JP5589771B2

JP5589771B2 - 充電器の電流制御装置

Info

Publication number: JP5589771B2
Application number: JP2010243618A
Authority: JP
Inventors: 忠男郷司; 博之狩野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012100374A

Description

本発明は、充電器の電流制御装置に係わり、特にバッテリーフォークリフト等の電気車に搭載するバッテリー充電器の過電流を防止する装置に関するものである。

図８はバッテリーフォークリフト等の電気車に搭載される充電器の回路構成を示したもので、ＡＣは交流電源、ＲＦ１は第１の整流器で、ダイオードブリッジよりなって交流を直流に変換する。Ｃ１は交流電圧ＡＣを全波整流し直流に変換した電圧を平滑するための平滑コンデンサ、ＴＲ１はインバータで、トランジスタやＩＧＢＴなどの半導体素子により構成されて直流を交流に変換する。ＣＳ１は電流検出器で、インバータＴＲ１電流を検出してインバータを構成する半導体素子を過電流から保護するために用いられる。

インバータＴＲ１によって交流に変換された電力は、トランスＴＦを経て第２の整流器ＲＦ２により交流を直流に変換され、平滑リアクトルＤＣＬと平滑コンデンサＣ２よりなる平滑回路を経てバッテリーＢを充電する。バッテリーＢには、スイッチング素子Ｔ１のオンオフ比を変えることで定電圧、定電流制御される。
Ｄ２はフリーホイリングダイオードで、スイッチング素子Ｔ１がオフしたときリアクトルＬ１の電流をバッテリーＢに戻すことでＴ１を過電圧から保護する。ＣＳ２はバッテリー電流を検出する電流検出器である。

なお、図８のように、交流電源から整流器を介して所定の電圧と電流を取り出し、所定のタイミングでバッテリーに供給するものとしては、特許文献１が公知になっている。

特開２００２−１４２３８１

特許文献１では、充電開始前の回路設定は、定電流制御での充電に対応していることから、充電開始前の充電電流は０であり、ＰＷＣ制御回路の出力が最大デューティ比で出力される状態下に有る。この状態で定電流制御からの充電を開始すると、充電開始直後に大きな突入電流が生じるといった問題点を解決するために、充電開始時点の突入充電電流のピーク値を低減し、充電開始直後の突入電流を防止する突入電流防止スイッチを設けたものである。

しかし、交流電源から整流器を介して所定の定電圧，定電流を取り出して充電する充電器では、当該充電器の接続される交流電源と同一の交流電源に容量の大きな外部負荷が接続されている場合、その外部負荷の電源投入時などで電源電圧が瞬時低下したとき充電回路に過電流現象が発生する。

本発明が目的とするとこは、充電器の外部要因による過電流を防止する充電器の電流制御装置を提供することにある。

本発明の請求項１は、直流に変換された交流電圧をインバータにて交流電圧に変換し、変換された交流電圧を整流器にて直流に変換して平滑回路で平滑し、スイッチング素子で制御しながらバッテリーの充電電圧と充電電流を制御する充電器において、
前記平滑回路の検出電圧Ｖdetと予め設定された電圧指令Ｖrefの偏差信号を比例積分の電圧アンプで増幅し、この増幅された信号に基づきＰＷＭ制御部を介して前記インバータの出力電圧を制御すると共に、バッテリー電流を検出する電流検出器を設け、この電流検出器で検出された検出電流Ｉdetと電流設定器において予め設定された電流指令Ｉrefの偏差信号を電流アンプで増幅する電流制御部を設け、この電流制御部の出力信号に基づきパルス幅変換部を介して前記スイッチング素子をオン・オフ制御するよう構成したものである。

本発明の請求項２は、前記電流制御部は、前記電流検出器により検出された検出電流Ｉdetを入力して平均電流Ｉavを算出する平均化部と、バッテリー電流の増・減の変化率をそれぞれ予め設定する変化率設定部と、前記平均電流Ｉavと前記電流設定部で設定された電流値と比較し、平均電流Ｉavが電流設定値より大の時には平均電流Ｉavと前記変化率設定部で設定された電流値との差信号を電流指令Ｉrefとし、平均電流Ｉavが電流設定値より小の時には平均電流Ｉavと前記変化率設定部で設定された電流値との和信号を電流指令Ｉrefとする比較手段よりなる設定電流切換部を備えたことを特徴としたものである。

本発明の請求項３は、前記電流制御部は、前記検出電流Ｉdetと電流指令Ｉrefの偏差信号を入力し、入力された差信号極性により出力信号の極性切換機能を有する電流アンプと、電流アンプの出力側に接続される変化率設定部と、前記電流検出器により検出された検出電流Ｉdetを入力して平均電流Ｉavを算出する平均化部と、平均電流Ｉavと前記変化率設定部の出力の和信号を前記パルス幅変換部に出力するよう構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、外部負荷の電源投入時などで電源電圧が瞬時低下したとき充電回路に発生する過電流現象は抑制されるものである。また、制御回路自体はインバータやスイッチング素子を直接制御するため、特許文献１のようにフィードバック信号を変換するフォトカプラや検出回路などが不要となり、小型化が可能となるものである。

本発明の実施例を示す充電器の制御装置の構成図。本発明による瞬時電圧低下時の電圧・電流のタイムチャート。本発明の他の実施例を示す充電器の制御装置の構成図。本発明の電流制御部の構成図。電流制御部動作のフローチャート。本発明による瞬時電圧低下時の電圧・電流のタイムチャート。本発明の他の実施例による電流制御部の構成図。従来の充電器の制御装置の構成図。

図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図を示したもので、図８と同一若しくは相当する部分に同一符号を付して説明を省略する。１は電圧制御部で、電圧設定部１１、比例アンプ１２、及び電圧アンプ１３を有している。２は電流制御部で、電流設定部２１、比例アンプ２２、及び電流アンプ２３を有している。３はパルス幅変換部である。

電圧設定部１１において電圧指令Ｖrefとして設定する。また、平滑コンデンサＣ２の検出電圧Ｖc2は、比例アンプ１２で所定値に増幅された後、Ｖdetとして減算部１４に出力される。減算部１４では設定電圧Ｖrefと検出電圧Ｖdetの差演算が実行され、算出された差信号は比例積分の電圧アンプ１３を介してＰＷＭ制御部４に出力され、差信号が０となるようインバータＴＲ１が制御される。

一方、電流検出器ＣＳ２によって検出されたバッテリー電流Ｉd2は、比例アンプ２２を介して検出電流Ｉdetが減算部２４に出力され、電流設定部２１により設定された電流指令Ｉrefとの差信号が求められる。差信号は比例積分の電流アンプ２３を通ってパルス幅変換部３に出力され、このパルス幅変換部３により差信号が０となるようスイッチング素子Ｔ１のオン・オフの比率制御が実行される。

図２は本発明のタイムチャートを示したもので、外部要因により時刻ｔ１で瞬時電圧低下が発生し、時刻ｔ２で復帰したとすると、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｖc1，Ｖc2も低下する。これに伴い、電圧制御部１の減算部１４では電圧指令Ｖrefと検出電圧Ｖdetの差信号が発生し、電圧アンプ１３では瞬時電圧低下の復帰する時刻ｔ２まで電圧を持ち上げるべく１００％の電圧を出力し、ＰＷＭ制御部４を介してインバータＴＲ１を制御する。
電流制御部２では、時刻ｔ１での瞬時電圧低下により電流アンプ２３の出力電流は電流指令以下となることから１００％に振り切れるが、バッテリー電流Ｉd2は
バッテリーへの供給電圧がＶc2＜Ｖ_Bとなりバッテリー電圧Ｖ_Bより低くなるため、瞬時電圧低下が復帰する時刻ｔ２以降までは流れない。

したがって、この第１の実施例によれば、外部負荷の電源投入時などで電源電圧が瞬時低下したとき充電回路に発生する過電流現象は抑制されるものである。また、制御回路自体は、インバータＴＲ１やスイッチング素子Ｔ１を直接制御するため特許文献１のようなフィードバック信号を変換するフォトカプラや検出回路などを不要とし、小型化が可能となるものである。

図３は第２の実施例を示す構成図で、図１で示す第１の実施例との相違点は電流制御部２ａで、図４のように構成される。第１の実施例では、瞬時電圧低下が復帰したとき、電圧アンプ１３と電流アンプ２３は１００％の出力状態となっていることから最大電圧、最大電流を出力するよう作用する。このため、バッテリー電流Ｉd2は、図２で示す時刻ｔ３のように過電流現象が完全には抑制されずにオーバーシュートが発生している。第２の実施例は、このオーバーシュートを除去するものである。

図４において、２５は平均化部で、比例アンプ２２を介して出力される検出電流Ｉdetの平均値が移動平均手段などによって求められる。２６は正方向の変化率設定部、２７は負方向の変化率設定部で、各設定部２６，２７の設定電流は増減電流が１００％充電電流の正又は負の変化率１０％程度に設定されている。２８，２９は切換部で、切換部２８は電流設定部２１により設定された電流指令Ｉref＞Ｉav＋ΔＩで端子ａ１（増側）に切換わり、電流指令Ｉref＜Ｉav−ΔＩで端子ｂ１（減側）に切換わる。また、切換部２９は電流指令Ｉrefに対して充電電流の平均値Ｉavが±ΔＩ以内とのきに端子ｂ２側に切換る。そして、これら２５〜２９によって設定電流切換部が構成される。

図５は設定電流切換部の動作フローを示したもので、バッテリー電流Ｉd2は、比例アンプ２２に所定値に増幅されて検出電流値Ｉdetとなって平均化部２５に入力される。平均化部２５では、ステップＳ１で平均値Ｉavに変換され、ステップＳ２で平均値Ｉavと電流設定部２１により設定された電流設定値と比較し、電流設定値との差が変化率設定値±ΔＩより大きいか否かが比較される。ここで、｜Ｉav−Ｉref｜＞±ΔＩを超えたときには、ステップＳ３で切換部２８をオンし、更にステップＳ４でＩav−Ｉref＞０か否かが判断される。この結果、平均値Ｉavが電流設定値より大きいときにはステップＳ５でＩav−ΔＩを電流指令Ｉrefとして出力する。また、平均値Ｉavが電流指令Ｉrefより小さいときにはステップＳ６でＩav＋ΔＩを電流指令Ｉrefとして出力する。
一方、ステップＳ２で、平均値Ｉavと電流設定値の差が変化率設定値±ΔＩより少ない場合には切換部２８，２９をオフ（ステップＳ７）とし、Ｓ８で電流設定部２１での設定値を電流指令Ｉrefとする。

図６は第２実施例のタイムチャートを示したもので、瞬時電圧低下が復帰した時刻ｔ２後のｔ３で、電流指令ＩrefはＩav＋ΔＩとなることから、バッテリー電流Ｉd2が急増したときには直ちにＩdet＞Ｉrefとなるため、電流アンプ２３は電流増加を絞り始めるので電流増加が制限され、バッテリー電流Ｉd2は過電流となることなく充電が継続される。

したがって、この実施例によれば、瞬時電圧低下の復帰時におけるバッテリー電流Ｉd2の増加は実施例１よりもより抑制され、外部要因に基づく過電流防止が可能となるものである。他は実施例１と同様である。

図７は第３の実施例を示す電流制御部２ｂの構成図で、他は図３と同様である。３０は変化率設定部で電流アンプ２３の出力側に接続され、その出力±ΔＩは加算部３１で平均値Ｉavと加算された後、パルス幅変換部３に入力される。
図７の動作について説明する。
検出されたバッテリー電流Ｉd2は、比例アンプ２２に所定値に増幅されて検出電流値Ｉdetとなって減算部２４に出力されて電流指令Ｉrefとの差演算が実行さ
れ、その差信号は電流アンプ２３に入力される。電流アンプ２３は、入力される差信号の極性により出力信号の極性を変える切換スイッチの機能を有し、検出電流値Ｉdetが電流指令Ｉrefよりも大きくなったときに電流アンプ２３の出力は負となり、検出電流値Ｉdetが電流指令Ｉrefよりも小さくなったときに電流アンプ２３の出力は正となる。したがって、電流アンプ２３の出力が負の場合には、変化率設定部３０で予め設定された変化率信号ΔＩは負となり、パルス幅変換部３に入力され信号はＩav−ΔＩとなる。また、電流アンプ２３の出力が正の場合には、変化率信号ΔＩは正となり、パルス幅変換部３に入力され信号はＩav＋ΔＩとなる。

この実施例によれば、検出電流値Ｉdetが急に大きく変化しても、パルス幅変換部３に入力され信号は±ΔＩ以下の変化となるため、バッテリー電流Ｉd2の過電流は防止され、実施例２と同様の効果を奏するものである。

１… 電圧制御部
２… 電流制御部
３… パルス幅変換部
４… ＰＷＭ制御部
１１… 電圧設定部
１２、２２… 比例アンプ
１３… 電圧アンプ
２１… 電流設定部
２３… 電圧アンプ
２５… 平均化部

Claims

直流に変換された交流電圧をインバータにて交流電圧に変換し、変換された交流電圧を整流器にて直流に変換して平滑回路で平滑し、スイッチング素子で制御しながらバッテリーの充電電圧と充電電流を制御する充電器において、
前記平滑回路の検出電圧Ｖdetと予め設定された電圧指令Ｖrefの偏差信号を比例積分の電圧アンプで増幅し、この増幅された信号に基づきＰＷＭ制御部を介して前記インバータの出力電圧を制御すると共に、
バッテリー電流を検出する電流検出器を設け、この電流検出器で検出された検出電流Ｉdetと電流設定器において予め設定された電流指令Ｉrefの偏差信号を電流アンプで増幅する電流制御部を設け、この電流制御部の出力信号に基づきパルス幅変換部を介して前記スイッチング素子をオン・オフ制御するよう構成したことを特徴とした充電器の電流制御装置。
前記電流制御部は、前記電流検出器により検出された検出電流Ｉdetを入力して平均電流Ｉavを算出する平均化部と、バッテリー電流の増・減の変化率をそれぞれ予め設定する変化率設定部と、前記平均電流Ｉavと前記電流設定部で設定された電流値と比較し、平均電流Ｉavが電流設定値より大の時には平均電流Ｉavと前記変化率設定部で設定された電流値との差信号を電流指令Ｉrefとし、平均電流Ｉavが電流設定値より小の時には平均電流Ｉavと前記変化率設定部で設定された電流値との和信号を電流指令Ｉrefとする比較手段よりなる設定電流切換部を備えたことを特徴とした請求項１記載の充電器の電流制御装置。
前記電流制御部は、前記検出電流Ｉdetと電流指令Ｉrefの偏差信号を入力し、入力された差信号極性により出力信号の極性切換機能を有する電流アンプと、電流アンプの出力側に接続される変化率設定部と、前記電流検出器により検出された検出電流Ｉdetを入力して平均電流Ｉavを算出する平均化部と、平均電流Ｉavと前記変化率設定部の出力の和信号を前記パルス幅変換部に出力するよう構成したことを特徴とした請求項１記載の充電器の電流制御装置。