JP5760143B2 - 電気車両用バッテリ充電装置 - Google Patents
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Description
このために、従来の電気車両用バッテリ充電装置は力率補正を行うための前端と電流制御を行うための後端に分離されて構成され、特に後端はブーストコンバータ(Boost Converter)を用いて構成された。
しかし、前記従来の電気車両用バッテリ充電装置はリンク電圧を出力電圧以下に維持しなければならない短所があり、これによって入力電圧の大きさに応じて内部構成が変更されなければならない問題があった。
そして、従来の電気車両用バッテリ充電装置は広い出力範囲を確保するために電解(Electrolytic)キャパシタを用いたが、これはバッテリ充電装置の大きさ及び重さを増加させ、十分な寿命を保証できない短所があった。
本発明の他の目的は下記実施例を通じて当業者によって導き出される。
また、本発明による電気車両用バッテリ充電装置は簡単な構成を有する制御器を用いて電流制御を行うことができる。
しかし、これは本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものとして理解されなければならない。各図面を説明しながら類似の参照符号を類似の構成要素に対して用いた。
図1は、本発明の一実施例による電気車両用充電装置の概略的な構成を示したブロック図であり、図2は、本発明の一実施例による電気車両用充電装置の詳細な構成を示した回路図である。
図1及び図2に示す通り、本発明の一実施例による電気車両用充電装置(100)は、第1整流部(110)、第1コンバータ部(120)、第2コンバータ部(130)及び制御部(140)を含む。
第1整流部(110)は外部から入力される交流電圧を半波整流または全波整流して第1電圧を生成する。この時、入力される交流電圧は、90Vac以上、260Vac以下の大きさを有する。一例として、入力される交流電圧は110Vacまたは220Vacの大きさを有する商用交流電圧である。
本発明の一実施例によると、第1整流部(110)は図2に示すように外部電源と連結され、フルブリッジ(Full Bridge)形態で連結された4つのダイオードを含む。
第1コンバータ部(120)は第1整流部(110)により全波整流されて入力される第1電圧を昇圧して第2電圧に変化させる。一例として、第1コンバータ部(120)は図2に示すようにLLCコンバータの構成を有する。
スイッチング部(121)は第1整流部(110)の2つの出力端子と連結され、フルブリッジ形態で連結された4つのスイッチング素子(SL1、SL2、SL3、SL4)を含む。
一例として、4つのスイッチング素子(SL1、SL2、SL3、SL4)それぞれは1つのトランジスタ(例えば、FET)及び入力端がトランジスタの第2導通電極(Conducting Electrode)(例えば、ドレイン電極)と連結され、出力端がトランジスタの第1導通電極(例えば、ソース電極)と連結されるダイオードで構成される。
以下では説明の便宜上、スイッチング素子(SL1、SL2、SL3、SL4)がオン/オフされる周期を「第2周期」と称する(「第1周期」は後述する第2コンバータ部(130)に含まれた第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子のオン/オフ周期を意味する)。
より詳しくは、第3スイッチング素子(SL1)及びこれと対角方向に位置する第6スイッチング素子(SL4)は同時にオン/オフされ、第4スイッチング素子(SL2)及びこれと対角方向に位置する第5スイッチング素子(SL3)は同時にオン/オフされる。そして、第3スイッチング素子(SL1)及び第6スイッチング素子(SL4)がオンされる時間と第4スイッチング素子(SL2)及び第5スイッチング素子(SL3)がオンされる時間は互いに重ならない。
このようなスイッチング部(121)のオン/オフは、制御部(140)(図2には図示せず)で生成される制御信号に基づいて制御される。制御部(140)は第2コンバータ部(130)で出力される第3電圧をフィードバック受け、フィードバック受けた第3電圧を用いて制御信号を生成する。生成された制御信号はスイッチング素子(SL1、SL2、SL3、SL4)に含まれたトランジスタ(例えば、FET)の制御電極(例えば、ゲート電極)に入力され、これによってスイッチング素子(SL1、SL2、SL3、SL4)のオン/オフが制御される。
次に、変圧器部(122)はスイッチング部(121)と連結され、スイッチング部(121)から出力された電圧を昇圧する。このために、変圧器部(122)の2次側巻線数は1次側巻線数より大きい。一例として、変圧器部(122)の巻線比は1:1.5である。
本発明の一実施例によると、第2整流部(123)は図2に示すようにフルブリッジ形態で連結された4つのダイオードを含む。
第2整流部(123)の出力端(即ち、第1コンバータ部(120)の出力端)と連結される第2コンバータ部(130)は第2電圧を直流化して電気車両用バッテリ(150)を充電するための第3電圧に変化させて出力する。
一例として、第2コンバータ部(130)は図2に示すように並列構造のバックブースト(Buck Boost)コンバータの形態である。
より詳しくは、第2コンバータ部(130)は第1キャパシタ(C1)、第2キャパシタ(C2)、第1スイッチング素子(B1)、第2スイッチング素子(B2)、第1インダクタ(L1)、第2インダクタ(L2)、第1ダイオード(D1)、第2ダイオード(D2)、第1出力キャパシタ(Cout1)及び第2出力キャパシタ(Cout2)を含む。
第1スイッチング素子(B1)は一端が第1コンバータ部(120)の第1出力端子(即ち、第1ノード(n1))と連結され、第2スイッチング素子(B2)は一端が第1コンバータ部(120)の第2出力端子(即ち、第2ノード(n2))と連結される。ここで、第2スイッチング素子(B2)は第1ノード(n1)を基準とする時、第1スイッチング素子(B1)と並列に連結される。
また、第1スイッチング素子(B1)の他端は第1ダイオード(D1)を経て第1出力キャパシタ(Cout1)の一端と直列に連結される。即ち、第1スイッチング素子(B1)の他端は第3ノード(n3)で第1ダイオード(D1)の出力端と連結され、第1ダイオード(D1)の入力端は第1出力キャパシタ(Cout1)の一端と連結される。
第1インダクタ(L1)は第3ノード(n3)を基準に第1ダイオード(D1)及び第1出力キャパシタ(Cout1)と並列に連結され、第2インダクタ(L2)は第4ノード(n4)を基準に第2ダイオード(D2)及び第2出力キャパシタ(Cout2)と並列に連結される。
そして、第1キャパシタ(C1)は一端が第1ノード(n1)を基準に第1スイッチング素子(B1)と並列に連結され、第2キャパシタ(C2)は第2ノード(n2)を基準に第2スイッチング素子(B2)と並列に連結される。
一方、第1スイッチング素子(B1)及び第2スイッチング素子(B2)は上述した第3スイッチング素子(SL1)、第4スイッチング素子(SL2)、第5スイッチング素子(SL3)、第6スイッチング素子(SL4)と同様に1つのトランジスタ(例えば、FET)及び入力端がトランジスタの第2導通電極(例えば、ドレイン電極)と連結され、出力端がトランジスタの第1導通電極(例えば、ソース電極)と連結されるダイオードで構成される。
また、第1スイッチング素子(B1)及び第2スイッチング素子(B2)は上述した第3スイッチング素子(SL1)、第4スイッチング素子(SL2)、第5スイッチング素子(SL3)、第6スイッチング素子(SL4)と類似して所定の周期(即ち、第1周期)によって周期的にオン/オフされる。
また、本発明の他の実施例によると、第1スイッチング素子(B1)と第2スイッチング素子(B2)は同時にオン/オフされる。
そして、前記2つの実施例において、第1周期内で第1スイッチング素子(B1)及び第2スイッチング素子(B2)がオンされる時間間隔は第1スイッチング素子(B1)及び第2スイッチング素子(B2)がオフされる時間間隔より短かいか同じ範囲内で調節することができる。
即ち、制御部(140)はフィードバック受けた第3電圧を用いて制御信号を生成し、生成された制御信号は第1スイッチング素子(B1)、第2スイッチング素子(B2)、第3スイッチング素子(SL1)、第4スイッチング素子(SL2)、第5スイッチング素子(SL3)及び第6スイッチング素子(SL4)に含まれたトランジスタ(例えば、FET)の制御電極(例えば、ゲート電極)に入力される。
図3及び図4に、第1スイッチング素子(B1)、第2スイッチング素子(B2)、第3スイッチング素子(SL1)、第4スイッチング素子(SL22)、第5スイッチング素子(SL3)及び第6スイッチング素子(SL4)のスイッチングを制御するために制御部(140)で生成される制御信号の一例を示している。
この時、第1スイッチング素子(B1)/第2スイッチング素子(B2)がオンされる時間の間隔は第1スイッチング素子(B1)/第2スイッチング素子(B2)がオフされる時間の間隔より短いか同じ範囲内で自由に調節される。
即ち、第1スイッチング素子(B1)と第2スイッチング素子(B2)は任意のデューティ比によってオン/オフされ、デューティ比は可変である。
次に、図4のような制御信号が入力される場合、第3スイッチング素子(SL1)〜第6スイッチング素子(SL4)は図3で示したものと同じくオン/オフされる。
そして、第1スイッチング素子(B1)及び第2スイッチング素子(B2)は同時にオン/オフされる。この時、第1スイッチング素子(B1)/第2スイッチング素子(B2)がオンされる時間の間隔は第1スイッチング素子(B1)/第2スイッチング素子(B2)がオフされる時間の間隔より短いか同じ範囲内で自由に調節される。
即ち、第1スイッチング素子(B1)と第2スイッチング素子(B2)は任意のデューティ比によってオン/オフされ、デューティ比は可変である。
前記のような制御信号の入力によって、第2コンバータ部(130)は不連続電流モード(DCM: Discontinuous Current Mode)で制御される。これによって、連続電流モード(CCM: Continuous Current Mode)及び境界電流モード(Boundary Current Mode)で制御される場合に比べて簡単な構成の制御器(140)を用いて第2コンバータ部(130)を制御することができる。
また、図2に示すように第2コンバータ部(130)を構成する場合、第2コンバータ部(140)は力率改善(PFC: Power Factor Correction)と増幅機能(即ち、電流制御機能)を同時に行うことができるようになるため、力率改善のための回路を第1コンバータ部(120)の前端に別に備える必要がなくなる。
小さい容量のフィルムキャパシタを用いて第2コンバータ部(140)を構成する場合、電気車両用バッテリ充電装置の寿命を増加させ、大きさを小型化できる。
Claims (15)
- 整流されて入力される第1電圧を第2電圧に変化させる第1コンバータ部、
前記第2電圧を直流化して電気車両用バッテリを充電するための第3電圧に変化させて出力する第2コンバータ部を含み、
前記第1コンバータ部の出力端は第1出力端子及び第2出力端子を含み、
前記第2コンバータ部は一端が前記第1出力端子と連結される第1スイッチング素子、一端が前記第2出力端子と連結される第2スイッチング素子、一端が前記第1スイッチング素子の他端と直列に連結される第1出力キャパシタ、及び一端が前記第2スイッチング素子の他端と直列に連結される第2出力キャパシタを含み、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子はオン/オフ(on/off)され、前記第1スイッチング素子がオンされる時間と前記第2スイッチング素子がオンされる時間は互いに重ならず、
前記第2コンバータ部は、入力端が前記第1出力キャパシタの一端と連結され、出力端が前記第1スイッチング素子の他端と連結される第1ダイオード、入力端が前記第2スイッチング素子の他端と連結され、出力端が前記第2出力キャパシタの一端と連結される第2ダイオード、前記第1スイッチング素子の他端と前記第1ダイオードの出力端が連結された第3ノードを基準に一端が前記第1ダイオードと並列に連結される第1インダクタ、及び前記第2スイッチング素子の他端と前記第2ダイオードの入力端が連結された第4ノードを基準に前記第2ダイオードと並列に連結される第2インダクタをさらに含むことを特徴とする電気車両用バッテリ充電装置。 - 前記第1スイッチング素子のオン/オフ周期と前記第2スイッチング素子のオン/オフ周期は第1周期として同一であり、前記第1スイッチング素子がオンされる開始時点と前記第2スイッチング素子がオンされる開始時点は前記第1周期の1/2だけ差があることを特徴とする請求項1に記載の電気車両用バッテリ充電装置。
- 前記第1周期内で前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子がオンされる時間の間隔は、前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子がオフされる時間の間隔より短いか、同じ範囲内で調節可能であることを特徴とする請求項2に記載の電気車両用バッテリ充電装置。
- 前記第1出力キャパシタ及び前記第2出力キャパシタはフィルム(film)キャパシタであることを特徴とする請求項1に記載の電気車両用バッテリ充電装置。
- 前記第2コンバータ部は、入力端が前記第1出力キャパシタの一端と連結され、出力端が前記第1スイッチング素子の他端と連結される第1ダイオード、入力端が前記第2スイッチング素子の他端と連結され、出力端が前記第2出力キャパシタの一端と連結される第2ダイオード、前記第1スイッチング素子の他端と前記第1ダイオードの出力端が連結された第3ノードを基準に一端が前記第1ダイオードと並列に連結される第1インダクタ、及び前記第2スイッチング素子の他端と前記第2ダイオードの入力端が連結された第4ノードを基準に前記第2ダイオードと並列に連結される第2インダクタを含み、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子のデューティ比は可変であることを特徴とする請求項1に記載の電気車両用バッテリ充電装置。 - 前記第2コンバータ部は、前記第1出力端子と前記第1スイッチング素子の一端が連結される第1ノードを基準に一端が前記第1スイッチング素子と並列に連結される第1キャパシタ、及び前記第2出力端子と前記第2スイッチング素子の一端が連結される第2ノードを基準に一端が前記第2スイッチング素子と並列に連結される第2キャパシタをさらに含み、
前記第1出力キャパシタの他端、前記第2出力キャパシタの他端、前記第1インダクタの他端、前記第2インダクタの他端、前記第1キャパシタの他端及び前記第2キャパシタの他端は第5ノードで互いに連結されることを特徴とする請求項5に記載の電気車両用バッテリ充電装置。 - フルブリッジ(Full Bridge)形態で連結された4つのダイオードを含み、商用交流電圧を全波整流して前記第1電圧を生成する第1整流部をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の電気車両用バッテリ充電装置。
- 前記第1コンバータ部は
前記第1電圧が入力されるスイッチング部、
前記スイッチング部と連結された変圧器部、及び
前記変圧器部と連結されて前記第2電圧を出力する第2整流部を含むことを特徴とする請求項1に記載の電気車両用バッテリ充電装置。 - 前記スイッチング部は、フルブリッジ形態で連結されて第2周期によって周期的にオンオフされる第3スイッチング素子、第4スイッチング素子、第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子を含み、
前記第3スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子の対角方向に位置する第6スイッチング素子は同時にオン/オフされ、前記第4スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子の対角方向に位置する第5スイッチング素子は同時にオン/オフされ、
前記第3スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子がオンされる時間と前記第4スイッチング素子及び前記第5スイッチング素子がオンされる時間は互いに重ならずに、前記第3スイッチング素子乃至前記第6スイッチング素子のデューティ比は一定であることを特徴とする請求項8に記載の電気車両用バッテリ充電装置。 - 前記第1スイッチング素子のオン/オフ周期と前記第2スイッチング素子のオン/オフ周期は第1周期として同一であり、前記第1スイッチング素子がオンされる開始時点と前記第2スイッチング素子がオンされる開始時点は前記第1周期の1/2だけ差があり、
前記第1周期内で前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子がオンされる時間の間隔は、前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子がオフされる時間の間隔より短いか同じであり、前記第2周期内で前記第3スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子がオンされる時間の間隔とオフされる時間の間隔は同一であり、
前記第1周期は、前記第2周期より2倍さらに長く、
前記第1スイッチング素子がオンされる開始時点と前記第3スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子がオンされる開始時点は同一であることを特徴とする請求項9に記載の電気車両用バッテリ充電装置。 - 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、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子のうち少なくとも1つでオン/オフ制御のための制御信号を生成して転送する制御部をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の電気車両用バッテリ充電装置。
- 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、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子のうち少なくとも1つは、トランジスタ、及び
入力端が前記トランジスタの第2導通電極と連結され、出力端が前記トランジスタの第1導通電極と連結されるダイオード
を含むことを特徴とする請求項9に記載の電気車両用バッテリ充電装置。 - 全波整流されて入力される第1電圧を昇圧して第2電圧に変化させる第1コンバータ部、
前記第2電圧を直流化して電気車両用バッテリを充電するための第3電圧に変化させて出力する第2コンバータ部を含み、
前記第1コンバータ部の出力端は第1出力端子及び第2出力端子を含み、
前記第2コンバータ部は力率改善(PFC: Power Factor Correction)機能及び増幅機能を同時に遂行するために、一端が前記第1出力端子と連結される第1スイッチング素子、一端が前記第2出力端子と連結される第2スイッチング素子、一端が前記第1スイッチング素子の他端と連結される第1出力キャパシタ、一端が前記第2スイッチング素子の他端と連結される第2出力キャパシタ、前記第1スイッチング素子の他端と前記第1出力キャパシタの一端が連結された第3ノードを基準に一端が前記第1出力キャパシタと並列に連結される第1インダクタ、及び前記第2スイッチング素子の他端と前記第2出力キャパシタの一端が連結された第4ノードを基準に一端が前記第2出力キャパシタと並列に連結される第2インダクタを含むことを特徴とする電気車両用バッテリ充電装置。 - 前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子は周期的にオン/オフされ、前記第1スイッチング素子がオンされる時間と前記第2スイッチング素子がオンされる時間は互いに重ならないことを特徴とする請求項13に記載の電気車両用バッテリ充電装置。
- 前記第2コンバータ部は、出力端が前記第3ノードを基準に前記第1インダクタと並列に連結され、入力端が前記第1出力キャパシタの一端と直列に連結される第1ダイオード、及び入力端が前記第4ノードを基準に前記第2インダクタと並列に連結され、出力端が前記第2出力キャパシタの一端と連結される第2ダイオードをさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の電気車両用バッテリ充電装置。
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