JP7070293B2 - 充電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、充電装置に関する。
特許文献1には、車両に搭載されたダブルエンド型インバータシステムとして、二つの蓄電池と二つのインバータとによって一つの負荷を駆動する電源回路が開示されている。
特開2006-238686号公報
ところで、車両に搭載された蓄電池を外部電源からの電力によって充電する際、急速充電として、外部電源からの直流電力を車載の蓄電池に供給することが行われる。さらに急速充電には、従来よりも短時間での充電完了を可能にする超急速充電が存在する。超急速充電規格として、例えば、最大電圧が500Vで最大電流が400Aとなる最大出力150kWの超急速充電規格や、最大電圧が1000Vで最大電流が400Aとなる最大出力350kWの超急速充電規格が知られている。
150kW級の超急速充電規格と350kW級の超急速充電規格とでは出力電圧の大きさが異なる。この場合、150kW級の超急速充電規格の出力電力に合わせて蓄電池の最大電圧を500Vに設計すると、350kW級の超急速充電規格の充電設備に接続しても電流制約のために最大電力150kWでの充電しか行えない。一方、350kW級の超急速充電規格の出力電力に対応するために蓄電池の電圧を1000Vに設計すると、150kW級の超急速充電規格では電圧制約のために充電できない。そこで、外部電源となる充電器側に複数の超急速充電規格が存在する場合には、蓄電池を含む充電装置側で各超急速充電規格に対応することが望まれる。さらに、超急速充電規格では最大電流値が大きいので、充電中に充電装置側の導線で生じる発熱を考慮することも望まれる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、複数の超急速充電規格に対応することができるとともに、通電による発熱を抑制することができる充電装置を提供することを目的とする。
本発明は、第1蓄電池と負荷との間に接続された第1インバータと、第2蓄電池と負荷との間に接続された第2インバータとを有し、一つの負荷を駆動する電源回路と、第1蓄電池および第2蓄電池に外部電源からの電力を充電する際に外部電源と接続する充電ポートと、を備え、充電ポートの正極端子は、第1蓄電池の正極側に接続されており、充電ポートの負極端子は、第2蓄電池の負極側に接続されており、電源回路は、外部電源から出力される電力が所定の第1電力である場合には、当該第1電力を各蓄電池に充電する際に、第1蓄電池と第2蓄電池とを並列に接続した状態となり、外部電源から出力される電力が第1電力よりも大きい第2電力である場合には、当該第2電力を各蓄電池に充電する際に、第1蓄電池と第2蓄電池とを直列に接続した状態となることを特徴とする。
また、第1電力は、最大電圧が第1値で最大電流が所定電流値となる電力であり、第2電力は、最大電圧が第1値よりも大きい第2値で最大電流が所定電流値となる電力であってもよい。
この構成によれば、最大電力の大きさが異なる第1電力と第2電力とに対応して各蓄電池に外部電源からの供給電力を充電できる。これにより、出力電圧の大きさが異なる複数の超急速充電規格に対応することができる。
また、第1蓄電池の電圧および第2蓄電池の電圧は、第1値に設定され、第1蓄電池の電圧と第2蓄電池の電圧との和は、第2値となるように設定されてもよい。
この構成によれば、第1蓄電池の電圧および第2蓄電池の電圧が第1値に設定されているため、最大電圧が第1値となる第1電力を出力する外部電源からの供給電力を充電する際に第1蓄電池と第2蓄電池とを並列に接続することによって充電可能に対応できる。また、第1蓄電池の電圧と第2蓄電池の電圧との和が第2値に設定されているため、最大電圧が第2値となる第2電力を出力する外部電源からの供給電力を充電する際に第1蓄電池と第2蓄電池とを直列に接続することによって充電可能に対応できる。
また、負荷は、交流電力によって駆動する三相交流電動機であり、外部電源からの電力を各蓄電池に充電する際、三相交流電動機の三相の巻線でそれぞれに生じる発熱量の差を少なくする均等化制御を実施する制御部、をさらに備えてもよい。
この構成によれば、超急速充電規格に応じた大きな電流が三相交流電動機の巻線に流れる場合であっても、制御部が均等化制御を実施することによって、三相のうち特定の相の巻線が集中して発熱することを抑制できる。
また、第1インバータおよび第2インバータは、三相交流電動機の各相に対応するスイッチング素子をそれぞれ有し、制御部は、均等化制御として、スイッチング素子のオンとオフとを切り替える制御を実施してもよい。
この構成によれば、充電中に制御部が均等化制御として各インバータのスイッチング素子のオンとオフとを切り替える制御を実施するため、三相のうち特定の相の巻線が集中して発熱することを抑制できる。これにより、充電時に特定の相の巻線温度が上昇し続けることを抑制できる。
また、第1インバータおよび第2インバータはそれぞれ、各相の上下アームを構成する六つのスイッチング素子を有し、第1蓄電池と第2蓄電池とを並列に接続して第1電力を各蓄電池に充電する際、制御部は、均等化制御として、三相のうちいずれか一相の巻線を流れる電流の第1電流値が、残りの二相の巻線を流れる電流の第2電流値よりも大きくなる接続状態にスイッチング素子のオンとオフとを制御してもよい。
この構成によれば、第1蓄電池と第2蓄電池とを並列に接続した状態で充電中に、三相の巻線すべてに電流が流れるよう制御部がスイッチング素子のオンとオフとを制御する。これにより、第1電流値の電流が流れる相を一相のみにすることができるとともに、三相の巻線に電流を分散して流すことができるため、三相の巻線で生じる発熱量の差を減らすことができる。
また、制御部は、三相の巻線の温度のうちいずれかの相の温度が所定閾値よりも高い場合には、三相の巻線のうち最も温度が低い巻線に第1電流値の電流が流れるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替えてもよい。
この構成によれば、制御部が巻線の温度に基づいて各相の巻線に流れる電流の大きさを切り替えるため、第1電流値の電流が流れる相の巻線を切り替えることができる。これにより、特定の相の巻線温度が上昇し続けることを抑制できる。
また、制御部は、三相の巻線の温度のうちいずれかの相の温度が所定閾値よりも高い場合には、U相の巻線とV相の巻線とW相の巻線とに順番に第1電流値の電流が流れるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替えてもよい。
この構成によれば、巻線温度に基づいて、U相の巻線、V相の巻線、W相の巻線と順番に第1電流値の電流が流れる巻線が切り替わるため、特定の相の巻線温度が上昇し続けることを抑制できる。
また、制御部は、均等化制御中に所定時間が経過した場合には、三相の巻線のうち最も温度が低い巻線に第1電流値の電流が流れるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替えてもよい。
この構成によれば、充電中の時間経過に応じて制御部が三相の巻線のうち最も温度が低い巻線に第1電流値の電流が流れるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替えるため、並列接続状態で充電中に各相の巻線を流れる電流の大きさを切り替えることができる。
また、制御部は、均等化制御中に所定時間が経過した場合には、U相の巻線とV相の巻線とW相の巻線とに順番に第1電流値の電流が流れるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替えてもよい。
この構成によれば、充電中の時間経過に応じて制御部がU相の巻線とV相の巻線とW相の巻線とに順番に第1電流値の電流が流れるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替えるため、巻線温度が分からない状態であっても時間経過に応じて各相の巻線を流れる電流の大きさを切り替えることができる。
また、第1蓄電池と第2蓄電池とを直列に接続して第2電力を各蓄電池に充電する際、制御部は、均等化制御として、第1インバータに含まれるスイッチング素子のうち三相すべての下アーム素子をオンにし、かつ第2インバータに含まれるスイッチング素子のうち三相すべての上アーム素子をオンにしてもよい。
この構成によれば、第1蓄電池と第2蓄電池とを直列に接続した状態で充電中において、制御部が三相の巻線すべてに電流が流れるように各インバータのスイッチング素子を制御するため、各相の巻線に同じ大きさの電流を流れ、各相の巻線で生じる発熱量の差を減らすことができる。
本発明によれば、外部電源における複数の超急速充電規格に対応して、外部電源からの供給電力を第1蓄電池および第2蓄電池を充電することができるとともに、通電による発熱を抑制することができる。
図1は、第1実施形態の充電装置を模式的に示す図である。 図2は、二つの蓄電池を並列に接続した状態で外部電源から供給される電力を充電する場合を示す図である。 図3は、二つの蓄電池を直列に接続した状態で外部電源から供給される電力を充電する場合を示す図である。 図4は、第2実施形態での並列接続状態を説明するための図である。 図5は、三相の巻線の温度変化を示すタイムチャートである。 図6は、並列接続状態の切替パターンを示す図である。 図7は、並列接続状態の切替制御フローを示すフローチャートである。 図8は、図7に示す制御フローの変形例を示すフローチャートである。 図9は、図7に示す制御フローの別の変形例を示すフローチャートである。 図10は、図9に示す制御フローの変形例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態における充電装置について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の充電装置を模式的に示す図である。図1に示すように、第1実施形態の充電装置1は、二つの蓄電池2,3と二つのインバータ4,5とによって、一つのモータ6を駆動する電源回路10を含んで構成されている。この電源回路10はダブルエンド型インバータシステムである。また、充電装置1は、二つのインバータ4,5を制御する制御部7と、外部電源である充電器100と接続する充電ポート8を備えている。
電源回路10は、第1蓄電池2から出力される直流電力を第1インバータ4で交流電力に変換し、その交流電力を第1インバータ4からモータ6に供給する。この交流電力によってモータ6が駆動する。また、電源回路10は、第2蓄電池3から出力される直流電力を第2インバータ5で交流電力に変換し、その交流電力を第2インバータ5からモータ6に供給する。このように、制御部7から二つのインバータ4,5に出力される指令信号によってモータ6の駆動が制御される。電源回路10では、第1インバータ4とモータ6と第2インバータ5とを通して第1蓄電池2と第2蓄電池3とを接続する。
第1蓄電池2は、充電および放電が可能な二次電池により構成され、正極側ラインPL1および負極側ラインNL1を介して第1インバータ4と電気的に接続されている。第1蓄電池2が放電する電力が第1インバータ4を介してモータ6に供給される。
第2蓄電池3は、充電および放電が可能な二次電池により構成され、正極側ラインPL2および負極側ラインNL2を介して第2インバータ5と電気的に接続されている。第2蓄電池3が放電する電力が第2インバータ5を介してモータ6に供給される。
第1インバータ4および第2インバータ5は、三相の電流を巻線に通電できるように、相ごとに複数のスイッチング素子とダイオードとを備えたインバータ回路によって構成されている。各インバータ4,5では、スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング動作によって直流電力を交流電力に変換することができる。
第1インバータ4では、各相(U相、V相、W相)の上下アーム41,42,43を構成する六つのスイッチング素子41a,41b,42a,42b,43a,43bを備える。U相の上下アーム41では、上アーム素子であるスイッチング素子41aと下アーム素子であるスイッチング素子41bとが直列に接続されている。V相の上下アーム42では、上アーム素子であるスイッチング素子42aと下アーム素子であるスイッチング素子42bとが直列に接続されている。W相の上下アーム43では、上アーム素子であるスイッチング素子43aと下アーム素子であるスイッチング素子43bとが直列に接続されている。各スイッチング素子41a,41b,42a,42b,43a,43bはそれぞれトランジスタ素子によって構成されている。さらに、各スイッチング素子41a,41b,42a,42b,43a,43bにはいずれもダイオードが並列に接続されている。
第2インバータ5では、各相(U相、V相、W相)の上下アーム51,52,53を構成する六つのスイッチング素子51a,51b,52a,52b,53a,53bを備える。U相の上下アーム51では、上アーム素子であるスイッチング素子51aと下アーム素子であるスイッチング素子51bとが直列に接続されている。V相の上下アーム52では、上アーム素子であるスイッチング素子52aと下アーム素子であるスイッチング素子52bとが直列に接続されている。W相の上下アーム53では、上アーム素子であるスイッチング素子53aと下アーム素子であるスイッチング素子53bとが直列に接続されている。各スイッチング素子51a,51b,52a,52b,53a,53bはそれぞれトランジスタ素子によって構成されている。さらに、各スイッチング素子51a,51b,52a,52b,53a,53bにはいずれもダイオードが並列に接続されている。
モータ6は、第1インバータ4を介して第1蓄電池2と電気的に接続され、かつ第2インバータ5を介して第2蓄電池3と電気的に接続されている。このモータ6は三相交流モータにより構成されている。モータ6のステータに巻き回された三相の巻線(U相の巻線21、V相の巻線22、W相の巻線23)が各インバータ4,5と電気的に接続されている。U相の巻線21は第1インバータ4のU相の上下アーム41と第2インバータ5のU相の上下アーム51とに接続されている。V相の巻線22は第1インバータ4のV相の上下アーム42と第2インバータ5のV相の上下アーム52とに接続されている。W相の巻線23は第1インバータ4のW相の上下アーム43と第2インバータ5のW相の上下アーム53とに接続されている。そして、三相の巻線21,22,23に電流が流れることによってモータ6が駆動する。このモータ6は電源回路10に接続された負荷であり、充電装置1が車両に搭載された場合には走行用の動力源として機能するものである。
制御部7は、CPUと、各種プログラム等のデータが格納された記憶部と、モータ6を駆動制御するための各種の演算を行う演算処理部とを備える電子制御装置(ECU)によって構成されている。例えば、演算処理部における演算の結果、各インバータ4,5を制御するための指令信号が制御部7から各インバータ4,5に出力される。この指令信号には、二つのインバータ4,5を構成する複数のスイッチング素子のうち、スイッチング動作の制御対象となるスイッチング素子を切り替えるための切替指令が含まれる。
充電ポート8は、充電装置1の各蓄電池2,3に外部電源からの電力を充電する際に、充電設備である充電器100に接続される接続口である。充電器100は、例えばケーブルおよび充電プラグ(いずれも図示せず)を有する充電スタンドにより構成される。充電器100の充電プラグが充電ポート8に接続される。
また、充電装置1では充電ポート8と電源回路10とが電気的に接続されている。充電ポート8の正極端子8Aは、第1蓄電池2の正極側に接続されている。充電ポート8の負極端子8Bは、第2蓄電池3の負極側に接続されている。
図1に示すように、第1蓄電池2の正極と第1インバータ4との間の正極側ラインPL1上に設けられた第1接続点11に、充電ポート8の正極端子8Aが接続されている。さらに、第2蓄電池3の負極と第2インバータ5との間の負極側ラインNL2上に設けられた第2接続点12に、充電ポート8の負極端子8Bが接続されている。
この充電装置1は、充電器100からの電力を各蓄電池2,3に充電する際、二つの蓄電池2,3を並列に接続した状態(並列接続状態)と、二つの蓄電池2,3を直列に接続した状態(直列接続状態)とを切り替えることによって異なる充電規格に対応することができる。急速充電規格は直流電力を出力する充電スタンドが挙げられる。そして、異なる充電規格としては、最大出力が150kW級の超急速充電規格や、最大出力が350kW級の超急速充電規格が挙げられる。そこで、充電装置1では、複数の超急速充電規格に対応するため、二つのインバータ4,5と一つのモータ6とを介して二つの蓄電池2,3を接続し、インバータによって蓄電池の接続状態を並列と直列とに切り替える。
ここで、図2および図3を参照して、二つの蓄電池2,3を並列に接続した状態で充電する場合と、二つの蓄電池2,3を直列に接続した状態で充電する場合とについて説明する。
図2は、二つの蓄電池を並列に接続した状態で外部電源から供給される電力を充電する場合を示す図である。第1蓄電池2と第2蓄電池3とが並列に接続された状態で、充電装置1の充電ポート8に充電器100の充電プラグが接続されている。例えば、充電器100は最大電圧が500V(第1値)で最大電流が400Aとなる最大出力150kWの電力(第1電力)を出力可能な急速充電スタンドである。この場合、充電装置1は二つの蓄電池2,3を並列接続状態にして、150kW級の超急速充電規格に構成された充電器100からの供給電力を各蓄電池2,3に充電する。充電装置1側では、第1蓄電池2の電圧VB1は500V、第2蓄電池3の電圧VB2は500Vに設計されている。つまり、第1蓄電池2の電圧VB1および第2蓄電池3の電圧VB2は、150kW級の超急速充電規格に構成された外部電源の最大電圧(第1値)と同じ値に設定されている。図2に示すように、第1インバータ4では、U相の上アーム素子であるスイッチング素子41aがオンとなり、W相の下アーム素子であるスイッチング素子43bがオンになる。加えて、第2インバータ5では、U相の上アーム素子であるスイッチング素子51aがオンとなり、W相の下アーム素子であるスイッチング素子53bがオンになる。図2に示す並列接続状態では、第1インバータ4と第2インバータ5とで、V相のスイッチング素子42a,42b,52a,52bがいずれもオフである。
図2に示す並列接続状態の充電装置1に、最大出力150kW級の外部電源である充電器100からの直流電力を供給すると、充電ポート8の正極端子8Aから電源回路10に400Aの電流I1が流れ込み、その電流I1は第1接続点11で第1蓄電池2側の電流I2と第2蓄電池3側の電流I3とに分かれる。第1蓄電池2側では、第1接続点11から第1電池の正極に200Aの電流I2が流れ込む。そして、第1蓄電池2の負極側から第1インバータ4のW相の下アーム素子であるスイッチング素子43bを経由してW相の巻線23に200Aの電流I2が流れる。この電流I2はW相の巻線23から第2インバータ5のW相の下アーム素子であるスイッチング素子53bを経由して第2接続点12に至る。一方、第2蓄電池3側では、第1接続点11から第1インバータ4の上アームに200Aの電流I3が流れ込む。そして、U相の上アーム素子であるスイッチング素子41aを経由してU相の巻線21に200Aの電流I3が流れる。この電流I3はU相の巻線21から第2インバータ5のU相の上アーム素子であるスイッチング素子51aを経由して第2蓄電池3の正極に流れ込む。その後、電流I3は第2蓄電池3の負極側から第2接続点12に至る。そして、電流I2と電流I3とは第2接続点12で合流して400Aの電流I4となる。この電流I4は第2接続点12から充電ポート8の負極端子8Bへと流れる。
図3は、二つの蓄電池を直列に接続した状態で外部電源から供給される電力を充電する場合を示す図である。第1蓄電池2と第2蓄電池3とが直列に接続された状態で、充電装置1の充電ポート8が充電器100に接続されている。例えば、充電器100は最大電圧が1000V(第2値)で最大電流が400Aとなる最大出力350kWの電力(第2電力)を出力可能な急速充電スタンドである。この場合、充電装置1は二つの蓄電池2,3を直列接続状態にして、350kW級の超急速充電規格に構成された充電器100からの供給電力を各蓄電池2,3に充電する。この場合も、充電装置1側では、第1蓄電池2の電圧VB1は500V、第2蓄電池3の電圧VB2は500Vに設計されている。つまり、第1蓄電池2の電圧VB1と第2蓄電池3の電圧VB2との和は、350kW級の超急速充電規格に構成された外部電源の最大電圧と同じ値に設定されている。図3に示すように、第1インバータ4では、三相の下アーム素子を構成する三つのスイッチング素子41b,42b,43bがオンとなる。加えて、第2インバータ5では、三相の上アーム素子を構成する三つのスイッチング素子51a,52a,53aがオンとなる。図3に示す直列接続状態では、第1インバータ4の上アームの各スイッチング素子41a,42a,43aと、第2インバータ5の下アームの各スイッチング素子51b,52b,53bとはいずれもオフである。
図3に示す直列接続状態の充電装置1に、最大出力350kW級の外部電源である充電器100からの直流電力を供給すると、充電ポート8の正極端子8Aから電源回路10の第1接続点11に流れ込んだ400Aの電流I1は、第1接続点11から第1蓄電池2の正極に流れ込む。そして、第1蓄電池2の負極側から第1インバータ4の三相の下アーム素子を構成する各スイッチング素子41b,42b,43bを経由して三相の巻線21,22,23に電流I5,I6,I7が流れる。この際、U相の巻線21を経由する経路の抵抗と、V相の巻線22を経由する経路の抵抗と、W相の巻線23を経由する経路の抵抗とが同じ抵抗値である場合には、電流I5と電流I6と電流I7とは同じ電流値となる。電流I5はU相の巻線21から第2インバータ5のU相の上アーム素子であるスイッチング素子51aを経由して第2蓄電池3の正極側ラインPL2に流れ込む。電流I6はV相の巻線22から第2インバータ5のV相の上アーム素子であるスイッチング素子52aを経由して第2蓄電池3の正極側ラインPL2に流れ込む。電流I7はW相の巻線23から第2インバータ5のW相の上アーム素子であるスイッチング素子53aを経由して第2蓄電池3の正極側ラインPL2に流れ込む。正極側ラインPL2では電流I5と電流I6と電流I7とが合流して400Aの電流I8となり、この電流I8が第2蓄電池3の正極に流れ込む。そして、第2蓄電池3の負極側から負極側ラインNL2に流れ出た電流I8は第2接続点12を経由して充電ポート8の負極端子8Bへと流れる。
充電装置1を上述した図3に示す直列接続状態にして充電することによって、350kW級の電力を出力する外部電源に対応することが可能である。このように、充電装置1は二つの蓄電池2,3を並列に接続した状態と二つの蓄電池2,3を直列に接続した状態とに切り替わることによって、複数の超急速充電規格に対応することが可能である。
以上説明した通り、第1実施形態の充電装置1によれば、電圧の大きさが異なる複数の超急速充電規格により構成された充電器100に対応することが可能である。これにより、ダブルエンド型インバータシステムを備える充電装置1は、150kW級の超急送充電規格と350kW級の超急速充電規格との両方に対応することができる。
さらに、二つの蓄電池2,3を直列に接続した状態で充電器100からの供給電力を充電する際、第1蓄電池2の負極側と第2蓄電池3の正極側との間を三相の巻線21,22,23すべてに電流を流すことによって、各巻線で生じる発熱量を均等化できる。これにより、外部の充電器100からの電力を各蓄電池2,3に充電中、巻線温度の上昇を抑制することができる。
なお、上述した第1実施形態では、第1蓄電池2の電圧VB1と第2蓄電池3の電圧VBとがそれぞれ500Vに設計された場合について説明したが、各蓄電池2,3の電圧値はこれに限定されない。例えば、各蓄電池2,3は電圧が400Vに設計されてもよい。各蓄電池2,3の電圧は、少なくとも350kW級の超急速充電規格に対応する最大電圧よりも小さい値であり、150kW級の超急速充電規格に対応する最大電圧に近い値であればよい。
また、150kW級の超級急速充電規格を規定する最大電圧が500Vに設定され、各蓄電池2,3の電圧VB1,VB2は400Vに設定されてもよい。さらに、350kW級の超級急速充電規格を規定する最大電圧は900V~1000Vの範囲である第2値に設定されてもよい。この場合、第2値の半分の値となるように各蓄電池2,3の電圧VB1,VB2を設定すればよい。なお、従来の急速充電規格である50kW級の急速充電規格では最大電圧が500Vで最大電流が125Aとなっていた。ここで記載した150kW級や350kW級の超急速充電規格は、従来の50kW級の急速充電規格よりも最大電流値が大きい充電規格を意味する。
さらに、第1蓄電池2と第2蓄電池3とを直列に接続する場合、上述した図3に示す直列接続状態のように三相の巻線21,22,23すべてに電流が流れる接続状態に限定されない。すなわち、二つの蓄電池2,3の接続状態が直列接続の場合には、三相の巻線21,22,23のうち少なくとも一相の巻線を電流が流れるようにスイッチング素子のオンとオフとを制御すればよい。つまり、図3に示す状態から、第1インバータ3のU相およびW相の下アーム素子であるスイッチング素子41b,43bをオフにし、かつ第2インバータ4のU相およびW相の上アーム素子であるスイッチング素子51a,53aをオフにして、V相の巻線22のみを電流が流れる状態で二つの蓄電池2,3を直列接続してもよい。同様にして、U相の巻線21のみに電流が流れる直列接続状態や、W相の巻線23のみに電流が流れる直列接続状態を実施することが可能である。
(第2実施形態)
第2実施形態の充電装置1は、二つの蓄電池2,3を並列に接続した状態で外部電源からの電力を各蓄電池2,3に充電中、三相の巻線21,22,23で生じる発熱量を均等化するように構成されている。なお、第2実施形態の説明では、第1実施形態と同様の構成については説明を省略し、その参照符号を引用する。
第2実施形態では、第1蓄電池2と第2蓄電池3とが並列に接続された状態(並列接続状態)で、三相の巻線21,22,23すべてに電流が流れるように各インバータ4,5のスイッチング素子のオンとオフとを制御する。また、第2実施形態では、第1蓄電池2と第2蓄電池3との間を一相の巻線のみで接続する状態をシングル接続と記載する。
図4は、第2実施形態での並列接続状態を説明するための図である。なお、図4では制御部7と充電器100とが省略されている。また、図4には、上述した150kW級の超急速充電規格(最大電圧500V、最大電流400A、最大出力150kW)に構成された充電器100に充電装置1が接続された状態での充電状態が示されている。さらに、第1蓄電池2の電圧VB1は500V、第2蓄電池3の電圧VB2は500Vに設計されている。
図4に示すように、第1並列接続状態では、第1インバータ4と第2インバータ5とがいずれも、U相の上アーム素子であるスイッチング素子41a,51aがオンとなり、V相の下アーム素子であるスイッチング素子42b,52bがオンとなり、W相の下アーム素子であるスイッチング素子43b,53bがオンとなる。この第1並列接続状態ではU相の巻線21がシングル接続となる。
第1並列接続状態の充電装置1に、最大出力150kWの外部電源である充電器100からの直流電力を供給すると、充電ポート8の正極端子8Aから電源回路10に400Aの電流I1が流れ込む。この電流I1は第1接続点11で第1蓄電池2側へ流れる200Aの電流I2と第2蓄電池3側へ流れる200Aの電流I3とに分かれる。
第1蓄電池2側では、第1接続点11から第1蓄電池2の正極に200Aの電流I2が流れ込む。第1蓄電池2の負極側から第1インバータ4の下アームへと流れた200Aの電流I2は、V相の下アーム素子であるスイッチング素子42bを通過する100Aの電流I4と、W相の下アーム素子であるスイッチング素子43bを通過する100Aの電流I5とに分かれる。電流I4はV相の下アーム素子であるスイッチング素子42bからV相の巻線22へと流れる。電流I5はW相の下アーム素子であるスイッチング素子43bからW相の巻線23へと流れる。つまり、V相の巻線22には100Aの電流I4が流れ、W相の巻線23には100Aの電流I5が流れる。そして、V相の巻線22から第2インバータ5のV相の下アーム素子であるスイッチング素子52bを経由して第2接続点12へ向けて100Aの電流I4が流れる。さらに、W相の巻線23から第2インバータ5のW相の下アーム素子であるスイッチング素子53bを経由して第2接続点12へ向けて100Aの電流I5が流れる。
一方、第2蓄電池3側では、第1接続点11から第1インバータ4の上アームに200Aの電流I3が流れ込む。電流I3は第1インバータ4のU相の上アーム素子であるスイッチング素子41aを通過してU相の巻線21へと流れる。つまり、U相の巻線21には200Aの電流I3が流れる。そして、U相の巻線21から第2インバータ5のU相の上アーム素子であるスイッチング素子51aを経由して第2蓄電池3の正極に200Aの電流I3が流れ込む。その後、電流I3は第2蓄電池3の負極側から第2接続点12に至る。さらに、200Aの電流I3と100Aの電流I4と100Aの電流I5とは第2接続点12で合流して400Aの電流I6となる。この電流I6は第2接続点12から充電ポート8の負極端子8Bへと流れる。
このように、第2実施形態では、三相の巻線21,22,23のうち、いずれか一相の巻線に200Aの電流を流し、残りの二相の巻線には100Aの電流を流すよう各インバータ4,5のスイッチング素子のオンとオフとを切り替える。つまり、シングル接続となる巻線には200Aの電流が流れ、並列接続となる残り二相の巻線にはそれぞれ100Aの電流が流れる。そして、第2実施形態の制御部7は、充電時に各相の巻線21,22,23で生じる発熱量を均等化する目的でシングル接続となる巻線を切り替える制御(均等化制御)を実施する。制御部7が均等化制御を実施することにより、U相の巻線21で生じる発熱量と、V相の巻線22で生じる発熱量と、W相の巻線23で生じる発熱量との差を減らすことができる。また、上述した図4に示す並列接続状態は、均等化制御により切り替わる一つの状態を示したものである。つまり、制御部7は均等化制御を実施して、例えば第1並列接続状態から第2並列接続状態へと移行し、シングル接続となる相の巻線を切り替えることができる。
図5は、三相の巻線の温度変化を示すタイムチャートである。まず、時刻t1にて、充電装置1は充電器100からの充電を開始する。充電開始時点では、充電装置1は上述した第1並列接続状態となる。各インバータ4,5について、U相の上アーム素子であるスイッチング素子41a,51aがオン(U相上ON)、V相の下アーム素子であるスイッチング素子42b,52bがオン(V相下ON)、W相の下アーム素子であるスイッチング素子43b,53bがオン(W相上ON)になる。この第1並列接続状態ではU相の巻線21がシングル接続となり200Aの電流が流れる。V相の巻線22とW相の巻線23にはそれぞれ100Aの電流が流れる。そのため、時刻t1以降、U相の巻線温度(図5に破線で示す)は他の相の巻線温度よりも高くなる。そして、時刻t2にて、U相の巻線温度が閾値に到達する。
時刻t2では、各インバータ4,5についてW相のスイッチング素子のオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をU相からV相に切り替える。この場合、W相の下アーム素子であるスイッチング素子43b,53bをオンからオフに切り替え、かつW相の上アーム素子であるスイッチング素子43a53aをオフからオンに切り替える。これにより、接続状態が第1並列接続状態から第2並列接続状態に切り替わる。
時刻t2以降、第2並列接続状態となり、U相の巻線21には100Aの電流が流れるため、U相の巻線温度は低下する。代わりに、V相の巻線22がシングル接続となり200Aの電流が流れるため、V相の巻線温度(図5に太実線で示す)は他の相の巻線温度よりも高くなる。そして、時刻t3にて、V相の巻線温度が閾値に到達する。
時刻t3では、各インバータ4,5についてU相のスイッチング素子のオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をU相からV相に切り替える。この場合、U相の上アーム素子であるスイッチング素子41a,51aをオンからオフに切り替え、かつU相の下アーム素子であるスイッチング素子41b,51bをオフからオンに切り替える。これにより、接続状態が第2並列接続状態から第3並列接続状態に切り替わる。
時刻t3以降、第3並列接続状態となり、V相の巻線22には100Aの電流が流れるため、V相の巻線温度は低下する。代わりに、W相の巻線23がシングル接続となり200Aの電流が流れるため、W相の巻線温度(図5に細実線で示す)は他の相の巻線温度よりも高くなる。そして、時刻t4にて、W相の巻線温度が閾値に到達する。
時刻t4では、各インバータ4,5についてV相のスイッチング素子のオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をW相からU相に切り替える。この場合、V相の下アーム素子であるスイッチング素子42b,52bをオンからオフに切り替え、かつV相の上アーム素子であるスイッチング素子42a,52aをオフからオンに切り替える。これにより、接続状態が第3並列接続状態から第4並列接続状態に切り替わる。
時刻t4以降、第4並列接続状態となり、W相の巻線23には100Aの電流が流れるため、W相の巻線温度は低下する。代わりに、U相の巻線21がシングル接続となり200Aの電流が流れるため、U相の巻線温度は他の相の巻線温度よりも高くなる。このように、閾値以下に収まる状態で三相の巻線温度が順番に高くなるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替える。
また、三相の巻線21,22,23の温度が温度センサ等に基づいて分かる場合には、上述した図5に示すように巻線温度と閾値とを用いてシングル接続となる相の巻線を切り替えることができる。これに対して、三相の巻線21,22,23の温度が分からない場合には、U相、V相、W相の順番に法則的にシングル接続となる相の巻線を切り替えてもよい(図6参照)。
図6は、並列接続状態の切替パターンを示す図である。図6には、第1並列接続状態から第6並列接続状態までの六つの接続状態が示されている。なお、図6に示す第1から第4並列接続状態は、上述した図5に示す第1から第4並列接続状態と同様である。
第1並列接続状態では、U相の巻線21がシングル接続となり、各インバータ4,5についてU相の上アームを200Aの電流が流れ、V相とW相の下アームを100Aの電流が流れる。第2並列接続状態では、V相の巻線22がシングル接続となり、各インバータ4,5についてV相の下アームを200Aの電流が流れ、U相とW相の上アームを100Aの電流が流れる。第3並列接続状態では、W相の巻線23がシングル接続となり、各インバータ4,5についてW相の上アームを200Aの電流が流れ、U相とV相の下アームを100Aの電流が流れる。第4並列接続状態では、U相の巻線21がシングル接続となり、各インバータ4,5についてU相の下アームを200Aの電流が流れ、V相とW相の上アームを100Aの電流が流れる。第5並列接続状態では、V相の巻線22がシングル接続となり、各インバータ4,5についてV相の上アームを200Aの電流が流れ、U相とW相の下アームを100Aの電流が流れる。第6並列接続状態では、W相の巻線23がシングル接続となり、各インバータ4,5についてW相の下アームを200Aの電流が流れ、U相とV相の上アームを100Aの電流が流れる。
第1並列接続状態から第2並列接続状態に切り替わる際、W相のスイッチング素子43a,43b,53a,53bのオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をU相からV相に切り替える。第2並列接続状態から第3並列接続状態に切り替わる際、U相のスイッチング素子41a,41b,51a,51bのオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をV相からW相に切り替える。第3並列接続状態から第4並列接続状態に切り替わる際、V相のスイッチング素子42a,42b,52a,52bのオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をW相からU相に切り替える。第4並列接続状態から第5並列接続状態に切り替わる際、W相のスイッチング素子43a,43b,53a,53bのオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をU相からV相に切り替える。第5並列接続状態から第6並列接続状態に切り替わる際、U相のスイッチング素子41a,41b,51a,51bのオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をV相からW相に切り替える。そして、第6並列接続状態から第1並列接続状態へと切り替わり、上述した法則的な切り替えることが可能である。なお、第6並列接続状態から第1並列接続状態に切り替わる際、V相のスイッチング素子42a,42b,52a,52bのオン状態とオフ状態とを入れ替えて、シングル接続となる巻線をW相からU相に切り替える。
図7は、並列接続状態の切替制御フローを示すフローチャートである。なお、図7に示す制御フローは制御部7によって充電中に繰り返し実行される。また、図7に示す制御は、二つの蓄電池2,3を並列に接続した状態、かつ三相の巻線21,22,23すべてに電流が流れる並列接続状態で、外部電源の充電器100からの供給電力を各蓄電池2,3に充電中に実施される均等化制御である。
図7に示すように、制御部7は三相の巻線温度のうち最も高温の巻線温度(Max値)が閾値よりも高いか否かを判定する(ステップS1)。例えば、充電ポート8の正極端子8Aから400Aの電流が電源回路10の流れ込んだ場合、ステップS1では、200Aの電流が流れる相の巻線温度が閾値を超えるか否かを判定する。つまり、シングル接続となる相の巻線温度が閾値を超えるか否かが判定される。この閾値は、例えば充電装置1での充電効率を確保できる所定温度に設定されている。
三相の巻線温度のうち最も高温の巻線温度が閾値よりも高いことによりステップS1で肯定的に判定された場合(ステップS1:Yes)、制御部7は、三相の巻線21,22,23のうち、最も温度が低い相の巻線がシングル接続になるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替える(ステップS2)。ステップS2では、上述した図5に示す並列接続状態の切替制御を実施し、高温になったシングル接続の相の巻線を並列接続に切り替えて巻線温度を低下させる。ステップS2を実施すると、この制御ルーチンは終了する。
三相の巻線温度のうち最も高温の巻線温度が閾値以下であることによりステップS1で否定的に判定された場合(ステップS1:No)、この制御ルーチンは終了する。
図8は、図7に示す制御フローの変形例を示すフローチャートである。図8のステップS1は図7のステップS1と同様の処理である。図8に示すように、ステップS1で肯定的に判定された場合(ステップS1:Yes)、制御部7は、U相、V相、W相の巻線が順番にシングル接続になるようにスイッチング素子のオンとオフとを切り替える(ステップS2A)。ステップS2Aでは、上述した図6に示す法則的な並列接続状態の切替制御を実施し、高温になったシングル接続の相の巻線を並列接続に切り替えて巻線温度を低下させる。ステップS2Aを実施すると、この制御ルーチンは終了する。
図9は、図7に示す制御フローの別の変形例を示すフローチャートである。図9のステップS2は図7のステップS2と同様の処理である。図9に示すように、制御部7は、上述した第1から第6並列接続状態のうち、いずれかの状態で充電を開始してから一定時間が経過したか否かを判定する(ステップS1A)。例えば、第1並列接続状態で充電器100の供給電力による充電を開始してから一定時間が経過したか否かを判定する。あるいは、ステップS1Aでは、第1から第6並列接続状態について、ある並列接続状態から別の並列接続状態に切り替わったタイミングから一定時間が経過したか否かを判定する。この一定時間は予め所定時間に定められてもよい。
一定時間が経過したことによりステップS1Aで肯定的に判定された場合(ステップS1A:Yes)、この制御ルーチンはステップS2に進む。一方、一定時間が経過していないことによりステップS1Aで否定的に判定された場合(ステップS1A:No)、この制御ルーチンは終了する。
図10は、図9に示す制御フローの変形例を示すフローチャートである。図10のステップS1Aは図9のステップS1Aと同様の処理であり、図10のステップS2Aは図8のステップS2Aと同様の処理である。図10に示すように、並列接続状態で外部電源からの供給電力を充電中に一定時間が経過したことによりステップS1Aで肯定的に判定された場合(ステップS1A:Yes)、この制御ルーチンはステップS2Aに進む。この図10に示す制御フローは、三相の巻線21,22,23の温度が分からない場合にシングル接続となる相を切り替えることが可能な制御である。
以上説明した通り、第2実施形態の充電装置1によれば、各相の巻線21,22,23で発生する発熱量の差を減らせる。これにより、二つの蓄電池2,3を並列に接続した状態で外部の充電器100から供給される電力を充電する場合に、各相の巻線21,22,23で発生する発熱量を均等化することができる。この充電装置1によれば、急速充電中に各相の巻線温度を均等化できるため、長時間の急速充電が可能になる。
1 充電装置
2 第1蓄電池
3 第2蓄電池
4 第1インバータ
5 第2インバータ
6 モータ
7 制御部
8 充電ポート
8A 正極端子
8B 負極端子
10 電源回路
11 第1接続点
12 第2接続点
21 U相の巻線
22 V相の巻線
23 W相の巻線
41,51 U相の上下アーム
42,52 V相の上下アーム
43,53 W相の上下アーム
41a,41b,42a,42b,43a,43b,51a,51b,52a,52b,53a,53b スイッチング素子
100 充電器

Claims (11)

  1. 第1蓄電池と、前記第1蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換して三相交流電動機に供給する第1インバータと、第2蓄電池と、前記第2蓄電池から出力される直流電力を交流電力に変換して前記三相交流電動機に供給する第2インバータとを有し、二つの前記第1および第2蓄電池と二つの前記第1および第2インバータとによって一つの前記三相交流電動機を駆動する電源回路と、
    前記第1蓄電池および前記第2蓄電池に外部電源からの電力を充電する際に前記外部電源と接続する充電ポートと、
    前記第1インバータおよび前記第2インバータを制御する制御部と、
    を備え、
    前記電源回路では、前記第1蓄電池と前記第2蓄電池とが前記第1インバータと前記三相交流電動機と前記第2インバータとを介して接続され、
    前記第1インバータおよび前記第2インバータはそれぞれ、前記三相交流電動機の各相に対応するスイッチング素子として、各相の上下アームを構成する六つのスイッチング素子を有する充電装置であって、
    前記充電ポートの正極端子は、前記第1蓄電池の正極と前記第1インバータとの間の正極側ライン上に設けられた第1接続点に接続されており、
    前記充電ポートの負極端子は、前記第2蓄電池の負極と前記第2インバータとの間の負極側ライン上に設けられた第2接続点に接続されており、
    前記電源回路は、前記第1インバータと前記第2インバータとによって前記第1蓄電池と前記第2蓄電池との接続状態が並列と直列とに切り替わり、
    前記制御部は、
    前記外部電源から出力される電力が所定の第1電力である場合には、当該第1電力を各蓄電池に充電する際に、前記第1蓄電池と前記第2蓄電池とを並列に接続した状態となるように前記スイッチング素子のオンとオフとを制御し、
    前記外部電源から出力される電力が前記第1電力よりも大きい第2電力である場合には、当該第2電力を各蓄電池に充電する際に、前記第1蓄電池と前記第2蓄電池とを直列に接続した状態となるように前記スイッチング素子のオンとオフとを制御する
    ことを特徴とする充電装置。
  2. 前記第1電力は、最大電圧が第1値で最大電流が所定電流値となる電力であり、
    前記第2電力は、最大電圧が前記第1値よりも大きい第2値で最大電流が前記所定電流値となる電力である
    ことを特徴とする請求項1に記載の充電装置。
  3. 前記第1蓄電池の電圧および前記第2蓄電池の電圧は、前記第1値に設定され、
    前記第1蓄電池の電圧と前記第2蓄電池の電圧との和は、前記第2値となるように設定されている
    ことを特徴とする請求項2に記載の充電装置。
  4. 前記制御部は、前記第1蓄電池と前記第2蓄電池とを直列に接続する際、前記第1インバータでは上アームの三つのスイッチング素子をオフにし、かつ前記第2インバータでは下アームの三つのスイッチング素子をオフにするとともに、前記三相交流電動機の三相の巻線のうち少なくとも一相の巻線を電流が流れるように前記第1インバータの下アームと前記第2インバータの上アームとに含まれるスイッチング素子のオンとオフとを制御する
    ことを特徴とする請求項1から3のうちのいずれか一項に記載の充電装置。
  5. 前記制御部は、前記外部電源からの電力を各蓄電池に充電する際、前記三相交流電動機の三相の巻線でそれぞれに生じる発熱量の差を少なくする均等化制御を実施し、
    前記均等化制御は、前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替える制御である
    ことを特徴とする請求項1からのうちのいずれか一項に記載の充電装置。
  6. 前記制御部は、前記第1蓄電池と前記第2蓄電池とを並列に接続して前記第1電力を各蓄電池に充電する際、前記均等化制御として、三相のうちいずれか一相の巻線を流れる電流の第1電流値が、残りの二相の巻線を流れる電流の第2電流値よりも大きくなる接続状態に前記スイッチング素子のオンとオフとを制御する
    ことを特徴とする請求項5に記載の充電装置。
  7. 前記制御部は、前記三相の巻線の温度のうちいずれかの相の温度が所定閾値よりも高い場合には、前記三相の巻線のうち最も温度が低い巻線に前記第1電流値の電流が流れるように前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替える
    ことを特徴とする請求項6に記載の充電装置。
  8. 前記制御部は、前記三相の巻線の温度のうちいずれかの相の温度が所定閾値よりも高い場合には、U相の巻線とV相の巻線とW相の巻線とに順番に前記第1電流値の電流が流れるように前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替える
    ことを特徴とする請求項6に記載の充電装置。
  9. 前記制御部は、前記均等化制御中に所定時間が経過した場合には、前記三相の巻線のうち最も温度が低い巻線に前記第1電流値の電流が流れるように前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替える
    ことを特徴とする請求項6に記載の充電装置。
  10. 前記制御部は、前記均等化制御中に所定時間が経過した場合には、U相の巻線とV相の巻線とW相の巻線とに順番に前記第1電流値の電流が流れるように前記スイッチング素子のオンとオフとを切り替える
    ことを特徴とする請求項6に記載の充電装置。
  11. 前記制御部は、前記第1蓄電池と前記第2蓄電池とを直列に接続して前記第2電力を各蓄電池に充電する際、前記均等化制御として、前記第1インバータに含まれるスイッチング素子のうち三相すべての下アーム素子をオンにし、かつ前記第2インバータに含まれるスイッチング素子のうち三相すべての上アーム素子をオンにする
    ことを特徴とする請求項5から10のうちのいずれか一項に記載の充電装置。
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