JP7206237B2 - 充電ケーブルをプリチャージする方法及び双方向ｄｃ－ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、双方向チャージポンプを有するＤＣ－ＤＣコンバータを用いて充電ケーブルをプリチャージする方法に関する。さらに、この双方向チャージポンプを有するＤＣ－ＤＣコンバータが権利請求される。

直流電圧充電のすべての世界的な充電標準では、充電処理を開始する前に、充電ケーブルの電圧を、高電圧バッテリーの電圧、又は電気自動車の高電圧バッテリーの電圧に合わせる必要がある。Ｃｈａｄｅｍｏ（日本）及びＧＢＴ（中国）の充電規格又は充電標準では、電気自動車が充電ケーブルの充電を担う。充電ケーブルの容量は小さいため、規格によれば、充電ケーブルを直接電気自動車の高電圧バッテリーに接続するために、電気自動車の各充電リレーを単純に閉じることができる。それによって、充電ケーブルは高電圧バッテリーの電圧を有し、充電を開始できる。

電気自動車が８００Ｖの高電圧バッテリーを有する場合には、４００Ｖの充電スタンドから直接充電することはできない。この場合、電気自動車には単方向ＤＣ－ＤＣコンバータが使用され、単方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、この方法において高電圧バッテリーを充電するために、充電スタンドの電圧を２倍にする（チャージポンプによって実行される処理）。そのようなＤＣ－ＤＣコンバータは、当業者によってレールとも呼ばれるいくつかの並列経路を内部に有し、それらの並列経路は、個々の部品内の電流及び結果として生じる電流リップルを小さく保つために、互いに位相シフトされて動作される。

ＤＣ－ＤＣコンバータを介する充電処理の場合、充電ケーブルと高電圧バッテリーとの直接の接続はない。したがって、充電ケーブルを充電するために、高電圧バッテリーを充電ケーブルに直接、接続することはできない。そのため、従来技術では、ＤＣ‐ＤＣコンバータは、充電開始時に充電ケーブルを高電圧バッテリー電圧の半分にプリチャージできる追加のプリチャージ回路を有する。しかしながら、この処置においては、設置スペース、コスト、重量の制限によって、この別個のプリチャージ回路をできるだけ小さくする必要があり、そのため、充電ケーブルのプリチャージのために制限された電力しか供給できないという不都合がある。充電ケーブルをプリチャージするためにどれだけの電力を少なくとも供給しなければならないかの規制は、従来技術において、これまでのところ不明であるか、少なくとも完全ではない。そのため、規準となる要件の欠如によってさらなる問題がある。現場での実際の経験から、供給されるプリチャージ電力が、すべての充電スタンドに対しては十分でない場合があり得る。

（特許文献１）には、少なくとも２個の中間回路を備えるチャージポンプが記載されている。それによって、バッテリーへの入力電圧と充電ステーションの出力電圧との複数の電圧比の間での切り替えが可能となる。

（特許文献２）は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを開示しており、その双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを介して、エネルギー貯蔵庫が第１の構成において充電される。第２の構成においては、電気エネルギーが双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを介してエネルギー貯蔵庫から負荷に移送される。

（特許文献３）には、入力に電源が接続されている回路が記載されている。入力電圧よりも低い出力電圧と入力電圧よりも高い出力電圧とが、選択的に回路出力に供給される。

米国特許出願公開第２０１８／０１３４１６７Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１０／００９７０３１Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１７／００５４３６３Ａ１号明細書

この背景技術に対して、本発明の課題は、充電ケーブルをプリチャージする方法を提供することであり、本方法では、バッテリーを充電するために既に利用可能なＤＣ－ＤＣコンバータを使用することができる。それによって、別個のプリチャージ回路が不要となる。さらに、このＤＣ－ＤＣコンバータも開示される。

上記の課題を解決するために、充電ケーブルをプリチャージする方法が提案されており、その際、充電ケーブルを備えた充電スタンドが、電気自動車のバッテリーの直流電圧充電のために提供されており、充電スタンドは充電電圧で充電電流を供給する。充電されるバッテリーは、充電電圧よりも高い端子電圧を有している。充電ケーブルとバッテリーとの間にＤＣ－ＤＣコンバータが位置し、ＤＣ－ＤＣコンバータは、充電スタンドの充電電圧をバッテリーの端子電圧に適合させるチャージポンプによって実現される。チャージポンプには、少なくとも２個の単方向スイッチ、少なくとも２個のダイオード、および少なくとも２個のコンデンサを含む、少なくとも１つの単方向電流経路が配置される。チャージポンプ内に、少なくとも１つの双方向電流経路が配置される。少なくとも１つの双方向電流経路は、少なくとも４個の単方向スイッチと少なくとも２個のコンデンサとを備えるとともに、少なくとも２個のダイオードの代わりに少なくとも２個の単方向スイッチ、したがって合計で少なくとも４個の単方向スイッチを有する単方向電流経路から得られる。充電ケーブルをプリチャージするためのプリチャージ電力は、少なくとも１つの双方向電流経路を介してバッテリーから供給される。

したがって、本発明による方法によって提供される、少なくとも１つの双方向電流経路または少なくとも１つの双方向レールによって、別個のプリチャージ回路は、有利にも、もはや不要となる。通常、ここで必要なプリチャージ電力は、このような双方向電流経路によって完全に伝送可能な電力の範囲内にある。これによって、最終的には、充電開始時の堅牢性（Ｒｏｂｕｓｔｈｅｉｔ）も向上する。

少なくとも１つの単方向電流経路を有するチャージポンプの例示的な配置は、正の入力端子にアノードが接する第１のダイオードと、正の出力端子にカソードが接する第２のダイオードとが、正の入力端子と正の出力端子との間に直列に配置された回路によって実現される。負の入力端子と負の出力端子とが直接、接続されている。正の入力端子と負の入力端子との間には、例えば正の入力端子にコレクタが接するｎｐｎトランジスタの場合の第１の単方向スイッチと、例えば負の入力端子にエミッタが接するｎｐｎトランジスタの場合の第２の単方向スイッチとが配置されている。これらの２個のスイッチの間に、第１のコンデンサの第１端子が位置し、その第２端子は２個のダイオードの間に位置する。最後に、２つの出力端子の間には第２のコンデンサが接続されている。

本発明による方法の一実施形態では、単方向スイッチはＭＯＳＦＥＴによって実現される。

本発明による方法のさらなる実施形態において、充電スタンドは４００Ｖの充電電圧を有し、バッテリーは８００Ｖの端子電圧を有する高電圧バッテリーによって実現される。

本発明による方法のさらに別の実施形態では、少なくとも１つの双方向電流経路は、プリチャージ電力に対応する電力を伝送するように設計されている。

本発明による方法のさらなる実施形態では、バッテリーから、充電スタンドに接続された供給ネットワークへのエネルギー伝送が、少なくとも１つの双方向電流経路を介して追加的に実行される。

充電ケーブルをプリチャージするためのＤＣ－ＤＣコンバータがさらに特許請求され、その際、充電ケーブルを有する充電スタンドが、電気自動車のバッテリーの直流電圧充電のために提供されており、充電スタンドは充電電圧で充電電流を供給する。充電されるバッテリーは、充電電圧よりも高い端子電圧を有する。充電ケーブルとバッテリーとの間にＤＣ－ＤＣコンバータが位置し、ＤＣ－ＤＣコンバータは、充電スタンドの充電電圧をバッテリーの端子電圧に適合させるチャージポンプによって実現されている。チャージポンプは、少なくとも２個の単方向スイッチ、少なくとも２個のダイオード、および少なくとも２個のコンデンサを有する少なくとも１つの単方向電流経路を備える。さらに、チャージポンプは、少なくとも１つの双方向電流経路を備える。少なくとも１つの双方向電流経路は、少なくとも４個の単方向スイッチと少なくとも２個のコンデンサを備えるとともに、少なくとも２個のダイオードの代わりに少なくとも２個の単方向スイッチ、したがって合計で少なくとも４個の単方向スイッチを備えた単方向電流経路によって実現可能である。ＤＣ－ＤＣコンバータは、充電ケーブルのプリチャージのためのプリチャージ電力が少なくとも１つの双方向電流経路を介してバッテリーによって供給されるように、構成されている。

本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータの一実施形態では、それぞれの単方向スイッチはＭＯＳＦＥＴである。

本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータのさらなる実施形態では、充電スタンドは４００Ｖの充電電圧を有し、バッテリーは８００Ｖの端子電圧を有する高電圧バッテリーである。

本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータのさらに別の実施形態では、少なくとも１つの双方向電流経路は、プリチャージ電力に対応する電力を伝送するように構成されている。

本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータのさらなる実施形態において、少なくとも１つの双方向電流経路は、充電スタンドに接続された供給ネットワークへのバッテリーからのエネルギー伝送を追加的に実行するように構成されている。

本発明のさらなる利点および改良点は、本明細書および添付の図面から生じる。

当然のことながら、上記の特徴および以下で説明される特徴は、それぞれの場合に指定された組み合わせだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組み合わせ、または単独で使用することができる。

従来技術のＤＣ－ＤＣコンバータを使用した充電処理を概略的に示す。 本発明に係るＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態を概略的に示す。

図１は、従来技術のＤＣ－ＤＣコンバータ１３０による充電処理１００を概略的に示す。供給ネットワークに接続された充電スタンド１１０は、充電ケーブル１２０を介して４００Ｖの充電電圧１０２で充電するための電気エネルギー１０１を供給することができる。充電ケーブル１２０は、電気自動車のバッテリー１４０の充電のために、例えば４００Ｖの充電電圧１０２においてＤＣ－ＤＣコンバータ１３０に接続される。エネルギー伝送用に最適化されたＤＣ－ＤＣコンバータ１３０は、レールとも呼ばれる合計３つの単方向電流経路１３１、１３２、１３３を有する。それら単方向電流経路内において、ＤＣ電圧が、チャージポンプによって、電流リップルを抑制するために位相シフトされて、バッテリー１４０の端子電圧に対応する充電電圧１０３に昇圧される。図示されている場合において、４００Ｖの充電電圧１０２は、８００Ｖ高電圧バッテリー１４０を充電するために、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３０によって、８００Ｖの充電電圧１０３に倍増される。ＤＣ－ＤＣコンバータ１３０を使用した充電処理１００の前提によって、充電ケーブル１２０とバッテリー１４０との間に直接的な電気接続は存在しない。それによって、充電ケーブルを、プリチャージのために高電圧バッテリー１４０に直接、接続することはできない。そのため、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３０にはプリチャージ回路１３９が配置され、プリチャージ回路１３９は、バッテリー１４０によって供給されるプリチャージ電力１０４を、高電圧バッテリー電圧の半分の際におけるプリチャージ電力１０５として充電ケーブル１２０に伝送する。

図２は、双方向チャージポンプ２３６を備えた本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータ２３０の実施形態２００を概略的に示す。供給ネットワークに接続された充電スタンド２１０は、４００Ｖの充電電圧２０２で充電するための電気エネルギー２０１を、充電ケーブル２２０を介して供給する。充電ケーブル２２０は、電気自動車のバッテリー２４０を充電するために、４００Ｖの充電電圧２０２でＤＣ－ＤＣコンバータ２３０に接続される。本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータ２３０は、２個の単方向電流経路２３１、２３２と、１つの双方向電流経路２３６とを有し、それらの電流経路において、ＤＣ電圧は、それぞれのチャージポンプ回路によって、電流リップルを抑制するために位相シフトされて、バッテリー２４０の端子電圧に対応する充電電圧２０３に昇圧される。図示されている場合において、４００Ｖの充電電圧２０２は、８００Ｖ高電圧バッテリー２４０を充電するために、本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータ２３０によって８００Ｖの充電電圧２０３に倍増される。さらに、チャージポンプの双方向の動作能力によって、バッテリー２４０から充電ケーブル２２０へのプリチャージ電力２０４の伝送が可能となり、充電開始時に必要なプリチャージ電力２０５がバッテリー２４０から充電ケーブル２２０に供給される。そのプリチャージ電力２０５は、充電ケーブル２２０を高電圧バッテリー電圧の半分にプリチャージする。

２０２ 充電電圧
２０３ 端子電圧
２０４、２０５ プリチャージ電力
２１０ 充電スダンド
２２０ 充電ケーブル
２３０ ＤＣ－ＤＣコンンバータ
２３１、２３２ 単方向電流路
２３６ 双方向電流路
２４０ バッテリー

Claims (9)

1. 充電ケーブル（２２０）をプリチャージする方法であって、
   前記充電ケーブル（２２０）を備えた充電スタンド（２１０）が、電気自動車のバッテリー（２４０）の直流電圧充電のために提供されており、
   前記充電スタンド（２１０）は、充電電圧（２０２）で充電電流を供給し、
   充電される前記バッテリー（２４０）は、前記充電電圧（２０２）よりも高い端子電圧（２０３）を有しており、
   前記充電ケーブル（２２０）と前記バッテリー（２４０）との間に、ＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）が位置している、方法において、
   前記ＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）が、前記充電スタンド（２１０）の前記充電電圧（２０２）を前記バッテリー（２４０）の前記端子電圧（２０３）に適合させるチャージポンプ（２３１、２３２、２３６）によって実現され、
   前記チャージポンプ（２３１、２３２、２３６）内に、
   少なくとも２個の単方向スイッチ、少なくとも２個のダイオード、および少なくとも２個のコンデンサを含む、少なくとも１つの単方向電流経路（２３１、２３２）と、
   正の入力端子と正の出力端子との間に直列に配置された第１のＭＯＳＦＥＴ及び第２のＭＯＳＦＥＴと、前記正の入力端子と負の入力端子との間に直列に配置された第３のＭＯＳＦＥＴ及び第４のＭＯＳＦＥＴと、第１の端子が前記第３及び第４のＭＯＳＦＥＴの間に位置し、第２の端子が前記第１及び第２のＭＯＳＦＥＴの間に位置する第１のコンデンサと、前記正の出力端子と負の出力端子の間に接続された第２のコンデンサとを有する、少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）とが配置され、
   前記充電ケーブル（２２０）のプリチャージのためのプリチャージ電力（２０４、２０５）が、前記少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）を介して前記バッテリー（２４０）から供給される、方法。
2. 前記充電スタンド（２１０）が４００Ｖの充電電圧（２０１）を有し、
   前記バッテリー（２４０）は、８００Ｖの端子電圧（２０３）を有する高電圧バッテリー（２４０）によって実現される、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）が、前記プリチャージ電力（２０４、２０５）に対応する電力を伝送するように設計されている、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記バッテリー（２４０）から、前記充電スタンド（２１０）に接続された供給ネットワークへのエネルギー伝送（２０４）が、前記少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）を介して追加的に実行される、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 充電ケーブル（２２０）をプリチャージするＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）であって、
   前記充電ケーブル（２２０）を有する充電スタンド（２１０）が、電気自動車のバッテリー（２４０）の直流電圧充電のために提供されており、
   前記充電スタンド（２１０）が、充電電圧（２０１）で充電電流を供給しており、
   充電される前記バッテリー（２４０）は、前記充電電圧（２０１、２０２）よりも高い端子電圧（２０３）を有しており、
   前記充電ケーブル（２２０）と前記バッテリー（２４０）との間にＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）が位置している、ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
   前記ＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）は、前記充電スタンド（２１０）の前記充電電圧を前記バッテリー（２４０）の前記端子電圧（２０３）に適合させるチャージポンプ（２３１、２３２、２３６）によって実現されており、
   前記チャージポンプ（２３１、２３２、２３６）は、少なくとも２個の単方向スイッチ、少なくとも２個のダイオード、および少なくとも２個のコンデンサを有する、少なくとも１つの単方向電流経路（２３１、２３２）と、
   正の入力端子と正の出力端子との間に直列に配置された第１のＭＯＳＦＥＴ及び第２のＭＯＳＦＥＴと、前記正の入力端子と負の入力端子との間に直列に配置された第３のＭＯＳＦＥＴ及び第４のＭＯＳＦＥＴと、第１の端子が前記第３及び第４のＭＯＳＦＥＴの間に位置し、第２の端子が前記第１及び第２のＭＯＳＦＥＴの間に位置する第１のコンデンサと、前記正の出力端子と負の出力端子の間に接続された第２のコンデンサとを有する、少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）とを含み、
   前記ＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）は、前記充電ケーブル（２２０）のプリチャージのためのプリチャージ電力（２０４、２０５）が前記少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）を介して前記バッテリー（２４０）によって供給されるように、構成されている、ＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）。
6. 前記充電スタンド（２１０）が４００Ｖの充電電圧（２０２）を有し、
   前記バッテリー（２４０）が、８００Ｖの端子電圧（２０３）を有する高電圧バッテリー（２４０）である、請求項５に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）。
7. 前記少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）は、前記プリチャージ電力（２０４、２０５）に対応する電力（２０４、２０５）を伝送するように構成されている、請求項５または６に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）。
8. 前記少なくとも１つの双方向電流経路（２３６）は、前記バッテリー（２４０）から、前記充電スタンド（２１０）に接続された供給ネットワークへのエネルギー伝送を追加的に実行するように構成されている、請求項５～請求項７のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）。
9. 前記少なくとも１つの単方向電流経路は、
   前記正の入力端子にアノードが接続される第１のダイオードと、前記正の出力端子にカソードが接続される第２のダイオードとが、前記正の入力端子と前記正の出力端子との間に直列に配置され、
   第１の単方向スイッチと第２の単方向スイッチとが、前記正の入力端子と前記負の入力端子との間に直列に配置され、
   第１の端子が前記第１及び第２の単方向スイッチの間に位置し、第２の端子が前記第１及び第２のダイオードの間に位置する第３のコンデンサと、
   前記正の出力端子と前記負の出力端子の間に接続された第４のコンデンサとを有する、請求項５に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。

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