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公開番号2021112073
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210802
出願番号2020003708
出願日20200114
発明の名称充電器
出願人株式会社豊田自動織機
代理人個人,個人
主分類H02J 7/10 20060101AFI20210705BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】出力電圧の範囲を広くすることと、高効率化の両立を図ること。
【解決手段】充電器10は、第1の双方向コンバータ21と、第2の双方向コンバータ31と、制御部41と、を備える。第1の双方向コンバータ21及び第2の双方向コンバータ31は、デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータである。第1の双方向コンバータ21は、第1のトランスを備える。第2の双方向コンバータ31は、第1のトランスとは巻数比が異なる第2のトランスを備える。制御部41は、第1の双方向コンバータ21及び第2の双方向コンバータ31の少なくともいずれかを動作させることでバッテリBの充電を行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
定格電圧の異なる複数のバッテリを充電可能な充電器であって、
デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータであって第1のトランスを有する第1の双方向コンバータと、
デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータであって前記第1のトランスとは巻数比が異なる第2のトランスを有する第2の双方向コンバータと、
前記第1の双方向コンバータ及び前記第2の双方向コンバータの少なくともいずれを動作させることで前記バッテリの充電を行う充電制御部と、を備える充電器。
続きを表示(約 150 文字)【請求項2】
前記第1の双方向コンバータ及び前記第2の双方向コンバータのそれぞれは、
1次側回路と、
2次側回路と、を備え、
前記1次側回路及び前記2次側回路のそれぞれは、ソフトスイッチングされるスイッチング素子をフルブリッジ接続したブリッジ回路である請求項1に記載の充電器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、充電器に関する。
続きを表示(約 7,600 文字)【背景技術】
【0002】
バッテリを充電する充電器は、入力電圧を変圧して出力電圧として出力するDC/DCコンバータを備える。DC/DCコンバータは、バッテリの定格電圧に対応した出力電圧を出力するように設定されている。DC/DCコンバータとしては、デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータが用いられる場合がある。特許文献1に記載されているように、デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータは、1次側回路と、2次側回路と、1次側回路に入力された入力電圧を変圧して2次側回路に出力するトランスと、を備える。1次側回路及び2次側回路のそれぞれは、スイッチング素子をフルブリッジ接続したブリッジ回路である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2017−204932号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
充電器によって定格電圧の異なる複数のバッテリを充電する場合、それぞれのバッテリの定格電圧に対応した出力電圧を出力できるように充電器を構成する必要がある。双方向コンバータの出力電圧の範囲を広くすることで、複数のバッテリの定格電圧に対応した出力電圧を出力することができる。しかしながら、特許文献1に記載されているように、デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータでは、出力電圧にトランスの巻数比を乗算した値と入力電圧との乖離が大きい程、効率が低下する。トランスの巻数比を一定とした場合、双方向コンバータの出力電圧の範囲を広くする程、出力電圧にトランスの巻数比を乗算した値と入力電圧との乖離が大きくなる範囲も広くなる。即ち、双方向コンバータの出力電圧の範囲を広くしようとすると効率が低下しやすく、出力電圧の範囲を広くすることと、高効率化の両立を図ることが困難である。
【0005】
本発明の目的は、出力電圧の範囲を広くすることと、高効率化の両立を図ることができる充電器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決する充電器は、定格電圧の異なる複数のバッテリを充電可能な充電器であって、デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータであって第1のトランスを有する第1の双方向コンバータと、デュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータであって前記第1のトランスとは巻数比が異なる第2のトランスを有する第2の双方向コンバータと、前記第1の双方向コンバータ及び前記第2の双方向コンバータの少なくともいずれを動作させることで前記バッテリの充電を行う充電制御部と、を備える。
【0007】
第1のトランスと第2のトランスとを異なる巻数比としているため、第1の双方向コンバータと第2の双方向コンバータでは、出力電圧の範囲が異なる。出力電圧に合わせて、効率良くバッテリの充電を行える双方向コンバータを選択することができる。従って、単数の双方向コンバータを用いる場合に比べて、出力電圧の範囲を広くすることと、高効率化の両立を図ることができる。
【0008】
上記充電器について、前記第1の双方向コンバータ及び前記第2の双方向コンバータのそれぞれは、1次側回路と、2次側回路と、を備え、前記1次側回路及び前記2次側回路のそれぞれは、ソフトスイッチングされるスイッチング素子をフルブリッジ接続したブリッジ回路であってもよい。
【0009】
スイッチング素子がハードスイッチングされる場合に比べて、各双方向コンバータでの損失が少なく、更なる高効率化を図ることができる。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、出力電圧の範囲を広くすることと、高効率化の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
充電器の概略構成図。
第1の双方向コンバータを示す回路図。
第2の双方向コンバータを示す回路図。
制御部が行う処理を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、充電器の一実施形態について説明する。本実施形態の充電器は、電動車両に搭載されたバッテリを充電する。なお、電動車両とは、充電可能なバッテリを電力源として走行する車両である。電動車両としては、電気自動車やプラグインハイブリッド自動車等の乗用車、フォークリフトなどの産業車両等どのような種類のものであってもよい。まず、電動車両について説明する。
【0013】
図1に示すように、電動車両80は、バッテリBと、車両コネクタ82と、を備える。バッテリBは、複数の二次電池81を接続したものである。二次電池81の種類としては、例えば、リチウムイオン二次電池や、鉛蓄電池を挙げることができる。バッテリBは、二次電池81の種類や、二次電池81の数によって定格電圧が異なる。定格電圧としては、例えば、24[V]、48[V]、72[V]、80[V]を挙げることができる。本実施形態では、一例として、電動車両80には定格電圧が24[V]、48[V]、72[V]及び80[V]のうちのいずれかのバッテリBが搭載されているとする。車両コネクタ82は、バッテリBの正極に接続される入力端子83と、バッテリBの負極に接続される入力端子84と、を備える。
【0014】
充電器10は、定格電圧が異なる複数のバッテリBを充電可能な充電器である。充電器10は、定格電圧が24[V]、48[V]、72[V]及び80[V]のうちのいずれであっても、バッテリBを充電可能な充電器といえる。
【0015】
充電器10は、変換回路12と、第1の双方向コンバータ21と、第2の双方向コンバータ31と、第1給電線L1と、第2給電線L2と、制御部41と、入力部44と、電圧センサ45と、充電コネクタ51と、を備える。
【0016】
変換回路12は、交流電源11から供給される交流電力を所定の電圧の直流電力に変換して出力する。変換回路12としては、例えば、スイッチング素子を備えており、当該スイッチング素子を所定のデューティ比で、周期的にスイッチングさせるものが用いられる。交流電源11は、例えば、系統電源である。
【0017】
図1及び図2に示すように、第1の双方向コンバータ21は、2つの入力端22,23と、2つの出力端24,25と、入力端22,23に電気的に接続された第1のブリッジ回路B1と、出力端24,25に電気的に接続された第2のブリッジ回路B2と、第1のトランス26と、を備える。2つの入力端22,23は、変換回路12に電気的に接続されている。出力端24,25は充電コネクタ51に電気的に接続されている。
【0018】
第1の双方向コンバータ21は、第1のトランス26を介して2つのフルブリッジ回路を接続し、フルブリッジ回路間で双方向に直流電力の伝送を選択的に可能にするデュアルアクティブブリッジ方式の双方向コンバータである。即ち、第1の双方向コンバータ21は、入力端22,23に入力される電力を変圧して出力端24,25から出力することも、出力端24,25に入力される直流電力を変圧して入力端22,23から出力することも可能である。本実施形態では、入力端22,23に入力される電力を変圧して出力端24,25から出力する場合について説明を行い、出力端24,25に入力される電力を変圧して入力端22,23から出力する場合についての説明を省略する。変換回路12からの出力により、2つの入力端22,23に加えられる電圧が入力電圧であり、第1の双方向コンバータ21での変圧により出力端24,25に加えられる電圧が出力電圧である。
【0019】
第1のブリッジ回路B1及び第2のブリッジ回路B2は、それぞれ4つのスイッチング素子をフルブリッジ接続したブリッジ回路である。第1のブリッジ回路B1は、4つのスイッチング素子Q1〜Q4と、4つのダイオードD1と、4つのコンデンサC1と、を備える。本実施形態では、スイッチング素子Q1〜Q4としてMOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorが用いられているが、IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor等の他のスイッチング素子を用いてもよい。4つのスイッチング素子Q1〜Q4により、2つのスイッチング素子Q1,Q2、及び2つのスイッチング素子Q3,Q4のそれぞれを互いに直列接続したレグが2つ構成されている。第1のブリッジ回路B1の各レグは、互いに並列接続されている。スイッチング素子Q1〜Q4には、それぞれダイオードD1及びコンデンサC1が並列接続されている。ダイオードD1は、寄生ダイオードであってもよいし、素子であってもよい。コンデンサC1は、寄生容量、素子、あるいは、寄生容量と素子の組み合わせであってもよい。
【0020】
第2のブリッジ回路B2は、4つのスイッチング素子Q5〜Q8と、4つのダイオードD2と、4つのコンデンサC2と、を備える。本実施形態では、スイッチング素子Q5〜Q8としてMOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorが用いられているが、IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor等の他のスイッチング素子を用いてもよい。4つのスイッチング素子Q5〜Q8により、2つのスイッチング素子Q5,Q6、及び2つのスイッチング素子Q7,Q8のそれぞれを互いに直列接続したレグが2つ構成されている。第2のブリッジ回路B2の各レグは、互いに並列接続されている。各スイッチング素子Q5〜Q8には、それぞれダイオードD2及びコンデンサC2が並列接続されている。ダイオードD2は、寄生ダイオードであってもよいし、素子であってもよい。コンデンサC2は、寄生容量、素子、あるいは、寄生容量と素子の組み合わせであってもよい。
【0021】
第1のトランス26は、第1の巻線27と、第2の巻線28と、コア29と、リアクトルLと、を備える。コア29は、フェライトコア、圧粉コア等どのようなものを用いてもよい。第1の巻線27は、第1のブリッジ回路B1の各レグにおける互いに直列接続されたスイッチング素子Q1〜Q4の接続点に接続されている。第2の巻線28は、第2のブリッジ回路B2の各レグにおける互いに直列接続されたスイッチング素子Q5〜Q8の接続点に接続されている。リアクトルLは、第1のトランス26の漏れインダクタンスである。第1のトランス26は、1次側回路となる第1のブリッジ回路B1に入力された電力を変圧して2次側回路となる第2のブリッジ回路B2に出力する。
【0022】
第1のトランス26の巻数比は、定格電圧が24[V]及び48[V]のバッテリBに対応した出力電圧を第1の双方向コンバータ21が出力可能となるように設定されている。なお、バッテリBの定格電圧に対応した出力電圧とは、バッテリBの定格電圧、バッテリBの充電状態による端子間電圧の変動、バッテリBの寿命等に基づき設定されている。バッテリBを充電するためには、バッテリBの端子間電圧よりも高い電圧をバッテリBの端子に加える必要がある。バッテリBの端子間電圧は、充電状態によって定格電圧とは異なる値を取り得るため、充電状態による変動を加味して、出力電圧はバッテリBの端子間電圧の取り得る値よりも高い値に設定する必要がある。出力電圧がバッテリBの端子間電圧よりも過剰に高いと、バッテリBの劣化が促進される。従って、定格電圧に対応した出力電圧は、例えば、定格電圧に許容値を加えた値に設定される。許容値は、上記したように、充電状態により端子間電圧が変動しても端子間電圧よりも高い出力電圧を出力でき、かつ、バッテリBの劣化を過剰に促進しないように設定された値である。なお、定格電圧に対応した出力電圧は、一定値に限られず、定格電圧に許容値を加えた値を上限値とする範囲であってもよい。
【0023】
第1の双方向コンバータ21の出力電圧を複数の定格電圧に対応させる場合、出力電圧は各定格電圧に対応した出力電圧を含む範囲となる。本実施形態において、第1の双方向コンバータ21の出力電圧は、24[V]のバッテリBに対応した出力電圧と、48[V]のバッテリBに対応した出力電圧を含む範囲となる。なお、第1のトランス26の巻数比は、1次側巻線となる第1の巻線27の巻き数を2次側巻線となる第2の巻線28の巻き数で除算した値である。
【0024】
図1及び図3に示すように、第2の双方向コンバータ31は、第1のトランス26に代えて第2のトランス32を備えている点を除いて、第1の双方向コンバータ21と同一の構成を備える。即ち、第2の双方向コンバータ31は、変換回路12に接続される2つの入力端22,23と、充電コネクタ51に接続される2つの出力端24,25と、入力端22,23に接続された第1のブリッジ回路B1と、出力端24,25に接続された第2のブリッジ回路B2と、第2のトランス32と、を備える。第1の双方向コンバータ21及び第2の双方向コンバータ31のそれぞれは、1次側回路となる第1のブリッジ回路B1と、2次側回路となる第2のブリッジ回路B2と、を備えているといえる。
【0025】
第2のトランス32は、巻数比が第1のトランス26とは異なる点を除いて第1のトランス26と同一構成である。第2のトランス32は、第1の巻線33と、第2の巻線34と、コア35と、を備える。第2のトランス32の巻数比は、定格電圧が72[V]及び80[V]のバッテリBに対応した出力電圧を第2の双方向コンバータ31が出力可能となるように設定されている。本実施形態において、第2の双方向コンバータ31の出力電圧は、72[V]のバッテリBに対応した出力電圧と、80[V]のバッテリBに対応した出力電圧を含む範囲となる。なお、第2のトランス32の巻数比は、1次側巻線となる第1の巻線33の巻き数を2次側巻線となる第2の巻線34の巻き数によって除算した値である。
【0026】
図1に示すように、第1の双方向コンバータ21における一方の出力端24は第1給電線L1に接続されており、第1の双方向コンバータ21における他方の出力端25は第2給電線L2に接続されている。第2の双方向コンバータ31における一方の出力端24は第1給電線L1に接続されており、第2の双方向コンバータ31における他方の出力端25は第2給電線L2に接続されている。
【0027】
充電コネクタ51は、2つの出力端子52,53を備える。2つの出力端子52,53のうちの一方には第1給電線L1が接続されており、他方には第2給電線L2が接続されている。充電コネクタ51は、車両コネクタ82に接続可能である。
【0028】
制御部41は、変換回路12や各双方向コンバータ21,31の制御を行う。制御部41は、CPU等のプロセッサ42と、RAM及びROM等からなる記憶部43と、を備える。記憶部43には、充電器10を制御するためのプログラムが記憶されている。制御部41は、ASIC:Application Specific Integrated CircuitやFPGA:Field Programmable Gate Array等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御部41は、コンピュータプログラムに従って動作する1つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の1つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。メモリは、処理をCPUに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御部41は、各双方向コンバータ21,31のスイッチング素子Q1〜Q8を制御するための制御信号を図示しない駆動回路に出力することで、スイッチング素子Q1〜Q8をスイッチング制御することが可能である。制御部41は、充電制御部として機能する。
【0029】
各双方向コンバータ21,31のスイッチング素子Q1〜Q8は、制御部41によるスイッチング制御によってソフトスイッチングされる。各双方向コンバータ21,31におおける各レグのスイッチング素子Q1〜Q8が両方オフにされるデッドタイム期間中にコンデンサC1,C2が充放電されることでソフトスイッチングを実現している。コンデンサC1,C2の容量は、トランス26,32の漏れインダクタンスとの共振周波数及びデッドタイムを比較し、デッドタイム期間中に充放電が完了するような容量を選定する。各スイッチング素子Q1〜Q8のターンオフ時間よりもコンデンサC1,C2の充電時間が長く、各スイッチング素子Q1〜Q8のターンオン時間よりもコンデンサC1,C2の放電時間が短いと各スイッチング素子Q1〜Q8はソフトスイッチングされることになる。なお、ソフトスイッチングの方式としてはZVS:Zero Voltage Switching方式が用いられる。
【0030】
入力部44は、充電器10を用いてバッテリBの充電を行うユーザーによって操作される。入力部44は、例えば、タッチパネルや、押しボタンなどである。入力部44は、ユーザーによる操作を受け付けて、入力された情報を制御部41に出力する。入力部44の操作により、ユーザーはモードの選択を行うことができる。モードは、急速モードと、高効率モードと、を含む。急速モードは、高効率モードよりも短時間でバッテリBを満充電にできるモードである。高効率モードは、急速モードよりも効率が良い一方で、バッテリBの満充電に要する時間が急速モードよりも長いモードである。
(【0031】以降は省略されています)

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