谐振型充电装置以及使用了该谐振型充电装置的车辆

摘要

本发明提供一种能够从交流电源向车辆中搭载的二次电池高效地进行充电的谐振型充电装置以及搭载了该谐振型充电装置的车辆。谐振型充电装置(1)连接在交流电源(5)与车辆中搭载的二次电池(6)之间，从交流电源(5)向二次电池(6)供给电力。谐振型充电装置(1)具备：输入交流电源(5)的电力并输出直流的母线电压的AC-DC转换器(2)；从该母线电压向二次电池(6)绝缘并且供给电力的DC-DC转换器(3)；以及控制这些转换器的控制单元(4)。DC-DC转换器(3)具备在直流端子间连接母线电压而向交流端子间输出矩形波电压的开关电路，控制单元(4)以使矩形波电压的频率变化的方式，控制开关电路具备的开关元件。

说明书

技术领域

本发明涉及对二次电池进行充电的谐振型充电装置以及搭载了该谐振型充电装置的车辆。 

背景技术

近年来，随着保护地球环境的意识的提高，高效的混合动力车得到了普及。混合动力车具有行驶马达驱动用的二次电池。如果从商用的交流电源对该二次电池进行充电，则能够改善混合动力车的燃料费用。为了从商用电源向二次电池以更少的电力安全地进行充电，需要变换效率高且绝缘型的DC-DC转换器。作为通过降低整流二极管的耐压来提高变换效率的绝缘型的DC-DC转换器，公开了专利文献1。 

另一方面，在专利文献2中，公开了在功率因数改善转换器的后级连接有谐振型转换器的电源装置中，在宽的电流范围内高效地动作的电源装置。 

专利文献1：日本专利第4013995号公报； 

专利文献2：日本特开2005-65395号公报。 

发明内容

一般，为了使绝缘型的DC-DC转换器高效化，有效的方法是降低对变压器二次绕组的电压电流进行整流的二极管的耐压。但是，在专利文献1公开的以往的DC-DC转换器中，在为了对行驶马达驱动用的二次电池进行充电而得到高输出电压的情况下，需要增大二极管的耐压而成为高效化的障碍。另外，专利文献2公开的以往的电源装置虽然在宽的负载电流范围内实现了高效化，但未在宽的输出电压 范围内实现高效化。 

本发明的目的在于提供一种谐振型充电装置以及车辆，能够从交流电源高效地对电压高且电压范围宽的行驶马达驱动用的二次电池进行充电。 

为了达成上述目的，本发明提供一种谐振型充电装置，连接在交流电源与车辆中搭载的二次电池之间，从所述交流电源向所述二次电池供给电力，其特征在于，具备：AC-DC转换器，与所述交流电源连接，输入来自所述交流电源的电力并输出直流的母线(link)电压；DC-DC转换器，从所述母线电压向所述二次电池绝缘并且供给电力；以及控制单元，对所述AC-DC转换器和所述DC-DC转换器进行控制，其中，所述DC-DC转换器是具备如下器件的谐振型转换器：开关电路，在直流端子间连接所述母线电压而向交流端子间输出矩形波电压；整流电路，对从交流端子间输入的电流进行整流而输出到所述二次电池以及平滑电容器被并联连接的直流端子间；一次绕组，连接在所述开关电路的交流端子间；二次绕组，连接在所述整流电路的交流端子间；变压器，对所述一次绕组和所述二次绕组进行磁耦合；以及谐振电容器及谐振电感器，与所述一次绕组和/或所述二次绕组串联连接，所述控制单元以使所述矩形波电压的频率变化的方式，控制所述开关电路具备的开关元件。 

另外，本发明提供一种车辆，其特征在于，具备：与交流电源连接的连接器；动力用马达；向所述动力用马达供给电力的二次电池；以及谐振型充电装置，连接在所述连接器与所述二次电池之间，从与所述连接器连接的所述交流电源向所述二次电池供给电力，所述谐振型充电装置具备：AC-DC转换器，输入来自所述交流电源的电力并输出直流的母线电压；DC-DC转换器，从所述母线电压向所述二次电池绝缘并且供给电力；以及控制单元，控制所述AC-DC转换器和所述DC-DC转换器，所述DC-DC转换器是具备如下器件的谐振型转换器：开关电路，在直流端子间连接所述母线电压而向交流端子间输出矩形波电压；整流电路，对从交流端子间输入的电流进行整流 而输出到所述二次电池以及平滑电容器被并联连接的直流端子间；一次绕组，连接在所述开关电路的交流端子间；二次绕组，连接在所述整流电路的交流端子间；变压器，对所述一次绕组和所述二次绕组进行磁耦合；以及谐振电容器及谐振电感器，与所述一次绕组和/或所述二次绕组串联连接，其中，所述控制单元以使所述矩形波电压的频率变化的方式，控制所述开关电路具备的开关元件。 

根据本发明，能够提供能够从交流电源高效地对电压高且电压范围宽的二次电池进行充电的谐振型充电装置以及车辆。 

附图说明

图1是实施例1的谐振型充电装置1的电路结构图。 

图2A、2B是说明实施例1的AC-DC转换器2的电路动作的图。 

图3A、3B、3C、3D是说明实施例1的DC-DC转换器3的电路动作的图。 

图4是说明实施例1的DC-DC转换器3的特性的图。 

图5是说明实施例1的谐振型充电装置1的充电动作的图。 

图6是说明实施例1的谐振型充电装置1的充电动作的图。 

图7是说明实施例1的谐振型充电装置1的充电动作的图。 

图8是说明实施例1的谐振型充电装置1的特性的图。 

图9是说明实施例1的谐振型充电装置1的母线电压的确定方法的图。 

图10是本发明的实施例2的谐振型充电装置11的电路结构图。 

图11是采用了本发明的谐振型充电装置的电动汽车的电源系统的概要结构图。 

(符号说明) 

1、11：谐振型充电装置；2、12：AC-DC转换器；3、13：DC-DC转换器；4、14：控制单元；5、109：交流电源；6、105：二次电池；21-23：电压传感器；24、25：电流传感器；101：电装设备；103：逆变器；104：动力用马达；106：辅助电瓶(battery)；107： 快速充电连接器；108：插入式充电连接器；110：电动汽车；11、L2：平滑电感器；L3：滤波器电感器；Lr1：谐振电感器；C1：母线电容器；C2、C21、C22：平滑电容器；C3：滤波器电容器；Cr1、Cr2、Cr3：谐振电容器；T1：变压器；N1、N2：绕组；Q1-Q4：开关元件；Q5：降压开关元件；Q6、Q10：升压开关元件；D1-D4：反并联二极管；D5：降压二极管；D6、D10：升压二极管；D11-D14：整流二极管；D21-D24：二极管。 

具体实施方式

以下，参照附图，进一步详细说明本发明的实施方式。 

【实施例1】 

图1是本发明的实施例1的谐振型充电装置1的电路结构图。该谐振型充电装置1连接在交流电源5与车辆中搭载的二次电池6之间，从交流电源5向二次电池6供给电力。作为交流电源5，能够使用商用电源。通过使用商用电源能够供给稳定的电力，能够改善燃料费用。但是，不限于商用电源，也可以使用例如太阳能发电、风力发电等发电装置、一般的发电机等。 

该谐振型充电装置1具备：输入交流电源5的电力并输出直流的母线(link)电压的AC-DC转换器2；从该母线电压向二次电池6绝缘并且供给电力的DC-DC转换器3；以及控制这些转换器的控制单元4。 

在AC-DC转换器2中，通过桥连接的整流二极管D11～D14对交流电源5的电压进行全波整流。在本实施方式中，整流二极管D11和D12、整流二极管D13和D14被分别串联连接，并分别并联连接，从而形成桥连接，串联连接后的整流二极管D11与D12之间的连接点和串联连接的整流二极管D13与D14之间的连接点成为交流端子，串联连接后的整流二极管D11与D12以及串联连接后的整流二极管D13与D14的两端部的连接点成为直流端子。交流电源5与该交流端子连接。 

该全波整流后的电压输入到由与直流端子连接的平滑电感器L1、升压开关元件Q10、升压二极管D10以及母线电容器C1构成的升压斩波器电路。将母线电容器C1的两端间作为母线电压。控制单元4具备：将来自交流电源5的输入电流控制为与交流电源5的电压大致相似的正弦波状的功率因数改善控制；以及与二次电池6的电压的上升相伴地使母线电压上升的母线电压协调控制。 

DC-DC转换器3具备对谐振电容器Cr1和谐振电感器Lr1串联连接而成的绕组N1、以及绕组N2进行磁耦合的变压器T1。另外，开关元件Q1-Q4，把将第1开关元件即开关元件Q1、第2开关元件即开关元件Q2串联连接而成的第1开关支路、与将第3开关元件即开关元件Q3、第4开关元件即开关元件Q4串联连接而成的第2开关支路并联连接起来而全桥连接。另外，将第1开关支路的两端间作为直流端子间，将开关元件Q1、Q2的串联连接点与开关元件Q3、Q4的串联连接点之间作为交流端子间。 

通过全桥连接的开关元件Q1-Q4，将根据从直流端子间输入的母线电压生成的矩形波电压，施加到交流端子间的谐振电容器Cr1、谐振电感器Lr1和绕组N1的串联连接体，而在绕组N1中流过谐振电流，针对绕组N2中感应出的电流通过桥连接后的二极管D21～D24进行整流而对平滑电容器C2以及二次电池6进行充电。由二极管D21～D24构成的整流电路是把将第1二极管即二极管D21、第2二极管即二极管D22串联连接而成的第1二极管支路、和将第3二极管即二极管D23、第4二极管即二极管D24串联连接而成的第2二极管支路并联连接而得到的。另外，将第1二极管支路的两端间作为直流端子间而连接了平滑电容器C2以及二次电池6。另外，将二极管D21、D22的串联连接点与二极管D23、D24的串联连接点之间作为交流端子间而连接了绕组N2。 

另外，在本实施例中，在一次绕组N1中设置了谐振电容器Cr1和谐振电感器Lr1，但也可以考虑电路设计的条件、限制等而设置到二次绕组N2中，或者也可以设置到一次绕组N1和二次绕组N2这两 者中。 

对开关元件Q1～Q4，分别连接了反并联二极管D1～D4。此处，在作为开关元件Q1～Q4使用了MOSFET的情况下，作为反并联二极管D1～D4能够使用MOSFET的寄生二极管。通过这样具有反并联二极管D1～D4，能够形成良好的谐振型充电装置。 

升压开关元件Q10和开关元件Q1～Q4通过控制单元4进行控制。对控制单元4连接了对输入电压进行检测的电压传感器21、对母线电压进行检测的电压传感器22、对二次电池的电压即输出电压进行检测的电压传感器23、对来自交流电源5的输入电流进行检测的电流传感器24、以及对向二次电池的输出电流进行检测的电流传感器25。 

使用图2来说明AC-DC转换器2的电路动作。此处，说明交流电源5的电压是1极性的情况。对于交流电源5的电压是反极性的情况的动作，能够容易地类推。另外，图2A、图2B分别示出模式a、b下的电路动作。 

(模式a) 

在模式a下，升压开关元件Q10是接通状态。交流电源5的电压施加到平滑电感器L1，交流电源5的能量积蓄到平滑电感器L1中。 

(模式b) 

如果使升压开关元件Q10成为断开，则成为模式b的状态。在模式b下，平滑电感器L1中积蓄的能量经由升压二极管D10释放到母线电容器C1。 

以后，反复模式a和模式b。 

接下来，使用图3A～3D，说明DC-DC转换器3的电路动作。此处，图3A～3D分别示出模式A～D下的电路动作。 

(模式A) 

在模式A下，开关元件Q1、Q4是接通状态。从母线电容器C1通过谐振电容器Cr1和谐振电感器Lr1而得到的谐振电流流入到绕组N1。绕组N2中感应出的电流经由二极管D21、D24而输出。 

(模式B) 

在谐振电容器Cr1中积蓄电荷，如果通过谐振电容器Cr1和谐振电感器Lr1得到的谐振电流流完，则成为模式B的状态。在模式B下，在绕组N1流过变压器T1的励磁电流。绕组N2的电压比输出的平滑电容器C2的电压低，在绕组N2中不流过电流。另外，在模式A下，如果在谐振电流流完之前，使开关元件Q1、Q4成为断开，则有时模式B被省略。 

(模式C) 

如果使开关元件Q1、Q4成为断开，则成为模式C的状态。在模式C下，开关元件Q1、Q4中流过的电流流过反并联二极管D2、D3，而流向母线电容器C1。此时，使开关元件Q2、Q3成为接通。 

(模式D) 

如果绕组N1的电流反转，则成为模式D的状态。该模式D是模式A的对称动作。以后，在模式B、C的对称动作之后返回模式A。 

这样，在该谐振型充电装置1中，将DC-DC转换器3作为谐振型转换器，施加到二极管D21～D24的电压通过输出的平滑电容器C2的电压而被拘束。因此，即使在二次电池6的电压高的情况下，作为二极管D21～D24也能够利用耐压比较低且正向下降电压比较低的二极管，所以能够降低损失，有助于高效化。 

在DC-DC转换器3的输出端即平滑电容器C2与二次电池6之间，为了降低纹波电流，有时还插入由电感器和电容器构成的LC滤波器。但是，在DC-DC转换器3的后级，不插入斩波器电路等具备电流控制功能的转换器而连接到二次电池6。因此，控制单元4为了通过充电状态对电压变化的二次电池进行充电，而具备对DC-DC转换器3的输出进行定电压定电流控制的功能。DC-DC转换器3是谐振型转换器，所以对开关元件Q1～Q4的开关频率进行控制而控制输出。 

在从商用电源对车辆的二次电池进行充电的情况下，一般，在商用电源能供给的电流、电力中，存在限制。控制单元4具备在二次电池6的电压比充电结束的电压低的情况下，将从交流电源5输入的电 流、电力控制为所设定的值，以能够在短时间内对二次电池6进行充电的功能。在该情况下，DC-DC转换器3的输出电力维持为大致一定。 

图4示出母线电压一定的情况下的、开关频率fsw、输出电力Pout、输出电压Vout、以及输出电流Iout的关系。在母线电压和输出电力被维持为一定的情况下，在输出电压低且输出电流大时开关频率变高，相反在输出电压高且输出电流小时开关频率变低。在多数情况下，无论谐振型转换器的开关频率过高或者过低，都会导致效率降低，而优选以效率高的中间的开关频率进行动作。 

图5～图7示出对二次电池6进行充电中的输出电压Vout、母线电压Vlink、输出电力Pout、输出电流Iout、开关频率fsw、效率η的时间Time下的变化。 

在图5中，将母线电压Vlink维持为比较低的值。随着时间的经过，输出电压Vout上升，开关频率fsw变得过低，所以效率η降低。 

在图6中，将母线电压Vlink维持为比较高的值。在接近充电开始的期间，输出电压Vout变低、开关频率fsw变得过高，所以效率η变低。 

在谐振型充电装置1中，具备通过二次电池6的电压控制母线电压的母线电压协调控制。在图7中，为了以使效率变高的方式保持开关频率fsw，随着输出电压Vout的上升，使母线电压Vlink上升。 

图8示出根据输出电压Vout决定母线电压Vlink的方法。在输出电压Vout的各条件中，以使效率η变高的方式，决定母线电压Vlink即可。 

但是，AC-DC转换器2的电路结构如上所述成为升压斩波器，所以无法使母线电压小于交流电源5的电压的振幅。因此，在母线电压协调控制中的母线电压的可变范围中，大致交流电源5的电压的振幅成为下限。另外，根据母线电容器C1等电路部件的耐压、寿命的点，还有时对母线电压的可变范围设置上限。图9示出输出电压Vout与母线电压Vlink的关系。其中，VlinkC表示效率变高的母线电压、 VlinkH表示母线电压的上限、VlinkL表示母线电压的下限。 

当然，在交流电源5的电压和二次电池6的电压都低的情况下，即使通过使母线电压降低等手法来简易地实施母线电压协调控制，也可以得到效率提高的效果。 

如以上的说明，在谐振型充电装置1中，通过采用谐振型转换器作为DC-DC转换器3的电路方式，并对其进行定电压定电流控制，能够对二次电池6高效地进行充电。进而，为了最大限度地发挥谐振型转换器具有的高效率，而具备母线电压协调控制。 

【实施例2】 

图10是本发明的实施例2的谐振型充电装置11的电路结构图。该谐振型充电装置11与实施例1的谐振型充电装置1同样地，从交流电源5向二次电池6供给电力。 

该谐振型充电装置11具备：输入交流电源5的电力并输出直流的母线电压的AC-DC转换器12；从该母线电压向二次电池6绝缘并且供给电力的DC-DC转换器13；以及控制这些转换器的控制单元14。 

在AC-DC转换器12中，在实施例1的AC-DC转换器2中构成的升压斩波器电路成为由平滑电感器L2、降压开关元件Q5、降压二极管D5、升压开关元件Q6、升压二极管D6、以及母线电容器C1构成的H桥电路的点上不同。另外，具备由滤波器电感器L3和滤波器电容器C3构成的LC滤波器。 

另外，在桥连接后的整流二极管D11～D14直流端子间，连接了滤波器电感器L3和滤波器电容器C3。另外，在滤波器电容器C3的两端间，串联连接了降压开关元件Q5以及降压二极管D5，在降压二极管D5的两端间，串联连接了平滑电感器L2以及升压开关元件Q6。进而，在升压开关元件Q6的两端间，串联连接了升压二极管D6以及母线电容器C1。 

DC-DC转换器13与实施例1的DC-DC转换器3相比，其不同点在于，使谐振电容器Cr1成为谐振电容器Cr11、Cr12，在具备 全桥连接的反并联二极管D1～D4的开关元件Q1～Q4中，将开关元件Q3、Q4和反并联二极管D3、D4置换为谐振电容器Cr11、Cr12，在桥连接的二极管D21～D24中，将二极管D23、D24分别置换为平滑电容器C21、C22。 

即，DC-DC转换器13中的开关电路是把将第1开关元件即开关元件Q1、第2开关元件即开关元件Q2串联连接而成的第1开关支路、和将第1谐振电容器即谐振电容器Cr11、第2谐振电容器即谐振电容器Cr12串联连接而成的谐振电容器支路并联连接而得到的。在该开关电路中，第1开关支路的两端间是直流端子间，开关元件Q1、Q2的串联连接点与谐振电容器Cr11、Cr12的串联连接点之间是交流端子间。 

另外，DC-DC转换器13中的整流电路是把将第1二极管即二极管D21、第2二极管即二极管D22串联连接而成的第1二极管支路、和将第1分压电容器即平滑电容器C21、第2分压电容器即平滑电容器C22串联连接而成的分压电容器支路并联连接而得到的。在该整流电路中，第1二极管支路的两端间是直流端子间，二极管D21、D22的串联连接点与平滑电容器C21、C22的串联连接点之间是交流端子间。 

降压开关元件Q5、升压开关元件Q6、以及开关元件Q1、Q2通过控制单元14进行控制。对控制单元14，与实施例1的谐振型充电装置1同样地，连接了电压传感器21～23、和电流传感器24、25。控制单元14具备功率因数改善控制、母线电压协调控制、定电压定电流控制等的点与实施例1的控制单元4相同。 

在谐振型充电装置11中，在AC-DC转换器12中如上所述采用H桥电路，通过使降压开关元件Q5开关，能够使母线电压小于交流电源5的电压的振幅。因此，能够比实施例1的谐振型充电装置1扩大母线电压的可变范围，能够以更高的效率对二次电池6进行充电。另外，在DC-DC转换器13中，采用全桥电路，能够削减开关元件和二极管的部件数量。 

【实施例3】 

图11是采用了本发明的谐振型充电装置1的电动汽车110的电源系统的概要结构图。谐振型充电装置1连接到与交流电源109连接的插入式充电连接器108、和连接了向驱动动力用马达104的逆变器103供给电力的DC-DC转换器102的二次电池105。另外，对二次电池105，连接了向电装设备101连接的辅助电瓶106供给电力的DC-DC转换器100、和连接快速充电器等外部直流电源而对二次电池105进行充电的快速充电连接器107。 

谐振型充电装置1使用与插入式充电连接器108连接的交流电源109的电力对二次电池105进行充电。 

根据该实施例3，通过使用本发明的谐振型充电装置1，能够从商用电源对车辆中搭载的动力用的二次电池高效地进行充电。当然，本发明的谐振型充电装置1还能够应用于混合动力车。