JP2013141395A - 電気自動車バッテリー充電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、効率性と安全性を保障できるバッテリーを充電するための装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の装置は、高電圧バッテリー（１１０）の出力に連結されて、高電圧バッテリーから電源の提供を受けて、低電圧バッテリー（１６０）の充電のための電源に変換するための２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニットを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車バッテリー充電装置に関するものである。
一般の自動車は、石油、ガス等を用いるため、一酸化炭素、二酸化炭素、媒煙等の環境有害物質の排出が問題となっている。最近、これを解決するためにエコカー（車）に関する関心が高まっており、エコ車のうち電気自動車の量産化及び大衆化の期待値が高まっている。特に、電気自動車電装部品の高効率及び高特性の要求が増大している。
従って、電気自動車内部に装着されて、高電圧バッテリーから１５０Ｖｄｃ乃至３００Ｖｄｃの入力電圧の印加を受けて１２Ｖｄｃの低電圧バッテリーを充電する装置として、高効率のコンバータに対する開発が必要となる。
本発明が解決しようとする技術的課題は、効率性と安全性を保障できるバッテリーを充電するための装置を提供することである。
前述の技術的課題を解決するために、高電圧バッテリーの電源を利用して低電圧バッテリーを充電するための本発明の装置は、高電圧バッテリーの出力に連結されて、高電圧バッテリーから電源の提供を受けて低電圧バッテリーの充電のための電源に変換するための２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニット、及び２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニット各々の出力に連結されて、低電圧バッテリーに連結される出力部を含み、２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニット各々は、高電圧バッテリーから電源の供給を受けて位相差によってスイッチングするためのスイッチング部、スイッチング部の出力端に連結されて前記スイッチング部の出力の電圧を降下するための変圧器部と、変圧器部からの出力を整流して直流電圧に変換する整流部、及び整流部の出力をフィルタリングし、出力部に連結されたフィルター部を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、２チャネル各々のスイッチング部は、互いに直列連結されてもよい。
本発明の一実施形態において、整流部と前記フィルター部は電流倍率器（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｕｂｌｅｒ）を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、フィルター部は、１個のコアに２つの巻線で構成された結合インダクター（coupled inductor）を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、スイッチング部は、フール−ブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）方式、またはハーフ−ブリッジ（ｈａｌｆ−ｂｒｉｄｇｅ）方式で構成されてもよい。
本発明の一実施形態において、整流部は、２つのＭＯＳＦＥＴ、または２つのダイオードを含んでもよい。
本発明の一実施形態において、各チャネルのＤＣ−ＤＣコンバータユニットのスイッチング部は、各々複数のスイッチング素子を含み、第１チャネルのスイッチング部のスイッチング素子と、第２チャネルのスイッチング部のスイッチング素子は、互いに９０度の位相差を有するように構成されてもよい。
本発明により、スイッチング素子の定格耐圧を減らし構成を単純化することができ、費用及び空間節減効果を得ることができる。また、出力電流のリップル（ｒｉｐｐｌｅ）を減らすことができ、結合インダクターの使用によってインダクタンスを減らしてフィルター部のサイズを減らし、製品のサイズと重さを減少できる。
本発明の一実施形態に係る電気自動車のバッテリー充電装置の概略的な構成図である。 本発明の一実施形態に係る電気自動車のバッテリー充電装置の回路図である。 本発明の一実施形態に係る電気自動車バッテリー充電装置の電流の流れを示した一例示図である。 本発明の一実施形態に係る電気自動車バッテリー充電装置の電流の流れを示した一例示図である。
本発明は多様な変更を加えることができて多様な実施形態を有することができ、特定実施形態を図面に例示して詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。
以下、添付図面を参照して本発明に係る好ましい一実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電気自動車のバッテリー充電装置の概略的な構成図である。
本発明のバッテリー充電装置は、高電圧バッテリー１１０、高電圧バッテリー１１０の直流電源をスイッチングして交流電源に変換するためのスイッチング部（１２０−１、１２０−２）、スイッチング部（１２０−１、１２０−２）から出力される交流電源を電圧降下するための変圧器部（１３０−１、１３０−２）、電荷降下または、変圧された交流電源を直流電源に整流するための整流部（１４０−１、１４０−２）、及び整流された電源をフィルタリングするためのフィルター部（１５０−１、１５０−２）、及びフィルター部（１５０−１、１５０−２）から出力された電源の印加を受けて充電するための低電圧バッテリー１６０を含んでもよい。
図１を参照すると、スイッチング部１２０、変圧器部１３０、整流部１４０及びフィルター部１５０は、各々２つずつ提供され、つまりスイッチング部１２０、変圧器部１３０、整流部１４０及びフィルター部１５０を含んだＤＣ−ＤＣコンバータユニットは、２つ備えられ、または、２チャネルで構成されてもよいことを意味する。
即ち、本発明の一実施形態に係る高電圧バッテリー１１０の電源を利用して低電圧バッテリー１６０を充電するためのバッテリー充電装置は、高電圧バッテリー１１０の出力に連結されて、高電圧バッテリー１１０から電源の提供を受けて低電圧バッテリー１６０の充電のための電源に変換するための２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニットと、２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニット各々の出力に連結されて、低電圧バッテリー１６０に連結される出力部を含んでもよい。
各々のＤＣ−ＤＣコンバータユニットは、高電圧バッテリー１１０から電源の供給を受けて位相差によってスイッチングするためのスイッチング部１２０、スイッチング部１２０の出力端に連結されてスイッチング部の出力の電圧を降下するための変圧器部１３０、変圧器部１３０からの出力を整流して直流電圧に変換する整流部１４０、及び整流部１４０の出力をフィルタリングして、出力部に連結されたフィルター部１５０を含んでもよい。
一方、図１に示したように、スイッチング部（１２０−１、１２０−２）は、互いに直列連結されていることが確認できる。これは、入力端の高電圧バッテリー１１０の電圧に耐えるための方案として、２つのスイッチング部（１２０−１、１２０−２）が備えられると、各々のスイッチング部に定格電流の半分（１／２）が流れることとなる。従って、バッテリー充電装置の入力端の高電圧バッテリー１１０による電圧入力を分けることができるため、各スイッチング部の耐圧を低くすることができる。
また、図１に示したように、整流部（１４０−１、１４０−２）とフィルター部（１５０−１、１５０−２）は、電流倍率器（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｕｂｌｅｒ）方式で構成されてもよい。特に、電気自動車充電システムでは出力電圧が低く、高い直流電流を要求するため、提案した電流倍率器方式が有利である。
フィルター部（１５０−１、１５０−２）は、結合インダクターを用いてインダクターのインダクタンス値を減少させて体積も減少できる。結合インダクターは、一つのコアに複数の巻線を巻いて形成したインダクターであってもよい。低電圧大電流形態のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、その変換効率に最も大きい影響を及ぼす部分は、コンバータの出力端の伝導損失（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）であるが、結合インダクターを利用することによってこのような伝導損失を減らすことができる。また、このような結合インダクターは、大電流を分散して流れるようにするため熱分散効果ももたらすことで、出力電流のリップルを顕著に減少させることができる。
また、スイッチング部（１２０−１、１２０−２）は、４つのスイッチング素子で構成されたフール−ブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）タイプスイッチングモジュール、または２つのスイッチング素子で構成されたハーフ−ブリッジ（ｈａｌｆ−ｂｒｉｄｇｅ）タイプスイッチングモジュールで構成できる。ここで、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ、またはダイオードであってもよく、その他にスイッチングを行える素子であればいずれであってもよい。
一方、前記各々のＤＣ−ＤＣコンバータユニットは、互いに直列連結された２つのスイッチング部（１２０−１、１２０−２）を含み、これらは２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニットと称してもよい。各チャネルのＤＣ−ＤＣコンバータユニットのスイッチング部（１２０−１、１２０−２）は、各々４つのスイッチング素子、または２つのスイッチング素子で構成され、このような互いに異なるチャネルに属したスイッチング部は、互いに９０度の位相差を有するように構成されてもよい。つまり、第１チャネルのスイッチング部と第２チャネルのスイッチング部は、互いに異なる位相でスイッチオン／オフ（ｏｎ／ｏｆｆ）を行うことができる。
また、整流部（１４０−１、１４０−２）は、２つのＭＯＳＦＥＴ、または２つのダイオードで構成されてもよい。
図２は、本発明の一実施形態に係る電気自動車のバッテリー充電装置の回路図であり、図２は、図１に示されたバッテリー充電装置の概略図を実際回路、または素子で構成したものを示した図である。
バッテリー充電装置のスイッチング部（１２０−１、１２０−２）は、４つのスイッチング素子（Ｓ１乃至Ｓ４、またはＳ５乃至Ｓ８）を有する２チャネル直列連結型フールブリッジスイッチング回路であり、簡単な方式でも各チャネルの個別的調整ができるようにしたスイッチング回路である。但し、図２ではフールブリッジスイッチング回路を示したが、ハーフブリッジタイプで構成されてもよい。
スイッチング部（１２０−１、１２０−２）は、４つのスイッチング素子からなる複数のフール−ブリッジコンバータが直列連結されて構成され、各々高電圧バッテリーの入力直流電源（Ｖｄｃ）をスイッチングする。
上述したものと同様に、図２において、上段のチャネルを第１チャネルと、下段のチャネルを第２チャネルと称する。スイッチング部（１２０−１、１２０−２）は、各々のスイッチング素子が位相差によりスイッチングを行うことができる。
即ち、図２において、第１チャネルのスイッチング部（１２０−１）の４つのスイッチング素子の位相は、第２チャネルのスイッチング部（１２０−２）の４つのスイッチング素子の位相と９０度差によってシフト（ｓｈｉｆｔ）されて動作できる。スイッチング部（１２０−１、１２０−２）は、スイッチング間に導通されて短絡される現象を避けるために位相差を個別的に調整して動作してもよい。
以下、スイッチング部（１２０−１、１２０−２）の動作をより詳細に説明する。
図３Ａは、本発明の一実施形態に係るバッテリー充電装置の電流の流れを示した。より詳細には、スイッチング部（１２０−１、１２０−２）の動作に係るバッテリー充電装置の電流の流れを示す。
スイッチング部（１２０−１、１２０−２）のスイッチング素子Ｓ１とＳ４が、共にスイッチオン（ＯＮ）状態時に入力電流は、スイッチング素子Ｓ１を流れながら変圧器部（１３０−１）の１次側磁化インダクターＬｍ１にエネルギーを保存する。そして、スイッチング素子Ｓ１より位相が９０度シフトされたスイッチング素子Ｓ５とＳ８もスイッチオン状態を維持することができる。磁化インダクターを介して流れたエネルギーは、スイッチング素子Ｓ４を通過して、スイッチング素子Ｓ４を通過した電流は、第１チャネルと同様な方法でスイッチング素子Ｓ５を流れながら変圧器部（１３０−２）の２次側磁化インダクターＬｍ２にエネルギーを保存して、スイッチング素子Ｓ８を通過して、入力側接地（グラウンド）に抜けるようになる。
図３Ｂは、本発明の一実施形態に係るバッテリー充電装置の電流の流れを示した。図３Ｂを参照すると、スイッチング素子Ｓ２とＳ３が、共にスイッチオンの時９０度ずつ位相がシフトされたスイッチング素子Ｓ６とＳ７もスイッチオンとなる。入力電流がスイッチング素子Ｓ３を流れながら変圧器部（１３０−１）を介してスイッチング素子Ｓ２を経てスイッチング素子Ｓ６とＳ７への電流の流れを示す。
第１チャネルの変圧器（１３０−１）と第２チャネルの変圧器（１３０−２）は、第１チャネルのスイッチング部（１２０−１）及び第２チャネルのスイッチング部（１２０−２）でスイッチオン／オフすることで、変圧器部１３０の１次側に電圧が誘起され、誘起される電圧は、変圧器の相互作用によって前記変圧器部の２次側に電圧が発生し、整流部（１４０−１、１４０−２）を介して直流電圧に整流される。
低電圧大電流形態のコンバータにおいて、効率に最も大きい影響を及ぼす部分は、出力端の伝導損失であるが、これを減少させるために、整流部の出力端に結合インダクターをフィルター部として用いて、インダクターのインダクタンス値を減らして体積も減少させることが効果的である。また、このように出力端のフィルター部に結合インダクターを挿入して、大電流の出力電流を分けて流れるようにして、熱分散効果と出力リップル電流を低減させることができる。
図３Ａのようにスイッチング部（１２０−１、１２０−２）のスイッチング素子（Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ８）がスイッチオン時に、整流部（１４０−１、１４０−２）のスイッチング素子（ＳＲ１、ＳＲ３）はスイッチングオンされて、図３Ａに示したように閉ループが形成される。
また、図３Ｂのようにスイッチング部（１２０−１、１２０−２）のスイッチング素子（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７）がスイッチオン時に、整流部（１４０−１、１４０−２）のスイッチング素子（ＳＲ２、ＳＲ４）はスイッチオンされて、図３Ｂに示したように閉ループが形成される。
以上、代表的な実施形態を持って本発明について詳細に説明したが、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者は前述した実施形態に対し本発明の範疇から逸脱しない限度内で多様な変形が可能であることを理解するであろう。従って、本発明の権利範囲は説明された実施形態に限定されてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等物によって定まらなければならない。
１１０ 高電圧バッテリー
１２０ スイッチング部
１３０ 変圧器部
１４０ 整流部
１５０ フィルター部
１６０ 低電圧バッテリー

Claims (7)

  1. 高電圧バッテリーの電源を利用して低電圧バッテリーを充電するための装置であって、
    前記高電圧バッテリーの出力に連結され、前記高電圧バッテリーから電源の提供を受けて、前記低電圧バッテリーの充電のための電源に変換するための２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニット、及び
    前記２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニット各々の出力に連結され、前記低電圧バッテリーに連結される出力部を含み、
    前記２チャネルで構成されたＤＣ−ＤＣコンバータユニット各々は、
    前記高電圧バッテリーから電源の供給を受けて、位相差によってスイッチングするためのスイッチング部、
    前記スイッチング部の出力端に連結されて前記スイッチング部の出力の電圧を降下するための変圧器部、
    前記変圧器部からの出力を整流して直流電圧に変換する整流部、及び
    前記整流部の出力をフィルタリングして、前記出力部に連結されたフィルター部を含むことを特徴とする、充電装置。
  2. 前記各々の２チャネルのスイッチング部は、互いに直列連結されることを特徴とする、請求項１に記載の充電装置。
  3. 前記整流部と前記フィルター部は、電流倍率器（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｕｂｌｅｒ）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の充電装置。
  4. 前記フィルター部は、１つのコアに２つの巻線で構成された結合インダクターを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の充電装置。
  5. 前記スイッチング部は、フール−ブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）方式、またはハーフ−ブリッジ（ｈａｌｆ−ｂｒｉｄｇｅ）方式で構成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の充電装置。
  6. 前記整流部は、２つのＭＯＳＦＥＴ、または２つのダイオードを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の充電装置。
  7. 前記各チャネルのＤＣ−ＤＣコンバータユニットのスイッチング部は、各々複数のスイッチング素子を含み、
    前記第１チャネルのスイッチング部のスイッチング素子と、前記第２チャネルのスイッチング部のスイッチング素子は、互いに９０度の位相差を有するように構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の充電装置。
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