JP5290588B2 - 電気自動車のバッテリの充電システム及び同バッテリの充電方法 - Google Patents
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Description
本発明は該して電力によって駆動される自動車のバッテリ充電システム及び充電方法に関連し、より具体的には、高電圧牽引バッテリの充電システム及び充電方法に関連する。
ハイブリッド電気自動車が、スターター・ジェネレータ、或いは、牽引モーターのような電機機械、牽引モーターへ電力を供給するための蓄電バッテリ、車輪ブレーキによって自動車が減速されるときに自動車の運動エネルギーを回収するためのコンバータを含み、そのエネルギーを蓄電バッテリ内に蓄えられる電流に変換するためのブレーキ回生装置、及び、モーター及び/又は車輪を駆動するため、及び、バッテリ内に蓄えられる電流を生成するための内燃機関エンジン（internal combustion engine: ICE）或いは燃料電池のような第二動力源を備えている。
自動車が駐車している間に、電気事業者の配電網のような外部電源が、バッテリを充填するために使用される場合がある。しかしながら、家庭及び多くの消費者の場所において、電流の大きさは従来のブレーカーによって15アンペアに制限される。牽引バッテリを完全に充電するのに係る時間は約6〜8時間であり、これは多くの消費者に対して許容しがたい長い時間である。従って、電気事業者の配電網が充電用電源のときに、充電期間の長さを短くする必要性が存在する。
各自動車には、牽引バッテリから電力を取り出すときに乗員室を冷暖房するための装置が設けられる。自動車が運転者によって駆動されているとき、牽引バッテリを、使用の為に完全充電状態に維持しつつ、運転者が自動車内に入る前に自動的に予備暖房或いは予備冷房する必要性が存在する。適切な電気入力が電気事業者の配電網から利用可能で、そして、電気料金が電力需要の高い時に比べて低いオフ・ピーク時間帯に、運転者がバッテリ充電期間を設定するのが好ましい。
燃料電池システムを備えた自動車は一般に、燃料電池の始動時間が長いこと、利用可能なバッテリ電力が制限されること、そして、乗員室が寒くなるという、自動車性能の制限を含む低温運転に関して特有の課題を示す。エンジンを備えた自動車と異なり、燃料電池システムを備えた自動車は、低温運転において、長い暖機期間が必要で、発進性能を制限する。燃料電池システムにおいては、自動車が発進しても暫くの間は冷媒温度が低いままなので、冷媒熱を使用する乗員室を暖房する能力が制限される。従って、スタックのような燃料電池システム、及び、自動車の乗員室の予備暖房に用いる高電圧バッテリを充電する車載装置の必要性が存在する。
これらの課題を解決しつつ電気自動車内の蓄電バッテリを充電するためのシステムが、AC電力の第一電源に電気的に接続可能とされた、第一電源からのACを第一DC出力に転換するための第一コンバータ、第一AC電源に対して位相がずれているAC電力の第二電源に電気的に接続可能とされた、第二電源からのACを第二DC出力に転換するための第二コンバータ、及び、第一DC出力、第二DC出力、及び、バッテリに電気的に接続可能とされた、第一及び第二DC出力の電圧より高い電圧の第三のDC出力を生成して充電するための調節器を含む。
車載されたバッテリ充電システムが、220V のAC電源に接続された、電気事業者の配電網から供給されるような1つ或いは2つの標準的な110VのACコンセントと、2つの専用AC-DCコンバータを使用することが出来る。システムは、2つの110V AC電源が同じ位相にあるかどうかを検出し、そして、二つの電源からの電力使用をバランス或いは均等化する。
システムは、電力供給回路内のブレーカーが落ちるのを防止するため、徐々に入力電力を増加させる。システムは充電能力を2倍にし、充電期間の長さを約半分に低減する。
本発明のシステム及び方法は、バッテリ充電サイクルの終わりに自動車の乗員室を予備暖房及び/又は予備冷房し、調整可能な遅延時間を提供する。調整可能な遅延時間は、バッテリ充電期間を、電気料金がピーク時料金よりも低いオフ・ピーク期間に設定することにより、電力使用を最適化する。
この特徴は、冷間時の燃料電池自動車に特徴的な制限の低減を補助すべく、燃料電池システム、バッテリ、及び、乗員室の温度を上昇させることが出来るであろう。乗員室を予備暖房する間、システムは、自動車を最適に且つ効率的に調整するため、水−エチレン・グリコール（water-ethylene glycol: WEG）ヒーターや他の構成要素を使用する。使用される電力量を抑制し制限するための保護策が本発明のシステムによって提供される。
好ましい実施形態の適用可能な範囲が、以下の詳細な記述、特許請求の範囲、及び、図面から明らかになるであろう。記述及び特定の例が、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示のみの目的で提示されていることを理解すべきである。記述された実施形態及び実施例に対する種々の変更及び修正が、本技術分野の当業者にとって明らかになるであろう。
図1を参照すると、ハイブリッド電気自動車10が、スターター・ジェネレータ或いは牽引モーターのような電気機械12、電力を牽引モーター12に供給するための高電圧（約240-285V）蓄電バッテリ14、自動車の照明灯、ホーン、及び、他の自動車アクセサリに電力を供給するための低電圧（約12V）サービス・バッテリ16、自動車が車輪ブレーキによって減速されている間に自動車の運動エネルギーを再生し、そして、そのエネルギーをバッテリ14内に蓄えられる電流に変換するためのコンバータを含むブレーキ回生装置18、ICE又は燃料電池のような、モーター及び/又は自動車の駆動輪を駆動し、そして、バッテリ14内に蓄えられる電流を生成するための第二動力源20、パワートレイン及び自動車システムを制御するためにマイクロプロセッサ22、電気モーターによって駆動される空調装置用コンプレッサ24、バッテリ14から電力を供給される電気ヒーター26、及び、バッテリ14から電力を供給されるWEGヒーター28を備える。
ここで図2及び図3を参照すると、充電ブースター・システム38が、公共電気事業者の配電網のような電源又はグリッド42から110V ACの位相Aの電力が供給される第一壁ソケット40、及び、電源42から、好ましくは位相Aと180度位相がずれた位相B の110V ACが供給される第二壁ソケット44を含む。電気事業者のグリッド42から通常供給される220V ACの電力が、二つの位相がずれた110V ACの電圧源を供給するべく分割され得る。二つの110V ACの電圧源40、44は、自動車10の外部の固定された位置に置かれるのが一般的である。
インバータ/電圧ブースター・システム46が、自動車10に載置される。壁ソケット40、44に連結された電磁両立性（electromagnetic compatibility: EMC）入力フィルタ48が、電気事業者グリッド42や、ガレージ・オープナーのような電磁放射線の影響を受け易い他の設備が、システム46によって生成される電磁効果によって悪影響を受けないようにすることを確かなものとする。
EMC入力フィルタ48は、第一電気インバータ回路（第一コンバータ）52を含むプリント基板である第一インバータ配電盤50に連結される。同様に、EMC入力フィルタ48は、第二電気インバータ回路（第二コンバータ）56を含むプリント基板である第二インバータ配電盤54に連結される。バッテリ制御モジュール（battery control module: BCM）60が、マイクロプロセッサ61、及び、自動車CANノードを含み、このノードを使ってマイクロプロセッサが、自動車CAN（controller area network）62を介して配電盤50、54、自動車パワートレイン制御器、自動車電子制御器、及び、自動車電力供給回路64と通信する。ライン66、68が、配電盤50、54をDC電力出力70に接続し、そこを通って電力が自動車電気システムに供給される。
位相Aの110V ACの入力と位相Bの110V ACの入力が、第一及び第二電力インバータ回路52、56の夫々の入力に向けてライン80、82によって運ばれる。各回路52、56の出力84、86は110V ACであり、ライン88にて結合され、高電圧バック調節回路（buck regulator circuit）92の入力90に向かって運ばれる。バッテリ制御モジュール60が、ライン94上の低電力のPWM制御信号を回路92内に置かれたPWM制御器96に供給する。自動車のインバータ/電圧ブースター・システム46が110V ACで位相A及び位相Bの電力を供給されるとき、回路92によって作られる出力電圧98は約285V DCである。
図3に示すように、出力電圧98は、高電圧牽引バッテリ14、暑い天候のときに自動車の運転者が車内に入ってくる準備として自動車10の乗員室を予備冷房するためのモーターと空調装置のコンプレッサの組100、寒い天候のときに自動車の運転者が車内に入ってくる準備として自動車10の乗員室を予備暖房するためのハイブリッド電気自動車内に通常置かれる正の温度係数を有する素子、及び、寒い天候のときに自動車の運転者が車内に入ってくる準備として自動車10の乗員室を予備暖房するためのWEGヒーター・システム104の流体ポンプ及び発熱体104の夫々の端子に接続される。
図4が、バッテリ充電システム38の制御方法の各ステップを示す。ステップ110において、自動車のイグニションがオフ、即ち、キーオフ状態となる。自動車が電力回路（壁ソケット）40、44の一方或いは両方から120V ACの信号を受けたとき、ステップ112において充電システム38が起動される。
ステップ114において、自動車運転者が、自動車のインストルメント・パネル上に配設され且つマイクロプロセッサ61内の計時タイマに接続された、遅延時間選択器115を起動することによって、遅延時間を選択することが出来る。遅延時間は、バッテリ充電期間が開始する前に満了しなければならない。好ましくは、遅延時間は、電気事業者の電力料金がオフ・ピークの間にバッテリ14が充電されるようにする。
ステップ116において、BCM 60がその初期化を開始し、その初期化は、パワーオン自己診断（ステップ118）、バッテリ充電状態（battery state of charge: SOC）確認（ステップ120）、高電圧牽引バッテリの電圧が120V AC電源回路40、44、或いは、自動車のシャシーのアース124に接続しているかどうかを判定し信号を生成するためのリークテスト（ステップ122）、位相Aコンバータ回路52にテスト用周波数パルスを与え、そして、対応するパルスを位相Bコンバータ回路54で検出することにより、二つのコンバータ52、54が同じ回路40、44に接続されているかどうかを確認するバッテリ充電回路テスト（ステップ126）を含む。ステップ128において、BCM 60は、電力供給回路内のブレーカーが切れるのを防止し、それにより電圧低下を避けるため、電力を徐々に上昇させるための指令信号を生成する。ステップ130において、120V AC電力供給出力が、回路52及び/又は54の中で120V DCに直流に変えられる。ステップ132において、120V DCが回路92の中で280V DCまで昇圧（ブースト）される。そしてステップ134において、BCM 60は、位相Aと位相Bとの間のインピーダンスの実質的な差異を避けるために二つの回路40、44の間の負荷バランスを監視する。
牽引バッテリ14のSOCが所定の大きさに達したとき、ステップ136においてバッテリ充電が終了される。
ステップ138において、乗員室がPTC 102或いはWEG 104を使用して予備暖房されるか、若しくは、空調装置のモーターとコンプレッサの組100を使用して冷却される。
本発明の好ましい実施形態を記述してきたが、ここに具体的に説明され且つ記述されたもの以外の代替実施形態が実施され得ることを記しておく。
本発明は、電気自動車のバッテリの充電システム及び同バッテリの充電方法として有用である。
10. 自動車
12. 牽引モーター
14. 高電圧蓄電バッテリ
22. マイクロプロセッサ
38. 充電ブースター・システム
42. グリッド（電源）
40. 第一壁ソケット
44. 第二壁ソケット
46. インバータ/電圧ブースター・システム
48. EMC入力フィルタ
52. 第一インバータ回路（第一コンバータ）
56. 第二インバータ回路（第二コンバータ）
60. バッテリ制御モジュール(BCM)
61. マイクロプロセッサ
64. 自動車電力供給回路
92. 高電圧バック調節回路
115. 遅延時間選択器
12. 牽引モーター
14. 高電圧蓄電バッテリ
22. マイクロプロセッサ
38. 充電ブースター・システム
42. グリッド（電源）
40. 第一壁ソケット
44. 第二壁ソケット
46. インバータ/電圧ブースター・システム
48. EMC入力フィルタ
52. 第一インバータ回路（第一コンバータ）
56. 第二インバータ回路（第二コンバータ）
60. バッテリ制御モジュール(BCM)
61. マイクロプロセッサ
64. 自動車電力供給回路
92. 高電圧バック調節回路
115. 遅延時間選択器
Claims (8)
- 電気自動車内の蓄電バッテリを充電するためのシステムにおいて、
AC電力の第一電源に電気的に接続され、上記第一電源からのACを第一DC出力に変換するための第一コンバータ、
上記第一電源とは位相が異なる第二AC電力の第二電源に電気的に接続され、上記第二電源からのACを第二DC出力に変換するための第二コンバータ、及び、
上記第一DC出力、上記第二DC出力、及び、上記蓄電バッテリに電気的に連結され、上記第一DC出力及び上記第二DC出力より高い電圧を持つ第三DC出力を生成してバッテリに充電するための調節器を有し、
上記第一コンバータ、上記第二コンバータ及び上記調節器が上記電気自動車に車載されている
システム。 - 上記自動車に配設された空調装置用のコンプレッサ、及び、
上記コンプレッサに駆動可能に連結され、且つ、上記バッテリに電気的に連結されたモーターを更に有する、
請求項1に記載のシステム。 - 上記自動車の中に配設され、且つ、上記バッテリに電気的に接続された電気的発熱体を更に有する、
請求項1又は2に記載のシステム。 - 流体を収容し、且つ、自動車内に配設される暖房システム、及び、
上記暖房システムの中を通って上記流体を循環させるためのポンプに駆動可能に連結されるモーターを更に有する、
請求項1乃至3のいずれか一つに記載のシステム。 - AC電力の第一電源に電気的に接続された第一コンバータ、上記第一電源のAC電力と比較して位相が異なるAC電力の第二電源に電気的に接続された第二コンバータ、上記AC電力の第一電源に電気的に接続され、上記第一電源からのACを第一DC出力に変換するための第一コンバータ、上記AC電力の第二電源に電気的に接続され、上記第二電源からのACを第二DC出力に変換するための第二コンバータ、及び、上記第一DC出力、上記第二DC出力、及び、上記蓄電バッテリに電気的に連結され、上記第一DC出力及び上記第二DC出力より高い電圧を持つ第三DC出力を生成してバッテリに充電するための調節器を含む電気自動車の蓄電バッテリの充電方法であって、
上記調節器を、上記第一及び第二DC出力よりも高い電圧を持つ第三DC出力を生成すべく使用する工程、
上記蓄電バッテリを上記第三DC出力に結合する工程、及び、
上記第三DC出力を使用して上記蓄電バッテリの充電状態を上昇する工程、
を有する方法。 - 上記自動車の乗員室内の大気温度を制御するための上記システム内の空調装置に駆動可能に連結されたモーターを駆動すべく上記蓄電バッテリを使用する工程、を更に有する、
請求項5に記載の方法。 - 上記自動車の乗員室内に配設された電気的発熱体を暖めるために上記蓄電バッテリを使用する工程を更に有する、
請求項5又は6に記載の方法。 - 上記自動車の乗員室内に流体を循環させるポンプを駆動するために上記蓄電バッテリを使用する工程を更に有する、
請求項5乃至7のいずれか一つに記載の方法。
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