JP2023056274A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの過充電による充電完了前の充電動作を停止せずに、蓄電池の充電を継続することができる充電装置を提供すること。【解決手段】蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第１コンデンサ及び第２コンデンサが直列に接続されるコンデンサ部と、３レベルインバータが蓄電池と並列に接続される電力変換器と、各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、３相のいずれか１相の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間にて、充電器のＰ端子と接続される第１接続端子と、他の１相の第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間にて、充電器のＮ端子と接続される第２接続端子と、を備えた充電装置であって、蓄電池とコンデンサ部との間に並列で接続されており、一方のコンデンサの電圧が、予め設定された閾値を超えたときに、一方のコンデンサから他方のコンデンサへ電荷を移動させるバランサ回路を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、充電装置に関する。

特許文献１には、３相のうちのいずれか１相の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間にて、ＤＣ充電器のＰ端子と接続される第１接続端子と、他の１相の第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間にて、ＤＣ充電器のＮ端子と接続される第２接続端子と、を備え、ＤＣ充電器によって蓄電池を充電可能な充電装置としても機能する電源装置が開示されている。

特開２０２１－０４８７５９号公報

ＤＣ充電器による蓄電池の充電中に、蓄電池に並列接続されている、直列構成の２つの平滑コンデンサの電圧がアンバランス状態となると、コンデンサが過充電の状態になるおそれがあり、蓄電池の充電が完了する前に充電動作を停止する必要があるため、改善の余地がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、コンデンサの過充電による充電完了前の充電動作を停止せずに、蓄電池の充電を継続することができる充電装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る充電装置は、蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第１コンデンサ及び第２コンデンサが直列に接続されるコンデンサ部と、直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを接続する配線にカソード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第１ダイオードと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第２ダイオードと、を有し、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をそれぞれオン・オフさせることによって、３つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な３レベルインバータが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相分、前記蓄電池と並列に接続される電力変換器と、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、いずれか１相の前記３レベルインバータにおける前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間にて、ＤＣ充電器のＰ端子と電気的に接続される第１接続端子と、前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、他の１相の前記３レベルインバータにおける前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間にて、前記ＤＣ充電器のＮ端子と電気的に接続される第２接続端子と、を備えた充電装置であって、前記蓄電池と前記コンデンサ部との間に、前記蓄電池及び前記コンデンサ部と並列で接続されており、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとのうちの一方のコンデンサの電圧が、予め設定された閾値を超えたときに、前記一方のコンデンサから他方のコンデンサへ電荷を移動させるバランサ回路を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る充電装置においては、ＤＣ充電器による蓄電池の充電中に、バランサ回路によって前記閾値を超えた一方のコンデンサから他方のコンデンサへ電荷を移動させることにより、前記一方のコンデンサの電圧を低下させることができる。よって、本発明に係る充電装置においては、前記一方のコンデンサの電圧がコンデンサ上限電圧に到達することを抑制し、蓄電地が満充電になるまで充電動作を継続させることができる。

また、上記において、前記バランサ回路は、第１バランサスイッチング素子と第２バランサスイッチング素子とリアクトルとによって構成されており、前記第１バランサスイッチング素子及び前記第２バランサスイッチング素子は、前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に直列で接続されており、前記リアクトルの一方側は前記第１バランサスイッチング素子と前記第２バランサスイッチング素子との間に接続されており、前記リアクトルの他方側は前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に接続されており、前記制御装置は、前記第１コンデンサまたは前記第２コンデンサの電圧に基づいて、前記第１バランサスイッチング素子及び前記第２バランサスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御するようにしてもよい。

これにより、第１コンデンサまたは第２コンデンサの電圧に基づいて、制御装置によって、バランサ回路の第１バランサスイッチング素子及び第２バランサスイッチング素子のオンとオフとを切り替えることにより、リアクトルを介して前記一方のコンデンサから前記他方のコンデンサへ電荷を移動させることができる。

また、上記において、前記制御装置は、前記第１コンデンサの電圧が前記閾値を超えたときに、前記第１バランサスイッチング素子をオンにし、前記第２バランサスイッチング素子をオフにして、その後、所定のタイミングで、前記第１バランサスイッチング素子をオフにし、前記第２バランサスイッチング素子をオンにするようにしてもよい。

これにより、第１コンデンサの電荷の一部がリアクトルに蓄積されることによって、第１コンデンサの電圧が低下し、その後、リアクトルに蓄積されていた第１コンデンサの電荷が、第２コンデンサに移動することによって、第２コンデンサの電圧が高くなるため、第１コンデンサと第２コンデンサとの電圧不均衡を低減させることができる。

また、上記において、前記制御装置は、前記第２コンデンサの電圧が前記閾値を超えたときに、前記第２バランサスイッチング素子をオンにし、前記第１バランサスイッチング素子をオフにして、その後、所定のタイミングで、前記第２バランサスイッチング素子をオフにし、前記第１バランサスイッチング素子をオンにするようにしてもよい。

これにより、第２コンデンサの電荷の一部がリアクトルに蓄積されることによって、第２コンデンサの電圧が低下し、その後、リアクトルに蓄積されていた第２コンデンサの電荷が、第１コンデンサに移動することによって、第１コンデンサの電圧が高くなるため、第１コンデンサと第２コンデンサとの電圧不均衡を低減させることができる。

本発明に係る充電装置は、コンデンサの過充電による充電完了前の充電動作を停止せずに、蓄電池の充電を継続することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る電力システムの構成図である。 図２は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。 図３は、ＤＣ充電器によってバッテリを充電する際の回路状態を示した図である。 図４は、充電中に電圧不均衡が発生した場合にバランサ回路を駆動させないときの電圧波形を示した図である。 図５は、充電中に電圧不均衡が発生した場合にバランサ回路を駆動させたときの電圧波形を示した図である。 図６は、バランサ回路において、第１スイッチング素子をオンにし、第２スイッチング素子をオフにしたときの回路状態を示した図である。 図７は、バランサ回路において、第１スイッチング素子をオフにし、第２スイッチング素子をオンにしたときの回路状態を示した図である。

以下に、本発明に係る充電装置の実施形態に説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る電力システムの構成図である。実施形態に係る電力システムは、電気自動車や、ハイブリッド車両、ＰＨＥＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やＲＥＥＶ（Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の電力を利用した走行が可能な電動車両に適用される。

実施形態に係る電力システムは、充電装置１０とモータジェネレータ２０とＤＣ充電器３０などによって構成されている。なお、実施形態に係る電力システムのうち、充電装置１０及びモータジェネレータ２０は前記電動車両に搭載されており、ＤＣ充電器３０は前記電動車両の外部に設置された外部充電設備などに設けられている。

充電装置１０は、バッテリ１２、コンデンサ部１６、インバータ１８、バランサ回路２６、充電リレー装置４０、及び、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６０などを備えている。なお、充電装置１０は、モータジェネレータ２０と電気的に接続されており、モータジェネレータ２０にバッテリ１２から電力を供給する電源装置としても機能する。

バッテリ１２は、高電圧バッテリとして充放電可能な蓄電池である。バッテリ１２としては、例えば、リチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池の他、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等を用いることができる。なお、図１中、「ＶＢ」はバッテリ電圧である。バッテリ１２のバッテリ電圧としては、例えば、４００［Ｖ］以上とすることが望ましい。

コンデンサ部１６は、バッテリ１２の正極側端子（正母線２２）とバッテリ１２の負極側端子（負母線２４）との間に、互いに直列に接続された、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とによって構成されている。第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とは、中性点ＮＰ１で互いに接続されている。つまり、第１コンデンサＣ１は、一方側の端子が正母線２２に接続され、他方側の端子が中性点ＮＰ１に接続されている。また、第２コンデンサＣ２は、一方側の端子が中性点ＮＰ１に接続され、他方側の端子が負母線２４に接続されている。したがって、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２が同じように充放電を行って常に同じ電荷を蓄積しているとすれば、中性点ＮＰ１と負母線２４との間の電圧である中性点電圧は、バッテリ１２の電圧の半分の電圧にクランプされることになる。なお、中性点電圧は、第２コンデンサＣ２の端子間電圧である電圧ＶＣ２に相当する。また、図１中のＶＣ１は、第１コンデンサＣ１の端子間電圧である。

インバータ１８は、電力変換器であって、正母線２２と中性点ＮＰ１との間の電圧である正側電圧が供給される上アーム、及び、中性点ＮＰ１と負母線２４との間の電圧である負側電圧が供給される下アームで構成されている。インバータ１８では、上アームと下アームとが、正母線２２と負母線２４との間に直列に多重化されて配置されており、３レベルの３相ＡＣ電圧をモータジェネレータ２０に出力することが可能となっている。

また、インバータ１８は、Ｕ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＵ相アームと、Ｖ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＶ相アームと、Ｗ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＷ相アームとを備えている。

Ｕ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＵ１、第２スイッチング素子ＳＵ２、第３スイッチング素子ＳＵ３、第４スイッチング素子ＳＵ４が、この順に直列に接続されている。第１スイッチング素子ＳＵ１、第２スイッチング素子ＳＵ２、第３スイッチング素子ＳＵ３、及び、第４スイッチング素子ＳＵ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。なお、逆接続とは、例えば、半導体素子のコレクタ端子にダイオードのカソード端子が接続され、半導体素子のエミッタ端子にダイオードのアノード端子が接続されるものである。第１スイッチング素子ＳＵ１と第２スイッチング素子ＳＵ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＵ１（第１中間点）、及び、第３スイッチング素子ＳＵ３と第４スイッチング素子ＳＵ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＵ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＵ１，ＤＵ２のアノード側が中間点ＰＵ２と接続し、カソード側が中間点ＰＵ１と接続するように、ダイオードＤＵ１，ＤＵ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＵ１，ＤＵ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＵ１は、中間点ＰＵ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＵ２は、中間点ＰＵ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＵ２と第３スイッチング素子ＳＵ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＵ相電圧が出力される。

Ｖ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＶ１、第２スイッチング素子ＳＶ２、第３スイッチング素子ＳＶ３、第４スイッチング素子ＳＶ４が、この順に直列に接続されている。第１スイッチング素子ＳＶ１、第２スイッチング素子ＳＶ２、第３スイッチング素子ＳＶ３、及び、第４スイッチング素子ＳＶ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。第１スイッチング素子ＳＶ１と第２スイッチング素子ＳＶ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＶ１（第１中間点）、及び、第３スイッチング素子ＳＶ３と第４スイッチング素子ＳＶ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＶ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＶ１，ＤＶ２のアノード側が中間点ＰＶ２と接続し、カソード側が中間点ＰＶ１と接続するように、ダイオードＤＶ１，ＤＶ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＶ１，ＤＶ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＶ１は、中間点ＰＶ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＶ２は、中間点ＰＶ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＶ２と第３スイッチング素子ＳＶ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＶ相電圧が出力される。

Ｗ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３、第４スイッチング素子ＳＷ４が、この順に直列に接続されている。第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３、及び、第４スイッチング素子ＳＷ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列されて構成されている。第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＷ１（第１中間点）、及び、第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＷ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＷ１，ＤＷ２のアノード側が中間点ＰＷ２と接続し、カソード側が中間点ＰＷ１と接続するように、ダイオードＤＷ１，ＤＷ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＷ１，ＤＷ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＷ１は、中間点ＰＷ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＷ２は、中間点ＰＷ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＷ相電圧が出力される。

本実施形態において、インバータ１８の各スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることができる。

モータジェネレータ２０は、前記電動車両に搭載される回転電機であり、バッテリ１２から出力されたＤＣ電圧が、インバータ１８によって三相ＡＣ電圧に変換されて供給されるときにモータとして作用し、車両を走行させるための駆動力を発生する。一方、モータジェネレータ２０は、車両が制動されるときに発電機として作用し、制動エネルギーを回収して三相ＡＣ電圧として出力する。そして、この三相ＡＣ電圧がインバータ１８によってＤＣ電圧に変換されてバッテリ１２に供給されることにより、バッテリ１２が充電される。

ＤＣ充電器３０は、バッテリ１２を充電するために車両外部に設けられた外部充電器である。ＤＣ充電器３０は、ＤＣ充電器３０の不図示のプラグと車両側の不図示のコネクタとを接続するための充電器接続部５０にて、充電装置１０側と電気的に接続される２つの端子であるＰ端子（正極端子）３２Ｐ及びＮ端子（負極端子）３２Ｎを有している。充電器接続部５０とインバータ１８との間には、充電リレー４２Ｐと充電リレー４２Ｎとを有する充電リレー装置４０、及び、リアクトル４４Ｐが設けられている。なお、図１中のＶｃｈｇは、充電器電圧である。

図１に示すように、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐは、充電リレー４２Ｐ及びリアクトル４４Ｐを介して、Ｖ相アームにおける第１スイッチング素子ＳＶ１と第２スイッチング素子ＳＶ２との中間点ＰＶ１と電気的に接続されている。また、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎは、充電リレー４２Ｎを介して、Ｕ相アームにおける第３スイッチング素子ＳＵ３と第４スイッチング素子ＳＵ４との中間点ＰＵ２と電気的に接続されている。

なお、実施形態に係る充電装置１０では、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１中間点である中間点ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１と、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐとを接続し、他の１相の３レベルインバータにおける第２中間点である中間点ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２と、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎとを接続すればよい。

このように、実施形態に係る充電装置１０では、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１中間点が、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐと電気的に接続される第１接続端子として用いられている。また、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、他の１相の３レベルインバータにおける第２中間点が、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎと電気的に接続される第２接続端子として用いられている。

そして、実施形態に係る充電装置１０は、インバータ１８におけるＵ相、Ｖ相、及びＷ相のうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間（第１中間点）にてＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐを電気的に接続し、他の１相の３レベルインバータにおける第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間（第２中間点）にてＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎを電気的に接続することにより、複数の電圧規格に対応して、ＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電することができる構成となっている。また、実施形態に係る充電装置１０においては、モータジェネレータ２０とインバータ１８とを接続する既存の端子にＤＣ充電器３０を接続する方式のため、分圧コンデンサを有する既存の３レベルインバータに対してインバータ１８の加工や内部配線の追加なく実現可能であるため、コストを抑えることが可能となる。また、耐圧の高いコンデンサや追加部品を必要としないため、コストや部品サイズを抑えることが可能となる。

バランサ回路２６は、バッテリ１２とコンデンサ部１６との間に、これらと並列で接続されており、第１バランサスイッチング素子である第１スイッチング素子ＳＢ１と、第２バランサスイッチング素子である第２スイッチング素子ＳＢ２と、リアクトル２８とによって構成されている。

第１スイッチング素子ＳＢ１と第２スイッチング素子ＳＢ２とは、バッテリ１２の正極側端子（正母線２２）とバッテリ１２の負極側端子（負母線２４）との間に、互いに直列に接続されている。また、第１スイッチング素子ＳＢ１と第２スイッチング素子ＳＢ２とは、中性点ＮＰ２で互いに接続されている。つまり、第１スイッチング素子ＳＢ１は、一方側の端子が正母線２２に接続され、他方側の端子が中性点ＮＰ２に接続されている。また、第２スイッチング素子ＳＢ２は、一方側の端子が中性点ＮＰ２に接続され、他方側の端子が負母線２４に接続されている。

リアクトル２８は、一方側の端子が中性点ＮＰ２に接続されており、他方側の端子がコンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。

バランサ回路２６は、第１スイッチング素子ＳＢ１及び第２スイッチング素子ＳＢ２のオンとオフとを切り替えることによって、コンデンサ部１６の第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の電圧不均衡を解消するための回路である。

図２は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。ＥＣＵ６０は、充電装置１０などの動作を制御する電子制御装置である。ＥＣＵ６０は、充電制御部６２及びゲート信号生成部６４などを備えている。

充電制御部６２には、図示されていないシステム制御部から出力された充電電力指令信号、インバータ１８に設けられた不図示の電圧計から出力された電圧位相信号、コンデンサ部１６に設けられた不図示の電圧計から出力された第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２の信号、及び、ＤＣ充電器３０から出力された充電器情報信号などの各種信号が入力される。また、充電制御部６２は、例えば、充電電力指令信号、電圧位相信号、及び、電圧ＶＣ１，ＶＣ２の信号などに基づいて求めたｄｕｔｙなどを、ゲート信号生成部６４に出力する。ゲート信号生成部６４は、インバータ１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。また、ゲート信号生成部６４は、バランサ回路２６の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。

図３は、ＤＣ充電器３０によってバッテリ１２を充電する際の回路状態を示した図である。なお、図３において、オン（ＯＮ）の状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んでおり、オフ（ＯＦＦ）の状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んでいない。

図３に示すように、ＤＣ充電器３０によってバッテリ１２を充電する際には、まず、ＥＣＵ６０が、Ｕ相アームの第４スイッチング素子ＳＵ４とＷ相アームの第１スイッチング素子ＳＷ１とをオフからオンに切り替え、その他のスイッチング素子をオフにした状態する。次に、ＥＣＵ６０は、充電リレー装置４０の充電リレー４２Ｐ，４２Ｎをオフからオンに切り替えて、ＤＣ充電器３０からインバータ１８を介してバッテリ１２にＤＣ電圧を供給し、バッテリ１２の充電を行う。

なお、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とは、それぞれの還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。これにより、インバータ１８の全てのスイッチング素子がオフの状態となるため、インバータ１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング動作を行わずに済み、充電効率を高くできるとともに、充電のためのインバータ素子や冷却機構の追加を抑制することができる。一方、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とをオンにすることによって、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とに電流が流れた際の耐久性を確保することが可能となる。また、充電中には、インバータ１８の各スイッチング素子のオンとオフとが固定されるため、スイッチング損失を低減させることができる。

図４は、充電中に電圧不均衡が発生した場合にバランサ回路を駆動させないときの電圧波形を示した図である。

単にＤＣ充電器３０によってバッテリ１２を充電した場合には、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧不均衡によって、一方のコンデンサの電圧が過充電によりコンデンサ上限電圧に到達することがある。このように一方のコンデンサの電圧がコンデンサ上限電圧に到達すると、当該コンデンサが壊れないようにするため、バッテリ１２の充電が完了していないにも関わらず、充電を停止する必要がある。

図５は、充電中に電圧不均衡が発生した場合にバランサ回路を駆動させたときの電圧波形を示した図である。

実施形態に係る充電装置１０においては、ＤＣ充電器３０によるバッテリ１２の充電中に、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧不均衡によって、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とのうちの一方のコンデンサの電圧が予め設定された閾値を超えると、バランサ回路２６を駆動させる。なお、前記閾値は、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２が壊れないために予め設定されたコンデンサ上限電圧よりも低い電圧に設定されている。

図５では、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧不均衡によって、第１コンデンサＣ１が前記閾値を超えたときに、バランサ回路２６を駆動させて、第１コンデンサＣ１の電荷を第２コンデンサＣ２に移動させることにより、第１コンデンサＣ１の電圧を下げて、第１コンデンサＣ１の電圧がバッテリ上限電圧に到達しないようにしている。

以下、図６及び図７を用いて、バランサ回路２６を駆動させることによって、第１コンデンサＣ１の電荷を第２コンデンサＣ２に移動させる方法について説明する。

図６は、バランサ回路２６において、第１スイッチング素子ＳＢ１をオンにし、第２スイッチング素子ＳＢ２をオフにしたときの回路状態を示した図である。図７は、バランサ回路２６において、第１スイッチング素子ＳＢ１をオフにし、第２スイッチング素子ＳＢ２をオンにしたときの回路状態を示した図である。なお、図６及び図７においては、充電装置１０におけるコンデンサ部１６及びバランサ回路２６に着目して図示している。

まず、ＥＣＵ６０は、図６に示すように、バランサ回路２６において、第１スイッチング素子ＳＢ１をオンにし、第２スイッチング素子ＳＢ２をオフにする。これにより、第１コンデンサＣ１と第１スイッチング素子ＳＢ１とリアクトル２８とに、図６中、矢印Ａで示すように電流が流れるような閉回路が形成される。そして、この際、第１コンデンサＣ１の電荷の一部がリアクトル２８に蓄積されることによって、第１コンデンサＣ１の電圧が低下する。その後、ＥＣＵ６０は、所定のタイミングで、図７に示すように、バランサ回路２６において、第１スイッチング素子ＳＢ１をオフにし、第２スイッチング素子ＳＢ２をオンにする。これにより、第２コンデンサＣ２とリアクトル２８と第２スイッチング素子ＳＢ２とに、図７中、矢印Ｂで示すように電流が流れるような閉回路が形成される。そして、この際、リアクトル２８に蓄積されていた第１コンデンサＣ１の電荷が、第２コンデンサＣ２に移動することによって、第２コンデンサＣ２の電圧が高くなる。これにより、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧不均衡を低減させることができる。

また、実施形態に係る充電装置１０では、ＥＣＵ６０によって、バランサ回路２６の第１スイッチング素子ＳＢ１と第２スイッチング素子ＳＢ２とのオンとオフとの切り替えを繰り返し行うことにより、第１コンデンサＣ１の電荷を第２コンデンサＣ２へ移動させることによって、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧不均衡を解消させることができる。

そして、実施形態に係る充電装置１０においては、ＤＣ充電器３０によるバッテリ１２の充電中に、第１コンデンサＣ１の電圧が前記閾値を超えたときに、バランサ回路２６を駆動させて第１コンデンサＣ１の電荷を第２コンデンサＣ２に移動させることにより、第１コンデンサＣ１の電圧がコンデンサ上限電圧に到達することを抑制することができる。よって、実施形態に係る充電装置１０は、第１コンデンサＣ１の過充電によるバッテリ１２の充電完了前の充電動作を停止せずに、バッテリ１２の充電を継続することができる。

また、実施形態に係る充電装置１０においては、ＤＣ充電器３０によるバッテリ１２の充電中に、第２コンデンサＣ２の電圧が前記閾値を超えたときに、バランサ回路２６を駆動させて第２コンデンサＣ２の電荷を第１コンデンサＣ１に移動させる。

まず、ＥＣＵ６０は、バランサ回路２６において、第２スイッチング素子ＳＢ２をオンにし、第１スイッチング素子ＳＢ１をオフにする。これにより、第２コンデンサＣ２とリアクトル２８と第２スイッチング素子ＳＢ２とに電流が流れるような閉回路が形成される。そして、この際、第２コンデンサＣ２の電荷の一部がリアクトル２８に蓄積されることによって、第２コンデンサＣ２の電圧が低下する。その後、ＥＣＵ６０は、所定のタイミングで、バランサ回路２６において、第２スイッチング素子ＳＢ２をオフにし、第１スイッチング素子ＳＢ１をオンにする。これにより、第１コンデンサＣ１と第１スイッチング素子ＳＢ１とリアクトル２８とに電流が流れるような閉回路が形成される。そして、この際、リアクトル２８に蓄積されていた第２コンデンサＣ２の電荷が、第１コンデンサＣ１に移動することによって、第１コンデンサＣ１の電圧が高くなる。これにより、第１コンデンサと第２コンデンサとの電圧不均衡を低減させることができる。

また、実施形態に係る充電装置１０では、ＥＣＵ６０によって、バランサ回路２６の第１スイッチング素子ＳＢ１と第２スイッチング素子ＳＢ２とのオンとオフとの切り替えを繰り返し行うことにより、第２コンデンサＣ２の電荷を第１コンデンサＣ１へ移動させることによって、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧不均衡を解消させることができる。

そして、実施形態に係る充電装置１０においては、ＤＣ充電器３０によるバッテリ１２の充電中に、第２コンデンサＣ２の電圧が前記閾値を超えたときに、バランサ回路２６を駆動させて第２コンデンサＣ２の電荷を第１コンデンサＣ１に移動させることにより、第２コンデンサＣ２の電圧がコンデンサ上限電圧に到達することを抑制することができる。よって、実施形態に係る充電装置１０は、第２コンデンサＣ２の過充電によるバッテリ１２の充電完了前の充電動作を停止せずに、バッテリ１２の充電を継続することができる。

１０ 充電装置
１２ バッテリ
１６ コンデンサ部
１８ インバータ
２０ モータジェネレータ
２２ 正母線
２４ 負母線
２６ バランサ回路
２８ リアクトル
３０ ＤＣ充電器
３２Ｎ Ｎ端子
３２Ｐ Ｐ端子
４０ 充電リレー装置
４２Ｎ，４２Ｐ 充電リレー
４４Ｐ リアクトル
５０ 充電器接続部
６０ ＥＣＵ
６２ 充電制御部
６４ ゲート信号生成部
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
ＤＵ１，ＤＵ２，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＷ１，ＤＷ２ ダイオード
ＳＢ１，ＳＵ１，ＳＶ１，ＳＷ１ 第１スイッチング素子
ＳＢ２，ＳＵ２，ＳＶ２，ＳＷ２ 第２スイッチング素子
ＳＵ３，ＳＶ３，ＳＷ３ 第３スイッチング素子
ＳＵ４，ＳＶ４，ＳＷ４ 第４スイッチング素子

Claims (4)

1. 蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第１コンデンサ及び第２コンデンサが直列に接続されるコンデンサ部と、
   直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを接続する配線にカソード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第１ダイオードと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第２ダイオードと、を有し、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をそれぞれオン・オフさせることによって、３つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な３レベルインバータが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相分、前記蓄電池と並列に接続される電力変換器と、
   前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、
   前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、いずれか１相の前記３レベルインバータにおける前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間にて、ＤＣ充電器のＰ端子と電気的に接続される第１接続端子と、
   前記Ｕ相と前記Ｖ相と前記Ｗ相とのうち、他の１相の前記３レベルインバータにおける前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間にて、前記ＤＣ充電器のＮ端子と電気的に接続される第２接続端子と、
   を備えた充電装置であって、
   前記蓄電池と前記コンデンサ部との間に、前記蓄電池及び前記コンデンサ部と並列で接続されており、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとのうちの一方のコンデンサの電圧が、予め設定された閾値を超えたときに、前記一方のコンデンサから他方のコンデンサへ電荷を移動させるバランサ回路を備えることを特徴とする充電装置。
2. 前記バランサ回路は、第１バランサスイッチング素子と第２バランサスイッチング素子とリアクトルとによって構成されており、
   前記第１バランサスイッチング素子及び前記第２バランサスイッチング素子は、前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に直列で接続されており、
   前記リアクトルの一方側は前記第１バランサスイッチング素子と前記第２バランサスイッチング素子との間に接続されており、前記リアクトルの他方側は前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に接続されており、
   前記制御装置は、前記第１コンデンサまたは前記第２コンデンサの電圧に基づいて、前記第１バランサスイッチング素子及び前記第２バランサスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 前記制御装置は、
   前記第１コンデンサの電圧が前記閾値を超えたときに、前記第１バランサスイッチング素子をオンにし、前記第２バランサスイッチング素子をオフにして、その後、所定のタイミングで、前記第１バランサスイッチング素子をオフにし、前記第２バランサスイッチング素子をオンにすることを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
4. 前記制御装置は、
   前記第２コンデンサの電圧が前記閾値を超えたときに、前記第２バランサスイッチング素子をオンにし、前記第１バランサスイッチング素子をオフにして、その後、所定のタイミングで、前記第２バランサスイッチング素子をオフにし、前記第１バランサスイッチング素子をオンにすることを特徴とする請求項２に記載の充電装置。

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