以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
<<第1実施形態>>
図1は、第1実施形態に係る充電システムの構成を示す。第1実施形態に係る充電システム100は、充電共用インバータ1と、第2電圧制御回路2と、コントローラ24と、蓄電部3と、モータ4を備えた充電システムである。充電共用インバータ1と蓄電部3の間に第1リレー素子17が接続され、第1電圧制御回路は、補助配線19を介して外部電源20と接続される。本実施形態では、充電共用インバータ1と、コントローラ24と、蓄電部3と、モータ4とは車両内部に設置され、外部電源20を含む第2電圧制御回路2は車両外部に設置されることを想定する。車両内部と車両外部は、リアクタンス成分を有する配線(図1に示されたリアクタンスL)で接続される。充電共用インバータ1は、蓄電部3の直流電源の直流を交流に変換することでモータ4を駆動することができる。さらに、充電共用インバータ1は、車両外部にある外部電源20の電力を車両内部にある蓄電部3に充電することもできる。充電の供給源である外部電源20の電力は、第2電圧制御回路2及びリアクタンスLを介して、充電共用インバータ1へ供給される。車両内部と車両外部の接続が断続的に行われても、すなわち、リアクタンスLの大小が変わっても、本実施形態は、外部電源20の電力供給時の蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制する充電システムである。なお、蓄電部3は、リチウムイオン電池のようなバッテリに限らず、キャパシタや電気2重キャパシタの構成でもよい。また、第1リレー素子17は、リレー、接触器又はトランジスタ等の半導体スイッチを用いてもよい。
充電共用インバータ1は、第1コンデンサ11、第2コンデンサ12、第1ダイオード13、第2ダイオード14、第3ダイオード15、第4ダイオード16、上アームのスイッチング素子5〜7、下アームのスイッチング素子8〜10及び第1電圧制御回路18を備える。図1に示す回路は、上アームと下アームとが接続されるインバータ回路を複数備える。なお、インバータ回路は3相ではなく、単相でもよい。
上アームのスイッチング素子5〜7は、蓄電部3の正極側の第1リレー素子17にそれぞれ接続する。下アームのスイッチング素子8〜10は、それぞれ蓄電部3の負極側の第1リレー素子17に接続する。
上アームのスイッチング素子5と下アームのスイッチング素子8が接続し、U相インバータ回路を構成する。上アームのスイッチング素子6と下アームのスイッチング素子9が接続し、V相インバータ回路を構成する。上アームのスイッチング素子7と下アームのスイッチング素子10が接続し、W相インバータ回路を構成する。
スイッチング素子5とスイッチング素子8の接続点には第1ダイオード13のカソード電極とモータ4が接続する。スイッチング素子6とスイッチング素子9の接続点にはモータ4が接続する。スイッチング素子7とスイッチング素子10の接続点には第3ダイオード15のカソード電極とモータ4が接続する。
第1コンデンサ11の一端は、蓄電部3の正極側の第1リレー素子17に接続する。第2コンデンサ12は、第1コンデンサ11の他端と蓄電部3の負極側の第1リレー素子17との間を接続する。
上アームのスイッチング素子5〜7と下アームのスイッチング素子8〜10は、それぞれ例えばNMOSFETで構成される。各々のスイッチング素子5〜10は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やGTO(Gate Turn Off thyristor)等で構成してもよい。各々のスイッチング素子5〜10には、ダイオードD5〜D10がそれぞれの逆並列の向きで接続する。
給電点Aは、第1コンデンサ11と第2コンデンサ12の接続点及び第1電圧制御回路18の一端とが接続する点とする。第2ダイオード14のカソード電極と第4ダイオード16のカソード電極の接続点は、給電点Aと接続する。第1電圧制御回路18の他端は、蓄電部3の負極側の第1リレー素子17に接続する。なお、以下の説明において、給電点Aの電圧を第1電圧とする。
給電点Bは、第1ダイオード13のアノード電極と第2ダイオード14のアノード電極の接続点とする。第2電圧制御回路2の交流直流変換回路22は、リアクタンスLを介して給電点Bと接続する。同様に、交流直流変換回路22は、リアクタンスLを介して第3ダイオード15のアノード電極と第4ダイオード16のアノード電極の接続点と接続する。なお、以下の説明において、給電点Bの電圧を第2電圧とする。
交流直流変換回路22は外部電源20の交流を直流に変換する回路である。なお、交流直流変換回路22は、外部電源20の交流を整流するための整流ブリッジでもよい。外部電源20は、三相交流電源でもよいし、単相交流電源であってもよい。
また、交流直流変換回路22は交流配線21及び第2リレー素子23を介して外部電源20と接続する。第2リレー素子23は、リレー、接触器又はトランジスタ等の半導体スイッチを用いてもよい。
第1電圧制御回路18はDC電圧発生回路である。第1電圧制御回路18は、補助配線19を介して外部電源20の実効値に基づいた第1電圧を出力する。なお、第1電圧制御回路18は、外部電源20以外の別電源に基づき電圧出力をするDC電圧発生回路でもあってもよい。
コントローラ24は、第1電圧制御回路18、第2電圧制御回路2、第1リレー素子17、U相インバータ回路、V相インバータ回路及びV相インバータ回路を制御する。以降、コントローラ24の制御内容について説明する。
コントローラ24は、第1電圧を制御するために、第1電圧制御回路18へ制御信号を送信する。第1電圧制御回路18は、コントローラ24から送信された制御信号に基づき、電圧を出力又は停止する。制御信号には、電圧設定値の情報と、電圧の印加又は停止の切り換え情報とを含む。また、第1電圧制御回路18は、電圧設定値に基づく電圧出力機能、印加又は停止の切り換え機能だけでなく、出力電圧値の計測機能を備える。コントローラ24の設定する第1電圧制御回路18の設定電圧値は、電圧設定値V1INとする。また、第1電圧制御回路18の出力電圧はV1とする。
コントローラ24は、第2電圧を制御するために、第2電圧制御回路2へ制御信号を送信する。第2電圧制御回路2は、コントローラ24から送信された制御信号に基づき、電圧を出力又は停止する。制御信号には、電圧設定値の情報と、電圧印加又は停止の切り換え情報とを含む。交流直流変換回路22と、第2リレー素子23とを備える第2電圧制御回路2は、電圧設定値に基づく電圧出力機能、印加又は停止の切り換え機能を備える。交流直流変換回路22は電圧設定値に基づく電圧出力機能を備え、第2リレー素子23は印加又は停止の切り換え機能を備える。ただし、第2リレー素子23のオンで印加、オフで停止とする。コントローラ24の設定する第2電圧制御回路2の設定電圧値は、電圧設定値V2INとする。また、第2電圧制御回路2の出力電圧はV2とする。
第1電圧制御回路18は給電点Aと接続しているため、出力電圧V1は第1電圧となり、第2電圧制御回路2は給電点Bと接続しているため、出力電圧V2は第2電圧となる。そのため、本実施形態において、第1コンデンサ11と第2コンデンサの接続点の第1電圧は、第1電圧制御回路18で制御され、第1ダイオード13のアノード電極と第2ダイオード14のアノード電極の接続点の第2電圧は、外部電源20を使用する第2電圧制御回路2で制御されることになる。
前述の制御に加えて、コントローラ24は、第1リレー素子17の切り換え制御を実行する。第1リレー素子17の切り替えは、蓄電部3と充電共用インバータ1の接続又は遮断の切り換えに相当する。
さらに、コントローラ24は、U相インバータ回路、V相インバータ回路及びW相インバータ回路を制御する。具体的には、コントローラ24は、外部電源20の電力を蓄電部3への充電させるために、第2電圧に対応させたPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、生成したPWM信号を各相インバータ回路のスイッチング素子のゲート電極へ入力する。生成するPWM信号は、信号PU、NU、信号PV、NV、及びPW、NWとする。
U相インバータ回路のスイッチング素子5のゲート電極にはPUが入力される。U相インバータ回路のスイッチング素子8のゲート電極にはNUが入力される。
V相インバータ回路のスイッチング素子6のゲート電極にはPVが入力される。V相インバータ回路のスイッチング素子9のゲート電極にはNVが入力される。
W相インバータ回路のスイッチング素子7のゲート電極にはPWが入力される。V相インバータ回路のスイッチング素子10のゲート電極にはNWが入力される。
次に、本実施形態において、第1電圧制御回路18と第2電圧制御回路2の電圧立ち上げシーケンスを、図2を用いて説明する。図2(a)は、第1電圧制御回路18及び第2電圧制御回路2の動作の一例で電圧立ち上げシーケンスである。V1INは第1電圧制御回路18の電圧設定値、V1は第1電圧制御回路18の出力電圧、V2INは第2電圧制御回路2の電圧設定値、V2は第2電圧制御回路2の出力電圧を示す。V1 *は第1電圧制御回路18の目標電圧値である第1電圧目標値、V2 *は第2電圧制御回路2の目標電圧値である第2電圧目標値を示す。
図2(a)に示すように、時刻t1において、コントローラ24は、電圧設定値V1INを第1電圧目標値V1 *に設定しつつ、電圧印加の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信し、第1電圧の印加を開始する。時刻t1において、第2コンデンサ12は充電を開始し、時刻t2において、第1電圧は静定する。次に、時刻t3において、コントローラ24は、電圧設定値V2INを第2電圧目標値V2 *に設定しつつ、電圧印加の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信し、第2電圧の印加を開始する。時刻t4において、第2電圧は静定する。以降に各時刻の詳細な説明をする。
時刻t1において、コントローラ24は、電圧設定値V1INを0からV1 *へ変更すると同時に印加の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信する。また、コントローラ24は、電圧設定値V2INを0に設定し、印加停止の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信する。その結果、第2電圧の印加停止状態において、第1電圧の印加が開始される。言い換えると、コントローラ24は、第2電圧を印加する前に、第1電圧を印加する制御信号を第1電圧制御回路18に送信する。
時刻t1から時刻t2の間において、電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。図2(a)に示すように、第1電圧は上昇し、第2電圧は印加停止状態を保つ。その結果、リアクタンスLの大小に関係なく、第1電圧は第2電圧より高くなるため、蓄電部3への突入電流又は過電圧は発生しない。
時刻t2から時刻t3の間において、電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。この時間において、コントローラ24は、計測制御の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信し、静定された第1電圧を計測する。また、コントローラ24は、計測した第1電圧に基づき第2電圧目標値V2 *を算出する。第2電圧目標値V2 *は、印加後の第2電圧が第1電圧より低くなるような値である。また、第1電圧が第2電圧より高い状態は引き続き保たれる。
時刻t3において、コントローラ24は、電圧設定値V1INを変更せず、電圧設定値V2INを0から前述の算出されたV2 *へ変更すると同時に印加の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信する。その結果、第1電圧が静定した状態において、第2電圧の印加が開始される。言い換えると、コントローラ24は、第1電圧の目標値である第1電圧目標値V1 *と、第2電圧の目標値である第2電圧目標値V2 *とを設定し、印加された第1電圧が静定した状態において、第2電圧目標値V2 *を第1電圧より低い値に設定にしつつ、第2電圧を印加する制御信号を第2電圧制御回路2に送信する。
時刻t3から時刻t4おいて、電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。第2電圧目標値V2 *はリアクタンスLの大小に関係なく第1電圧が第2電圧より高くなるように算出されているため、実際の第1電圧は第2電圧より高くなる。本実施形態は、第2電圧の上昇期間においても、リアクタンスLの大小に関係なく、蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制することができる。なお、図2(a)の破線は、従来方式での第2電圧の立ち上げシーケンスを示す。
ところで、図2(a)に示すような電圧設定値V2INがステップ波形の場合において、第2電圧は急峻に立ち上がり、過渡的に上昇する可能性がある。図2(b)に示すような電圧設定値V2INをステップ波形からランプ波形へ変更することで、前述の第2電圧の過渡的上昇を抑える効果がある。図2(b)は、電圧設定値V2INをステップ波形からランプ波形へ変更した電圧立ち上げシーケンスの例である。
コントローラ24は、図2(b)に示すような電圧設定値V2INをランプ波形に変更することで、第2電圧の立ち上がり時間をステップ波形より遅くすることができる。その結果、第2電圧の過渡的な電圧上昇は抑えられ、蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制することができる。本実施形態は、電圧立ち上げシーケンスにおいて、電圧設定値V2INの波形をステップ波形からランプ波形に変更することにより、蓄電部3への突入電流又は過電圧が発生をさらに抑えることができる。
なお、コントローラ24は、時刻t
2から時刻t
3の間において、以下のように、静定された第1電圧に基づき第2電圧目標値V
2 *を算出してもよい。具体的には、コントローラ24は、第2電圧制御回路2の第2電圧目標値V
2 *を第1電圧制御回路18の出力電圧V
1と第2ダイオード14の順方向電圧V
fの和に設定する。第2電圧目標値V
2 *は、下記式(1)で算出される。
第2電圧目標値V2 *を算出することは上記の式で示すように容易であり、第1電圧制御回路18の出力電圧V1及び第2ダイオード14の順方向電圧Vfはリアクタンスの大小に関係ない。そのため、本実施形態は従来まで必要だったリアクタンスLに応じたゲイン設定回路又はシステムを不要にすることができるだけでなく、時間調整回路又はシーケンス制御システムも不要にすることができる。時刻t3において、コントローラ24は、電圧設定値V1INを変更せず、電圧設定値V2INを0から前述の算出された第2電圧目標値V2 *へ変更すると同時に印加の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信する。言い換えると、コントローラ24は、第1電圧の目標値である第1電圧目標値V1 *と、第2電圧の目標値である第2電圧目標値V2 *とを設定し、印加された第1電圧が静定した状態において、第2電圧目標値V2 *を第2ダイオード14の順方向の電圧と第1電圧制御回路18の出力電圧V1の和にしつつ、第2電圧を印加する制御信号を第2電圧制御回路2に送信する。
次に、本実施形態において、第1電圧制御回路18と第2電圧制御回路2の電圧立ち下げシーケンスを、図3を用いて説明する。図3(a)は、第1電圧制御回路18及び第2電圧制御回路2の動作の一例で電圧立ち下げシーケンスである。図3(a)に示すV1IN、V1、V2IN、V2は図2で示したV1IN、V1、V2IN、V2と同じであるため、説明は省略する。
図3(a)に示すように、時刻t1 ’において、コントローラ24は、電圧設定値V2INを0に設定しつつ、印加停止の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信し、第2電圧の印加停止を開始する。時刻t1 ’において、第2電圧は降下し、時刻t2 ’において、第2電圧は静定する。次に、時刻t3 ’において、コントローラ24は、電圧設定値V1INを0に設定しつつ、印加停止の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信し、第1電圧の印加停止を開始する。時刻t4 ’において、第1電圧は静定する。以降に各時刻の詳細な説明をする。
時刻t1 ’において、コントローラ24は、電圧設定値V2INをV2 *から0へ変更すると同時に印加の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信する。また、コントローラ24は、電圧設定値V1INをV1 *に設定し、制御信号を第1電圧制御回路18へ送信する。その結果、印加された第1電圧が静定された状態において、第2電圧の印加停止が開始される。
時刻t1 ’から時刻t2 ’の間において、電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。図3(a)に示すように、第2電圧は降下し、印加された第1電圧は静定した状態を保つ。その結果、リアクタンスLの大小に関係なく、第1電圧は第2電圧より高くなり、蓄電部3への突入電流又は過電圧は発生しない。
時刻t2 ’から時刻t3 ’の間において、電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。第1電圧が第2電圧より高い状態は引き続き保たれる。
時刻t3 ’において、コントローラ24は、電圧設定値V2INを変更せず、電圧設定値V1INをV1 *から0へ変更すると同時に印加停止の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信する。その結果、第2電圧が静定した状態において、第1電圧の印加停止が開始される。言い換えると、コントローラ24は、印加停止された第2電圧が静定した状態において、第1電圧の印加を停止する制御信号を第1電圧制御回路18へ送信する。
時刻t3 ’から時刻t4 ’おいて、電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。第2電圧が静定した状態において、第1電圧は降下しているため、第1電圧は第2電圧より高くなる。本実施形態は、第1電圧の降下期間中においても、リアクタンスLの大小に関係なく、蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制することができる。なお、図3(a)の破線は、従来方式での第2電圧の立ち下げシーケンスを示す。
ところで、図3(a)に示すような電圧設定値V2INがステップ波形の場合において、第2電圧は急峻に立ち下がるため、接地点(図1に記載なし)が揺れて、揺らされた接地点の電位が上昇する恐れがある。その結果、第2電圧は過渡的に上昇する可能性がある。図3(b)に示すような電圧設定値V2INをステップ波形からランプ波形へ変更することで、前述の第2電圧の過渡的上昇を抑える効果がある。図3(b)は、電圧設定値V2INをステップ波形からランプ波形へ変更した電圧立ち下げシーケンスの例である。
コントローラ24は、図3(b)に示すような電圧設定値V2INをランプ波形に変更することで、第2電圧の立ち下がり時間をステップ波形より遅くすることができる。その結果、接地点の電位の上昇を抑えられることができ、蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制することができる。本実施形態は、電圧立ち下げシーケンスにおいて、電圧設定値V2INの波形をステップ波形からランプ波形に変更することにより、蓄電部3への突入電流又は過電圧が発生をさらに抑えることができる。
また、本実施形態において、第2リレー素子23の切り換え制御は、第2電圧の印加又は停止の制御に相当する。例えば、第2電圧目標値V2 *と第2電圧制御回路2の出力電圧V2との間に乖離がある場合において、コントローラ24は、第2リレー素子23をオフにする制御信号を第2電圧制御回路2へ送信し、第2電圧の印加を停止する。すなわち、コントローラ24は、第1電圧制御回路18と第2電圧制御回路2への制御を独立して行うことができるため、本実施形態は、第1電圧に依らず、第2電圧の印加又は印加停止の制御ができる。
これまでの説明は、第2コンデンサ12のプリチャージ動作について言及しているが、以降、蓄電部3への充電動作について説明する。
コントローラ24は、印加された第1電圧及び印加された第2電圧が静止している状態において、蓄電部3への充電動作の制御を実行する。また、コントローラ24は、蓄電部3への充電動作時において、第1リレー素子17をオンする制御を実行する。第1電圧及び第2電圧は静定している状態において、U相インバータ回路、V相インバータ回路及びW相インバータ回路がPWM信号によって制御され、蓄電部3への充電動作が可能となる。
時刻t4以降のある時刻(時刻t5とする)において、コントローラ24はスイッチング素子9へPWM信号NVを出力し、スイッチング素子9がオンし、他のスイッチング素子は全てオフの状態になる。この時、外部電源20から第2リレー素子23、交流直流変換回路22、第1ダイオード13、モータ4及びスイッチング素子9を経由する電流と、外部電源20から第2リレー素子23、交流直流変換回路22、第3ダイオード15、モータ4及びスイッチング素子9を経由する電流とが流れる。この電流により、モータ4は磁気エネルギーを蓄える。
時刻t5以降のある時刻(時刻t6とする)において、コントローラ24は全てのスイッチング素子への信号を出力せず、全てのスイッチング素子はオフの状態になる。スイッチング素子9がオフになると、モータ4からスイッチング素子9へ流れる電流は、スイッチング素子9で遮断される。この時、時刻t5から時刻t6までの間でモータ4に蓄えた磁気エネルギーは、自己誘導作用による自己誘導起電力として回収することができる。
自己誘導起電力によって、U相のスイッチング素子5とスイッチング素子8の接続点の電圧と、W相のスイッチング素子7とスイッチング素子10の接続点の電圧は昇圧される。U相の昇圧された電圧は、ダイオードD5を介して蓄電部3を充電する。また、W相の昇圧された電圧は、ダイオードD7を介して蓄電部3を充電する。U相及びW相の昇圧された電圧に対して、ダイオードD5及びダイオードD7は逆流防止ダイオードとして作用する。したがって、昇圧された電圧によって流れる充電電流は、ダイオードD5及びダイオードD7を介して蓄電部3のみに流れる。
時刻t6以降のある時刻(時刻t7とする)において、コントローラ24はスイッチング素子5へPWM信号PUを、スイッチング素子7へPWM信号PWを出力し、スイッチング素子5及びスイッチング素子7がオンし、他のスイッチング素子は全てオフの状態になる。時刻t6のU相及びW相に生じた昇圧された電圧は、スイッチング素子5及びスイッチング素子7を介して蓄電部3を充電する。スイッチング素子5及びスイッチング素子7をオンすることで、U相及びW相の昇圧された電圧が不安定になることを防止する。
コントローラ24は、前述の時刻t5〜時刻t7までを繰り返すPWM信号を生成し、出力する。なお、前述の説明は、V相の下アームのスイッチング素子9をオフに、U相の上アームのスイッチング素子5及びW相の上アームのスイッチング素子7をオンにしたが、この例に限定されない。
<<第2実施形態>>
次に、第2実施形態に係る充電システムの構成を説明する。図4に第2実施形態に係る充電システム200の構成を示す。第2実施形態は、第1実施形態に対して、第2電圧制御回路40及び第1の接地点30を備える点が異なる。これ以外の構成は第1実施形態と同じであり、その記載を援用する。
第2電圧制御回路40は、第1実施形態における第2電圧制御回路2に対し、整流ブリッジ35と、力率改善回路34と、力率改善回路34の接地点である第2の接地点31と、電力変換回路33と、絶縁トランス32とを備える点が異なる。これ以外の構成は、第2電圧制御回路2と同じであり、その記載を援用する。
第2リレー素子23は整流ブリッジ35と接続し、整流ブリッジ35と力率改善回路34は接続する。また、力率改善回路34は電力変換回路33と接続し、電力変換回路33は絶縁トランス32と接続する。絶縁トランス32の電力変換回路33と接続されていない端子において、絶縁トランス32の一端はリアクタンスLを介して給電点Bと接続し、絶縁トランス32の他端はリアクタンスLを介して第3ダイオード15のアノード電極と第4ダイオード16のアノード電極の接続点と接続する。
本実施形態において、第2電圧制御回路40は、2相コンバータとして動作する。なお、第2電圧制御回路40は、単相コンバータとして動作してもよい。単相コンバータの場合に、絶縁トランス32の一端はリアクタンスLを介して給電点Bと接続する。一方、絶縁トランス32の他端はリアクタンスLを介して第3ダイオード15のアノード電極と第4ダイオード16のアノード電極との接続点に接続し、かつ第1の接地点に30に接続する。
電圧の立ち上げシーケンス及び電圧の立ち下げシーケンスは、第1実施形態と同じであって、図2及び図3で示したシーケンスである。
図2(a)又は図2(b)に示すような電圧立ち上げシーケンスにおいて、本実施形態は、第2電圧目標値V
2 *を絶縁トランス32の巻き数比で示すことができる。例えば、絶縁トランス32の電力変換回路33側の巻き数をn
1、充電共有インバータ側の巻き数比をn
2とした時、下記式(2)が成立する。ただし、絶縁トランス32の巻き数比N
tはn
1/n
2とする。
第2電圧目標値V2 *を算出することは上記の式で示すように容易であり、第1電圧制御回路18の出力電圧V1、第2ダイオード14の順方向電圧Vf及び絶縁トランス32の巻き数比Ntはリアクタンスの大小に関係ない。そのため、本実施形態も、従来まで必要だったリアクタンスLに応じたゲイン設定回路又はシステムを不要にすることができるだけでなく、時間調整回路又はシーケンス制御システムも不要にすることができる。第1実施形態と同様に、時刻t3において、コントローラ24は、電圧設定値V1INを変更せず、電圧設定値V2INを0から前述の算出された第2電圧目標値V2 *へ変更すると同時に印加の制御信号を第2電圧制御回路40へ送信する。言い換えると、コントローラ24は、第1電圧の目標値である第1電圧目標値V1 *と、第2電圧の目標値である第2電圧目標値V2 *とを設定し、印加された第1電圧が静定した状態において、前述の式を満たすように第2電圧目標値V2 *を設定しつつ、第2電圧を印加する制御信号を第2電圧制御回路40に送信する。
本実施形態は、例えば、第2電圧制御回路40が回路故障をした場合において、第2電圧制御回路40と充電共用インバータ1の間に絶縁トランス32を備えているため、充電共用インバータ1が故障するリスクを軽減することができる。また、絶縁トランス32を備えているため、車両外部にある第2電圧制御回路40と車両内部の充電共用インバータ1間の絶縁性を高めることができる。
<<第3実施形態>>
次に、第3実施形態に係る充電システムを説明する。本実施形態に係る充電システムの構成例は、第1実施形態と同じであって、その記載は援用する。なお、本実施形態に係る充電システムの構成例は、第2実施形態の図4の構成でもよい。
第3実施形態において、コントローラ24は、第1リレー素子17の切り換え制御を実行する。コントローラ24は、第1リレー素子17の切り換え制御をすることにより、第1コンデンサ11及び第2コンデンサ12と蓄電部3の間の接続及び遮断を実行する。具体的には、コントローラ24は、オン又はオフの制御信号を第1リレー素子17へ送信する。本実施形態において、コントローラ24は、外部電源20の実効値VACと蓄電部3の電圧VDC(端子電圧VDC)との大小関係に基づき第1リレー素子17を制御する。
例えば、外部電源20の実効値VACと蓄電部3の電圧VDCとの大小関係に基づいた第1リレー素子17の動作について、図5を用いて説明する。図5(a)は、第1リレー素子17、第1電圧及び第2電圧の動作の一例で電圧立ち上げシーケンスである。SW2は第1リレー素子17、V1は第1電圧制御回路18の出力電圧、SW1は第2リレー素子23、V2は第2電圧制御回路2の出力電圧、VS9は充電共用インバータ1の下アームのスイッチング素子9を示す。また、図5(a)は蓄電部3の電圧VDCが外部電源20の実効値VACより低い場合の動作例である。
図5(a)に示すように、時刻t0において、コントローラ24は、オフの制御信号を第1リレー素子17へ送信し、蓄電部3と充電共用インバータ1の間を遮断する。時刻t1において、コントローラ24は、印加の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信しつつ、印加停止の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信し、第1電圧の印加を開始する。時刻t1において、第2コンデンサ12は充電を開始し、時刻t2において、第1電圧は静定する。次に、時刻t3において、コントローラ24は、電圧設定値V2INを設定しつつ、電圧印加の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信し、第2電圧の印加を開始する。時刻t4において、第2電圧が静定すると同時にコントローラ24は信号PVを出力し、スイッチング素子9はオンする。時刻t5において、コントローラ24はオンの制御信号を第1リレー素子17へ送信し、蓄電部3と充電共用インバータ1の間を接続する。以降に各時刻の詳細な説明をする。
時刻t0において、コントローラ24は、オフの制御信号を第1リレー素子17へ送信し蓄電部3と充電共用インバータ1の間を遮断する。また、コントローラ24は、電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INを0に設定し、印加停止の制御信号を第1電圧制御回路18及び第2電圧制御回路2に送信し、第1電圧及び第2電圧は印加停止状態になる。
時刻t1において、第1リレー素子17はオフの状態である。また、コントローラ24は、電圧設定値V1INを0からV1 *へ変更すると同時に、印加の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信する。電圧設定値V2INは変更されない。言い換えると、外部電源20の実効値VACが蓄電部3の電圧VDCより高い場合において、コントローラ24は、第1リレー素子17をオフし、第1電圧を印加する制御信号を第1電圧制御回路18に送信する。その結果、第2電圧の印加停止状態において、第1電圧の印加が開始される。なお、第1電圧制御回路18の出力電圧V1は外部電源20の実効値VACになるものとする。
時刻t1から時刻t2の間において、第1リレー素子17はオフの状態である。電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。図5(a)に示すように、第1リレー素子17がオフの状態で第1電圧は上昇し、第2電圧は印加停止状態を保つ。
蓄電部3の電圧VDCは外部電源20の実効値VACより低く、蓄電部3の電圧VDCは外部電源20の実効値VACより低い状態である。この状態で、コントローラ24がオンの制御信号を第1リレー素子17へ送信し、蓄電部3と充電共用インバータ1の間が接続されていた場合に、第1電圧の上昇期間において、蓄電部3への突入電流が発生する可能がある。蓄電部3への突入電流を防止するため、コントローラ24は、電圧VDCが外部電源20の実効値VACより低い場合に、オフの制御信号を第1リレー素子17へ送信し、蓄電部3と充電共用インバータ1の間を遮断する。
時刻t2から時刻t4の間において、第1リレー素子17はオフの状態である。また、コントローラ24の第2電圧制御回路2への制御は、第1実施形態の図2(a)又は図2(b)の時刻t2から時刻t4と同じであり、説明は省略する。
時刻t4において、第1リレー素子17はオフの状態である。電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されず、第1電圧及び第2電圧は静定する。さらに、コントローラ24は信号PVを出力し、スイッチング素子9はオンする。以降、充電共用インバータ1は充電動作を開始する。
時刻t5において、コントローラ24は、オンからオフに変更し、制御信号を第1リレー素子17へ送信し、蓄電部3と充電共用インバータ1の間を接続する。電圧設定値V1IN及び電圧設定値V2INは変更されない。さらに、コントローラ24は信号PVを出力し、スイッチング素子9はオンする。充電共用インバータ1の充電動作は開始されているため、蓄電部3と充電共用インバータ1の間を接続により、実際に蓄電部3への充電が開始される。言い換えると、印加された第1電圧及び第2電圧が静定し、かつ下アームのスイッチング素子9がオンした状態において、コントローラ24は、第1リレー素子17をオンする。
蓄電部3の電圧VDCが外部電源20の実効値VACより低い場合において、コントローラ24による第1リレー素子17への制御は、リアクタンスLの大小に関係なく、蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制しつつ、蓄電部3への充電動作を可能にする。
図5(b)は、蓄電部3の電圧VDCが外部電源20の実効値VACより高い場合の動作例である。図5(b)のSW2、V1、SW1、V2、VS9は図5(a)のSW2、V1、SW1、V2、VS9と同じであるため、説明は省略する。
図5(b)に示すように、時刻t0から時刻t5において、コントローラ24は、オンの制御信号を第1リレー素子17へ送信し、蓄電部3と充電共用インバータ1の間を接続している。また、時刻t0から時刻t5において、図5(a)のV1、SW1、V2、VS9と同じであるため、説明は省略する。以降、詳細な説明をする。ただし、コントローラ24の第1電圧制御回路18、第2電圧制御回路2及びスイッチング素子9への制御は、図5(a)と同様であるため、説明を省略する。
時刻t0において、コントローラ24は、オンの制御信号を第1リレー素子17へ送信し、蓄電部3と充電共用インバータ1の間を接続する。
時刻t1において、コントローラ24は、変更せずにオンに設定し、制御信号を第1リレー素子17へ送信する。また、コントローラ24は、電圧設定値V1INを0からV1 *へ変更すると同時に、印加の制御信号を第1電圧制御回路18へ送信する。さらに、コントローラ24は、電圧設定値V2INを変更せずに0に設定し、印加停止の制御信号を第2電圧制御回路2へ送信する。言い換えると、外部電源20の実効値VACが蓄電部3の電圧VDCより低い場合において、コントローラ24は、第1リレー素子17をオンし、第1電圧を印加する制御信号を第1電圧制御回路18に送信する。その結果、第2電圧の印加停止状態において、第1電圧の印加が開始される。なお、第1電圧制御回路18の出力電圧V1は外部電源20の実効値VACになるものとする。
時刻t1から時刻t2の間において、第1リレー素子17はオンの状態である。図5(b)に示すように、第1電圧は上昇し、第2電圧は印加停止状態を保つ。
蓄電部3の電圧VDCは外部電源20の実効値VACより高く、蓄電部3の電圧VDCは外部電源20の実効値VACより高いため、第1電圧の上昇期間において、蓄電部3への突入電流は発生しない。
時刻t2以降において、第1リレー素子17はオンの状態である。また、時刻t4以降において、充電共用インバータ1の充電動作は開始し、蓄電部3への充電が開始する。
蓄電部3の電圧VDCが外部電源20の実効値VACより高い場合において、コントローラ24の第1リレー素子17への制御は、リアクタンスLの大小に関係なく、蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制しつつ、蓄電部3への充電動作を可能にする。
図5(a)及び図5(b)に示すように、例えばコントローラ24は、蓄電部3の直流電圧VDCと外部電源20の実効値VACを比較することで、第1リレー素子17への制御を選択する。その結果、蓄電部3の電圧VDCの大小に関係なく、安定的に第2コンデンサ12への充電動作及び蓄電部3への充電動作が可能になる。本実施形態は、蓄電部3の電圧VDCの大小に関係なく、また、リアクタンスLの大小に関係なく、蓄電部3への突入電流又は過電圧を抑制することができる。
ところで、蓄電部3の電圧VDCが外部電源20の実効値VACよりに高い場合に、図5(b)に示すように、第1リレー素子17はオンした状態になる。以降、第1リレー素子17がオンした状態について説明する。第1電圧制御回路18の電圧出力前において、第1電圧は蓄電部3の電圧VDCを第1コンデンサ11及び第2コンデンサ12で分圧した電圧になる。
図5(b)に示すように、時刻t1において、コントローラ24は、制御信号を第1電圧制御回路18に送信して、第1電圧を印加する。この時、蓄電部3の電圧VDCと、第1コンデンサ11及び第2コンデンサ12に基づく電圧に対して、第1電圧制御回路18から電圧が印加される。第1電圧の変動が生じ、再び第1電圧は静定する。第1電圧が静定するまでの時間は蓄電部3の電圧VDCが高ければ高いほど長くなる。以降、蓄電部3の電圧VDCが高ければ高いほど第1電圧が静定するまでの時間は長くなる関係を、蓄電部3の電圧VDCと第1電圧の静定時間の比例関係として説明する。
コントローラ24は、蓄電部3の電圧VDCと第1電圧の静定時間の比例関係を踏まえた設定をする。具体的には、コントローラ24は、蓄電部3への充電動作実行までに第1電圧が静定した状態にするために、第1電圧の静定時間からスイッチング素子9がオンするまでの時間を蓄電部3の電圧VDCに比例して長くする設定を行う。
図6(a)は、第1電圧の静定時間からスイッチング素子9がオンするまでの時間と、蓄電部3の電圧VDCの関係性を示す。電圧立ち上げシーケンスにおいて、第1電圧の静定時間から第2電圧の静定時間の時間差は、オン時間マージンとする。電圧立ち下げシーケンスにおいて、第2電圧の静定時間から第1電圧の静定時間の時間差は、オフ時間マージンとする。図6(a)は、オン時間マージン及びオフ時間マージンを横軸に示し、蓄電部3の電圧VDCを縦軸に示す。図6(a)に示す時刻t2及び時刻t4は、図5に示す時刻t2、時刻t4と同じであるため、説明は省略する。また、時刻t2 ’、時刻t4 ’は、電圧立ち下げシーケンスにおいて、第2電圧が静定した時刻をt2 ’、第1電圧が静定した時刻を時刻t4 ’とする。
図6(a)に示すように、コントローラ24は、蓄電部3の電圧VDCの高さに比例して、オン時間マージンを長く設定する。以降、オン時間マージンはt4−t2として説明する。
また、図6(a)に示すように、コントローラ24は、蓄電部3の電圧VDCの高さに比例して、オフ時間マージンを長く設定する。以降、オフ時間マージンはt4 ’−t2 ’として説明する。
図6(a)に示すように、コントローラ24は、蓄電部3の電圧VDCに比例して、オン時間マージン及びオフ時間マージンを設定する。その結果、コントローラ24は、蓄電部3への充電動作実行時において、第1電圧を静定した状態にすることができ、蓄電部3への充電動作を安定して実行することができる。
また、コントローラ24は、蓄電部3の電圧VDCの初期値に応じて、オン時間マージン及びオフ時間マージンの設定を独立して制御することができる。図6(b)は、オン時間マージン及びオフ時間マージンと蓄電部3の電圧VDCの初期値の関係性を示す。図6(b)は、オン時間マージン及びオフ時間マージンを横軸に示し、蓄電部3の電圧VDCの初期値を縦軸に示す。
図6(b)の点線は電圧立ち上げシーケンスを示し、図6(b)の破線は電圧立ち下げシーケンスを示す。VDCMAXは蓄電部3の電圧VDCの初期値の最大設定値、VDCMINは蓄電部3の電圧VDCの初期値の最小設定値を示す。図6(b)に示すように、コントローラ24は、VDCMAX及びVDCMINを設定し、設定した範囲内において、オン時間マージンとオフ時間マージンを独立に設定する。本実施形態は、蓄電部3の電圧VDCの初期値に応じたオン時間マージン及びオフ時間マージン設定により、蓄電部3の電圧VDCの高さに関係なく、また、リアクタンスLの大小に関係なく、安定した蓄電部3への充電をすることができる。
上記の第1リレー素子17は、本発明の「リレー素子」に相当する。
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。