JP6655146B2 - バッテリシステムを充電するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリシステムを充電するための方法および装置に関する。

車両のバッテリシステムの充電システムは、誘導型および／または導電型コネクタを用いて車両のバッテリシステムをバッテリシステム充電のためのインフラストラクチャの主電源接続ポイントまたは他の電源に接続する。誘導型コネクタは、充電プロセスにおけるエネルギーの電磁伝送のために送電コイルおよび受電コイルを使用する。導電型コネクタは、充電プロセスにおけるエネルギーの伝送のために有線接続、すなわちケーブルを使用する。バッテリシステムは、充電システムにより充電される二次バッテリセル、すなわち蓄電池を含む。

ある車両の充電が誘導型および導電型充電システムによって提供される場合、その車両にはバッテリシステムとの２種類の電気接続が提供される。１つ目は、誘導型充電システムの送電コイルが整流器およびフィルタを介してバッテリシステムに接続される。２つ目は、ケーブルのためのソケットが別の整流器、力率改善素子、およびＤＣ（直流）電圧コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介してバッテリシステムに接続される。

現在の誘導型充電システムは、整流、ＰＦＣ（Power factor correction）、および平滑化により５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの主電源電圧からＤＣ電圧を生成する。ＤＣ電圧は、ＤＣ電流中間回路で生成される。ＤＣ電圧は、送電コイル（一次コイル）に供給するための高周波数インバータに供給される。受電コイル（二次コイル）の出力における高周波数ＡＣ（交流）電圧は車両内で整流され、平滑化される。単相モードと多相モードの両方で供給される誘導型充電システムでは、インフラストラクチャの中にＰＦＣおよび平滑化のための追加のコンポーネントが必要であり、これは、これらがないと二次コイル内で誘導される電圧が脈流（パルス）となるからである。これらのコンポーネントによって、複雑さおよびコストが増す。

（特許文献１）、（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）、および（特許文献５）は、ＤＣ電圧が整流および力率改善、すなわちＰＦＣによって主電源電圧から生成される、車両バッテリを充電するための誘導型充電システムを開示している。

仏国特許出願公開第０２９８１５２１ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１３２０７６０１ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１４２６５６１５ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１４３４００２７ Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１５３１１７２３ Ａ１号明細書

本発明は、それに関して、バッテリシステムを充電するための改善された方法および改善された装置を提供するという課題に関する。

装置に関して、この課題は、車両側において、車両のバッテリシステムを充電するための装置により解決され、このバッテリシステムは充電ユニットにより充電でき、充電ユニットは車両内に配置され、充電ユニットは入力および出力を有し、出力はバッテリシステムを充電するためにバッテリシステムに導電的（電気的）に接続でき、バッテリシステムを充電するためのＡＣ電圧を伝送する釈放可能（解放可能）な導電型コネクタ用の接続ポイントが車両内に配置され、受電コイルが車両内に配置され、受電コイルの中でバッテリシステムを充電するための電圧を誘導でき、充電ユニットの入力はバッテリシステムを充電するために、接続ポイントまたは受電コイルに導電的（電気的）に接続される。その結果、バッテリシステムを有する車両には何れにしても存在する充電ユニットは、誘導型充電に関しても利用できる。誘導型充電のための並列充電回路は不要となる。

好ましくは、整流器が受電コイルと入力との間に配置され、この整流器は誘導電圧をＤＣ電圧に変換するように構成される。ワイヤ式充電のための充電ユニットは、電源供給網のＡＣ電圧に直接接続されてもよい。このＡＣ電圧は、充電ユニットの中で整流される。誘導電圧が電圧および／または周波数の点でＡＣ電圧と異なる場合、整流器は誘導電圧をそれが充電ユニットにより伝送できるように変換する。

好ましくは、充電ユニットはＤＣ電圧およびＡＣ電圧のための共通の整流回路を有する。整流回路はＡＣ電圧とＤＣ電圧の両方を伝送する。整流器は、ＡＣ主電源供給網でのワイヤ式充電には何れにしても必要である。受電コイルを介した誘導型充電が、誘導ＡＣ電圧をワイヤ式充電において使用されるＡＣ電圧のように使用できる大きさである場合、同じ整流器を使用してもよい。その結果、誘導電圧は、受電コイルと入力との間に整流器がなくても使用してよい。

好ましくは、充電ユニットはＤＣ電圧およびＡＣ電圧を伝送するための共通の力率改善回路を有する。好ましくは、充電ユニットは、ＤＣ電圧およびＡＣ電圧を伝送するための共通の平滑回路を有する。これによって車両内のコンポーネント数が減る。

好ましくは、切換え装置が入力に配置され、この切換え装置は、入力を選択的に受電コイルまたは接続ポイントに導電的に接続するように構成される。これによって、充電プロセスを切断できる。

装置に関して、インフラストラクチャ側で、バッテリシステムを誘導式に充電するための装置が追加的に提供され、この装置において、第一のＡＣ電圧のための主電源接続ポイントがバッテリシステムを充電するために第二のＡＣ電圧を生成するインバータに導電的に接続され、インバータはバッテリシステムを充電するために送電コイルに導電的に接続され、第二のＡＣ電圧は、電磁界を励起するために、力率改善および平滑化を行わずに送電コイルにより生成できる。インフラストラクチャ側に追加のコンポーネントは不要となり、これは、車両内の両方のタイプの充電のための共通の充電ユニットは、インフラストラクチャ内に存在しないコンポーネントの仕事を行わないからである。

好ましくは、主電源接続ポイントは整流器を介してインバータに導電的に接続され、整流器は第一のＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するように構成され、インバータはＤＣ電圧で動作できる。整流およびその後の反転により、送電コイルにエネルギーを供給するためのあらゆる所望の周波数、位相、または振幅のＡＣ電圧を生成することが可能となる。

好ましくは、インバータは第一のＡＣ電圧を第二のＡＣ電圧に直接変換するように構成されたダイレクトインバータである。ダイレクトインバータは整流器を持たない。このようにして、ＤＣ障害電流が回避される。

インフラストラクチャ内に提供されていないコンポーネントの仕事はこの場合、車両側の充電ユニットにおいて実行される。これによって、インフラストラクチャの複雑さが軽減する。

方法に関して、この課題は、車両側およびインフラストラクチャ側の、相互に調整された対応する充電方法により解決される。

本発明のその他の特徴および利点は、従属請求項から、説明から、および図面から明らかとなる。

充電システムの一部を概略的に示す。

図１は、インフラストラクチャ部１０２および車両部１０４を有する充電システム１００の一部を概略的に示す。

インフラストラクチャ部１０２は車両の外側に配置され、第一の供給回路１０６および第二の供給回路１０８を含む。

第一の供給回路１０６は第一の主電源接続ポイント１１０を含み、これは第一の回路１１２および第二の回路１１４を介して送電コイル１１６に導電的に接続できる。第一の主電源接続ポイント１１０、第一の回路１１２、第二の回路１１４、および送電コイル１１６は、例えば第一の導電ケーブル１１８を介して接続される。

第一の主電源接続ポイント１１０は、例えば第一のＡＣ電圧Ｕ１を送達する。第一のＡＣ電圧Ｕ１は例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで公称１１０Ｖ、２３０Ｖまたは２４０Ｖの単相ＡＣ電圧である。第一の主電源接続ポイント１１０はまた、多相、特に３相回転電流も送達してよい。以下では、送電のための整流器、インバータ、力率改善回路、平滑回路、およびコイル等のコンポーネントについて、単相ＡＣ電圧に基づく例に関して説明する。多相送電は、多相ＡＣ電圧のためのコンポーネントで相応に実行される。そのために、多相整流器、多相インバータ、多相力率改善回路、多相平滑回路、および多相コイルが使用される。

第一の回路１１２は整流回路を含む。例えば、単相ＡＣ電圧のためにブリッジ整流器が使用される。第一の回路１１２は、第一のＡＣ電圧Ｕ１を第一のＤＣ電圧Ｕ２に変換する。

第二の回路１１４は、例えば第一のインバータを含む。第一のインバータは、第一の整流回路からの第一のＤＣ電圧Ｕ２を第二のＡＣ電圧Ｕ３に変換するように構成される。

送電コイル１１６は、第二のＡＣ電圧Ｕ３に応じて交流電磁界を誘導するように構成される。

第一の供給回路１０６は、好ましくは力率改善回路を用いずに、送電コイル１１６を第一の主電源接続ポイント１１０に接続する。第一の供給回路１０６は、好ましくは平滑回路を用いずに、特に平滑コンデンサを用いずに、送電コイル１１６を第一の主電源接続ポイント１１０に接続する。好ましくは、供給網へのフィードバックを回避するために、主電源フィルタが提供される。

第二の供給回路１０８は第二の主電源接続ポイント１２０を含み、これは第二の導電ケーブル１２２を介してソケットに、または、図１に示されるようにプラグ１２４に接続できる。

送電コイル１１６は、例えば自動車におけるバッテリシステム１４２を誘導式に充電するための一次コイルを構成する。一次コイルに対応するような大きさとされた二次コイルは、車両部１０４の中、すなわち車両の中に受電コイル１３０として配置される。

プラグ１２４は、車両部１０４に配置されたソケット１３２に釈放可能（解放可能なよう）に接続できる。ソケット１３２またはプラグは、バッテリシステム１４２を充電するための接続ポイントを構成する。

受電コイル１３０は第三の回路１３４を介して任意選択による切換え素子１３６の第一の入力１３６Ａに接続される。ソケット１３２は、任意選択による切換え素子１３６の第二の入力に接続される。任意選択による切換え素子１３６は、第一の入力または第二の入力１３６Ｂの何れかを出力１３６Ｃに導電的に接続するように構成される。その結果、ソケット１３２または受電コイル１３０の何れも、出力１３６Ｃに接続できる。切換え素子１３６がない場合、これらのコンポーネントの永久的な相互の導電型接続が提供されてもよい。

出力１３６Ｃは、車両部１０４内のバッテリシステム１４２に第四の回路１３８および第五の回路１４０を介して導電的に、少なくとも一時的に接続できるように配置される。

第四の回路１３８および第五の回路１４０は、車両の中で、ワイヤ式充電のための充電ユニット１４４により形成され、この充電ユニットは電気ドライブを有する車両の中に何れにしても提供されなければならない。充電ユニット１４４の入力１３８Ａは例えば、バッテリシステム１４２を充電するために、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで公称１１０Ｖ、２３０Ｖ、または２４０Ｖの第三のＡＣ電圧Ｕ４に充電ケーブルを介して適合される。充電中、第三のＡＣ電圧Ｕ４は充電ケーブルによって第二の主電源接続ポイント１２０から充電ユニット１４４の入力１３８Ａに提供される。第四の回路１３８は好ましくは、入力１３８Ａおよび第二の整流回路を含み、これは第三のＡＣ電圧Ｕ４を第二のＤＣ電圧Ｕ５に変換する。そのために、例えばブリッジ回路が使用される。第四の回路１３８は好ましくは、力率改善回路を含み、これは整流の前に第三のＡＣ電圧Ｕ４の力率を向上させる。第四の回路１３８は好ましくは、整流の下流に配置された平滑回路を含む。

第五の回路１４０はＤＣ電圧コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を含み、これは充電ユニット１４４の出力１４０Ａにおいて第二のＤＣ電圧Ｕ５を第三のＤＣ電圧Ｕ６に変換するように構成される。第三のＤＣ電圧Ｕ６は、バッテリシステム１４２をそれによって充電できるように調整される。

受電コイル１３０および送電コイル１１６は、バッテリシステム１４２の誘導型充電中に、受電コイル１３０の中に第四のＡＣ電圧Ｕ７を誘導するように相互作用する。

第三の回路１３４は好ましくは、第四のＡＣ電圧Ｕ７を第四のＤＣ電圧Ｕ８に変換するための、整流器として構成される第三の整流回路を含む。

受電コイル１３０および第三の回路１３４は、第四のＤＣ電圧Ｕ８が第四の回路１３８の入力に印加できるような大きさとされる。これは例えば、第四の回路１３８内の第二の整流回路が入力側に印加される第四のＤＣ電圧Ｕ８を第二のＤＣ電圧Ｕ５に変換するように構成されることを意味する。特に好ましくは、ブリッジ回路が整流回路として使用される。ダイオードを有するブリッジ回路において、少なくとも１つの送電経路内のすべてのダイオードが順方向にバイアスされている場合、ＤＣ電圧は何れにしても伝送される。その結果、第四のＤＣ電圧Ｕ８は、実質的に変化されずに整流回路を通過できる。これは、第二のＤＣ電圧Ｕ５および第四のＤＣ電圧Ｕ８がこの場合、実質的に同じであることを意味する。

しかしながら、第二のＤＣ電圧Ｕ５は、受電コイル１３０が励起される周波数により、励起周波数の２倍で整流された後、脈流となる。したがって、好ましくは、第二のＤＣ電圧Ｕ５は平滑化される。この目的に必要な平滑回路はすでに、第四の回路１３８の例においては、ソケット１３２により提供される５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの主電源電圧をその整流後に平滑化するために充電ユニット１４４内に提供されている。それゆえ、受電コイル１３０が受け取るＡＣ電圧を平滑化する仕事は、車両において、何れにしても存在する充電ユニット１４４によって行われる。

図１は、車両部１０４内のバッテリシステム１４２を充電するための回路を示している。例えばバッテリシステムを放電するために使用されるその他のコンポーネントも同様に存在していてよい。導電型コネクタ１４８は、車両内の上記のコンポーネントを接続する。

第一の供給回路１０６および第二の供給回路１０８は、場所の点で相互に隣り合わせに配置されていても、場所の点で相互に離れて配置されていてもよい。第一の供給回路１０６および第二の供給回路１０８の部品は、同じ筐体内に配置されてもよい。

充電ユニット１４４を使用することにより、通常では必要な第一の供給回路１０６のＤＣ中間回路は不要となる。ここでは、誘導型充電システムのインフラストラクチャ側部分の電源部において整流器、力率改善および平滑化は、誘導電圧の脈流を回避するために必要であろう。整流器がなければ、ＤＣ障害電流も発生し得ない。

好ましくは、第一の供給回路１０６を作動させるためのコントローラが提供される。好ましくは、コントローラに供給するための電源供給ユニットは、故障時にＤＣ障害電流が発生し得ないように設計される。これは、例えば電源供給ユニットからのコントローラのための単相供給により、および第一の供給回路１０６の二重絶縁により実現される。この場合、第一の供給回路１０６におけるＤＣ障害電流の認識が不要となり得る。

例えば、第一のインバータは整流された主電源電圧で動作する。その代替案として、第一のインバータは、主電源電圧で動作可能なダイレクトインバータであってもよい。第一のインバータは第一の主電源接続ポイント１１０に接続される。この場合の主電源電圧は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで公称１１０Ｖ、２３０Ｖ、または２４０ＶのＡＣ電圧を意味する。

好ましくは、第一のインバータの必要な力率は、第一のインバータの振幅が主電源電圧または整流後の主電源電圧の瞬間の数値に従うという点に適合する。送電コイル１１６のエネルギーの入力が任意選択の整流によって主電源の周波数の２倍の脈流である場合、これは第一の供給回路１０６にとって重要ではない。整流、力率改善、および平滑化の代わりに、好ましくは、第一の供給回路１０６、すなわち主電源側に、高周波数高調波を抑制するための主電源フィルタだけが提供される。

充電のために、インフラストラクチャ側で、車両における充電方法と調整された送電コイル１１６を励起させる方法が適用される。この場合、充電ユニット１４４の入力１３８Ａは、充電のために接続ポイント１３２および／または受電コイル１３０に導電的に接続される。送電コイル１１６は好ましくは、力率改善を行わずに、および平滑化を行わずに励起される。

１０４ 装置
１２２、１２４ 導電型コネクタ
１３０ 受電コイル
１３２ 接続ポイント（ソケット）
１３８Ａ 充電ユニットの入力
１４０Ａ 充電ユニットの出力
１４２ バッテリシステム
１４４ 充電ユニット
Ｕ４ ＡＣ電圧
Ｕ７ 電圧

Claims (5)

1. 車両のバッテリシステム（１４２）を充電するための装置（１０４）において、前記バッテリシステム（１４２）は、充電ユニット（１４４）により充電でき、前記充電ユニット（１４４）は、前記車両内に配置され、入力（１３８Ａ）および出力（１４０Ａ）を有し、前記出力（１４０Ａ）は、前記バッテリシステム（１４２）を充電するために前記バッテリシステム（１４２）に電気的に接続でき、前記バッテリシステム（１４２）を充電するＡＣ電圧（Ｕ４）を伝送する解放可能な導電型コネクタ（１２２、１２４、１３２）用接続ポイント（１３２）が前記車両内に配置され、受電コイル（１３０）が前記車両内に配置され、受電コイルの中で前記バッテリシステム（１４２）を充電する電圧（Ｕ７）を誘導でき、前記充電ユニット（１４４）の前記入力（１３８Ａ）は前記バッテリシステム（１４２）を充電するために、前記接続ポイント（１３２）および／または前記受電コイル（１３０）に電気的に接続でき、
   整流器（１３４）が前記受電コイル（１３０）と前記入力（１３８Ａ）との間に配置され、前記整流器（１３４）は誘導電圧（Ｕ７）をＤＣ電圧（Ｕ８）に変換するように構成され、
   前記充電ユニット（１４４）は前記ＤＣ電圧（Ｕ８）および前記ＡＣ電圧（Ｕ４）のための共通の整流回路（１３８）を有する
   ことを特徴とする装置（１０４）。
2. 前記充電ユニット（１４４）は前記ＤＣ電圧（Ｕ８）および前記ＡＣ電圧（Ｕ４）を伝送するための共通の力率改善回路を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置（１０４）。
3. 前記充電ユニット（１４４）は、前記ＤＣ電圧（Ｕ８）および前記ＡＣ電圧（Ｕ４）を伝送するための共通の平滑回路を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置（１０４）。
4. 切換え装置（１３６）が前記入力（１３８Ａ）に配置され、この切換え装置は、前記入力（１３８Ａ）を選択的に前記受電コイル（１３０）または前記接続ポイント（１３２）に電気的に接続するように構成されることを特徴とする、請求項１〜３に記載の装置（１０４）。
5. 車両のバッテリシステム（１４２）を充電する方法において、前記バッテリシステム（１４２）は充電ユニット（１４４）により充電され、前記充電ユニット（１４４）は前記車両内に配置され、入力（１３８Ａ）および出力（１４０Ａ）を有し、前記出力（１４０Ａ）は前記バッテリシステム（１４２）を充電するために前記バッテリシステム（１４２）に電気的に接続され、前記バッテリシステム（１４２）を充電するためのＡＣ電圧（Ｕ４）を伝送する解放可能な導電型コネクタ（１２２、１２４、１３２）用接続ポイント（１３２）が前記車両内に配置され、受電コイル（１３０）が前記車両内に配置され、受電コイルの中で前記バッテリシステム（１４２）を充電するための電圧（Ｕ７）を誘導でき、前記充電ユニット（１４４）の前記入力（１３８Ａ）は前記バッテリシステム（１４２）を充電するために、前記接続ポイント（１３２）および／または前記受電コイル（１３０）に電気的に接続され、
   整流器（１３４）が前記受電コイル（１３０）と前記入力（１３８Ａ）との間に配置され、前記整流器（１３４）は誘導電圧（Ｕ７）をＤＣ電圧（Ｕ８）に変換するように構成され、
   前記充電ユニット（１４４）は前記ＤＣ電圧（Ｕ８）および前記ＡＣ電圧（Ｕ４）のための共通の整流回路（１３８）を有する
   ことを特徴とする方法。

Images