JP6823090B2 - トラクションバッテリ充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のトラクションバッテリを充電するためのトラクションバッテリ充電装置に関する。

自動車のトラクションバッテリを充電するための充電装置は、複数の構成要素からなり、特に、自動車のトラクションバッテリへの充電接続を確立するための充電プラグを有する実際の充電ステーションと、電気グリッドから提供される中電圧を電気的に処理して、そこから所要の充電電圧を生成するための手段とからなる。いわゆる充電パークでは、１つの処理ユニットによって複数の充電ステーションに電力が適宜供給される。充電装置または充電パークの構成要素間の通信は、デジタル通信ラインを介して行われる。しかし、デジタル通信ラインは、原理的に、特に充電装置の構成要素が互いに空間的に離れているときには障害や遅延などに対して不感受性ではない。充電装置での充電ラインに流れる高電流により、一般に、過熱および／または火災の危険性が比較的高い。したがって、充電装置全体のどの構成要素で障害が生じた場合にも、充電装置の構成要素が全て即座に遮断されることを保証すべきである。

本発明の目的は、信頼性の高い即時遮断システムを有するトラクションバッテリ充電装置を提供することである。

上記の目的は、本発明によれば、請求項１の特徴を有するトラクションバッテリ充電装置によって実現される。

本発明によるトラクションバッテリ充電装置は、自動車のトラクションバッテリへの充電接続を確立するための充電プラグ／ソケットを有する充電ステーションを有する。自動車は、相補的な充電プラグを有し、この相補的な充電プラグは、充電ステーションの充電プラグに対応し、自動車のトラクションバッテリを充電するために充電ステーションの充電プラグとプラグ接続され、このようにして充電接続が確立される。

充電装置は、充電ステーションに充電電流を供給する電気処理システムおよび給電システムを有すると共に、必要なときに充電電流を遮断する充電電流制御手段を有する。

充電装置は、さらに電気的安全ループを有し、この電気的安全ループは、ループ電流源と、少なくとも１つの作動可能なループ破断接点と、少なくとも１つのループ電流センサとを有する。したがって、安全ループは、ループ電流源を含む閉回路を有する。ループ電流源は、ループライン内で所定の時間プロファイルを有するループ電流、例えば２５ｍＡおよび／または１５ｍＡの一定のループ電流または一定でないループ電流を送達する。

ループ破断接点は、関連の電気的、電子的、または機械的作動要素によってトリガされ、関連の作動要素が所定の障害を確認するとすぐに開かれる。作動要素は、例えば温度センサでよく、温度センサは、限界温度の超過を確認し、限界温度を超過した場合に関連のループ破断接点を開く。作動要素は、電子モジュール、チルトセンサ、ドア開放接点、水位センサなどでもよい。ループラインの途中に複数のループ破断接点が設けられていることが特に好ましく、これらのループ破断接点は、安全ループまたはループライン内で電気的に直列に配置され、これらのループ破断接点に、必要に応じて作動要素が関連付けられている。

ループ電流センサは、例えばループライン内で直列に接続された測定抵抗器での電圧タップによって、電気的安全ループまたはループラインを流れる電流を継続的に検出する。ループ電流センサは、充電電流制御手段に略式にまたは電気的に接続されている。ループ電流センサが目標流れ強度でのループ電流を検出しなくなるとすぐに、充電電流制御手段によって充電電流が遮断され、それにより、非遮断状態に関連する危険が防止される。

ループ電流源は、好ましくは、設備制御装置に略式にまたは電気的に関連付けられている。この設備制御装置は、それが使用できる情報に基づいて充電電流の遮断を許可する前に、ループ電流源を起動する。

好ましくは、安全ループまたは安全ラインは、充電装置の電気システムおよびエレクトロニクスシステムの残りの部分からＤＣ絶縁され、このようにしてグランドループをなくす。

好ましい改良形態によれば、充電ステーションとは別個に形成され、充電電流ラインによって充電ステーションに接続された給電ユニットが設けられている。安全ループは、給電ユニットと充電ステーションとの両方を通って延びる。給電ユニットと充電ステーションとはどちらも、それぞれ、少なくとも１つのループ電流センサと、ループ電流センサに関連するそれぞれの充電電流制御手段とを有する。

充電ステーションは、給電ユニットから離して配置することができ、給電ユニットの騒音放射を、それらがあまり妨害を引き起こさない場所に局所的に移動させることができるように配置される。充電ステーションは、例えば、給電ユニットから最大で１００ｍまたはそれ以上離して位置決めすることができる。複数の充電ステーションを給電ユニットに接続することができる。

好ましくは、給電ユニットの充電電流制御手段がパワーエレクトロニクスシステムとして設計され、このパワーエレクトロニクスシステムが、所要の充電電圧で充電電流を生成する。充電ステーションは、好ましくは、熱交換器冷却ユニットを使用して冷却すべきパワーエレクトロニクスシステムを有さず、その結果、充電ステーションを非常にコンパクトに設計することができる。比較的大きい音を出す冷却システムが省略されるので、それに伴う充電ステーションでの騒音放射もなくされる。したがって、充電ステーションは、法的規制をわずかしか受けず、利便性が高い。

好ましい改良形態によれば、充電ステーションと給電ユニットとはどちらも、それぞれ、少なくとも１つのループ破断接点を有する。このようにして、充電ステーションと給電ユニットとの距離が比較的大きい場合でさえ、充電装置のどの位置で障害が生じても迅速に充電電圧の遮断を行うことができる。

好ましい改良形態によれば、ループ電流源は、正の交番信号を生成するように設計されている。この交番信号は、例えば、極性は変化しないが、例えばヘルツ単位で１桁の範囲内の周波数で２つの電流プラトーを交互に交番する低周波交番信号を意味する。例として、交番信号は、５Ｈｚの周波数で２５ｍＡと１５ｍＡとを交番する方形波信号でよい。交番信号は、ループ電流センサによって評価される。交番信号が生じておらず、正の直流信号が生じている場合、ループ電流源に障害が生じている可能性があり、したがって、この障害を認識して、適切な手段でこの障害に対処することも可能である。

ループ電流源は、好ましくは、少なくとも２つの異なる交番周波数で交番信号を選択的に生成することができるように設計されている。ループ電流源は、このようにしてループ電流センサに単純な情報を伝送することができる。したがって、例えば、選択された充電規格または充電電圧を交番周波数によって伝送することができる。

好ましくは、ループ電流源は、充電ステーションに配置される。充電ステーションにおいて充電規格または充電電圧が選択または決定される。これが行われるとすぐに、充電ステーションは基本的に充電準備が完了し、したがってループ電流源が起動され、安全ループ内の交番周波数によって充電規格または充電電圧が給電ユニットに伝送される。これにより、充電規格または充電電圧に関してさらなる安全性および冗長性が得られる。

以下の本文において、図面を参照して例示的実施形態をより詳細に説明する。

電気的安全ループを有するトラクションバッテリ充電装置の概略図である。 図１の充電装置の安全ループ内のループ電流の時間プロファイルを示す図である。

図１に、自動車のトラクションバッテリを充電するためのトラクションバッテリ充電装置１０を概略的に示す。この場合、充電装置１０はモジュール式の設計であり、本質的に、任意選択の変換ユニット２０と、給電ユニット３０と、充電ステーション５０とを有する。

任意選択の変換ユニット２０は、１０〜２０ｋＶの中電圧グリッドから来る電圧を１０００Ｖ未満の低電圧に変換する。この低電圧は、給電ユニット３０の動作電圧または入力電圧であり、給電ライン５５’’によって給電ユニット３０に提供される。

給電ユニット３０は、パワーエレクトロニクスシステムを有する充電電流制御手段３４を有し、この充電電流制御手段３４によって、供給された低電圧が充電電圧に変換される。この充電電圧は、接続された自動車のトラクションバッテリを充電するために使用されるように意図されている。パワーエレクトロニクスシステムは、数百ｋＷの充電電力で多くの熱を発生するので、給電ユニット３０は冷却装置３８を有し、この冷却装置３８は、熱交換器および圧縮機を有し、本質的に、充電電流制御手段３４のパワーエレクトロニクスシステムを冷却するように働く。

最後に、給電ユニット３０は、給電ユニット制御装置３６を有し、この給電ユニット制御装置３６は、給電ユニット３０の構成部品全てを制御、同期、および監視し、さらに、給電ユニット３０と充電装置１０の他の構成要素との通信を請け負う。このために、給電ユニット３０は、任意選択のインターフェースモジュール３２を有し、このインターフェースモジュール３２によって、給電ユニット制御装置３６が変換ユニット２０と通信することができる。

充電ステーション５０は、充電ステーション制御装置５４と、充電プラグ５６を有する充電ケーブル５５と、充電電圧を充電プラグ５６に送るための充電電流制御手段５２とを有する。充電電流制御手段３４で生成された充電電圧は、充電電流ライン５５’を介して充電ステーション５０に供給される。充電ステーション５０は、給電ユニット３０から離して、例えば１０ｍよりも大きく給電ユニット３０から離して位置決めされる。充電ステーション５０は、特にはパワーエレクトロニクスシステムを有しておらず、したがって、冷却ユニットへの充電ケーブル用の熱交換器冷却装置を有していないか、または小さい熱交換器冷却装置しか有しておらず、その結果、充電ステーション５０の騒音放射は比較的低い。

この例示的実施形態では、ただ１つの充電ステーション５０が給電ユニット３０に関連付けられている。しかし、基本的には、離して配置された複数の個別の充電ステーション５０を単一の給電ユニット３０に関連付けることもできる。

充電装置１０は、電気的安全ループ６０を有し、この電気的安全ループ６０は、複数の構成要素を有することができ、これらの構成要素は、給電ユニット３０と充電ステーション５０との両方に設けられている。安全ループ６０は、電気的な観点から、本質的に、給電ユニット３０と充電ステーション５０との間の２本のループライン６１、６２と、充電ステーション５０にあるループ電流源５３と、充電ステーション５０および給電ユニット３０にある複数のループ破断接点６０１〜６０５と、充電ステーション５０および給電ユニット３０にあるそれぞれのループ電流センサ７０１、７０２とからなる。上述した構成要素は全て、電気的に直列に接続され、閉回路を形成する。

この例示的実施形態において、給電ユニット３０は、２つのループ破断接点６０１、６０２を有し、これらのループ破断接点６０１、６０２は、冷却装置３８および給電ユニット制御装置３６によって作動される。冷却装置３８または給電ユニット制御装置３６が障害を検出するとすぐに、関連するループ破断接点６０１、６０２が作動されて、安全ループ６０が電気的に開く。

この例示的実施形態では、ループ電流センサ７０１、７０２は、測定抵抗器７２および演算増幅器７１によって本質的に形成され、測定抵抗器７２を通って低下された比例電圧信号を、接続された給電ユニット制御装置３６に出力する。

充電ステーション５０は、３つのループ破断接点６０３、６０４、６０５を有する。上記ループ破断接点のうち、２つのループ破断接点６０４、６０５は、それぞれの温度センサ８１、８２によって作動または接続される。２つの温度センサ８１、８２は、充電ケーブル５５に配置され、充電ケーブル５５の温度を監視する。温度センサ８１、８２の一方が限界温度の超過を確認するとすぐに、これは、関連するループ破断接点６０４、６０５に信号通知され、次いでそのループ破断接点が開く。充電ステーション５０のループ電流センサ７０２は、給電ユニット３０のループ電流センサ７０１と同一の構成であり、関連の測定抵抗器を通って低下された電圧信号を充電ステーション制御装置５４に伝送する。充電ステーション５０の第３のループ破断接点６０３は、充電ステーション制御装置５４自体によって作動される。

充電ステーション５０で所望の充電規格または充電電圧が選択されるとすぐに、充電手順が開始される前に、ループ電流源５３が作動される。この場合、ループ電流源５３は、正の交番信号を生成し、これは図２に例として示されている。この場合、交番信号は方形波信号であり、ヘルツ単位で１桁の範囲内の低い周波数で１５ｍＡと２５ｍＡとを交番する。選択された充電規格または充電電圧に応じて、ループ電流源５３は、例えば、８Ｈｚの周波数での交番信号９２または５Ｈｚの周波数での交番信号９４を生成する。３つの異なる使用可能な充電規格または充電電圧の場合、これに必要な３つの周波数は、例えば１Ｈｚ、３Ｈｚ、および８Ｈｚでよい。

ループ破断接点６０１〜６０５の全てが閉じているとき以外は、２つのループ電流センサ７０１、７０２は、関連する充電電流制御手段３４、５２にゼロ信号、したがって非準備状態を信号通知し、その結果、充電電流は流れない。全てのループ破断接点６０１〜６０５が閉じているときにのみ、２つの充電電流制御手段３４、５２が閉じられ、その結果、充電電流は、充電電流ライン５５’および充電ケーブル５５を通って充電プラグ５６に流れることができる。

必要とされる充電電圧は、安全ループ６０での交番信号９２、９４の周波数によって給電ユニット制御装置３６に明白に信号通知される。ここで、別の情報チャネルによって送達される充電規格または充電電圧に関する情報と相関性がない場合、給電ユニット制御装置３６は、関連するループ破断接点６０１を即座に開くことができる。充電ステーション制御装置５４が不整合または障害を検出した場合、充電ステーション制御装置５４は、関連するループ破断接点６０３を開く。

ループ電流センサ７０１、７０２の一方が交番信号９２、９４を検出しない、または期待される交番信号９２、９４を検出しないとすぐに、充電装置１０を損壊から保護するために制御装置３６、５４によって対策が講じられる。

１０ トラクションバッテリ充電装置
３０ 給電ユニット
３４、５２ 充電電流制御手段
５０ 充電ステーション
５３ ループ電流源
５５’ 充電電流ライン
５６ 充電プラグ
６０ 電気的安全ループ
８１、８２ 温度センサ
９２、９４ 交番信号
６０１〜６０５ ループ破断接点
７０１、７０２ ループ電流センサ

Claims (9)

1. 自動車のトラクションバッテリを充電するためのトラクションバッテリ充電装置（１０）であって、
   前記自動車のトラクションバッテリへの充電接続を確立するための充電プラグ（５６）を有する充電ステーション（５０）と、
   前記充電ステーション（５０）から距離を離して配置され、充電電流ライン（５５’）によって前記充電ステーション（５０）に接続された給電ユニット（３０）と、
   ループ電流源（５３）、少なくとも１つの作動可能なループ破断接点（６０１〜６０５）、および少なくとも１つのループ電流センサ（７０１、７０２）を有し、前記給電ユニット（３０）と前記充電ステーション（５０）との両方を通って延びる電気的安全ループ（６０）と、
   前記ループ電流センサ（７０１、７０２）がループ電流を検出しないときに前記充電電流を遮断する充電電流制御手段（３４、５２）と、を備える、トラクションバッテリ充電装置（１０）。
2. 前記給電ユニット（３０）と前記充電ステーション（５０）とがそれぞれ、少なくとも１つのループ電流センサ（７０１、７０２）と、前記ループ電流センサ（７０１、７０２）に関連するそれぞれの充電電流制御手段（３４、５２）とを有する、請求項１に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。
3. 前記給電ユニット（３０）の前記充電電流制御手段（３４）が、パワーエレクトロニクスシステムとして設計され、前記パワーエレクトロニクスシステムが、所要の充電電圧で前記充電電流を生成する、請求項２に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。
4. 前記充電ステーション（５０）と前記給電ユニット（３０）とがどちらも、それぞれ、少なくとも１つのループ破断接点（６０１〜６０５）を有する、請求項２または３に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。
5. 前記ループ電流源（５３）が、正の交番信号（９２、９４）を生成するように設計されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。
6. 前記ループ電流源（５３）が、少なくとも２つの異なる交番周波数で前記交番信号（９２、９４）を選択的に生成することができる、請求項５に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。
7. 前記ループ電流源（５３）が、前記充電ステーション（５０）に配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。
8. 前記ループ破断接点（６０４、６０５）が、温度センサ（８１、８２）が限界温度の超過を信号通知するとすぐに前記ループ破断接点（６０４、６０５）が開くように、前記温度センサ（８１、８２）に機能的に関連付けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。
9. 前記安全ループ（６０）が、複数のループ破断接点（６０１〜６０５）を有し、前記ループ破断接点（６０１〜６０５）が、前記安全ループ（６０）内で電気的に直列に配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のトラクションバッテリ充電装置（１０）。

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