CN103532208A

CN103532208A - 充电装置

Info

Publication number: CN103532208A
Application number: CN201310269897.3A
Authority: CN
Inventors: 西口直男; 山田隆志; 安木秀之; 花谷真幸; 井户勇作
Original assignee: Omron Automotive Electronics Co Ltd
Current assignee: Nidec Mobility Corp
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-01-22
Also published as: DE102013211828A1; US20140015496A1; JP2014011925A

Abstract

提供一种能够高效地转换电压的充电装置。作为解决手段，充电装置（1）具有：存储部（44），其存储交流电源输入部（10）输出的整流电压、电力转换部（30）输出的充电电压以及与整流电压和充电电压相对应的、功率因数校正部（20）应输出的中间电压；以及控制部（40），其从输入电压取得部（41）取得整流电压、从输出电压取得部（42）取得充电电压，并且根据取得的整流电压和充电电压，从存储部（44）取得中间电压，并根据中间电压控制功率因数校正部（20）。

Description

充电装置

技术领域

本发明涉及充电装置，尤其是涉及如下充电装置：该充电装置具有将交流电压转换为直流电压的功率因数校正电路以及将来自功率因数校正电路的直流电压变压为预定的直流电压而提供给蓄电池的电压转换电路。

背景技术

以往，在充电装置中，公知有将预定的各种交流输入电压转换为直流输出电压并高效地进行该转换的技术，其中，所述充电装置具有将交流电压转换为直流电压的功率因数校正电路以及将来自功率因数校正电路的直流电压变压为预定的直流电压而提供给蓄电池的电压转换电路。

例如，在专利文献1中，公开了如下开关电源装置：该开关电源装置是全世界输入类型的，在交流输入电压是100V***、200V***中的任意一个的情况下，也能实现高效且小型化、低成本化的目的。在该开关电源装置中，替代在开关晶体管的基准电路部中设置以往的示例那样的恒压电路，而是设置辅助电阻器、开关单元和电压检测电路。辅助电阻器和开关单元相互串联连接，并且它们与基准电阻器并联连接。电压检测电路通过与变压器的基准绕组连接的二极管的输出侧的电压来检测交流输入电压是100V***还是200V***，在100V***时使开关单元导通，在200V***时使该开关单元截止。

此外，在专利文献2中公开了能够使用低耐压、低成本、小型的部件的开关电源装置，该开关电源装置无需将PFC电路（功率因数校正电路）输出电压设定为高电压就能够判定PFC电路的状态。该开关电源装置具有校正全波整流输出的功率因数的PFC电路以及将该PFC电路的直流输出转换为其它的直流并输出的直流/直流（DC/DC）转换器，并设置有对PFC电路的功率因数校正动作进行控制的控制IC、对直流/直流转换器的直流/直流转换动作进行控制的数字控制部以及用于检测PFC电路的状态的检测电路。数字控制部根据检测电路的检测，判定基于控制IC的PFC电路的控制状态，并根据该判定控制直流/直流转换器的启动。

此外，在专利文献3中，公开了以利用简单的结构来应对宽范围的输入电压为目的开关电源装置。在该开关电源装置中，绝缘型直流-直流转换器在变压器的二次侧电路中具有电池充电用电路。在对功率因数校正电路的输出电压进行检测的输出电压检测电路检测出的功率因数校正电路的输出电压较低情况下，驱动电路降低对绝缘型直流-直流转换器的变压器的一次侧电路的开关元件进行开关的频率。在功率因数校正电路的输出电压较高的情况下，提高对绝缘型直流-直流转换器的变压器的一次侧电路的开关元件进行开关的频率。

此外，在专利文献4中，公开有如下充电器：在变压装置的输入级设置功率因数校正电路，提高在直流输出电流较小的情况下的能量转换效率。在该充电器中，设置有将交流输入电压转换为直流输出电压的功率因数校正电路以及将功率因数校正电路的直流输出电压变压为预定的直流充电电压并提供给铅蓄电池的变压装置。并且，该充电器如下这样进行控制：根据从变压装置提供给铅蓄电池的直流充电电流的大小，增加/减小功率因数校正电路的直流输出电压。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平06-105545号公报

专利文献2：日本特开2008-099439号公报

专利文献3：日本特开2009-213202号公报

专利文献4：日本特开2010-041891号公报

发明内容

本发明提供一种充电装置，能够输出根据充电装置的电压转换特性而事先取得的整体效率最好的中间电压，因而能够高效地转换电压。

为了解决上述问题，本发明提供一种充电装置，该充电装置具有：对交流电压进行整流的交流电源输入部；功率因数校正部，其将该交流电源输入部输出的整流电压转换为直流的中间电压；电力转换部，其将该功率因数校正部输出的中间电压变压为充电电压并提供给2次电池；输入电压取得部，其取得交流电源输入部输出的整流电压；输出电压取得部，其取得该电力转换部输出的充电电压；存储部，其存储整流电压、充电电压、以及与整流电压和充电电压相对应的目标中间电压；以及控制部，其从输入电压取得部取得整流电压，从输出电压取得部取得充电电压，并且根据取得的整流电压和充电电压从存储部取得目标中间电压，控制功率因数校正部，使得输出的中间电压成为目标中间电压。

根据以上方式，能够提供一种充电装置，能够输出根据充电装置的电压转换特性而事先取得的整体效率最好的中间电压，因而能够高效地转换电压。

此外，其特征在于，还具有取得2次电池的目标电压的目标输出电压取得部，控制部从目标输出电压取得部取得目标电压，并根据充电电压和目标电压控制电力转换部。

根据以上方式，能够提供一种充电装置，其利用目标输出电压，通过向2次电池提供与2次电池的目标电压接近的充电电压的结构而具有与上述相同的高效率。

如上所述，根据本发明，能够输出根据充电装置的电压转换特性而事先取得的整体效率最好的中间电压，因而能够高效地转换电压。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施例的充电装置的框图。

图2是本发明的第一实施例的充电装置中的功率因数校正部的电路图。

图3A是示出本发明的第一实施例的充电装置中的电力转换部和控制部的电路图，图3B是示出本发明的第一实施例的充电装置中的规定部位的波形的图。

图4是本发明的第一实施例的充电装置的存储部中存储的表。

图5A是本发明的第一实施例的充电装置中、输出中间电压的电路图，图5B是本发明的第一实施例的充电装置中、根据电路中的各电阻值和开关的组合而得到的中间电压（其一）。

图6A是本发明的第一实施例的充电装置中、输出中间电压的电路图，图6B是本发明的第一实施例的充电装置中、根据电路中的各电阻值和开关的组合而得到的中间电压（其二）。

图7是示出本发明的第一实施例的充电装置中的控制的流程图。

图8A是示出本发明的第一实施例的充电装置中、取得输入电压的方法的流程图，图8B是说明本发明的第一实施例的充电装置中、取得输入电压的方法的说明图。

[标号说明]

1充电装置，2商用交流电源，32次电池，10交流电源输入部，20功率因数校正部，21功率因数校正开关电路，22功率因数校正控制部，221误差放大器，23稳定电路，24中间电压输出部，30电力转换部，31开关电路，32变压器，33整流部，40控制部，401误差放大器，402PWM比较器，403锁存器，404时钟，41输入电压取得部，42输出电压取得部，43目标输出电压所得部，44存储部，45BMU

具体实施方式

下面，将参照附图，对本发明的各实施例进行说明。

＜第一实施例＞

图1是示出本发明的第一实施例中的充电装置1的框图。充电装置1对从商用交流电源2提供的电力进行转换，对2次电池3充电。充电装置1例如用于从配电到各家庭的电力对电动汽车或插电式混合动力型的电动汽车所搭载的2次电池（例如，锂电池）进行充电，但是，当然不限于此。

充电装置1具有交流电源输入部10、功率因数校正部20以及电力转换部30。交流电源输入部10对来自商用交流电源2的交流电压进行整流。功率因数校正部20将交流电源输入部10整流和输出的整流电压转换为直流的中间电压。功率因数校正部20提高作为商用交流电源2的提供电量中的在2次电池3中蓄积的部分的单位时间内的有效电量。电力转换部30将功率因数校正部20输出的中间电压变压为预定的直流的充电电压而提供给2次电池3，以进行充电。

参照图2，对交流电源输入部10和功率因数校正部20进行具体说明。交流电源输入部10是如上述那样对来自商用交流电源2的交流电压进行整流的电路，通常具有图2所示的二极管桥。交流电源输入部10的输入侧与商用交流电源2连接，输出侧与高侧线路LH和低侧线路LL连接。并且，交流电源输入部10对输入的交流电力的电压波形进行全波整流，并通过高侧线路LH和低侧线路LL输出。此处的整流电压记为Vin。

功率因数校正部20具有功率因数校正开关电路21、功率因数校正控制部22、稳定电路23以及中间电压输出部24。功率因数校正开关电路21在高侧线路LH上串联地设置有电抗器L和整流元件D，此外，还具有开关元件Q，该开关元件Q的一端与电抗器L和整流元件D的阳极的接点连接，另一端与低侧线路LL连接。

稳定电路23是与整流元件D的阴极侧的高侧线路LH和低侧线路LL连接的平滑电容器C。所述功率因数校正部20能够通过功率因数校正控制部22适当地驱动开关元件Q，使得输入的整流电压Vin中的全波整流波形的相位与电流Is的相位几乎一致，由此提高有效电量，此外，通过对整流电压Vin进行升压和平滑化而得到中间电压Vpfc_out。

中间电压输出部24包含串联连接的2个电阻器（R0和VR1），能够在R0和VR1的连接点，对作为由功率因数校正部20的整体输出的中间电压Vpfc_out进行分压并输出。R0的另一个端子连接在比稳定电路23与高侧线路LH连接的位置更靠输出侧，VR1的另一个端子连接在比稳定电路23与低侧线路LL连接的位置更靠输出侧。VR1是可变电阻器，能够控制任意的电压值。详细情况将在下面描述。

功率因数校正控制部22与功率因数校正开关电路21的开关元件Q的信号端子以及信号线LI、LC和LO连接。功率因数校正控制部22经由信号线LI，取得与交流电源输入部10输出的电压Vin相关的信息。在本实施例中，实际取得分压后的电压。并且，功率因数校正控制部22经由LC取得与电流Is相关的信息。另外，电流Is是指经由低侧线路LL返回到商用交流电源2的电流。

此外，功率因数校正控制部22经由LO取得与中间电压Vpfc_out相关的信息。具体而言，功率因数校正控制部22经由误差放大器221通过LO得到在中间电压输出部24的R0和VR1的连接点被分压的电压与基准电压之间的误差。功率因数校正控制部22以整流电压Vin与该误差的积为基准，驱动开关元件Q。开关周期非常短，相对于商用电源的频率达到1000分之1的程度。因此，按照开关的定时进行处理的整流电压Vin的值与商用电源的电压变化连动，时刻在变化。根据某瞬间的整流电压Vin，该瞬间的电流Is通过开关元件Q的驱动而被控制。例如，在整流电压Vin较小时，由于积变小，因此电流Is减小。相反，在整流电压Vin较大时，由于积较大，因此，电流Is变大。由于电流Is与商用电源的变化连动地被更新和控制，因此，电流Is的电流变化与和商用电源的电压变化连动的整流电压Vin之间的相位差被抑制。其结果是，通过功率因数校正控制部22，校正了功率因数。

接下来，再参照图3A、图3B，首先对电力转换部30、输出电压取得部42、控制部40进行说明。电力转换部30的一端与功率因数校正部20连接，另一端与2次电池3连接。电力转换部30根据2次电池3的充电状态，使功率因数校正部20的输出的中间电压Vpfc_out升压或降压，并输出调整后的充电电压Vout，使2次电池3充满电。

电力转换部30在电力***线路上具有开关部31、变压器32以及整流部33。变压器32从功率因数校正部20接受中间电压Vpfc_out的输入，通过下述的控制部40控制的开关部31的驱动，使输出电压适当地升压或降压。进而，整流部33整理该升压/降压后的电压的波形，提供给2次电池3。

在变压器32的二次侧的整流部33的后级具有输出电压取得部42，该输出电压取得部42取得电力转换部30向2次电池3输出的充电电压（Vout）。

控制部40具有时钟404，并根据与时钟404同步地变化为锯型波状的电压值（Vr）以及由输出电压取得部42检测到的充电电压的值（Vout），按照以下方式确定向开关电路31输入的开关控制波形的占空比。

输出电压取得部42将检测到的电压（Vout）反馈给误差放大器401，并且将从外部提供的输出电压设定值输入到该误差放大器401，检测出误差（Ve）。由此，控制部40能够控制电压（Vout），使其不超过输出电压的设定值。

然后，将误差（Ve）输入到下一段的PWM比较器402。在PWM比较器402的另一个输入端，输入与时钟404同步地变化的电压值（Vr）。PWM比较器402根据两个输入值，与锁存器403一起进行锁存器输出的脉冲宽度的调制。

如图3B所示，与时钟404同步的电压值（Vr）反复如下动作：电压随着时间而增大，并与时钟404同步地进行复位。锁存器输出的开关控制波形与时钟404同步地从低（Low）变为高（High）。在该定时，开关电路31被导通。进而，在电压（Vr）超过误差（Ve）的定时，锁存器输出的开关控制波形从高变为低。开关电路31在该定时被截止。

通过控制部40中的上述一系列的动作，例如如以下那样，开关的占空比被逐渐调整和确定。例如，在误差放大器401的误差变大、Ve上升的情况下，Vr达到Ve的电平的时间变长。这样，开关电路31导通的时间变长，开关的占空比增加。相反，在误差放大器401的误差变小、Ve减小的情况下，Vr达到Ve的电平的时间变短。这样，开关电路31导通的时间变短，开关的占空比减小。

此外，充电装置1在控制***线路上还具有输入电压取得部41。输入电压取得部41取得交流电源输入部10输出的整流电压Vin。另外，将在后面描述输入电压取得部41的整流电压Vin的取得的方法。

此外，充电装置1在控制***线路上还具有存储部44，该存储部44存储整流电压Vin、充电电压Vout以及与整流电压Vin和充电电压Vout相对应的中间电压Vpfc_out。存储部44具有存储器和盘片等存储介质，在存储介质内具有以下说明的表。该表具有与整流电压Vin和充电电压Vout对应的中间电压Vpfc_out的值。

控制部40从输入电压取得部41取得整流电压Vin，从输出电压取得部42取得充电电压Vout，并且根据取得的整流电压Vin和充电电压Vout从存储部44取得中间电压Vpfc_out，根据该取得的中间电压Vpfc_out控制功率因数校正部20。这样，能够输出根据充电装置的电压转换特性而事先取得的整体效率最好的中间电压，因而能够高效地转换电压。

参照图4和图5A、图5B，对中间电压进行具体说明，该中间电压是根据存储部44所具有的表、中间电压输出部24的可变电阻器VR1的电路图以及该电路中的各电阻值和开关的组合而得到的。在图4所示的表中，横轴是整流电压（Vin），纵轴是充电电压（Vout），在其交差部分具有中间电压（Vpfc_out）。中间电压由200V、300V、400V这3个值构成。1个中间电压被确定为大致等于或超过整流电压（具体而言，平均整流电压的最大值即乘以2的平方根的值）和充电电压。表中的中间电压优选根据充电装置的各种电压转换特性的实测结果，采用整体效率最好的状态的中间电压。

与图4所示的表对应地，可变电阻器VR1成为图5A所示的电路结构。即，可变电阻器VR1只要能够输出3个值即可，因而由2个开关（SW1和SW2）构成。并且，可变电阻器VR1以能够输出200V、300V、400V的电压的方式来选择电阻器而并构成。

具体而言，如图5A、图5B所示，SW1和电阻器R1（29.4Ω）串联连接，此外，SW2和电阻器R2（15.4Ω）串联连接，SW1/R1和SW2/R2并联连接。将它们与固定电阻器适当组合，并与2个开关的导通/截止进行组合。由此，能够得到如下3个值的输出：在SW1＝截止且SW2＝截止的情况下得到197.8V即约200V的输出；在SW1＝导通且SW2＝截止的情况下得到299.8V即约300V的输出；在SW1＝截止且SW2＝导通的情况下得到392.6V即约400V的输出。

当然，也可以不限于此。图4的表内的中间电压具有3个值，但是也可以控制为具有更多的值而输出极细微的电压。例如，如图6A、图6B所示那样，在构成为具有5个开关时，能够进行32种（2⁵）的输出。在可变电阻器VR1采用上述结构的情况下，存储部44所具有的表能够具有32级的中间电压。

这些中间电压值也选择根据充电装置的电压转换特性而事先取得的整体效率最好的中间电压，由此，能够提供能够高效地转换电压的充电装置。

此外，充电装置1还可以具有取得2次电池3的目标电压的目标输出电压取得部43。目标输出电压取得部43从BMU（电池管理单元）45得到与充电装置的输出对应的目标值。BMU45输出与2次电池3的状态（充电量等）对应的目标值，在充电动作中2次电池3的状态逐渐变化，因而输出跟随该变化的最优的目标值。

控制部40从目标输出电压取得部43取得目标电压，并根据充电电压和目标电压驱动开关电路31，控制电力转换部30。根据以上方式，能够将与2次电池3的目标电压接近的充电电压提供给2次电池3。

参照图7，对充电装置1中的控制流程进行说明。另外，流程图中的步骤省略S来描述。在S100中，将充电装置1与商用交流电源2连接，开始充电。

首先，在S102中，目标输出电压取得部43从BMU45取得输出电压值，该输出电压值是对2次电池3进行充电的充电电压的目标值。接下来，在S104中，输入电压取得部41取得从交流电源输入部10输出的整流电压Vin。

在S106中，控制部40根据在S102中取得的目标充电电压和在S104中取得的整流电压，从存储在存储部44中的表中取得与该目标充电电压和整流电压相对应的中间电压的值，将该中间电压值确定为从功率因数校正部20输出的中间电压Vpfc_out。

在S108中，功率因数校正部20调节中间电压输出部24的可变电阻器VR1，使得功率因数校正部20输出的电压成为在S106中确定的中间电压Vpfc_out。

在S110中，功率因数校正部20的功率因数校正控制部22驱动功率因数校正开关电路21的开关元件Q，开始功率因数校正部20的动作。此处，在S112中，充电装置1等待来自功率因数校正部20的输出电压稳定所需的预定的时间（数百ms左右）。

在S114中，控制部40将时钟404的信号导入到锁存器403的设定端，驱动开关电路31，开始电力转换部30的功能。

在S116中，目标输出电压取得部43优选从BMU45取得输出电压值，该输出电压值是对2次电池3进行充电的充电电压的目标值。然后，在S118中，控制部40重新设定从目标输出电压取得部43得到的、与电力转换部30应输出的2次电池3的充电状态对应的最优的目标充电电压。

在S116中目标输出电压取得部43取得目标充电电压的情况下，在S122中，控制部40根据在S116中取得的目标充电电压和在S104中取得的整流电压，从存储在存储部44中的表中取得与该目标充电电压和整流电压相对应的中间电压，将该中间电压值重新确定为从功率因数校正部20输出的中间电压Vpfc_out。

在S116中目标输出电压取得部43未取得目标充电电压的情况下，在S120中，输出电压取得部42取得由电力转换部30输出的充电电压，以符合目标充电电压的值。在S122中，控制部40根据该充电电压和在S104中取得的整流电压，从存储在存储部44中的表中取得与该充电电压和整流电压相对应的中间电压，将该中间电压值重新确定为从功率因数校正部20输出的中间电压Vpfc_out。

在S124中，功率因数校正部20调节中间电压输出部24的可变电阻器VR1，使得功率因数校正部20输出的电压成为在S122中重新设定的中间电压Vpfc_out。

充电装置1反复S116～S124的步骤，直到2次电池3充满电为止（S126）。充电状态从BMU45取得。

在2次电池3充满电状态的情况下，控制部40停止开关电路31的驱动，停止电力转换部30的功能。

在S128中，功率因数校正控制部22停止功率因数校正开关电路21的开关元件Q的驱动，停止功率因数校正部20的动作。

然后，在S130中，充电装置1切断来自商用交流电源2的输入。

参照图8A，对输入电压取得部41如何取得整流电压Vin进行说明。在S202中，充电装置1与商用交流电源2连接。这样，在S204中，交流电源输入部10允许对商用交流电源2提供电力。

在S206中，商用交流电源2根据S204中得到的许可，开始对充电装置1提供电力。此时，在S208中，充电装置1设置计时（t）。

在S210中，输入电压取得部41取得交流电源输入部10输出的整流电压，并在S212中保持电压值的最大值。在计时（t）不足10ms的期间内，输入电压取得部41反复S210～S212。

此处，参照图8B进行说明。充电装置1从商用交流电源2接受的交流电压是包含虚线的波形，而从具有二极管桥的交流电源输入部10输出的整流电压是实线的波形。电压的最大值是正弦波形的顶点，只要在正弦波形的1/2周期以上进行采样，一定能得出。商用交流电源2通常是50或60Hz的交流，因此，如果将计时设为10ms，则一定能够取得最大电压值。因此，在使用具有其它频率的交流电源的情况下，可适当调整计时。

在S216中，输入电压取得部41根据在S212中保持的最大电压值，判别平均整流电压。平均电压值通常通过将最大电压值除以2的平方根来得到。

另外，本发明不限于例示的实施例，其能够基于不脱离权利要求范围的各项所记载的内容的范围的结构进行实施。

Claims

1.一种充电装置，其中，该充电装置具有：

交流电源输入部，其对交流电压进行整流，

功率因数校正部，其将所述交流电源输入部输出的整流电压转换为直流的中间电压；

电力转换部，其将所述功率因数校正部输出的所述中间电压变压为充电电压并提供给2次电池；

输入电压取得部，其取得所述交流电源输入部输出的所述整流电压；

输出电压取得部，其取得所述电力转换部输出的所述充电电压；

存储部，其存储所述整流电压、所述充电电压、以及与所述整流电压和所述充电电压相对应的目标中间电压；以及

控制部，其从所述输入电压取得部取得所述整流电压，从所述输出电压取得部取得所述充电电压，并且根据取得的所述整流电压和所述充电电压从所述存储部取得所述目标中间电压，控制所述功率因数校正部，使得输出的中间电压成为目标中间电压。

2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，

该充电装置还具有取得所述2次电池的目标电压的目标输出电压取得部，

所述控制部从所述目标输出电压取得部取得所述目标电压，并且根据所述充电电压和所述目标电压控制所述电力转换部。