JP2022044228A

JP2022044228A - 充電装置および充電装置の制御方法

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Publication number: JP2022044228A
Application number: JP2020149757A
Authority: JP
Inventors: 俊彦南井; Toshihiko Minamii
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: EP3965259A1; CN114148193B; US20220072963A1; US11926229B2; JP7302558B2; CN114148193A

Abstract

【課題】コストおよび重量を低減させつつ、突入電流の発生を抑制することである。【解決手段】インレットにコネクタが接続されたことを検知すると、ＥＣＵは、コンデンサＣ１のプリチャージを実行する（Ｓ１，３）。コンデンサＣ１のプリチャージが完了すると、ＥＣＵは、リレーＲＹ１を閉成状態にして、Ｕ相昇圧チョッパ回路を制御して、コンデンサＣ１の電圧（ＶＨ）を昇圧する。電圧ＶＨを第２目標電圧Ｖｔａｇ２まで昇圧すると、ＥＣＵは、リレーＲＹ２，ＲＹ３を閉成状態にする。【選択図】図５

Description

本開示は、充電装置および充電装置の制御方法に関する。

国際公開第２０１８／０１５２６３号（特許文献１）には、三相電源から受けた電力を用いて、車載のバッテリを充電する車載の充電装置が開示されている。この充電装置は、三相電源の各相電源との接続および遮断を切り替えるための３つのリレーを備えている。

国際公開第２０１８／０１５２６３号特開２０１５－２３６６３号公報

上記リレーが閉成されて、充電装置と三相電源とが接続された際に、三相電源から充電装置に突入電流が流れる可能性がある。そのため、突入電流の発生は、適切に抑制されることが望ましい。

その手法の１つとして、たとえば、充電装置において、リレーの各々に対してプリチャージ抵抗が設けることが考えられる。しかしながら、この場合には、各リレーに対してプリチャージ抵抗が設けられるため、コストの増加および重量の増加等を招く可能性がある。

また、コストおよび重量を低減させるために、たとえば、ある１つの相電源に対応するリレーに対してのみプリチャージ抵抗を設けることが考えれる。この場合には、初期においては、たとえば、３つのリレーを開放してプリチャージリレーを介したプリチャージが行なわれ、その後に３つのリレーが閉成される。しかしながら、三相電源の各相電源間における電圧振幅は等しいとは限らない。そのため、プリチャージ抵抗が設けられた相の相電源の電圧振幅よりも、他の相電源の電圧振幅の方が大きかった場合、上記の手法でプリチャージを行なったとしても、３つのリレーを閉成した際に、突入電流が流れてしまう可能性がある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コストおよび重量を低減させつつ、突入電流の発生を抑制することである。

この開示のある局面に係る充電装置は、三相電源から供給される交流電力をバッテリに充電する。この充電装置は、三相電源から供給された交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、第１変換回路からの出力電圧をバッテリの電圧に変換してバッテリに供給する第２変換回路と、三相電源の第１～第３相電源と第１変換回路との間にそれぞれ設けられる第１～第３リレーと、第１リレーに対して並列に接続されるプリチャージ抵抗と、第１変換回路、第２変換回路および第１～第３リレーを制御する制御装置とを備える。第１変換回路は、三相電源から供給される電力の力率を改善させるとともに、三相電源から供給される電圧を昇圧するＰＦＣ回路、および、ＰＦＣ回路から供給された直流電圧を平滑化して第２変換回路に供給するコンデンサを含む。三相電源との接続時において、制御装置は、第１～第３リレーを開放状態にして、プリチャージ抵抗を介してコンデンサをプリチャージし、プリチャージの完了後に、第１リレーを閉成状態にし、かつ、ＰＦＣ回路を制御してコンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧し、コンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧した後に、第２リレーおよび第３リレーを閉成状態にする。

この開示の他の局面に係る充電装置の制御方法は、三相電源から供給される交流電力をバッテリに充電する充電装置の制御方法である。充電装置は、三相電源から供給された交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、第１変換回路からの出力電圧をバッテリの電圧に変換してバッテリに供給する第２変換回路と、三相電源の第１～第３相電源と第１変換回路との間にそれぞれ設けられる第１～第３リレーと、第１リレーに対して並列に接続されるプリチャージ抵抗とを含む。第１変換回路は、三相電源から供給される電力の力率を改善させるとともに、三相電源から供給される電圧を昇圧するＰＦＣ回路、および、ＰＦＣ回路から供給された直流電圧を平滑化して第２変換回路に供給するコンデンサを含む。制御方法は、三相電源との接続時において、第１～第３リレーを開放状態にして、プリチャージ抵抗を介してコンデンサをプリチャージするステップと、プリチャージの完了後に、第１リレーを閉成状態にし、かつ、ＰＦＣ回路を制御してコンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧するステップと、コンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧した後に、第２リレーおよび第３リレーを閉成状態にするステップとを含む。

上記構成および方法によれば、制御装置は、第１～３リレーを開放状態にして、プリチャージ抵抗を介した第１相電源によるコンデンサのプリチャージを実行した後に、第１リレーを閉成状態にして、ＰＦＣ回路を制御して、コンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧させる。そして、制御装置は、昇圧が完了した後に第２リレーおよび第３リレーを閉成状態にする。すなわち、第２リレーおよび第３リレーが閉成される際には、コンデンサの電圧が目標電圧まで昇圧されている。これにより、たとえ第２相電源および／または第３相電源の電圧振幅が第１相電源の電圧振幅よりも大きい場合であっても、第２リレーおよび第３リレーを閉成状態にした際に、第２相電源および／または第３相電源からコンデンサに突入電流が流れることを抑制することができる。

また、第１～第３リレーのうち、第１リレーに対してのみプリチャージ抵抗を設ければ足りるので、第１～第３リレーの全リレーに対してプリチャージ抵抗を設ける場合に比べ、コストおよび重量を低減させることができる。

ある実施の形態においては、目標電圧は、三相電源のピーク電圧に所定値を加算した値以上の値に設定される。

目標電圧が三相電源のピーク電圧に所定のマージンを加算した値以上の値に設定されることにより、コンデンサの電圧が第２相電源および第３相電源のピーク電圧以上に昇圧される。これにより、第２リレーおよび第３リレーが閉成状態にされた際に、第２相電源および／または第３相電源からコンデンサに突入電流が流れることを抑制することができる。

ある実施の形態においては、ＰＦＣ回路は、第１変換回路と第２変換回路とを電気的に接続する電力線間に互いに並列に接続され、第１～第３相電源にそれぞれ対応して設けられた第１～第３アームと、第１～第３リレーおよび第１～第３アームの間にそれぞれ設けられた第１～第３リアクトルを含む。第１～第３アームの各々は、電力線間に互いに直列に接続された２つのスイッチング素子と、２つのスイッチング素子の各々に対して逆並列に接続されたダイオードとを含む。第１～第３リアクトルは、第１～第３アームにおける上記２つのスイッチング素子の接続点にそれぞれ接続される。コンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧する際に、制御装置は、第１リアクトルおよび第１アームを用いてコンデンサの電圧を昇圧させる。

上記構成によれば、第１リレーを閉成状態にし、第１リアクトルおよび第１アームを用いてコンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧させることができる。

本開示によれば、コストおよび重量を低減させつつ、突入電流の発生を抑制することができる。

充電システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。充電装置の構成の一例を詳細に示す回路ブロック図である。コンデンサＣ１のプリチャージを説明するための図である。三相電源が出力する三相交流電圧を説明するための図である。Ｕ相電圧の電圧振幅およびＷ相電圧の電圧振幅に対して、Ｖ相電圧の電圧振幅が大きい場合に、リレーＲＹ１～ＲＹ３を閉成状態にしたときの突入電流を説明するための図である。プレ制御のタイムチャートである。プレ制御の処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜充電システムの構成＞
図１は、充電システム９の全体構成を概略的に示すブロック図である。図１を参照して、充電システム９は、車両１と、三相電源９００とを備える。車両１と三相電源（外部電源）９００とは充電ケーブル８００により接続可能に構成されている。充電ケーブル８００は、コネクタ８１０、三相電源９００のコンセント９５０に機械的に接続可能に構成されたプラグ８２０、および、コネクタ８１０とプラグ８２０とを結ぶ電線８３０とを含む。

本実施の形態に係る車両１は、プラグインハイブリッド自動車である。しかしながら、車両１は、車両外部から供給される電力を用いて車載のバッテリを充電可能な車両であればよく、プラグインハイブリッド自動車に限られない。たとえば、車両１は、電気自動車または燃料電池自動車であってもよい。

車両１は、バッテリ１０と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）２０と、電力制御装置（ＰＣＵ：Power Control Unit）３０と、モータジェネレータ４１，４２と、動力伝達ギヤ５０と、エンジン６０と、駆動輪７０と、充電リレー（ＣＨＲ：Charge Relay）８０と、充電装置２００と、インレット９０と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００とを備える。

バッテリ（蓄電装置）１０は、リチウムイオン二次電池またはニッケル水素電池などの二次電池である。バッテリ１０は、ＳＭＲ２０を介してＰＣＵ３０に電気的に接続されている。バッテリ１０は、車両１の駆動力を発生させるための電力をＰＣＵ３０に供給する。また、バッテリ１０は、モータジェネレータ４１，４２により発電された電力を蓄える。なお、バッテリ１０に代えて電気二重層キャパシタなどのキャパシタを採用してもよい。

バッテリ１０には、電圧センサ１１、電流センサ１２および温度センサ１３が設けられている。電圧センサ１１は、バッテリ１０の電圧ＶＢを検出する。電流センサ１２は、バッテリ１０に入出力される電流ＩＢを検出する。温度センサ１３は、バッテリ１０の温度ＴＢを検出する。各センサは、その検出結果を示す信号をＥＣＵ１００に出力する。ＥＣＵ１００は、これらの検出値に基づいて、バッテリ１０の充放電を制御したり、バッテリ１０のＳＯＣを推定したりする。

ＳＭＲ２０は、バッテリ１０とＰＣＵ３０との間に電気的に接続されている。ＳＭＲ２０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、バッテリ１０とＰＣＵ３０との間での電力の供給と遮断とを切り替える。

ＰＣＵ３０は、いずれも図示しないが、コンバータおよびインバータを含む。コンバータは、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧する。インバータは、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、コンバータからの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ４１，４２に出力する。

モータジェネレータ４１，４２の各々は、交流回転電機であり、たとえば三相交流永久磁石型同期モータである。モータジェネレータ４１，４２からの出力トルクは、減速機および動力分割機構を含んで構成される動力伝達ギヤ５０を介して駆動輪７０に伝達される。

モータジェネレータ４１は、エンジン６０を始動させる際にはバッテリ１０の電力を用いてエンジン６０のクランクシャフトを回転させる。また、モータジェネレータ４１は、エンジン６０の動力を用いて発電することも可能である。モータジェネレータ４１によって発電された交流電力は、ＰＣＵ３０により直流電力に変換されてバッテリ１０に充電される。また、モータジェネレータ４１によって発電された交流電力がモータジェネレータ４２に供給される場合もある。

モータジェネレータ４２は、バッテリ１０からの供給電力およびモータジェネレータ４１による発電電力のうちの少なくとも一方を用いて駆動軸を回転させる。また、モータジェネレータ４２は、回生制動によって発電することも可能である。モータジェネレータ４２によって発電された交流電力は、ＰＣＵ３０により直流電力に変換されてバッテリ１０に充電される。

エンジン６０は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン等の内燃機関である。エンジン６０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、車両１が走行するための動力を発生する。

ＣＨＲ８０は、バッテリ１０と充電装置２００との間に電気的に接続されている。ＣＨＲ８０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、充電装置２００からバッテリ１０への電力の供給と遮断とを切り替える。

インレット９０は、充電ケーブル８００のコネクタ８１０が機械的に接続可能に構成される。三相電源９００からの電力は、充電ケーブル８００およびインレット９０を介して車両１に供給される。

充電装置２００は、ＣＨＲ８０を介してバッテリ１０に電気的に接続されているとともに、インレット９０に電気的に接続されている。充電装置２００は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、三相電源９００から供給される交流電力を直流電力に変換してバッテリ１０に出力する。

ＥＣＵ１００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力ポート等とを含んで構成されている。ＥＣＵ１００は、各センサおよび各機器からの信号ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、車両１が所望の走行状態となるように各種機器を制御する。ＥＣＵ１００により実行される主要な制御として、インレット９０に充電ケーブル８００のコネクタ８１０が接続されたことを検知した際に実行する「プレ制御」が挙げられる。このプレ制御については、後に詳細に説明する。

＜充電装置の構成＞
図２は、充電装置２００の構成の一例を詳細に示す回路ブロック図である。図２を参照して、充電装置２００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０とを含む。

ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０は、三相電源９００から供給された交流電力を直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０は、ヒューズＦ１～Ｆ３と、突入電流防止回路２１１と、力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correction）回路２１２と、電流センサ２１３と、コンデンサＣ１と、電圧センサ２１４とを含む。

ヒューズＦ１～Ｆ３の各々は、大電流が流れると、内蔵の合金部品が溶断するように構成されている。三相電源９００は、Ｕ相電源９１０と、Ｖ相電源９２０と、Ｗ相電源９３０とを含む。ヒューズＦ１は、Ｕ相電源９１０と突入電流防止回路２１１との間に電気的に接続されている。ヒューズＦ２は、Ｖ相電源９２０と突入電流防止回路２１１との間に電気的に接続されている。ヒューズＦ３は、Ｗ相電源９３０と突入電流防止回路２１１との間に電気的に接続されている。

突入電流防止回路２１１は、充電装置２００の電源投入時における、コンデンサＣ１への突入電流を防止するための回路である。突入電流防止回路２１１は、リレーＲＹ１～ＲＹ３と、プリチャージ抵抗Ｒ１とを含む。リレーＲＹ１は、ヒューズＦ１とＰＦＣ回路２１２との間に電気的に接続されている。リレーＲＹ１には、プリチャージ抵抗Ｒ１が並列に接続されている。リレーＲＹ２は、ヒューズＦ２とＰＦＣ回路２１２との間に電気的に接続されている。リレーＲＹ３は、ヒューズＦ３とＰＦＣ回路２１２との間に電気的に接続されている。リレーＲＹ１～ＲＹ３の各々は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、閉成状態と開放状態とを切り替える。

充電装置２００の電源投入の際（インレット９０にコネクタ８１０が接続された際）は、リレーＲＹ１～ＲＹ３は開放状態のまま、コンデンサＣ１のプリチャージが行なわれる。すなわち、プリチャージ抵抗Ｒ１を介した、Ｕ相電源９１０によるコンデンサＣ１のプリチャージが行なわれる。プリチャージ抵抗Ｒ１を介することにより、プリチャージ抵抗Ｒ１によって一部の電流が消費されて、コンデンサＣ１に流れ込む電流を小さくすることができるので、コンデンサＣ１へ突入電流が流れることが抑制される。

ＰＦＣ回路２１２は、入力された交流電力を整流および昇圧してＤＣ／ＤＣコンバータ２２０へ出力するとともに、入力電流を正弦波に近づけることで力率を改善する。ＰＦＣ回路２１２は、交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング回路と、スイッチング回路の入力側に設けられるリアクトルＬ１～Ｌ３とを含む。スイッチング回路は、Ｕ相アームＡＵと、Ｖ相アームＡＶと、Ｗ相アームＡＷとを含む。各相アームは、電力線ＰＬ１と電力線ＮＬ１との間に互いに並列に接続されている。Ｕ相アームＡＵは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を有する。Ｖ相アームＡＶは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を有する。Ｗ相アームＡＷは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を有する。各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のコレクタ－エミッタ間には、ダイオードＤ１～Ｄ６が逆並列にそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６および後述するスイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０の各々は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、バイポーラトランジスタ等を用いることができる。

リアクトルＬ１～Ｌ３は、各相アームＡＵ～ＡＷの中間点にそれぞれ接続されている。具体的には、リアクトルＬ１は、リレーＲＹ１とＵ相アームＡＵの中間点（スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続点）との間に電気的に接続されている。リアクトルＬ２は、リレーＲＹ２とＶ相アームＡＶの中間点（スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続点）との間に電気的に接続されている。リアクトルＬ３は、リレーＲＹ３とＷ相アームＡＷの中間点（スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６との接続点）との間に電気的に接続されている。

Ｕ相アームＡＵは、リアクトルＬ１とともにＵ相昇圧チョッパ回路を構成し、Ｕ相電源９１０からＰＦＣ回路２１２に入力される電圧を昇圧することができる。Ｖ相アームＡＶは、リアクトルＬ２とともにＶ相昇圧チョッパ回路を構成し、Ｖ相電源９２０からＰＦＣ回路２１２に入力される電圧を昇圧することができる。Ｗ相アームＡＷは、リアクトルＬ３とともにＷ相昇圧チョッパ回路を構成し、Ｗ相電源９３０からＰＦＣ回路２１２に入力される電圧を昇圧することができる。

電流センサ２１３は、ＰＦＣ回路２１２からの出力電流を検出し、その検出結果を示す信号をＥＣＵ１００に出力する。

コンデンサＣ１は、電力線ＰＬ１と電力線ＮＬ１との間に接続されている。コンデンサＣ１は、ＰＦＣ回路２１２から供給された直流電圧を平滑化してＤＣ／ＤＣコンバータ２２０に供給する。

電圧センサ２１４は、コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわちＡＣ／ＤＣコンバータ２１０とＤＣ／ＤＣコンバータ２２０とを結ぶ電力線ＰＬ１，ＮＬ１間の電圧ＶＨを検出し、その検出結果を示す信号をＥＣＵ１００に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０は、インバータ回路２２１と、トランスＴＲ１と、整流回路２２２と、チョークコイルＬ４と、電流センサ２２３と、コンデンサＣ２とを含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０からの出力電圧ＶＨを直流電圧ＶＤＣに変換する。

インバータ回路２２１は、スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０を含む。スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０は、ＥＣＵ１００からの制御信号（より詳細にはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号のデューティ）に基づいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ２１０から出力された直流電力を交流電力に変換してトランスＴＲ１の一次巻線に供給する。

トランスＴＲ１は、インバータ回路２２１からの交流電圧を、一次巻線と二次巻線との巻線比に応じた電圧値を有する交流電圧に変換する。

整流回路２２２は、ダイオードＤ１１～Ｄ１４を含む。ダイオードＤ１１～Ｄ１４は、ダイオードブリッジを形成し、トランスＴＲ１の二次巻線からの交流電力を整流して直流電力に変換する。

チョークコイルＬ４およびコンデンサＣ２は、整流回路２２２の出力ノード間に互いに直列に接続されている。チョークコイルＬ４およびコンデンサＣ２は、ＬＣフィルタを形成し、整流回路２２２から出力される直流電流に含まれる、スイッチング素子Ｑ７～Ｑ１０のスイッチング動作によって生じたリプル成分を除去する。

電流センサ２２３は、チョークコイルＬ４を流れる電流を検出し、その検出結果を示す信号をＥＣＵ１００に出力する。

＜プレ制御＞
ここで、三相電源９００から供給される電力によりバッテリ１０を充電する外部充電を開始するために、インレット９０に充電ケーブル８００のコネクタ８１０が接続されると、三相電源９００から充電装置２００に電源が投入される。上述のとおり、充電装置２００の電源投入の際は、コンデンサＣ１へ突入電流が流れることを抑制するために、プリチャージ抵抗Ｒ１を介した、Ｕ相電源９１０によるコンデンサＣ１のプリチャージが行なわれる。

図３は、コンデンサＣ１のプリチャージを説明するための図である。Ｕ相電源９１０からの電流の瞬時値が正側である場合には、図３に矢印ＡＲ１で示されるように、Ｕ相電源９１０からの電流は、プリチャージ抵抗Ｒ１、ダイオードＤ１を流れ、コンデンサＣ１を充電する。プリチャージ抵抗Ｒ１によって一部の電流が消費されて、コンデンサＣ１に流れ込む電流を小さくすることができるので、コンデンサＣ１への突入電流が防止される。

ＥＣＵ１００は、コンデンサＣ１の電圧ＶＨを監視し、電圧ＶＨが第１目標電圧Ｖｔａｇ１に到達した場合にコンデンサＣ１のプリチャージが完了したと判定する。第１目標電圧Ｖｔａｇ１は、たとえば、Ｕ相電源９１０の電圧のピーク電圧よりも所定電圧分小さい値に設定される。具体的には、Ｕ相電源９１０の電圧を検出する電圧センサ（図示せず）をさらに設け、当該電圧センサの検出値に基づいて、第１目標電圧Ｖｔａｇ１を設定する。たとえば、系統電圧の実効値が２４０Ｖであり、ピーク電圧が約３３９．４Ｖである場合を想定すると、第１目標電圧Ｖｔａｇ１は、当該ピーク電圧よりも所定電圧分小さい、３００Ｖ程度の値に設定される。所定電圧は、たとえば充電装置２００の仕様等に応じて設定される。

コンデンサＣ１のプリチャージの完了後には、たとえば、リレーＲＹ１～ＲＹ３を閉成状態にして、バッテリ１０の充電を行なうことが考えられる。しかしながら、三相電源９００の各相間で、電圧振幅が異なる場合がある。このような場合には、コンデンサＣ１のプリチャージが完了していたとしても、リレーＲＹ１～ＲＹ３を閉成状態にした際に、コンデンサＣ１へ突入電流が流れる可能性がある。以下、具体的に説明する。

図４は、三相電源９００が出力する三相交流電圧を説明するための図である。図４に示されるように、三相電源９００の電圧は、Ｕ相電源９１０からの電圧であるＵ相電圧ＵＬ、Ｖ相電源９２０からの電圧であるＶ相電圧ＶＬ、および、Ｗ相電源９３０からの電圧であるＷ相電圧ＷＬを含む。Ｕ相電圧ＵＬ、Ｖ相電圧ＶＬおよびＷ相電圧ＷＬはそれぞれ１２０度の位相差を有している。図４においては、Ｕ相電圧ＵＬが実線で、Ｖ相電圧ＶＬが一点鎖線で、Ｗ相電圧ＷＬが破線でそれぞれ示されている。

ここで、図４に示されるように、Ｕ相電圧ＵＬ、Ｖ相電圧ＶＬおよびＷ相電圧ＷＬの電圧振幅は、等しくなるとは限らない。たとえば、各相電源にかかっている負荷の程度の違い等によって、Ｕ相電圧ＵＬ、Ｖ相電圧ＶＬおよびＷ相電圧ＷＬ間の電圧振幅に差が生じる場合がある。図４には、一例として、Ｕ相電圧ＵＬの電圧振幅およびＷ相電圧ＷＬの電圧振幅に対して、Ｖ相電圧ＶＬの電圧振幅が大きくなっているケースが示されている。

図５は、Ｕ相電圧ＵＬの電圧振幅およびＷ相電圧ＷＬの電圧振幅に対して、Ｖ相電圧ＶＬの電圧振幅が大きい場合において、リレーＲＹ１～ＲＹ３を閉成状態にしたときに流れ得る突入電流を説明するための図である。

コンデンサＣ１のプリチャージが完了した状態において、リレーＲＹ１～ＲＹ３を閉成状態にすると、Ｕ相電圧ＵＬの電圧振幅およびＷ相電圧ＷＬの電圧振幅に対して、Ｖ相電圧ＶＬの電圧振幅が大きいため、図５に矢印ＡＲ２で示されるように、Ｖ相電源９２０からコンデンサＣ１に突入電流が流れてしまう。Ｖ相電源９２０からコンデンサＣ１に突入電流が流れると、ヒューズＦ１～Ｆ３が溶断してしまったり、不図示のブレーカが遮断されたりする可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、コンデンサＣ１のプリチャージが完了した後、リレーＲＹ１～ＲＹ３のうち、リレーＲＹ１だけを閉成状態にして、ＰＦＣ回路２１２を駆動させてコンデンサＣ１の電圧ＶＨを第２目標電圧Ｖｔａｇ２まで昇圧する。第２目標電圧Ｖｔａｇ２は、たとえば、車両１の仕向け先（たとえば、日本国内、欧州、北米、中国等）に応じて設定される。具体的には、たとえば、第２目標電圧Ｖｔａｇ２は、車両１の仕向け先における系統電源（三相電源９００）のピーク電圧Ｖｐｅａｋに所定の誤差Ｅｒｒ（たとえば１０％程度）を考慮し、さらに所定のマージンαを持たせた値に設定される。より詳細には、第２目標電圧Ｖｔａｇ２は、たとえば、以下の式（１）により表わされる。また、ピーク電圧Ｖｐｅａｋは、たとえば、以下の式（２）により表わされる。

Ｖｔａｇ２＝｛Ｖｐｅａｋ×（１＋Ｅｒｒ）｝＋α・・・（１）
Ｖｐｅａｋ＝√２×Ｖｒｍｓ・・・（２）
Ｖｒｍｓは、車両１の仕向け先における系統電源（三相電源９００）の電圧の実効値である。所定の誤差Ｅｒｒおよび所定のマージンαは、充電システム９の仕様および／または車両１の仕向け先の系統の特性等に基づいて、適宜設定することができる。

たとえば、実効値Ｖｒｍｓが２４０Ｖである場合を想定すると、上記式（２）に従って、ピーク電圧Ｖｐｅａｋが約３３９．４Ｖと算出される。これに、所定の誤差Ｅｒｒを１０％として、上記式（１）に従って、第２目標電圧Ｖｔａｇ２は、約３７３Ｖ＋αと算出される。所定のマージンαを、たとえば２０～３０Ｖ程度に設定し、第２目標電圧Ｖｔａｇ２は、４００Ｖ前後の値に設定される。

三相電源９００のピーク電圧Ｖｐｅａｋに所定の誤差Ｅｒｒを考慮し、さらに所定のマージンαを持たせた値を第２目標電圧Ｖｔａｇ２として設定し、コンデンサＣ１の電圧ＶＨを、この第２目標電圧Ｖｔａｇ２に昇圧しておく。そして、コンデンサＣ１の電圧ＶＨを第２目標電圧Ｖｔａｇ２まで昇圧させた後に、リレーＲＹ２，ＲＹ３を閉成状態にする。これにより、Ｕ相電圧ＵＬ、Ｖ相電圧ＶＬおよびＷ相電圧ＷＬの電圧振幅が等しくない場合であっても、リレーＲＹ１～ＲＹ３を閉成状態にしたときにコンデンサＣ１に突入電流が流れることを抑制することができる。

コンデンサＣ１の電圧ＶＨは、Ｕ相昇圧チョッパ回路により昇圧される。ＥＣＵ１００は、Ｕ相電圧ＵＬの瞬時値が正側であるタイミングで、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦ、かつ、スイッチング素子Ｑ２がＯＮとなるようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。そして、ＥＣＵ１００は、その後に、スイッチング素子Ｑ１がＯＮ、かつ、スイッチング素子Ｑ２がＯＦＦとなるようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。これにより、コンデンサＣ１の電圧ＶＨが昇圧される。なお、ＥＣＵ１００は、Ｕ相電圧ＵＬの瞬時値が正側であるタイミングで、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦ、かつ、スイッチング素子Ｑ２がＯＮとなるようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御し、その後に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がＯＦＦとなるようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御してもよい。なお、本実施の形態においては、三相電源９００から充電装置２００に流れる電流方向を正とする。

図６は、プレ制御のタイムチャートである。図６の縦軸には電圧ＶＨが示され、横軸には時間が示されている。

時刻ｔ０において、バッテリ１０の外部充電を開始するために、インレット９０に充電ケーブル８００のコネクタ８１０が接続されたものとする。ＥＣＵ１００は、インレット９０とコネクタ８１０との接続を検知すると、プレ制御を開始する。具体的には、ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ１～ＲＹ３を開放状態に保ち、かつ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をＯＦＦに保つ。これにより、プリチャージ抵抗Ｒ１を介した、Ｕ相電源９１０によるコンデンサＣ１のプリチャージが行なわれる。ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ１～ＲＹ３を開放状態に保ち、かつ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をＯＦＦに保ったまま、電圧ＶＨが第１目標電圧Ｖｔａｇ１に到達するのを待つ。

時刻ｔ１において、電圧ＶＨが第１目標電圧Ｖｔａｇ１に到達して、コンデンサＣ１のプリチャージが完了すると、ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ１を閉成状態にする。

時刻ｔ２において、ＥＣＵ１００は、Ｕ相昇圧チョッパ回路を制御して、電圧ＶＨを、第１目標電圧Ｖｔａｇ１から第２目標電圧Ｖｔａｇ２に昇圧させる。

時刻ｔ３において、電圧ＶＨが第２目標電圧Ｖｔａｇ２に昇圧されると、ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ２，ＲＹ３を閉成状態にする。これにより、リレーＲＹ１～ＲＹ３のすべてのリレーが閉成状態となる。そして、ＥＣＵ１００は、バッテリ１０の充電を行なう。

＜ＥＣＵにより実行される処理：プレ制御＞
図７は、プレ制御の処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、インレット９０に充電ケーブル８００のコネクタ８１０が接続されたことが検知された際に、ＥＣＵ１００により開始される。このフローチャートに含まれる各ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）は、基本的にはＥＣＵ１００によるソフトウェア処理によって実現されるが、ＥＣＵ１００内に作製された専用のハードウェア（電気回路）によって実現されてもよい。

インレット９０に充電ケーブル８００のコネクタ８１０が接続されたことを検知すると、ＥＣＵ１００は、プレ制御を開始する。

Ｓ１において、ＥＣＵ１００は、コンデンサＣ１のプリチャージを実行する。具体的には、ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ１～ＲＹ３を開放状態に制御するとともに、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をＯＦＦに制御する。これにより、プリチャージ抵抗Ｒ１を介した、Ｕ相電源９１０によるコンデンサＣ１のプリチャージが行なわれる。

Ｓ３において、ＥＣＵ１００は、コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわち電圧ＶＨを監視し、電圧ＶＨが第１目標電圧Ｖｔａｇ１に到達したか否かを判定する。電圧ＶＨが第１目標電圧Ｖｔａｇ１に到達していない場合には（Ｓ３においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、再びＳ３の処理を実行し、電圧ＶＨの監視を継続する。一方、電圧ＶＨが第１目標電圧Ｖｔａｇ１に到達した場合には（Ｓ３においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、処理をＳ５に進める。

Ｓ５において、ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ１を閉成状態にする。そして、ＥＣＵ１００は、処理をＳ７に進める。

Ｓ７において、ＥＣＵ１００は、Ｕ相昇圧チョッパ回路を制御して、電圧ＶＨの昇圧を開始する。

Ｓ９において、ＥＣＵ１００は、電圧ＶＨを監視し、電圧ＶＨが第２目標電圧Ｖｔａｇ２に到達したか否かを判定する。電圧ＶＨが第２目標電圧Ｖｔａｇ２に到達していない場合には（Ｓ９においてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、再びＳ９の処理を実行し、電圧ＶＨの監視を継続する。一方、電圧ＶＨが第２目標電圧Ｖｔａｇ２に到達した場合には（Ｓ９においてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、処理をＳ１１に進める。

Ｓ１１において、ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ２，ＲＹ３を閉成状態にする。これにより、リレーＲＹ１～ＲＹ３のすべてのリレーが閉成状態となる。リレーＲＹ２，ＲＹ３を閉成状態にすると、ＥＣＵ１００は、プレ制御を終了して、処理をＳ１３に進める。

Ｓ１３において、ＥＣＵ１００は、バッテリ１０の充電制御を開始して、バッテリ１０の充電を行なう。

以上のように、本実施の形態においては、インレット９０に充電ケーブル８００のコネクタ８１０が接続されたことが検知された場合に、ＥＣＵ１００によりプレ制御が実行される。プレ制御において、ＥＣＵ１００は、リレーＲＹ１～ＲＹ３を開放状態にして、プリチャージ抵抗Ｒ１を介したＵ相電源９１０によるコンデンサＣ１のプリチャージを実行する。ＥＣＵ１００は、コンデンサＣ１のプリチャージの後に、リレーＲＹ１を閉成状態にして、Ｕ相昇圧チョッパ回路を制御して、電圧ＶＨ（コンデンサＣ１の両端の電圧）を第２目標電圧Ｖｔａｇ２まで昇圧させる。そして、ＥＣＵ１００は、昇圧が完了すると、リレーＲＹ２，ＲＹ３を閉成状態にする。これにより、Ｕ相電圧ＵＬ、Ｖ相電圧ＶＬおよびＷ相電圧ＷＬの電圧振幅が等しくない場合であっても、リレーＲＹ１～ＲＹ３を閉成状態にしたときにコンデンサＣ１に突入電流が流れることを抑制することができる。

また、リレーＲＹ１～ＲＹ３のうち、１つのリレー（本実施の形態においてはリレーＲＹ１）に対してのみプリチャージ抵抗Ｒ１を設ければ足りるので、リレーＲＹ１～ＲＹ３の全リレーに対してプリチャージ抵抗を設ける場合に比べ、コストおよび重量を低減させることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１車両、９充電システム、１０バッテリ、１１電圧センサ、１２電流センサ、１３温度センサ、２０ＳＭＲ、３０ＰＣＵ、４１，４２モータジェネレータ、５０動力伝達ギヤ、６０エンジン、７０駆動輪、８０充電リレー、９０インレット、１００ＥＣＵ、２００充電装置、２１０ＡＣ／ＤＣコンバータ、２１１突入電流防止回路、２１２ＰＦＣ回路、２１３電流センサ、２１４電圧センサ、２２０ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２１インバータ回路、２２２整流回路、２２３電流センサ、８００充電ケーブル、８１０コネクタ、８２０プラグ、８３０電線、９００三相電源、９１０Ｕ相電源、９２０Ｖ相電源、９３０Ｕ相電源、９５０コンセント、Ｃ１，Ｃ２コンデンサ、Ｄ１～Ｄ１４ダイオード、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ヒューズ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３リアクトル、Ｌ４チョークコイル、ＮＬ１，ＰＬ１電力線、Ｑ１～Ｑ１０スイッチング素子、Ｒ１プリチャージ抵抗、ＲＹ１，ＲＹ２，ＲＹ３リレー、ＴＲ１トランス。

Claims

三相電源から供給される交流電力をバッテリに充電する充電装置であって、
前記三相電源から供給された交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、
前記第１変換回路からの出力電圧を前記バッテリの電圧に変換して前記バッテリに供給する第２変換回路と、
前記三相電源の第１～第３相電源と前記第１変換回路との間にそれぞれ設けられる第１～第３リレーと、
前記第１リレーに対して並列に接続されるプリチャージ抵抗と、
前記第１変換回路、前記第２変換回路および前記第１～第３リレーを制御する制御装置とを備え、
前記第１変換回路は、前記三相電源から供給される電力の力率を改善させるとともに、前記三相電源から供給される電圧を昇圧するＰＦＣ回路、および、前記ＰＦＣ回路から供給された直流電圧を平滑化して前記第２変換回路に供給するコンデンサを含み、
前記三相電源との接続時において、前記制御装置は、
前記第１～第３リレーを開放状態にして、前記プリチャージ抵抗を介して前記コンデンサをプリチャージし、
プリチャージの完了後に、前記第１リレーを閉成状態にし、かつ、前記ＰＦＣ回路を制御して前記コンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧し、
前記コンデンサの電圧を前記目標電圧まで昇圧した後に、第２リレーおよび第３リレーを閉成状態にする、充電装置。
前記目標電圧は、前記三相電源のピーク電圧に所定値を加算した値以上の値に設定される、請求項１に記載の充電装置。
前記ＰＦＣ回路は、前記第１変換回路と前記第２変換回路とを電気的に接続する電力線間に互いに並列に接続され、前記第１～第３相電源にそれぞれ対応して設けられた第１～第３アームと、前記第１～第３リレーおよび前記第１～第３アームの間にそれぞれ設けられた第１～第３リアクトルを含み、
前記第１～第３アームの各々は、前記電力線間に互いに直列に接続された２つのスイッチング素子と、前記２つのスイッチング素子の各々に対して逆並列に接続されたダイオードとを含み、
前記第１～第３リアクトルは、前記第１～第３アームにおける前記２つのスイッチング素子の接続点にそれぞれ接続され、
前記コンデンサの電圧を前記目標電圧まで昇圧する際に、前記制御装置は、前記第１リアクトルおよび前記第１アームを用いて前記コンデンサの電圧を昇圧させる、請求項１または請求項２に記載の充電装置。
三相電源から供給される交流電力をバッテリに充電する充電装置の制御方法であって、
前記充電装置は、
前記三相電源から供給された交流電力を直流電力に変換する第１変換回路と、
前記第１変換回路からの出力電圧を前記バッテリの電圧に変換して前記バッテリに供給する第２変換回路と、
前記三相電源の第１～第３相電源と前記第１変換回路との間にそれぞれ設けられる第１～第３リレーと、
前記第１リレーに対して並列に接続されるプリチャージ抵抗とを含み、
前記第１変換回路は、前記三相電源から供給される電力の力率を改善させるとともに、前記三相電源から供給される電圧を昇圧するＰＦＣ回路、および、前記ＰＦＣ回路から供給された直流電圧を平滑化して前記第２変換回路に供給するコンデンサを含み、
前記制御方法は、
前記三相電源との接続時において、前記第１～第３リレーを開放状態にして、前記プリチャージ抵抗を介して前記コンデンサをプリチャージするステップと、
プリチャージの完了後に、前記第１リレーを閉成状態にし、かつ、前記ＰＦＣ回路を制御して前記コンデンサの電圧を目標電圧まで昇圧するステップと、
前記コンデンサの電圧を前記目標電圧まで昇圧した後に、第２リレーおよび第３リレーを閉成状態にするステップとを含む、充電装置の制御方法。