JP6362832B2 - 接触器の絶縁の方法および装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、電気エネルギー貯蔵システムのための絶縁およびフィードバックシステムに関し、それは、一実施形態では、ハイブリッドおよび電気自動車を含む電気駆動システムに適用可能である。

ハイブリッド電気自動車は、内燃機関と、けん引用バッテリなどのエネルギー貯蔵装置から給電される電気モータとを組み合わせて自動車を推進させることができる。そのような組合せによって、燃焼機関および電気モータが、それぞれ効率の高められる各々の範囲内で動作することができるようにすることによって、全体の燃料効率を高めることができる。たとえば、電気モータは、静止状態からの発車で加速する際に効率的になることができ、一方、内燃機関（ＩＣＥ：internal combustion engine）は、高速道路での走行など、エンジン動作が一定している持続した期間中、効率的になることができる。最初の加速を高めるために電気モータを有すると、ハイブリッド自動車中の燃焼機関をより小さく、燃料効率を高めることが可能になる。

純然たる電気自動車（ＥＶ：electric vehicle）では、貯蔵された電気エネルギーを使用して電気モータに給電し、モータは、自動車を推進し、また補助的に駆動するように動作することができる。純然たる電気自動車では、１つまたは複数の貯蔵された電気エネルギー源を使用することができる。たとえば、第１の貯蔵された電気エネルギー源は、より長持ちするエネルギーを供給するために使用することができ（低電圧バッテリなど）、一方、第２の貯蔵された電気エネルギー源は、たとえば加速するためのより高い電力エネルギーを供給するために使用することができる（高電圧バッテリまたはウルトラキャパシタなど）。

プラグイン電気自動車（ＰＨＥＶ：plug-in electric vehicle）は、ハイブリッド電気タイプまたは純然たる電気タイプにかかわらず、エネルギー貯蔵装置を再充電するために、外部の電気エネルギー源からの電気エネルギーを使用するように構成されている。そのような自動車は、例として、オンロードおよびオフロードの自動車、ゴルフカート、近隣用電気自動車、フォークリフトおよび小型トラックを含むことができる。これらの自動車では、車外の固定されたバッテリ充電器、車内のバッテリ充電器、または車外の固定されたバッテリ充電器と車内のバッテリ充電器の組合せを使用して、電力系統または再生可能なエネルギー源から自動車車内のけん引用バッテリに電気エネルギーを移すことができる。プラグイン自動車は、たとえば電力系統または他の外部電気エネルギー源からけん引用バッテリを再充電することを容易にするために、回路機構および接続部を含むことができる。

それゆえ、ハイブリッドおよびＥＶは、一般に、少なくとも１つの、しばしばいくつかの低電圧または高電圧の貯蔵装置または他の電力源を通常含む。知られている装置は、ただし、これらに限定されないが、４００Ｖまたはそれより高い電圧で動作する電源バッテリ、１２０Ｖで最適に動作するエネルギーバッテリ、または内燃機関（ＩＣＥ：internal combustion engine）、永久磁石発電機（ＰＭＧ：permanent magnet generator）または燃料電池（ＦＣ：fuel cell）を含むことができる補助電源装置（ＡＰＵ：auxiliary power unit）を含む。電気自動車において使用するためのＡＰＵは、４００Ｖまたはさらにより高い電圧であることもあるそれ自体の独自の動作電圧を有する場合がある。たとえば、所望の動作条件では、ＩＣＥは、たとえば電源バッテリの電圧と、またはＥＶ中の高電圧装置の他の動作電圧と異なる電圧を出力する場合がある。または、ＰＭＧは、それ自体、システム内の他の装置と異なる動作電圧で動作する場合がある。さらに、ＥＶは、製造業者毎に、タイプ毎に変わる高電圧装置をしばしば含む。たとえば、ある製造業者は、４００Ｖを最適に出力するＩＣＥを組み立てる場合があり、一方、別の製造業者は、３８０Ｖを最適に出力するＩＣＥを組み立てることもある。したがって、構成要素およびサブシステムは、動作電圧が幅広く様々であるハイブリッドまたはＥＶ中に搭載させるように設計され得る。

ハイブリッドまたはＥＶの設計サイクルの間、最終的な設計中にサブシステムを結局は含めるかどうかをテストするために、様々な高電圧サブシステムをスワップアウト（swap out）することが可能であることがしばしば望ましい。すなわち、ＩＣＥ、ＰＭＧまたはＦＣを含むＡＰＵは、使用する最終的なユニット（複数可）を決める前に、他の装置とともに何回もテストし、スワップアウトすることができる。同様に、様々な高電圧の電源バッテリおよび比較的低電圧のエネルギーバッテリも、長期にわたる厳しい設計およびテストのステージの間、同様にテストすることがある。当技術分野で知られているように、ハイブリッド自動車またはＥＶの設計およびテストのステージの間（すなわち、実験ステージの間）、そのようなサブシステムを簡単にかつ迅速に、接続し切断することができるようにすることが望ましい。しばしば、主処理ユニットによってすべて制御される電気機械的な接触器を使用して、接続／切断の機能性が設けられる。

電気機械的な接触器は、負荷に対して電源を電気的にオンおよびオフするために、様々な環境下で使用される。接触器は、可動接点および固定接点を含む。可動接点は、電磁石と接続され、負荷に対して電源から電力を選択的にオンまたはオフするように制御される。接点は、通常、スプリングによって開位置に保持され、電磁石のコイルに電力が加えられたとき、閉位置に移動するようにさせられる。

高電圧動作のための接触器は、通常、必要な動作性能をもたらすために、特定の設計パラメータを含む。高電圧のエネルギー貯蔵装置が使用されているシステムでは、接触器が、安全対策のために、しばしば含まれる。安全対策の目的で、電圧または電流が偏位した場合、迅速にかつ安全にシャットダウンさせるために、電圧および電流をモニタすることがしばしば望ましい。したがって、初期の実験的なハイブリッドおよびＥＶ設計の際、安全性を確保するために、接触器を動作させ、かつ、それぞれの電圧装置に対して個別の電流および電圧をモニタするサポートハードウェアを設けることがしばしば必要である。それゆえ、接触器とサポートハードウェアの１つのセットが、電源バッテリの４００Ｖ動作に特有のハードウェアおよび制御設定を有する可能性があり、接触器とサポートハードウェアの別のセットが、エネルギーバッテリの１２０Ｖ動作に特有の制御設定を有する場合があり、さらに接触器の別のセットが、補助電源装置の電圧に特有のものとすることがある。それに続いて、構成要素をスワップアウトすることによって、継続して設計をテストすることが望ましいとき、４００Ｖの電源バッテリは、動作電圧が異なる別の電源バッテリと、または恐らく異なるエネルギー貯蔵装置タイプ（たとえば、ウルトラキャパシタなど）と全部交換する可能性がある。

テストされるそれぞれの装置が、独自の動作性能および／または動作電圧を有することができるので、構成要素が交換されるとき、接触器またはそれらの制御設定は、不適切であることが判明する場合があり、さらにまた電流および電圧をモニタするために、追加のハードウェアが、使用される可能性もある。したがって、ハードウェア構成要素をそれぞれ交換すると、接触器をスワップアウトする、電流および電圧のモニタリングの機能をスワップアウトする、かつ／または接触器を動作させるための制御パラメータを変更することが必要になる可能性がある。

ハイブリッドまたはＥＶのテストのセットアップを準備するとき、テストする具体的な装置をハードウェア接続し、フィードバックモニタリングする性能を含むことがしばしば必要になる。すなわち、それぞれの装置（貯蔵装置、ＡＰＵなど）は、通常、テストする装置に特有のそれ自体の接触器およびフィードバックシステムを含む。それゆえ、構成要素を再構成する、構成要素をスワップアウトする、または新しい構成要素を追加するとき、それぞれの構成要素に特有の必要な機能性をもたらすために、また、追加の接触器およびフィードバックモニタリングする性能も含められる。この機能性がそのように特有なものであるので、構成要素を変更するとき、かなりの量の追加作業が必要になる。すなわち、制御スキーム（全体の電流、電流の変化率、接触器電圧など）は、使用する構成要素のタイプに基づいて変更される可能性がある。ユニットをテストするための制御スキームは、通常、主制御ユニット中に実装されるので、構成要素を交換すると、ハードウェアとソフトウェアの制御スキームの両方についてコストがかかり時間がかかる変更を行う必要性が生じる場合もある。

実際、さらに一般的には、多数のエネルギー貯蔵装置および供給装置をその中に有する実験システムをテストするときにも、かかる問題にやはり遭遇する。すなわち、一般に、実験システムが、最適なシステム動作を決定するためにテストされているとき、そのようなシステムが、多数の異なるタイプのエネルギー貯蔵装置および供給システムを含む可能性があるとき、しばしば、実験ステージは、テストするサブシステムをモニタし、フィードバックを行うには、コストと時間を要するので、妨げられる。そのようなシステムには、ただし、これらに限定されないが、いくつかだけを挙げると、列車、航空機、船舶、風力システム、太陽光発電システムが含まれ得る。それゆえ、この問題は、ハイブリッド自動車またはＥＶに限定されないで、多数のエネルギー貯蔵装置を有し、それと関連するサブシステムを生成する複雑な実験システムを必要とする可能性がある、いずれものシステムを含む。

米国特許出願公開第２０１１／０２１８６９８号公報

したがって、選択的に絶縁される１つまたは複数の装置を有するシステム中で装置をスワップアウトするとき、ハードウェアスキームおよび制御スキームを変更する必要がなく、独立に制御可能である接触器を提供することは望ましい。

本発明は、電気エネルギーの貯蔵構成要素を絶縁することをできるようにするための、およびコンパクトな装置中でフィードバックを行うためのシステムおよび方法を提供する。

本発明の一態様により、接触器ユニットは、エネルギー出力装置の第１のリード線と接続可能な入力リード線と、電圧バスの第１のリード線と接続可能な出力リード線と、入力リード線を出力リード線と接続し、かつそれから切断する接触器と、接触器を動作させるように構成されたドライバと、接触器ユニットの外部にあるシステム制御器と接続可能なシリアルデータリンクと、接触器ユニット内に位置付けられた集積回路（ＩＣ）であって、ドライバに、入力リード線または出力リード線のうちのいずれかの中の電流および接触器の両端間の電圧差のうちの少なくとも１つに基づき、接触器を開く制御コマンドを出力し、シリアルデータリンクを介して接触器の制御ステータスを出力するように構成されている、集積回路（ＩＣ）とを含む。

本発明の別の態様により、絶縁接触器を動作させる方法は、エネルギー出力装置の第１のリード線に絶縁接触器の入力リード線を取り付け、電圧バスに絶縁接触器の出力リード線を取り付けるステップと、入力リード線および出力リード線のうちの１つを流れて通過する電流を測定するステップと、絶縁接触器の筺体内に位置付けられ、入力リード線および出力リード線と結合されるスイッチの両端間の電圧を測定するステップであって、そのスイッチは、出力リード線から入力リード線を切断するように構成されている、ステップと、測定される電流および測定される電圧を表す信号を絶縁接触器の筺体内に位置付けられる集積回路（ＩＣ）に伝えるステップと、ＩＣに伝えられる信号に基づきドライバを制御するステップであって、そのドライバは、スイッチを動作させるように構成されている、ステップと、シリアルリンクを介して筺体の外部にある計算装置にスイッチのステータスを出力するステップとを含む。

本発明のまた別の態様により、第１の電圧装置を第２の電圧装置から絶縁するためのシステムであって、そのシステムは、絶縁ユニットであって、その絶縁ユニットの外部にあり、かつ各々のエネルギー装置のリード線と接続可能である少なくとも第１および第２のリード線を有する、絶縁ユニットと、絶縁ユニットの筺体内に位置付けられたスイッチであって、第１および第２のリード線がスイッチによって選択的にエンゲージ可能であるように、第１および第２のリード線と結合されるスイッチと、筺体内に位置付けられ、スイッチをエンゲージし、ディスエンゲージするように構成されたドライブユニットと、筺体内に位置付けられた集積回路（ＩＣ）であって、ドライブユニットに、第１のリード線または第２のリード線のうちのいずれかの中の電流およびスイッチの両端間の電圧差のうちの少なくとも１つに基づき、スイッチを開く制御コマンドを出力し、シリアルデータリンクを介してシステム制御ステータスを出力するように構成されている、集積回路（ＩＣ）とを含む。

本発明の様々な他の特徴および利点は、次の詳細な記述および図面から明らかにされることになる。

図面に、本発明を実施するために現在考えられる好ましい実施形態を示す。

本発明の実施形態による、フィードバック制御を備えた二極絶縁接触器を示す図である。 本発明の実施形態による、それぞれがフィードバック制御を備えた２つの単極絶縁接触器を示す図である。 本発明の実施形態による、図２の単極接触器のうちの１つと同様である単極絶縁接触器を示し、さらにその内部の構成要素を示す図である。 本発明の実施形態による、図１に示すものと同様である二極絶縁接触器を示し、さらにその内部の構成要素を示す図である。 例示のシステムとして、本発明の実施形態から恩恵を受けることができる電気自動車を示す図である。

ここに述べる本発明の実施形態は、接触器の絶縁およびフィードバックの方法および装置に関する。コアユニットは、電圧供給部に特有の、内部に設けられる閾および他の動作パラメータに基づき、電圧供給部をその回路から絶縁する接触器を含む。コアユニットは、電力を受け取り、接触器および他の内部の構成要素を動作させ、そしてコアユニットは、信号インターフェーを介して主システム制御器に動作情報を出力する。

図１を参照すると、絶縁接触器１０は、入力リード線１２および出力リード線１４を含む。入力リード線１２は、エネルギー源２０の正リード線１６および負リード線１８と各々接続可能であり、出力リード線１４は、たとえばエネルギー貯蔵システムの電圧バスのリード線と接続可能である。エネルギー源２０は、ただし、これらに限定されないが、４００Ｖまたはそれより高い電圧で動作する電源バッテリ、１２０Ｖで最適に動作するエネルギーバッテリ、または内燃機関（ＩＣＥ）、永久磁石発電機（ＰＭＧ）または燃料電池（ＦＣ）を含むことができる補助電源装置（ＡＰＵ）を含むことができる。動作電圧または入力リード線間の電圧差は、実際、１０Ｖまたはそれより低い電圧から４００Ｖまたはそれより高い電圧までのいずれもの範囲内になる可能性がある。

また、絶縁接触器１０は、さらに議論するように、絶縁接触器１０中の１つまたは複数の接触器を動作させるための電力を送るために電源ライン２２を含む。また、絶縁接触器１０は、信号または絶縁接触器１０と双方向でデジタル通信するシリアルインターフェースライン２４を含む。すなわち、信号インターフェースライン２４は、また議論するように、接触器１０の動作に関するフィードバック情報を、絶縁接触器１０の外部にあるコンピュータまたは他の制御システムに提供し、さらにまたその動作に対する制御信号を送信するために使用することができる。しかし、また示すように、絶縁接触器１０は、コンパクトな装置であり、かつ、システムにどのような構成要素が設けられているかに関係なく、システムに機能性をもたらすために、閾値を用いてプログラムすることができる独立型のユニットとして作動する。すなわち、電流および電圧に関する動作の閾は、絶縁接触器１０中に事前にプログラムし、エネルギー源２０など、選択される装置に特有の所望の動作特性に特有のものとすることができる。さらに、閾は、一実施形態では、システム設計の動作柔軟性について柔軟性を付与するために、信号インターフェース２４を使用して再プログラムすることができる。

さらに、図１に、エネルギー源２０のリード線１６および１８の両方が絶縁接触器１０と結合され、述べるように、絶縁接触器１０は、正リード線１６などのリード線、負リード線１８などの他のリード線の１つと、またはリード線１６、１８両方と結合することができる。すなわち、本発明の一実施形態では、リード線１６、１８の一方、他方またはその両方を、信号インターフェースライン２４を介して、それぞれに、または両方にフィードバックして、絶縁し制御することができる。

ここで図２を参照すると、エネルギー源２０のリード線１６および１８を別々に絶縁制御することができる。すなわち、エネルギー源２０の別々のリード線１６、１８に対して別々に制御可能に絶縁しフィードバックするために、第１の絶縁接触器２６を正リード線１６と結合することができ、第２の絶縁接触器２８を負リード線１８と結合することができる。さらに、それぞれの絶縁接触器２６、２８は、それ自体の各々の電源ライン３０、３２を含むことができ、それぞれの絶縁接触器２６、２８は、それ自体の信号インターフェース３４、３６を含むことができる。それゆえ、１つの極または両方の極１６、１８を絶縁し制御することができるようにすることによって、両方の極１６、１８と結合される単一の装置１０を使用して（図１）、または別々の接触器２６、２８（図２）によって絶縁制御することによって、完全なシステム柔軟性をもたらすことができる。

図３に、本発明の実施形態による絶縁接触器の内部の構成要素を示す。絶縁接触器１００は、エネルギー源２０の正極１６などの単一の極と接続可能である。しかし、絶縁接触器１００は、そうではなく、さらにエネルギー源２０の負極１８とも同じように結合することができることを理解されたい。それゆえ、絶縁接触器１００は、図２に示す絶縁接触器２６、２８の１つを表す。絶縁接触器１００は、リード線１６とリード線１４の間で絶縁しフィードバックすることができるようにする、その中に含まれる構成要素を含む。構成要素は、電流シャント１０２、およびドライバ１０６によって起動される、または動作するスイッチまたは接触器１０４を含む。ドライバ１０６は、ドライバ制御ライン１１０を介して集積回路１０８と結合される。集積回路１０８は、一実施形態では、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。絶縁接触器１００は、当技術分野では通常知られているように、電圧などの入って来るアナログ信号をそれのデジタル表現に変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１１２を含む。コアユニットは、したがって、データを変換しデータを組み立てる集積回路であり、それは、一実施形態では、シングルビットのシグマデルタのビット流（single bit sigma-delta bit stream）を処理して、所有権がある、または標準のシリアルプロトコルにデータを組み立てて値を上流に送信するＡＳＩＣである。また、それは、データ処理機能を構成するためのコマンドを受け取り、接触器を作動させるための簡単なコマンドを含む。

絶縁接触器１００は、第１のリード線１１４を含み、それは、図に示すように、正リード線１６を介してエネルギー源２０などの高電圧装置と結合可能である。第１のリード線１１４は、電流シャント１０２を含み、それは、当技術分野で通常知られているように、リード線中の電流を、その中に既知の抵抗を含めることによって、測定することができるようにする。電流シャント１０２の抵抗が知られているので、電流シャント１０２の両側間での電圧低下を正確に測定することによって、良く知られるオームの法則、電圧（Ｖ）＝電流（Ｉ）×抵抗（Ｒ）を用いて電流を決定することができる。電流シャント１０２の両端間の電圧低下は、電圧を抽出しそれら電圧１２２をＡ／Ｄ変換器１１２に送るツイストペア線１２０を使用して、第１の電圧測定ポイント１１６と第２の電圧測定ポイント１１８の間で決定される。

また、接触器１０４の両端間の電圧差は、電圧Ｖ１ １２４および電圧Ｖ２ １２６を抽出し、またその電圧１２８をＡ／Ｄ変換器１１２に送ることによって、決定される。Ａ／Ｄ変換器１１２は、ツイストペア線１２０を介して、電流シャント１０２および接触器１０４に向けて入って来る電圧を受け取り、電流シャント１０２中の電流を決定し、そして１つまたは複数のデータストリームおよび制御インターフェースライン１３０を介して、電流および電圧情報をデジタル化信号として集積回路１０８に送る。集積回路１０８は、第１のリード線１１４中の電流に関する連続的な電流データを受け取り、また接触器１０４の両端間の電圧データを受け取る。述べたように、集積回路１０８は、少なくとも第１のリード線１１４中の電流に関連し、また絶縁接触器１０４の両端間の電圧低下に関連する閾情報を含む。すなわち、集積回路１０８は、第１のリード線１１４中の電流と、Ｖ１ポイント１１６とＶ２ポイント１１８の間の電圧低下との両方に対する所望の動作閾を用いてプログラムされ、そのような情報は、エネルギー装置のタイプに特定のものとすることができ、または製造業者に特有のものとすることができる、というのは、それは、エネルギー源２０に固有であるからである。

したがって、絶縁接触器１００は、コンパクトな装置であり、それは、接触器１０４によって絶縁する機能を兼ね備え、接触器１０４を制御し、さらに異なる検知ポイントで電流および電圧を検知する。高電圧のエネルギー貯蔵装置が使用されているシステムでは、接触器の動作さらにまたモニタされる電圧および電流によって、全体システムの安全動作を高めるための機会が与えられる。すなわち、絶縁接触器１００が、集積回路１０８など、別々にプログラム可能な装置を含むので、エネルギー源２０などの装置に特定の異なる閾および動作特性を事前にプログラムすることができる。それゆえ、エネルギー源２０が、より大きい全体システムの設計およびテストのフェーズの間、スワップアウトされるとき、絶縁接触器１００の機能性は、ハードウェアに対してコストと時間がかかる変更をする必要がなく、スワップアウトされる装置に特定の動作パラメータを単に変更することによって、簡単に安全に維持することができる。すなわち、高電圧を絶縁し、電圧をモニタする機能は、いずれものポイントでちょうど良いときに、電気システムに加えることができ、早期のスキームステージ中では完全に設計する必要がない。言い換えると、絶縁接触器１００によって、どんなエネルギーシステム２０を最終的な設計に含めるのかについての判断を延期する機会が与えられ、システム開発の設計ステージの間、テストし実験するための機会がもたらされ、後では変更する、または取り消すことが非常に困難な、エネルギーシステム２０に関する早期の判断の必要がなくなる。

電子構成要素の数は、比較的小さく、したがって、それは、構成要素すべてを絶縁接触器１００の単一の筺体内に含めることができることを意味する。すなわち、絶縁接触器１００は、小型でコンパクトに作ることができ、入力および出力リード線の数が限定される。たとえば、やはり図３を参照すると、絶縁接触器１００は、入力リード線１２、出力リード線１４、電力リード線１３２（ドライバ１０６、Ａ／Ｄ変換器１１２および集積回路１０８を動作させるために）、およびシリアルインターフェースリード線１３４を含むだけである。したがって、絶縁接触器１００は、まださらに設計し実験テストされている、またはそうされることになるシステム中に単に「投げ入れる」ことができ、さらにその上、実験フェーズの間、何のエネルギーシステム２０（またはシステムのタイプ）をテストするのかに関する判断を延期することができる。絶縁接触器１００は、図３に示すようなエネルギーシステムの単一の極と合わせて含めることができる、または２つの絶縁接触器２６、２８は、図２に示すようなエネルギーシステムの別の極１６、１８と合わせて含めることができる。

または、図１に示すように、単一の絶縁接触器は、エネルギー装置の２つの極を絶縁するために使用することができる。図４に、本発明の実施形態による絶縁接触器の内部の構成要素を示す。絶縁接触器１０は、図１に示すように、リード線１２と接続可能である、エネルギーシステム２０の正および負のリード線１６、１８を含む。出力リード線１４は、正リード線１６および負リード線１８に対応する正および負のリード線として、ＤＣバスと接続可能である。図３と大体同様に、図４の絶縁接触器１０は、電流シャント１０２、および集積回路１０８およびドライバ制御ライン１１０によって、およびドライバ１０６によって制御可能である接触器１０４を含む。しかし、この実施形態では、負リード線１８は、第２の接触器１３６、第２のドライバ１３８および第２の制御ライン１４０によって別々に制御される。この実施形態では、それぞれの接触器１０４、１３６が、別々に制御可能であるので、それぞれが、それ自体の制御パラメータおよび動作の閾を有することができ、エネルギーシステム２０のそれぞれのリード線１６、１８のための接触器をまた追加して制御することができるようになる。それゆえ、この実施形態では、電流サージまたは電圧スパイクがリード線１６中で起き、それらが迅速に検出可能である場合、エネルギーシステム２０は、接触器１０４、１３６のいずれか、または両方によって制御することができる。

図４に示す実施形態は、１つの電流シャント１０２を示す。しかし、本発明は、そのようには限定されず、また、電流シャント１０２を第２のリード線１４２上に含めることができる。また別の実施形態では、別の電流シャントをそれぞれのライン１１４および１４２上に含めることができる。それゆえ、本発明によれば、両方のリード線１６、１８は、２つの接触器１０４、１３６をその中に有する絶縁接触器１０などの単一ユニット内で制御することができる。または、両方のリード線１６、１８は、２つの別のユニット中で別々に制御可能とすることができ、それぞれが、図２に示すようなものなど、ただ１つの接触器をその中に有する。

動作の際、図１〜図４に示す実施形態は、システム開発の実験ステージの間、システムを絶縁し、制御器にフィードバックする。１つの実施例として、図４を参照すると、入力リード線１２は、エネルギー源２０の極１６および１８と接続され、出力リード線１４は、ＤＣバスの各々の正および負のリード線と接続される（図示せず）。電力が、電力リード線１３２を介して絶縁接触器１０に供給され、シリアルインターフェースリード線１３４は、システム制御器またはコンピュータ（図示せず）と接続される。Ａ／Ｄ変換器１１２は、ツイストペア線１２０を介して電圧差の測定データを受け取り、またそれぞれの接触器１０４、１３６から電圧情報（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４）を受け取る。Ａ／Ｄ変換器１１２は、受け取った電圧をデジタル信号に変換し、その信号を集積回路１０８に出力する。集積回路１０８は、電流および電圧をモニタし、それらと、絶縁接触器１０がそれと接続される装置（複数可）に、この場合エネルギー源２０に特有の確立された閾を比較する。各々の閾を超える電圧または電流の偏位が検出されたとき、集積回路１０８は、その次に、１つ、または両方の絶縁接触器１０４、１３６を開くコマンド信号を送り、またそのコマンド信号に対応する制御ステータスまたは信号を送る。そのように、絶縁接触器１０は、リード線をモニタし、その中の電圧と閾値を比較し、電圧と閾値の比較に基づきリード線の１つ、または両方の絶縁接触器を開き、そしてフィードバックとして、リード線のステータス（開いた、または閉じた状態）を表すデジタル信号を出力する。さらに、集積回路１０８は、本発明の実施形態では、接触器のステータスだけでなく、また電圧および／またはリード線中の電流も連続的にモニタするために、また測定される電圧を出力する。

ここに開示する絶縁接触器の実施形態は、電力を送るように構成された１つまたは複数の極またはリード線を電気的に絶縁し、フィードバックすることが望まれるいずれものシステム中で使用することができる。述べたように、１つのかかる用途は、ハイブリッド自動車または電気自動車などの高電圧装置中で使用される用途を含む。また、そのようなシステムは、ただし、これらに限定されないが、いくつか挙げると、列車、航空機、船舶、風力システム、太陽光発電システムを含むことができる。それゆえ、問題は、ハイブリッド自動車またはＥＶに限定されず、多数のエネルギー貯蔵装置を有し、それと関連するサブシステムを生成する複雑な実験システムが求められることがある、いずれものシステムを含む。すなわち、厳しい設計およびテストを被ることになる実験システムを設定するとき、ここに実施形態で開示するように、電流および電圧に対する制御閾を有することができる１つまたは複数の絶縁接触器を含むことは、望ましい場合がある。

本発明の実施形態を使用すると、高電圧を絶縁し、電圧をモニタし、そしてフィードバックする機能を、いずれものポイントでちょうど良いときに、電気的システムに加えることができ、早期のスキームステージで完全に考慮する必要がなくなる。すなわち、例として、設計を実証し、製造業者を認定し、または新しい装置をテストするために、様々な電圧供給ユニットがテストされることになるシステムを構築することができる。それゆえ、図５に示す次の例示図は、ハイブリッド自動車の様々なエネルギー貯蔵装置およびエネルギー源を充電するための４ポートのエネルギー管理システムに特有のものであるが、ここに開示する実施形態は、１つまたは複数の電気リード線をフィードバックし、かつ制御するために、設計およびテストのフェーズの間、動作の柔軟性が付与されることが望ましい、いずれものシステム中で使用することができると考えられる。

ここで図５を参照すると、本発明によれば、ハイブリッドまたは電気自動車２００は、モータ２０８を駆動するために、電源バッテリ２０２、１つまたは複数のエネルギーバッテリ２０４およびバッテリ２０２、２０４からのＤＣ電力を反転させるためのソースインバータ２０６を含む。モータ２０８は、ホイール２１４を駆動するために、ギヤユニット２１２を介して差動装置２１０と結合される。エネルギーバッテリ２０４は、例として、１２０Ｖで適切に動作する、従来のバッテリ、ウルトラキャパシタなど、比較的低い電圧の装置を含むことができ、それは、１つの例として、自動車２００が長距離走行するために、高エネルギー貯蔵性能を実現する。電源バッテリ２０２は、高パワー性能を実現するために、４００Ｖまたはそれより高い電圧で適切に動作する比較的高い電圧の装置を含むことができ、それは、別の例として、自動車２００を高パワーで加速させる。自動車２００は、バッテリ２０２、２０４を充電するために、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ：energy storage management system）２１６を含むことができる。ＥＳＭＳ２１６は、いくつかのバックブースト（buck-boost）変換器２１８を含むことができ、それは、電流が１つの方向に進んでいるとき、電圧をバック（buck）する、または低下させることができ、電流が別の方向に進んでいるとき、電圧をブースト（boost）する、または増加させることができる。すなわち、バックブースト変換器２１８は、システムの設計に依存する、充電される装置の所望の動作電圧と合致するように、入って来る充電電圧を調節するために、互いに連結して動作させることができる。それゆえ、１つの例として、貯蔵システム２０４の１つは、１２０Ｖで充電することができ、電源バッテリ２０２は、４００Ｖで充電することができる。それゆえ、充電または供給部２２０（ＡＣまたはＤＣ源）からの電圧を選択的にバックしブーストすることによって、エネルギーシステム２０４、２０２は、電流がバックブースト変換器２１８の１つまたは複数を流れて通過するように適切に導くことによって、充電することができる。

しかし、図５のハイブリッドまたは電気自動車２００などのシステムでは、自動車１０上に位置付けられ、かつ、エネルギー貯蔵システムを再充電し、さらにまた自動車が動作するための電力を供給することができるようにする補助電源装置（ＡＰＵ）２２２を開発することが、望ましい場合がある。この実施形態の自動車２００は、充電ポート２２４を通じて制御可能にエンゲージすることができるＡＰＵ２２２を含む。それゆえ、自動車２００は、ＥＳＭＳ２１６を介して電気モータ２６に補助電力を供給するＡＰＵを含むことができる。ＡＰＵ２２２は、例として、内燃機関（ＩＣＥ）、永久磁石発電機（ＰＭＧ）、燃料電池（ＦＣ）を含むことができる。すなわち、充電器２２０と連結して、ハイブリッドまたは電気自動車２００の開発の間、全体設計を最適化するために、１つ、または多数のタイプのＡＰＵをテストすることが、望ましい場合がある。それゆえ、実験ステージの間、多数のＡＰＵタイプは、スワップインおよびスワップアウトすることができる。それぞれのタイプのＡＰＵに特有のハードウェアのコストと時間がかかるスワップを避けるために、本発明によれば、ハイブリッドまたは電気自動車２００の外部にあることができる広範囲のシステム制御ユニット２２８に対して、絶縁し、さらにフィードバックすることができるようにする絶縁接触器２２６を含めることができる。

さらに、ポートＰ３ ２２４と並列に位置付けられるように、絶縁ユニット２２６を示しているが、ここに開示する実施形態による絶縁ユニットは、また、ハイブリッドまたは電気自動車２００の他のポート２３０のいずれか、またはすべて中に含めることができる。さらに、図５から分かるように、絶縁接触器２２６は、図１および図４に開示するものと同様に、ＡＰＵ２２２のそれぞれのリード線２３２を絶縁制御する機能を含み、リード線２３２の１つだけを、図３に開示するものなどの単一のライン絶縁を使用して、別々に絶縁することができる、または両方のリード線２３２を、図２に関して開示したように、それぞれのリード線上の単一のリード線絶縁システムを使用して、別々に絶縁することができると考えられる。

開示した方法および装置に対する技術的な寄与は、それが、電気エネルギー貯蔵システムのための絶縁およびフィードバックシステムをもたらすことである。

したがって、本発明の一実施形態によれば、接触器ユニットは、エネルギー出力装置の第１のリード線と接続可能な入力リード線と、電圧バスの第１のリード線と接続可能な出力リード線と、入力リード線を出力リード線と接続し、かつそれから切断する接触器と、接触器を動作させるように構成されたドライバと、接触器ユニットの外部にあるシステム制御器と接続可能なシリアルデータリンクと、接触器ユニット内に位置付けられた集積回路（ＩＣ）であって、ドライバに、入力リード線または出力リード線のうちのいずれかの中の電流および接触器の両端間の電圧差のうちの少なくとも１つに基づき、接触器を開く制御コマンドを出力し、シリアルデータリンクを介して接触器の制御ステータスを出力するように構成されている、集積回路（ＩＣ）とを含む。

本発明の別の態様によれば、絶縁接触器を動作させる方法は、エネルギー出力装置の第１のリード線に絶縁接触器の入力リード線を取り付け、電圧バスに絶縁接触器の出力リード線を取り付けるステップと、入力リード線および出力リード線のうちの１つを流れて通過する電流を測定するステップと、絶縁接触器の筺体内に位置付けられ、入力リード線および出力リード線と結合されるスイッチの両端間の電圧を測定するステップであって、そのスイッチは、出力リード線から入力リード線を切断するように構成されている、ステップと、測定される電流および測定される電圧を表す信号を絶縁接触器の筺体内に位置付けられる集積回路（ＩＣ）に伝えるステップと、ＩＣに伝えられる信号に基づき、ドライバを制御するステップであって、そのドライバは、スイッチを動作させるように構成されている、ステップと、シリアルリンクを介して筺体の外部にある計算装置にスイッチのステータスを出力するステップとを含む。

本発明のまた別の態様によれば、第１の電圧装置を第２の電圧装置から絶縁するためのシステムが提供され、そのシステムは、絶縁ユニットであって、その絶縁ユニットの外部にあり、かつ各々のエネルギー装置のリード線と接続可能である少なくとも第１および第２のリード線を有する、絶縁ユニットと、絶縁ユニットの筺体内に位置付けられたスイッチであって、第１および第２のリード線がスイッチによって選択的にエンゲージ可能であるであるように、第１および第２のリード線と結合されるスイッチと、筺体内に位置付けられ、スイッチをエンゲージし、ディスエンゲージするように構成されたドライブユニットと、筺体内に位置付けられた集積回路（ＩＣ）であって、ドライブユニットに、第１のリード線または第２のリード線のうちのいずれかの中の電流およびスイッチの両端間の電圧差のうちの少なくとも１つに基づき、スイッチを開く制御コマンドを出力し、シリアルデータリンクを介してシステム制御ステータスを出力するように構成されている、集積回路（ＩＣ）とを含む。

好ましい実施形態の観点から本発明を述べてきたが、均等形態、代替形態および修正形態が、明示的に述べたものに加えて可能であり、かつ添付の請求項の範囲内に含まれると認識される。

１０ 絶縁接触器
１２ 入力リード線
１４ 出力リード線
１６ 正リード線
１８ 負リード線
２０ エネルギー源
２２ 電源ライン
２４ シリアルインターフェースライン
２６ 第１の絶縁接触器
２８ 第２の絶縁接触器
３０ 電源ライン
３２ 電源ライン
３４ 信号インターフェース
３６ 信号インターフェース
１００ 絶縁接触器
１０２ 電流シャント
１０４ 接触器
１０６ ドライバ
１０８ 集積回路
１１０ ドライバ制御ライン
１１２ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
１１４ 第１のリード線
１１６ 第１の電圧測定ポイント
１１８ 第２の電圧測定ポイント
１２０ ツイストペア線
１２２ 電圧
１２４ 電圧Ｖ１
１２６ 電圧Ｖ２
１２８ 電圧
１３０ 制御インターフェースライン
１３２ 電力リード線
１３４ シリアルインターフェースリード線
１３６ 第２の接触器
１３８ 第２のドライバ
１４０ 第２の制御ライン
１４２ 第２のリード線
２００ ハイブリッドまたは電気自動車
２０２ 電源バッテリ
２０４ エネルギーバッテリ
２０６ ソースインバータ
２０８ モータ
２１０ 差動装置
２１２ ギヤユニット
２１４ ホイール
２１６ エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ：energy storage management system）
２１８ バックブースト（buck-boost）変換器
２２０ 充電または供給部
２２２ 補助電源装置（ＡＰＵ）
２２４ 充電ポート
２２６ 絶縁接触器
２２８ システム制御ユニット
２３０ 他のポート
２３２ リード線

Claims (15)

1. 接触器ユニットを含み、装置をフィードバックモニタリングする装置であって、
   エネルギー出力装置の第１のリード線と接続可能な第１の入力リード線と、
   電圧バスの第１のリード線と接続可能な第１の出力リード線と、
   前記第１の入力リード線を前記第１の出力リード線と接続し、かつ前記第１の出力リード線から切断する第１の接触器と、
   前記第１の接触器を動作させるように構成された第１のドライバと、
   前記接触器ユニットの外部にあるシステム制御器と接続可能なシリアルデータリンクと、
   前記エネルギー出力装置の第２のリード線と接続可能な第２の入力リード線と、
   前記電圧バスの第２のリード線と接続可能な第２の出力リード線と、
   前記第２の入力リード線を前記第２の出力リード線と接続し、かつ前記第２の出力リード線から切断する第２の接触器と、
   前記第２の接触器を動作させるように構成された第２のドライバと、
   前記接触器ユニット内に位置付けられた集積回路（ＩＣ）であって、
   前記第１のドライバに
   前記第１の入力リード線または前記第１の出力リード線のうちのいずれかの中の第１の電流、および
   前記第１の接触器の両端間の第１の電圧差
   のうちの少なくとも１つに基づき、前記シリアルデータリンクを介して再プログラムすることができる閾値に従って、前記第１の接触器を開く制御コマンドを出力し、
   前記シリアルデータリンクを介して第１の接触器制御ステータスを出力し、
   前記第２のドライバに、
   前記第２の入力リード線または前記第２の出力リード線のうちのいずれかの中の第２の電流、および
   前記第２の接触器の両端間の第２の電圧差
   のうちの少なくとも１つに基づき、前記第２の接触器を開く第２の制御コマンドを出力し、
   前記シリアルデータリンクを介して第２の接触器制御ステータスを出力する
   ように構成されている集積回路（ＩＣ）と
   を備える、装置。
2. 前記ＩＣは、
   前記第１の接触器の両端間で測定される、前記接触器ユニット内の電圧読取り値を受け取り、この電圧読取り値に基づき前記第１の電圧差を計算し、
   前記第１の電圧差と電圧閾値を比較し、
   前記第１の入力リード線または前記第１の出力リード線のうちのいずれかの中の電流読取り値を受け取り、
   前記電流読取り値と電流閾値を比較し、
   前記第１のドライバに、
   前記第１の電圧差と前記電圧閾の前記比較、および
   前記電流読取り値と前記電流閾値の前記比較
   のうちの少なくとも１つに基づき、前記制御コマンドを出力する
   ように構成されている、請求項１記載の装置。
3. 前記ＩＣは、前記接触器ユニットの動作変数をプログラムすることができるように、プログラム可能である特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり、前記動作変数は、前記電圧閾値および前記電流閾値を含む、請求項２記載の装置。
4. 前記接触器制御ステータスは、電圧値または電流値を含み、
   前記ＡＳＩＣは、前記接触器ユニットの外部にあるコンピュータから前記シリアルデータリンクを介してプログラム可能である、請求項３記載の装置。
5. 前記電流読取り値を作成するように位置付けられる電流シャントを含み、前記電流シャントは、前記電流シャントの一方側に対する第１の電圧測定ポイントと、前記電流シャントの他方側に対する第２の電圧測定ポイントを有し、前記電流読取り値は、前記第１の電圧測定ポイントおよび前記第２の電圧測定ポイントで測定される電圧に基づき、決定される、請求項２乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 第１の電圧タップポイントから、および第２の電圧タップポイントから電圧値を受け取るように構成されたアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を備え、前記第１の電圧タップポイントは、前記第１の接触器の一方側に対する電圧を測定するように位置付けられ、前記第２の電圧タップポイントは、前記第１の接触器の他方側に対する電圧を測定するように位置付けられ、前記ＩＣは、 前記第１の電圧測定ポイントおよび前記第２の電圧測定ポイントで測定される前記第１の電圧に基づき、前記電流読取り値を決定し、
   前記第１および第２の電圧タップポイントでの前記電圧測定値に基づき、前記第１の接触器の両端間の前記第１の電圧差を計算する
   ように構成されている、
   請求項５記載の装置。
7. 装置をフィードバックモニタリングし、絶縁接触器を動作させる方法であって、
   エネルギー出力装置の第１のリード線に前記絶縁接触器の第１の入力リード線を取り付け、電圧バスに前記絶縁接触器の第１の出力リード線を取り付けるステップと、
   前記エネルギー出力装置の第２のリード線に前記絶縁接触器の第２の入力リード線を取り付け、前記電圧バスに前記絶縁接触器の第２の出力リード線を取り付けるステップと、
   前記第１の入力リード線および前記第１の出力リード線のうちの１つを流れて通過する第１の電流を測定するステップと、
   前記第２の入力リード線および前記第２の出力リード線のうちの１つを流れて通過する第２の電流を測定するステップと、
   前記絶縁接触器の筺体内に位置付けられ、前記第１の入力リード線および前記第１の出力リード線と結合される第１のスイッチの両端間の第１の電圧を測定するステップであって、前記第１のスイッチは、前記第１の出力リード線から前記第１の入力リード線を切断するように構成されている、ステップと、
   前記絶縁接触器の筺体内に位置付けられ、前記第２の入力リード線および前記第２の出力リード線と結合される第２のスイッチの両端間の第２の電圧を測定するステップであって、前記第２のスイッチは、前記第２の出力リード線から前記第２の入力リード線を切断するように構成されている、ステップと、
   前記測定される第１の電流および前記測定される第１の電圧を表す第１の信号を前記絶縁接触器の前記筺体内に位置付けられる集積回路（ＩＣ）に伝えるステップと、
   前記測定される第２の電流および前記測定される第２の電圧を表す第２の信号を前記ＩＣに伝えるステップと、
   前記ＩＣに伝えられる前記第１の信号に基づき、シリアルデータリンクを介して再プログラムすることができる閾値に従って、第１のドライバを制御するステップであって、前記第１のドライバは、前記第１のスイッチを動作させるように構成されている、ステップと、
   前記ＩＣに伝えられる前記第２の信号に基づき、第２のドライバを制御するステップであって、前記第２のドライバは、前記第２のスイッチを動作させるように構成されている、ステップと、
   前記シリアルデータリンクを介して前記筺体の外部にある計算装置に前記第１のスイッチの第１のステータスを出力するステップと、
   前記シリアルデータリンクを介して前記計算装置に前記第２のスイッチの第２のステータスを出力するステップと
   を含む、方法。
8. 前記筺体内に位置付けられるアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を用いて、前記接触器ユニット内の前記第１の電流および前記第１の電圧を測定するステップと、
   前記Ａ／Ｄ変換器から前記伝えられる信号をデジタル信号として出力するステップと
   を含む、請求項７記載の方法。
9. 前記ＩＣ中で、前記第１の入力リード線および前記第１の出力リード線のうちの前記１つを流れて通過する前記第１の電流と電流閾値を比較するステップと、
   前記ＩＣ中で、前記第１のスイッチの両端間の前記第１の電圧と電圧差閾値を比較するステップと、
   前記第１の電流と前記電流閾値の前記比較に基づき、かつ前記第１のスイッチの両端間の前記第１の電圧と前記差閾値の前記比較に基づき、前記第１のドライバを制御するステップと
   を含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記第１の接触器制御ステータスは、電圧値または電流値を含み、
    前記集積回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり、前記方法は、前記絶縁接触器の動作変数をプログラムすることができるように、前記ＡＳＩＣをプログラムするステップをさらに含み、前記動作変数は、前記電圧差閾値および前記電流閾値を含む、請求項９記載の方法。
11. 前記シリアルデータリンクを介して前記ＡＳＩＣをプログラムするステップを含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記第１の電流を測定するステップは、前記第１の入力リード線および前記第１の出力リード線のうちの１つと直列である電流シャントの両端間の前記第１の電流を測定するステップを含む、請求項７乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 第１の電圧装置を第２の電圧装置から絶縁するためのシステムであって、
    絶縁ユニットであって、各々のエネルギー装置のリード線と接続可能である少なくとも第１および第２のリード線を有する、絶縁ユニットと、
    前記絶縁ユニットの筺体内に位置付けられたスイッチであって、前記第１および第２のリード線が、前記スイッチによって選択的にエンゲージ可能であるように、前記第１および第２のリード線と結合される、スイッチと、
    前記筺体内に位置付けられ、前記スイッチをエンゲージし、ディスエンゲージするように構成されたドライブユニットと、
    前記筺体内に位置付けられ、装置をフィードバックモニタリングする集積回路（ＩＣ）であって、
    前記ドライブユニットに
    前記第１のリード線または前記第２のリード線のうちのいずれかの中の電流、および
    前記スイッチの両端間の電圧差
    のうちの少なくとも１つに基づき、シリアルデータリンクを介して再プログラムすることができる閾値に従って、前記スイッチを開く制御コマンドを出力し、
    前記シリアルデータリンクを介してシステム制御ステータスを出力する
    ように構成されている集積回路（ＩＣ）と
    を備え、
    前記絶縁ユニットの外部にあり、各々のエネルギー装置のリード線と接続可能である第３および第４のリード線と、
    前記絶縁ユニットの前記筺体内に位置付けられ、前記各々のエネルギー装置の前記第３のおよび第４のリード線と結合される第２のスイッチと、
    前記筺体内に位置付けられ、前記第２のスイッチをエンゲージし、ディスエンゲージするように構成された第２のドライブユニットとを含み、
    前記ＩＣは、
    前記第２のドライブユニットに
    前記第３または第４のリード線のうちのいずれかの中の第２の電流、および
    前記第２のスイッチの両端間の第２の電圧差
    のうちの少なくとも１つに基づき、前記第２のスイッチを開く第２の制御コマンドを出力し、
    前記シリアルデータリンクを介して第２のシステム制御ステータスを出力する
    ようにさらに構成されている、システム。
14. 前記ＩＣは、
    前記第１および第２のリード線で測定される、前記接触器ユニット内の電圧読取り値を受け取り、この電圧読取り値に基づき前記電圧差を計算し、
    前記電圧差と電圧閾値を比較し、
    前記第１のリード線または前記第２のリード線のうちのいずれかから電流読取り値を受け取り、
    前記電流読取り値と電流閾値を比較し、
    前記ドライバに、
    前記電圧差と前記電圧閾値の前記比較、および
    前記電流読取り値と前記電流閾値の前記比較
    のうちの少なくとも１つに基づき、前記制御コマンドを出力する
    ように構成され、
    前記ＩＣは、前記絶縁ユニットの動作変数をプログラムすることができるように、プログラム可能である特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり、前記動作変数は、前記電圧閾値および前記電流閾値を含み、
    前記ＡＳＩＣは、前記絶縁ユニットの外部にあるコンピュータから前記シリアルデータリンクを介してプログラム可能である、請求項１３記載のシステム。
15. 前記電流読取り値を作成するように位置付けられ、前記第１のリード線または前記第２のリード線のうちの１つと結合される電流シャントを含み、前記電流シャントは、前記電流シャントの一方側に対する第１の電圧測定ポイントと、前記電流シャントの他方側に対する第２の電圧測定ポイントとを有し、前記電流読取り値は、前記第１の電圧測定ポイントおよび前記第２の電圧測定ポイントで測定される電圧に基づき、決定され、
    前記筺体内に位置付けられたアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器であって、第１の電圧タップポイントから、および第２の電圧タップポイントから電圧値を受け取るように構成されたアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を備え、前記第１の電圧タップポイントは、前記スイッチの一方側に対する電圧を測定するように位置付けられ、前記第２の電圧タップポイントは、前記スイッチの他方側に対する電圧を測定するように位置付けられ、前記ＩＣは、
    前記第１の電圧測定ポイントおよび前記第２の電圧測定ポイントで測定される前記電圧に基づき、前記電流読取り値を決定し、
    前記第１および第２の電圧タップポイントでの前記電圧測定値に基づき、前記スイッチの両端間の前記電圧差を計算する
    ように構成されている、
    請求項１４記載のシステム。