JP5680050B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、力率改善回路とＤＣ−ＤＣコンバータを備えた充電装置に関する。

電気自動車やハイブリッドカーには、走行用モータの駆動源である高電圧バッテリが搭載され、このバッテリを充電するための充電装置が設けられる。このような充電装置においては、一般に、力率改善回路（以下、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路と表記する。）と、ＤＣ−ＤＣコンバータが備わっている。ＰＦＣ回路は、入力電流の波形を入力電圧の波形に近づけて力率の改善を行うための回路である。ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＰＦＣ回路の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリ充電用の直流電圧を生成する回路である。後掲の特許文献１〜３には、ＰＦＣ回路とＤＣ−ＤＣコンバータを有する充電装置が記載されている。

上記のような充電装置において、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧は、数百ボルトの高電圧であるため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に設けられる平滑用のコンデンサ（以下、「出力コンデンサ」という。）の電圧も高電圧となる。そして、バッテリへの充電が終了して、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作が停止しても、出力コンデンサには電荷が残留する。したがって、利用者が充電装置の整備などを行う際に、出力コンデンサの残留電荷により感電しないようにするため、出力コンデンサの残留電荷を放電させる手段が必要となる。

後掲の特許文献４には、同期整流方式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、負荷への電力供給停止に、出力コンデンサに蓄積された電荷を、同期整流回路のスイッチング素子を通してグランドへ放電させることが記載されている。また、後掲の特許文献５には、同期整流方式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、負荷への電力供給停止時に、出力コンデンサに蓄積された電荷を、インダクタとＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を経由して入力電源側に回生させることが記載されている。

特開２００３−２４４９６２号公報 特開２００９−２３２５０２号公報 特開２０１２−１７５８１４号公報 特開２００８−１６０９６７号公報 特開２００２−２６２５５０号公報

バッテリの充電が終了した後に、出力コンデンサの電荷を放電させる場合、各部の動作を停止させる順序や、放電を開始させるタイミングが適正でないと、充電装置の動作に種々の不具合が発生する。例えば、後でも述べるように、ＤＣ−ＤＣコンバータの停止後、直ちに出力コンデンサを放電させると、バッテリの充電が一時的に停止されただけの場合に、速やかに復帰させることができなくなる。

本発明の課題は、出力コンデンサの放電にあたって、充電装置の動作に不具合が発生するのを防止することにある。

本発明に係る充電装置は、交流電源から供給される電力の力率を改善する力率改善回路と、この力率改善回路の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリ充電用の直流電圧を生成するＤＣ−ＤＣコンバータと、このＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を平滑化する出力コンデンサと、力率改善回路およびＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部とを備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子を有する同期整流回路を含んでいる。制御部は、バッテリの充電終了後に、出力コンデンサの電荷を放電させる場合に、まず、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる。次に、力率改善回路の動作を停止させる。その後、同期整流回路のスイッチング素子を駆動して、出力コンデンサの残留電荷を、当該スイッチング素子を通して放電させる。

このような構成によると、バッテリの充電が終了した後、ＤＣ−ＤＣコンバータの停止と、力率改善回路の停止と、出力コンデンサの放電とが、この順序で実行される。これにより、バッテリの充電終了から出力コンデンサの放電開始に至る一連のシーケンスが適正なものとなる。その結果、出力コンデンサの放電にあたって、充電装置の動作に不具合が発生するのを防止することができる。

本発明の充電装置において、制御部は、力率改善回路の動作を停止させた後、出力コンデンサの放電を開始させる前に、バッテリと充電装置との電気的接続を切断するようにしてもよい。

本発明の充電装置において、制御部は、出力コンデンサの放電を開始させた後、バッテリと充電装置との電気的接続を切断するようにしてもよい。

本発明の充電装置において、制御部は、力率改善回路の動作を停止させた後、バッテリと充電装置との電気的接続を切断する前に、交流電源からの電源供給を停止させるようにしてもよい。

本発明の充電装置において、出力コンデンサとともに平滑回路を構成するインダクタを備え、出力コンデンサの残留電荷が、インダクタおよびスイッチング素子を通って放電するようにしてもよい。

本発明の充電装置において、制御部は、同期整流回路のスイッチング素子を、ＰＷＭ信号により駆動してもよい。

本発明の充電装置において、同期整流回路は、２個のスイッチング素子が直列に接続された第１アームと、他の２個のスイッチング素子が直列に接続された第２アームとが並列に接続された、４個のスイッチング素子を有するブリッジ回路から構成されていてもよい。この場合、制御部は、第１アームの各スイッチング素子と、第２アームの各スイッチング素子とを、交互にオンさせるのが好ましい。

本発明の充電装置において、出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出部を備え、制御部は、出力コンデンサの放電が開始された後、電圧検出部で検出された電圧が閾値未満になると、スイッチング素子の駆動を停止するようにしてもよい。

本発明によれば、出力コンデンサの放電にあたって、充電装置の動作に不具合が発生するのを防止することができる。

本発明の実施形態に係る充電装置を示した回路図である。 充電ソケットの電気的構成を示した図である。 同期整流における電流経路を示した回路図である。 同期整流における電流経路を示した回路図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータの各部の動作を示したタイムチャートである。 バッテリ充電開始時の動作を示したフローチャートである。 バッテリ充電終了時の動作を示したフローチャートである。 バッテリ充電時の電流経路を示した回路図である。 出力コンデンサ放電時の放電経路を示した回路図である。 出力コンデンサ放電時の他の放電経路を示した回路図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態による充電装置の構成を説明する。

図１において、充電装置１００は、電源部２００とバッテリ部３００との間に配置される。充電装置１００には、電源部２００が接続される入力端子Ｔ１、Ｔ２、および制御端子Ｔ５と、バッテリ部３００が接続される出力端子Ｔ３、Ｔ４とが設けられている。充電装置１００とバッテリ部３００は、車両に搭載されている。電源部２００は、車両の外部に設けられている。

電源部２００は、交流電源１と、スイッチ２ａ，２ｂを備えている。交流電源１は、例えば、ＡＣ１００Ｖの商用電源である。スイッチ２ａ，２ｂは、交流電源１を入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続するための充電ソケット（図１では図示省略）に内蔵されている。

図２に示すように、充電ソケット５０は、ＡＣプラグ５１、スイッチ回路５２、制御回路５３、接続検知センサ５４、電源端子５５，５６、および信号端子５７を備えている。ＡＣプラグ５１は、図１の交流電源１に接続される。電源端子５５，５６は、それぞれ、充電装置１００の入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続される。信号端子５７は、充電装置１００の制御端子Ｔ５に接続される。スイッチ回路５２は、前述のスイッチ２ａ，２ｂから構成される。

交流電源１の電圧は、ＡＣプラグ５１とスイッチ回路５２を介して、電源端子５５，５６より、充電装置１００へ供給される。接続検知センサ５４は、充電ソケット５０が車両に対して機械的に接続されたことを検知する。制御回路５３は、充電装置１００から信号端子５７に入力される指令に基づいて、スイッチ回路５２の動作を制御する。また、制御回路５３は、接続検知センサ５４の出力に基づいて、充電ソケット５０の接続／切断の状態を、信号端子５７を介して充電装置１００へ通知する。

バッテリ部３００は、図１に示すように、バッテリ１４とコンタクタ１３ａ，１３ｂを備えている。バッテリ１４は、数百ボルトの高電圧バッテリであり、例えば、リチウムイオン電池や鉛蓄電池などの二次電池からなる。コンタクタ１３ａ，１３ｂは、バッテリ１４を充電装置１００に対して電気的に接続または切断する。

充電装置１００は、入力フィルタ３、整流回路４、ＰＦＣ（力率改善）回路５、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、平滑回路９、電圧検出部１１、および制御部１２を備えている。

入力フィルタ３は、入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力される交流電圧からノイズを除去するためのフィルタである。整流回路４は、ブリッジ接続された４個のダイオード（図示省略）を有する全波整流回路からなり、入力フィルタ３を通過した交流電圧を全波整流する。整流回路４の出力端は、電源ライン１６ａ，１６ｂに接続されている。

ＰＦＣ回路５は、交流電源１から供給される電力の力率を改善する。ＰＦＣ回路５には、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｑ１、およびリレーＲｙが備わっている。スイッチング素子Ｑ１は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる。スイッチング素子Ｑ１の高速スイッチング動作により、整流回路４の出力電流の波形が出力電圧の波形に近づくことで、力率が改善される。このとき、インダクタＬ１により入力電圧の昇圧が行われるとともに、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１により、昇圧された電圧の整流・平滑が行われる。リレーＲｙは、突入電流を抑制するための保護リレーである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、ＰＦＣ回路５の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリ１４を充電するための直流電圧を生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、インバータ回路６と、トランス７と、同期整流回路８とから構成される。

インバータ回路６は、トランス７の一次側に設けられており、４個のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を有するブリッジ回路から構成される。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が直列に接続されたアームａ１と、スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５が直列に接続されたアームａ２とは、電源ライン１６ａ，１６ｂ間に並列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５は、例えばＦＥＴからなる。インバータ回路６は、これらのスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５により、ＰＦＣ回路５から出力される直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換し、トランス７の一次側へ出力する（ＤＣ−ＡＣ変換）。

同期整流回路８は、トランス７の二次側に設けられており、４個のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９を有するブリッジ回路から構成される。スイッチング素子Ｑ６、Ｑ７が直列に接続されたアームａ３と、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９が直列に接続されたアームａ４とは、電源ライン１７ａ，１７ｂ間に並列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９は、例えばＦＥＴからなる。同期整流回路８は、これらのスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９のスイッチングにより、トランス７の二次側の交流電圧を整流して、直流電圧に変換する（ＡＣ−ＤＣ変換）。同期整流方式は、ダイオード整流方式に比べて、整流部の電力損失が小さく、変換効率が高いという利点がある。

平滑回路９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力端に設けられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧を平滑化する。平滑回路９には、電源ライン１７ａ上に設けられたインダクタＬ２と、電源ライン１７ａ，１７ｂ間に設けられた出力コンデンサＣ２とが備わっている。インダクタＬ２および出力コンデンサＣ２は、ローパスフィルタを構成する。平滑回路９の出力端には、分圧抵抗を構成する抵抗Ｒ１，Ｒ２と、ダイオードＤ２が設けられている。出力コンデンサＣ２の電圧は、ダイオードＤ２を介して出力端子Ｔ３，Ｔ４に出力され、バッテリ１４を充電する。

電圧検出部１１は、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧を取り込み、出力コンデンサＣ２の電圧、すなわち充電装置１００の出力電圧を検出する。電圧検出部１１の出力は、制御部１２へ与えられる。

制御部１２は、ＣＰＵやＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）回路などから構成され、電源部２００、ＰＦＣ回路５、インバータ回路６、同期整流回路８、およびバッテリ部３００の各部を制御する。詳しくは、制御部１２は、電源部２００のスイッチ２ａ，２ｂのオン・オフ制御と、ＰＦＣ回路５のスイッチング素子Ｑ１のオン・オフ制御と、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のオン・オフ制御と、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９のオン・オフ制御と、バッテリ部３００のコンタクタ１３ａ，１３ｂのオン・オフ制御とを行う。また、制御部１２は、電源部２００から、充電ソケット５０（図２）の接続／切断の状態を取得する。さらに、制御部１２は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）を構成する上位装置２０との間で通信を行う。

ところで、同期整流回路８のスイッチング動作は、制御部１２の制御の下で、インバータ回路６のスイッチング動作と同期して行われる。図３および図４は、これを説明する図である。

図３のように、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がオンすると、トランス７の一次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。このとき、同期整流回路８では、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５に対応するスイッチング素子Ｑ６，Ｑ９がオンとなり、トランス７の二次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。

また、図４のように、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がオンすると、トランス７の一次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。このとき、同期整流回路８では、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４に対応するスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８がオンとなり、トランス７の二次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。

図５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の各部の動作を示したタイムチャートである。ここでは、スイッチング素子を位相シフト方式でＰＷＭ駆動する場合の、一般的な信号波形を示している。なお、図５では図示を省略しているが、各アームの上下のスイッチング素子（Ｑ２とＱ３など）が共にオン状態となることで発生する短絡を防止するため、上下のスイッチング素子がスイッチングするタイミングの間には、デッドタイムが設定されている。

次に、以上のような構成からなる充電装置１００の動作を説明する。最初に、バッテリ１４に充電を行う場合の動作について、図６および図８を参照しながら説明する。

図６のフローチャートは、バッテリ充電開始時の手順を示している。ステップＳ１では、車両に充電ソケット５０が接続される。詳しくは、充電ソケット５０の電源端子５５，５６（図２）が、充電装置１００の入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続され、充電ソケット５０の信号端子５７が、充電装置１００の制御端子Ｔ５に接続される。この状態では、充電ソケット５０のスイッチ２ａ，２ｂはオフである。充電ソケット５０の接続が、接続検知センサ５４により検知され、制御回路５３より充電装置１００の制御部１２に通知されると、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、制御部１２が、車内高電圧線路（充電装置１００とバッテリ部３００とを接続する線路）の接続を行う。詳しくは、制御部１２は、バッテリ部３００に対して制御信号を出力し、コンタクタ１３ａ，１３ｂをオンにする。これにより、バッテリ１４が、コンタクタ１３ａ，１３ｂを介して、充電装置１００の出力端子Ｔ３、Ｔ４に接続される。

続くステップＳ３では、制御部１２が、電源部２００から充電装置１００への電源供給を開始させる。詳しくは、制御部１２は、電源部２００の充電ソケット５０に対して、給電許可信号を出力する。充電ソケット５０の制御回路５３は、この給電許可信号を受けてスイッチ回路５２を制御し、スイッチ２ａ，２ｂをオンさせる。これにより、交流電源１の交流電圧が、スイッチ２ａ，２ｂおよび入力端子Ｔ１、Ｔ２を介して、充電装置１００に供給される。

次に、ステップＳ４において、制御部１２は、ＰＦＣ回路５の動作を開始する。詳しくは、制御部１２は、ＰＦＣ回路５のスイッチング素子Ｑ１のゲートに、ＰＷＭ信号を印加するとともに、ＰＦＣ回路５のリレーＲｙをオンさせる。これにより、ＰＦＣ回路５が動作し、スイッチング素子Ｑ１がＰＷＭ信号によりオン・オフして、前述したように力率の改善や昇圧が行われる。

次に、ステップＳ５において、制御部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を開始する。詳しくは、制御部１２は、インバータ回路６における所定のスイッチング素子（Ｑ２とＱ５、Ｑ３とＱ４）のゲートにＰＷＭ信号を印加するとともに、同期整流回路８における所定のスイッチング素子（Ｑ６とＱ９、Ｑ７とＱ８）のゲートにＰＷＭ信号を印加する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が動作し、図３および図４で説明したような同期整流が行われる。

以上のステップＳ１〜Ｓ５の実行により、充電装置１００は完全な動作状態となる。この状態では、図８の太矢印で示すような電流経路が形成される。ここでは、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ９がオンしているので、インバータ回路６の電流経路と、同期整流回路８の電流経路とは、図３に示した経路となっている。スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ７、Ｑ８がオンしているときは、インバータ回路６の電流経路と、同期整流回路８の電流経路とは、図４に示した経路となる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が動作することで、出力コンデンサＣ２が充電され、出力端子Ｔ３、Ｔ４間に現われる出力電圧により、バッテリ１４の充電が開始される。その後は、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、バッテリ１４が充電されている間、制御部１２によって充電制御が行われる。この充電制御において、制御部１２は、電圧検出部１１により検出された出力電圧に基づいて、ＰＦＣ回路５やＤＣ−ＤＣコンバータ１０に対してフィードバック制御を行う。詳しくは、制御部１２は、出力電圧が目標値となるように、ＰＦＣ回路５やＤＣ−ＤＣコンバータ１０の各スイッチング素子に与えるＰＷＭ信号のデューティを制御する。また、制御部１２は、バッテリ１４の充電電流の決定や、充電モードの選択（例えば省電力モード）なども行う。

ステップＳ７では、バッテリ１４の充電が終了したか否かを判定する。充電の終了は、例えば、バッテリ電圧が規定値になったことや、車両側から充電終了信号を受信したことで判定することができる。充電が終了してなければ（ステップＳ７；ＮＯ）、ステップＳ６の充電制御を継続する。そして、充電が終了すれば（ステップＳ７；ＹＥＳ）、図７のステップＳ１１へ移行する。

次に、バッテリ１４の充電が終了した場合の動作について、図７および図９を参照しながら説明する。

図７のフローチャートは、バッテリ充電終了時の手順を示している。最初に、ステップＳ１１において、制御部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を停止させる。詳しくは、制御部１２は、インバータ回路６および同期整流回路８の各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９のゲートへの、ＰＷＭ信号の印加を停止する。これにより、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９の全てがオフとなって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作が停止する。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０からの出力はなくなるが、出力コンデンサＣ２に電荷が残留しているため、出力端子Ｔ３、Ｔ４間には電圧が現われている。

なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９をオフさせる場合、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を全てオフにした後、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９を全てオフにしてもよいし、その逆でもよい。また、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９は、そのまま同期整流動作を継続してもよいが、後で出力コンデンサＣ２を放電させることを考えると、全てオフにしておくのが好ましい。

続いて、ステップＳ１２において、制御部１２は、ＰＦＣ回路５の動作を停止させる。詳しくは、制御部１２は、ＰＦＣ回路５のスイッチング素子Ｑ１のゲートへのＰＷＭ信号の印加を停止するとともに、リレーＲｙをオフにする。これにより、スイッチング素子Ｑ１がオフとなって、ＰＦＣ回路５の動作が停止する。

次に、ステップＳ１３において、制御部１２は、電源部２００から充電装置１００への電源供給を停止させる。詳しくは、制御部１２は、電源部２００の充電ソケット５０に対して、給電禁止信号を出力する。充電ソケット５０の制御回路５３は、この給電禁止信号を受けてスイッチ回路５２を制御し、スイッチ２ａ，２ｂをオフさせる。これにより、充電装置１００は、交流電源１から電気的に切り離され、交流電源１の交流電圧が充電装置１００に供給されなくなる。

次に、ステップＳ１４において、制御部１２は、車内高電圧線路を切断する。詳しくは、制御部１２は、バッテリ部３００に対して制御信号を出力し、コンタクタ１３ａ，１３ｂをオフにする。これにより、充電装置１００は、バッテリ１４から電気的に切り離される。

また、ステップＳ１３の実行後、ステップＳ１５において、充電ソケット５０が車両から取り外される。これにより、充電装置１００は、交流電源１から機械的に切り離される。

ステップＳ１１〜Ｓ１４の実行により、充電装置１００は動作が完全に停止した状態となり、また、電源部２００およびバッテリ部３００から電気的に切り離された状態となる。これ以降、制御部１２は、ステップＳ１６〜Ｓ１８の放電制御を実行する。

ステップＳ１６において、制御部１２は、出力コンデンサＣ２に残留している電荷の放電を開始する。詳しくは、制御部１２は、同期整流回路８のスイッチング素子のうち、Ｑ８とＱ９をＰＷＭ信号により駆動する。これにより、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９がオンの期間、図９の太矢印で示すような放電経路が形成される。そして、出力コンデンサＣ２の残留電荷は、インダクタＬ２とスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９を通って放電する。このとき、インダクタＬ２によって、放電経路を流れる放電電流が過大になるのが抑制される。

スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９を駆動するＰＷＭ信号の周波数やデューティを変化させることにより、放電のスピードや放電電流を制御することができる。例えば、ＰＷＭ信号の周波数を高くした場合や、デューティを小さくした場合は、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９のオン期間が短くなる。このため、放電のスピードは遅くなるが、放電電流を抑制することができる。一方、ＰＷＭ信号の周波数を低くした場合や、デューティを大きくした場合は、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９のオン期間が長くなる。このため、放電電流が増加するが、放電のスピードを速めることができる。したがって、出力コンデンサＣ２の残留電荷量の多い放電開始直後は、前者の制御を行い、放電が進行するにつれて、段階的に後者の制御へ移行するのが好ましい。

出力コンデンサＣ２が放電を開始した後、ステップＳ１７において、制御部１２は、出力電圧（出力コンデンサＣ２の電圧）が閾値未満になったか否かを、電圧検出部１１の出力に基づいて監視する。出力電圧が閾値未満になっていなければ（ステップＳ１７；ＮＯ）、ステップＳ１６に戻って、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９の駆動を継続する。そして、出力電圧が閾値未満になると（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、ステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１８では、制御部１２は、出力コンデンサＣ２の放電を停止させる。詳しくは、制御部１２は、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９へのＰＷＭ信号の出力を停止する。これにより、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９はオフとなり、図９の放電経路が形成されなくなるので、出力コンデンサＣ２は放電を停止する。

以上により、出力コンデンサＣ２の放電動作が完了する。このとき、出力コンデンサＣ２の電圧は、閾値未満の小さな値となっているため、感電の危険を回避することができる。

なお、ＰＦＣ回路５のコンデンサＣ１についても、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９と同様に制御することで、残留電荷を放電させることができる。

図９においては、放電経路の形成にあたって、アームａ４のスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９をオンにしたが、アームａ３のスイッチング素子Ｑ６、Ｑ７をオンにしてもよい。この場合は、図１０の太矢印で示すような放電経路が形成される。

また、より好ましくは、アームａ４のスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９と、アームａ３のスイッチング素子Ｑ６、Ｑ７とを交互にオンさせる。すなわち、図９の放電経路と、図１０の放電経路とが交互に形成されるようにする。このようにすると、スイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９に均等に放電電流を流すことができるため、特定のスイッチング素子だけが早く劣化するのを防止できる。

なお、放電経路の形成にあたって、ＰＷＭ信号のデューティを１００％にして、スイッチング素子Ｑ６、Ｑ７またはＱ８、Ｑ９をオン状態に固定することも考えられる。但し、この場合は、放電経路に過大な電流が流れることに留意する必要がある。大電流を抑制する手段として、トランス７の一次側に設けたリレーＲｙと同様のリレーを、トランス７の二次側にも設けることなどが考えられる。

また、放電経路の形成にあたって、通常の同期整流と同じパターン（図３、図４）で、スイッチング素子Ｑ６、Ｑ９またはＱ７、Ｑ８を駆動することも考えられる。但し、この場合は、トランス７の一次側にエネルギーが伝送される結果、コンデンサＣ１の放電を妨げる可能性があることに留意する必要がある。

以上述べたように、本実施形態においては、バッテリ１４の充電が終了した後、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の停止（図７のステップＳ１１）と、ＰＦＣ回路５の停止（ステップＳ１２）と、交流電源１からの電源供給の停止（ステップＳ１３）と、バッテリ１４と充電装置１００との切断（ステップＳ１４）とが、この順序で実行され、しかる後に、出力コンデンサＣ２が放電を開始する（ステップＳ１６）。この一連のシーケンスが遵守されないと、以下のような不具合が発生する。

例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の停止後、直ちに出力コンデンサＣ２を放電させると（ステップＳ１１の後にステップＳ１６を実行）、バッテリ１４の充電が一時的に停止されただけの場合に、コンデンサＣ２の満充電までに時間がかかり、速やかに復帰させることができなくなる。

また、例えば、充電装置１００にバッテリ１４が電気的に接続された状態（コンタクタ１３ａ，１３ｂがオンの状態）で、コンデンサＣ２の放電を行うと（ステップＳ１４の前にステップＳ１６を実行）、ダイオードＤ２の逆耐圧に十分な余裕がない場合は、バッテリ１４が短絡されて危険である。

また、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の停止よりも先に、ＰＦＣ回路５を停止させると（ステップＳ１１の前にステップＳ１２を実行）、ＰＦＣ回路５がスイッチング動作をしていない状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が動作する。このため、ＰＦＣ回路５の入力の正弦波電圧が、そのままＤＣ−ＤＣコンバータ１０の入力電圧となり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が、入力電圧を正しく昇圧または降圧できなくなる可能性がある。その場合、バッテリ１４に指令値通りの充電電流を流せなくなるので、制御部１２は、指令値と異なる電流が流れたと認識して、充電装置１００が異常であると誤判定する。その結果、充電装置１００の動作が停止し、同期整流回路８によるコンデンサＣ２の放電ができなくなる。さらに、ＰＦＣ回路５が動作しないことで、入力電流波形が正弦波ではなくなり、力率が悪くなる可能性もある。

しかるに、本実施形態では、バッテリ１４の充電終了から出力コンデンサＣ２の放電開始に至る一連のシーケンスが適正に設定され、これに沿って制御が行われる。このため、充電装置１００の動作に上述したような不具合が発生するおそれがなく、出力コンデンサＣ２の電荷を、確実かつ安全に放電させることができる。

なお、図７において、ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１４の順序は、本発明にとって必須であるが、ステップＳ１３は、必ずしもステップＳ１２とステップＳ１４の間である必要はない。例えば、ステップＳ１３を、ステップＳ１４とステップＳ１６の間に実行してもよい。その場合、ステップＳ１５は、ステップＳ１３の後に実行すればよい。

また、図７では、前述したように、バッテリ１４が短絡する危険性を回避するため、ステップＳ１６の前にステップＳ１４を実行したが、ダイオードＤ２の逆耐圧に十分な余裕がある場合は、バッテリ短絡のおそれがないので、ステップＳ１４をステップＳ１６の後で実行しても差し支えない。このようにすることで、放電開始の時期を早めることができる。一方、図７のように、ステップＳ１４をステップＳ１６の前に実行する場合は、ダイオードＤ２に逆耐圧の高い素子を用いる必要がないので、ダイオードが安価で小型になるという利点がある。

本発明では、以上述べた以外にも、種々の実施形態を採用することができる。例えば、前記の実施形態では、同期整流回路８を、４個のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９を有するブリッジ回路で構成した例を挙げたが、同期整流回路８を、２個のスイッチング素子により構成してもよい。

また、前記の実施形態では、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９を、デューティ制御が可能なＰＷＭ信号により駆動する例を挙げたが、ＰＷＭ信号以外の、デューティが固定されたパルス信号により、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９を駆動してもよい。

また、前記の実施形態では、コンタクタ１３ａ，１３ｂをバッテリ部３００に設けた例を挙げたが、コンタクタ１３ａ，１３ｂを充電装置１００側に設けてもよい。

また、前記の実施形態では、充電ソケット５０に１個の信号端子５７が設けられ、充電装置１００に１個の制御端子Ｔ５が設けられている例を挙げたが、これらの端子は、必要に応じて複数設けてもよい。

また、前記の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０における各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ８のスイッチングのタイミングを、図５のように設定したが、これは一例であって、図５以外のタイミングに設定してもよい。

また、前記の実施形態では、出力コンデンサＣ２の電荷を放電させる場合に、出力コンデンサＣ２の電圧が閾値未満になると、放電を停止させたが、電圧がゼロになるまで、出力コンデンサＣ２を完全に放電させてもよい。

さらに、前記の実施形態では、車両用バッテリの充電に用いられる充電装置を例に挙げたが、本発明は、車両用バッテリ以外のバッテリを充電する充電装置にも適用することができる。

１ 交流電源
２ａ，２ｂ スイッチ
５ ＰＦＣ（力率改善）回路
６ インバータ回路
８ 同期整流回路
９ 平滑回路
１０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１ 電圧検出部
１２ 制御部
１３ａ，１３ｂ コンタクタ
１４ バッテリ
５０ 充電ソケット
１００ 充電装置
２００ 電源部
３００ バッテリ部
ａ３，ａ４ アーム
Ｃ２ 出力コンデンサ
Ｌ２ インダクタ
Ｑ６〜Ｑ９ スイッチング素子

Claims (8)

1. 交流電源から供給される電力の力率を改善する力率改善回路と、
   前記力率改善回路の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリ充電用の直流電圧を生成するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を平滑化する出力コンデンサと、
   前記力率改善回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部と、を備え、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、スイッチング素子を有する同期整流回路を含んでいる充電装置において、
   前記制御部は、前記バッテリの充電終了後に、前記出力コンデンサの電荷を放電させる場合に、
   まず、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させ、
   次に、前記力率改善回路の動作を停止させ、
   その後、前記同期整流回路のスイッチング素子を駆動して、前記出力コンデンサの残留電荷を、当該スイッチング素子を通して放電させることを特徴とする充電装置。
2. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記制御部は、前記力率改善回路の動作を停止させた後、前記出力コンデンサの放電を開始させる前に、前記バッテリと前記充電装置との電気的接続を切断することを特徴とする充電装置。
3. 請求項１に記載の充電装置において、
   前記制御部は、前記出力コンデンサの放電を開始させた後、前記バッテリと前記充電装置との電気的接続を切断することを特徴とする充電装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の充電装置において、
   前記制御部は、前記力率改善回路の動作を停止させた後、前記バッテリと前記充電装置との電気的接続を切断する前に、前記交流電源からの電源供給を停止させることを特徴とする充電装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の充電装置において、
   前記出力コンデンサとともに平滑回路を構成するインダクタを備え、
   前記出力コンデンサの残留電荷が、前記インダクタおよび前記スイッチング素子を通って放電することを特徴とする充電装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の充電装置において、
   前記制御部は、前記同期整流回路のスイッチング素子を、ＰＷＭ信号により駆動することを特徴とする充電装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の充電装置において、
   前記同期整流回路は、２個のスイッチング素子が直列に接続された第１アームと、他の２個のスイッチング素子が直列に接続された第２アームとが並列に接続された、４個のスイッチング素子を有するブリッジ回路から構成され、
   前記制御部は、前記第１アームの各スイッチング素子と、前記第２アームの各スイッチング素子とを、交互にオンさせることを特徴とする充電装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の充電装置において、
   前記出力コンデンサの電圧を検出する電圧検出部を備え、
   前記制御部は、前記出力コンデンサの放電が開始された後、前記電圧検出部で検出された電圧が閾値未満になると、前記スイッチング素子の駆動を停止することを特徴とする充電装置。

Images