obstacle to conversion. In addition, the conventional power supply device disclosed in
本発明の目的は、電圧が高く電圧範囲が広い走行モータ駆動用の二次電池を高い効率で交流電源から充電できる共振形充電装置及び車両を提供することである。 An object of the present invention is to provide a resonance type charging device and a vehicle that can charge a secondary battery for driving a traveling motor having a high voltage and a wide voltage range from an AC power source with high efficiency.
前記目的を達成するために本発明に係る共振形充電装置は、交流電源と、車両に搭載された二次電池との間に接続され、前記交流電源から前記二次電池へ電力を供給する共振形充電装置において、前記交流電源に接続され、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するAC−DCコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するDC−DCコンバータと、前記AC−DCコンバータと前記DC−DCコンバータとを制御する制御手段とを備え、前記DC−DCコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された1次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された2次巻線と、前記1次巻線と前記2次巻線とを磁気結合するトランスと、前記1次巻線及び/又は前記2次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a resonance type charging apparatus according to the present invention is connected between an AC power source and a secondary battery mounted on a vehicle, and resonates to supply power from the AC power source to the secondary battery. An AC-DC converter connected to the AC power source and outputting power from the AC power source and outputting a DC link voltage; and supplying power while insulating the link voltage from the link voltage to the secondary battery. A DC-DC converter; and a control means for controlling the AC-DC converter and the DC-DC converter. The DC-DC converter has a rectangular shape between the AC terminals with the link voltage connected between the DC terminals. Between the switching circuit that outputs the wave voltage and the DC terminal to which the secondary battery and the smoothing capacitor are connected in parallel, the current input from between the AC terminals is rectified and output. A current circuit, a primary winding connected between the AC terminals of the switching circuit, a secondary winding connected between the AC terminals of the rectifier circuit, the primary winding and the secondary winding, And a resonant capacitor and a resonant inductor connected in series with the primary winding and / or the secondary winding, and the control means has a frequency of the rectangular wave voltage. The switching element provided in the switching circuit is controlled so as to change the voltage.
また、本発明に係る車両は、交流電源に接続するコネクタと、動力用モータと、前記動力用モータに電力を供給する二次電池と、前記コネクタと前記二次電池との間に接続され、前記コネクタに接続された前記交流電源から前記二次電池へ電力を供給する共振形充電装置とを備え、前記共振形充電装置は、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するAC−DCコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するDC−DCコンバータと、前記AC−DCコンバータと前記DC−DCコンバータとを制御する制御手段とを備え、前記DC−DCコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された1次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された2次巻線と、前記1次巻線と前記2次巻線とを磁気結合するトランスと、前記1次巻線及び/又は前記2次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする。 Further, the vehicle according to the present invention is connected between a connector connected to an AC power source, a power motor, a secondary battery that supplies power to the power motor, and the connector and the secondary battery, A resonance-type charging device that supplies power from the AC power source connected to the connector to the secondary battery, and the resonance-type charging device inputs power from the AC power source and outputs a DC link voltage. An AC-DC converter, a DC-DC converter that supplies power while being insulated from the link voltage to the secondary battery, and a control unit that controls the AC-DC converter and the DC-DC converter, The DC-DC converter includes a switching circuit in which the link voltage is connected between direct current terminals and a rectangular wave voltage is output between alternating current terminals, the secondary battery, and a smoothing capacitor. A rectifier circuit that rectifies and outputs current input between AC terminals between DC terminals connected in a row, a primary winding connected between AC terminals of the switching circuit, and an AC terminal of the rectifier circuit A secondary winding connected in between, a transformer for magnetically coupling the primary winding and the secondary winding, and a resonant capacitor connected in series with the primary winding and / or the secondary winding And a resonant converter comprising a resonant inductor, wherein the control means controls a switching element provided in the switching circuit so as to change a frequency of the rectangular wave voltage.
本発明によれば、電圧が高く電圧範囲が広い二次電池を高い効率で交流電源から充電できる共振形充電装置及び車両を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the resonance type charging device and vehicle which can charge the secondary battery with a high voltage and a wide voltage range from AC power supply with high efficiency can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1による共振形充電装置1の回路構成図である。この共振形充電装置1は、交流電源5と、車両に搭載された二次電池6との間に接続され、交流電源5から二次電池6へ電力を供給する。交流電源5としては、商用電源を用いることができる。商用電源を用いることで安定した電力を供給することが可能で、燃費を改善することができる。しかし商用電源に限らず、例えば太陽光発電や風力発電等の発電装置や一般的な発電機などを用いてもよい。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a resonance type charging device 1 according to a first embodiment of the present invention. The resonance type charging device 1 is connected between an
この共振形充電装置1は、交流電源5の電力を入力し直流のリンク電圧を出力するAC−DCコンバータ2と、このリンク電圧から二次電池6へ絶縁しつつ電力を供給するDC−DCコンバータ3と、これらのコンバータを制御する制御手段4とを備えている。
The resonance type charging device 1 includes an AC-
AC−DCコンバータ2では、ブリッジ接続された整流ダイオードD11〜D14により交流電源5の電圧を全波整流している。本実施形態では整流ダイオードD11とD12、整流ダイオードD13とD14がそれぞれ直列に接続され、それぞれが並列に接続されることでブリッジ接続されており、直列接続された整流ダイオードD11とD12の間の接続点と直列接続された整流ダイオードD13とD14の間の接続点が交流端子となっており、直列接続された整流ダイオードD11とD12及び直列接続された整流ダイオードD13とD14の両端部の接続点が直流端子となっている。交流電源5はこの交流端子に接続されている。
In the AC-
この全波整流された電圧は、直流端子に接続された平滑インダクタL1と、昇圧スイッチング素子Q10と、昇圧ダイオードD10と、リンクコンデンサC1により構成された昇圧チョッパ回路に入力されている。リンクコンデンサC1の両端間をリンク電圧とする。制御手段4は、交流電源5からの入力電流を交流電源5の電圧と概ね相似な正弦波状に制御する力率改善制御と、二次電池6の電圧の上昇に伴いリンク電圧を上昇させるリンク電圧協調制御とを備えている。
This full-wave rectified voltage is input to a step-up chopper circuit constituted by a smoothing inductor L1 connected to a DC terminal, a step-up switching element Q10, a step-up diode D10, and a link capacitor C1. A link voltage is set between both ends of the link capacitor C1. The control means 4 includes power factor correction control for controlling the input current from the
DC−DCコンバータ3は、共振コンデンサCr1と共振インダクタLr1が直列接続された巻線N1と、巻線N2とを磁気結合するトランスT1を備えている。またスイッチング素子Q1〜Q4は、第1のスイッチング素子であるスイッチング素子Q1、第2のスイッチング素子であるスイッチング素子Q2を直列接続した第1のスイッチングレッグと、第3のスイッチング素子であるスイッチング素子Q3、第4のスイッチング素子であるスイッチング素子Q4を直列接続した第2のスイッチングレッグを並列に接続してフルブリッジ接続されている。そして、第1のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし、スイッチング素子Q1,Q2の直列接続点とスイッチング素子Q3,Q4の直列接続点との間を交流端子間としている。
The DC-
フルブリッジ接続されたスイッチング素子Q1〜Q4により、直流端子間から入力したリンク電圧から生成した矩形波電圧を、交流端子間の共振コンデンサCr1と共振インダクタLr1と巻線N1の直列接続体に印加して巻線N1に共振電流を流し、巻線N2に誘導された電流をブリッジ接続されたダイオードD21〜D24により整流して平滑コンデンサC2および二次電池6を充電する。ダイオードD21〜D24で構成される整流回路は、第1のダイオードであるダイオードD21、第2のダイオードであるダイオードD22を直列接続した第1のダイオードレッグと、第3のダイオードであるダイオードD23、第4のダイオードであるダイオードD24を直列接続した第2のダイオードレッグを並列に接続している。そして、第1のダイオードレッグの両端間を直流端子間として平滑コンデンサC2および二次電池6を接続している。また、ダイオードD21,D22の直列接続点とダイオードD23,D24の直列接続点との間を交流端子間として巻線N2を接続している。
The rectangular wave voltage generated from the link voltage input from the DC terminals is applied to the series connection body of the resonance capacitor Cr1, the resonance inductor Lr1, and the winding N1 between the AC terminals by the full-bridge connected switching elements Q1 to Q4. Then, a resonance current is passed through the winding N1, and the current induced in the winding N2 is rectified by the bridge-connected diodes D21 to D24 to charge the smoothing capacitor C2 and the
なお、本実施例では1次巻線N1に共振コンデンサCr1と共振インダクタLr1を設けているが、回路設計の条件や制限などを考慮して2次巻線N2に設けてもよく、また1次巻線N1と2次巻線N2の両者に設けてもよい。 In the present embodiment, the resonant capacitor Cr1 and the resonant inductor Lr1 are provided in the primary winding N1, but may be provided in the secondary winding N2 in consideration of circuit design conditions and restrictions. You may provide in both the coil | winding N1 and the secondary winding N2.
スイッチング素子Q1〜Q4には、それぞれ逆並列ダイオードD1〜D4が接続されている。ここで、スイッチング素子Q1〜Q4としてMOSFETを用いた場合は、逆並列ダイオードD1〜D4としてMOSFETの寄生ダイオードを利用することができる。このように逆並列ダイオードD1〜D4を有していることで、良好な共振形充電装置を形成することが可能となる。 Antiparallel diodes D1 to D4 are connected to switching elements Q1 to Q4, respectively. Here, when a MOSFET is used as the switching elements Q1 to Q4, a parasitic diode of the MOSFET can be used as the antiparallel diodes D1 to D4. Thus, by having antiparallel diodes D1-D4, it becomes possible to form a favorable resonance type charging device.
昇圧スイッチング素子Q10とスイッチング素子Q1〜Q4は、制御手段4によって制御される。制御手段4には、入力電圧を検出する電圧センサ21と、リンク電圧を検出する電圧センサ22と、二次電池の電圧すなわち出力電圧を検出する電圧センサ23と、交流電源5からの入力電流を検出する電流センサ24と、二次電池への出力電流を検出する電流センサ25が接続されている。
The step-up switching element Q10 and the switching elements Q1 to Q4 are controlled by the control means 4. The control means 4 includes a
図2を用いてAC−DCコンバータ2の回路動作を説明する。ここでは、交流電源5の電圧が1極性の場合につき説明する。交流電源5の電圧が逆極性の場合の動作は、容易に類推可能である。また、図2(a),(b)は、それぞれモードa,bにおける回路動作を示す。
The circuit operation of the AC-
(モードa)
モードaでは、昇圧スイッチング素子Q10がオン状態である。交流電源5の電圧が平滑インダクタL1に印加され、交流電源5のエネルギーが平滑インダクタL1に蓄積される。
(Mode a)
In mode a, step-up switching element Q10 is on. The voltage of the
(モードb)
昇圧スイッチング素子Q10をターンオフすると、モードbの状態となる。モードbでは、平滑インダクタL1に蓄積されたエネルギーが昇圧ダイオードD10を介してリンクコンデンサC1に放出される。
(Mode b)
When the boost switching element Q10 is turned off, the mode b is entered. In mode b, the energy stored in the smoothing inductor L1 is released to the link capacitor C1 via the boost diode D10.
以降、モードaとモードbとを繰り返す。 Thereafter, mode a and mode b are repeated.
次に、図3を用いてDC−DCコンバータ3の回路動作を説明する。ここで、図3(A)〜(D)は、それぞれモードA〜Dにおける回路動作を示す。
Next, the circuit operation of the DC-
(モードA)
モードAでは、スイッチング素子Q1,Q4がオン状態である。リンクコンデンサC1から共振コンデンサCr1と共振インダクタLr1による共振電流が巻線N1に流れている。巻線N2に誘導された電流は、ダイオードD21,D24を介して出力へ流れている。
(Mode A)
In mode A, switching elements Q1, Q4 are in the on state. A resonance current from the link capacitor C1 by the resonance capacitor Cr1 and the resonance inductor Lr1 flows through the winding N1. The current induced in the winding N2 flows to the output via the diodes D21 and D24.
(モードB)
共振コンデンサCr1に電荷が蓄積し、共振コンデンサCr1と共振インダクタLr1による共振電流が流れ終わると、モードBの状態となる。モードBでは、巻線N1にはトランスT1の励磁電流が流れている。巻線N2の電圧は、出力の平滑コンデンサC2の電圧より低く、巻線N2には電流が流れていない。なお、モードAにおいて、共振電流が流れ終わる前にスイッチング素子Q1,Q4をターンオフすると、モードBが省略される場合がある。
(Mode B)
When the electric charge is accumulated in the resonance capacitor Cr1 and the resonance current by the resonance capacitor Cr1 and the resonance inductor Lr1 finishes flowing, the mode B is entered. In mode B, the exciting current of the transformer T1 flows through the winding N1. The voltage of the winding N2 is lower than the voltage of the output smoothing capacitor C2, and no current flows through the winding N2. In mode A, if switching elements Q1 and Q4 are turned off before the resonance current ends, mode B may be omitted.
(モードC)
スイッチング素子Q1,Q4をターンオフすると、モードCの状態となる。モードCでは、スイッチング素子Q1,Q4を流れていた電流が、逆並列ダイオードD2,D3を流れ、リンクコンデンサC1へ流れる。このとき、スイッチング素子Q2,Q3をターンオンしておく。
(Mode C)
When switching elements Q1 and Q4 are turned off, the mode C is entered. In mode C, the current flowing through the switching elements Q1, Q4 flows through the antiparallel diodes D2, D3 and flows to the link capacitor C1. At this time, the switching elements Q2 and Q3 are turned on.
(モードD)
巻線N1の電流が反転すると、モードDの状態となる。このモードDは、モードAの対称動作である。以降、モードB,Cの対称動作の後にモードAへ戻る。
(Mode D)
When the current of the winding N1 is reversed, the mode D is entered. This mode D is a symmetrical operation of mode A. Thereafter, the mode A is returned to the mode A after the symmetrical operation of the modes B and C.
このように、この共振形充電装置1では、DC−DCコンバータ3を共振形コンバータとしており、ダイオードD21〜D24に印加される電圧は、出力の平滑コンデンサC2の電圧でクランプされる。したがって、二次電池6の電圧が高い場合においても、ダイオードD21〜D24として比較的耐圧が低く順方向降下電圧が低いダイオードを利用することができるため、損失を低減でき、高効率化に有利である。
Thus, in this resonance type charging device 1, the DC-
DC−DCコンバータ3の出力端である平滑コンデンサC2と二次電池6との間には、リップル電流を低減するためインダクタとコンデンサから成るLCフィルタを挿入することもある。しかしながら、DC−DCコンバータ3の後段には、チョッパ回路等の電流制御機能を備えたコンバータを挿入せずに二次電池6へ接続する。したがって、制御手段4は、充電状態により電圧が変化する二次電池を充電するために、DC−DCコンバータ3の出力を定電圧定電流制御する機能を備えている。DC−DCコンバータ3は共振形コンバータであるため、スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周波数を制御して出力を制御する。
An LC filter composed of an inductor and a capacitor may be inserted between the smoothing capacitor C2 that is the output terminal of the DC-
商用電源から車両の二次電池を充電する場合、一般的には、商用電源が供給できる電流や電力には制限がある。制御手段4は、短い時間で二次電池6を充電できるよう、二次電池6の電圧が充電終了する電圧より低い場合には、交流電源5から入力する電流や電力を設定された値に制御する機能を備えている。この場合、DC−DCコンバータ3の出力電力は、概ね一定に維持される。
When charging a secondary battery of a vehicle from a commercial power source, there is generally a limit to the current and power that can be supplied by the commercial power source. The control means 4 controls the current and power input from the
図4は、リンク電圧が一定の場合における、スイッチング周波数fswと、出力電力Poutと、出力電圧Voutと、出力電流Ioutの関係を表している。リンク電圧と出力電力が一定に維持される場合、出力電圧が低く出力電流が大きいときはスイッチング周波数が高くなり、逆に出力電圧が高く出力電流が小さいときはスイッチング周波数が低くなる。共振形コンバータは、スイッチング周波数が高すぎても低すぎても効率が低下することが多く、効率が高い中間的なスイッチング周波数で動作させることが望ましい。 FIG. 4 shows the relationship between the switching frequency fsw, the output power Pout, the output voltage Vout, and the output current Iout when the link voltage is constant. When the link voltage and the output power are kept constant, the switching frequency is high when the output voltage is low and the output current is large, and conversely, when the output voltage is high and the output current is small, the switching frequency is low. Resonant converters often have low efficiency when the switching frequency is too high or too low, and it is desirable to operate at an intermediate switching frequency with high efficiency.
図5〜図7は、二次電池6を充電中の出力電圧Vout,リンク電圧Vlink,出力電力Pout,出力電流Iout,スイッチング周波数fsw,効率ηの時間Timeによる変化を表している。
5 to 7 show changes in the output voltage Vout, the link voltage Vlink, the output power Pout, the output current Iout, the switching frequency fsw, and the efficiency η during charging of the
図5では、リンク電圧Vlinkを比較的低い値に維持している。時間の経過とともに出力電圧Voutが上昇していき、スイッチング周波数fswが低くなりすぎることから効率ηが低下している。 In FIG. 5, the link voltage Vlink is maintained at a relatively low value. The output voltage Vout increases with time, and the switching frequency fsw becomes too low, so the efficiency η is decreased.
図6では、リンク電圧Vlinkを比較的高い値に維持している。充電開始に近い期間において出力電圧Voutが低く、スイッチング周波数fswが高くなりすぎることから効率ηが低くなっている。 In FIG. 6, the link voltage Vlink is maintained at a relatively high value. Since the output voltage Vout is low and the switching frequency fsw is too high in the period close to the start of charging, the efficiency η is low.
共振形充電装置1では、二次電池6の電圧によりリンク電圧を制御するリンク電圧協調制御を備えている。図7では、効率が高くなるようにスイッチング周波数fswを保つため、出力電圧Voutの上昇とともにリンク電圧Vlinkを上昇させている。
The resonant charging device 1 includes link voltage cooperative control for controlling the link voltage by the voltage of the
図8は、出力電圧Voutからリンク電圧Vlinkを決める方法を表している。出力電圧Voutの各条件において、効率ηが高くなるようにリンク電圧Vlinkを決めればよい。 FIG. 8 shows a method for determining the link voltage Vlink from the output voltage Vout. What is necessary is just to determine link voltage Vlink so that efficiency (eta) may become high in each condition of output voltage Vout.
しかしながら、AC−DCコンバータ2の回路構成は前述の通り昇圧チョッパとなっていることから、リンク電圧を交流電源5の電圧の振幅より小さくすることはできない。したがって、リンク電圧協調制御におけるリンク電圧の可変範囲は、概ね交流電源5の電圧の振幅が下限となる。また、リンクコンデンサC1など回路部品の耐圧や寿命の点から、リンク電圧の可変範囲に上限を設ける場合もある。図9に、出力電圧Voutとリンク電圧Vlinkの関係を図示する。ただし、VlinkCは効率が高くなるリンク電圧、VlinkHはリンク電圧の上限、VlinkLはリンク電圧の下限を表している。
However, since the circuit configuration of the AC-
もちろん、交流電源5の電圧と二次電池6の電圧がともに低い場合にリンク電圧を低下させる等の手法により、簡易的にリンク電圧協調制御を実施しても効率向上の効果を得ることはできる。
Of course, the efficiency improvement effect can be obtained even if the link voltage cooperative control is simply performed by a method such as reducing the link voltage when the voltage of the
以上、説明したように、共振形充電装置1では、DC−DCコンバータ3の回路方式として共振形コンバータを採用し、これを定電圧定電流制御することにより二次電池6を高い効率で充電することができる。更に、共振形コンバータのもつ高い効率を最大限に引き出すためにリンク電圧協調制御を備えたのである。
As described above, the resonance type charging device 1 employs a resonance type converter as a circuit system of the DC-
図10は、本発明の実施例2による共振形充電装置11の回路構成図である。この共振形充電装置11は、実施例1の共振形充電装置1と同様に、交流電源5から二次電池6へ電力を供給する。
FIG. 10 is a circuit configuration diagram of the
この共振形充電装置11は、交流電源5の電力を入力し直流のリンク電圧を出力するAC−DCコンバータ12と、このリンク電圧から二次電池6へ絶縁しつつ電力を供給するDC−DCコンバータ13と、これらのコンバータを制御する制御手段14とを備えている。
The resonance
AC−DCコンバータ12では、実施例1のAC−DCコンバータ2において構成されていた昇圧チョッパ回路が、平滑インダクタL2と、降圧スイッチング素子Q5と、降圧ダイオードD5と、昇圧スイッチング素子Q6と、昇圧ダイオードD6と、リンクコンデンサC1により構成されたHブリッジ回路となっている点が異なる。また、フィルタインダクタL3とフィルタコンデンサC3により構成されたLCフィルタを備えている。
In the AC-
そして、ブリッジ接続された整流ダイオードD11〜D14直流端子間にフィルタインダクタL3とフィルタコンデンサC3とを接続している。またフィルタコンデンサC3の両端間に降圧スイッチング素子Q5および降圧ダイオードD5を直列接続し、降圧ダイオードD5の両端間に平滑インダクタL2および昇圧スイッチング素子Q6を直列接続している。さらに、昇圧スイッチング素子Q6の両端間には昇圧ダイオードD6およびリンクコンデンサC1が直列接続されている。 A filter inductor L3 and a filter capacitor C3 are connected between the DC terminals of the rectifier diodes D11 to D14 that are bridge-connected. A step-down switching element Q5 and a step-down diode D5 are connected in series between both ends of the filter capacitor C3, and a smoothing inductor L2 and a step-up switching element Q6 are connected in series between both ends of the step-down diode D5. Further, a boost diode D6 and a link capacitor C1 are connected in series between both ends of the boost switching element Q6.
DC−DCコンバータ13は、実施例1のDC−DCコンバータ3と比べ、共振コンデンサCr1を共振コンデンサCr11,Cr12とし、フルブリッジ接続された逆並列ダイオードD1〜D4を備えるスイッチング素子Q1〜Q4のうち、スイッチング素子Q3,Q4と逆並列ダイオードD3,D4を、共振コンデンサCr11,Cr12に置き換えたハーフブリッジ回路とした点と、ブリッジ接続されたダイオードD21〜D24のうち、ダイオードD23,D24を、それぞれ平滑コンデンサC21,C22に置き換えた点が異なっている。
Compared with the DC-
つまり、DC−DCコンバータ13におけるスイッチング回路は、第1のスイッチング素子であるスイッチング素子Q1、第2のスイッチング素子であるスイッチング素子Q2を直列接続した第1のスイッチングレッグと、第1の共振コンデンサである共振コンデンサCr11、第2の共振コンデンサである共振コンデンサCr12を直列接続した共振コンデンサレッグとを並列接続している。このスイッチング回路においては、第1のスイッチングレッグの両端間が直流端子間であり、スイッチング素子Q1,Q2の直列接続点と共振コンデンサCr11,Cr12の直列接続点との間が交流端子間である。
That is, the switching circuit in the DC-
また、DC−DCコンバータ13における整流回路は、第1のダイオードであるダイオードD21、第2のダイオードであるダイオードD22を直列接続した第1のダイオードレッグと、第1の分圧コンデンサである平滑コンデンサC21、第2の分圧コンデンサである平滑コンデンサC22を直列接続した分圧コンデンサレッグとを、並列接続している。この整流回路においては、第1のダイオードレッグの両端間が直流端子間であり、ダイオードD21,D22の直列接続点と平滑コンデンサC21,C22の直列接続点との間が交流端子間である。
Further, the rectifier circuit in the DC-
降圧スイッチング素子Q5と昇圧スイッチング素子Q6とスイッチング素子Q1,Q2は、制御手段14によって制御される。制御手段14には、実施例1の共振形充電装置1と同様に、電圧センサ21〜23と、電流センサ24,25が接続されている。制御手段14が、力率改善制御やリンク電圧協調制御,定電圧定電流制御等を備えていることは、実施例1の制御手段4と同様である。
The step-down switching element Q5, the step-up switching element Q6, and the switching elements Q1, Q2 are controlled by the control means 14. Similarly to the resonance type charging device 1 of the first embodiment,
共振形充電装置11では、AC−DCコンバータ12に前述の通りHブリッジ回路を採用しており、降圧スイッチング素子Q5をスイッチングすることにより、リンク電圧を交流電源5の電圧の振幅より小さくすることができる。したがって、実施例1の共振形充電装置1よりもリンク電圧の可変範囲を広くすることができ、更に高い効率で二次電池6を充電することができる。また、DC−DCコンバータ13にハーフブリッジ回路を採用しており、スイッチング素子とダイオードの部品点数を削減することができる。
The
図11は、本発明による共振形充電装置1を採用した電気自動車110の電源システムの概要構成図である。共振形充電装置1は、交流電源109に接続するプラグイン充電コネクタ108と、動力用モータ104を駆動するインバータ103へ電力供給するDC−DCコンバータ102が接続された二次電池105に接続されている。また、二次電池105には、電装機器101が接続された補機バッテリ106へ電力供給するDC−DCコンバータ100と、急速充電器などの外部直流電源を接続して二次電池105を充電する急速充電コネクタ107が接続されている。
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a power supply system of an
共振形充電装置1は、プラグイン充電コネクタ108に接続された交流電源109の電力を用いて二次電池105を充電する。
The resonant charging device 1 charges the secondary battery 105 using the power of the
この実施例3によれば、本発明による共振形充電装置1を用いることで、車両に搭載された動力用の二次電池を、商用電源から高効率に充電することができる。もちろん、本発明による共振形充電装置1は、ハイブリッド自動車に適用することもできる。 According to the third embodiment, by using the resonance type charging device 1 according to the present invention, the power secondary battery mounted on the vehicle can be charged with high efficiency from the commercial power source. Of course, the resonant charging device 1 according to the present invention can also be applied to a hybrid vehicle.
1,11 共振形充電装置
2,12 AC−DCコンバータ
3,13,100,102 DC−DCコンバータ
4,14 制御手段
5,109 交流電源
6,105 二次電池
21〜23 電圧センサ
24,25 電流センサ
101 電装機器
103 インバータ
104 動力用モータ
106 補機バッテリ
107 急速充電コネクタ
108 プラグイン充電コネクタ
110 電気自動車
L1,L2 平滑インダクタ
L3 フィルタインダクタ
Lr1 共振インダクタ
C1 リンクコンデンサ
C2,C21,C22 平滑コンデンサ
C3 フィルタコンデンサ
Cr1,Cr11,Cr12 共振コンデンサ
T1 トランス
N1,N2 巻線
Q1〜Q4 スイッチング素子
Q5 降圧スイッチング素子
Q6,Q10 昇圧スイッチング素子
D1〜D4 逆並列ダイオード
D5 降圧ダイオード
D6,D10 昇圧ダイオード
D11〜D14 整流ダイオード
D21〜D24 ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記交流電源に接続され、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するAC−DCコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するDC−DCコンバータと、前記AC−DCコンバータと前記DC−DCコンバータとを制御する制御手段とを備え、
前記DC−DCコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された1次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された2次巻線と、前記1次巻線と前記2次巻線とを磁気結合するトランスと、前記1次巻線及び/又は前記2次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、
前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする共振形充電装置。 In a resonance type charging device connected between an AC power source and a secondary battery mounted on a vehicle and supplying power from the AC power source to the secondary battery,
An AC-DC converter that is connected to the AC power supply, inputs power from the AC power supply, and outputs a DC link voltage; and a DC-DC converter that supplies power while being insulated from the link voltage to the secondary battery; Control means for controlling the AC-DC converter and the DC-DC converter,
In the DC-DC converter, an AC is connected between a switching circuit in which the link voltage is connected between DC terminals and a rectangular wave voltage is output between AC terminals, and a DC terminal in which the secondary battery and the smoothing capacitor are connected in parallel. A rectifier circuit that rectifies and outputs a current input between terminals, a primary winding connected between AC terminals of the switching circuit, and a secondary winding connected between AC terminals of the rectifier circuit; A resonant converter comprising: a transformer for magnetically coupling the primary winding and the secondary winding; and a resonant capacitor and a resonant inductor connected in series with the primary winding and / or the secondary winding. age,
The resonance type charging apparatus, wherein the control means controls a switching element provided in the switching circuit so as to change a frequency of the rectangular wave voltage.
前記共振形充電装置は、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するAC−DCコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するDC−DCコンバータと、前記AC−DCコンバータと前記DC−DCコンバータとを制御する制御手段とを備え、
前記DC−DCコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された1次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された2次巻線と、前記1次巻線と前記2次巻線とを磁気結合するトランスと、前記1次巻線及び/又は前記2次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、
前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする車両。 A connector connected to an AC power source, a power motor, a secondary battery for supplying power to the power motor, and the AC power source connected between the connector and the secondary battery and connected to the connector A resonance type charging device for supplying power to the secondary battery from,
The resonant charging apparatus includes an AC-DC converter that inputs power from the AC power source and outputs a DC link voltage, and a DC-DC converter that supplies power while being insulated from the link voltage to the secondary battery. Control means for controlling the AC-DC converter and the DC-DC converter,
In the DC-DC converter, an AC is connected between a switching circuit in which the link voltage is connected between DC terminals and a rectangular wave voltage is output between AC terminals, and a DC terminal in which the secondary battery and the smoothing capacitor are connected in parallel. A rectifier circuit that rectifies and outputs a current input between terminals, a primary winding connected between AC terminals of the switching circuit, and a secondary winding connected between AC terminals of the rectifier circuit; A resonant converter comprising: a transformer for magnetically coupling the primary winding and the secondary winding; and a resonant capacitor and a resonant inductor connected in series with the primary winding and / or the secondary winding. age,
The vehicle characterized in that the control means controls a switching element provided in the switching circuit so as to change a frequency of the rectangular wave voltage.
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