JP6102761B2

JP6102761B2 - 充電装置および充電方法

Info

Publication number: JP6102761B2
Application number: JP2014007482A
Authority: JP
Inventors: 昌直岡本
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: JP2015136271A

Description

本発明は、バッテリを充電する充電装置および充電方法に関する。

交流電力源から入力される交流電力を直流電力に変換してバッテリに充電する充電装置は、例えば、交流電力源から入力される電圧を計測し、計測した電圧のピーク値と周期を算出し、ピーク値と周期と入力電流指令値とを用いて、ブリッジ接続されたスイッチ素子を制御する回路を備えている。このような回路において力率改善は、交流電力源から入力される電圧が正弦波または正弦波に近い波形である場合に、その電圧のピーク値と周期に、入力電流指令値により決まる交流電力源から入力される電流のピーク値と周期を一致させる制御をすることで実現している。

しかしながら、交流電力源から入力される電圧が異常である場合、適切な制御ができなくなるため、交流電力源から入力される電流が、充電装置、充電装置に接続される周辺機器、充電装置と周辺機器とを接続する配線などの定格を超えて流れることがある（過大電流）。例えば、車両に搭載された充電装置とそれに接続される充電スタンド（周辺機器）とが充電ケーブル（配線）で接続されている場合に、過大電流が充電ケーブルに流れると、充電ケーブルが発熱することなどが考えられる。

そこで、異常な電圧波形が入力された場合に、交流電力源から入力される電流が過大電流にならないように抑制する方法の開発が期待されている。
関連する技術として、交流電力源から入力される電圧を計測し、計測した結果に基づいて電圧のピーク値と周期を算出して交流電力系統を判定し（例えば、ＡＣ１００Ｖ系かＡＣ２００Ｖを判定し）、予めメモリに設定された交流電力系統ごとの制御パラメータを選択し、選択された制御パラメータを用いてスイッチ素子の制御をする充電回路が開示されている。例えば、特許文献１を参照。

特開２００８−２６３６８３号公報

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、交流電力源から異常な電圧が入力された場合に、交流電力源から入力される電流を抑制する充電装置および充電方法を提供することを目的とする。

実施の態様のひとつである交流電力源から入力される交流電力を直流電力に変換してバッテリに充電する充電装置は、整流回路、制御部を有する。
整流回路はスイッチ素子をブリッジ接続している。

制御部は、電圧計測部により計測される交流電力源から入力される電圧の周期の算出と、スイッチ素子を制御する。
また、制御部は、周期に対して決められる第１の期間ごとに、電流計測部により計測される交流電力源から入力される電流の電流実効値を算出し、電流実効値が予め決められた判定値を超えていた場合、判定値を超えていた第１の期間に対応づけられている第２の期間の電流実効値を下げる制御をする。

実施の態様によれば、交流電力源から異常な電圧が入力された場合に、交流電力源から入力される電流を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、充電装置の一実施例を示す図である。図２は、第１の期間の電流実効値に基づいて、交流電力源から入力される電流を下げる制御を説明するための図である。図３は、制御部の構成を説明するための図で、制御部の一実施例を示す図である。図４は、充電装置の動作の一実施例を示すフロー図である。

以下図面に基づいて、実施形態について詳細に説明する。
図１は、充電装置の一実施例を示す図である。充電装置１は、バッテリ２、交流電力／直流電力変換回路（平滑回路３、整流回路４）、電圧計測部５、電流計測部６、制御部７、ドライブ回路８、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）９、コンデンサＣ２、フィルタ（コンデンサＣ３、コイルＬ２、Ｌ３）を有している。充電装置１は、交流電力源１０から入力される交流電力を直流電力に変換してバッテリ２に充電する回路である。なお、充電装置１の回路は図１に示す回路に限定されるものではなく、スイッチ素子を用いて力率改善を行う回路であればよい。

平滑回路３は、コイルＬ１とコンデンサＣ１から構成され、整流回路４の出力電圧を平滑にする回路である。
整流回路４は、４個のダイオードＤ１〜Ｄ４を有するブリッジ回路である。ダイオードＤ２にはスイッチ素子Ｑ１が並列に接続されている。スイッチ素子Ｑ１はそのコレクタ端子がダイオードＤ２のカソードに接続され、エミッタ端子がダイオードＤ２のアノードに接続されている。また、ダイオードＤ４には、スイッチ素子Ｑ２が並列に接続されている。スイッチ素子Ｑ２はそのコレクタ端子がダイオードＤ４のカソードに接続され、エミッタ端子がダイオードＤ４のアノードに接続されている。なお、本例では２つのスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を用いているが、ダイオードＤ１〜Ｄ４すべてに対してスイッチ素子を並列に接続して使用してもよい。

電圧計測部５は、交流電力源１０から入力される電圧を計測し、計測した結果を制御部７に出力する。電流計測部６は、交流電力源１０から入力される電流を計測し、計測した結果を制御部７に出力する。なお、電流計測部６の位置はコイルＬ２の後段（コイルＬ２と整流回路４の間）であってもよい。

制御部７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）を用いた回路が考えられ、制御部７が有する記憶部に記憶されているプログラムを、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵまたはプログラマブルなデバイスが読み出して実行する。また、記憶部は制御部７と別に設けてもよい。

制御部７はスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオン／オフ制御する。コイルＬ２、Ｌ３とコンデンサＣ３から構成されるフィルタに入力される交流電力が正側のとき、スイッチ素子Ｑ１をオンしスイッチ素子Ｑ２をオフにすると、コイルＬ２にエネルギーが蓄積する。次に、スイッチ素子Ｑ１をオフしスイッチ素子Ｑ２をオンにすると、コイルＬ２に蓄積されていたエネルギーがダイオードＤ１を介してコンデンサＣ２に蓄積される。また、フィルタに入力される交流電力が負側のとき、スイッチ素子Ｑ１をオフにし、スイッチ素子Ｑ２をオンにすると、コイルＬ３にエネルギーが蓄積する。次に、スイッチ素子Ｑ１をオンにし、スイッチ素子Ｑ２をオフにすると、コイルＬ３に蓄積されていたエネルギーがダイオードＤ３を介してコンデンサＣ２に蓄積される。従って、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の各デューティを大きくすると、コンデンサＣ２の両端の電圧値が高くなる。また、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の各デューティを小さくすると、コンデンサＣ２の両端の電圧値が低くなる。

また、バッテリ２の充電時、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を同時にオン、オフさせてもよい。例えば、コイルＬ２、Ｌ３とコンデンサＣ３から構成されるフィルタに入力される交流電力が正側のとき、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２が同時にオンすると、ブリッジ回路は短絡状態となり、コイルＬ２、Ｌ３にエネルギーが蓄積される。その状態で、スイッチ素子Ｑ１をオフさせると、コイルＬ２、Ｌ３に蓄積されたエネルギーがダイオードＤ１を介してコンデンサＣ２に蓄積される。

また、制御部７は、電圧計測部５の計測した電圧を用いて交流電力源から入力される電圧の周期を算出する。周期は、例えば、交流電力源から入力される電圧のゼロクロスを検出して求めることが考えられる。

また、制御部７は、周期に対して決められる第１の期間ごとに、交流電力源から入力される電流の電流実効値を算出し、電流実効値が予め決められた判定値を超えていた場合、判定値を超えていた第１の期間に対応付けられている第２の期間の電流実効値を下げる制御をする。

電流実効値は、例えば、所定のサンプリング周波数で取得される瞬時値を２乗し、第１の期間においてその瞬時値を２乗した値の積算値を求め、求めた積算値を第１の期間で除算し、除算した値の平方根を電流実効値とする。なお、電流実効値は、算出した周期ごとに、交流電力源から入力される電流のピーク値を算出し、算出したピーク値と周期を用いて求めてもよい。

算出した周期の決められた第１の期間は、例えば、交流電力源から入力される電圧の半周期または１周期などが考えられる。
半周期を第１の期間とした場合について図２を用いて説明する。第１の期間を正側の半周期とした場合には第２の期間は負側の半周期とし、第１の期間を負側の半周期とした場合には第２の期間は正側の半周期とする。図２は、第１の期間の電流実効値に基づいて、交流電力源から入力される電流を下げる制御を説明するための図である。図２の縦軸は入力される電流を示し、横軸は時間を示している。図２の電流波形２０１は交流電力源から正常に電圧が入力された場合の電流波形を示している。図２の電流波形２０２は交流電力源から異常な電圧が入力された場合の電流波形を示している。本例では、ゼロクロス検出により算出された周期Ｔの正側の半周期（第１の期間）において異常な電圧波形が入力された場合に、正側の半周期の電流実効値（斜線部分）が、判定値を超えていたため、第１の期間に対応付けられている周期Ｔの負側の半周期（第２の期間）の電流波形を図２に示すような電流波形２０３（波線部分）にし、負側の半周期の電流実効値を下げている。

例えば、正常な電圧が入力された場合の正側の半周期の電流実効値が１０[Ａ]で、判定値が１３［Ａ］である場合に、異常な電圧が入力され正側の半周期の電流実効値が１４［Ａ］となった場合には、その正側の半周期に対応付けられている負側の半周期の電流実効値が６Ａ（＝｜−１０［Ａ］｜−（１４［Ａ］−１０［Ａ］））になるように、入力電流指令値に制限を加えることが考えられる。入力電流指令値は、例えば、車両に搭載された充電装置が周辺機器（例えば、充電スタンド）に要求する入力電流を示す値である。本例では、入力電流指令値は車両に搭載されているＥＣＵ９から出力されるものとする。ただし、制御部７へ入力電流指令値を出力するのは車両に搭載されているＥＣＵ９に限定されるものではなく、充電スタンドなどの周辺機器から出力してもよい。

なお、異常な電圧波形には、矩形波、三角波、瞬断時の波形などが考えられる。
上記のように交流電力源から異常な電圧が入力された場合に、第１の期間に対応付けられている第２の期間で入力電流指令値に制限を加えることで、１周期における電流実効値を下げて、交流電力源から入力される電流を抑制することができるという効果を奏する。

なお、判定値は、充電装置の回路により決まる値で、実験やシミュレーションにより決める。例えば、交流電力源から正常に電圧が入力された場合の半周期において算出される電流実効値以上で、１周期において算出される電流実効値以下の値とすることが考えられる。また、周辺機器（例えば、充電スタンド）、配線（例えば、充電ケーブル）などの影響も加味して実験やシミュレーションにより決めてもよい。

さらに変形例として、（１）第１の期間を正側の半周期とし、第２の期間を次の正側の半周期として、第１の期間の電流実効値が、判定値を超えている場合には、第２の期間の電流実効値を下げてもよい。
（２）第１の期間を負側の半周期とし、第２の期間を次の負側の半周期として、第１の期間の電流実効値が、判定値を超えている場合には、第２の期間の電流実効値を下げてもよい。
（３）周期ごとに第１の期間を正側と負側で交互に変更して、判定値を超えているかを判定し、第１の期間が正側の半周期である場合には、次の正側の半周期を第２の期間として電流実効値を下げ、第２の期間が負側の半周期である場合には、次の負側の半周期を第２の期間として電流実効値を下げてもよい。
（４）第１の期間を１周期とし、次の１周期を第２の期間としてもよい。

変形例（１）〜（４）においても、交流電力源から異常な電圧が入力された場合に、第２の期間において入力電流指令値に制限を加えることで、電流実効値を下げて、過大電流が流れ難くすることができるという効果を奏する。

さらに変形例（５）として、第１の期間の電流実効値が判定値を超えていた場合、第２の期間において交流電力源から入力される電流を０アンペアに制御をしてもよい。変形例（５）によれば、交流電力源から異常な電圧が入力された場合に、入力電流指令値に交流電力源から入力される電流を０アンペアにする制限を加えることで、過大電流を流れ難くすることができるという効果を奏する。

制御部の構成について説明をする。
図３は、制御部の構成を説明するための図で、制御部の一実施例が示されている図である。制御部７は、ゼロクロス検出部３０１、電圧実効値算出部３０２、電流実効値算出部３０３、目標電流制限判定部３０４、デューティ算出部３０５などを有している。また、制御部７は入力電流指令部３０６から入力電流指令値を取得する。

ゼロクロス検出部３０１は、交流電力源から入力される電圧を用いてゼロクロスを検出し、周期を算出して、電圧実効値算出部３０２および電流実効値算出部３０３に出力する。

電圧実効値算出部３０２は、電圧計測部５により計測される交流電力源から入力される電圧を用いて、電圧実効値を算出する。
電流実効値算出部３０３は、ゼロクロス検出部３０１で算出した周期に対して決められる第１の期間ごとに、電流計測部６により計測される交流電力源１０から入力される電流を用いて電流実効値を算出する。

目標電流制限判定部３０４は、電流実効値算出部３０３で算出した電流実効値が予め決められた判定値を超えていた場合、判定値を超えていた第１の期間に対応づけられている第２の期間の電流実効値を下げるために、入力電流指令値に制限を加える処理をして、制限を加えた入力電流指令値を後述するデューティ算出部３０５に出力する。

デューティ算出部３０５は、電圧の周期、目標電流制限判定部３０４から出力された入力電流指令値などに基づいてデューティを算出し、算出したデューティに基づいて駆動信号を生成し、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を駆動するドライブ回路８に駆動信号を出力する。

入力電流指令部３０６はＥＣＵ９に設けられ、充電装置１が要求する入力電流に対応する入力電流指令値を目標電流制限判定部３０４に出力する。
上記したゼロクロス検出部３０１、電圧実効値算出部３０２、電流実効値算出部３０３、目標電流制限判定部３０４、デューティ算出部３０５、入力電流指令部３０６それぞれを用いてスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を制御することで、交流電力源から異常な電圧が入力された場合に、交流電力源から入力される電流を抑制することができるという効果を奏する。

なお、上記図１、図３を用いて説明した交流電力源から入力される電流を抑制する制御（周期に対して決められる第１の期間ごとに、交流電力源から入力される電流の電流実効値を算出し、電流実効値が判定値を超えていた場合、判定値を超えていた第１の期間に対応づけられている第２の期間の電流実効値を下げる制御）は、図１、図３に示した回路だけに適用されるものではなく、スイッチ素子を用いて力率改善を行う回路に対して適用することも可能である。

制御部の動作について説明をする。
図４は、充電装置の動作の一実施例を示すフロー図である。
ステップＳ１では制御部７が交流電力源から入力される電圧を用いてゼロクロスを検出し、ステップＳ２では検出したゼロクロスを用いて、制御部７が周期を算出する。なお、制御部７が交流電力源から入力される電圧を用いて電圧実効値を算出してもよい。

ステップＳ３では、算出した周期に対して決められる第１の期間ごとに、交流電力源から入力される電流を用いて、制御部７が電流実効値を算出する。
電流実効値は、例えば、所定のサンプリング周波数で取得される瞬時値を２乗し、第１の期間においてその瞬時値を２乗した値の積算値を求め、求めた積算値を第１の期間で除算し、除算した値の平方根を電流実効値とする。なお、電流実効値は、算出した周期ごとに、交流電力源から入力される電流のピーク値を算出し、算出したピーク値と周期を用いて求めてもよい。

ステップＳ４では、制御部７がステップＳ３で算出した電流実効値が予め決められた判定値を超えているか否かを判定し、超えている場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ５に移行し、超えていない場合（Ｎｏ）には次の処理に移行する。

ステップＳ５（電流制限処理）では、制御部７が判定値を超えていた第１の期間に対応付けられている第２の期間の電流実効値を下げるために、入力電流指令部３０６から出力された入力電流指令値に制限を加える処理をして、制限を加えた入力電流指令値に基づいてデューティを算出し、算出したデューティに基づいて駆動信号を生成し、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を駆動するドライブ回路８に出力して次の処理に移行する。次の処理は、ステップＳ１に移行する処理などが考えられる。

上記に示した制御により、交流電力源から異常な電圧が入力された場合に、交流電力源から入力される電流を抑制することができるという効果を奏する。
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１充電装置、
２バッテリ、
３平滑回路、
４整流回路、
５電圧計測部、
６電流計測部、
７制御部、
８ドライブ回路、
９ＥＣＵ、
１０交流電力源、
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３コンデンサ、
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ダイオード、
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３コイル、
Ｑ１、Ｑ２スイッチ素子、
３０１ゼロクロス検出部、
３０２電圧実効値算出部、
３０３電流実効値算出部、
３０４目標電流制限判定部、
３０５デューティ算出部、
３０６入力電流指令部、

Claims

交流電力源から入力される交流電力を直流電力に変換してバッテリに充電する充電装置であって、
スイッチ素子がブリッジ接続された整流回路と、
電圧計測部により計測される前記交流電力源から入力される電圧の周期の算出と、前記スイッチ素子を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記周期に対して決められる第１の期間ごとに、電流計測部により計測される前記交流電力源から入力される電流の電流実効値を算出し、前記電流実効値が予め決められた判定値を超えていた場合、前記判定値を超えていた第１の期間に対応づけられている第２の期間の電流実効値を下げる制御をする、
ことを特徴とする充電装置。
請求項１に記載の充電装置であって、
前記第１の期間は、前記周期の半周期あるいは１周期であることを特徴とする充電装置。
請求項１に記載の充電装置であって、
前記第１の期間の電流実効値が前記判定値を超えていた場合、前記第２の期間において前記交流電力源から入力される電流を０アンペアにする、ことを特徴とする充電装置。
交流電力源から入力される電圧の周期の算出と、整流回路にブリッジ接続されたスイッチ素子を制御する制御部を備え、前記交流電力源から入力される交流電力を直流電力に変換してバッテリに充電する充電装置の充電方法であって、
前記制御部が、前記周期に対して決められる第１の期間ごとに、電流計測部により計測される前記交流電力源から入力される電流の電流実効値を算出し、前記電流実効値が予め決められた判定値を超えていた場合、前記判定値を超えていた第１の期間に対応づけられている第２の期間の電流実効値を下げる制御をさせる、処理を実行することを特徴とする充電方法。