JP6798286B2 - 電動車両の充電システム及び車載充電ユニット - Google Patents
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Description
VL/VH=(P未満の自然数)/P …式(1)
ただし、「VL」を正負端子間電圧と入力電圧値のうち低圧側電圧とし、「VH」を正負端子間電圧と入力電圧値のうち高圧側電圧とし、「P」をインターリーブ相数とする。
実施例1における電動車両の充電システム及び車載充電ユニットは、電気自動車(電動車両の一例)の充電システムに適用したものである。以下、実施例1の構成を、「充電システムの全体構成」と、「充電システムの回路構成」と、「制御通信装置の制御通信処理構成」に分けて説明する。
図1は、実施例1における充電システムの全体構成の全体図を示す。以下、図1に基づいて、実施例1の充電システムの全体構成を説明する。
図2は、実施例1における充電システムの回路構成の回路図を示す。以下、図2に基づいて、実施例1の充電システムの回路構成を説明する。
図3は、実施例1における制御通信装置の制御通信処理構成の構成図を示す。以下、図3に基づいて、制御通信装置30の処理構成を説明する。
VL/VH=(P未満の自然数)/P ・・・(1)
正負端子間電圧Vout(出力電圧)/入力電圧値Vin=(P未満の自然数)/P ・・・(2)
実施例1の電動車両の充電システムA及び車載充電ユニットA1における作用を、「インターリーブと電流リップル抑制のメカニズム」と、「電動車両の充電システムの特徴作用」と、「車載充電ユニットの特徴作用」に分けて説明する。
図4は、実施例1における車載電力変換器の2相及び3相インターリーブ動作時での入出力電圧と出力電流リップルとの関係図を示す。図5は、実施例1における車載電力変換器の3相インターリーブ動作時であって、ON_Dutyが「1/3」または「2/3」の時間と出力電流リップルとの関係図を示す。図6は、実施例1における車載電力変換器の3相インターリーブ動作時であって、ON_Dutyが「2/5」の時間と出力電流リップルとの関係図を示す。図7は、実施例1における車載電力変換器の3相インターリーブ動作時であって、ON_Dutyが「1/3、または、2/3」の時間と入力電流リップルとの関係図を示す。図8は、実施例1における車載電力変換器の3相インターリーブ動作時であって、ON_Dutyが「2/5」の時間と入力電流リップルとの関係図を示す。以下、図4〜図8に基づいて、インターリーブと電流リップル抑制のメカニズムについて説明する。
ON_Duty=Vout/Vin ・・・(3)
このため、図3のように、インターリーブ動作時には、「Vout/Vin」が「1/3」または「2/3」のとき、電流リップルがゼロになる動作ポイントが現れる。
例えば、電気自動車において、車載蓄電装置へ充電を行う際、外部電源装置から直流電圧の供給を受けて、車載電力変換装置にて車載蓄電装置への充電電圧に電圧変換している。このとき、車載電力変換装置は、外部電源装置から給電端子に供給された電圧を降圧し、車載蓄電装置へ電力を供給している。
即ち、車載電力変換装置10に供給される入力電圧Vinが、動作するインターリーブ相数Pと正負端子間電圧Voutとに基づいて決定されるので、車載蓄電装置20の充電状態SOC等によらず車載電力変換装置10の電流リップルが抑制される。このため、電流リップルが悪化する条件においても、電流リップルによる影響を十分抑制できるコンデンサ容量が不要となる。
この結果、電流リップルを抑制しつつ、コンデンサを小型化することができる。
即ち、定格入力電圧値以下で最も高い電圧が、車外電力変換装置100から車載電力変換装置10へ供給されるので、車載蓄電装置20へ充電される電力が増大する。
従って、定格入力電圧値に基づき入力電圧値Vinを選択することにより、車載蓄電装置20の充電時間を短縮することが可能となる。
即ち、電圧値候補を、車載電力変換装置10が持つ最大のインターリーブ相数Pmaxと、インターリーブ相数Pmaxよりも小さいインターリーブ相数Poと、から演算により導出する。これにより、より定格入力電圧値以下で最も高い電圧が、車外電力変換装置100から車載電力変換装置10へ供給されるので、車載蓄電装置20へ充電される電力が増大する。
特に、インターリーブ相数Poの電圧値候補が、定格入力電圧値以下で最も高い値となる場合には、インターリーブ相数Pmaxの電圧値候補よりも高い電圧が、車外電力変換装置100から車載電力変換装置10へ供給される。このため、車載蓄電装置20へ充電される電力がインターリーブ相数Pmaxの電圧値候補より増大する。
従って、定格入力電圧値に基づきインターリーブ相数Pを変更することにより、車載蓄電装置20の充電時間をより短縮することが可能となる。
即ち、車外電力変換装置100の出力可能な供給電力値が、車外電力変換装置100の出力する供給電圧値により異なるときでも、制御通信装置30が車外電力変換装置100の供給範囲を踏まえることができる。
このため、制御通信装置30が車外電力変換装置100の供給範囲を踏まえた上で、定格入力電圧値以下で最も高い電圧が、車外電力変換装置100から車載電力変換装置10へ供給されるので、車載蓄電装置20へ充電される電力が増大する。
従って、供給範囲と定格入力電圧値に基づき入力電圧値Vinを選択することにより、車載蓄電装置20の充電時間を短縮することが可能となる。
即ち、車載電力変換装置10から車載蓄電装置20へ供給される充電電圧より、車外電力変換装置100から車載電力変換装置10に供給される入力電圧Vinを高い電圧にすることができる。言い換えると、車外電力変換装置100の供給電圧を車載蓄電装置20に直接印加する場合に比べて、車外電力変換装置100から車載電力変換装置10に供給される入力電圧Vinを高い電圧にすることができる。このため、その直接印加する場合に比べて、車外電力変換装置100から車載電力変換装置10に供給される入力電流を低い電流にすることができる。これにより、その直接印加する場合に比べて、給電ケーブル201と給電接続端子40の許容電流を抑えられ、金属等の電気伝導体を削減することができる。それゆえ、給電ケーブル201と給電接続端子40の小型化・軽量化が可能となる。
従って、使用者が電気自動車1の充電を行う前後の接続作業が容易となる。
即ち、単相電力変換装置は、入力電圧Vinを、リアクトル12に流れる電流をスイッチ回路11によって断続的に制御することで出力電圧Vout(正負端子間電圧Vout)に変換する。そして、車載電力変換装置10は、3つのスイッチ回路11が均等に位相をシフトしてスイッチング動作することにより、電力変換を行う。このため、車載電力変換装置10は、インターリーブ方式コンバータである。
従って、リアクトル12に一時的に電気エネルギーを蓄積して異なる電圧に変換することで、高効率に電力変換が行うことが可能である。
実施例1の車載充電ユニットA1では、外部を、車外電力変換装置100とした。そして、車載電力変換装置10は、3相のインターリーブ回路を有する。また、制御通信装置30は、車載電力変換装置10のインターリーブ相数Pと車載蓄電装置20の正負端子間電圧Voutとを入力情報とし、入力電圧値Vinとして、車載電力変換装置10の入力電流リップルが抑制される電圧値を演算で導出する。
即ち、車載電力変換装置10に供給される入力電圧Vinが、動作するインターリーブ相数Pと正負端子間電圧Voutとに基づいて決定されるので、車載蓄電装置20の充電状態SOC等によらず車載電力変換装置10の電流リップルが抑制される。このため、電流リップルが悪化する条件においても、電流リップルによる影響を十分抑制できるコンデンサ容量が不要となる。
この結果、電流リップルを抑制しつつ、コンデンサを小型化することができる。
実施例1における電動車両の充電システム及び車載充電ユニットにあっては、下記に列挙する効果が得られる。
電流を平滑化するコンデンサ(入力平滑コンデンサ13、出力平滑コンデンサ14)を有し、車外電力変換装置100から供給される入力電圧Vinを車載蓄電装置20の充電電圧に変換する車載電力変換装置10を備える(図1と図2)。
入力情報に基づき入力電圧値Vinを演算で導出し、車外電力変換装置100に対して入力電圧値Vinを供給電圧指示値として通信により出力する制御通信装置30を備える(図1と図2)。
車載電力変換装置10は、少なくとも2相以上のインターリーブ回路を有する(図2)。
制御通信装置30は、車載電力変換装置10のインターリーブ相数Pと車載蓄電装置20の正負端子間電圧Voutとを入力情報とし、入力電圧値Vinとして、車載電力変換装置10の入力電流リップルが抑制される電圧値を演算で導出する(図3)。
このため、電流リップルを抑制しつつ、コンデンサ(入力平滑コンデンサ13、出力平滑コンデンサ14)を小型化することができる電動車両(電気自動車1)の充電システムAを提供することができる。
このため、(1)の効果に加え、定格入力電圧値に基づき入力電圧値Vinを選択することにより、車載蓄電装置20の充電時間を短縮することが可能となる。
制御通信装置30は、第1電圧値候補と第2電圧値候補のうち、定格入力電圧値以下で最も高い値を入力電圧値Vinとして選択する(図3)。
車載電力変換装置10は、入力電圧値Vinとして選択された電圧値候補のインターリーブ相数P分の相のインターリーブ回路として動作させ、電力変換を行う(図3)。
このため、(2)の効果に加え、定格入力電圧値に基づきインターリーブ相数Pを変更することにより、車載蓄電装置20の充電時間をより短縮することが可能となる。
制御通信装置30は、入力電圧値Vinの電圧値候補が演算により複数導出されることがある。この入力電圧値Vinの電圧値候補が演算により複数導出されるとき、電圧値候補のうち、車外通信部101から受信した供給範囲であって、かつ、車載電力変換装置10の定格入力電圧値以下で最も高い値を入力電圧値Vinとして選択する(図3)。
このため、(1)〜(3)の効果に加え、供給範囲と定格入力電圧値に基づき入力電圧値Vinを選択することにより、車載蓄電装置20の充電時間を短縮することが可能となる。
このため、(1)〜(4)の効果に加え、使用者が電動車両(電気自動車1)の充電を行う前後の接続作業が容易となる。
車載電力変換装置10は、単相電力変換装置が、インターリーブ相数P(3相)の分、並列に接続されるインターリーブ電力変換装置を有する(図2)。「単相電力変換装置(インターリーブ回路)」は、各リアクトル12と、各リアクトル12への通電を断続的に制御して、入力電圧Vinを充電電圧に変換する各相のスイッチ回路11A,11B,11Cとを組み合わせたものである(図2)。
このため、リアクトル12に一時的に電気エネルギーを蓄積して異なる電圧に変換することで、高効率に電力変換が行うことが可能である。
電流を平滑化するコンデンサ(入力平滑コンデンサ13、出力平滑コンデンサ14)を有し、外部(車外電力変換装置100)から供給される入力電圧Vinを車載蓄電装置20の充電電圧に変換する車載電力変換装置10を備える(図1と図2)。
入力情報に基づき入力電圧値Vinを演算で導出し、車外電力変換装置100に対して入力電圧値Vinを供給電圧指示値として通信により出力する制御通信装置30を備える(図1と図2)。
車載電力変換装置10は、少なくとも2相以上のインターリーブ回路を有する(図2)。
制御通信装置30は、車載電力変換装置10のインターリーブ相数Pと車載蓄電装置20の正負端子間電圧Voutとを入力情報とし、入力電圧値Vinとして、車載電力変換装置10の入力電流リップルが抑制される電圧値を演算で導出する(図3)。
このため、電流リップルを抑制しつつ、コンデンサ(入力平滑コンデンサ13、出力平滑コンデンサ14)を小型化することができる車載充電ユニットA1を提供することができる。
実施例2における電動車両の充電システム及び車載充電ユニットは、電気自動車(電動車両の一例)の充電システムに適用したものである。また、実施例2の「充電システムの全体構成」における充電システムBと車載充電ユニットB1は、実施例1の「充電システムの全体構成」における充電システムAと車載充電ユニットA1と同様であるので、図示並びに説明を省略する。以下、実施例2の構成を、「充電システムの回路構成」と、「スイッチ切り替え制御」と、「制御通信装置の制御通信処理構成」に分けて説明する。
図9は、実施例2における充電システムの回路構成の全体図を示す。以下、図9に基づいて、実施例2の充電システムの回路構成を説明する。
これにより、車載電力変換装置10は、車載蓄電装置20と主インバータ回路15の接続と、車載蓄電装置20と走行用モータ16の接続と、を制御する。
なお、図9に図示する他の構成は、実施例1と同様であるので、対応する構成に同一符号を付して説明を省略する。
走行時用スイッチ17と充電時用スイッチ18のスイッチ切り替え制御について説明する。以下、スイッチ切り替え制御について、「電気自動車の走行時」と、「電気自動車の第1充電時」と、「電気自動車の第2充電時」に分けて説明する。
まず、電気自動車1の走行時には、制御通信装置30は、車載通信部10aに対して、走行時用スイッチ17をON状態に切り替える切替信号と、充電時用スイッチ18をOFF状態に切り替える切替信号と、を通信により出力する。
まず、電気自動車1の第1充電時には、制御通信装置30は、車載通信部10aに対して、走行時用スイッチ17はOFF状態に切り替える切替信号と、充電時用スイッチ18はON状態に切り替える切替信号と、を通信により出力する。
まず、電気自動車1の第2充電時には、制御通信装置30は、車載通信部10aに対して、走行時用スイッチ17をON状態に切り替える切替信号と、充電時用スイッチ18をOFF状態に切り替える切替信号と、を通信により出力する。また、制御通信装置30は、車載通信部10aに対して、主インバータ回路15の半導体スイッチ111を全てOFF状態とする信号を通信により出力する。
制御通信装置30は、充電時、「電気自動車の第1充電時」と「電気自動車の第2充電時」のうち、どちらを使用するか判断する。
実施例2の作用は、実施例1の電動車両の充電システムA及び車載充電ユニットA1を、電動車両の充電システムB及び車載充電ユニットB1に置き換えると、実施例1と同様の作用を示す。即ち、実施例2の作用は、実施例1と同様に、「電動車両の充電システムの特徴作用」と「車載充電ユニットの特徴作用」を示す。なお、実施例2において、実施例1の「インターリーブと電流リップル抑制のメカニズム」は同様である。また、以下に、実施例2の充電システムBに特有の「電動車両の充電システムの特徴作用」を説明する。
即ち、車載電力変換装置10を使用する場合より、車載電力変換装置10を使用しない場合の方が、同じ電力を充電するときの効率が高いと判断されると、入力電圧Vinを車載蓄電装置20に直接印加する経路を通じて車載蓄電装置20への充電を行う。
具体例としては、車載蓄電装置20の充電状態SOCや温度等の条件から、車載蓄電装置20の受入可能電力(充電電力)が比較的小さい場合がある。加えて、車外電力変換装置100からの入力電圧Vinを車載電力変換装置10で降圧せずに車載蓄電装置20へ供給しても給電接続端子40や給電ケーブル201の電流容量に対して余裕がある場合等がある。このような場合が重なったときには、入力電圧Vinを車載蓄電装置20に直接印加する経路を通じて車載蓄電装置20への充電を行う。
従って、車載蓄電装置20への充電効率を高めることができる。
従って、車載電力変換装置10のための専用のスイッチ回路を電気自動車1に搭載する必要がなく、充電システムBを搭載する電気自動車1のコスト及び重量を低減することが可能となる。
従って、車載電力変換装置10のための専用のリアクトルを電気自動車1に搭載する必要がなく、充電システムBを搭載する電気自動車1のコスト及び重量を低減することが可能となる。
実施例2における電動車両の充電システムB及び車載充電ユニットB1にあっては、実施例1の(1)〜(7)に記載した効果が得られる。また、実施例2における電動車両の充電システムB及び車載充電ユニットB1にあっては、下記に列挙する効果が得られる。
制御通信装置30は、車載電力変換装置10を使用して、車載蓄電装置20を充電する場合の車載電力変換装置損失(変換損失)と、車載電力変換装置10を使用せず、車載蓄電装置20を充電する場合の入力損失と、を比較する。
また、制御通信装置30は、入力損失よりも車載電力変換装置損失(変換損失)の方が大きいと判断されるとき、スイッチ(走行時用スイッチ17)をON状態とし、経路(第1電力線PL)を利用して、車載蓄電装置20を充電する。
このため、上記(1)〜(3)の効果に加え、車載蓄電装置20への充電効率を高めることができる。
このため、上記(6)の効果に加え、車載電力変換装置10のための専用のスイッチ回路を電気自動車1に搭載する必要がなく、充電システムBを搭載する電気自動車1のコスト及び重量を低減することが可能となる。
このため、上記(6)または(9)に加え、車載電力変換装置10のための専用のリアクトルを電気自動車1に搭載する必要がなく、充電システムBを搭載する電気自動車1のコスト及び重量を低減することが可能となる。
入力電圧値Vin/正負端子間電圧Vout(出力電圧)=(P未満の自然数)/P ・・・(3)
A1,B1 車載充電ユニット
P インターリーブ相数
PL 第1電力線(経路)
Vin 入力電圧値、入力電圧
Vout 正負端子間電圧、出力電圧
1 電気自動車(電動車両)
10 車載電力変換装置
11 スイッチ回路
12 リアクトル
13 入力平滑コンデンサ(コンデンサ、入力コンデンサ)
14 出力平滑コンデンサ(コンデンサ、出力コンデンサ)
15 主インバータ回路
16 走行用モータ
17 走行時用スイッチ(スイッチ)
18 充電時用スイッチ
20 車載蓄電装置
30 制御通信装置
100 車外電力変換装置(外部)
111 半導体スイッチ(スイッチ回路)
121 ステータコイル(コイル、リアクトル)
Claims (10)
- 車外電力変換装置と、
車載蓄電装置と、
電流を平滑化するコンデンサを有し、前記車外電力変換装置から供給される入力電圧を前記車載蓄電装置の充電電圧に変換する車載電力変換装置と、
入力情報に基づき入力電圧値を演算で導出し、前記車外電力変換装置に対して前記入力電圧値を供給電圧指示値として通信により出力する制御通信装置と、を備え、
前記車載電力変換装置は、少なくとも2相以上のインターリーブ回路を有し、
前記制御通信装置は、前記車載電力変換装置のインターリーブ相数と前記車載蓄電装置の正負端子間電圧とを前記入力情報とし、前記入力電圧値として、下記の式(1)の関係が成立するときに前記車載電力変換装置の入力電流リップルが抑制される電圧値を演算で導出する
ことを特徴とする電動車両の充電システム。
VL/VH=(P未満の自然数)/P …式(1)
ただし、「VL」を前記正負端子間電圧と前記入力電圧値のうち低圧側電圧とし、「VH」を前記正負端子間電圧と前記入力電圧値のうち高圧側電圧とし、「P」を前記インターリーブ相数とする。 - 請求項1に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記制御通信装置は、前記入力電圧値の電圧値候補が演算により複数導出されるとき、前記電圧値候補のうち、前記車載電力変換装置の定格入力電圧値以下で最も高い値を前記入力電圧値として選択する
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 請求項2に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記制御通信装置は、
第1インターリーブ相数による第1電圧値候補と、前記第1インターリーブ相数の値よりも小さな第2インターリーブ相数による第2電圧値候補と、を演算により導出し、
前記第1電圧値候補と前記第2電圧値候補のうち、前記定格入力電圧値以下で最も高い値を前記入力電圧値として選択し、
前記車載電力変換装置は、前記入力電圧値として選択された電圧値候補のインターリーブ相数分の相のインターリーブ回路として動作させ、電力変換を行う
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 請求項1から請求項3までの何れか一項に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記車載電力変換装置は、前記入力電圧を前記充電電圧に変換せずに、前記入力電圧を前記充電電圧として前記車載蓄電装置に印加する経路と、前記経路の途中に設けられるスイッチと、を有し、
前記制御通信装置は、
前記車載電力変換装置を使用して、前記車載蓄電装置を充電する場合の車載電力変換装置損失と、前記車載電力変換装置を使用せず、前記車載蓄電装置を充電する場合の入力損失と、を比較し、
前記入力損失よりも前記車載電力変換装置損失の方が大きいと判断されるとき、前記スイッチをON状態とし、前記経路を利用して、前記車載蓄電装置を充電する
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 請求項1から請求項4までの何れか一項に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記車外電力変換装置は、前記制御通信装置に対して、前記車外電力変換装置が供給可能な供給電圧値と供給電力値の供給範囲を通信により出力する車外通信部を有し、
前記制御通信装置は、前記入力電圧値の電圧値候補が演算により複数導出されるとき、前記電圧値候補のうち、前記車外通信部から受信した前記供給範囲であって、かつ、前記車載電力変換装置の定格入力電圧値以下で最も高い値を前記入力電圧値として選択する
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 請求項1から請求項5までの何れか一項に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記車載電力変換装置は、前記入力電圧を前記充電電圧に降圧する降圧コンバータである
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 請求項1から請求項6までの何れか一項に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記コンデンサは、前記車載電力変換装置の入力電流を平滑化する入力コンデンサと、前記車載電力変換装置の出力電流を平滑化する出力コンデンサと、であり、
前記車載電力変換装置は、リアクトルと、前記リアクトルへの通電を断続的に制御して、前記入力電圧を前記充電電圧に変換するスイッチ回路と、を備える単相電力変換装置が、前記インターリーブ相数の分、並列に接続されるインターリーブ電力変換装置を有する
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 請求項7に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記スイッチ回路は、電動車両の走行時に走行用モータに電力を供給するためのインバータ回路を構成する半導体スイッチである
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 請求項7又は請求項8に記載された電動車両の充電システムにおいて、
前記リアクトルは、電動車両の走行用モータの磁気回路に磁束を発生させるコイルである
ことを特徴とする電動車両の充電システム。 - 車載蓄電装置と、
電流を平滑化するコンデンサを有し、外部から供給される入力電圧を前記車載蓄電装置の充電電圧に変換する車載電力変換装置と、
入力情報に基づき入力電圧値を演算で導出し、外部に対して前記入力電圧値を供給電圧指示値として通信により出力する制御通信装置と、を備え、
前記車載電力変換装置は、少なくとも2相以上のインターリーブ回路を有し、
前記制御通信装置は、前記車載電力変換装置のインターリーブ相数と前記車載蓄電装置の正負端子間電圧とを前記入力情報とし、前記入力電圧値として、下記の式(1)の関係が成立するときに前記車載電力変換装置の入力電流リップルが抑制される電圧値を演算で導出する
ことを特徴とする車載充電ユニット。
VL/VH=(P未満の自然数)/P …式(1)
ただし、「VL」を前記正負端子間電圧と前記入力電圧値のうち低圧側電圧とし、「VH」を前記正負端子間電圧と前記入力電圧値のうち高圧側電圧とし、「P」を前記インターリーブ相数とする。
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