JP6459868B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源から供給される電力で蓄電装置を充電する充電装置に関する。

特開２０１４−１７９１７号公報（特許文献１）には、車両外部の交流電源から供給される電力で車載バッテリを充電するための充電器と、充電器を制御する制御装置とを備えた充電装置が開示されている。充電器は、交流電源から受けた交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路（力率改善昇圧回路）と、ＡＣ／ＤＣ変換回路が出力した電圧を変換して車載バッテリに出力する絶縁型のＤＣ／ＤＣ変換回路とを備える。制御装置は、車両外部の交流電源から供給される電力で車載バッテリを充電する場合、ＡＣ／ＤＣ変換回路の出力電圧が目標電圧になるようにＡＣ／ＤＣ変換回路を制御する。

特開２０１４−１７９１７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された充電装置において、交流電源から異常な交流電圧波形が充電器に入力された場合、ＡＣ／ＤＣ変換回路（力率改善昇圧回路）の出力電圧が目標電圧通りにならず、ＡＣ／ＤＣ変換回路の出力電力とＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力との間に差が生じるため、ＡＣ／ＤＣ変換回路の出力側の電圧が変動してしまう。この影響により突入電流が生じることが懸念される。

この対策として、ＡＣ／ＤＣ変換部の出力側の電圧が規定範囲から外れた場合に充電器を一時的に停止することが考えられる。しかしながら、このような手法では、交流電圧波形の異常が長期的に頻繁に繰り返される場合には、充電の間欠動作（充電を再開しても直ぐに再停止される動作）が繰り返されるため、充電時間が過度に長くなることが懸念される。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、交流電源から供給される電力で蓄電装置を充電する充電装置において、交流電源から異常な電圧波形が入力された場合においても、ＡＣ／ＤＣ変換回路の出力側の電圧の変動を抑制しつつ、充電時間が過度に長くなることを抑制することである。

この発明に係る充電装置は、交流電源から供給される電力で蓄電装置を充電する充電装置であって、交流電源から受ける交流を直流に変換して出力する第１変換装置と、第１変換装置が出力した電圧を蓄電装置の電圧に変換して蓄電装置に出力する第２変換装置と、第１変換装置および第２変換装置を制御することによって蓄電装置に供給される充電電力を制御する制御装置とを備える。制御装置は、蓄電装置の充電中に第１変換装置の出力側の電圧が規定範囲から外れた回数が所定回数を超えた場合、第１変換装置の出力側の電圧が規定範囲から外れた回数が所定回数を超えていない場合よりも充電電力の上限を制限しつつ、蓄電装置の充電を継続する。

このような構成によれば、蓄電装置の充電中に第１変換装置の出力側の電圧が規定範囲から外れた回数が所定回数を超えた場合、充電電力を制限しつつ充電を継続する。充電電力の制限によって第１変換装置の出力電力と第２変換装置の出力電力との差が小さくなるため、第１変換装置の出力側の電圧の変動幅を小さくすることができる。さらに、充電電力を制限しつつも充電を継続するため、充電の間欠動作が回避される。その結果、第１変換装置（ＡＣ／ＤＣ変換回路）の出力側の電圧の変動を抑制しつつ、充電時間が過度に長くなることを抑制することができる。

車両の全体構成を模式的に示す図である。 ＥＣＵの処理手順を示すフローチャート（その１）である。 ＥＣＵの処理手順を示すフローチャート（その２）である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態による充電装置を備える車両１の全体構成を模式的に示す図である。車両１は、駆動装置１０と、バッテリ（蓄電装置）２０と、システムメインリレー２１と、充電リレー２２と、充電器３０と、コネクタ４０と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１００とを備える。充電器３０は、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と、ＤＣ／ＤＣ変換部３２と、コンデンサ３３と、電圧センサ３４と、駆動回路３５とを含む。

駆動装置１０は、バッテリ２０から供給される電力を用いて車両駆動力を発生する。駆動装置１０は、駆動輪に機械的に接続されたモータジェネレータと、モータジェネレータの通電量を制御するパワーコントロールユニット（インバータなど）とを含む。駆動装置１０の出力（モータジェネレータの通電量）はＥＣＵ１００からの制御信号によって制御される。なお、駆動装置１０に含まれるモータジェネレータの数は１つであっても２つ以上であってもよい。

車両１は、駆動装置１０のモータジェネレータが発生する駆動力で走行する。なお、車両１は、駆動装置１０が発生する駆動力に加えて、図示しないエンジンの動力を用いて走行するように構成されてもよい。

バッテリ２０は、再充電可能な蓄電装置であり、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池および鉛蓄電池等の二次電池である。なお、蓄電装置として、バッテリ２０に代えて大容量キャパシタを採用するようにしてもよい。バッテリ２０は、システムメインリレー２１を介して駆動装置１０に接続される。

システムメインリレー２１は、駆動装置１０とバッテリ２０との間に設けられ、ＥＣＵ１００からの制御信号によって開閉される。

車両１は、車両外部の交流電源（以下「外部電源」ともいう）２００から供給される電力でバッテリ２０を充電する「外部充電」が行なうことが可能に構成される。外部充電を行なうための構成として、車両１は、充電リレー２２と、充電器３０と、コネクタ４０とを備える。

充電リレー２２は、バッテリ２０と充電器３０との間に設けられ、ＥＣＵ１００からの制御信号によって開閉される。

コネクタ４０は、外部電源２００に接続されたコネクタ２１０と連結可能に構成される。

充電器３０は、入力側の端部がコネクタ４０に接続され、出力側の端部が充電リレー２２を介してバッテリ２０に接続される。充電器３０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に基づいて外部電源２００から入力される交流をバッテリ２０に充電可能な直流に変換してバッテリ２０へ出力する。

具体的には、充電器３０は、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と、ＤＣ／ＤＣ変換部３２と、コンデンサ３３と、電圧センサ３４と、駆動回路３５とを含む。ＡＣ／ＤＣ変換部３１とＤＣ／ＤＣ変換部３２とは、正極線ＰＬおよび負極線ＮＬによって接続される。

ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、駆動回路３５からの駆動信号に基づいて、コネクタ４０を介して外部電源２００から入力された交流を直流に変換（整流）して正極線ＰＬおよび負極線ＮＬに出力する。さらに、ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、外部電源２００から入力された交流電力を正弦波に近づけることで力率を改善する力率改善（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路としても動作する。なお、ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、外部電源２００から入力された交流電力の電圧を昇圧する機能を併せ持つものであってもよい。

ＤＣ／ＤＣ変換部３２は、駆動回路３５からの駆動信号に基づいて、ＡＣ／ＤＣ変換部３１の出力電圧をバッテリ２０の電圧に変換してバッテリ２０に出力する。ＤＣ／ＤＣ変換部３２は、いわゆる絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、正極線ＰＬおよび負極線ＮＬから供給される直流を高周波の交流に変換する変換回路と、変換回路から受ける高周波の交流電圧を一次コイルおよび二次コイルの巻数比に応じた電圧レベルに変換する絶縁トランスと、絶縁トランスから出力される交流を直流に整流してバッテリ２０に出力する変換回路とを備える。

コンデンサ３３は、一方の端部が正極線ＰＬに接続され、他方の端部が負極線ＮＬに接続され、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間の電圧を平滑化する。

電圧センサ３４は、正極線ＰＬと負極線ＮＬとの間の電圧（すなわちコンデンサ３３の両端電圧、以下「電圧ＶＨ」ともいう）を検出し、検出結果を駆動回路３５に出力する。

駆動回路３５は、図示しない充電ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含む。駆動回路３５は、ＥＣＵ１００からの制御信号に基づいてＡＣ／ＤＣ変換部３１およびＤＣ／ＤＣ変換部３２に駆動信号を出力することによって、ＡＣ／ＤＣ変換部３１およびＤＣ／ＤＣ変換部３２の駆動を制御する。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびメモリを内蔵し、当該メモリに記憶された情報や各センサからの情報に基づいて車両１の各機器（駆動装置１０、システムメインリレー２１、システムメインリレー２１、充電器３０）を制御する。

ＥＣＵ１００は、駆動回路３５から充電器３０の状態を示す情報を取得するとともに、外部充電による充電電力が目標電力となるように駆動回路３５に制御信号を出力する。この際、ＥＣＵ１００は、ＡＣ／ＤＣ変換部３１の出力電圧が目標電圧になるよう制御する。

以上のような構成を有する車両１の外部充電中において、外部電源２００から充電器３０に入力される交流電圧（以下、単に「ＡＣ電圧」ともいう）が正常時よりも変動したり異常な波形であったりすると、ＡＣ／ＤＣ変換部（ＰＦＣ回路）３１の出力電圧が目標通りにならず、ＡＣ／ＤＣ変換部３１の出力電力とＤＣ／ＤＣ変換部３２の出力電力との間に差が生じる。この影響により、ＡＣ／ＤＣ変換部３１の出力側の電圧である電圧ＶＨ（コンデンサ３３の両端電圧）が変動し、突入電流が発生したりコンデンサ３３の耐圧オーバーとなるおそれがある。

この対策として、電圧ＶＨが規定範囲から外れた場合に、電圧ＶＨが規定範囲に安定するまで外部充電を一時的に停止させることが考えられる。しかしながら、ＡＣ電圧の変動あるいは波形異常が長期的に頻繁に繰り返される場合には、外部充電の間欠動作（外部充電を再開しても直ぐに再停止される動作）が繰り返されるため、外部充電時間が過度に長くなることが懸念される。また、外部充電の間欠動作によって、外部電源２００が設けられた設備内でフリッカなどが発生してしまうことも懸念される。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、外部充電中において、電圧ＶＨが規定範囲から外れた回数が所定回数を超えた場合に、外部充電による充電電力を制限しながら外部充電を継続する。充電電力の制限によって、ＡＣ／ＤＣ変換部３１の出力電力とＤＣ／ＤＣ変換部３２の出力電力との間の差が小さくなるため、電圧ＶＨの変動幅を小さくすることができる。そのため、突入電流の発生が抑制される。さらに、充電電力を制限しつつも外部充電を継続することによって、外部充電の間欠動作が回避される。その結果、電圧ＶＨの変動を抑制しつつ、外部充電時間が過度に長くなることを抑制することができる。

図２は、電圧ＶＨ（ＡＣ／ＤＣ変換部３１の出力側の電圧）が規定範囲から外れた回数をＥＣＵ１００がカウントする際に行なう処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定周期で繰り返し実行される。なお、以下に記載する「ＶＨ変動カウンタ」とは、電圧ＶＨが規定範囲（下限電圧Ｖ１から上限電圧Ｖ２までの範囲）を外れた回数を表わすパラメータであって、ＥＣＵ１００の内部メモリに記憶されている。

ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０にて、ＥＣＵ１００は、ＶＨ変動カウンタが前回変化してからの経過時間が規定時間以内であるか否かを判定する。

ＶＨ変動カウンタが前回変化してからの経過時間が規定時間を超えている場合（Ｓ１０にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１１にて、ＶＨ変動カウンタを０にクリアする。

ＶＨ変動カウンタが前回変化してからの経過時間が規定時間以内である場合（Ｓ１０にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１２にて、前回サイクルの電圧ＶＨが規定範囲（下限電圧Ｖ１から上限電圧Ｖ２までの範囲）に含まれていたか否かを判定する。前回サイクルの電圧ＶＨが規定範囲から外れていた場合（Ｓ１２にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理を終了する。

前回サイクルの電圧ＶＨが規定範囲に含まれていた場合（Ｓ１２にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１３およびＳ１４にて、今回サイクルの電圧ＶＨが規定範囲から外れているか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ１００は、Ｓ１３にて今回サイクルの電圧ＶＨが下限電圧Ｖ１未満であるか否かを判定し、Ｓ１４にて今回サイクルの電圧ＶＨが上限電圧Ｖ２を超えているかを判定する。今回サイクルの電圧ＶＨが規定範囲に含まれる場合（Ｓ１３にてＮＯかつＳ１４にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理を終了する。

今回サイクルの電圧ＶＨが規定範囲から外れている場合（Ｓ１３にてＹＥＳまたはＳ１４にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１５にて、ＶＨ変動カウンタを１増加（インクリメント）する。

図３は、ＶＨ変動カウンタに応じてＥＣＵ１００が充電電力を制限する際に行なう処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、所定周期で繰り返し実行される。なお、以下では、充電電力の上限値を低下させることによって充電電力を制限する場合を例示的に説明する。

Ｓ２０にて、ＥＣＵ１００は、ＶＨ変動カウンタがしきい値を超えたか否か（すなわち電圧ＶＨが規定範囲から外れた回数が所定回数を超えたか否か）を判定する。この判定は、ＡＣ電圧が正常時よりも変動したり異常な波形であったりする現象（以下「ＡＣ電圧異常」ともいう）が短期的（一時的）なものであるのか長期的なものであるのかを判定するために行なわれる。

ＶＨ変動カウンタがしきい値未満である場合（Ｓ２０にてＮＯ）、ＡＣ電圧異常が短期的なものであると考えられるため、ＥＣＵ１００は、Ｓ２１にて、充電電力の上限値を通常値Ｐ１に設定する。

一方、ＶＨ変動カウンタがしきい値を超えた場合（Ｓ２０にてＹＥＳ）、ＡＣ電圧異常が短期的なものではないと考えられるため、ＥＣＵ１００は、Ｓ２２にて、充電電力の上限値を制限値Ｐ２に設定する。制限値Ｐ２は、通常値Ｐ１よりも低い値であって、電圧ＶＨの頻繁な変動を抑制可能な値に予め設定されている。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、外部充電中にＡＣ／ＤＣ変換部３１の出力側（下流側）の電圧である電圧ＶＨを監視し、電圧ＶＨが規定範囲を外れた回数をＶＨ変動カウンタとして記憶する。そして、ＥＣＵ１００は、ＶＨ変動カウンタがしきい値を超えた場合、ＡＣ電圧異常が一時的なものではないと考えられるため、充電電力の上限値を通常値Ｐ１よりも低い制限値Ｐ２に制限しつつ、外部充電を継続させる。これにより、電圧ＶＨの変動を抑制しつつ、外部充電時間が過度に長くなることが防止される。また、外部電源２００が設けられた設備側でのフリッカの発生も防止される。なお、制限値Ｐ２を過度に低い値に設定すると、電圧ＶＨの変動による外部充電の間欠動作時よりも外部充電時間が長くなり得る。そのため、制限値Ｐ２は、電圧ＶＨの変動による外部充電の間欠動作時よりも外部充電時間が短くなる値に設定する必要がある。

また、ＥＣＵ１００は、ＶＨ変動カウンタの値が規定時間変化しなければ、ＡＣ電圧異常が解消したと考えられるため、ＶＨ変動カウンタをクリアして、充電電力の制限を解除して充電電力の上限値を制限値Ｐ２よりも大きい通常値Ｐ１に戻す。これにより、外部充電時間が過度に長くなることをさらに抑制することができる。

なお、上述の実施の形態においては、充電装置（充電器３０およびＥＣＵ１００）が車両１に搭載され、かつ車両１に搭載されるバッテリ２０を充電する場合を例示した。しかしながら、本発明による充電装置は、車両１に搭載されていなくてもよく、また、車両１に搭載されていない蓄電装置を充電する場合にも適用可能である。

また、上述の実施の形態においては、図２および図３のフローチャートに示す処理を充電器４０の外部に設けられたＥＣＵ１００が行なう場合を例示した。しかしながら、図２および図３のフローチャートに示す処理を充電器４０の内部に設けられた駆動回路３５が行なうようにしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、１０ 駆動装置、２０ バッテリ、２１ システムメインリレー、２２ 充電リレー、３０ 充電器、３１ ＡＣ／ＤＣ変換部、３２ ＤＣ／ＤＣ変換部、３３ コンデンサ、３４ 電圧センサ、３５ 駆動回路、４０，２１０ コネクタ、２００ 外部電源。

Claims (1)

1. 交流電源から供給される電力で蓄電装置を充電する充電装置であって、
   前記交流電源から受ける交流を直流に変換して出力する第１変換装置と、
   前記第１変換装置が出力した電圧を前記蓄電装置の電圧に変換して前記蓄電装置に出力する第２変換装置と、
   前記第１変換装置および前記第２変換装置を制御することによって前記蓄電装置に供給される充電電力を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記蓄電装置の充電中に前記第１変換装置の出力側の電圧が規定範囲から外れた回数が所定回数を超えていない場合、前記充電電力の上限を第１値に制限しつつ、前記蓄電装置の充電を継続し、前記蓄電装置の充電中に前記第１変換装置の出力側の電圧が前記規定範囲から外れた回数が所定回数を超えた場合、前記充電電力の上限を前記第１値よりも低い第２値に制限しつつ、前記蓄電装置の充電を継続する、充電装置。

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