JP2018148637A - 充電装置、及び車載電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高電圧バッテリ及び低電圧バッテリそれぞれに対して脈動が少ない充電電流の供給が可能な充電装置を提供すること。
【解決手段】外部電源と接続され、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータから入力される直流電力を電圧変換して第１のバッテリに対して供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力側において、前記第１のバッテリ側に対して並列となるように接続され、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータから入力される直流電力を電圧変換して第２のバッテリに対して供給する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの間に直列に接続されたインダクタンス素子と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、充電装置、及び車載電源装置に関する。
近年のハイブリッド自動車、電気自動車又はその他の種々の電動装置には、高電圧系統の電源となる高電圧バッテリ、低電圧系統の電源となる低電圧バッテリ、及びこれらのバッテリを充電する充電装置が搭載されている。
かかる充電装置として、外部電源からの交流電力を直流電力に変換する充電回路、及び充電回路の出力電圧を電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータを含んで構成される充電装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１１−０６２０１８号公報
ところで、充電装置においては、できるだけ脈動を含まない充電電流をバッテリに対して供給することが望まれる。脈動の激しい充電電流がバッテリに対して供給された場合、当該バッテリにおいては、例えば、当該バッテリを構成する複数の電池セルの各々のセル電圧にばらつきが生じたり、又は、電池セル内における化学反応が確実に進行せず、未反応のイオンが生成される等、良好でない充電状態が生じるおそれがある。
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、高電圧バッテリ及び低電圧バッテリそれぞれに対する柔軟な充電動作を可能としつつ、当該高電圧バッテリ及び低電圧バッテリそれぞれに対して脈動が少ない充電電流の供給が可能な充電装置、及び車載電源装置を提供することを目的とする。
前述した課題を解決する主たる本開示は、
外部電源から受電した電力を充電電圧の異なる第１及び第２のバッテリに対して充電可能な充電装置であって、
前記外部電源と接続され、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータから入力される直流電力を電圧変換して前記第１のバッテリに対して供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力側において、前記第１のバッテリ側に対して並列となるように接続され、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータから入力される直流電力を電圧変換して前記第２のバッテリに対して供給する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの間に直列に接続されたインダクタンス素子と、
を備える、充電装置である。
本開示に係る充電装置によれば、高電圧バッテリ及び低電圧バッテリそれぞれに対して柔軟な充電動作が可能であると共に、当該高電圧バッテリ及び低電圧バッテリそれぞれに対して供給する充電電流の脈動を抑制することができる。
実施形態に係る充電装置の全体構成の一例を示す図 実施形態に係る充電装置の回路構成の一例を示す図
以下、図１〜図２を参照して、一実施形態に係る充電装置の構成の一例について説明する。尚、本実施形態に係る充電装置は、例えば、電気自動車等に車載され、バッテリと共に車載電源装置を構成する。
図１は、本実施形態に係る充電装置１の全体構成の一例を示す図である。図２は、本実施形態に係る充電装置１の回路構成の一例を示す図である。
尚、図１、図２中において、Ｌａはハイサイド側の電力ライン（以下、「ハイサイドラインＬａ」とも称する）、Ｌｂはローサイド側の電力ライン（以下、「ローサイドラインＬｂ」とも称する）を示す。図中では、高電圧バッテリＢ１及び低電圧バッテリＢ２それぞれから電気負荷に対して給電する電力ラインは省略している。
充電装置１は、外部電源Ｓと接続され、当該外部電源Ｓから受電した電力の電力変換を行って、高電圧バッテリＢ１と低電圧バッテリＢ２に対して給電する装置である。尚、充電装置１は、端子Ｃ１ａ、Ｃ１ｂを介して外部電源Ｓと接続され、端子Ｃ２ａ、Ｃ２ｂを介して高電圧バッテリＢ１と接続され、端子Ｃ３ａ、Ｃ３ｂを介して低電圧バッテリＢ２と接続されている。
充電装置１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インダクタンス素子４０、及びＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。
尚、本実施形態に係る充電装置１は、電力モジュールの小型化要請により、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０、及びインダクタンス素子４０を同一の筐体内に一体的に収納している。
外部電源Ｓは、高電圧バッテリＢ１に対して充電を行う際に、接続プラグ等を介して充電装置１と接続される電源である。外部電源Ｓは、例えば、６０Ｈｚ、２００Ｖの単相交流電力を供給する商用電源であって、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０の入力段に対して交流電力を供給する。
高電圧バッテリＢ１は、例えば、駆動モータ等に給電する主バッテリである。高電圧バッテリＢ１は、低電圧バッテリＢ２よりも高電圧の直流電力によって充電（以下、「充電電圧」とも称する）が行われ、当該高電圧の直流電力を出力することが可能である。高電圧バッテリＢ１としては、例えば、４８Ｖ系のリチウムイオン二次電池が用いられる。
高電圧バッテリＢ１は、正極が第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側のハイサイドラインＬａに接続され、負極が第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側のローサイドラインＬｂに接続されており、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０から受電可能に構成されている。又、高電圧バッテリＢ１は、当該ハイサイドラインＬａ及びローサイドラインＬｂを介して、低電圧バッテリＢ２に対して給電することも可能となっている。
低電圧バッテリＢ２は、例えば、低電圧系の補機モジュール等に給電する補機バッテリである。低電圧バッテリＢ２は、高電圧バッテリＢ１よりも低電圧の直流電力によって充電が行われ、当該低電圧の直流電力を出力することが可能である。低電圧バッテリＢ２としては、例えば、１２Ｖ系の鉛蓄電池が用いられる。
低電圧バッテリＢ２は、正極が第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力側のハイサイドラインＬａに接続され、負極が第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力側のローサイドラインＬｂに接続されており、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０から受電可能に構成されている。
ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、外部電源Ｓに接続され、交流電力を直流電力に変換して、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０に対して給電する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１０は、例えば、整流回路１１及び平滑化コンデンサ１２を備えている。尚、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０の出力段に、更に、力率改善回路等を設けてもよい。
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０の出力側に接続され、直流電力の電圧を変換して、高電圧バッテリＢ１に対して供給する。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０としては、スイッチング駆動方式のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられ、より好適には、ＬＬＣ共振コンバータ回路が用いられる。
図２には、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０としてＬＬＣ共振コンバータ回路（以下、「ＬＬＣ共振コンバータ回路２０」とも称する）を適用した回路構成の一例を示している。
ＬＬＣ共振コンバータ回路２０は、一次巻線と二次巻線を有するトランス２６を備えている。ＬＬＣ共振コンバータ回路２０は、トランス２６の一次側には、ハイサイドスイッチ２１及びローサイドスイッチ２２（本発明の「スイッチング駆動部」に相当）を備え、ハーフブリッジ回路を構成する。そして、ＬＬＣ共振コンバータ回路２０は、ハーフブリッジ回路の出力側には、共振用コンデンサ２３及び共振用インダクタ２４を備え、直列共振回路を構成する。尚、トランス２６の一次巻線に並列接続されているインダクタ２５は、トランス２６に生じた励磁リアクトルである。
又、ＬＬＣ共振コンバータ回路２０は、トランス２６の二次側には、ダイオード２７ａ及び２７ｂ並びに平滑化コンデンサ２８を備え、整流回路を構成している。
又、ＬＬＣ共振コンバータ回路２０は、スイッチング信号を生成する制御回路２９を備えている。ＬＬＣ共振コンバータ回路２０は、当該制御回路２９が出力するスイッチング信号により、ハイサイドスイッチ２１とローサイドスイッチ２２を交互にオン／オフ制御して、これによって、入力された直流電力を所定の電圧に電圧変換して出力する。
第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側に接続され、直流電力の電圧を変換（ここでは、降圧）して、低電圧バッテリＢ２に対して供給する。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側において、高電圧バッテリＢ１とは、並列接続されている。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０としては、スイッチング駆動方式のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられ、より好適には、降圧チョッパ回路が用いられる。
図２には、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０として降圧チョッパ回路（以下、「降圧チョッパ回路３０」とも称する）を適用した回路構成の一例を示している。
降圧チョッパ回路３０は、例えば、入力側平滑化コンデンサ３１、スイッチ素子３２、環流ダイオード３３、リアクトル３４、及び出力側平滑化コンデンサ３５を備えている。
入力側平滑化コンデンサ３１は、ハイサイドラインＬａとローサイドラインＬｂの間に接続されて、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側から入力される直流電力の電圧を平滑化する。スイッチ素子３２（本発明の「スイッチング駆動部」に相当）は、ハイサイドラインＬａの入力側と出力側の間に直列に接続されて、後段に通流させる電流を制御する。
リアクトル３４は、ハイサイドラインＬａ上に、スイッチ素子３２の後段に直列に接続されて、供給する電流に応じて、電磁エネルギーの蓄積と放出を行う。環流ダイオード３３は、スイッチ素子３２の後段で、且つ、リアクトル３４の前段において、ハイサイドラインＬａとローサイドラインＬｂの間に接続されて、スイッチ素子３２がオンする期間には電流を阻止し、スイッチ素子３２がオフする期間にはリアクトル３４に蓄えられた電磁エネルギーを放出させる方向に電流を流す。出力側平滑化コンデンサ３５は、ハイサイドラインＬａとローサイドラインＬｂの間に接続されて、リアクトル３４から入力される電力の電圧を平滑化する。
又、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、スイッチング信号を生成する制御回路３６を備えている。そして、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、当該制御回路３６が出力するスイッチング信号により、スイッチ素子３２をオン／オフ制御して、これによって、入力された直流電力を所定の電圧に電圧変換して出力する。
インダクタンス素子４０は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間に直列に接続されて、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間で通流する電流の脈動を減衰させ、共振電流が発生することを防止する。
本実施形態に係るインダクタンス素子４０は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側のハイサイド側の電力ラインＬａにおいて、高電圧バッテリＢ１側に分岐する位置よりも後段に接続されている。そして、インダクタンス素子４０としては、上記機能を達成するため、より好適には、電力ラインＬａの寄生インダクタンスと比較して、例えば、１０倍以上のインダクタンスを有するものを用いる。なお、インダクタンス素子４０を高電圧バッテリＢ１側に分岐する位置よりも後段に設けることで、高電圧バッテリＢ１を充電する際の損失を低減することができる。
本実施形態に係る充電装置１の充電動作は、例えば、ＥＣＵ５０によって制御される。ＥＣＵ５０は、例えば、高電圧バッテリＢ１及び低電圧バッテリＢ２それぞれの充電率（State Of Charge）を監視し、当該充電率に基づいて、動作モードを決定する。そして、ＥＣＵ５０は、例えば、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の制御回路２９及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の制御回路３６に対して、動作モードを指令し、それぞれを当該動作モードにて動作を実行させる。
ＥＣＵ５０は、例えば、定電流定電圧充電（Constant Current-Constant Voltage：ＣＣＣＶ）方式にて、高電圧バッテリＢ１及び低電圧バッテリＢ２に対する充電を実行する。その際、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の制御回路２９及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の制御回路３６は、例えば、電力ラインＬａ又はＬｂに配設された電圧センサ又は電流センサ（図示せず）の検出信号に基づいて、フィードバック制御により、定電流又は定電圧となるように、スイッチング制御を行う。
本実施形態に係る充電装置１によれば、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作制御によって、高電圧バッテリＢ１に対して供給する電力の電圧調整を柔軟に行うことが可能であると共に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の動作制御によって、低電圧バッテリＢ２に対して供給する電力の電圧調整を柔軟に行うことが可能である。又、本実施形態に係る充電装置１は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して、高電圧バッテリＢ１から低電圧バッテリＢ２に対して充電することも可能となっている。
但し、本実施形態に係る充電装置１は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力段に、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を接続する構成となっているため、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０が同時にスイッチング動作をした場合、これらの間を通流する電流が脈動し、共振状態が発生するおそれがある。
ここで、図２を参照して、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間に発生する共振電流について、説明する。
図２の太点線Ｄは、仮に、インダクタンス素子４０が配設されなかった場合に通流する共振電流の一例を表している。
充電装置１においては、高電圧バッテリＢ１及び低電圧バッテリＢ２を同時に充電させるべく、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を同時にスイッチング動作させる場合がある。かかる場合、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間において、電流が脈動する。
その際、脈動した電流の周波数成分が、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間における閉回路（図２中では、コンデンサ２８、ハイサイドラインＬａ、コンデンサ３１及びローサイドラインＬｂで形成される閉回路）の共振周波数を含むと、大振幅の共振電流が発生することになる。その結果、当該共振電流が、高電圧バッテリＢ１に流入する等して、高電圧バッテリＢ１への充電電流を一定に制御することが困難になってしまう。
特に、本実施形態に係る充電装置１は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を同一の筐体内に一体的に収納する。換言すると、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力段と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の入力段は、インダクタンス素子４０を介して直結されている。そのため、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間の電力ラインＬａの寄生インダクタンスが小さく、仮に、インダクタンス素子４０を配設しない場合には、共振電流が発生しやすい状態となる。
この点、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間に直列にインダクタンス素子４０を配設することによって、電流の脈動を抑制でき、上記のような共振電流の発生も防止することができる。
又、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の入力段に流入する電流も安定するため、低電圧バッテリＢ２に対して供給する充電電流も、同様に、安定させることができる。
以上のように、本実施形態に係る充電装置１によれば、高電圧バッテリＢ１及び低電圧バッテリＢ２に対して供給する充電電流が一定になるように、高精度に制御することが可能となる。
尚、共振電流の通流する経路は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の回路構成及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の回路構成に応じて種々に変動し得るが、上記のように、インダクタンス素子４０を配設することによって、これらの回路構成によらず、当該共振電流の発生を防止することができる。
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず、種々に変形態様が考えられる。
上記実施形態では、外部電源Ｓの一例として、単相交流電源を示したが、三相交流電源等を用いてもよい。又、外部電源Ｓは、高電圧バッテリＢ１に対して充電を行う際に接続される構成に代えて、低電圧バッテリＢ２に対して充電を行う際に接続される構成としてもよい。
又、上記実施形態では、高電圧バッテリＢ１及び低電圧バッテリＢ２の一例として、それぞれ、リチウムイオン二次電池及び鉛蓄電池を示したが、これに代えて、ニッケル水素二次電池や電気二重層キャパシタ等の任意の種別の電池を用いてよい。又、高電圧バッテリＢ１及び低電圧バッテリＢ２は、両者が同じ種別の電池であってもよいし、複数の種別の電池を組み合わせて構成したものであってもよい。
又、上記実施形態では、充電装置１の回路構成の一例として、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力側に、高電圧バッテリＢ１と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を並列に接続する構成としたが、これに代えて、低電圧バッテリＢ２と第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０を並列に接続する構成としてもよいのは勿論である。
又、上記実施形態では、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の一例として、それぞれ、ＬＬＣ共振コンバータ回路２０及び降圧チョッパ回路３０を示した。しかしながら、上記したように、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２０及び第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０としては、それぞれ、スイッチング駆動方式の任意の電圧変換回路を適用することができる。但し、ＬＬＣ共振コンバータ回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力コンデンサ(平滑化コンデンサ２８に相当)の容量が他の回路方式と比べて比較的大きく構成され、特に、共振電流が生じやすいため、上記インダクタンス素子４０が特に有効である。
又、上記実施形態では、インダクタンス素子４０の構成の一例として、ハイサイドラインＬａ上の高電圧バッテリＢ１側に分岐する位置よりも後段に配設する態様を示した。しかしながら、インダクタンス素子４０の配設位置は、ローサイド側の電力ラインＬｂ上であってもよいし、又、高電圧バッテリＢ１側に分岐する位置よりも前段の電力ラインＬａ上であってもよい。他方、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３０の動作状態に応じて、インダクタンス素子４０をバイパスできるように、インダクタンス素子４０と並列に切り替えスイッチ等が配設されてもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本開示に係る充電装置によれば、高電圧バッテリ及び低電圧バッテリそれぞれに対して供給する充電電流の脈動を抑制することができる。
１ 充電装置
１０ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２０ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ
３０ 第２のＤＣ／ＤＣコンバータ
４０ インダクタンス素子
５０ ＥＣＵ
Ｓ 外部電源
Ｂ１ 高電圧バッテリ
Ｂ２ 低電圧バッテリ
Ｌａ、Ｌｂ 電力ライン

Claims (8)

  1. 外部電源から受電した電力を充電電圧の異なる第１及び第２のバッテリに対して充電可能な充電装置であって、
    前記外部電源と接続され、交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、
    前記ＡＣ／ＤＣコンバータから入力される直流電力を電圧変換して前記第１のバッテリに対して供給する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力側において、前記第１のバッテリ側に対して並列となるように接続され、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータから入力される直流電力を電圧変換して前記第２のバッテリに対して供給する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの間に直列に接続されたインダクタンス素子と、
    を備える、充電装置。
  2. 前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータは、共に、スイッチング駆動部を有する、
    請求項１に記載の充電装置。
  3. 前記第１のバッテリは、前記第２のバッテリよりも高電圧のバッテリである、
    請求項１に記載の充電装置。
  4. 前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータは、ＬＬＣ共振コンバータ回路を含んで構成される、
    請求項１に記載の充電装置。
  5. 前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータは、降圧チョッパ回路を含んで構成される、
    請求項１に記載の充電装置。
  6. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータ、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータ、及び前記インダクタンス素子は、同一の筐体内に一体的に収納された、
    請求項１に記載の充電装置。
  7. 前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力段と前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの入力段は、前記インダクタンス素子を介して直結された、
    請求項１に記載の充電装置。
  8. 請求項１に記載の充電装置を備える車載電源装置。
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