特開 2024-158216 充放電スタンド

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024158216

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】充放電スタンド

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20241031BHJP

   B60L 50/60 20190101ALI20241031BHJP

   B60L 53/14 20190101ALI20241031BHJP

   B60L 53/30 20190101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 P

H02J7/00 S

B60L50/60

B60L53/14

B60L53/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073224

(22)【出願日】2023-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】下垣 勇介

【テーマコード（参考）】

5G503

5H125

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503FA14

5H125AA01

5H125AC12

5H125AC24

5H125BC21

5H125BE02

5H125DD02

5H125FF14

(57)【要約】

【課題】車両用の充放電スタンドを提供する。
【解決手段】充放電スタンドは、直流電源と、コネクタと、直流電源とコネクタとを接続する第１および第２電力線を備える。充放電スタンドは、第１電力線の経路上に配置されているダイオードを備える。ダイオードは、直流電源側がアノードであり、コネクタ側がカソードである。充放電スタンドは、ダイオードと並列接続されているスイッチを備える。充放電スタンドは、スイッチのオンオフを制御する制御回路を備える。充放電スタンドは、ダイオードに対して直流電源側に配置されている第１および第２コンデンサを備える。第１コンデンサは第１電力線とグランドとを接続し、第２コンデンサは第２電力線とグランドとを接続している。制御回路は、第１電力線と第２電力線との間に発生したサージ電圧が、予め定められたしきい値電圧を超えることに応じて、スイッチをオフ状態からオン状態にする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源と、
車両と接続可能に構成されているコネクタと、
前記直流電源と前記コネクタとを接続する第１電力線および第２電力線と、
前記第１電力線の経路上に配置されているダイオードであって、前記直流電源側がアノードであり、前記コネクタ側がカソードである、前記ダイオードと、
前記ダイオードと並列接続されているスイッチと、
前記スイッチのオンオフを制御する制御回路と、
前記ダイオードに対して前記直流電源側に配置されている第１コンデンサおよび第２コンデンサと、
を備え、
前記第１コンデンサは、前記第１電力線とグランドとを接続しており、
前記第２コンデンサは、前記第２電力線と前記グランドとを接続しており、
前記制御回路は、前記第１電力線と前記第２電力線との間に発生したサージ電圧が、予め定められたしきい値電圧を超えることに応じて、前記スイッチをオフ状態からオン状態にする、
充放電スタンド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示する技術は、車両用の充放電スタンドに関する。

【背景技術】

【0002】

充放電スタンドを用いて車両のバッテリを充放電する技術が知られている。特許文献１には、車両の電気系統をサージ電圧から保護するサージ保護装置を備えた車両が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】ＷＯ２０１４／１１８００２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

車両にサージ保護回路を搭載すると、車両の製造コストが増大したり、車両の体格や重量が増大してしまうおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する充放電スタンドは、直流電源を備える。充放電スタンドは、車両と接続可能に構成されているコネクタを備える。充放電スタンドは、直流電源とコネクタとを接続する第１電力線および第２電力線を備える。充放電スタンドは、第１電力線の経路上に配置されているダイオードを備える。ダイオードは、直流電源側がアノードであり、コネクタ側がカソードである。充放電スタンドは、ダイオードと並列接続されているスイッチを備える。充放電スタンドは、スイッチのオンオフを制御する制御回路を備える。充放電スタンドは、ダイオードに対して直流電源側に配置されている第１コンデンサおよび第２コンデンサを備える。第１コンデンサは、第１電力線とグランドとを接続している。第２コンデンサは、第２電力線とグランドとを接続している。制御回路は、第１電力線と第２電力線との間に発生したサージ電圧が、予め定められたしきい値電圧を超えることに応じて、スイッチをオフ状態からオン状態にする。

【0006】

上記の構成によると、サージ電圧が所定のしきい値を超えたときに、スイッチによってダイオードをバイパスすることができる。これにより、サージ電流を第１コンデンサおよび第２コンデンサを経由してグランドに放電することができる。よって、コネクタを経由して車両へ流れ込むサージ電流を抑制することが可能となる。その結果、車両に搭載するサージ保護回路を小型化することや省略化することができるため、車両のコスト削減や重量低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】充電システム１の全体構成の概略図である。

【図2】充放電スタンド３の動作を説明するフローチャートである。

【図3】比較例と本実施例の充放電スタンドにおけるサージ電圧波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１に、充電システム１の全体構成の概略図を示す。充電システムは、車両２および充放電スタンド３を備える。

【0009】

（充放電スタンド３の構成）
充放電スタンド３は、ＡＣ／ＤＣ整流器ＤＥ１、突入電流抑制回路ＤＥ２、コネクタ１０、正極側電力線Ｗ１１、負極側電力線Ｗ１２、信号線Ｗ１３、接地線Ｗ１４、
ＥＭＩフィルタＣＲ１、制御回路ＣＲ２、逆流防止ダイオードＤ１、スイッチＳＷ１、寄生インダクタンスＰＬ１－ＰＬ４、寄生抵抗ＰＲ１－ＰＲ４、を備えている。

【0010】

コネクタ１０は、車両２のインレット２０と接続可能な部位である。コネクタ１０がインレット２０と係合することにより、正極側電力線Ｗ１１とＷ２１とが接続し、負極側電力線Ｗ１２とＷ２２とが接続し、信号線Ｗ１３とＷ２３とが接続し、接地線Ｗ１４とＷ２４とが接続する。コネクタ１０は、正極側電力線Ｗ１１および負極側電力線Ｗ１２によって、ＡＣ／ＤＣ整流器ＤＥ１に接続されている。ＡＣ／ＤＣ整流器ＤＥ１は、直流電源として機能する部位である。

【0011】

ＡＣ／ＤＣ整流器ＤＥ１は、突入電流抑制回路ＤＥ２を経由してＥＭＩフィルタＣＲ１に接続されている。ＥＭＩフィルタＣＲ１は、ＹコンデンサＣ１およびＣ２、ＸコンデンサＣ３、を備えている。ＹコンデンサＣ１は、正極側電力線Ｗ１１とグランドＧＮ１とを接続している。ＹコンデンサＣ２は、負極側電力線Ｗ１２とグランドＧＮ２とを接続している。ＸコンデンサＣ３は、正極側電力線Ｗ１１と負極側電力線Ｗ１２とを接続している。

【0012】

ＥＭＩフィルタＣＲ１に対してコネクタ１０側（下流側）の正極側電力線Ｗ１１の経路上には、逆流防止ダイオードＤ１が配置されている。すなわち、ＥＭＩフィルタＣＲ１のＹコンデンサＣ１およびＣ２は、逆流防止ダイオードＤ１に対してＡＣ／ＤＣ整流器ＤＥ１側（上流側）に配置されている。逆流防止ダイオードＤ１は、ＡＣ／ＤＣ整流器ＤＥ１側がアノードであり、コネクタ１０側がカソードである。逆流防止ダイオードＤ１は、車両２からＡＣ／ＤＣ整流器ＤＥ１へ電流が逆流することを防止する部位である。逆流防止ダイオードＤ１は、ある特定の充放電規格では、搭載が必須とされている。特定の規格の一例としては、ＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）が挙げられる。

【0013】

ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１は、逆流防止ダイオードＤ１と並列接続されている。ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１のゲートは、制御回路ＣＲ２に接続されている。制御回路ＣＲ２は、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１のオンオフを制御する回路である。具体的には、制御回路ＣＲ２は、正極側電力線Ｗ１１と負極側電力線Ｗ１２との間の電圧Ｖ１が予め定められたしきい値電圧を超えることに応じて、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１をオフ状態からオン状態にする。

【0014】

制御回路ＣＲ２は、ツェナーダイオードＺＤ１、抵抗器Ｒ１－Ｒ３、トランジスタＱ１、を備えている。ツェナーダイオードＺＤ１のカソードは、正極側電力線Ｗ１１に接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１のアノードは、抵抗器Ｒ１およびＲ２を介して負極側電力線Ｗ１２に接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１は、前述のしきい値電圧を設定する素子である。具体的には、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧（逆方向のブレークダウン電圧）によって、しきい値電圧を予め規定することができる。しきい値電圧は、後述するサージ電圧を抑制する効果が得られるように、適宜設定すればよい。抵抗器Ｒ１とＲ２の接続ノードは、トランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のエミッタは負極側電力線Ｗ１２に接続されており、コレクタはＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１のゲートに接続されている。抵抗器Ｒ３は、プルアップ抵抗であり、正極側電力線Ｗ１１とＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１のゲートとの接続経路上に配置されている。

【0015】

接地線Ｗ１４の下流側はコネクタ１０に接続されており、上流側はグランドＧＮ３に接続されている。信号線Ｗ１３の下流側はコネクタ１０に接続されており、上流側はスイッチＳＷ１を介してグランドＧＮ３に接続されている。スイッチＳＷ１は、充放電動作の開始および停止を制御するための部位である。スイッチＳＷ１は、不図示のコントローラによってオンオフ制御される。

【0016】

正極側電力線Ｗ１１、負極側電力線Ｗ１２、信号線Ｗ１３、接地線Ｗ１４の各々は、寄生インダクタンスＰＬ１－ＰＬ４および寄生抵抗ＰＲ１－ＰＲ４を備えている。図１ではこれらの寄生インダクタンスおよび寄生抵抗を素子として記載しているが、実際にはこれらの素子は存在していなくてもよい。

【0017】

（車両２の構成）
車両２は、インレット２０、バッテリＥ１、正極側電力線Ｗ２１、負極側電力線Ｗ２２、信号線Ｗ２３、接地線Ｗ２４、リレーＲＹ１およびＲＹ２、ＥＭＩフィルタＣＲ３、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）＿ＤＥ３を備えている。バッテリＥ１は、再充電可能な直流電源である。バッテリＥ１とインレット２０とは、正極側電力線Ｗ２１および負極側電力線Ｗ２２によって接続されている。

【0018】

バッテリＥ１は、ＥＭＩフィルタＣＲ３に接続されている。ＥＭＩフィルタＣＲ３は、ＹコンデンサＣ４およびＣ５、ＸコンデンサＣ６、を備えている。ＹコンデンサＣ４は、正極側電力線Ｗ２１と接地線Ｗ２４とを接続している。ＹコンデンサＣ５は、負極側電力線Ｗ２２と接地線Ｗ２４とを接続している。ＸコンデンサＣ６は、正極側電力線Ｗ２１と負極側電力線Ｗ２２とを接続している。ＥＭＩフィルタＣＲ３とインレット２０との接続経路上には、リレーＲＹ１およびＲＹ２が配置されている。リレーＲＹ１およびＲＹ２は、ＥＣＵ＿ＤＥ３によってオンオフ制御される。

【0019】

ＥＣＵ＿ＤＥ３は、内部回路ＤＥ４およびサージ保護回路ＣＲ４を備える。内部回路ＤＥ４は、車両２のさまざまな機能を電子制御する装置である。サージ保護回路ＣＲ４は、コンデンサＣ７およびツェナーダイオードＺＤ２を備えている。ツェナーダイオードＺＤ２は双方向ダイオードであり、信号線Ｗ２３と接地線Ｗ２４との間を接続する。コンデンサＣ７は、信号線Ｗ２３と接地線Ｗ２４との間を接続する。内部回路ＤＥ４およびサージ保護回路ＣＲ４は、低圧回路である。

【0020】

（充放電スタンド３の動作）
図２のフローチャートを用いて、充電開始時の充放電スタンド３の動作を説明する。このフローは、コネクタ１０がインレット２０に係合されている状態で開始される。ステップＳ１０において、充放電スタンド３を用いてバッテリＥ１を充電する充電シーケンスを開始するか否かが判断される。この判断は、例えば、不図示の充電スイッチがオンされることに応じて行われてもよい。否定判断される場合（Ｓ１０：ＮＯ）には待機し、肯定判断される場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）にはステップＳ２０へ進む。

【0021】

ステップＳ２０において、充放電スタンド３と車両２との間で、充電前の情報交換が行われる。交換される情報の一例としては、バッテリＥ１の電力残量などが挙げられる。ステップＳ３０において、充電開始前の装置状態の診断結果（例：絶縁・短絡診断）が、良好であるか否かが判断される。良好でない場合（Ｓ３０：ＮＯ）にはフローを終了し、良好である場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）にはステップＳ４０へ進む。

【0022】

ステップＳ４０において、スイッチＳＷ１が、オフ状態からオン状態に切り替えられる。これにより信号線Ｗ１３およびＷ２３の電圧がグランド電圧となり、充電システム１が充電開始可能な状態となる。

【0023】

ステップＳ５０において、リレーＲＹ１およびＲＹ２が、オフ状態からオン状態に切り替えられる。リレーＲＹ１およびＲＹ２のオン時には、サージ電圧が発生する。サージ電圧は、正極側電力線Ｗ１１と負極側電力線Ｗ１２との間の電圧Ｖ１に重畳するため、電圧Ｖ１が瞬間的に上昇する。

【0024】

ステップＳ６０において、サージ電圧の重畳した電圧Ｖ１が、しきい値電圧を超過して上昇したか否かが判断される。当該判断は、ツェナーダイオードＺＤ１によって行うことができる。否定判断される場合（Ｓ６０：ＮＯ）にはＳ１１０へスキップし、肯定判断される場合（Ｓ６０：ＹＥＳ）にはステップＳ７０へ進む。

【0025】

ステップＳ７０－Ｓ１００において、サージ電流のバイパス動作が行われる。具体的に説明する。Ｓ７０において、しきい値電圧（すなわちツェナー電圧）を超過する電圧Ｖ１がツェナーダイオードＺＤ１に印加される結果、ツェナーダイオードＺＤ１がブレークダウンする。そしてツェナーダイオードＺＤ１にツェナー電流が流れる。これにより、抵抗器Ｒ１を通じてトランジスタＱ１に電流供給されるため、トランジスタＱ１がオフ状態からオン状態に遷移する（ステップＳ８０）。

【0026】

オン状態のトランジスタＱ１によって、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１のゲート電圧が低下するため、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１がオフ状態からオン状態に遷移する（ステップＳ９０）。これにより、逆流防止ダイオードＤ１のアノード・カソード間が、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１によってバイパスされる。サージ電流は、バイパス経路であるＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１を経由して、ＥＭＩフィルタＣＲ１に流れ込む（図１、矢印Ｙ２０参照）。そしてＹコンデンサＣ１およびＣ２を経由して、グランドＧＮ１およびＧＮ２に放電される（ステップＳ１００）。

【0027】

サージ電流の放電が完了すると、ツェナーダイオードＺＤ１は降伏状態から回復する。従って、トランジスタＱ１がオフ状態へ戻る。抵抗器Ｒ３を通じた電流供給により、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１のゲート電圧が上昇するため、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１がオフ状態に戻る。これにより、充電シーケンスが続行される（ステップＳ１１０）。

【0028】

ステップＳ１２０において、充電シーケンスを終了するか否かが判断される。この判断は、例えば、不図示の充電スイッチがオフされることに応じて行われてもよい。否定判断される場合（Ｓ１２０：ＮＯ）には充電シーケンスを続行し、肯定判断される場合（Ｓ１２０：ＹＥＳ）にはフローを終了する。

【0029】

（サージ電圧波形の比較）
リレーＲＹ１およびＲＹ２のオン時に発生するサージ電圧の波形を、比較例の充放電スタンド（図３（Ａ））と、本実施例の充放電スタンド３（図３（Ｂ））との間で比較した。比較例の充放電スタンドは、本実施例の充放電スタンド３に比して、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１および制御回路ＣＲ２を備えていない点のみが異なる。

【0030】

図３（Ａ）を用いて、比較例の充電スタンドにおけるサージ電圧波形を説明する。時刻ｔ１においてスイッチＳＷ１がオンされる。その後、時刻ｔ２においてリレーＲＹ１およびＲＹ２がオンされると、電圧Ｖ１にサージ電圧が発生する（領域Ａ１参照）。逆流防止ダイオードＤ１が配置されているため、サージ電流は、充放電スタンド３側のＹコンデンサＣ１およびＣ２に流れることができない。従って、サージ電流は、車両２側のＹコンデンサＣ４およびＣ５を介して、低圧回路へ回り込む（図１、矢印Ｙ１０参照）。さらにサージ電流は、接地線Ｗ２４およびＷ１４を経由して、充放電スタンド３の出力に配置されているＹコンデンサＣ１およびＣ２に流れ込む。このとき、経路上にある寄生インダクタンスＰＬ、寄生抵抗ＰＲ、Ｙコンデンサ容量によるＲＬＣ共振回路により、電圧Ｖ２に共振が発生する（領域Ａ２参照）。この共振電圧の電位差によって、車両２の低圧回路（例：ＥＣＵ＿ＤＥ３）が破壊する恐れがある。

【0031】

図３（Ｂ）を用いて、本実施例の充放電スタンド３におけるサージ電圧波形を説明する。時刻ｔ２においてリレーＲＹ１およびＲＹ２がオンされると、電圧Ｖ１にサージ電圧が発生する。サージ電圧の重畳した電圧Ｖ１が、しきい値電圧を超過するため、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１がオンする（ステップＳ６０－Ｓ９０）。サージ電流は、バイパス経路であるＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１を経由して、ＹコンデンサＣ１およびＣ２に流れ込むことができる（図１、矢印Ｙ２０参照）。そしてサージ電流は、グランドＧＮ１およびＧＮ２に放電される（ステップＳ１００）。これにより、サージ電流が、車両２側の低圧回路へ回り込むことを抑制することができる。従って、電圧Ｖ２の電圧共振を抑制することが可能となる（領域Ａ３参照）。

【0032】

（課題および効果）
課題を説明する。上述のように、比較例の充放電スタンドでは、リレーＲＹ１およびＲＹ２のオン時に発生するサージ電流が、車両２側の低圧回路に回り込んでしまう。これに対し、サージサプレッサーダイオードやサージ対策用コンデンサを、車両２の低圧回路に配置する対策がある。しかし、低圧回路に大きなサイズのデバイスを配置することになるため、ＥＣＵの基板面積が増大したり、車両２の製造コストが増大してしまう。そこで本明細書の技術では、サージ電圧の重畳した電圧Ｖ１がしきい値電圧を超えたときに、ＭＯＳＦＥＴ＿Ｍ１によって逆流防止ダイオードＤ１をバイパスすることができる。これにより、サージ電流を充放電スタンド３側で直接に吸収することができる。従って、車両２に搭載する各種の保護回路（例：サージ保護回路ＣＲ４）を、小型化することや省略化することができる。ＥＣＵの小型化や、車両２のコスト削減が可能となる。そして本明細書の技術は、逆流防止ダイオードＤ１が必須とされている規格（例：ＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標））に準じた充放電スタンド３において、特に有用である。

【0033】

近年、ＳｉＣやＧａＮなど高速スイッチングが可能な化合物半導体トランジスタの活用が進んでおり、充放電スタンド３側のＥＭＩフィルタＣＲ１の定数を大きくするニーズが高まっている。しかし充放電スタンド３のＥＭＩフィルタ定数を大きくすると、サージ電流の車両側への回り込みが大きくなり、車両の低圧回路の共振電圧振幅が大きくなる問題があった（図３（Ａ）、領域Ａ２参照）。本明細書の技術では、サージ電流の車両側への回り込み自体を抑制できるため、この問題を解決することができる。よって、充放電スタンド３のＥＭＩフィルタ定数の設定自由度を高めることが可能となる。

【0034】

（変形例）
本明細書の技術の適用範囲は、ＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）規格のスタンド（Ｖ２Ｈ、Ｖ２Ｂ、Ｖ２Ｇ）に限られず、様々な規格のスタンド（例：ＤＣ急速充電スタンド、外部給電スタンド）に適用可能である。

【0035】

車両２は、バッテリＥ１に蓄えられた電力のみを用いて走行可能な電気自動車（ＢＥＶ）であってもよいし、バッテリＥ１に蓄えられた電力とエンジン（不図示）の出力との両方を用いて走行可能なプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）であってもよい。

【符号の説明】

【0036】

１：充電システム ２：車両 ３：充放電スタンド １０：コネクタ ２０：インレット ＣＲ１：ＥＭＩフィルタ ＣＲ２：制御回路 Ｃ１、Ｃ２：Ｙコンデンサ Ｄ１：逆流防止ダイオード ＤＥ１：ＡＣ／ＤＣ整流器 ＧＮ１、ＧＮ２：グランド Ｍ１：ＭＯＳＦＥＴ Ｗ１１：正極側電力線 Ｗ１２：負極側電力線

【図1】

【図2】

【図3】