专利名称：用于电动车辆的充电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电动车辆的充电装置，特别涉及用于由车辆外部电源对电动车辆所装配的蓄电装置进行充电的充电控制。
背景技术：
已经知道，电气车辆、混合动力车、燃料电池车辆等等为电动车辆，其被配置为能够使用来自车内蓄电装置的电力产生车辆驱动力，车内蓄电装置典型地为二次电池。已经提出这样的电动车辆其被配置为用车辆外部的电源(下面也简称为“外部电源”)对车内蓄电装置进行充电。下面，用外部电源对蓄电装置进行充电也简称为“外部充电”。日本专利申请公开No. 2007-318970 (JP-A-2007-318970)介绍了 将供自外部电源的电力转换为用于对蓄电装置进行充电的电力的充电装置由混合动力车所装配的两个交流电动机以及用于驱动这些交流电动机的升压转换器和变换器构成。JP-A-2007-318970介绍的充电装置被配置为经由两个交流电动机的相应的中性点从外部电源接收电力。另外，日本专利申请公开No. 2009-33785 (JP-A-2009-33785)介绍了电动车辆的电源系统中的充电控制，其中，多个蓄电装置和转换器对彼此并联布置。特别地，JP-A-2009-33785介绍了通过将对应的升压斩波器DC-DC转换器电路(转换器)的上臂元件保持在开通状态对各个蓄电装置进行充电的控制。在JP-A-2007-318970介绍的充电装置中，当供自外部电源的电力被转换为用于对蓄电装置充电的电力时，存在增大充电效率的限制，这是由于来自DC-DC转换操作的开关元件电力损耗或平滑电感器的铜耗以及铁耗。JP-A-2009-33785介绍了蓄电装置以这样的方式在各个斩波器DC-DC转换器电路的增大的效率的情况下充电任何一个DC-DC转换器电路的上臂元件被保持在开通状态，但是，JP-A-2009-33785没有特别介绍在什么样的条件下应当应用这样的充电控制。然而，取决于外部充电的状态，当任何一个DC-DC转换器电路的上臂元件保持在开通状态时，可能发生除了 DC-DC转换器电路以外的元件的效率下降的情况，或是发生过电流的情况。
发明内容
本发明提供了一种蓄电装置，其为电动车辆所装配，且其可以以高效率用来自外部电源的电力充电。本发明的一实施形态涉及一种用于装配有蓄电装置的电动车辆的充电装置。充电装置包含第一电力转换器、第二电力转换器以及用于对第一与第二电力转换器进行控制的控制装置。第一电力转换器将供自外部电源的交流电压转换为高于交流电压峰值电压的直流电压，并将直流电压输出到第一电源线。第二电力转换器在由外部电源对蓄电装置进行充电的外部充电期间，用于对第一电源线和第二电源线之间的直流电力进行转换，其中，第二电源线电气连接到蓄电装置的正电极。第二电力转换器包含第一开关元件，其电气连接在第一节点和第一电源线之间；第一电感器，其电气连接在第一节点和第二电源线之间。在外部充电期间，基于外部充电的状态，控制装置选择第一控制模式和第二控制模式的任意一者，在第一控制模式下，蓄电装置通过第一开关元件的开通/关断控制来充电，在第二控制模式下，蓄电装置在第一开关元件保持在开通状态下的同时受到充电。当蓄电装置的电压高于交流电压的峰值电压时，控制装置可选择第二控制模式。另外，当用于对蓄电装置进行充电的充电电力低于预定水平时，控制装置可选择第二控制模式。另外，第一电力转换器可包括整流器、第二电感器、第一二极管和第二开关元件。整流器可对供自外部电源的交流电压进行整流，接着，将整流电压输出到第三电源线。第二电感器可电气连接在第三电源线和第二节点之间。第一二极管可电气连接在第二节点和第一电源线之间，使得从第二节点到第一电源线的方向被设置为前向方向。第二开关元件可电气连接在第二节点和第四电源线之间，第四电源线电气连接到蓄电装置的负电极。控制装置可控制第二开关元件的开通/关断状态，使得经过第二电感器的电流与目标电流一致。目标电流为相位与交流电压相位一致的交流电流的绝对值。另外，在第一控制模式下，控制装置可基于第一电源线的电压对目标电流的幅度进行控制，并且，在第二控制模式下，不论第一电源线的电压如何，可将目标电流的幅度保持为恒定。另外，在第一控制模式下，控制装置可基于用于对蓄电装置进行充电的充电电流与目标充电电流之间的差对第一开关元件的开通/关断状态的占空比进行控制。作为替代的是，在第一控制模式被选择时，当外部充电的状态满足第二控制模式可适用的预定条件时，在第一电源线的电压已经减小为蓄电装置的电压后，控制装置可从第一控制模式变为第二控制模式。在上面介绍的配置中，当外部充电的状态满足预定条件时，控制装置可停止第一与第二电力转换器，并通过使用放电电阻器进行放电来减小第一电源线的电压。作为替代的是，当外部充电的状态满足预定条件时，控制装置可将供到第二电力转换器的第一电源线的电压的目标电压降低为蓄电装置的电压。根据本发明的实施形态，通过基于外部充电的状态适当地应用保持DC-DC转换开关元件的开通/关断状态的充电控制，可以用来自外部电源的电力以高效率对电动车辆所装配的蓄电装置进行充电。
参照附图，下面将介绍本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术与工业显著性，在附图中，相似的标号表示相似的元件，且其中图I为一电路图，用于示出根据一实施例的电动车用充电装置的构造实例；图2为一流程图，其示出了根据该实施例的电动车用充电装置执行的外部充电控制；图3为第一波形图，用于示出正常控制模式下的外部充电操作；图4为第二波形图，用于示出正常控制模式下的外部充电操作；图5为第一波形图，用于示出上臂开通控制模式下的外部充电操作；图6为第二波形图，用于示出上臂开通控制模式下的外部充电操作；图7为一功能框图，用于示出由根据该实施例的电动车用充电装置执行的外部电控制的控制配置；图8为第一波形图，用于示出从正常控制模式到上臂开通控制模式的改变实例； 图9为第二波形图，用于示出从正常控制模式到上臂开通控制模式的改变实例；图10为一波形图，用于示出在从正常控制模式变到上臂开通控制模式时的控制操作的第一实例；以及图11为一波形图，用于示出在从正常控制模式变到上臂开通控制模式时的控制操作的第二实例。
具体实施例方式下面将参照附图详细介绍本发明的实施例。注意，类似的参考标号表示附图中相同或对应的部件，基本上不重复对其进行介绍。图I为一电路图，用于示出根据本发明的实施例的电动车用充电装置的构造实例。如图I所示，电动车100包含主电池10、电流传感器12、电池传感器15、电池监视单元20、系统主继电器30、DC-DC转换器40、辅机电池45、驱动装置50。如上面介绍的，电动车100被配置为能够使用来自主电池10的电力产生车辆驱动力。电动车辆100包括电气车辆、混合动力车和燃料电池车辆。主电池10被示为“蓄电装置”的典型实例。主电池10典型地由二次电池构成，例如由锂离子电池和镍金属氢化物电池。例如，主电池10的输出电压为大约200V。或者，“蓄电装置”可以例如由电气双层电容器构成，或者可由二次电池和电容器的组合构成。电流传感器12检测主电池10的输出电流(下面也称为电池电流)IB，并将检测到的电池电流IB传送到电池监视单元20。下面，充电期间的电池电流IB用正值表示。电池传感器15被附着到主电池10，并检测电池电压VB和电池温度TB。电池传感器15检测到的电池电压VB和电池温度TB被传送到电池监视单元20。基于电池电流IB、电池电压VB、电池温度TB，电池监视单元20监视主电池10的状态。典型地，电池监视单元20计算充电状态(S0C)，其用当前充电量与主电池10中的满充电容量的比值(O到100%)表示。另外，电池监视单元20基于主电池10的状态来设置主电池10的充电电力上限值和放电电力上限值。充电装置50包含电动发电机(MG)(未不出)和电力转换器(变换器/转换器)(未示出)。电动发电机(MG)用于使用来自主电池10的电力产生车辆驱动力。电力转换器(变换器/转换器)用于驱动电动发电机。另外，在电动车辆100的再生制动期间，电动发电机(MG)作为将减速能量转换为电能的发电机运行。再生电力被电力转换器(变换器/转换器)转换为用于对主电池10充电的电力。系统主继电器30被连接在主电池10和驱动装置50之间的电流承载路径中。系统主继电器30基本上在车辆正在行驶时开通，而系统主继电器30在外部充电期间关断。然而，在外部充电期间，当需要运行辅机系统时，系统主继电器30可通过用户操作等来开通。DC-DC转换器40与驱动装置50并联地连接到系统主继电器30。DC-DC转换器40将主电池10的输出电压降压为辅机系统的电源电压(例如大约12V)。DC-DC转换器40典型地为开关调节器，其包含半导体开关元件(未示出)。所选择的已知电路构造可应用于DC-DC转换器40。辅机电池45用DC-DC转换器40的输出电压充电。辅机负载(未示出)连接到辅机电池45。辅机负载包括音频装置、紧凑型电动机、电子控制单元(ECU)等，其以供自辅机电池45的电力运行。当系统主继电器30开通时，主电池10的电力被供到驱动装置50和DC-DC转换器40。另一方面，当系统主继电器30关断时，包括DC-DC转换器40的辅机系统和驱动装置50从主电池10电气隔离。下面，将详细介绍用于外部充电的构造。电动车辆100还包含外部充电继电器60和充电装置200。充电装置200具有用于外部充电的入口 205。外部充电继电器60在电动车辆100正在行驶时关断，而外部充电继电器60在外部充电期间开通。入口 205经由充电电缆400电气连接到外部电源500。外部电源500典型地为商用系统电源。充电装置200将供自外部电源500的交流电力转换为直流电力，用于对主电池10充电。充电装置200包含DC-DC转换器210、平滑电容器220、AC-DC转换器250、控制装置300、电压传感器302和307以及电流传感器305。控制装置300用包含中央处理单元(CPU)(未示出)和存储器的电子控制单元(ECU)构成。控制装置300被配置为，基于存储在存储器中的映射图和程序，使用由传感器检测的值来执行操作。或者，E⑶的至少部分可被配置为通过硬件——例如电子电路——执行预定的数值/逻辑操作。电压传感器302检测经由入口 205从外部电源500输入的交流电压vac。AC-DC转换器250由非隔离电力转换器构成。AC-DC转换器250将供自外部电源500的交流电压vac (下面，也称为电源电压vac)转换为直流电压,于是,将直流电压输出到电源线PL1。平滑电容器220电气连接在电源线PLl和接地线GL之间。电压传感器307检测电源线PLl的电压，其为平滑电容器220的直流电压vdc。DC-DC转换器210由非隔离的电力转换器构成，并对电源线PLl和电源线PL2之间的直流电力进行转换。当外部充电继电器60开通时，电源线PL2电气连接到主电池10的正电极。类似地，当外部充电继电器60开通时，接地线GL电气连接到主电池10的负电极。DC-DC转换器210具有所谓的升压斩波器构造。具体而言，DC-DC转换器210包含功率半导体开关元件Ql与Q2、电感器LI、电容器Cl。各个功率半导体开关元件(下面也简称为“开关元件”)可以为绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)、功率金属氧化物半导体(MOS)晶体管、功率双极型晶体管等。反并联二极管Dl与D2分别连接到开关元件Ql与Q2。开关元件Ql电气连接在电源线PLl与节点NI之间。开关元件Q2电气连接在节点NI和接地线GL之间。各个开关元件Ql与Q2的开通/关断状态由来自控制装置300的控制信号控制。电感器LI电气连接在节点NI与电源线PL2之间。下面，电感器LI的通过电流被称为电流IL。电容器Cl连接在电源线PL2与接地线GL之间。电容器Cl移除包含在电流IL中的高频分量。可以认为，DC-DC转换器210对应于“第二电力转换器”，开关元件Ql对应于“第一开关元件”，电感器LI对应于“第一电感器”。AC-DC转换器250包含电容器CO、电感器L2、开关元件Q3、反并联二极管D3、二极管D4以及二极管D5-D8。二极管D5-D8构成二极管桥。电容器CO移除供自外部电源500的电源电流iac的高频分量。二极管D5-D8构成二极管桥，对供自外部电源500的电源电压vac进行整流，并将整流后的电源电压vac输出到电源线PL3。电感器L2电气连接在电源线PL3与节点N2之间。电流传感器305检测电感器L2的通过电流iL。开关元件Q3电气连接在节点N2和接地线GL之间。反并联二极管D3连接到开关元件Q3。二极管D4连接在节点N2和电源线PLl之间，使得从节点N2向电源线PLl的方向被设置为前向方向。可以认为，AC-DC转换器250对应于“第一电力转换器”。可以认为，开关元件Q3对应于“第二开关元件”，二极管D4对应于“第一二极管”。另外，可以认为，二极管D5-D8构成的二极管桥对应于“整流器”。基于来自电池监视单元20的电池电流IB和电池电压VB (或/和S0C)、来自电压传感器302的电源电压vac、来自电流传感器305的电流iL、来自电压传感器307的直流电压vdc，控制装置300对使用AC-DC转换器250和DC-DC转换器210的外部充电进行控制。具体而言，控制装置300通过上面介绍的电压和电流获取外部充电的状态，产生用于开关元件Q1-Q3的控制信号，以便适当地控制主电池10的外部充电。图2为一流程图，其示出了由根据该实施例的电动车辆用充电装置执行的外部充电控制。如图2所示，控制装置300在步骤SlOO中判断是否满足开始外部充电的条件。例如，当充电电缆400被正确连接到入口 205且外部充电通过用户指令等等而被指示时，在步骤SlOO中作出肯定的判断。当满足用于开始外部充电的条件时(S100中的是)，控制装置300在步骤S200中开始外部充电。在步骤S200中，例如，外部充电继电器60被开通。在外部充电期间，控制装置300在步骤S300中基于外部充电的状态判断是否满足上臂开通控制——其将在下面详细介绍——适用的条件。于是，当条件不满足(在S300中作出否定判断)时，控制装置300用到步骤S400的过程进行，于是，以正常控制模式控制充电装置200。另一方面，当满足该条件(在S300中作出肯定判断)时，控制装置300用到步骤S450的过程进行，于是，以上臂开通控制模式控制充电装置200。控制装置300在步骤S500中判断主电池10通过外部充电的充电——正常控制模式(S400)或上臂开通控制模式(S450)被应用于其——是否已经完成。例如，当主电池10的SOC已经达到预定水平时，或当用户指定的充电结束时刻已经到来时，在步骤S500中作出肯定的判断。一直到充电完成(在步骤S500中作出否定判断时)，控制装置300重复步骤S300到S500的过程，以便继续主电池10的外部充电。另一方面，当充电已经完成时(当在S500中作出肯定判断时)，控制装置300用到步骤S510的过程进行，于是，结束外部充电。在步骤S510中，例如，外部充电继电器60被关断。通过这种方式，在根据当前实施例的电动车辆用充电装置中，基于外部充电的状态有选择地应用正常控制或上臂开通控制。接着，将要介绍正常控制和上臂开通控制的细节。图3为一波形图，用于示出正常控制模式中的充电装置200的运行。如图3所示，从外部电源500施加的电源电压vac为预定频率(下面称为“电源频率”)的交流电压。在AC-DC转换器250中，电感器L2的电流iL在开关元件Q3的开通时间段中增大；而电感器L2的电流iL在开关元件Q3的关断时间段中减小。通过开关元件Q3上的开通/关断控制，电感器L2的电流iL可被引入与目标电流iL* 一致。另外，经由二极管D4供到电源线PLl的直流可基于目标电流iL*的量值受到控制。也就是说，AC-DC转换器250对从供自外部电源500的电源电压vac到电源线PLl的直流电压vdc的AC-DC转换进行控制。这里，当目标电流iL*被设置为具有与电源电压vac相同相位的交流电流的绝对值时，电源电流iac和电源电压vac具有相同相位，故供自外部电源500的电力的功率因数可近似为I。通过这样做，用电源电流iac和电源电压vac的乘积表达的瞬时电功率VA恒为正值，故作为瞬时电功率VA的平均值的有效电功率Pe增大。也就是说，AC-DC转换器250能够不仅进行AC-DC转换，而且作为功率因数校正(PFC)电路运行。平滑电容器220用经由二极管D4供自AC-DC转换器250的电流充电。另外，从平滑电容器220释放的电流经由DC-DC转换器210被供到主电池10，以便对主电池10充电。通过这些充电和放电，平滑电容器220的电压一也就是说，直流电压vdc—以电源频率两倍的频率波动。充入平滑电容器220或从平滑电容器220释放的电功率Pc以电源频率两倍的频率波动，如同直流电压vdc的情况下一样。注意，如将在下面详细介绍的，AC-DC转换器250中的目标电流iL*的量值(幅度)受到控制，以便将直流电压vdc引入与目标电压vdc* —致。外部充电期间的目标电压vdc*被设置为至少高于电源电压vac的峰值(例如大约300-400V)。如图4所示，通过开关元件Ql上的开通/关断控制，DC-DC转换器210控制电流IL乃至电池电流IB。注意，在DC-DC转换器210中，开关元件Ql与Q2互补地(complementarily)开通或关断。也就是说,开关元件Q2在开关元件Ql的开通时间段期间关断，开关元件Q2在开关元件Ql的关断时间段期间开通。如图4所示，电流IL在开关元件Ql的开通时间段期间增大，电流IL在开关元件Ql的关断时间段期间减小。因此，电流IL的平均值可通过开关元件Ql的占空比受到控制。再度参照图3，主电池10用以这样的方式获得的电池电流IB充电纹波分量由电容器Cl从受到DC-DC转换器210控制的电流IL中移除。电池电流IB对应于电流IL的平均值。DC-DC转换器210对开关元件Ql的占空比进行控制，以便将电流IL引入与目标充电电流IB* 一致。重新参照图1，DC-DC转换器210不必为了仅仅以由外部电源500对主电池10充电的一个方向处理电流控制而包含开关元件Q2，。也就是说，仅需要二极管D2在下臂中存在。然而，通过提供开关元件Q2，主电池10的输出电压可增大，以对平滑电容器220充电。也就是说，提升了外部充电(特别地，在充电开始时)上的控制的灵活性。如图3、图4所示，在正常控制模式下，AC-DC转换器250将来自外部电源500的电源电压vac转换为高于电源电压vac的峰值的直流电压(vdc)，于是，将直流电压(vdc)输出到电源线PLl。于是，DC-DC转换器210以这样的方式将主电池10的电池电流IB调节为目标充电电流IB* 电源线PLl与PL2之间的直流电功率通过开关元件Ql上的开通/关断控制受到转换。接着，将参照图5、图6介绍上臂开通控制期间的充电装置200的运行。如图5所示，在上臂开通控制模式下，DC-DC转换器210将开关元件Ql保持处于开通状态。另一方面，开关元件Q2被保持在关断状态。因此，电源线PLl与PL2恒定地电气连接。结果，电流和电压不在DC-DC转换器210中受到控制，经过开关元件Ql的电流I(Ql)和电感器LI的电流IL各自包含频率为电源频率两倍的波动分量。波动分量在AC-DC转换在AC-DC转换器250中进行时产生。如图6所示，AC-DC转换器250如同正常控制模式的情况下一样运行，并将供自外部电源500的电源电压vac转换为高于电源电压vac峰值的直流电压(vdc)。在上臂开通控制模式下，主电池10经由保持处于开通状态的开关元件Ql连接到平滑电容器220，故直流电压vdc等于电池电压VB0于是，平滑电容器220不作为电力缓冲器发挥作用，而是，供自AC-DC转换器250的电流直接变为用于对主电池10充电的电池电流IB。因此，在AC-DC转换器250中，目标电流iL* (图3)的量值(幅度)不基于直流电压vdc受到控制，而是被设置为与目标充电电流IB*对应的常量。从AC-DC转换器250供到电源线PLl的电流包含频率为电源频率两倍的纹波分量，如同正常控制模式的情况下一样。纹波分量直接叠加在DC-DC转换器210的电流IL、图5所示的开关元件Ql的电流I (Q1)、主电池10的电池电流IB上。图7为一框图，用于示出外部充电控制的控制配置。注意，图7所示的功能块可由这样的电路(硬件)构成其具有与方框对应的功能；或者，可以以这样的方式实现=ECU根据预设的程序执行软件处理。如图7所示，控制装置300包含控制单元320，用于控制AC-DC转换器250 ;控制模式选择单元340 ;控制单元350，用于控制DC-DC转换器210。控制单元320包含减法单元322、328与334、PI运算单元324与332、控制开关330、乘法单元326以及PWM控制单元336。减法单元322从直流电压vdc的目标电压vdc*中减去由电压传感器307检测到的直流电压vdc。PI运算单元324基于由减法单元322计算到的电压差Avdc执行比例积分运算。可以认为，从PI运算单元324得出的控制运算值对应于这样的反馈运算值其将直流电压vdc引入与目标电压vdc* —致。控制开关330根据来自控制模式选择单元340的控制信号Sm受到控制。当正常控制模式被控制信号Sm指示时，控制开关330被控制到“a”侧，并将从PI运算单元324得出的控制运算值设置为目标电流幅度iLA*。另一方面，当上臂开通控制模式被控制信号Sm指示时，控制开关330被控制到“b”侧，并将与目标充电电流IB*对应地确定且不依赖于反馈运算的常量Iconst设置为目标电流幅度iLA*。乘法单元326将通过控制开关330选择的目标电流幅度iLA*乘以正弦函数|sincot|，以计算目标电流iL*。ω对应于外部电源500的电源频率。减法单元328计算由乘法单元326计算得到的目标电流iL*与由电流传感器305检测到的电流iL之间的电流差AiL。PI运算单元332基于由减法单元328计算的电流差AiL进行比例积分运算。减法单元334从电源电压的绝对值|vac|减去从PI运算单元332得到的控制运算值，以便设置控制指令值。PWM控制单元336基于预定频率的载波信号337和来自减法单元334的控制指令值338之间的比较产生用于开关元件Q3的开通/关断控制信号。具体而言，根据一般的脉宽调制(PWM)控制，开关元件Q3在控制指令值338高于载波信号337的电压时开通，而开关元件Q3在控制指令值338低于载波信号337的电压时关断。控制单元350包含减法单元352、PI运算单元354、PWM控制单元356、控制开关360和反转器362。减法单元352从主电池10的目标充电电流IB*中减去电池电流IB。PI运算单元354通过基于由减法单元352计算的电流差ΛΙΒ的比例积分运算产生控制指令值。可以认为，PI运算单元354产生的控制指令值对应于这样的反馈运算值其用于将电池电流IB引入与目标充电电流IB* —致。PWM控制单元356基于预定频率的载波信号357和来自PI运算单元354的控制指令值358之间的比较来产生控制脉冲CP。控制脉冲CP为具有O到I. O的占空比DT的脉冲状信号。控制开关360根据来自控制模式选择单元340的控制信号Sm受到控制。当正常控制模式被控制信号Sm指示时，控制开关360被控制到“a”侧，并输出供自PWM控制单元356的控制脉冲CP，作为用于开关元件Ql的开通/关断控制信号。另一方面，当上臂开通控制模式被控制信号Sm指示时，控制开关360被控制到“b”侧。此时，控制开关360将保持在逻辑高电平(即DT=L O)的信号输出为用于开关元件Ql的开通/关断控制信号，以便将开关元件Ql保持处于开通状态。反转器362对用于开关元件Ql的开通/关断控制信号的逻辑电平进行反转，以便产生用于开关元件Q2的开通/关断控制信号。控制模式选择单元340基于主电池10的外部充电状态确定上臂开通控制是否适用。当上臂开通控制适用的条件满足时，控制模式选择单元340产生控制信号Sm，以便选择上臂开通控制模式。另一方面，当上臂开通控制适用的条件不满足时，控制信号Sm被设置为选择正常控制模式。例如，基于电池电压VB与来自外部电源500的电源电压vac的峰值(幅度值)之间的比较，控制模式选择单元340判断上臂开通控制是否适用。在上臂开通控制模式下，主电池10和电源线PLl保持由开关元件Ql连接，故电池电压VB等于直流电压vdc。因此，在非隔离的AC-DC转换器250中，当电池电压VB低于电源电压vac的峰值(幅度值)时，来自外部电源500的电源电流iac不能准确受到控制。结果，存在这样的担心流经充电装置200的电流和充电电流(电池电流IB)变得过大，或者，效率降低，这是由于功率因数不能通过AC-DC转换器250得到改进。因此，当电池电压VB高于电源电压vac的峰值时，控制模式选择单元340判断为上臂开通控制适用，并选择上臂开通控制模式。另一方面，当电池电压VB低于电源电压vac的峰值时，控制模式选择单元340判断为上臂开通模式不适用，选择正常控制模式。图8示出了从正常控制模式变为上臂开通控制模式的第一实例。如图8所示，在开始外部充电的时刻t0，电池电压VB低于电源电压vac的峰值。因此，不致动上臂开通模式，主电池10以正常控制模式受到外部充电。由于正常控制模式的外部充电，电池电压VB逐渐增大。于是,在时刻tl,电池电压VB高于电源电压vac的峰值。结果，致动上臂开通控制，因此，在时刻tl之后，主电池10以上臂开通控制模式受到外部充电。于是，在时刻t2，主电池10的充电完成，以结束外部充电。通过这样做，可以应用用于增大DC-DC转换器120的效率的上臂开通控制，同时，避免这样的充电状态当应用上臂开通控制时，存在对过电流或功率因数减小的担心。另外，AC-DC转换器250能够通过正常控制模式和上臂开通控制模式作为PFC电路运行，故外部充电的效率增大。注意，在开始外部充电时(时刻to)，如果电池电压VB已经高于电源电压vac的峰值，可以通过仅仅应用上臂开通控制模式进行外部充电。或者，基于通过外部充电对主电池10进行充电的充电电力，控制模式选择单元340判断上臂开通控制是否适用。如图5所示，在上臂开通控制模式下，频率为电源频率两倍的纹波电流在开关元件Ql的通过电流I (Ql)中发生。结果，电流I (Ql)的峰值增大，因此,有必要仅仅在这样的条件下限制上臂开通控制的应用即使在这样的纹波电流流动时，通过电流I (Ql)落在不超过开关元件Ql的电流额定值的范围内。图9为从正常控制模式变为上臂开通控制模式的第二实例。如图9所示，在外部充电开始时(时刻t0)，目标充电电流IB*被设置为与充电电力Pch的正常值对应的预定值。在正常充电电力时，上臂开通控制不被致动，应用正常控制模式。由于正常控制模式的外部充电，主电池10的SOC逐渐增大。于是，当SOC达到预定值且检测到充电已经进行到特定程度时(时刻tll)，目标充电电流IB*减小，以便减小充电电力Pch。于是，当充电电力Pch或目标充电电流IB*减小到预定阈值时(时刻tl2)，判断为满足上臂开通控制适用的条件。通过这样做，在时刻tl2之后，主电池10以上臂开通控制模式外部受到充电。在充电电力Pch低的状态下，也就是说，在目标充电电流IB*低的状态下，峰值电流被抑制为低的值，即使是在上臂开通控制模式被应用且纹波电流被叠加在开关元件Ql的电流I (Ql)之上时。换句话说，基于在应用上臂开通控制时包含纹波电流的电流I (Ql)的峰值、目标充电电流IB*和开关元件Ql的电流额定值之间的相互关系，可以预先确定用于判断上臂开通控制模式是否适用的目标充电电流IB (或充电电力Pch)的阈值。于是，在时刻t2，主电池10的充电完成，以结束外部充电。通过这样做，可以实现应用上臂开通控制的高效率外部充电，同时，避免这样的充电状态在应用上臂开通控制时，存在过电流流经开关元件的担心。注意，在能够处理200VAC外部电源500的充电装置200中，当外部充电以低于额定值的电力执行时，例如在外部充电用100VAC外部电源500执行时，可以通过从开始外部充电(时刻t0)到充电完成时(时刻t2)仅仅应用上臂开通控制模式来进行外部充电。通过这种方式，使用根据当前实施例的电动车辆用充电装置，可以基于外部充电的状态适当地应用上臂开通控制。也就是说，应用上臂开通控制，以避免过电流或功率因数减小，于是，可以通过应用上臂开通控制来实现高效率的外部充电。
接着，将进一步介绍从正常控制模式变为上臂开通控制模式时的优选变化控制。图10示出了第一波形图，其用于示出从正常控制变到上臂开通控制时的控制操作。如图10所示,一直到时刻ta,如图8或图9所示,上臂开通控制适用的条件不满足，应用正常控制模式。因此，图7所示的控制开关330和360各自连接到“a”侧。结果，通过AC-DC转换器250的开关元件Q3上的开通/关断控制，直流电压vdc被控制为目标电压vdc*。如上面所介绍的，目标电压vdc*被设置在高于主电池10的输出电压的范围之中。于是，DC-DC转换器210的开关元件Ql受到开通/关断控制，由此降低直流电压vdc并对主电池10充电。在时刻ta，当上臂开通控制适用的条件满足时，提供这样的待机时间段TO :其中，AC-DC转换器250和DC-DC转换器210 —度停止(are oncestopped)。在待机时间段TO期间，平滑电容器220使用放电电阻器(未示出)放电，故直流电压vdc逐渐减小。在图I的构造中，放电电阻器可与平滑电容器220并联连接在电源线PLl和接地线GL之间。在待机时间段TO期间，直流电压vdc下降到电池电压VB。在直流电压vdc已经达到电池电压VB之后，电流从主电池10经由二极管Dl供到平滑电容器220，故主电池10的电压和平滑电容器220的电压保持相等。当待机时间段TO在时刻tb结束时，AC-DC转换器250和DC-DC转换器210重新致动，应用上臂ON控制模式。通过这样做，图7所示的控制开关330和360各自连接到“b”侧。在DC-DC转换器210中，开关元件Ql保持处于开通状态。另一方面，借助通过开关元件Q3上的开通/关断控制将电源电压vac转换为直流电压，AC-DC转换器250产生用于对主电池10充电的充电电流。通过应用如图10所示从正常控制模式变到上臂开通控制模式的控制，在开始上臂开通控制时，当开关元件Ql开通时立即发生的浪涌电流可得到抑制。结果，可以进一步平滑地应用上臂开通控制。图11为一波形图，用于示出从正常控制模式变到上臂开通控制模式时的控制操作的第二实例。如图11所示，如同图10的情况下一样，一直到满足上臂开通控制适用的条件的时刻ta，应用正常控制模式。另外，从时刻ta到时刻tb提供待机时间段T0。在待机时间段TO期间，AC-DC转换器250和DC-DC转换器210保持致动，应用正常控制模式。于是，平滑电容器220的目标电压vdc*逐渐下降到此时的电池电压VB。在AC-DC转换器250中，开关元件Q3的开通/关断占空比受到控制，使得直流电压vdc随着目标电压vdc*减小。通过这样做，直到待机时间段TO终止的时刻，直流电压vdc降低到电池电压VB0从时刻tb起，如同图10的情况下一样，应用上臂开通控制模式。通过这样做，图7所示控制开关330和360各自连接到“b”侧。于是，在DC-DC转换器210中，开关元件Ql保持在开通状态。另一方面，借助通过开关元件Q3上的开通/关断控制将电源电压vac转换为直流电压，AC-DC转换器250产生用于对主电池10充电的充电电流。通过应用图11所示的从正常控制模式变到上臂开通控制模式的控制，如同图10的情况下一样，在开始上臂开通控制时，当开通开关元件Ql时立即发生的浪涌电流可得到抑制。另外，不同于图10所示的充电控制，没有必要提供用于平滑电容器220的放电电容
器，故效率可得到进一步提升。注意，图10、图11所示的待机时间段TO可在基于计时器值或类似物的恒定时间段过去后终止，或者可响应于这样的事实终止基于检测电压的比较，检测到直流电压vdc已经降低到电池电压VB。另外，充电装置200的构造、特别是AC-DC转换器250的构造和DC-DC转换器210的构造不限于所示出的当前实施例。也就是说，只要AC-DC转换器250为能够将供自外部电源500的电源电压vac转换为高于电源电压峰值电压的直流电压的非隔离电力转换器，与图I构造不同的电路构造可应用于AC-DC转换器250。另外，只要DC-DC转换器210为包含被布置为当开关元件保持在开通状态时构成从AC-DC转换器250向主电池10直接供给电流的路径并能够在开关元件受到开通/关断控制时控制用于对主电池10进行充电的充电电流的开关元件的非隔离构造，不同于图I构造的电路构造可被应用到DC-DC转换器210。上面介绍的实施例在其所有方面是说明性而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求限制。本发明的范围旨在包括落入所附权利要求及其等价内容的范围的全部修改。本发明的实施形态可应用于当为电动车辆装配的蓄电装置用车辆外部的电源充电时的充电控制。
权利要求
1.一种用于装有蓄电装置的电动车辆的充电装置，所述充电装置包括第一电力转换器，其将供自外部电源的交流电压转换为高于所述交流电压的峰值电压的直流电压，并将所述直流电压输出到第一电源线；以及，第二电力转换器，其在由所述外部电源对所述蓄电装置进行充电的外部充电期间，对所述第一电源线和第二电源线之间的直流电力进行转换，其中，所述第二电源线电气连接到所述蓄电装置的正电极，所述充电装置的特征在于 所述第二电力转换器包括第一开关元件，其电气连接在第一节点和所述第一电源线之间；以及，第一电感器，其电气连接在所述第一节点和所述第二电源线之间； 所述充电装置还包括控制装置，所述控制装置对所述第一电力转换器和所述第二电力转换器进行控制，并且 在所述外部充电期间，基于所述外部充电的状态，所述控制装置选择第一控制模式和第二控制模式的任意一者，在所述第一控制模式下，所述蓄电装置通过所述第一开关元件上的开通/关断控制受到充电，在所述第二控制模式下，所述蓄电装置在所述第一开关元件保持处于开通状态的同时受到充电。
2.根据权利要求I的充电装置，其中，当所述蓄电装置的电压高于所述交流电压的峰值电压时，所述控制装置选择所述第二控制模式。
3.根据权利要求I的充电装置，其中，当用于对所述蓄电装置进行充电的充电电力低于预定水平时，所述控制装置选择所述第二控制模式。
4.根据权利要求1-3中任意一项的充电装置，其中， 所述第一电力转换器包括 整流器，其对供自所述外部电源的所述交流电压进行整流，接着，将整流电压输出到第三电源线； 第二电感器，其电气连接在所述第三电源线和第二节点之间； 第一二极管，其电气连接在所述第二节点和所述第一电源线之间，使得从所述第二节点到所述第一电源线的方向被设置为前向方向；以及 第二开关元件，其电气连接在所述第二节点和第四电源线之间，所述第四电源线电气连接到所述蓄电装置的负电极，且其中， 所述控制装置控制所述第二开关元件的开通/关断状态，使得经过所述第二电感器的电流与目标电流一致，所述目标电流为相位与所述交流电压的相位一致的交流电流的绝对值，并且，在所述第一控制模式下，所述控制装置基于所述第一电源线的电压对所述目标电流的幅度进行控制；而在所述第二控制模式下，不论所述第一电源线的电压如何，所述控制装置将所述目标电流的幅度保持为恒定。
5.根据权利要求1-4中任意一项的充电装置,其中,在所述第一控制模式下,基于用于对所述蓄电装置进行充电的充电电流与目标充电电流之间的差，所述控制装置对所述第一开关元件的开通/关断状态的占空比进行控制。
6.根据权利要求1-5中任意一项的充电装置,其中,在所述第一控制模式被选择时，当所述外部充电的状态满足所述第二控制模式能够适用的预定条件时，在所述第一电源线的电压已经降低为所述蓄电装置的电压后，所述控制装置从所述第一控制模式变为所述第二控制模式。
7.根据权利要求6的充电装置，其中，当所述外部充电的状态满足所述预定条件时，所述控制装置停止所述第一电力转换器与所述第二电力转换器，并通过使用放电电阻器进行放电来降低所述第一电源线的电压。
8.根据权利要求6的充电装置，其中，当所述外部充电的状态满足所述预定条件时，所述控制装置将供到所述第二电力转换器的所述第一电源线的电压的目标电压降低为所述蓄电装置的电压。
全文摘要
AC-DC转换器(250)将供自外部电源(500)的交流电压(vac)转换为高于交流电压峰值电压的直流电压，并将直流电压输出到第一电源线(PL1)。在正常控制模式下，DC-DC转换器(210)通过开关元件(Q1)上的开通/关断控制对电源线(PL1)的电压进行降压，以便对主电池(10)进行充电。另一方面，在上臂开通控制模式下，DC-DC转换器(210)在开关元件(Q1)保持处于开通状态的同时对主电池(10)进行充电。基于外部充电的状态，控制装置(300)在上臂开通控制适用的条件满足时应用上臂开通控制模式，在该条件不满足时应用正常控制模式。
文档编号H02M3/155GK102985281SQ201180033087
公开日2013年3月20日 申请日期2011年7月4日 优先权日2010年7月5日
发明者居安诚二, 胁本亨, 板垣宪治, 杉山义信 申请人:丰田自动车株式会社