JP5908179B2 - 車両用充電装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両に搭載された蓄電池を車両外部の電源から充電するための車両用充電装置に関するものである。

磁界共鳴や電磁誘導などの磁界結合を利用した非接触給電技術は、電気自動車やプラグインハイブリッド電気自動車、燃料電池電気自動車などの蓄電池を搭載する車両の蓄電池を、外部電源から充電する技術として期待されている。
この技術を利用して、導線ケーブルで外部電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源）と車両とを接続して蓄電池を充電する有線充電と、外部電源には直接接続しない非接触充電の両方に対応する機能を備えた車両用充電装置が知られている。

有線充電と非接触充電の両方を備えた従来の車両用充電装置として、例えば、図６のような充電装置が開示されている。図６において、有線充電の場合は、外部電源から交流電力が受電端子１０１およびリアクトル１０２を通り整流部１０３へ入力される。ここで整流部１０３はスイッチング素子を含むので、リアクトル１０２とともに昇圧チョッパ回路を構成し、入力された５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力を整流するとともに、昇圧して力率改善を行う。その結果、整流部１０３からは一定電圧の直流電力が出力され、インバータ１０４によって高周波交流電力に変換される。インバータ１０４で変換された交流電力は、絶縁トランス１０５を介して、スイッチング素子を含むダイオードブリッジ型の整流部１０６へ入力され、直流電圧に変換されて車両に搭載された蓄電池を充電する。

一方、非接触充電用の非接触受電部１０７は、受電コイル１０８と整流部１０９から構成され、非接触受電部１０７の出力端の一方はリアクトル
１１０を通って、整流部１０６のスイッチング素子を含むアームの中点に接続され、他端は整流部１０６の低電圧側に接続されている。リアクトル
１１０と整流部１０６のスイッチング素子を含むアームは昇圧チョッパ回路を構成するので、非接触受電部１０７から出力された電力は昇圧された後、車両に搭載された蓄電池を充電する。
また、図６のリアクトル１１０を除去し、アームの中点と蓄電池との間にリアクトルを配置して降圧チョッパ回路を構成し、非接触受電部から出力された電力を降圧した後、車両に搭載された蓄電池を充電する構成も開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また他の従来の車両用充電装置では、整流回路の後段に力率改善回路を接続して構成した共通電力変換部を有し、その前段に、有線充電のための有線受電部と、非接触充電のための非接触受電部が切り替え可能に接続されている。有線充電の場合、外部電源からの交流電力は、リアクトルとコンデンサからなるフィルタ回路を通って、前記整流回路に入力される。入力された
５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力は整流回路で整流された後、前記力率改善回路で一定電圧の直流電力に変換され、蓄電池を充電する。
一方、非接触充電の場合、外部電源からの交流電力は、外部に設けられた非接触充電型充電器において、整流回路で整流されて脈流電力となり、高周波インバータで脈流の高周波交流電力に変換されて送電コイルへ送出される。これにより送電コイルで高周波磁界が発生し、車両側の非接触受電部の受電コイルと磁界結合して非接触受電部に電力が供給される。受電した電力は脈流の高周波交流電力であり、前記整流回路で整流された後、前記力率改善回路で一定電圧の直流電力に変換され、蓄電池を充電する（例えば、特許文献２参照）。

国際公開ＷＯ２０１０／１３１３４８号（第１４頁〜第１５頁、図９、図７） 特開２０１２−１３０１９３号公報（第１３頁〜第１４頁、図４）

上述のような車両用充電装置では、有線充電と非接触充電で共通の電力変換部を有しているので、有線充電装置と非接触充電装置の両方を個別に車両に搭載する場合に比べて、搭載容積を小さくすることができ、また低コスト化できるメリットがあるが、有線充電と非接触充電の特性に鑑みた場合、上記従来技術では次のような理由でまだ最適な構成ではないといった課題があった。
すなわち、特許文献１に記載された車両用充電装置では、有線充電時の力率改善のために有線充電のみで使用する整流部にスイッチング素子を用い、更に非接触受電部には非接触充電のみで使用する整流部を設けている。そして、共通の電力変換部として利用される整流部には、有線充電ではスイッチング素子を使用しないにも関わらず、非接触充電の昇圧または降圧のためにスイッチング素子を使用しなければならず、スイッチング素子数が多くなり、コスト面や制御の複雑さといった問題点や、非接触充電専用の整流部が必要で十分に共通化がなされていないといった問題点があった。

また、特許文献２に記載された車両用充電装置では、有線充電と非接触充電の両方で力率改善動作を行う力率改善回路が共通化されている。しかし、車両用の非接触充電ではインバータから送電コイルに送出される交流電力の周波数は概ね２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚといった高周波である。この高周波交流電力と有線充電の５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力とを同一の整流回路と力率改善回路のみからなる共通電力変換部で一定電圧の直流電力に変換するには何らかの工夫が必要であるが、特許文献２にはその点の記載がなく、対策が十分でないといった問題点があった。
更に、非接触充電では送電コイルと受電コイルの位置ずれや、蓄電池の充電状態によって生じる蓄電池の等価抵抗の変化による効率低下など、非接触充電特有の特性変化に対する対応がなされていないので、非接触充電時に十分に高い効率で蓄電池を充電できないといった問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、有線充電と非接触充電に対応しつつ、スイッチング素子数の減少を図り、非接触充電の特性変化に対応して十分に高い効率で蓄電池を充電できる車両用充電装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用充電装置は、高周波交番磁界との磁界結合により高周波交流電力を受電する非接触受電部と、低周波交流の外部電源に接続される有線受電部と、非接触受電部および有線受電部から出力された交流電力を整流する整流器と、整流器の後段に接続された電力変換器と、非接触受電部と有線受電部のいずれか一方の電力を整流器へ出力するように切り替える受電部切替手段とを備え、電力変換器から出力される直流電力で蓄電池を充電する車両用充電装置であって、整流器と電力変換器との間に、整流器の出力電力に含まれる高周波成分を除去する高周波除去手段が設けられ、有線受電部は、外部電源から入力された低周波交流電力を全波整流する全波整流器と、全波整流器から出力された脈流電力を、脈流成分を保持したまま高周波交流電力に変換するインバータと、インバータの後段に接続される絶縁トランスとを有しており、高周波除去手段は、高周波交流電力の高周波成分に起因する高周波成分を除去し、電力変換器には、非接触受電部から受電する場合には一定電圧の直流電力が入力され、有線受電部から受電する場合には低周波交流の電圧波形を全波整流した脈流電力が入力され、電力変換器は、非接触受電部から受電する場合には、電力変換器に入力される電圧を昇圧または降圧して一定の電圧を出力する抵抗変換動作を行い、有線受電部から受電する場合には、外部電源から入力される電力の力率を改善して一定の電圧を出力する力率改善動作を行うようにしたものである。

この発明の車両用充電装置によれば、整流器と電力変換器との間に、整流器の出力電力に含まれる高周波成分を除去する高周波除去手段が設けられ、有線受電部は、外部電源から入力された低周波交流電力を全波整流する全波整流器と、全波整流器から出力された脈流電力を、脈流成分を保持したまま高周波交流電力に変換するインバータと、インバータの後段に接続される絶縁トランスとを有しており、高周波除去手段は、高周波交流電力の高周波成分に起因する高周波成分を除去し、電力変換器には、非接触受電部から受電する場合には一定電圧の直流電力が入力され、有線受電部から受電する場合には低周波交流の電圧波形を全波整流した脈流電力が入力され、電力変換器は、非接触受電部から受電する場合には、電力変換器に入力される電圧を昇圧または降圧して一定の電圧を出力する抵抗変換動作を行い、有線受電部から受電する場合には、外部電源から入力される電力の力率を改善して一定の電圧を出力する力率改善動作を行うようにしたので、高周波除去手段を設けたことで、電力変換器に入力される電力は低周波成分のみとなり、有線充電時の力率改善動作や非接触充電時の抵抗変換動作を容易に行うことができる。また、有線充電と非接触充電で同一の電力変換器を用いながら機能を変えて動作させて、両方に最適なシステムを構築することができる。
更に、外部電源から絶縁された信頼性の高い車両用充電装置を実現できる。

この発明の実施の形態１による車両用充電装置を示す回路図である。 図１の電力変換器の一例を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による車両用充電装置の有線充電時の各部電圧波形を示す概念図である。 この発明の実施の形態１による車両用充電装置の非接触充電時の各部電圧波形を示す概念図である。 この発明の実施の形態２による車両用充電装置を示す回路図である。 従来の車両用充電装置を示す回路図である。 この発明の実施の形態３による車両用充電装置を示す回路図である。 この発明の実施の形態４による車両用充電装置を示す回路図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による車両用充電装置を示す回路図である。
図に示すように、車両用充電装置１は、有線受電部２と非接触受電部３を有し、有線受電部２と非接触受電部３は、スイッチやリレーなどで構成される受電部切替手段４を介して整流器５に接続されている。整流器５の後段には、昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路あるいは昇降圧チョッパ回路等からなる電力変換器６が接続されており、整流器５と電力変換器６との間には、フィルムコンデンサやセラミックコンデンサ等の比較的静電容量が小さいコンデンサで構成された高周波除去手段７が設けられている。
高周波除去手段７は整流器５から出力された電力に含まれる高周波成分を除去または低減して低周波成分の電力を電力変換器６に送出する。
電力変換器６は制御部８からの制御信号に基づき制御され、入力された電力を所定の電圧の直流電力に変換して出力し、蓄電池９を充電するようになっている。

有線充電用として、車両用充電装置１には入力端子１０が設けられており、この入力端子１０に、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの交流電力を送出する外部電源２１を導線ケーブル等で接続することにより、外部電源２１から車両用充電装置１に電力が供給され、有線充電が行われる。
一方、非接触充電の場合は、本発明の対象外である非接触送電装置２２により、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの外部電源２３からの電力を、２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの高周波交番磁界に変換し、この高周波交番磁界を非接触受電部３で受電することで車両用充電装置１に電力が供給され、非接触充電が行われる。
車両用充電装置１の内部あるいは外部に設けられた図示しない制御装置には、無線通信部が備えられており、非接触送電装置２２に備えられた図示しない無線通信部と無線通信を行うことで、非接触充電の通信制御が行われる。

次に、各部の詳細について説明する。有線受電部２は、ダイオードブリッジなどにより構成された整流器１１を有し、その後段にＭＯＳＦＥＴや
ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子をフルブリッジ型あるいはハーフブリッジ型に接続して構成されたインバータ１２が接続され、更にその後段に絶縁トランス１３を備えている。
一方の非接触受電部３は、受電コイル１４と共振系１５により構成され、非接触受電部３の出力側は受電部切替手段４を介して整流器５に接続されている。
また、非接触送電装置２２は、外部電源２３からの電力を整流する整流器２４，力率改善回路２５，インバータ２６，送電コイル２７、およびコンデンサ２８を備えている。コンデンサ２８は、送電コイル２７と並列に接続される場合もある。

図２は、図１の電力変換器６の一例を示す回路図である。（ａ）のような昇圧チョッパ回路、または、（ｂ）のような降圧チョッパ回路などで構成される。これらのチョッパ回路は、リアクトルとＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子で構成されている。
なお、チョッパ回路自体は、一般に知られた回路構成なので、ここでは詳細な説明は省略する。

次に、図１の車両用充電装置１の動作について説明する。
図３は、図１の車両用充電装置１の有線充電時の各部電圧波形の様子を示す概念図である。図３を参照しながら、まず有線充電時の動作について説明する。なお、図３の波形は、各部の動作説明を容易にするための概念図であり、必ずしも正確な波形を示したものではない。
有線受電部２では、入力端子１０から、図３（ａ）に示すような５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力が整流器１１に入力される。整流器１１はダイオードブリッジなどにより構成されており、入力された交流電力を全波整流する。
整流器１１から出力される電圧波形は、図３（ｂ）のように正弦波の絶対値で表される脈流の直流電圧となり、その周波数は入力された交流電力の２倍の周波数、すなわち１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚとなる。

この脈流の直流電圧は、整流器１１の後段に接続されたインバータ１２に入力される。インバータ１２は、入力された直流電力を２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ、例えば、８５ｋＨｚの高周波電力に変換して出力する。上述のようにインバータ１２に入力される電圧は図３（ｂ）のような脈流の直流電圧なので、インバータ１２から出力される電圧波形は、図３（ｃ）に示すように、入力された脈流の直流電圧の大きさに比例した大きさで時間的変動を伴う脈流の高周波交流電圧となる。
この高周波交流電圧は、インバータ１２の後段に接続された絶縁トランス１３に入力され、絶縁トランス１３の巻数比で定まる大きさの電圧に昇圧または降圧され、あるいは電圧の大きさを変えずに絶縁トランス１３から出力される。出力される電圧波形は、図３（ｃ）のような入力された電圧波形とほぼ相似形の波形となる。

有線充電時は、受電部切替手段４は、有線受電部２の電力により蓄電池９を充電するように選択されているので、絶縁トランス１３から出力された脈流の高周波交流電力は、整流器５に入力され、入力された電力の脈流成分を保持したまま、整流器５から図３（ｄ）に示すような波形で出力される。
整流器５の出力端の高電圧側と低電圧側の間には、例えばコンデンサからなる高周波除去手段７が接続されているので、整流器５から出力された脈流成分を含む電力のうち、高周波の変動成分はコンデンサを通るため除去または低減され、低周波の変動成分はほとんど低減されることなく電力変換器６に入力される。

ここで、高周波除去手段７を備えていない場合には、図３（ｄ）のような低周波の脈流成分と高周波の成分とを含む電圧波形が、整流器５からそのまま出力されるが、本願発明では高周波除去手段７を備えているので、図３（ｅ）のような電圧波形となって整流器５から出力される。
上記説明で、低周波の成分とは、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの外部電源２１の周波数に起因する周波数成分で、具体的には整流器１１により全波整流されているので２倍の周波数の１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚを主とした成分である。一方、高周波の成分とは、インバータ１２のスイッチング周波数に起因する周波数成分で、インバータ１２からは２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの高周波交流電力が出力されるが、整流器５で整流されるため、具体的にはその２倍の周波数の４０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚを主とした成分である。なお、整流器５に半波整流回路を用いた場合は、インバータ１２のスイッチング周波数と同じ２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの周波数成分となる。

すなわち、高周波除去手段７は、整流器５の出力電力から２０ｋＨｚあるいは４０ｋＨｚ以上の周波数成分を除去または低減して、１２０Ｈｚ以下の低周波成分を主として電力変換器６に送出するものであり、分離する周波数に１６６倍以上の差がある（高周波成分を２０ｋＨｚ、低周波成分を１２０Ｈｚとした場合、２００００÷１２０＝１６６．７）ので、高周波除去手段７としてフィルムコンデンサやセラミックコンデンサなど比較的静電容量の小さいコンデンサを用いることができ、簡単な構成で実現することができる。

なお、高周波除去手段７としてアルミ電解コンデンサなどを使用することもできるが、静電容量が大きすぎると低周波成分を所望の大きさ以上に低減してしまい、車両用充電装置１に外部電源２１から入力される電力の力率を低下させるため、アルミ電解コンデンサを使用する場合であっても静電容量が小さいものを使用するのが望ましい。具体的には１００μＦ以下のコンデンサがよく、０．１μＦ〜１０μＦ程度のコンデンサがよい。
また、高周波除去手段７は、上述のような機能を有すればよいので、リアクトルとコンデンサを組み合わせて、通信のフィルタと同等のフィルタを構成して高周波除去手段７としてもよい。

電力変換器６に入力された図３（ｅ）の波形の電圧は、電力変換器６の半導体スイッチング素子を制御部８が出力する制御信号により所定のタイミングでスイッチングすることにより、図３（ｆ）のような一定の電圧値の直流電力に変換して出力する。
受電部切替手段４の選択により有線受電部２からの電力が電力変換器６に入力される場合、電力変換器６は、制御部８によりスイッチングを制御して力率改善動作を行う。力率改善動作は、車両用充電装置１に外部電源２１から入力される電力の電流波形を、外部電源２１から入力される電圧波形に近付けつつ、電力変換器６から出力される直流電力を一定電圧に制御する動作である。そして電力変換器６から出力された直流電力は、電力変換器６の後段に接続された蓄電池９に供給され、蓄電池９が充電される。

次に、非接触充電時の動作について説明する。
図４は、図１の車両用充電装置の非接触充電時の各部電圧波形の様子を示す概念図である。なお、図４の波形も、各部の動作説明を容易にするために記載するものであり、必ずしも正確に図示したものではない。
非接触受電部３は、図１で説明したように、受電コイル１４と共振系１５により構成され、非接触受電部３の出力は受電部切替手段４を介して整流器５に入力される。
共振系１５は、受電コイル１４に並列に接続されたコンデンサや、受電コイル１４と直列に接続されたコンデンサ等からなり、受電コイル１４のインダクタンスと共振系１５の静電容量から定まる共振周波数が、受電コイル
１４と磁界結合する交番磁界の周波数と一致するように選定される。交番磁界は車両用充電装置１の外部に設置された非接触送電装置２２により発生される。

非接触送電装置２２は、図４（ａ）のような５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力を出力する外部電源２３に接続されており、図１で説明したような回路で構成されて、コンデンサ２８の静電容量と送電コイル２７のインダクタンスから定まる共振周波数が、インバータ２６から出力される高周波電力の周波数とほぼ一致するように、コンデンサ２８の静電容量を選定している。外部電源２３から入力された交流電力は整流器２４によって図４（ｂ）のように全波整流され、力率改善回路２５により図４（ｃ）のような一定電圧の直電力に変換されてインバータ２６に供給される。

インバータ２６は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子をフルブリッジ型あるいはハーフブリッジ型に接続することにより構成され、２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ、例えば、８５ｋＨｚでスイッチングを行うことにより、８５ｋＨｚの高周波交流電力を出力し、送電コイル２７には高周波交流電流が流れる。インバータ２６に供給される直流電力は一定電圧の電力であるため、送電コイル２７に流れる高周波電流には外部電源２３の周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに起因する低周波の変動成分は含まない。送電コイル２７に高周波交流電流が流れると、送電コイル２７で高周波交流電流の周波数と同じ２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚ、例えば８５ｋＨｚで変動する交番磁界が発生する。

この交番磁界と車両用充電装置１の非接触受電部３の受電コイル１４が磁界結合して、非接触受電部３から図４（ｄ）のような高周波交流電力が出力される。
この高周波交流電力は、受電部切替手段４を非接触受電部３からの受電に切り替えることによって、整流器５へ供給される。整流器５は前述のように全波整流あるいは半波整流を行うが、整流器５から出力される電力には、外部電源２３の周波数に起因する低周波成分は含まれておらず、非接触送電装置２２が出力する２０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの周波数に起因する高周波成分しか含まれていない。この高周波成分は高周波除去手段７で除去または低減されて電力変換器６に入力される。

すなわち電力変換器６には、多少の電圧変動はあっても、図４（ｅ）のようなほぼ一定電圧とみなせる直流電力が入力される。電力変換器６に入力された直流電力は、電力変換器６を構成する半導体スイッチング素子が制御部８からの制御信号により制御されて、昇圧または降圧されて電力変換器６から一定電圧の直流電力に変換されて出力される。この直流電力が電力変換器６に接続された蓄電池９に供給されることにより、非接触充電が行われる。

非接触充電では、送電コイル２７と受電コイル１４の位置関係は常に一定ではなく、車両用充電装置が搭載される車両を操作するドライバーの技量により水平方向に位置ずれが生じたり、車両に搭載された物の重量により垂直方向の位置ずれが生じたりする。これらの位置ずれは送電コイル２７と受電コイル１４の結合係数の変化として表れる。
非接触充電では、結合係数により最も高効率で電力を伝送できる負荷抵抗の大きさが定まることが知られており、これらの位置ずれが生じた場合、負荷抵抗の大きさを最適な大きさに変化させることで、常に高効率で電力を伝送することができる。

本願発明では、非接触充電の場合、電力変換器６はほぼ一定電圧とみなせる直流電力の電圧の大きさを、昇圧することで、より高い一定電圧の直流電力に変換したり、降圧することで、より低い一定電圧の直流電力に変換したりする。すなわち電力変換器６の損失を無視すると、電力変換器６の入力電力と出力電力は同じであるから、昇圧する場合には電力変換器６の入力等価抵抗はより大きな出力等価抵抗に抵抗変換され、降圧する場合には電力変換器６の入力等価抵抗はより小さな出力等価抵抗に抵抗変換される。
蓄電池９を充電する場合の、蓄電池９の等価抵抗は、蓄電池９の充電状態ＳＯＣ（State of charge）すなわち端子電圧と充電電力により定まり、送電コイル２７と受電コイル１４の結合係数から定まる最適負荷抵抗の大きさとは無関係である。そこで、電力変換器６により蓄電池９の等価抵抗を非接触充電の最適負荷抵抗の大きさに抵抗変換することで非接触充電の効率を向上させることができる。

具体的には、蓄電池９の等価抵抗が非接触充電の最適負荷抵抗の大きさより小さい場合は、電力変換器６を降圧動作させると、電力変換器６の入力等価抵抗は出力等価抵抗より大きくなるので、電力変換器６と蓄電池９を合わせた等価抵抗は、蓄電池９の等価抵抗より大きくすることができ、電力変換器６の降圧比を最適に制御することによって、非接触充電の最適負荷抵抗の大きさに一致させることができる。
逆に、蓄電池９の等価抵抗が非接触充電の最適負荷抵抗の大きさより大きい場合は、電力変換器６を昇圧動作させると、電力変換器６の入力等価抵抗は出力等価抵抗より小さくなるので、電力変換器６と蓄電池９を合わせた等価抵抗は、蓄電池９の等価抵抗より小さくすることができ、電力変換器６の昇圧比を最適に制御することによって、非接触充電の最適負荷抵抗の大きさに一致させることができる。

このように、非接触充電を行うときは、電力変換器６は、電力変換器６に入力される一定の電圧を昇圧または降圧して出力するが、本願発明では、この動作を抵抗変換動作と呼ぶ。ここで一定とは、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの半周期である１０ミリ秒や８．３３ミリ秒より長い時間に対して一定ということを意味し、多少の電圧変動（入力電圧リプルや出力電圧リプル）があってもよいことを意味する。言い換えれば、抵抗変換動作は、１０ミリ秒や
８．３３ミリ秒より長い時間に渡って、電力変換器６の昇圧比や降圧比が一定に制御された動作であるとも言える。このように言及するのは、蓄電池９は充電されると、時間の経過とともに端子電圧が上昇するため、電力変換器６から出力される電圧の大きさも変化するからである。しかし、充電時の蓄電池９の端子電圧も、１０ミリ秒や８．３３ミリ秒といった時間ではほぼ一定とみなすことができ、１０ミリ秒や８．３３ミリ秒といった時間では電力変換器６の昇圧比や降圧比を一定にして制御することができる。

これに対し、有線充電時には電力変換器６は力率改善動作を行う。この場合、電力変換器６に入力される電圧は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの半周期で大きく変動するが、電力変換器６から出力される電圧は一定電圧なので、電力変換器６を昇圧動作させて力率改善する場合は、昇圧比を１０ミリ秒や８．３３ミリ秒といった時間内に複数回変化させ、電力変換器６を降圧動作させて力率改善する場合は、降圧比を１０ミリ秒や８．３３ミリ秒といった時間内に複数回変化させるようにする。

このように、本発明の車両用充電装置１は、有線充電を行う場合と非接触充電を行う場合で共通の電力変換器６を使用しているが、有線充電の場合は力率改善動作、非接触充電の場合は抵抗変換動作としたので、半導体スイッチング素子の数を増加することなく、有線充電と非接触充電で求められる機能を実現し、小型で低コストの車両用充電装置１を実現することができる。

また、上述のように有線受電部２のインバータ１２が出力する高周波交流電力の周波数と、非接触受電部３で受電する高周波交番磁界の周波数、すなわち受電コイル１４のインダクタンスと共振系１５の静電容量から定まる共振周波数を略同一に合わせることで、高周波除去手段７が除去すべき高周波成分の周波数が、有線充電と非接触充電で同じになるので、高周波除去手段７をコンデンサで構成するといった簡単な構成にしても高性能に高周波成分を除去することができ、電力変換器６での力率改善動作や抵抗変換動作を容易に行うことができる。

なお、有線受電部２と非接触受電部３のどちらの電力を受電するかを選択する受電部切替手段４は、図１に示した構成でなくてもよく、図１とは異なる場所にスイッチやリレーを設けて、有線受電部２と非接触受電部３のいずれか一方の電力を受電する構成としてもよい。
また、スイッチやリレーを設けずに次のようにしてもよい。すなわち、非接触充電の場合には、上述のように車両用充電装置１を搭載した車両側と非接触送電装置２２との間で無線通信により非接触充電の通信制御を行っているので、入力端子１０に有線充電のためのケーブルが接続され場合に、車両側から無線通信により非接触送電装置２２を停止するようにして、非接触送電装置２２を停止させ、有線受電部２からの電力を受電することで、受電部切替手段４としてもよい。

以上のように、実施の形態１の車両用充電装置によれば、高周波交番磁界との磁界結合により高周波交流電力を受電する非接触受電部と、低周波交流の外部電源に接続される有線受電部と、非接触受電部および有線受電部から出力された交流電力を整流する整流器と、整流器の後段に接続された電力変換器と、非接触受電部と有線受電部のいずれか一方の電力を整流器へ出力するように切り替える受電部切替手段とを備え、電力変換器から出力される直流電力で蓄電池を充電する車両用充電装置であって、整流器と電力変換器との間に、整流器の出力電力に含まれる高周波成分を除去する高周波除去手段が設けられ、電力変換器は、非接触受電部から受電する場合には、電力変換器に入力される電圧を昇圧または降圧して一定の電圧を出力する抵抗変換動作を行い、有線受電部から受電する場合には、外部電源から入力される電力の力率を改善して一定の電圧を出力する力率改善動作を行うようにしたので、高周波除去手段を設けたことで、電力変換器に入力される電力は低周波成分のみとなり、有線充電時の力率改善動作や非接触充電時の抵抗変換動作を容易に行うことができる。
また、有線充電と非接触充電で同一の電力変換器を用いながら機能を変えて動作させて、両方に最適なシステムを構築することができる。

また、高周波除去手段は、高周波交流電力の高周波成分に起因する高周波成分を除去し、高周波除去手段によって、電力変換器には、非接触受電部から受電する場合には、一定電圧の直流電力が入力され、有線受電部から受電する場合には、低周波交流の電圧波形を全波整流した脈流電力が入力されるようにしたので、一つの高周波除去手段を用いて電力変換器へ入力される電力の高周波を効率よく除去して、有線充電時の力率改善動作および非接触充電時の抵抗変換動作を効率的に行うことができる。

また、高周波除去手段は、整流器の出力端の高電圧側と低電圧側の間に接続されたコンデンサで構成したので、高周波除去手段を簡単な手法で実現できる。

また、有線受電部は、外部電源から入力された低周波交流電力を全波整流する全波整流器と、全波整流器から出力された脈流電力を高周波交流電力に変換するインバータと、インバータの後段に接続される絶縁トランスとを備えているので、外部電源から絶縁された信頼性の高い車両用充電装置を実現できる。

また、インバータが出力する高周波交流電力の周波数を、非接触受電部が受電する高周波交流電力の周波数に合わせたので、有線充電と非接触充電の両方で、除去すべき高周波成分が同じになるため、簡単な構成で、高周波除去性能を向上させることができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２による車両用充電装置を示す回路図である。本実施の形態の車両用充電装置１は、非接触充電に対する構成および動作は実施の形態１の図１と同等なので、非接触送電装置２２の部分の図は省略している。また、図１と同等部分は同一符号を付して説明は省略する。図１との相違点は、有線受電部２の構成である。本実施の形態では、有線受電部２においては車両用充電装置１が外部電源２１と絶縁されていない。以下、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

図５に示すように、車両用充電装置１の有線受電部２は、入力端子１０と整流器５を結ぶ導線のみで構成されている。ただし、有線充電と非接触充電を切り替えるための受電部切替手段４は備えている。有線充電時は、受電部切替手段４を有線受電部２側に切り替えることで、整流器５が有線受電部２の導線と入力端子１０を介して外部電源２１に直接接続される。なお、図示は省略しているが、有線受電部２の導線に、ノイズカットフィルタなどを設けてもよい。
本実施の形態の特徴部は、外部電源２１からの電力が電力変換せずにそのまま整流器５に入力されている点である。また、本実施の形態の整流器５は、ダイオードブリッジなどの全波整流器である。

次に、動作について説明する。
有線充電を行うときは、実施の形態１の図３（ａ）に示したような５０
Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力が、外部電源２１から電力変換されずに整流器５へ入力される。整流器５へ入力される電力は高周波成分を含んでいないので、整流器５の後段に接続された高周波除去手段７は特段の動作を行わず、整流器５に入力された５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力を、図３（ｂ）あるいは図３（ｅ）のように全波整流して、電力変換器６に入力する。電力変換器６は有線充電が選択されているので、制御部８により制御されて力率改善動作を行い、電力変換器６から一定電圧の直流電力を出力し、蓄電池９を充電する。

一方、非接触充電を行うときは、受電部切替手段４を非接触受電部３側に切り替えることで、実施の形態１で説明したものと同様な非接触充電が行われる。非接触充電のときは整流器５からの出力電力に２０ｋＨｚ〜１５０
ｋＨｚの高周波成分が含まれているので、高周波除去手段７が高周波成分を除去し、電力変換器６にはほぼ一定電圧の直流電力が入力される。
このように、有線充電時に整流器５に入力される電力には、実施の形態１で説明したような高周波成分が必ずしも含まれていなくてもよく、高周波成分を必ず含む非接触充電と高周波成分を含まない有線充電を両立させて、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。

以上のように、実施の形態２の車両用充電装置によれば、有線受電部以外は実施の形態１と同様の車両用充電装置であって、有線受電部は、外部電源からの電力をそのまま整流器に送出するようにしたので、有線充電と非接触充電で同一の電力変換器を用いながら、簡単な構成で、有線充電時の力率改善動作や非接触充電時の抵抗変換動作を行い、両方に最適なシステムを構築することができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３による車両用充電装置を示す回路図である。本実施の形態の車両用充電装置１は、実施の形態１に記したものと同様に、有線充電のとき蓄電池９と外部電源２１が絶縁トランス１３によって絶縁された車両用充電装置である。実施の形態１の図１と同等部分は同一符号で示し、説明は省略する。

図７の車両用充電装置１は、実施の形態１に記したものと同様の構成であるが、より具体的な構成を示したものである。すなわち、非接触受電部３は、受電コイル１４とコンデンサからなる共振系１５が直列に接続されており、電力変換器６は、図２（ａ）で示した昇圧チョッパ回路で構成されている。昇圧チョッパ回路は、力率改善回路として使用したとき、降圧チョッパ回路よりも高力率を得ることができるので、力率改善回路としては優れている。
昇圧チョッパ回路は、リアクトル３１，ダイオード３２，ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子３３で構成される。

図７では、リアクトル３１，ダイオード３２，半導体スイッチング素子
３３をそれぞれ１個ずつ設けて昇圧チョッパ回路を構成しているが、この組み合わせを複数並列に接続してインターリーブ型と呼ばれる構成にしてもよい。
例えば、２並列のインターリーブ型は、半導体スイッチング素子３３のスイッチングの位相を半周期ずらして行うのが特徴であるが、基本的な動作はシングル型と同様である。またシングル型も、インターリーブ型も、有線充電時の力率改善動作と非接触充電時の抵抗変換動作を同一の回路構成で行うことができ、本願発明の目的である電力変換回路の共通化を行うことができる。
車両用充電装置では大電力を扱うため、インターリーブ型に構成する方が適しているが、ここでは説明を簡単にするため、シングル型で述べる。

電力変換器６は、電力変換器６の入力側に、電力変換器６に入力される電圧波形を検出する電圧検出部３４と、リアクトル３１に流れる電流波形を測定する電流検出部３５と、電力変換器６の出力電圧を測定する電圧検出部
３６を備えている。
電圧検出部３４，３６は、図７に示すように、２個の抵抗器を直列に接続して、その中点の電圧を測定する抵抗分圧回路で構成されるものを示しているが、これ以外であってもよい。
電流検出部３５、はシャント抵抗やカレントトランスであってもよく、
図７に示すような低圧側でなく高電圧側に配置されたリアクトル３１と直列に接続してもよい。また半導体スイッチング素子３３と直列に接続して、半導体スイッチング素子３３がＯＮ（導通）のときのリアクトル３１に流れる電流の大きさを測定してもよい。

次に動作について説明する。まず有線充電の場合について説明する。
有線充電を行うときは、受電部切替手段４が有線受電部２の出力端である絶縁トランス１３の２次側と、整流器５が接続される。このとき整流器５には、図３（ｃ）のような、包絡線が脈流で２０〜１５０ｋＨｚの高周波交流電圧が入力されるが、整流器５の出力端すなわち電力変換器６の入力端へは、図３（ｅ）のような、２０〜１５０ｋＨｚでインバータ１２がスイッチングして発生した高周波電力に起因する高周波成分が、高周波除去手段７によって除去されたものが、昇圧チョッパ回路からなる電力変換器６に入力される。

有線充電なので、電力変換器６は力率改善動作を行う。力率改善動作は、外部電源２１から入力端子１０を通して車両用充電装置１に入力される電圧波形と電流波形が相似波形となり、力率が１に近づくようにするために行うものである。すなわち、入力端子１０の場所での電圧波形と電流波形を相似形にして力率を１に近付けるものである。
通常、力率改善を行う場合は、入力端子１０に近い場所で外部電源２１の電圧波形を測定し、入力電流がこの測定した電圧波形に近づくように半導体スイッチング素子３３のＯＮとＯＦＦを制御する。

本実施の形態３の車両用充電装置であっても、入力端子１０に近い部分、例えば、整流器１１の前段に電圧波形検出用の絶縁トランスの１次側を接続し、この絶縁トランスの２次側出力を制御部８に入力して電力変換器６に力率改善動作を行わせることもできる。
電圧検出用の絶縁トランスを用いる理由は、外部電源２１から蓄電池９に電力を供給する主回路側が、絶縁トランス１３によって絶縁されているためである。

しかし、本実施の形態３で示すように、整流器５と電力変換器６の間に設けた高周波除去手段７によって、インバータ１２のスイッチングによって発生した高周波成分が除去され、電力変換器６には図３（ｅ）に示すように外部電源２１から入力される電圧波形を全波整流した電圧波形と相似形の電圧波形が入力されるので、電力変換器６の入力端に設けた電圧検出部３４によって、容易に外部電源２１から入力される電圧波形を全波整流した相似波形を検出して、力率改善動作に使用することができる。
ここで、容易という意味は制御部８と電圧検出部３４は絶縁する必要がないので回路構成を簡単にすることができるという意味である。

制御部８には、電圧検出部３４からの出力電圧波形Ｖが入力され、リアクトル３１を流れる平均電流波形が出力電圧波形Ｖの相似波形と一致するように、半導体スイッチング素子３３のゲート信号Ｇを出力し、半導体スイッチング素子３３をＯＮ−ＯＦＦする。
リアクトル３１を流れる電流は、半導体スイッチング素子がＯＮのときに増加し、ＯＦＦのときに減少する。従って、リアクトル３１を流れる電流は、半導体スイッチング素子３３のＯＮ−ＯＦＦとともに上下を繰り返す。すなわちリアクトル３１を流れる平均電流とは、半導体スイッチング素子３３のＯＮ，ＯＦＦ周期より長い周期で見たときに、その平均値が出力電圧波形Ｖと相似形になるという意味である。

このとき、電力変換器６に入力される電圧波形は、図３（ｅ）のように高周波除去手段７により高周波成分が除去された、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚを全波整流した電圧波形であるので、電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数は、インバータ１２のスイッチング周波数とは全く無関係に決定することができる。すなわち、半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数を、インバータ１２のスイッチング周波数より低くしてもよいし、高くしてもよいし、あるいは同じにしてもよい。
また外部電源２１の電圧が１００Ｖ系か２００Ｖ系かによって、半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数を変更してもよい。更には、電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数とインバータ１２のスイッチング周波数を全く無関係にすることができるので、半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数を一定に保って、インバータ１２のスイッチング周波数を状況に応じて変化させてもよい。

このように、絶縁トランス１３を介して、外部電源２１から蓄電池９に有線充電で電力を供給する場合において、高周波除去手段７によりインバータ１２が発生する高周波電力に起因する高周波成分を除去することで、インバータ１２のスイッチング周波数と、電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数を独立に決定することができるので、システム全体をより最適に制御することができるといったメリットがある。

蓄電池９は、電力が供給され続けると電圧が上昇するので、電力変換器６が出力すべき電圧も変化させる必要がある。電力変換器６の出力側に接続された電圧検出部３６は、制御部８へ測定した電圧Ｖｏを入力し、蓄電池９の端子電圧の変化に応じて、制御部８は電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比、すなわちＤｕｔｙ比を制御して、電力変換器６から出力される電圧を調整する。
このように、電力変換器６が出力すべき直流電圧の大きさも状況に応じて変化するので、先述したように電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数を自由に選択できることは、システム全体の制御を行う上で、自由度が広がるのでより最適に制御できるといったメリットがある。

次に非接触充電の場合の動作について説明する。
非接触充電を行うときは、受電部切替手段４が非接触受電部３に切り替えられ、受電コイル１４とコンデンサからなる共振系１５を直列接続した非接触受電部３が、整流器５の入力端に接続される。非接触充電のときは、非接触送電装置２２が力率改善回路２５を備えているので、外部電源２３の周波数に起因する低周波の脈流は現れず、図４（ｄ）のような、包絡線が一定値の２０〜１５０ｋＨｚの高周波電力が、非接触受電部３によって受電される。この２０〜１５０ｋＨｚの高周波電力は整流器５で整流される。
整流器５からの出力に含まれる、受電した２０〜１５０ｋＨｚの高周波電力に起因する高周波成分は、高周波除去手段７によって除去されるため、電力変換器６の入力電圧は図４（ｅ）のように一定の電圧値になる。

この電圧値は電圧検出部３４によって検出され、電圧値Ｖとして制御部８に入力される。また電力変換器６に入力される電流は電流検出部３５によって検出され、電流値Ｉとして制御部８に入力される。また、制御部８は電力変換器６の出力端に設けた電圧検出部３６により、蓄電池９の電圧Ｖｏを測定する。制御部８は、電力変換器６に入力された図４（ｅ）のような直流電圧Ｖを蓄電池９の電圧Ｖｏに変換するように、電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比、すなわちＤｕｔｙ比を制御する。

電力変換器６は、昇圧チョッパ回路で構成されているので、Ｄｕｔｙ比で定まる昇圧比に昇圧され、入力された電圧Ｖが出力される電圧Ｖｏに変換される。このとき電力変換器６の損失を無視すると、電力変換器６の入力電力と出力電力は同じになるから、入力電圧Ｖは出力電圧Ｖｏより低いため、入力電流は出力電流より大きくなる。従って、入力抵抗は出力抵抗より小さくなるので蓄電池９の抵抗が、電力変換器６により、より小さい抵抗値に変換される。
高周波除去手段７により、受電コイル１４で受電した高周波電力に起因する高周波成分は除去されるため、電力変換器６の入力電圧と出力電圧はともに直流電圧であり、半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数は、受電コイル１４で受電した高周波電力の周波数とは全く無関係に決定することができる。

すなわち、半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数は、受電コイル１４で受電した高周波電力の周波数より高い周波数であってもよいし、低い周波数であってもよいし、同じ周波数であってもよい。電力変換器６のリアクトル３１は、有線充電時の力率改善動作と、非接触充電時の抵抗変換動作で共通に用いるから、非接触充電時の抵抗変換動作における半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数は、有線充電時の力率改善動作時のスイッチング周波数と同じ、あるいは同程度であることが望ましい。

本願発明では、高周波除去手段７が高周波成分を除去して、電力変換器６の入力電圧波形を、有線充電のときは５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの低周波交流電圧を全波整流した脈流電圧波形に、非接触充電のときは一定電圧の直流電圧波形に変換するので、電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数を同じまたは同等にすることができ、力率改善動作と抵抗変換動作で共通のリアクトル３１を使用しても最適なパフォーマンスを得ることができる。
なお、非接触充電のときに半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数を自由に選択できることによるメリットは、有線充電のときに述べたことと同様である。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４による車両用充電装置を示す回路図である。実施の形態３の図７と同等部分は同一符号で示し、説明は省略する。
本実施の形態４の車両用充電装置１は、実施の形態３とは異なり電力変換器６が降圧チョッパ回路により構成されている。非接触受電部３は、受電コイル１４と共振系１５であるコンデンサとが並列に接続されている。非接触受電部３を、図８のように受電コイル１４と共振系１５であるコンデンサとを並列に接続して構成した場合は、非接触充電時の抵抗変換動作を行うＤＣ／ＤＣコンバータとしては昇圧コンバータより降圧コンバータの方が適している。そのため電力変換器６は降圧チョッパ回路で構成したものである。

そしてこの場合、高周波除去手段７は、比較的インダクタンスが小さいリアクトル７１とコンデンサ７２からなるフィルタ回路により構成される。高周波除去手段７は、５０Ｈｚや６０Ｈｚの交流電力を全波整流した２倍の周波数の１００Ｈｚや１２０Ｈｚの周波数に対しては通過させる特性を持つが、２０〜１５０ｋＨｚといった高周波に対しては高周波成分を遮断する特性を持つ。
このため、有線充電の場合には、図３（ｅ）のように５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電圧を全波整流した電圧波形が電力変換器６に入力され、非接触充電の場合には、図４（ｅ）のように一定電圧の直流電圧が電力変換器６に入力される。そして、有線充電のときは電力変換器６の半導体スイッチング素子３３のＯＮ−ＯＦＦを制御して力率改善動作を行い、非接触充電のときは半導体スイッチング素子３３のＯＮ−ＯＦＦを制御して抵抗変換動作を行う。

半導体スイッチング素子３３のスイッチング周波数は、実施の形態３で述べたように、自由に選択することができる。電力変換器６は、降圧チョッパ回路で構成されているので、非接触充電の抵抗変換動作では電力変換器６の入力電圧より低い電圧が、電力変換器６から出力され蓄電池９に印加される。一方、有線充電時の力率改善動作でも降圧動作となるが、外部電源２１の電圧は１００Ｖ系あるいは２００Ｖ系であり、蓄電池９の電圧より低い場合がある。
この場合には、絶縁トランス１３の２次側巻き線の巻数を、１次側巻き線の巻数より多くすることで昇圧トランスにすれば、電力変換器６が降圧チョッパ回路で構成されていても、力率改善動作を行い、車両用充電装置の入力端で高い力率を得ることができる。

以上のように、本願発明では、有線充電時の力率改善動作を行う電力変換器と非接触充電時の抵抗変換動作を行う電力変換器に同一の回路を用いることができるので、車両用充電装置を小型に得ることができる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることが可能である。

１ 車両用充電装置、２ 有線受電部、３ 非接触受電部、
４ 受電部切替手段、５ 整流器、６ 電力変換器、７ 高周波除去手段、
８ 制御部、９ 蓄電池、１０ 入力端子、１１ 整流器、
１２ インバータ、１３ 絶縁トランス、１４ 受電コイル、
１５ 共振系、２１ 外部電源、２２ 非接触送電装置、
２３ 外部電源、２４ 整流器、２５ 力率改善回路、
２６ インバータ、２７ 送電コイル、２８ コンデンサ、
３１ リアクトル、３２ ダイオード、３３ 半導体スイッチング素子、
３４ 電圧検出部、３５ 電流検出部、３６ 電圧検出部、
７１ リアクトル、７２ コンデンサ

Claims (3)

1. 高周波交番磁界との磁界結合により高周波交流電力を受電する非接触受電部と、低周波交流の外部電源に接続される有線受電部と、前記非接触受電部および前記有線受電部から出力された交流電力を整流する整流器と、前記整流器の後段に接続された電力変換器と、前記非接触受電部と前記有線受電部のいずれか一方の電力を前記整流器へ出力するように切り替える受電部切替手段とを備え、前記電力変換器から出力される直流電力で蓄電池を充電する車両用充電装置であって、
   前記整流器と前記電力変換器との間に、前記整流器の出力電力に含まれる高周波成分を除去する高周波除去手段が設けられ、
   前記有線受電部は、前記外部電源から入力された低周波交流電力を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器から出力された脈流電力を、脈流成分を保持したまま高周波交流電力に変換するインバータと、前記インバータの後段に接続される絶縁トランスとを有しており、
   前記高周波除去手段は、前記高周波交流電力の高周波成分に起因する高周波成分を除去し、
   前記電力変換器には、前記非接触受電部から受電する場合には、一定電圧の直流電力が入力され、前記有線受電部から受電する場合には、前記低周波交流の電圧波形を全波整流した脈流電力が入力され、
   前記電力変換器は、前記非接触受電部から受電する場合には、前記電力変換器に入力される電圧を昇圧または降圧して一定の電圧を出力する抵抗変換動作を行い、前記有線受電部から受電する場合には、前記外部電源から入力される電力の力率を改善して一定の電圧を出力する力率改善動作を行うようにしたことを特徴とする車両用充電装置。
2. 請求項１に記載の車両用充電装置において、
   前記高周波除去手段は、前記整流器の出力端の高電圧側と低電圧側の間に接続されたコンデンサで構成したことを特徴とする車両用充電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の車両用充電装置において、
   前記インバータが出力する高周波交流電力の周波数を、前記非接触受電部が受電する高周波交流電力の周波数に合わせたことを特徴とする車両用充電装置。

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