JP7398667B2 - スイッチング装置、スイッチング電源装置、及び車両 - Google Patents

スイッチング装置、スイッチング電源装置、及び車両 Download PDF

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Description

本開示は、スイッチング装置、スイッチング電源装置、及び車両に関する。
特許文献１には、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する複数の電力変換回路を備えたスイッチング電源装置が開示されている。当該スイッチング電源装置は、複数の電力変換回路のそれぞれに対応する交流電源の相と、複数の電力変換回路に共通の相とを切り替える切替回路と、複数の電力変換回路のそれぞれに対応する相に設けられるノイズフィルタとを備える。ノイズフィルタは、交流電源から電力変換回路へのノイズの進入と電力変換回路から交流電源へのノイズの流出とを抑制するためのコンデンサ及びコイルを有する。コンデンサ及びコイルは、切替回路の電力変換回路側に設けられる。
特開２０１７－１６９３５０号公報
しかしながら、特許文献１に開示される従来技術では、コンデンサが切替回路の電力変換回路側に設けられているため、通電中に切替回路が動作すると、コンデンサに蓄えられた電荷が放出されることにより切替回路に過電流が流れ、切替回路の接点が摩耗する虞がある。従って、切替回路の信頼性が低下するという課題がある。
本開示の非限定的な実施例は、切替回路に流れる過電流の発生を抑制するスイッチング装置、スイッチング電源装置、及び車両の提供に資する。
本開示の一実施例に係るスイッチング装置は、外部電源である複数相交流電源の各相に対応する複数の電力変換回路を有するスイッチング電源装置であって、前記複数の電力変換回路のうち、前記外部電源の特定の相に対応する特定の電力変換回路以外の他の電力変換回路の接続先を、当該他の電力変換回路に対応する相又は前記特定の相に切り替え可能な切替回路と、ノイズを除去するコンデンサ及びコイルを有するノイズフィルタと、を備え、前記コンデンサは、前記切替回路の前記複数相交流電源側に設けられ、前記コイルは、前記切替回路の前記電力変換回路側に設けられる。
本開示の一実施例に係るスイッチング電源装置は、上記のスイッチング装置と、複数の前記電力変換回路と、を備える。
本開示の一実施例に係る車両は、上記のスイッチング電源装置を備える。
本開示の一実施例によれば、切替回路に流れる過電流の発生を抑制するスイッチング装置、スイッチング電源装置、及び車両を構築できる。
本開示の一実施例における更なる利点及び効果は、明細書及び図面から明らかにされる。かかる利点及び／又は効果は、いくつかの実施形態並びに明細書及び図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つ又はそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
本開示の実施の形態に係る車両の構成を示す図 本開示の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成例を示す図 スイッチング電源装置の動作を説明するための図 スイッチング電源装置の動作を説明するための図 本開示の実施の形態に係るスイッチング電源装置の比較例を示す図 図５に示すスイッチング電源装置の動作を説明するための図 図５に示すスイッチング電源装置の動作を説明するための図 本開示の実施の形態に係るスイッチング電源装置の変形例を示す図
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（実施の形態）
図１は本開示の実施の形態に係る車両の構成を示す図である。車両３００は、例えば、乗用車、貨物車、乗合車、自動二輪車などである。車両３００は、スイッチング電源装置１００、車載電池１１０、電装品１５０、ＤＣＤＣ（Direct Current to Direct Current）コンバータ１３０、及びインバータ１２０を備える。
スイッチング電源装置１００は、交流電源２００から供給される交流を直流に変換して、車載電池１１０、インバータ１２０などへ供給する電力変換装置である。スイッチング電源装置１００の構成の詳細は後述する。なお、スイッチング電源装置１００は、車両３００以外にも例えば航空機、遊戯設備、無停電電力変換回路などに設けてもよい。
交流電源２００は、例えば急速充電設備に搭載される電源、商用電源などである。交流電源２００は、単相交流電源、二相交流電源、三相交流電源などである。車載電池１１０は、車両３００に搭載される走行用モータ１４０（主電動機）、電装品１５０などを駆動するための電力を蓄電する手段であり、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などである。電装品１５０は、例えば、ナビゲーション、オーディオ装置、エアコン、パワーウィンドウ、デフォッガ、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）、ＧＰＳ（Global Positioning System）モジュール、車載カメラなどである。インバータ１２０は、直流電圧を交流電圧に変換して主電動機へ供給する電力変換装置である。
次に図２を参照してスイッチング電源装置１００の構成例について説明する。図２は本開示の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成例を示す図である。スイッチング電源装置１００は、スイッチング装置１０と、複数の電力変換回路４－１，４－２，４－３とを備える。以下では、複数の電力変換回路４－１，４－２，４－３を区別しない場合、「電力変換回路４」と称する。
スイッチング装置１０は、複数のノイズフィルタ５－１，５－２，５－３と切替回路２とを備える。以下では、複数のノイズフィルタ５－１，５－２，５－３を区別しない場合、「ノイズフィルタ５」と称する。
ノイズフィルタ５は、複数の電力変換回路４－１，４－２，４－３のそれぞれに対応する相に設けられている。ノイズフィルタ５は、交流電源２００から電力変換回路４へのノイズの進入と電力変換回路４から交流電源２００へのノイズの流出とを抑制するためノイズ除去手段である。ノイズフィルタ５は、ディファレンシャルモード及びコモンモードのノイズを抑制できる。これらのノイズ抑制方法として、電源供給線（電源ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３）にコモンモードチョークコイル、Ｘコンデンサ（アクロスザラインコンデンサ）などを設置したり、電源供給線とグランドとの間にＹコンデンサ（ラインバイパスコンデンサ）を設置するなどの手段が用いられる。
電源ラインＬ１に設けられるノイズフィルタ５－１は、コンデンサ１－１及びコイル３－１を備える。電源ラインＬ１は、交流電源２００が単相交流電源の場合には単相電流が流れ、交流電源２００が三相交流電源の場合には例えばＵ相（第１相）電流が流れる電線である。
電源ラインＬ２に設けられるノイズフィルタ５－２は、コンデンサ１－２及びコイル３－２を備える。電源ラインＬ２は、交流電源２００が単相交流電源の場合には単相電流が流れ、交流電源２００が三相交流電源の場合には例えばＶ相（第２相）電流が流れる電線である。
電源ラインＬ３に設けられるノイズフィルタ５－３は、コンデンサ１－３及びコイル３－３を備える。電源ラインＬ３は、交流電源２００が三相交流電源の場合、例えばＷ相（第３相）電流が流れる電線である。
以下では、コンデンサ１－１，１－２，１－３を区別しない場合、「コンデンサ１」と称し、コイル３－１，３－２，３－３を区別しない場合、「コイル３」と称する。コンデンサ１は、Ｘコンデンサ、Ｙコンデンサなどである。コンデンサ１は、切替回路２の交流電源２００側に設けられる。コイル３は、コモンモードチョークコイル、ノーマルモードチョークコイルなどである。コイル３は、例えば、切替回路２の電力変換回路４側に設けられる。なお、コイル３の設置場所は、図示例に限定されず、切替回路２の交流電源２００側に設けてもよい。
ただし、切替回路２の交流電源２００側にコイル３を設けた場合、切替回路２の切替リレー２ａが交流電源２００の電源ラインＬ１と電力変換回路４－２を接続するモードのときに、当該コイル３－１に流れる電流は、切替回路２の電力変換回路４側に設けた場合のコイル３－１に流れる電流の２倍の定格電流が必要になる。このため、切替回路２の交流電源２００側にコイル３を設けた場合、コイル３の定格が大きくなると共に、コイル３の鉄損及び銅損に起因して発生する熱が増加する。またコイル３の鉄損により電力損失が増加する。従って、コイル３は、切替回路２の電力変換回路４側に設けることが好ましい。
切替回路２は、複数の電力変換回路４に交流電流を供給する交流電源２００の相を、複数の電力変換回路４のそれぞれに対応する相と、複数の電力変換回路４に共通の相との間で切り替える切替手段である。切替回路２は、例えば、切替リレー２ａと、切替リレー２ａを駆動する不図示のソレノイドとを備える。当該ソレノイドは、例えば不図示の駆動回路から出力される制御信号に応じた電磁力を発生するコイルと、当該コイルの電磁力によって切替リレー２ａを駆動するプランジャとを備える。制御信号は、切替リレー２ａの接続状態を指示する信号であり、例えばハイレベル又はローレベルの２値をとる矩形波信号である。制御信号に応じて、プランジャが駆動することにより、切替リレー２ａは、その接続状態が切り替えられる。切替リレー２ａは、制御信号により電源ラインＬ１に接続される状態と電源ラインＬ２に接続される状態とを切り替える。なお、切替回路２は、ソレノイド方式の切替手段に限定されず、半導体スイッチング素子で構成してもよい。
電力変換回路４は、例えば、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣＤＣ（Alternating Current to Direct Current）コンバータと、当該直流電圧を所定の値の電圧に変換するＤＣＤＣコンバータとを備える。なお、電力変換回路４は、ＡＣＤＣコンバータとＤＣＤＣコンバータの双方を備えたものに限定されず、ＡＣＤＣコンバータのみを備えるものでもよい。
次に図３及び図４を参照して、スイッチング電源装置１００の動作を説明する。図３及び図４はスイッチング電源装置の動作を説明するための図である。交流電源２００が単相交流電源の場合、図３に示すように、切替リレー２ａが電源ラインＬ１に接することにより、電源ラインＬ１に流れる単相交流電流（電流Ｉ１）は、切替回路２でコイル３－１及びコイル３－２に分配され、電力変換回路４－１及び電力変換回路４－２に供給される。これにより、交流電源２００が単相交流電源の場合でも、定格容量が小さい電力変換回路４を複数台利用できるため、スイッチング電源装置１００全体の定格容量を大きくできる。
また、交流電源２００が三相交流電源の場合、図４に示すように、切替リレー２ａが電源ラインＬ２に接することにより、電源ラインＬ１に流れる第１相交流電流（電流Ｉ１）、電源ラインＬ２に流れる第２相交流電流（電流Ｉ２）、及び電源ラインＬ３に流れる第３相交流電流（電流Ｉ３）が、それぞれ電力変換回路４－１、電力変換回路４－２及び電力変換回路４－３に供給される。これにより、３つの電力変換回路４を利用してスイッチング電源装置１００全体の定格容量をより大きくすることができる。
次に図５から図７を参照して、スイッチング電源装置１００の比較例について説明する。図５は本開示の実施の形態に係るスイッチング電源装置の比較例を示す図である。なお、図５において、図２の同一の構成要素には同一符号を付し、それらの説明については省略する。
図５に示すスイッチング電源装置１００Ａは、スイッチング装置１０の代わりに、スイッチング装置１０Ａを備える。スイッチング装置１０Ａは、複数のコンデンサ１－１，１－２，１－３の代わりに、切替回路２と電力変換回路４との間に設けられる複数のコンデンサ１－１Ａ，１－２Ａ，１－３Ａを備える。
図６及び図７は図５に示すスイッチング電源装置の動作を説明するための図である。切替リレー２ａの初期状態を、切替リレー２ａが電源ラインＬ２に接続されている状態とする。交流電源２００から単相の電力が供給されているとき、切替リレー２ａは電源ラインＬ２に接続されている状態から電源ラインＬ１に接続された状態に接続状態を切り替える。このように、電源ラインＬ１のみに交流電力が供給されている状態で図７に示すように切替リレー２ａが電源ラインＬ１に接続が切り替えられると、コンデンサ１－１Ａに蓄えられた電荷が放出されることにより、破線で示す過電流Ｉが流れる。過電流Ｉは、例えば、切替回路２及びコンデンサ１－２Ａを経由して、グランドに流れる。過電流Ｉが流れる理由は、電源ラインＬ１において、切替回路２の電力変換回路４－１側にコイル３－１、電力変換回路４－１などが設けられているため、切替回路２及びコンデンサ１－２Ａにより形成される経路の抵抗値が、コンデンサ１－１Ａのコイル３－１側の抵抗値よりも低いためである。
このように、切替回路２の切替リレー２ａに過電流Ｉが流れると、切替リレー２ａの接点が過熱して、接点が溶断したり、接点が摩耗する可能性がある。また、コンデンサ１－２Ａに過電流Ｉが流れると、コンデンサ１－２Ａの温度が上昇して、コンデンサ１－２Ａの静電容量が低下したり、コンデンサ１－２Ａの内部抵抗が増加することにより、コンデンサ１－２Ａの寿命が短くなる。
これに対し、本実施の形態に係るスイッチング電源装置１００では、コンデンサ１が切替回路２の交流電源２００側に設けられている。このため、コンデンサ１－１の切替回路２側の抵抗値は、コンデンサ１－１の交流電源２００側の抵抗値よりも高くなる。従って、電力変換回路４に交流電流が供給されている状態で、切替リレー２ａがオン状態に切り替えられても、前述した過電流Ｉが切替回路２などに流れ難い。その結果、過電流Ｉに起因する切替リレー２ａの摩耗、コンデンサ１の劣化などを防止できる。
なおスイッチング電源装置１００は以下のように構成してもよい。図８を参照して、スイッチング電源装置１００の変形例について説明する。なお、図８において、図２の同一の構成要素には同一符号を付し、それらの説明については省略する。
図８は本開示の実施の形態に係るスイッチング電源装置の変形例を示す図である。図８に示すスイッチング電源装置１００は、電源ラインＬ２，Ｌ３の間に、切替回路２をさらに備える。この構成により、単相電源から供給される交流電流を３つの電力変換回路４のそれぞれに供給できるため、定格容量が小さい３つの電力変換回路４を利用しながら、スイッチング電源装置１００の定格容量を増やすことができる。
なお、本実施の形態では、コンデンサ１及びコイル３を、１つの電源ラインに対してそれぞれ１つ設ける構成例について説明したが、コンデンサ１及びコイル３は、１つの電源ラインに対して複数設けてもよい。例えば、切替回路２の交流電源２００側に、コンデンサ１及びコイル３の組を１又は複数を設け、かつ、切替回路２の電力変換回路４側に、コイル３及びコンデンサ１の組を１又は複数設けてもよい。これにより、ノイズの進入及びノイズの流出をより一層抑制できる。なお、切替回路２の電力変換回路４側に設けられるコイル３及びコンデンサ１の組の内、コイル３に関しては、前述した過電流Ｉの発生を防止するため、切替回路２の隣に設けられる。
また、１つの電源ラインに対してコンデンサ１及びコイル３の組を複数設ける場合、複数のコイル３の全てを切替回路２の電力変換回路４側に設けることが好ましい。このように構成することで、切替回路２の交流電源２００側にコイル３を設けた場合に比べて、コイル３による電力損失を抑制できる。このように構成されるスイッチング装置１０をスイッチング電源装置１００に設けることにより、電力変換効率を高めながらノイズに対してロバストなスイッチング電源装置１００を実現できる。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
以上、本開示の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本開示の一実施例は、駐車支援装置、駐車支援システムに好適である。
１－１ コンデンサ
１－２ コンデンサ
１－３ コンデンサ
２ 切替回路
２ａ 切替リレー
３－１ コイル
３－２ コイル
３－３ コイル
１０ スイッチング装置
１００ スイッチング電源装置
２００ 交流電源

Claims (8)

  1. 外部電源である複数相交流電源の各相に対応する複数の電力変換回路を有するスイッチング装置であって、
    前記複数の電力変換回路のうち、前記外部電源の特定の相に対応する特定の電力変換回路以外の他の電力変換回路の接続先を、当該他の電力変換回路に対応する相又は前記特定の相に切り替え可能な切替回路と、
    ノイズを除去するコンデンサ及びコイルを有するノイズフィルタと、
    を備え、
    前記コンデンサは、前記切替回路の前記複数相交流電源側に設けられ、
    前記コイルは、前記切替回路の前記電力変換回路側に設けられるスイッチング装置。
  2. 前記ノイズフィルタは、複数の前記コンデンサ及び前記コイルを備え、
    複数の前記コンデンサの内、少なくとも１つのコンデンサが前記切替回路の前記複数相交流電源側に設けられる請求項１に記載のスイッチング装置。
  3. 複数の前記コイルの全てが前記切替回路の前記電力変換回路側に設けられる請求項２に記載のスイッチング装置。
  4. 複数の前記コンデンサの全てが前記切替回路の前記複数相交流電源側に設けられる請求項２又は３に記載のスイッチング装置。
  5. 前記コイルは、コモンモードチョークコイル又はノーマルモードチョークコイルである請求項１から４の何れか一項に記載のスイッチング装置。
  6. 前記コンデンサは、アクロスザラインコンデンサ又はラインバイパスコンデンサである請求項１から５の何れか一項に記載のスイッチング装置。
  7. 請求項１から６の何れか一項に記載のスイッチング装置と、
    複数の前記電力変換回路と、
    を備えるスイッチング電源装置。
  8. 請求項７に記載のスイッチング電源装置を備える車両。
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