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公開番号2025021689
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-14
出願番号2023125589
出願日2023-08-01
発明の名称充電器、その制御方法および制御プログラム
出願人矢崎総業株式会社,長岡パワーエレクトロニクス株式会社,国立大学法人東京海洋大学
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250206BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電力の脈動を吸収することが可能な小型で高効率な充電器を提供する。
【解決手段】交流電源200から出力される電力p_sと電力脈動吸収回路130のコンデンサCbufから出力される電力p_Cとの和が一定になるように、DC/DCコンバータ120と電力脈動吸収回路130の第1のスイッチS31および第2のスイッチS32を制御し、交流電源200から出力される瞬時電力p_sが交流電源200から出力される電力の平均電力Pよりも低い期間である放電期間において、電力脈動吸収回路130の第1のスイッチS31をオンの状態に保つ。
【選択図】図9
特許請求の範囲【請求項１】
交流電源に接続するための２つの入力端子とカソード端子とアノード端子を有する整流器と、
前記整流器のカソード端子に第１のラインを介して接続する第１の端子と、前記整流器のアノード端子に第２のラインを介して接続する第２の端子と、バッテリの正極に接続するための第３の端子と、前記バッテリの負極に接続するための第４の端子と、を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、
第１のダイオードと、第２のダイオードと、第３のダイオードと、インダクタと、コンデンサと、第１のスイッチと、第２のスイッチと、を有する電力脈動吸収回路と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチと前記第１のスイッチと前記第２のスイッチのスイッチングを制御する制御部と、を有し、
前記第１のダイオードは、前記電力脈動吸収回路のインダクタと前記整流器の２つの入力端子の一方との間に接続され、前記第２のダイオードは、前記インダクタと前記整流器の２つの入力端子の他方との間に接続され、
前記コンデンサと前記第１のスイッチは、前記第１のラインと前記第２のラインの間に、直列に接続され、前記コンデンサは、前記第２のライン側に配置され、
前記第３のダイオードは、前記コンデンサと前記第１のスイッチを接続するラインと前記電力脈動吸収回路のインダクタとの間に接続され、
前記第２のスイッチは、前記電力脈動吸収回路のインダクタと前記第３のダイオードを接続するラインと前記第２のラインとの間に接続され、
前記制御部は、
前記交流電源から出力される電力と前記コンデンサから出力される電力との和が一定になるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを制御し、
前記交流電源から出力される瞬時電力が前記交流電源から出力される電力の平均電力よりも低い期間である放電期間において、前記第１のスイッチをオンの状態に保つ、充電器。
続きを表示（約 3,100 文字）【請求項２】
前記制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の一次側のインダクタを流れる電流であるインダクタ電流の波形が正負で対称になるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチと前記第１のスイッチを制御する、請求項１に記載の充電器。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
１次側に、前記第１の端子側に配置された第１のスイッチと前記第２の端子側に配置された第２のスイッチを含むレグと、前記第１の端子側に配置された第３のスイッチと前記第２の端子側に配置された第４のスイッチを含むレグと、を有し、
２次側に、前記第３の端子側に配置された第５のスイッチと前記第４の端子側に配置された第６のスイッチを含むレグと、前記第３の端子側に配置された第７のスイッチと前記第４の端子側に配置された第８のスイッチを含むレグと、を有し、
前記放電期間において前記制御部により実行される前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングの制御は、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第１のスイッチ、第４のスイッチ、第６のスイッチ、および第７のスイッチがオンであり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２のスイッチ、第３のスイッチ、第５のスイッチ、および第８のスイッチがオフであり、前記電力脈動吸収回路の第１のスイッチがオンである第１のモードと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第１のスイッチ、第４のスイッチ、第５のスイッチ、および第８のスイッチがオンであり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２のスイッチ、第３のスイッチ、第６のスイッチ、および第７のスイッチがオフであり、前記電力脈動吸収回路の第１のスイッチがオンである第２のモードと、を含み、
前記制御部は、前記第１のモードから前記第２のモードに切り替える際の前記インダクタ電流の値がゼロ以上になるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数を制御する、請求項２に記載の充電器。
【請求項４】
前記制御部は、前記放電期間において、前記交流電源から前記電力脈動吸収回路のインダクタに流れる電流が正弦波電流になるように、前記電力脈動吸収回路の第２のスイッチを制御する、請求項２に記載の充電器。
【請求項５】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
１次側に、前記第１の端子側に配置された第１のスイッチと前記第２の端子側に配置された第２のスイッチを含むレグと、前記第１の端子側に配置された第３のスイッチと前記第２の端子側に配置された第４のスイッチを含むレグと、を有し、
２次側に、前記第３の端子側に配置された第５のスイッチと前記第４の端子側に配置された第６のスイッチを含むレグと、前記第３の端子側に配置された第７のスイッチと前記第４の端子側に配置された第８のスイッチを含むレグと、を有し、
制御部が、前記交流電源から出力される瞬時電力が前記交流電源から出力される電力の平均電力よりも高い期間である充電期間において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第１のスイッチ、第４のスイッチ、第６のスイッチ、および第７のスイッチがオンであり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２のスイッチ、第３のスイッチ、第５のスイッチ、および第８のスイッチがオフである第１の期間と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２のスイッチ、第３のスイッチ、第５のスイッチ、および第８のスイッチがオンであり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第１のスイッチ、第４のスイッチ、第６のスイッチ、および第７のスイッチがオフである第２の期間と、に、前記電力脈動吸収回路の第１のスイッチをオンに制御し、前記第１の期間および前記第２の期間以外の期間に、前記電力脈動吸収回路の第１のスイッチをオフに制御する、請求項１から４のいずれか一項に記載の充電器。
【請求項６】
前記充電期間において前記制御部により実行される前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングの制御は、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第１のスイッチ、第４のスイッチ、第６のスイッチ、および第７のスイッチがオンであり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２のスイッチ、第３のスイッチ、第５のスイッチ、および第８のスイッチがオフであり、前記電力脈動吸収回路の第１のスイッチがオンである第１のモードと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第１のスイッチ、第４のスイッチ、第５のスイッチ、および第８のスイッチがオンであり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２のスイッチ、第３のスイッチ、第６のスイッチ、および第７のスイッチがオフであり、前記電力脈動吸収回路の第１のスイッチがオフである第３のモードと、を含み、
前記制御部は、前記第１のモードから前記第３のモードに切り替える際の前記インダクタ電流の値がゼロ以上になるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数を制御する、請求項５に記載の充電器。
【請求項７】
前記制御部は、前記充電期間において、前記交流電源からの出力電流が正弦波電流になるように、前記電力脈動吸収回路の第２のスイッチを制御する、請求項５に記載の充電器。
【請求項８】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＤＡＢ（ＤｕａｌＡｃｔｉｖｅＢｒｉｄｇｅ）コンバータである、請求項１に記載の充電器。
【請求項９】
コンピュータにより実行される、充電器を制御するための制御方法であって、
前記充電器は、
交流電源に接続するための２つの入力端子とカソード端子とアノード端子を有する整流器と、
前記整流器のカソード端子に第１のラインを介して接続する第１の端子と、前記整流器のアノード端子に第２のラインを介して接続する第２の端子と、バッテリの正極に接続するための第３の端子と、前記バッテリの負極に接続するための第４の端子と、を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、
第１のダイオードと、第２のダイオードと、第３のダイオードと、インダクタと、コンデンサと、第１のスイッチと、第２のスイッチと、を有する電力脈動吸収回路と、を有し、
前記第１のダイオードは、前記電力脈動吸収回路のインダクタと前記整流器の２つの入力端子の一方との間に接続され、前記第２のダイオードは、前記インダクタと前記整流器の２つの入力端子の他方との間に接続され、
前記コンデンサと前記第１のスイッチは、前記第１のラインと前記第２のラインの間に、直列に接続され、前記コンデンサは、前記第２のライン側に配置され、
前記第３のダイオードは、前記コンデンサと前記第１のスイッチを接続するラインと前記電力脈動吸収回路のインダクタとの間に接続され、
前記第２のスイッチは、前記電力脈動吸収回路のインダクタと前記第３のダイオードを接続するラインと前記第２のラインとの間に接続され、
前記制御方法は、
前記交流電源から出力される電力と前記コンデンサから出力される電力との和が一定になるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを制御し、
前記交流電源から出力される瞬時電力が前記交流電源から出力される電力の平均電力よりも低い期間である放電期間において、前記第１のスイッチをオンの状態に保つ、制御方法。
【請求項１０】
請求項９に記載された制御方法をコンピュータに実行させる制御プログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電器、その制御方法および制御プログラムに関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
電気自動車向け充電器として、種々の絶縁形単相ＡＣ／ＤＣコンバータが検討されている。一般的には、電気自動車向け充電器として、力率改善（ＰｏｗｅｒｆａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ））回路付きのダイオード整流器、直流リンク部の大容量コンデンサ、高周波絶縁形ＤＣ／ＤＣコンバータからなる回路構成が用いられる。直流リンク部の大容量コンデンサは単相交流電源による電力の脈動を吸収するだけの容量が必要であり、このような回路構成では、小型化が困難であった。
【０００３】
電力の脈動を吸収することが可能な小型の充電器として、特許文献１、非特許文献１には、Ｄｕａｌ－Ａｃｔｉｖｅ－Ｂｒｉｄｇｅ（ＤＡＢ）コンバータに電力脈動吸収用のアクティブバッファを付加した充電器とその制御が開示されている。
【０００４】
特許文献１、非特許文献１に開示された制御（不連続電流モード）では、ＤＡＢコンバータのすべてのスイッチがオフになる期間（零電流期間）がある。このため、スイッチング回数が多く、スイッチング損失が大きくなる。また、この零電流期間では、すべてのスイッチがオフになるため、ＤＡＢコンバータのインダクタＬを流れる電流はゼロになるはずであるが、実際にはスイッチがオフになるタイミングにずれが生じ、このずれにより電流が残存し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０のインダクタＬとスイッチＳ２１～Ｓ２８の寄生容量との間の共振が生じる。このため、零電流期間後のスイッチングがハードスイッチングとなり、スイッチング損失が生じる。
【０００５】
そこで、特許文献２、非特許文献２～４には、零電流期間が存在しない制御（連続電流モード）が開示されている。連続電流モードでは、零電流期間がゼロになるように、交流電源から入力される交流電圧の一周期の間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０のスイッチＳ２１～Ｓ２８、電力脈動吸収回路１３０の第１のスイッチＳ３１のスイッチングのスイッチング周波数ｆ
ＳＷ
を変化させることにより、インダクタＬの電流と電圧の振動を除去し、零電流期間後のハードスイッチングを避け、充電器を高効率に制御することを可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２２－３４８２０号公報
特開２０２３－２５７９５号公報
【非特許文献】
【０００７】
米田昇平, 大沼喜也, 「アクティブバッファを有するDual Active Bridge AC-DCコンバータの検討」, 半導体電力変換研究会資料, 2021, SPC-21-003, pp. 13-18
米田昇平, 宅間春介. 大沼喜也, 「アクティブバッファを有するDual Active Bridge AC-DCコンバータの可変周波数制御の検討」, 2021年電気学会産業応用部門大会講演論文集, 2021, Vol. 1, No. 30, pp. 13-18
S. Komeda, S. Takuma and Y. Ohnuma, "A Variable Switching Frequency Control Method for a Dual-Active-Bridge Single-Phase AC-DC Converter with an Active Energy Buffer," 2022 International Power Electronics Conference (IPEC-Himeji 2022- ECCE Asia), 2022, pp. 1185-1190
S. Komeda, S. Takuma and Y. Ohnuma, “Variable Switching Frequency Control for a Dual-Active-Bridge Single-Phase AC-DC Converter with Active Energy Buffer,” IEEJ Journal of Ind. Appl., vol. 12, no. 3, pp. 418-426(2023)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の制御はいずれも、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０のインダクタＬの動作波形を正負で非対称にし、この正負で非対称な動作波形を方形波形により近似することで、制御則の導出を容易にしている。インダクタＬの動作波形を正負で非対称にするために、上記の制御では、アクティブバッファのバッファコンデンサが放電する放電期間とアクティブバッファのバッファコンデンサが充電される充電期間のいずれにおいても、アクティブバッファの放電スイッチのスイッチングをスイッチング周期内で２回以上行う必要がある。結果、上記の制御では、このアクティブバッファの放電スイッチにおけるスイッチング損失が充電器の効率に影響する。
【０００９】
そこで、本発明は、電力の脈動を吸収することが可能な小型で高効率な充電器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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る充電器は、交流電源に接続するための２つの入力端子とカソード端子とアノード端子を有する整流器と、前記整流器のカソード端子に第１のラインを介して接続する第１の端子と、前記整流器のアノード端子に第２のラインを介して接続する第２の端子と、バッテリの正極に接続するための第３の端子と、前記バッテリの負極に接続するための第４の端子と、を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、第１のダイオードと、第２のダイオードと、第３のダイオードと、インダクタと、コンデンサと、第１のスイッチと、第２のスイッチと、を有する電力脈動吸収回路と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチと前記第１のスイッチと前記第２のスイッチのスイッチングを制御する制御部と、を有し、前記第１のダイオードは、前記電力脈動吸収回路のインダクタと前記整流器の２つの入力端子の一方との間に接続され、前記第２のダイオードは、前記インダクタと前記整流器の２つの入力端子の他方との間に接続され、前記コンデンサと前記第１のスイッチは、前記第１のラインと前記第２のラインの間に、直列に接続され、前記コンデンサは、前記第２のライン側に配置され、前記第３のダイオードは、前記コンデンサと前記第１のスイッチを接続するラインと前記電力脈動吸収回路のインダクタとの間に接続され、前記第２のスイッチは、前記電力脈動吸収回路のインダクタと前記第３のダイオードを接続するラインと前記第２のラインとの間に接続され、前記制御部は、前記交流電源から出力される電力と前記コンデンサから出力される電力との和が一定になるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとを制御し、前記交流電源から出力される瞬時電力が前記交流電源から出力される電力の平均電力よりも低い期間である放電期間において、前記第１のスイッチをオンの状態に保つ。
（【００１１】以降は省略されています）

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