JP6202203B2 - 充電器 - Google Patents

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Description

この発明は、車載用充電器等として好適な充電器に関する。
ＥＶ（Electric
Vehicle：電気自動車）等に用いられる車載充電器として、外部の電源から供給される電力に電力変換を施し、その結果得られる直流電圧によりＥＶ内の蓄電池の充電を行う構成のものがある。また、この種の車載充電器の中には、電力変換のための手段としてインバータを含むものがある。
このようなインバータを含んだ構成の車載充電器において、例えば充電時の車両故障が発生した場合に、感電事故の発生を回避するため、インバータの出力を緊急停止させる場合がある。
そこで、従来、車両の補機電源と、この補機電源から供給される電源電圧に基づいてインバータに供給する電源電圧を発生する内部電源との間にリレーを介挿し、このリレーをオフさせることにより、インバータの出力を緊急停止させていた。なお、以下ではこの技術を第１の従来技術という。
また、インバータの停止制御に関する技術として次のものがあった。この技術では、インバータのスイッチング素子のオン／オフ切り換えを行うためのゲート信号をフォトカプラを介して伝送する。インバータの出力を停止させる場合、フォトカプラのフォトトランジスタにバイアス電流を供給する電源をオフさせ、インバータのスイッチング素子に対するゲート信号の供給を断つ。この技術では、ゲート信号を発生する回路と、インバータとがフォトカプラを介して結合されるので、前者の電源と後者の電源を絶縁することが可能になる。なお、以下ではこの技術を第２の従来技術という。この第２の従来技術に関する文献として特許文献１がある。
特開２０１０−２８４０５１号公報
ところで、上述した第１の従来技術は、補機電源と内部電源との間にリレーを設ける必要があるため、回路規模が増大する問題がある。また、第１の従来技術は、リレーの分だけ部品数が増加するため、製造コストが増加し、かつ、回路故障の発生率が高くなるという問題がある。
また、上述した第２の従来技術を利用して充電器のインバータの出力停止を行わせるとすると、次の問題が発生する。インバータには、フォトカプラを介して供給されるゲート信号を適切なレベルに増幅して各スイッチング素子に供給するゲート駆動回路が設けられている。強制停止信号に応じて、フォトカプラを介したゲート信号の伝達を遮断した場合、このゲート駆動回路は、入力が不安定となって発振し易くなり、インバータの各スイッチング素子を誤駆動する可能性がある。
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、部品数の増加を招くことなく、強制停止信号に応じて電力変換用のインバータを確実に停止させることができる充電器を提供することを目的としている。
この発明は、インバータにより交流電圧を発生し、この交流電圧を整流することにより蓄電池を充電するための直流電圧を生成する充電器において、前記インバータを構成する複数のスイッチング素子のオン／オフ切り換えを行うための複数のゲート信号を出力する複数のゲート駆動回路と、前記複数のゲート駆動回路に電源電圧を供給する制御電源とを具備し、前記制御電源は、トランスと、前記トランスの１次巻線と直流電源とを直列接続してなる１次側回路の開閉を繰り返す電源制御回路と、前記トランスの２次巻線に発生する交流電圧を整流して前記複数のゲート駆動回路に供給する電源電圧を発生する整流回路とを具備し、前記電源制御回路は、強制停止信号に応じて前記１次側回路の開閉を停止することを特徴とする充電器を提供する。
この充電器によれば、電源制御回路が強制停止信号に応じてトランスの１次側回路の開閉を停止するため、トランスの２次巻線に接続された整流回路からゲート駆動回路への電源電圧の供給が停止される。この結果、インバータを構成する各スイッチング素子へのゲート信号の供給が停止され、蓄電池の充電が停止される。
従って、この発明によれば、部品数の増加を招くことなく、強制停止信号に応じて電力変換用のインバータを確実に停止させることができる充電器を実現することができる。
この発明の一実施形態による充電器を含む車載充電システムの構成を示すブロック図である。 同充電器の電力変換回路および制御回路の構成を示す回路図である。 同充電器の制御電源の構成を示す回路図である。
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。図１はこの発明の一実施形態である充電器１１を含む車載充電システム１の構成を示すブロック図である。車載充電システム１は、ＥＶ内に設けられた充電器１１、ジャンクションボックス１２、蓄電池１３、ＢＣＵ（Battery Control Unit）１４および充電用コネクタ１６を有する。ジャンクションボックス１２は、充電器１１、蓄電池１３および充電用コネクタ１６の各々に接続された配線の中継を行う。ＢＣＵ１４は蓄電池１３の充放電の状態を監視する。充電用コネクタ１６は、ＥＶ外部に設けられた急速充電器１７ａまたはＥＶＳＥ（Electric Vehicle Service Equipment：充電ステーション）１７ｂに接続された充電プラグ１８をＥＶに接続するために設けられている。
本実施形態による充電器１１は、電力変換回路１０１、初期充電回路１０２および制御回路１０３を有する。また、電力変換回路１０１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を有する。初期充電回路１０２は、充電器１１の充電動作開始時、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１０内部に設けられたコンデンサ１１０＿７の充電電圧が所定の電圧値に上昇するまでの間、コンデンサ１１０＿７に供給される充電電流を制限する回路である。制御回路１０３は、初期充電回路１０２、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１０およびＤＣ／ＤＣコンバータ１２０に接続されており、各回路に制御信号を出力する。制御回路１０３とＢＣＵ１４は、ＣＡＮ−ＢＵＳ１５を介してＣＡＮ通信による情報伝送を行う。
図２は電力変換回路１０１および制御回路１０３の構成を示す回路図である。なお、図面が煩雑になるのを防ぐため、制御回路１０３についてはインバータ１２１の制御に関連した回路のみを図示している。ＡＣ／ＤＣコンバータ１１０は、ダイオード１１０＿１〜１１０＿２、フライホイールダイオード１１０＿３〜１１０＿４、ＦＥＴ１１０＿５〜１１０＿６、コンデンサ１１０＿７およびリアクトル１１０＿８〜１１０＿９により構成される。リアクトル１１０＿８〜１１０＿９は高調波を減衰させるために設けられている。ダイオード１１０＿１〜１１０＿２およびＦＥＴ１１０＿５〜１１０＿６は、急速充電器１７ａまたはＥＶＳＥ１７ｂから初期充電回路１０２を介して供給される交流電圧を整流して直流電圧をコンデンサ１１０＿７に供給する整流回路を構成している。コンデンサ１１０＿７は、この整流回路から出力された直流電圧を平滑化するために設けられた電解コンデンサである。フライホイールダイオード１１０＿３〜１１０＿４は、ＦＥＴ１１０＿５〜１１０＿６に逆並列接続されており、ＦＥＴ１１０＿５〜１１０＿６のオン／オフ切り替え時にリアクトル１１０＿８〜１１０＿９に蓄積された電磁エネルギーにより発生する電流を、入力電源側に還流させる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、インバータ１２１および整流器１２２により構成される。インバータ１２１は、ＦＥＴ１２１＿５〜１２１＿８、フライホイールダイオード１２１＿１〜１２１＿４およびトランス１２１＿９により構成される。インバータ１２１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１０のコンデンサ１１０＿７に充電された直流電圧を電源電圧とし、この電源電圧をＦＥＴ１２１＿５〜１２１＿８によってスイッチングすることにより、トランス１２１＿９の１次巻線に交流電圧を出力する回路である。トランス１２１＿９は、１次巻線に与えられた交流電圧に応じた交流電圧を２次巻線から整流器１２２に出力する。整流器１２２は、ダイオード１２２＿１〜１２２＿４により、トランス１２１＿９の２次巻線から出力された交流電圧を整流して直流電圧を蓄電池１３に供給する。
制御回路１０３は、ゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄおよび制御電源３により構成される。ゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄは、図示しないゲート信号発生部が生成するパルス幅変調されたゲート信号ｇ１〜ｇ４に応じて、ＦＥＴ１２１＿５〜１２１＿８のオン／オフ切り替えに適したレベルのゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を発生し、ＦＥＴ１２１＿５〜１２１＿８の各々のゲートに出力する。
図３は、制御電源３の構成を示す回路図である。制御電源３は、入力電源端子３０１に与えられる入力電源電圧を利用して動作し、ゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄに与える電源電圧および他の回路に供給する電源電圧を発生する回路である。本実施形態では、補機電源が入力電源端子３０１に接続される。この補機電源は、エアコン、カーステレオ等、車載充電システム１が搭載された車両の補機に電力を供給するために設けられた電源である。本実施形態において補機電源の電圧値は１２Ｖである。
図３に示すように、制御電源３は、トランジスタ３０２、電源制御ＩＣ３０４、ＦＥＴ３０５、トランス３０６、抵抗３０７、コンデンサ３０８、整流器３０９ａ〜３０９ｃおよびフライホイールダイオード３１５を有している。
コンデンサ３０８は、入力電源端子３０１と接地線との間に介挿されている。このコンデンサ３０８は、入力電源端子３０１に与えられる電源電圧からノイズを除去するためのものである。
トランス３０６は、１本の1次巻線３０６ａと、３本の２次巻線３０６ｂ、３０６ｃおよび３０６ｄを有している。ここで、１次巻線３０６ａは、一端が入力電源端子３０１を介して補機電源に接続され、他端がＦＥＴ３０５のドレインに接続されている。そして、ＦＥＴ３０５のソースは接地されている。なお、ＦＥＴ３０５にはフライホイールダイオード３１５が逆並列接続されている。このように本実施形態では、入力電源端子３０１に接続された補機電源と、トランス３０６の１次巻線３０６ａと、ＦＥＴ３０５とを直列接続してなる１次側回路が形成されている。また、２次巻線３０６ｂは、一端が接地され、他端はコンデンサ３１３ｃおよびダイオード３１４ｃからなる整流器３０９ｃを介して電源制御ＩＣ３０４に接続されている。
ＮＰＮトランジスタ３０２は、エミッタが接地され、コレクタが抵抗３０７を介して入力電源端子３０１に接続されている。このＮＰＮトランジスタ３０２は、車両内に設けられた上位ＥＣＵ（Engine Control Unit）２００によってオン／オフが切り換えられる。この上位ＥＣＵ２００は、制御電源３におけるトランス３０６の１次側回路と共通の接地線に接続されている。強制停止信号が発生していない期間、上位ＥＣＵ２００は、ＮＰＮトランジスタ３０２をオンとする。また、強制停止信号が発生した場合、上位ＥＣＵ２００は、ＮＰＮトランジスタ３０２をオフとする。
好ましい態様において、強制停止信号は、例えば車両外部の充電ステーションに設けられた操作子の操作等に応じて発生され、上位ＥＣＵ２００に供給される。他の好ましい態様では、車両または車両の補機等の故障が検知されたとき、その際に発生する故障検知信号に基づいて強制停止信号が発生される。
電源制御ＩＣ３０４は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）機能を有するＩＣであり、例えばマイクロコンピュータにより構成される。電源制御ＩＣ３０４は、ＮＰＮトランジスタ３０２のコレクタ電圧を所定の閾値と比較することにより、強制停止信号の有無を判定する。そして、強制停止信号が発生していない通常動作時、電源制御ＩＣ３０４は、一定周期のパルス列をＦＥＴ３０５のゲートに与えることにより、１次巻線３０６ａを含む１次側回路を周期的に開閉する。これにより交流電圧が２次巻線３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄから出力される。２次巻線３０６ｂから出力された交流電圧は、整流器３０９ｃによって整流され、直流電圧となって電源制御ＩＣ３０４に供給される。そして、電源制御ＩＣ３０４は、この整流器３０９ｃを介して供給される直流電圧が所定の目標値となるようにＦＥＴ３０５に供給するパルス列のパルス幅の制御を行う。
また、電源制御ＩＣ３０４は、ＮＰＮトランジスタ３０２のコレクタ電圧に基づいて強制停止信号の発生を検知した場合、ＦＥＴ３０５のゲートに対するパルス列の供給を停止し、ＦＥＴ３０５を強制的にオフとする。これにより１次巻線３０６ａを含む１次側回路が開状態となり、２次巻線３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄからの交流電圧の出力が停止される。
整流器３０９ａは、コンデンサ３１３ａおよびダイオード３１４ａにより構成され、トランス３０６の２次巻線３０６ｃから出力された交流電圧を整流し、直流電圧に変換する。同様に、整流器３０９ｂは、コンデンサ３１３ｂおよびダイオード３１４ｂから構成され、トランス３０６の第２の２次巻線３０６ｄから出力された交流電圧を整流し、直流電圧に変換する。整流器３０９ａの出力電圧はゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄに電源電圧として供給され、整流器３０９ｂの出力電圧はゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄ以外の回路に電源電圧として供給される。
以下、本実施形態による充電器１１を含む車載充電システム１の動作について説明する。図１において、蓄電池１３の充電を行うために、作業者は急速充電器１７ａまたはＥＶＳＥ１７ｂに接続された充電プラグ１８をＥＶの充電用コネクタ１６に接続する。このとき、ＥＶから充電開始の指示が送信され、ＢＣＵ１４による充放電の状態の監視の下で蓄電池１３の充電が開始される。急速充電器１７ａ等から出力される交流電圧は充電用コネクタ１６を介して充電器１１に入力される。
充電器１１に入力された交流電圧は、図２に示す初期充電回路１０２を介してＡＣ／ＤＣコンバータ１１０に与えられる。初期充電回路１０２を通過した交流電圧は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１１０によって整流され、その結果得られる直流電圧がコンデンサ１１０＿７に充電される。
ＡＣ／ＤＣコンバータ１１０のコンデンサ１１０＿７に充電された直流電圧はインバータ１２１に電源電圧として与えられる。このインバータ１２１のＦＥＴ１２１＿５、１２１＿６、１２１＿７および１２１＿８には、ゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄからゲート信号Ｇ１〜Ｇ４が各々与えられる。さらに詳述すると、ゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄは、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を変化させることにより、ＦＥＴ１２１＿５および１２１＿８の組と、ＦＥＴ１２１＿７および１２１＿６の組を交互にオンさせ、トランス１２１＿９の１次巻線に対して交流電圧を出力させる。
これによりトランス１２１＿９の２次巻線に交流電圧が発生する。この２次巻線の交流電圧は、整流器１２２によって整流され、直流電圧に変換される。この直流電圧は図１に示すジャンクションボックス１２を介して蓄電池１３に出力され、蓄電池１３が充電される。
図３において、強制停止信号が発生していない場合には、トランジスタ３０２はオンとなる。このため、電源制御ＩＣ３０４は、ＦＥＴ３０５をオン／オフさせるパルス列を出力する。これによりトランス３０６の１次巻線３０６ａに交流電圧が印加され、トランス３０６の２次巻線３０６ｂ、３０６ｃおよび３０６ｄから交流電圧が出力される。２次巻線３０６ｃおよび３０６ｄから出力された交流電圧は整流器３０９ａおよび３０９ｂによって整流され、各々直流電圧に変換される。整流器３０９ａから出力された直流電圧は電源電圧としてゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄに供給される。
強制停止信号が発生すると、上位ＥＣＵ２００は、トランジスタ３０２をオフとする。この結果、電源制御ＩＣ３０４は、ＦＥＴ３０５のゲートに対するパルス列の出力を停止し、ＦＥＴ３０５を強制的にオフとする。この結果、トランス３０６の１次巻線３０６ａに交流電圧が印加されず、トランス３０６の２次巻線３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄからの交流電圧の出力が停止される。このため、整流器３０９ａは、ゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄへの電源電圧の供給を停止する。電源電圧の供給が停止されると、ゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄは、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４の出力を停止し、インバータ１２１の全てのＦＥＴ１２１＿５〜１２１＿８をオフとする。この結果、トランス１２１＿９に対する交流電圧の印加が停止され、トランス１２１＿９の２次側の整流器１２２からの電圧出力が停止される。そして、蓄電池１３の充電が停止される。
以上説明した本実施形態によれば、次の効果が得られる。
まず、上述した第１の従来技術では、本実施形態における入力電源端子３０１と補機電源との間にリレーを設ける必要があった。このため、充電器の回路規模が増大する問題がある。また、リレーの分だけ部品数が増加するため、製造コストが増加し、かつ、回路故障の発生率が高くなるという問題があった。
これに対し、本実施形態では、第１の従来技術において必要であったリレーは不要である。よって、第１の従来技術において生じていた問題は発生しない。
また、上述した第２の従来技術では、本実施形態におけるゲート信号ｇ１〜ｇ４がフォトカプラを介してインバータ１２１に供給されていた。ここで、強制停止信号に応じてフォトカプラを介したゲート信号の伝達が遮断されると、ゲート駆動回路に電源が接続されたままであるので、入力が不安定となってゲート駆動回路が発振し、インバータの各スイッチング素子が誤駆動される可能性がある。
これに対し、本実施形態では、電源制御ＩＣ３０４が強制停止信号に応じてゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄへの電源電圧の供給元であるトランス３０６の１次側回路を強制的に開状態とするので、確実にゲート駆動回路２１ａ〜２１ｄの動作を停止させ、蓄電池１３の充電を確実に停止させることができる。
さらに、本実施形態では、電源制御ＩＣ３０４と、この電源制御ＩＣ３０４に強制停止信号を伝達する上位ＥＣＵ２００が共通の接地線に接続されている。従って、この経路に絶縁のためのフォトカプラ等の素子を介挿する必要がない。従って、上位ＥＣＵ２００および電源制御ＩＣ３０４間の強制停止信号の伝送経路にフォトカプラ等の絶縁のための素子を設ける必要がない。従って、充電器１１の製造コストを低減することができる。
＜他の実施形態＞
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
（１）上記実施形態において、入力電源端子３０１と補機電源との間にリレーを介挿してもよい。これにより、充電停止機能の二重化を図ることができ、より確実に充電を停止することができる。
（２）上記実施形態における充電器は、車載用のみならず、鉄道車両搭載用や航空機搭載用の充電器にも適用可能である。
（３）上記実施形態において、複数種類の事象のうちのいずれかが発生したときに、強制停止信号を発生させるようにしてもよい。
１…車載充電システム、１１…充電器、１０１…電力変換回路、１０２…初期充電回路、１０３…制御回路、１１０…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１１０＿５，１１０＿６，１２１＿５，１２１＿６，１２１＿７，１２１＿８，３０５…ＦＥＴ、１１０＿７，３０８，３１３ａ，３１３ｂ，３１３ｃ…コンデンサ、１１０＿３，１１０＿４，１２１＿１，１２１＿２，１２１＿３，１２１＿４，３１５…フライホイールダイオード、１１０＿１，１１０＿２，１２２＿１，１２２＿２，１２２＿３，１２２＿４，３１４ａ，３１４ｂ，３１４ｃ…ダイオード、１１０＿８，１１０＿９…リアクトル、１２１＿９，３０６…トランス、１２０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２１…インバータ、１２…ジャンクションボックス、１３…蓄電池、１４…ＢＣＵ、１５…ＣＡＮ−ＢＵＳ、１６…充電コネクタ、１７ａ…急速充電器、１７ｂ…ＥＶＳＥ、１８…充電プラグ、２１＿ａ，２１＿ｂ，２１＿ｃ，２１＿ｄ…ゲート駆動回路、ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…ゲート信号、３…制御電源、３０１…入力電源端子、３０２…トランジスタ、２００…上位ＥＣＵ、３０４…電源制御ＩＣ、３０７…抵抗、３０９ａ，３０９ｂ，３０９ｃ…整流器。

Claims (1)

  1. インバータにより交流電圧を発生し、この交流電圧を整流することにより蓄電池を充電するための直流電圧を生成する充電器において、
    前記インバータを構成する複数のスイッチング素子のオン／オフ切り換えを行うための複数のゲート信号を出力する複数のゲート駆動回路と、
    前記複数のゲート駆動回路に電源電圧を供給する制御電源であって、
    トランスと、
    前記トランスの１次巻線と直流電源とを直列接続してなる１次側回路の開閉を繰り返す電源制御回路と、
    前記電源制御回路と共通の接地線に接地されたトランジスタと、
    前記トランスの２次巻線に発生する交流電圧を整流して前記複数のゲート駆動回路に供給する電源電圧を発生する整流回路とを備えた制御電源を具備し、
    前記共通の接地線に接地された前記充電器の上位コントローラが、強制停止信号に応じて前記トランジスタのオン／オフ切り換えを行い、
    前記電源制御回路は、前記トランジスタの状態を検出することにより前記強制停止信号を検出し、前記強制停止信号に応じて前記１次側回路の開閉を停止することを特徴とする充電器。
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