JP6335350B2 - 充電ステーションを制御するための方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電気充電ステーションに電気を供給するための方法と、充電ステーション装置および変圧デバイスとに関する。
電気負荷（例えば、車両の充電ステーションなど）へのＡＣ電圧の形態での電気の供給には、通常、位相シフトを理由に、無効電力が必要とされる。電気負荷への電力の伝送に対する品質係数を評価するため、力率を確認するための基準として電気負荷の無効電力と有効電力との比率が取り入れられる。
従って、できる限り高い力率を充電ステーションに供給するための方法が必要とされる。
特許文献１は、直流および／または交流電流を充電ステーションに伝達するためのシステムを提示する。
特許文献２は、到達したＡＣ電圧を出力段およびＡＣ／ＤＣ変換器によってＤＣ電圧に変換することを伴う車両用の充電ステーションを開示する。
ＡＣ／ＤＣ変換器は、特許文献３で開示される。
特許文献４は、複数の一次巻線および複数の二次巻線を備える充電システムを示す。
ＣＡＮバスを介して接続された充電モジュールによって電池を充電するための充電システムは、特許文献５で開示される。
米国特許第５，８０３，２１５Ａ号明細書 米国特許出願公開第２０１２２８０６５５Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１３０２０９８９Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１３３０７４８６Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１４０３５５３０Ａ１号明細書
この背景に対して、本発明の目的は、有効電力力率補正の省略を可能にする充電ステーションに電気を供給するための方法を提供することである。
従って、複数の電気充電ステーションに電気を供給するための方法であって、電源によって提供されたＡＣ電圧が、少なくとも１つのスター巻線および少なくとも１つのデルタ巻線を介して少なくとも１つの変圧器によって規定のＡＣ電圧レベルに変圧され、それに続いて、ＡＣ電圧線を介して複数の電気充電ステーションに転送され、それぞれの充電ステーションが備える少なくとも２つの整流器によって、複数の電気充電ステーションのそれぞれの充電ステーションにおいてローカルに直流電流に直接変換される、方法が提示される。
実施形態は、説明および従属クレームから得られる。
提示される方法は、特に、車両に電気を供給するための複数の充電ステーションのそれぞれの力率を最適化するために使用される。この関連で、本発明は、ＡＣ電圧の形態で到達した電気を、最初に、少なくとも１つの変圧器によって変圧し、それに続いて、ＡＣ電圧線（例えば、ＡＣバス、ツリーまたはリングなど）を介してそれぞれの充電カラムに転送し、そこでローカルに直流電流に変換することによって、それぞれの充電ステーションに電力が供給されるようにする。電力損失を最小限に抑えるため、少なくとも１つの変圧器は、均一に電圧印加される少なくとも１つのデルタ巻線および少なくとも１つのスター巻線を備えるようになっており、その結果、位相オフセットが制御され、それを受けて、高調波が低減され、それにより、先行技術と比べて、特に、力率に逆効果をもたらす中間変圧器に基づく解決策と比べて、このように電力が供給される充電ステーションの力率が増加する。
本発明の文脈内では、電気の直接変換または直接転送は、電気が、それぞれのスイッチング素子（例えば、整流器など）によって変換されるか、または、それぞれのスイッチング素子に直接（すなわち、例えば、力率補正フィルタなどの中間要素なしで）供給されるプロセスを意味すると理解されることが意図される。
当然ながら、本発明に従って提供されるデルタおよびスター巻線（すなわち、デルタ回路またはスター回路で接続された抵抗器）は、１つの変圧器で集合的に配列されるか、または、各種の変圧器にわたって分配される形で配列されると考えられる。
提示される方法の可能な一実施形態では、複数の電気充電ステーションのそれぞれの充電ステーションは、少なくとも２つの６パルス整流器と、少なくとも１つの絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換器とを備える。
絶縁されたＤＣ／ＤＣ変換器は、それぞれの電源供給システム（すなわち、ＡＣ供給システム）とそれぞれの充電すべき車両との間およびそれぞれの絶縁された車両自体間の絶縁を確保する。
具体的には、それぞれのスターまたはデルタ巻線は、各々が、少なくとも２つの３相整流器（例えば、６パルス整流器など）と、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣ変換器（特に、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換器）とを備える複数の充電ステーション（特に、少なくとも２つの充電ステーション）に電気を供給する。
提示される方法のさらなる可能な実施形態では、複数の電気充電ステーションへの電気の供給は、複数の電気充電ステーションの総電力がそれにより少なくとも１つの変圧器の最大電力に制限される負荷管理の実行を伴う。
本発明に従って提供される少なくとも１つの変圧器を過負荷から保護するため、例えば、それぞれの充電プロセスをモニタするためのコントローラ上で、少なくとも１つの変圧器によって電気が供給されるそれぞれの充電ステーションの総電力を変圧器の最大電力に制限する負荷管理を実行することが可能である。負荷管理は、規定の規則（例えば、「先着順サービス」原則など）または優先順位決定リストに従って、変圧器の最大電力に至るまで、それぞれの充電ステーションに電気を供給することができる。
本発明に従って提供される少なくとも１つのスターおよび／またはデルタ巻線の各々を有する少なくとも１つの変圧器の使用により、通常使用される３相変圧器とは対照的に、有効電力力率補正の省略が可能になる。出力段による有効電力力率補正の代替案として、提示される方法は、１つの充電ステーションあたり２つの６パルス整流器を使用するようにし、整流器は、変圧器によって変圧されたＡＣ電圧をそれぞれの充電ステーションに対してローカルに直流電流に変換する。
提示される方法のさらなる可能な実施形態では、少なくとも１つの変圧器は、少なくとも１つのスター巻線および少なくとも１つのデルタ巻線に加えて、位相オフセットの位相の数を増加し、複数の電気充電ステーションのそれぞれの充電ステーションの力率を増加する少なくとも１つのさらなる巻線（特に、ジグザグ巻線）を備える。
少なくとも１つのスター巻線および少なくとも１つのデルタ巻線に加えて、本発明による少なくとも１つの変圧器上に巻線（例えば、ジグザグ巻線など）が提供される場合は、具体的には、追加の巻線の数に応じて、それぞれの充電ステーションにおいて、対応するＡＣ線によってそれぞれの追加の巻線に電気的に接続されるさらなる整流器が提供される。
提示される方法のさらなる可能な実施形態では、少なくとも１つの変圧器のそれぞれの二次巻線は、接地または非接地方式で制御される。
本発明の文脈内では、二次巻線は、例えば、少なくとも１つのスター巻線および少なくとも１つのデルタ巻線に追加された巻線を意味すると理解されることが意図される。
提示される方法のさらなる可能な実施形態では、複数の電気充電ステーションの総電力は、並列回路の複数の電気充電ステーションに電気を供給する多様な変圧器によって徐々に増大される。この事例では、複数の電気充電ステーションに電力を供給するためのそれぞれのＡＣバスには、並列に複数の変圧器によって電力が供給される。
異なる充電ステーションにおける電力の漸次または断続増大により、電圧スパイクおよび対応する摩損を低減することができる。それぞれの変圧器の漸次切り替えの場合、変圧器は、回路によって接続または切断することができる。それに従って、提示される方法によって制御される充電ステーション装置は、始動後であっても、さらなる変圧器および充電ステーションの並列配置によって簡単に素早く拡張することができる。
提示される方法のさらなる可能な実施形態では、それぞれの充電ステーションの少なくとも２つの整流器は、並列、直列または直列配置と並列配置との切り替えが可能な方法で配置される。
それぞれの整流器の並列接続により、対応する充電ステーションにおいて「２」倍異なる２つの中間回路電圧を表せるようにすることができ、それにより、充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器の出力電流範囲は２倍になる。
それぞれの整流器の直列接続により、それぞれの充電ステーションにおいて「２」倍異なる２つの中間回路電圧を表せるようにすることができ、それにより、充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器の変換範囲は半減し、その結果、ＤＣ／ＤＣ変換器の効率が増大する。
並列接続と直列接続との切り替えが可能な充電ステーションのそれぞれの整流器の接続により、要件に応じて、充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器の出力電流範囲を２倍にするか、または、充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器の変換範囲を半減することができ、その結果、例えば、４００ボルトおよび８００ボルトのバッテリ電圧を独立して車両に供給することができる。
提示される方法のさらなる可能な実施形態では、複数の電気充電ステーションそれぞれの充電ステーションの絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換器は、並列配置と直列配置との切り替えを可能にするために電気的に接続され、複数の電気充電ステーションそれぞれの充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器は、ＤＣ／ＤＣ変換器によって相互接続される充電ステーションの集計出力電圧または集計出力電流を変更するために並列または直列に相互接続される。
それぞれの充電ステーションにおけるそれぞれのＤＣ／ＤＣ変換器間の接続を介するそれぞれの充電ステーションの相互接続により、必要な場合に、非常に大きな電流および／または非常に高い電圧を素早く簡単に提供することができる。
さらに、本発明は、複数の充電ステーションに電気を供給するための変圧デバイスであって、少なくとも１つの変圧器を備える変圧デバイスであり、少なくとも１つの変圧器が、少なくとも１つの変圧器に到達したＡＣ電圧を規定の電圧レベルに変圧するため、および、ＡＣ電圧線を介して前記電圧レベルを複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションの整流器に直接転送するために、デルタ巻線およびスター巻線を使用するように設定される、変圧デバイスに関する。
提示される変圧デバイスは、特に、提示される方法を実行するために使用される。
さらに、本発明は、複数の充電ステーションと、複数の充電ステーションに電気を供給するための変圧デバイスとを有する充電ステーション装置であって、変圧デバイスが少なくとも１つの変圧器を備え、少なくとも１つの変圧器が、少なくとも１つの変圧器に到達したＡＣ電圧を規定の電圧レベルに変圧するため、および、ＡＣ電圧線を介して前記電圧レベルを複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションに転送するために、デルタ巻線およびスター巻線を使用するように設定され、複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションが、各々が少なくとも１つの変圧器によって電気の供給を直接受けることができる少なくとも２つの整流器を備える、充電ステーション装置に関する。
提示される充電ステーション装置は、特に、提示される方法を実行するために使用される。
提示される充電ステーション装置の可能な一実施形態では、充電ステーション装置は、複数の充電ステーションを備え、複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションは各々がＤＣ／ＤＣ変換器を備え、複数の充電ステーションの少なくとも２つの充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器は、回路を介して電気的に接続され、回路は、車両用の充電ポイントに電力を供給するために、複数の充電ステーションの少なくとも２つの充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器を互いに並列または直接に接続できるように具体化される。
それぞれの充電ステーションのそれぞれのＤＣ／ＤＣ変換器の並列または直列相互接続により、複数の充電ステーション（特に、２つの充電ステーション）の相互接続が可能になり、その結果、複数の充電ステーションは、中央充電ポイントに電力を供給することができる。それぞれのＤＣ／ＤＣ変換器（ＤＣ／ＤＣ変換器は、特に、複数の充電ステーションにわたって分配される形で存在できる）の並列接続により、対応する出力電流の変更および調整が可能になる。それぞれのＤＣ／ＤＣ変換器（ＤＣ／ＤＣ変換器は、特に、複数の充電ステーションにわたって分配される形で存在できる）の直列接続により、対応する出力電圧の様々な調整が可能になる。車両用の充電ステーションに対して２つの変換器が使用される際は、整流器と変換器との間の電圧は、例えば、Ｕ＝１０００Ｖ未満に明確にとどめることができる。それぞれのＤＣ／ＤＣ変換器は、それぞれのＤＣ／ＤＣ変換器のそれぞれの要件に応じて、絶縁型または非絶縁型で具体化することができる。
さらなる利点や実施形態は、説明や添付の図面から得られる。
上記で引用される特徴および以下で説明される特徴は、それぞれ示される組合せで使用できるばかりでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組合せまたはそのままでも使用できることは言うまでもない。
本発明は、実施形態に基づいて図面で概略的に提示され、図面を参照して詳細に概略的に説明される。
提示される充電ステーション装置の可能な実施形態の概略図を示す。 異なる充電ステーションの２つのＤＣ／ＤＣ変換器の相互接続の概略図を示す。 先行技術に基づく充電ステーション装置を示す。 先行技術に基づくさらなる充電ステーション装置を示す。 先行技術に基づくさらなる充電ステーション装置を示す。 先行技術に基づくさらなる充電ステーション装置を示す。
図１は、スター巻線３およびデルタ巻線５を備える変圧器１を示す。それぞれの充電ステーション７、９および１１に電気を供給するため、変圧器に到達したＡＣ電圧は、最初に、スター巻線３およびデルタ巻線５によって変圧器１によって規定の電圧レベルに変圧され、それに続いて、６相バス１３を介して充電ステーション７、９および１１に伝達される。
充電ステーション７、９および１１の各々は、２つの整流器１５および１７をそれぞれ備え、整流器１７は、スター巻線３と電気的に接触し、整流器１５は、デルタ巻線５と電気的に接触する。
整流器１５および１７によって変換された直流電流は、それぞれの充電ステーション７、９および１１内の整流器１５および１７からＤＣ／ＤＣ変換器１９に転送され、ＤＣ／ＤＣ変換器１９は、直流電流を規定の電圧レベルに変換し、エンドユーザ（例えば、自動車など）が前記電圧レベルを充電に利用できるようにする。
充電ステーション７では、整流器１５および１７は並列に接続される。これにより達成される効果は、充電ステーション７において「２」倍異なる２つの中間回路電圧を表せるようにすることができ、それにより、ＤＣ／ＤＣ変換器１９の出力電流範囲が２倍になることである。
充電ステーション９では、整流器１５および１７は直列に接続される。これにより達成される効果は、充電ステーション９において「２」倍異なる２つの中間回路電圧を表せるようにすることができ、それにより、ＤＣ／ＤＣ変換器１９の変換範囲が半減し、その結果、ＤＣ／ＤＣ変換器１９の効率が増大することである。
充電ステーション１１では、整流器１５および１７は、並列接続と直列接続とを選択できるように相互接続され、その結果、要件に応じて、ＤＣ／ＤＣ変換器１９の出力電流範囲が２倍になるか、または、ＤＣ／ＤＣ変換器１９の変換範囲が半減し、例示として、４００ボルトおよび８００ボルトのバッテリ電圧を並列で車両に供給することができる。
図２は、第１の充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器２１および第２の充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器２３を示す。ＤＣ／ＤＣ変換器２１および２３の並列配置と直列配置とを選択できるように、ＤＣ／ＤＣ変換器２１は、ＤＣ／ＤＣ変換器２３に電気的に接続される。
ＤＣ／ＤＣ変換器２１および２３の直列接続により、接続された第１および第２の充電ステーションの出力電圧の様々な調整が可能になり、並列接続により、出力電流の様々な調整が可能になる。
図３は、先行技術に基づく回路３０を示す。変圧器３１は、ＡＣバス３３を使用して、それぞれの充電ステーションのＤＣ／ＤＣ変換器３７に電力を供給する。最適力率のために変圧器３１によって出力される電圧を最適化するため、力率補正または力率補正フィルタが装備された整流器３５は、変圧器３１とそれぞれのＤＣ／ＤＣ変換器３７との間に接続される。
図４は、中央整流器４１と、ＤＣバス４４とを有する回路４０を示す。図１に示される充電ステーション装置とは対照的に、回路４０の使用には、ＤＣバス４４を介して電力を伝達するための保護要素（例えば、回路遮断器および過電圧保護デバイスなど）が必要とされる。
図５は、絶縁変圧器５１に基づく回路５０を示す。回路５０とは対照的に、提示される方法により、ＤＣ／ＤＣ変換器において、変圧器（高周波で制御される）による絶縁が可能になり、従って、コンパクトであり、その結果、それぞれの充電ステーションにおける整流器の上流の５０／６０Ｈｚ絶縁変圧器５１の省略が可能になる。それぞれの充電ステーションは、提示される方法の結果、回路５０に基づいて可能であるものよりコンパクトに具体化することができる。それに加えて、提示される方法の使用により、絶縁変圧器５１における無負荷損失が回避される。
図６は、各事例において充電ステーション６３に電力を供給するためのスター巻線６５およびデルタ巻線６７を備える変圧器６１を備える回路６０を示す。回路６０とは対照的に、提示される方法は、複数の充電ステーションに対してそれぞれのスターおよびデルタ巻線が使用されるようにし、その結果、対応する回路は、提示される方法に基づいて、回路６０よりコンパクトにかつより安く具体化することができる。それに加えて、提示される方法により、変圧器と充電ステーションとの間の接続線６９は、スター巻線で転送する必要はなく、むしろ、例えば、バス、ツリーまたはリング配線として具体化できるため、回路６０と比べると、配線の複雑性の低減が可能になる。
１ 変圧器
３ スター巻線
５ デルタ巻線
７ 電気充電ステーション
９ 電気充電ステーション
１１ 電気充電ステーション
１３ ＡＣ電圧線
１５ 整流器
１７ 整流器

Claims (11)

  1. 複数の充電ステーションに電気を供給するための方法であって、電源によって提供されたＡＣ電圧が、二次巻線としての、少なくとも１つのスター巻線および少なくとも１つのデルタ巻線を介して少なくとも１つの変圧器によって規定のＡＣ電圧レベルに変圧され、それに続いて、ＡＣ電圧線を介して前記複数の充電ステーションに転送され、前記複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションが備える少なくとも２つの整流器によって、それぞれの充電ステーションにおいてローカルに直流電流に直接変換される、方法。
  2. 前記複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションが、前記整流器として少なくとも２つの６パルス整流器と、少なくとも１つの絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換器とを備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記複数の充電ステーションのそれぞれ充電ステーションの前記絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換器が、並列配置と直列配置との切り替えを可能にするために電気的に接続され、前記複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションの前記絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換器が、相互接続される前記充電ステーションの共通出力電圧または共通出力電流を変更するために並列または直列に相互接続される、請求項２に記載の方法。
  4. 前記複数の充電ステーションへ供給する総電力が、前記少なくとも１つの変圧器の最大電力に制限される負荷管理の実行を伴う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記少なくとも１つの変圧器が、前記少なくとも１つのスター巻線および前記少なくとも１つのデルタ巻線に加えて、位相オフセットの位相の数を増加し、前記複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションの力率を増加する少なくとも１つのさらなる巻線を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記少なくとも１つの変圧器のそれぞれの二次巻線が、接地または非接地方式で制御される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記複数の充電ステーションの総電力が、並列回路の前記複数の充電ステーションに電気を供給する複数な変圧器によって徐々に増大される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. それぞれの充電ステーションの前記少なくとも２つの整流器が、並列、直列または直列配置と並列配置との切り替えが可能な方法で配置される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 複数の充電ステーション（７、９、１１）に電気を供給するための変圧デバイスであって、少なくとも１つの変圧器（１）を備える変圧デバイスであり、前記少なくとも１つの変圧器（１）が、前記少なくとも１つの変圧器（１）に到達したＡＣ電圧を規定の電圧レベルに変圧するため、および、ＡＣ電圧線（１３）を介して前記電圧レベルを前記複数の充電ステーションそれぞれの充電ステーションの整流器（１５、１７）に直接転送するために、二次巻線としての、少なくとも１つのデルタ巻線（５）および少なくとも１つのスター巻線（３）を使用するように設定される、変圧デバイス。
  10. 複数の充電ステーション（７、９、１１）と、前記複数の充電ステーションに電気を供給するための変圧デバイスとを有する充電ステーション装置であって、前記変圧デバイスが少なくとも１つの変圧器（１）を備え、前記少なくとも１つの変圧器（１）が、前記少なくとも１つの変圧器（１）に到達したＡＣ電圧を規定の電圧レベルに変圧するため、および、ＡＣ電圧線（１３）を介して前記電圧レベルを前記複数の充電ステーション（７、９、１１）のそれぞれの充電ステーション（７、９、１１）に転送するために、二次巻線としての、少なくとも１つのデルタ巻線（５）および少なくとも１つのスター巻線（３）を使用するように設定され、前記複数の充電ステーション（７、９、１１）のそれぞれの充電ステーション（７、９、１１）が、各々が前記少なくとも１つの変圧器（１）によって電気の供給を直接受けることができる少なくとも２つの整流器（１５、１７）を備える、充電ステーション装置。
  11. 前記充電ステーション装置は複数の充電ステーションを備え、前記複数の充電ステーションのそれぞれの充電ステーションは各々がＤＣ／ＤＣ変換器を備え、複数の充電ステーションの少なくとも２つの充電ステーションの前記ＤＣ／ＤＣ変換器が、回路を介して電気的に接続され、前記回路が、前記複数の充電ステーションの前記少なくとも２つの充電ステーションそれぞれのＤＣ／ＤＣ変換器を車両用の充電ポイントと並列または直接に接続できるように具体化される、請求項１０に記載の充電ステーション装置。
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