(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車（１）用充電装置であって、自動車が、電気エネルギー蓄積機構（２）と、直流電圧コンバータ（３）と、前記電気エネルギー蓄積機構（２）を充電するために第１の外部交流電圧源（５）にケーブル接続される第１のインターフェース（４）とを備えている前記充電装置において、
前記充電装置が、自動車の前記電気エネルギー蓄積機構（２）を充電するために第２の外部交流電圧源（７）に接続される誘導性の第２のインターフェース（６）を有していること、
前記直流電圧コンバータ（３）の出力電力が前記電気エネルギー蓄積機構（２）の充電電力として用いられ、前記直流電圧コンバータ（３）の入力部に前記第１および第２のインターフェース（４、６）を介して電力を供給可能であること、
前記充電装置が、前記電気エネルギー蓄積機構（２）を充電するために、外部直流電圧源（９）にケーブル接続される第３のインターフェース（８）を有していること、
前記直流電圧コンバータ（３）の入力部にさらに前記第３のインターフェース（８）を介して電力を供給可能であること、
前記直流電圧コンバータ（３）の入力電力の公称範囲の下限が、前記３つのインターフェース（４、６、８）の３つの最大出力電力の量のうち最も低い電力を表わす電力に少なくとも相当するように、前記直流電圧コンバータ（３）が構成されていること、
前記直流電圧コンバータ（３）の入力電力の公称範囲の上限が、最大で前記３つのインターフェース（４、６、８）の最大出力電力の総和に相当するように、前記直流電圧コンバータ（３）が構成されていること、
を特徴とする充電装置。
【請求項２】
前記電気エネルギー蓄積機構（２）が最大１０００ボルトの最大充電電圧に対して構成されていること、
前記第１のインターフェース（４）が最大５００ボルトまでの実効交流電圧に対して構成されていること、
前記第２のインターフェース（６）が最大３０００ボルトまでの誘導電圧に対して構成されていること、
前記第３のインターフェース（８）が最大１０００ボルトまでの直流電圧に対して構成されていること、
を特徴とする、請求項１に記載の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用充電装置であって、自動車が、電気エネルギー蓄積機構と、直流電圧コンバータと、前記電気エネルギー蓄積機構を充電するために第１の外部交流電圧源にケーブル接続される第１のインターフェースとを備えている前記充電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
資源を節約し、気候、環境にやさしい車両コンセプトの基本は、最近の車両におけるハイブリッド車両または電気車両の形態の駆動電化である。電化パワートレインのメインとなる構成要素は、性能に優れた電気エネルギー蓄積機構である。このため、現時点での開発技術をベースとして、高ボルト範囲の電圧層を備えた２次バッテリーがリチウム・イオン技術で提供されている。プラグソケットハイブリッド車両とも呼ばれるプラグインハイブリッド車両の場合、および、純粋な電気車両の場合、電気エネルギー蓄積機構は車両内で生成される電力で充電されるばかりでなく、外部の電力源の電力によっても充電される。外部充電は導電方式または誘導性方式で行うことができる。導電方式の充電技術の場合、充電電力は金属導線によってケーブル接続して伝送される。誘導性方式の充電技術では、電磁誘導によって走行中も充電電力が伝送される。
【０００３】
車載電源アーキテクチュアの構成の場合、外部充電インフラストラクチャが考慮される。この点は技術水準から公知である。特許文献１には、停車中に外部の交流電圧源から電気車両のバッテリーを充電するために、車載バッテリー充電装置が記載されている。特許文献２には、直流充電ステーションで電気車両のバッテリーを充電するための車載電源アーキテクチュアが図式で説明されている。走行中の電気車両の誘導性バッテリー充電の原理は特許文献３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０１１６９２５Ａ２号明細書
【特許文献２】欧州特許第０６１０２５８Ｂ１号明細書
【特許文献３】米国特許第５３１１９７３Ａ号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、自動車における電気エネルギー蓄積機構用充電装置を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、請求項１に記載の自動車における電気エネルギー蓄積機構用充電装置によって解決される。本発明の有利な実施態様および更なる構成は、従属項から明らかである。
【０００７】
本発明によれば、充電装置は、車両の電気エネルギー蓄積機構を充電するために第２の外部交流電圧源に接続される誘導性の第２のインターフェースを有している。直流電圧コンバータの出力電力は電気エネルギー蓄積機構の充電電力として用いられ、直流電圧コンバータの入力部には第１および第２のインターフェースを介して電力を供給可能である。
【０００８】
本発明の特別な利点は、自動車の停車中に第１および／または第２のインターフェースを介して電気エネルギー蓄積機構を充電できることである。第１および第２のインターフェースは、同時に充電するために、直流電圧コンバータに対する１つの共通の接続部を有している。第１の外部交流電圧源（以下では交流充電と記す）のみが設けられていれば、或いは、第２の交流電圧源（以下では誘導性充電と記す）のみが設けられていれば、停車状態で電気エネルギー蓄積機構を充電することもできる。
【０００９】
この場合、電気エネルギー蓄積機構に充電電圧を発生させる直流電圧コンバータのみを備えた低コストな車載電源アーキテクチュアは特に有利である。電力は、３種類の充電作動態様（交流充電、誘導性充電、交流充電と誘導性充電との同時作動）で直流電圧コンバータの電力入力部へ誘導される。
【００１０】
また、走行時に本発明の更なる利点が得られる。本発明による充電装置は走行中にもバッテリー充電を可能にする。この場合、電磁誘導を介して車両の移動時にも電力伝送が行われるので、車両の電気エネルギー蓄積機構は第２のインターフェースを介して充電され、すなわち誘導性インターフェースを介して充電される。
【００１１】
本発明の有利な実施態様によれば、充電装置は、電気エネルギー蓄積機構を充電するために外部直流電圧源にケーブル接続される第３のインターフェースを有している。直流電圧コンバータの入力部には、第３のインターフェースを介して電力を供給可能である。
【００１２】
この実施態様の範囲内では、２次バッテリーの上流側に接続されている直流電圧コンバータを用いた他の充電作動態様を実現することができる。充電装置のこの実施態様を用いると、自動車の停車時に第３のインターフェースを介してたとえば直流充電用柱または直流サービスステーションのような直流電圧源で電気エネルギー蓄積機構を充電することができる（以下では直流充電と記す）。
【００１３】
本発明による充電装置を用いると、直流充電を交流充電と同時に組み合わせることができる。他の組み合わせは直流充電と同時に誘導性充電を行うことにある。直流充電は交流充電および誘導性充電と同時に行うこともでき、その結果直流電流コンバータには第１、第２および第３のインターフェースを介して同時に電力が供給されてバッテリーの充電が行われる。
【００１４】
本発明の更なる構成によれば、充電装置の直流電圧コンバータは、該直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲の下限が３つのインターフェースの３つの最大出力電力集合体のうち最も低い電力を表わす電力に少なくとも相当するように、構成されている。直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲の上限は、最大で３つのインターフェースの最大出力電力の総和に相当している。
【００１５】
３つのインターフェースのそれぞれを介して、電力の最大値がバッテリーを充電するために直流電圧コンバータに供給される。この値はインターフェースの最大出力電力と呼ばれる。３つのインターフェースの集合体のうち最も小さな最大出力電力を持ったインターフェース（或いは、最大出力電力からずれている場合には、充電作動時に通常発生する最も小さな出力電力）は、直流電圧コンバータを設計するために重要である。というのは、この最も小さな最大出力電力の値（または通常発生する最も小さな出力電力の値）は直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲の下限を下回らないからである。この実施態様による直流電圧コンバータの構成が持つ利点は、３つのインターフェースのうちの１つを介して充電を別々に行えば、充電装置はエネルギー効率的な、可能なかぎりスムーズなエネルギー蓄積機構の充電を可能にすることである。３つのインターフェースのうちのどのインターフェースが関与しているかに関係なく、直流電圧コンバータは好ましい作動点で作動し、すなわち最適な効率で作動する。好ましい作動点は、直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲内にあることによって特徴づけられている。個々のインターフェースを介して別々に充電する際にこのインターフェースの最大出力電力よりも小さな電力が直流電圧コンバータに到達するほどの小さな電力を外部充電インフラストラクチャが提供する場合、或いは、このような小さな充電容量を電気エネルギー蓄積装置が有する場合には、直流電圧コンバータはその入力側公称範囲以下の入力電力で作動することがある。しかしながら、この作動点も直流電圧コンバータの作動範囲内にある。というのは、直流電圧コンバータの作動範囲は公称範囲以下の電力範囲を含んでいるからである。
【００１６】
直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲の上限は、最大で３つのインターフェースの最大出力電力の総和に相当している。直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲の上限が３つのインターフェースの最大出力電力の総和に正確に相当していれば、電気エネルギー蓄積機構が３つのインターフェースすべてを介して同時に充電されて、これら３つのインターフェースのそれぞれを介してそれぞれの最大出力電力が直流電圧コンバータに到達した時に、該直流電圧コンバータは好ましい作動点で作動する。
【００１７】
好ましくは、充電装置は、電気エネルギー蓄積機構が最大１０００ボルトの最大充電電圧に対して構成されているように実施されている。第１のインターフェースは最大５００ボルトまでの実効交流電圧に対して構成されている。第２のインターフェースは最大３０００ボルトまでの誘導電圧に対して構成され、第３のインターフェースは最大１０００ボルトの外部直流電圧源の最大電圧に対して構成されている。
【００１８】
この実施態様には特別な利点がある。充電装置は、第１および第２のインターフェースを介して、グローバルに広範囲に普及している交流電圧源（特に５０／６０ヘルツ２４０ボルト以下の単相電源および５０／６０ヘルツ４８０ボルト以下の３相電源）と連結させて電気エネルギー蓄積機構を充電することができる。電気的な構成に関しては、充電装置は、第３のインターフェースを介して、統制された直流サービスステーションにも統制されていない直流サービスステーションにも連結させることができ、或いは直流電源にも連結させることができ、また電気エネルギー蓄積機構にもダイレクトに連結させることができる。この特別な実施態様により、車両利用者に提供されている外部充電インフラストラクチャとの高い互換性を充電装置が有し、その際に充電装置が高充電効率を確保するよう保証されている。充電効率という概念には、充電能率という概念以外にも充電パワーという概念も含まれている。高充電能率でしかも充電パワーが大きければ、一定の充電量を電気エネルギー蓄積機構に充電するために短時間での充電が可能になる。短い充電時間、すなわち高充電効率は特に有利である。
【００１９】
本発明は以下のような考察に基づいている。プラグインハイブリット車両または電気車両での電気蓄積機構の充電は通常は導電的に行われ、すなわちケーブル接続で行われる。顧客のために充電過程を容易にするため、現在ではケーブルレスエネルギー伝送が開発されている。この充電技術は誘導性充電と呼ばれ、たとえば車載コイルによって、エネルギーを車両に取り付けた第２のコイルを通じて電磁誘導により伝送することをベースとしている。交流電流源での誘導性充電の場合、たとえば通常の家庭用電源に接続しての誘導性充電の場合、充電流は車両内で整流される。電圧は電気エネルギー蓄積機構の充電電圧に対して整合させる。このため、ＡＣ−ＤＣコンバータとして実施されている車両内部の充電器が使用される。充電器は大まかにいえば２つの構成要素、すなわち整流器とＤＣ−ＤＣコンバータとから成っている。導電性充電は外部直流電流源（たとえば充電ステーション）でも行うことができる。蓄積機構を最適に充電させるには、車両側に電圧整合用のＤＣ−ＤＣコンバータを設けねばならない。誘導性充電の場合、車両側コイルに高周波の交流電圧が生成される。この高周波交流電圧は、電磁放射線を減少させるためにコイル付近で整流される。その後電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ内でバッテリー制御の設定値に応じて変化せしめられる。導電性交流電圧充電技術と導電性直流電圧充電技術と誘導性充電技術とを同時に構築させるためには、車載電源にそれぞれの接続システム以外に種々の構成要素が必要である。このような構成を簡潔にするため、導電性交流電圧充電技術用のＤＣ−ＤＣコンバータに接続されるＡＣ−ＤＣコンバータと、導電性直流電圧充電技術用のＤＣ−ＤＣコンバータと、整流器と誘導性充電技術用のＤＣ−ＤＣコンバータとに接続されるコイルとが設けられている。特にこれら３つのコンバータは高コストの原因になり、幾何学的構成空間を要求する。
【００２０】
必要な車載電源トポロジーの大幅な簡潔化と、効果的なコスト削減とを達成するため、導電性交流電圧充電技術により充電するための充電器内に使用されるＤＣ−ＤＣコンバータを次のように構成し且つディメンションを選定し、すなわち導電性直流電圧充電技術用の分岐部での電圧変換と、導電性直流電圧充電技術用の分岐部での電圧変換とが、ＤＣ−ＤＣコンバータの同じ入力部で一緒に行われるように構成し且つディメンションを選定する。充電器内のＤＣ−ＤＣコンバータを技術的にアップグレードすることにより他の２つのＤＣ−ＤＣコンバータは削減され、このことはコストおよび構成空間の点で有利である。また、簡潔化されたケーブルハーネスを使用できる。
【００２１】
次に、本発明の１つの有利な実施形態を添付の図面を用いて説明する。これから本発明の更なる詳細、有利な実施態様、更なる構成が明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】自動車における電気エネルギー蓄積機構用充電装置のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、電気車両またはプラグインハイブリッド車両（１）の車載電源アーキテクチュアを示している。電気エネルギー蓄積機構（２）により、車両を駆動するための、または、消費装置に給電するための電力が提供される。電気エネルギー蓄積機構は、たとえば２次高電圧バッテリーとしてリチウムイオン技術で実施されており、最大で１０００ボルトの最大充電電圧用に設計されている。バッテリーの充電は、たとえば１つまたは複数の外部電力源から電力を車両内へ伝送することによって行うことができる。電気エネルギー蓄積機構の充電はバッテリーの上流側に接続されている直流コンバータ（３）によって行う。
【００２４】
バッテリーを外部から充電できるようにするため、車載電源アーキテクチュアは、第１の外部交流電圧源（５）に接続する第１のインターフェース（４）を有している。この第１のインターフェースの代わりにケーブル接続してもよく、すなわち第１のプラグ（１０）と第１のソケット（１１）との間のプラグソケットコネクタとして機械的および電気的に実施してもよい。第１のインターフェースは第１の外部交流電圧の実効値（最大で５００ボルト）用に設計されている。第１の外部交流電圧源からの交流電圧は、第１のインターフェースの下流側に接続されている第１の整流器（１２）によって直流電圧に整流される。第１の整流器の下流側には、直流電圧を平滑化するための中間回路コンデンサ（１９）が接続されている。平滑化された直流電圧は、直流電圧コンバータの入力部に印加される。
【００２５】
第２の外部交流電圧源（７）に接続している第２の充電インターフェース（６）は、電磁誘導の原理に基づいている。第２のインターフェースは受信コイル（１３）を有し、該受信コイルには、外部通電励磁コイル（４）によって交流電圧を誘導可能である。第２の外部交流電圧源は励磁コイルに給電を行う。第２の外部交流電圧源の供給電圧および供給周波数の第２のインターフェースに対する整合は、電圧・周波数コンバータ（２４）を介して行う。第１および第２の充電インターフェースは、同じ外部交流電圧源または異なる交流電圧源によって給電してもよい。車両の受信コイルに誘導された交流電圧は、受信コイルに並列に接続される共振回路コンデンサ（１５）によって降下し、下流側に接続されている第２の整流器（１６）によって直流電圧に整流される。この直流電圧は、下流側に接続された誘導性構成要素（２３）と中間回路コンデンサ（２０）とによって平滑化することができ、直流電圧コンバータの入力部に印加される。第２のインターフェースは最大で３０００ボルトの最大誘導電圧用に設計されている。外部直流源（９）に接続している第３のインターフェース（８）を介して電気エネルギー蓄積機構を直流充電ステーションで充電させることができる。外部直流源に接続している第３のインターフェースは、第２のプラグ（１７）と第２のソケット（１８）との間をケーブル接続するプラグソケット結合部として実施されている。プラグ結合により外部直流電圧が直流電圧コンバータの入力部に印加される。第３のインターフェースと直流電圧コンバータとの間にある中間回路コンデンサ（２１）を介して外部直流電圧を平滑化させることができる。第３のインターフェースは最大で１０００ボルトの最大外部直流電圧に対して設計されている。
【００２６】
充電装置は、バッテリー充電過程を制御し監視するための充電電子系（２２）を有している。電気エネルギー蓄積機構、直流電圧コンバータ、第３のインターフェースの制御量、調整量、コントロール量を交換するために、充電電子系は、自動車の車載データ網（特に直流電圧コンバータおよび電気エネルギー蓄積機構）に接続するための双方向データインターフェースを有している。
【００２７】
第１のソケットおよび第２のソケットは自動車の構成部材である。第１のプラグおよび第２のプラグは自動車の第１のインターフェースおよび第２のインターフェースの機能的構成部材である。幾何学的形態としては、両プラグはたとえばそれぞれ充電ケーブルを介して外部充電インフラストラクチャと結合されている。これとは択一的に、プラグとソケットとが構造的に取り換えられて実施されているように、第１のインターフェースと第２のインターフェースとをケーブル接続して実施してもよい。このケースでは、それぞれ充電ケーブルを備えた両プラグは自動車の構造的構成部材であり、両ソケットは外部充電インフラストラクチャの構成部材である。
【００２８】
たとえば、第１の外部交流源での交流充電は、車両に付属の充電ケーブルを、安全プラグとして実施される第１のプラグでもって家庭用電源に接続するように実施されてよい。第１のプラグは、家庭用電源に接続できるいわゆる電源ボックスと互換性があるように実施されていてもよい。通常の家庭用電源よりも大きな充電容量を可能にし、よって充電時間がより短いような交流充電ステーションが電源ボックスと呼ばれる。
【００２９】
図１の充電装置により、車両の停止状態で電気エネルギー蓄積機構の種々の充電作動態様が可能になる。第１のインターフェースを介してのバッテリーの充電は交流充電と呼ばれる。第２のインターフェースを介してのバッテリーの充電は誘導性充電と呼ばれる。第３のインターフェースを介してのバッテリーの充電は直流充電と呼ばれる。これらの充電作動態様は別々にも１回の充電過程で組み合わせても適用することができる。直流電圧コンバータを適当に構成することにより、１回の充電過程の間に３つの充電作動態様からすべての組み合わせを適用することができる。これは４つの他の充電作動態様を含んでおり、すなわち交流充電と直流充電とを同時に行う充電作動態様と、交流充電と誘導充電とを同時に行う充電作動態様と、直流充電と誘導性充電とを同時に行う充電作動態様と、交流充電と直流充電および誘導性充電とを同時に行う充電作動態様とを含んでいる。
【００３０】
直流電圧コンバータを適当に構成することは、３つのインターフェースと電気エネルギー蓄積機構とを含んでいる。３つのインターフェースのそれぞれはその構成によって最大出力電力を有する。これら３つの出力電力のうち最も小さな出力電力は、少なくとも直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲の下限に相当している。バッテリーが１回の充電過程で１つのインターフェースを介して最大電力で別々に充電される場合には、これは、直流電圧コンバータを好ましい作動点で、すなわちロス電力が小さく且つ効率が高い時点で作動させることによって保証される。
【００３１】
直流電圧コンバータの入力電力の公称範囲の上限は、最大で３つのインターフェースの３つの最大出力電力の合計値に相当している。３つの最大出力電力の合計値に相当する、入力電力の公称範囲の上限を持つ、直流電圧コンバータのディメンションは、３つのすべてのインターフェースのエネルギー蓄積機構が同時に充電され、且つ３つのインターフェースがそれぞれ最大出力電力を出力するときに、直流電圧コンバータが好ましい作動点で作動されるように保証している。
【００３２】
車両の走行中には、前記充電作動態様のうち誘導性充電のみを実施することができる。というのは、第２のインターフェースはケーブル接続して実施されていないからである。電磁誘導による充電電力の伝送により、励磁コイルに対する受信コイルの相対運動が可能になる。電気車両またはプラグインハイブリッド車両を走行中に充電するため、励磁コイルは複数のコイルの１つのシステムとして実施される。これらのコイルと受信コイルとの間には、１回の充電過程の間のそれぞれ異なる時点で最大の電磁相互作用が生じる。
【符号の説明】
【００３３】
１          自動車
２          電気エネルギー蓄積機構
３          直流電圧コンバータ
４          ケーブル接続される第１のインターフェース
５          第１の外部交流電圧源
６          第２の誘導性インターフェース
７          第２の外部交流電圧源
８          ケーブル接続される第３のインターフェース
９          外部直流電圧源
１０        第１のプラグ
１１        第１のソケット
１２        第１の整流器
１３        受信コイル
１４        励磁コイル
１５        共振回路コンデンサ
１６        第２の整流器
１７        第２のプラグ
１８        第２のソケット
１９        中間回路コンデンサ
２０        中間回路コンデンサ
２１        中間回路コンデンサ
２２        充電電子系
２３        誘導性構成要素
２４        電圧・周波数コンバータ
【図１】
0005970477.tif 000002