JP5525148B2 - 自動車用電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、自動車用電力変換システムに関する技術分野に属する。

選択的にエンジン駆動される自動車は、例えばバッテリーのようなエネルギー蓄積装置を含み得る。ＤＣ／ＤＣ電力変換器（即ちＤＣ／ＤＣコンバータ）が、例えば選択的にエンジン駆動される自動車におけるモータ（電気負荷の一つ）にて使用すべく、エネルギー蓄積装置からの電力を変換するのに使用される場合がある。このように、エネルギー蓄積装置からの電力が自動車を動かすべく使用され得る。

本発明は、電気負荷に対して、適切な電圧にて電力を供給する場合に、コストアップを極力抑えつつ、かつ、本来ある部品を極力使用しつつ、電力供給を可能とする自動車用電力変換システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態は、自動車用電力変換システムの形態を取り得る。本発明の自動車用電力変換システムは、第一電圧を有する電力を受けて、第二電圧を有する電力を供給するコンバータと、そのコンバータを制御する制御器とを含む。そのコンバータは、着脱可能な電気プラグを収容し得る、電気的にその作動内容を設定可能な変圧器を含む。その電気プラグは、変圧器内に収容されたときに、変圧器の電気的な作動内容を電気的に設定するものであって、該変圧器の作動内容を互いに異ならせる複数種あるとともに、上記電気プラグの種類を識別するための識別手段を含む。そして、上記制御器は、上記識別手段を読み取るように構成される。

本発明に従って、典型的な実施形態が図示及び説明されているものの、その記述は、特許請求の範囲を限定するように解釈すべきではない。種々の修正、及び、代替設計が、本発明の範囲から逸脱することなく、なされ得ることが理解されるべきである。

例えばハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のような選択的にエンジン駆動される自動車における、例えばＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換器は、種々の用途のために構成され得る。例えば、直流的に絶縁された出力電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータから取り出され、例えば住宅用電力のような幅広い用途を有する50／60Hz(ヘルツ)の交流電力を生成すべく、別の車載コンバータ、或いは、車両外部の携帯可能コンバータによって処理される。

例えば双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ・トポロジー(topology)のようなコンバータ・トポロジーの幾つかは、入力と出力との間で電力を増減させる。コンバータのインダクタ（誘導性要素）が、直流的に絶縁された一つ又は複数の二次巻線を備える変圧器と取り替えられるならば、コンバータは同様に、直流的に絶縁された出力電圧を供給し得る。この直流的に絶縁された電力は、別のコンバータによって、例えば50／60Hzの交流電力に変換される場合がある。

幾つかの変圧器の一次巻線及び二次巻線は、並列に、或いは、直列に連結される場合がある。これは、部品の利用効率を増大し、システム性能を改善し得る。一次巻線と二次巻線とを並列に連結することは、もしそれらが同じ巻数であるならば、コンバータの定格電流を増大させる、及び／又は、インダクタの銅損を低減させる場合がある。一次巻線と二次巻線とを直列に連結することは、リップル電流及び鉄損を低減させるチョークのインダクタンスを増大させる場合もある。

コンバータの二次巻線がこれらの機能（直列連結又は並列）を果たす場合には、制御器は、コンバータの作動を終了させた後（すなわちコンバータとバッテリーとの連結を遮断した後）に、コンバータをそのような機能を果たすように再設定させ得る。インターロック機能が、コンバータから電源へのアクセスを許容する、例えば電気プラグのような電力コネクタに組み込まれる場合がある。インターロック機能の幾つかは、安全性のために、コンバータに電力を供給するための電気接点が遮断されるよりも前に、制御器に信号を伝達するための電気接点（インターロック端子）が遮断されて、それに応じて制御器がコンバータの作動を停止させるように構成され得る。

電気プラグのハウジングは共通形状に構成され、コンバータとの接続部は、ハウジングの種々の面又は位置にて、種々の方向又は角度に向けて取り付けられ得る。そういうものとして、コンバータの機能は、どのような電気プラグがコンバータ（変圧器）に挿入されているかに依存し得る。例えば、電気プラグは、電気プラグが一方向に挿入されるならば、コンバータの変圧器の一次巻線及び二次巻線が並列に連結され、電気プラグが逆方向に挿入されるならば、一次巻線及び二次巻線が直列に連結されるように設定される場合がある。他の構成もまた、企図される。例えば、電気プラグは、コンバータの目標出力電圧又は電力出力数等を決定するコンバータとの接続部を含む場合もある。

図１は、自動車12の電力変換システム10の概略図を示す。電力変換システム10は、高電圧バッテリー14、駆動モータ16及び18、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ20を含む。バッテリー14は、コンバータ20を介して、駆動モータ16及び18に電気的に連結される。他の実施形態においては、例えば一つのみの駆動モータ及び二つ以上のバッテリーのような、異なる構成の電気負荷及び電源が、コンバータ20に電気的に連結される場合がある。

図１のコンバータ20は、インダクタ（誘導性要素）／変圧器22、スイッチ24及び26、及び、コンデンサ（或いはキャパシタ（容量性要素））25及び27を含む。スイッチ24及び26を選択的に切り替えることによって、コンバータ20は、バッテリー14から例えばＶｘの電圧を有する電力を受け、駆動モータ16及び18にて使用すべく、Ｖｘの電圧を例えばＶｙの電圧に昇圧し得る。コンバータ20はまた、駆動モータ16及び18から例えばＶｙの電圧を有する電力を受け、バッテリー14にて後で蓄積すべく、Ｖｙの電圧を例えばＶｘの電圧に低下（降圧）させる。表１は、Ｖｘ、Ｖｙ、及びＶｍが取り得る値を例示する。

他の実施形態においては、コンバータ20は、例えば一方向への昇圧コンバータ（boost converter）として作動するような、他のトポロジーを採用し得る。

図２は、インダクタ／変圧器22の実施形態の概略図である。図２のインダクタ／変圧器22は、一次コイル28及び二次コイル30を含む。図２の一次コイル28は、端子31及び33を含む。端子31及び33は、各々、電源プラグ35(電気プラグとも呼ばれる(図３参照))の各々の突起32及び34の電気導体48及び52(図３参照)を介して、Ｖｘ及びＶｍの電圧を有するラインに電気的に連結され得る。図２の二次コイル30は、端子36及び38を含む。端子36及び38は、電源プラグ35の各々の突起32及び34の電気導体50及び54に電気的に連結され得る。他の実施形態においては、インダクタ／変圧器22は、設計要件に応じて、例えば六つの端子ように、二つよりも多い端子を有する場合がある。電源プラグ35が取り外されている場合には、ＶｘとＶｍとが電気的に連結されていないので、コンバータ20は不作動のままとなる。

インターロック端子40及び42は、制御器43（図４参照）に電気的に連結される。インターロック端子40及び42は、各々、電源プラグ35（図３参照）のインターロック電気導体44及び46（図３参照）に電気的に連結される場合がある。後述するように、この電気的な連結は、制御器43との通信を容易にし得る。

図３は電源プラグ35の概略図である。突起32は電気導体48及び50を含み、突起34は電気導体52及び54を含む。電気導体50及び54は、各々、電力ライン（電力リード線）56及び58に電気的に連結される。電力ライン56及び58は、自動車から離間している、例えば電動工具のような電気機器が、コンバータ20（図1参照）及び電源プラグ35を介して、実質的にバッテリー14（図１参照）による電力にアクセスするのを許容する場合がある。電力ライン56及び58はまた、自動車から離間している電源が、電源プラグ35及びコンバータ20を介して、バッテリー14にエネルギーを蓄積するのを許容する場合もある。

インターロック電気導体44及び46は、各々、インターロック・ライン（インターロック・リード線）60及び62に電気的に連結される。後述するように、この電気的な連結は、制御器43との通信を容易にし得る。

図４は、インダクタ／変圧器22、及び、それを塞ぐ電源プラグ35の概略図である。電源プラグ35がインダクタ／変圧器22を塞いだときには、電気導体48及び52は、各々、一次コイル28の端子31及び33を、Ｖｘ及びＶｍの電圧を有するラインに電気的に連結する。電気導体50及び54は、各々、端子36及び38を、電力ライン56及び58に電気的に連結する。このように、電力ライン56及び58は、例えば、バッテリー14（図１参照）から直流的に絶縁された電力を供給する。

インターロック電気導体44及び46（通信媒体としての電気接点）は、制御器43を、各々インターロック・ライン60及び62に電気的に連結する。代替実施形態においては、例えば四本のような、二本とは異なる所定数のインターロック・ラインが設けられる場合がある。図４の実施形態においては、例えば電動工具のような電気機器が、この電気的な連結を介して、制御器43と通信し得る。例えば、通信信号が、各々、インターロック端子40及び42、インターロック電気導体44及び46、及び、インターロック・ライン60及び62を通って、制御器43から電気機器に送信される場合がある。同様に、制御信号が、各々、インターロック・ライン60及び62、インターロック電気導体44及び46、及び、インターロック端子40及び42を通って、電気機器から制御器43に送信される場合もある。他の実施形態においては、そのような通信は、非接触での結合手段、例えば光ファイバーや赤外線のような光学系（非接触での結合手段）或いは非接触の電磁系を介して行なわれ得る。

図５は、インダクタ／変圧器122及び電源プラグ135の一部を示す概略図である。図５において符号が図４のものに対して100だけ異なる構成要素、例えば制御器43（図４参照）に対する制御器143（図５参照）は、必ずしも同一ではないものの、同様の記述を有するものである。コイル164は、インターロック端子140及び142間に掛け渡される。コイル166は、インターロック電気導体144及び146間に掛け渡される。制御器143からコイル164を通って送信される電気信号（通信信号）は、コイル166を通る電気信号（通信信号）を誘起する。同様に、例えば電気機器からコイル166を通って送信される電気信号（通信信号）は、コイル164を通る電気信号（通信信号）を誘起する。このことで、コイル164及び166は通信媒体（結合手段）を構成する。

図６は、インダクタ／変圧器222及び電源プラグ235の概略図である。電気導体264は、一次コイル228を、Ｖｘの電圧を有するライン及び電力ライン256に電気的に連結する。電気導体254は、電力ライン258を、例えばアースのような共通端子266に電気的に連結する。このように、電力ライン256及び258は、例えば、バッテリー214（不図示）から直流的に絶縁されていない（すなわち直流的に接続された）電力を供給する。

図７は、インダクタ／変圧器322及び電源プラグ335の概略図である。電気導体368及び370は、一次コイル328を、二次コイル330と並列接続して、電気的に連結する。電気導体368は、一次コイル328及び二次コイル330を、Ｖｘの電圧を有するラインに電気的に連結する。電気導体370は、一次コイル328及び二次コイル330を、Ｖｍの電圧を有するラインに電気的に連結する。

電源プラグ335は、例えば所定抵抗を有する電気抵抗及び／又は所定静電容量等を有するコンデンサのような電子タグ（識別手段）372を含む。制御器343は、例えば、各々、信号をインターロック端子340及び342とインターロック電気導体344及び346を通って送信し、受信された信号の電圧変化を計測することによって、何れの形式の電源プラグがインダクタ／変圧器322を塞いでいるのかを判定し得る。すなわち、電子タグ372は、例えば、制御器343によって送信された電力／信号に応じてパルス列信号を供給し得る受動回路を含み得る。電源プラグ35（図４参照）は、例えば、1Ｖ（ボルト）の電圧降下をもたらす電子タグ（不図示）を有する場合がある。電源プラグ235（図６参照）は、例えば、2Ｖ（ボルト）の電圧降下をもたらす電子タグ（不図示）を有する場合もある。

図８は、インダクタ／変圧器322及び電源プラグ435の概略図である。電気導体374、376、378及び380は、一次コイル328を、二次コイル330と直列接続して、電気的に連結する。電気導体374は、一次コイル328を、Ｖｘの電圧を有するラインに電気的に連結する。電気導体380は、二次コイル330を、Ｖｍの電圧を有するラインに電気的に連結する。電子タグ（識別手段）472は、例えば、制御器343によって送信された電力／信号に応じてパルス列信号を供給し得る能動回路を含む場合がある。

図９は、インダクタ／変圧器522及び電源プラグ535の概略図である。電気導体568、570は、一次コイル528を、二次コイル530と並列接続して、電気的に連結する。電気導体568は、一次コイル528及び二次コイル530を、Ｖｘの電圧を有するラインに電気的に連結する。電気導体570は、一次コイル528及び二次コイル530を、Ｖｍの電圧を有するラインに電気的に連結する。突起584は、電気導体586を含む。電力ライン556は、電気導体586を介して、端子582に電気的に連結される。電力ライン558は、電気導体570を介して、端子533及び538に電気的に連結される。電力ライン559は、電気導体568を介して、端子531及び536に電気的に連結される。このように、電力ライン556、558及び559は、例えば、バッテリー514（不図示）から直流的に絶縁されていない（すなわち直流的に接続された）交流電力を供給する。

本発明の実施形態においては、例えば、図４、図６、図７、図８及び図９の電源プラグの何れかを択一的にコンバータ（変圧器）に連結することによって、そのコンバータ（変圧器）の電気的な作動内容が変更されていることが明らかである。図４、図６及び図９の各実施形態においては、各電力ラインを介して、自動車とは離間した電気負荷に（電源プラグによって定められる電圧／電流／位相の）電力を供給するように構成される場合があり、或いはその逆に、自動車から離間している電源から電力を受けてコンバータ（変圧器）に供給するように構成される場合もある。

図４、図５及び図６の各実施形態においては、各インターロック・ラインを介して、自動車から離間している電気負荷と制御器との間の通信が行なわれ得る。この通信を介して、制御器は電気負荷からの信号に基いて、自動車のパワートレイン用のコンバータの作動を停止することも可能であるし、或いは、電気負荷の要求電力に応じて（バッテリの消耗を未然に防止するために）自動車のエンジン（内燃機関）を作動することも可能である。その逆に、この通信を介して、電気負荷は制御器からの信号に基いて、自動車のエンジン（内燃機関）始動時及び／又は始動後に、（自動車のパワートレインへの電力供給を制限しないように）電力ラインを介した電力の消費を中断することも可能である。

全ての実施形態から明らかなように、電源プラグがコンバータ（変圧器）に連結されていない場合には、そのコンバータ（変圧器）は非作動状態となり、電源プラグがコンバータ（変圧器）に連結されている場合には、その変圧器はインダクタとして作動し得る。

以上、本発明の実施形態を示し、記述してきたが、これらの実施形態は、本発明の実行可能な形態の全てを示し、そして記述することを意図したものではない。むしろ、明細書中で使用される用語は、限定というよりも寧ろ説明するためのものであり、本明細書の技術思想と範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされ得ることを理解すべきである。例えば、本明細書では、複数の実施形態が説明されているが、それらに開示されている技術思想同士を統合して一つの実施形態にすることも企図されていることを理解すべきである。

ＤＣ／ＤＣコンバータを含む自動車用電力変換システムの一例を示す概略図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の一例を示す概略図である。 図２の変圧器と共に使用され得る電源プラグの一例を示す概略図である。 図２の変圧器、及び、図３の電源プラグを示す概略図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の別例の一部、及び、その変圧器と共に使用され得る電源プラグの別例の一部を示す概略図である。 図１の変圧器の更なる別例、及び、その変圧器と共に使用され得る電源プラグの更なる別例を示す概略図である。 図１の変圧器の更なる別例、及び、その変圧器と共に使用され得る電源プラグの更なる別例を示す概略図である。 図７の変圧器、及び、その変圧器と共に使用され得る電源プラグの更なる別例を示す概略図である。 図１の変圧器の更なる別例、及び、その変圧器と共に使用され得る電源プラグの更なる別例を示す概略図である。

10 電力変換システム
12 自動車
14 バッテリー
16、18 駆動モータ
20 ＤＣ／ＤＣコンバータ
22、122、222、322、522 インダクタ／変圧器
35、135、235、335、435、535 電源プラグ（電気プラグ）
43、143、243、343 制御器
372、472 電子タグ（識別手段）
56、58、256、258、556、558、559 電力ライン
48、50、52、54、254、264、368、370、374、376、378、380、568、570、586 電気導体
44、46、144、146、244、246、344、346、444、446 インターロック電気導体（通信媒体としての電気接点）
60、62、160、162、260、262 インターロック・ライン
140、142、240、242、340、342、340、342 インターロック端子

Claims (11)

1. 第一電圧を有する電力を受けて、上記第一電圧と所定量だけ異なる第二電圧を有する電力を供給するコンバータと、
   上記コンバータを制御する制御器とを備え、
   上記コンバータは、着脱可能な電気プラグを収容する、電気的にその作動内容を設定可能な変圧器を含み、
   上記電気プラグは、上記変圧器に収容されたときに、上記変圧器の作動内容を電気的に設定するものであって、該変圧器の作動内容を互いに異ならせる複数種あるとともに、上記電気プラグの種類を識別するための識別手段を含み、
   上記制御器は、上記識別手段を読み取るように構成される、自動車用電力変換システム。
2. 上記識別手段は受動素子を備える、請求項１に記載の自動車用電力変換システム。
3. 上記識別手段は能動素子を備える、請求項１に記載の自動車用電力変換システム。
4. 上記電気プラグは、上記コンバータから受けた電力の少なくとも一部を、上記自動車から離間している電気負荷に供給するように構成される、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の自動車用電力変換システム。
5. 上記電気プラグは、上記自動車から離間している電源から電力を受けて、上記電源から受けた電力を上記コンバータに供給するように構成される、請求項１乃至４のいずれか一つにに記載の自動車用電力変換システム。
6. 上記電気プラグは、上記制御器が、上記自動車から離間している電気負荷と通信するのを許容するように構成される、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の自動車用電力変換システム。
7. 上記電気プラグは、上記制御器と上記電気負荷との間で通信を行なわせる通信媒体を含む、請求項６に記載の自動車用電力変換システム。
8. 上記通信媒体は、一つ又は複数の電気接点を備える、請求項７に記載の自動車用電力変換システム。
9. 上記通信媒体は、非接触での結合手段を備える、請求項７に記載の自動車用電力変換システム。
10. 上記コンバータは、作動状態及び非作動状態を有していて、上記電気プラグが上記変圧器に電気的に連結されていない場合に、非作動状態となる、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の自動車用電力変換システム。
11. 上記電気プラグは、上記変圧器がインダクタとして作動するように、上記変圧器の作動内容を設定する、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の自動車用電力変換システム。

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