JP2012020729A - 電気自動車の電気的負荷を充電するためのアッセンブリ及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の電気推進システムの電気的負荷に対し、予備充電低電流状態、定常状態高電流充電状態、及びアンコネクト状態を提供するため、充電アッセンブリ及び充電方法を提供する。
【解決手段】充電アッセンブリは、プラス側接触器デバイス、マイナス側接触器デバイス、及び無接点接触器デバイス手段を含む。電気的負荷の予備充電速度を、無接点接触器デバイス手段が受け取ったパルス幅変調（ＰＷＭ）信号によって効果的に制御してもよい。電流のみを搬送するプラス側接触器又はマイナス側接触器は、充電アッセンブリの作動中にプラス側接触器及びマイナス側接触器の接点でアーク放電が発生しないように、無接点接触器デバイス手段とともに作動するように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）又は電気自動車（ＥＶ）用電気推進システムの充電アッセンブリに関する。更に詳細には、充電アッセンブリは、プラス側接触器デバイス、マイナス側接触器デバイス、及びこれらの接触器デバイスと作動的に協働し、電気的負荷の予備充電低電流状態、定常状態高電流充電状態、及び非接続（アンコネクト）状態を提供する非接触器デバイス手段とを含む。

図１の従来技術の形体に示すように、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）又は電気自動車（ＥＶ）（図示せず）で使用される電気的負荷（１）の充放電を行うことが周知である。電気的負荷（１）は、この負荷（１）に定常状態高電流が加えられる前に所定の電圧値に予備充電される。第１接触器デバイス即ちプラス側接触器デバイス（２）、第２接触器デバイス即ちマイナス側接触器デバイス（３）、及び第３接触器デバイスをコントローラ（５）で作動的に制御し、電気的負荷（１）に所定の予備充電電圧値を提供する。接触器デバイス（２、３）は、直流３００ｖ乃至４００ｖ又はそれ以上の代表的な電圧定格及び直流数百Ａ（アンペア）又はそれ以上の代表的な連続電流定格で作動するように電気定格が定められたデバイスと定義される。接触器デバイス（４）は、電圧定格が接触器デバイス（２、３）と同様であるが、電流定格は、１０Ａ乃至２０Ａの範囲の低い連続した直流電流である。接触器デバイス（２、３）のパッキングサイズは、一般的には、代表的には、高さが約１０ｃｍ、直径が約７ｃｍである。接触器デバイス（４）は、代表的な高さが５ｃｍ、代表的な長さが４ｃｍ、及び代表的な幅が３．５ｃｍである。これらの接触器デバイスは、これらのデバイスの周知の電気回路絶縁特性のために使用される。例えば、代表的な接触器デバイスの絶縁抵抗は５００Ω／ｖよりも大きくてもよい。定常状態高電流が電気的負荷に加えられる前に、負荷を所定の電圧値に予備充電するのが望ましい。これにより、接点を閉じたときにプラス側接触器及びマイナス側接触器を通る突入電流を制限し、電気的負荷に加わる電気エネルギを制限できる。バッテリー（６）が、接触器デバイス即ちリレー（２、３、４）を通して、電気的負荷（１）に電気的に接続されている。これらのリレー（２、３、４）は開閉リレー（make/break relays）である。これらのリレーは、接点を閉じたとき、電気回路を閉じるものと定義される。電気回路が閉じられている場合、電流が夫々のリレーを通って流れる。回路が開放すると断路がなされ、その場合、電流はリレーを通って流れない。第３接触器デバイスを通して電気的負荷を予備充電するのが望ましい。これによって、大きな電位を持たない電気的負荷に対して第１及び第２の接触器デバイスが閉じるように行われる。大きな電位を持つ電気的負荷に対して第１及び第２の接触器デバイスを閉じると、接触器に対して望ましからぬ損傷が加わり、又はその使用寿命が短くなる場合がある。同様に、大きな電気的負荷が加わった接触器によって電気回路を遮断した場合でも、接触器の使用寿命が短くなるという望ましからぬ結果がもたらされる。

電流制限抵抗器（７）が第３接触器リレー（４）に電気的に直列に接続されている。電流制限抵抗器（７）は、電気的負荷（１）のところで所定の予備充電電圧値を得るため、バッテリー（６）から第３接触器リレー（４）を通して加えられた電流を制限するのに使用される。電気的負荷（１）に電流が加わらないようにするため、接触器リレー（２、３、４）を作動的に制御することにより、電気的負荷（１）をバッテリーと電気的に接続された状態から断ってもよく、即ちアンコネクト状態にしてもよい。

バッテリー（６）の電圧を電気的負荷（１）に供給する第３接触器リレー（４）の大きさ、重量、及び費用は、望ましからぬ程に大きい。電流制限抵抗器（７）は、大きさ及び重量が望ましからぬ程に大きく、更に、望ましからぬことに、この抵抗器に加えられた電圧と関連して熱を放出する。電流制限抵抗器（７）の物理的な大きさは、代表的には、長さが１２ｃｍであり、高さが約２ｃｍである。電流制限抵抗器（７）の抵抗値が、電気的負荷（１）での予備充電電圧値を決定する。異なる他の予備充電電圧値にする融通性はない。

丈夫であり且つ信頼性がある充電アッセンブリを提供するのが望ましい。この充電アッセンブリは、電気的負荷に対し、予備充電状態、定常状態高電流状態、及び非接続（アンコネクト）状態を提供するように形成されていることが望ましい。また、この充電アッセンブリは、充電アッセンブリを形成する、対応の電気部品の大きさが、小さく、重量が軽く、部品点数が少なく、低コストであることが望ましい。更に、電気的負荷の予備充電値について複数の値のうちの一つの値を自在に得られるのが望ましい。

電気的負荷への充電を行うため、また、電気的負荷との間を電気的に非接続（アンコネクト）にするため、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）又は電気自動車（ＥＶ）用電気推進システムで充電アッセンブリを使用する。電気的負荷の充電には、少なくとも一つの電気的負荷を電気的負荷の接地電位よりも高い電圧レベルまで充電する予備充電工程が含まれる。電気的負荷の充電には、更に、予備充電状態が得られた後の所定の時点で定常状態高電流充電状態を提供する工程が含まれる。電気的負荷は、充電アッセンブリが電気的に遮断されるように形成されたとき、電気的にアンコネクトされてもよい。充電アッセンブリは、プラス側接触器デバイス、マイナス側接触器デバイス、無接点接触器デバイス手段を含む。これらは互いに協働し、電気的負荷に対し、予備充電状態、定常状態高電流充電状態及び非接続（アンコネクト）状態を提供する。

本方法は、予備充電状態及び定常状態高電流充電状態を可能化するために提供される。更に、電気的負荷について、アンコネクト状態を可能化するための別の方法が提供される。

本発明を添付図面を参照して以下に詳細に説明する。

図１は、ハイブリッド自動車で使用される従来技術の充電回路の概略電気回路図である。 図２は、ソリッドステート電気デバイスを本発明に従って使用する、ハイブリッド自動車に配置された充電アッセンブリを示す図である。 図３は、図２の充電アッセンブリの概略電気回路図である。 図４は、電気的負荷について、図３の充電アッセンブリを使用して予備充電状態及び定常状態高電流状態を得るための方法を示す図である。 図５は、図３の充電アッセンブリを使用して電気的負荷を非接続（アンコネクト）とするための方法を示す図である。 図６は、本発明の別の実施例に従って、パルス幅変調（ＰＷＭ）電気信号を使用してソリッドステートデバイスを作動的に制御する充電アッセンブリの概略電気回路図である。 図７は、本発明の更に別の実施例に従って、ソリッドステート電気デバイスに直列に電気的に接続された低電圧リレーを使用する充電アッセンブリの概略電気回路図である。 図８は、本発明の他の実施例に従って、予備充電電圧値を電気的負荷に提供するため、低電圧リレーを含む充電アッセンブリの概略電気回路図である。

ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）は、従来の内燃エンジン推進システムと電気推進システムとを組み合わせたものである。電気自動車（ＥＶ）は、一般的には、電気推進システムしか備えていない。電気推進システムは、ＨＥＶ及びＥＶを補助し、従来の内燃エンジンしか持たない自動車を越える高い燃費を達成する。図２を参照すると、一般に周知のＨＥＶはハイブリッド自動車１０である。本発明は、ハイブリッド自動車１０での使用に限定されておらず、ＨＥＶ技術を使用する全ての種類の自動車に適している。例えば、ピックアップ等のハイブリッドトラック及びトラクター−トレーラートラックが消費者の間で益々一般的になっている。

本発明の好ましい実施例によれば、図２を参照すると、自動車１０は、電気推進システム１２を含む。電気推進システム１２は、バッテリー１４、単一の電気的負荷１６、及びこれらの夫々に接続された充電アッセンブリ１８を含む。充電アッセンブリ１８は、バッテリー１４と負荷１６との間に配置される。バッテリー１４は、自動車１０のフロアに沿って配置された状態で示してある。別の態様では、バッテリーは、ＨＥＶ又はＥＶについての電気的用件に合致する自動車の任意の場所に積載されてもよい。充電アッセンブリ１８は、バッテリー１４からの電圧／電流負荷をゲートし（ゲートでコントロールし）、ブリッジする（橋絡する）のに使用される。充電アッセンブリ１８は、電気的負荷に対し、予備充電低電流状態、定常状態高電流充電状態、及び非接続（アンコネクト）状態を含む。予備充電状態は、電気的負荷１６が、バッテリー１４からの電圧によって、制御された態様で充電される場合であると定義される。予備充電状態中、バッテリー及び電気的負荷は、定常状態高電流状態におけるよりも限定された態様で接続される。定常状態高電流状態は、充電アッセンブリの作動中、予備充電状態後の所定の時点で電気的負荷１６が電気エネルギで連続的に充電される場合であると定義される。定常状態高電流状態中、バッテリー１４及び電気的負荷１６は直接的に接続されている。非接続（アンコネクト）状態は、電気的負荷１６がバッテリーに接続されていない状態、即ち外されている状態であると定義される。

電気的負荷１６に電圧が加わっている状態を維持するのが望ましい。充電アッセンブリ１８は、電気的負荷１６を電圧で予備充電するのに使用され、負荷１６に対し、定常状態高電流状態を提供する。電気的負荷１６に蓄えられたエネルギは、充電アッセンブリ１８の電磁的性能の改善を補助する。好ましくは、充電アッセンブリ１８は、バッテリー１４の近くに配置され、電気推進システムを電気的に遮断したとき、ＨＥＶ自動車１０に配置された電気ライン、ワイヤ、又はケーブル（図示せず）に高い電流が流れないようにする上で有用である。電気的負荷１６は、充電アッセンブリ１８とバッテリー１４とから離れて配置されている。別の態様では電気的負荷は、充電アッセンブリの近くに配置されてもよい。図２に示すように、電気的負荷１６は、ハイブリッド自動車１０のエンジンルーム１７に配置される。複数のバッテリーセル２０が互いに電気的に接続されている。これらのセルは、電気推進システム１２の作動中に電気的負荷１６に電流が確実に連続的に供給されるようになっている。別の態様では、バッテリーは単一のバッテリーセル（図示せず）であってもよい。好ましくは、電気的負荷１６は、下流のＤＣ／ＤＣコンバータアッセンブリ（図示せず）に接続された容量性電気的負荷２２である。容量性電気的負荷２２は、フィルタリングを行い、電気エネルギを下流の電気的負荷と隣接して局所的に貯蔵し、望ましからぬ電磁的磁気干渉（ＥＭＩ）を減少する上で有利である。下流の電気的負荷に対してエネルギを局所的に貯蔵することにより、高電圧電気エネルギが、下流の電気的負荷から離して配置されたバッテリーから、ＨＥＶを通って引き出されないようにする。例えば、下流の電気的負荷は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）とすることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、バッテリーから供給された高電圧レベルを、ＨＥＶのヘッドライト、クラクション、ラジオ、等への比較的低い電圧負荷に変換する。別の態様では、下流の電気的負荷は、インバータ／モータ駆動アッセンブリであってもよい。

電気的負荷１６が接地基準電位にある場合、充電アッセンブリ１８の定常状態高電流状態を電気的負荷１６に供給するのは望ましくない。幾つかのＨＥＶの用途は、直流０ｖの所定の接地基準電位を持つ。電気的負荷１６を適当な電位まで予備充電し、下流の電気的負荷が効率的に作動できるようにする。別の態様では、電気的負荷１６は、電気的抵抗負荷であってもよいし、電気的誘導負荷であってもよい。更に別の態様では、電気的負荷１６は、ＨＥＶの特定の用途の必要に応じて下流の電気的負荷に夫々連結された又は組み合わせられた複数の電気的負荷を含んでいてもよい。

例えば、電気的負荷が接地電位にあるときに定常状態高電流状態が生じた場合、接触器の早期アーク放電により、接触器及び充電アッセンブリが同時に損傷する。更に好ましくは、定常状態高電流状態が電気的負荷に加わる前に、電気的負荷を、接地電位よりも大きいがバッテリーの電圧レベルよりも低い所定の電圧値に予備充電するのが望ましい。電気的負荷１６を所定の電圧レベルまで予備充電した後、電気推進システム１２の定常状態作動中に電気的負荷１６の電圧要求及び電流要求を確実に維持するため、充電アッセンブリ１８は高電流充電の連続的供給を供給するようになっている。

充電アッセンブリ１８は、更に、電流がこれ以上供給されて電気的負荷１６が充電されないようにするため、充電アッセンブリ１８の電気的遮断前に、電気的負荷１６との間を非接続（アンコネクト）とするアンコネクト状態を持つようになっている。アンコネクト状態は、サービスマンが充電アッセンブリ１８の保守又は電気推進システム１２の一部の保守を行う必要がある場合に起こり得る、望ましからぬ感電死又は他の傷害がサービスマンに起こらないようにする上で有用である。代表的には、充電がなされた回路の夫々の電気的負荷に電気的に接続された下流の電気的負荷が、蓄えられたエネルギを電気的負荷に放出する。非接続（アンコネクト）状態は、ＨＥＶが望ましからぬ事故状態にある場合にも有利である。事故が起こった場合、コントローラは、充電アッセンブリを含む電気推進システムの電気的遮断を行うように形成されている。別の態様では、複数の電気的負荷を同時に予備充電してもよい。更に別の態様では、複数の電気的負荷をバッテリーと同時に定常状態高電流状態に置いてもよい。他の態様では、複数の電気的負荷をバッテリーから同時に非接続（アンコネクト）にしてもよい。

図３を参照すると、充電アッセンブリ１８は、プラス側接触器デバイス即ちリレー２６、マイナス側接触器デバイス即ちリレー２８、及び無接点（非接触式の）接触器デバイス即ちリレー手段２９を含む。無接点接触器デバイス手段は、直流数百ｖよりも低い電圧で回路の開閉を行うデバイスと定義される。接触器リレー２６、２８は、ＯＮ位置及びＯＦＦ位置を有する。ＯＮ位置にある場合、接触器２６、２８はバッテリー１４を電気的負荷１６に電気的に接続する。ＯＦＦ位置にある場合、接触器２６、２８はバッテリー１４が電気的負荷１６に電気的に接続された状態を切る。閉路／開路接触器２６、２８は、小さなレーズンボックスと同様の物理的大きさを備えていてもよく、即ち約５０．８ｍｍ×７６．２ｍｍ（約２インチ×３インチ）の寸法面積を備えていてもよい。無接点接触器リレー手段２９は、ソリッドステート電気デバイス３０である。ソリッドステートデバイス３０は、ＩＧＢＴ電気デバイス、ＭＯＳＦＥＴ電気デバイス、又はバイポーラ電力電気デバイス(bipolar power electrical device)等であってもよい。プラス側接触器リレー２６は、バッテリー１４のプラス側３２及び電気的負荷のプラス側３４に電気的に接続されている。マイナス側接触器リレー２８は、バッテリー１４の戻し側(return side)３６及び電気的負荷１６の戻し側３８に電気的に接続されている。接触器リレー２６は、接触器リレー２８に並列に電気的に接続されている。ソリッドステートデバイス３０は、バッテリーのプラス側３２及び電気的負荷のプラス側３４に電気的に接続されている。ソリッドステートデバイス３０は、接触器リレー２６、２８に並列に電気的に接続されている。接触器リレー２６、２８、及びソリッドステートデバイス３０は、コントローラ３９に電気的に接続されている。コントローラ３９は、デバイス２６、２８、３０を作動的に制御し、負荷１６に予備充電電圧を提供し、更に負荷１６に定常状態高電流状態を提供する。好ましくは、コントローラ３９は、コンピュータやプロセッサ等であってもよく、好ましくは、自動車のバッテリーの近くに配置され、電気推進システム１２の部分である。コントローラ３９は、電気推進システム１２に配置されるが、充電アッセンブリ１８には配置されない。別の態様では、コントローラは、充電アッセンブリの部分としてパッケージされる。接触器リレー２６、２８は、更に、電気推進システム１２が使用されていない場合に、ＨＥＶの乗員又はＨＥＶの保守を行うサービスマンを高電圧から保護する上で有用である。接触器リレー２６、２８が電気的に接続されている場合には、これらの接触器リレー２、２８に電気的に接続された電気回路には、印加電圧で３００ｖ乃至４００ｖが急激的に加わる。

充電アッセンブリ１８が作動していない場合又は電気的にＯＦＦ状態にある場合には、バッテリー１４から負荷１６に電圧も電流も送出されない。プラス側接触器デバイス２６及びマイナス側接触器デバイス２８は、バッテリー１４及び負荷１６との連結を提供せず、バッテリー１４から電気的負荷１６に電圧も電流も送出されない。

図４を参照すると、充電アッセンブリ１８は、この充電アッセンブリ１８が電気的にＯＮ状態になっているときに負荷１６を充電するように作動し、定常状態作動で使用される。負荷１６を充電する方法４０は、無接点接触器デバイス手段を提供する工程４２を含む。別の工程４４は、マイナス側接触器デバイス２８を使用してバッテリー１４を少なくとも一つの電気的負荷１６に電気的に接続する工程を含む。方法４０の別の工程４５は、無接点接触器デバイス手段２９を使用してバッテリー１４を少なくとも一つの電気的負荷１６に電気的に接続する工程を含む。これにより、充電アッセンブリ１８を予備充電状態にする。充電アッセンブリ１８の予備充電状態は、少なくとも一つの電気的負荷１６を、負荷１６の初期基準接地電位から少なくとも部分的に充電するために生じる。

予備充電状態が可能化された後、方法４０の別の工程で、プラス側接触器デバイス２６を使用してバッテリー１４を少なくとも一つの負荷１６に電気的に接続する。プラス側接触器デバイス２６が電気的に接続された状態で、定常状態高電流状態が充電アッセンブリ１８で生じ、少なくとも一つの電気的負荷１６を充電する。定常状態高電流状態が使用された後、方法４０の別の工程４８は、ソリッドステートデバイス３０を使用してバッテリー１４を少なくとも一つの電気的負荷１６から電気的に外す工程を含む。ソリッドステートデバイス３０を通る負荷１６への電路の電流値は、定常状態高電流状態についての負荷１６への電流値よりも全体に小さい。かくして、ソリッドステートデバイス３０を通る電路は、ひとたび充電アッセンブリ１８で定常状態高電流状態が実現されると、必要とされない。好ましくは、少なくとも一つの電気的負荷が実質的に充電された後、少なくとも一つのソリッドステート電気デバイス３０を少なくとも一つの電気的負荷から外す。これは、負荷が効果的に予備充電された後の期間に行われてもよい。好ましくは、負荷１６の電圧及びバッテリー１４の電圧を感知し、これを比較することにより、予備充電状態が今だ完了していないことを示す電位の存在を決定する。代表的には、予備充電状態は時限イベント(timed event)である。このことは、回路の負荷側の静電容量及びバッテリーの電圧、並びに予備充電抵抗器の直列抵抗を当業者(artesian)がわかるということを意味する。このようにして、予備充電状態を達成するための時定数が決定され、充電アッセンブリ１８の回路内に設計される。

図５を参照すると、充電アッセンブリ１８を電気的にシャットダウンするのが望ましい場合には、負荷１６をバッテリー１４から電気的に非接続（アンコネクト）するための方法５０が提供されている。方法５０の工程５３は、無接点接触器デバイス手段２９を使用して、バッテリー１４を少なくとも一つの電気的負荷１６に電気的に接続する工程である。方法５０の別の工程は、プラス側接触器デバイス２６を使用して、バッテリー１４を少なくとも一つの電気的負荷１６から電気的に外す工程である。方法５０の別の工程は、無接点接触器デバイス手段２９を使用して、バッテリー１４を少なくとも一つの電気的負荷１６から電気的に外す工程である。方法５０の更に別の工程は、マイナス側接触器デバイス２８を使用して、バッテリー１４を少なくとも一つの電気的負荷１６から電気的に外す工程である。

図６を参照すると、本発明の変形例において、パルス幅変調電気信号１３１により制御されるソリッドステートデバイス１３０を持つ充電アッセンブリ１１８が示してある。図６の変形例における、図２乃至図５の実施例と同様のエレメントには、１００を加えた同じ参照番号が附してある。ソリッドステートデバイス１３０は、コントローラ１３９からＰＷＭ信号を受け取る。コントローラ１３９は、コントローラ１３９のメモリー（図示せず）内にＰＷＭ制御アルゴリズム１３５を含む。このアルゴリズムは、ソリッドステートデバイス１３０の制御、及び従って負荷１１６の予備充電の速度及び大きさを設定する。好ましくは、低電流レベルＰＷＭ信号をソリッドステートデバイスのゲート又はベースに適用する。更に好ましくは、ＰＷＭ信号がソリッドステートデバイスに最初に加えられるとき、狭幅のＰＷＭパルスを使用し、バッテリーからソリッドステートデバイスを通して加えられる可能な突入電流を最小にする。所定期間後、ＰＷＭ信号１３１のデューティサイクルが広がり、負荷１１６の予備充電を制御下で行うことができる。例えば、負荷１１６の電圧値は、充電アッセンブリ１１８の実時間作動中に様々な値をとってもよい。これにより、予備充電状態機能、ＰＷＭ制御、及び予備充電状態の発生に使用される回路エレメント設計を更に自在に行うことができる。ＰＷＭ信号１３１のデューティサイクルは０％乃至１００％であり、これは、コントローラ１３９によって適用されたとき、負荷１１６を予備充電する上で有用である。このようにして、所定期間に亘って特定の電圧値を達成するように、負荷１１６についての予備充電状態を正確に制御できる。負荷１１６が一杯に充電されたとき、ＰＷＭ信号１３１が減少し、その結果、定常状態高電流モードに順番通りに移行できる。図６の形体では、ソリッドステートデバイスと直列に電気的に接続された電流制限抵抗器は必要とされない。更に別の態様では、ソリッドステートデバイスから電気的負荷への電流を更に制限するため、ソリッドステートデバイスと直列に電気的に接続された電流制限抵抗器が含まれていてもよい。特別の種類の抵抗器で使用された電流制限抵抗器は、加熱されたとき、抵抗特性が変化し、バッテリーからの大きな電流サージにより下流の電気的負荷に影響が及ぼされることがないようにする。電流制限抵抗器は、更に、様々な量の電力がこれを通過できるように形成されている。図６に示すＰＷＭ制御を使用することにより、電流制限抵抗器の物理的な大きさを小さくでき、又は完全になくすことができる。これは、抵抗器により放散された熱が減少し又はなくされるためである。予備充電状態の開始時に、バッテリーと負荷キャパシタとの間の電位は、本質的には、バッテリーの電圧（３００ｖ乃至４００ｖ）である。充電アッセンブリ１１８の回路が充電を開始するとき、負荷１１６とバッテリー１１４との間の電位が減少する。抵抗器の抵抗値が一定であるため、電流は、バッテリーと負荷との間の電位及び抵抗器の抵抗値の関数としてオームの法則に従って変化する。ソリッドステートデバイスのＰＷＭ制御を使用することにより、電気的負荷への電気的負荷を、特定のＨＥＶ自動車の用途に合わせてカスタム化できる。図６の回路を直列の予備充電抵抗器なしで使用する場合、好ましくは、びソリッドステートデバイス１２９の抵抗と共にパルスの数を使用し、予備充電状態を完了するための時間を決定する。バッテリー１１４の電圧と電気的負荷１１６の電圧との間の電圧比較を、予備充電状態の確認として使用してもよい。

図７を参照すると、本発明の更に別の実施例では、低電圧リレー２４７は、ソリッドステートデバイス２３０に直列に電気的に接続された状態で配置されていてもよい。低電圧リレー２４７は、接触電圧定格が４０ｖよりも低く、連続直流定格が１０Ａ乃至２０Ａの範囲のリレーと定義される。代表的な低電圧リレーの代表的な物理的大きさは、図１に示す従来技術の実施例の第３接触器４の物理的大きさの四分の一である。図７の変形例における、図２乃至図５の実施例と同様のエレメントには、２００を加えた同じ参照番号が附してある。リレー２４７は、バッテリー２１４と負荷２１６との間に追加の電気絶縁を提供する上で、ソリッドステートデバイス２３０を別に使用するだけよりも有用である。アッセンブリ２１８の回路の電気的作動では、先ず最初に無負荷状態でリレー２４７を閉じる。この場合、ソリッドステートデバイス２３０はＯＦＦにされている。次に、マイナス側接触器デバイス２２８を閉じ、バッテリー２１４を負荷２１６に電気的に接続する。次に、ソリッドステートデバイス２３０を賦勢し、負荷２１６について予備充電状態を実行する。次に、リレー２４７の予備充電回路及びソリッドステートデバイス２３０の前後で、プラス側接触器デバイス２２６を閉じる。次に、ソリッドステートデバイス２３０を消勢し、即ち電気的にＯＦＦにする。次にリレー２４７を開き、ソリッドステートデバイス２３０を絶縁する。別の態様では、図７の実施例は、図６の実施例で論じたＰＷＭ制御アルゴリズムを使用してもよい。

図８を参照すると、本発明の更に別の変形例では、予備充電状態機能を実行するため、低電圧低電流リレー３５５を無接点接触器デバイス手段として使用してもよい。リレー３５５は、図７の実施例のリレー２４７と同様の電気的特徴及び物理的特徴を有する。図８の変形例における、図２乃至図５の実施例と同様のエレメントには、３００を加えた同じ参照番号が附してある。リレー３５５は、図１に示す従来技術の実施例の第３接触器４と比較して価格が低い。第１工程は、リレー３５５を閉じてバッテリー３１４を負荷３１６に接続する工程である。次に、マイナス側接触器３２８を閉じ、バッテリー３１４を負荷３１６に接続する。次に、負荷３１６について予備充電状態を実行する。次に、プラス側接触器デバイス３２６をリレー３５５の前後で閉じる。次に、リレー３５５を開き、負荷３１６をバッテリー３１４から非接続（アンコネクト）する。好ましくは、リレー３５５に直列に電気的に接続された予備充電抵抗器（図示せず）を使用し、負荷３１６に加えられる電流を更に制限してもよい。

一つの変形例では、プラス側接触器及びマイナス側接触器のうちの少なくとも一方が、電流のみ搬送リレー(current-only carrying relay)として形成されていてもよい。この構成は、プラス側接触器デバイス及びマイナス側接触器デバイスの使用寿命を延ばす上で有用である。マイナス側接触器が電流搬送のみ接触器(current carrying only-contactor)である場合には、プラス側接触器は、マイナス側接触器及び無接点接触器デバイス手段と協働して作動し、回路ループが電気的負荷に関して閉じている場合、プラス側接触器リレーの接点（図示せず）を開放位置から閉鎖位置に、又は閉鎖位置から開放位置に押圧するとき、接点に電気アークが生じないようにする。無接点接触器デバイス手段は接点を備えておらず、アークを発生することはない。アーク放電が発生し難くするため、先ず最初に、プラス側電流のみ接触器(positive current-only contactor)を開き、又は閉じる。プラス側接触器を通って流れる電流がない場合、このことは、マイナス側接触器及び無接点接触器デバイス手段がＯＮ状態即ち閉じた状態になく、プラス側接触器の接点でアークが発生しないということを示す。次いで、無接点接触器デバイス手段を賦勢し、予備充電状態にし、プラス側接触器デバイス及びマイナス側接触器デバイスにより回路に電力を提供する。マイナス側接触器デバイスが既に閉じており、無接点接触器デバイスがソリッドステート電気デバイスである場合には、充電アッセンブリの回路の作動中にアークは発生しない。予備充電状態が完了し、電気的負荷の電圧がほぼバッテリーの電圧値になった後、プラス側接触器デバイスを閉じる。バッテリーと電気的負荷との間に電位差がほとんど又は全くないため、アーク電位が存在せず、デバイスの接点（図示せず）でアーク放電が発生することはない。マイナス側接触器は高電圧条件下の回路を開くのに使用され、プラス側電流のみ接触器は高電圧条件を遮断することを必要とされない。

本発明の別の変形例では、単一のソリッドステートデバイスは、電気的負荷に対して予備充電状態を提供するため、電気的負荷と直列又は並列で使用される複数のソリッドステートデバイスであってもよい。これらのソリッドステートデバイスを直列に接続することにより、これらのソリッドステートデバイスの開放中即ちＯＦＦ状態中に高電圧絶縁を実現できる。これらのソリッドステートデバイスは、並列に接続されると、電流を共有し、低電流定格のソリッドステートデバイスの組み合わせを使用して予備充電状態を実行できる。更に、これらのソリッドステートデバイスは、単一パックのソリッドステートデバイスよりも効果的に熱負荷を共有する。別の態様では、図６の実施例のＰＷＭ制御アルゴリズムを図８の実施例で使用してもよい。

更に別の変形例では、充電電流又は放電電流を計測するため、一つ又はそれ以上の電流センサをバッテリーのところで使用してもよい。これらの電流センサは、プラス側及びマイナス側の接触器デバイス及び無接点接触器デバイス手段と同じプリント回路基盤上にパッケージされていてもよい。例えば、過電流を含む安全上の問題点がある場合、コントローラは、充電アッセンブリ及び電気推進システムを順番通りに遮断する。

更に別の変形例では、バッテリーからの充電電流又は放電電流の監視を行う電流センサを監視するプロセッサが、バッテリー残量確認作業(coulomb counting operation)を行い、ＣＡＮ又はＬＩＮシリアル通信データバス等のシリアル通信データバスを通してこの情報を充電アッセンブリに伝達する。

別の態様では、電気的負荷の充電状態を知るため、コントローラによって電気的負荷の充電を監視してもよい。
別の態様では、プラス側及びマイナス側の接触器が、電圧が加わらない電流搬送接触器である場合には、回路の接点を閉じたときの接触器の望ましからぬアークの発生が更に抑得られる。代表的には、電流搬送接触器は、高電圧スイッチングの用途には適していないが、これらの接触器は、高電流負荷を搬送するように形成されている。かくして、電流搬送接触器は、バッテリーからの又は電気推進システム内の高電圧の遮断又は接続から保護されるように形成されている。

別の変形例は、ＰＷＭ信号情報を、ソリッドステートデバイスのＰＷＭ制御アルゴリズム用の通信データバスでデジタル信号として伝達することである。
更に別の変形例では、図３乃至図８の実施例では、電気的負荷のレッグ（支脈）のプラス側を通して予備充電状態が生じるけれども、予備充電状態は、電気的負荷のレッグ(the leg of the electrical load)のマイナス側を通して充電アッセンブリ内に形成されてもよい。

かくして、プラス側接触器、マイナス側接触器、及び無接点接触器デバイス手段を使用して、予備充電状態、定常状態高電流状態、及び非接続（アンコネクト）状態を確実に信頼性をもって提供するアッセンブリ及び方法が提供される。無接点接触器デバイス手段は、ＦＥＴ又はＩＧＢＴデバイス等の少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスであってもよい。使用されるソリッドステートデバイスは、電気機械的高電圧高電流接触器よりも稼働寿命が長い。ソリッドステートデバイスは物理的な大きさが小さく、接触器デバイスよりも低価格であるが、確実に電気的に作動する。ソリッドステート電気デバイスは、コントローラからＰＷＭ信号を受け取り、電気的負荷に送出される予備充電電圧値を作動的に制御する。受け取られたＰＷＭ信号を制御することにより実現された所定範囲の予備充電電圧値により、電気的負荷を注文通りに予備充電する。プラス側及びマイナス側の接触器及びソリッドステート電気デバイスは、パッケージを更に効果的に行うため、また、充電アッセンブリの質量を減少するため、大きさが小さい単一のプリント回路基盤（ＰＣＢ）上にパッケージされてもよい。効果的なＰＷＭ制御により、ソリッドステート電気デバイスに直列に電気的に接続された電流制限抵抗器をなくすことができ、これにより、充電アッセンブリのＰＣＢレイアウトを更に簡略化する。ソリッドステートデバイスに直列に電気的に接続された状態で配置された低電圧リレーは、ソリッドステートデバイスだけを使用して提供される絶縁よりも大きい電気的絶縁を提供する。更に、無接点接触器デバイス手段は、電気的負荷を充電するための効果的な予備充電状態を提供するための別の方法を提供するため、プラス側及びマイナス側の接触器と並列に電気的に接続された状態で使用される低電圧リレーであってもよい。充電アッセンブリの作動中の接触器の接触による望ましからぬアークの発生を抑える上で、プラス側及びマイナス側の電流のみ搬送接触器が有利である。

本発明を図示し、その特定の好ましい実施例を参照して説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における様々な変更を行ってもよいということは当業者には理解されよう。

特許請求の範囲で使用される全ての用語は、当業者には理解されるように、これに反する明確な表示がなされていない限り、これらの用語の最も広い意味及び妥当な構造を持つものである。詳細には、単数で表現されたものは、特許請求の範囲にこれに反する明確な制限が記載されていない限り、一つ又はそれ以上の表記のエレメントを示すものと読まれるべきである。

１０ ハイブリッド自動車
１２ 電気推進システム
１４ バッテリー
１６ 電気的負荷
１８ 充電アッセンブリ
１７ エンジンルーム
２２ 容量性電気的負荷
２６ プラス側接触器デバイス
２８ マイナス側接触器デバイス
２９ 無接点接触器デバイス手段
３０ ソリッドステート電気デバイス
３２ バッテリーのプラス側
３４ 電気的負荷のプラス側
３９ コントローラ
１１６ 負荷
１１８ 充電アッセンブリ
１３１ パルス幅変調電気信号
１３０ ソリッドステートデバイス
１３９ コントローラ
１３５ ＰＷＭ制御アルゴリズム

Claims (21)

1. 少なくとも一つの電気的負荷を充電するため、ハイブリッド自動車用の電気推進システムで使用される充電アッセンブリであって、
   帰路信号をバッテリーに出力し、帰路信号を少なくとも一つの電気的負荷から受け取るマイナス側接触器デバイスと、
   バッテリーから電気信号を受け取り、電気信号を電気的負荷に出力するプラス側接触器デバイスと、
   バッテリーから電気信号を受け取り、電気信号を電気的負荷に出力できる無接点接触器デバイス手段とを含む、充電アッセンブリ。
2. 請求項１に記載の充電アッセンブリにおいて、
   前記無接点接触器デバイス手段は、少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスである、充電アッセンブリ。
3. 請求項２に記載の充電アッセンブリにおいて、
   前記少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスは、可変パルス幅変調（ＰＷＭ）電気信号を受け取り、前記少なくとも一つの電気的負荷は、受け取られたＰＷＭ電気信号に比例して充電される、充電アッセンブリ。
4. 請求項２に記載の充電アッセンブリにおいて、
   前記少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスは、
   （ｉ） ＦＥＴ型デバイス、及び
   （ｉｉ）ＩＧＢＴ型デバイスのうちの少なくとも一方である、充電アッセンブリ。
5. 請求項２に記載の充電アッセンブリにおいて、
   前記少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスは、単一のデバイスを含む、充電アッセンブリ。
6. 請求項１に記載の充電アッセンブリにおいて、
   前記プラス側接触器デバイス、前記マイナス側接触器デバイス、及び前記無接点接触器デバイス手段は、前記バッテリーと前記少なくとも一つの電気的負荷との間で電気的に並列に接続されるように形成されている、充電アッセンブリ。
7. 請求項１に記載の充電アッセンブリにおいて、
   前記無接点接触器デバイス手段は、前記少なくとも一つの電気的負荷が実質的に充電される前に、前記少なくとも一つの電気的負荷の充電を停止する、充電アッセンブリ。
8. 請求項１に記載の充電アッセンブリにおいて、
   前記無接点接触器デバイス手段は、電流制限抵抗器と直列に電気的に接続されるように形成されている、充電アッセンブリ。
9. 請求項１に記載の充電アッセンブリにおいて、
   （ｉ）前記プラス側接触器デバイス、及び
   （ｉｉ）前記マイナス側接触器デバイスのうちの
   少なくとも一方が、電流のみを搬送できるデバイスである、充電アッセンブリ。
10. 請求項１に記載の充電アッセンブリにおいて、
    前記充電アッセンブリは、更に、前記プラス側接触器デバイス、前記マイナス側接触器デバイス、及び前記無接点接触器デバイス手段を制御することによって、前記少なくとも一つの電気的負荷との電気的接続を遮断するように形成されている、充電アッセンブリ。
11. 請求項１に記載の充電アッセンブリにおいて、
    前記無接点接触器デバイス手段は、低電圧電気リレーである、充電アッセンブリ。
12. ハイブリッド自動車の動力システムに配置された、プラス側接触器デバイス及びマイナス側接触器デバイスを含む充電アッセンブリを使用して、バッテリーから少なくとも一つの電気的負荷を充電するため、電気的に接続するための方法において、
    無接点接触器デバイス手段を提供する工程と、
    前記マイナス側接触器デバイスを使用し、前記バッテリーを前記少なくとも一つの電気的負荷に電気的に接続する工程と、
    前記無接点接触器デバイス手段を使用し、前記バッテリーを前記少なくとも一つの電気的負荷に電気的に接続する工程とを含み、これによって、前記少なくとも一つの電気的負荷を充電するための予備充電状態が生じる、方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、更に、
    前記プラス側接触器デバイスを使用して、前記バッテリーを前記少なくとも一つの電気的負荷に電気的に接続する工程を含み、これによって、前記少なくとも一つの電気的負荷を充電するための定常状態高電流状態が生じる、方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、更に、
    前記無接点接触器デバイス手段を使用して、前記バッテリーを前記少なくとも一つの負荷に電気的に接続された状態から外す工程を含む、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    請求項１２乃至１４に記載の方法の工程を記載の順で実施する、方法。
16. 請求項１２に記載の方法において、
    前記無接点接触器デバイス手段を提供する工程は、少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスを含む無接点接触器デバイス手段を含む、方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    前記少なくとも一つのソリッドステートデバイスを提供する工程は、更に、可変パルス幅変調（ＰＷＭ）電気信号を受け取る少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスを含み、前記少なくとも一つの電気的負荷は、受け取られた可変ＰＷＭ電気信号と比例して充電される、方法。
18. 請求項１６に記載の方法において、
    前記少なくとも一つのソリッドステート電気デバイスを提供する工程は、
    （ｉ）ＦＥＴ型デバイス、及び
    （ｉｉ）ＩＧＢＴ型デバイスのうちの
    一方である前記少なくとも一つのソリッドステートデバイスを含む、方法。
19. ハイブリッド自動車の動力システムに配置された充電アッセンブリを使用して、少なくとも一つの電気的負荷をバッテリーから電気的に非接続とするための方法であって、
    プラス側接触器デバイス、マイナス側接触器デバイス、及び無接点接触器デバイス手段を提供する工程と、
    前記無接点接触器デバイス手段を使用して、前記バッテリーを前記少なくとも一つの電気的負荷に電気的に接続する工程と、
    前記プラス側接触器デバイスを使用して、前記バッテリーを前記少なくとも一つの電気的負荷に電気的に接続された状態から外す工程と、
    前記無接点接触器デバイス手段を使用して、前記バッテリーを前記少なくとも一つの電気的負荷に電気的に接続された状態から外す工程と、
    前記マイナス側接触器デバイスを使用して、前記バッテリーを前記少なくとも一つの電気的負荷に電気的に接続された状態から外す工程とを含む、方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、
    方法の工程を記載の順で実施する、方法。
21. 充電アッセンブリを含む電気自動車推進システムであって、前記充電アッセンブリは、
    帰路信号をバッテリーに出力し、前記少なくとも一つの電気的負荷から帰路信号を受け取るマイナス側接触器デバイスと、
    前記バッテリーから電気信号を受け取り、前記電気的負荷に電気信号を出力するプラス側接触器デバイスと、
    前記バッテリーから電気信号を受け取り、前記電気的負荷に電気信号を出力できる無接点接触器デバイス手段とを含む、電気自動車推進システム。

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