(57)【要約】  巻線端子ａ−ｂ間の巻線と巻線端子ｂ−ｃ間の巻線とを直列に接続した１次巻線を有するトランス１３と、１次巻線の各巻線を任意に選択し電源電圧を印加するスイッチング回路部１８とを備え、制御部１５が、交流電源１の電圧変動の１周期に２回以上、１次巻線の電力を供給する巻線を切換えて、変動する電源電圧のその時々の電圧に対応した適切な巻数比のトランス１３を使用する電源として動作させる。電源電圧の高い期間においては巻数比を低くして適切なスイッチング動作を行うことで、効率を高くすることができ、電源電圧の低い期間においては巻数比を高くして低電源電圧からも所定の電力を出力することができる。
2014057577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が変動する直流電源電圧、あるいは、正弦波状に変動する交流電源電圧から、所定の電圧を出力する電源装置であって、
直列に接続した複数の巻線によって構成される１次巻線を有するトランスと、
前記１次巻線の前記複数の巻線に個々に接続された複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング素子の動作を制御して、前記１次巻線を構成する前記複数の巻線に選択的に前記電源電圧を印加する制御部とを備え、
前記制御部は、前記スイッチング素子を制御することによって、前記１次巻線のうちの前記電源電圧を印加する前記巻線を、変動する前記電源電圧の１周期中のその時々の電圧に対応して、２回以上切換えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記スイッチング回路には、前記スイッチング素子に流れる逆方向の電流を阻止するダイオードを有することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記スイッチング回路に使用するスイッチング素子は、双方向スイッチング素子あるいは双方向対応のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項４】
前記１次巻線は、巻数の異なる複数の巻線によって構成されており、当複数の巻線の組み合わせによって前記トランスの巻数比を任意に切換えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子の動作を制御する信号を前記制御部から前記スイッチング素子へ伝達する、絶縁式の信号伝達回路を備えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子は、Ｓｉ系、ＧａＮ系、またはＳｉＣ系の素子であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記スイッチング素子を位相制御、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作、またはＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作して、出力電圧、出力電流あるいは電源電流を調整することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項８】
請求項１記載の電源装置を使用して、車両に搭載されたバッテリを充電するバッテリ充電装置。
【請求項９】
前記電源装置の前記トランスの１次巻線とコア、前記スイッチング回路、および前記制御部を有する１次側構成部と、前記トランスの２次巻線とコアを有する２次側構成部とを分離して、前記２次側構成部は前記車両に搭載され、前記１次側構成部は前記車両の外部に配置されていることを特徴とする請求項８記載のバッテリ充電装置。
【請求項１０】
前記２次側構成部の前記コアには、分離された前記１次側構成部の１次巻線とは別に、第２の１次巻線を有することを特徴とする請求項９記載のバッテリ充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、変動する電源電圧から所定の電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータあるいはＡＣ／ＤＣコンバータ等の電源装置、および、当電源装置を使用したバッテリ充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化を助長する二酸化炭素の排出量を削減する風潮の中で、当二酸化炭素排出量の少なさが受け入れられて、電気自動車の需要が増加し、普及が加速している。
当電気自動車に搭載される動力用バッテリは、充電装置を使用して外部の交流電源によって充電され、当バッテリ充電装置には、交流電源から効率よく電力を取り込むためのコイル（リアクトル）、スイッチング素子等によって構成される力率改善（ＰＦＣ；Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路、トランスおよびスイッチング素子等によって構成されるＤＣ／ＤＣコンバータが使用されている。また、当電気自動車には、動力用バッテリから補器用の１２Ｖ電源を生成するＤＣ／ＤＣコンバータも搭載される。なお、上記交流電源から直流電圧を出力する一連の構成を、ＡＣ／ＤＣコンバータと言い換えることもできる。【０００３】
上記のように交流電源から動力用バッテリを充電する充電装置のＤＣ／ＤＣコンバータの前段には、力率を改善しながら、概ね一定の直流電圧を供給するＰＦＣ回路が使用されている。換言すれば、ＤＣ／ＤＣコンバータを好適に動作させるためには一定の直流電圧を供給するＰＦＣ回路が必要であり、仮に、簡素なＰＦＣ回路を使用してＤＣ／ＤＣコンバータへの供給電圧が変動することとなれば、当ＤＣ／ＤＣコンバータは好適な動作ができない。
また、補器用の１２Ｖ電源を生成するＤＣ／ＤＣコンバータの電源となる上記動力用バッテリも、その充電状況によって電圧が変動するため、必ずしも安定した直流電源とは言えない。つまり、当ＤＣ／ＤＣコンバータも常に好適な電源電圧のもとで動作しているとは言いがたい。【０００４】
上記のように最適な電圧が供給されない可能性がある電源環境において、バッテリ充電装置用および補器用に使用されるＤＣ／ＤＣコンバータとしては、電源電圧が変動することを見込んで、当電源電圧の変動に対応し、極限状態においても動作することを優先して、一部の状態においては特性の劣化を容認する設計をせざるを得なかった。
例えば、ＰＦＣ回路およびＤＣ／ＤＣコンバータによって構成される充電装置においては、接続する交流電源電圧は代表として１００Ｖｒｍｓ系と、２００Ｖｒｍｓ系の２種類あり、２００Ｖｒｍｓに重点をおいて設計すれば、１００Ｖｒｍｓ電源を使用したときの効率低下は否めない。
また、補器用の１２Ｖ電源を生成するＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、動力用バッテリ電圧の最低電圧から１２Ｖを出力する巻数比を備えたトランスと、動力用バッテリ電圧の最高電圧でも出力を１２Ｖに制限できる狭幅のＤｕｔｙで動作するスイッチング素子とが必要となるが、この狭幅Ｄｕｔｙによる動作においては、効率が低下することは否めない。【０００５】
以下に、ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される電源電圧の変動に対応する技術と、当ＤＣ／ＤＣコンバータを応用した装置とが記載された従来例を記す。【０００６】
特許文献１に係る電源装置は、交流の電源電圧の高低に対応して、トランスの１次巻線のタップを切換えるＡＣ／ＤＣコンバータ（即ち、電源電圧の交流を直流に変換する整流部および平滑部と、直流が供給されるＤＣ／ＤＣコンバータ）を備え、トランスの巻線比を適切に選択し切換えて、スイッチングトランジスタのオンＤｕｔｙを５０％程度に制御する。
当特許文献１は、例えば実効値が１００Ｖｒｍｓから２４０Ｖｒｍｓの交流電源に対応して、トランスのタップを選択し切換えるもので、正弦波状に変化する交流電源の１周期中の各タイミングの電圧に対応して逐次タップを切換えることを示す記載は無い。【０００７】
特許文献２に係る昇圧回路は、電気二重層キャパシタに貯えた蓄積電力を昇圧して取り出すための回路であって、当キャパシタの電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータを備えている。キャパシタの電圧が低下すると、巻数低減手段（切り替え回路）がトランスの一次側の巻数を減じて当トランスの昇圧比を大きくして、出力電圧の低下を回避する。
当特許文献２の段落［００２５］には「切り替え回路１９は、電磁リレーの接点１９ａを有しており」と記載されているように、巻数の切り替え操作には、動作が緩慢なリレーを使用していることから、当切り替え操作は交流電源の１周期のような短い周期の中で頻繁に行われるものではない。【０００８】
特許文献３に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、双方向のスイッチング素子を使用して、直流電源電圧の極性を逆転して接続しても使用可能としたものである。
当特許文献３には、電源電圧に応じてトランスの巻数比を切換えることを示す記載は無く、電源として交流電源を使用することを示唆する記載も無い。【０００９】
特許文献４に係る無停電電力供給方式は、双方向半導体スイッチを使用して、交流電源電圧を直流に変換することなくそのまま変調し、２次側で復調するＡＣ／ＡＣコンバータと、蓄電池を充電するＡＣ／ＤＣコンバータと、蓄電池から交流を出力するＤＣ／ＡＣインバータとを備えている。
当特許文献４の段落［００２５］には、１００Ｖｒｍｓと２００Ｖｒｍｓの電源電圧に対応して、トランスの１次側の回路構成をフルブリッジ式とハーフブリッジ式のいずれかに切換える記載はあるが、正弦波状に変化する交流電源の１周期中の各タイミングの電圧に対応して、逐次トランスの巻数比を切換えることを示す記載は無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２０９８５５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１５１１２号公報
【特許文献３】特開２０１２−６５４４４号公報
【特許文献４】特開平１０−１７４４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来のＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば上記特許文献１に記載されるように、交流電源の１周期の変動を吸収して一定の直流電圧を生成し、ＤＣ／ＤＣコンバータを好適に動作させるために、当交流電源の半周期分の変化を平滑する整流回路と平滑回路、平滑された電圧を出力するＰＦＣ回路が必要であった。当構成の平滑用のコンデンサは交流電源の半周期にわたってＤＣ／ＤＣコンバータの特性を確保するために、充分な容量を備えることが必要となる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータの特性を確保するためには、当容量の削減はしたいが、当平滑用のコンデンサの低容量化もしくは削除は電源装置の小型化および低廉化を行うための課題であった。即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する電源電圧が変動しても、好適に動作するＤＣ／ＤＣコンバータ（交流電源から一連の回路を含めればＡＣ／ＤＣコンバータ）を構成することが、電源装置の小型化および低廉化の課題である。
なお、上記特許文献１は、当ＤＣ／ＤＣコンバータを好適に動作させる直流電圧の生成に平滑コンデンサを使用しながら、さらに当ＤＣ／ＤＣコンバータの効率を高くするために、接続された電源電圧の実効値（例えば、１００Ｖｒｍｓと２００Ｖｒｍｓ）に対応して、一過的にトランスの巻数比を切換える構成である。したがって、正弦波状に時々刻々と変動する電圧が供給されたときに好適に動作するＤＣ／ＤＣコンバータの構成については記載がなく、上記平滑用のコンデンサを削減することを課題として考慮していない。【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電圧が時々刻々と変動する電源から所定の電圧を出力する電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、電圧が正弦波状に変動する交流電源から所定の電圧を出力する電源装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）、および、当電源装置を使用したバッテリ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】
【００１３】
この発明の電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびＡＣ／ＤＣコンバータ）は、直列に接続した複数の巻線によって構成される１次巻線を有するトランスと、１次巻線の複数の巻線に個々に接続された複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、スイッチング素子の動作を制御して、１次巻線を構成する前記複数の巻線に選択的に電源電圧を印加する制御部とを備え、制御部は、スイッチング素子を制御することによって、１次巻線のうちの電源電圧を印加する巻線を、変動する電源電圧の１周期中のその時々の電圧に対応して、２回以上切換えるものである。【００１４】
この発明のバッテリ充電装置は、上述の電源装置を使用して、車両に搭載されたバッテリを充電するものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、１次巻線のうちの電源電圧を印加する巻線を変動する電源電圧の変動の１周期中のその時々の電圧に対応して２回以上切換えて、変動するその時々の電源電圧に対して適切な巻数比のトランスとして動作させるようにしたので、電源電圧が低い状況においては、巻数比が高い１次巻線に切換えることで、当低電源電圧からも所定の電圧を出力することができる。また、電源電圧が高い状況においては、巻数比が低い１次巻線に切換え、適切なスイッチング動作を行うことにより、効率を高くすることができる。従って、電圧が時々刻々と変動する直流電源から所定の電圧を出力できる電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を提供することができる。【００１６】
この発明によれば、電源として交流電源を使用するときには、上述の特性によって、交流電源の繰返し周期の中の電源電圧が低いタイミングにおいても所定の電圧を出力することができるため、電源利用効率が高く、高調波が少なく、力率の高い電源装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を提供することができる。【００１７】
この発明によれば、交流電源からバッテリを充電するときに、上述の特性によって、交流電源の繰返し周期の中の電源電圧が低いタイミングにおいても所定の電圧を出力することができるため、電源利用効率が高く、高周波が少なく、力率の高いバッテリ充電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るバッテリ充電装置の構成を示す回路図である。
【図２】実施の形態１に係るバッテリ充電装置において、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４だけ使用する場合の動作波形を説明するグラフである。
【図３】実施の形態１に係るバッテリ充電装置において、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６全てを使用する場合の動作波形を説明するグラフである。
【図４】実施の形態１に係るバッテリ充電装置の変形例を示す回路図である。
【図５】実施の形態１に係るバッテリ充電装置に過電圧保護部とスナバ部を追加した場合の動作波形を説明するグラフである。
【図６】実施の形態１に係るバッテリ充電装置の変形例を示す回路図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るバッテリ充電装置の構成を示す回路図である。
【図８】実施の形態２に係るバッテリ充電装置の変形例を示す回路図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係るバッテリ充電装置の構成を示す回路図である。
【図１０】実施の形態３のトランスを説明する図である。
【図１１】実施の形態３に係るバッテリ充電装置において、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８全てを使用する場合の動作波形を説明するグラフである。
【図１２】この発明の実施の形態４に係るバッテリ充電装置の信号伝達回路の一例を示す回路図である。
【図１３】実施の形態４に係るバッテリ充電装置の信号伝達回路の別の例を示す回路図である。
【図１４】実施の形態４に係るバッテリ充電装置の信号伝達回路の別の例を示す回路図である。
【図１５】実施の形態４に係るバッテリ充電装置の信号伝達回路の別の例を示す回路図である。
【図１６】この発明の実施の形態５に係るバッテリ充電装置の構成を示す回路図である。
【図１７】実施の形態５に係るバッテリ充電装置の設置例を説明する図である。
【図１８】この発明の実施の形態６に係るバッテリ充電装置の構成を示す回路図である。
【図１９】実施の形態６に係るバッテリ充電装置の設置例を説明する図である。
【図２０】実施の形態６のトランスを説明する外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１に示すバッテリ充電装置１０は、例えば周期が２０ｍｓ（５０Ｈｚ）あるいは１７ｍｓ（６０Ｈｚ）の交流電源１を電源として、当時々刻々と変動する交流電源電圧を所定の電圧（バッテリ電圧）に変換して、バッテリ２を充電するものである。本発明はＤＣ／ＤＣコンバータを含む電源装置に関するものであるが、交流電圧を全波整流する電源整流部１１のフィルタコンデンサＣ１はノイズフィルタ用の小容量のコンデンサでありほとんど平滑作用がないもので、電源整流部１１によって整流した電圧は直流ながら正弦半波状の電圧が繰り返される電圧となる。したがって、ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２に供給される電圧および当電圧に対するＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２の挙動は交流の半周期分と同等となるため、以下においては、正弦波状の交流電圧を入力したときの挙動によって、動作を説明する。
【００２０】
図１において、バッテリ充電装置１０は、交流電源１の交流電圧を整流して直流電圧を出力する電源整流部１１と、直流電圧をバッテリ電圧に変換するＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２と、ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２の出力電圧を整流および平滑してバッテリ２へ供給する出力整流部１４と、スイッチング回路部１８の各スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を操作する制御部１５とから構成されている。なお、図１のバッテリ充電装置１０は、交流電圧を入力して直流電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータと言い換えることができる。
【００２１】
ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２の１次側に設けた電源整流部１１において、交流電源１の交流電圧が、４個の整流ダイオードＤ１〜Ｄ４によって全波整流され、正弦半波状の電圧が繰り返される直流電圧に変換される。他方、ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２の２次側に設けた出力整流部１４において、ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２の出力電圧が、４個の整流ダイオードＤ５〜Ｄ８によって全波整流され、平滑用のコイルＬ１と平滑コンデンサＣ２によって平滑されて、直流電圧に変換される。
なお、電源整流部１１および出力整流部１４の回路構成は、図示例に限定されるものではない。
【００２２】
ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２は、複数の巻線を直列に接続した１次巻線と、２次巻線とを有するトランス１３と、１次巻線を構成する複数の巻線の各巻線端子ａ〜ｃに選択的に電圧を印加するスイッチング回路部１８とから構成される。スイッチング回路部１８において、制御部１５の出力する駆動信号によりスイッチＳＷ１〜ＳＷ６がオンオフ動作して各巻線端子ａ〜ｃの接続を切換え、１次巻線と２次巻線の巻数比を変更する。図示例では、巻線端子ａ−ｃ間の巻線巻回数と、巻線端子ａ−ｂ間の巻線巻回数を同等にしている。
【００２３】
制御部１５は、電源整流部１１で整流した後の電源電圧に基づいてスイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオンオフ動作を制御し、当電源電圧の１周期の中で電源電圧が低いときは巻線端子ａ−ｂ間に当電源電圧を印加し、電源電圧が高いときは巻線端子ａ−ｃ間に当電源電圧を印加する。都合当電源電圧の１周期に２回以上、トランス１３の１次巻線の巻線端子ａ〜ｃの接続を切換えることとなる。
また、制御部１５は、出力整流部１４で整流および平滑した後の出力電圧（または出力電流、電源電流）に基づいてスイッチＳＷ１〜ＳＷ６を位相制御、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作またはＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作し、出力電圧（または出力電流、電源電流）を調整する。
【００２４】
この制御部１５は、高速演算機能を有するマイクロコンピュータを用いたディジタル制御、オペアンプ等で構成される誤差増幅回路を用いたアナログ制御、または汎用のマイクロコンピュータと誤差増幅回路を組み合わせたディジタル−アナログ制御等で構成される。
【００２５】
先ず、図２を参照しながら、スイッチＳＷ５，ＳＷ６を操作せずに（オフ状態で固定とする）、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４だけ使用する場合を説明する。図２（ａ）は交流電源１の電源電圧、図２（ｂ）はトランス１３の通電方向、図２（ｃ）は整流ダイオードＤ５〜Ｄ８の出力電圧、図２（ｄ）は出力整流部１４の出力電流（即ち、バッテリ２の入力電流）を示すグラフである。
なお、前述したように、ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２に供給される電圧および当電圧に対するＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２の挙動は交流の半周期分と同等となるため、交流電源１の電源電圧に対応した動作の説明によって代替する。
【００２６】
スイッチＳＷ１，ＳＷ４が同じタイミングでオンオフを繰り返し（例えば５０％Ｄｕｔｙとする）、オン時に１次巻線の巻線端子ａ−ｃ間に電流を流す。一方、スイッチＳＷ２，ＳＷ３が同じタイミングでスイッチＳＷ１，ＳＷ４の動作の反転でオンオフを繰り返し、オン時に１次巻線の巻線端子ｃ−ａ間に電流を流す。（スイッチＳＷ１がオンのときはスイッチＳＷ４もオンし、スイッチＳＷ２，ＳＷ３はオフする。逆にスイッチＳＷ１がオフのときはスイッチＳＷ４もオフし、スイッチＳＷ２，ＳＷ３はオンする。）
【００２７】
図２（ｃ）および図２（ｄ）のように、出力整流部１４からは、１次巻線に印加される電圧の巻数比倍の電圧が出力されるが、バッテリが定電圧特性を有するために、当出力電圧がバッテリ電圧以下のときは電流が流れず、当バッテリ電圧を超えてから電流が流れ出す。従って、電源電圧が低いタイミングＴＬにおいては、当タイミングＴＬの電力がまったく使用されることが無い。つまり、正弦波状に変化する交流電源１を使用するときには１周期の中で使用される電圧範囲が狭い、即ち、電流が流れている期間が狭いので、バッテリ充電装置１０の電源が交流の場合においては、電源利用効率が低い。また、交流電源の１周期の中で電流が流れる期間が狭く、受電する電源電流が矩形波に近いため、高調波成分が多く、同じ交流電源に接続される他の機器への影響も懸念される。
【００２８】
なお、上記の図２の説明においては便宜的にスイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフを５０％Ｄｕｔｙとしたが、定電圧特性を有するバッテリを充電する電源装置としては、電源電圧が高電圧のタイミングＴＨにおいて、過大な出力電流が流れないように、位相制御またはＰＷＭ・ＰＦＭ操作によって巻線端子ａ−ｃ間と巻線端子ｃ−ａ間に印加する電圧のＤｕｔｙを狭幅にすることになるので、電力を最も伝えやすい当タイミングＴＨにおいて効率が悪化する。
【００２９】
なお、位相制御の場合、制御部１５は、一方のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を約５０％のＤｕｔｙで交互にオンオフし、他方のスイッチＳＷ３，ＳＷ４も約５０％のＤｕｔｙで交互にオンオフしながら、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の動作位相とスイッチＳＷ３，ＳＷ４の動作位相をずらして、トランス１３に通電する通電時間を変化させることにより、出力電圧を調整する。ＰＷＭ操作の場合、制御部１５は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフの繰り返し周期を一定にし、当１周期の中のスイッチＳＷ１のオン時間（即ち、スイッチＳＷ２のオフ時間）、スイッチＳＷ３のオン時間（即ち、スイッチＳＷ４のオフ時間）の比率を変化させることにより、出力電圧を調整する。ＰＦＭ操作の場合、制御部１５は、スイッチＳＷ１のオン時間（このときスイッチＳＷ２はオフ）、スイッチＳＷ３のオン時間（このときスイッチＳＷ４はオフ）を一定にして、スイッチＳＷ１，ＳＷ３のオンの繰り返し周期を変化させることにより、出力電圧を調整する。
【００３０】
次に、図３を参照しながら、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６全てを使用する場合を説明する。図３（ａ）は交流電源１の電源電圧、図３（ｂ）はトランス１３の通電方向、図３（ｃ）は整流ダイオードＤ５〜Ｄ８の出力電圧、図３（ｄ）は出力整流部１４の出力電流（即ち、バッテリ２の入力電流）を示すグラフである。
【００３１】
電源電圧が低いタイミングＴＬにおいては、スイッチＳＷ１，ＳＷ６が同じタイミングでオンオフを繰り返し（例えば５０％Ｄｕｔｙとする）、オン時に１次巻線の巻線端子ａ−ｂ間に電流を流す。一方、スイッチＳＷ２，ＳＷ５が同じタイミングでスイッチＳＷ１，ＳＷ６の動作の反転でオンオフを繰り返し、オン時に１次巻線の巻線端子ｂ−ａ間に電流を流す。スイッチＳＷ１，ＳＷ６とスイッチＳＷ２，ＳＷ５とは交互にオンオフを繰り返す。この間、スイッチＳＷ３，ＳＷ４はオフ固定とする。
上記により、図３（ｃ）のように、電源電圧が低いタイミングＴＬにおいては、トランス１３の巻数比を高くすることにより、当低電圧から適切な電圧を生成してバッテリ２に充電電流を流すことができる。
【００３２】
他方、電源電圧が高いタイミングＴＨにおいては、図２の場合と同様に、スイッチＳＷ１，ＳＷ４とスイッチＳＷ２，ＳＷ３とが交互にオンオフを繰り返し、巻線端子ａ−ｃ間と巻線端子ｃ−ａ間とに交互に電流を流す。この間、スイッチＳＷ５，ＳＷ６はオフ固定とする。
電源電圧が高いタイミングＴＨにおいてトランス１３の巻数比を低くすることにより、当高電圧から適切な電圧を生成してバッテリ２に充電電流を流すことができる。
【００３３】
以上のように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６全てを使用することにより、電源電圧が低いタイミングＴＬにおいても、当タイミングＴＬの電力が使用されるために、１周期の中で使用される電圧範囲が拡大、即ち、電流が流れている期間を拡大できる。
バッテリ充電装置１０の電源が交流の場合においては、図３（ｄ）に斜線で示した領域の通電電流が増加し、電源利用効率向上および力率向上が可能となる。
つまり、当構成によるＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２によって力率を向上することが可能であるため、上記特許文献１の図２に示されるチョッパ回路１０のようなＰＦＣ回路を備える必要がなく、平滑用コンデンサの削減もさることながら、ＰＦＣ回路も簡素化できて、電源装置を小型に、廉価にすることができる。
なお、交流電源の１周期の中で電流が流れる期間を拡大することで、受電する電源電流を正弦波に近づけることができるため、電源側に影響する高調波成分を抑制することもできる。
【００３４】
また、交流電源１のその時々の電源電圧に応じて、トランス１３の巻数比を適切に切換えることにより、それぞれのタイミングＴＨ，ＴＬにおいて広幅のＤｕｔｙでスイッチＳＷ１〜ＳＷ６を動作させることができるようになるため、それぞれのタイミングＴＨ，ＴＬ、さらには全周期において、効率を高くすることができる。
【００３５】
次に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の具体例を説明する。
【００３６】
図４は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用した場合のバッテリ充電装置１０ａの回路構成を示す。ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２ａにおいて、スイッチング回路１８ａは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６としてスイッチング素子ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６を使用すると共に、スイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４への電流逆流を阻止する逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０を備える。なお、スイッチング素子ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６の動作は、図３で説明したスイッチＳＷ１〜ＳＷ６の動作と同じであるため、説明は省略する。
【００３７】
上記構成において、制御部１５がスイッチング素子ＦＥＴ１，ＦＥＴ２，ＦＥＴ５，ＦＥＴ６を操作して巻線端子ａ−ｂ間あるいは巻線端子ｂ−ａ間を通電しているときには、トランス構成の巻線端子ｃにも電圧が発生するため、スイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４の端子には、電源電圧以上、あるいは、ＧＮＤ電圧以下の電圧が印加されるために、スイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４内の寄生ダイオード（不図示）に電流が流れ、スイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４に電流が逆流する（図４の矢印）。そこで、当電流の逆流を阻止するために、直列に逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０を接続する。当逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０を設置することにより当電流の逆流が阻止でき、スイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４を破壊することなく、ＤＣ／ＤＣコンバータを正常に動作させることができ、十分な出力が得られる。
【００３８】
また、図４においては、トランス１３の巻線端子ａと巻線端子ｃの間に、過電圧保護部１６およびスナバ部１７を設けている。過電圧保護部１６は、例えば２個のツェナダイオードのそれぞれのアノードあるいはそれぞれのカソードを接続した回路であり、１次巻線の巻線端子間の通電方向を切換えたときに発生するサージ電圧の高電圧部を制限された電圧に抑圧する。スナバ部１７は、例えば抵抗Ｒ１とコンデンサＣ３からなるＲＣ回路であり、当サージエネルギを吸収する。
【００３９】
図５（ａ）は交流電源１の電源電圧、図５（ｂ）はトランス１３の通電方向、図５（ｃ）は過電圧保護部１６およびスナバ部１７を設けた場合のトランス１３の巻線端子ａ−ｃ間の電圧、図５（ｄ）は過電圧保護部１６およびスナバ部１７を設けない場合の巻線端子ａ−ｃ間の電圧を示す。なお、当巻線端子ａ−ｃ間には巻線端子ａ−ｂ間に印加する電圧に対応してプラスとマイナスの両極性の電圧が発生するが、当図５（ｃ），（ｄ）においては便宜的にマイナス側をプラス側に変換した絶対値にて示す。
当１次巻線の巻線端子ａ−ｂ間に通電しているとき、巻線端子ａ−ｃ間にも電圧が発生し、スイッチング素子の切換え動作時には、図５（ｄ）のようにサージが生じるが、過電圧保護部１６およびスナバ部１７を備えることによって、図５（ｃ）のように当サージを抑制できる。
【００４０】
図６は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６に双方向スイッチング素子を使用した場合のバッテリ充電装置１０ｂの回路構成を示す。ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２ｂでは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６として双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６を使用する。また、図４と同様に過電圧保護部１６およびスナバ部１７を設けている。
なお、上記構成において、双方向スイッチにする必要があるのはスイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４だけであり、他のスイッチング素子ＦＥＴ１，ＦＥＴ２，ＦＥＴ５，ＦＥＴ６に関しては必ずしも双方向スイッチにする必要は無いが、当図６においては、使用する素子を統一するためにすべてを双方向対応にしている。
【００４１】
双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１は、直列に接続した２個のスイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂによって構成される。同様に、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１２はスイッチング素子ＦＥＴ１２ａ，１２ｂ、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１３はスイッチング素子ＦＥＴ１３ａ，１３ｂ、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１４はスイッチング素子ＦＥＴ１４ａ，１４ｂ、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１５はスイッチング素子ＦＥＴ１５ａ，１５ｂ、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１６はスイッチング素子ＦＥＴ１６ａ，１６ｂによって構成される。これら双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６の動作は、図３で説明したスイッチＳＷ１〜ＳＷ６の動作と同じであるため、説明は省略する。
【００４２】
上記説明のように、片方向のスイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４を使用する場合には電流が逆流しないように直列に逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０を接続する必要があったが、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１３，ＦＥＴ１４を使用することにより正逆双方向ともに電流を流し、また止めることができ、直列の逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０を使用しないため、当直列の逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０による損失を削減できて効率が向上する。
【００４３】
以上より、実施の形態１によれば、バッテリ充電装置１０は、直列に接続した複数の巻線（巻線端子ａ−ｂ間の巻線と巻線端子ｂ−ｃ間の巻線）によって構成される１次巻線を有するトランス１３と、１次巻線を構成する複数の巻線端子ａ〜ｃに個々に接続された複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ６を有するスイッチング回路部１８と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の動作を制御して、１次巻線を構成する複数の巻線に選択的に電源電圧を印加する制御部１５と、トランス１３の出力電圧を整流する出力整流部１４とを備え、制御部１５は、１次巻線のうちの電源電圧を印加する巻線を、変動する電源電圧の変動の１周期中のその時々の電圧に対応して２回以上切換えるように構成した。
このため、例えば、交流成分のリプルが重畳する交流発電機の出力を整流して直流とする直流電源の出力のように、電圧が時々刻々と変動する直流電源を使用する場合に、時々刻々と変動するその時々の電源電圧に対して適切な巻数比のトランスとして動作させることにより、電源電圧が低い状況においては、巻数比が高い１次巻線に切換えることで、当低電源電圧からも所定の電圧を出力することができる。また、電源電圧が高い状況においては、巻数比が低い１次巻線に切換え、適切なスイッチング動作を行うことにより、効率を高くすることができる。従って、使用可能な電源電圧範囲の広い、効率の高い電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を実現できる。
また、当構成によって、平滑用コンデンサの削減と、簡素なＰＦＣ回路による電源装置を実現できる。
なお、変動する電源の１周期の中で電流が流れる期間を拡大することで、受電する電源電流を概ね連続的に流せるため、電源側に影響する高調波成分を抑制することもできる。
【００４４】
なお、直流電源用のＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２を用いて、交流電源１を電源とするバッテリ充電装置１０を構成するときには、交流電源１の交流電圧を整流する電源整流部１１を追加し、整流後の電圧をトランス１３の１次巻線に印加するように構成する。この構成の場合にも、上記同様に交流電源の繰返し周期の中の電源電圧が低いタイミングにおいても所定の電圧を出力する特性を有し、この特性によって、電源利用効率が高く、高調波が少なく、力率の高い電源装置（電源整流部１１とＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２から成るＡＣ／ＤＣコンバータ）を構成することができる。
【００４５】
さらに、実施の形態１に係るバッテリ充電装置１０，１０ａ，１０ｂを、電気自動車の動力用のバッテリ２を充電するバッテリ充電装置として使用してもよく、家庭用または商用の交流電源１に直接プラグを接続して、動力用のバッテリ２を充電することができる。
【００４６】
また、実施の形態１によれば、スイッチング回路部１８ａは、スイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４の電流逆流を阻止する逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０を有する構成にした。これにより、電流の逆流を阻止できるので、スイッチング素子を破壊することなく、ＤＣ／ＤＣコンバータを正常に動作させることができ、充分な出力が得られる。
【００４７】
また、実施の形態１によれば、スイッチング回路部１８ｂのスイッチング素子として、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６を使用する構成にした。これにより上記逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０を削減できるため、当逆流防止ダイオードＤ９，Ｄ１０による損失を削減できて効率を向上することができる。
【００４８】
なお、上記説明では、スイッチング素子としてそれぞれ２個のＦＥＴを用いたが、これに限定されるものではなく、同等な特性の１個のスイッチング素子であってもよく、トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等を用いてもよい。また、これらスイッチング素子を構成する半導体としては、従来のＳｉ（シリコン、珪素）系半導体の他に、電流密度を高くできてオン抵抗が低く、スイッチング時間が短く高周波動作が可能な、ＧａＮ（ガリウム・ナイトライド、窒化ガリウム）系、あるいはＳｉＣ（シリコン・カーバイド、炭化珪素）系の半導体も使用できる。なお、当ＧａＮ系、あるいはＳｉＣ系の半導体は、耐圧が高く、また高温での動作が可能なために、大容量の電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータ）用のスイッチング素子としては、好適である。
【００４９】
また、図示は省略するが、ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２の２次側に、当２次側出力を交流に変換する変換回路部（例えば、図１のスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ５，ＳＷ６から構成される回路）を加えれば、バッテリ充電装置１０をＤＣ／ＡＣインバータとして構成でき、使用可能な電源電圧範囲の広い、効率の高いＤＣ／ＡＣインバータを実現できる。
【００５０】
また、上記説明においては、１次巻線を複数にして、変動する電源電圧に対応して巻線を切換える構成を示したが、同様な操作を、２次巻線を複数にして実施することも可能である。この場合、２次巻線を構成する複数の巻線に発生する電圧に対応して、当巻線を切換えて、所定の出力電圧に調整する構成となる。
【００５１】
実施の形態２．
図７は、本実施の形態２に係るバッテリ充電装置１０ｃの構成を示す回路図である。図７において、図１〜図６と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
上記実施の形態１では交流電源１の交流電圧を整流する電源整流部１１を設けたが、本実施の形態２では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６をすべて双方向対応にすることによって、図７に示すように、電源整流部１１を設けず、交流電源１の交流電圧を直接トランス１３に印加することができる。ちなみに、上記実施の形態１においては、電源電圧以上、あるいは、ＧＮＤ電圧以下の電圧が印加されるスイッチング素子ＦＥＴ３，ＦＥＴ４には、逆流防止ダイオードの追加、または、双方向スイッチを使用する必要があるが、他のスイッチング素子ＦＥＴ１，ＦＥＴ２，ＦＥＴ５，ＦＥＴ６は必ずしも双方向スイッチにする必要は無かった。これに対し、電源整流部１１を削除するためには、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６をすべて双方向対応にする必要がある。
上記のように本実施の形態２においては、電源整流部１１を削除し、交流電圧を直接トランス１３に印加して、直流出力を得ることができる構成となるため、上記実施の形態１のＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部をＰＦＣ・ＡＣ／ＤＣコンバータ部１２ｃと言い換えることができる。ＰＦＣ・ＡＣ／ＤＣコンバータ部１２ｃの内部構成は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６が双方向対応であること以外は、図１のＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部１２と同一のため、説明は省略する。なお、図７の構成では、交流電圧の正弦波状の変動の１周期に４回、トランス１３の１次巻線を構成する各巻線端子を切換えることになる。
【００５２】
次に、ＰＦＣ・ＡＣ／ＤＣコンバータ部１２ｃに使用されているスイッチＳＷ１〜ＳＷ６の具体例を説明する。
図８は、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６を使用したバッテリ充電装置１０ｄの回路構成を示す。図８のＰＦＣ・ＡＣ／ＤＣコンバータ部１２ｄでは、図６と同様にスイッチＳＷ１〜ＳＷ６として双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６を使用し、さらに過電圧保護部１６およびスナバ部１７を設けている。双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６を使用することにより、いずれの方向の電流も通電と停止が可能なため、電源電圧の極性によらず、即ち、交流電圧であっても、任意にトランス１３に電流を通電することができる。また、各スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ〜ＦＥＴ１６ｂへの電流の逆流も阻止することができる。
【００５３】
以上より、実施の形態２によれば、バッテリ充電装置１０ｄは、直列に接続した複数の巻線（巻線端子ａ−ｂ間の巻線と巻線端子ｂ−ｃ間の巻線）によって構成される１次巻線を有するトランス１３と、１次巻線を構成する複数の巻線の端子ａ〜ｃに個々に接続されたスイッチＳＷ１〜ＳＷ６を有するスイッチング回路部１８と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の動作を制御して、１次巻線を構成する複数の巻線に選択的に交流電源１の電源電圧を印加する制御部１５と、トランス１３の出力電圧を整流する出力整流部１４とを備え、制御部１５は、１次巻線のうちの電源電圧を印加する巻線を、電源電圧の変動の１周期中のそれぞれの電圧に対応して２回以上切換えるように構成した。このため、電圧が正弦波状に変動する交流電源１を使用する場合に、時々刻々と変動するその時々の電源電圧に対して適切な巻数比のトランスとして動作させることにより、電源電圧が低い状況においては、巻数比が高い１次巻線に切換えることで、当低電源電圧からも所定の電圧を出力することができる。また、電源電圧が高い状況においては、巻数比が低い１次巻線に切換え、適切なスイッチング動作を行うことにより、効率を高くすることができる。従って、電源利用効率が高く、高調波が少なく、力率の高い電源装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を構成することができる。
また、当構成によって、平滑用コンデンサを削減すること、簡素なＰＦＣ回路を使用すること、電源用整流ダイオード（図１のＤ１〜Ｄ４）を使用しないことにより、さらに簡素な電源装置を実現できる。
【００５４】
さらに、実施の形態２に係るバッテリ充電装置１０ｃ，１０ｄを、電気自動車の動力用のバッテリ２を充電するバッテリ充電装置として使用してもよく、家庭用または商用の交流電源１に直接プラグを接続して、動力用のバッテリ２を充電することができる。
【００５５】
実施の形態３．
図９は、本実施の形態３に係るバッテリ充電装置１０ｅの構成を示す回路図である。図１０は、バッテリ充電装置１０ｅのトランス１３ｅを説明する図である。なお、図９および図１０において、図１〜図８と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
【００５６】
上記実施の形態１，２では、２個の巻線を直列に接続して、トランス１３の１次巻線を構成したが、本実施の形態３では、互いに巻数の異なる３個の巻線を直列に接続して、トランス１３ｅの１次巻線を構成している。例えば、図１０に示すように、トランス１３ｅの１次巻線は、巻線端子ａ−ｂ間の巻線の巻数を１０ターン（Ｔ）、巻線端子ｂ−ｃ間の巻線の巻数を３０Ｔ、巻線端子ｃ−ｄ間の巻線の巻数を２０Ｔとする。トランス１３ｅの２次巻線の巻数は６０Ｔとする。
また、巻線の追加に伴い、スイッチング回路部１８ｅにスイッチＳＷ７，ＳＷ８を追加している。
【００５７】
図１１（ａ）は交流電源１の電源電圧、図１１（ｂ）は電源電圧を印加する巻線端子、図１１（ｃ）は整流ダイオードＤ５〜Ｄ８の出力電圧を示す。なお、図１１（ｃ）では、トランス１３ｅの通電方向の切換え毎の出力電圧波形ではなく、巻線切換え毎の出力電圧の包絡波形を示している。
【００５８】
制御部１５が電源電圧を印加するトランス１３ｅの１次巻線として巻線端子ａ−ｂ間を選択した場合（即ち、スイッチＳＷ１，ＳＷ６とスイッチＳＷ２，ＳＷ５とを交互にオンオフ操作）、巻数比１：６のトランス１３ｅを構成でき、電源電圧が低電圧であっても、充分な出力電圧を出力できる。
【００５９】
電源電圧の上昇に対応して、制御部１５は、次に１次巻線の巻線端子ｃ−ｄ間を選択して巻数比２：６にし（即ち、スイッチＳＷ３，ＳＷ８とスイッチＳＷ４，ＳＷ７とを交互にオンオフ操作）、続けて巻線端子ｂ−ｃ間を選択して巻数比３：６にし（即ち、スイッチＳＷ３，ＳＷ６とスイッチＳＷ４，ＳＷ５とを交互にオンオフ操作）、続けて巻線端子ａ−ｃ間を選択して巻数比４：６にし（即ち、スイッチＳＷ１，ＳＷ４とスイッチＳＷ２，ＳＷ３とを交互にオンオフ操作）、続けて巻線端子ｂ−ｄ間を選択して巻数比５：６にする（即ち、スイッチＳＷ５，ＳＷ８とスイッチＳＷ６，ＳＷ７とを交互にオンオフ操作）。
【００６０】
そして、電源電圧が最高電圧に近づけば、制御部１５は１次巻線の巻線端子ａ−ｄ間を選択して（即ち、スイッチＳＷ１，ＳＷ８とスイッチＳＷ２，ＳＷ７とを交互にオンオフ操作）、巻数比６：６つまりは１：１のトランス１３ｅを構成する。
なお、電源電圧の下降に対応しては、上記の順序を逆行する。
【００６１】
また、図１１（ｃ）では、各巻数比の期間においてオンオフ操作するスイッチのＤｕｔｙを５０％一定とした場合の出力電圧を示したが、実際には、各期間において、位相制御またはＰＷＭ・ＰＦＭ操作を実施して各巻線端子に印加する電圧のＤｕｔｙを制御することにより、出力電圧を細かく制御してさらに好適なバッテリ充電電流を出力すること、および、受電する電源電流をさらに高調波の少ない正弦波に近づけることができる。
【００６２】
なお、トランス１３ｅの１次巻線を構成する巻線の数、１次巻線と２次巻線の巻回数、１次巻線を構成する各巻線の接続および選択に関しては、上記例以外の構成でも構わないし、１次巻線を構成する巻線を他の巻線から分離しても構わない。
【００６３】
以上より、実施の形態３によれば、トランス１３ｅの１次巻線は、巻数の異なる複数の巻線によって構成されており、これら巻線の組み合わせに応じて任意の巻数になるようにした。このため、巻数比が高いトランスを構成することによって、電源電圧が低いときにも電力を出力することができる。また、変動する電源電圧の各タイミングの電圧に適した巻数比のトランスを構成することができ、さらに各タイミングの電源電圧において適切なＤｕｔｙのスイッチング動作を行うことにより、電源利用効率が高く、力率が高く、高調波が少なく、高い効率の電源装置（ＡＣ／ＤＣコンバータ）を実現できる。
また、当構成によって、平滑用コンデンサを削減すること、簡素なＰＦＣ回路を使用すること、電源用整流ダイオード（図１のＤ１〜Ｄ４）を使用しないことによって、簡素な電源装置を実現しながら、さらに力率が高く、高調波の少ない電源装置を実現できる。
【００６４】
なお、上記実施の形態１に記載する直流電源を電源として使用するときにおいても、トランスの１次巻線を本実施の形態３のように構成することで、上記と同様の効果を有する電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を実現できる。
【００６５】
実施の形態４．
本実施の形態４では、制御部１５が、絶縁した信号伝達回路を経由してスイッチＳＷ１〜ＳＷ６を駆動する構成を説明する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を構成する各スイッチング素子は、基準電圧から浮いた電位で動作するため、各スイッチング素子を動作させる駆動信号の伝達回路として、例えば図１２および図１４のようなパルストランス２０、あるいは図１３および図１５のような絶縁電源２２とフォトカプラ２４を使用する。
【００６６】
図１２〜図１５は、本実施の形態４に係るバッテリ充電装置１０の信号伝達回路の構成を示す回路図であり、図１〜図１１と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。なお、制御部１５ａ〜１５ｄは駆動信号の伝達に関わる部分のみを図示している。
また、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６として双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６を使用し、代表して双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１（スイッチング素子ＦＥＴ１１ａおよびスイッチング素子ＦＥＴ１１ｂ）を図示している。
【００６７】
図１２に示す制御部１５ａにおいて、パルストランス２０の１次側には当パルストランス２０を制御するスイッチング素子ＦＥＴ２１が接続されている。また、パルストランス２０の２次巻線の高電位側にスイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの各ゲート端子が接続され、低電位側にスイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの各ソース端子が共通に接続されている。
【００６８】
この制御部１５ａにおいて、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１を駆動する駆動信号（オンオフ信号）がスイッチング素子ＦＥＴ２１に入力され、パルストランス２０を介してスイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂそれぞれに絶縁された状態で伝達され、スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂが同じタイミングでオンオフ動作を行う。
【００６９】
図１３に示す制御部１５ｂにおいて、フォトカプラ２４の発光側には当フォトカプラ２４を制御するスイッチング素子ＦＥＴ２５が接続されている。フォトカプラ２４の受光側には、ゲート駆動部２４ａを介して、スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの各ゲート端子が接続されている。スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの各ソース端子は、絶縁電源２２の低電位側に接続されている。絶縁電源２２は、トランス２２ａ、整流ダイオードＤ２２および平滑コンデンサＣ２２から構成され、スイッチング素子ＦＥＴ２３の制御に応じて、スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの駆動電源を生成してゲート駆動部２４ａへ供給する。
【００７０】
この制御部１５ｂにおいて、電源用矩形波信号により駆動するスイッチング素子ＦＥＴ２３が絶縁電源２２を制御して、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１の駆動電源をゲート駆動部２４ａへ供給する。また、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１の動作を制御する駆動信号（オンオフ信号）がスイッチング素子ＦＥＴ２５に入力され、フォトカプラ２４およびゲート駆動部２４ａを介してスイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂそれぞれに絶縁された状態で伝達され、スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂが同じタイミングでオンオフ動作を行う。
【００７１】
図１２および図１３では、スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの互いのソース端子を接続したが、これに限定されるものではなく、図１４および図１５に示すように、スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの互いのドレイン端子を接続してもよい。なお、図１４および図１５のように互いのドレイン端子を接続した場合、スイッチング素子ＦＥＴ１１ａ，１１ｂの各ゲート端子に電位の異なる駆動信号を入力する必要があるため、パルストランス２０に２次巻線を２個設け、絶縁電源２２を２個にして、それぞれの電源でフォトカプラ２４が動作するように構成している。
【００７２】
また、パルストランス２０およびフォトカプラ２４の他にも、例えば磁気結合による手段（磁気アイソレータ）等を使用して絶縁された信号伝達回路を構成してもよい。
【００７３】
以上より、実施の形態４によれば、バッテリ充電装置１０は、双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６の動作を制御する駆動信号を、絶縁した状態で、制御部１５ａ〜１５ｄから双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６へ伝達する信号伝達回路を備える構成にした。このため、制御部１５から双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６への信号伝達経路を絶縁することができ、スイッチング回路部を好適に動作させることができて、充分な性能が得られる電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータ）を実現できる。
【００７４】
実施の形態５．
図１６は、本実施の形態５に係るバッテリ充電装置１０ｆの構成を示す回路図である。図１７は、当バッテリ充電装置１０ｆの設置例を説明する図である。なお、図１６および図１７において図１〜図１５と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
【００７５】
本実施の形態５では、トランス１３ｆの１次巻線を内蔵した１次側構成部３１と、２次巻線を内蔵した２次側構成部３２とを個々に形成して、それぞれを分離にする。そして、一方の１次側構成部３１を、外部の交流電源１に接続した外部（地上設置）電源装置として使用する。他方の２次側構成部３２は、電気自動車に搭載して、出力を当電気自動車の動力用のバッテリ２に接続する。
【００７６】
車載のバッテリ２を充電するときは、２次側構成部３２の２次巻線を巻回したコアが、１次側構成部３１の１次巻線を巻回したコアに対向するように車両を停車させて（両コア、１次巻線および２次巻線によってトランス１３ｆを構成する位置に車両を停車させて）、１次側構成部３１の１次巻線と２次側構成部３２の２次巻線とにより構成されるトランス１３ｆによって非接触で電力を伝達する。
【００７７】
なお、非接触による充電の場合には、共振用巻線３３と共振用コンデンサＣ４とを直列に接続した共振回路を使用し、共振用巻線３３と共振用コンデンサＣ４に共振電流を通電して２次側を共振動作させることが望ましい。
【００７８】
図１６では、スイッチング回路部１８のスイッチング素子として双方向スイッチング素子ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６を使用したが、これに限定されるものではない。また、図１６では１次側構成部３１を直接交流電源１に接続可能なＰＦＣ・ＡＣ／ＤＣコンバータを例示したが、図１等に示した電源整流部１１とＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成しても構わない。
また、図１７では、地上に１次側構成部３１を配置し、電気自動車の下部に２次側構成部３２を配置したが、これ以外の配置であっても構わない。
【００７９】
以上より、実施の形態５によれば、バッテリ充電装置１０ｆは、上記電源装置を、トランス１３ｆの１次巻線、スイッチング回路部１８、および制御部１５を有する１次側構成部３１と、トランス１３ｆの２次巻線および出力整流部１４を有する２次側構成部３２とに分離して、２次側構成部３２を車両に搭載し、１次側構成部３１を車両の外部に配置できる構成にした。このため、外部電源装置から非接触で動力用バッテリを充電できる電気自動車用のバッテリ充電装置を、上記電源装置による簡素な構成によって実現できる。
【００８０】
実施の形態６．
図１８は、本実施の形態６に係るバッテリ充電装置１０ｇの構成を示す回路図である。図１９は、バッテリ充電装置１０ｇの設置例を説明する図である。なお、図１８および図１９において図１〜図１７と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
【００８１】
本実施の形態６において、家庭用または商用の交流電源４０に直接プラグ（不図示）を接続して、電気自動車に搭載したバッテリ２を充電できるように、上記実施の形態５に記載した電源装置の車載側に第２の１次側構成部４１を備える。第２の１次側構成部４１は、第２の１次巻線４２と、当第２の１次巻線４２の各巻線端子ａ〜ｃの接続を切換えるスイッチング回路部１８と、過電圧保護部１６と、スナバ部１７とから構成されている。
【００８２】
図２０に、外部電源装置側と車載側に分離したトランス１３ｇの外観斜視図を示す。一方の外部電源装置である１次側構成部３１のコア３４には、１次巻線３５が巻回されている。当１次巻線３５は、直列に接続された２個の巻線から構成され、巻線端子ａ〜ｃは１次側構成部３１（図１８に示す）に接続されている。
【００８３】
他方の車載の２次側構成部３２のコア４５には、１次巻線４２と、２次巻線１３ｇ−１と、共振用巻線３３とが巻回されている。当第２の１次巻線４２は、直列に接続された２個の巻線から構成され、巻線端子ａ〜ｃは第２の１次側構成部４１（図１８に示す）に接続されている。共振用巻線３３は、図１８に示すように、共振用コンデンサＣ４と直列に接続されている。
【００８４】
外部電源装置（１次側構成部３１）を使用して、非接触でバッテリ２を充電するときは、車載の２次側構成部３２のコア４５が、１次側構成部３１のコア３４に対向するように車両を停車させて（コア３４，４５、１次巻線３５、２次巻線１３ｇ−１によってトランス１３ｇを構成する位置に車両を停車させて）、１次側構成部３１の１次巻線３５と車載側の２次巻線１３ｇ−１とにより構成されるトランス１３ｇによって電力を伝達する。
【００８５】
なお、非接触で充電する場合には、２次側を共振動作させるために、制御部１５が共振回路のスイッチ（例えば、双方向スイッチング素子ＦＥＴ３６）をオンして、共振用巻線３３と共振用コンデンサＣ４に共振電流を通電することが望ましい。
【００８６】
他方、交流電源４０に直接プラグを接続して、車載のバッテリ２を充電するときは、第２の１次側構成部４１の第２の１次巻線４２と２次巻線１３ｇ−１とにより構成されるトランス１３ｇによって電力を伝達する。
なお、直接プラグを接続して充電する場合には、制御部１５は共振回路の双方向スイッチング素子ＦＥＴ３６をオフする。
【００８７】
以上より、実施の形態６によれば、車両に搭載された２次側構成部３２は、車両の外部に配置された１次側構成部３１の１次巻線３５とは別に、車載側に第２の１次巻線４２を有する構成にした。このため、トランスの一部を外部電源装置と車載のバッテリ充電装置とで共用することによって、直接プラグを接続して動力用バッテリを充電することと、非接触で外部電源装置から動力用バッテリを充電することができるバッテリ充電装置を、上記電源装置による簡素な構成によって実現できる。
【００８８】
なお、上記実施の形態５，６では、バッテリ充電装置を、ＰＦＣ・ＡＣ／ＤＣコンバータ部を使用して構成したが、図１等に示した電源整流部１１とＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成しても構わない。
【００８９】
上記以外にも、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上のように、この発明に係る電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータあるいはＡＣ／ＤＣコンバータ）は、電源電圧の変動の１周期中のその時々の電圧に対応して、２回以上トランスの１次巻線の巻線比を切換えるようにしたので、電気自動車の動力用バッテリを充電するバッテリ充電装置などに用いるのに適している。
【符号の説明】
【００９１】
１，４０  交流電源、２  バッテリ、１０，１０ａ〜１０ｇ  バッテリ充電装置、１１  電源整流部、１２，１２ａ，１２ｂ  ＰＦＣ・ＤＣ／ＤＣコンバータ部、１２ｃ〜１２ｅ  ＰＦＣ・ＡＣ／ＤＣコンバータ部、１３，１３ｅ〜１３ｇ  トランス、１３ｇ−１  ２次巻線、１４  出力整流部、１５，１５ａ〜１５ｄ  制御部、１６  過電圧保護部、１７  スナバ部、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｅ  スイッチング回路部、２０  パルストランス、２２  絶縁電源、２２ａ  トランス、２４  フォトカプラ、２４ａ  ゲート駆動部、３１  １次側構成部、３２  ２次側構成部、３３  共振用巻線、３４，４５  コア、３５  １次巻線、４１  第２の１次側構成部、４２  第２の１次巻線、Ｃ１  フィルタコンデンサ、Ｃ２，Ｃ２２  平滑コンデンサ、Ｃ３  コンデンサ、Ｃ４  共振用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８，Ｄ２２  整流ダイオード、ＦＥＴ１〜ＦＥＴ６，ＦＥＴ２１，ＦＥＴ２３  スイッチング素子、ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１６，ＦＥＴ３６  双方向スイッチング素子、Ｌ１  コイル、Ｒ１  抵抗、ＳＷ１〜ＳＷ８  スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年10月30日(2014.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
この発明の電源装置は、電圧が正弦波状に変動する交流電源電圧から、所定の電圧を出力する電源装置であって、直列に接続した複数の巻線によって構成される１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、１次巻線の複数の巻線に個々に接続された複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、スイッチング素子の動作を制御して、１次巻線を構成する複数の巻線に選択的に交流電源電圧を印加する制御部とを備え、制御部は、スイッチング素子を制御することによって、１次巻線のうちの交流電源電圧を印加する巻線を、交流電源電圧の１周期中のその時々の電圧に対応して、１周期の間に２回以上切換え、交流電源電圧が低いタイミングでは、トランスの１次巻線と２次巻線の巻数比を高くし、交流電源電圧が高いタイミングでは、当該巻数比を低くするものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
この発明によれば、１次巻線のうちの交流電源電圧を印加する巻線を、交流電源電圧の１周期中のその時々の電圧に対応して１周期の間に２回以上切換えて、その時々の交流電源電圧に対して適切な巻数比のトランスとして動作させるようにしたので、交流電源電圧が低い状況においては、巻数比が高い１次巻線に切換えることで、当低電源電圧からも所定の電圧を出力することができる。また、交流電源電圧が高い状況においては、巻数比が低い１次巻線に切換え、適切なスイッチング動作を行うことにより、効率を高くすることができる。  
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
この発明によれば、電源として交流電源を使用するときには、上述の特性によって、交流電源の繰返し周期の中の交流電源電圧が低いタイミングにおいても所定の電圧を出力することができるため、電源利用効率が高く、高調波が少なく、力率の高い電源装置を提供することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が正弦波状に変動する交流電源電圧から、所定の電圧を出力する電源装置であって、
直列に接続した複数の巻線によって構成される１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、
前記１次巻線の前記複数の巻線に個々に接続された複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング素子の動作を制御して、前記１次巻線を構成する前記複数の巻線に選択的に前記交流電源電圧を印加する制御部とを備え、
前記制御部は、前記スイッチング素子を制御することによって、前記１次巻線のうちの前記交流電源電圧を印加する前記巻線を、前記交流電源電圧の１周期中のその時々の電圧に対応して、１周期の間に２回以上切換え、前記交流電源電圧が低いタイミングでは、前記トランスの前記１次巻線と前記２次巻線の巻数比を高くし、前記交流電源電圧が高いタイミングでは、当該巻数比を低くすることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
交流電源を整流する電源整流部をさらに備え、
前記スイッチング回路には、前記スイッチング素子に流れる逆方向の電流を阻止するダイオードを有することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記スイッチング回路に使用するスイッチング素子は、双方向スイッチング素子あるいは双方向対応のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項４】
前記１次巻線は、巻数の異なる複数の巻線によって構成されており、当複数の巻線の組み合わせによって前記トランスの巻数比を任意に切換えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子の動作を制御する信号を前記制御部から前記スイッチング素子へ伝達する、絶縁式の信号伝達回路を備えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子は、Ｓｉ系、ＧａＮ系、またはＳｉＣ系の素子であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記スイッチング素子を位相制御、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作、またはＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作して、出力電圧、出力電流あるいは電源電流を調整することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項８】
請求項１記載の電源装置を使用して、車両に搭載されたバッテリを充電するバッテリ充電装置。
【請求項９】
前記電源装置の前記トランスの１次巻線とコア、前記スイッチング回路、および前記制御部を有する１次側構成部と、前記トランスの２次巻線とコアを有する２次側構成部とを分離して、前記２次側構成部は前記車両に搭載され、前記１次側構成部は前記車両の外部に配置されていることを特徴とする請求項８記載のバッテリ充電装置。
【請求項１０】
前記２次側構成部の前記コアには、分離された前記１次側構成部の１次巻線とは別に、第２の１次巻線を有することを特徴とする請求項９記載のバッテリ充電装置。
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月10日(2015.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
この発明の電源装置は、電圧が正弦波状に変動する交流電源電圧から、所定の電圧を出力する電源装置であって、直列に接続した複数の巻線によって構成される１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、１次巻線の複数の巻線端子に個々に接続された複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、スイッチング素子の動作を制御して、１次巻線を構成する複数の巻線に選択的に交流電源電圧を印加する制御部とを備え、制御部は、スイッチング素子を制御することによって、１次巻線のうちの交流電源電圧を印加する巻線を、交流電源電圧の１周期中のその時々の電圧に対応して、１周期の間に２回以上切換え、交流電源電圧が低いタイミングでは、トランスの１次巻線と２次巻線の巻数比を高くし、交流電源電圧が高いタイミングでは、当該巻数比を低くするものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が正弦波状に変動する交流電源電圧から、所定の電圧を出力する電源装置であって、
直列に接続した複数の巻線によって構成される１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、
前記１次巻線の前記複数の巻線端子に個々に接続された複数のスイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング素子の動作を制御して、前記１次巻線を構成する前記複数の巻線に選択的に前記交流電源電圧を印加する制御部とを備え、
前記制御部は、前記スイッチング素子を制御することによって、前記１次巻線のうちの前記交流電源電圧を印加する前記巻線を、前記交流電源電圧の１周期中のその時々の電圧に対応して、１周期の間に２回以上切換え、前記交流電源電圧が低いタイミングでは、前記トランスの前記１次巻線と前記２次巻線の巻数比を高くし、前記交流電源電圧が高いタイミングでは、当該巻数比を低くすることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
交流電源を整流する電源整流部をさらに備え、
前記スイッチング回路には、前記スイッチング素子に流れる逆方向の電流を阻止するダイオードを有することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記スイッチング回路に使用するスイッチング素子は、双方向スイッチング素子あるいは双方向対応のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項４】
前記１次巻線は、巻数の異なる複数の巻線によって構成されており、当複数の巻線の組み合わせによって前記トランスの巻数比を任意に切換えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング素子の動作を制御する信号を前記制御部から前記スイッチング素子へ伝達する、絶縁式の信号伝達回路を備えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子は、Ｓｉ系、ＧａＮ系、またはＳｉＣ系の素子であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記スイッチング素子を位相制御、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作、またはＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）操作して、出力電圧、出力電流あるいは電源電流を調整することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項８】
請求項１記載の電源装置を使用して、車両に搭載されたバッテリを充電するバッテリ充電装置。
【請求項９】
前記電源装置の前記トランスの１次巻線とコア、前記スイッチング回路、および前記制御部を有する１次側構成部と、前記トランスの２次巻線とコアを有する２次側構成部とを分離して、前記２次側構成部は前記車両に搭載され、前記１次側構成部は前記車両の外部に配置されていることを特徴とする請求項８記載のバッテリ充電装置。
【請求項１０】
前記２次側構成部の前記コアには、分離された前記１次側構成部の１次巻線とは別に、第２の１次巻線を有することを特徴とする請求項９記載のバッテリ充電装置。
【国際調査報告】
2014057577.tif 000023
2014057577.tif 000024
2014057577.tif 000025
2014057577.tif 000026