バッテリの充電装置
【課題】外部の交流電源から出力された交流電力を変換回路にて直流電力に変換し、バッテリに直流電力を供給する際に、変換回路の出力電圧を調整可能とする。
【解決手段】バッテリ１２の充電装置１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、インバータ２２とを備えている。さらに、回転電機３４を介してインバータ２２に接続される配線３５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とインバータ２２とを接続する配線４３と、の間に交流電源１４を接続することを可能とする第一の充電用配線４４を備えている。さらに、インバータ２２に設けられたスイッチング素子３０を制御することにより、インバータ２２の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に設けられたスイッチング素子３０を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧する制御部３８を備えている。
【解決手段】バッテリ１２の充電装置１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、インバータ２２とを備えている。さらに、回転電機３４を介してインバータ２２に接続される配線３５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とインバータ２２とを接続する配線４３と、の間に交流電源１４を接続することを可能とする第一の充電用配線４４を備えている。さらに、インバータ２２に設けられたスイッチング素子３０を制御することにより、インバータ２２の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に設けられたスイッチング素子３０を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧する制御部３８を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリの充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関と回転電機を駆動源とするいわゆるハイブリッド車や、回転電機のみを駆動源とする電池車両においては、回転電機に電力を供給するバッテリが搭載されている。近年、バッテリの充電システムとして、外部電源からバッテリに電力を引くプラグインシステムと呼ばれる充電システムが知られている。例えば特許文献１においては、回転電機のコイルとインバータ回路を整流回路として利用し、外部の交流電源からの交流電力を直流電力に変換してバッテリを充電している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１２６１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、バッテリは過充電の状態になると劣化に繋がることから、充電電圧について上限値が予め定められている。バッテリの充電時において整流回路からバッテリに印加される電圧がこの上限値を超えている場合、過充電のおそれがあることからバッテリへの電力供給を中断しなければならなくなり、バッテリの充電が十分に行えないおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は整流回路の出力電圧を調整可能なバッテリの充電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はバッテリの充電装置に関する。充電装置は、バッテリの放電時にバッテリから出力される直流電圧を昇圧するとともに、バッテリの充電時にバッテリに印加される直流電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧された直流電力を交流電力に変換して第一の回転電機に交流電力を供給するとともに、第一の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第一の変換回路を備える。さらに、第一の回転電機の中性点に接続される第一の配線と、ＤＣ／ＤＣコンバータと第一の変換回路との間にＤＣ／ＤＣコンバータ及び第一の変換回路に対して並列に接続されるともに互いに直列接続された複数個のコンデンサの中点に接続される第二の配線と、の間に第一の交流電源を接続することを可能とする第一の充電用配線を備える。さらに、第一の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧する制御部を備える。
【０００７】
また、上記発明において、第一の交流電源は三相交流電源であって、ＤＣ／ＤＣコンバータに対して第一の変換回路に並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧された直流電力を交流電力に変換して第二の回転電機に交流電力を供給するとともに、第二の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第二の変換回路を備えることが好適である。さらに、第二の回転電機の中性点に接続される第三の配線と、第二の配線との間に第一の交流電源を接続することを可能とする第二の充電用配線と、を備えることが好適である。この構成において、制御部は、第一及び第二の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧する。
【０００８】
また、上記発明において、バッテリに対してＤＣ／ＤＣコンバータに並列に接続され、交流電力を直流電力に変換する第三の変換回路と、第三の変換回路とバッテリの正極側とを結ぶ配線と、第二の配線との間に第一の単相交流電源を接続することを可能とする第三の充電用配線と、を備えることが好適である。この構成において、制御部は、第三の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、第一の単相交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧する。
【０００９】
また、上記発明において、第一の単相交流電源とは異なる定格電圧の第二の単相交流電源を、第一または第三の配線のいずれか一方と、第二の配線との間に接続することを可能とする第四の充電用配線を備えることが好適である。この場合において制御部は、第一の変換回路に設けられたスイッチング素子の駆動を制御することにより、第一の配線と第二の配線との間に接続された第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換し、または、第二の変換回路に設けられたスイッチング素子の駆動を制御することにより、第二の配線と第三の配線との間に接続された第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧することが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、整流回路の出力電圧を調整可能なバッテリの充電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図２】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図３】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図４】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図５】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図６】制御部によるインバータ制御を説明する図である。
【図７】充電時のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する図である。
【図８】充電時のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する図である。
【図９】制御部によるＤＣ／ＤＣコンバータの制御を説明する図である。
【図１０】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図１１】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図１２】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図１３】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係るバッテリの充電装置１０を図１に例示する。充電装置１０はバッテリ１２に接続されるとともに、バッテリ１２の充電時には外部の交流電源１４にも接続される。充電装置１０およびバッテリ１２は好適にはハイブリッド車両や電池車両に搭載される。
【００１３】
バッテリ１２は好適にはニッケル水素電池のセルを積層したバッテリーモジュールから構成された二次電池である。なお、バッテリ１２の過充電及び過放電を抑えるため、バッテリ１２の電圧値には上限電圧値および下限電圧値が定められている。例えば下限電圧値は２００Ｖに定められ、上限電圧値は３３０Ｖに定められている。バッテリ１２の電圧値が下限電圧値より下回ることがなく、かつ、上限電圧値よりも上回ることのないように、後述する制御部３８によってバッテリ１２の充電状態および放電状態が管理されている。
【００１４】
また、外部の交流電源１４は好適には一般家庭に引かれる商用電源であり、図１の実施形態においては単相１００Ｖまたは単相２００Ｖの交流電源である。
【００１５】
充電装置１０はＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、インバータ２２とを備えている。インバータ２２は、交流電力と直流電力の間の電力変換を行う双方向交直変換回路を含んで構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、電圧の昇降圧とを行う双方向昇降圧回路を含んで構成される。充電装置１０は、バッテリ１２の充電時にはインバータ２２による交流電力から直流電力の変換（順変換）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０による変換後の直流電力の降圧を行う。さらに、バッテリ１２の放電時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によるバッテリ１２の直流電力の昇圧と、インバータ２２による昇圧後の直流電力から交流電力への変換（逆変換）を行う。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、バッテリ１２に対して直列に接続されたリアクトル２４と、互いに直列に接続された上アーム２６（２６ａ）及び下アーム２８（２８ａ）とを備えている。
【００１７】
上アーム２６及び下アーム２８は、スイッチング素子３０と当該スイッチング素子３０とは逆並列に接続された帰還ダイオード３２のペアを指している。さらに、上アーム２６と下アーム２８の組合せをレグと呼ぶ。スイッチング素子３０は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴからなる半導体デバイスから構成されている。
【００１８】
リアクトル２４はバッテリ１２の正極側と、上アーム２６ａと下アーム２８ａとの間の接点２９とに接続されている。上アーム２６ａのスイッチング素子３０のソースまたはエミッタはリアクトル２４の接点２９側に設けられている。また、下アーム２８ａのスイッチング素子３０のソース又はエミッタはバッテリ１２の負極側に設けられている。
【００１９】
インバータ２２はバッテリ１２から見てＤＣ／ＤＣコンバータ２０と並列に接続されている。インバータ２２は上アーム２６ｂと下アーム２８ｂからなるレグと、上アーム２６ｃと下アーム２８ｂからなるレグと、上アーム２６ｄと下アーム２８ｄからなるレグの３組のレグがそれぞれ並列に接続された回路を含んで構成されている。
【００２０】
いずれのレグにおいても、上アーム２６および下アーム２８のスイッチング素子３０のソース又はエミッタはバッテリ１２の負極側に設けられている。また、上アーム２６と下アーム２８との間の接点と回転電機３４の各相のコイル３６とを結ぶ配線３５が設けられている。回転電機３４は好適には三相のモータまたはジェネレータから構成されている。
【００２１】
さらに、充電装置１０はＤＣ／ＤＣコンバータ２０とインバータ２２の各スイッチング素子３０の駆動を制御する制御部３８を備えている。制御部３８はＤＣ／ＤＣコンバータ２０およびインバータ２２に駆動信号を送信する他にも、バッテリ１２の充放電状態や外部の交流電源１４の電力状態等を監視している。制御部３８はＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータから構成され、スイッチング素子３０のオン／オフ動作を制御している。具体的には後述するように、制御部３８はＤＣ／ＤＣコンバータ２０およびインバータ２２の上アーム２６のスイッチング素子３０と、下アーム２８のスイッチング素子３０とが交互にオン状態となるように各スイッチング素子３０のオン／オフ動作を制御している。
【００２２】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とインバータ２２とを接続する２本の配線４３ａ、４３ｂから分岐して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０およびインバータ２２に対して並列に、複数の平滑コンデンサが互いに直列に設けられている。この平滑コンデンサは中点３７を境に、正極側のコンデンサ３９と、負極側のコンデンサ４１とに分けられる。なお、図1においては正極側のコンデンサ３９および負極側のコンデンサ４１をそれぞれ1個のコンデンサとして示したが、それぞれ複数のコンデンサから構成されていても良い。
【００２３】
また、バッテリ１２とリアクトル２４との間には、平滑用のコンデンサ４０がバッテリ１２に対して並列に設けられている。さらに、バッテリ１２とコンデンサ４０との間には回路の開閉を行うスイッチ４２が設けられている。例えば車両の駆動システム稼働時やバッテリ１２の充電時においてスイッチ４２は接続状態となる。
【００２４】
また、充電装置１０は第一の充電用配線４４ａ、４４ｂを備えている。第一の充電用配線４４ａ、４４ｂには外部の交流電源１４に接続するコネクタ４６が設けられている。バッテリ１２の充電時においてはコネクタ４６を外部の交流電源１４のソケットに差し込むことで、第一の充電用配線４４ａ、４４ｂは回転電機３４のコイル３６の中性点４５と平滑コンデンサ３９、４１の中点３７との間に外部の交流電源１４を接続する。また、第一の充電用配線４４ａ、４４ｂには、外部の交流電源１４のリップル電流を除去するためのフィルタ４８を設けてもよい。外部の交流電源１４の電流がコイル３６を通過する際にコイル３６が平滑リアクトルとして機能する。これにより、いわゆる突入電流によってスイッチング素子３０等が破壊されることが防止される。
【００２５】
ここで、インバータ２２、正極側のコンデンサ３９、負極側のコンデンサ４１、回転電機３４のコイル３６、充電用配線４４ａ、４４ｂによってハーフブリッジ回路または単相倍電圧整流回路と呼ばれる整流回路５０（図２参照）が形成される。この整流回路５０によって外部の交流電源１４から送られる交流電力が直流電力に整流される。
【００２６】
次に、バッテリ１２の充電時における、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０および整流回路５０の動作について説明する。まず、整流回路５０の動作について図２から図５を用いて説明する。なお、図２から図５においては、充電装置１０の整流回路５０のみを抜き出してその整流動作を説明する。さらに、図２から図５においてはインバータ２２のレグを１つのみ示し、残りの２つのレグについては図示を省略している。また回転電機３４のコイル３６についても１つのみを示し、残りの２つについては図示を省略している。これはコイル３６の中性点４５に第一の充電用配線４４ａを接続したことによる。すなわち、コイル３６の中性点に第一の充電用配線４４ａを接続することにより、各コイル３６および各コイル３６に接続されたインバータ２２には等しく電力が供給される。つまりいずれのコイル３６およびインバータ２２においてもその動作は等しいと見ることができ、したがって３つのコイル３６および３組のレグをそれぞれ一つにまとめた等価回路に置き換えることができる。このような理解から、図２から図５においてはコイル３６およびレグを1つにまとめて図示している。
【００２７】
整流回路５０における電流の流れは、外部の交流電源１４の電流が正負に切り換わるサイクルと、インバータ２２のスイッチング素子３０のオンオフ動作によって切り替わる。つまり整流回路５０の電流の流れは大きく４つのモード（電流の正負×スイッチング素子３０のオン／オフの組合せからなる４通り）に分けることができる。図２は、外部の交流電源１４の電流が正のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオフ状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオン状態である）ときを示している。このとき、外部の交流電源１４の電流は、回転電機３４のコイル３６→下アーム２８のスイッチング素子３０→負極側のコンデンサ４１→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、負極側のコンデンサ４１は放電状態となる。この状態を以下ではモード１と呼ぶ。
【００２８】
また、外部の交流電源１４の電流が引き続き正のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオン状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオフ状態である）ときの整流回路５０を図３に示す。このとき、外部の交流電源１４の電流は、回転電機３４のコイル３６→上アーム２６の帰還ダイオード３２→正極側のコンデンサ３９→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、正極側のコンデンサ３９は充電状態となる。この状態を以下ではモード２と呼ぶ。
【００２９】
また、外部の交流電源１４の電流が負のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオン状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオフ状態である）ときの整流回路５０を図４に示す。このとき、外部の交流電源１４の電流は、正極側のコンデンサ３９→上アーム２６のスイッチング素子３０→回転電機３４のコイル３６→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、正極側のコンデンサ３９は放電状態となる。この状態を以下ではモード３と呼ぶ。
【００３０】
また、外部の交流電源１４の電流が引き続き負のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオフ状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオン状態である）ときの整流回路５０を図５に示す。このとき、外部の交流電源１４の電流は、負極側のコンデンサ４１→下アーム２８の帰還ダイオード３２→回転電機３４のコイル３６→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、負極側のコンデンサ４１は充電状態となる。この状態を以下ではモード４と呼ぶ。
【００３１】
正極側のコンデンサ３９はモード２において充電され、モード３において放電される。また同様に、負極側のコンデンサ４１はモード４において充電され、モード１において放電される。ここで、図１−５に明らかなように、整流回路５０の出力電圧Ｖ1は、正極側のコンデンサ３９の電圧と負極側のコンデンサ４１の電圧の和となる。上アーム２６および下アーム２８のスイッチング素子３０のオン／オフ制御を行う制御部３８は、充電するモード（モード２、４）の時間が放電するモード（モード１、３）の時間よりも長くなるようにそれぞれのスイッチング素子３０の駆動を制御し、整流回路５０が出力する直流電圧Ｖ1が所定の正の値を有するように調整している。
【００３２】
制御部３８はＰＷＭ制御によって上アーム２６および下アーム２８のスイッチング素子３０のオン／オフ制御を行う。制御部３８には外部の交流電源１４の電流が指令波Ｓとして送られる。また、制御部３８は指令波Ｓの周波数の数倍の周波数の三角波からなるキャリアＣを生成する。図６に示すように、制御部３８は指令波ＳとキャリアＣとの瞬時値を比較し、キャリアＣの値が指令波Ｓの値よりも大きいときは上アーム２６のスイッチング素子３０をオン状態にするとともに下アーム２８のスイッチング素子３０をオフ状態とし、キャリアＣの値が指令波Ｓの値よりも小さいときは上アーム２６のスイッチング素子３０をオフ状態にするとともに下アーム２８のスイッチング素子３０をオン状態とする。なお、図６では理解を容易にするために指令波ＳとキャリアＣの周波数差を小さくしているが、例えば指令波Ｓの周波数を５０〜６０Ｈｚの帯域とし、キャリアＣの周波数を１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの帯域となるように設定してもよい。
【００３３】
また、整流回路５０のような単相倍電圧整流回路の出力電圧Ｖ1は、入力側の交流電圧の最大値の２倍程度になることが知られている。したがって、入力側の交流電源１４の平均電圧値がバッテリ１２の上限電圧値以上である場合、整流回路５０の出力電圧値もバッテリ１２の上限電圧値を超えてしまう。そこで本実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によって整流回路５０の出力電圧Ｖ1をバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧している。
【００３４】
図７、８にＤＣ／ＤＣコンバータ２０の降圧動作を示す。図７に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の上アーム２６に設けられたスイッチング素子３０がオン状態のとき、整流回路から流れる直流電流は上アーム２６のスイッチング素子３０→接点２９→リアクトル２４の経路を流れる。このとき、整流回路５０から直流電力がバッテリ１２に送られるとともにリアクトル２４にも電磁エネルギが蓄積される。次に図８に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の上アーム２６に設けられたスイッチング素子３０がオフ状態となると、整流回路５０からの電流供給が断たれる。このとき、リアクトル２４に逆起電力が発生し、リアクトル２４→バッテリ１２→下アーム２８の帰還ダイオード３２→接点２９の経路で電流が流れる。ここで、上アーム２６のスイッチング素子３０のオン時間をｔON、スイッチング周期Ｔ、整流回路５０の出力電圧をＶ1とすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の平均出力電圧、つまりバッテリ１２に印加される電圧をＶ2は下記数式１のように求めることができる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の上アーム２６及び下アーム２８のスイッチング素子３０のオンオフ制御は制御部３８によって行われる。制御部３８は整流回路５０の出力電圧Ｖ1を検出するとともに、予めメモリ等に記憶されたバッテリ１２の上限電圧値と出力電圧Ｖ1を比較し、図９に示すようにバッテリ１２に印加される電圧Ｖ2が上限電圧値以下となるように上アーム２６のスイッチング素子３０のオン時間ｔONを調整する。また、交流側の入力電力がバッテリ充電電力と等しくなるように、指令波Ｓの振幅を、上アーム２６のスイッチング素子３０のオン時間ｔONに比例した振幅となる様に調整する。
【００３７】
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によってバッテリ１２への印加電圧Ｖ1は上限電圧値以下に制御される。したがってバッテリ１２の過充電を防ぐことができる。なお、上述の実施形態において、下アーム２８のスイッチング素子３０は上述した降圧動作に関与しないため、下アーム２８のスイッチング素子３０をオフ状態に維持していてもよい。
【００３８】
なお、上述した実施形態においては外部の交流電源１４として単相交流電源を用いたが、これに代えて三相交流電源とすることも可能である。図１０には、平滑コンデンサ３９、４１から見てインバータ２２に並列に接続された第二のインバータ５１と、第二の回転電機５２と、第二のインバータ５１と第二の回転電機５２とを接続する配線５３とが設けられている。第二の回転電機５２は三相のモータ又はジェネレータから構成される。充電装置１０が搭載される車両がいわゆるハイブリッド車両である場合、第一の回転電機３４が車両の駆動源となるモータであり、第二の回転電機５２がジェネレータであることが好適である。
【００３９】
また、図１０には外部の交流電源として三相交流電源５４が設けられている。三相交流電源５４は、例えば、三相２００Ｖの家庭用の商用電源とすることが好適である。また、第一の充電用配線４４ａ，４４ｂに加えて、平滑コンデンサ３９、４１の中点３７と、第二の回転電機５２の中性点（図示せず）との間に三相交流電源５４を接続する第二の充電用配線４４ｃが設けられている。このような構成を備えることにより、三相交流電源５４に対応し得る充電装置１０が構成される。
【００４０】
ここで、第二のインバータ５１のスイッチング素子３０の駆動制御は第一のインバータ２２と同様に制御部３８によって行われる。制御部３８は、第一のインバータ２２および第二のインバータ５１のスイッチング素子を制御することにより、三相交流電源である外部の交流電源１４の交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力の電圧は上述した実施形態と同様にＤＣ／ＤＣコンバータ２０によってバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧される。
【００４１】
さらに、三相交流電源５４と充電装置１０とを接続する第一の充電用配線４４ａ、４４ｂおよび第二の充電用配線４４ｃの他に、単相交流電源用の第二の整流回路及び第三の充電用配線５６を設けることにより、三相交流電源５４と単相交流電源とを交流電源として選択的に使用することができる。図１１を参照して、この変形例について説明する。
【００４２】
図１１で示す充電装置１０には、図１０で示した回路に加えて、バッテリ１２から見てＤＣ／ＤＣコンバータ２０に並列に接続された第二の整流回路５８と、単相交流電源６０とが設けられている。単相交流電源６０は、単相１００Ｖの家庭用の商用電源であると好適である。第二の整流回路５８は、直列に接続された上アーム２６ｈ及び下アーム２８ｈと、上アーム２６ｈと下アーム２８ｈとの間の接点６２とバッテリ１２との間に設けられた第二のリアクトル６４およびスイッチ６６とを備える。また、第三の充電用配線５６ａ、５６ｂは、第二のリアクトル６４とスイッチ６６との間、つまり、第二の整流回路５８とバッテリ１２の正極とを接続する配線上に設けられた入力接点６８と、平滑コンデンサ３９、４１の中点３７に、単相交流電源６０を接続している。なお、第三の充電用配線５６ａ、５６ｂは、第一の充電用配線４４ａ、４４ｂ、４４ｃと同様に、単相交流電源６０へのコネクタ７０と、単相交流電源６０からのリップル電流を除去するためのフィルタを設けても良い。
【００４３】
バッテリ１２の充電時においては、充電のための交流電源として三相交流電源５４か単相交流電源６０のどちらか一つを選択する。例えば選択された方の交流電源のみコネクタを接続する。単相交流電源６０の充電時においては単相交流電源６０とバッテリ１２との短絡を防止するためにスイッチ６６が切られる。
【００４４】
また、第二の整流回路５８のスイッチング素子３０の駆動制御は制御部３８によって行われる。制御部３８は、第二の整流回路５８のスイッチング素子３０を制御することにより、単相交流電源６０の交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力の電圧は上述した実施形態と同様にＤＣ／ＤＣコンバータ２０によってバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧される。
【００４５】
また、図１１に示す回路に代えて、図１２に示すように、第三の充電用配線５６ａの接続先を平滑コンデンサ３９、４１の中点３７からインバータ２２のいずれかのレグにおける上アーム２６および下アーム２８間の接点７１に代えてもよい。図１１では上アーム２６ｃ及び下アーム２６ｃ間の接点７１を第三の充電用配線５６ａの接続先としている。この場合、インバータ２２の上アーム２６ｃおよび下アーム２８ｃと、第二の整流回路５８と、第三の充電用配線５６ａ、５６ｂとによってフルブリッジコンバータが形成され、安定的に交流電力から直流電力への変換を行うことができる。
【００４６】
さらに、図１３に示すように、三相交流電源５４、単相交流電源６０に加えて、第二の単相交流電源７２をバッテリ１２の充電源としてもよい。ここで、第二の単相交流電源７２は単相２００Ｖの交流電源であることが好適である。日本における家庭用の商用電源は１００Ｖの単相交流、２００Ｖの単相交流、２００Ｖの三相交流の３者であることから、図１３に示す回路によって家庭用の商用電源のいずれも充電源として使用することができる。
【００４７】
図１３においては、第四の充電用配線７４ａ、７４ｂが、第一の回転電機３４または第二の回転電機５２のいずれかの中性点および平滑コンデンサ３９、４１の中点３７と第二の単相交流電源７２を接続している。第四の充電用配線７４ａ、７４ｂにもコネクタ７６が設けられており、当該コネクタ７６を第二の単相交流電源７２のソケット７８に差し込む。これにより、第二の単相交流電源７２から充電装置１０に交流電力が送られる。
【００４８】
制御部３８は、第二の単相交流電源７２の接続状態に応じて駆動させるインバータを選択する。すなわち、第二の単相交流電源７２が第一の回転電機３４と平滑コンデンサ３９、４１の中点３７との間に接続されている場合は第一のインバータ２２を駆動させて電力変換を行う。また、第二の単相交流電源７２が第二の回転電機５２と平滑コンデンサ３９、４１の中点３７との間に接続されている場合は第二のインバータ５１を駆動させて電力変換を行う。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 充電装置、１２ バッテリ、１４ 交流電源、２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２ インバータ、２４ リアクトル、２６ 上アーム、２８ 下アーム、２９ 接点、３０ スイッチング素子、３２ 帰還ダイオード、３４ 回転電機、３５ インバータと回転電機とを結ぶ配線、３６ コイル、３７ コンデンサの中点、３８ 制御部、３９ 正極側コンデンサ、４０ 平滑コンデンサ、４１ 負極側コンデンサ、４２ スイッチ、４３ インバータとＤＣ／ＤＣコンバータとを結ぶ配線、４４ａ、ｂ 第一の充電用配線、４４ｃ、第二の充電用配線、４５ 中性点、４６ コネクタ、４８ フィルタ、５０ 整流回路、５１ 第二のインバータ、５２ 第二の回転電機、５４ 三相交流電源、５６ 第三の充電用配線、５８ 第二の整流回路、６０ 単相交流電源、６２ 上下アームの間の接点、６４ 第二の整流回路のリアクトル、６６ 第二の整流回路のスイッチ、６８ 入力接点、７１ 上下アームの接点、７２ 第二の単相交流電源、７４ 第四の充電用配線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリの充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関と回転電機を駆動源とするいわゆるハイブリッド車や、回転電機のみを駆動源とする電池車両においては、回転電機に電力を供給するバッテリが搭載されている。近年、バッテリの充電システムとして、外部電源からバッテリに電力を引くプラグインシステムと呼ばれる充電システムが知られている。例えば特許文献１においては、回転電機のコイルとインバータ回路を整流回路として利用し、外部の交流電源からの交流電力を直流電力に変換してバッテリを充電している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１２６１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、バッテリは過充電の状態になると劣化に繋がることから、充電電圧について上限値が予め定められている。バッテリの充電時において整流回路からバッテリに印加される電圧がこの上限値を超えている場合、過充電のおそれがあることからバッテリへの電力供給を中断しなければならなくなり、バッテリの充電が十分に行えないおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は整流回路の出力電圧を調整可能なバッテリの充電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はバッテリの充電装置に関する。充電装置は、バッテリの放電時にバッテリから出力される直流電圧を昇圧するとともに、バッテリの充電時にバッテリに印加される直流電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧された直流電力を交流電力に変換して第一の回転電機に交流電力を供給するとともに、第一の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第一の変換回路を備える。さらに、第一の回転電機の中性点に接続される第一の配線と、ＤＣ／ＤＣコンバータと第一の変換回路との間にＤＣ／ＤＣコンバータ及び第一の変換回路に対して並列に接続されるともに互いに直列接続された複数個のコンデンサの中点に接続される第二の配線と、の間に第一の交流電源を接続することを可能とする第一の充電用配線を備える。さらに、第一の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧する制御部を備える。
【０００７】
また、上記発明において、第一の交流電源は三相交流電源であって、ＤＣ／ＤＣコンバータに対して第一の変換回路に並列に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧された直流電力を交流電力に変換して第二の回転電機に交流電力を供給するとともに、第二の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第二の変換回路を備えることが好適である。さらに、第二の回転電機の中性点に接続される第三の配線と、第二の配線との間に第一の交流電源を接続することを可能とする第二の充電用配線と、を備えることが好適である。この構成において、制御部は、第一及び第二の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧する。
【０００８】
また、上記発明において、バッテリに対してＤＣ／ＤＣコンバータに並列に接続され、交流電力を直流電力に変換する第三の変換回路と、第三の変換回路とバッテリの正極側とを結ぶ配線と、第二の配線との間に第一の単相交流電源を接続することを可能とする第三の充電用配線と、を備えることが好適である。この構成において、制御部は、第三の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、第一の単相交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧する。
【０００９】
また、上記発明において、第一の単相交流電源とは異なる定格電圧の第二の単相交流電源を、第一または第三の配線のいずれか一方と、第二の配線との間に接続することを可能とする第四の充電用配線を備えることが好適である。この場合において制御部は、第一の変換回路に設けられたスイッチング素子の駆動を制御することにより、第一の配線と第二の配線との間に接続された第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換し、または、第二の変換回路に設けられたスイッチング素子の駆動を制御することにより、第二の配線と第三の配線との間に接続された第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値をバッテリの上限電圧値以下に降圧することが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、整流回路の出力電圧を調整可能なバッテリの充電装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図２】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図３】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図４】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図５】充電時のインバータの動作を説明する図である。
【図６】制御部によるインバータ制御を説明する図である。
【図７】充電時のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する図である。
【図８】充電時のＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する図である。
【図９】制御部によるＤＣ／ＤＣコンバータの制御を説明する図である。
【図１０】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図１１】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図１２】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【図１３】他の実施形態に掛かるバッテリの充電装置を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係るバッテリの充電装置１０を図１に例示する。充電装置１０はバッテリ１２に接続されるとともに、バッテリ１２の充電時には外部の交流電源１４にも接続される。充電装置１０およびバッテリ１２は好適にはハイブリッド車両や電池車両に搭載される。
【００１３】
バッテリ１２は好適にはニッケル水素電池のセルを積層したバッテリーモジュールから構成された二次電池である。なお、バッテリ１２の過充電及び過放電を抑えるため、バッテリ１２の電圧値には上限電圧値および下限電圧値が定められている。例えば下限電圧値は２００Ｖに定められ、上限電圧値は３３０Ｖに定められている。バッテリ１２の電圧値が下限電圧値より下回ることがなく、かつ、上限電圧値よりも上回ることのないように、後述する制御部３８によってバッテリ１２の充電状態および放電状態が管理されている。
【００１４】
また、外部の交流電源１４は好適には一般家庭に引かれる商用電源であり、図１の実施形態においては単相１００Ｖまたは単相２００Ｖの交流電源である。
【００１５】
充電装置１０はＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、インバータ２２とを備えている。インバータ２２は、交流電力と直流電力の間の電力変換を行う双方向交直変換回路を含んで構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、電圧の昇降圧とを行う双方向昇降圧回路を含んで構成される。充電装置１０は、バッテリ１２の充電時にはインバータ２２による交流電力から直流電力の変換（順変換）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０による変換後の直流電力の降圧を行う。さらに、バッテリ１２の放電時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によるバッテリ１２の直流電力の昇圧と、インバータ２２による昇圧後の直流電力から交流電力への変換（逆変換）を行う。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、バッテリ１２に対して直列に接続されたリアクトル２４と、互いに直列に接続された上アーム２６（２６ａ）及び下アーム２８（２８ａ）とを備えている。
【００１７】
上アーム２６及び下アーム２８は、スイッチング素子３０と当該スイッチング素子３０とは逆並列に接続された帰還ダイオード３２のペアを指している。さらに、上アーム２６と下アーム２８の組合せをレグと呼ぶ。スイッチング素子３０は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴからなる半導体デバイスから構成されている。
【００１８】
リアクトル２４はバッテリ１２の正極側と、上アーム２６ａと下アーム２８ａとの間の接点２９とに接続されている。上アーム２６ａのスイッチング素子３０のソースまたはエミッタはリアクトル２４の接点２９側に設けられている。また、下アーム２８ａのスイッチング素子３０のソース又はエミッタはバッテリ１２の負極側に設けられている。
【００１９】
インバータ２２はバッテリ１２から見てＤＣ／ＤＣコンバータ２０と並列に接続されている。インバータ２２は上アーム２６ｂと下アーム２８ｂからなるレグと、上アーム２６ｃと下アーム２８ｂからなるレグと、上アーム２６ｄと下アーム２８ｄからなるレグの３組のレグがそれぞれ並列に接続された回路を含んで構成されている。
【００２０】
いずれのレグにおいても、上アーム２６および下アーム２８のスイッチング素子３０のソース又はエミッタはバッテリ１２の負極側に設けられている。また、上アーム２６と下アーム２８との間の接点と回転電機３４の各相のコイル３６とを結ぶ配線３５が設けられている。回転電機３４は好適には三相のモータまたはジェネレータから構成されている。
【００２１】
さらに、充電装置１０はＤＣ／ＤＣコンバータ２０とインバータ２２の各スイッチング素子３０の駆動を制御する制御部３８を備えている。制御部３８はＤＣ／ＤＣコンバータ２０およびインバータ２２に駆動信号を送信する他にも、バッテリ１２の充放電状態や外部の交流電源１４の電力状態等を監視している。制御部３８はＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータから構成され、スイッチング素子３０のオン／オフ動作を制御している。具体的には後述するように、制御部３８はＤＣ／ＤＣコンバータ２０およびインバータ２２の上アーム２６のスイッチング素子３０と、下アーム２８のスイッチング素子３０とが交互にオン状態となるように各スイッチング素子３０のオン／オフ動作を制御している。
【００２２】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とインバータ２２とを接続する２本の配線４３ａ、４３ｂから分岐して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０およびインバータ２２に対して並列に、複数の平滑コンデンサが互いに直列に設けられている。この平滑コンデンサは中点３７を境に、正極側のコンデンサ３９と、負極側のコンデンサ４１とに分けられる。なお、図1においては正極側のコンデンサ３９および負極側のコンデンサ４１をそれぞれ1個のコンデンサとして示したが、それぞれ複数のコンデンサから構成されていても良い。
【００２３】
また、バッテリ１２とリアクトル２４との間には、平滑用のコンデンサ４０がバッテリ１２に対して並列に設けられている。さらに、バッテリ１２とコンデンサ４０との間には回路の開閉を行うスイッチ４２が設けられている。例えば車両の駆動システム稼働時やバッテリ１２の充電時においてスイッチ４２は接続状態となる。
【００２４】
また、充電装置１０は第一の充電用配線４４ａ、４４ｂを備えている。第一の充電用配線４４ａ、４４ｂには外部の交流電源１４に接続するコネクタ４６が設けられている。バッテリ１２の充電時においてはコネクタ４６を外部の交流電源１４のソケットに差し込むことで、第一の充電用配線４４ａ、４４ｂは回転電機３４のコイル３６の中性点４５と平滑コンデンサ３９、４１の中点３７との間に外部の交流電源１４を接続する。また、第一の充電用配線４４ａ、４４ｂには、外部の交流電源１４のリップル電流を除去するためのフィルタ４８を設けてもよい。外部の交流電源１４の電流がコイル３６を通過する際にコイル３６が平滑リアクトルとして機能する。これにより、いわゆる突入電流によってスイッチング素子３０等が破壊されることが防止される。
【００２５】
ここで、インバータ２２、正極側のコンデンサ３９、負極側のコンデンサ４１、回転電機３４のコイル３６、充電用配線４４ａ、４４ｂによってハーフブリッジ回路または単相倍電圧整流回路と呼ばれる整流回路５０（図２参照）が形成される。この整流回路５０によって外部の交流電源１４から送られる交流電力が直流電力に整流される。
【００２６】
次に、バッテリ１２の充電時における、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０および整流回路５０の動作について説明する。まず、整流回路５０の動作について図２から図５を用いて説明する。なお、図２から図５においては、充電装置１０の整流回路５０のみを抜き出してその整流動作を説明する。さらに、図２から図５においてはインバータ２２のレグを１つのみ示し、残りの２つのレグについては図示を省略している。また回転電機３４のコイル３６についても１つのみを示し、残りの２つについては図示を省略している。これはコイル３６の中性点４５に第一の充電用配線４４ａを接続したことによる。すなわち、コイル３６の中性点に第一の充電用配線４４ａを接続することにより、各コイル３６および各コイル３６に接続されたインバータ２２には等しく電力が供給される。つまりいずれのコイル３６およびインバータ２２においてもその動作は等しいと見ることができ、したがって３つのコイル３６および３組のレグをそれぞれ一つにまとめた等価回路に置き換えることができる。このような理解から、図２から図５においてはコイル３６およびレグを1つにまとめて図示している。
【００２７】
整流回路５０における電流の流れは、外部の交流電源１４の電流が正負に切り換わるサイクルと、インバータ２２のスイッチング素子３０のオンオフ動作によって切り替わる。つまり整流回路５０の電流の流れは大きく４つのモード（電流の正負×スイッチング素子３０のオン／オフの組合せからなる４通り）に分けることができる。図２は、外部の交流電源１４の電流が正のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオフ状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオン状態である）ときを示している。このとき、外部の交流電源１４の電流は、回転電機３４のコイル３６→下アーム２８のスイッチング素子３０→負極側のコンデンサ４１→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、負極側のコンデンサ４１は放電状態となる。この状態を以下ではモード１と呼ぶ。
【００２８】
また、外部の交流電源１４の電流が引き続き正のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオン状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオフ状態である）ときの整流回路５０を図３に示す。このとき、外部の交流電源１４の電流は、回転電機３４のコイル３６→上アーム２６の帰還ダイオード３２→正極側のコンデンサ３９→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、正極側のコンデンサ３９は充電状態となる。この状態を以下ではモード２と呼ぶ。
【００２９】
また、外部の交流電源１４の電流が負のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオン状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオフ状態である）ときの整流回路５０を図４に示す。このとき、外部の交流電源１４の電流は、正極側のコンデンサ３９→上アーム２６のスイッチング素子３０→回転電機３４のコイル３６→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、正極側のコンデンサ３９は放電状態となる。この状態を以下ではモード３と呼ぶ。
【００３０】
また、外部の交流電源１４の電流が引き続き負のサイクルにあり、かつ、上アーム２６のスイッチング素子３０がオフ状態である（下アーム２８のスイッチング素子３０がオン状態である）ときの整流回路５０を図５に示す。このとき、外部の交流電源１４の電流は、負極側のコンデンサ４１→下アーム２８の帰還ダイオード３２→回転電機３４のコイル３６→外部の交流電源１４との経路を流れる。このとき、負極側のコンデンサ４１は充電状態となる。この状態を以下ではモード４と呼ぶ。
【００３１】
正極側のコンデンサ３９はモード２において充電され、モード３において放電される。また同様に、負極側のコンデンサ４１はモード４において充電され、モード１において放電される。ここで、図１−５に明らかなように、整流回路５０の出力電圧Ｖ1は、正極側のコンデンサ３９の電圧と負極側のコンデンサ４１の電圧の和となる。上アーム２６および下アーム２８のスイッチング素子３０のオン／オフ制御を行う制御部３８は、充電するモード（モード２、４）の時間が放電するモード（モード１、３）の時間よりも長くなるようにそれぞれのスイッチング素子３０の駆動を制御し、整流回路５０が出力する直流電圧Ｖ1が所定の正の値を有するように調整している。
【００３２】
制御部３８はＰＷＭ制御によって上アーム２６および下アーム２８のスイッチング素子３０のオン／オフ制御を行う。制御部３８には外部の交流電源１４の電流が指令波Ｓとして送られる。また、制御部３８は指令波Ｓの周波数の数倍の周波数の三角波からなるキャリアＣを生成する。図６に示すように、制御部３８は指令波ＳとキャリアＣとの瞬時値を比較し、キャリアＣの値が指令波Ｓの値よりも大きいときは上アーム２６のスイッチング素子３０をオン状態にするとともに下アーム２８のスイッチング素子３０をオフ状態とし、キャリアＣの値が指令波Ｓの値よりも小さいときは上アーム２６のスイッチング素子３０をオフ状態にするとともに下アーム２８のスイッチング素子３０をオン状態とする。なお、図６では理解を容易にするために指令波ＳとキャリアＣの周波数差を小さくしているが、例えば指令波Ｓの周波数を５０〜６０Ｈｚの帯域とし、キャリアＣの周波数を１０ｋＨｚ〜２０ｋＨｚの帯域となるように設定してもよい。
【００３３】
また、整流回路５０のような単相倍電圧整流回路の出力電圧Ｖ1は、入力側の交流電圧の最大値の２倍程度になることが知られている。したがって、入力側の交流電源１４の平均電圧値がバッテリ１２の上限電圧値以上である場合、整流回路５０の出力電圧値もバッテリ１２の上限電圧値を超えてしまう。そこで本実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によって整流回路５０の出力電圧Ｖ1をバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧している。
【００３４】
図７、８にＤＣ／ＤＣコンバータ２０の降圧動作を示す。図７に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の上アーム２６に設けられたスイッチング素子３０がオン状態のとき、整流回路から流れる直流電流は上アーム２６のスイッチング素子３０→接点２９→リアクトル２４の経路を流れる。このとき、整流回路５０から直流電力がバッテリ１２に送られるとともにリアクトル２４にも電磁エネルギが蓄積される。次に図８に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の上アーム２６に設けられたスイッチング素子３０がオフ状態となると、整流回路５０からの電流供給が断たれる。このとき、リアクトル２４に逆起電力が発生し、リアクトル２４→バッテリ１２→下アーム２８の帰還ダイオード３２→接点２９の経路で電流が流れる。ここで、上アーム２６のスイッチング素子３０のオン時間をｔON、スイッチング周期Ｔ、整流回路５０の出力電圧をＶ1とすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の平均出力電圧、つまりバッテリ１２に印加される電圧をＶ2は下記数式１のように求めることができる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の上アーム２６及び下アーム２８のスイッチング素子３０のオンオフ制御は制御部３８によって行われる。制御部３８は整流回路５０の出力電圧Ｖ1を検出するとともに、予めメモリ等に記憶されたバッテリ１２の上限電圧値と出力電圧Ｖ1を比較し、図９に示すようにバッテリ１２に印加される電圧Ｖ2が上限電圧値以下となるように上アーム２６のスイッチング素子３０のオン時間ｔONを調整する。また、交流側の入力電力がバッテリ充電電力と等しくなるように、指令波Ｓの振幅を、上アーム２６のスイッチング素子３０のオン時間ｔONに比例した振幅となる様に調整する。
【００３７】
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によってバッテリ１２への印加電圧Ｖ1は上限電圧値以下に制御される。したがってバッテリ１２の過充電を防ぐことができる。なお、上述の実施形態において、下アーム２８のスイッチング素子３０は上述した降圧動作に関与しないため、下アーム２８のスイッチング素子３０をオフ状態に維持していてもよい。
【００３８】
なお、上述した実施形態においては外部の交流電源１４として単相交流電源を用いたが、これに代えて三相交流電源とすることも可能である。図１０には、平滑コンデンサ３９、４１から見てインバータ２２に並列に接続された第二のインバータ５１と、第二の回転電機５２と、第二のインバータ５１と第二の回転電機５２とを接続する配線５３とが設けられている。第二の回転電機５２は三相のモータ又はジェネレータから構成される。充電装置１０が搭載される車両がいわゆるハイブリッド車両である場合、第一の回転電機３４が車両の駆動源となるモータであり、第二の回転電機５２がジェネレータであることが好適である。
【００３９】
また、図１０には外部の交流電源として三相交流電源５４が設けられている。三相交流電源５４は、例えば、三相２００Ｖの家庭用の商用電源とすることが好適である。また、第一の充電用配線４４ａ，４４ｂに加えて、平滑コンデンサ３９、４１の中点３７と、第二の回転電機５２の中性点（図示せず）との間に三相交流電源５４を接続する第二の充電用配線４４ｃが設けられている。このような構成を備えることにより、三相交流電源５４に対応し得る充電装置１０が構成される。
【００４０】
ここで、第二のインバータ５１のスイッチング素子３０の駆動制御は第一のインバータ２２と同様に制御部３８によって行われる。制御部３８は、第一のインバータ２２および第二のインバータ５１のスイッチング素子を制御することにより、三相交流電源である外部の交流電源１４の交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力の電圧は上述した実施形態と同様にＤＣ／ＤＣコンバータ２０によってバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧される。
【００４１】
さらに、三相交流電源５４と充電装置１０とを接続する第一の充電用配線４４ａ、４４ｂおよび第二の充電用配線４４ｃの他に、単相交流電源用の第二の整流回路及び第三の充電用配線５６を設けることにより、三相交流電源５４と単相交流電源とを交流電源として選択的に使用することができる。図１１を参照して、この変形例について説明する。
【００４２】
図１１で示す充電装置１０には、図１０で示した回路に加えて、バッテリ１２から見てＤＣ／ＤＣコンバータ２０に並列に接続された第二の整流回路５８と、単相交流電源６０とが設けられている。単相交流電源６０は、単相１００Ｖの家庭用の商用電源であると好適である。第二の整流回路５８は、直列に接続された上アーム２６ｈ及び下アーム２８ｈと、上アーム２６ｈと下アーム２８ｈとの間の接点６２とバッテリ１２との間に設けられた第二のリアクトル６４およびスイッチ６６とを備える。また、第三の充電用配線５６ａ、５６ｂは、第二のリアクトル６４とスイッチ６６との間、つまり、第二の整流回路５８とバッテリ１２の正極とを接続する配線上に設けられた入力接点６８と、平滑コンデンサ３９、４１の中点３７に、単相交流電源６０を接続している。なお、第三の充電用配線５６ａ、５６ｂは、第一の充電用配線４４ａ、４４ｂ、４４ｃと同様に、単相交流電源６０へのコネクタ７０と、単相交流電源６０からのリップル電流を除去するためのフィルタを設けても良い。
【００４３】
バッテリ１２の充電時においては、充電のための交流電源として三相交流電源５４か単相交流電源６０のどちらか一つを選択する。例えば選択された方の交流電源のみコネクタを接続する。単相交流電源６０の充電時においては単相交流電源６０とバッテリ１２との短絡を防止するためにスイッチ６６が切られる。
【００４４】
また、第二の整流回路５８のスイッチング素子３０の駆動制御は制御部３８によって行われる。制御部３８は、第二の整流回路５８のスイッチング素子３０を制御することにより、単相交流電源６０の交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力の電圧は上述した実施形態と同様にＤＣ／ＤＣコンバータ２０によってバッテリ１２の上限電圧値以下に降圧される。
【００４５】
また、図１１に示す回路に代えて、図１２に示すように、第三の充電用配線５６ａの接続先を平滑コンデンサ３９、４１の中点３７からインバータ２２のいずれかのレグにおける上アーム２６および下アーム２８間の接点７１に代えてもよい。図１１では上アーム２６ｃ及び下アーム２６ｃ間の接点７１を第三の充電用配線５６ａの接続先としている。この場合、インバータ２２の上アーム２６ｃおよび下アーム２８ｃと、第二の整流回路５８と、第三の充電用配線５６ａ、５６ｂとによってフルブリッジコンバータが形成され、安定的に交流電力から直流電力への変換を行うことができる。
【００４６】
さらに、図１３に示すように、三相交流電源５４、単相交流電源６０に加えて、第二の単相交流電源７２をバッテリ１２の充電源としてもよい。ここで、第二の単相交流電源７２は単相２００Ｖの交流電源であることが好適である。日本における家庭用の商用電源は１００Ｖの単相交流、２００Ｖの単相交流、２００Ｖの三相交流の３者であることから、図１３に示す回路によって家庭用の商用電源のいずれも充電源として使用することができる。
【００４７】
図１３においては、第四の充電用配線７４ａ、７４ｂが、第一の回転電機３４または第二の回転電機５２のいずれかの中性点および平滑コンデンサ３９、４１の中点３７と第二の単相交流電源７２を接続している。第四の充電用配線７４ａ、７４ｂにもコネクタ７６が設けられており、当該コネクタ７６を第二の単相交流電源７２のソケット７８に差し込む。これにより、第二の単相交流電源７２から充電装置１０に交流電力が送られる。
【００４８】
制御部３８は、第二の単相交流電源７２の接続状態に応じて駆動させるインバータを選択する。すなわち、第二の単相交流電源７２が第一の回転電機３４と平滑コンデンサ３９、４１の中点３７との間に接続されている場合は第一のインバータ２２を駆動させて電力変換を行う。また、第二の単相交流電源７２が第二の回転電機５２と平滑コンデンサ３９、４１の中点３７との間に接続されている場合は第二のインバータ５１を駆動させて電力変換を行う。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 充電装置、１２ バッテリ、１４ 交流電源、２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２ インバータ、２４ リアクトル、２６ 上アーム、２８ 下アーム、２９ 接点、３０ スイッチング素子、３２ 帰還ダイオード、３４ 回転電機、３５ インバータと回転電機とを結ぶ配線、３６ コイル、３７ コンデンサの中点、３８ 制御部、３９ 正極側コンデンサ、４０ 平滑コンデンサ、４１ 負極側コンデンサ、４２ スイッチ、４３ インバータとＤＣ／ＤＣコンバータとを結ぶ配線、４４ａ、ｂ 第一の充電用配線、４４ｃ、第二の充電用配線、４５ 中性点、４６ コネクタ、４８ フィルタ、５０ 整流回路、５１ 第二のインバータ、５２ 第二の回転電機、５４ 三相交流電源、５６ 第三の充電用配線、５８ 第二の整流回路、６０ 単相交流電源、６２ 上下アームの間の接点、６４ 第二の整流回路のリアクトル、６６ 第二の整流回路のスイッチ、６８ 入力接点、７１ 上下アームの接点、７２ 第二の単相交流電源、７４ 第四の充電用配線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの放電時に前記バッテリから出力される直流電圧を昇圧するとともに、前記バッテリの充電時に前記バッテリに印加される直流電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記昇圧された直流電力を交流電力に変換して第一の回転電機に交流電力を供給するとともに、前記第一の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第一の変換回路と、
前記第一の回転電機の中性点に接続される第一の配線と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第一の変換回路との間に前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第一の変換回路に対して並列に接続されるともに互いに直列接続された複数個のコンデンサの中点に接続される第二の配線と、の間に第一の交流電源を接続することを可能とする第一の充電用配線と、
前記第一の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧する制御部と、
を備えたことを特徴とする、バッテリの充電装置。
【請求項２】
請求項１記載の充電装置であって、
前記第一の交流電源は三相交流電源であって、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して前記第一の変換回路に並列に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧された直流電力を交流電力に変換して第二の回転電機に交流電力を供給するとともに、前記第二の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第二の変換回路と、
前記第二の回転電機の中性点に接続される第三の配線と、前記第二の配線との間に前記第一の交流電源を接続することを可能とする第二の充電用配線と、を備え、
前記制御部は、前記第一及び前記第二の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧することを特徴とする、バッテリの充電装置。
【請求項３】
請求項２記載の充電装置であって、
前記バッテリに対して前記ＤＣ／ＤＣコンバータに並列に接続され、交流電力を直流電力に変換する第三の変換回路と、
前記第三の変換回路と前記バッテリの正極側とを結ぶ配線と、前記第二の配線との間に第一の単相交流電源を接続することを可能とする第三の充電用配線と、を備え、
前記制御部は、前記第三の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の単相交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧することを特徴とする、バッテリの充電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の充電装置であって、
前記第一の単相交流電源とは異なる定格電圧の第二の単相交流電源を、前記第一または第三の配線のいずれか一方と、前記第二の配線との間に接続することを可能とする第四の充電用配線を備え、
前記制御部は、前記第一の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の配線と前記第二の配線との間に接続された前記第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換し、または、前記第二の変換回路に設けられたスイッチング素子の駆動を制御することにより、前記第二の配線と前記第三の配線との間に接続された前記第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧することを特徴とする、バッテリの充電装置。
【請求項１】
バッテリの放電時に前記バッテリから出力される直流電圧を昇圧するとともに、前記バッテリの充電時に前記バッテリに印加される直流電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記昇圧された直流電力を交流電力に変換して第一の回転電機に交流電力を供給するとともに、前記第一の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第一の変換回路と、
前記第一の回転電機の中性点に接続される第一の配線と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第一の変換回路との間に前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第一の変換回路に対して並列に接続されるともに互いに直列接続された複数個のコンデンサの中点に接続される第二の配線と、の間に第一の交流電源を接続することを可能とする第一の充電用配線と、
前記第一の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧する制御部と、
を備えたことを特徴とする、バッテリの充電装置。
【請求項２】
請求項１記載の充電装置であって、
前記第一の交流電源は三相交流電源であって、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して前記第一の変換回路に並列に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧された直流電力を交流電力に変換して第二の回転電機に交流電力を供給するとともに、前記第二の回転電機から送られる交流電力を直流電力に変換する第二の変換回路と、
前記第二の回転電機の中性点に接続される第三の配線と、前記第二の配線との間に前記第一の交流電源を接続することを可能とする第二の充電用配線と、を備え、
前記制御部は、前記第一及び前記第二の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧することを特徴とする、バッテリの充電装置。
【請求項３】
請求項２記載の充電装置であって、
前記バッテリに対して前記ＤＣ／ＤＣコンバータに並列に接続され、交流電力を直流電力に変換する第三の変換回路と、
前記第三の変換回路と前記バッテリの正極側とを結ぶ配線と、前記第二の配線との間に第一の単相交流電源を接続することを可能とする第三の充電用配線と、を備え、
前記制御部は、前記第三の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の単相交流電源の交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧することを特徴とする、バッテリの充電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の充電装置であって、
前記第一の単相交流電源とは異なる定格電圧の第二の単相交流電源を、前記第一または第三の配線のいずれか一方と、前記第二の配線との間に接続することを可能とする第四の充電用配線を備え、
前記制御部は、前記第一の変換回路に設けられたスイッチング素子を制御することにより、前記第一の配線と前記第二の配線との間に接続された前記第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換し、または、前記第二の変換回路に設けられたスイッチング素子の駆動を制御することにより、前記第二の配線と前記第三の配線との間に接続された前記第二の単相交流電源交流電力を直流電力に変換するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられたスイッチング素子を制御することにより、変換後の直流電力の電圧値を前記バッテリの上限電圧値以下に降圧することを特徴とする、バッテリの充電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１３５１７３（Ｐ２０１２−１３５１７３Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７４３６（Ｐ２０１０−２８７４３６）
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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