JP4139290B2 - Electric vehicle power supply - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリフォークリフトなどの電気車輌に搭載され、その電気車輌を駆動するための電力を蓄える充電式バッテリとこのバッテリを外部電源からの電力で充電するための充電器とを備えた電気車輌用電源装置に関する。   The present invention is an electric vehicle that is mounted on an electric vehicle such as a battery forklift and has a rechargeable battery that stores electric power for driving the electric vehicle, and a charger for charging the battery with electric power from an external power source. The present invention relates to a power supply device.

従来より、バッテリフォークリフトなどの電気車輌のフレーム上には、充電式バッテリとその充電器などからなる電源装置が搭載され、バッテリからの電力でモータを駆動して電気車輌を働かせるようになっている。バッテリの充電は、外部電源、例えば工場などの3相200V交流電源、に車載の充電器を接続することで行われる。バッテリには、通常、蓄電セルに電解液を補充するための開口が設けられた開放型バッテリが用いられている。開放型バッテリでは、上記電解液注入口からバッテリケーシング表面に渡って付着した導電性の汚れ等によって、バッテリ電極と電気車輌の金属製のフレームとの間に導電経路ができる虞がある。もしバッテリの充電中にこの導電経路を通じてバッテリと車輌フレーム間に僅かでも電流が流れると、外部電源側に通常設けられている漏電遮断器が作動して、工場の停電や充電停止などの問題を引き起こすことがある。そこで、このような漏電の問題を無くすために、充電器として、二次側を一次側から絶縁した絶縁トランスを備えたものが一般的に採用されている。しかし、電気車輌用の充電器には大きい電流容量が要求され、かつ、外部の商用電源の周波数は50Hz又は60Hzと低いため、必然的に、充電器に組み込まれるトランスは大型で大重量である。   Conventionally, on a frame of an electric vehicle such as a battery forklift, a power supply device including a rechargeable battery and its charger is mounted, and a motor is driven by the electric power from the battery so that the electric vehicle is operated. . The battery is charged by connecting an in-vehicle charger to an external power source, for example, a three-phase 200V AC power source such as a factory. As the battery, an open-type battery in which an opening for replenishing the electrolytic solution to the storage cell is usually used. In the open type battery, there is a possibility that a conductive path is formed between the battery electrode and the metal frame of the electric vehicle due to conductive dirt or the like adhering from the electrolyte inlet to the surface of the battery casing. If even a small amount of current flows between the battery and the vehicle frame through this conductive path while the battery is being charged, the earth leakage circuit breaker normally provided on the external power supply side will operate, causing problems such as power outages at the factory and suspension of charging. May cause. Therefore, in order to eliminate such a problem of electric leakage, a charger having an insulating transformer in which the secondary side is insulated from the primary side is generally employed. However, a charger for an electric vehicle requires a large current capacity, and the frequency of an external commercial power supply is as low as 50 Hz or 60 Hz. Therefore, a transformer incorporated in the charger is inevitably large and heavy. .

この充電トランスを小型軽量化するために、スイッチング回路などの高周波発信回路と高周波トランスからなるDC/DCコンバータを採用した充電器が開示されている(例えば、特許文献1)。このように高周波交流を採用することによってトランスをかなり小型軽量化することができる。また、トランスを用いないで整流器とトランジスタによるドロッパ回路と用いてバッテリを充電するトランスレス充電器の技術も開示されている(例えば、下記の特許文献2)。この技術によればドロッパ回路によって充電制御を行うことができる。   In order to reduce the size and weight of this charging transformer, a charger employing a DC / DC converter including a high-frequency transmission circuit such as a switching circuit and a high-frequency transformer is disclosed (for example, Patent Document 1). By adopting high-frequency alternating current in this way, the transformer can be considerably reduced in size and weight. Moreover, the technique of the transformer-less charger which charges a battery using the dropper circuit by a rectifier and a transistor without using a transformer is also disclosed (for example, the following patent document 2). According to this technique, charge control can be performed by a dropper circuit.

特開平7−31075号公報(段落番号0011〜0022、図1〜図6参照)Japanese Patent Laid-Open No. 7-31075 (see paragraph numbers 0011 to 0022 and FIGS. 1 to 6) 特開2002−330553号公報(段落番号0014〜0037、図1参照)Japanese Patent Laid-Open No. 2002-330553 (paragraph numbers 0014 to 0037, see FIG. 1)

しかしながら、上記の特許文献1の技術は、絶縁型のトランスを小型軽量化して漏洩電流の発生を防止することができるというメリットはあるものの、高周波化するためのスイッチング回路や高周波特性を満足させるための高周波トランスなどによって充電器のコストが高くなってしまうなどの問題がある。また、上記の特許文献2の技術は、大型トランスの問題は解消しているが、開放型バッテリと車輌の金属フレーム間の漏洩電流の問題を解決していない。   However, although the technique of the above-mentioned patent document 1 has the merit that the generation of leakage current can be prevented by reducing the size and weight of the insulating transformer, the switching circuit for increasing the frequency and the high frequency characteristics are satisfied. There is a problem that the cost of the charger increases due to the high frequency transformer. Moreover, although the technique of said patent document 2 has eliminated the problem of a large sized transformer, it has not solved the problem of the leakage current between an open type battery and the metal frame of a vehicle.

さらに、従来から使用されているトランス式充電器は細かい充電制御を行うことが難しいという問題がある。そのため、例えば、料金の安い深夜電力の時間帯(7時間程度)の範囲内で充電を完了させることができず、満充電までに例えば10時間程度かかってしまい、結果的に、電気料金が嵩んでしまうこともある。   Furthermore, the transformer charger used conventionally has a problem that it is difficult to perform fine charge control. For this reason, for example, charging cannot be completed within a low-night power time zone (about 7 hours) where the charge is low, and it takes about 10 hours to fully charge, resulting in an increase in the electricity charge. Sometimes it gets stuck.

本発明の目的は、所望充電時間でバッテリ充電を完了させることが容易な電気車輌用電源装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an electric vehicle power supply device that can easily complete battery charging in a desired charging time.

さらに、本発明のまた別の目的は、バッテリ充電時に電気車輌内の低耐圧部品を用いた回路を保護することにある。   Still another object of the present invention is to protect a circuit using low-voltage components in an electric vehicle during battery charging.

本発明の一つの態様に従う、電気車輌内の所定回路に電力を供給するための前記電気車輌に搭載される電源装置は、前記所定回路へ供給されるべき電気エネルギーを蓄えるための、シール型バッテリを採用するか、又は前記電気車輌の金属製フレームへの漏電経路の形成を防止するための絶縁手当てを施された開放型バッテリを採用してなる充電式のバッテリと、前記電気車輌の外部の電源に接続されて前記バッテリを充電するための、絶縁型トランスを用いない構成をもつ充電器とを備える。   According to one aspect of the present invention, a power supply device mounted on the electric vehicle for supplying power to a predetermined circuit in the electric vehicle is a sealed battery for storing electric energy to be supplied to the predetermined circuit Or a rechargeable battery that employs an open-type battery with an insulation treatment to prevent the formation of a leakage path to the metal frame of the electric vehicle, and an external of the electric vehicle. A charger connected to a power source and configured to not use an insulating transformer for charging the battery.

この構成によれば、バッテリが車輌フレームから確実に絶縁されているため、外部電源とバッテリの間に絶縁型トランスを介さなくても、バッテリ充電時の漏洩電流の発生を防止できる。そして、絶縁型トランスを用いない構成を充電器に採用することで、充電器を小型軽量にすることができる。   According to this configuration, since the battery is reliably insulated from the vehicle frame, it is possible to prevent the occurrence of a leakage current when charging the battery without using an insulating transformer between the external power source and the battery. And the structure which does not use an insulation type transformer is employ | adopted for a charger, and a charger can be made small and lightweight.

本発明の別の態様に従う、電気車輌内の所定回路に電力を供給するための前記電気車輌に搭載される電源装置は、前記所定回路へ供給されるべき電気エネルギーを蓄えるための充電式のバッテリと、前記電気車輌の外部の電源から電力を受けて前記バッテリを充電するための、絶縁型トランスを用いない構成をもつ充電器と、前記充電器が前記バッテリを充電しているときに、前記バッテリと前記所定回路との間の電気的接続を遮断するための遮断手段とを備える。   According to another aspect of the present invention, a power supply device mounted on the electric vehicle for supplying power to a predetermined circuit in the electric vehicle is a rechargeable battery for storing electric energy to be supplied to the predetermined circuit. A charger having a configuration not using an insulating transformer for receiving power from an external power source of the electric vehicle and charging the battery, and when the charger is charging the battery, A disconnecting means for disconnecting an electrical connection between the battery and the predetermined circuit;

この構成によれば、バッテリ充電時に電気車輌内の前記所定回路に低耐圧部品を用いた回路が含まれていても、この低耐圧回路が充電時にバッテリから電気的に切り離されるので、車両フレームと低耐圧回路間に外部電源による大きい電位差が発生することがなくなり、よって、低耐圧回路を保護することができる。   According to this configuration, even when a circuit using a low withstand voltage component is included in the predetermined circuit in the electric vehicle at the time of battery charging, the low withstand voltage circuit is electrically disconnected from the battery at the time of charging. A large potential difference due to an external power source does not occur between the low withstand voltage circuits, and thus the low withstand voltage circuit can be protected.

この構成において、さらに、前記充電器が前記バッテリを充電し且つ前記遮断手段が前記バッテリと前記所定回路との間の電気的接続を遮断しているときに、前記所定回路中の充電時に動作する必要がある特定回路へ前記充電器又は前記バッテリからの電力を供給するための、入力側と出力側が互いに絶縁された小容量絶縁型コンバータを設けてもよい。この小容量絶縁型コンバータを設けると、バッテリ充電中、上述した遮断手段よる保護効果を生かしつつ、充電時に動作する必要がある特定回路の動作を確保することができる。   In this configuration, the charger further charges the battery and operates when charging in the predetermined circuit when the blocking means is blocking an electrical connection between the battery and the predetermined circuit. You may provide the small capacity | capacitance type | mold converter with which the input side and the output side were mutually insulated for supplying the electric power from the said charger or the said battery to the specific circuit which needs to be. By providing this small-capacity insulated converter, it is possible to ensure the operation of a specific circuit that needs to operate during charging while taking advantage of the protective effect of the above-described blocking means during battery charging.

以上説明したように、本発明の電気車輌用電源装置によれば、シール型バッテリなど電気車輌の金属フレームに対して絶縁されたバッテリを用いることによって、交流電電と充電器との間のトランスが不要となる。これによって、電気車輌用電源装置を小型軽量化することができると共にコスト低減を図ることができる。電気自動車用シール型バッテリは充電時に熱が発生しないので短時間で急速充電を行うことができる。   As described above, according to the electric vehicle power supply device of the present invention, by using a battery that is insulated from the metal frame of the electric vehicle such as a sealed battery, the transformer between the AC electric power and the charger is provided. It becomes unnecessary. As a result, the power supply device for electric vehicles can be reduced in size and weight, and the cost can be reduced. Since a sealed battery for electric vehicles does not generate heat during charging, it can be quickly charged in a short time.

以下、図面を参照して本発明における電気車輌用電源装置の実施の形態について説明する。   Embodiments of an electric vehicle power supply device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態にかかる電気車輌用電源装置の全体的な概略構成を示す。   FIG. 1 shows an overall schematic configuration of a power supply device for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、バッテリフォークリフトなどの電気車輌1上には、充電式バッテリ2及び充電・電源制御回路3などからからなる電気車輌用電源装置10と、モータドライバ/コントロールパネル/その他種々の車輌機能用回路(以下、モータドライバ等という)4及びモータ5などを含む負荷回路20が搭載されている。   As shown in FIG. 1, on an electric vehicle 1 such as a battery forklift, an electric vehicle power source device 10 including a rechargeable battery 2 and a charging / power source control circuit 3, a motor driver / control panel / other various types A load circuit 20 including a vehicle function circuit (hereinafter referred to as a motor driver or the like) 4 and a motor 5 is mounted.

なお、モータドライバ等4に含まれる種々の回路の多くの定格電源電圧(例えば、48V、12V、5Vなど)に比べて電気車輌用電源装置10の出力電圧は高く設定されている(加えて、後述するように、これは所定の電圧範囲で意図的に増減される)ため、電気車輌用電源装置10の出力電圧からモータドライバ等4内のそれぞれの回路の電源電圧を生成するためのレギュレータが必要であるが、それらレギュレータは図1ではモータドライバ等4のブロックに含まれているものとして、図示省略してある。   Note that the output voltage of the electric vehicle power supply device 10 is set higher than many rated power supply voltages (for example, 48V, 12V, 5V, etc.) of various circuits included in the motor driver 4 (in addition, As will be described later, this is intentionally increased or decreased within a predetermined voltage range). Therefore, regulators for generating power supply voltages of respective circuits in the motor driver 4 etc. from the output voltage of the electric vehicle power supply device 10 are provided. Although necessary, these regulators are omitted in FIG. 1 because they are included in the block of the motor driver 4 and the like.

図1の構成において、バッテリ2は、開放型のものではなく、シール型(密閉型)のバッテリであって、このシール型バッテリは、バッテリ内部が実質的に密閉されて外部から実質的に完全に絶縁されている(バッテリ呼吸用の微小開口はあるが、バッテリ内部と外部との間で電流が漏れる虞のあるような開口は全くない)。因みに、シール型バッテリには、鉛、ニッケル水素、リチウムイONなどの幾つかのタイプがある。このようなシール型バッテリを採用したバッテリ2は、車輌の金属製のフレームから確実に絶縁されているので、バッテリ2と車輌フレーム間に漏洩電流が流れる虞は無い。   In the configuration of FIG. 1, the battery 2 is not an open type but a sealed (sealed) battery. The sealed battery is substantially completely sealed from the outside so that the battery is substantially completely sealed. (Although there is a small opening for breathing the battery, there is no opening that could leak current between the inside and outside of the battery). Incidentally, there are several types of sealed batteries such as lead, nickel metal hydride, and lithium ion ON. Since the battery 2 employing such a sealed battery is reliably insulated from the metal frame of the vehicle, there is no possibility of leakage current flowing between the battery 2 and the vehicle frame.

充電・電源制御回路3は、バッテリ2から負荷回路20への電力供給(負荷回路20からの電力回生も含む)を制御したり、バッテリ2への充電電流の制御を行なったりするものである。充電・電源制御回路3は、バッテリ2と負荷回路20との間に接続されており、また、充電時に工場等の所定の外部電源、例えば3相200V交流電源6、のソケット9に差し込むためのプラグ8を有している。電気車輌1の動作時には、充電・電源制御回路3は、バッテリ2からモータドライバ等4へ車輌動作に必要な電力を供給する。また、バッテリ2の充電時には、充電・電源制御回路3は、工場等に設けられた3相200V交流電源6と接続して、バッテリ2へ充電電力を供給する。充電・電源制御回路3は、従来のような絶縁型トランスを用いたバッテリ充電回路は有しておらず、代わりに、トランスを用いないDC/DCコンバータを用いたバッテリ充電回路を有しており、その詳細な構成は後に説明する。   The charging / power supply control circuit 3 controls power supply from the battery 2 to the load circuit 20 (including power regeneration from the load circuit 20), and controls charging current to the battery 2. The charging / power control circuit 3 is connected between the battery 2 and the load circuit 20, and is used for plugging into a socket 9 of a predetermined external power source such as a factory, for example, a three-phase 200V AC power source 6 at the time of charging. A plug 8 is provided. During operation of the electric vehicle 1, the charging / power supply control circuit 3 supplies electric power necessary for vehicle operation from the battery 2 to the motor driver 4. At the time of charging the battery 2, the charging / power supply control circuit 3 is connected to a three-phase 200 V AC power supply 6 provided in a factory or the like to supply charging power to the battery 2. The charging / power supply control circuit 3 does not have a battery charging circuit using an insulated transformer as in the prior art, but instead has a battery charging circuit using a DC / DC converter that does not use a transformer. The detailed configuration will be described later.

バッテリ充電のために交流電源6に充電・電源制御回路3を接続すると、電気車輌1の金属製のフレームが交流電源6側の接地ラインに接続されて接地電位となるようになっている。もし、充電中にバッテリ2と電気車輌1のフレームへと漏洩電流が流れたならば、例えば数十mA程度の僅かな漏洩電流が流れただけで、交流電源7側の漏電遮断器7が作動して交流電源6からの電流路を遮断してしまう。この問題を解決するために従来は絶縁型トランスを用いた充電器が使用されていた。これに対し、本実施形態にかかる電気車輌用電源装置10では、バッテリ2として、外部から実質的に完全に絶縁されたシール型バッテリが用いられているため、バッテリ2と車輌フレームとの間に漏洩電流が流れる虞がなく、よって、上記のような漏電遮断器7が作動する問題が生じない。それ故に、充電・電源制御回路3の充電回路には、絶縁型トランスを用いる必要がなく、それに代えて、トランスレスのDC/DCコンバータが用いられている。その結果、充電・電源制御回路3は小型軽量になることができる。   When the charging / power control circuit 3 is connected to the AC power source 6 for charging the battery, the metal frame of the electric vehicle 1 is connected to the ground line on the AC power source 6 side so as to have a ground potential. If leakage current flows to the frame of the battery 2 and the electric vehicle 1 during charging, the leakage breaker 7 on the side of the AC power supply 7 is activated only by a slight leakage current of about several tens mA, for example. As a result, the current path from the AC power source 6 is interrupted. In order to solve this problem, a charger using an insulating transformer has been conventionally used. On the other hand, in the electric vehicle power supply device 10 according to the present embodiment, a sealed battery that is substantially completely insulated from the outside is used as the battery 2, and therefore, between the battery 2 and the vehicle frame. There is no possibility of leakage current flowing, and therefore the problem of operating the leakage breaker 7 as described above does not occur. Therefore, it is not necessary to use an insulating transformer in the charging circuit of the charging / power supply control circuit 3, and a transformerless DC / DC converter is used instead. As a result, the charging / power supply control circuit 3 can be reduced in size and weight.

さらに、トランスレスのDC/DCコンバータを採用することで、設定した時間の範囲内で満充電を完了させるような充電制御を行うことが可能になる。すなわち、トランスレスのDC/DCコンバータは微細な充電制御を行うことができるという特徴をもつ。例えば、シール型鉛バッテリは、複数段階の定電流制御によって充電を行うことができ、1段階目の充電電流値はバッテリの電極を損傷させない範囲内でかなり自由に設定することができる。この特徴を利用して、充電・電源制御回路3は、充電開始前にユーザに所望の充電時間を設定させ、その充電時間で満充電が完了するように各段階の充電電流を自動計算し設定した上で充電を開始して、各段階の充電電流を対応する設定値に制御することができる。例えば、1段階目の充電電流値を高く設定して短時間で満充電にすることもできるし、1段階目の充電電流値を比較的低く設定して長時間で満充電にすることもできる。このように、あらかじめ所望の充電時間を設定しておけば、充電・電源制御回路3が、所望の充電時間以内に満充電となるように1段階目又はそれ以降の段階の充電電流値を自動的に決めて制御することができる。   Furthermore, by adopting a transformerless DC / DC converter, it is possible to perform charge control so that full charge is completed within a set time range. That is, the transformerless DC / DC converter has a feature that fine charge control can be performed. For example, a sealed lead battery can be charged by a plurality of stages of constant current control, and the charge current value of the first stage can be set fairly freely within a range that does not damage the battery electrodes. Using this feature, the charging / power control circuit 3 allows the user to set a desired charging time before starting charging, and automatically calculates and sets the charging current at each stage so that full charging is completed within that charging time. Then, charging can be started and the charging current at each stage can be controlled to the corresponding set value. For example, the charging current value at the first stage can be set high to be fully charged in a short time, or the charging current value at the first stage can be set relatively low to be fully charged in a long time. . In this way, if a desired charging time is set in advance, the charging / power supply control circuit 3 automatically sets the charging current value at the first stage or subsequent stages so that it is fully charged within the desired charging time. Can be determined and controlled.

また、電流容量の大きい急速充電対応のシール型バッテリを採用した場合、急速充電対応の開放型バッテリを採用した場合に比べて、充電開始から車輌稼動開始までの実質的な充電時間がより短くなるという利点も得られる。すなわち、開放型バッテリは、急速充電を行うと大量の熱が発生するため、充電完了後にかなりの長時間(例えば、充電に要した時間と同程度の長さの時間)冷却を行わないと、車輌稼動を開始できないのに対して、シール型バッテリの場合は急速充電しても大した熱は発生しないので、充電完了後に冷却せずに実質的に直ちに車輌稼動を開始できる。そのため、急速充電を作業の都合に合わせて随時に(例えば、作業者の休憩時間などに)繰り返しながら、車輌を実質的に24時間継続的に稼動させることができる。   In addition, when using a fast-charged sealed battery with a large current capacity, the substantial charge time from the start of charging to the start of vehicle operation is shorter than when using an open-type battery that supports fast charging. The advantage is also obtained. In other words, since an open battery generates a large amount of heat when it is charged quickly, it must be cooled for a considerable length of time after completion of charging (for example, as long as the time required for charging). In contrast to the fact that the vehicle operation cannot be started, in the case of the sealed battery, a great amount of heat is not generated even if the battery is rapidly charged. Therefore, the vehicle operation can be started substantially immediately after cooling without cooling. Therefore, it is possible to operate the vehicle substantially continuously for 24 hours while repeating quick charging at any time according to the convenience of work (for example, during a worker's rest time).

図2は、本実施形態にかかる電気車輌用電源装置10の回路構成を示す。尚、図2は、バッテリ充電のために電気車輌用電源装置10が3相200V交流電源6に接続された状態を示しているが、勿論、充電時以外の時には、電気車輌用電源装置10は3相200V交流電源6から切り離されている。   FIG. 2 shows a circuit configuration of the electric vehicle power supply device 10 according to the present embodiment. FIG. 2 shows a state in which the electric vehicle power supply device 10 is connected to the three-phase 200V AC power supply 6 for charging the battery. Of course, the electric vehicle power supply device 10 is not used during charging. It is disconnected from the three-phase 200V AC power source 6.

図2に示される電気車輌用電源装置10において、バッテリ2を除した部分が図1に示した充電・電源制御回路3に相当する部分であり、これは、バッテリ2から電気車輌に電力を供給するための電源制御系統と、バッテリ2を充電するための充電系統とから構成されている。   In the electric vehicle power supply device 10 shown in FIG. 2, a portion excluding the battery 2 is a portion corresponding to the charging / power supply control circuit 3 shown in FIG. 1, which supplies electric power from the battery 2 to the electric vehicle. Power supply control system and a charging system for charging the battery 2.

電気車輌用電源装置10の電源制御系統には、シール型バッテリ2と、このバッテリ20と負荷回路20との間に接続された電流制御型のDC/DCコンバータ14と、DC/DCコンバータ14の負荷回路20側端子に負荷回路20と並列に(つまり、負荷回路20から見るとDC/DCコンバータ14と並列に)接続された大容量コンデンサ15と、DC/DCコンバータ14の動作を制御するためのコントローラ18が含まれている。

DC/DCコンバータ14は、半導体スイッチング素子を用いたトランスレスの構成を有する双方向に電力変換可能な回路であって(その具体的構成例については後に説明する)、車輌動作時には、バッテリ20の出力電圧を、所定の電圧範囲内の電圧に変換して負荷回路20側へ出力し、そして、図2中の矢印bに示すようにバッテリ2から負荷回路20への電力を供給するとき(例えば、モータ5の力行時)、及び図2中の矢印aに示すように負荷回路2からバッテリ2へ電力が返還されるとき(例えば、モータ5の回生時)の双方のときの電力変換制御を、スイッチング素子の働きにより行う。
The power control system of the electric vehicle power supply apparatus 10 includes a sealed battery 2, a current control type DC / DC converter 14 connected between the battery 20 and the load circuit 20, and a DC / DC converter 14. A large-capacitance capacitor 15 connected to the load circuit 20 side terminal in parallel with the load circuit 20 (that is, in parallel with the DC / DC converter 14 when viewed from the load circuit 20), and to control the operation of the DC / DC converter 14 The controller 18 is included.

The DC / DC converter 14 is a circuit capable of bi-directional power conversion having a transformer-less configuration using semiconductor switching elements (a specific configuration example will be described later). When the output voltage is converted to a voltage within a predetermined voltage range and output to the load circuit 20 side, and power is supplied from the battery 2 to the load circuit 20 as indicated by an arrow b in FIG. , When the electric power is returned from the load circuit 2 to the battery 2 (for example, during the regeneration of the motor 5) as shown by the arrow a in FIG. , By the action of the switching element.

コントローラ18は、負荷回路20と同様、DC/DCコンバータ14から電源を得て動作する。なお、DC/DCコンバータ14の出力電圧からコントローラ18の定格電源電圧(例えば、12V、5Vなど)を生成するためのレギュレータは、図2ではコントローラ20のブロックに含まれているものとして、図示省略してある。このコントローラ18は、負荷回路20の状態やその他の図示しない運転指示情報やセンサ情報等に基づいて、DC/DCコンバータ14が電力制御を適切に行うよう、DC/DCコンバータ14の状態やスイッチング素子のデューティ(通電率:一周期内のON時間の割合)を制御して、DC/DCコンバータ14の出力電圧を制御する。   Similarly to the load circuit 20, the controller 18 operates by obtaining power from the DC / DC converter 14. Note that the regulator for generating the rated power supply voltage (for example, 12 V, 5 V, etc.) of the controller 18 from the output voltage of the DC / DC converter 14 is not shown in FIG. 2 as being included in the block of the controller 20 in FIG. It is. The controller 18 determines the state of the DC / DC converter 14 and the switching elements so that the DC / DC converter 14 performs power control appropriately based on the state of the load circuit 20 and other operation instruction information and sensor information (not shown). The output voltage of the DC / DC converter 14 is controlled by controlling the duty ratio (energization rate: ratio of ON time within one cycle).

大容量コンデンサ15は、例えばファラッドオーダの容量をもつもので、負荷急変時(負荷回路20へ供給すべき電力又は負荷回路20から返還される電力の急変時)に、負荷回路20へ所望電力を急速放出したり、負荷回路20から返される電力を急速吸収したりするためのものである。なお、この大容量コンデンサ15による電力の放出/吸収を効果的に行うために、コントローラ18は、DC/DCコンバータ14を制御してその出力電圧を所定の電圧範囲で意図的に増減することができる。   The large-capacitance capacitor 15 has a capacity of, for example, farad order, and supplies desired power to the load circuit 20 when the load suddenly changes (when power to be supplied to the load circuit 20 or power suddenly changed from the load circuit 20). This is for rapid discharge or rapid absorption of power returned from the load circuit 20. In order to effectively release / absorb power by the large-capacitance capacitor 15, the controller 18 can control the DC / DC converter 14 to intentionally increase or decrease the output voltage within a predetermined voltage range. it can.

電気車輌用電源装置10の充電系統には、3相200V交流電源6に接続するためのプラグ8と、充電時のみON状態にされる充電スイッチ11と、3相200Vを整流して直流電圧を生成する整流器12と、整流器12からの直流電圧を入力してこれをバッテリ充電に必要な所定の目的電圧に降圧又は昇圧して出力する降圧/昇圧器13とが含まれる。さらに、この充電系統には、上述したDC/DCコンバータ14及びコントローラ18と、充電時に降圧/昇圧器13及びDC/DCコンバータ14などの3相200V交流電源6に接続された回路から負荷回路20やコントローラ18を切り離すための保護スイッチ16と、保護スイッチ16をバイパスするように設けられた絶縁型DC/DCコンバータ19が含まれる。   The charging system of the electric vehicle power supply device 10 includes a plug 8 for connection to the three-phase 200V AC power source 6, a charging switch 11 that is turned on only during charging, and a DC voltage by rectifying the three-phase 200V. A rectifier 12 to be generated and a step-down / boost 13 that inputs a DC voltage from the rectifier 12 and steps down or boosts it to a predetermined target voltage necessary for battery charging are included. Further, the charging system includes a load circuit 20 including a circuit connected to the DC / DC converter 14 and the controller 18 described above and a three-phase 200V AC power source 6 such as a step-down / boost 13 and a DC / DC converter 14 during charging. And a protection switch 16 for disconnecting the controller 18 and an insulated DC / DC converter 19 provided so as to bypass the protection switch 16.

降圧/昇圧器13の出力端子は、DC/DCコンバータ14の負荷回路20側の端子に接続されている。そして、バッテリ充電時、DC/DCコンバータ14は、図2中矢印aに示すように降圧/昇圧器13からバッテリ2へと電流を流すように動作して、バッテリ2の充電を行なう。その際、DC/DCコンバータ14は、バッテリ2の充電電流が所定の設定電流値に一致するように定電流制御を行なう。   The output terminal of the step-down / boost 13 is connected to the load circuit 20 side terminal of the DC / DC converter 14. When the battery is charged, the DC / DC converter 14 operates to flow current from the step-down / boost 13 to the battery 2 as shown by an arrow a in FIG. At that time, the DC / DC converter 14 performs constant current control so that the charging current of the battery 2 matches a predetermined set current value.

保護スイッチ16は、車輌動作時にはON状態になっていてDC/DCコンバータ14及び大容量コンデンサ15を負荷回路20及びコントローラ18に接続しているが、バッテリ充電時にはOFF状態になって、降圧/昇圧器13やDC/DCコンバータ14などの3相200V交流電源6に接続された回路と負荷回路20及びコントローラ18との間の電気的接続を遮断する(つまり、前者から後者を電気的に絶縁する)。   The protection switch 16 is in an ON state when the vehicle is operating, and connects the DC / DC converter 14 and the large-capacitance capacitor 15 to the load circuit 20 and the controller 18, but is in an OFF state when the battery is charged, and the step-down / step-up operation is performed. The electrical connection between the circuit connected to the three-phase 200V AC power source 6 such as the capacitor 13 and the DC / DC converter 14 and the load circuit 20 and the controller 18 is cut off (that is, the former is electrically insulated from the former). ).

絶縁型DC/DCコンバータ19は、高周波自励発振回路と高周波絶縁型トランスを用いた小型軽量の小容量DC/DCコンバータであって、充電時に保護スイッチ16がOFF状態にあるとき、降圧/昇圧器13の出力電圧を、負荷回路20中の充電中も作動している必要がある所定回路(例えば、コントロールパネル等の所定のパイロットランプなど)やコントローラ18の駆動に必要な電圧(例えば48V)に変換して負荷回路20及びコントローラ18に供給し、それにより、充電時においてコントローラ18が充電制御を行ったり負荷回路20中の上記パイロットランプ等の所定回路が作動することができようにする。高周波絶縁型トランスにより、絶縁型DC/DCコンバータ19の入力側(降圧/昇圧器13側)と出力側(負荷回路20及びコントローラ18側)は互いに電気的に絶縁されている。   The isolated DC / DC converter 19 is a small and lightweight small-capacity DC / DC converter using a high-frequency self-excited oscillation circuit and a high-frequency isolated transformer. When the protection switch 16 is in an OFF state during charging, the step-down / step-up operation is performed. The output voltage of the device 13 is a voltage (for example, 48 V) required for driving a predetermined circuit (for example, a predetermined pilot lamp such as a control panel) that needs to operate even during charging in the load circuit 20 or the controller 18. And is supplied to the load circuit 20 and the controller 18 so that the controller 18 can perform charging control during charging and a predetermined circuit such as the pilot lamp in the load circuit 20 can be operated. The input side (step-down / step-up / boost 13 side) and output side (load circuit 20 and controller 18 side) of the isolated DC / DC converter 19 are electrically insulated from each other by the high-frequency insulated transformer.

コントローラ18は、充電時には、上述の充電スイッチ11、保護スイッチ16及びDC/DCコンバータ14などを制御する。すなわち、充電を開始しようとする際には、コントローラ18は、予め設定された充電時間でバッテリ2の満充電を完了するように、設定された充電時間に基づいて充電の複数段階の充電電流値を自動計算して設定する。そして、コントローラ18は、保護スイッチ16をターンOFFし、続いて充電スイッチ11をターンONすることにより、充電を開始する。充電中は、コントローラ18は、充電中の複数段階における充電電流がそれぞれの段階の設定電流値に一致するようにDC/DCコンバータ14のスイッチング素子のデューティを制御する。充電が完了すると、コントローラ18は、充電スイッチ11をターンOFFし、続いて保護スイッチ16をターンONすることにより、充電を終了する。   The controller 18 controls the above-described charging switch 11, protection switch 16, DC / DC converter 14 and the like during charging. That is, when starting the charging, the controller 18 charges the charging currents at a plurality of stages based on the set charging time so as to complete the full charging of the battery 2 in the preset charging time. Is automatically calculated and set. Then, the controller 18 turns off the protection switch 16 and then turns on the charging switch 11 to start charging. During charging, the controller 18 controls the duty of the switching element of the DC / DC converter 14 so that the charging currents at a plurality of stages during charging coincide with the set current values at the respective stages. When the charging is completed, the controller 18 turns off the charging switch 11 and then turns on the protection switch 16 to end the charging.

次に、図2を参照して、バッテリ2の充電時と車輌動作時の電気車輌用電源装置10の動作を説明する。   Next, the operation of the electric vehicle power supply device 10 during charging of the battery 2 and during vehicle operation will be described with reference to FIG.

バッテリ2を充電するときは、まず、ユーザによって電気車輌用電源装置10のプラグ8が交流電源6のソケット9に接続される。そして、ユーザから充電開始の指令が入ると(例えば、電気車輌用電源装置10に設けられた図示しない『充電』ボタンを押下される)と、コントローラ18が、制御信号S3によって保護スイッチ16をターンOFFし、その後に、制御信号S1によって充電スイッチ11をターンONし、さらに、制御信号S2によって、DC/DCコンバータ14の電流方向が図の矢印aのようにバッテリ2を充電する方向になるようにDC/DCコンバータ14の駆動及び制御を開始する。こうして充電動作が開始される。なお、保護スイッチ16がOFF状態であっても、絶縁型DC/DCコンバータ19によって、コントローラ18の電源や負荷回路20のコントロールパネル等のパイロットランプやその他所定のアクセサリなど充電中に動作する必要がある回路の電源は確保される。   When charging the battery 2, first, the plug 8 of the electric vehicle power supply device 10 is connected to the socket 9 of the AC power supply 6 by the user. Then, when an instruction to start charging is input from the user (for example, when a “charge” button (not shown) provided in the electric vehicle power supply device 10 is pressed), the controller 18 turns the protection switch 16 by the control signal S3. After that, the charging switch 11 is turned ON by the control signal S1, and further, the current direction of the DC / DC converter 14 is changed to the direction of charging the battery 2 as shown by the arrow a in the figure by the control signal S2. Then, the drive and control of the DC / DC converter 14 are started. Thus, the charging operation is started. Even when the protection switch 16 is in the OFF state, the isolated DC / DC converter 19 needs to operate during charging of the power supply of the controller 18, the pilot lamps such as the control panel of the load circuit 20, and other predetermined accessories. The power supply of a certain circuit is secured.

充電開始後、コントローラ18はバッテリ2の充電状態や経過時間などを監視して、充電の段階を切り替えるタイミングを制御しつつ、制御信号S2によってDC/DCコンバータ14を制御して、まずは、予め設定された充電時間内に充電が完了するように予め計算された1段階目の充電電流値によって充電を開始し、そして、満充電に近づくに従って段階を進め、段階が進むほど充電電流を減少させていく。   After the start of charging, the controller 18 monitors the charging state and elapsed time of the battery 2 and controls the DC / DC converter 14 with the control signal S2 while controlling the timing for switching the charging stage. The charging starts with the charging current value of the first stage that is calculated in advance so that the charging is completed within the specified charging time, and proceeds as the stage approaches full charging, and the charging current is decreased as the stage progresses. Go.

充電中、負荷回路20及びコントローラ8は、保護スイッチ16によって交流電源6から電気的に遮断されていると共に絶縁型DC/DCコンバータ19によって交流電源6から絶縁されている。したがって、負荷回路20及びコントローラ18と、充電中接地電位にある車輌フレームとの間の電位差が、交流電源6の200Vになることはない。これにより、負荷回路20に含まれる各種の電子回路やコントローラ18のように一般に低耐圧の部品で作られている回路が保護される。   During charging, the load circuit 20 and the controller 8 are electrically disconnected from the AC power source 6 by the protection switch 16 and are insulated from the AC power source 6 by the insulation type DC / DC converter 19. Therefore, the potential difference between the load circuit 20 and the controller 18 and the vehicle frame at the ground potential during charging does not become 200 V of the AC power supply 6. As a result, various electronic circuits included in the load circuit 20 and circuits generally made of low-voltage components such as the controller 18 are protected.

コントローラ18は、バッテリ2の状態が満充電になったことを検出すると、或いは、あらかじめ設定された充電時間が経過すると、或いは、ユーザから受電停止が指示されると、制御信号S2によってDC/DCコンバータ14を停止させるとともに、制御信号S1によって充電スイッチ11をターンOFFし、その後に、制御信号S3によって保護スイッチ16をターンONする。これで、充電動作が終了する。   When the controller 18 detects that the state of the battery 2 is fully charged, when a preset charging time has elapsed, or when the user instructs to stop receiving power, the controller 18 performs DC / DC by the control signal S2. The converter 14 is stopped and the charging switch 11 is turned off by the control signal S1, and then the protection switch 16 is turned on by the control signal S3. This completes the charging operation.

尚、図2に示すように、この実施形態では、大容量コンデンサ15が保護スイッチ16よりもDC/DCコンバータ14の側に配置されているが、これに代えて、大容量コンデンサ15を保護スイッチ16よりも負荷回路20側に配置してもよい。しかし、図示のように大容量コンデンサ15が保護スイッチ16よりDC/DCコンバータ14側に配置された場合には、充電時にバッテリ2だけでなく大容量コンデンサ15も充電されることになるので都合が良い。   As shown in FIG. 2, in this embodiment, the large-capacitance capacitor 15 is disposed on the DC / DC converter 14 side of the protection switch 16, but instead, the large-capacity capacitor 15 is replaced with the protection switch. You may arrange | position to the load circuit 20 side rather than 16. However, when the large-capacitance capacitor 15 is arranged on the DC / DC converter 14 side from the protection switch 16 as shown in the drawing, not only the battery 2 but also the large-capacity capacitor 15 is charged at the time of charging. good.

充電が終わった後電気車輌1が動作するときには、保護スイッチ16がONで充電スイッチ11がOFFになっている状態で、コントローラ18は、制御信号S2によってDC/DCコンバータ14を制御して、DC/DCコンバータ14の電流方向が力行時に図の矢印bの方向になるように、また回生時には図の矢印aの方向になるようにするとともに、DC/DCコンバータ14を流れる電流を所望値に制御する。負荷の急変は、大容量コンデンサ15によって即応されるので、負荷回路20は常に安定した動作を行うことができる。   When the electric vehicle 1 operates after the charging is finished, the controller 18 controls the DC / DC converter 14 with the control signal S2 in a state where the protection switch 16 is ON and the charging switch 11 is OFF, and the DC The current direction of DC / DC converter 14 is in the direction of arrow b in the figure during power running, and in the direction of arrow a in the figure during regeneration, and the current flowing through DC / DC converter 14 is controlled to a desired value. To do. Since the sudden change of the load is immediately responded by the large-capacitance capacitor 15, the load circuit 20 can always perform a stable operation.

図3は、図2に示したDC/DCコンバータ14の回路構成の一例を示す。   FIG. 3 shows an example of the circuit configuration of the DC / DC converter 14 shown in FIG.

図3に例示したDC/DCコンバータ14は、直並列チョッパ回路として構成され、2セットのバッテリ2A、2B(図1、図2では、簡略的に1セットのバッテリ2のごとくに示されている)と接続され、系統電圧ライン82、83(このライン82、83に大容量コンデンサ15が接続され、また図2に示したように保護スイッチ16を介して負荷回路20などが接続される)へ出力する電圧レベルを無段階に制御することができる。コントローラ18は、制御信号S2A、S2B、S2C(図3では、簡略的に制御信号S1で示されている)によりDC/DCコンバータ14の出力電圧を制御する。図3中の充電回路11、12、13は、図2に示した充電スイッチ11、整流器12及び降圧/昇圧器13を1ブロックに纏めたものである。   The DC / DC converter 14 illustrated in FIG. 3 is configured as a series-parallel chopper circuit, and two sets of batteries 2A and 2B (in FIG. 1 and FIG. 2 are simply shown as one set of batteries 2). ) To the system voltage lines 82 and 83 (the large capacity capacitor 15 is connected to the lines 82 and 83, and the load circuit 20 and the like are connected via the protection switch 16 as shown in FIG. 2). The output voltage level can be controlled steplessly. The controller 18 controls the output voltage of the DC / DC converter 14 by control signals S2A, S2B, S2C (shown simply by the control signal S1 in FIG. 3). The charging circuits 11, 12, and 13 in FIG. 3 are obtained by combining the charging switch 11, the rectifier 12, and the step-down / boost 13 shown in FIG. 2 into one block.

2セットのバッテリ2A、2Bの電圧は互いに等しい。DC/DCコンバータ14は、これら2セットのバッテリ2A、2Bを直列に接続したり切り離したりするためのスイッチング素子、例えば第1のトランジスタ813を有し、これはコントローラ18からの制御信号S1Aにより高速周期でON/OFF駆動される。すなわち、第1のトランジスタ813のエミッタ−コレクタパスが、第1セットのバッテリ2Aのマイナス端子と第2セットのバッテリ2Bのプラス端子との間に結合され、また、そのベースが、コントローラ85の駆動出力端子に接続される。   The voltages of the two sets of batteries 2A and 2B are equal to each other. The DC / DC converter 14 includes a switching element, for example, a first transistor 813 for connecting and disconnecting these two sets of batteries 2A and 2B in series, which is controlled by a control signal S1A from the controller 18 at high speed. It is ON / OFF driven at a cycle. That is, the emitter-collector path of the first transistor 813 is coupled between the negative terminal of the first set of batteries 2A and the positive terminal of the second set of batteries 2B, and its base is the driving of the controller 85. Connected to the output terminal.

また、第1セットのバッテリ2Aのプラス端子は第1のインダクタ814を介して、このDC/DCコンバータ14のプラス出力端子82(すなわち、プラスの系統電圧ライン82)に接続され、第2セットのバッテリ2Bのマイナス端子は第2のインダクタ815を介して、このDC/DCコンバータ14のマイナス出力端子83(即ち、マイナスの系統電圧ライン83)に接続される。また、このDC/DCコンバータ14のマイナス出力端子83と第1セットのバッテリ2Aのマイナス端子との間に、前者から後者へ向かう方向を順方向とするように第1のダイオード816が接続され、このDC/DCコンバータ14のプラス出力端子82と第2セットのバッテリ2Bのプラス端子との間に、後者から前者へ向かう方向を順方向とするように第2のダイオード817が接続される。   Further, the positive terminal of the first set of batteries 2A is connected to the positive output terminal 82 (that is, the positive system voltage line 82) of the DC / DC converter 14 via the first inductor 814, and the second set of batteries 2A is connected. The negative terminal of the battery 2B is connected to the negative output terminal 83 (that is, the negative system voltage line 83) of the DC / DC converter 14 via the second inductor 815. A first diode 816 is connected between the negative output terminal 83 of the DC / DC converter 14 and the negative terminal of the first set of batteries 2A so that the direction from the former to the latter is the forward direction. A second diode 817 is connected between the plus output terminal 82 of the DC / DC converter 14 and the plus terminal of the second set of batteries 2B so that the direction from the latter toward the former is the forward direction.

また、第2のトランジスタ826のエミッタ−コレクタパスが第1のダイオード816の両端子間に接続されていて、第2のトランジスタ826がONになると、第1のダイオード816の両端子間が短絡される。また、第3のトランジスタ827のエミッタ−コレクタパスが第2のダイオード817の両端子間に接続されていて、第3のトランジスタ827がONになると、第2のダイオード817の両端子間が短絡される。第2と第3のトランジスタ826、827のベースは、コントローラ18の2つの充電制御出力端子に夫々接続されていて、コントローラ18からの2つの制御信号S2B、S2Cによりそれそれ第2と第3のトランジスタ826、827がON/OFF動作するようになっている。さらに、このDC/DCコンバータ14のプラスとマイナスの出力端子間に、このDC/DCコンバータ14の出力電圧のノイズを除去するためのコンデンサ818が接続される。なお、ノイズ除去用コンデンサ818は、その容量は高々例えば数十マイクロファラッドであり、ファラッドオーダの容量を有する大容量コンデンサ15とは構成的にも機能的にも全く異質のものである。   Further, when the emitter-collector path of the second transistor 826 is connected between both terminals of the first diode 816 and the second transistor 826 is turned on, both terminals of the first diode 816 are short-circuited. The Further, the emitter-collector path of the third transistor 827 is connected between both terminals of the second diode 817, and when the third transistor 827 is turned on, both terminals of the second diode 817 are short-circuited. The The bases of the second and third transistors 826 and 827 are respectively connected to the two charge control output terminals of the controller 18, and the second and third transistors are respectively controlled by two control signals S2B and S2C from the controller 18. The transistors 826 and 827 are turned on / off. Further, a capacitor 818 for removing noise of the output voltage of the DC / DC converter 14 is connected between the positive and negative output terminals of the DC / DC converter 14. The noise removing capacitor 818 has a capacity of, for example, several tens of microfarads at most, and is completely different from the large-capacitance capacitor 15 having a farad order capacity in terms of structure and function.

上記のように構成されたDC/DCコンバータ14において、バッテリ2A、2Bの充電時には、第2のトランジスタ826及び第3のトランジスタ827がコントローラ18により駆動されて、DC/DCコンバータ14の出力端子82、83に接続された充電器11、12、13からバッテリ2A、2Bへ充電することができる。このとき、第2のトランジスタ826は第1セットのバッテリ2Aの充電を司り、そのデューティの調節により第1セットのバッテリ2Aの充電電流を制御することができる。また、第3のトランジスタ827は第2セットのバッテリ2Bの充電を司り、そのデューティの調節により第2セットのバッテリ2Bの充電電流を制御することができる。   In the DC / DC converter 14 configured as described above, when the batteries 2A and 2B are charged, the second transistor 826 and the third transistor 827 are driven by the controller 18, and the output terminal 82 of the DC / DC converter 14 is driven. , 83 can be charged to the batteries 2A, 2B from the chargers 11, 12, 13 connected thereto. At this time, the second transistor 826 controls the charging of the first set of batteries 2A, and the charging current of the first set of batteries 2A can be controlled by adjusting the duty. The third transistor 827 controls the charging of the second set of batteries 2B, and can control the charging current of the second set of batteries 2B by adjusting the duty.

充電が終わった後、車輌の動作時には、第1のトランジスタ813はコントローラ18により駆動されて、所定の高速周期でON/OFF動作を繰り返す。第1のトランジスタ813のデューティは可変であり、コントローラ18によって制御される。第1のトランジスタ813がONのときには、第2セットのバッテリ2B、トランジスタ813、第1セットのバッテリ2A、第1のインダクタ814、プラス系統電圧ライン82、大容量コンデンサ15(又は負荷回路20)、マイナス系統ライン83、第2のインダクタ815を順に通って電流が流れる。このとき、2セットのバッテリ2A、2Bは直列に接続される。   After the charging is finished, when the vehicle is in operation, the first transistor 813 is driven by the controller 18 and repeats the ON / OFF operation at a predetermined high speed cycle. The duty of the first transistor 813 is variable and is controlled by the controller 18. When the first transistor 813 is ON, the second set of batteries 2B, the transistor 813, the first set of batteries 2A, the first inductor 814, the positive system voltage line 82, the large-capacitance capacitor 15 (or the load circuit 20), A current flows through the negative system line 83 and the second inductor 815 in this order. At this time, the two sets of batteries 2A and 2B are connected in series.

一方、第1のトランジスタ813がOFFのときには、第1セットのバッテリ2A、第1のインダクタ814、プラス系統電圧ライン82、図示省略した大容量コンデンサ1(又は負荷回路20)、マイナス系統ライン83、第1のダイオード816という経路を順に通って電流が流れるとともに、第2セットのバッテリ2B、第2のダイオード817、プラス系統電圧ライン82、大容量コンデンサ15(又は負荷回路20)、マイナス系統ライン83、第2のインダクタ815を順に通っても電流が流れる。このとき、2セットのバッテリ2A、2Bは並列になる。   On the other hand, when the first transistor 813 is OFF, the first set of batteries 2A, the first inductor 814, the positive system voltage line 82, the large-capacitance capacitor 1 (or load circuit 20) not shown, the negative system line 83, A current flows through a path of the first diode 816 in order, and the second set of the battery 2B, the second diode 817, the positive system voltage line 82, the large-capacitance capacitor 15 (or the load circuit 20), and the negative system line 83 The current flows through the second inductor 815 in order. At this time, the two sets of batteries 2A and 2B are in parallel.

このように、一周期の動作内で、2セットのバッテリ2A、2Bの直列接続と並列接続が切り替えられる。ここで、バッテリ2A、2Bの各々の電圧をE、トランジスタ813のデューティをαとすると、DC/DCコンバータ14の実質的な出力電圧(つまり、実質的な系統電圧)Vsは、
Vs=(1+α)E
となり、系統電圧Vsは、Eから2Eまでの広い範囲で連続的に可変である。
Thus, the series connection and the parallel connection of the two sets of batteries 2A and 2B are switched within one cycle of operation. Here, when each voltage of the batteries 2A and 2B is E and the duty of the transistor 813 is α, the substantial output voltage (that is, the substantial system voltage) Vs of the DC / DC converter 14 is
Vs = (1 + α) E
Thus, the system voltage Vs is continuously variable over a wide range from E to 2E.

コントローラ18は、系統電圧Vs、負荷回路20(図示省略)へ供給される負荷電流、DC/DCコンバータ14の出力電流、各バッテリ2A、2Bの出力電流、及び負荷回路20(図示省略)から入力される負荷回路20の運転状態を表す運転信号(例えば、モータ5が運転か停止か、モータ5が力行運転か回生運転か、負荷回路20が必要とする電力の大きさなどを表す信号)などを入力し、これらの入力信号に基づいて、第1のトランジスタ813のデューティを調節して系統電圧Vsを制御する。系統電圧Vsを上記Eから2Eまでの範囲で意図的に増減することで、大容量コンデンサ15を効率的に使用して、負荷回路20(図2)を安定して駆動することができる。例えば、大容量コンデンサ15に蓄積可能な最大エネルギーの75%程度を、大容量コンデンサ15から放出させたり吸収させたりして有効に利用することができる。   The controller 18 is input from the system voltage Vs, the load current supplied to the load circuit 20 (not shown), the output current of the DC / DC converter 14, the output currents of the batteries 2A and 2B, and the load circuit 20 (not shown). An operation signal (for example, a signal indicating whether the motor 5 is operated or stopped, whether the motor 5 is a power running operation or a regenerative operation, the magnitude of electric power required by the load circuit 20), etc. And the system voltage Vs is controlled by adjusting the duty of the first transistor 813 based on these input signals. By intentionally increasing or decreasing the system voltage Vs in the range from E to 2E, the load capacitor 20 (FIG. 2) can be driven stably by using the large-capacity capacitor 15 efficiently. For example, about 75% of the maximum energy that can be stored in the large-capacitance capacitor 15 can be effectively utilized by being released from or absorbed by the large-capacity capacitor 15.

上記の例から分かるように(実際はこれほど単純ではないが)、図3に示したDC/DCコンバータ14によれば、大容量コンデンサ15の使用効率が非常に高いという利点が得られる。この利点を生かして、例えば、次のように系統電圧Vsの制御を行うことができる。すなわち、モータ5(図1)の力行時のように負荷回路20(図2)に大電力を供給する必要があるときには、第1のトランジスタ813のデューティを低めて系統電圧Vsを下げる。系統電圧Vsの低下により、大容量コンデンサ15内で余剰となったエネルギーが大容量コンデンサ15から放出され負荷回路20に供給される。また、モータ5(図1)の回生時のように負荷回路20(図2)から大電力を戻す必要があるときには、第1のトランジスタ813のデューティを高めて系統電圧Vsを上げる。系統電圧Vsの上昇により大容量コンデンサ15内で不足となったエネルギーが負荷回路20から大容量コンデンサ15へ戻される。   As can be seen from the above example (although it is not so simple in practice), the DC / DC converter 14 shown in FIG. 3 provides the advantage that the use efficiency of the large-capacitance capacitor 15 is very high. Taking advantage of this advantage, for example, the system voltage Vs can be controlled as follows. That is, when it is necessary to supply a large amount of power to the load circuit 20 (FIG. 2), such as during powering of the motor 5 (FIG. 1), the duty of the first transistor 813 is reduced to lower the system voltage Vs. Due to the decrease in the system voltage Vs, the surplus energy in the large-capacitance capacitor 15 is discharged from the large-capacity capacitor 15 and supplied to the load circuit 20. Further, when it is necessary to return a large amount of power from the load circuit 20 (FIG. 2) as during regeneration of the motor 5 (FIG. 1), the duty of the first transistor 813 is increased to increase the system voltage Vs. The energy that is insufficient in the large-capacity capacitor 15 due to the rise of the system voltage Vs is returned from the load circuit 20 to the large-capacity capacitor 15.

このように、負荷回路20が必要とする電力の大きさに応じて、系統電圧Vsを増減させることにより、大電力を大容量コンデンサ15から放出したり吸収したりすることで、DC/DCコンバータ14の出力電力は、大きく変動せずに済み、理想的には負荷回路20が必要とする激しく変動する電力の平均値を出力することになる。このように、DC/DCコンバータ14の出力電力を安定させることができるので、(系統電圧Vsは大きく変動するが、)バッテリ2A、2Bの各々の出力電流も大きく変動せずに済む。   As described above, by increasing or decreasing the system voltage Vs according to the amount of power required by the load circuit 20, a large amount of power is discharged from or absorbed by the large-capacitance capacitor 15, thereby obtaining a DC / DC converter. The output power of 14 does not need to fluctuate greatly, and ideally, the average value of the power that fluctuates greatly required by the load circuit 20 is output. Thus, since the output power of the DC / DC converter 14 can be stabilized, the output current of each of the batteries 2A and 2B does not need to fluctuate greatly (although the system voltage Vs fluctuates greatly).

さらに、図3に示したDC/DCコンバータ14は、直並列チョッパ回路として構成されているため、バッテリ2A、2Bの各々の出力電流を小さく抑えることができる。すなわち、DC/DCコンバータ14として直並列チョッパ回路を用いた場合、負荷が電力Pを要求するとき、各々出力電圧Eをもつバッテリ2A、2Bの直列接続時にはP/2Eの負荷電流が、また並列接続時にはP/Eの負荷電流が流れるが、バッテリ一個あたりの最大電流は直列接続時も並列接続時もP/2Eとなる。つまり、どんな状態においても、バッテリ2A、2B及びDC/DCコンバータ14の構成素子には、最大でP/2Eの電流しか流れないことになる。このように最大電流が小さいことにより、DC/DCコンバータは小型にすることができき、また、バッテリ2A、2Bの効率及び寿命も向上する。   Furthermore, since the DC / DC converter 14 shown in FIG. 3 is configured as a series-parallel chopper circuit, the output currents of the batteries 2A and 2B can be kept small. That is, when a series / parallel chopper circuit is used as the DC / DC converter 14, when the load requires the power P, the load current of P / 2E is parallel or parallel when the batteries 2A and 2B each having the output voltage E are connected in series. Although P / E load current flows when connected, the maximum current per battery is P / 2E when connected in series and in parallel. That is, in any state, only a maximum current of P / 2E flows through the components of the batteries 2A and 2B and the DC / DC converter 14. Since the maximum current is thus small, the DC / DC converter can be reduced in size, and the efficiency and life of the batteries 2A and 2B are improved.

ところで、図3に示した構成のDC/DCコンバータ14を複数個並列に大容量コンデンサ15に接続することにより、より大きな蓄電容量を得ることができる。また、複数個の同様のDC/DCコンバータ14を直列に大容量コンデンサ15に接続することにより、系統電圧Vsの可変範囲をより大きくすることができる。また、複数個のDC/DCコンバータ14の並列接続と直列接続とを組み合わせることもできる。   By the way, a larger storage capacity can be obtained by connecting a plurality of DC / DC converters 14 having the configuration shown in FIG. Further, by connecting a plurality of similar DC / DC converters 14 in series to the large-capacitance capacitor 15, the variable range of the system voltage Vs can be further increased. Also, a parallel connection and a series connection of a plurality of DC / DC converters 14 can be combined.

図4は、本発明の第2の実施の形態にかかる電気車輌用電源装置10´の回路構成図である。この電気車輌用電源装置10´も、図1に示した電気車輌用電源装置10と同様に電気車輌1上に搭載される。   FIG. 4 is a circuit configuration diagram of an electric vehicle power supply device 10 ′ according to the second embodiment of the present invention. This electric vehicle power supply device 10 'is also mounted on the electric vehicle 1 in the same manner as the electric vehicle power supply device 10 shown in FIG.

図4に示す電気車輌用電源装置10´において、図2に示した電気車輌用電源装置10と異なる点は、図2に示した降圧/昇圧器13に代えて、昇圧コンバータ21及びこれをバイパスするように設けられた充電電圧切替スイッチ22が用いられている点である。バッテリ2の急速充電時あるいは充電初期段階のバッテリ電圧が低いときには、コントローラ18は、昇圧コンバータ21を停止させた状態で制御信号S4により充電切替スイッチ22をONして、整流器12の出力直流電圧(例えば、280V)を直接的にDC/DCコンバータ14に印加して通常の充電を行う(なお、整流器12の出力電圧でバッテリ2が充電できるように、バッテリ2の電圧の選択及び整流器12の設計がなされている)。そして、充電の最終段階において、バッテリ2が満充電に近づきバッテリ2の電圧が上昇すると、コントローラ18は制御信号S4により充電電圧切替スイッチ22をOFFにするとともに制御信号S5により昇圧コンバータ21を駆動して整流器12の出力電圧を所定電圧(例えば320V)まで昇圧してDC/DCコンバータ14に印加して所謂押込み充電を行う。その他の回路、例えば充電スイッチ11や保護スイッチ16やDC/DCコンバータ14の動作は、図2に示した構成におけるそれと同様である。   The electric vehicle power supply device 10 ′ shown in FIG. 4 differs from the electric vehicle power supply device 10 shown in FIG. 2 in that a step-up converter 21 and a bypass are bypassed instead of the step-down / boost device 13 shown in FIG. The charging voltage changeover switch 22 provided so as to be used is used. When the battery 2 is rapidly charged or when the battery voltage at the initial stage of charging is low, the controller 18 turns on the charge changeover switch 22 by the control signal S4 while the boost converter 21 is stopped, and the output DC voltage of the rectifier 12 ( For example, the voltage of the battery 2 is selected and the rectifier 12 is designed so that the battery 2 can be charged with the output voltage of the rectifier 12 by directly applying 280V to the DC / DC converter 14. Has been made). In the final stage of charging, when the battery 2 approaches full charge and the voltage of the battery 2 rises, the controller 18 turns off the charging voltage switch 22 by the control signal S4 and drives the boost converter 21 by the control signal S5. Then, the output voltage of the rectifier 12 is boosted to a predetermined voltage (for example, 320 V) and applied to the DC / DC converter 14 to perform so-called push-in charging. The operation of other circuits such as the charge switch 11, the protection switch 16, and the DC / DC converter 14 is the same as that in the configuration shown in FIG.

以上、本発明の各実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、これらの実施形態のみに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、本発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形態で実施することが可能である。上述した各実施形態において、バッテリ2を充電するための交流電源6として3相200Vを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、単相200V、3相100、単相100Vなどの商用交流電源を使用することもできる。また、商用交流電源に限らず、自家発電機によって発電された交流電源を用いてもよい。尚、3相100や単相100Vのように入力電圧が低い場合には整流器12の出力電流が増加するので、その電流容量に見合った整流素子を選定する必要がある。また、上述した各実施形態に示すような整流器とDC/DCコンバータの構成は、単体のAC/DCコンバータに置き換えてもよい。   As mentioned above, although each embodiment of this invention was described, these are the illustrations for description of this invention, and are not the meaning which limits the scope of the present invention only to these embodiment. Therefore, the present invention can be implemented in various other forms without departing from the gist thereof. In each embodiment mentioned above, although 3-phase 200V was used as the alternating current power supply 6 for charging the battery 2, it is not limited to this. For example, a commercial AC power source such as single-phase 200V, three-phase 100, and single-phase 100V can be used. Moreover, you may use not only a commercial alternating current power supply but the alternating current power source generated with the private power generator. Note that when the input voltage is low, such as three-phase 100 or single-phase 100 V, the output current of the rectifier 12 increases, so it is necessary to select a rectifying element that matches the current capacity. Further, the configuration of the rectifier and the DC / DC converter as shown in the above embodiments may be replaced with a single AC / DC converter.

さらに、上記の各実施形態では、シール型のバッテリを用いることによって、バッテリを車輌から実質的に完全に絶縁し、それにより、バッテリ充電回路における絶縁型トランスを不要としたが、シール型のバッテリを採用する代わりに、開放型バッテリを採用して、これに車輌フレームから実質的に完全に絶縁するような絶縁手当てを施した場合にも、同様の効果を得ることができる。例えば、開放型バッテリの周囲を絶縁物で覆う又は包囲する(具体例としては、バッテリの6方面全周囲を囲むような絶縁体の箱内にバッテリを収容する)、或いは、車輌フレームのバッテリを搭載する場所に絶縁物のシート又はパンを敷きその上にバッテリを搭載するなどして、バッテリの電解液注入口から電解液が多少こぼれ出たりバッテリの外表面に導電性の汚れが付いたとしても、それらは全てバッテリを囲んだ絶縁物の内側又はバッテリが置かれた絶縁物の上に留まり絶縁物の外側へは出ないように手当てするような方法が採用し得る。   Furthermore, in each of the above-described embodiments, by using a sealed battery, the battery is substantially completely insulated from the vehicle, thereby eliminating the need for an insulated transformer in the battery charging circuit. The same effect can be obtained even when an open battery is employed instead of the above and an insulation treatment is applied so that the battery is substantially completely insulated from the vehicle frame. For example, the periphery of the open battery is covered or surrounded with an insulator (specifically, the battery is housed in an insulator box surrounding the entire periphery of the battery in the six directions), or the battery of the vehicle frame is If an electrolyte sheet spills out from the battery electrolyte inlet or conductive dirt on the outer surface of the battery, such as by placing an insulating sheet or pan on the mounting location and mounting a battery on it, etc. However, a method may be adopted in which they are all treated inside the insulator surrounding the battery or on the insulator on which the battery is placed so as not to come out of the insulator.

本発明の一実施形態にかかる電気車輌用電源装置の全体的な概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing an overall schematic configuration of an electric vehicle power supply device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる電気車輌用電源装置の回路構成図。The circuit block diagram of the electric vehicle power supply device concerning one Embodiment of this invention. 図2に示すDC/DCコンバータの具体的回路構成例を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram showing a specific circuit configuration example of the DC / DC converter shown in FIG. 2. 本発明の第2の実施形態における電気車輌用電源装置の回路構成図。The circuit block diagram of the electric vehicle power supply device in the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 電気車輌
2 バッテリ
3 充電・電源制御回路
4 モータドライバ等
5 モータ
6 3相200V交流電源
7 漏電遮断器
8 プラグ
10,10´ 電気車輌用電源装置
11 充電スイッチ
12 整流器
13 降圧/昇圧器
14 DC/DCコンバータ
15 大容量コンデンサ
16 保護スイッチ
17 モータドライバ
18 コントローラ
19 絶縁型DC/DCコンバータ
20 負荷回路
21 昇圧コンバータ
22 充電電圧切替スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric vehicle 2 Battery 3 Charging / power supply control circuit 4 Motor driver etc. 5 Motor 6 Three-phase 200V AC power supply 7 Earth leakage breaker 8 Plug 10, 10 'Electric vehicle power supply device 11 Charging switch 12 Rectifier 13 Step-down / Booster 14 DC / DC converter 15 Large-capacitance capacitor 16 Protection switch 17 Motor driver 18 Controller 19 Isolated DC / DC converter 20 Load circuit 21 Boost converter 22 Charging voltage changeover switch

Claims (4)

電気車輌(1)内の所定回路(18、20)に電力を供給するための前記電気車輌(1)に搭載される電源装置(10、10´)において、
前記所定回路(18、20)へ供給されるべき電気エネルギーを蓄えるための充電式のバッテリ(2)と、
前記電気車輌の外部の電源(6)から電力を受けて前記バッテリ(2)を充電するための、絶縁型トランスを用いない構成をもつ充電器(11〜14)と、
前記充電器(11〜14)が前記バッテリ(2)を充電しているときに、前記バッテリ(2)と前記所定回路(18、20)との間の電気的接続を遮断するための遮断手段(16)と
前記充電器(11〜14)が前記バッテリ(2)を充電し且つ前記遮断手段(16)が前記バッテリ(2)と前記所定回路(18、20)との間の電気的接続を遮断しているときに、前記所定回路(18、20)中の充電時に動作する必要がある特定回路(18)へ前記充電器(11〜14)又は前記バッテリ(2)からの電力を供給するための、入力側と出力側が互いに絶縁された小容量絶縁型コンバータ(19)と
を備えた電気車輌用電源装置。
In the power supply device (10, 10 ') mounted on the electric vehicle (1) for supplying power to the predetermined circuit (18, 20) in the electric vehicle (1),
A rechargeable battery (2) for storing electrical energy to be supplied to the predetermined circuit (18, 20);
A charger (11-14) having a configuration not using an insulating transformer for charging the battery (2) by receiving electric power from an external power source (6) of the electric vehicle;
When the charger (11-14) is charging the battery (2), a blocking means for cutting off the electrical connection between the battery (2) and the predetermined circuit (18, 20). and (16),
The charger (11-14) charges the battery (2) and the shut-off means (16) shuts off the electrical connection between the battery (2) and the predetermined circuit (18, 20). For supplying power from the charger (11-14) or the battery (2) to a specific circuit (18) that needs to operate during charging in the predetermined circuit (18, 20), An electric vehicle power supply device comprising a small-capacity insulated converter (19) having an input side and an output side insulated from each other .
前記充電器(11〜14)が、
前記バッテリ(2)と負荷回路(20)との間に接続され、前記負荷回路(20)側の端子には充電時に前記外部の電源(6)からの電力を受けるようになっており、半導体スイッチング素子を用いたトランスレスの構成をもち、車輌動作時には、前記バッテリ(2)から前記負荷回路(20)への電力の供給と前記負荷回路(20)から前記バッテリ(2)への電力の返還の双方の電力変換を制御し、充電時には、前記外部の電源(6)からの電力を受けて前記バッテリ(2)を充電するDC/DC又はAC/DCコンバータ(14)と、
前記DC/DC又はAC/DCコンバータ(14)の前記負荷回路(20)側の端子に接続されており、負荷急変時に前記負荷回路(20)へ電力を急速放出したり前記負荷回路(20)から変換される電力を急速吸収したりする大容量コンデンサ(15)と
を有し、
前記バッテリ(2)が、2セットのバッテリ(2A、2B)を有し、
前記DC/DC又はAC/DCコンバータ(14)は、
その間に前記大容量コンデンサ(15)が接続される系統ライン(82、83)と、
車両動作時にON/OFF駆動されることで前記2セットのバッテリ(2A、2B)を系統ライン(82、83)間に直列に接続したり並列接続したりする半導体スイッチング素子(813)と
を有し、前記半導体スイッチング素子(813)のON/OFF駆動のデューディの調節により、前記DC/DC又はAC/DCコンバータ(14)の前記負荷回路(20)への出力電圧が連続的に可変である、
請求項1記載の電気車輌用電源装置。
The charger (11-14)
It is connected between the battery (2) and the load circuit (20), and the terminal on the load circuit (20) side receives power from the external power source (6) during charging. It has a transformer-less configuration using a switching element, and when the vehicle is in operation, power is supplied from the battery (2) to the load circuit (20) and power from the load circuit (20) to the battery (2). A DC / DC or AC / DC converter (14) for controlling both power conversions of the return and charging the battery (2) by receiving power from the external power source (6) during charging;
It is connected to a terminal on the load circuit (20) side of the DC / DC or AC / DC converter (14), and quickly discharges power to the load circuit (20) when the load suddenly changes, or the load circuit (20). A large-capacitance capacitor (15) that rapidly absorbs power converted from
The battery (2) has two sets of batteries (2A, 2B);
The DC / DC or AC / DC converter (14)
A system line (82, 83) to which the large-capacitance capacitor (15) is connected in the meantime,
A semiconductor switching element (813) for connecting the two sets of batteries (2A, 2B) in series between the system lines (82, 83) or being connected in parallel by being turned ON / OFF during vehicle operation. The output voltage to the load circuit (20) of the DC / DC or AC / DC converter (14) is continuously variable by adjusting the ON / OFF drive duty of the semiconductor switching element (813). ,
Claim 1 Symbol mounting electric vehicle power supply.
前記充電器(11〜14)が、充電時に、設定時間範囲内で満充電を完了させるように充電電流を複数段階の設定値に順次に制御する、請求項1又は2記載の電気車輌用電源装置。 The electric vehicle power source according to claim 1 or 2 , wherein the charger (11-14) sequentially controls the charging current to a set value in a plurality of stages so as to complete a full charge within a set time range during charging. apparatus. 前記充電器(11〜14)が、充電時に前記外部の電源(6)からの電圧を昇圧する昇圧コンバータ(21)と、
充電時に、前記昇圧コンバータ(21)により昇圧されてはいない電圧を用いて前記バッテリ(2)を充電する通常充電と、前記昇圧コンバータ(21)により昇圧された電圧を用いて前記バッテリ(2)を充電する押込み充電とを選択的に切り替える充電電圧切替スイッチ(22)と
を有する、
請求項1又は2記載の電気車輌用電源装置。
A step-up converter (21) for boosting a voltage from the external power source (6) when the charger (11-14) is charged;
At the time of charging, the battery (2) is charged using the normal charge for charging the battery (2) using a voltage not boosted by the boost converter (21) and the voltage boosted by the boost converter (21). A charging voltage changeover switch (22) for selectively switching between indentation charging and charging
The power supply device for an electric vehicle according to claim 1 or 2 .
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