JP2016025668A - 車載充電器及び車載充電器の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外部の交流電源(7)の出力電圧又は出力電流を、ノイズ除去用の交流電源用フィルタ(2)を介してセンサ(3)により検出し、交流電源用フィルタ(2)の内部容量成分と車載充電器内部及び交流電源(7)側を含めたインダクタンス成分とで決まる共振周波数(f0)を含む制御応答性の低い周波数帯のゲインを帯域除去フィルタ(6)により抑制し、交流電源(7)の電力を交流電源用フィルタ(2)を介して外部の高圧バッテリ(16)へ供給する電力変換器(4)を、演算装置(5)が帯域除去フィルタ(6)の出力に基づいてスイッチング制御する。
【選択図】図1
Description
f0=1/√(2πLQC) ・・・式(1)
この共振周波数f0が、車載充電器の位相余裕やゲイン余裕の低い周波数域に存在すると、入力電流が上記共振周波数f0で振動し、車載充電器の充電動作が不安定となる問題があった。
また、電圧センサ、電流センサ出力に設けた低域通過フィルタのカットオフ周波数を低域に設定すると耐ノイズ性については向上するものの、電圧・電流の観測遅れが生じ、充電器動作の応答性も悪化してしまう。
まず、本発明に係る車載充電器の各実施の形態に共通の構成が図1に示されており、図中、この車載充電器1は、交流電源用フィルタ2と、この交流電源用フィルタ2を介して交流電源7の電流及び電圧をそれぞれ監視する交流電源監視用センサ3a、3b(以下、符号3で総称することがある。)と、交流電源用フィルタ2から出力電力を変換する電力変換器4と、この電力変換器4を制御する演算装置5と、センサ3a,3bの出力に対する帯域除去を行って演算装置5のA/Dポートに与える帯域除去フィルタ6a,6b(以下、符号6で総称することがある。)とで構成されている。交流電源用フィルタ2は、外部の交流電源7にコイル8を経由して接続されており、電力変換器4は外部の高圧バッテリ16などに接続されている。なお、交流電源監視用センサ3及び帯域除去フィルタ6は少なくとも1つ設けられるものである。
以下に述べる実施の形態1〜3は、特に帯域除去フィルタに関するものである。
電力変換器4は、交流電源7から交流用フィルタ2を介して供給されるエネルギーを直流電力に変換して高圧バッテリ16に電力伝達するとともに、漏電や感電等を防ぐための安全上の観点から交流電源側と高圧バッテリ16側とを絶縁させる機能を有する。
帯域除去フィルタ6は、センサ3出力と演算装置5のA/Dポートとの間に抵抗とコンデンサから成る低域通過フィルタと高域通過フィルタの並列回路で構成される。
そこで、図2(2)で示すような特性の帯域除去フィルタを用いて、共振周波数f0でゲインを抑制するように帯域除去フィルタ6の通過阻止帯域を決める。また、部品のコストやサイズの観点からチッブ部品で構成する。
この絶縁方式には様々な形態があるが、内部でAD/DA変換やDA/AD変換などの信号処理を実施するICが多く、このような影響もあり、数μsオーダーの遅延時間が生じてしまい、これが位相遅れとなり、結果として充電器システム全体としての位相余裕、ゲイン余裕を減らす一要因となっている。
AC/DCコンバータ14は、交流電源7を直流に変換するための変換器で、PFCコイル、ダイオード、及び半導体スイッチ素子(例えば、MOSFETやIGBT)などから構成される。電源トポロジーとしては、一石型方式、セミブリッジ方式、インターリーブ方式、DCリンクFCC方式などの回路構成があり、スイッチング方式も様々な種類がある。
すなわち、交流電源監視用センサ3によって検出された交流電源7の電圧値或いは電流値が、実際の商用周波数(50/60Hz)の場合の電圧値或いは電流値とずれていた場合、力率が悪化してしまうが、交流電源監視用センサ3の出力に、既知の遅延時間から算出されるオフセット値を加減することでほぼ遅延時間の無い交流電源の電圧値・電流値が得られる。これによって商用周波数帯の観測遅れが解消され、力率改善、制御性の向上が図れる。
また、これらの対策は抵抗、コンデンサなどチップ部品で実現できるので、交流電源用フィルタやPFCコイルなどの大電流の流れる部品サイズを大きくせずに簡単な構成で対策が実現できる。
さらに、これらの部品サイズの小型できるので製品サイズも小型化できる。また、製品の体積重量も下がり、結果として材料費が下がるので製品単価を抑えることができる。
上記の帯域除去フィルタ6を、本実施の形態2として図4に示すように、ノッチフィルタとしても良い。ここでは、RLPF、CLPFから成るT型低域通過フィルタ(LPF)と、CHPF、RHPFから成るT型高域通過フィルタ(HPF)とが並列接続されたツインT型ノッチフィルタで2段構成してもよい。
また、図4のノッチフィルタはツインT型ノッチフィルタを2段直列接続する構成としたが、段数については上述のとおり2段以上設けてもよい。Q値の高いノッチフィルタを複数段設けることで周波数に対する減衰特性を急峻に且つ通過阻止帯域を広げることができる。
また、交流電源を電圧或いは電流を監視するセンサ3の観測遅れを低減できるので、安定した制御特性を確保できる。
さらには、図6に示すように、ノッチフィルタを能動フィルタで構成しても良い。
ここで、その効果の一例を図7及び図8に示す。
図7(1)及び(2)は、それぞれ、従来の車載充電器システム系のゲイン及び位相特性(実機データ)を示し、前述のように図7(1)は、図2(1)のシミュレーション図に対応している。図8(1)及び(2)は、それぞれ、本発明による車載充電器システム系のゲイン及び位相特性(実機データ)を示す。なお、ここで用いたフィルタ構成は、ツインT型ノッチ能動フィルタを2段直列接続させた構成である。
また、電圧及び電流のセンシング機能と制御性の向上を目的とした位相補償機能を兼ねる構成とした場合においても、共振ピークが発生し得る周波数帯域のみセンサ3の出力から取り除くので電圧及び電流の誤差は少なくて済む。
図9は、図1に示した車載充電器1における帯域除去フィルタ6の実施の形態3を示したものである。すなわち、図示のように上記実施の形態1の帯域除去フィルタ、又は実施の形態2の帯域除去フィルタ(ノッチフィルタ)として帯域除去フィルタ6c,6dが並列に配置されており、これらの一方の出力を選択して演算装置5のA/Dポートに与える帯域除去フィルタ経路切換部25を設ける。
ΔV=LPFC*Δi/Δt ・・・式(2)
しかしながら、実際の交流電源7の側には、柱上トランスや配線長などによりインダクタンス成分Lmが存在する。また、そのLmに直列に接続される車載充電器内部のPFCコイルやCMCコイルのインダクタンス成分Lbが存在するので次式となる。
=(Lm+Lb)*Δi/Δt
≒(Lm+LPFC)*Δi/Δt
・・・・・・・・式(3)
加えて、車載充電器1が始動した際に複数回連続して電流閾値を超えたことを前記演算装置が検出した場合に、充電動作を停止する構成としても良い。
これによって、前記パラメータを充電器が接続する交流電源環境に合わせて充電システムを構築できる。
ここで、図11に示すように、帯域除去フィルタ6に加えて、センサ3の出力と演算装置5のA/Dポートとの間に少なくとも1段以上直列に位相補償回路17を備えた構成も可能である。この位相補償回路17の挿入箇所としては、帯域除去フィルタ6(ノッチフィルタ)の前段又は後段いずれでもよい。
Claims (11)
- 外部の交流電源に接続されたノイズ除去用の交流電源用フィルタと、
前記交流電源の出力電圧又は出力電流を、前記交流電源用フィルタの後段で検出する交流電源監視用センサと、
前記交流電源の電力を前記交流電源用フィルタを介して外部の高圧バッテリへ供給する電力変換器と、
前記交流電源監視用センサに接続され、前記交流電源用フィルタの内部容量成分と車載充電器内部及び前記交流電源側を含めたインダクタンス成分とで決まる共振周波数を含む制御応答性の低い周波数帯のゲインを抑制する帯域除去フィルタと、
前記帯域除去フィルタの出力に基づき前記電力変換器をスイッチング制御する演算装置とを備えた
車載充電器。 - 前記演算装置は、前記交流電源用フィルタ及び前記帯域除去フィルタにより発生する予め既知の遅延時間に基づいて前記交流電源監視用センサ出力を補正する
請求項1に記載の車載充電器。 - 前記帯域除去フィルタは、低域通過フィルタと高域通過フィルタとが並列接続され、前記低域通過フィルタ及び前記高域通過フィルタの各々のカットオフ周波数で形成されるノッチ周波数を有するノッチフィルタである
請求項1に記載の車載充電器。 - 前記帯域除去フィルタが少なくとも2段直列に設けられており、それぞれのノッチ周波数が互いにずらされていることで合成される帯域阻止領域が、前記共振周波数を含む制御応答性の低い周波数帯のゲインを抑制するよう設定されている
請求項3に記載の車載充電器。 - 前記帯域除去フィルタがオペアンプを用いた能動フィルタである
請求項4に記載の車載充電器。 - 前記帯域除去フィルタが、前記車載充電器の接続環境に応じて互いにノッチ周波数が異なる複数個の帯域除去フィルタを含み、その内のいずれか一方の出力を選択して前記演算装置に与える帯域除去フィルタ経路切換部をさらに設け、
前記演算装置は、前記交流電源監視用センサの出力から前記インダクタンス成分を推定し、その推定したインダクタンス成分に基づき、対応するノッチ周波数の前記帯域除去フィルタを選択するように前記帯域除去フィルタ経路切換部を制御する
請求項3又は4に記載の車載充電器。 - 前記演算装置は、前記交流電源監視用センサの出力に基づき、前記インダクタンス成分を推定する代わりに、前記車載充電器が始動した際に予め定めた電流閾値を超えたことを検出したとき、前記帯域除去フィルタ経路切換部を制御していずれかの帯域除去フィルタを選択する
請求項6に記載の車載充電器。 - 前記車載充電器が始動した際に複数回連続して電流閾値を超えたことを前記演算装置が検出したとき、充電動作を停止させる充電動作停止部をさらに備えた
請求項7に記載の車載充電器。 - 前記電力変換器のスイッチング制御量である充電システム制御で設定されるパラメータを切り換える制御量切換部をさらに備えた
請求項6から8のいずれか1項に記載の車載充電器。 - 前記交流電源監視用センサと前記帯域除去フィルタとの間、又は前記帯域除去フィルタと前記演算装置との間に位相補償回路を設け、
この位相補償回路は、2つの抵抗で分圧する分圧抵抗であって前記分圧抵抗のうち入力側の抵抗にコンデンサが並列接続されたものと、前記分圧抵抗のうちの出力側の抵抗の分圧電圧を入力するオペアンプ及びゲイン抵抗を有する非反転増幅器とで構成され、前記非反転増幅器の利得が前記分圧抵抗の分圧比の逆数に設定されている
請求項1に記載の車載充電器。 - 外部の交流電源の出力電圧又は出力電流をノイズ除去用の交流電源用フィルタを介してセンサにより検出するステップと、
前記交流電源用フィルタの内部容量成分と車載充電器内部及び前記交流電源側を含めたインダクタンス成分とで決まる共振周波数を含む制御応答性の低い周波数帯のゲインを帯域除去フィルタにより抑制するステップと、
前記交流電源の電力を前記交流電源用フィルタを介して外部の高圧バッテリへ供給する電力変換器を、演算装置が前記帯域除去フィルタの出力に基づきスイッチング制御するステップとを備えた
車載充電器の制御方法。
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