JP2011009985A - 車両用充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電器が稼働中でも、PLC通信信号と干渉する周波数帯のノイズを抑制することができ、車載のＰＬＣ端末が宅内のＰＬＣ端末と通信を行うことができる車両用充電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】車両側システム１の雑音信号抑制回路１０は、商用電源側のコンセント３と充電器２０の間に設けられ、充電器２０が充電中に発生するコモンモードノイズを除去する第一の回路と、ノーマルモードノイズを除去する第二の回路から構成されることにより、商用電源側へノイズを漏洩させにくくする。
【選択図】図1

Description

本発明は、車載充電器が発生するノイズが電力線へ漏洩することを低減する雑音信号抑制回路を設けた車両用充電装置に関する。

世界各国において様々な場所に電力供給を目的とした電力線が整備されている。近年では、この電力線を伝送路に用いた電力線搬送通信（Power Line Communication）が様々な状況で利用されている。電力線搬送通信（以下PLCと略す）は、既存の電力線網を利用した通信技術であり、日本国においては50Hzもしくは60Hzの交流電力に通信信号を重畳することで、電力線が敷設されてある場所であれば、双方向通信が可能になるものである。

PLCにはいくつかの方式が存在するが、HD-PLC規格では2MHzから30MHzまでの周波数帯域の信号を電力線に重畳することで、高速通信を可能にしている。また、HD-PLC規格では、WaveletOFDM方式により、サージノイズのようなパルスノイズが特定帯域に発生した場合であっても、ノイズの低い周波数帯域の信号を通信に用いることで、一定以上の通信品質を保つことが可能になっている。

また、PLC信号は同一電力線上であれば、ある程度のパワーが減衰しても通信可能のため、家庭内の電力線コンセント各々にPLC端末を設置し通信信号を取得することで、家庭内LANなどが簡単に構築できる。しかしある程度のパワーが減衰しても通信可能であるということは、宅内のPLC通信信号が電力線網を経由して宅外で傍受されることや、宅外のPLC信号と混信・干渉することが十分考えられる。そのため、宅外へ漏洩させないために、宅内配電盤と屋外電力線変圧器との間にPLC通信信号帯域の信号を減衰させるブロッキングフィルタを設けることが考えられ、ブロッキングフィルタを設けることで宅外への信号漏洩を防止することを可能にしている（特許文献１および特許文献２参照）。一般的にブロッキングフィルタは、PLC通信の帯域である2MHzから30MHzの信号を減衰させる回路から構成されている。

一方、プラグインハイブリッド車や電気自動車が次々に市場投入されており、自動車の電動化への機運が高まっている。ガソリンに代わる動力源として電気自動車には充電が必要であり、家庭用電源からの給電システムも開発されてきている。一般家庭において電気自動車やプラグインハイブリッド車に充電を行うときは、家庭用電源と自動車を有線で接続し給電を行うのであるが、電力給電を行う宅内側にPLCの通信信号を送受できる端末がある場合、車両にもPLCの通信信号を送受できる端末を搭載することで、車両充電中に宅内と車両とで通信の授受を行うことが原理的には可能になる。

車両と宅内とのPLCを利用した通信例としては、宅内側から音楽や映画などのコンテンツを充電ケーブルで接続された電力線を介して車両内のカーナビゲーションシステムなどに送信することや、車両の走行履歴やカーメンテナンス情報を宅内のテレビモニタなどに送信し表示させることなどが考えられる。

特許第3368393号公報 特開2008-48362号公報

一般的な充電器は日本国においては１００Vの商用電源を整流し、充電先の機器に適した電圧に昇降圧させる機能を持つものである。交流を直流に整流する、１００Vの電圧を所望の電圧に昇降圧するためには、スイッチング回路が適しており、充電器の多くはスイッチング回路を含んだ構成になっている。

しかしスイッチング回路は、商用交流電力を適切な電圧の直流で出力する際に、交流電力周波数よりも高い周波数で回路のON/OFFを切り替えることで高効率な変換を実現しているのであるが、その際に非常に広い周波数帯域のノイズを発生させてしまう。このような高速スイッチングによる電圧変化のための発生ノイズをノーマルモードノイズと呼ぶ。

また、回路の金属部の接地が不十分である場合などには大地の間に浮遊容量が形成され、この浮遊容量を介して電流経路が形成される。この大地間のループを流れるノイズをコモンモードノイズと呼ぶ。充電器と接続される電力線には交流電力の周波数よりも高い周波数帯域に渡ってノーマルモードノイズおよびコモンモードノイズが一緒に伝送されてしまうという問題があり、特に車両用充電器など接地がされにくい高出力充電器では、回路から発生するノイズも強くかつ広い周波数に渡ることが懸念される。

またHD-PLC規格が採用するWaveletOFDM方式は、通信帯域を細かく分け、ノイズの少ない帯域を選択利用することで一定の通信品質（速度）を確保するが、通信帯域全体に渡ってノイズレベルが高い場合には、通信確立ができないという課題がある。

したがって、車両用充電器で車両充電池へ充電をしながら、同じ電源線に接続された車両PLC端末と宅内PLC端末とのPLC通信は、PLC通信帯域全域に渡ってノイズレベルが非常に高いため、通信確立が出来ないという大きな課題がある。

図６は、電気自動車へ充電中の充電器充電ケーブルの電源端ノイズを周波数0〜30MHzの範囲で測定した結果１１０であるが、非充電時１１１と比較しておよそ60dBμV程度ノイズレベルが高く（図６（a）参照）、この状態ではHD-PLC通信のリンクが確立できないことが確認された。

さらにPLCの利用時において、他の無線機器の使用干渉を防ぐために漏洩輻射の要因となるPLC利用によるコモンモード電流値が規制されている。一方充電器は、充電器内回路の不平衡や接地の不備などにより、コモンモード電流の発生源となり得る。そのため、充電中のPLC利用においては、電力線内にコモンモード電流が流れることが考えられ、コモンモード電流を抑制する必要がある。実際に、電気自動車への充電中充電ケーブルのコモンモード電流を測定したところ、PLCの屋内利用規制値を上回る値が計測された。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、PLC通信信号と干渉する周波数帯のノイズを抑制するための雑音信号抑制回路を設けた車両用充電装置を提供することを目的とする。

本発明は、コモンモードノイズを除去する第一の回路とノーマルモードノイズを除去する第二の回路を有し、充電中に発生するノイズを除去する雑音信号抑制回路を備えるものである。

このような車両用充電装置は、充電器と商用電源側のコンセントの間に設けた雑音信号抑制回路が、充電器で発生するノイズを第一および第二の回路で除去するので、商用電力
線側へ、充電器起因の2MHzから30MHzまでの周波数帯域のノイズを漏洩させにくくできる。このとき、同一電力線ネットワーク上に設置されるPLC端末の通信帯域つまり2MHzから30MHzまでのノイズレベルが低下するため、充電器が稼働中であっても車両側と宅内側のPLC通信が可能となり、2MHzから30MHzまでの周波数帯域のコモンモード電流についても、電力線へ漏洩しにくくなるため、漏洩電界強度を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る雑音信号抑制回路を設けた車両用充電装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１に係る雑音信号抑制回路を示す回路図 本発明の実施の形態２に係る雑音信号抑制回路を設けた車両用充電装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２に係る雑音信号抑制回路を設けた充電器の構成を示す回路図 車両用充電器に雑音信号抑制回路を接続し、稼動させた場合の電力線雑音端子電圧（ノイズ）の測定値を示す図 車両用充電器による車両充電池への充電中の電力線雑音端子電圧（ノイズ）の測定値を示す図

以下、本発明に係る車両用充電装置の実施例について図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図1は、本発明の実施の形態１に係る雑音信号抑制回路を設けた車両用充電装置の構成を示すブロック図である。車両側システム１の構成であるが、車両に搭載される充電器２０は、車両充電器電力蓄積消費部３０に接続される。車両充電器電力消費部３０は、電池ＥＣＵ３１が制御するリレースイッチ３９とメインバッテリー３２、メインバッテリー３２に接続される駆動モーター３３、電装品ＥＣＵ３４が制御する電装品バッテリー３５、カーナビゲーションシステム３６、ETC(Electronic Toll Collection System)システム３７、カーライト３８ から構成され、電力を消費している。

充電器２０はメインバッテリー３２及び電装品バッテリー３４と接続されていない側、つまり商用電源入力側に雑音信号抑制回路１０を接続し、充電器２０側で発生する雑音信号の商用電源側への漏洩を抑制する。

また、商用電源側のソケットコンセント３にはPLC通信端末４が接続される。充電ケーブル５のソケットコンセント2つにそれぞれPLC通信端末５と雑音信号抑制回路１０が接続され、充電時には宅内などのソケットコンセント４３と接続して充電が開始される。PLC通信端末４は、通信線６にて電池ECU３１および電装品ECU３４に接続される。接続通信線６は、RS232C（シリアル通信）線やLANケーブルなどが想定される。

宅内側システム４０の構成は、外部送電線変圧器４１を経由し配信される商用電力を、配電盤４２を介して宅内中に電力線網が張り巡らされ、いくつかの箇所で電力線ソケットコンセント４３、４４によって接続口が提供される。宅内向けPLC端末４５、ＰＣ４６、テレビ４７、ドアホン４８などがこれらソケット４４から電力を供給され、また通信線によってPLC端末４５とPC４６、宅内PLC端末４５がそれぞれテレビ４７、ドアホン４８と接続される。接続通信線にはLANケーブルなどを利用する。

次に、本実施の形態１の車両用充電装置の動作について説明する。

充電ケーブル５がソケット４３に接続されると、電池ECU３１がメインバッテリー３２
のバッテリー残容量から充電の可否を判定し充電器２０に対してON/OFF制御を行う。充電ONの場合、充電器２０はメインバッテリー３２へ充電出力を開始し、同時に電池ECU３１は充電器２０とメインバッテリー３２の間にあるリレースイッチ３９をONにすることで充電が開始される。

一方、同じ電力線に接続されたPLC端末４も、宅内のPLC端末４５と通信を開始する。通信開始前に、車載PLC端末４はビーコン信号を発信し、宅内のPLC端末４５がこのビーコン信号を受信し、認証および通信優先度判断を行い、認証OKの段階で通信が開始される。なおビーコン信号を用いるPLCシステム内の調整についてはPLC端末のメーカーマター範疇であるため、上記ビーコン信号の端末間のやりとり以外の方法で通信を開始する場合もある。

図５は、車両用充電器を稼動させた場合の電力線雑音端子電圧の測定値１１０であり、非充電時１１１と比して2〜30MHz帯域においてはおよそ50〜60dBμV程度ノイズレベルが大きくなっていることがわかる（図５（a）参照）。このようにPLC通信帯域全体に渡りノイズレベルが高い場合は、PLC通信が確立できないため、通信が実行できない。

そこで、図1のように雑音信号抑制回路１０を充電器２０と商用電源側のコンセント５の間に挿入すると、充電器２０が発するノーマルモードノイズ、コモンモードノイズが雑音信号抑制回路１０によって除去され、電力線に漏洩するノイズレベルを低減できる。

図２は、雑音信号抑制回路１０の回路図である。雑音信号抑制回路１０は、第一の回路８０と第二の回路８１およびコンデンサの放電対策として設置される抵抗器６０から構成される。第一の回路８０は、コモンモードチョークコイル６１と2つのYコンデンサ６２から構成されており、本回路８０は異方向に流れる電流(端子aから端子b、端子cから端子dへ流れる電流：ノーマルモード電流)に対してはコモンモードチョークコイル６１に発生する磁束が互いに打ち消しあうため、何も作用しない。しかし、同方向に流れる電流（端子aから端子b、端子dから端子cへ流れる電流：コモンモード電流）に対してはコモンモードチョークコイル６１に発生する磁束が強め合うため、大きなインピーダンスが発生しインダクタとして機能する。そのため、同方向に流れるコモンモードノイズの除去に効果がある。また、Yコンデンサ６２も2つのコンデンサの中間が接地されているため、大地間ループを形成するコモンモードノイズのバイパス効果が得られ、結果として、コモンモードノイズの低減に効果のある回路となる。例えば4700pFのコンデンサをYコンデンサ６２として用いると、回路のインピーダンスを50Ωとした場合、カットオフ周波数がおよそ0.67MHzのローパスフィルタとして機能するため、周波数0.67MHz以上のコモンモードノイズを除去できる。

第二の回路８１は、2つのXコンデンサ６３から構成されている。第二の回路８１は高周波信号に対しXコンデンサ６３がバイパスの役目を果たす効果があり、主にノーマルモードノイズの除去に効果がある回路となる。例えば0.22μFのコンデンサをXコンデンサ６３として用いると、回路のインピーダンスを50Ωとした場合カットオフ周波数がおよそ16KHzのローパスフィルタとして機能するため、周波数16KHz以上のノーマルモードノイズを低減できる。また、2つ目のXコンデンサ６３を別容量の素子に変えた場合は、異なるフィルタ特性の掛け合わせ効果が期待できるため、ノーマルモードノイズを更に低減することができる。

第一の回路８０または第二の回路８１単体でも、ノイズ除去の効果は多少得られるが、既述のように充電器２０などの負荷装置では、発生するノイズはノーマルモードノイズとコモンモードノイズ両者のため、ノーマルモードノイズまたはコモンモードノイズのみ除去できたとしても、ノイズ対策として不十分である。

しかし、図2で表わした本発明の雑音信号抑制回路１０では、第一の回路８０と第二の回路８１を組み合わせているため、ノーマルモードノイズとコモンモードノイズにも強い低減効果を持つ。

コモンモードチョークコイル６１は通常、フェライトコアなどの円形磁性体に巻線をほどこしたものであり、同方向に巻線をした2つのコイルを合わせた形状である。つまりラインチョークコイルを2つ利用することで等価回路となるので、ラインチョークコイルを用いても良い。また、第一の回路８０はコモンモードノイズを低減するため、電力線へのコモン電流漏洩低減効果を有し、漏洩電界強度の低減に繋がる。なお、本回路図は雑音信号除去装置１０の一例であり、コンデンサ、コモンモードチョークコイルを少なくとも1つずつ含む回路であって、例えば抵抗器とコンデンサからなるスナバ回路やチップビーズなどノイズを低減する回路、素子を含んでいても良く、同様の機能を有するものであれば本回路図の構成に限定するものではない。

本実施の形態１で説明したように、雑音信号抑制回路１０は高ノイズ発生負荷装置の一つである充電器２０を稼動させた場合に発生するノイズを低減し、同一の電力線網を利用する宅内側と車両側のPLC通信を行うことができるという効果が得られる。

図５は、図１の構成のように車両用充電器２０に雑音信号抑制回路１０を接続し稼動させた場合の電力線雑音端子電圧の測定値１１２であり、雑音信号抑制回路１０を接続していない場合と比して2〜30MHz帯域においてはおよそ40〜50dBμV程度ノイズレベルが低減していることがわかる（図５（b）参照）。

また、上記実施の形態１では、負荷装置として充電器２０を例に挙げて説明を行ったが、ノイズの発生源となる負荷装置であれば充電器２０でなくても雑音信号除去回路１０を接続することにより同様の効果が得られる。例えば、冷蔵庫、エアコン、照明器具などは高ノイズ発生源負荷装置として知られているが、これら負荷装置と同一の電力線網でPLC通信を行う場合には、雑音信号抑制回路１０によるノイズ低減効果が得られる。

以上のように、雑音信号抑制回路１０をノイズ発生源となる充電器２０をはじめとする負荷装置と電力線との間に接続することにより、電力線へ漏洩するノイズが低減できるため、同一電力線に接続する車両側１のPLC端末４と宅内側のＰＬＣ端末４５で通信を行うことができるという効果が得られる。また、コモンモードノイズの低減効果により、負荷装置起因の放射電界強度を抑えられるという効果も得られる。

さらに、雑音信号抑制回路１０内の第一の回路８０および第二の回路８１を構成するコモンモードチョークコイル６１のインダクタンス及びYコンデンサ６２、Xコンデンサ６３の電気容量の組み合わせにより、低減できるノイズの周波数範囲を変更することができる。負荷稼働とPLC通信を両立させるためには、2MHzから30MHzまでの周波数帯域ノイズを低減できるように雑音信号抑制回路１０を構成する回路素子を選択すれば良いが、よりノイズ低減を徹底するために、交流電力周波数以上の帯域のノイズを低減させる回路素子を選択することで、例えばカットオフ周波数を1KHzとした場合には1KHz以上の帯域のノイズの低減効果が大きくなる。また、電力線への漏洩ノイズによりPLC通信のリンク確立ができないことを回避する目的で、PLC通信のビーコン信号に使われる帯域周波数にノッチを入れるために、自己共振周波数がノッチ周波数と一致するコンデンサなどの回路素子を選択しても良い。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る雑音信号抑制回路を備えた車両用充電装置のブロック図であり、図１における雑音信号抑制回路１０と充電器２０以外の構成は同じである
ため、図１と同じ構成要素の説明は省略する。図３の充電器９０の構成について、図４を用いて説明する。

図４は雑音信号抑制回路１００を含んだ充電器９０の構成ブロック図である。この充電器９０は、AC電力をDCへ整流する整流平滑回路９１、整流・平滑回路９１からの信号を入力し、高速にON/OFF制御することにより高効率な電圧変換を行うスイッチング回路９２、スイッチング回路９２からの信号を入力し、所定の電圧へ昇降圧する変圧回路９３、変圧回路９３からの信号を入力し、所望のDC電圧をさらに平滑化する平滑回路９４、平滑回路９４の出力電圧値からスイッチング回路９２のON/OFFタイミングを制御する制御回路９５から構成され、スイッチングレギュレータ方式を採用している。また、雑音信号抑制回路１００を整流平滑回路９１の前段に挿入しており、AC入力側へのノイズ漏洩の低減を図っている。

次に、本実施の形態２の車両用充電装置の動作を説明する。

スイッチングレギュレータ方式充電器９０は、AC電力をDCへ変換する整流平滑回路９１と高速にON/OFF切り替えを実行するスイッチング回路９２にて、高周波のノイズが発生しやすく、また高電圧を扱う充電器では特にそのノイズレベルが大きくなるため、充電器を稼動させながらPLC通信を行うためには対策が必要となる。

整流平滑回路９１の前段の雑音信号抑制回路１００によって充電器９０へのノイズの侵入および充電器９０外への流出を低減する。ノーマルノイズはXコンデンサ７３が、コモンモードノイズはコモンチョークコイル７１及びYコンデンサ７２が低減する。この回路構成により、充電器９０内で発生するPLC通信周波数帯域と干渉するノイズは大幅に抑制され、接続される電力線への漏洩を低減することができる。

さらに電力線へ漏洩するコモンモード電流についても低減されているため、放射電界強度レベルも低下し、外部の同一無線周波数帯を利用する機器との干渉も防げるという効果がある。

なお、図４で示した充電器回路は一例であり、例えばシリーズ方式の充電器回路であっても、Xコンデンサ、Yコンデンサ、コモンモードチョークコイルを同様に設定することで同様の効果が得られ、また変圧後の電力出力側へさらに雑音信号抑制回路１００を挿入し、変圧電力出力側からのノイズ進入およびノイズ漏洩を防ぐ構成であっても良い。

本発明に係る車両用充電装置は、雑音信号抑制回路がノイズを除去するので、充電器が稼働中でも車両のＰＬＣ端末が通信を行うことができ、車両に搭載される車両用充電装置に適用される。

１ 車両側システム
４ ＰＬＣ端末
５ 充電ケーブル
１０ 雑音信号抑制回路
２０、９０ 充電器
３２ メインバッテリー
１００ 雑音信号抑制回路

Claims (2)

1. 充放電する車両用の電池と、
   この電池と電気的に接続する充電器と、
   宅内のＰＬＣ端末と通信する車載ＰＬＣ端末を接続する商用電源側のコンセントと、
   一方を前記充電器、他方を前記商用電源側のコンセントと接続する雑音信号抑制回路とを備え、
   この雑音信号抑制回路は、コモンノードノイズを除去する第一の回路とノーマルモードノイズを除去する第二の回路を有し、充電中に発生するノイズを除去する車両用充電装置。
2. 充放電する車両用の電池と、
   宅内のＰＬＣ端末と通信する車載ＰＬＣ端末を接続する商用電源側のコンセントと、
   一方を充電回路、他方を前記商用電源側のコンセントと接続する雑音信号抑制回路を設け、前記電池を充電する充電器とを備え、
   前記雑音信号抑制回路は、コモンノードノイズを除去する第一の回路とノーマルモードノイズを除去する第二の回路を有し、充電中に発生するノイズを除去する車両用充電装置。