JP5457418B2 - 充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されたバッテリを充電する場合に適用して好ましい充電装置に関するものである。

筐体の表示窓の背後の内側及び／又は操作盤の背後に、電源バッテリに対して電力を供給する電力供給系を含む電気回路を備えた充電装置が知られている（特許文献１の段落００１７及び図３，４参照）。

特開平１１−２６６５０９号公報

しかしながら、上記従来の充電装置では電力変換機器の間の配線長については何ら考慮されていない。したがって、三相交流電力を直流電力に変換する際に配線長が均等でないとノイズや配線間のインダクタンス等々、各相の電気的特性の不均衡が生じて電力変換効率が低下するおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、電力変換効率を高めることができる充電装置を提供することである。

本発明は、充電装置の筐体を構成するコアフレームに、電源ブレーカ、電力変換回路、整流回路及び電圧変換回路をこの順序で前記コアフレームの上部から下部に向かって実装することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、充電装置の理論回路と実回路との各電力の流れがほぼ等しくなるので、電力変換効率を高めることができる。

本発明の一実施の形態を適用した充電システムを示す電気回路図である。 図１の充電システムを構成する機器とその電力の流れを示すブロック図である。 図２の充電装置を構成する電力変換機器のコアフレームへの装着構造を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る充電装置の筐体を示す全体斜視図である。 図４の筐体を分解して示す斜視図である。 図４のVI-VI線に沿う断面図である。 図５のアウタハウジングを背面側から見た分解斜視図である。 図５のVIII-VIII部を拡大して示す斜視図である。 図５のIX-IX部を拡大して示す斜視図である。 図５のコアフレームにヒートシンクを取り付けた状態を示す斜視図である。 図５のコアフレームに電力変換機器を実装した状態を正面側から示す斜視図である。 図５のコアフレームに電力変換機器を実装した状態を背面側から示す斜視図である。 図６のXII-XII線に沿う断面図である。

《充電システム１の概要》
最初に本発明の一実施の形態を適用した充電システムの概要について図１を参照して説明する。本例の充電システム１は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載された二次電池６を充電する場合に適用されるものであって、三相交流電源２から供給される三相交流電力を電力変換回路３により単相交流電力に直接変換し、これをトランス４により適宜の電圧に昇圧又は降圧させたのち、整流器５により直流電力に変換して二次電池６を充電するシステムである。なお、７は平滑回路、１１は三相交流電源２を入切する電源ブレーカ、１２は充電ガンである。

本例の充電システム１において、三相交流電源２から三相交流電力が供給される出力線（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相で示す）の各相には、ノイズ対策として高調波を減衰させるフィルタ回路８が設けられている。本例のフィルタ回路８は、各相Ｒ，Ｓ，Ｔに接続された３つのフィルタリアクトル８１と、各相Ｒ，Ｓ，Ｔの間に接続された６つのフィルタコンデンサ８２Ｌ，８２Ｒとを備える。フィルタコンデンサ８２Ｌ，８２Ｒは、たとえば６つのフィルタコンデンサ８２１〜８３６で構成される。

本例の充電システム１において、フィルタ回路８を経由して三相交流電力が電力変換回路３に供給され、単相交流電力に変換される。本例の電力変換回路３は、Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相に対応してマトリックス状に配列された６つの双方向スイッチング素子３１（３１１〜３１６）を備え、マトリックスコンバータとも称される。以下、一つの双方向スイッチング素子を総称する場合は符号３１を用いて説明する一方、図１に示すように６つの双方向スイッチング素子のうちの特定の素子を示す場合は３１１〜３１６を用いて説明する。

本例の双方向スイッチング素子３１のそれぞれは、半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴを還流ダイオードと組み合わせて逆並列に接続したＩＧＢＴモジュールで構成されている。なお、一つの双方向スイッチング素子３１の構成は、図示するものに限定されず、これ以外にもたとえば逆阻止型ＩＧＢＴの２素子を逆並列に接続した構成であってもよい。

双方向スイッチング素子３１のそれぞれには、当該双方向スイッチング素子３１のＯＮ／ＯＦＦ動作にともない発生するサージ電圧から当該双方向スイッチング素子３１を保護するために、双方向スイッチング素子３１の入力側及び出力側に１つのスナバコンデンサ３２７（同図の右下の回路図参照）と３つのダイオードを組み合わせたスナバ回路３２（３２１〜３２６）が設けられている。以下、一つのスナバ回路を総称する場合は符号３２を用い、図１に示すように６つのスナバ回路のうち特定のスナバ回路を示す場合は３２１〜３２６を用いる。

本例の充電システム１は、電力変換回路３の双方向スイッチング素子３１のそれぞれをＯＮ／ＯＦＦ制御するためにマトリックスコンバータ制御回路９を備える。マトリックスコンバータ制御回路９は、三相交流電源２から供給される電圧値、現在出力中の直流電流値及び目標電流指令値を入力し、これらに基づいて双方向スイッチング素子３１のそれぞれのゲート信号を制御し、トランス４へ出力する単相交流電力を調整することで、目標と一致する直流電力を得る。

トランス４は、電力変換回路３で変換された単相交流電力の電圧を所定値に昇圧又は降圧する。整流器５はたとえば４つの整流ダイオード５１〜５４を備え、調圧された単相交流電力を直流電力に変換する。また、平滑回路７はコイル７１とコンデンサ７２とを備え、整流された直流電流に含まれる脈流をより直流に近い状態に平滑化する。充電ガン１２は、平滑回路７で平滑化された直流電力を充電すべき自動車の充電インレット（不図示）に接続し、ここから電力を供給する。

以上のように構成された本例の充電システム１により、図２に示すように、三相交流電源２から供給される三相交流電力は、電源ブレーカ１１及びフィルタリアクトル８１を介して電力変換回路３に供給され、マトリックスコンバータ制御回路９が電力変換回路３を制御することにより単相交流電力に直接変換され、さらにトランス４によって適宜の電圧に調圧されたのち整流器５によって直流電力に変換される。そして、平滑回路７によって平滑化された直流電力は充電ガン１２を介して二次電池６に供給され、これにより二次電池６が充電される。なお、上述した充電システム１は一例であり、本発明に係る充電装置は図示する構成の充電システム１にのみ限定されることはない。

《充電装置の部品配置》
次に、図２の電源ブレーカ１１から充電ガン１２までの機器を含む充電装置１Ａの配置構成について、図３〜図１２を参照して説明する。なお、図１，２と同じ部品には同一の符号を付すことで互いの対応関係を示すものとする。

本例の充電装置１Ａは筐体１３の内部に、図２に示す電源ブレーカ１１、フィルタリアクトル８１、電力変換回路３、マトリックスコンバータ制御回路９、トランス４、整流器５及び平滑回路７を実装し、筐体１３から先端に充電ガン１２が装着されたケーブル１２ａを引き出して構成されている。これら筐体１３内に実装される機器類を電力変換機器とも称する。

筐体１３は、底部１４１が当該充電装置１Ａの設置箇所に固定され、上述した電力変換機器を実装するコアフレーム１４と、このコアフレーム１４をその両面から挟み込むように当該コアフレーム１４に装着されるアウタハウジング１５と、を備える。なお、コアフレーム１４の両面とは、図示する例では正面及び背面をいい、充電装置１Ａを設置した際に使用者がアクセスする面を正面、その反対側（裏側）を背面とするが、コアフレーム１４を挟み込むようにアウタハウジング１５を装着するのが本発明の本質的事項であって、正面及び背面に限定されず左右側面であってもよい。

コアフレーム１４は、充電装置１Ａの設置個所にアンカーボルトなどの固定手段によって固定される底部を構成するベースプレート１４１と、水平断面がコ字状に折り曲げられたコアフレーム本体１４２とを含み、図５に示すようにコアフレーム本体１４２はベースプレート１４１に固定されている。図６にコアフレーム本体１４２の水平断面の状態を示し、図８にベースプレート１４１を示し、図９にコアフレーム本体１４２の頂部を示す。

図８に示すように、ベースプレート１４１は、アンカーボルトなどで設置個所に固定されるベースプレート本体１４１ａと、当該ベースプレート本体１４１ａに溶接等で固定されたブラケット１４１ｂとを含み、ブラケット１４１ｂにコアフレーム本体１４２がボルトなどによって固定される。これによりコアフレーム本体１４２が設置個所に直立して強固に固定されることになる。なお、コアフレーム本体１４２の頂部にはパイプ１４３が貫通して設けられ、両端に吊上げ器具１４４が設けられている。後述するように、コアフレーム１４には電力変換機器が装着されて重量物となるので、充電装置１Ａを設置個所まで搬送して設置する際には、この吊上げ器具１４４にクレーン装置を引っ掛けて設置作業を行えるようになっている。

アウタハウジング１５は、図５に示すように、コアフレーム１４に対して正面側から装着される第１アウタハウジング１５ａと、コアフレーム１４に対して背面側から装着される第２アウタハウジング１５ｂとを含む。同図に示すように、本例の第１アウタハウジング１５ａは、水平断面が緩やかな曲線を含むコ字状となるように折り曲げられた側板と、天板とを含み、側板と天板は溶接等で固定されている。そして、図４に示すように正面の側板には、充電操作を行う際に使用者がアクセスするための操作パネル１５１と、不使用時の充電ガン１２を収納するためのガンポケット１５２が設けられている。

本例の第２アウタハウジング１５ｂは、図５に示すように平板に形成され、後述するファン１６が装着される通孔１５３と、電力変換回路３及び整流器５に装着されるヒートシンクを筐体外へ露出させるための通孔１５４とが開設されている。そして、第１アウタハウジング１５ａと第２アウタハウジング１５ｂは、図６に示すように、互いの接合部をボルトやビス等を用いて固定することでコアフレーム１４に装着される。

なお、本例では第１アウタハウジング１５ａを断面コ字状に形成し、第２アウタハウジング１５ｂを平板に形成したが、本発明に係るアウタハウジング１５はこうした形状に限定されることなく、両方１５ａ，１５ｂともに断面コ字状などに形成してもよい。

第１アウタハウジング１５ａは、コアフレーム本体１４２に対してレール機構によりスライド可能に装着される。すなわち、図５に示すようにコアフレーム本体１４２の両側面には上下方向に離れて３箇所、Ｌ型アングルが固定される一方で、第１アウタハウジング１５ａの内側の側面には同じく上下方向に離れて３箇所、Ｌ型アングルが固定されている。そして、これらコアフレーム側のＬ型アングルと第１アウタハウジング側のＬ型アングルとが、図１２に示すように係合する。これにより、第１アウタハウジング１５ａはコアフレーム本体１４２に対して前後方向にスライド可能となり、第１アウタハウジング１５ａを装着又は取り外す際の作業性が向上する。

なお、上述した吊上げ器具１４４が装着されるパイプ１４３は第１アウタハウジング１５ａとコアフレーム本体１４２とを貫通して設けられるので、アウタハウジング１５とコアフレーム本体１４２はこれによって上下方向及び前後方向に固定される。一方において、パイプ１４３を取り外し、第１アウタハウジング１５ａと第２アウタハウジング１５ｂとを固定するボルト等を外せば、第１アウタハウジング１５ａ又は第２アウタハウジング１５ｂをコアフレーム本体１４２から容易に取り外すことができる。

次に、コアフレーム本体１４２に実装される電力変換機器について説明する。図３は電力変換機器のコアフレーム本体１４２への実装構造を鉛直断面で示し、図６は同じく電力変換機器のコアフレーム本体１４２への実装構造を水平断面で示し、図１１Ａ及び図１１Ｂは全ての機器の実装状態を示す。

図６の水平断面図に示すように、筐体１３内部には、コアフレーム本体１４２で仕切られた２つの空間Ａ，Ｂが存在する。すなわち、コアフレーム本体１４２のコ字状断面で囲まれた空間Ａと、その背面の空間Ｂの２つの空間である。本例では、電力変換機器をコアフレーム本体１４２に実装するにあたりコ字状断面で囲まれた空間Ａに発熱を伴う機器を実装する。すなわち、図２に示す電力変換機器のうち発熱を伴う機器は電力変換回路３、整流器５及びトランス４であるので、これらを空間Ａ側に実装する。同時に、図５に示す第１アウタハウジング１５ａに開設された通孔１５３にファン１６を設け、図３に示すように冷却空気を吸い込んで空間Ａに導入する。

一方、図２の残りの機器は空間Ａ，Ｂの残りのスペースに実装することができるが、本例では、電力変換機器をコアフレーム本体１４２に実装するにあたりできる限り図２に示す電力の流れに沿って機器をレイアウトする。すなわち、電源ブレーカ１１、フィルタリアクトル８１、電力変換回路３、マトリックスコンバータ制御回路９、トランス４、整流器５及び平滑回路７をこの順序で配置すれば、充電装置の理論回路と実回路との各電力の流れがほぼ等しくなるので、電力変換効率が向上する。

このため、本例では図３及び図１１Ａ，１１Ｂに示すようにレイアウトしている。つまり、図３に示すように商用電源などの三相交流電源２はコアフレーム１４のベースプレート１４１から引き込み、空間Ａの最上部に実装した電源ブレーカ１１に接続する。そして、電源ブレーカ１１からの配線をコアフレーム本体１４２に開設した通孔１４６を挿通して空間Ｂの最上部に実装したフィルタリアクトル８１に接続する。

フィルタリアクトル８１からの配線は、同じくコアフレーム本体１４２に開設した通孔１４６を挿通して空間Ａの次段に実装した電力変換回路３に接続する。電力変換回路３の裏面の空間Ｂにはマトリックスコンバータ制御回路９が実装され、当該マトリックスコンバータ制御回路９からの制御配線は、コアフレーム本体１４２に開設した通孔１４６を挿通して電力変換回路３に接続する。

本来であれば、空間Ａの電力変換回路の次段にはトランス４を実装するのが好ましいが、トランス４は重量物であるため、本例では充電装置１Ａの安定性を考慮して空間Ａの最下部に実装している。したがって、電力変換回路３からの配線は、空間Ａの最下部に実装したトランス４に接続され、当該トランス４からの配線は、空間Ａの電力変換回路３の次段に実装された整流器５に接続する。そして、整流器５からの配線は、コアフレーム本体１４２に開設した通孔１４６を挿通して空間Ｂの最下部に実装した平滑回路７に接続する。なお、充電ガン１２が装着されたケーブル１２ａは、第１アウタハウジング１５ａの適宜箇所から外部へ引き出される。図１１Ａはコアフレーム本体１４２への実装状態を正面側から示し、図１１Ｂは同じく背面側から示す。

図１０は、電力変換回路３と整流器５に装着されるヒートシンク１０をコアフレーム本体１４２のフランジに取り付けた状態を示す。このヒートシンク１０の裏面側に電力変換回路３と整流器５が実装される。ヒートシンク１０をコアフレーム本体１４２のフランジに固定することで、剛性の高いヒートシンク１０がコアフレーム本体１４２を構成する構造体になるので、コアフレーム本体１４２自体の剛性が向上する。

以上の実施の形態によれば、以下の効果を有する。
１）本例では、充電装置１Ａの筐体１３を、底部のベースプレート１４１が設置箇所に固定されるとともに電力変換機器が実装されるコアフレーム本体１４２と、当該コアフレーム本体１４２を両面から挟み込むように着脱可能に装着されるアウタハウジング１５ａ，１５ｂとから構成したので、第１アウタハウジング１５ａをコアフレーム本体１４２から取り外すことで、図１１Ａに示すように、空間Ｂに実装したフィルタリアクトル８１、マトリックスコンバータ制御回路９又は平滑回路７を保守点検することができる。また、第２アウタハウジング１５ｂをコアフレーム本体１４２から取り外せば、図１１Ｂに示すように、空間Ａに実装した電源ブレーカ１１、電力変換回路３、整流器５又はトランス４を保守点検することができる。このように、本例の充電装置１Ａは保守作業性に優れていると同時に、アウタハウジング１５のデザイン性の自由度が向上し、さらに充電装置自体をコンパクトにできる。

２）本例では、第１アウタハウジング１５ａとコアフレーム本体１４２とをＬ型アングル１４５，１５５の係合によってスライド可能に構成したので、第１アウタハウジング１５ａをコアフレーム本体１４２に対して着脱する際の位置決めを含む作業性が格段に向上する。

３）本例では、コアフレーム本体１４２を水平断面がコ字状となるように形成し、その両面に電力変換機器を実装したので、集積率が向上するとともに機器間を接続する配線長を短くすることができる。

４）本例では、コアフレーム本体１４２に通孔１４６を開設し、電力変換機器間を接続する配線を挿通させるようにしたので、配線長をさらに短くすることができる。

５）本例では、コアフレーム本体１４２を水平断面がコ字状となるように形成し、コ字状断面で囲まれた空間Ａに、発熱を伴う電力変換回路３、トランス４及び整流器５を実装し、ファン１６によって空間Ａに冷却空気を導入するように構成した。空間Ａは、コ字状断面で囲まれているので、そのままでも通気性に優れ熱気がこもるのを抑制できるが、本例ではさらにファン１６を設けているので、図３に示すように空間Ａの最上部から導入された空気は、拡散することなくコアフレーム本体１４２のコ字状断面で囲まれた空間Ａを下部に向かって流下する。これにより、発熱を伴う機器を冷却することができる。また特に発熱する電力変換回路３及び整流器５にはヒートシンク１０を設け、このヒートシンク１０を第２アウタハウジング１５ｂの通孔１５４を介して外部へ露出させているので、さらに冷却性を高めることができる。

６）本例では、図３に示すように電源ブレーカ１１、電力変換回路３、整流器５及びトランス４をこの順序で配置したので、図２に示す充電装置１Ａの理論回路と図３に示す実回路との各電力の流れがほぼ等しくなる。その結果、電力変換効率を高めることができる。

上記電源ブレーカ、フィルタリアクトル８１、電力変換回路３、マトリックスコンバータ制御回路９、トランス４、整流器５及び平滑回路７は本発明に係る電力変換機器に相当し、上記Ｌ型アングル１４５，１５５は本発明に係るレール機構に相当し、上記トランス４は本発明に係る電圧変換回路に相当し、上記整流器５は本発明に係る整流回路に相当する。

１…充電システム
１Ａ…充電装置
２…三相交流電源
３…電力変換回路
３１，３１１〜３１６…双方向スイッチング素子
３２，３２１〜３２６…スナバ回路
３２７…スナバコンデンサ
４…トランス
５…整流器
６…二次電池
７…平滑回路
８…フィルタ回路
８１…フィルタリアクトル
８２Ｌ，８２Ｒ，８２１〜８２６，８３１〜８３６…フィルタコンデンサ
９…マトリックスコンバータ制御回路
１０…ヒートシンク
１１…電源ブレーカ
１２…充電ガン
１３…筐体
１４…コアフレーム
１４１…ベースプレート
１４２…コアフレーム本体
１４３…パイプ
１４４…吊上げ器具
１４５…Ｌ型アングル
１４６…通孔
１５…アウタハウジング
１５ａ…第１アウタハウジング
１５ｂ…第２アウタハウジング
１５１…操作パネル
１５２…ガンポケット
１５３，１５４…通孔
１５５…Ｌ型アングル
１６…ファン

Claims (5)

1. 商用電力を直流電力に変換する電力変換機器を実装した充電装置であって、
   前記電力変換機器は、入力交流電力を入切する電源ブレーカ、前記入力交流電力を所定の交流電力に変換する電力変換回路、前記所定の交流電力を所定の電圧に変換する電圧変換回路、及び前記所定の電圧に変換された交流電力を直流電力に変換する整流回路を含み、
   前記電力変換機器を実装するコアフレームと、
   前記コアフレームを覆うように当該コアフレームに装着されるアウタハウジングと、を備え、
   前記電源ブレーカ、前記電力変換回路、前記整流回路、及び前記電圧変換回路が、この順序で前記コアフレームの上部から下部に向かって実装されている充電装置。
2. 前記コアフレームは、水平断面がコ字状に形成され、その両面のそれぞれに前記電力変換機器が実装される請求項１に記載の充電装置。
3. 前記電力変換回路、前記電圧変換回路および前記整流回路は、前記コアフレームの一方の面に実装され、
   前記電源ブレーカは、前記コアフレームの他方の面に実装される請求項２に記載の充電装置。
4. 前記電力変換機器は、電源ブレーカ、フィルタ回路、電力変換回路、電圧変換回路、整流回路、平滑回路および電力変換回路制御回路を含み、
   前記電力変換回路、前記電圧変換回路および前記整流回路は、前記コアフレームの一方の面に実装され、
   前記電源ブレーカ、前記フィルタ回路、前記平滑回路および前記電力変換回路制御回路は、前記コアフレームの他方の面に実装される請求項３に記載の充電装置。
5. 前記コアフレームに、前記電力変換機器を接続する配線を挿通させるための通孔が形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の充電装置。

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