JP2016208735A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】残存電圧の発生を抑制することができる充電装置を提供する。【解決手段】充電装置１は、交流電力の入力側にコンデンサ５６を備えた充電対象（電動車両５）に充電を行う。交流電源３と電気的に接続する一対の電力線１０と、一対の電力線１０に介装される開閉器１２と、交流電源３からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部１５と、開閉器１２の切替制御を行う制御部（充電制御部）１３と、を有している。充電制御部１３は、開閉器１２を開く場合には、ゼロクロス検出部１５により検出した交流電圧のゼロクロスのタイミングに合わせて開閉器１２を開状態へと切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、充電装置に関する。

従来より、電気自動車やハイブリッドカーなどの電動車両に充電ケーブルを接続することで、当該電動車両に充電を行う充電装置が知られている。充電装置は、交流電源に接続する一対の電力線を有しており、この一対の電力線には交流電源を遮断するための開閉器が配設されている。充電中の場合、開閉器は閉じられており、一対の電力線の電力経路の一部をなしている。一方、充電が完了した場合、充電中であっても充電ケーブルの先端に位置付けられる充電コネクタが電動車両側のコネクタ端子から引き抜かれる場合、或いは漏電を検出した場合等には、開閉器は閉状態から開状態へと制御され、電動車両が交流電源から遮断される。

充電装置にはＡＣ２００Ｖといった商用の交流電源が用いられるため、電動車両には、交流から直流へ変換を行うＡＣ／ＤＣコンバータが設けられている。ＡＣ／ＤＣコンバータの交流入力側には、ノイズフィルタ用のコンデンサが設けられている。

充電装置の開閉器が開かれると、電動車両は交流電源との電気的な接続が遮断された状態となるが、電動車両側のコンデンサには電荷が残留したままとなることがある。この場合には、電動車両側のコネクタ端子に残存電圧が発生する可能性がある。この電圧が長時間にわたり残存した場合には、電動車両側の電子機器であるＥＣＵの誤動作を引き起こしたり、開閉器について溶着故障との誤判断がなされたりする可能性がある。

例えば特許文献１には、充電コネクタと開閉器との間に、コンデンサの残留電荷に起因する電力線の残存電圧を開放する放電手段を設けた車両用充電装置が開示されている。この放電手段は抵抗であり、開閉器が開かれたときに一対の電力線に接続されるように構成されている。

特許第５４６４７１３号公報

ところで、特許文献１に開示された手法において、放電手段による放電時間は、コンデンサの容量と放電手段である抵抗の放電抵抗値とによって決定される。ここで、コンデンサの容量は車両によって相違する。また、充電中に充電ケーブルの充電コネクタが素早く引き抜かれるようなシーンでは、開閉器を開状態にしてから充電コネクタが実際に引き抜かれるまでの時間が短いことから、わずかな時間で放電を完了するように放電抵抗値の設計を行う必要がある。

しかしながら、放電手段を用いた手法では、車両の仕様によっては残存電圧の発生を抑制することができない可能性がある。例えば、現行の車両に対応するように放電時間の設計をしたとしても、想定外の車両（例えば将来の車両）に対してはその放電時間が適当に当てはまるとはいえないからである。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、残存電圧の発生を抑制することができる充電装置を提供することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、交流電力の入力側にコンデンサを備えた充電対象に充電を行う充電装置を提供する。この充電装置は、交流電源と電気的に接続する一対の電力線と、一対の電力線に介装される開閉器と、交流電源からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部と、開閉器の切替制御を行う制御部と、を有し、制御部は、開閉器を開く場合には、ゼロクロス検出部により検出した交流電圧のゼロクロスのタイミングに合わせて開閉器を開状態へと切り替える。

ここで、本発明において、ゼロクロス検出部は、一対の電力線の間に互いに逆並列に接続される一対のフォトカプラと、一対のフォトカプラからの各出力側と入力側の端子とが接続されるコンパレータと、を有し、コンパレータからの出力信号の電圧の立ち上がりに応じて、交流電圧のゼロクロスを検出することが好ましい。

また、本発明において、ゼロクロス検出部は、一対の電力線の間に接続される一次コイル及び検出抵抗に接続される二次コイルからなるトランスと、二次コイルと検出抵抗との各接続点と入力側の各端子とが接続されるコンパレータと、を有し、コンパレータからの出力信号の電圧の立ち上がり又は電圧の立ち下がりに応じて、交流電圧のゼロクロスを検出することが好ましい。

本発明によれば、開閉器を開いても充電対象側のコンデンサには電荷が残留しないので、残存電圧の発生を抑制することができる。これにより、充電対象側の電子機器の誤動作や、開閉器について溶着故障との判断がなされることを抑制することができる。また、コンデンサを放電する必要もないので、様々な仕様の充電対象についても残存電圧の発生を抑制することができる。

第１の実施形態に係る充電装置及び電動車両の構成を模式的に示す説明図 第１の実施形態に係る充電装置のゼロクロス検出部を説明する説明図 開閉器の制御動作を示すフローチャート 第２の実施形態に係る充電装置のゼロクロス検出部を説明する説明図

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る充電装置１及び当該充電装置１により充電される電動車両５の構成を模式的に示す説明図である。この充電装置１は、電動車両５（具体的にはバッテリ５２）を充電するためのものであり、充電ケーブル２を介して電動車両５と接続される。充電ケーブル２の基端側は充電装置１に接続され、その先端側には充電コネクタ（図示せず）が設けられている。充電コネクタは、電動車両５側のコネクタ端子に対して着脱可能に構成されており、コネクタ端子に装着してその状態をロックしたり、ロックを解除してコネクタ端子から取り外したりすることができる。

充電装置１は、電動車両５の充電を行う充電スタンドとして街中に設置されるものであり、一対の電力線１０と、信号線１１と、開閉器１２と、充電制御部１３と、漏電ブレーカ１４と、ゼロクロス検出部１５とを主体に構成されている。

一対の電力線１０は、充電ケーブル２の充電コネクタと交流電源３との間を接続する電力線である。交流電源３には、ＡＣ２００Ｖといった商用の電源を用いることができる。

信号線１１は、充電ケーブル２の充電コネクタと充電制御部１３との間を接続する信号線である。この信号線１１により、充電装置１と電動車両５との間の通信経路が形成される。

開閉器１２は、一対の電力線１０に介装されており、一対の電力線１０を遮断したり接続したりするものである。開閉器１２は、充電制御部１３から出力される制御信号により開閉状態が制御される。開閉器１２が閉じられると、交流電源３から充電コネクタまでの電力経路が形成され、一方、開閉器１２が開かれると、交流電源３から充電コネクタまでの電力経路が遮断される。

充電制御部１３は、充電装置１全体の制御を司るものである。この充電制御部１３は、信号線１１を介して電動車両５との間で通信を行ったり、充電ケーブル２の充電コネクタを引き抜くための操作を検出して当該充電コネクタが電動車両５側のコネクタ端子から引き抜かれることを判断したりすることができる。充電制御部１３としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。

本実施形態との関係において、充電制御部１３は、開閉器１２の切替制御を行う。充電開始時、充電制御部１３は開閉器１２を閉じて交流電力の供給を行う。一方、電動車両５の充電が完了した場合、或いは充電ケーブル２の充電コネクタが電動車両５側のコネクタ端子から引き抜かれる場合等には、充電制御部１３は開閉器１２を開いて一対の電力線１０を遮断する。

本実施形態の特徴の一つとして、充電制御部１３は、開閉器１２を開く場合には、後述するゼロクロス検出部１５により検出した交流電圧のゼロクロスのタイミングに合わせて開閉器１２を開状態へと切り替えることとしている。なお、充電制御部１３による、開閉器１２の切替制御の詳細については後述する。

漏電ブレーカ１４は、交流電源３から一対の電力線１０及び電動車両５に漏電による電流が流れていることを検出すると、一対の電力線１０を電気的に遮断する。漏電ブレーカ１４は、一対の電力線１０において最も交流電源３側に設けられている。なお、漏電ブレーカ１４が一対の電力線１０を電気的に遮断する手法としては、開閉器１２を利用してもよい。

ゼロクロス検出部１５は、交流電源３からの交流電圧のゼロクロスを検出するものであり、一対の電力線１０の間に設けられている。ここで、図２は、充電装置１のゼロクロス検出部１５を説明する説明図である。同図において、（ａ）はゼロクロス検出部１５の詳細な構成を示す説明図であり、（ｂ）はゼロクロス検出部１５から出力される検出信号と交流電圧との関係を示す説明図である。

ゼロクロス検出部１５は、一対のフォトカプラ１５０と、一対の検出抵抗１５２と、コンパレータ１５５とを備えている。

一対のフォトカプラ１５０は、逆並列に接続されている。個々のフォトカプラ１５０は、発光素子であるＬＥＤ１５０ａとフォトトランジスタ１５０ｂとで構成されている。ＬＥＤ１５０ａのアノードは検出抵抗１５２を介して一方の電力線１０に接続され、そのカソードは他方の電力線１０に接続されている。フォトトランジスタ１５０ｂのエミッタはグランドに接続され、そのコレクタはコンパレータ１５５の入力側の端子（非反転入力端子）に接続されている。また、フォトトランジスタ１５０ｂのコレクタには、動作電源（例えばＤＣ５Ｖ）がプルアップ抵抗１５４を介して接続されている。

コンパレータ１５５は、入力側の電圧に応じて出力信号を切り替えるものである。このコンパレータ１５５の出力信号は、ゼロクロスを示す検出信号として機能する。また、コンパレータ１５５には、ヒステリシスが設定されており、出力信号の電圧立ち上がりのタイミングが交流電圧のゼロクロスと一致するように調整されている。

このような構成のゼロクロス検出部１５によれば、以下に示す通り交流電圧のゼロクロスを検出する。まず、各フォトカプラ１５０のＬＥＤ１５０ａには、検出抵抗１５２を介して、半周期分の交流電圧が交互に印加される。交流電圧の電位が一定値以上の場合（具体的には、ＬＥＤ１５０ａの順方向降下電圧以上の場合）には、ＬＥＤ１５０ａが点灯し、これにより、フォトトランジスタ１５０ｂがオンする。フォトトランジスタ１５０ｂがオンの場合には、コンパレータ１５５の入力側にはＬｏｗレベル（例えば０Ｖ）の電圧が印加される。

一方、交流電圧の電位がゼロ近傍へと低下すると（具体的には、ＬＥＤ１５０ａの順方向降下電圧よりも小さい場合）、ＬＥＤ１５０ａが消灯し、これにより、フォトトランジスタ１５０ｂがオフする。フォトトランジスタ１５０ｂがオフの場合には、プルアップ抵抗１５４により、コンパレータ１５５の入力側にはＨｉｇｈレベル（例えば５Ｖ）の電圧が印加される。

そして、コンパレータ１５５は、入力側の電圧と、ヒステリシスにより設定される電圧条件とに基づいて、Ｌｏｗレベル又はＨｉｇｈレベルの信号を出力する。このようにしてゼロクロス検出部１５は交流電圧のゼロクロスを検出し、同図（ｂ）に示すように、その検出結果は検出信号の電圧立ち上がりとして把握される。

再び図１を参照するに、電動車両５は、モータによって走行する電気自動車である。なお、電動車両５は、電気モータとガソリンエンジンとの併用によって走行するプラグインハイブリッド車などであってもよい。電動車両５は、一対の電力線５０と、信号線５１と、バッテリ５２と、ＡＣ／ＤＣコンバータ５３と、車載充電器５４と、開閉器５５と、コンデンサ５６と、ＥＣＵ５７とで構成されている。

一対の電力線５０は、電動車両５側のコネクタ端子とバッテリ５２との間を接続する電力線である。この一対の電力線５０は、充電ケーブル２の充電コネクタが電動車両５のコネクタ端子に接続されることで、充電装置１の一対の電力線１０と電気的に接続し、これにより、交流電源３とバッテリ５２との間が電気的な接続がされる。

信号線５１は、電動車両５側のコネクタ端子とＥＣＵ５７との間を接続する信号線である。この信号線５１は、充電ケーブル２の充電コネクタが電動車両５のコネクタ端子に接続されることで、充電装置１の信号線１１と電気的に接続し、これにより、充電装置１の充電制御部１３とＥＣＵ５７との間が電気的な接続される。

バッテリ５２は、電力を充電したり放電したりすることが可能な二次電池である。バッテリ５２は、例えば、単一のセル又は複数のセルからなる電池モジュールを複数個直列に接続した組電池で構成されている。バッテリ５２をなす個々のセルとしては、リチウムイオン電池等を用いることができる。

ＡＣ／ＤＣコンバータ５３は、電動車両５に入力する交流電力を直流電力へと変換するものである。

車載充電器５４は、バッテリ５２への充電を制御するものである。なお、本実施形態では、電動車両５が車載充電器５４を備え、バッテリ５２への充電を制御している。しかしながら、この車載充電器５４の機能を充電装置１が担う場合には、電動車両５への車載充電器５４の搭載は省略することができる。

開閉器５５は、一対の電力線５０に介装されており、一対の電力線１０を遮断したり接続したりするものである。この開閉器５５は、ＥＣＵ５７から出力される制御信号により開閉状態が制御される。

コンデンサ５６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５３の交流入力側における一対の電力線５０の間に設けられている。このコンデンサ５６は、交流電力に含まれる高調波成分を除去するフィルタとして機能する。

ＥＣＵ５７は、電動車両５全体の制御を行ったり、充電装置１の充電制御部１３との間で通信を行ったりする。ＥＣＵ５７としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。

このような構成の充電装置１及び電動車両５において、充電時には、充電ケーブル２の充電コネクタが電動車両５側のコネクタ端子に接続される。充電開始時、充電装置１の充電制御部１３は電動車両５のＥＣＵ５７と通信を行い、これにより、充電の開始が指示される。充電装置１の開閉器１２と電動車両５の開閉器５５には、これらを動作させる制御信号が各々出力される。この制御信号により、各開閉器１２，５５が閉じることで、充電が開始される。

これに対して、充電終了時には、この状態を示す信号が車載充電器５４から電動車両５のＥＣＵ５７に入力される。ＥＣＵ５７は開閉器５５に制御信号を出力し、開閉器５５を閉じる。同様に、ＥＣＵ５７は、充電装置１の充電制御部１３と通信を行い、充電制御部１３に電力線１０の遮断要求を出力する。

以下、充電制御部１３による開閉器１２の制御動作について説明する。ここで、図３は、開閉器１２の制御動作を示すフローチャートである。

まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、充電制御部１３は、遮断要求があったか否かを判断する。このステップ１０において肯定判定された場合、すなわち、遮断要求があった場合には、ステップ１１に進む。一方、ステップ１０において否定判定された場合、すなわち、遮断要求がない場合には、ステップ１０に戻る。

なお、本実施形態では、電動車両５側のＥＣＵ５７から遮断要求がなされることを前提に説明を行っている。しかしながら、遮断要求は電動車両５側からなされる以外にも、例えば充電ケーブル２の充電コネクタを引き抜く操作を検知した場合や、漏電を検出した場合のように充電制御部１３自身が判断し、遮断要求を判断してもよい。また、これ以外にも、外部装置から充電装置１へと遮断要求がなされるものであってもよい。

ステップ１１（Ｓ１１）において、充電制御部１３は、ゼロクロス検出部１５から検出信号を読み込む。

ステップ１２（Ｓ１２）において、充電制御部１３は、ゼロクロス検出部１５が交流電圧のゼロクロスを検出したか否かを判断する。ステップ１２において肯定判定された場合、すなわち、ゼロクロスを検出した場合には、ステップ１３（Ｓ１３）に進む。一方、ステップ１２において否定判定された場合、すなわち、ゼロクロスを検出していない場合には、ステップ１１の処理に戻る。

ステップ１３において、充電制御部１３は、開閉器１２に対して、これを開状態へ制御する制御信号を出力する。この制御信号に応じて開閉器１２が動作することで、交流電圧のゼロクロスのタイミングに合わせて開閉器１２が開き、一対の電力線１０が遮断されることとなる。

このように本実施形態において、充電装置１は、交流電力の入力側にコンデンサ５６を備えた電動車両５に充電を行う装置である。この充電装置１は、交流電源３と電気的に接続する一対の電力線１０と、一対の電力線１０に介装される開閉器１２と、交流電源３からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部１５と、開閉器１２の切替制御を行う充電制御部１３と、を有している。この充電制御部１３は、開閉器１２を開く場合には、ゼロクロス検出部１５により検出した交流電圧のゼロクロスのタイミングに合わせて開閉器１２を開状態へと切り替える。

この構成によれば、開閉器１２を開く際に、電動車両５側のコンデンサ５６には電荷が残留しない状態でこれがなされるので、電動車両５側のコネクタ端子における残存電圧の発生を抑制することができる。これにより、電動車両５側の電子機器であるＥＣＵ５７の誤動作や、開閉器１２について溶着故障との判断がなされることを抑制することができる。また、コンデンサ５６を放電する必要もないので、放電時間を設定する必要がなく、車両の仕様に拘わらず残存電圧の発生を抑制することができる。

また、本実施形態において、ゼロクロス検出部１５は、一対の電力線１０の間に互いに逆並列に接続された一対のフォトカプラ１５０と、一対のフォトカプラ１５０からの出力信号が入力されるコンパレータ１５５と、を有している。このゼロクロス検出部１５は、コンパレータ１５５からの出力信号の電圧の立ち上がりに応じて、交流電圧のゼロクロスを検出する。

この構成によれば、交流電圧のゼロクロスが、コンパレータ１５５からの出力信号（検出信号）の電圧の立ち上がりとして表れることとなる。これにより、交流電圧のゼロクロスを精度よく検出することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る充電装置１について説明する。この第２の実施形態に係る充電装置１が第１の実施形態のそれと相違する点は、ゼロクロス検出部の構成である。第１の実施形態と共通する点についての説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。ここで、図４は、第２の実施形態に係る充電装置１のゼロクロス検出部１６を説明する説明図である。同図において、（ａ）はゼロクロス検出部１６の詳細な構成を示す説明図であり、（ｂ）はゼロクロス検出部１６から出力される検出信号と交流電圧との関係を示す説明図である。

本実施形態において、ゼロクロス検出部１６は、トランス１６０と、検出抵抗１６２と、コンパレータ１６３と、レベル変換回路１６４とを備えている。

トランス１６０は、一次コイル１６０ａと二次コイル１６０ｂとで構成されており、一次コイル１６０ａに入力された電圧を変圧して二次コイル１６０ｂから出力する。一次コイル１６０ａは、一対の電力線１０の間に接続されている。一方、二次コイル１６０ｂには、検出抵抗１６２が接続されている。

コンパレータ１６３は、入力側の電圧に応じて出力信号を切り替えるものである。コンパレータ１６３の入力側には、二次コイル１６０ｂと検出抵抗１６２との各接続点が接続されている。具体的には、一方の接続点とコンパレータ１６３の非反転入力端子（＋）とが接続され、他方の接続点とコンパレータ１６３の反転入力端子（−）とが接続されている。

レベル変換回路１６４は、コンパレータ１６３の出力を所定の電圧レベルに変換して、これを検出信号として出力する回路である。

このような構成のゼロクロス検出部１６によれば、以下に示す通り交流電圧のゼロクロスが検出される。まず、一次コイル１６０ａには、所定の周期で極性が変動する交流電圧が印加される。一次コイル１６０ａに交流電圧が印加されると、検出抵抗１６２には、二次コイル１６０ｂを通じて変圧された交流電圧が印加される。

この際、二次コイル１６０ｂから出力される電圧が一方の極性の場合には、非反転入力端子（＋）の電圧が反転入力端子（−）のそれよりも高くなり、コンパレータ１６３の出力信号は正の最大電圧に達する。一方、二次コイル１６０ｂから出力される電圧が他方の極性の場合には、非反転入力端子（＋）の電圧が反転入力端子（−）の端子のそれよりも低くなり、コンパレータ１６３の出力信号は負の最大電圧に達する。

そして、コンパレータ１６３の出力信号はレベル変換回路１６４により所定の電圧レベルに変換され、これが検出信号として出力される。

このように、ゼロクロス検出部１６は交流電圧のゼロクロスを検出し、同図（ｂ）に示すように、その検出結果は検出信号の電圧立ち上がり又は電圧立ち下がりとして把握される。

このように本実施形態において、ゼロクロス検出部１６は、一対の電力線１０の間に接続される一次コイル１６０ａ及び検出抵抗１６２に接続される二次コイル１６０ｂからなるトランス１６０と、二次コイル１６０ｂと検出抵抗１６２との各接続点と入力側の各端子（非反転入力端子、反転入力端子）とが接続されるコンパレータ１６３と、を有している。このゼロクロス検出部１６は、コンパレータ１６３からの出力信号の電圧の立ち上がり又は電圧の立ち下がりに応じて、交流電圧のゼロクロスを検出する。

この構成によれば、交流電圧のゼロクロスが、コンパレータ１６３からの出力信号（検出信号）の電圧の立ち上がり又は電圧の立ち下がりとして表れることとなる。これにより、交流電圧のゼロクロスを精度よく検出することができる。

以上、本発明の実施形態に係る充電装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能であることはいうまでもない。例えば、本実施形態では電動車両に充電を行う充電装置を前提に説明したが、本発明は、交流電力の入力側にコンデンサを備えた充電対象に充電を行う充電装置として広く利用可能である。

１ 充電装置
１０ 電力線
１１ 信号線
１２ 開閉器
１３ 充電制御部（制御部）
１４ 漏電ブレーカ
１５ ゼロクロス検出部
１５０ フォトカプラ
１５０ａ ＬＥＤ
１５０ｂ フォトトランジスタ
１５２ 検出抵抗
１５４ プルアップ抵抗
１５５ コンパレータ
１６ ゼロクロス検出部
１６０ トランス
１６０ａ 一次コイル
１６０ｂ 二次コイル
１６２ 検出抵抗
１６３ コンパレータ
１６４ レベル変換回路
２ 充電ケーブル
３ 交流電源
５ 電動車両
５０ 電力線
５１ 信号線
５２ バッテリ
５３ ＡＣ／ＤＣコンバータ
５４ 車載充電器
５５ 開閉器
５６ コンデンサ
５７ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 交流電力の入力側にコンデンサを備えた充電対象に充電を行う充電装置において、
   交流電源と電気的に接続する一対の電力線と、
   前記一対の電力線に介装される開閉器と、
   前記交流電源からの交流電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部と、
   前記開閉器の切替制御を行う制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記開閉器を開く場合には、前記ゼロクロス検出部により検出した前記交流電圧のゼロクロスのタイミングに合わせて前記開閉器を開状態へと切り替えることを特徴とする充電装置。
2. 前記ゼロクロス検出部は、
   前記一対の電力線の間に互いに逆並列に接続される一対のフォトカプラと、
   前記一対のフォトカプラからの各出力側と入力側の端子とが接続されるコンパレータと、を有し、
   前記コンパレータからの出力信号の電圧の立ち上がりに応じて、交流電圧のゼロクロスを検出することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。
3. 前記ゼロクロス検出部は、
   前記一対の電力線の間に接続される一次コイル及び検出抵抗に接続される二次コイルからなるトランスと、
   前記二次コイルと前記検出抵抗との各接続点と入力側の各端子とが接続されるコンパレータと、を有し、
   前記コンパレータからの出力信号の電圧の立ち上がり又は電圧の立ち下がりに応じて、交流電圧のゼロクロスを検出することを特徴とする請求項１に記載された充電装置。

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