JP2019126252A - 自動車のための供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車のための供給装置を提供する。【解決手段】供給装置（１０）において、ＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）は、第１の状態において、第１の端子（２３、２４）における第１のＤＣ電圧（Ｕ１）を第２の端子（２５、２６）におけるよりも低い第２のＤＣ電圧（Ｕ２）に変換することを可能にし、かつ、第２の状態において、第１の端子（２３、２４）における第１のＤＣ電圧（Ｕ１）を第２の端子（２５、２６）におけるよりも低い第２のＤＣ電圧（Ｕ２）に変換しない。制御装置（２２）は、第１の状態と第２の状態との間で双方向にＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）を繰り返し切り換えることにより、第２の端子（２５、２６）でのエネルギー供給を可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のための供給装置に関する。

（特許文献１）は、高電圧車載電気システムと低電圧車載電気システムとを有し、かつこれらの車載電気システム間にＤＣチョッパを有する車両を開示している。高電圧電気システムは、高電圧エネルギー貯蔵装置を有し、低電圧電気システムは、低電圧エネルギー貯蔵装置を有する。静止段階において、ＤＣチョッパは、高電圧車載電気システムの消費機器を補足的に接続することにより、低電圧エネルギー貯蔵装置に負荷をかけ、次いで低電圧エネルギー貯蔵装置の応答を評価するために使用される。

（特許文献２）および（特許文献３）は、ＤＣ／ＤＣコンバータを有するバッテリ充電器を開示している。

（特許文献４）は、高電圧電気システムと低電圧電気システムとの間で変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータを有するハイブリッド車両のための充電装置を開示している。

（特許文献５）は、コントローラを有する高効率ＤＣ／ＤＣコンバータを開示している。

独国特許出願公開第１０ ２０１３ ２１９ ２９３Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００１／００１１８８０Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２９２９８９Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２００１５２Ａ１号明細書 米国特許第５，５５８，０７１号明細書

本発明の目的は、新規の供給装置を提供することである。

この目的は、請求項１の主題を用いて達成される。第１の状態と第２の状態との間で双方向に切り換えることにより、動作領域においてＤＣ／ＤＣコンバータを高効率で動作させることが可能であり、それにより損失を低減することができる。これにより、常に能動的に変換を行い、その際に動作領域において低効率で動作するＤＣ／ＤＣコンバータと比較して効率が高くなる。

１つの好ましい実施形態によれば、供給装置は、電圧調整器を有し、この電圧調整器は、第２の端子における電圧を所定の設定値に制御するように構成され、所定の設定値は、第１の状態において電圧調整器に対して事前に定められる。その結果、接続された第２のエネルギー貯蔵装置は、電圧調整器によって事前に定められた電圧で充電され得る。

１つの好ましい実施形態によれば、第２の端子は、第２のエネルギー貯蔵装置、特に充電式バッテリに接続される。第２のエネルギー貯蔵装置は、第１の状態中、余分なエネルギーのための貯蔵装置として使用され得、このエネルギーは、その後、第２の状態において、例えば第２のエネルギー貯蔵装置から負荷または消費機器に送られ得る。

１つの好ましい実施形態によれば、第１の状態と第２の状態との間での双方向の切換えは、１０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満である周波数で行われる。その結果、第１の状態において、第２のエネルギー貯蔵装置を充電するために高電流または高電力が供給され得、第２の状態において、第２のエネルギー貯蔵装置は、例えば、必要とされる電力を負荷に供給することができる。この場合、周波数は、固定した方式で選択され得るが、状態に応じて、特に必要とされる電力に応じてまたはエネルギー貯蔵装置の充電状態に応じて選択することもできる。

１つの好ましい実施形態によれば、制御装置は、第２の端子において現在必要とされる電力に応じて、第１の状態の時間と第２の状態の時間との適切な比率を決定し、かつそれに応じてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるように構成される。時間のこの調節は、ＤＣ／ＤＣコンバータを有利な領域で動作させることを可能にする。

１つの好ましい実施形態によれば、第１の状態の時間と第２の状態の時間との比率は、第１の現在必要とされる電力の場合の方が、第２の現在必要とされる電力の場合よりも小さく、第２の現在必要とされる電力は、第１の現在必要とされる電力よりも大きい。これは、高電力または高消費の場合に電力供給を良好にし、第２の状態による割り込みをより短くすることを可能にする。

１つの好ましい実施形態によれば、制御装置は、第２の端子において現在必要とされる電力に応じて、第１の状態および第２の状態からの周期の適切な周期時間を決定し、かつそれに応じてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるように構成される。これは、効率が良好である特に有利な領域でＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることを可能にする。

１つの好ましい実施形態によれば、第１の状態および第２の状態からの周期の周期時間は、第１の現在必要とされる電力の場合の方が、第２の現在必要とされる電力の場合よりも短く、第２の現在必要とされる電力は、第１の現在必要とされる電力よりも大きい。その結果として、ＤＣ／ＤＣコンバータ側の第１の現在必要とされる電力がより低い場合、パルス持続時間が過度に短くならないようにすることができる。

１つの好ましい実施形態によれば、供給装置は、第２のエネルギー貯蔵装置と、第２のエネルギー貯蔵装置に接続された負荷とに接続され、現在必要とされる電力は、第２のエネルギー貯蔵装置から前記負荷への電流の測定値に応じて決定される。この測定値を用いて、変化する負荷にきわめて迅速に応答することが可能である。

１つの好ましい実施形態によれば、供給装置は、第２のエネルギー貯蔵装置に接続され、現在必要とされる電力は、第２のエネルギー貯蔵装置における電圧の測定値に応じて決定される。場合により、第２のエネルギー貯蔵装置から負荷への電流の測定中に検出されない統合的影響も結果的に考慮に入れられる。

１つの好ましい実施形態によれば、供給装置は、第２のエネルギー貯蔵装置に接続され、現在必要とされる電力は、第２のエネルギー貯蔵装置の充電状態に応じて決定される。

１つの好ましい実施形態によれば、現在必要とされる電力は、第２のエネルギー貯蔵装置から負荷への電流の測定値と、第２のエネルギー貯蔵装置における電圧の測定値または第２のエネルギー貯蔵装置の充電状態との両方に応じて決定される。例として、より高い値または平均値を使用することができる。これにより、電力がより迅速に調節される。大きい負荷と、したがって負荷への高電流とは、十分な充電状態を前提とした場合でも発生し得るため、第２のエネルギー貯蔵装置の充電状態および負荷への電流を考慮に入れることが有利である。ＤＣ／ＤＣコンバータから必要な電力を供給することにより、第２のエネルギー貯蔵装置の放電が少なくなり、第２のエネルギー貯蔵装置が保護される。

１つの好ましい例示的な実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、効率が最大になる所定の第１の動作点を有し、およびＤＣ／ＤＣコンバータは、第１の状態において第１の動作点で動作する。

１つの好ましい実施形態によれば、第１の状態において第２のＤＣ電圧を発生させるＤＣ／ＤＣコンバータは、クロックで動作し、クロックの周波数は、第１の状態と第２の状態との間での切換周波数よりも高い。状態Ｚ１およびＺ２間の切換えは、切換周波数がクロック周波数と同様の大きさの場合にクロックが干渉するため、ＤＣ／ＤＣ変換に悪影響を及ぼす。

１つの好ましい実施形態によれば、自動車は、このような供給装置を有する。供給装置は、特に電気車両に適しており、なぜなら、電気車両の場合、エネルギー効率が走行可能距離にとって重要であるからである。

本発明のさらなる詳細および有利な発展形態は、下記に説明されかつ図面に示される例示的な実施形態から、およびまた従属請求項から明らかになり、例示的実施形態は、決して本発明を限定するものと解釈すべきでない。

エネルギー貯蔵装置のための供給装置を有する自動車を概略図で示す。 効率を電流に対応させてプロットした図を示す。 ＤＣ／ＤＣコンバータの２つの状態間の切換えの図を示す。 ＤＣ／ＤＣコンバータの２つの状態間の切換えの別の図を示す。

図１は、自動車１２を概略図で示す。自動車１２は、エネルギー貯蔵装置１４とエネルギー貯蔵装置１４に接続可能な負荷１６とを有し、エネルギー貯蔵装置１４は、第１の電圧Ｕ１、好ましくは、例えば２００ボルト、４００ボルトまたは８００ボルトの高電圧で動作する。自動車１２は、別のエネルギー貯蔵装置３０と前記エネルギー貯蔵装置３０に接続可能な負荷３２とを有し、エネルギー貯蔵装置３０は、好ましくは、第１の電圧Ｕ１よりも低い第２の電圧Ｕ２で動作する。第２の端子２５、２６は、好ましくは、車載電気システムを接続するために設けられる。エネルギー貯蔵装置３０は、高効率および高いサイクル耐久性を有することが好ましい。第２の電圧Ｕ２は、例えば、１２ボルト、２４ボルトまたは４８ボルトである。供給装置１０は、制御装置２２およびＤＣ／ＤＣコンバータ２０を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、エネルギー貯蔵装置１４とエネルギー貯蔵装置３０との間に設けられるかまたは相互接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、エネルギー貯蔵装置１４を接続するための第１の端子２３、２４と、エネルギー貯蔵装置３０を接続するための第２の端子２５、２６とを有する。第１の端子２３、２４は、エネルギー源１８のための端子５１、５２に接続されることが好ましく、エネルギー源は、例えば、充電ステーションまたは家庭用電気端子である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０はまた、ＤＣ／ＤＣ変換を行うためにエネルギー源１８と共に動作することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第１の状態Ｚ１において、第１の端子２３、２４における第１のＤＣ電圧Ｕ１を、第２の端子２５、２６において、より低い第２のＤＣ電圧Ｕ２に変換することを可能にし、かつ第２の状態Ｚ２において、第１のＤＣ電圧Ｕ１をより低い第２のＤＣ電圧に変換しないように構成される。その結果、エネルギー貯蔵装置３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０によって充電することができ、エネルギー貯蔵装置３０および／または負荷３２は、エネルギーを供給され得る。状態Ｚ１は、高い電気負荷または電力を有する動作点とも称され得、状態Ｚ２は、スイッチが切られた状態の動作点と称され得る。

制御装置２２は、ＣＴＲＬで示されている。この制御装置２２を用いて、第１の状態Ｚ１と第２の状態Ｚ２との間で双方向にＤＣ／ＤＣコンバータ２０を繰り返し切り換えることにより、エネルギー貯蔵装置３０の充電が可能になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を動作させることが可能である。

好ましくは、供給装置１０は、Ｕ＿ＣＴＲＬとして示された電圧調整器２８を有する。電圧調整器２８は、第２の端子２５、２６における電圧Ｕ２を所定の設定値Ｕ２＿Ｓに制御するように構成され、および設定値Ｕ２＿Ｓは、第１の状態Ｚ１において電圧調整器２８に対して事前に定められることが好ましい。

測定装置３１は、エネルギー貯蔵装置３０の電圧を測定するために任意選択でエネルギー貯蔵装置３０に設けられる。

測定装置３３は、エネルギー貯蔵装置３０から負荷３２への電流を測定するために任意選択で設けられる。

測定装置３１、３３によって測定された測定信号は、制御装置２２が、現在必要とされる電力、または電圧がほぼ一定と仮定すると同義的にＤＣ／ＤＣコンバータ２０からの現在必要とされる電流を決定することができるように制御装置２２に送られ得る。

図２は、様々な電流強度Ｉに対する典型的なＤＣ／ＤＣコンバータ２０の効率が線７１で概略的に示される図を示す。効率ηは、第１の端子２３、２４における電力に対する第２の端子２５、２６における電力の比率から得られ、最大で１である。図１の端子２５における電流Ｉ１、Ｉ２が例として示されており、この電流は、電圧Ｕ２が一定であると仮定すると電力に比例する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が、より大きい電流Ｉ２,２と比較して、より小さい電流Ｉ２,１の場合により低い効率ηを有することは明らかである。電流Ｉ２,２の場合、効率ηは最大であり、第１の状態Ｚ１において、電流Ｉ２,２でまたはこの動作点においてＤＣ／ＤＣコンバータ２０を動作させることが有利である。一般に、可能な限り大きい電流または大きい電力でＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることが有利である。効率ηの図は、使用されるＤＣ／ＤＣコンバータ２０に応じて変わる。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の電力が小さい場合に効率ηが低いことは、多くのそのようなコンバータについて典型的である。ＤＣ／ＤＣコンバータの例には、分割ｐｉ(split-pi)コンバータ（昇圧−降圧コンバータと称される）、カスケード型降圧−昇圧コンバータ、降圧コンバータおよびフォワードコンバータがある。これらのＤＣ／ＤＣコンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の少なくとも１つのスイッチに対するクロック制御で部分的に動作する。このクロックの周波数は、外乱ノイズを低減するために２０ｋＨｚを超えることが好ましい。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータのクロック周波数は、第１の状態Ｚ１と第２の状態Ｚ２との間の切換周波数よりも大幅に高いことが望ましい。

図３は、電流Ｉ１、Ｉ２をそれぞれ示し、これらの電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータの第２の端子２５または第２の端子２６で測定可能である。電流Ｉ１は、エネルギー貯蔵装置３０の放電を低減するかまたは完全に防止するために、例えば、負荷３２の現在の電力需要に応じて選択されたＤＣ／ＤＣコンバータ２０の持続した状態Ｚ１に対応する。状態Ｚ１が持続状態として選択された場合、電流Ｉ１は、比較的低い可能性があり、このため、ＤＣ／ＤＣコンバータは、比較的低い、したがって不十分な効率で動作する。線６１に対応する連続通電の代替として、線６２に対応するクロック制御されたまたはパルス状の通電を行うことができ、この通電は、第１の状態Ｚ１と第２の状態Ｚ２との間で双方向に繰り返し切り換わることを伴う。対応するエネルギーをエネルギー貯蔵装置３０および／または負荷３２に供給するために、状態Ｚ１中の電流Ｉ２の大きさは、連続通電の場合よりも大きくなければならない。これは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０をより良好な効率で動作させ、したがって損失を低減することを可能にする。

第１の状態Ｚ１と第２の状態Ｚ２との間での双方向の切換えは、１０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満である周波数で行われることが好ましい。周期時間Ｔは、周波数１０Ｈｚで０．１秒であり、周波数１Ｈｚで１秒である。負荷３２がきわめて小さい場合、例えば１０秒、３０秒、６０秒または６０分などのより長い周期時間Ｔが可能である。代わりにまたは加えて、周期時間は、エネルギー貯蔵装置３０の充電状態から影響を受けることがある。状態Ｚ１中、通常、全エネルギーが負荷３２に送られるのではなく、むしろエネルギー貯蔵装置３０がバッファとして機能して、エネルギーを少なくとも部分的に占有する。状態Ｚ２中、エネルギー貯蔵装置３０は、続いてエネルギーを再度放出し、そのエネルギーを負荷３２に供給する。

第１の状態Ｚ１の時間Ｔ１と第２の状態Ｚ２の時間Ｔ２との比率は、第２の端子２５、２６において現在必要とされる電力に基づき、制御装置２２によって決定されることが好ましい。これは、例えば、負荷３２への電流を測定することによって行われ得、またはエネルギー貯蔵装置３０における現在の電圧を測定することも可能であり、この現在の電圧は、エネルギー貯蔵装置３０の充電状態と、したがって必要な電力とを反映する。エネルギー貯蔵装置３０において、充電状態の特徴を示す値を測定する割り当てられた充電状態の測定が行われると、第２の端子２５、２６において現在必要とされる電力は、エネルギー貯蔵装置３０の充電状態の特徴を示す値に応じて決定され得ることが好ましい。充電状態は、下限および上限を有する所定のウィンドウ内に保持されることが好ましく、給電は、下限に達した場合にオンに切り換えられ、上限に達した場合に再度終了する。これは、充電サイクルをより少なくし、エネルギー貯蔵装置の寿命をより長くする。これは、いわゆるＳＯＣ誘導制御（ＳＯＣ＝充電状態）と称される。

図３の線６１、６２について検討すると、時間ｔにわたる線６１の積分は、同じエネルギーを供給するために、時間ｔにわたる線６２の積分に一致しなければならない。

好ましくは、制御装置２２は、現在必要とされる電力に基づいて周期時間Ｔを決定し、かつそれに応じてＤＣ／ＤＣコンバータ２０を動作させるように構成される。この点について、必要な電力が大きい場合、給電を稀にのみ実施することが必要とされる小電力のみの場合よりも頻繁に状態Ｚ１、Ｚ２間で双方向に切り換えることが有利であり得る。

図４は、状態Ｚ１、Ｚ２間の切換え（線６４を参照されたい）と、線６３で示す一定の通電とに関する第２の例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態では、連続通電６３の場合、低電流強度Ｉ１のみが必要とされる。クロック制御された通電６４を用いて同じエネルギー供給を行うために、短いパルスが必要とされ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、その後、比較的長い時間Ｔ２にわたって状態Ｚ２で動作する。図３の図と比較して、図４では、必要とされる電流強度または電力が小さい場合、好ましくは、周期時間がより長く、時間Ｔ２に対する時間Ｔ１の比率がより小さいことは明らかである。周期時間の拡大はプラスに作用し、なぜなら、周期時間が拡大しない場合、きわめて短い時間Ｔ１が状態Ｚ１に使用可能になり、これは、不必要な切換損失をもたらすからである。

当然のことながら、本発明に関連して種々の変更形態および修正形態が可能である。

１０ 供給装置
１２ 自動車
１４ エネルギー貯蔵装置
１６ 負荷
１８ エネルギー源
２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ 制御装置
２３、２４ 第１の端子
２５、２６ 第２の端子
２８ 電圧調整器
３０ エネルギー貯蔵装置
３１ 電圧測定装置
３２ 負荷
３３ 電流測定装置
５１、５２ エネルギー源用端子
６１、６２ 図中の線
６３、６４ 図中の線
７１ 効率線
Ｉ１ 一定充電の電流
Ｉ２ パルス充電の電流
Ｔ１ パルス持続時間
Ｔ２ パルス間持続時間
Ｔ パルスの周期およびパルス間周期の時間
Ｕ１ 高電圧
Ｕ２ 低電圧
Ｚ１ 第１の状態
Ｚ２ 第２の状態

Claims (13)

1. 自動車（１２）のための供給装置（１０）であって、
   ＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）と前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）のための制御装置（２２）とを含み、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）は、第１の端子（２３、２４）および第２の端子（２５、２６）を含み、前記第１の端子（２３、２４）は、第１のエネルギー貯蔵装置（１４）またはエネルギー源（１８）に電気接続するように構成され、および前記第２の端子（２５、２６）は、第２のエネルギー貯蔵装置（３０）または負荷（３２）に電気接続するように構成され、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）は、第１の状態（Ｚ１）において、前記第１の端子（２３、２４）における第１のＤＣ電圧（Ｕ１）を前記第２の端子（２５、２６）におけるよりも低い第２のＤＣ電圧（Ｕ２）に変換することを可能にし、かつ第２の状態（Ｚ２）において、前記第１の端子（２３、２４）における第１のＤＣ電圧（Ｕ１）を前記第２の端子（２５、２６）におけるよりも低い第２のＤＣ電圧（Ｕ２）に変換しないように構成され、および前記制御装置（２２）は、前記第１の状態（Ｚ１）と前記第２の状態（Ｚ２）との間で双方向に前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）を繰り返し切り換えることにより、前記第２の端子（２５、２６）でのエネルギー供給を可能にするように構成される、供給装置（１０）。
2. 電圧調整器（２８）を含み、前記電圧調整器（２８）は、前記第２の端子（２５、２６）における前記電圧（Ｕ２）を所定の設定値（Ｕ２＿Ｓ）に制御するように構成され、所定の設定値（Ｕ２＿Ｓ）は、前記第１の状態（Ｚ１）において前記電圧調整器（２８）に対して事前に定められる、請求項１に記載の供給装置。
3. 前記第２の端子（２５、２６）は、第２のエネルギー貯蔵装置（３０）、特に充電式バッテリに接続される、請求項１または２に記載の供給装置。
4. 前記第１の状態（Ｚ１）と前記第２の状態（Ｚ２）との間での前記双方向の切換えは、１０Ｈｚ未満、好ましくは１Ｈｚ未満である周波数で行われる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の供給装置。
5. 前記制御装置（２２）は、前記第２の端子（２５、２６）において現在必要とされる電力に応じて、前記第１の状態（Ｚ１）の時間と前記第２の状態（Ｚ２）の時間との適切な比率を決定し、かつそれに応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の供給装置。
6. 前記第１の状態（Ｚ１）の時間と前記第２の状態（Ｚ２）の時間との前記比率は、第１の現在必要とされる電力の場合の方が、第２の現在必要とされる電力の場合よりも小さく、前記第２の現在必要とされる電力は、前記第１の現在必要とされる電力よりも大きい、請求項５に記載の供給装置。
7. 前記制御装置（２２）は、前記第２の端子（２５、２６）において現在必要とされる電力に応じて、第１の状態（Ｚ１）および第２の状態（Ｚ２）からの周期の適切な周期時間を決定し、かつそれに応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２０）を動作させるように構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の供給装置。
8. 第１の状態（Ｚ１）および第２の状態（Ｚ２）からの周期の周期時間は、第１の現在必要とされる電力の方が、第２の現在必要とされる電力の場合よりも短く、前記第２の現在必要とされる電力は、前記第１の現在必要とされる電力よりも大きい、請求項７に記載の供給装置。
9. 第２のエネルギー貯蔵装置（３０）と、前記第２のエネルギー貯蔵装置（３０）に接続された負荷（３２）とに接続され、前記現在必要とされる電力は、前記第２のエネルギー貯蔵装置（３０）から前記負荷（３２）への電流の測定値に応じて決定される、請求項５〜８のいずれか一項に記載の供給装置。
10. 第２のエネルギー貯蔵装置（３０）に接続され、前記現在必要とされる電力は、前記第２のエネルギー貯蔵装置（３０）における電圧の測定値に応じて決定される、請求項５〜９のいずれか一項に記載の供給装置。
11. 第２のエネルギー貯蔵装置（３０）に接続され、前記現在必要とされる電力は、前記第２のエネルギー貯蔵装置（３０）の充電状態に応じて決定される、請求項５〜１０のいずれか一項に記載の供給装置。
12. 前記第１の状態（Ｚ１）において前記第２のＤＣ電圧（Ｕ２）を発生させる前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、クロックで動作し、前記クロックの周波数は、前記第１の状態（Ｚ１）と前記第２の状態（Ｚ２）との間での切換周波数よりも高い、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の供給装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の供給装置を含む自動車。

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