| 【発明の名称】 |
第４の素子コンデンサを用いて充電電力を制御するバッテリ充電システム |
| 【発明者】 |
【氏名】レイ・ジー・ラディス
【氏名】ジョン・ティー・ホール
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| 【要約】 |
【課題】電気自動車の充電システムにおける充電能力を制御すること。
【解決手段】ダイオード・ブリッジと第４の素子コンデンサとにより充電プローブに結合された電気自動車のバッテリを充電するバッテリ充電システム１０は、電圧源１１と、この電圧源１１に並列に接続された複数のバッテリ充電器２０とを備え、バッテリ充電器２０の各々は直列タンク回路と絶縁変成器１４とを備える。充電プローブは、並列の複数のバッテリ充電器２０の絶縁変成器１４に結合される。分散された第４の素子コンデンサ１６ａ、１６ｂが複数のバッテリ充電器１０の各々における絶縁変成器１４に結合される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ダイオード・ブリッジと第４の素子コンデンサを介して充電プローブに結合された電気自動車のバッテリを充電するバッテリ充電システムであって、電圧源と、各々が直列タンク回路と絶縁変成器とを含み、前記電圧源に並列に接続された複数のバッテリ充電器と、並列の前記複数のバッテリ充電器の前記絶縁変成器に結合された充電プローブと、前記複数のバッテリ充電器の各々におけるそれぞれの前記絶縁変成器に結合された第４の分散された素子コンデンサと、を備えるバッテリ充電システム。
【請求項２】 ダイオード・ブリッジと第４の素子コンデンサとを介して充電プローブに結合された電気自動車のバッテリを充電するバッテリ充電システムであって、電圧源と、該電圧源に並列に接続され且つ各々が直列タンク回路と絶縁変成器とを含む複数のバッテリ充電器と、並列の前記複数のバッテリ充電器の絶縁変成器に結合された充電プローブとを含むバッテリ充電システムにおいて、前記複数のバッテリ充電器の各々におけるそれぞれの前記絶縁変成器に結合された分散された第４の素子コンデンサを備えるバッテリ充電システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車充電システムに関し、特に、電気自動車充電システムにおける充電電力を制御する改善されたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明の譲受人は、電気自動車充電システムを設計し開発している。電気自動車のバッテリを大電力で充電する廉価で且つ簡単な方法は、幾つかの共振充電器を並列に接続することである。不都合なことには、並列に接続される充電器の数が多くなると、１段当たりの出力電力は著しく低下する。このような影響は、本発明の原理を用いて各充電器段に第４の分散された素子コンデンサを付加することにより無効化し得ることが判った。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】３個の素子共振充電器が過去において用いられた。このような３個の素子共振充電器は次のような制約を有する。この３個の共振充電器は、細流充電モードにおいて要求されるゼロ電力まで動作を抑えることができない。３個の素子共振充電器は電圧ブースト効果を提供しない。３個の素子共振充電器は、各段が並列にされるとき、多量の電力容量を失う。
【０００４】過去においては４素子充電器が用いられた。このような４素子充電器は、ゼロ電力まで動作を抑えることが可能であるが，各段が並列に接続されるときに電力を失う。本発明は、このような問題に対する解を提供する。
【０００５】従って、電気自動車用充電システムにおける充電電力を制御するための改善されたシステムを提供することが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、複数の並列の共振充電器を用いて電気自動車のバッテリを充電する改善された充電システムを提供する。先行技術の並列共振充電器を用いると、並列に接続される充電器の数が多くなるほど、１段当たりの出力電力が著しく低下する。このような影響は、本発明によれば、第４の分散された素子コンデンサを各充電器段へ付加することによって無効にされる。このように、比較的少量の容量を各充電段に付加することによって、多量のバッテリ充電電力を効率的に制御することができる。
【０００７】特に、本発明は、電気自動車のバッテリを充電するためのバッテリ充電システムを提供する。バッテリは、ダイオード・ブリッジと第４の素子コンデンサとを介して充電プローブに結合される。システムは、電圧源と、この電圧源に並列に接続された複数のバッテリ充電器とを備える。それぞれのバッテリ充電器は、直列タンク回路と絶縁変成器とを備える。充電プローブは、並列の複数のバッテリ充電器の絶縁変成器に結合される。分散された第４の素子コンデンサは、並列の複数のバッテリ充電器における各々の絶縁変成器に結合される。
【０００８】本発明の諸特徴および利点については、添付図面に関して以降の詳細な記述を参照することにより一層容易に理解されよう。図面において、同じ参照番号は同じ構成要素を指示している。
【０００９】
【発明の実施の形態】図面を参照すると、図１は、電気自動車１９の内部のバッテリ１８を充電するために用いられる先行技術のバッテリ充電システム１０を示している。バッテリ充電システム１０は、電圧源１１（ＶIN）と、直列インダクタ１３ａ（ＬS）および直列コンデンサ１３ｂ（ＣS）を含む直列タンク回路１２（ＺS）と，絶縁変成器１４（Ｌi）と、充電ポート１５ｂへ挿入される入力結合器である充電プローブ１５ａとを含むバッテリ充電器２０を備える。
【００１０】充電プローブ１５ａと充電ポート１５ｂとは、電圧源１１（ＶIN）からの電力をバッテリ１８へ結合する結合変成器を形成する。電圧源１１（ＶIN）は、６０Ｈz商用コンセントから生成される高周波方形波である。
【００１１】充電ポート１５ｂは、第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）およびダイオード・ブリッジ１７を介してバッテリ１８へ結合される。第４の素子コンデンサ１６、ダイオード・ブリッジ１７及びバッテリ１８は、電気自動車１９の内部に配置される。
【００１２】充電ポート１５ｂは、電力の転送に用いられる誘導結合器である。絶縁変成器１４の目的は、電圧源１１（ＶIN）が３相交流システムにおいて異なる位相から生成されるときであっても並列段を許容することである。
【００１３】図２は、図１に示されたバッテリ充電システム１０の簡素化されたモデルを示している。絶縁変成器１４（Ｌi）が無視されると、バッテリ充電システム１０は４つの素子の直並列コンバータを形成する。このコンバータは２つのタンク回路を備える。直列タンク回路（ＺS）は、直列インダクタ１３ａ（ＺS）と直列コンデンサ１３ｂ（ＣS）とを含む。並列タンク回路（ＺP）は、充電プローブ１５ａ（Ｌm）と第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）とを含む。比ＺS／ＺPこそ、何故に第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）が低周波の電力を増加させ、高周波の周波数の電力を低減させ、段が並列に接続されるとき電力を低下させるかを理解するための鍵である。
【００１４】図３は、電力を１つの充電ポート１５ｂへ供給するように並列に接続された２個のバッテリ充電器２０を備える先行技術のバッテリ充電システム１０を示している。図４は、図３に示されたバッテリ充電システム１０の簡素化されたモデルを示している。図４において、直列インダクタ１３ａ（ＬS）のインダクタンスは半分になるが、直列コンデンサ１３ｂ（ＣS）のキャパシタンスは２倍になる。その結果、直列共振タンク回路（ＺS）のインピーダンスは同じままである。直列タンク回路（ＺS）のインピーダンスは半分に減るが、並列タンク回路（ＺP）のインピーダンスは半分にはならない。絶縁変成器１４（Ｌi）の大きさは、通常は、充電プローブ１５ａ（Ｌm）の大きさの約１０倍である。総インダクタンスはＬm‖ＬiからＬm‖Ｌi‖Ｌiになる。第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）のキャパシタンスは全く変化しない。その結果、並列タンク回路（ＺP）の大きさは少量だけ小さくなる。このため、比Ｚs／ＺPが低下する。このため、段当たりの電力の損失を生じる。これを説明する２つの方法が存在する。
【００１５】図４に示す共振電圧（ＶRES）は、ダイオード・ブリッジ１７のダイオードが逆バイアスされるので、しばしば無負荷状態となる。その結果、直列タンク回路（ＺS）に流れる共振電流（ＩRES）は、並列タンク回路（ＺP）に流れることによって確立されねばならない。出力電力を２倍にするためには、共振電流（ＩRES）が２倍にならなければならない。しかし、バッテリ１８が解放されるとき、直列タンク回路（ＺS）のインピーダンスと並列タンク回路（ＺP）のインピーダンスとが半分になる場合にのみ、共振電流（ＩRES）は２倍になる。しかし、先に述べたように、直列タンク回路（ＺS）のインピーダンスが半分になるにすぎない。
【００１６】電力のこのような損失を知る別の方法は更に少し複雑である。図４に示されたバッテリ充電システム１０のトポロジは、ブースト・コンバータの特性の一部を有する。これは、１対１の変成器が用いられる場合でさえ電圧利得を提供することができる。このようなトポロジにおいては、ＶCSはＶLSに比して小さい。従って、直列インダクタ１３ａ（ＬS）はブースト・インダクタとして働く。ダイオード・ブリッジ１７は、ブースト・フライバック・ダイオードとして働く。並列タンク回路（ＺP）における充電電圧は、ブースト・スイッチとして働く。ダイオードが逆バイアスされると、Ｌｓの充電電流が直列タンク回路（ＺS）と並列タンク回路（ＺP）とを流れる。ダイオードが順バイアスされると、直列タンク回路（ＺS）はバッテリを介して放電する。直列タンク回路（ＺS）の充電電流が大きい場合にのみ、Ｌｓの放電電流が大きくなり得る。このような状態は、直列タンク回路（ＺS）と並列タンク回路（ＺP）とが小さい場合にのみ生じる。並列タンク回路（ＺP）がＺｓに追従し得ないと、電力が失われる。ＶLSは２＊Ｖin程度に高くなり得るため、当該トポロジにより２程度の電圧利得が得られるが、これは第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）の組を用いることにより並列タンク回路（ＺP）が小さい状態に保持される場合のみである。
【００１７】図５は、段当たりの電力が並列のシステム１０において比Ｚｓ／（Ｚｓ＋Ｚｐ）によりどのように変化するかを示している。約０．３の比を持つ１つの段を仮定する。電力は、図５に示されるように点Ｂでピークとなる。ＶINの周波数が増加すると、第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）は短絡状態に見える。これにより、並列タンク回路（ＺP）の値は直列タンク回路（ＺS）の値より早く低下され、図２におけるＶRESが低下させられる。ＶRESがＶBATより小さくなると、電力はバッテリ１８へ供給されない。この状態は図５の点Ｃで生じる。この場合、第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）は電力をゼロへ抑える助けとなる。
【００１８】最大電力転送を得るためには、ＶRESはＩRESを増加させるように大きくなければならないが、大きすぎることはあり得ない。電流ＩRESが大きくなりすぎると、ＶRESはＶBATに近づきすぎ、これにより、バッテリ１８に対する電力供給が遮断される。その結果、図５における点Ｂとして示される唯一つの最適電力点が存在する。
【００１９】動作が点Ｂにおいて行われ、並列に接続される段数が多くなるほど、直列タンク回路（ＺS）の値は並列タンク回路（ＺP）の値に比較して小さくなる。先に述べたように、このことは電力の損失を招く。このことは、図５において点Ｂから点Ａまでの低下として示される。これを補償し且つ再び点Ａから点Ｂへ移動するためには、並列タンク回路（ＺP）の値が低減されねばならない。これは、第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）の値を増すことによって行うことができる。不都合なことに、第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）は電気自動車１９の内部にあって変更できない。
【００２０】これに関する１つの方法は、本発明の原理によれば、分散された第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4D）を各バッテリ充電器段２０に付加することである。分散された第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4D）は、コンデンサ１６ａ（Ｃ4D1）、１６ｂ（Ｃ4D2）等として示される。分散されたコンデンサ１６ａ、１６ｂ（Ｃ4D1、Ｃ4D2）は第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）に反映し、これにより、並列タンク回路（ＺP）の値を低減させて電力を増加させる。実施に供された本発明の実施の一形態においては、第４の素子コンデンサ１６（Ｃ4）の容量値は３９ｎＦであり、分散された第４の素子コンデンサ１６ａ、１６ｂ（Ｃ4D）の容量値は５．６ｎＦであった。
【００２１】このように、本発明を用いることにより、比較的少量の容量を各バッテリ充電段２０へ付加することによって、大量のバッテリ充電電力が効率的に制御される。本発明は実施化され、稼動することがわかった。分散された第４の素子コンデンサ１６ａ、１６ｂ（Ｃ4D）を付加すると、バッテリ充電システム１０に少量の高周波リンギングが生じる。このようなリンギングを減衰するために電気的フィルタ（図示せず）を用いることもできる。
【００２２】以上の検討から明らかなように、本発明の主な特質は、高周波では充電電力をゼロへ低減させる分散されない第４の素子コンデンサ１６と分散された第４の素子コンデンサ１６ａ、１６ｂとの使用と、低周波では充電電力を増加させる能力と、複数の充電器２０を並列にしたときの電力損失を補償する能力とを含む。
【００２３】以上のように、電気自動車の充電システムにおける充電電力を制御する改善されたシステムが開示された。上記の実施の形態は、本発明の原理の適用を示す複数の特定の実施の形態の１つを例示するにすぎないことを理解すべきである。明らかに、他の多くの実施の形態が、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によって容易に着想されよう。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９０００１４０７
【氏名又は名称】ゼネラル・モーターズ・コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＭＯＴＯＲＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
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| 【出願日】 |
平成１２年８月１８日（２０００．８．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８９７０５
【弁理士】
【氏名又は名称】社本 一夫 （外５名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１１９８１４（Ｐ２００１−１１９８１４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年４月２７日（２００１．４．２７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２４８１７９（Ｐ２０００−２４８１７９） |
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