JP2012085378A - 共振形充電装置及びそれを用いた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源から車両に搭載した二次電池を高い効率で充電できる共振形充電装置及びそれを搭載した車両を提供する。
【解決手段】共振形充電装置１は、交流電源５と、車両に搭載された二次電池６との間に接続され、交流電源５から二次電池６へ電力を供給する。共振形充電装置１は、交流電源５の電力を入力し直流のリンク電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータ２と、このリンク電圧から二次電池６へ絶縁しつつ電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ３と、これらのコンバータを制御する制御手段４とを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ３は直流端子間にリンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路を備えており、制御手段４は、矩形波電圧の周波数を変化させるようにスイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二次電池を充電する共振形充電装置及びそれを搭載した車両に関する。

近年、地球環境保全への意識の高まりから、効率が高いハイブリッド車の普及が進められている。ハイブリッド車は、走行モータ駆動用の二次電池をもつ。この二次電池を商用の交流電源から充電すれば、ハイブリッド車の燃費を改善することができる。商用電源から二次電池に、より少ない電力で安全に充電するためには、変換効率が高く、且つ、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータが必要になる。整流ダイオードの耐圧を低減することで変換効率の向上を狙った絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータとして、特許文献１が開示されている。

一方、特許文献２には、力率改善コンバータの後段に共振型コンバータが接続される電源装置において、広い電流範囲で高効率動作させることを狙った電源装置が開示されている。

特許第４０１３９９５号公報 特開２００５−６５３９５号公報

一般的に絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータを高効率化するためには、トランス２次巻線の電圧電流を整流するダイオードの耐圧を低減することが効果的である。しかしながら、特許文献１に開示された従来のＤＣ−ＤＣコンバータでは、走行モータ駆動用の二次電池を充電するために高い出力電圧を得る場合には、ダイオードの耐圧を高くする必要があり高効率化の障害となっていた。また、特許文献２に開示された従来の電源装置は、広い負荷電流範囲において高効率化を図ったが、広い出力電圧範囲において高効率化を図ったものとなっていない。

本発明の目的は、電圧が高く電圧範囲が広い走行モータ駆動用の二次電池を高い効率で交流電源から充電できる共振形充電装置及び車両を提供することである。

前記目的を達成するために本発明に係る共振形充電装置は、交流電源と、車両に搭載された二次電池との間に接続され、前記交流電源から前記二次電池へ電力を供給する共振形充電装置において、前記交流電源に接続され、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとを制御する制御手段とを備え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された１次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された２次巻線と、前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、前記１次巻線及び／又は前記２次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係る車両は、交流電源に接続するコネクタと、動力用モータと、前記動力用モータに電力を供給する二次電池と、前記コネクタと前記二次電池との間に接続され、前記コネクタに接続された前記交流電源から前記二次電池へ電力を供給する共振形充電装置とを備え、前記共振形充電装置は、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとを制御する制御手段とを備え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された１次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された２次巻線と、前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、前記１次巻線及び／又は前記２次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、電圧が高く電圧範囲が広い二次電池を高い効率で交流電源から充電できる共振形充電装置及び車両を提供することができる。

実施例１の共振形充電装置１の回路構成図。 実施例１のＡＣ−ＤＣコンバータ２の回路動作を説明する図。 実施例１のＤＣ−ＤＣコンバータ３の回路動作を説明する図。 実施例１のＤＣ−ＤＣコンバータ３の特性を説明する図。 実施例１の共振形充電装置１の充電動作を説明する図。 実施例１の共振形充電装置１の充電動作を説明する図。 実施例１の共振形充電装置１の充電動作を説明する図。 実施例１の共振形充電装置１の特性を説明する図。 実施例１の共振形充電装置１のリンク電圧の決め方を説明する図。 本発明の実施例２による共振形充電装置１１の回路構成図。 本発明の共振形充電装置を採用した電気自動車の電源システムの概要構成図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１による共振形充電装置１の回路構成図である。この共振形充電装置１は、交流電源５と、車両に搭載された二次電池６との間に接続され、交流電源５から二次電池６へ電力を供給する。交流電源５としては、商用電源を用いることができる。商用電源を用いることで安定した電力を供給することが可能で、燃費を改善することができる。しかし商用電源に限らず、例えば太陽光発電や風力発電等の発電装置や一般的な発電機などを用いてもよい。

この共振形充電装置１は、交流電源５の電力を入力し直流のリンク電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータ２と、このリンク電圧から二次電池６へ絶縁しつつ電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ３と、これらのコンバータを制御する制御手段４とを備えている。

ＡＣ−ＤＣコンバータ２では、ブリッジ接続された整流ダイオードＤ１１〜Ｄ１４により交流電源５の電圧を全波整流している。本実施形態では整流ダイオードＤ１１とＤ１２、整流ダイオードＤ１３とＤ１４がそれぞれ直列に接続され、それぞれが並列に接続されることでブリッジ接続されており、直列接続された整流ダイオードＤ１１とＤ１２の間の接続点と直列接続された整流ダイオードＤ１３とＤ１４の間の接続点が交流端子となっており、直列接続された整流ダイオードＤ１１とＤ１２及び直列接続された整流ダイオードＤ１３とＤ１４の両端部の接続点が直流端子となっている。交流電源５はこの交流端子に接続されている。

この全波整流された電圧は、直流端子に接続された平滑インダクタＬ１と、昇圧スイッチング素子Ｑ１０と、昇圧ダイオードＤ１０と、リンクコンデンサＣ１により構成された昇圧チョッパ回路に入力されている。リンクコンデンサＣ１の両端間をリンク電圧とする。制御手段４は、交流電源５からの入力電流を交流電源５の電圧と概ね相似な正弦波状に制御する力率改善制御と、二次電池６の電圧の上昇に伴いリンク電圧を上昇させるリンク電圧協調制御とを備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、共振コンデンサＣｒ１と共振インダクタＬｒ１が直列接続された巻線Ｎ１と、巻線Ｎ２とを磁気結合するトランスＴ１を備えている。またスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、第１のスイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ２を直列接続した第１のスイッチングレッグと、第３のスイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ３、第４のスイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ４を直列接続した第２のスイッチングレッグを並列に接続してフルブリッジ接続されている。そして、第１のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の直列接続点との間を交流端子間としている。

フルブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４により、直流端子間から入力したリンク電圧から生成した矩形波電圧を、交流端子間の共振コンデンサＣｒ１と共振インダクタＬｒ１と巻線Ｎ１の直列接続体に印加して巻線Ｎ１に共振電流を流し、巻線Ｎ２に誘導された電流をブリッジ接続されたダイオードＤ２１〜Ｄ２４により整流して平滑コンデンサＣ２および二次電池６を充電する。ダイオードＤ２１〜Ｄ２４で構成される整流回路は、第１のダイオードであるダイオードＤ２１、第２のダイオードであるダイオードＤ２２を直列接続した第１のダイオードレッグと、第３のダイオードであるダイオードＤ２３、第４のダイオードであるダイオードＤ２４を直列接続した第２のダイオードレッグを並列に接続している。そして、第１のダイオードレッグの両端間を直流端子間として平滑コンデンサＣ２および二次電池６を接続している。また、ダイオードＤ２１，Ｄ２２の直列接続点とダイオードＤ２３，Ｄ２４の直列接続点との間を交流端子間として巻線Ｎ２を接続している。

なお、本実施例では１次巻線Ｎ１に共振コンデンサＣｒ１と共振インダクタＬｒ１を設けているが、回路設計の条件や制限などを考慮して２次巻線Ｎ２に設けてもよく、また１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の両者に設けてもよい。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、それぞれ逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４が接続されている。ここで、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合は、逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４としてＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを利用することができる。このように逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４を有していることで、良好な共振形充電装置を形成することが可能となる。

昇圧スイッチング素子Ｑ１０とスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、制御手段４によって制御される。制御手段４には、入力電圧を検出する電圧センサ２１と、リンク電圧を検出する電圧センサ２２と、二次電池の電圧すなわち出力電圧を検出する電圧センサ２３と、交流電源５からの入力電流を検出する電流センサ２４と、二次電池への出力電流を検出する電流センサ２５が接続されている。

図２を用いてＡＣ−ＤＣコンバータ２の回路動作を説明する。ここでは、交流電源５の電圧が１極性の場合につき説明する。交流電源５の電圧が逆極性の場合の動作は、容易に類推可能である。また、図２（ａ），（ｂ）は、それぞれモードａ，ｂにおける回路動作を示す。

（モードａ）
モードａでは、昇圧スイッチング素子Ｑ１０がオン状態である。交流電源５の電圧が平滑インダクタＬ１に印加され、交流電源５のエネルギーが平滑インダクタＬ１に蓄積される。

（モードｂ）
昇圧スイッチング素子Ｑ１０をターンオフすると、モードｂの状態となる。モードｂでは、平滑インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが昇圧ダイオードＤ１０を介してリンクコンデンサＣ１に放出される。

以降、モードａとモードｂとを繰り返す。

次に、図３を用いてＤＣ−ＤＣコンバータ３の回路動作を説明する。ここで、図３（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれモードＡ〜Ｄにおける回路動作を示す。

（モードＡ）
モードＡでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオン状態である。リンクコンデンサＣ１から共振コンデンサＣｒ１と共振インダクタＬｒ１による共振電流が巻線Ｎ１に流れている。巻線Ｎ２に誘導された電流は、ダイオードＤ２１，Ｄ２４を介して出力へ流れている。

（モードＢ）
共振コンデンサＣｒ１に電荷が蓄積し、共振コンデンサＣｒ１と共振インダクタＬｒ１による共振電流が流れ終わると、モードＢの状態となる。モードＢでは、巻線Ｎ１にはトランスＴ１の励磁電流が流れている。巻線Ｎ２の電圧は、出力の平滑コンデンサＣ２の電圧より低く、巻線Ｎ２には電流が流れていない。なお、モードＡにおいて、共振電流が流れ終わる前にスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をターンオフすると、モードＢが省略される場合がある。

（モードＣ）
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をターンオフすると、モードＣの状態となる。モードＣでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４を流れていた電流が、逆並列ダイオードＤ２，Ｄ３を流れ、リンクコンデンサＣ１へ流れる。このとき、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をターンオンしておく。

（モードＤ）
巻線Ｎ１の電流が反転すると、モードＤの状態となる。このモードＤは、モードＡの対称動作である。以降、モードＢ，Ｃの対称動作の後にモードＡへ戻る。

このように、この共振形充電装置１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３を共振形コンバータとしており、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４に印加される電圧は、出力の平滑コンデンサＣ２の電圧でクランプされる。したがって、二次電池６の電圧が高い場合においても、ダイオードＤ２１〜Ｄ２４として比較的耐圧が低く順方向降下電圧が低いダイオードを利用することができるため、損失を低減でき、高効率化に有利である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力端である平滑コンデンサＣ２と二次電池６との間には、リップル電流を低減するためインダクタとコンデンサから成るＬＣフィルタを挿入することもある。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の後段には、チョッパ回路等の電流制御機能を備えたコンバータを挿入せずに二次電池６へ接続する。したがって、制御手段４は、充電状態により電圧が変化する二次電池を充電するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力を定電圧定電流制御する機能を備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３は共振形コンバータであるため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング周波数を制御して出力を制御する。

商用電源から車両の二次電池を充電する場合、一般的には、商用電源が供給できる電流や電力には制限がある。制御手段４は、短い時間で二次電池６を充電できるよう、二次電池６の電圧が充電終了する電圧より低い場合には、交流電源５から入力する電流や電力を設定された値に制御する機能を備えている。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電力は、概ね一定に維持される。

図４は、リンク電圧が一定の場合における、スイッチング周波数ｆｓｗと、出力電力Ｐｏｕｔと、出力電圧Ｖｏｕｔと、出力電流Ｉｏｕｔの関係を表している。リンク電圧と出力電力が一定に維持される場合、出力電圧が低く出力電流が大きいときはスイッチング周波数が高くなり、逆に出力電圧が高く出力電流が小さいときはスイッチング周波数が低くなる。共振形コンバータは、スイッチング周波数が高すぎても低すぎても効率が低下することが多く、効率が高い中間的なスイッチング周波数で動作させることが望ましい。

図５〜図７は、二次電池６を充電中の出力電圧Ｖｏｕｔ，リンク電圧Ｖｌｉｎｋ，出力電力Ｐｏｕｔ，出力電流Ｉｏｕｔ，スイッチング周波数ｆｓｗ，効率ηの時間Ｔｉｍｅによる変化を表している。

図５では、リンク電圧Ｖｌｉｎｋを比較的低い値に維持している。時間の経過とともに出力電圧Ｖｏｕｔが上昇していき、スイッチング周波数ｆｓｗが低くなりすぎることから効率ηが低下している。

図６では、リンク電圧Ｖｌｉｎｋを比較的高い値に維持している。充電開始に近い期間において出力電圧Ｖｏｕｔが低く、スイッチング周波数ｆｓｗが高くなりすぎることから効率ηが低くなっている。

共振形充電装置１では、二次電池６の電圧によりリンク電圧を制御するリンク電圧協調制御を備えている。図７では、効率が高くなるようにスイッチング周波数ｆｓｗを保つため、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇とともにリンク電圧Ｖｌｉｎｋを上昇させている。

図８は、出力電圧Ｖｏｕｔからリンク電圧Ｖｌｉｎｋを決める方法を表している。出力電圧Ｖｏｕｔの各条件において、効率ηが高くなるようにリンク電圧Ｖｌｉｎｋを決めればよい。

しかしながら、ＡＣ−ＤＣコンバータ２の回路構成は前述の通り昇圧チョッパとなっていることから、リンク電圧を交流電源５の電圧の振幅より小さくすることはできない。したがって、リンク電圧協調制御におけるリンク電圧の可変範囲は、概ね交流電源５の電圧の振幅が下限となる。また、リンクコンデンサＣ１など回路部品の耐圧や寿命の点から、リンク電圧の可変範囲に上限を設ける場合もある。図９に、出力電圧Ｖｏｕｔとリンク電圧Ｖｌｉｎｋの関係を図示する。ただし、ＶｌｉｎｋＣは効率が高くなるリンク電圧、ＶｌｉｎｋＨはリンク電圧の上限、ＶｌｉｎｋＬはリンク電圧の下限を表している。

もちろん、交流電源５の電圧と二次電池６の電圧がともに低い場合にリンク電圧を低下させる等の手法により、簡易的にリンク電圧協調制御を実施しても効率向上の効果を得ることはできる。

以上、説明したように、共振形充電装置１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の回路方式として共振形コンバータを採用し、これを定電圧定電流制御することにより二次電池６を高い効率で充電することができる。更に、共振形コンバータのもつ高い効率を最大限に引き出すためにリンク電圧協調制御を備えたのである。

図１０は、本発明の実施例２による共振形充電装置１１の回路構成図である。この共振形充電装置１１は、実施例１の共振形充電装置１と同様に、交流電源５から二次電池６へ電力を供給する。

この共振形充電装置１１は、交流電源５の電力を入力し直流のリンク電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータ１２と、このリンク電圧から二次電池６へ絶縁しつつ電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、これらのコンバータを制御する制御手段１４とを備えている。

ＡＣ−ＤＣコンバータ１２では、実施例１のＡＣ−ＤＣコンバータ２において構成されていた昇圧チョッパ回路が、平滑インダクタＬ２と、降圧スイッチング素子Ｑ５と、降圧ダイオードＤ５と、昇圧スイッチング素子Ｑ６と、昇圧ダイオードＤ６と、リンクコンデンサＣ１により構成されたＨブリッジ回路となっている点が異なる。また、フィルタインダクタＬ３とフィルタコンデンサＣ３により構成されたＬＣフィルタを備えている。

そして、ブリッジ接続された整流ダイオードＤ１１〜Ｄ１４直流端子間にフィルタインダクタＬ３とフィルタコンデンサＣ３とを接続している。またフィルタコンデンサＣ３の両端間に降圧スイッチング素子Ｑ５および降圧ダイオードＤ５を直列接続し、降圧ダイオードＤ５の両端間に平滑インダクタＬ２および昇圧スイッチング素子Ｑ６を直列接続している。さらに、昇圧スイッチング素子Ｑ６の両端間には昇圧ダイオードＤ６およびリンクコンデンサＣ１が直列接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、実施例１のＤＣ−ＤＣコンバータ３と比べ、共振コンデンサＣｒ１を共振コンデンサＣｒ１１，Ｃｒ１２とし、フルブリッジ接続された逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４を備えるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４と逆並列ダイオードＤ３，Ｄ４を、共振コンデンサＣｒ１１，Ｃｒ１２に置き換えたハーフブリッジ回路とした点と、ブリッジ接続されたダイオードＤ２１〜Ｄ２４のうち、ダイオードＤ２３，Ｄ２４を、それぞれ平滑コンデンサＣ２１，Ｃ２２に置き換えた点が異なっている。

つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３におけるスイッチング回路は、第１のスイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子であるスイッチング素子Ｑ２を直列接続した第１のスイッチングレッグと、第１の共振コンデンサである共振コンデンサＣｒ１１、第２の共振コンデンサである共振コンデンサＣｒ１２を直列接続した共振コンデンサレッグとを並列接続している。このスイッチング回路においては、第１のスイッチングレッグの両端間が直流端子間であり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点と共振コンデンサＣｒ１１，Ｃｒ１２の直列接続点との間が交流端子間である。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３における整流回路は、第１のダイオードであるダイオードＤ２１、第２のダイオードであるダイオードＤ２２を直列接続した第１のダイオードレッグと、第１の分圧コンデンサである平滑コンデンサＣ２１、第２の分圧コンデンサである平滑コンデンサＣ２２を直列接続した分圧コンデンサレッグとを、並列接続している。この整流回路においては、第１のダイオードレッグの両端間が直流端子間であり、ダイオードＤ２１，Ｄ２２の直列接続点と平滑コンデンサＣ２１，Ｃ２２の直列接続点との間が交流端子間である。

降圧スイッチング素子Ｑ５と昇圧スイッチング素子Ｑ６とスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、制御手段１４によって制御される。制御手段１４には、実施例１の共振形充電装置１と同様に、電圧センサ２１〜２３と、電流センサ２４，２５が接続されている。制御手段１４が、力率改善制御やリンク電圧協調制御，定電圧定電流制御等を備えていることは、実施例１の制御手段４と同様である。

共振形充電装置１１では、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２に前述の通りＨブリッジ回路を採用しており、降圧スイッチング素子Ｑ５をスイッチングすることにより、リンク電圧を交流電源５の電圧の振幅より小さくすることができる。したがって、実施例１の共振形充電装置１よりもリンク電圧の可変範囲を広くすることができ、更に高い効率で二次電池６を充電することができる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３にハーフブリッジ回路を採用しており、スイッチング素子とダイオードの部品点数を削減することができる。

図１１は、本発明による共振形充電装置１を採用した電気自動車１１０の電源システムの概要構成図である。共振形充電装置１は、交流電源１０９に接続するプラグイン充電コネクタ１０８と、動力用モータ１０４を駆動するインバータ１０３へ電力供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１０２が接続された二次電池１０５に接続されている。また、二次電池１０５には、電装機器１０１が接続された補機バッテリ１０６へ電力供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１００と、急速充電器などの外部直流電源を接続して二次電池１０５を充電する急速充電コネクタ１０７が接続されている。

共振形充電装置１は、プラグイン充電コネクタ１０８に接続された交流電源１０９の電力を用いて二次電池１０５を充電する。

この実施例３によれば、本発明による共振形充電装置１を用いることで、車両に搭載された動力用の二次電池を、商用電源から高効率に充電することができる。もちろん、本発明による共振形充電装置１は、ハイブリッド自動車に適用することもできる。

１，１１ 共振形充電装置
２，１２ ＡＣ−ＤＣコンバータ
３，１３，１００，１０２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４，１４ 制御手段
５，１０９ 交流電源
６，１０５ 二次電池
２１〜２３ 電圧センサ
２４，２５ 電流センサ
１０１ 電装機器
１０３ インバータ
１０４ 動力用モータ
１０６ 補機バッテリ
１０７ 急速充電コネクタ
１０８ プラグイン充電コネクタ
１１０ 電気自動車
Ｌ１，Ｌ２ 平滑インダクタ
Ｌ３ フィルタインダクタ
Ｌｒ１ 共振インダクタ
Ｃ１ リンクコンデンサ
Ｃ２，Ｃ２１，Ｃ２２ 平滑コンデンサ
Ｃ３ フィルタコンデンサ
Ｃｒ１，Ｃｒ１１，Ｃｒ１２ 共振コンデンサ
Ｔ１ トランス
Ｎ１，Ｎ２ 巻線
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｑ５ 降圧スイッチング素子
Ｑ６，Ｑ１０ 昇圧スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ４ 逆並列ダイオード
Ｄ５ 降圧ダイオード
Ｄ６，Ｄ１０ 昇圧ダイオード
Ｄ１１〜Ｄ１４ 整流ダイオード
Ｄ２１〜Ｄ２４ ダイオード

Claims (13)

1. 交流電源と、車両に搭載された二次電池との間に接続され、前記交流電源から前記二次電池へ電力を供給する共振形充電装置において、
   前記交流電源に接続され、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとを制御する制御手段とを備え、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された１次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された２次巻線と、前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、前記１次巻線及び／又は前記２次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、
   前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする共振形充電装置。
2. 請求項１において、前記制御手段は、前記交流電源の電流を正弦波状に制御する力率改善制御と、前記二次電池の電圧の上昇に伴い前記リンク電圧を上昇させるリンク電圧協調制御とを備えたことを特徴とする共振形充電装置。
3. 請求項２において、前記制御手段は、前記リンク電圧の可変範囲に上限値及び／又は下限値を設けたことを特徴とする共振形充電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記ＡＣ−ＤＣコンバータは、ブリッジ接続された第１〜第４の整流ダイオードと、前記ブリッジ接続の直流端子間に直列接続された平滑インダクタおよび昇圧スイッチング素子と、前記昇圧スイッチング素子の両端間に直列接続された昇圧ダイオードおよびリンクコンデンサと、を備え、前記ブリッジ接続の交流端子間に前記交流電源を接続し、前記リンクコンデンサの両端間を前記リンク電圧としたことを特徴とする共振形充電装置。
5. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記ＡＣ−ＤＣコンバータは、ブリッジ接続された第１〜第４の整流ダイオードと、前記ブリッジ接続の直流端子間に直列接続されたフィルタインダクタおよびフィルタコンデンサと、前記フィルタコンデンサの両端間に直列接続された降圧スイッチング素子および降圧ダイオードと、前記降圧ダイオードの両端間に直列接続された平滑インダクタおよび昇圧スイッチング素子と、前記昇圧スイッチング素子の両端間に直列接続された昇圧ダイオードおよびリンクコンデンサと、を備え、前記ブリッジ接続の交流端子間に前記交流電源を接続し、前記リンクコンデンサの両端間を前記リンク電圧としたことを特徴とする共振形充電装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記整流回路は、第１，第２のダイオードを直列接続した第１のダイオードレッグと、第３，第４のダイオードを直列接続し、かつ前記第１のダイオードレッグに並列接続された第２のダイオードレッグとを備え、前記第１のダイオードレッグの両端間を直流端子間とし、前記第１，第２のダイオードの直列接続点と前記第３，第４のダイオードの直列接続点との間を交流端子間としたことを特徴とする共振形充電装置。
7. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記整流回路は、第１，第２のダイオードを直列接続した第１のダイオードレッグと、第１，第２の分圧コンデンサを直列接続し、かつ前記第１のダイオードレッグに並列接続された分圧コンデンサレッグとを備え、前記第１のダイオードレッグの両端間を直流端子間とし、前記第１，第２のダイオードの直列接続点と前記第１，第２の分圧コンデンサの直列接続点との間を交流端子間としたことを特徴とする共振形充電装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、前記スイッチング回路は、第１，第２のスイッチング素子を直列接続した第１のスイッチングレッグと、第３，第４のスイッチング素子を直列接続し、かつ前記第１のスイッチングレッグに並列接続された第２のスイッチングレッグとを備え、前記第１のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第３，第４のスイッチング素子の直列接続点との間を交流端子間としたことを特徴とする共振形充電装置。
9. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、前記スイッチング回路は、第１，第２のスイッチング素子を直列接続した第１のスイッチングレッグと、第１，第２の共振コンデンサを直列接続し、かつ前記第１のスイッチングレッグに並列接続された共振コンデンサレッグとを備え、前記第１のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２の共振コンデンサの直列接続点との間を交流端子間としたことを特徴とする共振形充電装置。
10. 請求項８において、前記第１〜第４のスイッチング素子のそれぞれに逆並列接続された逆並列ダイオードを備えたことを特徴とする共振形充電装置。
11. 請求項９において、前記第１，第２のスイッチング素子のそれぞれに逆並列接続された逆並列ダイオードを備えたことを特徴とする共振形充電装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を定電圧定電流制御するようにしたことを特徴とする共振形充電装置。
13. 交流電源に接続するコネクタと、動力用モータと、前記動力用モータに電力を供給する二次電池と、前記コネクタと前記二次電池との間に接続され、前記コネクタに接続された前記交流電源から前記二次電池へ電力を供給する共振形充電装置とを備え、
    前記共振形充電装置は、前記交流電源からの電力を入力し直流のリンク電圧を出力するＡＣ−ＤＣコンバータと、前記リンク電圧から前記二次電池へ絶縁しつつ電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記ＡＣ−ＤＣコンバータと前記ＤＣ−ＤＣコンバータとを制御する制御手段とを備え、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流端子間に前記リンク電圧が接続されて交流端子間に矩形波電圧を出力するスイッチング回路と、前記二次電池および平滑コンデンサが並列接続された直流端子間に、交流端子間から入力された電流を整流して出力する整流回路と、前記スイッチング回路の交流端子間に接続された１次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された２次巻線と、前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、前記１次巻線及び／又は前記２次巻線と直列接続された共振コンデンサ及び共振インダクタとを備えた共振形コンバータとし、
    前記制御手段は、前記矩形波電圧の周波数を変化させるように前記スイッチング回路が備えたスイッチング素子を制御するようにしたことを特徴とする車両。

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