JP2010526524A - 充電器の並列動作のための回路構成 - Google Patents

Abstract

充電器の並列動作のための回路構成であって、各充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）が、電流の経路に直列に、少なくとも１つの電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ）と、インダクタンス（Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎ）と、充電電流の方向に開いている少なくとも１つの半導体手段（Ｄ１、Ｄ２、・・・、Ｄｎ）とを備えており、充電器の出力端子が、互いに並列に接続されており、各充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）において、電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ）およびインダクタンス（Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎ）の瞬間的な電圧の和が、少なくとも充電期間の継続時間の間、時々刻々の電池の端子電圧に達し、充電期間または充電期間の一部において、電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ）の放電電流が、充電対象の電池（Ｂ）へと流入する回路構成。

Description

本発明は、それぞれが所定の充電電力に向けてそれぞれ設計されていて、交流幹線である供給元から供給を受け、それぞれが充電対象の電池への接続のための直流出力端子ペアをそれぞれ備えており、前記出力端子ペアの間にパルス状の直流電圧の反復的連続を測定することができ、前記連続のパルスが前記供給の交流のパルスに一致して生じ、前記パルス状の直流電圧のピーク値が前記充電対象の電池の公称の端子電圧よりも高い充電器を、並列に動作させるための回路構成に関する。

多数の電池を使用するユーザにおいては、使用される電池の電荷貯蔵能力に一致するために必要とされる充電電力に合わせて設計された充電器を使用する必要があるという困難性が生じる。充電器の製造者は、電力定格の異なるいくつかの種類の充電器を販売している。ユーザにおいて、必要とされる全体としての充電電力がしばしば変化し、どのように利用可能な充電器を並列に接続することによって利用可能な充電電力を大きくするかについて、現実的な技術的解決策は存在しておらず、あるいはそのような技術的解決策は、いくつかの限界を抱えている。

いくつかの個別の充電器の電力を組み合わせる際のそのような困難の理由は、標準的な充電器が、端子電圧が負荷につれて狭い範囲内で変化する直流電圧発生器として設計されているため、容易に理解することができる。充電器から得ることができる電力は、基本的には、充電器の公称の出力電圧と充電中の電池の実際の端子電圧との間の電圧差によって決定される。電池の電圧が、充電器回路の公称の出力電圧よりも高い場合、充電電流が急激に減少し、逆の状況においては、充電電流が急激に増加する。

例えば、電池の充電のために１０ｋＷの電力が必要とされ、この電力が、それぞれ５ｋＷ、３ｋＷ、および２ｋＷという定格出力を有する３つの充電器の並列接続によってもたらされる場合、並列接続されるすべての充電器の電圧−電流曲線が同一であることが、保証されなければならない。もしいずれかの充電器が過負荷になり、比例的に割り当てられる電流を供給できない場合、残りの充電器も過負荷になり、動作を停止するか、あるいは壊れてしまう。

電圧発生器を有する充電器は、適切な検査および制御の回路が追加で使用される場合に、一時的な様相でのみ並列に接続することが可能であるが、その特性は、充電器の柔軟な使用に重大な制限をもたらし、高度な制御が必要であるため、投資コストが高くなる。

米国特許第７，１３５，８３６号に、充電器の上述の形式の並列接続の例が記載されており、主制御ユニットがそれぞれの充電器を検査するために使用され、すべての充電器が、測定される充電パラメータに従って主制御回路によって調節されている。この回路構成において、使用されている充電回路はすべて同一の定格出力および設計を有しており、充電器の出力端子が、被制御のスイッチを介して、制御部によって定められる時間期間に限り、並列に接続され、並列動作と称する説明にもとづいて期待されるのと異なり、恒久的なやり方では接続されていない。

電圧発生器型の充電器に属さないと考えることができる内部設計を有するさらなる充電器回路が知られている。国際公開ＷＯ０１／０６６１４号に記載の充電器回路においては、時々刻々の充電電圧が、充電されたコンデンサおよび励起されたインダクタンスのエネルギーのベクトル和によってもたらされている。この励起されるインダクタンスは、主変圧器の二次巻線によって実現されている。この回路は、交流主電圧の両方の半周期を利用し、大きな出力電流を有する特有の充電プロセスを提供している。出力電圧の一成分が１つ以上のキャパシタンスの電圧によって構成されているという事実が、充電対象の電池の短絡が生じても回路の動作が損なわれる可能性がなく、電池の端子電圧が充電プロセスを適切なやり方で制御できるため、充電プロセスを柔軟にしている。

同様のさらなる充電器回路が、本出願と同時に係属中である「Ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ」、「Ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｅｒ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｔｈｒｅｅ−ｐｈａｓｅ ｍａｉｎｓ」、および「Ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｔｗｏ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」という名称の本出願の出願人の３つの特許出願に記載されている。これらの充電回路は、所定の電荷を有する１つ以上の電解コンデンサおよび適切に励起されるインダクタンス、好ましくは変圧器の二次巻線および少なくとも１つのダイオードを、充電電流の経路線と直列に備えているため、本出願に記載の設計に類似している。

本発明の目的は、充電器回路の並列接続のための回路構成であって、それぞれの充電回路がそれらの特有の定格出力に応じて充電プロセスに寄与し、充電回路の並列接続に起因する上述の問題が生じない回路構成を提供することにある。

この目的を達成するために、発明者は、従来からの充電器の上述の問題が、そのような充電器が電圧発生器として設計されていることに関係しており、それ故に完全に取り除くことができないことに気が付いた。本発明によれば、発明者は、主たる充電回路に電解コンデンサおよびインダクタンスを備えている充電器の場合に、出力電圧の値が、充電プロセスを制御することしかできないが、このプロセスを電圧発生器の原理に従って製作された充電器の場合に生じるほどには制限しないことに気が付いた。前者の設計、すなわちコンデンサをインダクタンスに直列に備えている充電器においては、充電下の電池の電圧が、短い充電期間において出力電圧を一定に保ち、したがってインダクタンス（すなわち、変圧器の二次巻線）において測定できる電圧が増加する範囲によって、充電されたコンデンサの電圧が低下する一方で、充電電流の程度は、コンデンサの電荷の喪失および変圧されたインダクタンスのエネルギーの組み合わせの効果によって決定される。

したがって、上述の設計の充電器は、それらに関する充電期間の間、それらの充電エネルギーを電池に「届け」る。充電期間においては、電池を、電池の電圧が交流幹線の供給元の全周期または半周期（例えば、２０ｍｓまたは１０ｍｓ）において変化することがあり得ない線形な装置と考えることができる。並列接続された充電器のそれぞれの充電電流が、互いに重ね合わせられ（それぞれの充電期間が互いに重なり、あるいは重複する場合）、それらの充電器が、互いに別個独立であるものとして動作する。

以上に照らし、さらには上述の特性を利用することによって、充電器を並列に動作させるための回路構成であって、それぞれの充電器が、所定の充電電力に向けてそれぞれ設計されていて、交流幹線である供給元から供給を受け、それぞれの充電器が、充電対象の電池への接続のための直流出力端子ペアをそれぞれ備えており、前記出力端子ペアの間にパルス状の直流電圧の反復的連続を測定することができ、前記連続のパルスが前記供給の交流のパルスに一致して生じ、前記パルス状の直流電圧のピーク値が前記充電対象の電池の公称の端子電圧よりも高い回路構成が、本発明によって提供される。本発明によれば、前記充電器のそれぞれが、充電電流の流れの方向に解釈される電流経路と直列に、高キャパシタンス値の少なくとも１つの電解コンデンサと、インダクタンスと、前記充電電流の流れの方向に開いている少なくとも１つの半導体手段とを備えており、前記充電器の前記出力端子が、互いに並列に接続されており、前記充電器のそれぞれについて、各充電期間において前記電解コンデンサおよび前記インダクタンスの瞬間的な電圧のベクトル和が、少なくとも充電対象の電池の実際の電圧によって定まる充電期間の継続時間の間、時々刻々の電池の端子電圧に達することが真実であり、前記充電期間または前記充電期間の一部において、前記特定の充電器の前記電解コンデンサの放電電流が、前記充電対象の電池へと流入する。

供給の最も簡単なやり方は、幹線から生じる。別の供給は、例えば車両において、必要とされる供給のために車両の既存のＡＣ発電機を使用することによることができる。

幹線の負荷の分散および平滑な充電という両方の観点から、充電器が、多相幹線である供給元の別々の相の線から供給を受けることが好ましい。

実際の電池の充電の仕事を、ユーザが公称充電電力の異なる充電器を有しており、それらを実際の充電電力の需要に応じて互いに接続できる場合、ユーザにおいてより簡単なやり方で解決することができる。

互いの接続は、並列接続される充電器の数が、それらの充電器の公称の充電電力の和と電池を充電するために必要な充電電力との間に、電力の和が必要な充電電力よりも大きく、あるいは少なくとも等しいような釣り合いを生み出すべく選択されるように、行われなければならない。

コンデンサに蓄えられるエネルギーは、前記交流幹線である供給元の周波数が約５０／６０Ｈｚである場合に、電解コンデンサのそれぞれのキャパシタンスが１００μＦよりも大きく、好ましくは数千μＦに達することができると、充分であろう。周波数が高くなると、最小のキャパシタンスも、比例して減らすことができる。

充電器が、同様に高キャパシタンス値である少なくとも１つのさらなる電解コンデンサと、この少なくとも１つのさらなる電解コンデンサを第１の電解コンデンサに並列に接続する被制御の半導体スイッチとを備えている場合、適切なキャパシタンスの選択を行うことが可能である。

そのような充電器回路によって実現される充電プロセスは、これらの充電器への供給のやり方とは無関係であり、並列な充電器のうちの別々の充電器が、異なる周波数で動作している異なる交流幹線である供給元から供給を受けることも可能である。そのような解決策によれば、例えば幹線から供給を受ける充電器を、現場のモータによって駆動される発電機から供給を受ける別の充電器と並列に接続することができ、この第２の充電器を、必要とされる充電エネルギーが利用可能な幹線から取り出すことができる電力よりも大きい場合に、動作させることができる。

並列に接続された複数の充電器の概略の回路図を示している。 種々の種類の充電の特徴である時間曲線を示している。

次に、本発明を、添付の図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施の形態に関連して説明する。

図１が、ｎ個の別々の充電器Ｃｈ１、Ｃｈ２、Ｃｈ３、・・・、Ｃｈｎを示しており、そのそれぞれの中身は、例えば上述の国際公開ＷＯ０１／０６６１４号の図７に示されているとおりに設計されており、これらの充電器が、充電対象の電池へと、交流の幹線電圧の各周期において、それぞれの充電パルスの連続ペアを生成する。より見易くするために、充電器Ｃｈ１、Ｃｈ２、Ｃｈ３、・・・、Ｃｈｎが、主たる充電回路に配置された構成要素、すなわち大きなキャパシタンス値（例えば、１００μＦ超）を有する電解コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ２、・・・、Ｃｎ、直列インダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３、・・・、Ｌｎ、およびいずれも充電電流によって順方向にバイアスされるダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・、Ｄｎによって、概略的に示されている。例えば、充電器Ｃｈ１を上述の刊行物の図７に示されている回路と比較した場合、この図１のコンデンサＣ１が、上記図７の直列にもたらされるコンデンサＣ１またはＣ２に相当し、インダクタンスＬ１が、変圧器Ｔｒの二次巻線（その電圧は、変圧されたエネルギーによって生成される）のインダクタンスに相当する。ダイオードＤ１は、グレーツ回路にブリッジ接続された順方向バイアスのダイオードである。一般に、２つの電解コンデンサおよび２つのダイオードが、インダクタンスに並列に接続されるが、より良い説明のために、これらの素子が、図においてはただ１つの構成部品によって表わされている。

図１は、充電器Ｃｈ１、Ｃｈ２、Ｃｈ３、・・・、Ｃｈｎの出力が、単純に互いに並列に接続され、充電対象の電池Ｂへと直接接続される旨を示している。

この並列接続が、いかなる困難も伴わずに実現可能であり、電圧発生器として設計された充電器に関連して詳しく説明した問題が現れない旨を、述べておかなければならない。動作が、図２の時間曲線に関連して説明される。

上述の充電器のそれぞれが、前記引用した刊行物に詳しく説明されているとおり、時間変化する電流パルスを生成し、パルスの形状および強度のどちらも、充電対象の電池Ｂの端子電圧Ｕｂに依存するが、図２の時間曲線は、本発明を理解するために実際の曲線を正確に知る必要はないため、正確な波形の代わりに、簡略化した電流パルスを示している。

図２ａは、充電器Ｃｈ１のインダクタンスＬ１へと変圧されたときの整流済みの幹線の電圧の波形を示しており、全波整流が使用されている。５０Ｈｚの周波数を有する幹線の場合には、全周期（２つの半周期）は、２０ｍｓである。充電器Ｃｈ１の電圧が適切に調節される場合、充電器Ｃｈ１は、整流済みの幹線の電圧がしきい値レベルＵｔｈよりも高いときに充電電流パルスをもたらす。充電器Ｃｈ１の出力電流パルスが、図２ｂにパルスＩ１として示されている。第２の充電器Ｃｈ２が、自身の出力電流パルスを第１の充電器Ｃｈ１のときに生成するが、より出力が小さいと仮定すると、第２の充電器Ｃｈ２によって生成されるパルスＩ２の強度は、パルスＩ１よりも小さい。幹線電圧の或る選択された１周期において、これらのパルスは２回出現し、その幅（継続時間）は、半周期の継続時間よりも短い。

電池Ｂの端子電圧Ｕｂは、２０ｍｓという所定の短い期間の間では変化することがありえず（電池Ｂの充電プロセスは、周期の時間に比べてきわめてゆっくりとしたプロセスであり、数時間もかかることさえありうるため）、さらには、途中まで充電された電池Ｂは線形素子である。すなわち電池Ｂが（所与の範囲内において）無制限な量の充電電流を受け取ることができるため、充電器Ｃｈ１およびＣｈ２の電流パルスＩ１およびＩ２は、あたかも単独で、すなわち他方の充電器を存在させずに電池を充電しているかのように、（電池Ｂを充電すべく）電池Ｂに向かって同様に流れる。図２ｃは、電池Ｂを充電する電流Ｉを示しており、Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２であって、充電器Ｃｈ１およびＣｈ２のそれぞれが自身の定格出力を電池へと供給すると理解することができる。さらなる充電器Ｃｈ３、・・・、Ｃｈｎが第１および第２の充電器Ｃｈ１およびＣｈ２からなる並列グループに並列に接続される場合、これと同じ線形加算が得られる。

電圧発生器式の設計の充電器を使用する場合、インダクタンスＬ１およびＬ２に現れる電圧ＵＬ１およびＵＬ２が異なり、均一化の電流が両者の間を流れ始めるか、あるいはより高い電圧を有する供給元だけしか充電に使用することができず、他方の充電器（電圧が低い方）が働かない点で、問題がある。本発明の場合には、電圧の釣り合いが、電解コンデンサＣ１およびＣ２の存在によって自動的に保証される。これらのコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧は、式ＵＣ１＋ＵＬ１＝Ｕｂ＝ＵＣ２＋ＵＬ２が常に真であるような様相で変化する。この式において、ダイオードＤ１の順方向バイアス電圧ＵＤ１（典型的には０．３〜０．５Ｖであり、２つの直列接続ダイオードの場合には２倍）は考慮されていないが、正確な計算の場合には、これも考慮しなければならない。充電プロセスの開始の瞬間においてコンデンサＣ１がすでに充電されているという事実（この初期の充電は、充電パルス間の経過時間の間に充電回路によってもたらされる）に照らし、そこに蓄えられたエネルギーは、充電パルスＩ１のエネルギーに加算される。この系の一般式は、
ＵＣ１＋ＵＬ１＝ＵＣ２＋ＵＬ２＝ＵＣ３＋ＵＬ３＝・・・＝ＵＣｎ＋ＵＬｎ
である。

充電プロセスは、充電器Ｃｈ１、Ｃｈ２、Ｃｈ３が三相の幹線の供給の各相から供給を受ける交流幹線の電圧線から供給を受ける場合に、より滑らかかつより一様になる。図２ｄが、そのような供給を示しており、それぞれ前のものから１２０°だけずれている２×３個の半周期を見て取ることができ、このことは、充電パルスＩ１、・・・、Ｉ３が時間において互いに重なり合うことも意味する。電池Ｂが、わずかに脈打っているが決して消え去ることがない電流である図２ｆに示されるとおりの結果としてのパルスＩ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３によって充電される。

なお、充電プロセスは、ゆっくりと変化する電池Ｂの端子電圧Ｕｂによっても制御される。この自動的な調節に加え、充電プロセスを、いくつかある他のやり方で制御することが可能であり、そのような可能性は、充電回路に関する前記引用の特許公開に詳しく説明されている。それらの可能性の中でも、都合の良い１つ、すなわち大きなキャパシタンス（例えば、１００μＦ超）を有する電解コンデンサのキャパシタンス値をさらなる電解コンデンサを並列に挿入（または、除去）することによって変更できることに、触れておかなければならない。この可能性が、図１において最後の充電器Ｃｈｎに関連して示されており、コンデンサＣｎ１に平行な半導体スイッチＫによって、もう１つのコンデンサＣｎ２（さらに、必要であればさらなるコンデンサ）を接続することができる。半導体スイッチの設計は、例えば国際公開ＷＯ２００５／０７８８８号に記載されているような設計であってよく、直列のインダクタンスが電流の立ち上がりの急峻さを抑える。

個別の充電器の並列接続がいかなる特有の手段も必要としないという事実は、電池Ｂのゆっくりとした充電プロセスを、充電状態が続行および変化するにつれて制御することが、不可能であることを意味しない。個々の充電器の充電特性を、別個独立に、しかしながら好ましくは協調したやり方で、変化させることができる。

本発明を使用することによって、より大きな電池のユーザらは、出力定格の異なる比較的少数の充電器を使用することによって、実質的に無制限の充電電力を実現することができる。これは、より大きな出力定格の充電器をより小さな充電器を増やして並列接続することによって実現できるため、充電器の製造者の観点からも、好ましい技術的解決策である。これは、製造者が例えばただ１つの出力定格に合わせて設計された充電器のより大きな組を製造しなければならないことで、充電器の単一コストが、より大きな規模での生産に照らして小さくなるという結果をもたらすことができる。

本発明は、ユーザにとって多彩な可変性を生み出すことで、必要とされる充電器（異なる出力定格を有する）の数を少なくすることができ、一時的なニーズを満足させることができる。

Claims (7)

1. それぞれが所定の充電電力に向けてそれぞれ設計されていて、交流幹線である供給元から供給を受け、それぞれが充電対象の電池への接続のための直流出力端子ペアをそれぞれ備えており、前記出力端子ペアの間にパルス状の直流電圧の反復的連続を測定することができ、前記連続のパルスが前記供給の交流のパルスに一致して生じ、前記パルス状の直流電圧のピーク値が前記充電対象の電池の公称の端子電圧よりも高い充電器を、並列に動作させるための回路構成であって、
   前記充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）のそれぞれが、充電電流の流れの方向に解釈される電流経路と直列に、高キャパシタンス値の少なくとも１つの電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ）と、インダクタンス（Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎ）と、前記充電電流の流れの方向に開いている少なくとも１つの半導体手段（Ｄ１、Ｄ２、・・・、Ｄｎ）とを備えており、前記充電器の前記出力端子が、互いに並列に接続されており、前記充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）のそれぞれについて、各充電期間において前記電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ）および前記インダクタンス（Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎ）の瞬間的な電圧のベクトル和が、少なくとも充電対象の電池（Ｂ）の実際の電圧によって定まる充電期間の継続時間の間、時々刻々の電池の端子電圧に達することが真実であり、前記充電期間または前記充電期間の一部において、前記特定の充電器の前記電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ）の放電電流が、前記充電対象の電池（Ｂ）へと流入することを特徴とする回路構成。
2. 前記充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）が、多相幹線である供給元の別々の相の線から供給を受ける請求項１に記載の回路構成。
3. 前記所定の充電電力が、前記充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）のうちの異なる充電器について異なっている請求項１に記載の回路構成。
4. 並列接続される充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）の数が、前記充電器の公称の充電電力の和と電池（Ｂ）を充電するために必要な充電電力との間に、前記和が前記必要な充電電力よりも大きく、あるいは少なくとも等しいような釣り合いを生み出すように選択される請求項１に記載の回路構成。
5. 前記電解コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎ）のそれぞれのキャパシタンスが、前記交流幹線である供給元の周波数が約５０／６０Ｈｚである場合に、１００μＦよりも大きい請求項１に記載の回路構成。
6. 前記充電器（Ｃｈｎ）が、高キャパシタンス値の少なくとも１つのさらなる電解コンデンサ（Ｃｎ２）と、前記少なくとも１つのさらなる電解コンデンサ（Ｃｎ２）を前記電解コンデンサ（Ｃｎ）に並列に接続する被制御の半導体スイッチ（Ｋ）とを備えている請求項１に記載の回路構成。
7. 前記並列な充電器（Ｃｈ１、Ｃｈ２、・・・、Ｃｈｎ）が、異なる周波数で動作している異なる交流幹線である供給元から供給を受ける請求項１に記載の回路構成。

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