JP3263075B2 - 電動輸送機関のための充電ステーション - Google Patents

電動輸送機関のための充電ステーション

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電気自動車もしくは電動車のための充電シ
ステムもしくは充電ステーションに関する。具体的に言
えば、本発明は、電動車の搭載バッテリーを、迅速かつ
効率的に、しかも安全に充電することができる大電力充
電装置を提供するものである。
背景技術 一般に、本発明は、乗用車やバン、軽トラックなどの
貨物自動車に類する電動車を対象としているが、本発明
は他の電動車、例えば電気式ゴルフカート、フォークリ
フトトラック、その他の工業用トラック、そしてパレッ
トリフタにも同様に利用できる。しかし、以下に詳述す
るように、本発明は商業的に利用できるものであって、
乗用車、路上移動貨物自動車のような電動車のバッテリ
ーに、内燃機関を有する自動車の燃料タンクに燃料を充
填するのと同じような仕方で、充電するためのものであ
る。したがって、本発明の電動車の充電ステーションが
できれば、それらは街角、高速道路等で見かけるように
なろう。
現在、乗用車タイプの実験電気自動車が幾つもある。
しかし、殆どすべてに共通して言えることは、これらの
自動車は極めて非効率的であり、極めて重いバッテリー
を搭載しており、せいぜい100乃至200kmと言う極めて限
られた距離を走っただけで充電しなければならない。単
位重量当たりの電力と容量とを大きくした新たなバッテ
リーを開発しようと全世界で多くの研究が行われてお
り、それによって、より速くかつより長い距離を走行で
きる電動車を開発しようとしている。本発明は、そのよ
うな自動車が実用的なら勿論、実験的にでも路上を走る
ようになったら、路上での充電施設の必要性が一層増大
することになるという認識に基づいている。勿論、その
ような充電ステーションは充電電力をバッテリーに安
全、迅速にかつ経済的に供給できなければならない。
そのためには、そのような充電ステーションは、様々
なバッテリー、たとえば、異なる容量あるいは異なる端
子電圧を有する（その場合は形式も異なる）バッテリー
にさえ充電電力を供給できなければならない。そのこと
は、充電ステーション側で十分な対応ができるか、もし
くは充電しようとするバッテリー側で十分な対応ができ
るかのいずれかでなければならないと言うことを意味し
ており、そして充電ステーションには電動車と両立する
ような設備がなければならないと言うことでもある。勿
論、商業用設備では、供給している電力を測定し、顧客
が支払う料金が算出するような手段を設けなければなら
ないが、これは本発明の範囲外の問題である。
現在、バッテリー用の充電装置を搭載した電動車をし
ばしば見受ける。しかし、その場合、通常の電源からの
バッテリーの充電には時間がかかり、たとえば一晩かか
って充電すると言うようなことになる。自動車が格納さ
れるガレージに、車両搭載の充電装置と同様の固定の充
電装置を設置することがあり、その場合は一台以上の自
動車の充電を行なえるかもしれない。しかし、通常は一
度に一台だけ充電できるにすぎない。これらの二つの方
法は、しばしば路上走行電動車に見受けられるが、２番
目の方法は、フォークリフトトラック等のための工業用
充電設備に見受けられることが多い。ゴルフカートのよ
うな他の電動車は着脱可能なバッテリートレーを備えて
おり、このバッテリートレーを電動車から取り外し、予
備のバッテリートレーを代りに電動車に取付けてその電
動車を継続して使用している間に、その取り外したバッ
テリートレーを充電する。電気乗用車等については、自
動車に電力を供給するのに必要なバッテリーの体積と重
量は、バッテリーのコストも同様であるが、極めて大き
くなるので、それを着脱可能なバッテリートレーとする
などということについては考慮の余地はない。
現在、大抵の電動車、特にフォークリフトトラック、
ゴルフカート等の商業用及び工業用の車は鉛酸バッテリ
ーを使用している。他の有望な試作車は、少なくとも近
い将来、ニッケルカドミウム、ニッケル鉄或いはニッケ
ル金属のバッテリーや、さらにその限界を超える液体ナ
トリウムのような他のバッテリーを使用するであろう。
しかしながら、本発明は上に述べたようなあらゆる種
類の電動車に対するあらゆるバッテリー充電の環境に適
合する。
非常に迅速で安全なバッテリー充電を保証する迅速な
バッテリー充電の詳細と進歩した特徴を有するバッテリ
ー充電器の詳細については、審査中の米国特許出願07/2
53,703（1988年10月６日出願）及び07/676,523（1991年
５月２日出願）を参照されたい。これらの米国特許出願
はいずれも同一の出願人に譲渡され、発明者も同一であ
る。これらの発明の充電器はSLIバッテリーを10分ない
し20分で充電できる。しかしながら、電気自動車に必要
なエネルギーの範囲は20KWhないし50KWhであり、そのエ
ネルギーを短時間に供給するには、充電器は高い電力定
格、例えば100kWないし300kWの電力定格を有しなければ
ならない。電力定格が300KWの充電器を充電ステーショ
ンに配備し、そして配電網に接続しなければならない。
本発明を実施すれば、通常のサービスステーション、車
両ターミナルと言った典型的な場所の他にも、おそらく
駐車場等のような場所においてもそこでの充電ステーシ
ョンにこのような高い電力定格の充電器を設置すること
となる。
しかしながら、上述したように、電気自動車及び配送
バン等を含む電動車に搭載したバッテリーの容量と電圧
とについて基準化するというような状態とは現状は程遠
く、そしてこの状態は続いていくであろう。例えば、ゼ
ネラルモータ社が製造した試作車IMPACTTMは320V、容量
45Ahのバッテリーを有する。一方、フィアット社が製造
した試作車PANDA ELETTRATMは72V、容量185Ahのバッテ
リーを有する。
本発明が提供するものは、各種の電動車を広範囲のパ
ラメータにわたって充電する万能な充電ステーションで
ある。もちろん、充電しようとする電動車には適合可能
な電力コネクタを装備しなければならないという条件
と、充電ステーションはどの電動車に対しても十分な大
きさの直流電圧で大きな電流を供給できなければならな
いという自明の条件とを含む幾つかの事前の条件という
ものはある。充電ステーションという性格のために、充
電されているバッテリーから信号が充電ステーションの
電力供給部の電力制御部へ送られるので、バッテリーの
電圧を表示する信号を常に受けることができるようにし
ておくことは最低限のことと言えよう。もちろん、充電
ステーションの電力供給部とこの電力供給部を制御する
電力制御部（充電しようとするバッテリーについて特定
のものであってもよい）を含むすべての設備が上述の米
国特許出願に教示されたものであるならば、最短時間で
最大電力がバッテリーに供給されることが保証される。
そうしなくても本発明の充電ステーションは機能する
が、その場合は最適に機能するかどうかは確かではな
い。
本発明は、充電可能なバッテリーと、駆動モータと、
この駆動モータを制御する駆動制御器とを装備した電動
車の充電ステーションであって、以下の要素から構成さ
れている。
電動車から離れている電力供給部、やはり電動車から
離れている電力制御部、バッテリーを充電するため電動
車へ電力供給部を接続する、電動車上の電力コネクタ、
充電ステーションと電動車との間のインタフェース、電
力供給部から電力コネクタを介して電動車へ大きな充電
電流を流せる電力ケーブル、電力制御部と電動車との間
で制御信号を運ぶ信号ケーブル手段、そしてロック・ア
ウト手段。
所定制限内の電力を受けて充電されるバッテリーに電
力供給部は、必要な充電電圧で大きい充電電流を供給す
ることができる。充電電流の給電レートは制御できる。
電力供給部は、電源、整流器そしてスイッチングイン
バータ・モジュールを備え、各電力制御部とインバータ
・モジュールとは、数ミリ秒以内で充電電流の供給をオ
ンとオフに切り換えるよう迅速に作動する。一般的に
は、電力供給部は、電源整流手段と、充電可能なバッテ
リーへの充電電流を制御する制御手段とを有する。
信号ケーブルはバッテリーから電力制御部へ信号を運
ぶ。その信号は少なくともバッテリーの電圧を常に示し
ている。少なくとも、電力ケーブルと信号ケーブルとは
インターフェースと関連している。
バッテリーへ充電電流が供給されていないときのバッ
テリーの無抵抗電圧を測定する充電コントローラを設け
る。こうして、電力制御部の動作は無抵抗電圧により影
響されることがあり、この場合には、充電ステーション
のスイッチ・インバータ・モジュール若しくは他のバッ
テリー充電電流制御手段の動作は、バッテリーの無抵抗
電圧の関数として制御できる。特に、充電コントローラ
は充電しようとするバッテリーについて決まったもの
で、それの作動機能はバッテリーの特性、それの電圧そ
してそれの公称電気化学的エネルギー容量に応じてい
る。充電コントローラは電力制御部への信号ケーブルを
介して信号を通す。
充電ステーションのロックアウト手段は電力コネクタ
と組み合わされており、そしてロックアウト手段は、そ
のロックアウト手段が閉状態にロックされているとき以
外はバッテリーへの充電電流の供給を排除する。
電動車のバッテリーを充電する充電ステーションは、
ロックアウト手段が閉状態にロックされて充電電流を流
し、そして各ケーブルに制御信号を通すようにしている
ときに動作しする。供給されている電力が所定限界内で
あるように充電ステーションは制御される。最後に、充
電コントローラは充電されているバッテリーを連続的に
監視する手段、少なくとも内部無抵抗電圧と温度とにつ
いて連続的に監視して、バッテリーの内部無抵抗電圧と
温度の瞬時値に応じて生じる制御信号を電力制御部へ通
す。ロックアウト手段の安全面も重要であり、操作者が
バッテリーや充電ステーションに接続された高電圧端子
に接触することがないように電力コネクタを電気的にま
た物理的に設計する。
最適性能を発揮する本発明の特定タイプの充電ステー
ションは車内に搭載した充電コントローラと連絡するよ
うになっていて、バッテリーへの充電電流の供給レート
を制御するようなっている。この場合、充電コントロー
ラは充電しようとするバッテリーに適応したもので、そ
れの動作機能は充電しようとするバッテリーのタイプ、
その公称電圧、公称電気化学的エネルギー容量に適応し
ている。充電コントローラは信号ケーブルを介して電力
制御部へ信号を通すようになっているので、電力制御部
の動作は、充電コントローラからそれが受信した信号に
応じており、それゆえ充電ステーションはそのバッテリ
ーの特性によって制御される。
通常の場合には、インターフェイスと電力コネクタは
物理的に組み合わさっていている。このインターフェイ
スと電力コネクタは同一物でもよい。バッテリー特性に
応じてバッテリー充電ステーションが作動しない最も単
純な設備では、バッテリーの無抵抗電圧に関する信号を
充電電流ケーブルに通せるので、その様な場合には別個
の信号ケーブルを不要としている。
図面の簡単な説明 図１は、比較的高いピーク電力容量での充電電圧を充
電電流と比較した充電特性包絡線を示す。
図２は、図１からの修正充電特性包絡線を示す。
図３は、典型的な作動状態における本発明の充電ステ
ーションを表しており、バッテリーを搭載している車に
充電コントローラも搭載している。
図４は、図３と同様の典型的な充電ステーションのブ
ロック線図である。
図５は、一組の典型的な複合制御信号とその結果の電
流波形である。
トである。
図６は、図５と同様で、２成分制御信号を示してい
る。
図７は、図２と同様であり、異なるピーク電圧を有す
る２つの充電器の特性の包絡線を示す。
図８は、異なる最大充電電流を有する充電器の特性包
囲線の一群である。
実施例 先ず図１を参照する。この充電包絡線は典型的な電気
乗用車に使われる本発明の充電ステーションにより得ら
れることが期待できる最大充電電圧と充電電流を示す。
これらの自動車のバッテリーの特性のため、この充電ス
テーションは約450ボルトの電圧まで約500Aの充電電流
までの充電電力を供給できなければならない。上述の特
許出願、また本願の発明者が出願し、本願と同じ譲受人
に譲渡された「大型バッテリーの充放電中バッテリーを
監視する装置」に係る別の出願に、５分から30分と言っ
た非常に短い時間内に電気乗用車の高容量バッテリー
へ、完全ではないにしても実質的な充電を本発明の充電
ステーションが実施する要件を明らかにしている。
図１の充電特性包絡線10は、450ボルトまでの充電電
圧で500Aまでの充電電流を示す。従って、このような特
性を有する充電器がピーク電流でピーク電圧を供給する
には、ピーク出力電力225kWを供給できなければならな
い。
GM IMPACT自動車用のバッテリー特性は、320ボルト
で45Ahの容量である。充電器がバッテリーに45Ahのエネ
ルギを供給するのに１時間かかるとすると、図１の点12
は45Aでそのバッテリーに１時間で充電する充電特性を
示す。同様に、点14は、72ボルト、185AでPANDA ELETT
RAバッテリーに１時間で充電することを示す。
しかし、これら両方のバッテリーが充電電流500Aで充
電できるなら、IMPACTのバッテリーに充電する時間は45
/500時間即ち0.09時間（６分に足りない）であり、PAND
A ELETTRAバッテリーは185/500時間即ち0.37時間（22
分をちょっと超える）で充電できる。明らかに、図１の
特性包絡線の充電器は、事実上この時間でこのような充
電を行うことができる。
さらに、充電器の最大即ちピーク電力が僅か120kWに
制限されていると、又は図１の特性の充電器の可能なピ
ーク電力の半分に制限されていると、充電器の特性包絡
線は図２の包絡線16の形をとる。ここで、曲線18は電力
が120kWの一定の電力線であり、400Vと300A、又は300V
と400Aの包絡線の制限を示しており、450Vで供給できる
最大電流は267Aであること、500Aで供給できる最大電圧
は240Vであることを示している。従って、充電ステーシ
ョンのピーク電力を120kWに保持しながら、IMPACTのバ
ッテリーに320Vで375Aで充電できる。言い換えれば、約
0.12時間即ち７分を僅か超える時間でできるということ
になる。PANDA ELETTRAバッテリーはそれの充電時間に
関して影響を受けない。
図２に示される様な特性を有する充電器を採用する際
の明らかな利点とは、配電網へ充電器を接続する際には
消費する電力KWhだけではなく、ピーク電力KWを考慮し
なければならないので、可能なピーク出力電力を制限す
ることは配電網への接続を決める上で好都合である。更
に、同じタイプの車であってもそれらのバッテリー電圧
と容量とは様々であるが、それにも係わらずそれらの充
電時間はあまり変わらないと言うことも判っている。換
言すると、図２に示す様な充電特性の包絡線を有する充
電ステーションは、図１の充電特性の包絡線を有するも
のよりも低い資金と低廉な運転コストですべての目的に
使用できる。
図３及び４を参照する。最も広い意味で、本発明は、
以下の要素、制限及び特徴を有する電動車のための充電
ステーションを提供する。
電動車20は、充電可能なバッテリー22、駆動モータ24
そして駆動モータを制御する駆動制御器26を備えてい
る。充電ステーション30は全体を30Aで示す電力供給部
と、全体を32で示す電力制御部（ステーションコントロ
ーラ）、そして全体を34で示し、電力供給部30Aを電動
車20に接続する電力コネクタを有している。充電ステー
ションと電動車との間のインターフェースはコネクタ、
ケーブル、電力コネクタ34を含む。
電力ケーブル36は、充電ステーションの電力供給部か
らの大きい充電電流を、電力コネクタ34を介して電動車
20に送る。全体を38で示されている信号ケーブルが、充
電ステーションと電動車との間で制御信号を搬送する。
全体を40で示されているロックアウト手段については以
下に詳しく説明する。
明らかに、電力供給部30Aはバッテリー22を所望の充
電電圧で充電するのに必要な大きな充電電流を供給でき
る。充電電圧はバッテリー作動時の公称端子電圧よりも
僅かに高いのが普通である。バッテリーに供給される電
力は、図２を参照して上に述べた理由から所定の制限内
にある。充電電流の供給レートは、充電ステーションの
電力制御部32の動作を含むさまざまな手段により制御で
きる。充電ステーションの電力供給部内では、普通その
地域配電網42、整流器モジュール44そしてスイッチング
インバータモジュール46を含む電力源が存在する。信号
ケーブル38はバッテリー22からの信号を電力制御部32に
送るようになっている。この信号は少なくともバッテリ
ー22の電圧を常時示している。他の利点としては以下の
ものがある。整流器モジュール44とスイッチングインバ
ータモジュール46とは位相制御でスイッチング動作させ
るシリコン制御整流器（SCR）とすることができる。
電力制御部32とインバータモジュール46の各々は、電
力ケーブル36を介する充電電流の供給を数ミリ秒未満で
オンオフできるよう高速で動作する。典型的には、充電
電流は１ミリ秒未満のターンオフ時間を有し、２ミリ秒
未満のターンオン時間を有する。
電力ケーブル36を介してバッテリー22への充電電流の
供給の制限の少なくとも一部を行うために、バッテリー
への充電電流の供給がターンオフされている間にバッテ
リー22の無抵抗電圧を測定する手段48を設けている。こ
の充電コントローラモジュール48は、上述の特許出願に
記述され、そして以下に詳しく説明するようにバッテリ
ーの無抵抗電圧を測定すると言うことを遥かに超える手
段から成っているのが普通である。ともかく、スイッチ
ングインバータ・モジュールの動作は少なくともバッテ
リーの無抵抗電圧の関数として制御できる。実際、バッ
テリーの無抵抗電圧を表している信号を電力ケーブル36
に沿って電力制御部32に通すことができる。
ロックアウト手段40は、ロックアウト手段が閉じてロ
ックされているとき以外は、バッテリー22への充電電流
の供給を阻止する。ロックアウト手段は電力コネクタ34
と関連させておくのが便利である。ロックアウト手段40
が閉じられてロックされているときに、充電ステーショ
ン30はバッテリー22を充電し、充電ケーブル36に充電電
流を流し、制御ケーブル38に制御信号を流す。これによ
って、バッテリー22へ供給されるパワーが所定の範囲内
にあるように動作する。
ロックアウト手段40または電力コネクタ34は、全く安
全に動作するよう設定されていて、オペレータの安全を
保証している。従って、電力コネクタ34の接続が外れ、
そしてロックアウト手段40が解放となっているとき、電
力コネクタ34とロックアウト手段40の物理的、電気的設
計によって、電気がきている高圧端子またはコネクタ接
点に物理的に接触することがないようにしている。バッ
テリー22に電気的に接続された端子またはコネクタ接点
（これらは蓄積された電気エネルギーが殆ど放電して空
になっていても高電圧を呈することがある）は、触れる
ことがないように配置されている。バッテリーへの充電
電流を流す接続ピンが、電気的なロックアウトによって
作動できない状態にされる。こうして、オペレータの安
全性が常に保証される。
既述の通り、充電するバッテリー22の能力に関する幾
つものパラメータの測定の結果によって充電を制御する
とき、本発明の充電ステーションの動作効率は更に高く
なる。この意味においてモジュール48は、バッテリー仕
様になっていて、バッテリー22への充電電流の供給レー
トを制御するようになっている充電コントローラとして
形成されている。バッテリー仕様となっている充電コン
トローラは、それに予め設定した、もしくは連続的に監
視することによって得られる、充電しようとするバッテ
リーの型式、それの公称電圧、公称の電気化学エネルギ
ー容量を含む情報とデータの結果として充電電流の供給
を制御する。バッテリーの無抵抗内部電圧やそれの温度
等の他のパラメータを連続的に監視しており、これらの
パラメータの瞬時値に付随して電力制御部32に制御信号
が送られる。これによって、充電動作が前述の特許出願
に記載されたものに更に適応することになる。更に、バ
ッテリーの無抵抗内部電圧と温度がバッテリー22の個々
のセル毎に又はセルグループ毎に変わっているとき、そ
の後に続く回路と処置とは、上記したように、本願と同
日付けで出願し、係属している特許出願に記載されたも
のと同じものとなる。
図４の線50に示すように、ロックアウト手段40には、
駆動制御器26を不能化もしくはディスエーブルする手段
が組み合わされていて、充電中駆動モータ24によるバッ
テリー22からの不必要な電流を引き出さないようにして
いる。
装着されたバッテリー22は、実際には、それぞれのモ
ジュールがそれ自体で１つのバッテリーとなり得る幾つ
ものモジュールで構成されている。図４の回路におい
て、充電コントローラモジュール48は、バッテリーモジ
ュールの各々の電圧を検知し、また、バッテリーモジュ
ールの各々の温度を検知する。
前記の特許出願に教示された精巧なバッテリー充電装
置では、充電されているバッテリーの詳しい情報を充電
コントローラが有しているものとして理解されている。
実際、充電しようとするバッテリーに関する少なくとも
幾つかの情報はどのようなバッテリー充電装置でも必要
とされる。バッテリーの充電レートが増加すると、バッ
テリーの望ましくない扱いを防止し、同時に最短時間で
最適な充電を達成するために、更に多くの情報が必要に
なる。これらの理由により、バッテリー仕様の充填コン
トローラが最も望ましい。
いずれにしても、上に述べたことから明らかなこと
は、本発明の充電ステーションは、充電コントローラモ
ジュール48を協働するものとして説明されているが、充
電コントローラを持たない場合でさえ、電動車のバッテ
リーを充電できるということである。充電コントローラ
を持たない場合には、図３に示されるように、手動の操
作手段を設けて、それによって手動制御のもとで、手動
操作の設定部52において端子電圧レベルを予め設定し、
設定部54において供給される充電電流の最高電流レベル
を予めセットすることによって充電がなされる。また、
設定部56においてタイマーをセットして、所定時間後に
充電を終了させるようにする。
本発明の充電ステーションの動作の第１段階で電力コ
ネクタ34が組立られる。充電コントローラ48が車両に搭
載されており、そしてステーションの電力制御部32と両
立可能であれば、ランプ60は点灯し、後続の段階が自動
的に遂行されることを示す。こうして、「自動」操作が
始まり、「手動」操作は不能とされる。動作は始動／停
止制御装置58を作動することによって開始される。もし
も充電コントローラ48が車両に搭載されていなかった
り、搭載されていてもステーションの電力制御部32と両
立不能であれば、スイッチ62（これによって手動設定部
52、54、56を手動で設定できる）を操作する。この状態
では、一旦終了電圧レベルと最大電流レベルとを予め設
定すると、充電ステーション30は、少なくともその充電
ステーションに対して確立されている電圧、電流そして
ピーク電力の所定限界の範囲内で動作する。このような
動作は本質的に定電流、定電圧充電であり、定電流、定
電圧充電は今日では酸化鉛バッテリーを充電するごく普
通の充電であって、許容されているが、最適充電条件を
満足するものではない。
更に、手動設定部52、54の設定に当たって、オペレー
タは、バッテリーの不適切な扱いを防止し、また効率の
悪い充電を回避するにはどのような値に設定しなければ
ならないかを知っている。
いずれにせよ、モジュール48は、バッテリー22の温度
を測定してバッテリー22の温度が所定レベルを超過した
ときにアラーム信号を発する手段を少なくとも備えてい
る。アラーム信号は、例えばアラーム64の動作を開始さ
せ、フラッシュライト、ブザー、もしくは他のアラーム
表示を与える。
明らかに、充電ステーションには、サービスステーシ
ョンにおける表示装置とほぼ同様に、ディスプレイ・モ
ジュール66が必要とされる。このディスプレイ・モジュ
ール66は、手動制御によるか、または充電コントローラ
48により決められたように充電ステーションが動作する
予め設定した電圧レベルと電流レベルとを表示する。同
様に、表示モジュール66は、供給エネルギーの総計をkW
hで示し、そして地域通貨単位で消費者が支払う充電コ
ストを示す。
図４の幾つか特徴を以下に述べる。
信号ケーブル38は幾つかの線を備えており、これらの
線には、電流制御を表す信号、イネーブル信号、バッテ
リー温度の瞬間値、ロックアウト手段がロックされてい
ることの確認信号、およびプロトコルもしくは実行信号
が存在している。また、余分の線があってもよい。
電力コネクタ34は複数の電力ケーブル36や複数の信号
ケーブル38を入れれるものとするのが好都合である。更
に、電力ケーブルと信号ケーブルの全てが充電ステーシ
ョンに堅固な導線で接続されているが、その接続部分は
ソケットもしくはジャック70と係合するプラグ68で終端
している。こうして、電力コネクタは互いに物理的かつ
電気的に嵌まり合う第１のプラグ部材68と第２のジャッ
ク部材70とから構成するのが好都合である。ロックアウ
ト手段40はレバー71のような手段を含んでいてもよい。
この手段71はソケット70の車両側でコネクタロックの線
のスイッチ72と関連していて、スイッチ72が閉じられる
と全ての充電動作を発生する。こうして、電力コネクタ
34を確実にロックして、非常に高い充電電流を取り扱え
るようにし、また、信号ラインを機能させることを保証
する。
以下に、車両バッテリーの充電を行う一連の操作につ
き説明する。この充電操作は、充電コントローラ48のよ
うな、電動車に搭載したバッテリー仕様の充電コントロ
ーラによって制御することもできるし、あるいは、手動
操作とすることもできる。いずれにおいて、プラグ68を
ソケットもしくはジャック70に機械的に接続することに
よって電力コネクタ34を組み立て、充電ステーションを
車両に接続する。ロッキングレバー71のようなロックア
ウト手段をロックし、それによりスイッチ72を閉じ、電
力制御部32と充電コントローラ48（もし存在するなら
ば、）とを両方とも可能化する。
充電コトローラ48が搭載されていなければ、もしくは
充電コントローラ48が両立せず、自動エネーブル信号を
適当な信号ケーブル38に沿って電力制御部32に送信しな
ければ、使用者が手動動作モードとすることになる。そ
の場合、手動イネーブルスイッチ62を操作し、それによ
り電圧設定操作スイッチ52、電流設定スイッチ54そして
時間設定スイッチ56は使用者による手動によって零に設
定される。使用者によって設定された適切な設定がディ
スプレイ・モジュール66に表示される。既に述べたよう
に使用者は取扱説明書を読んでいる、もしくは適切な値
を選択するだけの知識を持ち合わせていることを前提と
している。そのような設定を完了すると、始動／停止ボ
タン又はスイッチ58を作動し、設定された定電流・定電
圧モードの制限内で、かつ、充電ステーションの所定の
制限内で充電が進行する。時間を制限するには予め時間
を設定しておくのが普通である。
それから充電を行うのであるが、少なくとも充電電流
については幾らか調整を行い、もしそうでなければ充電
電流の中断中に少なくとも電池の無抵抗電圧を測定する
ことにより幾らか調整を行う。所定の時間の経過時に、
もしくは前述したように電池が熱くなり過ぎてアラーム
64が動作した時に、もしくは始動／停止スイッチ58を動
作させることによって充電動作は停止する。勿論、ロッ
クアウト40は解除され、充電は即時停止する。
充電コントローラ48が電池22の仕様に合っており、そ
して車両に搭載されているという一般的な状況において
は、自動イネーブル信号は充電コントローラ48によっ
て、自動指示ランプ60への信号線を介して電力制御部32
に送られる。手動制御は、始動／停止スイッチ58を除
き、不能化される。同時に、前述したように充電コント
ローラ48は駆動制御器26を不能にして、充電中バッテリ
ー22からの電力の漏出を防ぐ。
始動／停止スイッチ58を押すと、電力制御部32は運転
信号もしくはプロトコル信号を充電コントローラ48に送
り、充電コントローラ48はこれに応答して、適切な電流
制御信号を電力制御部32に送る。電流制御線の信号の性
質と電力ケーブル36の充電電流の波形について図５と図
６とを参照して以下に説明する。充電動作は前述した係
属中の特許出願に実質的に記載されている。
繰り返すことになるが、バッテリー22を十分に充電し
たときに充電コントローラ48の自動動作によってか、又
は始動／停止スイッチ58の操作によってか、又はロック
アウト40を解除することによって充電を終了する。
すべての場合に、バッテリー22の温度は監視されてお
り、バッテリーの温度が所定の限界を越えたときにアラ
ーム装置64が適切に作動し、信号を発する。
電力ケーブル36の大電流がそれの長さ方向に沿って流
れ、局部的に異なる大地電位を生じる。変調電流の場
合、特に充電コントローラ48の制御により、局所的な大
地電位は交流成分を有する。それ故、これらの効果が信
号ケーブル束38の制御信号に干渉することはない。
信号の全てがデジタルであってもよく、予め決められ
た周波数又はデューティ比の特性を有する電流制御信号
もディジタルであってもよい。とにかく、信号ケーブル
38のさまざまな信号線の信号をディジタルであると考え
てよい。適切な信号対雑音比を有するディジタル伝送に
ついての正確な性質は、本発明にとって重要ではない
が、差分ラインレシーバー、電流ループもしくは光結合
入力等優れた技術が存在する。導体自体は同軸ケーブル
である場合があるが、撚って対にしたものが、最も費用
効率の高い優れた信号線であり、そして使用環境におい
て適当である。
図５は、波形76で複合電流制御信号、そして曲線78で
その結果の充電電流波形を示す。ここで、複合電流制御
信号は、10mV/Aの割合で電圧信号に符号化されるので、
5Vが500Aの充電電流に対応する。信号はクロック駆動の
パルス化された信号であって、それらのパルスは充電電
流のデューティサイクルに等しい。図に示すように、複
合制御信号76の最初の二つのサイクルのレベルは、曲線
78に示されるように、各々500Aの充電電流に等しい。76
aでの第３のサイクルは2.5Vであり、250Aの78aで示され
るように充電電流を制御する。制御信号76が所定のレベ
ル（この場合は０）より上である場合には、充電電流は
オンである。制御信号76がその所定のレベルであるかま
たはそれより下である場合には、充電電流はオフであ
る。更に、充電電流がオンの場合には、それのレベル
は、図５に示されるように、電流制御信号のレベルの関
数である。充電電流は、それがオンになるよりも更に速
くオフになる。通常の状況で、充電電流は、1ms以下で
オフになり、2ms以下でオンになる。
図６は、電流制御信号が二つの信号80と82とからなる
ことを除いて、図５と同様な状況を示す。信号82は、厳
密には、例えば普通の「０」と「１」レベルを有する、
２レベルデジタル信号であり、電流信号80は、10mA/Vレ
ベルであるアナログ信号である。従って、アナログ電流
信号80の値は、曲線80において5Vから2.5Vに減少し、そ
して電流波形84は図５の電流波形78と同じである。
明らかに、電流制御信号がデジタルに符号化された場
合、複合信号波形76は、２つの構成要素80、82が差動レ
シーバーでツイステッド・ペア伝送モードで送信される
よりも幅の広いバンド幅を必要とする。その例は、充電
コントローラ48と電力制御部32との間で制御信号を伝送
する多くの伝送態様の一つに過ぎない。そのような制御
信号は充電電流を制御し、充電電流を表す信号であり、
また電圧レベル、バッテリーの温度等に関する信号でも
ある。
最後に、図７と図８を参照して、本発明の充電ステー
ションについての電力定格を簡単に説明する。
図７は、図２における曲線16と同じ形を有する二つの
曲線86、88を示す。ガソリンまたはディーゼルの燃料を
販売している普通のサービスステーションと本発明の充
電ステーションとが類似していることを説明するため、
曲線86は、「レギュラー」定格、即ち100kWの最大ピー
クレートで電力を分与する充電ステーションの電力供給
部の特性包絡線を示す。曲線88は、120kWの「スーパ
ー」定格を示す。これらの特性は、実験的な電動車の大
部分の公称電圧が約216Vまたはそれ以下であるというこ
とから決められたことである。300ボルトまでの充電電
圧で十分であり、そして100kWのピーク電力で十分であ
る。大きくエネルギーを消費する米国GM社製のインパク
ト（GM IMPACT）のようなスポーツタイプの自動車で
は、120kWピーク電力定格と、450V（バッテリーの公称
電圧は、動作中、320Vであることを思い起こす）の最大
充電電圧とを有するスーパー充電レベルを用いる。ガソ
リンサービスステーションと同じ感覚で、「スーパー」
定格での充電の購入に対して「レギュラー」定格に対す
るプレミアム価格を支払うこととなろう。
最後に、図８は、スポーツカー、ワゴン車、貨物トラ
ック等に適する一群の特性エンベロープを有している充
電ステーションの一群の特性を示す。曲線88は、図７と
同じであり、120kWピーク電力エンベロープを示してい
る。曲線90は、180kWピーク電力を有する「ヘビーデュ
ーティ」曲線である。そして、1000Aまでの最大充電電
流を有する曲線92は、240kWピーク電力で「ターボ」タ
イプとして表される。図１の曲線10と図８の曲線92を比
較すると、ピーク電力は幾らが高いが、充電電流は図１
の特性充電エンベロープの２倍となる。
本発明の技術的範囲は、添付した請求の範囲によって
定められる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−143201（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−146937（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−202128（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4532418（ＵＳ，Ａ) 米国特許4313080（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開311460（ＥＰ，Ａ ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36 B60L 11/18

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】充電可能なバッテリー22、駆動モータ24そ
    してこの駆動モータのための駆動制御器を装備した電動
    車20の充電システムにおいて、 電動車とは別個の電力供給部30Aと、電動車とは別個の
    電力制御部32と、電動車のバッテリーを充電するために
    前記の電力供給部を電動車に接続する、電動車に搭載の
    電力コネクタ34と、充電システムと電動車との間のイン
    ターフェイスと、前記の電力供給部から前記の電力コネ
    クタを通して電動車へ大きな充電電流を流せる電力ケー
    ブル36と、前記の電力制御部32と電動車との間に制御信
    号を流す信号ケーブル38と、ロックアウト手段40とを備
    えており、 前記の電力供給部は、供給しようとする電力の所定制限
    内にて充電されるバッテリーに対して必要な充電電圧で
    大きな充電電流を供給することができ、この充電電流の
    供給レートは調整でき、 前記の電力供給部は、電源42と、整流装置44と、充電可
    能なバッテリーへの充電電流の流れを制御する充電電流
    の流れ制御手段46とを備えており、 前記の信号ケーブルは、少なくともバッテリーの電圧を
    常に示している信号をバッテリーから前記の電力制御部
    へ流し、 前記の電力制御部と前記の充電電流の流れ制御手段と
    は、数ミリ秒以下で充電電流の供給をオン、オフできる
    ようにそれぞれ高速で作動し、 前記の電動車は、バッテリーへの充電電流の供給がオフ
    とされた期間中にバッテリーの無抵抗電圧を測定する充
    電コントローラ48を備えており、それにより前記の電力
    制御部の動作が無抵抗電圧によって影響され、前記の充
    電コントローラ48が充電しようとするバッテリーに応答
    して、それの動作が充電しようとするバッテリーの特
    性、公称電圧そして公称電気化学的エネルギー容量に合
    致し、そして前記の充電コントローラは前記の電力制御
    部へ前記の信号ケーブルを介して信号を通すようにして
    おり、 少なくとも前記の電力ケーブルと前記の信号ケーブルと
    は、前記のインターフェイスに含まれており、 前記のロックアウト手段は、前記の電力コネクタと作動
    的に結合しており、そして前記のロックアウト手段が閉
    状態にロックされているときを除けば、バッテリーへの
    充電電流の供給を排除し、前記のロックアウト手段が閉
    状態にロックされているときだけ電動車のバッテリーを
    充電し、充電電流と制御信号とがそれぞれのケーブルに
    流れるようにし、前記の所定制限内で電力を送れるよう
    にし、 前記の充電コントローラは、少なくともバッテリーの内
    部無抵抗電圧と温度とについてバッテリーを連続的に監
    視する手段を含み、バッテリーの内部無抵抗電圧と温度
    との瞬時値に応じて前記の電力制御部へ制御信号を送る
    ようにしたことを特徴とする充電システム。
  2. 【請求項２】バッテリーは複数のセルから成り、バッテ
    リーの内部無抵抗電圧と温度とは個々のセルもしくはセ
    ルのグループについて測定する請求項１に記載の充電シ
    ステム。
  3. 【請求項３】ロックアウト手段は、それが閉じられてロ
    ックされているとき前記の駆動モータの駆動制御器を不
    能化するようになっており、ロックアウト手段が開かれ
    ているとき前記の駆動制御器を可能化するようになって
    いる請求項２に記載の充電システム。
  4. 【請求項４】バッテリーの温度を測定する手段と、バッ
    テリーの温度が所定のレベルを超えるときアラーム信号
    を発生するアラーム手段を更に備えている請求項１に記
    載の充電システム。
  5. 【請求項５】前記の所定制限内で、充電電流がバッテリ
    ーに送られるときの電圧レベルと最高電流レベルとを予
    め設定する手動操作手段52,54を含み、さらに、電圧レ
    ベルと最高電流レベルとを一旦設定すると充電を開始
    し、そして停止する手動操作手段62を含む請求項１に記
    載の充電システム。
  6. 【請求項６】タイマー手段56を備え、所定時間後充電を
    終了させる請求項５に記載の充電システム。
  7. 【請求項７】タイマー手段は予め決められた時間を手動
    で設定できる請求項６に記載の充電システム。
  8. 【請求項８】信号ケーブルが搬送する信号が、前記のイ
    ンターフエースと電力コネクタとを介してバッテリーへ
    送られる充電電流の大きさを表しており、そして前記の
    信号はクロック手段により駆動され、そして 前記の信号が所定レベル以上であるときは、充電電流は
    オンであり、そして前記の信号が所定レベルか、もしく
    はそれ以下であるときは、充電電流はオフであり、そし
    て充電電流がオンのとき、それの大きさは前記の信号の
    レベルにより決まる請求項２に記載の充電システム。
  9. 【請求項９】前記の信号はデジタル信号である請求項８
    に記載の充電システム。
  10. 【請求項１０】前記の信号は２つの別個の信号レベルを
    有する第１のデジタル要素と、バッテリーヘ送る充電電
    流のレベルを示す第２の可変アナログレベルとを有する
    請求項８に記載の充電システム。
  11. 【請求項１１】前記の電力コネクタは第１のプラグ要素
    68と、これと相互に物理的且つ電気的に係合する第２の
    ジャック要素70とを有する請求項２に記載の充電システ
    ム。
  12. 【請求項１２】バッテリーの充電電流を制御する制御手
    段はスイッチングインバーターモジュール46である請求
    項１に記載の充電システム。
  13. 【請求項１３】バッテリーの充電電流の流れを制御する
    前記の充電電流の流れ制御手段は少なくとも一つの位相
    制御シリコン制御整流器である請求項１に記載の充電シ
    ステム。
  14. 【請求項１４】前記の電力制御部と前記の充電電流の流
    れ制御手段とはそれぞれ約２ミリ秒以内でオン・オフす
    る請求項１に記載の充電システム。
JP50731193A 1991-10-15 1992-10-15 電動輸送機関のための充電ステーション Expired - Lifetime JP3263075B2 (ja)

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