JP2013223310A

JP2013223310A - 電気車用充電器の電流制御方法とその装置

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Publication number: JP2013223310A
Application number: JP2012092632A
Authority: JP
Inventors: Tadao Goshi; 忠男郷司
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】電気車に搭載される車載充電器の他に、定置充電器を別個に設けて急速充電するとき、定置充電器に対する押込み充電時の充電電流精度が高いこと、および平滑リアクトルの小型化などが要求される。
【解決手段】急速充電時に、バッテリーに第１のスイッチを介して定置充電器を接続する。この定置充電器からの充電電流路と車載充電器の平滑リアクトルの電流流入路間を第２のスイッチを介して接続する。充電電流が予め定められた押込み充電領域にまで低下したとき、第２のスイッチを閉路して第１のスイッチを開路し、車載充電器の電流検出器による検出電流値と定置充電器の充電電流設定値の差分に応じて定置充電器のインバータを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電器の電流制御方法とその装置に係わり、特にバッテリーフォークリフト等の電気車に搭載するバッテリー充電器の小型化と充電電流の精度の向上を図った電流制御方法と装置に関するものである。

電気車、例えばバッテリーフォークリフトの場合、車両に搭載した充電器を介しての充電は、一般に、フォークリフトを使用しない夜間に行われ、その充電は８時間程度をかけてバッテリーを充電することになる（以下これを普通充電と呼ぶ）。しかし、フォークリフトの使用頻度の激しい用途によっては、満充電していても作業中に放電して運転出来ない状態となる場合もある。このような用途に使用されるフォークリフトでは、昼休みに補充電するなどの短時間で充電出来る機能（以下これを急速充電と呼ぶ）が必要となる。急速充電の場合、その方法としては車載充電器に急速充電機能を持たせても良いが、急速充電を必要とする用途は少ないことから、車載充電器にその機能を持たせると普通充電だけでよい用途の場合でも価格が高くなり、かつ車載充電器も大型化する問題が発生する。

急速充電を必要とする場合の他の方法として、フォークリフトには普通充電用の充電器を搭載し、急速充電を必要とする用途には定置型の充電器を別途用意することが考えられる。この場合、普通充電だけでよいフォークリフト本体の価格は上がらない。また、定置型は必ずしもフォークリフトと１対１にする必要もなく、充電タイミングをずらすことで複数台にも使用できる利点がある。

図４はバッテリーフォークリフトに搭載される充電器の回路構成を示したもので、ＡＣは交流電源、ＲＦ１は第１の整流器で、ダイオードブリッジよりなって交流を直流に変換する。Ｃ１は交流電圧ＡＣを全波整流し直流に変換した電圧を平滑するための平滑コンデンサ、ＴＲ１はインバータで、トランジスタやＩＧＢＴなどの半導体素子により構成されて直流を交流に変換する。ＣＳ１は電流検出器で、インバータＴＲ１電流を検出してインバータを構成する半導体素子を過電流から保護するために用いられる。

インバータＴＲ１によって交流に変換された電力は、トランスＴＦを経て第２の整流器ＲＦ２により交流を直流に変換され、平滑リアクトルＤＣＬと平滑コンデンサＣ２よりなる平滑回路を経てバッテリーＢを充電する。バッテリーＢには、スイッチング素子Ｔ１のオン・オフ比を変えることで定電圧、定電流制御される。
Ｄ２はフリーホイリングダイオードで、スイッチング素子Ｔ１がオフしたときリアクトルＬ１の電流をバッテリーＢに戻すことでＴ１を過電圧から保護する。ＣＳ２はバッテリー電流を検出する電流検出器である。

なお、図４のように、交流電源から整流器を介して所定の電圧と電流を取り出し、所定のタイミングでバッテリーに供給するものとしては、特許文献１が公知になっている。

特許文献１では、充電開始前の回路設定は、定電流制御での充電に対応していることから、充電開始前の充電電流は０であり、ＰＷＣ制御回路の出力が最大デューティ比で出力される状態下にある。この状態で定電流制御からの充電を開始すると、充電開始直後に大きな突入電流が生じるといった問題点を解決するために、充電開始時点の突入充電電流のピーク値を低減し、充電開始直後の突入電流を防止する突入電流防止スイッチを設けたものである。

特開２００２−１４２３８１

図３は急速充電を行う場合の充電器の電流制御装置を示したものである。
点線で囲った図面上側は車載充電器、下側が定置充電器を示したもので、車載充電器と定置充電器とは同一機能であるので、以下の説明では車載充電器側で説明する。

ＡＣは交流電源で、充電時にはコネクタＣＮ₁を介して充電器が接続される。
ＲＦ₁₁は第１の整流器で、ダイオードブリッジよりなって交流を直流に変換する。Ｃ₁は交流電圧ＡＣ₁を全波整流し直流に変換した電圧を平滑するための平滑コンデンサ、ＴＲ₁₁はインバータで、トランジスタやＩＧＢＴなどの半導体素子により構成されて直流を交流に変換する。ＴＦ₁は電圧比を変え、かつ一次と二次間を絶縁するトランスで、このトランスＴＦ₁の二次側には第２の整流器ＲＦ₁₂が接続されており、インバータＴＲ₁₁によって交流に変換された電力は、トランスＴＦ₁を経て第２の整流器ＲＦ₁₂により交流を直流に変換される。直流電流は平滑リアクトルＤＣＬ₁、電流検出器ＣＳ₁を経てバッテリーＢを充電する。

ＩＳ₁₁は充電電流設定器で、バッテリーＢに対する充電電流を設定するもので、この設定はバッテリー電圧などに応じて決められる。ＰＩ₁は比例積分の電流アンプ、ＰＷＣ₁はパルス幅変換器で、電流アンプＰＩ₁の出力に比例したパルス幅に変換し、その出力でインバータＴＲ１１の半導体素子をオン・オフ制御する。
定置充電器を使用するときにはコネクタＣＮ₂を介してバッテリーと接続する。スイッチＭＣ₁は定置充電器から充電するときに閉路状態にされ、それ以外のときには開放状態となっている。

上記の構成で、車載充電器によりバッテリーＢを充電するときには、コネクタＣＮ₁を交流電圧ＡＣに接続し、スイッチＭＣ₁は開放のままとする。また、充電電流設定器ＩＳ₁₁により所定の充電電流設定を与えてインバータＴＲ₁₁をオン・オフ制御すると、トランスＴＦ₁、整流器ＲＦ₁₂、平滑リアクトルＤＣＬ₁、および電流検出器ＣＳ₁を経てバッテリーＢが充電される。

充電電流は電流検出器ＣＳ₁により検出され、減算部Ｓ₁において充電電流設定値との偏差分が求められ、その偏差分を電流アンプＰＩ₁で増幅してパルス幅変換器ＰＷＣ₁に入力し、電流アンプＰＩ₁の出力に比例したパルスに変換しインバータＴＲ₁₁をオン・オフ制御して電圧の大きさを変える。これにより、平滑リアクトルＤＣＬ₁を流れる電流が電圧の大きさに併せて変化する。このように制御することで、平滑リアクトルＤＣＬ₁の電流が充電電流設定値と同じになり、バッテリーＢを定電流充電することが出来る。なお、定置充電器で充電する場合には、スイッチＭＣ₁を閉じるだけで定置充電器の動作は車載充電器と同じであるので省略する。

バッテリーＢの容量は、例えば３トンのバッテリーフォークリフトの場合には４８０Ａｈ／５ｈｒ程度で、車載充電器による普通充電では最大１００Ａ程度で充電を始め、充電が進むに従って充電電流設定を徐々に小さくして満充電近くになると略１０分の１の１０Ａ程度で充電する（以下これを押込み充電と呼ぶ）。

一方、定置充電器による急速充電では最初３００Ａ程度で充電を始め、普通充電と同様に充電が進むに従って充電電流設定を徐々に小さくする。押込み充電は
急速充電でも普通充電と同じ１０Ａ程度で充電することが必要である。
バッテリーの性能を維持するためには、押込み充電時の充電電流の精度が高いことと、電流のリプルが小さいことが要求される。特に、シールバッテリーではその要求は厳しく、押込み充電では考慮が必要である。

充電電流の精度は周囲温度、電流検出器ＣＳ₁の定格電流値とその精度、そして制御回路の分解能などで決まり、一般には３％程度である。
普通充電では１００Ａの電流検出器ＣＳ₁を使用すると、その誤差は１００Ａ×±３％＝±３Ａである。このとき、押込み充電では、１０Ａの設定に対して７〜１３Ａに変化することになる。この程度ならバッテリーの性能低下には影響しない。

次に、急速充電の定置充電器を同様に計算すると、電流検出器ＣＳ₂の定格を
３００Ａとすると、その誤差は３００Ａ×±３％＝±９Ａである。このときの
押込み充電では、１０Ａの設定に対して１〜１９Ａに変化することになりバッテリーの性能に影響する。勿論、高精度で高い分解能の回路部品を使用すればより良い精度にできるが価格が高くなる。

次に、リプル電流について説明する。リプル電流の大きさは（１）式で表される。

ここで、Ｖbはバッテリー電圧、Ｖ１は平滑リアクトルＤＣＬ₁の一次側の電圧、Ｌは平滑リアクトルＤＣＬ₁のインダクタンス、ｆはインバータ周波数、
（１）式からリプル電流は平滑リアクトルのインダクタンスとインバータ周波数の積に反比例することが分る。したがって、許容できるリプル電流の最大値が決まっていれば平滑リアクトルのインダクタンスとインバータ周波数を適当な値にすればよい。ここで平滑リアクトルのインダクタンスを大きくするとサイズが大きくなって高価になる。また、インバータ周波数を高くすれば損失が増加するので、両者を最適に選定する必要がある。

（１）式によれば、リプル電流は電流の大きさに無関係なので、定置充電器でも車載充電器と同じインダクタンスが必要になる。平滑リアクトルのサイズは略ＬＩ²に比例するので、定置充電器の平滑リアクトルＤＣＬ₂は、車載充電器の平滑リアクトルＤＣＬ₁の体積の略９倍が必要となって大きくなり、また高価となる。

したがって、本発明が目的とするところは、定置型の充電器を別途用意したときの充電電流の精度が高く、電流のリプルの小さい充電器の電流制御方法とその装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、インバータによって直流を交流に変換し、変換された交流をさらに直流に変換した後、平滑リアクトル、電流検出器を通してバッテリーを充電する車載充電器を電気車に搭載すると共に、前記車載充電器と同様な機能構成の充電器を定置充電器として設置し、前記バッテリーに対する急速充電時に定置充電器から充電電流を供給する制御方法において、
前記急速充電時に、充電電流が予め定められた押込み充電領域にまで低下したとき、定置充電器からの充電電流を、前記車載充電器の平滑リアクトルおよび電流検出器に流通させ、この電流検出器による検出電流値と前記定置充電器の充電電流設定値の差分に応じて定置充電器のインバータを制御することを特徴としたものである。

本発明の請求項２は、インバータによって直流を交流に変換し、変換された交流をさらに直流に変換した後、平滑リアクトル、電流検出器を通してバッテリーを充電する車載充電器を電気車に搭載すると共に、前記車載充電器と同様な機能構成の充電器を定置充電器として設置し、前記バッテリーに対する急速充電時に定置充電器から充電電流を供給する制御装置において、
前記急速充電時に、前記バッテリーに第１のスイッチを介して定置充電器を接続し、この定置充電器からの充電電流路と前記車載充電器の平滑リアクトルの電流流入路間を第２のスイッチを介して接続し、充電電流が予め定められた押込み充電領域にまで低下したとき、第２のスイッチを閉路して第１のスイッチを開路し、車載充電器の電流検出器による検出電流値と前記定置充電器の充電電流設定値の差分に応じて前記定置充電器のインバータを制御することを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、前記車載充電器の電流検出器による検出電流値の定置充電器への伝送は、無線による通信で行うことを特徴としたものである。

本発明の請求項４は、前記定置充電器側に、定置充電器の検出電流値を入力するゲイン調整回路と車載充電器の電流検出器による検出電流値を入力する積分器を設け、前記急速充電時の押込み充電領域にまで充電電流が低下したとき、車載充電器の電流検出器による検出電流値と前記ゲイン調整回路の出力との差分を前記積分器で積分し、この積分信号によってゲイン調整回路のゲインを調整するよう構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、定置充電器の平滑リアクトルのインダクタンスは、押込み充電を考慮することなく小さくでき、また、定置充電器側の電流検出器も特別に高精度のものを使うこともない。
さらに、通信手段によって検出電流を車載充電器から定置充電器へ送信する際には、送信速度が遅くても、充電途中で交流電源ＡＣの変動があった場合でも過電流になることはなく安定して充電が可能となる。

本発明の実施形態を示す構成図。本発明の実施形態を示すゲイン調整部の構成図定置充電器による充電器回路の構成図。従来の充電器の構成図。

本発明は、電気車に搭載される車載充電器の他に、定置充電器を別個に設けて急速充電する場合、急速充電による充電電流が押込み充電となったときの定置充電器からの充電電流を、車載充電器の平滑リアクトルおよび電流検出器に流通させ、この電流検出器による検出電流値と定置充電器の充電電流設定値の差分に応じて定置充電器のインバータを制御するようにしたもので、以下図に基づいて詳述する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図で、図３と同一部分、若しくは相当する部分に同一符号を付してその説明を省略する。図１において図３と相違する点は、定置充電器のバッテリーＢへの充電ルートと車載充電器の平滑リアクトルＤＣＬ₁の一次側（第２の整流器ＲＦ₁₂側）間を、第２のスイッチＭＣ₂を介して接続したことである。また、車載充電器の電流検出器ＣＳ₁により検出された電流は、定置充電器の減算部に出力される。他は図３と同様である。

図１では省略しているが、検出された充電電流に基づく通信手段や切換制御手段などの機能を有する制御部が車載充電器側に搭載されており、この実施例では定置充電器と車載充電器間での電流検出信号の授受は通信手段により行われ、
信号配線の新たな追加を不要としている。なお、定置充電器と車載充電器間での信号授受のための通信接続は、急速充電時のコネクタＣＮ₂の接続と同時に行われる。

次に充電動作について説明する。
定置充電器を使用するときには、コネクタＣＮ₂を車載充電器の受け側と接続した後、第２のスイッチを開状態とし、第１のスイッチＭＣ₁を閉じてバッテリーＢの両端に定置充電器を接続する。これにより、定置充電器から第１のスイッチＭＣ₁を通してバッテリーＢに充電電流が流れ、その電流は電流検出器ＣＳ₂に検出されて充電電流設定器ＩＳ₂₁により設定された設定値との偏差分が算出され、電流アンプＰＩ₂、パルス幅変換器ＰＷＣ₂およびインバータＴＲ₂を介して充電電流を制御して急速充電を行う。

充電が進み、満充電になって押込み充電が必要となったときに第２のスイッチＭＣ₂を閉じ、第１のＭＣ₁を開にする。更に電流検出器ＣＳ₂から電流検出器ＣＳ₁に切替えて充電電流を制御する。このときの充電電流はＤＣＬ₂→ＣＳ₂→ＣＮ₂→ＭＣ₂→ＤＣＬ₁→ＣＳ₂→Ｂの経路で流れる。このように、充電電流は車載充電器の平滑リアクトルＤＣＬ₁と電流検出器ＣＳ₁を通るので、車載充電器の押込み充電と同じ充電電流精度が実現できる。

したがって、この実施例によれば、定置充電器の平滑リアクトルＤＣＬ₂のインダクタンスは、押込み充電を考慮することなく小さくでき、また、電流検出器ＣＳ₂も特別に高精度のものを使うこともない。

一般に、車載充電器と定置充電器間の信号授受のための通信は、電流制御には使用してないことで１０ｍｓ程度と遅いものとなっている。実施例１では、車載充電器と定置充電器間の信号の授受は通信手段を用いて行っているが、その際、
車載充電器の電流検出器ＣＳ₁によって検出された電流を定置充電器側に取り込むとき、通信速度が遅いと電流検出も遅くなる。このため、交流電源ＡＣ側で電圧変動があったときに電流制御が追いつかず過電流が流れるなどの不具合がでる虞が生じる。

過電流などを防止するための対策として、通信速度を速くする部品選択をすればよいが高価になる。また、通信手段に頼らず、スイッチＭＣ₂の接続時と同様に電流検出器ＣＳ₁と電流アンプＰＩ₂間を直接電線で接続することも考えられるが、その際、微小信号である電流検出器ＣＳ₁による検出信号が長い信号線を通して電流アンプＰＩ₂の端子（減算部）に入力されることになって、ノイズが混入して信頼性が低下する。

そこで、実施例２では、図２で示すように定置充電器側に積分回路Ａ₁とゲイン調整回路Ａ₂を設けて通信速度の遅れをカバーするものである。ゲイン調整回路Ａ₂には定置充電器側の電流検出器ＣＳ₂によって検出された電流信号が入力され、その出力は減算部Ｓ₂とＳ₃に出力される。減算部Ｓ₃には、車載充電器側の電流検出器ＣＳ₁によって検出された電流信号が入力されて差信号が演算され、その差分は積分回路Ａ₁に入力されて積分演算される。演算された積分信号はゲイン調整回路Ａ₂に出力されてゲイン調整用の抵抗値を可変することで所定のゲインに調整し、ゲイン調整回路Ａ₂の出力は減算部Ｓ₂に出力されて充電電流の設定値との差分を求めるよう構成される。

図２のように構成されたゲイン調整部は、急速充電時ではゲイン調整回路Ａ₂のゲインは１として変更しない。急速充電を開始し、充電電流設定が徐々に小さくなって、充電電流が予め決められた所定の電流値となって押込み充電の領域に入ったとき、制御部からの切換指令によりゲイン調整回路Ａ₂の出力と電流検出器ＣＳ₁の検出値の差分を積分回路Ａ₁で積分し、その出力でゲイン調整回路Ａ₂の出力が、電流検出器ＣＳ₁の出力と同じになるようにゲインを調整する。
電流検出器ＣＳ₂の検出誤差に最も影響するのは周囲温度であり、その変化は遅いので積分回路Ａ₁の応答は数秒で十分である。したがって、電流検出器ＣＳ₁の検出値を通信手段を通して送信し、送信速度が遅くても良い。

この実施例によれば、電流アンプＰＩ₂への電流検出入力は電流検出器ＣＳ₂で
あることから、応答は急速充電時と変わらず、充電途中で交流電源ＡＣの変動があっても過電流になることはなく安定して充電が可能となる。
なお、温度などによりゲインだけでなく零点もずれるが、これは押込み充電を始める前にオフセットすればよく、必要なら所定時間経過後に充電電流を０にして再度オフセットしてもよい。また、充電器回路をハード構成してオペアンプで表示しているが、ソフト構成してもよいことは勿論である。

ＲＦ… 整流器
ＴＲ… インバータ
ＴＦ… 絶縁トランス
ＤＣＬ… 平滑リアクトル
ＣＳ… 電流検出器
Ｂ… バッテリー
ＭＣ… スイッチ
ＩＳ… 充電電流設定器
ＰＩ… 電流アンプ
Ａ２… ゲイン調整回路
Ａ１… 積分器
Ｃ… コンデンサ
Ｓ… 減算部

Claims

インバータによって直流を交流に変換し、変換された交流をさらに直流に変換した後、平滑リアクトル、電流検出器を通してバッテリーを充電する車載充電器を電気車に搭載すると共に、前記車載充電器と同様な機能構成の充電器を定置充電器として設置し、前記バッテリーに対する急速充電時に定置充電器から充電電流を供給する制御方法において、
前記急速充電時に、充電電流が予め定められた押込み充電領域にまで低下したとき、定置充電器からの充電電流を、前記車載充電器の平滑リアクトルおよび電流検出器に流通させ、この電流検出器による検出電流値と前記定置充電器の充電電流設定値の差分に応じて定置充電器のインバータを制御することを特徴とした電気車用充電器の制御方法。
インバータによって直流を交流に変換し、変換された交流をさらに直流に変換した後、平滑リアクトル、電流検出器を通してバッテリーを充電する車載充電器を電気車に搭載すると共に、前記車載充電器と同様な機能構成の充電器を定置充電器として設置し、前記バッテリーに対する急速充電時に定置充電器から充電電流を供給する制御装置において、
前記急速充電時に、前記バッテリーに第１のスイッチを介して定置充電器を接続し、この定置充電器からの充電電流路と前記車載充電器の平滑リアクトルの電流流入路間を第２のスイッチを介して接続し、充電電流が予め定められた押込み充電領域にまで低下したとき、第２のスイッチを閉路して第１のスイッチを開路し、車載充電器の電流検出器による検出電流値と前記定置充電器の充電電流設定値の差分に応じて前記定置充電器のインバータを制御することを特徴とした電気車用充電器の制御装置。
前記車載充電器の電流検出器による検出電流値の定置充電器への伝送は、無線による通信で行うことを特徴とした請求項１記載の電気車用充電器の制御装置。
前記定置充電器側に、定置充電器の検出電流値を入力するゲイン調整回路と車載充電器の電流検出器による検出電流値を入力する積分器を設け、前記急速充電時の押込み充電領域にまで充電電流が低下したとき、車載充電器の電流検出器による検出電流値と前記ゲイン調整回路の出力との差分を前記積分器で積分し、この積分信号によってゲイン調整回路のゲインを調整するよう構成したことを特徴とした請求項３記載の電気車用充電器の制御装置。