(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を整流および平滑して直流入力電圧を生成する整流平滑回路と、前記直流入力電圧をスイッチ手段でスイッチングして直流出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、前記交流電圧の極性が反転するタイミングで同期信号を出力する同期検出回路と、前記スイッチ手段のデューティ比を制御する制御回路とを備え、前記直流出力電圧でバッテリーを充電する充電装置であって、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路内で生成された交流電流または交流電圧を交流信号として測定する測定回路をさらに備え、
前記制御回路は、
充電状況に関する値が所望の値になるようにフィードバック制御により前記スイッチ手段のオン／オフ制御量を算出する制御量算出部と、
前記交流信号の少なくとも１周期分の理想波形データが格納された記憶部と、
前記同期信号が出力されてから次の同期信号が出力されるまでの間に前記測定回路により複数回測定された前記交流信号１周期分の測定データと、前記理想波形データとの差に基づいて前記測定データの各測定値ごとの補正量を決定し、前記交流信号１周期分の前記補正量を前記記憶部に格納させる補正量決定部と、
前記記憶部に格納された前記補正量で前記オン／オフ制御量を調整して前記デューティ比を算出するデューティ比算出部と、
を有し、
前記記憶部に前記交流信号１周期分の前記補正量が格納された状態で、前記補正量決定部により前記交流信号１周期分の新たな補正量が決定され、かつ前記記憶部に格納されている前記補正量と前記新たな補正量との差が所定値以上の場合、
前記補正量決定部は、前記記憶部に格納されている前記補正量を前記新たな補正量に置き換え、
前記デューティ比算出部は、前記記憶部に格納された前記新たな補正量で前記オン／オフ制御量を調整して前記デューティ比を算出することを特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から出力された直流出力電流のリプル量が、予め設定された所定値以上の場合に、前記補正量決定部で前記新たな補正量が決定されることを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から出力された直流出力電流の変動の位相が、前記直流出力電流の目標位相から所定値以上ずれた場合に、前記補正量決定部で前記新たな補正量が決定されることを特徴とする請求項１または２に記載の充電装置。
【請求項４】
充電開始時に、前記補正量決定部で前記新たな補正量が決定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の充電装置。
【請求項５】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、前記直流入力電圧を前記スイッチ手段によりスイッチングして１次側交流電圧を生成するインバータ部と、前記１次側交流電圧を２次側交流電圧に変換するトランスと、前記２次側交流電圧を整流および平滑して前記直流出力電圧を生成する出力部とを有し、
前記交流信号は、前記インバータ部から出力される１次側交流電流または前記１次側交流電圧であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリーに供給する充電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、充電装置は、交流電源から供給された交流電圧を整流および平滑して直流入力電圧を生成する整流平滑回路と、直流入力電圧をスイッチ手段でスイッチングして直流出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、スイッチ手段のデューティ比を制御する制御回路とを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路で得た直流出力電圧でバッテリーを充電する。
【０００３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、スイッチ手段からなるインバータ部と、該インバータ部に１次側が接続されたトランスと、該トランスの２次側に接続された出力部とから構成されている。
【０００４】
ところで、かかる充電装置では、直流出力電圧にリプルが含まれる場合がある。直流出力電圧にリプルが含まれると、バッテリーに安定した直流出力電圧を供給することができなくなるため、バッテリーの寿命に影響を与え、ひいてはユーザーに過大な保守費用の負担を課すことになる。このため、充電装置では、直流出力電圧におけるリプルの量（以下、リプル量）を低減させる必要がある。
【０００５】
直流出力電圧におけるリプル量を低減させる方法としては、従来から、直流入力電圧におけるリプル量に応じてスイッチ手段のデューティ比を制御するフィードフォワード制御方式の方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この従来の方法では、直流入力電圧が増加した場合にはデューティ比を減少させる一方、直流入力電圧が減少した場合にはデューティ比を増加させることで、直流出力電圧におけるリプル量を低減させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２９０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の方法は、直流入力電圧のリプル量に応じてスイッチ手段のデューティ比を制御しているので、直流入力電圧に現れないリプル量の増減、例えば、インバータ部を構成する部品の経時劣化に起因する直流出力電圧や直流出力電流のリプル量の増減には対応することができず、直流出力電圧が不安定になってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、部品の経時劣化等に起因するリプル量の低減を図るとともに、バッテリーに安定した直流出力電圧を供給し続けることができる充電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る充電装置は、交流電圧を整流および平滑して直流入力電圧を生成する整流平滑回路と、直流入力電圧をスイッチ手段でスイッチングして直流出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、交流電圧の極性が反転するタイミングで同期信号を出力する同期検出回路と、スイッチ手段のデューティ比を制御する制御回路とを備え、直流出力電圧でバッテリーを充電する充電装置であって、
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路内で生成された交流電流または交流電圧を交流信号として測定する測定回路をさらに備え、
制御回路は、
充電状況に関する値が所望の値になるようにフィードバック制御によりスイッチ手段のオン／オフ制御量を算出する制御量算出部と、
交流信号の少なくとも１周期分の理想波形データが格納された記憶部と、
同期信号が出力されてから次の同期信号が出力されるまでの間に測定回路により複数回測定された交流信号１周期分の測定データと、理想波形データとの差に基づいて測定データの各測定値ごとの補正量を決定し、交流信号１周期分の補正量を記憶部に格納させる補正量決定部と、
記憶部に格納された補正量でオン／オフ制御量を調整してデューティ比を算出するデューティ比算出部と、
を有し、
記憶部に交流信号１周期分の補正量が格納された状態で、補正量決定部により交流信号１周期分の新たな補正量が決定され、かつ記憶部に格納されている補正量と新たな補正量との差が所定値以上の場合、
補正量決定部は、記憶部に格納されている補正量を新たな補正量に置き換え、
デューティ比算出部は、記憶部に格納された新たな補正量でオン／オフ制御量を調整してデューティ比を算出することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、交流信号１周期分の測定データと理想波形データとの差に基づいて補正量が決定され、該補正量でオン／オフ制御量が調整されてデューティ比が算出されるので、部品の経時劣化によりリプル量が増加した場合には、該リプル量をキャンセルするような補正量が決定され、該補正量に応じたデューティ比が算出される。
したがって、この構成によれば、部品の経時劣化等に起因するリプル量の低減を図ることができるとともに、バッテリーに安定した直流出力電圧を供給し続けることができる。
さらに、この構成によれば、部品の経時劣化が進みリプル量が増加した場合や、温度上昇等により一時的にリプル量が増加した場合には、新たな補正量でオン／オフ制御量が調整されてデューティ比が算出されるので、バッテリーに安定した直流出力電圧を供給し続けることができる。
【００１２】
なお、本明細書における「充電状況に関する値」は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から出力される直流出力電流、直流出力電圧または直流出力電力の他、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路内で生成された交流電流、交流電圧または交流電力や、バッテリーデータに含まれる値（ＳＯＣ値、バッテリー電圧等）も含むものとする。
また、本明細書における「測定データと理想波形データとの差」は、測定データと理想波形データとの差分だけでなく、測定データと理想波形データとの比率（割合）も含むものとする。
【００１５】
上記充電装置は、例えば、（１）ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から出力された直流出力電流のリプル量が、予め設定された所定値以上の場合、（２）ＤＣ／ＤＣコンバータ回路から出力された直流出力電流の変動の位相が、直流出力電流の目標位相から所定値以上ずれた場合、または（３）充電開始時に、補正量決定部で新たな補正量が決定されるよう構成できる。
【００１６】
また、上記充電装置におけるＤＣ／ＤＣコンバータ回路が、直流入力電圧をスイッチ手段によりスイッチングして１次側交流電圧を生成するインバータ部と、１次側交流電圧を２次側交流電圧に変換するトランスと、２次側交流電圧を整流および平滑して直流出力電圧を生成する出力部とを有している場合、
交流信号は、インバータ部から出力される１次側交流電流または１次側交流電圧であることが好ましい。
【００１７】
一般に、充電装置におけるトランスは昇圧型であることから、トランスの１次側は２次側よりも低電圧となる。したがって、１次側交流電流または１次側交流電圧を交流信号として測定する上記構成によれば、高耐電圧性を有する高価な測定回路ではなく、比較的安価な測定回路を用いることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、部品の経時劣化等に起因するリプル量の低減を図るとともに、バッテリーに安定した直流出力電圧を供給し続けることができる充電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る充電装置のブロック図である。
【図２】本発明における制御回路のブロック図である。
【図３】本発明における制御量算出部の処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明における補正テーブルを説明するための図であって、（ａ）は同期信号の波形図、（ｂ）はトランスの１次側交流電流の理想波形データおよび測定データの波形図、（ｃ）は補正テーブルの一例を示す図である。
【図５】本発明における補正量決定部の処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る充電装置の好ましい実施形態について説明する。
【００２１】
［充電装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る充電装置１のブロック図である。
同図に示すように、充電装置１は、電気自動車に搭載される車載型の充電装置であり、商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）等の交流電源２から供給された交流電圧を整流および平滑して直流入力電圧を生成する整流平滑回路４と、直流入力電圧をスイッチ手段５ａ〜５ｄでスイッチングしてバッテリー３Ａに供給すべき直流出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路６と、直流出力電圧とバッテリー３Ａに供給される直流出力電流との積（直流出力電力）が所定の目標電力値となるようにスイッチ手段５ａ〜５ｄのデューティ比を制御する制御回路２０とを備えている。
【００２２】
整流平滑回路４は、ダイオードブリッジ９と、静電容量が数１００μＦ〜数１０００μＦの電解コンデンサ（平滑コンデンサ）１０を有している。なお、整流平滑回路４は、不図示の力率改善部を含んでいることが好ましい。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路６は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の４つのスイッチ手段５ａ〜５ｄからなるインバータ部５と、インバータ部５に１次側が接続されたトランス７と、トランス７の２次側に接続された出力部８とを有している。出力部８は、ダイオードブリッジ１１と、コイル１２および平滑コンデンサ１３からなるＬＣローパスフィルタとを有している。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路６では、インバータ部５で直流入力電圧から１次側交流電圧が生成され、トランス７で１次側交流電圧が昇圧されて２次側交流電圧に変換され、出力部８で２次側交流電圧から直流出力電圧が生成される。
【００２５】
また、本実施形態に係る充電装置１は、インバータ部５から出力される１次側交流電流（本発明の「交流信号」に相当）を測定する測定回路１４と、交流電源２から供給された交流電圧の極性が反転するタイミングで同期信号を出力する同期検出回路１５と、バッテリー３Ａを監視するバッテリー制御ユニット（ＥＶ−ＢＣＵ）３ＢからＣＡＮ通信ラインを介して送信されたバッテリーデータに基づいて直流出力電力の目標電力値を設定する目標電力値設定回路１６とを備えている。
なお、バッテリーデータには、バッテリー３Ａに供給されている直流出力電流の電流値、直流出力電圧の電圧値、バッテリー３ＡのＳＯＣ値、およびバッテリー３Ａの温度等が含まれている。通常、バッテリー３Ａは極低抵抗であるため直流出力電圧はバッテリー電圧とほぼ等しくなる。
【００２６】
測定回路１４で測定された１次側交流電流の電流値、同期検出回路１５から出力された同期信号、目標電力値設定回路１６で設定された目標電力値、およびバッテリー制御ユニット３Ｂから送信されたバッテリーデータは、制御回路２０に入力される。
【００２７】
［制御回路の構成］
図２は、制御回路２０のブロック図である。
同図に示すように、制御回路２０は、例えばマイクロコンピュータとその上で実行されるプログラムとからなり、制御量算出部２１と、補正量決定部２２と、記憶部２３と、デューティ比算出手段２４と、ＰＷＭ信号生成手段２５を有している。制御量算出部２１は、充電状況に関する値が所望の値になるように、例えば、ＰＩＤ制御やオブザーバー制御等のフィードバック制御を行うコントローラである。
本実施形態における制御回路２０は、補正量決定部２２で決定された後述する補正量によりオン／オフ制御量を調整することを特徴としている。
【００２８】
制御量算出部２１では、同期検出回路１５から出力された同期信号、目標電力値設定回路１６で設定された目標電力値、およびバッテリー制御ユニット３Ｂから送信されたバッテリーデータが入力され、オン／オフ制御量および補正量決定部２２に対する指令信号が出力される。
オン／オフ制御量は、出力部８からの出力（例えば、直流出力電流）に含まれるリプル（例えば、リプル電流）を考慮しない場合のスイッチ手段５ａ〜５ｄのデューティ比であり、従来のフィードフォワード制御で生成されていたものである。
【００２９】
また、制御量算出部２１には、補正量でオン／オフ制御量を調整しない場合に、トランス７の２次側から出力される２次側交流電流１周期分の理想電流値を示す電流テーブルが予め格納されている。この理想電流値は、振幅が１に正規化された正弦波状の２次側交流電流の電流値である。２次側交流電流と直流出力電流とは一定の関係を有しており、例えば、直流出力電流の電流値がわかれば、電流テーブルから２次側交流電流の電流値を類推することができる。なお、本明細書における「正弦波」は、いわゆるｓｉｎ波だけでなく、ｃｏｓ波も含むものとする。
【００３０】
図３は、制御量算出部２１で実行される処理を示すフローチャートである。
同図に示すように、制御量算出部２１では、バッテリーデータ、目標電力値および同期信号が読み込まれると（Ｓ１）、バッテリーデータに含まれる現在の直流出力電流の電流値の変動から、該直流出力電流におけるリプル量が算出される（Ｓ２）。
【００３１】
算出されたリプル量が予め設定された所定値以上の場合は（Ｓ３でＹＥＳ）、制御量算出部２１から補正量決定部２２に補正量を出力させるための指令信号が出力される（Ｓ４）。また、制御量算出部２１では、目標電力値およびバッテリーデータに含まれる現在の直流出力電圧の電圧値から直流出力電流の目標電流値が算出され、電流テーブルから該目標電流値に対応した理想電流値が類推されるとともに、バッテリーデータに含まれる現在の直流出力電流の電流値から現在の２次側交流電流の電流値が類推される。そして、理想電流値と現在の２次側交流電流の電流値とに基づくフィードバック制御によりオン／オフ制御量が算出される（Ｓ５）。
一方、リプル量が予め設定された所定値よりも小さい場合は（Ｓ３でＮＯ）、補正量決定部２２に指令信号が出力されることなく、上記フィードバック制御によりオン／オフ制御量が算出される（Ｓ５）。
算出されたオン／オフ制御量は、同期信号に同期してデューティ比算出手段２４に出力される。
【００３２】
再び図２を参照して、本発明の特徴部分である補正量決定部２２について説明する。
同図に示すように、補正量決定部２２では、制御量算出部２１から出力された指令信号をきっかけとして、同期信号および測定回路１４で測定された１次側交流電流の電流値に基づいて、直流出力電流におけるリプル量をキャンセルするための補正量が決定される。
また、補正量決定部２２では、記憶部２３に補正テーブル１として格納される補正テーブル２が生成される。
【００３３】
補正テーブル２は、図４に示すように、同期信号が出力されてから次の同期信号が出力されるまでの間に測定回路１４により複数回（本実施形態では２００回）測定された１次側交流電流１周期分の測定値（電流値）と、記憶部２３に予め格納されている理想波形データの電流値とに基づいて、測定点（ｔ1〜ｔ200）ごとに算出された比率（理想波形データの電流値の振幅に対する、測定した電流値の振幅の割合）および補正量（比率の逆数）を示したものである。
理想波形データは、出力部８から目標電流値に一致した直流出力電流が出力されているときの１次側交流電流１周期分の電流値を示したものである。理想波形データの波形は正弦波であり、記憶部２３には、交流電源２から供給される交流電圧の周波数に応じた複数の理想波形データが格納されている。なお、記憶部２３には、振幅が１に正規化された理想波形データを格納しておき、補正テーブル２を生成する際に、測定した１次側交流電流の振幅に応じて理想波形データの振幅を調整してもよい。
【００３４】
図５は、補正量決定部２２で実行される処理を示すフローチャートである。
同図に示すように、補正量決定部２２では、制御量算出部２１から出力された指令信号が入力されると、同期信号が出力されてから次の同期信号が出力されるまでの間に測定回路１４に測定させる測定数が設定される（Ｓ６）。本実施形態では、１次側交流電流１周期分の電流波形を再現良く生成するために、測定数が２００回に設定される。
測定数が設定されると測定（１次側交流電流の電流値の読み込み）が開始され（Ｓ７）、測定数が２００回に達すると測定が終了する（Ｓ８でＹＥＳ）。
【００３５】
測定が終了すると、計２００個の測定値が、ｔ1における測定値から順に配列されて、各測定点（ｔ1〜ｔ200）に対応した理想波形データの電流値で除算される。これにより、測定点（ｔ1〜ｔ200）ごとに測定値と理想波形データの電流値との比率が算出される（Ｓ９）。
比率が算出されると、該比率に基づいて補正量が決定され、補正テーブル２が生成される（Ｓ１０）。
【００３６】
ここで、記憶部２３に格納されている補正テーブル１の補正量と、補正テーブル２の補正量（本発明の「新たな補正量」に相当）との差が１個でも予め設定された所定値（例えば、０．０１）以上の場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、または記憶部２３に補正テーブル１が格納されていない場合は、補正テーブル２は補正テーブル１として記憶部２３に格納される（Ｓ１２）。なお、性能低下が許容できれば、ステップＳ１１では、補正テーブル１の補正量と補正テーブル２の補正量との差を、補正量の平均値（各補正量の総和を測定点数で除算した値）が所定値以上か否かで判断するようにしてもよい。
そして、記憶部２３に新たに格納された（置き換えられた）補正テーブル１の補正量が、同期信号に同期してデューティ比算出手段２４に出力される（Ｓ１３）。
一方、記憶部２３に格納されている補正テーブル１の補正量と、補正テーブル２の補正量との差が予め設定された所定値未満の場合は（Ｓ１１でＮＯ）、生成された補正テーブル２は破棄され、記憶部２３に格納されている補正テーブル１の補正量が、同期信号に同期してデューティ比算出手段２４に出力される（Ｓ１３）。
【００３７】
再び図２を参照して、デューティ比算出手段２４では、補正量決定部２２から出力された補正量が制御量算出部２１から出力されたオン／オフ制御量に乗算されてデューティ比が算出され、該デューティ比がＰＷＭ信号生成手段２５に出力される。
なお、制御量算出部２１で算出されたリプル量が予め設定された所定値よりも小さい場合は（図３のＳ３でＮＯ）、図５に示すＳ６〜Ｓ１３の処理が省略されて、オン／オフ制御量のみによってデューティ比が算出される。
【００３８】
ＰＷＭ信号生成手段２５では、デューティ比算出手段２４から出力されたデューティ比に基づいてＰＷＭ信号が生成され、該ＰＷＭ信号がＤＣ／ＤＣコンバータ回路６のインバータ部５に出力される。
【００３９】
上記のように、本実施形態に係る充電装置１によれば、交流信号１周期分の測定データと理想波形データとの比率に基づいて補正量が決定され（図４参照）、該補正量でオン／オフ制御量が調整されてデューティ比が算出されるので、部品の経時劣化によりリプル量が増加した場合には、該リプル量をキャンセルするような補正量が決定され、該補正量に応じたデューティ比が算出される。したがって、本実施形態に係る充電装置１によれば、部品の経時劣化等に起因するリプル量の低減を図ることができ、バッテリー３Ａに安定した直流出力電圧を供給し続けることができる。
【００４０】
以上、本発明に係る充電装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
上記実施形態における制御量算出部２１では、直流出力電流におけるリプル量と予め設定された所定値とを比較して、補正量決定部２２に指令信号を出力しているが（図３のＳ３、Ｓ４参照）、これに替えて、所定の時刻（例えば、ｔ200）における直流出力電流の変動の位相が予め想定されている目標位相から所定値以上ずれた場合や、直流出力電流が所定の電流値（例えば、ピーク電流値）になったときの位相のタイミングが予め想定されているタイミングから所定時間以上ずれた場合に指令信号が出力されるようにしてもよいし、充電開始時に指令信号が出力されるようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、記憶部２３に格納された理想波形データとして、１次側交流電流１周期分の電流値を用いているが、これに替えて、２次側交流電流１周期分の電流値や、１次側交流電圧１周期分の電圧値を用いてもよい。なお、これらの場合は、２次側交流電流の電流値や１次側交流電圧の電圧値を測定することができる測定回路１４を用いる必要がある。
【００４３】
さらに、上記実施形態における補正量決定部２２では、測定データの各測定点（ｔ1〜ｔ200）における測定値と理想波形データの電流値とに基づいて算出された比率によって補正量（比率の逆数）を決定しているが、上記測定値と理想波形データの電流値との差分から補正量を決定してもよい。この場合、デューティ比算出手段２４では、差分から決定された補正量がオン／オフ制御量に加算または減算されてデューティ比が算出される。
【００４４】
また、上記実施形態では、バッテリー制御ユニット３ＢからＣＡＮ通信ラインを介して送信されたバッテリーデータに基づいて直流出力電流の電流値および直流出力電圧の電圧値を取得しているが、出力部８に含まれるＬＣローパスフィルタ経由後の直流出力電流および直流出力電圧を検出する検出回路をさらに設け、該検出回路により直流出力電流の電流値および直流出力電圧の電圧値を取得してもよい。
【００４５】
なお、本発明は、電気自動車に搭載される車載型の充電装置だけでなく、他の分野の充電装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１    充電装置
２    交流電源
３Ａ    バッテリー
３Ｂ    バッテリー制御ユニット
４    整流平滑回路
５    インバータ部
５ａ〜５ｄ    スイッチ手段
６    ＤＣ／ＤＣコンバータ回路
７    トランス
８    出力部
９    ダイオードブリッジ
１０    電解コンデンサ
１１    ダイオードブリッジ
１２    コイル
１３    平滑コンデンサ
１４    測定回路
１５    同期検出回路
１６    目標電力値設定回路
２０    制御回路
２１    制御量算出部
２２    補正量決定部
２３    記憶部
２４    デューティ比算出手段
２５    ＰＷＭ信号生成手段
【図１】
0005822304.tif 000002
【図２】
0005822304.tif 000003
【図３】
0005822304.tif 000004
【図４】
0005822304.tif 000005
【図５】
0005822304.tif 000006