JP2017209003A - 車両バッテリを充電するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両バッテリを充電するための方法および装置を提供する。【解決手段】車両バッテリ２０はスイッチ装置２４を介して充電ソケット２２に電気的に接続可能であり、第１の測定装置３２を用いて、スイッチ装置２４の充電ソケット２２に面する側で、第１の電圧数Ｕ１を測定する。第２の測定装置３４を用いて、スイッチ装置２４の車両バッテリ２０に面する側で、第２の電圧Ｕ３を測定する。第１の電圧Ｕ１と第２の電圧Ｕ３とを比較し、第１の電圧Ｕ１と第２の電圧Ｕ３が実質的に一致する場合、スイッチ装置２４を閉じる。スイッチ装置２４が閉じている間に、第１の電圧Ｕ１および第２の電圧Ｕ３を測定する。スイッチ装置２４が閉じている間に、第１の電圧Ｕ１の測定結果と第２の電圧Ｕ３の測定結果との間の第１の測定差分ΔＵ１に基づいて、第１の測定装置３２および第２の測定装置３４を調節する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の電気駆動モータのために電力を貯蔵する、車両バッテリ、具体的には高電圧車両バッテリを充電するための方法であって、車両バッテリはスイッチ装置を介して充電ソケットに電気的に接続可能であり、第１の測定装置を用いて、スイッチ装置の充電ソケットに面する側で、第１の電気的変数を測定するステップと、第２の測定装置を用いて、スイッチ装置の車両バッテリに面する側で、第２の電気的変数を測定するステップと、第１の電気的変数と第２の電気的変数とを比較し、第１の電気的変数と第２の電気的変数が実質的に一致する場合、スイッチ装置を閉じるステップとを含む、方法に関する。

さらに、本発明は、自動車のための充電装置であって、固定式の充電ステーションに接続可能な充電ソケットを備え、車両バッテリ端子を備え、その車両バッテリ端子に車両バッテリが接続可能であり、スイッチ装置を備え、充電ソケットおよび車両バッテリ端子はそのスイッチ装置を用いて電気的に接続可能であり、充電ソケットの領域で第１の電気的変数を測定するように装置された第１の測定装置を備え、スイッチ装置の車両バッテリに面する側で第２の電気的変数を測定するように装置された第２の電気的測定装置を備え、制御装置を備える、自動車のための充電装置に関する。

電動式自動車または電気自動車は、電気的に充電可能なエネルギー貯蔵を有する。このエネルギー貯蔵は、例えば、定格電圧を８００ボルトとすることができる、高電圧バッテリとして装置することができる。このようなエネルギー貯蔵は、通常、外部の充電柱（充電ステーション）と車両に適合した充電ソケットとの間に電気的接続を確立することによって充電される。切替可能な電気的接続は、具体的にはスイッチ装置を用いて、充電ソケットと車両バッテリとの間に設けられ、このスイッチ装置は、例えば、断路器とも呼ぶことができ、接触器として実施することができる。スイッチ装置は、車両バッテリの電圧と充電ソケットの電圧をほぼ同じ値にするために、充電プロセスの始めに最初は開いている。その後、スイッチ装置は閉じられ車両バッテリは充電される。

第１の電気的変数および第２の電気的変数を測定するために、例えば電圧測定値の形で、高い測定精度が必要とされる。これは、技術的な理由、法律上の理由および安全に関係する理由で、電圧差はただ非常に小さいことが許されるためである。

この場合、電圧測定値の精度は、装置要素の稼働時間全体にわたって低下することが許されない。

（特許文献１）は、巻き取り可能な充電ケーブルを介して充電柱に接続することができ、充電することができる、プラグイン自動車のための充電システムを説明する。この場合、電流および電圧が充電プロセスの間に測定され、充電ケーブルの抵抗がそれで計算される。

（特許文献２）は、電動式車両のための充電装置を開示し、この充電装置は、接触部とのインタフェース、電力コンバータ、制御ユニットおよび回路遮断器を有し、接触部と回路遮断器との間の電圧を検出するように装置される。

さらに、（特許文献３）は、直列に相互接続された複数のバッテリモジュールの電圧測定のための装置を提供することを開示する。差分電圧は、充電状態でおよび非充電状態で２つのコンデンサの放電プロセスの間に決定される。測定誤差が差分電圧から計算される。

（特許文献４）は、充電プロセスの間に各々の個別のバッテリセルの現在の電圧を決定し充電電圧を適合させることができる、電気自動車用バッテリ制御ユニットを開示する。

最後に、（特許文献５）は、電気的接続が過熱することを防ぐために、充電電流が充電装置と車両との間の電気的接続の温度に適合される、電気自動車を充電するための方法を開示する。

独国特許出願公開第１０ ２０１３ ２２１ ９７０ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１４ ２０８ ６９６ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１２８１５８ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０３１３５６２ Ａ１号明細書 国際公開第２０１２／１３９７７８ Ａ２号パンフレット

この背景に対して、車両バッテリを充電するための改善された方法、および自動車における、または自動車のための改善された充電装置を特定することが本発明の目的である。

この目的は、請求項１で特許請求される、車両バッテリを充電するための方法を用いて、および請求項８で特許請求される、自動車のための充電装置を用いて達成される。

本発明による方法の好ましい実施形態は、従属する請求項２から７に見いだされる。

本発明による方法は、有利には、車両バッテリ充電プロセスの間に電圧測定値または他の電気的変数の測定値の調節を実行することを可能にする。

スイッチ装置が閉じている場合、第１および第２の電気的変数は、空間的近接のため正確に同一であるべきである。しかしながら、測定装置が異なる測定結果をもたらす場合、測定装置の一方が他方と一致するように調節される必要があると想定することができる。

好ましくは、１つの実施形態で、第１の測定装置、すなわちスイッチ装置の充電ソケットに面する側に配置される測定装置が調節される。

測定差分が生じる場合、測定装置に対する補正率を計算し、測定装置のソフトウェアに統合するかまたは組み込むことができる。

好ましくは、このような調節は、各々の充電プロセスの間に実行される。それにより、稼働時間全体にわたって電気的変数の測定値の精度を高く保つことが可能である。

使用される充電ステーションの電圧とバッテリの電圧が異なる場合のために、例えばＤＣ／ＤＣコンバータの形の、コンバータユニットを充電ソケットと車両バッテリとの間に同様に設けてもよい。この場合、スイッチ装置とコンバータユニットとの間に配置される、第３の測定装置が設けられると有利である。さらに、この場合のためのスイッチユニットは、一般に、１つの基本的な実施形態におけるように、２つのスイッチを備えず、むしろ３つの個別のスイッチを備える。

この場合、スイッチ装置と充電ソケットとの間の測定装置を調整することができ、かつ／またはスイッチ装置とコンバータユニットとの間の測定装置を調整することができる。

上述の特徴および以下でさらに解説する特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、それぞれに示された組合せでだけではなく、他の組合せでまたはそれ自体で、使用され得ることは言うまでもない。

本発明の例示的な実施形態は、図面で例示され、以下の説明でより詳細に解説される。

充電ステーションにおける充電装置を持つ車両の略図を示す。 電気的測定変数の、およびスイッチ装置のスイッチ位置のタイミング図を示す。 それぞれの測定差分を用いた継続的な調節プロセスの時系列を示す。 充電装置のさらなる実施形態の、図１に相当する説明図を示す。 本発明による充電方法の流れ図の略図を示す。

図１は、充電ステーション１２に配置された自動車１０を概略的に例示する。充電ステーション１２は、例えば大きさが４００ボルトの充電電圧または大きさが８００ボルトの充電電圧を供給することができる、充電端子１４を有する。充電端子１４は、一般にケーブルを介して、充電電圧が供給される充電プラグ１６に接続される。

車両バッテリ２０は、車両１０上に配置され、前記車両バッテリは、車両１０の電気駆動モータのために電力を貯蔵し、すなわち一般に１キロワット時より大きい、具体的には１０キロワット時より大きい容量を有する。

さらに、充電ソケット２２が車両１０上に配置され、この充電ソケットに充電プラグ１６を差し込むことができる。充電ソケット２２は、好ましくは、車両の車体構造の外装の上に設けられる。

スイッチ装置２４は、充電ソケット２２と車両バッテリ２０との間に設けられ、前記スイッチ装置は、この場合、第１のスイッチＳ２および第２のスイッチＳ３を有する。スイッチは、例えば接触器として、高電圧用途のための断路器として装置することができる。

第１のスイッチＳ２は、充電ソケット２２と車両バッテリ２０との間の第１の線路２６に配置される。第２のスイッチＳ３は、充電ソケット２２と車両バッテリ２０との間の第２の線路２８に配置される。

車両バッテリ２０は、車両バッテリ端子２９の領域で第１の線路２６および第２の線路２８に接続される。

充電ソケット２２および車両バッテリ２０は、さらに、通信線路３０ａ、３０ｂおよび制御装置を介して互いに結合される。前記通信線路は一般に双方向である。

説明図は、充電器が同様に充電ソケット２２および充電プラグ１６を介して充電ステーション１２と、好ましくは同じく双方向に、通信できることを示していない。

第１の電気的変数、この場合電圧Ｕ_１を測定するための第１の測定装置は、スイッチ装置２４と充電ソケット２２との間に設けられる。第２の電気的変数、好ましくは電圧Ｕ_３を測定するための第２の測定装置３４は、スイッチ装置２４と車両バッテリ２０または車両バッテリ端子２９との間に設けられる。

第１の測定装置３２は、制御装置に第１の測定結果Ｕ_１測定値を与える。それに応じて、第２の測定装置３４は、制御装置４０に測定結果Ｕ_３測定値を与える。

全体的にみれば、図１は自動車１０のための充電装置５０を例示する。

図２は、充電プロセスのタイミング図を示す。

時点ｔ_０において、充電プラグ１６は充電ソケット２２に接続される。この時点において、スイッチ装置のスイッチＳ２、Ｓ３は開いている。時点ｔ_１において、第１にいわゆる「事前充電」プロセスが始まり、充電電圧Ｕ_１は電圧Ｕ_３に実質的に一致する設定値に適合または設定される。充電電圧がｔ_２において設定値に到達した場合、スイッチＳ２、Ｓ３をｔ_３において閉じることができ、充電電圧Ｕ_１および電圧Ｕ_３の調節を実行することができる。

充電プロセスは、時点ｔ_４において終了し、その結果、充電ソケット２２とバッテリ２０との間で電流は交わされない。スイッチＳ２、Ｓ３は、この時点において閉じられているから、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３が温度上昇した状態で電圧Ｕ_１およびＵ_３を調節することが可能である。調節が実行された後に時点ｔ_５において、スイッチＳ２、Ｓ３は再び開かれる。

スイッチ装置２４が閉じられている場合に対して、測定結果Ｕ_１MessおよびＵ_３Messは、特に車両内での空間的近接のため、実際に同一であるべきであるから、調節が実行される。

したがって、測定差分ΔＵ_１が発生したとき、第１の測定装置３２は、すなわち本発明による調節によって、修正される必要がある、一定の不正確な測定値を与えると想定される。

図３は、それぞれの調節プロセスが異なる時点Ｔ_１、Ｔ_２において実行されることを例示する。測定差分は、ここでそれぞれ発生することがあり、ΔＵ_ａ、ΔＵ_ｂ、などによって概略的にそれぞれ示される。

測定差分ΔＵが発生する場合、それは第１の所定の差分閾値ΔＵ_ＭＡＸ１より大きくてはならない。さもなければ、測定装置に欠陥があると想定され得るのでエラーメッセージが出力される。

その一方で、継続的な調節プロセスにわたって測定差分ΔＵを合計することが可能である。したがって、測定差分の合計値が常に結果として生じる。この場合、測定差分は、正または負の値を想定することができる。例として、測定差分ΔＵ_ｃは、Ｔ_３後の測定差分の合計がＴ_３前より再び小さくなるように、負である。

時点Ｔ_５において、測定差分の合計は、第２の差分閾値ΔＵ_ＭＡＸ２を超える。これは、影響を受けた測定装置に欠陥があると想定されることを意味し、その結果エラー信号Ｆが時点Ｔ_５において出力される。

ΔＵ_ＭＡＸ２は、好ましくはΔＵ_ＭＡＸ１より大きい。

図４は、構造および機能に関して図１における充電装置５０にほぼ対応する、充電装置５０’のさらなる実施形態を示す。したがって、同一の要素は同一の参照記号によって識別される。実質的に相違点を以下に解説する。

充電装置５０’の場合、スイッチ装置２４’と車両バッテリ２０との間にコンバータユニット６０が設けられ、このコンバータユニットは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータとして、具体的にはＤＣ／ＤＣブースタとして装置することができる。

さらに、第３のスイッチＳ１を持つ第３の線路６２が第１の測定装置３２と第２の測定装置３４との間に設けられる。

それに加えて、電圧Ｕ_２を測定するためのさらなる測定装置３４’がスイッチ装置２４’とコンバータユニット６０との間に設けられる。

充電ソケット２２が、例えば８００ボルトなどの、例えば第１の充電電圧を供給する充電ステーション１２に接続される場合、スイッチＳ１、Ｓ３は、充電の目的で閉じられる。充電ソケット２２に接続された充電ステーションが第２の、例えば４００ボルトの、より低い充電電圧を与える場合、スイッチＳ２、Ｓ３は、コンバータユニット６０を介して充電プロセスが実行されるように充電の目的で閉じられ、コンバータユニット６０は、充電ソケット２２で供給される低い充電電圧を高電圧バッテリ用のより高い電圧、例えば８００ボルトに上げる。

低い充電電圧が供給されコンバータユニット６０が使用される、充電ステーションにおける充電プロセスの間に、測定装置３４’は、具体的には測定装置３４と一致させるために測定装置３２の調節について上述したのと同じ方法で、測定装置３２とともに調節することができる。

図５は、車両バッテリを充電する方法を示す。ステップＬ１で、充電装置は休止状態にある。

ステップＬ２は、第２の測定装置３４をバッテリ電圧に調節すること、すなわちＵ_３をＵ_ＢＡＴＴに調節することを伴う。

ステップＬ３は、充電プロセスが８００ボルトの高電圧充電ステーションで実行されるかまたは４００ボルトの標準的な充電ステーションで実行されるかどうかを決定することを伴う。

充電プロセスが８００ボルトの高電圧充電ステーションで実行される場合、ステップＬ４は、このような充電ステーションで充電プロセスを開始することを伴う。

ステップＬ５は、Ｕ_１をＵ_３に調節することを伴う。

充電プロセスは、ステップＬ６で終了される。

他方、ステップＬ３で、充電プロセスが４００ボルトの充電ステーションで実行されると決定される場合、充電プロセスは、ステップＬ７で、このような充電ステーションで始まる。

ステップＬ８は、Ｕ_２をＵ_１に調節することを伴う。

全体的にみれば、ドイツ工業標準規格（ＤＩＮ）６１８５１−２３に従って、車両はスイッチ装置または断路器（接触器）を用いて充電ソケットから切断可能としなければならないと規定される。充電プラグを持つ充電ケーブルがプラグを差し込まれると、充電プロセスが開始される。この場合、スイッチ装置２４、２４’は、最初は開いている。その後、「事前充電」の充電が行われるのに先立って調整が行われ、充電ステーションによって供給される、充電ソケットにおける電圧（電圧Ｕ_１）は、車両バッテリ２０の電圧（電圧測定値Ｕ_３）に調節される。Ｕ_１とＵ_３との間の測定差分が限界値未満である場合、スイッチ装置２４または２４’は、閉じることを許される。

ドイツ工業標準規格（ＤＩＮ）６１８５１−２２によれば、Ｕ_１とＵ_３との間の電圧差分に対する限界値は、正確に２０ボルトである。この限界値は、好ましくはさらにより小さく、例えば１０ボルトである。最大電圧が８００ボルトであると想定すると、前記１０ボルトは、正確に８００ボルトの１．２５％に相当する。したがって、電圧差分を評価するために少なくとも１．２５％の測定精度がＵ_１およびＵ_３に必要である。したがって、安全率を含めると電圧測定の精度は１％未満でなければならないという必要条件が生じる。好ましくは装置要素の予測される１５年の稼働時間およびすべての温度範囲にわたって、この必要条件は、一般に難しさを伴ってのみ満たすことができ、それは従来技術において高価かつ複雑な測定回路をもたらす。

本発明によれば、スイッチ装置２４または２４’は調整プロセス（電圧調節）が成功した後閉じられる。測定装置Ｕ_１およびＵ_３の空間的近接の結果として、実際の測定値Ｕ_１lst＝Ｕ_３lstと想定することができる。充電プロセスのこの段階は、互いにまたは互いに対して一致するように測定装置を調節するために利用することができる（これは、好ましくは、２つの測定装置の１つのためにソフトウェアで保存される補正率を生成することを伴う）。スイッチ装置の構成要素の温度上昇の結果として、異なる温度に対して複数の補正率を決定することが可能である。

このような調節は各々の充電プロセスの間に実行することができるので、Ｕ_１およびＵ_３用の２つの測定装置がそれらの存続期間にわたって離れて行かないようにすることが可能である。したがって、自力では存続期間にわたって測定精度必要条件を満たすことができない、より単純な測定装置を使用することが可能である。

本発明による原理は、電圧測定値に適用することができるが、異なるセンサの電流が同じ値を有するという仮定が妥当である動作状態が生じる場合、電流測定値に適用することができる。

センサの、または測定装置の補正率は、最大可能値（例えばΔＵ_ＭＡＸ２）まで監視することができる。制限は、絶対的にも時間的にも実施することができる。このような値に到達する場合、測定装置の欠陥が存在すると想定することができる。

１０ 車両
２０ 車両バッテリ
２２ 充電ソケット
２４、２４’ スイッチ装置
３２ 第１の測定装置
３４、３４’ 第２の測定装置
Ｕ_１ 第１の電気的変数
Ｕ_３、Ｕ_２ 第２の電気的変数
ΔＵ_１ 第１の測定差分

Claims (8)

1. 車両（１０）の電気駆動モータのために電力を貯蔵する、車両バッテリ（２０）、具体的には高電圧車両バッテリ（２０）を充電するための方法であって、前記車両バッテリ（２０）は、スイッチ装置（２４、２４’）を介して充電ソケット（２２）に電気的に接続可能であり、以下のステップすなわち、
   第１の測定装置（３２）を用いて、前記スイッチ装置（２４、２４’）の前記充電ソケット（２２）に面する側で、第１の電気的変数（Ｕ_１）を測定するステップと、
   第２の測定装置（３４、３４’）を用いて、前記スイッチ装置（２４）の前記車両バッテリ（２０）に面する側で、第２の電気的変数（Ｕ_３、Ｕ_２）を測定するステップと、
   前記第１の電気的変数（Ｕ_１）と前記第２の電気的変数（Ｕ_３、Ｕ_２）とを比較し、前記第１の電気的変数（Ｕ_１）と前記第２の電気的変数（Ｕ_３、Ｕ_２）が実質的に一致する場合、前記スイッチ装置（２４、２４’）を閉じるステップと、
   前記スイッチ装置（２４、２４’）が閉じている間に前記第１の電気的変数（Ｕ_１）および前記第２の電気的変数（Ｕ_３、Ｕ_２）を測定するステップと、
   前記スイッチ装置（２４、２４’）が閉じている間に前記第１の電気的変数（Ｕ_１）の測定結果と前記第２の電気的変数（Ｕ_３、Ｕ_２）の測定結果との間の第１の測定差分（ΔＵ_１）に基づいて前記第１の測定装置（３２）および前記第２の測定装置（３４、３４’）を調節するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記第２の電気的変数（Ｕ_３）および電気的バッテリ変数（Ｕ_ＢＡＴＴ）は、前記スイッチ装置（２４、２４’）が閉じられる前に測定され、前記第２の測定装置（３４）は、前記第２の電気的変数（Ｕ_３）と前記電気的バッテリ変数（Ｕ_ＢＡＴＴ）との間の第２の測定差分（ΔＵ_１）に基づいて調節される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の電気的変数（Ｕ_３）は、前記車両バッテリ（２０）において測定される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第２の電気的変数（Ｕ_２）は、前記スイッチ装置（２４’）と、前記スイッチ装置（２４’）と前記車両バッテリ（２０）との間に接続されたコンバータユニット（６０）との間の領域で測定される、請求項１または２に記載の方法。
5. 測定差分（ΔＵ）が所定の第１の差分閾値（ΔＵ_ＭＡＸ１）を超える場合に対して、エラーメッセージ（Ｆ）が出力される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 継続的な調節プロセス（Ｔ_１、Ｔ_２、．．．）の測定差分（ΔＵ_ａ、ΔＵ_ｂ、．．．）が合計され、このように計算される前記測定差分の前記合計が所定の第２の差分閾値（ΔＵ_ＭＡＸ２）を超える場合エラーメッセージ（Ｆ）が出力される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第１の電気的変数（Ｕ_１）および前記第２の電気的変数（Ｕ_３、Ｕ_２）は、各々の場合に、電圧または電流または電気抵抗である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 自動車（１０）のための充電装置（５０）であって、固定式の充電ステーション（１２）に接続可能な充電ソケットを備え、車両バッテリ端子（２９）を備え、前記車両バッテリ端子（２９）に車両バッテリ（２０）が接続可能であり、スイッチ装置（２４、２４’）を備え、前記充電ソケット（２２）および前記車両バッテリ端子（２９）は前記スイッチ装置（２４、２４’）を用いて電気的に接続可能であり、前記充電ソケット（２２）の領域で第１の電気的変数（Ｕ_１）を測定するように装置された第１の測定装置（３２）を備え、前記スイッチ装置（２４、２４’）の前記車両バッテリ（２０）に面する側で第２の電気的変数（Ｕ_３、Ｕ_２）を測定するように装置された第２の電気的測定装置（３４、３４’）を備え、前記車両バッテリ（２０）の充電プロセスを制御および／または監視するように装置された制御装置（４０）を備え、前記制御装置（４０）は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の充電方法を実行するように装置され設計される、自動車（１０）のための充電装置（５０）。

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