JP2012178949A

JP2012178949A - 充電装置

Info

Publication number: JP2012178949A
Application number: JP2011041571A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Matsuda; 浩樹松田; Satoshi Watanabe; 智渡邊; Kota Otoshi; 浩太大年
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-09-13

Abstract

【課題】低コスト化を図ることが可能な充電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ＩＧＢＴ４２、４３と、コンデンサ２６、３８、４０と、ＰＦＣ回路３９と、コンデンサ２６とＩＧＢＴ４２、４３の接続点との間に設けられるリアクトル２並びにコンデンサ３８に並列接続されるリアクトル３を備えるトランス４と、リアクトル３とコンデンサ３８との間に設けられるスイッチ２７、２８と、スイッチ２７とコンデンサ３８との間に設けられるＩＧＢＴ５と、制御回路６とを備えて充電装置１を構成し、制御回路６は、バッテリ２１の充電時、スイッチ２７、２８を閉じた後、ＩＧＢＴ５をオン、オフさせるとともに、ＩＧＢＴ４２、４３を交互にオン、オフさせ、バッテリ２１の出力電圧の電圧変換時、スイッチ２７、２８を開けた後、ＩＧＢＴ４２、４３を交互にオン、オフさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリを交流電源の出力電力により充電するとともに、そのバッテリの出力電圧を変えて負荷に供給する充電装置に関する。さらに詳しくはバッテリを交流電源の出力電力により充電する充電器とそのバッテリの出力電圧を変えて負荷に供給する電圧変換装置に関するものである。

図６は、既存の充電装置を示す図である。
図６に示す充電器２３は、バッテリ２１を交流電源２２の出力電力により充電する充電回路を備え、電圧変換装置２５はバッテリ２１の出力電圧を昇圧して負荷２４に供給する電圧変換回路を備える。

充電器２３は、コンデンサ２６と、スイッチ２７、２８と、ダイオード２９〜３２と、トランス３３と、それぞれダイオードが並列接続されるＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３４〜３７と、コンデンサ３８と、交流電源２２の出力電力の力率を改善しつつ直流に変換するＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路３９とを備える。

すなわち、コンデンサ２６はバッテリ２１に並列に接続されている。また、ダイオード２９のカソード端子はダイオード３０のカソード端子に接続され、ダイオード２９のアノード端子はダイオード３１のカソード端子に接続され、ダイオード３２のカソード端子はダイオード３０のアノード端子に接続され、ダイオード３２のアノード端子はダイオード３１のアノード端子に接続されている。また、ダイオード２９、３０の接続点はスイッチ２７を介してコンデンサ２６の一方端に接続され、ダイオード３１、３２の接続点はスイッチ２８を介してコンデンサ２６の他方端に接続されている。ダイオード２９、３１の接続点はトランス３３の一方のリアクトルの一方端に接続され、ダイオード３０、３２の接続点はトランス３３の一方のリアクトルの他方端に接続されている。また、ＩＧＢＴ３４、３５は互いに直列接続されコンデンサ３８に並列接続され、ＩＧＢＴ３６、３７も互いに直列接続されコンデンサ３８に並列接続されている。また、コンデンサ３８は、ＰＦＣ回路３９の出力段に設けられている。また、ＩＧＢＴ３４、３５の接続点はトランス３３の他方のリアクトルの一方端に接続され、ＩＧＢＴ３６、３７の接続点はトランス３３の他方のリアクトルの他方端に接続されている。

バッテリ２１の充電時、スイッチ２７、２８がそれぞれ閉じ、ＩＧＢＴ３４、３７とＩＧＢＴ３５、３６とが交互にオン、オフすることにより、ＰＦＣ回路３９により直流に変換された電力が交流に変換されトランス３３を介してダイオード２９〜３２へ出力される。その交流の電力はダイオード２９〜３２により整流された後、コンデンサ２６により平滑されてバッテリ２１に供給される。

電圧変換装置２５は、コンデンサ２６、４０と、リアクトル４１と、それぞれダイオードが並列接続されるＩＧＢＴ４２、４３とを備える。
すなわち、ＩＧＢＴ４２、４３は、互いに直列接続され、コンデンサ４０に並列に接続されている。また、ＩＧＢＴ４２、４３の接続点は、リアクトル４１を介してバッテリ２１に接続されている。

バッテリ２１の出力電圧の昇圧時、スイッチ２７、２８がそれぞれ開き、ＩＧＢＴ４２、４３が交互にオン、オフすることによりバッテリ２１の出力電圧が昇圧されて負荷２４に供給される。すなわち、ＩＧＢＴ４２がオン、ＩＧＢＴ４３がオフすると、リアクトル４１にエネルギーが蓄積される。次に、ＩＧＢＴ４２がオフ、ＩＧＢＴ４３がオンすると、リアクトル４１に蓄積されていたエネルギーがコンデンサ４０に蓄積される。この動作が繰り返し行われると、ＩＧＢＴ４２、４３のそれぞれのオン、オフを制御する制御信号のデューティに応じた電圧がコンデンサ４０（負荷２４）にかかる。

図６に示すような充電器２３と電圧変換装置２５は、充電時に使用されるトランス３３や電圧変換時に使用されるリアクトル４１など大型コイル部品を備える構成であるため、回路規模の大型化に伴うコスト増大が懸念される。

そこで、充電時に使用されるトランスの一方のリアクトルを、電圧変換時に使用されるリアクトルとして兼用する充電器がある（例えば、特許文献１参照）。
図７は、そのように構成される充電器を示す図である。なお、図６に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。

図７に示す充電器４４は、トランス３３と、ＩＧＢＴ３４〜３７と、コンデンサ３８と、ＰＦＣ回路３９と、コンデンサ４０と、それぞれダイオードが並列接続されるＩＧＢＴ４５〜４８とを備える。すなわち、トランス３３の一方のリアクトル４９の一方端はＩＧＢＴ４５、４６の接続点に接続され、リアクトル４９の他方端はＩＧＢＴ４７、４８の接続点に接続されている。また、トランス３３の他方のリアクトル５０の一方端はＩＧＢＴ３４、３５の接続点に接続され、リアクトル５０の他方端はＩＧＢＴ３６、３７の接続点に接続されている。

バッテリ２１の充電時、ＩＧＢＴ３４、３７とＩＧＢＴ３５、３６とが交互にオン、オフすることにより、ＰＦＣ回路３９により直流に変換された電力が交流に変換されトランス３３を介してＩＧＢＴ４５〜４８へ出力される。その交流の電力はＩＧＢＴ４５、４８とＩＧＢＴ４６、４７とが交互にオン、オフすることにより直流に変換されバッテリ２１に供給される。

バッテリ２１の出力電圧の昇圧時、ＩＧＢＴ４５、４８をそれぞれオン、ＩＧＢＴ４６、４７をそれぞれオフさせた後、ＩＧＢＴ４５をオンさせたまま、ＩＧＢＴ４６〜４８をそれぞれオフさせることを繰り返すことによりバッテリ２１の出力電圧が昇圧されて負荷２４に供給される。すなわち、ＩＧＢＴ４５、４８がそれぞれオン、ＩＧＢＴ４６、４７がそれぞれオフすると、トランス３３のリアクトル４９にエネルギーが蓄積される。次に、ＩＧＢＴ４５がオンしたまま、ＩＧＢＴ４６〜４８がそれぞれオフすると、リアクトル４９に蓄積されていたエネルギーがコンデンサ４０に蓄積される。この動作が繰り返し行われると、ＩＧＢＴ４８のオン、オフを制御する制御信号のデューティに応じた電圧がコンデンサ４０（負荷２４）にかかる。

特開２００８−３１２３９４号公報

しかしながら、図７に示す充電器４４のように、充電時に使用されるトランスの一方のリアクトルを、電圧変換時に使用されるリアクトルとして兼用する充電器では、大型コイル部品を無くすことができるが、交流電力を直流に変換してバッテリに出力するために複数のスイッチング素子を新たに備える必要があり、低コスト化につながらないおそれがある。

そこで、本発明では、低コスト化を図ることが可能な充電器を提供することを目的とする。

本発明の充電装置は、互いに一端同士が直列接続される第１及び第２のスイッチング素子と、一端が前記第１のスイッチング素子の他端に接続されるとともに他端が前記第２のスイッチング素子の他端に接続される負荷と、一端が前記第１のスイッチング素子の他端に接続されるとともに他端が前記第２のスイッチング素子の他端に接続され、前記負荷の前段に前記負荷に並列に接続される第１のコンデンサと、交流電源の出力電力を直流に変換する交流−直流変換回路と、正極が前記第２のスイッチング素子の一端に接続されるとともに負極が前記第２のスイッチング素子の他端に接続されるバッテリと、前記バッテリの正極に一端が接続されるとともに他端が前記第１及び第２のスイッチング素子の一端同士の接続点との間、又は、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と前記第１のコンデンサの一端との間に設けられる第１のリアクトル並びに前記交流−直流変換回路に並列接続される第２のリアクトルを備えるトランスと、前記第２のリアクトルの一端または他端と前記交流−直流変換回路との間に設けられる第３のスイッチング素子と、前記第１〜第３のスイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記バッテリの充電時、前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせるとともに、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせ、前記バッテリの出力の電圧変換時、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせる。

このように、バッテリの充電時に使用されるトランスの第１のリアクトルを、バッテリの出力電力の電圧変換時に使用されるリアクトルとして兼用しているため、充電用のトランスの他に昇圧用のリアクトルを備える必要がない。また、交流−直流変換回路により直流に変換された電力を交流に変換するための直流−交流変換回路やその直流−交流変換回路により交流に変換された電力を直流に変換してバッテリに供給するための交流−直流変換回路を備える必要がない。これにより、大型コイル部品や直流−交流変換回路及び交流−直流変換回路などを備える必要がないため、その分コストを低減することができ低コスト化を実現することができる。

本発明によれば、バッテリを交流電源の出力電力により充電するとともに、そのバッテリの出力電力を変換して負荷に供給する充電器において、低コスト化を図ることができる。

本発明の実施形態の充電装置を示す図である。本発明の他の実施形態の充電装置を示す図である。本発明の他の実施形態の充電装置を示す図である。本発明の他の実施形態の充電装置を示す図である。本発明の他の実施形態の充電装置を示す図である。既存の充電装置を示す図である。既存のその他の充電装置を示す図である。

図１は、本発明の実施形態の充電装置を示す図である。なお、図６に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図１に示す本実施形態の充電装置１は、バッテリ２１を交流電源２２の出力電力により充電するとともに、バッテリ２１の出力電圧を昇圧して負荷２４に供給する。なお、負荷２４は、例えば、バッテリ２１から供給される電力を３相交流の電力に変換するインバータ回路やそのインバータ回路から出力される３相交流の電力により駆動するモータ（例えば、ハイブリット車や電気自動車の走行用モータ）などにより構成されるものとする。

図１に示す本実施形態の充電装置１は、リアクトル２（第１のリアクトル）及びリアクトル３（第２のリアクトル）を備えるトランス４と、ダイオードが並列接続されるＩＧＢＴ５（第３のスイッチング素子）と、制御回路６（制御手段）と、コンデンサ２６（第３のコンデンサ）と、スイッチ２７、２８（遮断回路）と、コンデンサ３８（第２のコンデンサ）と、ＰＦＣ回路３９（交流−直流変換回路）と、コンデンサ４０（第１のコンデンサ）と、ダイオードが並列接続されるＩＧＢＴ４２（第１のスイッチング素子）と、ダイオードが並列接続されるＩＧＢＴ４３（第２のスイッチング素子）とを備える。なお、ＩＧＢＴ５、４４、４３は、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦＩＥＬＤＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に代えてもよい。

すなわち、リアクトル２の一方端はコンデンサ２６を介してバッテリ２１に接続され、リアクトル２の他方端はＩＧＢＴ４２、４３の接続点に接続されている。また、リアクトル３は、スイッチ２７、２８やＩＧＢＴ５を介してコンデンサ３８に並列接続されている。スイッチ２７の一方端はリアクトル３の一方端に接続され、スイッチ２７の他方端はコンデンサ３８の一方端に接続されている。スイッチ２８の一方端はリアクトル３の他方端に接続され、スイッチ２８の他方端はＩＧＢＴ５のコレクタ端子に接続されている。コンデンサ３８の他方端はＩＧＢＴ５のエミッタ端子に接続されている。また、その他の素子の接続関係は、図６に示す各素子の接続関係と同様である。なお、ＩＧＢＴ５は、スイッチ２８とコンデンサ３８との間ではなくスイッチ２７とコンデンサ３８との間に設けられてもよい。

制御回路６は、バッテリ２１の充電時、スイッチ２７、２８をそれぞれ閉じた後、ＰＦＣ回路３９の動作を制御することにより、交流電源２２の出力電力を直流に変換させる。また、制御回路６は、ＩＧＢＴ５をオン、オフさせる。ＩＧＢＴ５がオンすると、コンデンサ３８からリアクトル３を介してＩＧＢＴ５へ電流が流れリアクトル３が直流励磁する。これにより、ＩＧＢＴ４２からリアクトル２を介してコンデンサ２６へ電流が流れバッテリ２１が充電される。また、ＩＧＢＴ５がオフすると、トランス４に蓄積されたエネルギーが放出される。なお、制御回路６は、バッテリ２１の充電時、トランス４が磁気飽和しないようなデューティの制御信号により、ＩＧＢＴ５をオン、オフさせる。このとき、制御回路６は、トランス４に流れる電流が最も大きくなるようなデューティの制御信号により、ＩＧＢＴ５をオン、オフさせることが望ましい。

なお、バッテリ２１の充電時、ＩＧＢＴ４２からリアクトル２へ流れる電流はＩＧＢＴ４３やＩＧＢＴ４３に並列接続されるダイオードを介してコンデンサ４０にも流れる。そのため、バッテリ２１の充電時、コンデンサ４０にかかる電圧が上昇していく。そこで、制御回路６は、コンデンサ４０にかかる電圧がコンデンサ４０の耐圧（所定電圧）を超えないようなデューティの制御信号により、ＩＧＢＴ４２、４３を交互にオン、オフさせる。このとき、制御回路６は、ＩＧＢＴ５のオン、オフと、ＩＧＢＴ４２、４３のオン、オフとを、互いに独立して制御してもよいし、同期させて制御してもよい。また、バッテリ２１の充電時、ＩＧＢＴ４２、４３を交互にオン、オフさせることにより、トランス４が磁気飽和することを低減させることができる。

制御回路６は、バッテリ２１の出力電圧の昇圧時（電圧変換時）、スイッチ２７、２８をそれぞれ開いた後、ＩＧＢＴ４２、４３を交互にオン、オフさせることによりバッテリ２１の出力電圧を昇圧して負荷２４に供給する。すなわち、ＩＧＢＴ４２がオン、ＩＧＢＴ４３がオフすると、リアクトル２にエネルギーが蓄積される。次に、ＩＧＢＴ４２がオフ、ＩＧＢＴ４３がオンすると、リアクトル２に蓄積されていたエネルギーがコンデンサ４０に蓄積される。この動作が繰り返し行われると、ＩＧＢＴ４２、４３のそれぞれのオン、オフを制御する制御信号のデューティに応じた電圧がコンデンサ４０（負荷２４）にかかる。

本実施形態の充電装置１は、バッテリ２１の充電時に使用されるトランス４の一方のリアクトル２を、バッテリ２１の出力電圧の昇圧時に使用されるリアクトルとして兼用しているため、トランス４の他に昇圧用のリアクトルを備える必要がない。また、本実施形態の充電装置１は、ＰＦＣ回路３９により直流に変換された電力を交流に変換するための直流−交流変換回路やその直流−交流変換回路により交流に変換された電力を直流に変換してバッテリ２１に供給するための交流−直流変換回路を備える必要がない。このように、本実施形態の充電装置１は、大型コイル部品や直流−交流変換回路及び交流−直流変換回路などを省略することができるため、その分コストを低減することができ低コスト化を実現することができる。

なお、上記実施形態では、バッテリ２１の出力電圧を昇圧して負荷２４に供給する構成であるが、図２に示すように、トランス４とＩＧＢＴ４３を入れ替えて、ＩＧＢＴ４２、４３を交互にオン、オフさせることにより、バッテリ２１の出力電圧を降圧して負荷２４に供給するように構成してもよい。このように構成されるときのバッテリ２１の充電時の充電装置１の動作は上述したバッテリ２１の充電時の充電装置１の動作と同様である。

なお、上記実施形態において、充電電流のリプル電流が大きい場合に備えてバッテリ２１の前段にコンデンサ２６を設けてあるが、リプル電流が小さい場合はコンデンサ２６は無くてもよい。同様にＰＦＣ回路３９の後段にコンデンサ３８が設けてあるが無くても良い。

なお、上記実施形態ではスイッチ２７、２８が設けられているが、スイッチング素子２７，２８はスイッチング素子５に大きな電圧がかからない場合は無くてもよい。
なお、スイッチング素子４２、４３とスイッチング素子５とスイッチング素子２７、２８とを同期制御しなくても良い。この場合、図３に示すように、スイッチング素子４２、４３を制御するための制御回路７（第２の制御回路）と、スイッチング素子５を制御するための制御回路８（第１の制御回路）と、スイッチング素子２７、２８を制御するための制御回路９と、ＰＦＣ回路３９の動作を制御するための制御回路１０（第５の制御回路）とをそれぞれ設けてもよい。また、図４に示すように、スイッチング素子４２、４３を制御するための制御回路７（第２の制御回路）と、ＰＦＣ回路３９の動作を制御するとともに、スイッチング素子５を制御するための制御回路１１（第３の制御回路）と、スイッチング素子２７、２８を制御するための制御回路９とをそれぞれ設けてもよい。また、図５に示すように、ＰＦＣ回路３９の動作を制御するとともに、スイッチング素子４２、４３を制御するための制御回路１２（第４の制御回路）と、スイッチング素子５を制御するための制御回路８（第１の制御回路）と、スイッチング素子２７、２８を制御するための制御回路９とをそれぞれ設けてもよい。また、スイッチング素子２７、２８が不要の場合、スイッチング素子４２、４３とスイッチング素子５とを制御するための制御回路をそれぞれ設けてもよい。また、各制御回路を組み合わせてもよい。

１充電装置
２、３リアクトル
４トランス
５ＩＧＢＴ
６〜１２制御回路
２１バッテリ
２２交流電源
２４負荷
２６コンデンサ
２７、２８スイッチ
３８コンデンサ
３９ＰＦＣ回路
４０コンデンサ
４２、４３ＩＧＢＴ

Claims

互いに一端同士が直列接続される第１及び第２のスイッチング素子と、
一端が前記第１のスイッチング素子の他端に接続されるとともに他端が前記第２のスイッチング素子の他端に接続される負荷と、
一端が前記第１のスイッチング素子の他端に接続されるとともに他端が前記第２のスイッチング素子の他端に接続され、前記負荷の前段に前記負荷に並列に接続される第１のコンデンサと、
交流電源の出力電力を直流に変換する交流−直流変換回路と、
正極が前記第２のスイッチング素子の一端に接続されるとともに負極が前記第２のスイッチング素子の他端に接続されるバッテリと、
前記バッテリの正極に一端が接続されるとともに他端が前記第１及び第２のスイッチング素子の一端同士の接続点との間、又は、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と前記第１のコンデンサの一端との間に設けられる第１のリアクトル並びに前記交流−直流変換回路に並列接続される第２のリアクトルを備えるトランスと、
前記第２のリアクトルの一端または他端と前記交流−直流変換回路との間に設けられる第３のスイッチング素子と、
前記第１〜第３のスイッチング素子のそれぞれのオン、オフを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記バッテリの充電時、前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせるとともに、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせ、
前記バッテリの出力の電圧変換時、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせる
ことを特徴とする充電装置。
請求項１に記載の充電装置であって、
前記制御手段は、
前記バッテリの充電時、前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせる第１の制御回路と、
前記バッテリの充電時及び前記バッテリの出力の電圧変換時、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせる第２の制御回路と、
を備えることを特徴とする充電装置。
請求項１に記載の充電装置であって、
前記制御手段は、
前記バッテリの充電時、前記交流−直流変換回路の動作を制御して前記交流電源の出力電力を直流に変換させつつ前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせるとともに、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせ、
前記バッテリの出力の電圧変換時、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせる
ことを特徴とする充電装置。
請求項３に記載の充電装置であって、
前記制御手段は、
前記バッテリの充電時、前記交流−直流変換回路の動作を制御して前記交流電源の出力電力を直流に変換させつつ前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせる第３の制御回路と、
前記バッテリの充電時及び前記バッテリの出力の電圧変換時、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせる第２の制御回路と、
を備えることを特徴とする充電装置。
請求項３に記載の充電装置であって、
前記制御手段は、
前記バッテリの充電時、前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせる第１の制御回路と、
前記バッテリの充電時、前記交流−直流変換回路の動作を制御して前記交流電源の出力電力を直流に変換させるとともに前記第１及び第２のスイッチング素子をオン、オフさせ、前記バッテリの出力の電圧変換時、前記第１及び第２のスイッチング素子をオン、オフさせる第４の制御回路と、
を備えることを特徴とする充電装置。
請求項３に記載の充電装置であって、
前記制御手段は、
前記バッテリの充電時、前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせる第１の制御回路と、
前記バッテリの充電時及び前記バッテリの出力の電圧変換時、前記第１及び第２のスイッチング素子を交互にオン、オフさせる第２の制御回路と、
前記バッテリの充電時に前記交流−直流変換回路の動作を制御して前記交流電源の出力電力を直流に変換させる第５の制御回路と
を備えることを特徴とする充電装置。
請求項１〜６の何れか１項に記載の充電装置であって、
前記交流−直流変換回路の出力段には第２のコンデンサが並列接続される
ことを特徴とする充電装置。
請求項１〜７の何れか１項に記載の充電装置であって、
前記バッテリの正極と前記第１のリアクトルの一端とに一端が接続されるとともに前記バッテリの他端と前記第２のスイッチング素子の他端とに他端が接続される第３のコンデンサが前記バッテリに並列接続される
ことを特徴とする充電装置。
請求項１〜８の何れか１項に記載の充電装置であって、
前記第２のリアクトルと前記第２のコンデンサとの間に遮断回路が設けられ、
前記バッテリの充電時、前記遮断回路が閉じられ、
前記バッテリの出力の電圧変換時、前記遮断回路が開けられる
ことを特徴とする充電装置。
請求項１〜９の何れか１項に記載の充電器であって、
前記制御回路は、前記バッテリの充電時、前記トランスが磁気飽和しないように、かつ、前記トランスに流れる電流が最も大きくなるように、前記第３のスイッチング素子をオン、オフさせる
ことを特徴とする充電器。