JP7163826B2 - 充電器および充電器の制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、充電器および充電器の制御方法に関する。
従来、外部電源から供給される交流電力を用いて車載の蓄電装置を充電する外部充電を行なうための充電器を備えた車両が知られている。このような車両に搭載される充電器のなかには、外部充電中に外部電源から入力される交流電圧の実効値が電圧閾値未満に低下した場合に外部充電を停止するように構成されるものが存在する(たとえば国際公開第2012/144032号)。
国際公開第2012/144032号 特開2007-300781号公報
一般的に、外部充電に用いられる充電器の入力側には、外部充電開始時の突入電流を防止するためのリレー(プリチャージリレー)が設けられる。このリレーは、外部充電中は閉状態に制御されるが、外部充電の停止時には次回の充電再開に備えて開状態とされる。
外部充電中においては、交流電圧の周波数が低下した場合であっても、交流電圧の実効値が正常値あるいはそれに近い値である場合には、外部充電は可能であるため、外部充電を継続させたいというニーズがある。
しかしながら、交流電圧の周波数が非常に低い値(極低周波数)である時には、たとえ実際の交流電圧の実効値が正常値であっても、充電器による交流電圧の実効値の算出手法によっては、充電器によって算出される交流電圧の実効値が、正常値とはならず、交流電圧の瞬時値の変動に応じて周期的に電圧閾値よりも大きくなったり小さくなったりする場合が生じ得る。したがって、単純に、充電器によって算出される交流電圧の実効値と電圧閾値との比較結果に応じて外部充電の停止および再開を行なうと、極低周波数時において、外部充電の停止および再開(すなわちリレーの開閉)が、交流電圧の瞬時値の変動に応じて周期的に繰り返されるリレーハンチングが生じてしまい、リレーの劣化の要因となり得る。
本開示は、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、外部電源から供給される交流電力を用いて車載の蓄電装置を充電する外部充電を行なうための充電器において、リレーのハンチングを防止しつつ、交流電圧の周波数が低い場合においても外部充電を継続することである。
(1) 本開示による充電器は、外部電源から供給される交流電力を用いて蓄電装置を充電する外部充電を実行するための充電器であって、外部電源に接続可能に構成された入力線と、入力線と蓄電装置との間で電力変換を行なうように構成された変換回路と、入力線と変換回路との間に設けられたリレーと、入力線に入力される交流電圧を検出する電圧センサと、所定期間内における交流電圧の波形に基づいて交流電圧の実効値および周波数を算出する処理を周期的に行なう制御装置とを備える。制御装置は、外部充電の実行中に充電停止条件が成立した場合にリレーを開状態にし、外部充電の停止後に充電再開条件が成立した場合にリレーを閉状態にする。充電停止条件は、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値よりも小さいという条件に設定される。充電再開条件は、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値よりも大きく、かつ算出された交流電圧の周波数が周波数閾値よりも大きいという条件に設定される。
上記の充電器においては、入力線と変換回路との間にリレーが設けられる。外部充電の実行中にリレーを開状態にする「充電停止条件」は、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値よりも小さいという条件に設定される。そのため、たとえ交流電圧の周波数が周波数閾値未満に低下しても、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値を下回るまでは、リレーは開状態に維持される。そのため、交流電圧の周波数が周波数閾値未満の低い値であっても、外部充電を継続することができる。
その後、交流電圧の周波数が極低周波数に低下したことなどに起因して、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値よりも小さくなると、充電停止条件が成立するため、その後の充電再開に備えてリレーが開状態にされる。
外部充電の停止後にリレーを再び閉状態にする「充電再開条件」は、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値よりも大きく、かつ算出された交流電圧の周波数が周波数閾値よりも大きいという条件に設定される。これにより、たとえば交流電圧の周波数が充電停止時の極低周波数に維持されている場合には、算出された交流電圧の実効値が交流電圧の瞬時値の変動に応じて周期的に電圧閾値よりも大きくなったり小さくなったりしたとしても、交流電圧の周波数が周波数閾値よりも大きいと判定されない限り、リレーは開状態に維持される。これにより、極低周波数時における交流電圧の瞬時値の変動に応じてリレーの状態が閉状態と開状態との間でハンチングすることが防止される。
その結果、外部電源から供給される交流電力を用いて車載の蓄電装置を充電する外部充電を行なうための充電器において、リレーのハンチングを防止しつつ、交流電圧の周波数が低い場合においても外部充電を継続することができる。
(2) ある形態においては、制御装置は、所定期間内における交流電圧の波形に1周期分の交流電圧の波形が含まれる場合には、当該1周期分の交流電圧の実効値および周波数を算出する。制御装置は、所定期間内における交流電圧の波形に1周期分の交流電圧の波形が含まれない場合には、所定期間の交流電圧の実効値を算出する。周波数閾値は、所定期間を周波数に換算した値に設定される。
上記形態においては、実際の交流電圧の周波数が周波数閾値未満に低下すると、所定期間内に1周期分の交流電圧の波形が含まれなくなるため、算出される交流電圧の実効値は、1周期分の実効値ではなく、1周期よりも短い期間の実効値となり、交流電圧の瞬時値の変動に応じて変化することになる。このような状況においても、上記形態においては、直ちに充電を停止してリレーを開くのではなく、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値を下回るまで(すなわち実際の交流電圧の周波数がさらに低下して極周波数未満となるまで)は、リレーを閉状態に維持して外部充電を継続することができる。
(3) ある形態においては、充電器は、入力線と変換回路との間に設けられた抵抗をさらに備える。リレーは、抵抗と並列に接続される。
上記形態においては、外部充電の開始時にリレーを開状態にすることによって、外部電源から充電器に入力される電流を抵抗によって制限して突入電流を防止することができる。また、突入電流を防止した後にはリレーを閉状態にすることによって、抵抗による制限を受けることなく外部充電を実行することができる。
(4) 本開示による充電器の制御方法は、外部電源から供給される交流電力を用いて蓄電装置を充電する外部充電を実行するための充電器の制御方法である。充電器は、外部電源に接続可能に構成された入力線と、入力線と蓄電装置との間で電力変換を行なうように構成された変換回路と、入力線と変換回路との間に設けられたリレーと、入力線に入力される交流電圧を検出する電圧センサととを備える。制御方法は、所定期間内における交流電圧の波形に基づいて交流電圧の実効値および周波数を算出する処理を周期的に行なうステップと、外部充電の実行中に充電停止条件が成立した場合にリレーを開状態にするステップと、外部充電の停止後に充電再開条件が成立した場合にリレーを閉状態にするステップとを含む。充電停止条件は、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値よりも小さいという条件に設定される。充電再開条件は、算出された交流電圧の実効値が電圧閾値よりも大きく、かつ交流電圧の周波数が周波数閾値よりも大きいという条件に設定される。
上記の制御方法においても、上記(1)と同様の作用効果を奏することができる。
本開示によれば、外部電源から供給される交流電力を用いて車載の蓄電装置を充電する外部充電を行なうための充電器において、リレーのハンチングを防止しつつ、交流電圧の周波数が低い場合においても外部充電を継続することができる。
充電器を備える充電システムの全体構成の一例を示す図である。 充電器の回路構成を示す図である。 正常時における系統電圧VINの波形(上段)と制御装置によって算出される系統電圧実効値VINrms(下段)とを模式的に示す図である。 停電時における系統電圧VINの波形(上段)と制御装置によって算出される系統電圧実効値VINrms(下段)とを模式的に示す図である。 極低周波数時における系統電圧VINの波形(上段)と制御装置によって算出される系統電圧実効値VINrmsの算出値(下段)とを模式的に示す図である。 実際の系統電圧VINの周波数と、実際の系統電圧VINの実効値と、リレーハンチング領域との対応関係を模式的に示す図である。 系統周波数Fと、系統電圧実効値VINrmsと、リレーハンチング領域と、充電停止条件が成立する充電停止領域と、充電再開条件が成立する充電再開領域との対応関係を模式的に示す図である。 制御装置の処理手順の概要の一例を示すフローチャートである。
以下、本開示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器200を備える充電システムの全体構成の一例を示す図である。充電システムは、車両10と、給電設備100とを備える。
給電設備100は、車両外部の交流電源110と、EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)115と、コネクタ120とを含む。交流電源110は、たとえば商用系統電源によって構成されるが、これに限定されるものではなく、種々の電源を適用可能である。EVSE115は、交流電源110から車両10へ電力を供給するための充電ケーブルを備え、交流電源110から充電ケーブルを介して車両10へ交流電力を供給するように構成される。
車両10は、蓄電装置12と、システムメインリレー(以下「SMR(System Main Relay)」ともいう)15と、パワーコントロールユニット(以下「PCU(Power Control Unit)」ともいう)20と、動力出力装置25と、駆動輪30とを含む。
蓄電装置12は、再充電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池によって構成される。蓄電装置12には、給電設備100の交流電源110から供給される電力の他、動力出力装置25において発電された電力が蓄えられる。なお、蓄電装置12として、大容量のキャパシタも採用可能である。SMR15は、蓄電装置12とPCU20に接続される電力線L1との間に設けられる。SMR15は、蓄電装置12と電力線L1との電気的な接続/切離を行なうためのリレーである。
PCU20は、蓄電装置12から電力を受けて動力出力装置25を駆動するための電力変換装置を総括して示したものである。たとえば、PCU20は、動力出力装置25に含まれるモータを駆動するためのインバータや、蓄電装置12から出力される電力を昇圧するコンバータ等を含む。動力出力装置25は、駆動輪30を駆動するための装置を総括して示したものである。たとえば、動力出力装置25は、駆動輪30を駆動するモータ等を含む。また、動力出力装置25は、駆動輪30を駆動するモータによって車両の制動時等に発電し、その発電された電力をPCU20へ出力する。
車両10は、さらに、インレット40と、充電リレー50と、充電器200とを含む。
インレット40は、充電器200の入力線L2に接続される。インレット40は、給電設備100のコネクタ120に接続可能に構成される。充電リレー50は、電力線L1と充電器200の出力線L3との電気的な接続/切離を行なうためのリレーである。
給電設備100のコネクタ120が車両10のインレット40に接続された状態(以下「プラグイン状態」ともいう)において、充電器200の入力線L2には、給電設備100からの交流電力(以下「系統電力」ともいう)が入力される。充電器200は、給電設備100から供給される系統電力を用いた蓄電装置12の充電(以下「外部充電」ともいう)の実行時、入力線L2から入力される系統電力を直流電力に変換して出力線L3に出力する。出力線L3に出力された直流電力は、充電リレー50およびSMR15を介して蓄電装置12に供給される。これにより、蓄電装置12の外部充電が行なわれる。
図2は、充電器200の回路構成を示す図である。なお、図2に示す回路構成はあくまで一例であって、充電器200の回路構成は図2に示す構成に限定されるものではない。
充電器200は、フィルタ回路205と、PFC回路210と、インバータ215と、絶縁トランス220と、整流回路225と、制御装置250と、コンデンサC1と、放電抵抗R1とを含む。フィルタ回路205、PFC回路210、インバータ215、絶縁トランス220、および整流回路225は、入力線L2から出力線L3までの電路に、この順に直列的に接続される。
フィルタ回路205は、交流電源110から入力線L2に入力される系統電力に含まれるノイズを除去し、ノイズが除去された系統電力をPFC回路210へ出力する。
フィルタ回路205には、入力線L2とPFC回路210との間の電路に設けられたプリチャージ回路206が備えられる。プリチャージ回路206は、プリチャージ抵抗207およびヒューズ208と、プリチャージリレー209とを含む。プリチャージ抵抗207およびヒューズ208は、互いに直列に接続される。プリチャージリレー209は、プリチャージ抵抗207およびヒューズ208とは並列に接続される。
プリチャージリレー209は、制御装置250からの制御信号に基づいて開閉される。プリチャージリレー209が開状態である場合には、入力線L2からフィルタ回路205を通ってPFC回路210およびインバータ215に向う電流がプリチャージ抵抗207によって制限される。そのため、プリチャージリレー209を開状態にしておくことで、PFC回路210への突入電流を防止しながらコンデンサC1を充電するプリチャージを行なうことができる。また、コンデンサC1のプリチャージが完了した後は、プリチャージリレー209を閉状態にすることで、プリチャージ抵抗207による制限を受けることなく、外部充電を行なうことができる。
PFC回路210は、制御装置250からの制御信号に基づいて、フィルタ回路205から供給される交流電力を直流電力に変換してインバータ215へ出力する。PFC回路210は、交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング回路と、スイッチング回路の入力側に設けられるリアクトル212とを含む。PFC回路210のスイッチング回路はリアクトル212とともに昇圧チョッパ回路を構成し、インレット40から入力される電力を昇圧することができる。
インバータ215は、正極線PLおよび負極線NL(直流電力線対)によってPFC回路210と接続される。インバータ215は、制御装置250からの制御信号に基づいて、PFC回路210から受ける直流電力を交流電力に変換して絶縁トランス220へ出力する。インバータ215は、たとえば単相ブリッジ回路によって構成される。
コンデンサC1は、正極線PLと負極線NLとの間に接続される。コンデンサC1は、正極線PLと負極線NLとの間の電圧変動を平滑化する。
放電抵抗R1は、正極線PLと負極線NLとの間に、コンデンサC1とは並列に接続される。放電抵抗R1は、たとえば外部充電が停止された場合に、コンデンサC1が蓄える電力を放電する。
絶縁トランス220は、磁性材から成るコアと、コアに巻回された一次コイルおよび二次コイルを含む。一次コイルおよび二次コイルは、電気的に絶縁されており、それぞれインバータ215および整流回路225に接続される。そして、絶縁トランス220は、インバータ215からの交流電力を一次コイルおよび二次コイルの巻数比に応じた電圧に変換して整流回路225へ出力する。
整流回路225は、絶縁トランス220から受ける交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を出力線L3に出力する。整流回路225から出力線L3に出力された直流電力は蓄電装置12に供給される。
充電器200は、さらに、電圧センサ41,42,43,44、電流センサ51,52を備える。電圧センサ41は、フィルタ回路205に入力される系統電力の電圧(以下「系統電圧VIN」ともいう)を検出する。電圧センサ42は、PFC回路210の入力側の電圧VACを検出する。電圧センサ43は、インバータ215の入力側の電圧VHを検出する。電圧センサ44は、整流回路225の出力側の電圧VCHGを検出する。電流センサ51は、PFC回路210内のリアクトル212を流れる電流IACを検出する。電流センサ52は、インバータ215の出力側の電流IVHを検出する。各センサは、検出結果を示す信号を制御装置250に出力する。
制御装置250は、CPU(Central Processing Unit、処理装置)252と、メモリ254と、各種信号を入出力するためのI/F装置256とを含んで構成される。制御装置250は、I/F装置256から入力される各種信号、及びメモリ254に記憶された情報に基づいて、CPU252により所定の演算処理を実行し、演算結果に基づいてプリチャージリレー209、PFC回路210およびインバータ215を制御することにより外部充電を実行する。
<系統電圧VINに基づく外部充電の継続、停止および再開>
制御装置250は、電圧センサ41によって検出される系統電圧VINに基づいて、系統電圧VINの実効値および周波数を算出する。なお、信号の実効値は、信号を2乗して平均した値の平方根と定義され、「RMS」(Root Mean Square、2乗平均平方根)とも呼ばれる。以下では、制御装置250によって算出される系統電圧VINの実効値を「系統電圧実効値VINrms」とも称し、制御装置250によって算出される系統電圧VINの周波数を「系統周波数F」とも称する。
また、以下では、正常時における系統電圧VINのピーク値を「正常ピーク値V1」とも称し、正常時における系統電圧VINの実効値を「正常実効値V1rms」とも称し、正常時における系統電圧VINの周波数を「正常周波数」とも称する。正常実効値V1rmsは、正常ピーク値V1を2の平方根で除算した値となる。たとえば、正常ピーク値V1が141ボルト程度である場合、正常実効値V1rmsは100ボルト程度となる。また、正常周波数はたとえば50Hz程度とすることができる。
制御装置250は、電圧センサ41によって検出される系統電圧VINの波形を予め定められた所定期間T(たとえば40msec)サンプリングし、サンプリングされた所定期間Tの電圧波形から系統電圧実効値VINrmsおよび系統周波数Fを算出する処理を、周期的に繰り返す。
所定期間Tの電圧波形に少なくとも1周期分の交流電圧波形が含まれる場合、制御装置250は、その1周期分の交流電圧波形の実効値(2乗平均平方根)を「系統電圧実効値VINrms」として算出する。具体的には、制御装置250は、系統電圧VINの瞬時値を2乗した値を1周期分だけ積算し、その積算値を交流電圧の1周期で除算した値の平方根をとった値を「系統電圧実効値VINrms」として算出する。さらに、制御装置250は、その交流電圧の1周期(系統電圧VINの符号が負から正に変化する零クロス点から次に系統電圧VINの符号が負から正に変化する零クロス点までの時間)の逆数を「系統周波数F」として算出する。
一方、所定期間Tの電圧波形に少なくとも1周期分の交流電圧波形が含まれていない場合、制御装置250は、所定期間Tの電圧波形の実効値(2乗平均平方根)を「系統電圧実効値VINrms」として算出する。具体的には、制御装置250は、系統電圧VINの瞬時値を2乗した値を所定期間T分だけ積算し、その積算値を所定期間Tで除算した値の平方根をとった値を、「系統電圧実効値VINrms」として算出する。なお、所定期間Tの電圧波形に少なくとも1周期分の交流電圧波形が含まれていない場合には、交流電圧の周期が不明であることから、制御装置250は、系統周波数Fを算出できない。そのため、制御装置250は、系統周波数Fが周波数閾値Fth未満であると判定するに留め、系統周波数Fの詳細な値を算出しない。なお、周波数閾値Fthは、所定期間Tを周波数に換算した値、すなわち所定期間Tの逆数(=1/T)に設定される。したがって、周波数閾値Fthは、制御装置250が算出可能な系統周波数Fの最小値である。たとえば、所定期間Tが40msecである場合、周波数閾値Fthは25Hz(=1/40msec)であり、制御装置250は25Hz未満の系統周波数Fを算出できない。以下では、周波数閾値Fth未満の周波数を「低周波数」とも称する。
制御装置250は、外部充電中において、算出された系統電圧実効値VINrmsと予め定められた電圧閾値Vthとを比較することによって、停電などによる系統電圧VINの低下が生じているか否かを判定する。電圧閾値Vthは、正常実効値V1rmsよりも低い値に設定される。たとえば、正常実効値V1rmsが100ボルト程度である場合、電圧閾値Vthを50ボルト程度に設定することができる。
算出された系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも大きい場合、制御装置250は、系統電圧VINの低下は生じていないと判定して、外部充電を継続する。具体的には、制御装置250は、PFC回路210およびインバータ215の動作を継続するとともに、プリチャージリレー209を閉状態に維持する。
一方、算出された系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも小さい場合、制御装置250は、系統電圧VINの低下が生じていると判定して、外部充電を停止する。具体的には、制御装置250は、PFC回路210およびインバータ215の動作を停止するとともに、次の充電再開に備えてプリチャージリレー209を開状態にする。
図3は、正常時における系統電圧VINの波形(上段)と制御装置250によって算出される系統電圧実効値VINrms(下段)とを模式的に示す図である。なお、図3の上段に示す波形は、系統電圧VINのピーク値および周波数がそれぞれ正常ピーク値V1および正常周波数である正常時の波形を模式的に示したものである。図3の下段に示す「正常実効値V1rms」は、上述したように、正常ピーク値V1を2の平方根で除算した値(たとえば、正常ピーク値V1が141ボルト程度である場合、正常実効値V1rmsは100ボルト程度)である。
図3に示す例では、所定期間Tの電圧波形に1周期分の交流電圧波形が含まれるため、制御装置250は、その1周期分の交流電圧波形に基づいて系統電圧実効値VINrmsおよび系統周波数Fを算出する。より具体的には、制御装置250は、1周期分の交流電圧の実効値(図3の斜線部分の面積の平均に相当する値)を系統電圧実効値VINrmsとして算出するとともに、交流電圧の周期(系統電圧VINの符号が負から正に変化する零クロス点から次に系統電圧VINの符号が負から正に変化する零クロス点までの時間)の逆数を系統周波数Fとして算出する。
正常時においては、図3の下段に示すように、系統電圧実効値VINrmsが正常実効値V1rmsとなるため、系統電圧実効値VINrmsは電圧閾値Vthよりも大きくなる。この場合、制御装置250は、系統電圧VINの低下異常は生じていないと判定し、外部充電を継続する。制御装置250は、このような処理を周期的に繰り返す。
図4は、停電時における系統電圧VINの波形(上段)と制御装置250によって算出される系統電圧実効値VINrms(下段)とを模式的に示す図である。図4に示すように、停電時においては、系統電圧VINが0ボルトで一定であり、所定期間T内に交流電圧波形は含まれない。この場合、制御装置250は、系統電圧実効値VINrmsを0と算出するとともに、系統周波数Fを算出せず、系統周波数Fが周波数閾値Fth未満であると判定する。
その結果、停電時においては、図4の下段に示すように系統電圧実効値VINrms(=0)が電圧閾値Vthよりも小さくなる。この場合、制御装置250は、系統電圧VINの低下異常が生じていると判定し、外部充電を停止するとともに、次の充電再開に備えてプリチャージリレー209を開状態にする。
図5は、系統周波数Fが極低周波数である時(以下「極低周波数時」ともいう)における系統電圧VINの波形(上段)と制御装置250によって算出される系統電圧実効値VINrmsの算出値(下段)とを模式的に示す図である。「極低周波数」とは、低周波数(周波数閾値Fth未満の周波数)のうち、制御装置250によって算出される系統電圧実効値VINrmsが系統電圧VINの瞬時値の変動に応じて周期的に電圧閾値Vthよりも大きくなったり小さくなったりする、非常に小さい周波数を意味する。
系統周波数Fが低周波数(周波数閾値Fth未満の周波数)である場合であっても、系統電圧VINのピーク値が正常ピーク値V1あるいはそれに近い値であれば、外部充電は可能であるため、外部充電を継続させたいというニーズがある。しかしながら、極低周波数時においては、図5に示すように、たとえ系統電圧VINのピーク値が正常ピーク値V1であっても、系統電圧実効値VINrmsの算出値が、正常実効値V1rmsとはならず、系統電圧VINの瞬時値の変動に応じて周期的に電圧閾値Vthよりも大きくなったり小さくなったりする。具体的には、系統電圧VINが正のピーク値(=V1)付近である場合は所定期間Tの系統電圧VINの積算値(図5の斜線部分S1の面積に相当する値)が大きいため系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも大きくなるが、系統電圧VINが0ボルト付近である場合は所定期間Tの系統電圧VINの積算値(図5の斜線部分S2の面積に相当する値)が小さいため系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも小さくなる。その後、系統電圧VINが負のピーク値(=-V1)付近になると、所定期間Tの系統電圧VINの積算値(図5の斜線部分S3の面積に相当する値)が再び大きくなるため系統電圧実効値VINrmsが再び電圧閾値Vthよりも大きくなる。
したがって、単純に系統電圧実効値VINrmsと電圧閾値Vthとの比較結果に応じて外部充電の停止および再開を行なうと、極低周波数時において、外部充電が停止されてプリチャージリレー209が開かれる動作と、外部充電が再開されてプリチャージリレー209が閉じられる動作とが系統電圧VINの瞬時値の変動に応じて周期的に繰り返される現象(以下、単に「リレーハンチング」ともいう)が生じてしまい、プリチャージリレー209の劣化の要因となり得る。
図6は、実際の系統電圧VINの周波数と、実際の系統電圧VINの実効値(すなわち1周期分の系統電圧VINの実効値)と、リレーハンチングが生じる極低周波数領域(以下「リレーハンチング領域」ともいう)との対応関係を模式的に示す図である。図6において、横軸は実際の系統電圧VINの周波数を示し、縦軸は実際の系統電圧VINの実効値を示す。なお、図6の横軸に示す「周波数閾値Fth」は、上述のように、所定期間Tを周波数に換算した値(=1/T)である。したがって、実際の系統電圧VINの周波数が周波数閾値Fthよりも大きい領域に含まれる場合には、制御装置250による系統周波数Fの算出が可能であるが、実際の系統電圧VINの周波数が周波数閾値Fth未満の領域(以下「低周波数領域」ともいう)に含まれる場合には制御装置250による系統周波数Fの算出は不能である。
実際の系統電圧VINの周波数と実効値との組合せをプロットした点が図6に示すリレーハンチング領域に含まれる場合、制御装置250によって算出される系統電圧実効値VINrmsは系統電圧VINの周期に応じて電圧閾値Vthよりも大きくなったり小さくなったりする。すなわち、実際の系統電圧VINの周波数と実効値との組合せをプロットした点がリレーハンチング領域に含まれる状態が、上述の図5に示した「極低周波数時」に相当する。したがって、単純に系統電圧実効値VINrmsと電圧閾値Vthとの比較結果に応じて充電の停止および再開を行なうと、極低周波数時において、系統電圧VINの周期に応じて上述のリレーハンチングが生じてしまい、プリチャージリレー209の劣化の要因となり得る。
そこで、本実施の形態においては、系統電圧VINに基づく充電停止条件および充電再開条件が次のように設定されている。
充電停止条件は、「系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも小さい」という条件に設定される。これにより、たとえ実際の系統電圧VINの周波数が周波数閾値Fth未満に低下したとしても、系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthを下回るまでは、外部充電を継続することができる。なお、たとえば、その後に実際の系統電圧VINの周波数がさらに低下して極低周波数となった場合には、系統電圧VINが0ボルト付近である時に系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthを下回って充電停止条件が成立するため、制御装置250は、外部充電を停止するとともに、その後の充電再開時に備えてプリチャージリレー209を開状態にすることになる。
一方、充電再開条件は、単純に「系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも大きい」という条件ではなく、「系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも大きく、かつ、系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きい」という条件に設定される。これにより、たとえば実際の系統電圧VINの周波数が極低周波数に維持されているような場合には、たとえ系統電圧VINがピーク値付近になって系統電圧実効値VINrmsが一時的に電圧閾値Vthよりも大きくなったとしても、制御装置250による系統周波数Fの算出は不能であり系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きいと判定されることはないため、充電再開条件は成立せず、プリチャージリレー209は開状態に維持される。これにより、極低周波数時における系統電圧VINの周期に応じた系統電圧実効値VINrmsの変動によってリレーハンチングが生じることが防止される。
図7は、系統周波数Fと、系統電圧実効値VINrmsと、リレーハンチング領域と、充電停止条件が成立する充電停止領域と、充電再開条件が成立する充電再開領域との対応関係を模式的に示す図である。図7において、横軸は系統周波数Fを示し、縦軸は系統電圧実効値VINrmsを示す。図7に示すように、充電停止領域は、系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも小さい領域である。また、充電再開領域は、系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも大きく、かつ系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きい領域である。
ここで、系統電圧VINのピーク値が正常ピーク値V1に維持された状態において、実際の系統電圧VINの周波数が正常周波数から極低周波数まで低下し、その後、再び正常周波数に復帰した場合を想定する。この場合、実際の系統電圧VINの周波数が周波数閾値Fth未満に低下しても、極低周波数に低下しない限り、制御装置250によって算出される系統電圧実効値VINrmsは電圧閾値Vthよりも大きい状態が維持されるため、外部充電は継続される。
その後、実際の系統電圧VINの周波数がさらに低下してリレーハンチング領域(極低周波数領域)に含まれるようになると、系統電圧VINが0ボルト付近である時に系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthを一時的に下回って充電停止条件が成立するため、外部充電が停止され、プリチャージリレー209が開かれる。しかしながら、実際の系統電圧VINの周波数がリレーハンチング領域に含まれている間は、制御装置250による系統周波数Fの算出は不能であり系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きいと判定されることはないため、充電復帰条件は成立しない。そのため、たとえ系統電圧VINがピーク値付近になって系統電圧実効値VINrmsが一時的に電圧閾値Vthよりも大きくなったとしても、外部充電は再開されず、プリチャージリレー209は開状態に維持される。これにより、リレーハンチングが防止される。
その後、実際の系統電圧VINの周波数が増加してリレーハンチング領域(極低周波数領域)に含まれなくなったとしても、実際の系統電圧VINの周波数が低周波領域(周波数閾値Fth未満の領域)に含まれる間は、依然として制御装置250による系統周波数Fの算出は不能であり、系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きいと判定されることはないため、充電復帰条件は成立しない。
その後、実際の系統電圧VINの周波数がさらに増加して周波数閾値Fthよりも大きくなると、制御装置250による系統周波数Fの算出が可能となり系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きいと判定され、かつ系統電圧実効値VINrmsが正常実効値V1rms(>電圧閾値Vth)となるため、充電復帰条件が成立し、外部充電が再開され、コンデンサC1のプリチャージ後にプリチャージリレー209が閉じられる。
図8は、制御装置250の処理手順の概要の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、プラグイン状態において、予め定められた条件が成立する毎(たとえば所定周期毎)に繰り返し実行される。
制御装置250は、所定期間Tの系統電圧VINの波形を取得(サンプリング)する(ステップS10)。
次いで、制御装置250は、ステップS10において取得された所定期間Tの電圧波形に、少なくとも1周期分の交流電圧波形が含まれるか否かを判定する(ステップS11)。
所定期間Tの電圧波形に少なくとも1周期分の交流電圧波形が含まれる場合(ステップS11においてYES)、制御装置250は、その1周期分の交流電圧波形から系統電圧実効値VINrmsを算出する(ステップS12)。具体的には、制御装置250は、上述したように、1周期分の交流電圧波形の実効値(2乗平均平方根)、すなわち系統電圧VINの瞬時値を2乗した値を1周期分積算し、その積算値を1周期で除算した値の平方根をとった値を、系統電圧実効値VINrmsとして算出する。さらに、制御装置250は、その交流電圧の周期から系統周波数Fを算出する(ステップS13)。具体的には、制御装置250は、系統電圧VINの符号が負から正に変化する零クロス点から次に系統電圧VINの符号が負から正に変化する零クロス点までの時間を交流電圧の1周期として計測し、計測された周期の逆数を系統周波数Fとして算出する。
一方、ステップS10において取得された所定期間Tの電圧波形に少なくとも1周期分の交流電圧波形が含まれていない場合(ステップS11においてNO)、制御装置250は、所定期間Tの電圧波形に基づいて系統電圧実効値VINrmsを算出する(ステップS14)。具体的には、制御装置250は、上述したように、所定期間Tの電圧波形の実効値(2乗平均平方根)、すなわち、系統電圧VINの瞬時値を2乗した値を所定期間T分だけ積算し、その積算値を所定期間Tで除算した値の平方根をとった値を、系統電圧実効値VINrmsとして算出する。さらに、制御装置250は、系統周波数Fが周波数閾値Fth未満であると判定する(ステップS15)。
ステップS13あるいはステップS15の後、制御装置250は、外部充電中であるか否かを判定する(ステップS20)。たとえば、制御装置250は、プリチャージリレー209を閉じた状態でPFC回路210およびインバータ215を動作させている場合に外部充電中であると判定し、プリチャージリレー209を開いた状態でPFC回路210およびインバータ215を停止させている場合に外部充電中でないと判定する。
外部充電中である場合(ステップS20においてYES)、制御装置250は、ステップS12あるいはステップS14において算出された系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも小さいか否か、すなわち上述の充電停止条件が成立しているか否かを判定する(ステップS30)。系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vth以上である場合、すなわち充電停止条件が成立していない場合(ステップS30においてNO)、制御装置250は、外部充電の実行を継続する(ステップS32)。具体的には、制御装置250は、PFC回路210およびインバータ215の動作を継続するとともに、プリチャージリレー209を閉状態に維持する。
系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも小さい場合、すなわち上述の充電停止条件が成立している場合(ステップS30においてYES)、制御装置250は、PFC回路210およびインバータ215の動作を停止して外部充電を停止する(ステップS34)とともに、次回の充電再開に備えてプリチャージリレー209を開状態にする(ステップS36)。その後、制御装置250は、処理をリターンへと移す。
一方、外部充電中でない場合(ステップS20においてNO)、制御装置250は、ステップS12あるいはステップS14において算出された系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも大きく、かつステップS13において算出された系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きいか否か、すなわち上述の充電再開条件が成立しているか否かを判定する(ステップS40)。
充電再開条件が成立していない場合(ステップS40においてNO)、制御装置250は、外部充電の停止を継続する(ステップS42)。具体的には、制御装置250は、PFC回路210およびインバータ215の停止を維持するとともに、プリチャージリレー209を開状態に維持する。
充電再開条件が成立している場合(ステップS40においてYES)、制御装置250は、PFC回路210およびインバータ215を動作させて外部充電を実行(再開)する(ステップS44)とともに、コンデンサC1のプリチャージ後にプリチャージリレー209を閉状態にする(ステップS46)。
以上のように、本実施の形態においては、充電停止条件が「系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも小さい」という条件に設定され、充電再開条件が「系統電圧実効値VINrmsが電圧閾値Vthよりも大きく、かつ、系統周波数Fが周波数閾値Fthよりも大きい」という条件に設定される。これにより、プリチャージリレー209のハンチングを防止しつつ、実際の系統電圧VINの周波数が低い場合においても外部充電を継続することができる。
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。本開示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。
10 車両、12 蓄電装置、20 PCU、25 動力出力装置、30 駆動輪、40 インレット、41,42,43,44 電圧センサ、50 充電リレー、51,52 電流センサ、100 給電設備、110 交流電源、120 コネクタ、200 充電器、205 フィルタ回路、206 プリチャージ回路、207 プリチャージ抵抗、208 ヒューズ、209 プリチャージリレー、210 PFC回路、212 リアクトル、215 インバータ、220 絶縁トランス、225 整流回路、250 制御装置、254 メモリ、256 I/F装置、C1 コンデンサ、L1 電力線、L2 入力線、L3 出力線、R1 放電抵抗。

Claims (3)

  1. 外部電源から供給される交流電力を用いて蓄電装置を充電する外部充電を実行するための充電器であって、
    前記外部電源に接続可能に構成された入力線と、
    前記入力線と前記蓄電装置との間で電力変換を行なうように構成された変換回路と、
    前記入力線と前記変換回路との間に設けられたリレーと、
    前記入力線に入力される交流電圧を検出する電圧センサと、
    所定期間内における前記交流電圧の波形に基づいて前記交流電圧の実効値および周波数を算出する処理を周期的に行なう制御装置とを備え、
    前記制御装置は、
    前記外部充電の実行中に充電停止条件が成立した場合に前記リレーを開状態にし、
    前記外部充電の停止後に充電再開条件が成立した場合に前記リレーを閉状態にし、
    前記充電停止条件は、算出された前記交流電圧の実効値が電圧閾値よりも小さいという条件に設定され、
    前記充電再開条件は、算出された前記交流電圧の実効値が前記電圧閾値よりも大きく、かつ算出された前記交流電圧の周波数が周波数閾値よりも大きいという条件に設定され
    前記制御装置は、
    前記所定期間内における前記交流電圧の波形に1周期分の前記交流電圧の波形が含まれる場合には、当該1周期分の前記交流電圧の実効値および周波数を算出し、
    前記所定期間内における前記交流電圧の波形に前記1周期分の前記交流電圧の波形が含まれない場合には、前記所定期間の前記交流電圧の実効値を算出し、
    前記周波数閾値は、前記所定期間を周波数に換算した値に設定される、充電器。
  2. 前記充電器は、前記入力線と前記変換回路との間に設けられた抵抗をさらに備え、
    前記リレーは、前記抵抗と並列に接続される、請求項に記載の充電器。
  3. 外部電源から供給される交流電力を用いて蓄電装置を充電する外部充電を実行するための充電器の制御方法であって、
    前記充電器は、
    前記外部電源に接続可能に構成された入力線と、
    前記入力線と前記蓄電装置との間で電力変換を行なうように構成された変換回路と、
    前記入力線と前記変換回路との間に設けられたリレーと、
    前記入力線に入力される交流電圧を検出する電圧センサとを備え、
    前記制御方法は、
    所定期間内における前記交流電圧の波形に基づいて前記交流電圧の実効値および周波数を算出する処理を周期的に行なうステップと、
    前記外部充電の実行中に充電停止条件が成立した場合に前記リレーを開状態にするステップと、
    前記外部充電の停止後に充電再開条件が成立した場合に前記リレーを閉状態にするステップとを含み、
    前記充電停止条件は、算出された前記交流電圧の実効値が電圧閾値よりも小さいという条件に設定され、
    前記充電再開条件は、算出された前記交流電圧の実効値が前記電圧閾値よりも大きく、かつ前記交流電圧の周波数が周波数閾値よりも大きいという条件に設定され
    前記交流電圧の実効値および周波数を算出する処理を周期的に行なうステップは、
    前記所定期間内における前記交流電圧の波形に1周期分の前記交流電圧の波形が含まれる場合には、当該1周期分の前記交流電圧の実効値および周波数を算出し、
    前記所定期間内における前記交流電圧の波形に前記1周期分の前記交流電圧の波形が含まれない場合には、前記所定期間の前記交流電圧の実効値を算出し、
    前記周波数閾値は、前記所定期間を周波数に換算した値に設定される、充電器の制御方法。
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