JP2015061493A - 充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】車載用充電器の非接触受電部と接触受電部は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用し、接触給電側の回路効率の低下を抑えることができる充電器の提供。【解決手段】接触受電部に絶縁型バスコンバータを設けたことにより、非接触受電部と接触受電部は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用し、接触給電側の回路効率低下を抑え、それに伴い蓄電装置は制御回路からの指示により非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで充電を制御する構成にした。【選択図】 図１

Description

本発明は、車載用充電器の非接触受電部と接触受電部の共用型充電器に関するものである。

電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の車載用をはじめとする充電器について、直接電源から電力を得る接触給電型と、運転者が自動車から降りなくても停車位置を合わせることで直接電源から電力を供給しなくても間接的に電力を得る非接触給電型の２つが存在している。将来的には、非接触給電型に移行されると予想されるが、公共の電力供給装置の設置の影響も考えられ、接触給電型と非接触給電型の共用型の需要が出てきている。

特許文献１には、非接触給電型（インダクティブ）と接触給電型（コンダクティブ）の共用型充電器の接続回路とシーケンスについて開示されている。特許文献１の図１の車両図では接触受電部３４と非接触受電部３６があり、充電器３２を共用として、充電ＥＣＵ４０の指示で制御されている。この充電器３２には電圧変換機能があり、特許文献１の図２〜図７はその実施形態となっている。

特許文献１の図７には、充電器３２についての構成のひとつが示されており、整流部１０２Ａとコンデンサの構成は平滑回路と力率改善回路を１つにまとめたブリッジレス力率改善回路部であり、インバータ１０４と絶縁トランス１０６の構成は絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ部であり、整流部１０８は、ＲＹ４がオン、ＲＹ５がオフの時は、整流回路として動作し、ＲＹ４がオフ、ＲＹ５がオンの時は、整流部１０８にあるスイッチをオンオフさせることで非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する。特許文献１の図７では、接触給電の場合は力率改善回路部と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ部と非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ部を直列に接続し、非接触受電部３６を非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ部に接続して非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ部を共用する構成になっている。

一般的に、従来の共用型充電器にはいくつかの充電制御方法があり、非接触給電と接触給電から入力される電力の双方を力率改善回路（昇圧コンバータ）に入力し力率改善回路の後段に接続された絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで充電制御を行うか、あるいは、非接触給電側は力率改善回路を介さず絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに入力し絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで充電制御を行うかという方法があるが、非接触給電側であっても必ず絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを経由するため、特許文献１の図７のような非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用する場合に比べて回路効率が悪いという問題があった。非接触給電側から入力される電力は高周波であるため高周波整流特性の良い整流素子を用いた非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることで回路効率がよくなっている。すなわち、特許文献１の図７の構成では、接触給電側から入力された電力は力率改善回路で力率改善され絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの整流機能で整流されるのに対し、非接触給電側から入力された電力は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで整流及び降圧される。

しかしながら、特許文献１の図７のような非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用する場合においても、接触給電動作時は、力率改善回路（昇圧コンバータ）と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの３つを経由することになり３つのＰＷＭ制御回路を使うことになってしまうので回路効率が低下してしまう。この為、従来では、単純に蓄電装置への制御を非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用して用いることは好ましいのであるが回路効率が低下してしまうので現実的に難しいという問題がある。

図２は、従来の共用型充電器１５についての回路構成図である。図２より、接触受電部は、第１の整流器５、力率改善回路６、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３、制御回路８、蓄電装置２から構成されている。また、車両ＥＣＵ９や制御回路８との通信手段があり、充電器１５の外部にある車両ＥＣＵ９からの指示によって制御回路８を動作させる。この構成によると、接触受電部では、充電器１５の外部にある商用交流電源４からの入力電圧は力率改善回路６（昇圧コンバータ）と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３の３つのコンバータを経由し、一方、非接触受電部で入力された電圧は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３のみを経由する。

図２より、接触受電部では３つのコンバータを通ることとなっており、さらに絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４はＰＷＭによる導通期間制御を行う為トランスと半導体スイッチの利用効率が悪く結果的に３つのＰＷＭ制御回路を使うこととなるので回路効率が低下してしまう。ＤＣ／ＤＣコンバータにＰＷＭと呼ばれるパルス幅制御方式が利用される場合は１つのコンバータにＰＷＭ制御回路構成が１つ必要となる。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、直流電圧を自由自在に変えることができるトランスを利用した回路であり入力は直流電圧だが内部で一旦交流電圧に変換しその交流電圧を所望の直流電圧に絶縁して変換する。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、力率改善回路６の出力電圧（ここでは中間電圧と呼ぶ）、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧、出力電流、内部の半導体スイッチ電流を検出し、例えば、蓄電装置２の状況を制御回路８で判断して、その情報をコントロールユニットである充電器１５の外部にある車両ＥＣＵ９に伝達し車両ＥＣＵ９から制御回路８への指令値による制御回路８からの指示によって充電が制御される。

一方、非接触受電部は、充電器１５の外部にある１次給電コイル１０から給電される２次受電コイル１１、第２の整流器１２、平滑回路１３を経た整流平滑された直流電圧を制御回路８からの非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３への指示で昇降圧し蓄電装置２を充電制御する。これは、不安定な非接触受電出力を非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３で安定化させている。このように、図２のような従来の非接触給電動作時は１次および２次給電コイル１０、１１を使用する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを必ず介して最終的に蓄電装置２を充電する。

特許文献２には、並列接続された絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に対し共通に従属接続された非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を備え、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路はトランスの１次側から２次側へ電力を連続的に伝送する機能を有し、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は出力電圧を安定化させる機能を有するというスイッチング電源装置が開示されている。前者の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、出力電圧を非制御にするかあるいは、ある限定した条件のみで制御を行ういわゆる、バスコンバータである。

国際公開ＷＯ２０１０／１３１３４８号公報 特開２００４−２６０８８７号公報

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであって、車載用充電器の非接触受電部と接触受電部は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用しながら接触給電側の回路効率の低下を抑えることができる充電器を提供する。

本発明は、接触受電部、非接触受電部、蓄電装置を備えた充電器であって、前記接触受電部は、第１の整流器、力率改善回路、絶縁型バスコンバータ、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、制御回路を備えており、前記非接触受電部は、前記接触受電部の前記非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと前記制御回路を共用して、さらに２次受電コイル、第２の整流器、平滑回路を備えており、前記絶縁型バスコンバータは、前記力率改善回路の出力側と接続され、前記非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側と接続されており、前記制御回路から前記非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータへの指示によって前記蓄電装置への充電の制御を行うことを特徴とする充電器である。

このように、接触受電部に絶縁型バスコンバータを設けたことにより、非接触受電部と接触受電部は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用しながら接触給電側の回路効率低下を抑えることを可能としている。それに伴い蓄電装置は制御回路からの指示により非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで充電を制御する構成になっている。

本発明により、車載用充電器の非接触受電部と接触受電部は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを共用しながら接触給電側の回路効率の低下を抑えることができる充電器を提供可能とする。

実施形態の共用型充電器の回路構成図である。 従来の共用型充電器の回路構成図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

図１は実施形態の共用型充電器１の回路構成図である。共用型充電器１では、非接触受電部と接触受電部は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３を共用する構成になっており、蓄電装置２は制御回路８から非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３への指示により充電を制御される。

接触受電部は、第１の整流器５、力率改善回路６、絶縁型バスコンバータ７、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３、制御回路８を備えている。また、車両ＥＣＵ９や制御回路８との通信手段があり、充電器１の外部にある車両ＥＣＵ９から制御回路８へ指示を与えている。

上記接触受電部は、電力の入力側である接触給電側であって充電器１の外部にある商用交流電源４に接続され、前記商用交流電源４の電圧が第１の整流器５に入力し入力周波数の２倍の周波数の全波整流電圧を得る。この全波整流電圧が力率改善回路６に入力され制御回路８によってＰＷＭ制御されて、第１の整流器５への入力電流を力率改善回路６が全波整流電圧を数十から数百ｋＨｚでスイッチングして、入力電流を正弦波に制御する。力率改善回路６は、昇圧コンバータとして動作し、第１の整流器５への入力電流を正弦波状にするのと同時に力率改善回路６からの出力電圧が絶縁型バスコンバータ７の入力電圧制御範囲に入るように制御する。ここで、全波整流とは交流電流の正負両波とも整流し、流れの向きを同じにすることである。

力率改善回路６は、電力を入力する給電動作である接触給電動作時に、第１の整流器５からの入力電流を正弦波状に変換し、そして、力率改善回路６からの出力電圧レベルを制御回路８の指示によって次の回路の絶縁型バスコンバータ７や絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）への入力電圧制御範囲内に制御することができる。なお、力率はエネルギー(電力)を送るのに現実の波形がどれだけ正弦波に近いかを表す数字であり理想的な状態で１である。

なお、回路効率とは電力伝送効率であり送ったエネルギー(電力)がどれだけ無駄なく変換されたかを表した数字である。また、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御とは、パルス信号を出力しておく時間（パルス幅）を長くしたり、短くしたりして、電流や電圧を制御する方式のことである、つまり、パルス波のデューティー比を変化させて変調させて制御させることである。パルス幅をパルス周期で割ったものがデューティ比である。ＤＣ／ＤＣコンバータにＰＷＭ制御方式が利用される場合は１つのコンバータにＰＷＭ制御回路構成が１つ必要となる。

絶縁型バスコンバータ７は、固定パルスで動作し、一般的にブリッジ回路を構成した場合、ブリッジの各チャンネルが５０％、トータルとして１００％に近い導通期間で動作する。これは、トランスの巻数比で絶縁型バスコンバータ７への入力電圧を出力電圧に直接変換することを意味する。例えば絶縁型バスコンバータ７への入力電圧が４００Ｖでトランスの巻数比が１次：２次で２：１の場合の出力電圧は２００Ｖとなる。同様に絶縁型バスコンバータ７への入力電圧が３００Ｖの場合は出力電圧は１５０Ｖとなる。このように絶縁型バスコンバータ７は入力電圧を単純にトランスの巻数比倍の出力電圧に変換できる。すなわち、絶縁型バスコンバータ７を用いることで回路効率を改善することができる。

絶縁型バスコンバータ７からの出力電圧は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３に入力される。充電器１の外部の車両ＥＣＵ９から制御回路８へ指示が行われ、そして、制御回路８から非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３への指示により蓄電装置２の充電が制御される。また、絶縁型バスコンバータ７の出力電圧は非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧範囲に入るような設定で良い。絶縁型バスコンバータ７に流れる電流が１００％に近い為にトランスと半導体スイッチの利用率が高くなるので回路効率の低下を最小限に抑えることができる。ここで、車両ＥＣＵ９とは、エンジンコントロールユニット（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、エンジンの運転における制御を電子制御された補助装置を用いて行う際に、それらを総合的に制御するマイクロコントローラ、コントロールユニットのことである。他に通信手段は、ＵＡＲＴ、ＣＡＮ、ＬＩＮなどが知られているが、特にこの構成を制限するものではない

図１より、非接触受電部は、２次受電コイル１１、第２の整流器１２、平滑回路１３、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３、制御回路８から構成されている。電力の入力側である給電側の１次側回路を構成する充電器１の外部にある１次給電コイル１０から電磁誘導あるいは磁気共鳴等で伝送された交流電力を受電側の２次側回路を構成する２次受電コイル１１で受電する。２次受電コイルで受電した交流電圧は、第２の整流器１２、平滑回路１３によって、整流平滑され、直流電圧となって非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３に入力される。充電器１の外部の車両ＥＣＵ９から制御回路８へ指示が行われ、制御回路８から非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３への指示により非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３から蓄電装置２への出力電圧と出力電流が制御されて蓄電装置２の充電が制御される。

各コイル１０、１１はコイル方式によらない。コイル方式には、電磁誘導方式や磁気共鳴方式等があるが各社から様々なものが提案されており完全な互換性はない。また、コイル駆動方法について、仮に電磁誘導システムか磁気共鳴システムかを判別できたとしても１次給電コイル１０と２次受電コイル１１の、それぞれの磁性体コア形状や巻線形状等の物理的構成、巻線数、巻数比、磁性体コア材料、１次給電コイル１０と２次受電コイル１１の間の距離、給電側の印加電圧、印加波形、駆動周波数、共振周波数、物理的な方向のずれの違いにより、結合係数や共振の鋭さが変化し１次給電コイルと２次受電コイルが常に良好な結合状態を維持できるとは限らない。故に、１次給電コイルと２次受電コイルを限定して設計されているのが一般的である。

実施形態においての特徴は、接触受電部に絶縁型バスコンバータ７を設けた点である。これにより、非接触受電部と接触受電部は非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３を共用して接触受電側の回路効率低下を抑えることを可能としている。それについて、以下に説明する。

非接触給電動作時は、すでに１次給電コイル１０と２次受電コイル１１は絶縁されているために、２次受電コイル１１から後段の処理は非絶縁で行われ、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続する必要はない。この為、図１の実施形態のように、非接触給電動作時には、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３を用いて蓄電装置２への充電制御を行うことで、１つのＤＣ／ＤＣコンバータ、１つのＰＷＭ制御回路の構成となっている。

ところで、接触給電動作時において、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３を用いて蓄電装置２を充電制御する場合、図１の実施形態の構成で絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の回路効率が最大となるのは導通期間が最大の時である。通常、ＰＷＭ制御された場合、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の入力電圧、出力電圧、絶縁トランスの巻数比、回路方式によって、デューティが制御されるのであるが、入出力電圧によってデューティ比が変化してしまうために回路効率の低下要因となっていた。

そこで、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に換えて絶縁型バスコンバータ７を用いた場合、ＰＷＭ制御が要らずに常時導通期間が最大での動作となるために絶縁部分の回路効率低下が抑えられる。これは、絶縁型バスコンバータ７からの出力電圧や出力電流が非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３への入力電圧範囲から外れない限り、制御回路８の指示により後段にある非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３で制御を行う為に、絶縁型バスコンバータ７は絶縁処理だけを行えばよい。この結果、接触受電部は３つのＤＣ／ＤＣコンバータと２つのＰＷＭ制御回路構成となり回路効率の低下を抑えることができる。１つのＤＣ／ＤＣコンバータ、１つのＰＷＭ制御回路の構成を少しでも少なくした方が回路効率の低下を防ぐことができる。

接触給電動作時において、絶縁型バスコンバータ７を使用するメリットは、ＰＷＭ制御回路が不要であるという点である。通常のＤＣ／ＤＣコンバータの場合は、出力電圧を制御するためのフィードバック制御回路が必要となるが、絶縁型バスコンバータ７の場合は、ほぼデューティ比１００％で動作するため、トランスの巻数比だけで出力電圧が決まる。フィードバック回路がないとＰＷＭ用発振器の基準三角波や鋸波と出力電圧を比較することができない為、フィードバック制御回路は不要となる。

絶縁型バスコンバータ７は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの中では一番安価な構成であり、必要とされる過電流保護と入力電圧の制御のうち、入力電圧は力率改善回路６の出力電圧なので絶縁型バスコンバータ７自体には入力電圧の制御は不要である。従って、過電流保護するための回路さえあれば容易に回路を構成することができる。

接触給電動作時において、絶縁型バスコンバータ７は、トランスを使った絶縁型回路の中では最も低損失であると言われている。ほぼデューティ比１００％で動作するために、半導体スイッチやダイオードもオンしている時間が長いので、実効電流は最も小さいところで動作し、トランスやチョークコイルも同様に実効電流は最も小さいところで動作する。従って、最も低損失で動作できるので、結果として形状を小さくできてコストを抑えることができる。

接触給電動作時において、絶縁型バスコンバータ７は、力率改善回路６の出力側と接続し非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力側と接続させる。力率改善回路６の出力側に絶縁型バスコンバータ７を接続させることで、力率改善回路６から絶縁型バスコンバータ７への入力電圧を力率改善回路６側に制御させることで、絶縁型バスコンバータ７からの出力電圧を安定化させることができる。また、絶縁型バスコンバータ７からの出力側を非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力側に接続することで、蓄電装置２への充電制御を非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３を用いて行うことができる。

実施形態の構成においては、アナログ制御、デジタル制御に関わらず効果を得ることができる。図１の構成では、制御回路を１つにまとめているが、力率改善回路６と絶縁型バスコンバータ７は別制御回路として独立動作させても良い。

実施形態の構成においては、非接触受電部と接触受電部を共用した充電器において、主に接触給電を行う場合に有用であり、回路効率の低下を最小限に抑えることができる。

１、１５ 共用型充電器
２ 蓄電装置
３ 非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ
４ 商用交流電源
５ 第１の整流器
６ 力率改善回路
７ 絶縁型バスコンバータ
８ 制御回路
９ 車両ＥＣＵ
１０ １次給電コイル
１１ ２次受電コイル
１２ 第２の整流器
１３ 平滑回路
１４ 絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (2)

1. 接触受電部、非接触受電部、蓄電装置を備えた充電器であって、
   前記接触受電部は、第１の整流器、力率改善回路、絶縁型バスコンバータ、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ、制御回路を備えており、
   前記非接触受電部は、前記接触受電部の前記非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと前記制御回路を共用して、さらに２次受電コイル、第２の整流器、平滑回路を備えており、
   前記絶縁型バスコンバータは、前記力率改善回路の出力側と接続され、前記非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの入力側と接続されており、
   前記制御回路から前記非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータへの指示によって前記蓄電装置への充電の制御を行うことを特徴とする充電器。
2. 前記制御回路は、前記充電器の外部にある車両ＥＣＵからの指示により動作されることを特徴とする請求項１に記載の充電器。
   
   
   

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