JP3703059B2 - 電気自動車用充電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車用充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電気自動車用充電装置において、バッテリから三相インバ−タ回路を通じて給電される三相交流モ−タの一対の相入力端と単相商用電源の両端との間に介設されて単相商用電源から三相交流モ−タへの給電電流を高周波スイッチング制御するスイッチング回路を有するものが知られている。
【０００３】
この形式の電気自動車用充電装置では、スイッチング回路を高周波スイッチングしてリアクタンス素子をなす三相交流モ−タの固定子コイルへの通電電流を断続し、それにより固定子コイルの両端に生じる高周波大電圧を三相インバ−タ回路に付属するダイオ−ドからなる全波整流回路で整流してバッテリを充電している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電気自動車用充電装置のスイッチング回路の一例として、互いに直列接続されて単相商用電源の一端と三相交流モ−タの一つの相入力端との間に介設される一対のスイッチングトランジスタと、一対のスイッチングトランジスタと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される一対のダイオ−ドと、互いに直列接続されて単相商用電源の他端と三相交流モ−タの他の一つの相入力端との間に介設される他の一対のスイッチングトランジスタと、他の一対のスイッチングトランジスタと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される他の一対のダイオ−ドとを備えるものが、たとえば本出願人の出願になる電気自動車用充電装置において、提案されている。
【０００５】
このスイッチング回路（以下、４トランジスタ直列接続型スイッチング回路ともいう）によれば、バッテリから三相交流モ−タへ給電されている場合には、スイッチング回路を構成する４つのスイッチングトランジスタを遮断することにより、単相商用電源側のコネクタ端子はバッテリ充電時以外は高電圧（電気自動車用バッテリは通常、３００Ｖ程度の高圧とされることが多い）となることがなく、感電や漏電に対する安全性が向上するという効果を生じる。
【０００６】
ところが、この４トランジスタ直列接続型スイッチング回路では、以下の問題が生じることがわかった。
まず第一の問題は、このスイッチング回路のどれか１個のスイッチングトランジスタがオープン故障した場合、それにもかかわらずこの故障トランジスタと並列に接続されるダイオ−ドを通じて、半波電流が流れ得るので、半波モ−ドでスイッチング回路が動作し、充電能力が半減するので、充電終了まで長時間を要することである。
【０００７】
次に、このスイッチング回路の同方向の２個のスイッチングトランジスタがオープン故障した場合、それにもかかわらずこれらの故障トランジスタと並列に接続されるダイオ−ドを通じて、半波電流が流れ得るので、上記と同様に半波モ−ドでスイッチング回路が動作し、充電終了まで長時間を要することである。
次に、このスイッチング回路の反対方向の２個のスイッチングトランジスタがオープン故障した場合、電流が流れ得ないので、ドライブ回路から制御を行っているにもかかわらず、いつまでたっても充電が終了しないという不具合が生じてしまう。
【０００８】
このような状態を放置することは、充電不良又は充電の長時間化の原因が不明であることも含め、明らかに電気自動車運行制御上、各種不具合を派生させる。
本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、４トランジスタ直列接続型スイッチング回路を有する電気自動車用充電装置において、このスイッチング回路の動作不良による動作不具合を速やかに発見してできるだけ充電機能を制限することを抑止し、更にそれを報知可能な電気自動車用充電装置を提供することを、その目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電気自動車用充電装置によれば、バッテリから三相インバ−タ回路を通じて給電される三相交流モ−タの一対の相入力端と単相商用電源の両端との間に介設されるスイッチング回路を有し、このスイッチング回路が、互いに直列接続されて単相商用電源の一端と三相交流モ−タの一つの相入力端との間に介設される一対のスイッチングトランジスタと、一対のスイッチングトランジスタと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される一対のダイオ−ドと、互いに直列接続されて単相商用電源の他端と三相交流モ−タの他の一つの相入力端との間に介設される他の一対のスイッチングトランジスタと、他の一対のスイッチングトランジスタと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される他の一対のダイオ−ドとを備える電気自動車用充電装置（以下、４トランジスタ直列接続型スイッチング回路を有する電気自動車用充電装置ともいう）において、スイッチング回路の各スイッチングトランジスタの全波スイッチング給電状態、半波スイッチング給電状態および非給電状態を個別に判別するスイッチング回路監視手段を設け、前記スイッチングトランジスタの全波スイッチング給電状態、半波スイッチング給電状態において前記ドライブ回路による前記スイッチング回路の駆動を許可し、前記非給電状態において前記ドライブ回路による前記スイッチング回路の駆動を禁止する。
【００１０】
このようにすれば、半波スイッチング給電状態でも大電流充電機能が低下するもののスイッチングトランジスタの故障にもかかわらずバッテリ充電を続行することができ、更に非給電状態ではドライブ回路によるスイッチング回路のスイッチングトランジスタの駆動を遮断するので、無駄な電力消費を防ぎ、ドライブ回路の過熱を防ぐことができる。
【００１１】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の電気自動車用充電装置において更に、ドライブ回路からスイッチング回路の各スイッチングトランジスタへ給電される制御電流の大きさで、スイッチングトランジスタの全波スイッチング給電状態、半波スイッチング給電状態および非給電状態を判定しているので、正確に判定できるとともに、オープン故障を生じているスイッチングトランジスタの特定もできるので、故障修理も容易となる。
【００１２】
請求項３記載の構成によれば請求項１又は２記載の電気自動車用充電装置において更に、充電不能な前記非給電状態が生じた場合にそれを警告する。このようにすれば、このスイッチング回路の動作不良による充電必要時間の長大化や充電不能状態の発生など、電気自動車運行上、死活的な問題およびその原因であるスイッチング回路の特定のスイッチングトランジスタのオープン故障を速やかに発見してそれをドライバに報知し、電気自動車の走行不能又は走行距離の短縮といった不具合が発生するのを未然に防ぐことができる。
請求項４記載の構成によれば請求項１乃至３のいずれか記載の電気自動車用充電装置において更に、前記スイッチング回路監視手段は、前記スイッチング回路の各前記スイッチングトランジスタのオープン故障の組み合わせに基づいて、前記スイッチングトランジスタの全波スイッチング給電状態、半波スイッチング給電状態および非給電状態を判別する。
【００１３】
【発明を実施するための形態】
本発明の交直変換装置の好適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。（実施例１）
実施例１の交直変換装置を採用した電気自動車用バッテリ充電装置を図１を参照して説明する。
【００１４】
構成
図１において、１は入力となる単相商用交流電源、２はロ−パスフィルタまたは平滑回路として知られる入力側のフィルタ回路、３はスイッチング回路、４は走行モ−タとして機能する三相交流モ−タ、５は三相インバ−タ回路、６は平滑コンデンサ、７はスイッチ回路、８ａ〜８ｃは充電用リレ−の接点、９はロ−パスフィルタまたは平滑回路として知られる出力側のフィルタ回路、１０は車載主電池をなす高圧のバッテリ、１１はマイコン構成のコントロ−ラ、１２はスイッチング回路３の駆動制御用かつゲ−ト電流検出用のドライブ回路、１３は三相交流モ−タ４の回動角度検出用のロ−タリ−エンコ−ダ、１４はロ−タリ−エンコ−ダ１３の出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器、１５はコントローラ１１の判断結果を表示、警告する表示警告装置である。
【００１５】
スイッチング回路３は、互いに直列接続されて単相商用交流電源１の一端と三相交流モ−タ４の一つの相入力端４１との間に介設される一対のＩＧＢＴ３ａ〜３ｂと、一対のＩＧＢＴ３ａ〜３ｂと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される一対のダイオ−ド３３ａ〜３３ｂと、互いに直列接続されて単相商用交流電源１の他端と三相交流モ−タ４の他の一つの相入力端４２との間に介設される他の一対のＩＧＢＴ３ｃ〜３ｄと、他の一対のＩＧＢＴ３ｃ〜３ｄと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される他の一対のダイオ−ド３３ｃ〜３３ｄとにより構成されている。
【００１６】
三相インバ−タ回路５は、ハイサイド側ＩＧＢＴ５ａ〜５ｃの各一つと、ローサイド側ＩＧＢＴ５ｄ〜５ｆとが個別に直列接続され、更に、各ＩＧＢＴ５ａ〜５ｆとそれぞれ個別に逆並列接続された６個のダイオ−ドとからなる周知の回路であり、本実施例では特にバッテリ充電時に単相全波整流器として機能し、モ−タ駆動時にはコントローラ１１によりスイッチング制御されて三相交流電圧を発生して三相交流モ−タ４に給電している。
【００１７】
スイッチ回路７は、三相インバ−タ回路５の一対の直流端とフィルタ回路９の一対の入力端との間に介設されるＩＧＢＴ７ａ〜７ｂからなり、７ａは上記両者の高位側を接続し、７ｂは上記両者の低位側を接続しており、ＩＧＢＴ７ａ〜７ｂはコントロ−ラ１１により充電時に導通され、モ−タ駆動時に遮断される。
フィルタ回路９は、スイッチ回路７の出力側の両端とバッテリ１０との間に介設される平滑回路であって、リアクトル素子９１と平滑コンデンサ９２とからなる周知の回路構成にダイオ−ド９３を付加して構成している。
【００１８】
８ａ〜８ｂは充電用リレ−の常閉接点、８ｃはこの充電用リレ−の常開接点であり、コントローラ１１は充電時に常閉接点８ａ〜８ｂを開き、常開接点８ｃを閉じ、モ−タ駆動時にこれら各接点８ａ〜８ｃに逆の動作を行わせる。
基本動作
以下、この電気自動車用充電装置の動作を説明する。
【００１９】
（モ−タ駆動時）
バッテリ１０により三相交流モ−タ４を駆動して走行する場合には、充電用リレ−を導通させて接点８ａ、８ｂを開き、接点８ｃを閉じ、スイッチ回路７のＩＧＢＴ７ａ、７ｂを遮断させ、スイッチング回路３を構成する各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄを遮断し、バッテリ１０から充電用リレ−の常閉接点８ａ〜８ｂを通じて三相インバ−タ回路５の一対の直流端間にバッテリ電圧を印加し、コントローラ１１から必要な周波数で三相インバ−タ回路５の各ＩＧＢＴ５ａ〜５ｆをＰＷＭ制御して擬似三相交流電圧を形成し、三相交流モ−タ４を所定回転数で駆動させる。
【００２０】
（バッテリ充電時）
バッテリ充電時には、フィルタ回路２の入力端に商用交流電源１を接続し、充電用リレ−を遮断して接点８ａ、８ｂを閉じ、接点８ｃを開く。また、スイッチ回路７のＩＧＢＴ７ａ、７ｂを導通させ、三相インバ−タ回路５のＩＧＢＴ５ａ〜５ｆは遮断する。
【００２１】
次に、コントローラ１１からドライブ回路１２に指令し、ドライブ回路１２がスイッチング回路３のＩＧＢＴ３ａ〜３ｄを所定周期で断続制御する。
更に具体的に説明すれば、ＩＧＢＴ３ａ、３ｄのペアとＩＧＢＴ３ｂ、３ｃのペアとを所定周期で交互に断続させる。すると、商用交流電源１の正の半波期間では商用交流電源１からＩＧＢＴ３ａ、ダイオ−ド３３ｂ、三相交流モ−タ４、ＩＧＢＴ３ｄ、ダイオ−ド３３ｃの順に流れる電流が高周波スイッチングされ、商用交流電源１の負の半波期間では商用交流電源１からＩＧＢＴ３ｃ、ダイオ−ド３３ｄ、三相交流モ−タ４、ＩＧＢＴ３ｂ、ダイオ−ド３３ａの順に流れる電流が高周波スイッチングされ、それにより三相交流モ−タ４の相入力端４１、４２間に高電圧高周波電圧が発生する。この高電圧高周波電圧は、三相インバ−タ回路５のダイオ−ドにより全波整流され、スイッチ回路７を通じ、フィルタ回路９で平滑化させて、バッテリ１０を充電する。
【００２２】
スイッチング回路３のＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのデューティ比は、バッテリ１０の電圧をモニタしながら制御し、バッテリ充電電流又は電圧が適正となるように制御を行う。
（スイッチング回路３のオープン故障検出）
この実施例では、ドライブ回路１２は、内部に図２に示すゲ−ト電流検出回路を内蔵している。ただし、図２はＩＧＢＴ３ａのゲ−ト電流検出回路であるが、他のＩＧＢＴ３ｂ〜３ｄのそれらも同じであるので、記載を省略する。
【００２３】
１２１〜１２４はドライブ回路１２の出力端とＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのゲ−ト電極とを個別に接続する出力線であって、１２５は、ドライブ回路１２のＩＧＢＴ３ａ駆動用の出力ドライバ回路（図示せず）とＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのゲ−ト電極との間に介設される電流検出抵抗兼ゲ−ト保護抵抗である。
抵抗１２５の両端の電圧降下はダイオ−ド１２６で半波整流され、抵抗１２７とコンデンサ１２８とからなる平滑回路で直流化され、Ａ／Ｄコンバ−タ１２９でデジタル信号に変換されてコントローラ１１に送信される。
【００２４】
次に、コントローラ１１によるスイッチング回路３のオープン故障検出ルーチンを図３のフロ−チャ−トを参照して以下に説明する。
まず、コントローラ１１による充電開始指令とともにこのル−チンが起動され、まず各出力線１２１〜１２４のゲ−ト電流Ｉａ〜Ｉｄを読み込み（１００）、読み込んだゲ−ト電流Ｉａ〜Ｉｄが正常かどうか、すなわち所定値以上であるかどうかを調べ（１０２）、過小であれば異常すなわちオープン故障であると判定し、その故障モ−ド（図４参照）に応じて、故障モ−ドが充電可能なものか、充電不能なものかを判定し、充電不能な場合にはドライブ回路１２にスイッチング回路３の駆動を中止するように指令するとともに、表示警告装置１５にそれを表示する。
【００２５】
次に、図４を参照して、上記各故障モ−ドを説明する。
故障モ−ド１は、ＩＧＢＴ３ａがオープン故障して常開となった場合であり、この場合には商用交流電源１の負の半波期間にだけ正常な動作が行える。ＩＧＢＴ３ｄのオープン故障の場合も同じであり、ＩＧＢＴ３ｂ、３ｃのオープン故障の場合には反対に正の半波期間にだけ正常な動作が行える。したがって、この場合には、充電能力が半減するにもかかわらず、そのまま充電を続行して構わない。
【００２６】
故障モ−ド２、３、６、７のモ−ドでは、充電が不能であるので、この場合にはいたずらに充電を持続してもなんら効果が無い。したがって、速やかにそれを表示警告するとともに、無駄な電力消費を防止するためにドライブ回路１２の駆動を停止する。
故障モ−ド４、５のモ−ドでは、半波充電が可能であるので、このまま充電を続行する。
【００２７】
故障モ−ド８のモ−ド、すなわち、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのうちの３つが故障した場合には、完全に充電が不能となるので、この場合にはいたずらに充電を持続してもなんら効果が無い。したがって、速やかにそれを表示警告するとともに、無駄な電力消費を防止するためにドライブ回路１２の駆動を停止する。
すなわち、各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのゲ−ト電流をモニタすることにより、充電可能なモ−ドおよび充電不能なモ−ドを判別できるとともに、オープン故障を生じたＩＧＢＴを特定することもでき、修理時にスイッチング回路３全体を交換するのではなく、オープン故障したＩＧＢＴだけを取り替えればよく、経済的となる。
【００２８】
（変形態様）
上記実施例では、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのゲ−ト電流をモニタしてオープン故障を検出したが、スイッチング回路３の出力端からバッテリ１０に至る回路中のどこかの電流を検出し、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄが正常な場合におけるこれら電流値とＩＧＢＴ３ａ〜３ｄの指令デューティ比との関係を予めマップに記憶しておき、このマップと検出電流値に基づいてオープン故障を判別することもできる。なお、この場合には、ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのオープン故障だけでなく、その他の素子などのオープン故障も検出できる利点および電流検出回路が１回路でよいという利点がある。
【００２９】
（変形態様）
上記実施例では、充電時にのみ、上記オープン故障検出動作を行ったが、充電時以外であっても、たとえば非走行期間に定期的に実施することもでき、このようにすれば、いざ充電という場合にオープン故障を発見して慌てるという事態を回避することができ、有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気自動車用充電装置の実施例を示す回路図である。
【図２】図１のゲ−ト電流検出回路を示す回路図である。
【図３】図１のコントロ−ラ１１によるオープン故障検出動作を示すフロ−チャ−トである。
【図４】ＩＧＢＴ３ａ〜３ｄのオープン故障モ−ドと、充電可能性との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１は商用交流電源、３はスイッチング回路、４は三相交流モ−タ、５は三相インバ−タ回路、１０はバッテリ、３ａ〜３ｄはＩＧＢＴ（スイッチングトランジスタ）、３３ａ〜３３ｄはダイオ−ド、１１はコントローラ（スイッチング回路監視手段（１０２）、オープン故障警告手段およびスイッチング回路遮断手段（１０４））。

Claims (4)

1. バッテリから三相インバ−タ回路を通じて給電される三相交流モ−タの一対の相入力端と単相商用電源の両端との間に介設されて前記単相商用電源から前記三相交流モ−タへの給電電流を高周波スイッチング制御するスイッチング回路と、前記スイッチング回路を構成するスイッチングトランジスタを駆動制御するドライブ回路とを有し、
   前記スイッチング回路は、互いに直列接続されて前記単相商用電源の一端と前記三相交流モ−タの一つの相入力端との間に介設される一対のスイッチングトランジスタと、前記一対のスイッチングトランジスタと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される一対のダイオ−ドと、互いに直列接続されて前記単相商用電源の他端と前記三相交流モ−タの他の一つの相入力端との間に介設される他の一対のスイッチングトランジスタと、前記他の一対のスイッチングトランジスタと個別に並列接続されるとともに互いに逆向きに直列接続される他の一対のダイオ−ドとを備える電気自動車用充電装置であって、
   前記スイッチングトランジスタの全波スイッチング給電状態、半波スイッチング給電状態および非給電状態を判別するスイッチング回路監視手段と、
   前記スイッチングトランジスタの全波スイッチング給電状態、半波スイッチング給電状態において前記ドライブ回路による前記スイッチング回路の駆動を許可し、前記非給電状態において前記ドライブ回路による前記スイッチング回路の駆動を禁止するスイッチング回路遮断手段と、
   を有することを特徴とする電気自動車用充電装置。
2. 請求項１記載の電気自動車用充電装置において、
   前記スイッチング回路監視手段は、前記ドライブ回路から前記スイッチング回路のスイッチングトランジスタへ給電される制御電流の大きさに基づいて前記スイッチングトランジスタの各前記状態を判別するものであることを特徴とする電気自動車用充電装置。
3. 請求項１又は２記載の電気自動車用充電装置において、
   充電不能な前記非給電状態が生じた場合にそれを警告するオープン故障警告手段を備えることを特徴とする電気自動車用充電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載の電気自動車用充電装置において、
   前記スイッチング回路監視手段は、前記スイッチング回路の各前記スイッチングトランジスタのオープン故障の組み合わせに基づいて、前記スイッチングトランジスタの全波スイッチング給電状態、半波スイッチング給電状態および非給電状態を判別することを特徴とする電気自動車用充電装置。

Images