JP2012191841A - 選択可能な絶縁体を用いて充電効率を向上させるための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー貯蔵システムを交流線間電圧から充電する効率を向上させる。
【解決手段】交流線間電圧を前記エネルギー貯蔵システムの第１の充電電圧に変換するブーストステージと、前記第１の充電電圧を当該第１の充電電圧よりも低い前記エネルギー貯蔵システムの第２の充電電圧に変換し、前記エネルギー貯蔵システムと前記ブーストステージとの間の共通モード電流を除去する、絶縁ステージと、制御信号に応じて、バイパスモードにおいて前記エネルギー貯蔵システムへの前記第１の充電電圧の直接的な連通を設定し、絶縁モードにおいて前記エネルギー貯蔵システムへの前記第１の充電電圧の直接的な連通を開始させる、コンフィギュレーターと、電池電圧と前記交流線間電圧のピークと前記交流線間電圧の入力における合計漏れ電流とに応じて前記２つのモードを設定し、前記コンフィギュレーターへの前記制御信号をアサートする、コントローラと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は概して、エネルギー貯蔵システム用の充電器に関し、更に詳細には汎用入力充電器の効率の向上に関する（しかしこれに限定されない）。

プラグ接続式の電気自動車用の充電器は、交流入力電圧をエネルギー貯蔵システムに印加される適切な直流充電電圧に変換する。充電工程における効率は、比較的大量のエネルギーが頻繁な充電サイクルの間に伝送され保存されるため、特に重要である。充電システムおよび充電方法に関わる者は、充電効率を向上させるための手段・方法を常に求めている。

基本的な充電器の設計の一つは、ブーストステージ（boost stage）と絶縁ステージ(isolation stage)の２つのステージを含む。ブーストステージは、電気自動車用の全ての商業用充電システムに要求される力率補正を提供する。絶縁ステージは、交流入力線およびバック出力（buck output）からエネルギー貯蔵システムを絶縁させ、バック部品（buck component）によってエネルギー貯蔵システムがブースト出力ステージよりもかなり低い電圧となることが可能となる。例えば、ブーストステージの効率がＭ％の辺りであり、絶縁ステージの効率がＮ％の辺りであると仮定すると、Ｐ％の全効率があり、ここでＰはＭとＮよりも小さく、なぜならＭおよびＮはそれぞれ１よりも小さいからである。

充電効率を向上させる改良した充電器および充電方法が必要とされている。

本願は、充電効率を向上させる改良した充電器および充電方法を開示するものである。本発明の以下に記載する課題を解決するための手段は、改良した充電器および充電方法に関する技術的特徴の理解を容易にするために記載するものであり、本発明を完全に記載するものではない。本発明の様々な態様を完全に理解するには、明細書、特許請求の範囲、図面、および要約書の全体をとらえることによって得られる。

エネルギー貯蔵システムを交流線間電圧から充電する装置であって、前記交流線間電圧を前記エネルギー貯蔵システムの第１の充電電圧に変換するブーストステージと、このブーストステージに接続されており、前記第１の充電電圧を当該第１の充電電圧よりも低い前記エネルギー貯蔵システムの第２の充電電圧に変換し、前記エネルギー貯蔵システムと前記ブーストステージとの間の共通モード電流を除去する、絶縁ステージと、制御信号に応じて、バイパスモードにおいて前記エネルギー貯蔵システムへの前記第１の充電電圧の直接的な連通を設定し、絶縁モードにおいて前記エネルギー貯蔵システムへの前記第１の充電電圧の直接的な連通を開始させる、コンフィギュレーターと、このコンフィギュレーターに接続されており、電池電圧と、前記交流線間電圧のピークと、前記交流線間電圧の入力における合計漏れ電流とに応じて前記２つのモードを設定し、前記コンフィギュレーターへの前記制御信号をアサートする、コントローラと、を備えることを特徴とする装置。

エネルギー貯蔵システムを交流線間電圧から充電する方法であって、（ａ） 前記交流線間電圧の各位相の交流入力電圧を測定するステップと、（ｂ） 前記交流線間電圧のための入力におけるＹインピーダンスに応じて入力漏れ電流を算出するステップと、（ｃ） アースに対する前記エネルギー貯蔵システムのバスのＹインピーダンスによる前記エネルギー貯蔵システムの漏れ電流を算出するステップと、（ｄ） 前記入力漏れ電流と前記エネルギー貯蔵システムの前記漏れ電流との合計を含む合計漏れ電流が予め決められた値を超過するか否かをテストするステップと、（ｅ） 前記交流線間電圧のためのピーク電圧が前記エネルギー貯蔵システムの電圧を超過するか否かをテストするステップと、（ｆ） 前記ステップ（ｅ）および前記ステップ（ｆ）でのテストの結果がともに否定的である場合に、バック変換手段を含む絶縁ステージをバイパスすることにより、非絶縁ブーストステージを用いて前記エネルギー貯蔵システムを前記交流線間電圧から充電するステップと、（ｇ） 前記ステップ（ｅ）および前記ステップ（ｆ）でのテストの結果のいずれかが肯定的である場合に、前記非絶縁ブーストステージおよび前記絶縁ステージを用いて前記エネルギー貯蔵システムを前記交流線間電圧から充電するステップと、を備えることを特徴とする方法。

本発明の構造および工程によって充電効率全体が向上する。本発明は、効率の低い構成は必要ではなく、可能な限り充電をより効率的なモードに再構成する。

本発明の他の特徴、利益および利点は、本明細書、図面および特許請求の範囲を含む本願の開示内容を鑑みると明らかになろう。

図１は、本発明の好適な実施形態を具体化する電動機システムのための略ブロック図である。 図２は、図１に示したエネルギー変換器を含むシステムのための充電モデルの概略図である。 図３は、一組の接触器の状態を設定することによって充電モデルの動作モードを設定するための制御工程を示すものである。 図４は、エネルギー貯蔵システムを充電するために用いられるエネルギー変換器のためのより詳細な充電モデルを示すものである。

添付の図面（図面全体を通して同一の符号は同一の要素を指す）は発明の詳細な説明とともに本発明を更に示すものであり、本発明の原理を説明するものである。

本発明の実施形態は、充電効率を向上させた改良した充電器および充電方法を提供するものである。以下の詳細な説明は、当業者が本発明を実施することができるように記載されており、出願の要件を満たすものである。以下において、「蓄電組立体」、「電池」、「セル」、「電池セル」、「電池セルパック」、「電気二重層コンデンサ」、および「ウルトラキャパシタ」という用語は、相互に置き換えて用いることができ、リチウムイオン（例えば、リン酸鉄リチウム、コバルト酸リチウム、他のリチウム金属酸化物など）、リチウムイオンポリマー、ニッケル金属水素化物、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、ニッケル亜鉛、銀亜鉛、または他の充電可能な高蓄電タイプ／構成を含む（しかしこれらに限定されない）、様々な異なる再充電可能な電池化学および電池構成を指し得る。

本明細書に記載された好適な実施形態、原理および特徴の様々な変更態様も当業者にとって直ちに明らかになろう。よって、本発明は記載された実施形態のみに限定されるものではなく、本明細書に記載の原理および特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。

本発明の実施形態は一般的な電動機（モーター）を使用するシステムに適用可能であり、より詳細には、多相誘導電動機を使用する自動車に適用可能である（しかしこれに限定されない）。電気自動車には、自動車に電力を提供するように設計された一または複数の蓄積エネルギー源を有する自動車が含まれ、この電力はその少なくとも一部がこの自動車を動かすために用いられるエネルギーを提供するために使用される。電気自動車には、乗客を運ぶためや、商品を運ぶためや、特殊業務が可能であるように設計された自動車が含まれる。例えば、電気自動車には、乗用車、トラック、ならびにボートといった娯楽用船舶が含まれる。更に、電気自動車には、荷物を持ち上げて移動するために使用されるフォークリフトといった特殊車両や、物を移動するためにコンベヤーベルトを組み込んだ車両（例えば、飛行機から荷物などを積み下ろしするために使用される移動式コンベヤーベルト）や、特殊装置であって、ガソリン、軽油、もしくはプロパンを動力源とする装置からの排気が人間に危害を及ぼし得る場所（例えば地下での採掘作業）で使用されるものが含まれる。様々な場合において、電気自動車は認可された自動車（乗用車およびトラックを含む）として公共道路で運用されるように設計されている。

一般的に、電気自動車は、エネルギーの蓄積が可能でかつこの自動車に電力を提供するように動作可能である装置を有している。電力はその少なくとも一部が自動車を動かすためのエネルギーを提供するために使用され得る。場合によっては、電力は自動車が有する機能の全て（この自動車を動かすことを含む）に必要とされるエネルギーを提供するために用いられる。多くの場合では、この蓄積エネルギー源は再充電可能な電池パックである。様々な実施形態において、再充電電池パックは、再充電可能な電池パックを提供するために電気的に接続された複数の再充電可能な電池セルを含む。

図１は、本発明の好適な実施形態を具体化する代表的な電動機システム１００の略ブロック図である。更なる説明を簡略化するために、システム１００は以下に電気自動車に関して記載される。しかしながら、システム１００は電気自動車の他にも別の装置またはシステムの一部となることができると理解される。システム１００は、自動車駆動用電池等を含むエネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）１０５と、エネルギーを回転運動等の機械的な運動に変換するための少なくとも一つの駆動用電動機１１０と、を含んでいる。エネルギー貯蔵システム１０５は、様々な実施例においてエネルギーを自動車駆動用電池に伝送しまたはこれから伝送するに関しての様々な部品（コンポーネント）が含まれ、これには保安部品、冷却部品、加熱部品、整流器等が含まれる。エネルギー貯蔵システム１０５は多くの異なる態様で実施され、多くの異なる部品を含むが、この実施例の目的の下では、エネルギー貯蔵システム１０５は駆動用電池やウルトラキャパシタ等を含む。よって、本発明は、本明細書に開示された構成に限定するものと解されるべきではなく、他の構成も可能でありかつ本発明の範囲内である。

この実施例のエネルギー貯蔵システム１０５の駆動用電池は、一または複数のリチウムイオン電池を含む。いくつかの実施例では、この電池は並列および／または直列に接続された複数のリチウムイオン電池を含む。いくつかの実施例では、円筒形のリチウムイオン電池が含まれる。場合によってはエネルギー貯蔵システム１０５は１８６５０電池規格に適合する一または複数の電池を含む（しかし本発明はこれに限定されない）。いくつかの実施例では、相互接続された約２９８１個の電池が含まれる。いくつかの実施例では、エネルギー貯蔵システム１０５で使用される自動車駆動用電池は約３９０ボルトを提供する。

更にシステム１００はエネルギー変換器（コンバーター）１１５を含む。エネルギー変換器１１５はエネルギー貯蔵システム１０５からのエネルギーを電動機（モータ）１１０が使用可能なエネルギーに変換する。場合によっては、エネルギー変換器１１５を通してエネルギーが電動機１１０からエネルギー貯蔵システム１０５に流れる。エネルギー貯蔵システム１０５はエネルギー変換器１１５にエネルギーを伝送し、このエネルギー変換器１１５は、この伝送されたエネルギーを、電気自動車を駆動させるためにモータ１１０が使用可能なエネルギーに変換する。更に、電動機１１０はエネルギー変換器１１５に伝送されるエネルギーを生成し得る。場合によっては、エネルギー変換器１１５は電動機１１０から伝送されたエネルギーをエネルギー貯蔵システム１０５に蓄積され得るエネルギーに変換する。図２に関して以下に示すように、エネルギー変換器１１５はトランジスタ等の半導体パワーデバイスを含む。これらのトランジスタには一または複数の電界効果トランジスタが含まれ得る。いくつかの実施例では、一または複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを含む。このように、様々な実施例において、エネルギー変換器１１５はスイッチング素子を含んでおり、このスイッチング素子は、直流電力をエネルギー貯蔵システム１０５から受領し、かつ、電動機１１０に電力を供給するために多相交流電流を出力するように構成されている。エネルギー変換器１１５のいくつかの構成においては、エネルギー貯蔵システム１０５からのエネルギーを電動機１１０以外の電力負荷が使用可能なエネルギーに変換する。これらの実施例のいくつかはエネルギー貯蔵システム１０５の約３９０ボルトを１４ボルト（直流）に切り替える。

この実施例において、電動機１１０は三相交流電動機である。場合によってはシステム１００は係る電動機を複数含み得る。この自動車はトランスミッション（例えば２速トランスミッション）を任意に含むが、他の実施例でもこれは可能である。手動クラッチトランスミッションが考えられ、また、油圧、電子、電気油圧式クラッチ作動装置を備えるものも考えられる。いくつかの実施例では、シフトの間、第一速ギヤに連結された一のクラッチから第ニ速ギヤに連結された別のクラッチに段階的に移行するデュアルクラッチシステムを使用する。

一または複数のエネルギー貯蔵システム１０５およびエネルギー変換器１１５を制御する、管理システム１２０が任意に設けられる。場合によっては、管理システム１２０は安全を監視する自動車システム（例えば衝突センサ）に連結される。いくつかの実施例においては、管理システム１２０は一または複数の運転者入力装置に連結されている（例えば、速度調整器、口語ではスロットル（しかしながら、本発明は実際のスロットルを有する実施例に限定されない）。管理システム１２０は一または複数のエネルギー貯蔵システム１０５およびエネルギー変換器１１５への電力を制御するように構成されている。

電力コネクター１２５がエネルギーを受領するために外部電源１３０（例えば充電ステーション）に接続され、エネルギー変換器１１５を介してこの外部電源１３０をエネルギー貯蔵システム１０５と連通させる。いくつかの実施例においては、充電ステーションは、単相１１０ボルトの交流電源からの電力をエネルギー貯蔵システム１０５が蓄積可能な電力に変換する。更なる実施例において、充電ステーションは、２２０ボルトの交流電源からの電力をエネルギー貯蔵システム１０５が蓄積可能な電力に変換する。いくつかの実施態様においては、単相線間電圧を用い、また、他の実施態様においては多相線間電圧を用いる。図１は、エネルギー変換器１１５が、電源１３０からの電力をエネルギー貯蔵システム１０５が貯蔵可能な電力に変換する態様を示している。

上記の例示的な電圧は北アメリカで一般的に適用可能なものである。他の場所においては、充電に用いることができる交流線間電圧のために異なる大きさおよび周波数が用いられることが多い。本発明の好適な実施形態は実質的にあらゆる地域の市場において採用され得る汎用充電システムを想定している。エネルギー変換器１１５は交流線間電圧の変化（特定のシステムにおける変化および複数のシステム全体にわたる変化を含む）に関わらず効率的な充電を提供するようになされている。

システム１００の部品は複雑であり、多層間相互作用を提供し、部品もしくはサブシステムが一の事項のために最適化されまたは変更されたときはいつでもこの変更は他の部品およびサブシステムを通して伝わる。例えば、本発明の実施形態は多くの可変的条件および動作条件にわたって最適化される。重要な検討事項の一つは、充電時に共通モード（同相）電流に対処することである。状況によっては、電力コネクター１２５を外部交流電源１３０に接続することによって、残留電流遮断器（ＲＣＤ）（米国では漏電遮断器（ＧＦＣＩ）としても通常呼ばれる）をトリップ（作動）させるに十分な大きさの漏れ電流が生成され得る。問題は、残留電流遮断器がトリップすると、充電が中断されてしまい、オペレータは充電が完了したと想定してしまうことである。このような状況を避けるために、漏れ電流が残留電流遮断器をトリップさせるのに十分な大きさになるときの状況を正確に予期し把握しておくことが重要である。

エネルギー変換器１１５はエネルギー貯蔵システム１０５から外部電源１３０までの絶縁を提供するように設計されており、通常の動作による漏れ電流が過剰となる機会を減少させる。よってエネルギー変換器１１５のための充電モデルには、標準ブーストステージと、バック変換サブシステムを備える絶縁ステージとが含まれる。

「通常」の動作において、ユーザは外部電源１３０を電源コネクター１２５に接続する。外部電源１３０の電圧は、エネルギー貯蔵システム１０５の充電可能なエネルギー貯蔵要素全体の電圧よりも低く、よってエネルギー変換器１１５はエネルギー貯蔵システム１０５を所望のＳＯＣ（充電状態）まで充電するために電圧レベルを「上昇（ブースト（boost））」させる。エネルギー変換器１１５はこの通常の動作においてはブーストモードで動作する。所望のＳＯＣに到達したら、充電は停止される。

外部電力１３０の電圧がエネルギー貯蔵システム１０５の貯蔵要素の電圧よりも大きい特殊なケースがある。この場合、エネルギー変換器１１５の典型的な先行技術の構成では、制御されていない電流が流れ、システム１００の部品を損傷させ得る。これが生じるリスクを減少させるために、エネルギー変換器１１５はブーストモードからブーストバックモードに変更される。ブーストバックモードにおいて、エネルギー変換器１１５は、外部電源１３０からの電圧を充電に適した電圧レベルにダウンコンバート（下方に変換）する。

この特殊なケースは、いくつかの異なる理由によって生じ得、この理由には外部電源１３０の電圧が通常値を超えて振幅したことが含まれ、また、ＳＯＣが減少したことによりエネルギー貯蔵システム１０５全体の電圧が低くなったことも含まれる。センス回路が外部電源１３０の電圧を監視し、これをエネルギー貯蔵システム１０５全体の電圧と比較する。用心のために、外部電源１３０の電圧がエネルギー貯蔵システム１０５全体の電圧と所定の（リスクポイントに近い）関係となったときにエネルギー変換器１１５をブーストバックモードに切り替えるための安全マージンが組み込まれる。例えば、外部電源１３０の電圧がエネルギー貯蔵システム１０５の電圧の少なくとも９５％（１００％未満であれば閾値として他の値も可能である）であるとき、エネルギー変換器１１５はブーストバックモードに切り替えられ得る。この特殊なモードでは、十分なエネルギーがエネルギー貯蔵システム１０５に加えられた場合においておよび／または線間電圧が変化した場合において、このことによってエネルギー貯蔵システム１０５の電圧が十分なマージンが加えられた線間電圧を超過したときに、エネルギー変換器１１５は通常の動作のために再構成され、ブーストバックモードからブーストモードに変化する。

更に、ピーク交流線間電圧がエネルギー貯蔵システムの電圧よりも十分に低いケースであっても、絶縁ステージが共通モード電流によって望まない結果が生じることを防ぐのを助けるときには、絶縁ブーストバックモードを使用することが必要となり得る。例えば、漏れ電流が閾値を超えたときに、残留電流遮断器をトリップさせるリスクを減少させるためにブーストバックモードの絶縁がなお用いられる。

充電はブーストバックモードの場合よりもブーストモードの場合のほうがいくらか速く、ブーストモードはより効率的でもあり、ブーストのみの構成において動作させることが「適切」である場合はいつでもブーストモードでエネルギー変換器１１５を動作させることが望ましい。ブーストバックモードは特殊なケースにおいて有利であり、このブーストバックモードがなければ充電を中断しなくてはならないときにも充電を可能にするものである。ブーストバックモードは非常に低い充電電圧（例えば、過剰にエネルギーを使い果たした貯蔵要素を修復するために使用することができる種類の電圧）を提供することができるという更なる利点を含む。こうした貯蔵要素を修復するためには特別な充電工程が必要であることが多く、これらの特別な充電工程は非常に低い充電電圧を必要とすることが多い。

何が「適切」か（および「適切な」構成を特定すること）は、充電システムがより効率的なブーストモードで動作することが望まれる場合に、より最適化されるにつれて、また、より多くの検討すべき事項に対処するにつれてより複雑になる。

図２は、図１に示したエネルギー変換器１１５を含むシステム１００のための充電構成モデルの略ブロック図を示している。（本明細書に記載したように、実際のエネルギー変換器は非常に複雑であり、多くの異なる機能を扱う。モデル２００はエネルギー変換器全体の完全な図を提供するものではないが、本願の読み手が高度な二重モードの効率的な汎用充電器に関する本発明の改良点および詳細により焦点を当てることができるように単純化したものを示している。）図２を更に簡略化するために、モデル２００は単相用として示されている。特に図１に関して記載したように、モータ１００は多相モータ（例えば三相モータ）であり、エネルギー変換器１１５はモータ１００の各相に作用する。

モデル２００は、交流充電電圧を提供する交流線間電源２０５を含んでいる。電磁干渉（ＥＭＩ）フィルター２１０および全波ブリッジ（ＦＷＢ）２１０が電源２０５からの交流充電電圧を処理して調整し、これをブーストステージ２２０に伝送する。ブーストステージ２２０は交流充電電圧を上昇させる（「ブースト」する）。絶縁ステージは絶縁変圧器２２５およびバックサブステージ２３０を含んでおり、ブーストされた交流電流を受領し、ブーストされた交流充電電圧を減少させ、交流線間電源２０５をエネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）２３５から絶縁させる。好ましくは、ブーストされた／バックされた交流充電電圧とエネルギー貯蔵システム２３５との間に電圧調整器２４０が置かれ、エネルギー貯蔵システム２３５に印加される充電電圧が正しい形式であることを確実にする。モータ、スイッチ、接触器等が含まれるこれらのステージの動作はコントローラ２４５によって制御されることが示されている。

モデル２００は、一対の接触器／リレー２５０を含んでおり、この一対の接触器／リレー２５０はブーストステージ２２０からのブーストされた交流線間電圧出力を調整器２４０に直接伝送し、絶縁ステージ（すなわち絶縁変圧器２２５およびバックサブステージ２３０）をバイパスさせる。（他の構成も可能であり、例えば、いくつかの実施形態においては、リレー２５０は、追加されたフィルタリングのためにバック誘導子への入力「整流器側」に接続され得る。）より詳細に以下に説明するように、コントローラ２４５は接触器２５０を制御し、適宜、非絶縁された「ブースト」のみのモード（接触器２５０を閉じる）を設定し、また、絶縁された「ブーストバック」モード（接触器２５０を開ける）を設定する。

図３は、接触器２５０の状態を設定することによってモデル２００の動作モードを設定するための制御工程３００を示している。工程３００はステップ３０５から始まり、各位相の交流入力電圧を測定する。次にステップ３１０で工程３００は、交流入力電圧の入力でのＹインピーダンスによる漏電を算出する。ステップ３１０に続き、工程３００はエネルギー貯蔵システムのバスのＹインピーダンスによる漏電を算出する（ステップ３１５）。次に工程３００は（ステップ３２０にて）ステップ３１５およびステップ３２０から算出された漏電を合計し、予め設定したマージンを加える。

ステップ３２５にて、工程３００は、この合計（漏電にマージンを足したもの）がＲＣＤのトリップレベル（作動レベル）を超えるか否かをテストする。ステップ３２５でのテストの結果が否定的であるとき、工程３００は次ぎにピーク交流線間電圧がエネルギー貯蔵システムの電圧を超過するか否かについてテストする（ステップ３３０）。ステップ３２５またはステップ３３０のいずれかのテストの結果が肯定的であるとき、工程３００はステップ３３５を実行し図２に示された接触器２５０を開け、絶縁状態のブーストバック構成においてエネルギー貯蔵システムを充電する。しかしながら、ステップ３３０でのテストの結果もステップ３２５と同様に否定的である場合、工程３００はステップ３４０を実行し接触器２５０を閉じる。接触器２５０が閉じられると、非絶縁状態のブーストのみの構成でエネルギー貯蔵システムが充電される。

図４は、充電に用いられるエネルギー変換器１１５のためのより詳細な充電モデル４００を例示している。例示的な充電構成のための代表的な部品（素子）がモデル４００に含まれている。ブーストステージ２２０は、ブースト誘導子Ｌ１、ＮＭＯＳスイッチＭ１、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ３を含んで示されている。絶縁変圧器（Ｌ３およびＬ４）とバック部品とを含む回路４０５として絶縁ステージが示されている。ブーストステージのための他の構成も当然可能である。

ブーストステージ２２０は全ての商業用充電システムに求められる力率補正のフロントエンドを提供する。絶縁ステージ４０５は交流線電圧源からエネルギー貯蔵システム２３５を絶縁し、絶縁がなかったら存在したであろう共通モード電流を全て除去し、エネルギー貯蔵システム２３５の電圧がブースト出力ステージよりもかなり低いときに充電を行うバックステージを含んでいる。ブーストステージ２２０の充電効率９６％と、絶縁バックステージ４０５の充電効率９７％を想定すると、充電効率の合計は約９３％である。絶縁バックステージ４０５をバイパスすることで有効充電効率は９６％レベルまで増加する。単に２つの比較的廉価な接触器を加えることと、これらの接触器を開閉するためにコントローラ２４５を適宜変更することによって、効率が改善される。

本発明の実施形態を使用する更なる利点がある。実施形態において記載されたような絶縁バイパス手段（例えば一対のリレー）を使用することによって、双方向動作における効率が改善される。いくつかの実施態様は、システムが交流線から充電しかつ交流線に放電できるように設計される。放電によって、非運転時にエネルギー貯蔵システムを交流電源として使用することが可能となる。使用の形態としては、交流電流によって作動する機器に電力を与えることや、電力網が電力を必要としているときにエネルギー貯蔵システムからの追加的なエネルギーをこの電力網に供給することを含む。この構成は係る双方向の実施態様の効率を向上させるものである。

単一のブーストステージで充電する場合、共通モード電流は、交流入力電圧と、入力での充電器のＹ静電容量およびＹ抵抗と、電池バスのＹ静電容量およびＹ抵抗にわたる２つの入力電圧の平均とから直接的な結果として生じたものである。世界中には交流電圧用の規格が複数あり、これらのうちいくつかはバランスが取れており、いくつかは取れていない。好適な実施形態における漏れ電流は、アースに対する各位相の交流電圧と、アースに対するこの位相のＹインピーダンスとに基づき算出される。電池バスによる漏れは、シャーシへの電池バスの合計Ｙインピーダンスにわたる２つの入力位相電圧の平均である。各入力位相からの漏れ電流が算出された後、これらの値を単に減算することによってＲＣＤへの漏れ電流の寄与度を決定する。入力漏れ電流は、合計漏れ電流のために電池漏れに加算される。好適な実施形態はＲＣＤ検出器の公差と、マージンを加えることによる調波およびノイズとを考慮に入れる。算出された合計（マージン無し）は最良の場合であり、ＲＣＤが作動（トリップ）しないようにいくらかのマージンを残しておくべきである（例えばこのシステムおよび部品のテストおよび特徴は適切なマージンを決定するものの一つである）。いくつかの実施形態は、漏れを測定して算出された漏れを矯正するために基板に実装されたＲＣＤ電流センサを含む。

入力Ｙインピーダンスによる電池充電器の漏れ電流を算出するために使用される式を以下に示す。

アースに対する電池バスのインピーダンスによる漏れ電流のための式を以下に示す。

ＲＣＤが測定する合計漏れ電流は以下である。

下の表Ｉは、ノイズおよび調波により加算された電流を全て無視する単一のステージブースト供給を用いる、様々な交流電圧のための漏れ電流の例を提供するものである。

^＊（電流は閾値を超過し、絶縁されたモード動作を必要とする。）

既に記載したように、漏れ電流のための典型的なトリップ値は約５ｍＡである（米国において、米国電気工事規程は、人間を保護するために設置されたＧＦＣＩデバイスにおいて、漏れ電流が２５ミリ秒以内に４〜６ｍＡの範囲を超えたときはいつでもこの保護された回路を遮断するように設定することを要求している）。よって、漏れ電流が５．５７ｍＡであるときに、この充電システムは絶縁モードで作動しなくてはならず、一方、他の場合ではこのシステムは非絶縁モード（より効率的なモード）で動作することができる。本願明細書に記載したように、このシステムおよび工程（方法）は充電器の効率を改善するために電気自動車用の汎用入力充電器において最も好適に実施される。このシステムおよび方法の特徴およびステージを異なる様式で実施することも可能であり、他の実施態様および他の用途も可能である。

上記のシステムおよび方法は、本発明の好適な実施形態の詳細を理解するのを助けるものとして一般的な用語を用いて記載してきた。本発明の他の好適な実施形態は充電効率を向上させるための既に記載した用途を含む。本明細書の記載において、本発明の実施形態を完全に理解するために、構成要素および／または方法の例などの多くの具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者は本発明の実施形態を具体的な詳細がなくても実施することができ、他の装置、システム、アセンブリ、方法、構成要素、材料、部品等を用いて実施することができることは当業者にとって理解されよう。他の例において、本発明の実施形態を不明瞭になるのを防ぐため、公知の構造体、材料、動作は詳細に記載されていない。

本明細書において「一実施形態」または「特定の実施形態」という記載はその実施形態に関して記載された特定の特徴、構成、または特性が本発明の実施形態の少なくとも一つに含まれ、全ての実施形態に含まれる必要は無いことを意味する。従って、本明細書において「一実施形態において」または「特定の実施形態において」という記載は、必ずしも同じ実施形態を示すものではない。更に、本発明の特定の実施形態の特定の特徴、構造、または特性は一または複数の他の実施形態と適切な態様で組み合わせることができる。本願に記載された本発明の実施形態の他のバリエーションおよび変更も本願の教示に鑑み可能であり、本発明の精神および範囲の一部であると理解されよう。

図面に記載された一または複数の要素は、用途によって有益なように、更に分離され、あるいは更に一体化された態様で実施することもでき、除外することもでき、場合によっては動作不能なようになされてもよい。

加えて、図面の矢印は例示目的であって、特に明記されない限り、これらに限定されない。更に、「もしくは」「または」という記載は特に明記されない限り、「および／または」の意味である。部品（コンポーネント）または工程の組合せも記載されているものとして考慮される。

本発明の実施形態の記載は、本発明を当該記載に厳密に限定するものではない。本発明の特定の実施形態は例示目的で本明細書に記載されており、均等となる様々な変更も本発明の精神および範囲内で可能であることは当業者に理解されよう。本発明の上記実施形態の記載に鑑み、これらの変更は本発明に施すことができ、本発明の精神および範囲内に含まれる。

従って、本明細書において本発明が特定の実施形態に関する記載されたが、様々な変更および代用も本発明の目的とするところであり、本発明の実施形態は本発明の精神および範囲から逸脱せずに他の特徴を用いることなく一部の特徴を用いることもできる。従って、多くの変更が特定の状況および材料を本発明の本質的な範囲および精神に適応させるためになすことができる。本発明は、添付の特許請求の範囲、ならびに、本発明を実施するために予想させる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に該当する全ての実施形態および均等物を含むものである。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定められる。

Claims (12)

1. エネルギー貯蔵システムを交流線間電圧から充電する装置であって、
   前記交流線間電圧を前記エネルギー貯蔵システムの第１の充電電圧に変換するブーストステージと、
   このブーストステージに接続されており、前記第１の充電電圧を当該第１の充電電圧よりも低い前記エネルギー貯蔵システムの第２の充電電圧に変換し、前記エネルギー貯蔵システムと前記ブーストステージとの間の共通モード電流を除去する、絶縁ステージと、
   制御信号に応じて、バイパスモードにおいて前記エネルギー貯蔵システムへの前記第１の充電電圧の直接的な連通を設定し、絶縁モードにおいて前記エネルギー貯蔵システムへの前記第１の充電電圧の直接的な連通を開始させる、コンフィギュレーターと、
   このコンフィギュレーターに接続されており、電池電圧と、前記交流線間電圧のピークと、前記交流線間電圧の入力における合計漏れ電流とに応じて前記２つのモードを設定し、前記コンフィギュレーターへの前記制御信号をアサートする、コントローラと、を備えることを特徴とする装置。
2. 前記絶縁ステージは絶縁変圧器およびバック手段を含んでおり、前記コンフィギュレーターは前記バイパスモードにおいて前記絶縁変圧器および前記バック手段をバイパスするスイッチングシステムを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記スイッチングシステムは一対の接触器リレーを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 残留電流遮断器のトリップレベルが前記交流入力電圧のための電源と関連しており、
   前記電池電圧が前記交流線間電圧のピークを超過し、かつ前記漏れ電流が前記残留電流遮断器のトリップレベルを下回ったときに、前記バイパスモードを設定するために前記コントローラが前記制御信号をアサートすることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 残留電流遮断器のトリップレベルが前記交流入力電圧のための電源と関連しており、
   前記電池電圧が前記交流線間電圧のピークを超過し、かつ前記漏れ電流が前記残留電流遮断器のトリップレベルを下回ったときに、前記バイパスモードを設定するために前記コントローラが前記制御信号をアサートすることを特徴とする請求項２に記載の装置。
6. 前記合計漏れ電流が、アースに対しての各位相における交流電圧と、アースに対しての各位相のＹインピーダンスと、前記エネルギー貯蔵システムのバスの合計Ｙインピーダンスにわたる２つの入力位相電圧の平均値を含む漏電と、に応じて算出されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記合計漏れ電流は、調波およびノイズを含む付加的な漏れ成分のために少なくとも部分的に対応するために加えられた電流安全マージンを含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記合計漏れ電流を矯正するために漏電センサを更に備えることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記合計漏れ電流を矯正するために漏電センサを更に備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. エネルギー貯蔵システムを交流線間電圧から充電する方法であって、
    （ａ） 前記交流線間電圧の各位相の交流入力電圧を測定するステップと、
    （ｂ） 前記交流線間電圧のための入力におけるＹインピーダンスに応じて入力漏れ電流を算出するステップと、
    （ｃ） アースに対する前記エネルギー貯蔵システムのバスのＹインピーダンスによる前記エネルギー貯蔵システムの漏れ電流を算出するステップと、
    （ｄ） 前記入力漏れ電流と前記エネルギー貯蔵システムの前記漏れ電流との合計を含む合計漏れ電流が予め決められた値を超過するか否かをテストするステップと、
    （ｅ） 前記交流線間電圧のためのピーク電圧が前記エネルギー貯蔵システムの電圧を超過するか否かをテストするステップと、
    （ｆ） 前記ステップ（ｅ）および前記ステップ（ｆ）でのテストの結果がともに否定的である場合に、バック変換手段を含む絶縁ステージをバイパスすることにより、非絶縁ブーストステージを用いて前記エネルギー貯蔵システムを前記交流線間電圧から充電するステップと、
    （ｇ） 前記ステップ（ｅ）および前記ステップ（ｆ）でのテストの結果のいずれかが肯定的である場合に、前記非絶縁ブーストステージおよび前記絶縁ステージを用いて前記エネルギー貯蔵システムを前記交流線間電圧から充電するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
11. 前記ステップ（ｄ）における前記合計漏れ電流は、一または複数の調波およびノイズを少なくとも部分的に補償するために追加されたマージンを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. ステップ（ｄ）で使用される前記合計漏れ電流を矯正するための電流センサを更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。