JP2018093668A - 充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易にトランスの過熱を回避しつつ速やかに車載蓄電装置を充電することができる充電装置を提供する。
【解決手段】スコットトランス１３によって入力と出力が電気的に絶縁され、入力電力を電力変換して出力に接続されたバッテリ３０を充電する。スコットトランス１３の二次電流の制限値を２段以上有し、充電中において第１段目の電流制限値は、第２段目の電流制限値よりも大きな値が設定され、第２段目以降は、前段よりも小さな電流制限値が設定されている。制御装置２２は、スコットトランス１３の二次電流を２段以上の電流制限値で制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載蓄電装置を充電するための充電装置に関するものである。

車載バッテリ等の蓄電装置を充電する充電装置において、充電電力に制限を加える技術が知られている（特許文献１等）。特許文献１に開示の車両の電源装置においては、充電器による充電開始から充電完了までの間、車両外部の充電スタンドまたは充電ケーブルユニットが耐熱温度を超えるおそれがあるか否かを示す温度情報を車両外部から受信する。そして、充電スタンドまたは充電ケーブルユニットが耐熱温度を超えるおそれがある場合には、電池に必要な残充電量に基づいて充電器の充電電力を制限している。

特開２０１５−２３３３６６号公報

ところで、充電電流を制限するための制限値を高く設定すると絶縁分離トランスが過熱するリスクが高くなる。これを回避するためにはサーミスタなどで温度を検出して充電電流を低下させるなどの手段が必要となり、コストアップ等を招くことになる。

本発明の目的は、容易にトランスの過熱を回避しつつ速やかに車載蓄電装置を充電することができる充電装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、トランスによって入力と出力が電気的に絶縁され、入力電力を電力変換して出力に接続された車載蓄電装置を充電する充電装置であって、前記トランスの二次電流を制御可能なトランス二次電流制御手段を備え、前記トランスの二次電流の制限値を２段以上有し、充電中において第１段目の電流制限値は、第２段目の電流制限値よりも大きな値が設定され、第２段目以降は、前段よりも小さな電流制限値が設定されており、前記トランス二次電流制御手段は、前記トランスの二次電流を前記２段以上の電流制限値で制限することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、トランス二次電流制御手段は、トランスの二次電流を２段以上の電流制限値で制限する。充電中において第１段目の電流制限値は、第２段目の電流制限値よりも大きな値が設定され、第２段目以降は、前段よりも小さな電流制限値が設定されているので、充電電力量を多くできるとともにトランスの過熱を回避することができ、これにより、充電電力を多く確保したまま、コストアップを招くことなくトランスの過熱を回避することができる。その結果、容易にトランスの過熱を回避しつつ速やかに車載蓄電装置を充電することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の充電装置において、前記トランス二次電流制御手段は、前記第１段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御から前記第２段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御への切替えを、充電の開始からの充電の継続時間が規定値に達した時に行うとよい。

請求項３に記載のように、請求項２に記載の充電装置において、操作部材により前記規定値を設定可能とするとよい。
請求項４に記載のように、請求項２に記載の充電装置において、外気温度に基づいて前記規定値が補正されるとよい。

請求項５に記載のように、請求項１に記載の充電装置において、操作部材により前記第１段目の電流制限値を設定可能とするとよい。
請求項６に記載のように、請求項１に記載の充電装置において、前記トランス二次電流制御手段は、前記第１段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御から前記第２段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御への切替えを、充電の開始からの前記トランスの二次電流の積算量に基づいて行うとよい。

本発明によれば、容易にトランスの過熱を回避しつつ速やかに車載蓄電装置を充電することができる。

実施形態におけるバッテリフォークリフトの回路図。 充電時における電流経路の説明図。 充電時における電流経路の説明図。 （ａ）はトランスの二次電流を示すタイムチャート、（ｂ）はトランスの温度を示すタイムチャート。 充電装置の構成図。 （ａ）はトランスの二次電流を示すタイムチャート、（ｂ）は充電電流を示すタイムチャート。 （ａ）は充電電流及び充電電圧を示すタイムチャート、（ｂ）はトランスの二次電流及び二次電圧を示すタイムチャート。 （ａ）はトランスの二次電流を示すタイムチャート、（ｂ）は充電電流を示すタイムチャート。 （ａ）はトランスの二次電流を示すタイムチャート、（ｂ）はトランスの温度を示すタイムチャート。 トランスの二次電流及びトランスの温度を示すタイムチャート。 トランスの二次電流及びトランスの温度を示すタイムチャート。

以下、本発明をバッテリフォークリフトに具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、バッテリフォークリフトは、車載装置１０を備えている。車載装置１０は、バッテリ３０を電源とする走行用モータ１１及び荷役用モータ１７を備えている。走行用モータ１１とバッテリ３０との間には、走行用インバータ１２が備えられているとともに、荷役用モータ１７とバッテリ３０との間には荷役用インバータ１８が備えられている。

車載装置１０は、三相交流電源４０に接続されるスコットトランス１３を備えている。スコットトランス１３は、一次巻線１３ａ，１３ｂと二次巻線１３ｃ，１３ｄを有する。スコットトランス１３の一方の二次巻線１３ｃには整流回路１４を介して走行用インバータ１２が接続され、走行用インバータ１２には、走行用モータ１１が接続されている。走行用モータ１１としては、コイル２３，２４，２５がデルタ結線されてなる三相交流モータが使用されている。スコットトランス１３の他方の二次巻線１３ｄには整流回路１９を介して荷役用インバータ１８が接続され、荷役用インバータ１８には、荷役用モータ１７が接続されている。荷役用モータ１７としては、コイル２６，２７，２８がデルタ結線されてなる三相交流モータが使用されている。

整流回路１４は、２個のダイオードＤ１，Ｄ２の直列回路で構成され、両ダイオードＤ１，Ｄ２の中点にスコットトランス１３の一方の二次巻線１３ｃの端子１５ａが接続されている。また、整流回路１４のプラス側はバッテリ３０の正極に接続され、整流回路１４のマイナス側はバッテリ３０の負極に接続されている。

走行用インバータ１２には、三相の上アーム用スイッチング素子としての第１のスイッチング素子Ｑ１、第３のスイッチング素子Ｑ３、第５のスイッチング素子Ｑ５と、下アーム用スイッチング素子としての第２のスイッチング素子Ｑ２、第４のスイッチング素子Ｑ４、第６のスイッチング素子Ｑ６とを備えた三相インバータが使用されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４、第５のスイッチング素子Ｑ５及び第６のスイッチング素子Ｑ６はそれぞれ直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインはそれぞれバッテリ３０の正極に接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のソースはそれぞれバッテリ３０の負極に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、それぞれ、ドレインとソース間に、逆並列に、即ちカソードがドレインにアノードがソースに対応する状態に接続された寄生ダイオードＤを有している。

第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の中点（第１のスイッチング素子Ｑ１のソースと第２のスイッチング素子Ｑ２のドレインとの接続点）は走行用モータ１１のコイル２３とコイル２４との接続点に接続されている。第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４の中点（第３のスイッチング素子Ｑ３のソースと第４のスイッチング素子Ｑ４のドレインとの接続点）は、走行用モータ１１のコイル２４とコイル２５との接続点に接続されている。第５のスイッチング素子Ｑ５と第６のスイッチング素子Ｑ６の中点（第５のスイッチング素子Ｑ５のソースと第６のスイッチング素子Ｑ６のドレインとの接続点）は、走行用モータ１１のコイル２３とコイル２５との接続点に接続されている。また、第１のスイッチング素子Ｑ１のソースと第２のスイッチング素子Ｑ２のドレインとの接続点は、スコットトランス１３の一方の二次巻線１３ｃにおける整流回路１４が接続された端子１５ａと反対側の端子１５ｂに接続されている。

整流回路１９は、２個のダイオードＤ３，Ｄ４の直列回路で構成され、両ダイオードＤ３，Ｄ４の中点にスコットトランス１３の他方の二次巻線１３ｄの端子１６ａが接続されている。また、整流回路１９のプラス側はバッテリ３０の正極に接続され、整流回路１９のマイナス側はバッテリ３０の負極に接続されている。

荷役用インバータ１８には、三相の上アーム用スイッチング素子としての第１のスイッチング素子Ｑ１１、第３のスイッチング素子Ｑ１３、第５のスイッチング素子Ｑ１５と、下アーム用スイッチング素子としての第２のスイッチング素子Ｑ１２、第４のスイッチング素子Ｑ１４、第６のスイッチング素子Ｑ１６とを備えた三相インバータが使用されている。各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６には、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。第１のスイッチング素子Ｑ１１及び第２のスイッチング素子Ｑ１２、第３のスイッチング素子Ｑ１３及び第４のスイッチング素子Ｑ１４、第５のスイッチング素子Ｑ１５及び第６のスイッチング素子Ｑ１６はそれぞれ直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５のドレインはそれぞれバッテリ３０の正極に接続されるとともに、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６のソースはそれぞれバッテリ３０の負極に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６は、それぞれ、ドレインとソース間に、逆並列に、即ちカソードがドレインにアノードがソースに対応する状態に接続された寄生ダイオードＤを有している。

第１のスイッチング素子Ｑ１１と第２のスイッチング素子Ｑ１２の中点（第１のスイッチング素子Ｑ１１のソースと第２のスイッチング素子Ｑ１２のドレインとの接続点）は荷役用モータ１７のコイル２６とコイル２７との接続点に接続されている。第３のスイッチング素子Ｑ１３と第４のスイッチング素子Ｑ１４の中点（第３のスイッチング素子Ｑ１３のソースと第４のスイッチング素子Ｑ１４のドレインとの接続点）は、荷役用モータ１７のコイル２７とコイル２８との接続点に接続されている。第５のスイッチング素子Ｑ１５と第６のスイッチング素子Ｑ１６の中点（第５のスイッチング素子Ｑ１５のソースと第６のスイッチング素子Ｑ１６のドレインとの接続点）は、荷役用モータ１７のコイル２６とコイル２８との接続点に接続されている。また、第１のスイッチング素子Ｑ１１のソースと第２のスイッチング素子Ｑ１２のドレインとの接続点は、スコットトランス１３の他方の二次巻線１３ｄにおける整流回路１９が接続された端子１６ａと反対側の端子１６ｂに接続されている。

各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６のゲートは、制御装置２２に接続されている。制御装置２２は、図示しないＣＰＵ及びメモリを備え、メモリには走行用モータ１１及び荷役用モータ１７を駆動するのに必要な制御プログラムが記憶されている。また、メモリにはスコットトランス１３を三相交流電源４０に接続した状態でバッテリ３０を充電する際に、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６，Ｑ１１〜Ｑ１６を制御するのに必要な制御プログラムが記憶されている。

次に、本実施形態の車載装置１０の作用について説明する。
バッテリフォークリフトは、バッテリ３０の充電時以外には、三相交流電源４０から切り離された状態に保持される。そして、制御装置２２の指令により走行用インバータ１２の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６がオン・オフ制御されることによりバッテリ３０の直流電力が交流電力に変換されて走行用モータ１１に供給され、走行用モータ１１が駆動される。また、制御装置２２の指令により荷役用インバータ１８の各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６がオン・オフ制御されることによりバッテリ３０の直流電力が交流電力に変換されて荷役用モータ１７に供給され、荷役用モータ１７が駆動される。

車載装置１０を充電装置として用いる場合には、スコットトランス１３によって入力と出力が電気的に絶縁され、入力電力である交流電力を直流電力に電力変換して出力に接続された車載蓄電装置としてのバッテリ３０を充電する。この際、制御装置２２がスコットトランス１３の二次電流を制御可能なトランス二次電流制御手段として機能する。詳しくは以下のようになる。

バッテリ３０を充電する際は、スコットトランス１３に三相交流電源４０から交流電力が供給される状態に保持される。具体的には、フォークリフトに設けられた電源コンセントに、三相交流電源４０の充電ケーブルのプラグが接続される。そして、制御装置２２は、走行用インバータ１２及び荷役用インバータ１８のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１５，Ｑ１６をオフ状態に保持し、第３のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３及び第４のスイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４をオン・オフ制御する。即ち、制御装置２２によるバッテリ３０の充電時にＰＷＭ制御される充電用の上アーム用スイッチング素子と下アーム用スイッチング素子は第３のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３及び第４のスイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４となる。また、制御装置２２によるバッテリ３０の充電時にＰＷＭ制御されない上アーム用スイッチング素子と下アーム用スイッチング素子はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１５，Ｑ１６となる。

そして、制御装置２２は、走行用インバータ１２及び荷役用インバータ１８における第３のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ１３及び第４のスイッチング素子Ｑ４，Ｑ１４をスイッチングすることで、走行用モータ１１のコイル２４及び荷役用モータ１７のコイル２７を充電用インダクタとして用いてバッテリ３０を充電する。

バッテリ３０の充電時に車載装置１０を流れる電流の経路について、図２及び図３にしたがって説明する。なお、図２及び図３では、走行用インバータ１２のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を制御してバッテリ３０を充電する際の電流経路について記載しているが、荷役用インバータ１８のスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４を制御してバッテリ３０を充電する場合も、同様の経路となる。

図２に示すように、走行用インバータ１２側でスコットトランス１３の一方の二次巻線１３ｃの端子１５ａから電力が出力される状態で、第３のスイッチング素子Ｑ３がオン状態、第４のスイッチング素子Ｑ４がオフ状態のときには、図２に破線で示すように電流が流れる。即ち、二次巻線１３ｃの端子１５ａ→ダイオードＤ１→第３のスイッチング素子Ｑ３→走行用モータのコイル２４→二次巻線１３ｃの端子１５ｂの経路で電流が流れ、コイル２４に電磁エネルギーが蓄積される。そして、第４のスイッチング素子Ｑ４がオフ状態のまま第３のスイッチング素子Ｑ３がオフ状態になると、コイル２４に蓄積された電磁エネルギーは、図２に一点鎖線で示す経路で流れる電流となる。即ち、走行用モータ１１のコイル２４→二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→単相出力の１３ｃの端子１５ａ→ダイオードＤ１→バッテリ３０→第４のスイッチング素子Ｑ４の寄生ダイオードＤ→走行用モータ１１のコイル２４の経路で流れる電流となり、バッテリ３０が充電される。

図３に示すように、二次巻線１３ｃの端子１５ｂから電力が出力される状態で、第３のスイッチング素子Ｑ３がオフ状態、第４のスイッチング素子Ｑ４がオン状態のときには、図３に破線の矢印で示すように電流が流れる。即ち、二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→走行用モータ１１のコイル２４→第４のスイッチング素子Ｑ４→ダイオードＤ２→一方の二次巻線１３ｃの端子１５ａの経路で電流が流れ、コイル２４に電磁エネルギーが蓄積される。そして、第３のスイッチング素子Ｑ３がオフ状態のまま第４のスイッチング素子Ｑ４がオフ状態になると、コイル２４に蓄積された電磁エネルギーは、図３に一点鎖線の矢印で示す経路で流れる電流となる。即ち、走行用モータ１１のコイル２４→第３のスイッチング素子Ｑ３の寄生ダイオードＤ→バッテリ３０→ダイオードＤ２→二次巻線１３ｃの端子１５ａ→二次巻線１３ｃの端子１５ｂ→走行用モータ１１のコイル２４の経路で流れる電流となり、バッテリ３０が充電される。

また、荷役用インバータ１８側においても走行用インバータ１２と同様にして充電が行われる。具体的には、走行用インバータ１２側における二次巻線１３ｃを二次巻線１３ｄに、端子１５ａ，１５ｂを端子１６ａ、１６ｂに、第３のスイッチング素子Ｑ３を第３のスイッチング素子Ｑ１３に、第４のスイッチング素子Ｑ４を第４のスイッチング素子Ｑ１４に、ダイオードＤ１，Ｄ２をダイオードＤ３，Ｄ４にそれぞれ置き換えればよい。

トランス二次電流制御手段としての制御装置２２は、スコットトランス１３の二次電流Ｉ２を制御可能である。スコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制限値を２段以上有する（図４（ａ）参照）。充電中において第１段目の電流制限値は、充電電力量を多くするために第２段目の電流制限値よりも大きな値が設定されている（図４（ａ）参照）。第２段目以降は、スコットトランス１３の過熱を回避するために前段よりも小さな値が設定されている（図４（ａ），（ｂ）参照）。制御装置２２はスコットトランス１３の二次電流Ｉ２を２段以上の電流制限値で制限する。

図４（ａ）は横軸に時間をとり、縦軸にスコットトランス１３の二次電流Ｉ２をとっている。図４（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸にスコットトランス１３の温度Ｔｔをとっている。図４（ｂ）における縦軸のスコットトランス１３の温度Ｔｔについてオーバーヒートに至る閾値を併記している。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、電流制限値を２段に設定することで、スコットトランス１３の温度Ｔｔは、ｔ１で充電を開始した後、オーバーヒート閾値に近づくように上昇していき、ｔ２のタイミングでスコットトランス１３の二次電流Ｉ２が第１段目の電流制限値に制限されることに伴いスコットトランス１３の温度上昇が緩やかになる。スコットトランス１３の温度Ｔｔがオーバーヒート閾値に至ることなくオーバーヒート閾値に近づくように上昇していくことから充電電力量が確保されている。その後、スコットトランス１３の温度Ｔｔがオーバーヒート閾値に接近した状態においてｔ３のタイミングでスコットトランス１３の二次電流Ｉ２が第２段目の電流制限値に制限されることによりスコットトランス１３の温度Ｔｔが上昇から降下に転じる。

また、制御装置２２は、第１段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御から第２段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御への切替えを、充電の開始からの充電の継続時間が規定値Ｔ１に達した時に行う。放電はオペレータが充電開始スイッチを操作することにより開始される。規定値Ｔ１は、予め実験により充電開始後のスコットトランス１３の温度を測定して充電開始からスコットトランス１３の温度が所定値に達するまでの時間として求めておいたものである。

このようにして、工場において昼休みの３０分〜１時間だけ補充電を行う時に充電電力量を確保しながらコストアップを招くことなくスコットトランス１３の過熱を回避することができる。これにより、スコットトランス１３の過熱を回避しつつ速やかにバッテリ３０を充電することができるようになる。

以下、図５に示す充電装置の構成図を用いて説明する。
図５において、充電装置５０は、商用電源（三相ＡＣ２００Ｖ）５５で車載バッテリ５６を充電するために、トランス５１、整流平滑部５２、電圧チョッパ部５３、コイル５４が順に接続されている。トランス５１における一次電圧をＶ１、一次電流をＩ１、二次電圧をＶ２、二次電流をＩ２とする。また、充電装置５０の出力電圧、即ち充電電圧をＶ３、充電装置５０の出力電流、即ち充電電流をＩ３とする。

図６（ａ）は横軸に時間をとり、縦軸にトランスの二次電流Ｉ２をとっている。図６（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸に充電電流Ｉ３をとっている。充電開始スイッチのオン操作により充電が開始された後のｔ２のタイミングまでは図６（ａ）に示すようにトランスの二次電流Ｉ２が徐々に大きくなっていくとともに図６（ｂ）に示すように充電電流Ｉ３は一定に保たれる。

制御装置２２は、図６（ａ）に示すように、トランスの二次電流Ｉ２として、第１段目の電流制限値で制限するとともに第２段目の電流制限値で制限するように第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４をＰＷＭ制御する。つまり、図６（ａ）においてｔ２のタイミングでトランスの二次電流Ｉ２が第１段目の電流制限値に達すると、それ以上電流が流れるのを規制して一定に保たれる。これに伴い図６（ｂ）に示すように充電電流Ｉ３は一定の傾きで低下する。その後、充電開始から一定時間が経過したｔ３のタイミングで図６（ａ）に示すようにトランスの二次電流Ｉ２が、第１段目の電流制限値よりも小さい第２段目の電流制限値に制限され、その第２段目の規制値に保たれる。これに伴い図６（ｂ）に示すように充電電流Ｉ３は、第２段目の電流制限値に対応する小さな値にされた後に一定の傾きで低下する。

このように、多段に電流制限を加える際において、第１段目の電流制限値は大きな値（例えばトランスの許容電流値）で設定し、第２段目の電流制限値は第１段目の電流制限値より小さい値で設定している。２段目以降の電流制限値は、予め実験により充電開始後のトランスの温度を測定して充電開始からのトランスの温度の推移を考慮して求めておいたものである。

以下、詳しく説明する。
電流制御型充電装置で例えば定電流充電を実施しようとすると、トランスの一次電圧Ｖ１、トランスの一次電流Ｉ１、トランスの二次電圧Ｖ２、トランスの二次電流Ｉ２、充電電圧Ｖ３、充電電流Ｉ３は、次の式（１）で表される。

Ｖ１×Ｉ１×η１＝Ｖ２×Ｉ２×η２＝Ｖ３×Ｉ３・・・（１）
ただし、η１はトランスの変換効率、η２はトランスの二次側回路である整流平滑部５２、電圧チョッパ部５３、コイル５４での変換効率。

ここで、トランスの二次電圧Ｖ２とトランスの一次電圧Ｖ１とは比例関係にある（Ｖ２∝Ｖ１）。そのため、トランスの一次電圧Ｖ１が一定とすれば、トランスの二次電圧Ｖ２も一定となり、充電電流Ｉ３は定電流のため固定となる。

よって、図７（ａ）に示すように、充電電流Ｉ３を一定に制御すると、充電が進む毎に充電電圧Ｖ３が上昇するので、Ｖ３×Ｉ３が上昇する。
そして、Ｖ３×Ｉ３が上昇するので、Ｖ２×Ｉ２は上昇する。その結果、トランスの二次電圧Ｖ２が一定なので、図７（ｂ）に示すように、トランスの二次電流Ｉ２が上昇する。

ここで、トランスの二次電流Ｉ２に電流制限値を設けた場合のトランスの二次電流Ｉ２と充電電流Ｉ３との関係を、図８（ａ）、図８（ｂ）に示す。
図８（ａ）に示すように、ｔ２のタイミングでトランスの二次電流Ｉ２が電流制限値に到達すると、図８（ｂ）に示すように、バッテリの充電電流Ｉ３は低下する。

ここで、図１１に示すように、オーバーヒートを回避すべく電流制限値を低く設けると、補充電での充電電力量の減少や充電時間の延長など性能低下を招く。一方、図１０に示すように、電流制限値を高く設定した場合は、トランスのオーバーヒートのリスクが高くなる。即ち、電流制限値を高く設定するとトランスがオーバーヒートするので、これを回避するためにはサーミスタなどで温度を検出し電流を低下させるなどの手段が必要となり、センサ追加によってコストが上昇する。

特に、フォークリフトのバッテリを充電する時のように、長時間（例えば８時間〜１０時間）に渡り電流を流す場合、例えばトランスのような部品は時間の経過とともに温度が上昇していく。トランスの容量（性能）を元に電流制限値を決めると（大きな値を電流制限値とすると）、トランスがオーバーヒートする懸念がある。これを回避するためには、サーミスタなどの温度センサを取付ける必要がありコストアップを招く。または、トランスを大型化する、冷却性能を上げる（放熱板や冷却ファンを設ける等）ことを行ってもこれを回避できるが、やはりコストアップを招く。オーバーヒートしない値を電流制限値として設けると（小さな値を電流制限値とすると）、充電時間が伸びる、補充電での充電電力量が少なくなるなどの性能低下を招く。特に、フォークリフトの使い方として、３０分〜１時間の昼休みに補充電を実施して昼休み後にフォークリフトを使用するユーザの多い中で、補充電の性能低下は問題となる。

これに対し、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、電流制限値を２段以上設け、第１段目は、大きな電流制限値（例えばトランスの許容電流値）で設定し、第２段目以降は、それより小さい電流制限値を設け、電流制限値の切替えについては、例えば充電開始からの充電時間で設定する。その結果、充電性能を維持したまま、特に、補充電での充電電力量を保持したままトランスのオーバーヒートを回避でき、補充電での充電電力量の確保とオーバーヒートの回避を両立することが可能となる。また、トランスが大型化することもない。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電流制御型充電装置としての車載装置１０の構成として、スコットトランス１３によって入力と出力が電気的に絶縁され、入力電力を電力変換して出力に接続された車載蓄電装置としてのバッテリ３０を充電する。スコットトランス１３の二次電流Ｉ２を制御可能なトランス二次電流制御手段としての制御装置２２を備える。スコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制限値を２段以上有し、充電中において第１段目の電流制限値は、第２段目の電流制限値よりも大きな値が設定され、第２段目以降は、前段よりも小さな電流制限値が設定されている。トランス二次電流制御手段としての制御装置２２は、スコットトランス１３の二次電流Ｉ２を２段以上の電流制限値で制限する。よって、充電電力量を多くできるとともにスコットトランス１３の過熱を回避することができ、これにより、充電電力を多く確保したまま、トランス温度検出用のサーミスタなどのセンサを用いておらずコストアップを招くことなくスコットトランス１３の過熱を回避することができる。その結果、容易にスコットトランス１３の過熱を回避しつつ速やかに車載蓄電装置としてのバッテリ３０を充電することができる。

（２）トランス二次電流制御手段としての制御装置２２は、第１段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御から第２段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御への切替えを、充電の開始からの充電の継続時間が規定値Ｔ１に達した時に行うので、実用的である。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 充電方式は定電流充電である必要はない。例えば、図５で示した充電装置を用いた場合におけるトランスの二次電流Ｉ２の定電流充電（トランスの一次電圧Ｖ１が一定であれば定電力充電となる）で充電した上で充電電流Ｉ３の定電流充電に切替えて充電するようにしてもよい。また、切替え前後で充電方式が変更されていてもよく、充電方式の切替えと電流制限値の切替えが同期してなくてもよい。このように、充電方式の制約は不要であり、ニーズに合わせて充電方式を自由に選択した上で本制御を導入できる。例えば、補充電での充電電力量を確保するためにＩ２の定電流（トランス最大出力）で充電をした上で、定電流充電に切替えて充電状態を検出するような充電方式を採用してもよい。

○ 図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、操作部材２９（図１参照）により第１段目の電流制限値を設定可能としてもよい。また、第１段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御から第２段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御への切替えは、充電の開始からの充電の継続時間が規定値Ｔ１に達した時に行われるが、操作部材２９（図１参照）により規定値Ｔ１を設定可能としてもよい。

詳しく説明すると、電流制限値または第１段目の切替え時間はユーザによって可変できることとし、電流制限値はトランス許容電流値を上限とし、また、電流制限値を変更した場合は第１段目の切替え時間または第２段目の電流制限値またはその両方が自動的に更新されるようにする。例えば、昼休みが短いユーザが充電装置に補充電での充電予定時間を設定できるようにし、充電装置は設定された補充電予定時間（＝切替え時間）から第１段目の電流制限値と第２段目の電流制限値を算出する。具体的には例えば、予め実験を行って、充電予定時間から第１段目の電流制限値と第２段目の電流制限値を求めておき、このデータを用いて第１段目の電流制限値と第２段目の電流制限値を求める。

このように、電流制限値または第１段目の切替え時間が可変であり、電流制限値または第１段目の切替え時間をユーザが設定可能とすることで、よりニーズに応えることができる。例えば、昼休みが短いなど、予め補充電での充電時間が短いと分かっているユーザに対しては、第１段目の電流制限値を大きくすることで補充電での充電電力量をより多くすることが可能となる。反面、オーバーヒートのリスクは高くなるが、これは切替えまでの時間を短くする、あるいは第２段目の電流制限値を小さくする、あるいはその両方を実施することで回避可能となる（図９（ａ）及び図９（ｂ）参照）。

○ 第１段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御から第２段目の電流制限値としたスコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制御への切替えは、充電の開始からの充電の継続時間が規定値Ｔ１に達した時に行われるが、外気温度に基づいて、規定値Ｔ１が補正されるようにしてもよい。

詳しくは、外気温の計測値が得られる場合または外気温の推定値が得られる場合において、制御装置２２により、外気温が低い場合は、オーバーヒートまでに余裕があると考えられるので、切替えるまでの時間を伸ばす。即ち、外気温が低い時に切替えまでの時間を長く補正することで、補正がないときと比較して充電時間を短縮することができる。逆に、外気温が高い場合はオーバーヒートまでに余裕がないことが想定されるため時間を短縮してもよい。即ち、外気温が高い時に切替えまでの時間を短く補正することで、補正がないときと比較してより確実にオーバーヒートを回避することができる。

○ トランスの温度に対応する指標として充電開始からの充電継続時間を用い、その充電継続時間が規定値に達した時に充電制限値を切替えたが、電流制限値の切替えは時間でなくてもよい。例えば、「積算電流量」が多ければ多いほど、トランスの大きさである「トランス容量」が小さければ小さいほど温度は高くなるので、その２つのパラメータ（積算電流量、トランス容量）を指標化、例えば［積算電流量］×［トランス容量］とし、それが閾値を超えたら、それまでの第１段目の電流制限値から第２段目の電流制限値に切替えてもよい。即ち、［積算電流量］×［トランス容量］＞閾値の時に切替えることでより適切なタイミングで電流制限値を切替えることができる。

このようにして、トランス二次電流制御手段としての制御装置２２は、第１段目の電流制限値としたトランスの二次電流の制御から第２段目の電流制限値としたトランスの二次電流の制御への切替えを、充電の開始からのトランスの二次電流の積算量に基づいて行うようにしてもよい。

○ スコットトランス１３の二次電流Ｉ２の制限値は２段以上であればよく、段数は問わない。
○ 走行用インバータ１２または荷役用インバータ１８のいずれか一方を用いてバッテリ３０を充電してもよい。

○ スコットトランス１３以外のトランスを用いてもよい。
○ 補充電を行う時について説明したが、補充電に限らず満充電等の充電を行う時全般にわたり適用できる。

○ バッテリフォークリフトのように三相モータ（走行用モータ１１及び荷役用モータ１７）を備えた車載装置を充電装置として用いたが、一般の電気自動車の充電装置（例えば図５に示した装置）に適用してもよい。

○ 充電装置は車載機器（車載装置１０）であったが、地上側に配置される充電装置であってもよい。
○ フォークリフトに適用したが、その他の産業車両に適用してもよい。また、産業車両以外の車両、例えば乗用車やバス等に適用してもよい。

１０…車載装置、１３…スコットトランス、２２…制御装置、３０…バッテリ。

Claims (6)

1. トランスによって入力と出力が電気的に絶縁され、入力電力を電力変換して出力に接続された車載蓄電装置を充電する充電装置であって、
   前記トランスの二次電流を制御可能なトランス二次電流制御手段を備え、
   前記トランスの二次電流の制限値を２段以上有し、充電中において第１段目の電流制限値は、第２段目の電流制限値よりも大きな値が設定され、第２段目以降は、前段よりも小さな電流制限値が設定されており、
   前記トランス二次電流制御手段は、前記トランスの二次電流を前記２段以上の電流制限値で制限することを特徴とする充電装置。
2. 前記トランス二次電流制御手段は、前記第１段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御から前記第２段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御への切替えを、充電の開始からの充電の継続時間が規定値に達した時に行うことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
3. 操作部材により前記規定値を設定可能としたことを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
4. 外気温度に基づいて前記規定値が補正されることを特徴とする請求項２に記載の充電装置。
5. 操作部材により前記第１段目の電流制限値を設定可能としたことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
6. 前記トランス二次電流制御手段は、前記第１段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御から前記第２段目の電流制限値とした前記トランスの二次電流の制御への切替えを、充電の開始からの前記トランスの二次電流の積算量に基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
   

Images