JP2021145447A - 電源装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電源回路部で発生するノイズが重畳することを抑制することが可能な電源装置および車両を提供する。【解決手段】電源装置は、単相電源および三相電源に接続可能に構成される電源装置において、第１のスイッチング素子を有する第１の電源回路部と、第２のスイッチング素子を有する第２の電源回路部と、第１の電源回路部と第２の電源回路部とが、異なる駆動周波数で動作するように第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、電源装置および車両に関する。

従来、電源装置には、スイッチング素子を有する電源回路部（例えば、力率改善回路やＤＣ／ＤＣ変換回路）が含まれる。電源回路部では、スイッチング素子におけるスイッチング動作に起因してノイズが発生するが、発生するノイズのレベルが、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference）規格に定められた規定値を満たす必要がある。

従来では、フィルタ回路におけるＥＭＩ対策部品（例えば、コンデンサやコイル）の追加や、駆動回路の周波数のノイズレベルを分散させるスペクトラム拡散法により、上記のノイズを低減している。また、特許文献１には、基準とする電圧波形に応じてスイッチング素子の駆動周波数を変動させることで、ノイズを低減する構成が開示されている。

また、電源装置には、例えば車載充電器等のように、大電力を確保するために同一の電源回路部（充電回路）が複数搭載されたものが知られている。このような複数の電源回路部を搭載する電源装置では、各電源回路部のそれぞれを同一の駆動周波数で駆動している。これにより、各電源回路部の設計検証が不要になり、設計工数が削減される。

特開２０１３−１５０５３０号公報

しかしながら、各電源回路部のそれぞれを同一の駆動周波数で動作させると、各電源回路部で発生するノイズが重畳してしまう。この重畳したノイズのピークが、上記のＥＭＩ規格を満たさない場合が起こり得る。

本開示の目的は、複数の電源回路部で発生するノイズが重畳することを抑制することが可能な電源装置および車両を提供することである。

本開示に係る電源装置は、
単相電源および三相電源に接続可能に構成される電源装置において、
第１のスイッチング素子を有する第１の電源回路部と、
第２のスイッチング素子を有する第２の電源回路部と、
前記第１の電源回路部と前記第２の電源回路部とが、異なる駆動周波数で動作するように前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する制御部と、
を備える。

本開示に係る車両は、
第１のスイッチング素子を有する第１の電源回路部と、
第２のスイッチング素子を有する第２の電源回路部と、
前記第１の電源回路部と前記第２の電源回路部とが、異なる駆動周波数で動作するように前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する制御部と、
を備える。

本開示によれば、複数の電源回路部で発生するノイズが重畳することを抑制することができる。

本開示の実施の形態に係る電源装置が適用された車両を示す図である。 単相電源に接続された電源装置が適用された車両を示す図である。 ノイズの周波数特性を示す図である。 変形例に係るノイズの周波数特性を示す図である。

以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本開示の実施の形態に係る電源装置１００が適用された車両１を示す図である。

図１に示すように、電源装置１００は、例えば、車両１に搭載されるバッテリー２を充電するための充電装置であり、外部の交流電源から電力が供給されることで動作する。電源装置１００は、外部電源として、単相電源および三相電源１０を接続可能に構成されている。

図１では、接地線Ｇに接続される中性点Ｎ１を中心にＹ結線された交流電源１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを有する三相電源１０が電源装置１００に接続された例を示している。中性点Ｎ１には、交流電源１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各接地端部が接続されている。接地線Ｇは、グランドに対応する線である。

電源装置１００は、電源端子１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ、接地端子１０２、交流フィルタ１１０、第１電源回路部１２０Ａ、第２電源回路部１２０Ｂ、第３電源回路部１２０Ｃおよび制御部１３０等を有する。第１電源回路部１２０Ａは、本開示の「第２の電源回路部」に対応する。第２電源回路部１２０Ｂは、本開示の「第１の電源回路部」に対応する。

電源端子１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃは、三相電源１０における交流電源１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各非接地端部Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が接続される端子であり、第１電力線Ａ１、第２電力線Ｂ１および第３電力線Ｃ１のそれぞれに接続される。

接地端子１０２は、三相電源１０の接地端部に対応する三相電源１０の中性点Ｎ１、つまり、接地線Ｇに接続される。また、接地端子１０２は、電力線Ｄを介して電源装置１００における第４電力線Ａ２、第５電力線Ｂ２および第６電力線Ｃ２に接続される。

交流フィルタ１１０、第１電源回路部１２０Ａ、第２電源回路部１２０Ｂ、第３電源回路部１２０Ｃは、単相電源または三相電源１０から供給される電力をバッテリー２に充電する電力に変換するための回路である。

交流フィルタ１１０は、外部電源から入力される交流電力のノイズを除去する。交流フィルタ１１０は、電源端子１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃおよび接地端子１０２に接続された各電力線に設けられる。

第１電源回路部１２０Ａ、第２電源回路部１２０Ｂおよび第３電源回路部１２０Ｃは、１つの電力線Ｄに対して並列に接続されており、整流回路１２１と、力率改善回路１２２と、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３とを有する。

なお、以下の説明において、第１電源回路部１２０Ａ、第２電源回路部１２０Ｂおよび第３電源回路部１２０Ｃを、特に区別しない場合、単に「電源回路部」と称する。また、各電源回路部における各回路を区別する際には、第１電源回路部１２０Ａに属する回路には、各回路の符号にＡを付し、第２電源回路部１２０Ｂに属する回路には、各回路の符号にＢを付し、第３電源回路部１２０Ｃに属する回路には、各回路の符号にＣを付すものとする。

第１電源回路部１２０Ａにおける整流回路１２１Ａ、力率改善回路１２２ＡおよびＤＣ／ＤＣ変換回路１２３Ａは、第１電力線Ａ１および第４電力線Ａ２に設けられている。力率改善回路１２２Ａは、本開示の「第２の力率改善回路」に対応する。ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３Ａは、本開示の「第２のＤＣ／ＤＣ変換回路」に対応する。

第２電源回路部１２０Ｂにおける整流回路１２１Ｂ、力率改善回路１２２ＢおよびＤＣ／ＤＣ変換回路１２３Ｂは、第２電力線Ｂ１および第５電力線Ｂ２に設けられている。力率改善回路１２２Ｂは、本開示の「第１の力率改善回路」に対応する。ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３Ｂは、本開示の「第１のＤＣ／ＤＣ変換回路」に対応する。

第３電源回路部１２０Ｃにおける整流回路１２１Ｃ、力率改善回路１２２ＣおよびＤＣ／ＤＣ変換回路１２３Ｃは、第３電力線Ｃ１および第６電力線Ｃ２に設けられている。

整流回路１２１は、例えば、４つのダイオードで構成されるダイオードブリッジ回路を有しており、外部電源から出力された交流電力を直流電力に変換し、力率改善回路１２２に出力する。

力率改善回路１２２は、スイッチング素子１２４をそれぞれ含んで構成されており、それぞれが同一種類の回路である。力率改善回路１２２は、制御部１３０によりスイッチング素子１２４等のスイッチングを制御されることにより、整流回路１２１から入力された電力の力率を改善する。なお、図１、図２における力率改善回路１２２には、便宜上スイッチング素子１２４のみが示されている。力率改善回路１２２Ａのスイッチング素子１２４は、本開示の「第２のスイッチング素子」に対応する。力率改善回路１２２Ｂのスイッチング素子１２４は、本開示の「第１のスイッチング素子」に対応する。

ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３は、スイッチング素子１２５をそれぞれ含んで構成されており、それぞれが同一種類の回路である。ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３は、制御部１３０によりスイッチング素子１２５等のスイッチングを制御されることにより、力率改善回路１２２から出力された直流電力を、バッテリー２を充電可能な直流電力に変換する。なお、図１、図２におけるＤＣ／ＤＣ変換回路１２３には、便宜上スイッチング素子１２５のみが示されている。ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３Ａのスイッチング素子１２５は、本開示の「第２のスイッチング素子」に対応する。ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３Ｂのスイッチング素子１２５は、本開示の「第１のスイッチング素子」に対応する。

このように電源装置１００によって電力変換された直流電力がバッテリー２に出力されることにより、バッテリー２が充電される。

また、図２に示すように、電源装置１００が単相電源２０に接続された場合、単相電源２０の非接地端部Ｌは、電源端子１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃの何れかに接続される。また、接地端部Ｎ２は、接地端子１０２および接地線Ｇに接続される。図２には、単相電源２０の非接地端部Ｌが電源端子１０１Ａに接続された例を示している。

これにより、単相電源２０における電力が、第１電力線Ａ１を介して第１電源回路部１２０Ａに供給され、第１電源回路部１２０Ａから出力された直流電力がバッテリー２に供給される。

制御部１３０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）および入出力回路を備えている。制御部１３０は、予め設定されたプログラムに基づいて、各スイッチング素子を制御するように構成されている。

制御部１３０は、３つの電源回路部が異なる駆動周波数で動作するように、各電源回路部のスイッチング素子を制御する。

制御対象となるスイッチング素子が力率改善回路１２２に属するものである場合、例えば、各力率改善回路１２２に係る制御ＩＣ（Integrated Circuit）の外付けピンに接続される抵抗素子の抵抗値がそれぞれ異なる。これにより、各力率改善回路１２２の駆動周波数がそれぞれ異なる周波数に設定される。

制御対象となるスイッチング素子がＤＣ／ＤＣ変換回路１２３に属するものである場合、例えば、各ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３のスイッチング素子１２５への制御信号がそれぞれ異なる信号に設定される。つまり、制御部１３０は、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３に含まれるスイッチング素子１２５への制御信号が３つの電源回路部のそれぞれで異なるように、制御信号を設定する。

なお、以下の説明では、スイッチング素子が、力率改善回路１２２およびＤＣ／ＤＣ変換回路１２３の何れかに属するものであるかを特に区別しないが、当該スイッチング素子は３つの電源回路部における同じ種類の回路に属するものとする。

制御部１３０は、第２電源回路部１２０Ｂのスイッチング素子の駆動周波数をｆとした場合、第１電源回路部１２０Ａのスイッチング素子の駆動周波数をｆに対してΔｆ小さくし、第３電源回路部１２０Ｃのスイッチング素子の駆動周波数をｆに対してΔｆ大きくする。

３つの電源回路部における２つの電源回路部のスイッチング素子における各駆動周波数の差分であるΔｆは、０より大きく、上記２つの電源回路部の一方のスイッチング素子の駆動周波数（例えば、第２電源回路部１２０Ｂの駆動周波数であるｆ）よりも小さく設定される。つまり、第２電源回路部１２０Ｂのスイッチング素子の駆動周波数は、第１電源回路部１２０Ａのスイッチング素子の駆動周波数より大きく、第１電源回路部１２０Ａのスイッチング素子の駆動周波数の２倍より小さい。また、第３電源回路部１２０Ｃのスイッチング素子の駆動周波数は、第２電源回路部１２０Ｂのスイッチング素子の駆動周波数より大きく、第２電源回路部１２０Ｂのスイッチング素子の駆動周波数の２倍より小さい。なお、ここでいう２つの電源回路部は、第１電源回路部１２０Ａおよび第２電源回路部１２０Ｂ、第２電源回路部１２０Ｂおよび第３電源回路部１２０Ｃであるが、第１電源回路部１２０Ａおよび第３電源回路部１２０Ｃであっても良い。

具体的には、２つの電源回路部のそれぞれのスイッチング素子の各駆動周波数は、電源装置１００（２つの電源回路部のそれぞれ）で発生するノイズの周波数特性のピーク位置がそれぞれ異なるように設定される。

例えば、図３に示すように、各電源回路部で発生するノイズの周波数特性が互いに重ならないように、各電源回路部の駆動周波数が設定される。図３には、一番左側のノイズの周波数特性が、第１電源回路部１２０Ａで発生したノイズに係るものである。真ん中のノイズの周波数特性が、第２電源回路部１２０Ｂで発生したノイズに係るものである。一番右側のノイズの周波数特性が、第３電源回路部１２０Ｃで発生したノイズに係るものである。

こうすることで、各電源回路部で発生するノイズの周波数特性が重畳することを抑制することができる。

ところで、各電源回路部を同一の駆動周波数で駆動させると、図３における破線で示すように、３つの電源回路部のノイズが重畳し、重畳ノイズの周波数特性のピークが大きくなる。図３においては、破線のノイズは、実線のノイズと比較して３倍になっている。

それに対し、本実施の形態では、駆動周波数を各電源回路部で異ならせることで、各ノイズの周波数特性のピークに係る周波数がずれるので、全ての回路で発生するノイズの周波数特性のピークが大きくなることを抑制することができる。

また、各ノイズの周波数特性が重畳しないようにすることで、全ての回路で発生するノイズの周波数特性のピークが、各電源回路部のノイズの周波数特性のピークと略等しくすることができるので、全体のノイズの周波数特性のピークが大きくなることをさらに抑制することができる。

また、制御部１３０は、スイッチング素子の動作の基準となる基準周波数に応じて、各電源回路部のそれぞれのスイッチング素子を異なる駆動周波数で動作させるようにしても良い。基準周波数は、例えば、図３における第２電源回路部の駆動周波数であるｆ等、従来のように各電源回路部を同一の駆動周波数で駆動させる場合の駆動周波数である。

例えば、スイッチング素子の駆動周波数が大きくなるにつれスイッチングロスが増大する課題が発生するので、制御部１３０は、スイッチング素子の駆動周波数がある程度大きい場合、各電源回路部を異なる駆動周波数で動作させる。こうすることで、上記課題の発生を抑制することができるとともに、ＥＭＣ（Electro Magnetic Compatibility）の規格を満たすことができる。

また、スイッチングロスに起因する課題がさほどではなく、また、各電源回路部のノイズの周波数特性が重畳した場合のピークがさほどではないような程度に、スイッチング素子の駆動周波数が小さい場合、制御部１３０は、各電源回路部の駆動周波数を異ならせない。つまり、この場合、制御部１３０は、各電源回路部を同一の駆動周波数で動作させる。

こうすることで、各電源回路部を同一の制御とすることができるので、制御を簡素化することができる。

以上のように構成された本実施の形態によれば、複数の電源回路部で発生するノイズが重畳することを抑制することができる。その結果、ＥＭＩ規格を満たすための対策部品を追加することなく、電源装置１００全体のノイズレベルを平均化することができる。

また、各電源回路部のノイズの周波数特性が重ならないようにすることで、ノイズの周波数特性のピークが大きくなることを抑制することができる。

また、各力率改善回路１２２の制御ＩＣに接続された抵抗素子の抵抗値をそれぞれ異ならせることで、各力率改善回路１２２のスイッチング素子１２４を異なる駆動周波数で制御できるので、駆動周波数の調整を行いやすくすることができる。

また、各ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３のスイッチング素子１２５の制御信号をそれぞれ異ならせることで、各ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３のスイッチング素子１２５を異なる駆動周波数で制御できるので、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２３で発生するノイズが大きくなることを抑制することができる。

なお、上記実施の形態では、３つの電源回路部の各ノイズの周波数特性が重ならないように各電源回路部の駆動周波数が設定されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、各ノイズの周波数特性が多少重なっていても良い。

ただし、各ノイズの周波数特性が重なることによる合成ノイズの周波数特性のピークが、各電源回路部のノイズの周波数特性のピークよりも小さくなるように駆動周波数が設定されることが好ましい。これにより、合成ノイズの周波数特性のピークが大きくなり過ぎることを抑制することができる。

また、上記実施の形態では、並列接続された各電源回路部における同一の種類の回路のスイッチング素子の駆動周波数を制御していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、電源回路部の後段に直列に接続された、他の電源回路部がある場合、電源回路部のスイッチング素子と、他の電源回路部に含まれるスイッチング素子との駆動周波数がそれぞれ異なるように制御しても良い。

また、上記実施の形態では、力率改善回路１２２のスイッチング素子１２４およびＤＣ／ＤＣ変換回路１２３のスイッチング素子１２５の両方を制御対象としていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、力率改善回路１２２のスイッチング素子１２４およびＤＣ／ＤＣ変換回路１２３のスイッチング素子１２５の一方を制御対象としても良い。

また、上記実施の形態では、３つの電源回路部を有する構成を例示したが、本開示はこれに限定されず、２つ以上の電源回路部を有する構成である限り、電源回路部を何個有する構成であっても良い。

また、上記実施の形態では、第２電源回路部１２０Ｂを「第１の電源回路部」とし、第１電源回路部１２０Ａを「第２の電源回路部」としていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、第３電源回路部１２０Ｃを「第１の電源回路部」とし、第２電源回路部１２０Ｂを「第２の電源回路部」としても良い。

また、上記実施の形態では、２つの電源回路部のそれぞれのスイッチング素子の各駆動周波数の差分がΔｆと固定値であったが、本開示はこれに限定されず、変動値としても良い。例えば、電源回路部の出力電圧値に基づいて、Δｆを調整するようにしても良い。

また、上記実施の形態では、各電源回路部で共通の交流フィルタ１１０が設けられていたが、本開示はこれに限定されず、電源回路部毎に交流フィルタが設けられていても良い。

また、上記実施の形態では、三相電源としてＹ結線の構成を例示したが、本開示はこれに限定されず、デルタ結線の構成であっても良い。

また、上記実施の形態では、電源装置として車両１に搭載されるバッテリー２を充電する充電装置を例示したが、本開示はこれに限定されず、充電装置以外の装置であっても良い。

また、上記実施の形態では、電源装置１００が車両１に搭載されていたが、本開示はこれに限定されず、車両１以外の装置に搭載されていても良い。また、上記実施の形態では接地線Ｇが設けられていたが本開示はこれに限定されない。車体をグランドとして使用し、各電力線をグランド接続するように構成してもよい。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示の電源装置は、複数の電源回路部で発生するノイズが重畳することを抑制することが可能な電源装置および車両として有用である。

１ 車両
２ バッテリー
１０ 三相電源
１０Ａ 交流電源
１０Ｂ 交流電源
１０Ｃ 交流電源
２０ 単相電源
１００ 電源装置
１０１Ａ 電源端子
１０１Ｂ 電源端子
１０１Ｃ 電源端子
１０２ 接地端子
１１０ 交流フィルタ
１２０Ａ 第１電源回路部
１２０Ｂ 第２電源回路部
１２０Ｃ 第３電源回路部
１２１ 整流回路
１２２ 力率改善回路
１２３ ＤＣ／ＤＣ変換回路
１２４ スイッチング素子
１２５ スイッチング素子
１３０ 制御部
Ａ１ 第１電力線
Ａ２ 第４電力線
Ｂ１ 第２電力線
Ｂ２ 第５電力線
Ｃ１ 第３電力線
Ｃ２ 第６電力線
Ｄ 電力線
Ｇ 接地線

Claims (10)

1. 単相電源および三相電源に接続可能に構成される電源装置において、
   第１のスイッチング素子を有する第１の電源回路部と、
   第２のスイッチング素子を有する第２の電源回路部と、
   前記第１の電源回路部と前記第２の電源回路部とが、異なる駆動周波数で動作するように前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する制御部と、
   を備える電源装置。
2. 前記第１の電源回路部と前記第２の電源回路部とは、並列に接続されている、
   請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御部は、前記第１の電源回路部および前記第２の電源回路部における同じ種類の回路に属するスイッチング素子を制御する、
   請求項１または請求項２に記載の電源装置。
4. 前記第１の電源回路部は、第１の力率改善回路を含み、
   前記第２の電源回路部は、第２の力率改善回路を含み、
   前記第１の力率改善回路の駆動周波数と、前記第２の力率改善回路の駆動周波数とは、異なる周波数に設定される、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の電源装置。
5. 前記第１の電源回路部は、第１のＤＣ／ＤＣ変換回路を含み、
   前記第２の電源回路部は、第２のＤＣ／ＤＣ変換回路を含み、
   前記制御部は、前記第１のＤＣ／ＤＣ変換回路に含まれるスイッチング素子への制御信号と、前記第２のＤＣ／ＤＣ変換回路に含まれるスイッチング素子への制御信号が異なるように、前記制御信号を設定する、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の電源装置。
6. 前記制御部は、前記スイッチング素子の動作の基準となる基準周波数に応じて、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを異なる駆動周波数で動作させる、
   請求項５に記載の電源装置。
7. 前記第１のスイッチング素子の駆動周波数は前記第２のスイッチング素子の駆動周波数より大きく、前記第２のスイッチング素子の駆動周波数の２倍の周波数よりも小さい、
   請求項１〜６の何れか１項に電源装置。
8. 前記第１の電源回路部と前記第２の電源回路部とはノイズの周波数特性が互いに重ならないように設定される、
   請求項７に記載の電源装置。
9. 前記第１の電源回路部と前記第２の電源回路部とはノイズの合成ノイズの周波数特性のピークが、各ノイズの周波数特性のピークよりも小さくなるように設定される、
   請求項７に記載の電源装置。
10. 第１のスイッチング素子を有する第１の電源回路部と、
    第２のスイッチング素子を有する第２の電源回路部と、
    前記第１の電源回路部と前記第２の電源回路部とが、異なる駆動周波数で動作するように前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する制御部と、
    を備える車両。

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