(57)【要約】  大容量バッテリ用高性能急速充電器および大容量バッテリを急速充電する方法。急速充電器は、高周波、高リプル電流コンデンサで最小限にフィルタ処理された任意の力率補正入力を有する一相あるいは好適には三相の整流ＡＣ入力を含むと好ましく、「バック」構成内の電力切換え回路でインダクタ／コンデンサ出力フィルタに切り換えられる。金属化フィルムコンデンサを用いて、整流３６０ヘルツＡＣ成分フィルタ処理を最小限にする一方過渡スイッチ保護およびバックレギュレータのリプル電流要件を提供して、大幅に向上した力率を有する大容量急速充電器を提供する。最小出力フィルタサイズを有する高電力，高周波スイッチングは高度フィルタ処理ＤＣ出力を提供する。この急速充電器をモジュール設計で構成するようにしてメンテナンスを容易にする。
2005509396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流入力を生じるＡＣ入力整流器と、前記ＡＣ入力整流器と結合されたフィルムコンデンサとを含み、前記フィルムコンデンサが約２キロヘルツを超える周波数で動作する入力電力調整器と、
前記入力電力調整器と結合されてそこから整流入力を受け取るバックレギュレータを含むとともに、約２キロヘルツを超える周波数で動作するスイッチング構成要素を含み、電力出力を生成する電力変換器と、
前記電力変換器に出力受電関係で結合されてフィルタ処理急速充電電力出力を生成する誘導性フィルタとを含む、大容量バッテリ用急速充電器。
【請求項２】
前記フィルタ処理急速充電電力出力は約１２から約３００ボルトの範囲の電圧である請求項１に記載の急速充電器。
【請求項３】
前記急速充電器が大容量バッテリに結合されたとき、前記フィルタ処理急速充電電力出力が最大負荷電流の約５％未満のＡＣリプル電流を有する請求項１に記載の急速充電器。
【請求項４】
前記急速充電器が大容量バッテリに結合されたとき、前記フィルタ処理急速充電電力出力が最大負荷電流の約２．５％未満のＡＣリプル電流を有する請求項１に記載の急速充電器。
【請求項５】
前記急速充電器が大容量バッテリに結合されたとき、前記フィルタ処理急速充電電力出力が最大負荷電圧の約０．５％未満のＡＣリプル電圧を有する請求項１に記載の急速充電器。
【請求項６】
前記急速充電器が３０％ＳＯＣで１００アンペア−時間容量を有する大容量バッテリに結合されたとき、少なくとも８０％ＳＯＣに対して１．５時間未満の充電速度を有する請求項１に記載の急速充電器。
【請求項７】
前記スイッチング構成要素が絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項８】
前記スイッチング構成要素がトレンチゲート絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項９】
前記スイッチング構成要素が金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１０】
前記スイッチング構成要素がフライホイールダイオードを含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１１】
前記スイッチング構成要素が約２キロヘルツから約５０キロヘルツの範囲のスイッチング周波数および約１００から約１４００ボルトの範囲のスイッチング電圧で動作するスイッチを含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１２】
前記スイッチング構成要素が約２キロヘルツから約５０キロヘルツの範囲のスイッチング周波数および約１００から約１４００ボルトの範囲のスイッチング電圧、約１５０から約２０００アンペアの範囲のパルス電流で動作するスイッチを含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１３】
前記スイッチング構成要素がバイポーラトランジスタを含む請求項１１に記載の急速充電器。
【請求項１４】
前記スイッチング構成要素が絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）とフライホイールダイオードとを含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１５】
前記急速充電器が、整流ＡＣ入力周波数の実質的な容量フィルタ処理なく前記フィルタ処理急速充電電力出力を生成する請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１６】
前記電力変換器が前記バックレギュレータの動作を調整するように構成されたＰＷＭ回路を含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１７】
前記フィルムコンデンサが一連のコンデンサを含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項１８】
前記フィルムコンデンサが高分子フィルムコンデンサを含む請求項１７に記載の急速充電器。
【請求項１９】
前記高分子フィルムコンデンサがポリプロピレンフィルムコンデンサを含む請求項１８に記載の急速充電器。
【請求項２０】
前記フィルムコンデンサが高リプル電流フィルムコンデンサを含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項２１】
前記急速充電器が大容量バッテリに結合されたとき、前記フィルタ処理急速充電電力出力がピーク電流の約１０％以下のリプル電流を含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項２２】
前記誘電性フィルタが空心チョークインダクタを含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項２３】
前記電力変換器が前記整流入力のＡＣリプル電圧に応答して前記ＰＷＭ回路のデューティサイクルを同期して変動させるように構成された請求項１６に記載の急速充電器。
【請求項２４】
前記電力変換器が前記リプル電圧を連続的に監視するとともにパルス毎に前記ＰＷＭ回路の駆動を調整するように構成された請求項２３に記載の急速充電器。
【請求項２５】
前記電力出力が定ＤＣ電圧を含むように前記電力変換器が３６０ヘルツＡＣリプル成分を除去するように構成された請求項２３に記載の急速充電器。
【請求項２６】
前記電力変換器が前記電力出力の電圧を監視するとともに、（１）それを第１の電圧設定点に対して調整し、さらにそれを第２の電圧設定点における前記電力出力の電流に対して調整するように構成された請求項２３に記載の急速充電器。
【請求項２７】
前記電力変換器が前記電力出力の電圧および電流を監視するともに、それをその設定点に対して調整する一方、３６０ヘルツＡＣリプル電流および電圧を前記電力出力に流すように構成された請求項２３に記載の急速充電器。
【請求項２８】
前記電力変換器が前記電力出力を調整する一方その電力をアナログフィルタ処理するとともにそれを時間平均して前記電力出力の調整を抑えるように構成された請求項２７に記載の急速充電器。
【請求項２９】
前記電力変換器が前記電力出力を調整する一方（ｉ）数値的方法技術および（ｉｉ）所定の制約による制約調整周波数のうちの少なくとも１つにより前記電力出力の調整を抑えるように構成された請求項２７に記載の急速充電器。
【請求項３０】
一定の充電変数条件で時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたプログラム可能コントローラをさらに含み、前記充電変数が充電電圧および充電電流からなる群から選択される請求項１に記載の急速充電器。
【請求項３１】
前記プログラム可能コントローラがＩＶＩ充電プロファイルに従って時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成された請求項３０に記載の急速充電器。
【請求項３２】
前記ＩＶＩ充電プロファイルがバッテリ容量の約５０％までの第１の定電流充電と、前記バッテリが容量の５Ａ／１００Ａｈｒの充電速度に達するまでの第２の定電圧充電と、定格バッテリＡｈｒ容量までの第３の定電流充電とを含む請求項３１に記載の急速充電器。
【請求項３３】
充電電流を所定電流設定点未満に制御するようにプログラム可能に構成されたプログラム可能コントローラをさらに含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項３４】
前記所定電流設定点が約３０アンペア付近である請求項３３に記載の急速充電器。
【請求項３５】
前記スイッチング構成要素のパルス幅スイッチングにより前記充電電流が所定電流設定点未満に維持される請求項３３に記載の急速充電器。
【請求項３６】
前記急速充電器による充電中バッテリの温度を維持する熱管理要素をさらに含む請求項１に記載の急速充電器。
【請求項３７】
前記熱管理要素が（ｉ）前記バッテリの冷却のための流体流出源および（ｉｉ）熱接触して熱を前記バッテリから伝導放散する熱伝導放散要素のうちの少なくとも１つを含む請求項３６に記載の急速充電器。
【請求項３８】
バッテリ充電電力送電部材と、一定の充電変数条件で時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたプログラム可能コントローラとを含み、前記充電変数が充電電圧および充電電流からなる群から選択されるとともに、前記プログラム可能コントローラがＩＶＩ充電プロファイルに従って時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたバッテリ充電器。
【請求項３９】
バッテリ充電電力送電部材と、バッテリ充電電力を生成する電力管理回路が内部に配置された筐体とを含み、前記バッテリ充電電力送電部材が、充電ケーブルを延出使用位置から引込不使用位置まで前記筐体の方向に引き込むとともにバッテリ充電のために前記筐体から広範囲に引き出すことができる引込装置とともに配置された充電ケーブルを含むバッテリ充電器。
【請求項４０】
選択的に点灯可能な発光要素の配列と、バッテリ充電器に接続されたときおよび前記バッテリ充電器によるバッテリの充電中に、バッテリの充電状態に応じて発光を行うために前記点灯要素の数を徐々に増加して作動させるように構成された、前記配列をバッテリ充電器に電気的に結合する回路とを含むバッテリ充電メータ。
【請求項４１】
前記点灯要素の配列が直線であり、その終点がそれぞれ前記バッテリの低／非充電状態および満充電状態の表示により定められた請求項４０に記載のバッテリ充電メータ。
【請求項４２】
前記表示が「Ｅ」および「Ｆ」表示を含む請求項４１に記載のバッテリ充電メータ。
【請求項４３】
バッテリ充電電力送電部材と、バッテリ充電電力を生成する電力管理回路が内部に配置された筐体とを含み、前記筐体が該筐体の内部領域への選択的アクセスのための開閉可能部材を含み、前記開閉可能部材が該前記開閉可能部材が開放されたときに前記電力管理回路内に開回路条件を生成する部材と結合されたバッテリ充電器。
【請求項４４】
ＡＣ入力整流器と結合されたフィルムコンデンサを含む回路内で、整流入力を生じるＡＣ入力整流により入力電力を調整するステップであって、前記フィルムコンデンサが約２キロヘルツを超える周波数で動作するステップと、
バックレギュレータと約２キロヘルツを超える周波数で動作するスイッチング構成要素とを含み電力出力を生成する回路内で前記調整ステップからの電力を変換するステップと、
前記電力出力を誘導的にフィルタ処理してフィルタ処理急速充電電力出力を生成するステップとを含む、大容量バッテリを急速充電する方法。
【請求項４５】
ＩＶＩ充電プロファイルに従って前記バッテリに充電エネルギーを伝送するステップを含む、バッテリを充電する方法。
【請求項４６】
前記ＩＶＩ充電プロファイルがバッテリ容量の約５０％までの第１の定電流充電と、前記バッテリが容量の５Ａ／１００Ａｈｒの充電速度に達するまでの第２の定電圧充電と、定格バッテリＡｈｒ容量までの第３の定電流充電とを含む請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
バッテリ容量の１００アンペア−時間当たり３０アンペアを超える速度でバッテリを充電して、約１．５時間未満内に前記バッテリの充電状態を満充電の３０％から８０％にするステップと、
前記充電中に前記バッテリの温度を１２５°Ｆ未満に維持するステップとを含む、劣化充電状態を有する大容量バッテリを再充電する方法。
【請求項４８】
前記充電中に前記バッテリの温度を１２５°Ｆ未満に維持するステップが、前記バッテリ内の電解質の温度をサーミスタで監視するステップと、前記充電中に充電速度を変更するステップとを含む請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
約１２ボルトから約３００ボルトの範囲の電圧でエネルギーを供給するように構成且つ配された請求項１に記載の急速充電器。
【請求項５０】
バッテリへの前記フィルタ処理急速充電電力出力の供給のために大容量鉛酸バッテリに結合された請求項１に記載の急速充電器。
【請求項５１】
（ａ）ＡＣ入力と、
（ｂ）該ＡＣ入力からのＡＣ電力を整流して整流出力を生成する手段と、
（ｃ）バック構成内の電力切換え回路で切り換えられてインダクタ／コンデンサ出力フィルタになる高周波、高リプル電流コンデンサを含む、前記整流出力を大容量バッテリを充電する変換ＤＣ出力に変換する手段と、
（ｄ）前記整流出力を前記大容量バッテリに伝送するケーブルとを含む、大容量バッテリ用急速充電器。
【請求項５２】
前記手段（ｂ）および（ｃ）が単一の筐体に含まれている請求項５１に記載の急速充電器。
【請求項５３】
前記筐体がアクセスドアを含む請求項５２に記載の急速充電器。
【請求項５４】
前記ドアの開放が前記急速充電器への電力利用を遮断するように前記アクセスドアが前記ＡＣ入力に対する回路遮断器と結合されている請求項５３に記載の急速充電器。
【請求項５５】
前記手段（ｃ）がパルス幅変調回路により駆動される第１の電子スイッチと、該第１のスイッチのパルス幅変調サイクルで該第１のスイッチがオフの時に電流経路を提供する第２の電子スイッチとを含む請求項５１に記載の急速充電器。
【請求項５６】
前記第１の電子スイッチが少なくとも１つの高リプル電流フィルムコンデンサを含む請求項５５に記載の急速充電器。
【請求項５７】
前記第２の電子スイッチがフライホイールダイオードを含む請求項５５に記載の急速充電器。
【請求項５８】
前記手段（ｃ）が前記整流出力を前記変換ＤＣ出力に変換する際に前記整流出力の実質的な容量フィルタ処理を行わない請求項５５に記載の急速充電器。
【請求項５９】
ＡＣ入力の整流およびパルス幅変調により出力充電電力を生成するステップと、前記整流ＡＣ入力波形に応じて前記出力充電電力を変調するステップと、前記整流ＡＣ入力波形のＡＣリプル電圧に比例且つ応じて前記パルス幅変調デューティサイクルを同期変化させて、実質的に定ＤＣ電圧出力充電電力を提供するステップとを含む、大容量バッテリを急速充電する方法。
【請求項６０】
バッテリ充電電力送電部材と、一定の充電変数条件で時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたプログラム可能コントローラとを含み、前記充電変数が充電電圧および充電電流からなる群から選択されるとともに、前記プログラム可能コントローラが所定の充電プロファイルに従って時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたバッテリ充電器。
【請求項６１】
入力ＡＣ電圧の電圧調整用変圧器と、整流バス電圧を生成する整流器とを含む入力部と、
第１の電子スイッチと、該第１の電子スイッチを駆動するパルス幅変調回路と、前記第１のスイッチが前記パルス幅変調回路のパルス幅変調サイクルでオフの状態で電流経路を提供する第２の電子スイッチとを含み、少なくとも１つのフィルムコンデンサが前記第１の電子スイッチおよび出力フィルタ回路をフィルタ処理する一方で前記バス電圧を最小限にフィルタ処理し、調整部が調整電力出力を生成する、前記整流バス電圧を受け取るように構成された調整部と、
前記調整電力出力を受け取るとともに充電電力出力を生成するように構成された前記出力フィルタ回路を含む出力フィルタとを含む、大容量バッテリ用急速充電器。
【請求項６２】
前記第１のスイッチがパワートランジスタを含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項６３】
前記パワートランジスタが約１００ボルトから約１４００ボルトの範囲で電圧を切り換えるとともに少なくとも２キロヘルツの周波数で周波数を切り換えるように構成且つ配されている請求項６２に記載の急速充電器。
【請求項６４】
前記パワートランジスタがＩＧＢＴを含む請求項６２に記載の急速充電器。
【請求項６５】
前記第２のスイッチがフライホイールダイオードを含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項６６】
前記出力フィルタがインダクタと高周波・高リプル電流コンデンサとを含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項６７】
前記パルス幅変調回路が前記充電電力出力を監視する出力トランスデューサと、前記トランスデューサを読み取る制御回路と、前記パルス幅変調回路の出力を調整するコントローラとを含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項６８】
前記少なくとも１つのフィルムコンデンサがポリプロピレンフィルムコンデンサを含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項６９】
バッテリ温度を検知するサーミスタセンサと、前記急速充電器に記憶されるとともに前記サーミスタセンサにより検知されたバッテリ温度に応じて充電条件を変更するように動作構成された充電プログラムとをさらに含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項７０】
前記サーミスタセンサがバッテリの充電中にバッテリの電解質と接触するように構成された請求項６９に記載の急速充電器。
【請求項７１】
前記サーミスタセンサがバッテリの充電中にバッテリのポスト構造との接触を行うように構成された請求項６９に記載の急速充電器。
【請求項７２】
前記サーミスタセンサがバッテリの充電中にバッテリと結合された配線との接触を行うように構成された請求項６９に記載の急速充電器。
【請求項７３】
前記プログラムが充電電圧を変更するように動作構成された請求項６９に記載の急速充電器。
【請求項７４】
前記プログラムが充電電流を変更するように動作構成された請求項６９に記載の急速充電器。
【請求項７５】
バッテリ温度が所定値を超えた場合に前記プログラムが前記急速充電器を遮断するように動作構成された請求項６９に記載の急速充電器。
【請求項７６】
前記出力フィルタ回路が飽和の発生を防止するように構成された磁心インダクタを含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項７７】
前記磁心インダクタが開放型ラミネート鉄心高周波チョークを含む請求項７６に記載の急速充電器。
【請求項７８】
ＡＣ電圧を整流して整流バス電圧を生成するステップと、
第１の電子スイッチと、該第１の電子スイッチを駆動するパルス幅変調回路と、前記第１のスイッチが前記パルス幅変調回路のパルス幅変調サイクルでオフの状態で電流経路を提供する第２の電子スイッチとを含み、少なくとも１つのフィルムコンデンサが前記第１の電子スイッチおよび出力フィルタ回路をフィルタ処理する一方で前記バス電圧を最小限にフィルタ処理して調整電力出力を生成する、回路を調整することにより前記整流バス電圧を調整するステップと、
前記調整電力出力をフィルタ処理して前記大容量バッテリの急速充電のための充電電力出力を生成するステップとを含む、大容量バッテリの急速充電方法。
【請求項７９】
前記入力ＡＣ電圧が三相電力入力電圧であるとともに、前記パルス幅変調サイクルが前記整流ＡＣ入力波形のＡＣリプル電圧に応じて変調される請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
ＡＣリプル成分が前記充電電力出力から実質的に除去される請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記急速充電が図１１のフローチャートによる制御技術に従って制御される請求項７８に記載の方法。
【請求項８２】
前記急速充電が図１２のフローチャートによる制御技術に従って制御される請求項７８に記載の方法。
【請求項８３】
前記急速充電が図１４のフローチャートによる制御技術に従って制御される請求項７８に記載の方法。
【請求項８４】
少なくとも１つの停電流ステップと少なくとも１つの定電圧ステップとを含むステップの段階的進行で前記急速充電を行うステップを含む請求項７８に記載の方法。
【請求項８５】
第１の定電流ステップと、第２の定電圧ステップと、第３の定電流ステップとを含む請求項８４に記載の方法。
【請求項８６】
前記第１のステップが、前記バッテリをその容量の約５０％まで定電流で充電するステップを含む請求項８５に記載の方法。
【請求項８７】
前記第２のステップが、前記バッテリが前記バッテリ容量の５Ａ／１００Ａｈｒの充電速度に達するまで前記バッテリを定電圧で充電するステップを含む請求項８６に記載の方法。
【請求項８８】
前記第３のステップが、前記バッテリをその定格Ａｈｒ容量まで定電流で充電するステップを含む請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前記バッテリが前記第２のステップの最後に約９０％ＳＯＣである充電状態を有する請求項８７に記載の方法。
【請求項９０】
バッテリの急速充電中の前記バッテリの温度を１２５°Ｆ未満に維持するステップをさらに含む請求項７８に記載の方法。
【請求項９１】
前記温度を維持するステップが前記バッテリ上の冷却空気の流動を含む請求項９０に記載の方法。
【請求項９２】
前記温度を維持するステップが、充電に伴う温度上昇を１２５°Ｆを超えてバッテリ温度を上昇させるレベル未満に維持するように充電条件を調整するステップを含む請求項９０に記載の方法。
【請求項９３】
前記温度を維持するステップが、前記バッテリ内の電解質の温度を監視するステップと、充電条件を応答的に調整してバッテリ温度を１２５°Ｆ未満に維持するステップとを含む請求項９０に記載の方法。
【請求項９４】
２個以上のバッテリが同時に充電される請求項７８に記載の方法。
【請求項９５】
前記バッテリが開放型鉛酸バッテリと密閉型バッテリからなる群から選択される請求項７８に記載の方法。
【請求項９６】
前記引込装置が引張りリールを含む請求項３９に記載のバッテリ充電器。
【請求項９７】
前記引込装置が前記充電ケーブルの引込みを行うために平衡錘と結合されたプーリを含む請求項３９に記載のバッテリ充電器。
【請求項９８】
前記急速充電器に記憶されるとともに、前記整流ＡＣ入力波形のＡＣリプル電圧に応じて前記パルス幅変調回路のパルス幅変調サイクルを調整するように動作構成された充電プログラムをさらに含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項９９】
前記調整部を制御して所定の充電電力出力を生成するとともに、（１）バッテリ電圧、（２）バッテリ容量、（３）最大充電速度、（４）充電アルゴリズム、および（５）バッテリ充電を仕上げおよび等化する設定時刻からなる群から選択された少なくとも１つの可変動作パラメータに対して前記急速充電器の動作を調整するように構成された、前記急速充電器に記憶されたプログラムをさらに含む請求項６１に記載の急速充電器。
【請求項１００】
前記急速充電器に記憶されるとともに、前記急速充電器の充電動作ステップの選択的制御用に構成されたプログラムをさらに含み、前記充電動作ステップが（ａ）バッテリパラメータ設定、（ｂ）バッテリ充電の仕上げおよび等化、（ｃ）時刻および日付の設定、（ｄ）遅延開始、（ｅ）バッテリ温度検知（イエス／ノー）、（ｆ）較正係数、および（ｇ）通常の充電プログラムへの退出／復帰とを含む請求項６１に記載の急速充電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、ジョンＦ．エイカー（Ｊｏｈｎ  Ｆ．Ａｋｅｒ）およびジェームズＲ．ウエイド（Ｊａｍｅｓ  Ｒ．Ｗａｄｅ）の名において「バッテリ駆動フォークリフト用小型バッテリ充電器等（ＣＯＭＰＡＣＴ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＣＨＡＲＧＥＲ  ＦＯＲ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＯＰＥＲＡＴＥＤ  ＦＯＲＫＬＩＦＴＳ  ＡＮＤ  ＴＨＥ  ＬＩＫＥ）」に対して２００１年１１月２日に出願された米国特許仮出願第６０／３３６，３９６号明細書の米国特許法第１１９条の元に優先権を主張する。上記出願の開示の全体を本明細書に引用して援用する。
【０００２】
発明の分野
本発明は大容量バッテリの急速充電に関し、特に大容量バッテリを急速充電する装置および電気回路、バッテリ充電方法、急速充電中の大容量バッテリへの電圧および電流の供給を制御する方法およびソフトウエアに関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
本明細書において「急速充電」とは、バッテリ容量の１００アンペア−時間（「Ａｈｒｓ」）当たり３０アンペアを超える速度でバッテリを充電することを指す。急速充電の目的はバッテリの充電状態（「ＳＯＣ」）を約１．５時間足らずで満充電の３０％から８０％にすることである。従来のバッテリ充電器は一般にバッテリ容量の１００Ａｈｒ当たり２０Ａ以下の充電速度で動作するが、これらの充電速度は充電サイクルの早期に低下するとともにバッテリを満充電まで回復するのに８〜１２時間必要な場合がある。
【０００４】
以前は従来の充電器では再充電するのに要する時間のため、バッテリ駆動機器を連続使用しなければならない場合に大容量バッテリのユーザに非常に不便な思いをさせていた。本明細書において「大容量バッテリ」とは約１００Ａｈｒ容量より大きいバッテリを指す。例えば、フォークリフト、電気自動車等などのバッテリ駆動運搬機器の産業ユーザは再充電のために、概して施設から距離のある中央バッテリ室において、バッテリを交換して車両から移動させなければならなかった。そのため従来の充電は産業ユーザにとって多くの不都合を生じている。非生産的作業に対する被雇用時間の損失、施設内の通常の作業区域からの余分なトラック運行および重いバッテリの取り扱いの必要性による安全性の問題、機器１個当たりに必要な２個以上のバッテリに対する設備投資の増加、および低ＳＯＣでのバッテリ駆動機器の動作のため大電流となり車両の維持費が増加する。急速充電はバッテリ交換をなくすことにより従業員の生産力を高め、バッテリ交換のための施設移動および重いバッテリの頻繁な取り扱いの必要性をなくすことにより安全性を高め、１：１のバッテリ対機器比を設けることにより設備投資を低減し、さらにバッテリを高ＳＯＣで動作させるため車両保全費を低減するという可能性を有する。
【０００５】
電気ゴルフカートなどの大容量バッテリのレクリエーション・ユーザは使用済みカートを翌日まで充電ステーションに置いておくことが必要な低速充電器に我慢しなければならなかった。急速充電によって約１．５時間足らずでカートが使用可能にすることができる。この能力によってレクリエーション営業に必要なカートの総数が減るため設備投資も大幅に削減することができる。
【０００６】
大容量バッテリの自動車ユーザも自分の電気自動車のバッテリを補強する急速再充電速度を享受することができることによりバッテリの急速充電による恩恵を受けることができる。車庫での急速充電は帰宅後のファミリーカーを補強して夕方にショッピングモールやサッカー場に運転していくことができるが、これは急速充電がなければ不可能である。パーキングエリヤでの急速充電器は自動車のバッテリを高ＳＯＣレベルに回復させるために利用することができる。
【０００７】
急速充電は、バッテリを実際に電気化学「ガスタンク」にすることによって我々の生活様式を変えることも可能である。急速充電バッテリ技術が進歩してより速い充電速度に適応する可能性を備えたバッテリが利用可能になるにつれ、より強力な急速充電がさらに望ましくなる。急速充電はバッテリ再充電時間を劇的に低減するとともに電動力用途の実現技術となる可能性を有する。
【０００８】
現在利用可能な大多数の高速充電器は２つの種類−鉄共振型およびシリコン制御整流器（ＳＣＲ）位相制御に分類される。これらの充電器は入力部と、電力変換部と、出力部とを含んでいる。入力部は入力三相電源電圧を受けるとともに電力変換部に接続するためにこの入力を調整する。電力変換部は接続入力を所望の出力電圧に変換する。最後に出力部が電力変換部からの電圧を整流ダイオードおよび適用可能であればフィルタと接続する。
【０００９】
図１（先行技術）は先行技術の典型的三相ＡＣ入力鉄共振型充電回路１０を示す。この回路は１つの一次回路と２つの二次回路とを備えた入力変圧器を含む。一方の二次回路は図示のように共振巻線１を備えたＲＣ回路であり、他方の二次回路は整流ダイオード３を介してバッテリに接続された巻線２を含む。この変圧器は１つのバッテリ電圧のみ充電するように構成されている。
【００１０】
上述の鉄共振型充電器にはその実用性を制限する数々の固有の欠陥がある。ユーザが２個以上のバッテリを有し、それらが同じ電圧でない場合、２つの異なる鉄共振型充電器が必要になる。他の固有の問題は様々なバッテリの異なるアンペア−時間定格である。鉄共振型充電器を調整して様々なアンペア−時間定格に適応させるためには手動での変更が必要になるため、充電作業の時間と煩雑さが増す。加えて異なるＡｈｒバッテリ定格に適応するためのこのような変更のため選択範囲が制限される。鉄共振型充電器の特徴である出力電圧の限定制御により最大充電速度が充電サイクル全体を通して達成されなくなる。さらに鉄共振型充電器は電源電圧変動を補償する有効な修正動作を行うことができない。充電器の出力が鉄共振型変圧器により整流されるため、大きなＡＣ電圧がバッテリに供給される。このＡＣ成分はバッテリ内に過剰な熱を発生するとともに、高速充電に鉄共振型充電器を適用する際に特に懸案となる熱管理問題をもたらす。変圧器の一次および二次回路に加えて鉄共振型充電器の整流ダイオードに自己発熱が生じる。鉄共振型充電回路（図１参照）において、共振二次巻線１はエネルギーすべてを抵抗−容量内に加えるためバッテリへのエネルギー供給に寄与しない。これらの様々な欠点のため鉄共振型充電回路は動作が不十分であり、電圧出力が変更できず、充電プロファイルが最良ではない。
【００１１】
従来の充電器の次に主要なタイプはシリコン制御整流器（ＳＣＲ）位相制御充電器であり、電気的概略図が図２（先行技術）に示されている。ＳＣＲ充電器は図２のＡＣ入力調整モジュール１２に入るように示されている三相電源電圧を受けて、この入力をＳＣＲスイッチマトリックス２０を含む電力変換部に接続する。位相コントローラ／ドライバ・モジュール１４に結合されたＳＣＲスイッチマトリックスは、入力を出力部に入る出力波形に変換するが、出力部は大きな誘導性フィルタ２１を含むため好適である。ＳＣＲマトリックスは所望の出力を得るように位相制御されるため、出力インダクタは３６０ヘルツひずみＡＣ波形をフィルタ処理しなければならない。この状況によりインダクタが大きく且つ高価なものになってしまう。小型の安価なインダクタを採用した場合、さらに充電器からのＤＣ電圧に重畳した３６０ヘルツＡＣリプル成分がバッテリ負荷内の発熱を引き起こすとともに充電器の力率を低下させることになる。ＡＣ成分は事実上バッテリの内部抵抗の付加熱源として機能する。
【００１２】
ＳＣＲ充電器はＳＣＲスイッチマトリックスの位相制御によって多数の電圧出力に対応することができる。変圧器出力電圧を選択することにより予想最高電圧バッテリを効果的に充電する。その結果、このような充電器の力率は充電器が低電圧バッテリを充電するために使用されると悪影響を受ける。図２ＡはＳＣＲスイッチマトリックス位相制御デューティサイクルを表示するとともに、低電圧バッテリに対してＳＣＲスイッチマトリックス位相制御デューティサイクルを低減しなければならず（波形２２を参照）、今度はこの低減が力率を大きく低下させることを示している。この結果生じる低力率がバッテリに供給される真の電力に比例して大電流をＡＣ入力ラインから引き出すことになる。
【００１３】
さらに、ＳＣＲスイッチマトリックスは２つのＳＣＲスイッチが常にオンであることが必要である。ＳＣＲによる充電器は定常状態とスイッチングロスの両方を経験するため全体の効率が低下する。またさらにＳＣＲ整流要件は他の回路要素に対して大電流ＶＡ定格を要求するとともに、ＳＣＲ回復時間が獲得可能最大スイッチング周波数を大幅に減らす。このようなＳＣＲシステムにおいてダイオード回復問題を生じることなく電流伝達を達成するためにはスナバインダクタおよびＲＣネットワークが必要である。制御すべき多数のＳＣＲ（例えば、図２に示した例示的システムでは６個）があるためＳＣＲスイッチマトリックス用の駆動制御回路は複雑且つ高価である。最後に、位相反転がＳＣＲスイッチマトリックスエラーを生じるため、位相反転を防止するために入力三相ＡＣ電源を正しい順序で接続しなければならない。
【００１４】
フルブリッジ回路を急速充電用途として考えると、大きい変圧器が必要ないため小型の充電器製造に有力な可能性があるように見える。しかし数多くの産業用途で要求される超大容量バッテリ（＞６００Ａｈｒ容量）に必要な電力レベルの達成に問題が残る。フルブリッジ回路は４個のスイッチを使用するとともに、高電圧を切り換える時に、この回路は高電圧装置の低スイッチング速度特性と発熱に関連する問題の影響を受けやすい。さらに十分に絶縁されていないため線間電圧の過渡現象がスイッチを破壊することもある。
【００１５】
「バック」レギュレータ回路が標準速度充電用途用バッテリ充電器内にあることは周知である。この「バックレギュレータ」および「バックコンバータ」という用語を本明細書において区別なく使用する。しかし大容量バッテリの急速充電用バックレギュレータシステムの設計は達成されておらず、これまで未解決である数々の技術的課題に直面している。利用可能な三相電力を高速充電に適応した方法で変圧、整流、切換、フィルタ処理しなければならない。スイッチング要件に関しては、高周波数（例えば、約５０００Ｈｚを超える）で大電流を切り換えるスイッチは容認不可能な発熱に関係していることが特徴であり、低周波数で動作するスイッチには容認不可能な大きく且つ高価なフィルタが必要である。さらに大容量バッテリの急速充電に必要とされる電流は非常に高く、例えば数百アンペアであるため、ＡＣ入力整流回路に必要な電解コンデンサに関連する無数の問題を生じる。大容量バッテリ充電の場合、これらのコンデンサはパルス電流供給能力が非常に低く例えば各々約３０Ａ程度になるように大きくなければならず、これらのコンデンサはこのような条件下で高インダクタンスを生じるため高周波数で有効とは言えない。このようなコンデンサが小さいサイズで高い周波数応答性を提供する場合、コンデンサはさらに小さい電流対応能力、例えば各々約５Ａ未満を有するため、大容量バッテリの急速充電に対するパルス電流および周波数応答要件を満足させるためには１００を超えるこのようなコンデンサが必要になる。その結果得られるバス構造は非常に大きく且つ誘導的であるためその構築は実現不可能である。さらにサイズが大きくても小さくてもこのようなコンデンサを用いることにより力率が低下する。
【００１６】
当該技術はこれらの問題に直面しており、真に価値のある急速充電技術を達成することが不可能であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従って当該技術は依然として大容量バッテリ用の効率的且つ実用的な急速充電器を必要としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
発明の概要
本発明は一般に大容量バッテリの急速充電、および急速充電システムに関連する方法およびフィーチャに関する。
【００１９】
一態様において本発明は、
整流入力を生じるＡＣ入力整流器と、上記ＡＣ入力整流器と結合されたフィルムコンデンサとを含み、上記フィルムコンデンサが約２キロヘルツを超える周波数で動作する入力電力調整器と、
上記入力電力調整器と結合されてそこから整流入力を受け取るバックレギュレータを含むとともに、約２キロヘルツを超える周波数で動作するスイッチング構成要素を含み、電力出力を生成する電力変換器と、
上記電力変換器に出力受電関係で結合されてフィルタ処理急速充電電力出力を生成する誘導性フィルタとを含む、大容量バッテリ用急速充電器に関する。
【００２０】
本発明のさらなる態様は、バッテリ充電電力送電部材と、一定の充電変数条件で時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたプログラム可能コントローラとを含み、上記充電変数が充電電圧および充電電流からなる群から選択されるとともに、上記プログラム可能コントローラが所定の充電プロファイルに従って時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたバッテリ充電器に関する。
【００２１】
本発明の他の態様は、バッテリ充電電力送電部材と、一定の充電変数条件で時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたプログラム可能コントローラとを含み、上記充電変数が充電電圧および充電電流からなる群から選択されるとともに、上記プログラム可能コントローラがＩＶＩ充電プロファイルに従って時間変動充電を制御するようにプログラム可能に構成されたバッテリ充電器に関する。
【００２２】
本発明のさらなる態様は、バッテリ充電電力送電部材と、バッテリ充電電力を生成する電力管理回路が内部に配置された筐体とを含み、上記バッテリ充電電力送電部材が、充電ケーブルを延出使用位置から引込不使用位置まで上記筐体の方向に引き込むとともにバッテリ充電のために上記筐体から広範囲に引き出すことができる引込装置とともに配置された充電ケーブルを含むバッテリ充電器に関する。
【００２３】
他の態様において本発明は、選択的に点灯可能な発光要素の配列と、バッテリ充電器に接続されたときおよび上記バッテリ充電器によるバッテリの充電中に、バッテリの充電状態に応じて発光を行うために上記点灯要素の数を徐々に増加して作動させるように構成された、上記配列をバッテリ充電器に電気的に結合する回路とを含むバッテリ充電メータに関する。
【００２４】
本発明のさらに他の態様は、バッテリ充電電力送電部材と、バッテリ充電電力を生成する電力管理回路が内部に配置された筐体とを含み、上記筐体が該筐体の内部領域への選択的アクセスのための開閉可能部材を含み、上記開閉可能部材が該上記開閉可能部材が開放されたときに上記電力管理回路内に開回路条件を生成する部材と結合されたバッテリ充電器に関する。
【００２５】
本発明は一方法態様において、
ＡＣ入力整流器と結合されたフィルムコンデンサを含む回路内で、整流入力を生じるＡＣ入力整流により入力電力を調整するステップであって、上記フィルムコンデンサが約２キロヘルツを超える周波数で動作するステップと、
バックレギュレータと約２キロヘルツを超える周波数で動作するスイッチング構成要素とを含み電力出力を生成する回路内で上記調整ステップからの電力を変換するステップと、
上記電力出力を誘導的にフィルタ処理してフィルタ処理急速充電電力出力を生成するステップとを含む、大容量バッテリを急速充電する方法に関する。
【００２６】
本発明の他の方法は、ＩＶＩ充電プロファイルに従って上記バッテリに充電エネルギーを伝送するステップを含む、バッテリを充電する方法に関する。
【００２７】
さらなる態様において本発明は、
バッテリ容量の１００アンペア−時間当たり３０アンペアを超える速度でバッテリを充電して、約１．５時間未満内に上記バッテリの状態を満充電を３０％から８０％にするステップと、
上記充電中に上記バッテリの温度を１２５°Ｆ未満に維持するステップとを含む、劣化充電状態を有する大容量バッテリを再充電する方法に関する。
【００２８】
本発明のさらに他の態様は、
（ａ）ＡＣ入力と、
（ｂ）該ＡＣ入力からのＡＣ電力を整流して整流出力を生成する手段と、
（ｃ）バック構成内の電力切換え回路で切り換えられてインダクタ／コンデンサ出力フィルタになる高周波、高リプル電流コンデンサを含む、上記整流出力を大容量バッテリを充電する変換ＤＣ出力に変換する手段と、
（ｄ）上記整流出力を上記大容量バッテリに伝送するケーブルとを含む、大容量バッテリ用急速充電器に関する。
【００２９】
本発明のさらなる態様は、ＡＣ入力の整流およびパルス幅変調により出力充電電力を生成するステップと、上記整流ＡＣ入力波形に応じて上記出力充電電力を変調するステップと、上記整流ＡＣ入力波形のＡＣリプル電圧に比例且つ応じて上記パルス幅変調デューティサイクルを同期変化させて、実質的に定ＤＣ電圧出力充電電力を提供するステップとを含む、大容量バッテリを急速充電する方法に関する。
【００３０】
本発明のさらに他の態様は、
入力ＡＣ電圧の電圧調整用変圧器と、整流バス電圧を生成する整流器とを含む入力部と、
第１の電子スイッチと、該第１の電子スイッチを駆動するパルス幅変調回路と、上記第１のスイッチが上記パルス幅変調回路のパルス幅変調サイクルでオフの状態で電流経路を提供する第２の電子スイッチとを含み、少なくとも１つのフィルムコンデンサが上記第１の電子スイッチおよび出力フィルタ回路をフィルタ処理する一方で上記バス電圧を最小限にフィルタ処理し、上記調整部が調整電力出力を生成する、上記整流バス電圧を受け取るように構成された調整部と、
上記調整電力出力を受け取るとともに充電電力出力を生成するように構成された上記出力フィルタ回路を含む出力フィルタとを含む、大容量バッテリ用急速充電器に関する。
【００３１】
本発明の他の方法態様は、
ＡＣ電圧を整流して整流バス電圧を生成するステップと、
第１の電子スイッチと、該第１の電子スイッチを駆動するパルス幅変調回路と、上記第１のスイッチが上記パルス幅変調回路のパルス幅変調サイクルでオフの状態で電流経路を提供する第２の電子スイッチとを含み、少なくとも１つのフィルムコンデンサが上記第１の電子スイッチおよび出力フィルタ回路をフィルタ処理する一方で上記バス電圧を最小限にフィルタ処理して調整電力出力を生成する、回路を調整することにより上記整流バス電圧を調整するステップと、
上記調整電力出力をフィルタ処理して上記大容量バッテリの急速充電のための充電電力出力を生成するステップとを含む、大容量バッテリの急速充電方法に関する。
【００３２】
本発明の他の態様、特徴および実施形態は続く開示および添付の請求項からさらに完全に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
発明および好ましい実施形態の詳細な説明
概要
本発明の急速充電器は大容量バッテリ用の効率的且つ実用的な急速充電器を提供する。
【００３４】
本発明の様々な態様および特色を理解する手段として、本発明の特徴として理想的な急速充電システムの特性を検討するとよい。
【００３５】
このような急速充電器は機器を変更せずに異なるアンペア−時間定格のバッテリを充電することができるため、所定の状況に存在する様々なタイプの大容量バッテリのいずれにも１つの充電器を用いることができる。理想的な急速充電器は産業環境では非常に一般的である電源電圧変動にあまり影響されない。このような充電器には力率および効率を犠牲にすることなく様々な異なるバッテリ電圧を充電する能力がある。大容量バッテリ用の理想的な急速充電器は従来のＳＣＲ充電器の位相反転問題を回避する。そのためこのような充電器は数千ヘルツの範囲の高スイッチング周波数が可能であり、このため「クリーンな」（低ＡＣ含有）ＤＣ電流出力を提供してバッテリ発熱を最小限に抑えつつ比較的小さく且つ低価格の出力ローパスフィルタを採用することが可能である。
【００３６】
力率、すなわち実効電力対皮相電力の比は、キロワットｉｎ／ボルト−アンペアｉｎとして算出することが可能であるとともに、バッテリ充電器の電力効率を判定する際の基礎係数である。そのため力率は大容量バッテリを充電するために非常に重要な問題点になる。過渡現象およびスイッチング損失がより顕著になるこのような急速充電方式で必要な大電流および周波数に対処できる利用可能な要素が数少ないため、所望の高力率を達成することは大容量バッテリの急速充電には特に難問である。大容量バッテリ用の理想的な急速充電器はバッテリ電圧の変化に関係なく高力率を有する。さらにこの充電器は、スナバ回路が必要とする追加コストおよび電力浪費のためにその使用を最小限に抑えた状態で、充電サイクル全体にわたって最大充電速度を維持することができる。
【００３７】
大容量バッテリが有用である通常の環境、例えば産業、レクリエーション、家庭環境では、急速充電器の単純な操作およびメンテナンスが望ましい。理想的な急速充電器はいかなる場合にも、急速、さらには「１工程」メンテナンスが可能であるため、修復には長時間の中断時間や高度な診断は必要ない。
【００３８】
大容量バッテリ用の理想的な充電器の制御方法により充電器が柔軟に、例えば異なるアンペア−時間定格および異なる電圧で使用できるとともに、充電サイクルを通して最適な充電プロファイルの維持できる。
【００３９】
本発明はこのような基準を満たすとともに、大容量バッテリ用の高性能急速充電器と大容量バッテリを急速充電する方法とを提供する。
【００４０】
本発明の急速充電器は約１２〜約３００ボルトの範囲の電圧のエネルギーを供給する産業用鉛蓄電池などの大容量バッテリの急速充電に有効に利用できる。急速充電器は、高周波・高リプル電流コンデンサで最小限にフィルタ処理された任意の力率補正入力を有する一相あるいは好適には三相の整流ＡＣ入力を含むと好ましく、「バック」構成内の電力切換え回路でインダクタ／コンデンサ出力フィルタに切り換えられる。
【００４１】
「バック」レギュレータ構成において、変圧器を介してＡＣ電圧を変換して適正な電圧レベルにした後整流する。この整流された「バス」電圧はその後最小限にフィルタ処理されて、パルス幅変調回路により駆動される第１の電子スイッチによってＬＣ出力フィルタに切り換えられるが、第１のスイッチがＰＷＭサイクルでオフの時に第２の電子スイッチ、例えばフライホイールダイオードが電流経路を提供する。高周波スイッチおよび出力フィルタ回路を適正にフィルタ処理しつつバス電圧を最小限にフィルタ処理する整流器に使用されているコンデンサは低静電容量で大電流に対処できるタイプである。リプル電流はＤＣオフセットを有する電圧のＡＣ信号要素を表わす。本明細書で使用するように「高リプル電流コンデンサ」とは大電流に対処可能であるとともに、その有効直列抵抗（ＥＳＲ）が低いためコンデンサに大きなリプル電流が流れても殆ど発熱しないコンデンサを指す。旧来の電解コンデンサは中程度の電流容量を有しているが（例えば、このようなタイプの１５，０００μＦコンデンサは１２０ヘルツでの約３５アンペアのリプル能力、すなわち約２．３ｍＡ／μＦを有する場合がある）、ＥＳＲは通常十分に高いため実質的なＡＣ／リプル電流が通過可能な場合には発熱して、結局その構成要素が故障することになる。
【００４２】
以前のバッテリ充電器はこれまでバッテリに高ＡＣリプル電流が供給されていた。本発明は改善力率を可能にする最小限フィルタ処理ＡＣ入力整流部を提供する。高リプル電流コンデンサは以下にさらに詳述するように整流ＡＣ入力周波数を殆ど影響を受けないようにしつつスイッチ過渡保護を提供する。本発明の実行において入力ＡＣバスを軽くフィルタ処理する。その代わりに出力ＡＣがフィルタ処理されて以下に説明するように、より高い周波数および低周波数ＡＣリプル成分の殆どをフィルタ処理することによってＡＣリプルが最大出力の２．５％未満にまで制限される。
【００４３】
本発明の一態様において、大電流出力を有する大容量バッテリ用の急速充電器が提供される。この充電器は整流器を含む入力調整回路と、大電流対応、高リプル電流コンデンサと、ＰＷＭ制御回路を備えた第１および第２の電子スイッチを含むバックレギュレータと、適正サイズのインダクタ／コンデンサ（ＬＣ）出力フィルタとを含み、出力コンデンサが大電流コンデンサである。入力調整回路は適切な入力ＡＣ電圧を整流器に提供する変圧器を含むことができる。この入力ＡＣ電圧は整流されるとともに最小限にフィルタ処理される。高周波数、例えば２〜５０キロヘルツで動作可能な高リプル電流コンデンサはこのスイッチをフィルタ処理する。高リプル電流コンデンサは、過渡スイッチ保護およびバックレギュレータに対するリプル電流要件を提供しつつ整流３６０ヘルツＡＣ成分を最小限にフィルタ処理する大きさに形成されているため、大幅な力率改善の達成が可能になる。
【００４４】
バックレギュレータの電子スイッチは、パワートランジスタから選択された第１のスイッチとフリーホイーリングダイオードから選択された第２のスイッチとを含むことが好ましい。この第１のスイッチはハイパワートランジスタ、例えば大電力性能を有するＭＯＳＦＥＴおよびバイポーラトランジスタから選択することが好ましい。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は必要なサイズおよびスイッチング周波数、例えば約１００Ｖ〜１４００Ｖ、好適には約３００Ｖ〜約１２００Ｖで、約２キロヘルツ〜約５０キロヘルツ以上の範囲の周波数でのスイッチングで利用可能な好適な大電力スイッチである。周波数および電圧を考慮するとバイポーラトランジスタの利用がよいが、約１００Ｖ以下のバス電圧を使用する実施形態にＭＯＳＦＥＴを用いることができる。第１のスイッチはトレンチ−ゲートＩＧＢＴであるとさらに好ましく、第２のスイッチは高速ソフトリカバリ・フライホイールダイオードであるとさらに好ましい。トレンチ−ゲートＩＧＢＴは効率的であるとともに急速充電に要求される大電流出力での高周波スイッチングを可能にする。高周波動作は必要な出力フィルタサイズを最小限に抑える。出力フィルタはインダクタと高周波・高リプル電流コンデンサとで構成される。適切なコンデンサを選択するとともにインダクタを適切なサイズに形成することにより、高度フィルタ処理済み直流電流（ＤＣ）出力が実現できる。パルス幅変調（ＰＷＭ）回路は出力を測定するトランスデューサと、トランスデューサを読み取る制御回路と、ＰＷＭ信号を調整するコントローラとをＩＧＢＴバックレギュレータに結合させる。
【００４５】
スイッチング速度の制限なくソリッドステートスイッチを本発明の実行に採用できることは理解できよう。高速スイッチング速度では入力および出力フィルタを小さくできる。高温例えば３００℃程度の温度で、１０〜５０キロヘルツの周波数で動作可能な炭化シリコン（ＳｉＣ）ショットキーダイオードなどの他のタイプのフライホイールダイオードを採用することができるため、より小さな出力インダクタを採用することができるとともに入力端子の静電容量を低減することが可能であり、さらにはデジタル信号処理論理構成要素を、例えば２５０キロヘルツ程度以上である高スイッチング速度に呼応した高速（例えばメガヘルツ）で動作させることが可能である。
【００４６】
変圧器が良好な絶縁を提供するため、急速充電器はフルブリッジによる充電器ほど電源過渡電圧変動に影響されない。さらにアクティブスイッチング要素のおかげで、本発明の急速充電器は電源電圧変動に関して鉄共振型充電器より性能が明らかに優れている。
【００４７】
一態様において、高周波・高リプル電流金属化ポリプロピレンフィルムコンデンサを含む入力調整回路と、ＩＧＢＴ、好適にはトレンチゲートＩＧＢＴとフライホイールダイオード、好適には高速ソフトリカバリ・フライホイールダイオードとを含むバックレギュレータと、当該技術で周知のＰＷＭ制御回路と、適正サイズに形成されたインダクタ−コンデンサ（ＬＣ）出力フィルタとを有する、大電流出力を有するＡＣからＤＣへのバッテリ充電器が提供される。入力調整回路は、バックレギュレータに対して適正なＡＣ電圧レベルを得る変圧器を含むことができる。そしてこのＡＣ電圧を高周波・高リプル電流フィルムコンデンサで整流してフィルタ処理する。このフィルムコンデンサを、過渡スイッチ保護およびバックレギュレータに対するリプル電流要件を提供しつつ整流３６０ヘルツＡＣ成分フィルタ処理を最小限にする大きさに形成する。このようにしてこの充電器は実質的に良好な力率を有することができる。好適なＩＧＢＴはトレンチゲート設計構造を備えた装置である。この効率的な装置により急速充電に要求される高電力出力での高周波スイッチングが可能になる。高周波動作は入力および出力フィルタサイズを最小限に抑える。出力フィルタはインダクタと高周波高リプル電流フィルムコンデンサで構成される。フィルムコンデンサおよびインダクタサイジングにより、実質的に純粋な直流（ＤＣ）出力を実現できる。パルス幅変調（ＰＷＭ）回路は出力を測定するトランスデューサと、トランスデューサを読み取る制御回路と、その後ＰＷＭ信号を調整するコントローラとをＩＧＢＴバックレギュレータに結合する。
【００４８】
バックレギュレータ用の好適なスイッチとしてのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の使用に関連して以後本発明を説明するが、本発明がそのように限定されないこと、さらにバックレギュレータスイッチに必要な大電力／高スイッチング周波数条件での動作に適応した他のスイッチおよびスイッチ構成要素を用いてもよいことは理解できよう。代替スイッチの例にはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）および他の好適なトランジスタがある。
【００４９】
本発明の実行に有用な金属化フィルムコンデンサには、ポリプロピレンあるいは他の高分子材料（例えば、ポリエチレン、ポリブチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリビニルブチラール、ポリスルホン等）などの膜材料を始めとする任意の好適なタイプがあるが、ポリプロピレンフィルムコンデンサが現在好適である。特に好適な金属化フィルムコンデンサは、米国０６４８４コネチカット州シェルトン、グリニッチ１のビシェイ・アメリカ・インク（Ｖｉｓｈａｙ  Ａｍｅｒｉａｓ，Ｉｎｃ．（Ｏｎｅ  Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ  Ｐｌａｃｅ，Ｓｈｅｌｔｏｎ，Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ，０６４８４  ＵＳＡ，Ｅ−ｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｖｉｓｈａｙ．ｃｏｍ））から入手可能なＧＭＫＰ−６００−６００−ＩＢＲＸフィルムコンデンサである。
【００５０】
本発明の急速充電器での使用に適した多種多様なフィルムコンデンサが入手可能であり、例えば米国ニュージャージー州イートンタウンのエレクトロニック・コンセプツ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｃｅｐｔｓ（Ｅａｔｏｎｔｏｗｎ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ，Ｅ−ｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｅｃｉ−ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ．ｃｏｍ））、米国２９５７８−０８６７サウスカロライナ州マートルビーチ、南１７条８０１のＡＶＸコーポレーション（ＡＶＸ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（８０１  １７ｔｈ  Ａｖｅ．Ｓｏｕｔｈ，Ｍｙｒｔｌｅ  Ｂｅａｃｈ，Ｓｏｕｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ  ２９５７８−０８６７  ＵＳＡ，Ｅ−ｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ａｖｘｃｏｒｐ．ｃｏｍ））、イタリア国モンザ（ミラノ）２００５２ビアイソンゾ１０のＩＣＡＲスパ（ＩＣＡＲ  ｓｐａ（Ｖｉａ  Ｉｓｏｎｚｏ  １０，２００５２  ＭＯＮＺＡ（Ｍｉｌａｎｏ），ＩＴＡＬＹ））、および米国０６４８４コネチカット州シェルトン、グリニッチ１のビシェイ・アメリカ・インク（Ｖｉｓｈａｙ  Ａｍｅｒｉａｓ，Ｉｎｃ．（Ｏｎｅ  Ｇｒｅｅｎｗｉｃｈ  Ｐｌａｃｅ，Ｓｈｅｌｔｏｎ，Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ，０６４８４  ＵＳＡ，Ｅ−ｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｖｉｓｈａｙ．ｃｏｍ））から入手可能なフィルムコンデンサがある。
【００５１】
金属化フィルムコンデンサにはマイクロファラッド当たり非常に高い電流対応能力、例えばマイクロファラッド当たり数十アンペアを有し、その結果良好な高周波数応答性を有する。このようなコンデンサにより電力用電子スイッチング装置を備えたコンデンサを組み込む低インダクタンス、小型バス構造の形成が可能になる。意外にもパルス電流に対応するように設計されたバスはさらなる恩恵をもたらし、整流バスにある低静電容量のため高力率が達成された。力率算出は当該技術に周知の技術により行うことができる。
【００５２】
高パルス電流金属化フィルムコンデンサをバックコンバータによる急速充電回路に組み込むことにより、急速充電器が最小入力静電容量で高周波数で動作可能になる。高周波数動作がより小型の出力フィルタを可能にするとともに出力リプル電圧および電流を最小限に抑える。低バス静電容量／ＡＣ変調技術は大電流急速充電器に標準的な完全にフィルタ処理ＤＣバスより高い力率を与え、これが標準的な事項であるが、さらに重要であることは必要な静電容量を約６０対１で低下することができることである。実際面では小型床置きユニットが可能になる。
【００５３】
回路および構成要素の検討
「バックレギュレータ」とは、選択周波数およびパルス幅で高電圧をローパスフィルタに切り換えて、低ＤＣ電圧のローパスフィルタ出力信号を提供する高ＤＣ電圧を低ＤＣ電圧に変換する電気回路を指す。本発明の急速充電器の場合、大電力、例えば数百アンペア〜数千アンペア、好適には約１００アンペアを超えて約２０００アンペアまでの範囲のパルス電流に対応できるようにスイッチを選択する。このスイッチは充電対象バッテリの電圧の約１．２５〜約５倍の範囲の整流電圧を切り換えることができなければならない。充電対象のバッテリの発熱を最小限に抑えるために、スイッチ出力をフィルタ処理してリプル電圧を低減するようにローパスフィルタを選択する。
【００５４】
図３はシミュレーションを行って図４に示す時間に対する電流および電圧のプロットを作製するのに用いられる例示的バックコンバータ回路を示す。このバックコンバータは第１の電子スイッチ５１と、インダクタ５２と、第２の電子スイッチ５４とを含む。このバスコンデンサ５３は最小静電容量用サイズに形成されている。
【００５５】
図５はバスコンデンサの時間に対する電流および電圧、ならびにＩＧＢＴ電子スイッチの時間に対する電流のプロットであり、このような構成要素の時間変動電気的応答性を示している。
【００５６】
電流拡散回路を備えた他のＡＣからＤＣへの変換システム、ならびに本発明の少なくとも一可能実施形態での使用に利用可能あるいは適した他の回路および装置の例は、以下の米国特許明細書に見出すことができる。１９８５年６月１１日にネルソンら（Ｎｅｌｓｏｎ  ｅｔ．ａｌ）に発行された米国特許第４，５２３，２６６号明細書、１９７８年５月２３日にシノダら（Ｓｈｉｎｏｄａ  ｅｔ．ａｌ）に発行された同第４，０９０，５７８号明細書、１９９４年１月１１日にクワヤマら（Ｋｕｗａｙａｍａ  ｅｔ．ａｌ）に発行された同第５，２７７，２６８号明細書、１９８８年８月９日にロスマン（Ｒｏｓｍａｎ）に発行された同第４，６７１，９５４号明細書、２０００年８月２９日にラベン（Ｌａｖｅｎｅ）に発行された同第６，１１１，７４３号明細書、１９９８年３月２４日にイアリジスら（Ｙｉａｌｉｚｉｓ  ｅｔ．ａｌ）に発行された同第５，７３１，９４８号明細書、および１９９５年９月１２日にヤスムラ（Ｙａｓｕｍｕｒａ）に発行された同第５，４５０，３０７号明細書。
【００５７】
コンデンサの選択
実際のコンデンサでは、ワイヤとプレートが抵抗とインダクタンスを有する。絶縁体は完璧ではなく漏れ抵抗を有することになる。これらの性質は固有のものであり最小限に抑えることはできてもすべてを回避することはできない。等価コンデンサ回路は多数の重要な性質を有する。
電流はＩ＝Ｃｄｖ／ｄｔと一致しない。
ＤＣ電圧が印加された時でも電流が流れる。
ＬとＣの組合せで共振が生じるるとともに、共振周波数を超えると装置はインダクタとして機能する。
非ゼロ電力損失がある。
共振周波数Ｒｗに基づくと、コンデンサの等価直列抵抗ＥＳＲは、
ＥＳＲ＝Ｒｗ＋１／（ω２ＲｌｅａｋＣ２）の値を有する。
これがメーカーで使用される産業標準モデル、等価直列抵抗（ＥＳＲ）、等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）、および直列静電容量（Ｃ）となる。ＥＳＲは非線形、周波数依存インピーダンス（通常１２０Ｈｚに指定）である。
散逸率（ｄｆ）はコンデンサの特性の測定値であり、抵抗値対リアクタンスの比を表わす。
ｄｆ＝Ｒ／Ｘ＝（ＥＳＲ）＊ω＊Ｃ
この比は損失正接（Ｔａｎδ）とも呼ばれるため、
Ｔａｎδ＝ω＊ＥＳＲ＊Ｃと表わせる。
Ｔａｎδは実質的な周波数範囲にわたってほぼ変わらない。特定の材料の損失正接が与えられた場合、ＥＳＲ値が決められる。
ＥＳＲ≒ｔａｎδ／ωＣ
コンデンサバンクアセンブリにとって重要なパラメータは、システムスイッチ周波数と比較したコンデンサ共振周波数である。
Ｆｒｅｓ＝１／（２π（ＥＳＬ＊Ｃ）１／２）
【００５８】
コンデンサを指定する際に重要な２つの値は等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）と静電容量（Ｃ）である。上記の説明からコンデンサの共振周波数が重要であることは理解できよう。スイッチ周波数または高調波が共振周波数に達すると、コンデンサバンクがインダクタのようになり過渡電圧スパイクが現われることになる。そのためできる限り低ＥＳＬ仕様を備えたコンデンサが好ましい。高周波スイッチおよび電流引込みから生じる最大電圧変化（ΔＶ）を提供する静電容量が好ましい。最小静電容量に対する計算例を以下に提供するとともに、好適なコンデンサを選択するために用いる数式を詳述する。最小静電容量を指定することにより、Ｃ値が低下してこの設計に対して可能な共振周波数になる。
【００５９】
次に検討する要因はＡＣリプル電流の大きさである。標準電解コンデンサに対して比較的低静電容量値を有する超高電流密度を可能にするコンデンサがごく最近開発された。このようなコンデンサの例にはフィルムコンデンサがあり、これによってＡＣリプル電圧に影響することなくほんの２４００μＦ静電容量で４００Ａの定格リプル電流が実現可能になる。２つの重要なコンデンサ使用はＡＣリプル電流（Ａｒｍ）と等価直列抵抗（ＥＳＲ）である。これらの２つの仕様は低ＥＳＲによりコンデンサが高Ａｒｍ値を維持することができることに関連する。後述の計算例ではＡｒｍが算出できるため設計者は静電容量を適正に指定することができる。
【００６０】
内部ＥＳＲおよびＥＳＬに加えて、前述したようにバス構造もこれらの望ましくない要素に付加される。
【００６１】
コンデンサのインピーダンス機能は重要な検討事項である。ソースインターフェースとしてコンデンサを用いた場合、インピーダンスは周波数とともに低下する（１／ωｃ）。しかし実際のコンデンサでは共振周波数に達するまでインピーダンスが低下する。その後ＥＳＬが支配的になるにつれインピーダンスは上昇する。平易な言葉でいうとコンデンサがインダクタになる。
【００６２】
高Ｃ値および高ＥＳＬ値の両方により、当該技術で標準であった大きな電解コンデンサが限定共振周波数を有する。
Ｆｒｅｓ＝１／（２π（ＥＳＬ＊Ｃ）１／２）
【００６３】
結局、金属化フィルムコンデンサなどの低ＥＳＬおよびＥＳＲを有するコンデンサを用いることにより共振は問題ではなくなり、静電容量の量を全出力で最大許容リプルを達成するのに必要な最小静電容量に制限することにより、急速充電器の力率を向上させることができる。このようなコンデンサを選択することによりスイッチング装置を電圧過渡から保護することができるとともに、高力率を達成することができる。
【００６４】
最小コンデンサの選択の例を以下に表わすが、以下の設計パラメータの場合、
入力降圧器二次側回路はチョッパに対して大きなインダクタのように見える。
９３５アンペア−時間定格容量の３６Ｖ（１８セル）バッテリ
２．４２Ｖ／セルのためＶｏｕｔ＝４３．５６Ｖｍａｘ＠４００Ａ
１０６Ｖｒｍｓ三相整流入力
Ｖａｖｇ＝３ＶＰ／３．１４＝１４３．２Ｖ
デューティサイクル＝４３．５６Ｖ／１４３．２Ｖ＊１００＝３０．４％
１５ｋＨｚのスイッチ周波数または６７μｓの周期
最低負荷４３．５６Ｖ＠３０Ａｏｕｔ
【００６５】
計算
ＩＧＢＴ電流はオン時に４００Ａおよびオフ時に０Ａである。
ＤＣ：＝０．３０４
｛仕様からのデューティサイクル係数｝
Ｉｐｋ：＝４００
｛負荷電流またはピークＩＧＢＴ電流｝
Ｉａｖｇ：＝ＤＣ・Ｉｐｋｆｌｏａｔ，２→１．２・１０２
｛三相変圧器からの平均供給電流｝
Ｉｃａｐ：＝４００−Ｉａｖｇ→２８０
｛これはＩＧＢＴオン時間中のコンデンサ電流である。｝
ｄｖ：＝５
｛許容スイッチ電圧リプルに対する設計目標｝
ｄｔ：＝（０．３４・６７・１０−６）ｆｌｏａｔ，２→２．０・１０−５
｛標準用途に対するＩＧＢＴのオン時間｝
【数１】
2005509396.tif 000003
｛必要な静電容量の算出値｝
【００６６】
これがＣが高周波ＩＧＢＴスイッチ電流からフィルムコンデンサの僅か５Ｖの差を得るために必要な値である。この値を２倍することにより２２００μＦを示す十分な静電容量を確保することができる。しかし力率を考慮した場合、コンデンサはＡＣ電圧を大幅にフィルタ処理してはならない。以下の計算は３６０ＨｚＡＣ電圧に対する影響を示す。
ここで、
Ｉｏｕｔ：＝１２０
ｆ：＝３６０
【数２】
2005509396.tif 000004
【００６７】
これはＡＣ電源リプル電圧よりかなり大きく、そのためコンデンサは基本的にＡＣ３６０Ｈｚリプル電圧に影響していない。ＡＣに影響を与えるのに必要な静電容量は一桁大きい。図４はこの設計に対するコンデンサ電圧、コンデンサ電流、およびＩＧＢＴ電流のグラフを示す。
【００６８】
次に、十分なリプル電流能力を確保するためのコンデンサのＲＭＳ電流を算出する。
【数３】
2005509396.tif 000005
ＡＣ電圧が変わらないため、追加ＲＭＳ電流を算出しなければならない。
この電流での合計として
ＶＡＣ＝１９．１１ボルト
１９．１１／ＸＣ＝９５．１Ａ。
【００６９】
静電容量値を別にして、コンデンサはこの２７８アンペアのＲＭＳ電流を提供することができなければならない。多様な異なる電圧バッテリを充電しようとする場合、最悪の場合のシナリオを用いて静電容量パラメータを算出すべきである。
【００７０】
最後の検討事項はコンデンサとバス構造の内部および浮遊インダクタンスである。
Ｆｒｅｓ：＝３０・１０３
｛これは動作周波数の２倍の設計目標である｝
【数４】
2005509396.tif 000006
【００７１】
これは選択したコンデンサおよびバス構造が２６ｎＨ未満のインダクタンスを有すべきであり、さもなければコンデンサが実際にはスイッチに対していくらか誘導的に見えることを意味する。スイッチング高調波も存在するためインダクタンス値が低いほどよい。低インダクタンスを有する個々の小さなスナバ回路はこれらの成分を減衰させることができる。
【００７２】
様々な先行技術のバッテリ充電器が採用した整流方式では、三相整流器の出力を大きな電解コンデンサでフィルタ処理して整流に起因するリプル電圧を最小限に抑える。このフィルタ処理方法自体は力率を低減するとともに入力電源および他のシステム要素のＶＡ定格を高める。
【００７３】
図６（先行技術）はそのような整流方式の単純な一相応用例を示す。この回路は入力ＡＣ電源３１と、整流回路３２と、コンデンサバンク３３と、負荷抵抗３４とで構成される。この回路はＡＣ入力電圧を５％ＡＣリプル電圧と１５０アンペアの出力電流とを有する５０ＶＤＣボルトに変換するように設計された。この情報から以下の計算を行って静電容量の必要量をマイクロファラッドで算出した。
Ｃ＝Ｉｏｕｔ／（２ｆΔＶｏｕｔ）、ここでｆ＝入力周波数、Ｉｏｕｔ＝出力電流、ΔＶｏｕｔ＝出力電圧変化である。設計仕様に代入すると、
Ｃ＝１５０／（２＊６０＊２．５）＝５００，０００μＦとなる。
【００７４】
図７は図６の回路のシミュレーションを示す。入力ＡＣ波形のピーク付近に描かれた大きなサージ電源電流４１に注意されたい。またほぼ２．５ＶのＡＣリプルを有する整流出力電圧４２にも注意されたい。この設計には大きくてかさばるコンデンサのバンクが必要であり小型軽量設計を不可能にする。また１５０アンペアの出力電流に対して２５００アンペアを超えるピーク値にも注意されたい。このピーク電流により回路内の他の要素および入力電源が高ボルト−アンペア（ＶＡ）定格を有してこのサージ電流に対応することがさらに必要である。サージ電流は「ループ周りの電圧の和はゼロである」を示すキルヒホッフの電圧則（ＫＶＬ）の結果である。この非常に高い静電容量の値により、共振周波数およびバス構造浮遊インダクタンスがコンバータ動作に対する制限周波数を課す。上記のＫＶＬの違反およびそれに付随する悪影響にも拘らず、この回路は低周波数コンバータ用途で広く利用されている。
【００７５】
図３は本発明の急速充電器に有用な例示的バックコンバータ回路を示す。図３の回路を用いてシミュレーションを行って、図４に示した時間に対する電流および電圧のプロットを作成した。このバックコンバータは第１の電子スイッチ５１と、インダクタ５２と、第２の電子スイッチ５４とを含んでいる。バスコンデンサ５３は最小静電容量用サイズに形成されている。図３を参照すると、図４はスイッチ５１のＰＷＭスイッチ点出力６３の時間に対する電圧のプロット、スイッチ５１のフィルタ処理出力バス電圧６１の時間に対する電圧のプロット、およびインダクタ５２を通過する電流６２の時間に対する電流のプロットを示している。ＰＷＭは１５ｋＨｚ速度であり、他方ＡＣリプル電圧は３６０Ｈｚ速度である。標準的な整流回路と違ってこのＡＣリプル電圧はまだ影響を受けていない。この最小限フィルタ処理により入力ＡＣ電源を全面的に利用することができるため、力率が向上する。
【００７６】
電解コンデンサは、静電容量の７５０マイクロファラッド当たりほぼ１アンペアの一般的なリプル電流対応能力を有している。フィルムコンデンサは例えば、静電容量の６．５マイクロファラッド当たりほぼ１アンペアの一般的なリプル電流対応能力を有することが可能である。電解コンデンサを用いた場合、バスの静電容量の量はフィルムコンデンサを用いた場合よりもかなり大きくなる。
【００７７】
例えば４００アンペアのリプル電流容量を必要とするバスの設計を検討されたい。膜技術を用いると、４個の６００マイクロファラッド、１００アンペアコンデンサをバスに構成して、それらの相互位置をコンバータのスイッチング要素に極めて近接させた状態で小型バス構造に搭載することができる。これによりスイッチへのインダクタンス経路と、その結果スイッチング要素により生じる電圧過渡とが最小限になる。また僅か２４００マイクロファラッドの合計静電容量により、３６０サイクル整流ＡＣバス電圧が殆どフィルタ処理されないまま残り、これにより高力率の達成が可能になる。
【００７８】
これに対し、電解コンデンサを備えたバス設計は、リプル電流要件に対応するためにほぼ３００，０００マイクロファラッドの静電容量を必要とする。これがほぼ１０〜１２個の大型電解コンデンサとなる。コンデンサとスイッチング要素の間のバス構造およびパスインダクタンスはかなり大きくなる。これがスイッチング時の高電圧過渡を発生させる。また高静電容量（３００，０００マイクロファラッド）は３６０サイクル整流ＡＣバス電圧を効果的にフィルタ処理する。これにより力率が大きく低下するとともに、入力ＡＣ電圧のピークで電流スパイクが生じる（図７）。
【００７９】
静電容量は、高周波スイッチ過渡電流要件に対応する一方で低周波数３６０サイクル整流三相ＡＣラインのフィルタ処理を最小限にして力率を最大にするように算出することが有利である。計算を以下のように単純化することができる。
Ｉ＝Ｃｄｖ／ｄｔ、故に
Ｃ＝（デューティサイクル＊Ｉ）／（ｄｖ／ｄｔ）
【００８０】
例えば、電圧リプルを５０％デューティサイクルおよび６００Ａ出力電流で、１０ＫＨｚスイッチング周波数で５Ｖｐｐに制限するように決定すると、静電容量計算は、
Ｃ＝０．５＊６００／（５Ｖ／０．０００１）＝６０００μＦ合計静電容量
【００８１】
この応用例は電圧リプルを５Ｖｐｐに低減するために６個の１０００マイクロファラッドコンデンサを必要とする。
【００８２】
様々な能力要件に対する所望の静電容量範囲は１００〜５０００マイクロファラッドの範囲である。
【００８３】
コンデンサの共振周波数は３キロヘルツ以上でのスイッチ動作にとって重要な特性である。所望の共振周波数範囲は５ＫＨｚ〜１００Ｋｈｚである。
Ｆ＝１／（２＊ｐｉｅ＊ｓｑｒ（ＥＳＬ＊Ｃ））
ここで
ＥＳＲ＝ＤＦ＊Ｘｃ＝（Ｄ＊Ｆ）／（２＊ｐｉｅ＊ｆ＊Ｃ）
【００８４】
本発明において静電容量値は、従来の電解コンデンサより大幅に大きいリプル電流密度を有する大電流コンデンサ、例えばフィルムコンデンサを用いて最小化される。高ＩＧＢＴスイッチング周波数で最小リプル電圧を提供するとともにその低３６０ＨｚＡＣリプル電圧での影響を最小化するように静電容量を選択する。
【００８５】
電流対応能力は、機械の最大充電電流出力を生成するのに必要な算出リプル電流に対応するために必要なコンデンサが最小数であるようなものでなければならない。コンデンサ当たりの所望の範囲は５０〜３００Ａの能力である。５０Ａも非常に大きな電解コンデンサ以外、全部ではないが大多数のものの範囲外である。
【００８６】
金属化フィルムコンデンサは、例えば米国ニュージャージー州イートンタウンのエレクトロニック・コンセプツ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｃｅｐｔｓ（Ｅａｔｏｎｔｏｗｎ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ，ＵＳＡ））、米国サウスカロライナ州マートルビーチのＡＶＸコーポレーション（ＡＶＸ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓｏｕｔｈ，Ｍｙｒｔｌｅ  Ｂｅａｃｈ，Ｓｏｕｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ  ＵＳＡ））、およびイタリア国ミラノのＩＣＡＲ（ＩＣＡＲ（Ｍｉｌａｎｏ，Ｉｔａｌｙ））を始めとする様々な販売元から入手可能である。
【００８７】
サイズ、コスト、および分散物理的位置に起因するバスインダクタンスの理由によりコンデンサの数を最小限に抑えなければならない。そのため円筒状コンデンサの妥当なサイズは長さ１〜１０インチ、且つ直径１〜６インチである。
【００８８】
高周波ＩＧＢＴの検討およびバス構造
ＩＧＢＴが高速の時間に対する電流の変化（ｄｉ／ｄｔ）で切り換わるため、コンデンサの共振周波数は極めて重要である（前述の説明を参照）。高速スイッチング速度は高速スイッチング周波数につながり、これがより小型の構成要素につながる。しかしこの高速スイッチング速度は導通経路の機械的構造に対する注意が必要とする。電流変化は２，３百ナノ秒内に６００アンペア以上になる場合があり、これが非常に大きなｄｉ／ｄｔを生じる。以下の式はこのｄｉ／ｄｔに関してインダクタンス（Ｌ）の両端の電圧（ＶＬ）を示す。
ＶＬ＝Ｌｄｉ／ｄｔ
【００８９】
このため導通経路（バス構造とも称する）の設計は高インダクタンス（Ｌ）を回避するようなものでなければならない。コンダクタの自己インダクタンスに対する以下の式に注意されたい。
Ｌ＝（μｃｏｎｄ／８π＋μ／２πｌｎ（Ｄ／Ｒ））ｌ
【００９０】
注意すべき重要な変数は変数Ｄであり、これは帰還路の中央までの距離である。この距離(Ｄ)を機械的に低減することによりＬを低下させる。逆に静電容量に対する以下の式は、
Ｃ＝∈Ａ／ｄ
【００９１】
この等式でｄは導電板間の距離である。距離（ｄ）を低減することにより静電容量（Ｃ）は増加する。またこの静電容量（Ｃ）の増加が電圧過渡をフィルタ処理することによりインダクタンス（Ｌ）の影響を低減させるのに役立つ。全体のインダクタンスを低減するとともに静電容量を増加させることにより、高ｄｉ／ｄｔにより生じるバス構造電圧過渡を最小限に維持することができる。状況に応じて小型レジスタ−コンデンサ（ＲＣ）スナバ回路を追加して過渡の低減に役立てることができる。通常は低インダクタンスレジスタおよび小さい値のフィルムコンデンサを問題の区域に局所的に配置する。レジスタ−コンデンサ−ダイオード（ＲＣＤ）タイプスナバおよび一般的な値に加えて、静電容量の一般的な値とレジスタ値はベンダ・アプリケーションノートおよび製品説明書に見出すことができる。
【００９２】
図８および９は、この問題に対処するように作製された例示的バス設計３００Ａの２つの図を示している。図８はアセンブリの平面図である一方、図９はこのアセンブリの側面図である。層３０１Ａおよび３０３Ａは３つの異なる導電板用の絶縁体であるが、３０５Ａは陽極母線であり、３０２Ａは陰極母線であり、さらに３０４Ａは負荷母線である。この設計において、これらの母線は６００アンペア以上の大電流に対応するための８分の１インチ厚さの銅である。絶縁材料はポリマ、例えば３０ｍｉｌ厚さのノーメックス（Ｎｏｍｅｘ）（登録商標）４１０である。半導体と接続点を接着する際、図９に示すようにプレート間の間隔を保持するようにこの構造を圧縮して一体にする。好適な間隔距離はインダクタンスを低く維持するとともにこの構造の静電容量を最大にするために重要である。
【００９３】
出力フィルタ要件
出力インダクタを適正な大きさに形成することは本発明の重要な態様である。一般に急速充電器出力をフィルタ処理するための要件は、充電対象のバッテリの発熱を最小限に抑える必要性によって決定される。バッテリに供給されるリプル電流を最小限に抑えることにより望ましくない発熱が最小限に抑えられる。しかしバッテリが許容できるリプル電流の量は充電対象のバッテリタイプによる。一般に開放型（ｆｏｏｄｅｄ）鉛蓄電池はいくらか「汚い」充電入力を許容でき、例えばピーク電流に対して１０パーセントまでのリプル電流を許容可能である。しかし密閉型（ｓｅａｌｅｄ）鉛蓄電池は充電用に十分にフィルタ処理されたＤＣ電流入力を必要とし、発熱がオフガスを生じた場合、爆発という結果になる可能性がある。しかし密閉型蓄電池は、無臭、低メンテナンス、および定期的給水、腐蝕性酸の蒸発および流出のない密閉構成などの多数の望ましい特質を有する。そのため、出力フィルタ仕様の調整により急速充電器設計がこれらの非常に異なる要件に適合可能であることは本発明の利点である。
【００９４】
熱管理
さらに、バッテリの熱管理が可変である。数多くの用途において多くの要望がバッテリに課せられている。こうしてバッテリは既に話題の急速充電器に行き着くであろう。密閉型バッテリの場合、発熱を最小限に抑える必要性が深刻化している。劣化したバッテリを冷却するためにファンなどの冷却手段を配置してもよい。
【００９５】
バッテリ温度は重要なパラメータである。充電を受けるとともに１２５°Ｆを超える温度のバッテリは効率的に急速充電することができず適切な温度に冷却しなければならない。バッテリはその急速充電を開始する際に１１５°Ｆを超えないことが重要であり、バッテリ温度は急速充電の開始時に＜１００°Ｆであることが好ましいが、それは本発明の急速充電器には３０〜９０％ＳＯＣ充電サイクル中に約１５°Ｆの温度上昇があるからである。バッテリ温度が１３０°Ｆを超える場合、バッテリはいかなる速度でも（標準速度あるいは急速）充電すべきではない。
【００９６】
使用中にバッテリを高速で放電する使用するヘビーユース用途では、車両にファンやバッテリカバーを配置し、バッテリの配線上に送風して連続的にバッテリから熱を取ることによりバッテリの発熱を最小限に抑えることができる。
【００９７】
他の熱管理方法はバッテリ電極ポストへの銅の挿入物とセル配線を利用することである。銅部品は等価質量の鉛から作製された部品の１／１２の電気抵抗および１２倍の熱導電性を有する。銅部品を選択することによりバッテリ内での発熱が低下するとともにバッテリからより多くの熱が排除される。ファンと銅との組合せはバッテリ発熱を最小限に抑えるのに非常に有効である。
【００９８】
本明細書に説明するようにＰＷＭ回路およびスイッチング周波数によって高精度で充電プロファイルを制御する可能性は、一連のプロセス条件を規定することにより良好な熱管理を提供できるため本発明の急速充電器の利点である。
【００９９】
電解質内あるいはバッテリポストまたは配線上のいずれかに装着されたサーミスタを利用してバッテリ温度を測定するように急速充電器を構成することが好ましい。サーミスタは充電器により読み取られる温度可変抵抗である。サーミスタの最も好ましい配置は電解質内に浸漬されることである。
【０１００】
好適な実施形態においてこの充電器は、バッテリ温度が上昇するにつれ減少する最大充電電圧を調整するようにプログラムされている。またこの充電器はバッテリ温度情報を用いて１２５°Ｆから１３０°Ｆへの温度変動に対して充電電流にフル許容設定から０へ線形低下を設定することによりバッテリの過熱を防止する。そして温度が１３０°Ｆを超えた場合、充電器は電源が切れることになる。これらの温度は鉛蓄電池のメーカーで若干異なる。
【０１０１】
バッテリへのＡＣリプル電圧の影響
図１０を参照すると、本発明の急速充電器の出力は、小さい直列インダクタンス１１７（配線インダクタンス）を介してバッテリに結合されたＡＣ電源１１６と直列のＤＣ電源１１５としてモデル化されている。このバッテリモデルは内部インピーダンスと直列の電圧源１１３で構成されている。図１０から我々は重ね合わせを用いてこの回路をＤＣ１１１およびＡＣ１１２等価回路に分解することができる。バッテリＤＣ電圧はＡＣ要素への短絡回路のように見える。バッテリの内部抵抗の損失はその抵抗に関するＡＣおよびＤＣ要素両方による損失の和である。ＡＣ回路において抵抗にはＲＭＳ電流が流れる。
Ｖｒｍｓ：＝２
Ｒｅｓ：＝０．０５
【数５】
2005509396.tif 000007
これがＡＣ要素による損失につながる。
ＡＣｐｗｒ：＝Ｉｒｍｓ２・０．０５ｆｌｏａｔ，４→７９．３６
ＤＣ要素による損失は、
【数６】
2005509396.tif 000008
【０１０２】
追加ＡＣ要素によりバッテリ発熱が５．８４％上昇する。
Ｔｏｔａｌｐｗｒ：＝ＡＣｐｗｒ＋ＤＣｐｗｒｆｌｏａｔ，５→１３５９．４
【数７】
2005509396.tif 000009
【０１０３】
本発明の急速充電器では出力フィルタがローパスフィルタセットとして機能してバッテリへのＡＣリプル電流を制限する。最小静電容量技術のため、バッテリの過熱を回避するためにバス電圧の３６０ＨｚＡＣリプルを出力フィルタでフィルタ処理しなければならない。好適な実施形態では、このＡＣ要素をフィルタ処理して高速バスから低速バスへの最大電流出力の５％未満にする。以下の計算はこの目的を達成するための出力フィルタの設定方法を示す。
１５ＫＨｚの動作周波数および５０％のデューティサイクル、１０６ＶＡＣＲＭＳ三相６０ＨｚのＤＣバス電圧および９３０Ａｈｒの最大バッテリ容量と仮定する。以下を計算してリプル電流を最大電流出力の５％未満に制限する。
【０１０４】
最大バッテリ容量から最大充電アンペアを求める。
Ｍａｘａｍｐｓ＝９３０＊４３／１００＝３９９．９
ｄｉ＝０．０５＊３９９．９＝２０
【数８】
2005509396.tif 000010
これはピーク電圧である
【数９】
2005509396.tif 000011
【０１０５】
これは出力フィルタにかかる最小バス電圧である。電流（ｄｉ）の変化を最大電流出力の５％未満に制限することにより、ＡＣ成分を小さい値に抑えることができる。以下の計算により必要なインダクタンスを決定する。
ΔＶｏｕｔ：＝ＶＰ−Ｖｍｉｎｆｌｏａｔ，４→２０．１
ｄｔｏｎ：＝３３・１０−６
【数１０】
2005509396.tif 000012
【０１０６】
ここで重要なパラメータはリプル電流（ｄｉ）の制限である。リプル電流ｄｉは充電対象のバッテリのサイズに対して、すなわち最大負荷電流に対して上限未満に維持することが好ましい。主要な仕様はＡＣ電圧入力差、ＡＣリプル電流出力の所望上限、および電子スイッチの動作周波数である。ＡＣリプル電流は最大負荷電流の５％未満であるとともに、ＡＣ電圧リプルが最大負荷電圧（満充電済み）の０．５％未満であることが好適である。ＡＣリプル電流が最大負荷電流の２．５％未満であることがさらに好適である。出力インダクタンスは最大負荷電流の約５％以下である最大出力ＡＣリプル電流を達成するように調整することが好ましく、最大負荷電流の約２．５％以下であることがさらに好ましい。そのため以下に説明するように出力インダクタンスを選択する。
【０１０７】
バックレギュレータがオン動作することが可能なバス電圧を選択する、つまり常にバッテリ電圧がバス電圧未満でなければならない。バッテリ発熱を制限するために、最大負荷電流の２．５％の最大リプル電流ｄｉを計算で用いる。最大バッテリサイズから最大電流出力を求める。
ＭａｘＩｏｕｔ＝４３Ａｈｒ／１００
ｄｉｄｅｓｉｒｅｄ：＝０．０２５・ＭａｘＩｏｕｔ
【数１１】
2005509396.tif 000013
ΔＶｂｕｓ：＝Ｖｂｕｓｐｋ−Ｖｂｕｓｍｉｎ
【０１０８】
所望の出力インダクタンスを算出ΔＶｂｕｓに基づいて算出することができる。
【数１２】
2005509396.tif 000014
【０１０９】
そのため以下は出力フィルタをＡＣ最小限フィルタ処理に対応するサイズに形成する１つの方法をまとめたものである。
・関与するバッテリすべてを利用可能にする適正なバス電圧を選択する（バスボルト＞全バッテリボルト）。
・バッテリ容量からの最大電流出力を決める（例えば、４３Ａ／１００ＡＨＲ充電速度）。
・最大出力の５％に制限することにより可能な最大出力電流リプルを決める。
・スイッチ動作周波数からの電流変更に対するオンタイムを決める（この計算のため５０％オンタイムと仮定する）。
・ボルトピーク−ボルトピーク＊ｃｏｓ（３０度）からバス差電圧を決める。
・上記に提示した等式からＬｄｅｓｉｒｅｄを算出する。
【０１１０】
出力インダクタンスが大きくなるほど、達成可能なリプル電流の比率が低くなる。出力コンデンサもバッテリへのＡＣリプル電流の除去を助ける。つまりＡＣ出力リプル電流を制限することはバッテリ内の発熱を低減するとともに充電プロファイルを最適化する。
【０１１１】
上述したように、最小バス静電容量値のため、３６０Ｈｚリプル成分を出力フィルタでフィルタ処理しなければならない。さらに充電サイクルの最後に出力電流が５０アンペア以下のレベルに達する。インダクタはこれら両問題に対応するために十分なインダクタンス値でなければならない。必要なインダクタンス値に加えて、６００アンペア以上の電流レベルでの飽和および発熱という潜在的な問題がある。飽和を回避するために磁心選択が主な注目点になる。好適な実施形態において開放型ラミネート鋼鉄心、または他の適当な材料および設計の高周波チョークを出力インダクタとして用いて飽和問題を回避するのに役立てる。飽和はコンバータの大きな電流スパイクの原因となるインダクタンスの損失を発生させる。飽和量はこれらの電流の大きさに影響するとともに過剰な場合には半導体の故障につながる恐れがある。
【０１１２】
最後に固有ワイヤサイズが十分でない場合、Ｉ２Ｒ損失に起因して過剰な発熱が生じることになる。我々の設計では６００アンペアの設計目標に対応するように、４つの個別冗長巻数の銅線を用いた。
【０１１３】
設計パラメータに基づく出力インダクタンスを選択を行うための例示的計算は次の通りである。
Ｖｉｎｍｉｎ：＝１３０
Ｄｏｎ：＝０．３０４
｛デューティサイクルのＩＧＢＴ｝
Ｄｏｆｆ：＝０．６９６
｛デューティサイクルのダイオード｝
Ｖｉｎｍａｘ：＝１５０
ｆ：＝１５．１０３
Ｖｏｕｔ：＝４３．５６
【数１３】
2005509396.tif 000015
Ｉｏｕｔｍｉｎ：＝３０
Ｉｏｕｔｍａｘ：＝４００
【数１４】
2005509396.tif 000016
ΔＶｏｕｔ：＝１
【０１１４】
最大バス電圧を伴う軽負荷条件が最悪のシナリオ、ＶｉｎｍａｘおよびＩｏｕｔｍｉｎである。
【０１１５】
動作の連続モードを維持するためには、
ΔｉＬ：＝Ｉｏｕｔｍｉｎ・２→６０
【数１５】
2005509396.tif 000017
【０１１６】
このＬは連続モードを維持するのに必要な最小インダクタンスである。
【０１１７】
静電容量を求めるために、ＶｉｎｍａｘおよびＩｏｕｔｍａｘを用いるとともに、７０μＨのインダクタ値を選択する。
Ｌ：＝７０・１０−６
【数１６】
2005509396.tif 000018
【０１１８】
さらに選択静電容量はリプル電流に対応しなければならない。
【数１７】
2005509396.tif 000019
｛ＰＷＳリプル電流コンデンサは対応しなけばならない｝
【０１１９】
好ましくは、１８アンペアＲＭＳリプル電流に対応できるフィルムコンデンサを採用する。実際の負荷はバッテリであるから、この値は負荷の特性により軽減できる。さらに異なるバッテリ電圧を充電しなければならない。そのため所望の値を達成するためにこれらの計算に最悪の場合のシナリオを用いなければならない。
【０１２０】
制御技術
第１の実施形態において、出力電力を提供するのに用いられるパルス幅変調自体が３６０Ｈｚ整流三相ＡＣ入力波形に応じて変調される。３６０Ｈｚからのリプルが殆どフィルタ処理されずにＤＣバスに乗るため、ＰＷＭデューティサイクルはＡＣリプル電圧に比例且つ応じて同期して変動する。ＡＣ電圧が上昇するにつれて高入力電圧に対応するようにＰＷＭを低減させるとともに、ＡＣ電圧が３６０ＨｚＤＣバスリプル正弦波形で減少する場合はそれに応じて増加させる。これはコントローラに対する出力または入力電圧リプルを連続的に監視してパルス毎に駆動ＰＷＭを調整することにより達成される。コンバータのＤＣ出力端子で電圧が上昇するにつれＰＷＭデューティサイクルが減少し、ＤＣ出力端子で電圧が降下するにつれＰＷＭデューティサイクルが増加する。これによりＤＣバス入力端子で３６０ＨｚＡＣリプル成分がコンバータの電圧出力端子から効果的に除去され、その出力端子で一定のＤＣ電圧が提供される。
【０１２１】
図１１は本発明の急速充電器のための第１の制御技術を図示するフローチャートであり、ここでＶＩは入力バス電圧、Ｖ０は出力電圧、ＩＯは出力電流、さらにＰＷＭはパルス幅変調（ＰＷＭ）である。ＰＷＭ遮断入力に関しては、Ｖｏｕｔ＞Ｖｉｎかどうかを判定する。判定が肯定であれば、遅延時間がＬＣ出力フィルタの位相ずれと等しいかどうかの判定を行う。答えが肯定であればＰＷＭ値を１ずつ減少させて、その後遮断が解除されて終了する。判定が否定であれば遮断が解除されて終了する。
【０１２２】
Ｖｏｕｔが、Ｖｉｎ以下である場合には、Ｉｏｕｔが１１０％×Ｉｎｏｍより大きいかを判定する。判定が肯定であればＰＷＭ値が１ずつ低減されて、その後遮断が解除されて終了する。判定が否定であれば遮断が解除されて終了する。
【０１２３】
しかし、Ｉｏｕｔが１１０％×Ｉｎｏｍ以下ある場合には、遅延時間がＬＣ出力フィルタの位相ずれと等しいかどうかの判定を行う。答えが肯定であればＰＷＭ値を１ずつ減少させて、その後遮断が解除されて終了する。判定が否定であれば遮断が解除されて終了する。
【０１２４】
第２の実施形態において、１５ｋＨｚ定格各パルスが遮断サービスルーチン（ＩＳＲ）を誘発する。このルーチンでは出力電圧、ＶＯＵＴを読み取る。ＶＯＵＴが高すぎる場合にはＰＷＭを１ずつ減少させてＩＳＲが終了する。ＶＯＵＴが所望されたＶＯＵＴＮＯＭ以下であれば電流を測定する。電流が１２５％Ｉｍａｘを超えていれば、プログラムが直ちにＰＷＭを減少させてＩＳＲを終了する。電流がＩＮＯＭの１２５％以下である場合にはＰＷＭランプ遅延を調べて、ゼロに等しければランプ遅延カウントがリロードされるとともに、ＩＳＲ終了前にＰＷＭが１ずつ低減される。ランプ遅延がゼロに等しくなければ、ランプ遅延を減少させてＩＳＲを終了する。電流が所望のレベル未満である場合には、ランプを遅延するとともに、ＰＷＭが増加可能になる前にランプ遅延カウントをゼロにしなければならない。電流が所望通りであればＩＳＲを直ちに終了してＰＷＭカウントを変化させない。
【０１２５】
図１２は本発明の急速充電器のための第２の制御技術を図示するフローチャートであり、図１３は図１２に示した第２の制御技術用ソフトウエア一覧表である。
【０１２６】
図１２に示すように、パルス遮断入力は給電出力電圧を生成する。この電圧が高すぎる場合はＰＷＭを１ずつ減少させ、遮断が解除されて終了する。電圧が低過ぎるまたは適当なレベルである場合は出力電流が読み取られる。
【０１２７】
そして出力電流が低過ぎるか、高過ぎるかあるいは許容レベルかの判定を行う。
【０１２８】
出力電流が許容レベルである場合には、遮断が解除されて終了する。出力電流が低過ぎる場合には、ランプ遅延がゼロかどうかの判定を行う。
【０１２９】
判定が肯定でればランプ遅延カウントをリロードするとともに、遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ増加させる。ランプ遅延が非ゼロである場合には、遮断を解除して終了する前にランプ遅延を減少させる。
【０１３０】
出力電流が高すぎる場合には、電流がＩＮＯＭの１２５％より大きいかどうかを判定する。イエスであれば遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ減少させる。ノーであればランプ遅延がゼロ値か非ゼロ値を有するかの判定を行う。ランプ遅延が非ゼロ値を有する場合には、遮断を解除して終了する前にランプ遅延を減少させる。ランプ遅延がゼロ値を有する場合には、ランプ遅延カウントをリロードするとともに、遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ減少させる。
【０１３１】
第３の実施形態において，出力電圧および電流を連続的に監視するとともに所望値を超えないようにする一方、同時に以下の技術の１つまたは両方を用いて入力整流プロセスにより生成された３６０ＨｚＡＣリプル電流および電圧を通過させる。電圧および電流値をアナログ回路でフィルタ処理するが、この回路は３６０Ｈｚ整流入力サイクルでそれらの値を平均化するとともにこの２．７７ｍＳ時間フレーム内の小さな変動に対する制御反応を防止する。マイクロプロセッサ内のＰＷＭ出力回路は、多数の方法による出力電圧および電流の小さな変動に対して反応しないようにおよび／またはその制御応答の調整周波数を制限しないようになっている。
【０１３２】
図１４は本発明の急速充電器のための第３の制御技術を図示するフローチャートであり、図１５は図１４に示した第３の制御技術用ソフトウエア一覧表である。
【０１３３】
図１４の図に示すように、＊ＲＤＣはランプ遅延カウント、ＣＣは定電流、ＣＶは定電圧、ＰＷＭはパルス幅変調カウント、さらにボルトスローは３６０ヘルツＡＣ成分を除去するために出力電圧がフィルタ処理されていることを示す。
【０１３４】
この実施形態において、システムがＣＶモードであるかが最初に判定される。イエスであればＣＶコントローラを作動させるとともに、電流（アンペア）が最大アンペアより大きいかどうかの判定を行う。ノーであればボルトスローがＶｍａｘの１．１２５％より大きいかどうかを判定する。イエスであればＰＷＭを１ずつ減少させるとともに解除して終了する。ボルトスローがＶｍａｘの１．１２５％以下である場合には、ランプ遅延カウントを調べてゼロか否かを確かめる。ゼロであればＲＤＣをリロードして、ボルトスローがボルトマックスより大きいかどうかの判定を行う。
【０１３５】
ボルトスローがボルトマックスより大きい場合には、ＰＷＭを１ずつ且つ解除および終了前に減少させる。ボルトスローがボルトマックス未満である場合には、解除および終了前にＰＷＭを１ずつ増加させる。スローボルトがボルトマックス未満である場合には、遮断を解除して終了する。
【０１３６】
前ステップのＲＤＣが非ゼロである場合には、解除および終了前にＲＤＣを１ずつ減少させる。
【０１３７】
前ステップでアンペア＞マックスアンペアである場合には、ＲＤＣをテストしてそれがゼロであるか非ゼロであるかを判定する。ゼロでなければ解除および終了前にＲＤＣを１ずつ減少させる。
【０１３８】
このシステムが定電圧モードではない場合には、このシステムが等化モードであるかどうかの判定を行う。イエスであれば定電圧制御を始動する。システムが等化モードでない場合には定電流モードを始動する。そのためスローボルト＞ボルトマックス判定を行う。肯定であれば電力信号を再びＣＶ制御に送る。スローボルトがボルト最大値以下である場合には、アンペアが最大値の１２５％より大きいかどうかの判定を行い、そうであれば遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ減少できるようになっている。
【０１３９】
アンペアが最大値の１２５％以下である場合には、ＲＤＣがゼロか非ゼロかの判定を行う。ＲＤＣが非ゼロである場合には、遮断を解除して終了する前にＲＤＣを１ずつ減少させる。ＲＤＣがゼロである場合には、ＲＤＣをリロードしてアンペアが最大アンペアより大きいかどうかの判定を行う。イエスであれば遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ減少させる。ノーであればアンペアが最大アンペア未満であるかどうかの判定を行い、イエスであれば遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ増加させ、ノーであれば遮断を解除して終了する。
【０１４０】
例示的プロセス実施形態のブロックおよび概略図
図１６は本発明の一実施形態による急速充電装置の簡略ブロック概略図である。
【０１４１】
図示のように三相整流器は入力電圧センサにより検知されるＤＣバス電圧を生成するが、このセンサは応答的且つ相関的に検知入力電圧信号を生成し、この信号はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）に送られる。デジタル信号プロセッサは任意の適切なタイプでよく、これにはプログラム可能汎用デジタルコンピュータ、マイクロプロセッサユニット、計算モジュール、あるいは検知電圧入力信号などの入力される信号を処理するとともに急速充電装置の動作を調整するための制御信号を応答的且つ相関的に生成する他の機器またはユニットがある。
【０１４２】
ＤＣバス電圧は電力装置に伝送され、電力装置が応答的且つ相関的に出力を生成する。この出力は出力電流センサおよび出力電圧センサを含む検知アセンブリによって検知され、これらのセンサは応答してＤＳＰに伝送される出力検知信号を相関的に生成する。
【０１４３】
ＤＳＰは入力および出力検知信号を受け取るとともに、パルス幅変調ドライバ（ＰＷＭドライバ）に伝送されてこれを作動させるための制御信号を生成する。それに応じてＰＷＭドライバは電力装置に伝送されて所望の特性の出力を提供するための信号を生成する。
【０１４４】
図１７は本発明の一実施形態による、大容量バッテリ用のバックレギュレータによる急速充電器の対応電気回路図である。デジタル信号プロセッサおよび関連のインターフェース回路１０２（ＤＳＰおよびインターフェース回路）が、入力変圧器／整流ユニット（入力変圧器／整流器）とバック電力変換器１０６（バック電力変換器）とを相互接続するライン１０７に結合された入力電圧センサ１０１（入力電圧測定センサ）とともに示されている。図示のように入力変圧器／整流ユニットはＡＣ入力電圧を受け取る。バック電力変換器１０６はライン１０８により急速充電用大容量バッテリ（図１７には図示せず）に伝送される変調出力を生成する。
【０１４５】
ＤＳＰおよび関連のインターフェース回路１０２は入力電圧センサ１０１からの入力電圧検知信号を受け取るとともに、ライン１０５で制御用にバック電力変換器に伝送される出力信号を応答的且つ相関的に生成する。
【０１４６】
同時に、バック電力変換器１０６とバッテリ（図１７には図示せず）とを相互接続するライン１０８の出力電圧および電流はそれぞれ出力電圧センサ１０４（出力電圧センサ）および出力電流センサ１０３（出力電流センサ）により検知されるとともに、センサ１０３および１０４は応答的且つ相関的に検知信号を生成するが、それらの信号はライン１０５内をバック電力変換器１０６へ伝えられる制御信号の変調のために、ＤＳＰおよびインターフェース回路１０２に伝送される。
【０１４７】
ディスプレイ（ディスプレイ）および／またはＬＥＤ出力端子（ＬＥＤ’Ｓ）を介して、充電状態（ＳＯＣ）を表わす出力、充電速度、あるいは他の出力表示またはパラメータを提供するようにＤＳＰおよびインターフェース回路１０２を構成してもよい。
【０１４８】
一実施形態において、充電動作中のバッテリの充電状態を示す「ガスタンク」型ディスプレイ形式の出力を提供するようにＤＳＰおよびインターフェース回路１０２を構成してもよい。この充電状態ディスプレイは一連の点灯可能要素、例えば水平配列の両端にある２つのブラケティング表示、「空」を示す「Ｅ」と「満」を示す「Ｆ」との間に水平方向に配列された長方形の縦長要素、または代替的には正方形要素を含んでもよい。
【０１４９】
点灯可能要素の水平延在配列はＤＳＰおよびインターフェース回路１０２に結合されているため、これらの要素は連続且つ累積的に通電されて、要素が全く点灯されない０％の充電状態（「Ｅ」表示で）から配列の要素がすべて点灯される１００％充電状態へ（「Ｅ」表示から「Ｆ」表示へ）発光を行う。急速充電動作中に充電状態が漸増的に増加するにつれて点灯ディスプレイ要素の割合が左（「Ｅ」にある）から右（「Ｆ」にある）へと漸増的に増加することによって、バッテリの１００％ＳＯＣ状態までの充電中にこのようなアナログ照射出力により相対的充電レベルを目に見えるように表示する。
【０１５０】
上記の「Ｅ」および「Ｆ」の表示を、水平延在ディスプレイの左側（「Ｅ」）端で上記の「Ｅ」および「Ｆ」の表示を「０％」「無効」「空（Ｅｍｐｔｙ）」「未充電」等などの他の表示と置き換えあるいは増やし、水平延在ディスプレイの右側（「Ｆ」）端で「１００％」「有効」「満（Ｆｕｌｌ）」「充電済」等などの他の表示と置き換えてもあるいは増やしてもよく、自動車、ボート、飛行機等などの車両または船の普通の燃料計と類似した、簡単な目で識別可能なバッテリのＳＯＣの表示器を提供するいずれの場合の構成も急速充電装置による充電を受ける。
【０１５１】
このような外見上普通の「ガスタンク型ゲージ」を提供することにより、急速バッテリ充電器の操作者は充電動作の相対的な進行を一見して確かめるとともに、バッテリが完全に充電されるまでの相対残り時間量の認識を得ることができる。このガスタンク型ゲージを急速充電器要素が動作するように構成されているキャビネットの表面上に配置してもよい。
【０１５２】
図１７の急速充電器システムの動作において、電圧を入力電圧測定センサに入力して、ＤＳＰおよびインターフェース回路１０２への信号を生成するとともに、出力電流センサ１０３および出力電圧センサ１０４がＤＳＰおよびインターフェース回路１０２へ入力を提供してライン１０５内をバック電力変換器へ伝達されるバック電力変換器調整信号を生成する。電圧と電流が所望の基準値から変動すると、出力電圧センサが低下電圧を示しおよび／または入力センサが低下電圧を示した場合出力電圧が増加するように、ＤＳＰおよびインターフェース回路１０２はＤＳＰおよびインターフェース回路１０２内のパルス幅変調ドライバソフトウエアを変える。電圧が増加する場合これと反対の減少が起きる。同様に出力電流センサはＤＳＰおよびインターフェース回路１０２内の出力電流および電圧ソフトウエアに作用して、パルス幅変調ドライバソフトウエアの動作を変更してパルス幅変調装置の動作を調整することにより出力電流の変化を補償する。各パルスが変動する正確なマイクロ秒数を制限実験によって判定して、出力電圧を不安定化させないがあらゆるこのような変化に対して高速応答する任意の電圧および／または電流変化に応じることが可能である。
【０１５３】
特定例として、出力電圧を変化させたい場合、各パルスの幅を増加または減少させて出力電圧および電流の所望変化を補償することができる。こうして追加出力電圧が必要な場合にパルスの幅を増加させるか、反対に低電圧が必要な場合に出力パルスの幅を減少させることができる。このようにして各パルスにより提供されるエネルギーを変動させることにより出力電圧を維持することができる。
【０１５４】
本発明の一実施形態において、同じマイクロ秒数分各パルスを増加させて出力電圧を増加させるとともに、出力電圧の減少時に同じマイクロ秒数分各パルスを減少させることが好ましい。本発明の一実施形態において、ソフトウエアが計時回路で駆動されるため、その増加および減少は所望クロックパルス数分のパルス幅の変動になる。パルス幅を変動させる他の解決方法を本発明の基本概念を維持しつつ本発明の代替実施形態で提供することができる。
【０１５５】
図１８は本発明の他の実施形態による大容量バッテリ用のバックレギュレータによる急速充電器の電気回路図である。図示するようにラインＬ１、Ｌ２およびＬ３内のＡＣ三相入力をバッテリ充電器システム、３６０ヘルツＡＣリプルを有するバスのＤＣ電流を生成するＡＣ三相整流器に投入する。ＤＣバス電圧センサは電圧検知信号出力をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御回路に提供する。
【０１５６】
そして整流電力信号がＰＷＭ制御回路に結合された高周波スイッチングＩＧＢＴドライバに動作関係で結合されたＩＧＢＴ装置に伝わる。そしてＩＧＢＴ装置からの電力出力はフライホイールダイオード（Ｄ）、インダクタ（インダクタ）およびコンデンサ（ＣＡＰ）とを含む充電回路の一部を通過して充電のためバッテリへ与えられる。
【０１５７】
図示の電流および電圧センサにより出力電圧および電流を監視するとともに、検知電流および電圧を用いてＰＷＭ制御回路を作動させることによりＩＧＢＴドライバを変調してＩＧＢＴ装置のスイッチングパルス幅を制御する。
【０１５８】
上記したように、この段落で説明したＰＷＭ回路およびパルス幅変調を利用することによって良好な精度で充電プロファイルを制御する能力が本発明の急速充電器の利点であるが、一連のプロセス条件を規定することにより良好な熱管理を提供することができるためである。多くの用途の場合、バッテリを非常に僅かな発熱しか伴わずに高ＳＯＣに充電できるため「ＩＶＩプロファイル」が当該技術で周知の所望の充電アルゴリズムである。一般的なＩＶＩプロファイルの例は、その容量の約５０％まで定電流で、バッテリが約９０％ＳＯＣで容量の約５Ａ／１００Ａｈｒの速度に達するまで定電圧で、さらにその後バッテリがその定格Ａｈｒ容量に達した９０％から１００％ＳＯＣまで定電流でバッテリを充電することを含む。このようなプロファイルは産業用途に用いられる多くのバッテリ、例えば開放型鉛蓄電池に有用である。ＤＳＰの命令セットにより広範囲にわたって充電プロファイルを制御可能であることは本発明の急速充電器の特有の利点である。このように充電プロファイルの主な変動はハードウエア変更ではなくソフトウエア変更により行うことができる。密閉型バッテリを充電するための充電プロファイルの厳重な制御を維持することが可能であり、あるいはバッテリタイプに対応した個別充電プロファイルを実行することができる。
【０１５９】
高アンペア電源が提供されない環境で急速充電器を用いた状況で、本発明の制御技術の有用例を実行することができる。この急速充電器は超大電流で電流をバッテリに提供することができるが、例えば急速充電を用いたことがなく電源がすでに例えば３０アンペア能力を有する充電ステーションまたは他の電気取出口に供給された工場内で旧来の電気供給により与えられる電力引き込みの制限がある状態でも動作可能である。出力電圧センサおよび出力電流センサは入力電流を制御するために用いる情報を提供する。出力電流および電圧に基づいて、出力電力を算出するとともに近似効率と力率とを補償する係数を掛ける。この補償出力電力値を超えてはならない最大値と比較して３０アンペアを超える電流引き込みを防止する。算出出力値がこの最大値を超える場合、ＰＷＭにより制御されるスイッチングのパルス幅を減少させる。値が最大値未満であれば充電サイクル中に電圧および電流の通常の制約によりＰＷＭを制御する。こうして設備の制約内で充電速度を最大化することができる。
【０１６０】
本発明はその様々な有用実施形態において従来のパルス幅変調（ＰＷＭ）技術を用いてバックレギュレータトポロジーでの電力変換を行う一方、本発明によるバックコンバータ急速充電器がソフトスイッチング技術を利用するための共振型、準共振型、あるいは複共振型回路で構成可能であることは理解できよう。これらの技術はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）またはゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）条件下で動作することによりスイッチング要素の熱と応力とを最小化できる。しかしこれらの技術およびその関連条件はより複雑であるとともに、負荷変動、要素誤差、配線レイアウト、寄生インダクタンスおよび静電容量に起因する問題を生じやすいことも理解できよう。本発明の範囲内の他の変更例において、フライホイールダイオードをスイッチング装置と並行の装置内に配置して同期動作を提供することにより急速充電の効率を向上させることができる。
【０１６１】
力率
本発明の急速充電器の特に有利な特質は、特に先行技術のシリコン制御による整流器（ＳＣＲ）および鉄共振型充電器と比較すると、改善力率である。以下の例示的計算で示すように周知の方法により力率を算出できる。
【０１６２】
ＳＣＲによる充電器の力率は以下のように算出する。導通角を指定する。
【数１８】
2005509396.tif 000020
【０１６３】
１Ｖピーク信号位相ＡＣ入力および１Ω抵抗型負荷の正規化値と仮定する。
【数１９】
2005509396.tif 000021
【０１６４】
これは所望導通角の平均値である。
【数２０】
2005509396.tif 000022
【０１６５】
これは所望導通角のＲＭＳ電流値を表わす。
【０１６６】
入力電圧のＲＭＳ値は、
【数２１】
2005509396.tif 000023
Ｉｉｎ：＝Ｉｒｍｓ
Ｐｉｎｒｍｓ：＝Ｉｉｎ・Ｖｉｎ  ｆｌｏａｔ，４→．２２１０
【０１６７】
これは回路への皮相電力である。負荷（理想抵抗）の平均または実電力が決めされる。正規化値のためこれらは等しい。
Ｖｏｕｔａｖｇ：＝Ｉａｖｇ
【０１６８】
平均値表記に基づき且つ導通値を限度として用いると、
【数２２】
2005509396.tif 000024
【０１６９】
これは６０度導通角を有する力率である。またこの理想回路において導通角が力率に劇的に影響することに注意されたい。
【０１７０】
鉄共振型充電器の力率を以下のように算出する。
【０１７１】
鉄共振型の出力は整流された後バッテリ負荷に供給される。これは負荷がバッテリでありコンデンサバンクではないこと以外は基本的に標準的な整流回路に似ている。バッテリをモデル化した後、整流ＡＣ電圧を印加することは一般的な力率範囲の近似限定を行う一技術である。実際のバッテリは一連の抵抗、一連のインダクタンス、電圧減、および並行コンデンサを含む。ＳＣＲに酷似して、鉄共振型はその出力整流に起因する導通角の影響を受ける。以下の例はこの起こりうる導通角問題を示している。
１８セルを有する３６Ｖと仮定すると、最大充電電圧は、
ＭａｘｂａｔＶ：＝１８・２．４２ｆｌｏａｔ，４→４３．５６
これが必要な上限充電電圧を設定する一方、最低充電電圧は大体、
ＭｉｎｂａｔＶ：＝１８・２ｆｌｏａｔ，４→３６
鉄型充電器はバッテリを有効に充電するために出力電圧のこの範囲を網羅しなければならない。最大電圧を４３．５６Ｖに設定すれば鉄型充電器からの最小電圧は、
【数２３】
2005509396.tif 000025
これは整流鉄型出力電圧が、
ｆｅｒｒｏΔＶ：＝ＭａｘｂａｔＶ−ＦｅｒｒｏＶｍｉｎｆｌｏａｔ，４→５．８４
だけ変動することを示す。
【０１７２】
鉄型の共振巻線は充電器からのピーク電圧出力に対する調整を提供するが、差電圧が常に存在する。こうして共振巻線装荷によってピーク電圧が調整されていることに依存して、最小出力電圧は係数ｃｏｓ（π／６）以下になる。最大導通用に出力電圧を調整すれば、ＡＣリプル電流およびサージ電流が得られる。これは標準的な整流器と同様に力率問題を生じる。このため鉄型は幾分導通角問題の影響を受ける。共振巻線の装荷はバッテリへの出力電圧を調整するために用いる方法である。またこれは利用可能な調整範囲を限定する。
【０１７３】
図１９は例示的鉄共振型充電器出力に対する時間の関数としての電圧のプロットである。
【０１７４】
高周波バックレギュレータによる充電器の力率は次のように算出する。
【０１７５】
１アンペアＤＣの電流源および１ボルトピークの一相ＡＣ源を有する正規化回路と仮定する。基本的にＤＣ出力電流は入力電圧と同位相の１から−１アンペアの方形波のように見える。上記のように計算すると、
【数２４】
2005509396.tif 000026
電流方形波のＲＭＳ値は、
Ｉｉｎｒｍｓ：＝１
Ｐｉｎａｐｐ：＝Ｉｉｎｒｍｓ・Ｖｉｎｒｍｓｆｌｏａｔ，５→．７０７１０
これは皮相電力入力を表わす。
【数２５】
2005509396.tif 000027
正規化値では、これは平均電力出力を表わす
Ｐｏｕｔａｖｇ：＝Ｖｏｕｔｅａｖｇ１
【数２６】
2005509396.tif 000028
【０１７６】
この値は負荷電流または出力電圧の変化にもかかわらず略同じである。ＳＣＲとは異なり、同通角を変えて異なる負荷電圧に対応しなければならず且つ非常に低い力率を受ける。なお両方の場合とも三相源では力率が若干よくなる。一相の例の使用を分析する方が容易である。
【０１７７】
システム考察
充電器を使用する環境では、作業の平易さおよびメンテナンスが費用に重要である。この大容量バッテリ用急速充電器は小型であり、モジュールに構成されていて好都合であるとともに充電動作の進行を表示する視覚的表示器を備えている。
【０１７８】
図２０は、ヒンジ２０９および２１０に取り付けられ、そのため筐体内の内部部品にアクセスするように開放可能なドア２２９を有する単一筐体２３２を含む本発明の一実施形態による急速充電器２３０の正面概略図である。示した図においてキャビネットドア２２９は閉じている。安全機能としては、鍵２３１Ａで錠を開けて、ハンドル２３２Ａで内部の電気遮断スイッチを係合することによりのみドア２２９を開放することができる。制御モジュール２４１をドア内に装着する。ディスプレイ２３３はＤＳＰ（内部、図示せず）によって出力電流および電圧センサからの入力を受け取り、必要なエラーメッセージに加えてバッテリＳＯＣを図で表示する。動作は「開始」および「停止」スイッチ２３４および２３５で制御され、表示灯２３６（「完了」）、２３７（「仕上げ／等化」）、２３８（「充電」）、および２３９（「オフ」）は操作者に迅速な情報を提供する。何らかの緊急事態が発生した場合には、操作者は緊急遮断スイッチ２４０を叩いて制御盤への電力を遮断することができる。
【０１７９】
高周波でのスイッチング高電力はＩＧＢＴが急速充電器内でそうであるように充電器の電磁妨害（ＥＭＩ）を生じるため、このような実施形態の制御モジュールは内部の金属箱に配置されていて有利である。この充電器のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）は過度なＥＭＩからの保護を必要としており、このような目的のために内部金属箱内で保護してもよい。ディスプレイ電子機器もＥＭＩからの遮蔽を必要とするとともに、充電器の制御盤モジュール・デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）が過剰なＥＭＩからの保護を必要としており、この目的のために内部金属箱内で保護してもよい。ディスプレイ電子機器もＥＭＩからの保護が必要であり、制御盤モジュールは内部金属箱に制御モジュールを配置することによってこの機能にも対応している。この方法は制御モジュールの簡単なメンテナンスをさらに容易にする良好な構造をも可能にする。
【０１８０】
急速充電器２３０の右下側壁で、２対のケーブル２１１および２１２が筐体２３２から外部に延出し、それぞれバッテリ端子結合器２１６および２１７で終端している。このケーブル対２１１および２１２の配置により、ケーブルが充電動作中のバッテリの位置と一致した高さすなわち床付近で充電対象のバッテリの端子に容易に取り付けられるようになっている。
【０１８１】
充電ユニットに関連するケーブルに関するさらに具体的な変更例として、図に示すように不使用時には筐体２３２に密着して保持され、バッテリ結合器２４９Ａで終端する自由端２４８Ａを備えた格納式のケーブルをキャビネットに搭載することもできる。このケーブルはその主たる長さ２３３Ａに沿って、ピボットジョイント２４７Ａを含む可動アーム２３９Ａ上の支持ブラケット２３５Ａおよび２３７Ａにより支持されるため、充電対象のバッテリと接続して使用するためにその自由端を選択的に把持して筐体から引き離すことができる。可動アーム２３９Ａは引張りリール（例えば米国４６７２５インディアナ州コロンビアシティのビジネス３０  ２８４２Ｅのリールクラフト  インダストリーズ・インク（Ｒｅｅｌｃｒａｆｔ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．（２８４２Ｅ，Ｂｕｓｉｎｅｓｓ  ３０  Ｃｏｌｕｍｂｉａ  Ｃｉｔｙ，ＩＮ  ４６７２５  ＵＳＡ））から入手可能なタイプ）を備えて、あるいは不使用時に充電器筐体に近接位置に保持するバイアス手段を備えてばね装着してもよい。バッテリ充電の後ケーブルをバッテリから切り離して、不使用時にガソリンポンプ筐体に近接して引込み可能に保持されるガソリン分配ホースのように、引っ込めるあるいは筐体２３２に近接した位置に戻すことができる。このような引込み可能ホース機能は小売ガソリン業界で一般に使用されているが、バッテリ充電器には理解および実施されておらず、そのためこのような引込み可能ケーブル構成は本発明によるバッテリ充電器の製造で用いることができる追加機能を実現する。
【０１８２】
フォークリフトのフォークが突き刺すことができない場合およびフラッド状態にならない場合に、この引込み可能ケーブルを地面から離して充電器を載置する台に配置することができる。このような構成によりケーブルを頭上に装着することはさらに人間工学的利点を有する。
【０１８３】
他の実施形態において２つの引張りリールを充電器の側面に取り付けた逆「Ｌ」ブラケットに装着することもできるとともに、ケーブル中央部をその引張りリールに取り付けて簡単な引っ込みケーブル装備品を可能にすることもできる。
【０１８４】
ケーブルの非制御急速移動が損傷および／または怪我の原因となる恐れがあるため、引込み可能ケーブルシステムは重いケーブルを「跳ね返り」なく効率的に引っ込めるのに有効でなければならない。平衡錘を有するプーリは、トラックに轢かれる可能性のある地面上をケーブルが引っ張られることを回避する簡単なシステムであるが、標準速度充電器にはこのような引き込みシステムが無くまた必要としない。その代わりに充電動作が完了するとユーザは概して充電器台の上部にケーブルを置くだけである。
【０１８５】
この点で注意しなければならないのは、本発明の急速充電器で採用されているケーブルよりかなり軽量且つ小さい径のケーブルを利用していた当該技術で従来より周知のバッテリ充電器には引き込み可能ケーブルを採用していなかったことである。本発明の充電器により達成される大電流、高速充電の結果、本発明の急速充電器に必要なケーブルは重く且つ大きな径のケーブルを含む。ケーブルが床領域にあってアクセスや移動を制限するとともに通常作業に利用可能な床領域を低減する場合がある他の構成に対して、本発明の実施においてこのような大きく且つかさばるケーブルの引き込みは作業床面上の障害を排除する。
【０１８６】
図２１はキャビネットドアを開放して制御、ヒューズおよび電源モジュールを示した状態の図２０の急速充電器の内部正面概略図である。
【０１８７】
充電器２３０は筐体２３２内に電源モジュール２５０と制御盤２４１のほかに、出力インダクタ２５２、ホール効果電流センサ用ケーブル開口部２５４、およびヒューズ盤２５６を含む。またこのユニットは出力コンデンサ２７４も含む。ヒューズ盤２５６は三相接触器２５８と、三相入力ヒューズ２６０と、制御盤インターフェース（ソリッドステートリレー）２６２と、接触器コイル用ヒューズ２６４と、制御変圧器用ヒューズ２６６と、バッテリへの出力ヒューズ２６８と、制御盤に電力を供給する降下制御変圧器２７０と、熱シンク冷却ファンヒューズ２７２とを搭載している。コントローラおよびソリッドステートリレー接触器リレーへの電力は緊急スイッチによって遮断され、このユニットの電源を切る。
【０１８８】
充電器のドアが開くと、充電器筐体のドアからその裏部分へ延びる電力接続結合ケーブルの分離により入力電力が遮断されることが重要な特徴である。このようにドアが開くと充電器への電力が確実に「オフ」になるとともに、ドアが閉まっている時のみ充電器に電力が供給される。これは充電器の使用または保守の際に内部部品に触れる作業およびメンテナンス従事者の安全を保証するための好適な実施形態の充電器のフェイルセーフ機能である。
【０１８９】
図２２は図２０〜２１の急速充電器の内部側面概略図であり、参照を容易にするため対応する部分および機能にはすべて対応する番号を付してある。筐体２３２は内部にヒューズ盤２５６を含む。ヒューズ盤２５６の背後に三相接触器および電源盤２５０と結合した変圧器２７６が配置されている。制御盤２４１はヒューズ盤２５６の上方に垂直に配置されている。
【０１９０】
また図２２に示した充電器は、筐体とともに、熱シンク２８４と、コンデンサ２８６と、出力コンデンサ２７４と、コンデンサ２７４と結合され出力ＬＣフィルタを形成する出力インダクタ（「チョーク」）２５２と、前面外装上のハンドルに機械的連結を有する遮断スイッチ２７８とを含む。電源盤２５０は本明細書に前述した部品としてＩＧＢＴと、フライホイールと、バス構造と、整流器とを含む。
【０１９１】
この充電器は、専用のライン源、例えば三相電力電源から受け取った電力を変調するフィードバック装置の一部として出力電圧センサ２８０と入力電圧センサ２８２とをさらに含む。
【０１９２】
図２３は内部電源モジュールを示す、単一大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器２３１の部分側面三次元概略図である。この充電器ユニットは筐体の前面にディスプレイ２４１と、電源遮断スイッチ２５５と、ハンドル２１１Ａと、錠２５９および鍵２５７とを含み、左側のパネルを取り外して示した図内に出力インダクタ２５３と電源モジュールコンデンサ２５１とを含む。
【０１９３】
図２４は内部制御２４１、ヒューズ２８７、および電源２８３モジュールを示す図２３の急速充電器２３１の正面三次元概略図である。
【０１９４】
図２５は内部電源２８３および制御２４１モジュールを示す図２３の急速充電器２３１の平面三次元概略図である。
【０１９５】
図２６は図２３の急速充電器２３１のヒューズモジュールの概略図であり、すべてのヒューズアセンブリが図２１に示した同一要素と対応して番号が付されている。
【０１９６】
図２７はホール効果センサ２７６と、インダクタ２７２とコンデンサ２６７とを含む、図２３の急速充電器２３１の中央平面パネル３０１Ｂの概略図である。
【０１９７】
図２８は細長いディスプレイ３１７（図２０も参照）を示す図２３の急速充電器２３１の制御盤２４１の三次元概略図である。
【０１９８】
図２９は図２３の急速充電器２３１の電源モジュール２８３の平面概略図である。
【０１９９】
急速充電器パラメータの変更
デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）駆動パルス幅変調（ＰＷＭ）制御方法は、充電性能の汎用であるが簡単な制御を提供して、次に対応するように単一の急速充電器を調整することができる。
異なるバッテリ電圧、
異なるバッテリ容量（アンペア−時間）、
異なる最大充電速度（アンペア）、
異なる充電アルゴリズム、
バッテリ充電を仕上げおよび等化する許容設定時刻。
【０２００】
ユーザがＤＳＰのパラメータを調整できるようにすること、例えばＤＳＰを再プログラムすること、事前プログラムおよび記憶命令セットから選択すること、ＤＳＰレジスタを調整すること等によりこれらの異なる制約に急速充電器を対応させる。ＤＳＰは第１の電子スイッチのパルス幅を調整することにより充電速度に関する命令を実施する。
【０２０１】
急速充電器の一実施形態はこれらの対応のいくつかまたはすべてを行う簡易設定スイッチのセットを含む。この調整は（ａ）操作者がスクロールして選択できる調整対象変数の選択肢、および（ｂ）操作者が事前設定安全範囲内で調整且つ選択できるこれらの変数の値を提示するディスプレイを使用するメニューシステムによって容易になる。
【０２０２】
任意の適当な手段（鍵、スワイプカード等）設定スイッチへのアクセスを制限して変更を行うことができる個人数を限定する。例えば、設定スイッチに鍵をかけてキャビネット上のパネルを介してアクセスしてもよい。
【０２０３】
例示的な大容量鉛蓄電池用の急速充電器に急速充電プロセスを調整する手段を設け、それらを以下に説明して実行可能な調整のいくつかを示すが、他の方法も同様に設定することができる。
【０２０４】
例示的急速充電器にキーロックシステムによるキャビネットドア内でアクセス可能な２つの設定スイッチを設ける。設定スイッチはキャビネットドアの前面のディスプレイに現われる選択肢のメニューを操作する。簡単に言うと、ディスプレイは前述した充電ゲージを表示するのに使用するのと同一のもの、例えばＡＳＣＩ文字制御ディスプレイである。必要に応じてさらに１つあるいは複数のディスプレイを組み込むことができる。第１の設定スイッチは選択に利用可能なオプションをスクロールするためのスクロールスイッチであり、第２のスイッチは所望のオプションを選択するための選択スイッチである。これらのスイッチにより操作者が異なるメニューをスクロールして、オプションを選択して、事前設定範囲内の値を変更することができる。
【０２０５】
例示的な急速充電設定スイッチによりユーザが７つの選択肢の開始メインメニューをスクロールすることによって目を通すことができる。（１）バッテリパラメータ設定、（２）バッテリ充電の仕上げおよび等化、（３）時刻および日付の設定、（４）遅延開始、（５）サーミスタ連結（イエス／ノー）、（６）較正係数、および（７）終了。
【０２０６】
（１）バッテリパラメータ設定
このメニューに入った後、ユーザは急速充電器が直面すると思われるバッテリ電圧を選択するとともに、バッテリ電圧毎にバッテリ容量（アンペア−時間）および最大充電速度（「最大アンペア出力」）、すなわち充電中にバッテリに供給可能な最大電流を選択する（工場を離れる前に最小アンペア−時間および最小最大アンペア出力で充電器を設定する）。バッテリ容量および最大充電速度はバッテリ構造および化学的性質、例えば添加物、混合の有無等の関数であり、バッテリメーカーにより変動する場合がある。メニューはユーザがスクロールする所定リストからのバッテリ電圧の選択を提示する。この例、大容量開放型鉛蓄電池用の急速充電器では、事前設定バッテリ電圧は、６、１２、１８、２４、３６、および４０セルのアレイを示す１２、２４、３６、４８、７２、および８０ボルトである。各バッテリ電圧の場合ユーザは、充電器メーカーによって事前選択された範囲、例えば２００〜１５００アンペア−時間内で繰り返す「値を変更」のメニューをスクロールすることによりアンペア−時間のバッテリ容量を選択することができる。次にユーザは、再び事前選択された範囲、例えば１００アンペア〜５００アンペア内で繰り返す「値を変更」のメニューにより、安全速度を表わすように事前設定された範囲限度内の値を変更することにより最大許容充電速度を同様に選択する。最大充電速度は以前に入力されたバッテリ電圧に関係するため、最大アンペア出力の事前設定範囲を表わすメニューはバッテリ電圧毎にアクセスされる。鉛蓄電池の場合、華氏８６度でセル当たり２．４０ボルトは、これ未満で充電器を動作させなければならない「ガッシング（ｇａｓｓｉｎｇ）電圧」である。ガッシング電圧はバッテリの化学的性質および温度による。
【０２０７】
（２）仕上げおよび等化
「仕上げおよび等化」（ｆｉｎ／ｅｑ）メニューにより、バッテリ充電プロセスを仕上げおよび等化できる時に管理者が一日および数日の時刻を設定することができる。仕上げは低電流、例えば約１００Ａｈｒ容量当たり３〜５アンペアを印加することにより９０％から１００％ＳＯＣまで充電するプロセスである。我々の実施形態の等化は、セル電圧を均等にするとともに残留酸化生成物が再結合するように定電圧、例えばセル当たり約２．４２ボルトを印加することによりバッテリを若干過充電するプロセスである。これらのステップは不可避のガッシングに関連しており、一般的にアクティブシフト中には行われず、オフシフトまたは週末や休日にわたって行われる。等化は概して少なくとも週に一度行うことが推奨される。
【０２０８】
（３）時刻および日付設定
管理者は時刻と日付を設定する。
【０２０９】
（４）遅延開始
時刻および日付情報により自動的に充電器をオンおよびオフさせるとともにオフシフトなどの都合のよい時間中の仕上げおよび等化モードに入る。
【０２１０】
（５）サーミスタまたは連動装置
管理者は充電器がバッテリ温度を検知するためのサーミスタが接続されているか単にコネクタ連動装置を有するかに基づいて（イエス／ノー）を選択することができる。機能にかかわらずこの配線接続は負荷によるバッテリ切断を検知するのに用いられる。これにより充電器が遮断されてこの状況下でのアーク放電を防止する。
【０２１１】
（６）較正係数
バッテリ電圧の個別測定を行って急速充電器の出力電圧センサによって測定されたバッテリ電圧と比較する。較正係数は例えば、出力電圧センサ、ＤＳＰインターフェース基板上の調整回路、演算増幅器およびフィルタからの、測定中の全累積誤差、すなわちＤＳＰに関するアナログ−デジタル変換誤差を補償する。バッテリの電圧は例えば、−３％〜＋３％も出力フィルタ（出力電圧センサ）の電圧と異なる場合があるが、一般的には例えば＋／−２％未満異なり、＋／−１％であることがより好ましい。そのため較正係数はアナログ−デジタル入力変換に生じた誤差に加えて損失および測定測定誤差に合わせて調整するとともに、出力電圧測定を適度に正確に例えば約５０ミリボルト以内にすることができる。
【０２１２】
（７）終了
設定プログラムから離れて通常プログラムに戻る、つまり調整が完了した。
【０２１３】
他の実施形態において、追加または別の制御機能をメニュー方式設定に含めることができる。例えば２つ以上の充電アルゴリズムを、ＤＳＰ、例えば開放型鉛蓄電池などの開放バッテリ用標準Ｉ−Ｖ−Ｉプロファイル、密閉型鉛蓄電池などの密閉型バッテリ充電用の個別プロファイル、さらには異なる電気化学特質および電圧のバッテリ、例えばＮｉＣｄまたはＮｉＭＨ蓄電池の充電に適した異なるプロファイルに記憶することができる。
【０２１４】
設定後の動作
バッテリ容量および充電器が遭遇するバッテリ電圧毎の最大充電速度を設定する能力により、急速充電器の有効利用して安全上可能な限り素早く充電することが可能になる。さらに変動する電圧を有するバッテリを備えた充電器の柔軟な使用が可能になり、つまり例えば現時点では各充電器に２つ以上のトラックまたはリフトが割り当てられた状態で同一箇所で４８ボルトおよび３６ボルトバッテリに遭遇することは珍しいことではなく、いくつかの異なるバッテリサイズを必要とする機器の組合せが生じる可能性が常にある。さらにバッテリ容量を設定することがバッテリゲージを正確にさせるため、操作者はバッテリＳＯＣに関する正確な情報を有する。対照的に他の充電器ではその密度を判定するため、操作者が充電対象のバッテリに別個のバッテリ監視装置（「ＢＭＩＤ」）を挿入しなければならないことが多く、そのため追加コストおよび複雑化が必要になる。
【０２１５】
バッテリパラメータが設定された後、急速充電器は、操作者がすべての休憩および昼食時間中にバッテリを充電器に接続する「好機充電」モードで使用されるようになっているため、バッテリはその使用中には殆ど比較的高ＳＯＣで動作する。接続と同時に急速充電器の出力電圧センサがバッテリの電圧を測定するとともに、定電流サイクルを通して設定最大電流での電圧を認識した後急速充電器がバッテリを充電する。バッテリ電圧がその最大値に達すると、急速充電器は定電圧方式に切り換わるとともに、バッテリＳＯＣが増加するにつれて電流が減少して定電圧を維持する。電流が事前設定の低値、例えばバッテリ容量の１００Ａｈｒ当たり５アンペアまで減少すると、時間が許容タイムスロット内にある場合には、充電器は「仕上げ」モードに入るとともに、低値例えば１００アンペア−時間当たり３〜５アンペアの定電流を、バッテリを１００％ＳＯＣにするように算出された時間供給する。例えば９０％ＳＯＣに達するまで４３．５ボルトの定電圧位相の間、１０００アンペア−時間３６ボルトバッテリを充電する場合には、８００ＡＨＲ（利用可能）×０．９＝７２０ＡＨＲは、バッテリがさらに８０ＡＨＲ、またはアウトガッシングおよび浪費エネルギー（自己発熱等）による損失に合わせて調整した約１００ＡＨＲを受容可能であることを意味している。
【０２１６】
認識されない電圧または不適切な容量のバッテリが接続された場合、上記のシステムはバッテリを安全に処理することを確実にする。その電圧用のアンペア時間容量設定にプログラムしたものより小さい容量のバッテリを接続すると、ＳＯＣ表示器（「燃料ゲージ」）が幾分不正確になることがあり通常選択するよりも短い時間でより高速で充電することになるが、最大電圧に達すると電流を急に減らすことができる。その電圧用のアンペア−時間容量設定にプログラムしたものより大きな容量のバッテリを接続すると、必要以上にゆっくり充電されることになる。バッテリを充電器に接続して事前設定されていない範囲の電圧を有することが読み取られると、急速充電器は認識される電圧に達するまでバッテリを「細流充電する」（事前設定として１００アンペアまたは５０アンペア等）。事前設定時間（例えば１時間）以内に認識されない場合には、充電器はＯＦＦになる。いくつかのバッテリは「徹底的放電」状態、すなわち２０％ＳＯＣ未満まで放電した状態で充電される。短時間で細流充電された後、その電圧は上昇してバッテリが例えば３６ボルトバッテリとして認識される。鉛蓄電池の例の場合、バッテリは急速充電が開始される前セル当たり２ボルト以上であることが好ましい。産業環境においてバッテリがほんの数分間で細流充電されることは珍しいことではなく、これは好機充電の状況で許容できる。
【０２１７】
上記の例はＤＳＰで制御可能な範囲および自由度を示すためのものである。類推によって他のバッテリタイプ、例えばＮｉＣａｄ電池、Ｎｉ水素電池、ＮｉＭＨ電池等に対して、充電アルゴリズム、変数および好適な充電速度を簡単に得ることができる。
【０２１８】
複数バッテリ用充電器
以下を備えた単一の充電器を配置することにより一度に２個以上のバッテリを充電可能な充電器を構成することができる。
・充電対象バッテリ当たり１個の熱シンク（メンテナンスを容易にするため）、
・バッテリ充電口毎の出力フィルタ、
・バッテリ充電口毎の出力電圧および電流センサ、
・バッテリ充電口毎の出力ケーブルセット、
・バッテリ充電口毎に１つのヒューズ、および
・バッテリ充電口毎のディスプレイと制御子。
【０２１９】
そのため充電器の２個の充電口は増えた負荷に対応するために共通部品をより大きいサイズにすれば、多数の共通部品を共有することができる。バッテリ電圧の測定値がバッテリ毎に別々に出力センサから入力されるため、最大充電速度およびバッテリ容量をバッテリ充電口毎に別々に設定することができる。このような急速充電器１個により充電できるバッテリ数の上限を利用可能電源および充電器の力率によって設定する。４８０ＶＡＣで１００アンペアの電源の場合、
ＩＲＭＳ＝１００＊３の平方根＝１７３Ａ
皮相電力＝４８０＊１７３＝８３ＫＶＡ
出力電力＝０．８８＊０．８７＊８３ＫＶＡ＝６３．５ＫＷ
（で算出された効率および力率）
【０２２０】
これは充電器が供給できる利用可能出力電力である。充電ステーションの総量をこの数および各バッテリに必要な電力から算出するとこができる。
【０２２１】
以下の非限定実施例により本発明の態様および特徴をより完全に示す。
【実施例】
【０２２２】
実施例１。単一の大容量バッテリを充電するための急速充電器
図３０は単一の大容量、開放型鉛蓄電池を充電する本発明の急速充電器のブロック図である。三相電力を、スクエアディー（Ｓｑｕａｒｅ  Ｄ）６０アンペア遮断スイッチ２６０Ａおよびバスマン（Ｂｕｓｓｍａｎｎ）５０アンペア入力ヒューズ２６１Ａを介して、ソリッドステートリレー２６５Ａを介してＤＳＰコントローラ２６３Ａにより切り換えられる接触器２６２Ａへ導入して、充電用変圧器２６４Ａに電力を印加する。この三相降圧器２６４Ａは入力４８０ＶＡＣを１０６ＶＡＣに変換するが、温度上昇が摂氏８０度しかない３０ｋＶＡ用に連続定格化されている。三相変圧器の出力は電力変換器部２６６Ａへ配線されている。電力変換器部は以下の構成要素を含んでいる。
・整流器２６７Ａ
・フィルタ部２６８Ａ
・ＩＧＢＴ高周波制御スイッチ２６９Ａ
・フリーホイーリングダイオード２７０Ａ
・サンド型バス構造
・温度検知サーミスタ２７１Ａ
・熱シンク
【０２２３】
この整流器部２６７Ａは三相整流器として構成された三つのデュアルダイオードモジュールを含む。各ダイオードは摂氏９５度で２４０アンペア用に連続定格されている。各ダイオードの遮断電圧は１６００Ｖであり、熱インピーダンスは０．１７℃／Ｗである。このような目的の好適な整流器ダイオードはサンレックス（Ｓａｎｒｅｘ）部品番号ＤＤ２４０ＫＢ１６０である。この整流器は三相１０６ＶＡＣを３６０ＨｚＡＣ成分を有する平均１４３Ｖに変換するとともにこれをバス構造に供給する。
【０２２４】
フィルタ部２６８Ａは合計２４００μｆのバス容量を形成する各々６００μｆの４つのフィルムコンデンサを含み、このような目的の好適なフィルムコンデンサはローダーシュタイン（Ｒｏｅｄｅｒｓｔｅｉｎ）部品番号ＧＭＫＣ６００−６００ＩＢＲＸである。各コンデンサは合計４００Ａｒｍバスリプル電流容量を可能にする１００Ａｒｍの定格を有する。各コンデンサの内部インダクタンスは概して５０ｎＨであり、常に１５０ｎＨ未満である。これは合計１２．５ｎＨ以下、最大３７．５ｎＨのバス容量に対する合計ＥＳＬを構成する。このバス構造は合計インダクタンスの他の部分を増す。
【０２２５】
ＩＧＢＴＰＷＭ制御スイッチ２６９Ａは電力変換モジュール内にあり、バス構造に連結する。好適な装置は、６００Ｖの定格ＶＣＥＳおよび２５℃で６００アンペアの連続電流定格を有するトレンチゲートＩＧＢＴ（１５６９７−１８００ペンシルバニア州ヤングウッド、ヒルズ通り２００のパワーレックス・インク（ＰＯＷＥＲＥＸ  Ｉｎｃ．（２００  Ｈｉｌｌｓ  Ｓｔｒｅｅｔ，Ｙｏｕｎｇｗｏｏｄ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ  １５６９７−１８００，Ｅ−ｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓ，ｗｗｗ．ｐｗｒｘ．ｃｏｍ））から市販されているパワーレックス（Ｐｏｗｅｒｅｘ）ＣＭ６００ＨＵ−１２Ｆ）である。これは３００ＶＤＣバスで６００アンペアで合計１２．２ｍｊのスイッチング損失を有する。熱インピーダンスは接合部−シンクで０．０８℃／Ｗであるとともに６００アンペアで１．６Ｖのオン状態電圧を有する。このスイッチはＰＷＭ制御されて出力フィルタに供給する平均電圧を達成する。
【０２２６】
本発明に採用するＩＧＢＴは任意の好適なタイプでよい。本発明で有用なＩＧＢＴ装置は、上記のパワーレックス（ＰＯＷＥＲＥＸ）装置に加えて、米国０８８３３ニュージャージー州レバノン、Ｒｔ．２２，１０５０のユーペック（Ｅｕｐｅｃ（１０５０  Ｒｔ．２２，Ｌｅｂａｎｏｎ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ，０８８３３  ＵＳＡ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｅｕｐｅｃ．ｃｏｍ））、米国７５００６テキサス州キャロルトン、ハイランダーウエイ２５３２のフジ・セミコンダクター（Ｆｕｊｉ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（２５３２  Ｈｉｇｈｌａｎｄｅｒ  Ｗａｙ，Ｃａｒｒｏｌｌｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ７５００６  ＵＳＡ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｆｕｊｉｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．ｃｏｍ））、独国ニュルンベルグＤ−９０２５３、ＰＯボックス８２０２５１のセミクロン・インターナショナル（Ｓｅｍｉｋｒｏｎ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ  ８２０２５１，Ｄ−９０２５３  Ｎｕｒｎｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｓｅｍｉｋｒｏｎ．ｃｏｍ）から市販のＩＧＢＴ装を含む。
【０２２７】
フリーホイーリングダイオード２７０はＩＧＢＴのオフ時間に出力フィルタ・チョークの蓄積エネルギーを伝える。好適な部品はパワーレックス（Ｐｏｗｅｒｅｘ）ＲＭ３００ＣＡ−９Ｗ高速回復ウエルダー・ダイオードモジュール（１５６９７−１８００ペンシルバニア州ヤングウッド、ヒルズ通り２００のパワーレックス・インク（ＰＯＷＥＲＥＸ  Ｉｎｃ．（２００  Ｈｉｌｌｓ  Ｓｔｒｅｅｔ，Ｙｏｕｎｇｗｏｏｄ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ  １５６９７−１８００，Ｅ−ｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓ，ｗｗｗ．ｐｗｒｘ．ｃｏｍ））から市販）である。これは共通カソードを有するデュアルダイオード・パッケージであり、各ダイオードは１１４℃で連続３００アンペアを流すことができる。これにより我々の回路で合計６００アンペアの連続性能が提供される。このモジュールに対する６００アンペアの一般的なオン状態電圧は１Ｖである。逆回復時間は０．５μｓであり、逆回復充電は５０μＣである。これは４５０Ｖのピーク遮断電圧および０．０７４℃／Ｗの熱インピーダンスを有する。低オン状態電圧および良好な熱インピーダンスによりこの用途に対する有効な選択肢になる。
【０２２８】
本発明でスイッチング要素として用いられるフライホイールダイオードは任意の好適なタイプでよい。本発明で有用なフライホイール装置は上記のパワーレックス（ＰＯＷＥＲＥＸ）装置に加えて、米国０８８３３ニュージャージー州レバノン、Ｒｔ．２２，１０５０のユーペック（Ｅｕｐｅｃ（１０５０  Ｒｔ．２２，Ｌｅｂａｎｏｎ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ，０８８３３  ＵＳＡ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｅｕｐｅｃ．ｃｏｍ））、米国７５００６テキサス州キャロルトン、ハイランダーウエイ２５３２のフジ・セミコンダクター（Ｆｕｊｉ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（２５３２  Ｈｉｇｈｌａｎｄｅｒ  Ｗａｙ，Ｃａｒｒｏｌｌｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ  ７５００６  ＵＳＡ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｆｕｊｉｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．ｃｏｍ））、独国ニュルンベルグＤ−９０２５３、ＰＯボックス８２０２５１のセミクロン・インターナショナル（Ｓｅｍｉｋｒｏｎ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ  ８２０２５１，Ｄ−９０２５３  Ｎｕｒｎｂｅｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｓｅｍｉｋｒｏｎ．ｃｏｍ）から市販されているダイオード装置を含む。
【０２２９】
サンドイッチ型バス構造は電力変換構成要素をすべて相互接続させる。これは８分の一インチ銅穿孔シートおよび厚さ３０ｍｉｌのノーメックス（Ｎｏｍｅｘ）（登録商標）４１０ポリ（メターフェニレンイソフタルアミド）（デラウエア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン  ドゥ  ヌムール  アンド  カンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｄ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）））で構成した。導電銅シート間の間隙はノーメックス（Ｎｏｍｅｘ）（登録商標）４１０絶縁体により設けられ、より一般的には絶縁材料の厚さにより決まるため約１５〜約１００ｍｉｌの範囲であると有利である。既知の電流でフリーホイーリングダイオードにかかるスイッチング波形のオーバーシュート電圧を測定することにより浮遊インダクタンスの寄与がよく分かった。これらのオーバーシュート電圧の測定値、電圧変化時間（ｄｔ）および電流変化（ｄｉ）から、以下によってバスインダクタンス（Ｌｂｕｓ）の値を算出する。
Ｌｂｕｓ＝Ｖｍｅａｓｕｒｅｄ＊ｄｔ／ｄｉ
【０２３０】
測定データからＶｍｅａｓｕｒｅｄは１００Ｖ、ｄｔは２００ｎｓ、およびｄｉは５００Ａで３０ｎＨのＬバスを生じる。共振周波数式から、この計算で１８．７６ＫＨｚの共振周波数となる。
【０２３１】
温度センサ２７１Ａはパワー半導体に近接して熱シンクに載置されて熱シンクの温度を検知する。この半導体ジャンクション温度は熱インピーダンスから算出される。好適な装置は５ｋオームの室温を有するベータサーム（Ｂｅｔａ  Ｔｈｅｒｍ）部品番号５Ｋ３Ｄ１４８負の温度係数（ＮＴＣ）サーミスタである。９５℃の温度でサーミスタの抵抗は３９４オームまで低下する。サーミスタの温度対抵抗データからコントローラはこの半導体の温度が何度であるか分かる。超過温度に対する温度トリップ点が多少の熱拡散熱インピーダンスを可能にする９５℃であることが好ましい。
【０２３２】
最後の重要な要素は熱シンクであり、好適なタイプは例えばＲテータ（Ｒ−Ｔｈｅｔａ）部品番号ＤＦＣ３０５Ｔ１９Ａ３７ＡＨ１１８ＢＸＸなどの熱シンクである。この熱シンクはパワー半導体の冷却メカニズムとして機能する。これは厚さ１／２インチのアルミニウム基板にプレスされた中空アルミニウム翼で構成され、強制空気冷却するため翼に沿って送風する２個の１００立方フィート／分のファンを備えている。
【０２３３】
電力変換器出力は直列インダクタ２７２Ａおよび出力コンデンサフィルタ２７３Ａで構成される出力フィルタ部に結合する。
【０２３４】
このインダクタは１３０μＨ６００Ａ連続ラミネート鋼鉄心である。このような目的の好適な出力チョークインダクタ要素はラコニア・マグネティクス（Ｌａｃｏｎｉａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）ＬＭＩ−３４９９（０３２４７  ニューハンプシャー州ラコニア、プレスコットヒルロード、Ｐ．Ｏ．ボックス１４５７のラコニア・マグネティクス（Ｌａｃｏｎｉａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ（Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ１４５７，Ｐｒｅｓｃｏｔｔ  Ｈｉｌｌ  Ｒｏａｄ，Ｌａｃｏｎｉａ，Ｎｅｗ  Ｈａｍｐｓｈｉｒｅ  ０３２４７）から市販））である。代替出力チョーク装置は商業的に容易に入手可能であるとともに、これらには米国４４１３４オハイオ州クリーブランド、ブルックパークロード  ２２５０のトレンコ（ＴＲＥＮＣＯ（２５５０  Ｂｒｏｏｋｐａｒｋ  Ｒｏａｄ，Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ，４４１３４  ＵＳＡ））から入手可能なものがある。
【０２３５】
このような目的の好適なコンデンサは１００Ａｒｍの定格を有するローダーシュタイン（Ｒｏｅｄｅｒｓｔｅｉｎ）部品番号ＧＭＫＣ６００−６００ＩＢＲＸである。このフィルタはＩＧＢＴスイッチング変換器および入力に関する最小静電容量技術によるＡＣリプル電圧により生成されるＡＣ成分をフィルタ処理するような大きさに形成されている。出力のＡＣ成分が小さいほど充電対象のバッテリおよび出力ホール効果センサに生じる発熱が少なくなる。この設計では出力ＡＣ成分は合計出力の５％未満に維持される。
【０２３６】
充電器のＤＣ出力および入力バス電圧は電圧センサ２７４Ａおよび２８６Ａで監視される。この装置はＤＳＰおよびインターフェース回路２６３Ａへの出力を調整する線形増幅回路を備えたアジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）７８００Ａ絶縁増幅器を採用してもよい。またこのセンサは絶縁およびフィルタ処理を提供してそのようなデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）による制御盤上の敏感な電子制御回路を保護する。コスト的に絶縁が望ましくない場合には、絶縁増幅器の代わりに単純な抵抗分割器を用いることができる。
【０２３７】
ＬＥＭホール効果センサ２７６Ａは、例えばＨＴＡ−４００−Ｓ／ＳＰ２電流トランスデューサ（米国５３２１８ウィスコンシン州、ミルウォーキー、ウエストミルロード  ６６４３のレム  Ｕ．Ｓ．Ａ．・インク（ＬＥＭ  Ｕ．Ｓ．Ａ．，Ｉｎｃ．（６６４３  Ｗｅｓｔ  Ｍｉｌｌ  Ｒｏａｄ，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，ＷＩ  ５３２１８  ＵＳＡ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｌｅｍ．ｃｏｍ））から市販）を含むが、充電器の出力ＤＣ電流を監視する。考慮すべき１つの重要な仕様はＡＣＲＭＳリプル電流アンペア数およびその同じリプル電流の周波数の積が４００ｋを超えられないことである。この仕様を超えた場合にはホール効果センサの磁心に過熱が生じることになる。ホール効果センサは３μｓ応答時間を有する高速電流測定を提供する。出力電流と直列に見える電流分流と違い、ホール効果は測定対象電流から絶縁されているため負荷効率に影響しない。全体の精度はプラスまたはマイナス１パーセント、および摂氏１度当たり測定値の０．０５％の利得変動である。
【０２３８】
ホール効果センサは任意の好適なタイプでよく、例えば上記のＨＴＡ−４００−Ｓ／ＳＰ２電流トランスデューサ（米国５３２１８ウィスコンシン州、ミルウォーキー、ウエストミルロード  ６６４３のレム  Ｕ．Ｓ．Ａ．・インク（ＬＥＭ  Ｕ．Ｓ．Ａ．，Ｉｎｃ．（６６４３  Ｗｅｓｔ  Ｍｉｌｌ  Ｒｏａｄ，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ，ＷＩ  ５３２１８  ＵＳＡ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｌｅｍ．ｃｏｍ））に加えて、米国３２８０７フロリダ州オーランド、ハンギングモスロード６１２０のＦ．Ｗ．ベル・プロダクツ（Ｆ．Ｗ．Ｂｅｌｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，６１２０  Ｈａｎｇｉｎｇ  Ｍｏｓｓ  Ｒｏａｄ，Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｆｌｏｒｉｄａ  ３２８０７，ＵＳＡ，ｅｍａｉｌ  ａｄｄｒｅｓｓ  ｗｗｗ．ｓｙｐｒｉｓ．ｃｏｍ）から市販のホール効果トランスデューサなどが挙げられる。
【０２３９】
この回路はバッテリへの外部接続前の充電出力端子で最終回路保護用６００アンペアヒューズ２８４Ａを有する。このような目的の好適なヒューズアセンブリはバスマン（Ｂｕｓｓｍａｎｎ）ヒューズホルダ、部品番号１ＢＳ１０４を備えたバスマン（Ｂｕｓｓｍａｎｎ）ヒューズ番号ＪＪＮ−６００である。
【０２４０】
充電器上に大きな赤色緊急停止スイッチ２８５Ａがあり、これは制御電源およびソリッドステートリレー接触器コイル回路の両方を遮断する。これが緊急事態発生時に瞬時オフ制御能力を提供する。
【０２４１】
ＤＳＰコントローラ２６３Ａは特にバッテリ充電用に開発された制御盤である。これはフラッシュメモリおよびＰＷＭ生成用タイムプロセッサユニットを組み込んだテキサスインスツルメンンツ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む。これは様々なセンサから送り返される情報を読み取ってＰＷＭ信号に適正な変更を行うとともにそれをＩＧＢＴスイッチ２７７に送る。この制御は開始、停止用２７８Ａおよび充電設定パラメータ用２７９Ａスイッチなどの他の操作者入力端子を含む。他の出力端子は例えばモデル番号ＣＵ２００２９ＳＣＰＢ−Ｔ２０Ａとしてノリタケ（Ｎｏｒｉｋｔａｋｅ）から市販されているディスプレイとして２列の大きな大文字真空蛍光英数字ディスプレイ２８０Ａと、ストップ（赤）、充電中（アンバー）、仕上げ／等化（黄）、および完了（緑）の充電器の状態表示のための異なる色の発光ダイオード（ＬＥＤ）２８１Ａとを含む。例えばハモンド変圧器（Ｈａｍｍｏｎｄ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）（モデル番号ＳＬ５０ＡＧ）を含む２４ＶＡＣ５０ＶＡ制御変圧器２８３Ａにより電力がＤＳＰコントローラおよび周辺回路すべてに供給される。
【０２４２】
実施例２。２個の大容量バッテリを充電するための急速充電器
図３１は２個の大容量バッテリを同時に充電する本発明の急速充電器のブロック図である。この回路は実施例１の単一の急速充電器に類似している。入力開閉装置、ヒューズおよび変圧器は２個のバッテリを収容する大きさに形成されているが、他の構成要素は２個ずつある。この充電器は重要な部品を共用するためメンテナンスが簡単になる。
【０２４３】
図３１の２個用急速充電器において、三相電力を大型のスクエアディー（Ｓｑｕａｒｅ  Ｄ）１００アンペア遮断スイッチ３００Ｃおよびバスマン（Ｂｕｓｓｍａｎｎ）９０Ａ入力ヒューズ３０１Ｃを介して、大容量スクエアディー（Ｓｑｕａｒｅ  Ｄ）７５Ａ接触器３０３Ｃへ導入する。この三相降圧器３０５Ｃは入力４８０／６００ＶＡＣを１０６ＶＡＣに変換するが、温度上昇が摂氏８０度しかない６０ｋＶＡ用に連続定格化されている。三相変圧器の出力端子は２つの電力変換器部３０６Ｃおよび３０７Ｃへ電気的に接続されている。電力変換器部および出力フィルタ部はここで、そのうちの２つ以外は実施例１の単一の急速充電器用に説明したものと同一の要素を含んでいる。
【０２４４】
ＤＳＰコントローラは両充電器内のセンサから送り返される情報を読み取ってそれぞれのＰＷＭ信号に適正な変更を行い、その後信号をそれぞれライン３０８Ｃおよび３０９Ｃ内をＩＧＢＴスイッチ４０２および４００へ送る。充電器制御盤をそれぞれ充電器「Ａ」および「Ｂ」として左右に配置する。この制御は「Ａ」と「Ｂ」両側３１０Ｂを開始、停止用スイッチ入力端子を含む。他の出力端子はディスプレイ３１１Ｃおよび３１２Ｃならびに「Ａ」および「Ｂ」両側充電器の状態表示のための異なる色の２列の発光ダイオード（ＬＥＤ）３１１Ｂを含む。部品は単一の急速充電器内に見られるものと同一であり、両充電器を制御するために両側を収容するように単にディスプレイパネルを拡大して配置する。
【０２４５】
実施例３。制御電流引き込みを有する急速充電器
三相４８０または６００ＶＡＣラインから３０アンペアを超える引き込みをしないような制御電力充電器を構成して配置することができる。この特徴は多くの産業施設で非常に重要である。３０アンペア（３０Ａ）三相電力電源、４８０または６００ＶＡＣはやがて現在の充電器に加えて一般的な製造工場至る所で見られる溶接／電源プラグに取って代わる。新たな６０アンペアまたは１００アンペア電力電源を稼動するコストは非常に高い。それは第３シフトまたは週末の休止時間中に組合労働者が残業または標準の２倍の賃金率で行わなければならないことがよくある。今の便利さとコストの節約が現在の電源を用いて可能であれば大きな利点である。これまでに知られている急速充電器の他のタイプはすべてラインに４０アンペアを超える要求をしている。そのため既知のタイプの急速充電器のこのような電流引き込み要件は、現在３０Ａ電源を用いている施設に対して新たな電気電源を要求することになる。本発明の急速充電器はこのような先行技術の制限を克服することにより、本発明の分野で大きな進歩を達成する。
【０２４６】
本発明による急速充電器の製造において、出力電流および電圧を監視し、出力電力を算出し、さらに近似効率および力率を補償する係数を掛けることにより入力電流を制御する。この値は超えてはならない最大値と比較されて３０アンペアを超える電流引き込みを防止する。この値がこの最大値を超える場合にはＰＷＭを減少させる。この値が最大値未満の場合には、充電サイクル中に電圧および電流の通常の制約によりＰＷＭを制御する。
【０２４７】
以下の式および関連するアルゴリズム手順は、これを達成するソフトウエアコードを含めて本発明のこの態様を示す。
式    （（ＡＭＰＳ１＊ＶＯＬＴＳ１）／１６＜１７１３６）か？
イエスであれば、ＰＷＭ＝ＰＷＭ−１
ノーであれば、このアルゴリズムによる実行はない
【０２４８】
電力出力制限用コード例
２０ＫＷに対する限界出力
【表１】
2005509396.tif 000029
【０２４９】
様々な公報に開示され、本明細書に開示または引用して援用した構成要素は、その同等物も本発明の実施形態に用いることができる。本発明の少なくとも一実施形態の全寸法、比率および／または形状を含めて添付の図面のその全体は正確であり本明細書に参照のため含まれる。様々な実施形態の構成要素および方法のすべてあるいは略すべてを本明細書に説明した少なくとも一実施形態またはすべての実施形態と共に用いることができる。例えば本発明の急速充電器をＩＧＢＴフルブリッジ電力変換装置を有するようなフルブリッジ構成で実施できることは理解できよう。本明細書に開示した様々な例示的実施形態の詳細は本明細書の開示に基づいた技術の範囲内でさらに変更および変形可能である。本明細書で取り扱ったすべての特許、特許出願、公開、およびウエブサイトは、その全体に記載されているように本明細書に引用して援用する。本明細書に引用したいずれの文献に引用したすべての引用および文献は、その全体に記載されているように本明細書に引用して援用する。直前の文で述べた本明細書に引用したすべての文献は、本出願のどこかに引用した特許、特許出願、公開、およびウエブサイトのすべてを含む。
【０２５０】
出願人の意見では、特許、特許出願および公開の詳細は、補正請求項を出願済みの先行技術と特許的に区別するためのさらなる制限として、手続きの間に請求項に組込み可能であると考えられる。本発明の精神と範囲とから逸脱することなく変形および変更を行うことができるため、好適な実施形態の状況で上述した本発明は提供したその詳細のすべてに限定されるものとして捕らえるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０２５１】
【図１】（先行技術）先行技術の鉄共振型バッテリ充電器の電気的概略図である。
【図２】（先行技術）先行技術のＳＣＲバッテリ充電器の電気的概略図であり、差し込み図２ＡはＳＣＲスイッチマトリックス位相制御デューティサイクルを示す。
【図３】本発明のバッテリ充電器内で有用な例示的バックレギュレータの電気回路図である。
【図４】図３のスイッチの出力の時間に対する電圧のプロット、図３のスイッチのフィルタ処理された出力の時間に対する電圧のプロット、および図３のインダクタを介する電流の時間に対する電流のプロットを示す。
【図５】バスコンデンサの時間に対する電流および電圧のプロット、ならびにＩＧＢＴ電子スイッチの時間に対する電流のプロットである。
【図６】（先行技術）バッテリ充電のためのＡＣからＤＣへの電圧変換用の先行技術の整流コンデンサの電気回路図である。
【図７】図６に示した回路のコンデンサ供給入力電流およびレジスタ負荷電流の時間に対する電流のプロットプロットを示す。
【図８】層状バスの平面概略図である。
【図９】図８の層状バスの側面概略図である。
【図１０】重ね合わせをＤＣおよびＡＣ等価回路に分解した、本発明の急速充電器の出力をＤＣ電源としてモデル化した電気回路図の編集物である。
【図１１】本発明の急速充電器の第１の制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の急速充電器の第２の制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】図１２に示した第２の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１４】本発明の急速充電器の第３の制御方法を示すフローチャートである。
【図１５】図１４に示した第３の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１６】本発明の急速充電方法を示す簡略ブロック図である。
【図１７】本発明の一実施形態によるバック電力変換器システムの一般的概略電気回路図である。
【図１８】本発明の他の実施形態によるバックレギュレータによる大容量バッテリ用急速充電器の電気回路図である。
【図１９】例示的鉄強共振充電器出力の時間の関数としての電圧のプロットである。
【図２０】内部制御、ヒューズおよび電源モジュールを示す急速充電器の外部正面概略図である。
【図２１】図２０の急速充電器の内部正面概略図である。
【図２２】図２０〜２１の急速充電器の内部側面概略図である。
【図２３】内部電源モジュールを示す単一の大容量バッテリを充電するための本発明急速充電器の部分側面斜視図である。
【図２４】内部制御、ヒューズおよび電源モジュールを示す図２３の急速充電器の正面斜視図である。
【図２５】内部電源および制御モジュールを示す図２３の急速充電器の平面斜視図である。
【図２６】図２３の急速充電器のヒューズモジュールの概略図である。
【図２７】図２３の急速充電器の中央平面パネルの概略図である。
【図２８】図２３の急速充電器の制御盤の三次元概略図である。
【図２９】図２３の急速充電器の電源盤の平面概略図である。
【図３０】実施例１に説明する単一の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３１】実施例２に説明する、並んだ２個の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図２Ａ】
2005509396.tif 000030
【図８】
2005509396.tif 000031
【図９】
2005509396.tif 000032
【図１３】
2005509396.tif 000033
【図１５】
2005509396.tif 000034
【図１５−１】
2005509396.tif 000035
【図２０】
2005509396.tif 000036
【図２１】
2005509396.tif 000037
【図２２】
2005509396.tif 000038
【図２３】
2005509396.tif 000039
【図２４】
2005509396.tif 000040
【図２５】
2005509396.tif 000041
【図２６】
2005509396.tif 000042
【図２７】
2005509396.tif 000043
【図２８】
2005509396.tif 000044
【図２９】
2005509396.tif 000045
【図１】
2005509396.tif 000046
【図２】
2005509396.tif 000047
【図３】
2005509396.tif 000048
【図４】
2005509396.tif 000049
【図５】
2005509396.tif 000050
【図６】
2005509396.tif 000051
【図７】
2005509396.tif 000052
【図１０】
2005509396.tif 000053
【図１１】
2005509396.tif 000054
【図１２】
2005509396.tif 000055
【図１４Ａ】
2005509396.tif 000056
【図１４Ｂ】
2005509396.tif 000057
【図１６】
2005509396.tif 000058
【図１７】
2005509396.tif 000059
【図１８】
2005509396.tif 000060
【図１９】
2005509396.tif 000061
【図３０Ａ】
2005509396.tif 000062
【図３０Ｂ】
2005509396.tif 000063
【図３０Ｃ】
2005509396.tif 000064
【図３０Ｄ】
2005509396.tif 000065
【図３０Ｅ】
2005509396.tif 000066
【図３１Ａ】
2005509396.tif 000067
【図３１Ｂ】
2005509396.tif 000068
【図３１Ｃ】
2005509396.tif 000069
【図３１Ｄ】
2005509396.tif 000070
【図３１Ｅ】
2005509396.tif 000071
【手続補正書】
【提出日】平成15年4月9日(2003.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】大容量バッテリ用急速充電器
【技術分野】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、ジョンＦ．エイカー（Ｊｏｈｎ  Ｆ．Ａｋｅｒ）およびジェームズＲ．ウエイド（Ｊａｍｅｓ  Ｒ．Ｗａｄｅ）の名において「バッテリ駆動フォークリフト用小型バッテリ充電器等（ＣＯＭＰＡＣＴ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＣＨＡＲＧＥＲ  ＦＯＲ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＯＰＥＲＡＴＥＤ  ＦＯＲＫＬＩＦＴＳ  ＡＮＤ  ＴＨＥ  ＬＩＫＥ）」に対して２００１年１１月２日に出願された米国特許仮出願第６０／３３６，３９６号明細書の米国特許法第１１９条の元に優先権を主張する。上記出願の開示の全体を本明細書に引用して援用する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
発明の分野
本発明は大容量バッテリの急速充電に関し、特に大容量バッテリを急速充電する装置および電気回路、バッテリ充電方法、急速充電中の大容量バッテリへの電圧および電流の供給を制御する方法およびソフトウエアに関する。
【背景技術】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
背景
本明細書において「急速充電」とは、バッテリ容量の１００アンペア−時間（「Ａｈｒｓ」）当たり３０アンペアを超える速度でバッテリを充電することを指す。急速充電の目的はバッテリの充電状態（「ＳＯＣ」）を約１．５時間足らずで満充電の３０％から８０％にすることである。従来のバッテリ充電器は一般にバッテリ容量の１００Ａｈｒ当たり２０Ａ以下の充電速度で動作するが、これらの充電速度は充電サイクルの早期に低下するとともにバッテリを満充電まで回復するのに８〜１２時間必要な場合がある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
以前は従来の充電器では再充電するのに要する時間のため、バッテリ駆動機器を連続使用しなければならない場合に大容量バッテリのユーザに非常に不便な思いをさせていた。本明細書において「大容量バッテリ」とは約１００Ａｈｒ容量より大きいバッテリを指す。例えば、フォークリフト、電気自動車等などのバッテリ駆動運搬機器の産業ユーザは再充電のために、概して施設から距離のある中央バッテリ室において、バッテリを交換して車両から移動させなければならなかった。そのため従来の充電は産業ユーザにとって多くの不都合を生じている。非生産的作業に対する被雇用時間の損失、施設内の通常の作業区域からの余分なトラック運行および重いバッテリの取り扱いの必要性による安全性の問題、機器１個当たりに必要な２個以上のバッテリに対する設備投資の増加、および低ＳＯＣでのバッテリ駆動機器の動作のため大電流となり車両の維持費が増加する。急速充電はバッテリ交換をなくすことにより従業員の生産力を高め、バッテリ交換のための施設移動および重いバッテリの頻繁な取り扱いの必要性をなくすことにより安全性を高め、１：１のバッテリ対機器比を設けることにより設備投資を低減し、さらにバッテリを高ＳＯＣで動作させるため車両保全費を低減するという可能性を有する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２４】
第２の実施形態において、１５ｋＨｚ定格各パルスが遮断サービスルーチン（ＩＳＲ）を誘発する。このルーチンでは出力電圧、ＶＯＵＴを読み取る。ＶＯＵＴが高すぎる場合にはＰＷＭを１ずつ減少させてＩＳＲが終了する。ＶＯＵＴが所望されたＶＯＵＴＮＯＭ以下であれば電流を測定する。電流が１２５％Ｉｍａｘを超えていれば、プログラムが直ちにＰＷＭを減少させてＩＳＲを終了する。電流がＩＮＯＭの１２５％以下である場合にはＰＷＭランプ遅延を調べて、ゼロに等しければランプ遅延カウントがリロードされるとともに、ＩＳＲ終了前にＰＷＭが１ずつ低減される。ランプ遅延がゼロに等しくなければ、ランプ遅延を減少させてＩＳＲを終了する。電流が所望のレベル未満である場合には、ランプを遅延するとともに、ＰＷＭが増加可能になる前にランプ遅延カウントをゼロにしなければならない。電流が所望通りであればＩＳＲを直ちに終了してＰＷＭカウントを変化させない。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２５】
図１２は本発明の急速充電器のための第２の制御技術を図示するフローチャートであり、図１３（Ａ〜Ｄ）は図１２に示した第２の制御技術用ソフトウエア一覧表である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２６】
図１２に示すように、パルス遮断入力は給電出力電圧を生成する。この電圧が高すぎる場合はＰＷＭを１ずつ減少させ、遮断が解除されて終了する。電圧が低過ぎるまたは適当なレベルである場合は出力電流が読み取られる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２７】
そして出力電流が低過ぎるか、高過ぎるかあるいは許容レベルかの判定を行う。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２８】
出力電流が許容レベルである場合には、遮断が解除されて終了する。出力電流が低過ぎる場合には、ランプ遅延がゼロかどうかの判定を行う。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２９】
判定が肯定でればランプ遅延カウントをリロードするとともに、遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ増加させる。ランプ遅延が非ゼロである場合には、遮断を解除して終了する前にランプ遅延を減少させる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３０】
出力電流が高すぎる場合には、電流がＩＮＯＭの１２５％より大きいかどうかを判定する。イエスであれば遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ減少させる。ノーであればランプ遅延がゼロ値か非ゼロ値を有するかの判定を行う。ランプ遅延が非ゼロ値を有する場合には、遮断を解除して終了する前にランプ遅延を減少させる。ランプ遅延がゼロ値を有する場合には、ランプ遅延カウントをリロードするとともに、遮断を解除して終了する前にＰＷＭを１ずつ減少させる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３１】
第３の実施形態において，出力電圧および電流を連続的に監視するとともに所望値を超えないようにする一方、同時に以下の技術の１つまたは両方を用いて入力整流プロセスにより生成された３６０ＨｚＡＣリプル電流および電圧を通過させる。電圧および電流値をアナログ回路でフィルタ処理するが、この回路は３６０Ｈｚ整流入力サイクルでそれらの値を平均化するとともにこの２．７７ｍＳ時間フレーム内の小さな変動に対する制御反応を防止する。マイクロプロセッサ内のＰＷＭ出力回路は、多数の方法による出力電圧および電流の小さな変動に対して反応しないようにおよび／またはその制御応答の調整周波数を制限しないようになっている。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３２】
図１４（Ａ〜Ｂ）は本発明の急速充電器のための第３の制御技術を図示するフローチャートであり、図１５（Ａ〜Ｄ）は図１４（Ａ〜Ｂ）に示した第３の制御技術用ソフトウエア一覧表である。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３３】
図１４（Ａ〜Ｂ）の図に示すように、＊ＲＤＣはランプ遅延カウント、ＣＣは定電流、ＣＶは定電圧、ＰＷＭはパルス幅変調カウント、さらにボルトスローは３６０ヘルツＡＣ成分を除去するために出力電圧がフィルタ処理されていることを示す。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３４】
この実施形態において、システムがＣＶモードであるかが最初に判定される。イエスであればＣＶコントローラを作動させるとともに、電流（アンペア）が最大アンペアより大きいかどうかの判定を行う。ノーであればボルトスローがＶｍａｘの１．１２５％より大きいかどうかを判定する。イエスであればＰＷＭを１ずつ減少させるとともに解除して終了する。ボルトスローがＶｍａｘの１．１２５％以下である場合には、ランプ遅延カウントを調べてゼロか否かを確かめる。ゼロであればＲＤＣをリロードして、ボルトスローがボルトマックスより大きいかどうかの判定を行う。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２１９】
そのため充電器の２個の充電口は増えた負荷に対応するために共通部品をより大きいサイズにすれば、多数の共通部品を共有することができる。バッテリ電圧の測定値がバッテリ毎に別々に出力センサから入力されるため、最大充電速度およびバッテリ容量をバッテリ充電口毎に別々に設定することができる。このような急速充電器１個により充電できるバッテリ数の上限を利用可能電源および充電器の力率によって設定する。４８０ＶＡＣで１００アンペアの電源の場合、
ＩＲＭＳ＝１００＊３の平方根＝１７３Ａ
皮相電力＝４８０＊１７３＝８３ＫＶＡ
出力電力＝０．８８＊０．８７＊８３ＫＶＡ＝６３．５ＫＷ
（で算出された効率および力率）
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２０】
これは充電器が供給できる利用可能出力電力である。充電ステーションの総量をこの数および各バッテリに必要な電力から算出するとこができる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２１】
以下の非限定実施例により本発明の態様および特徴をより完全に示す。
【実施例】
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２２２】
実施例１。単一の大容量バッテリを充電するための急速充電器
図３０は単一の大容量、開放型鉛蓄電池を充電する本発明の急速充電器のブロック図である。三相電力を、スクエアディー（Ｓｑｕａｒｅ  Ｄ）６０アンペア遮断スイッチ２６０Ａおよびバスマン（Ｂｕｓｓｍａｎｎ）５０アンペア入力ヒューズ２６１Ａを介して、ソリッドステートリレー２６５Ａを介してＤＳＰコントローラ２６３Ａにより切り換えられる接触器２６２Ａへ導入して、充電用変圧器２６４Ａに電力を印加する。この三相降圧器２６４Ａは入力４８０ＶＡＣを１０６ＶＡＣに変換するが、温度上昇が摂氏８０度しかない３０ｋＶＡ用に連続定格化されている。三相変圧器の出力は電力変換器部２６６Ａへ配線されている。電力変換器部は以下の構成要素を含んでいる。
・整流器２６７Ａ
・フィルタ部２６８Ａ
・ＩＧＢＴ高周波制御スイッチ２６９Ａ
・フリーホイーリングダイオード２７０Ａ
・サンド型バス構造
・温度検知サーミスタ２７１Ａ
・熱シンク
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２３９】
この回路はバッテリへの外部接続前の充電出力端子で最終回路保護用６００アンペアヒューズ２８４Ａを有する。このような目的の好適なヒューズアセンブリはバスマン（Ｂｕｓｓｍａｎｎ）ヒューズホルダ、部品番号１ＢＳ１０４を備えたバスマン（Ｂｕｓｓｍａｎｎ）ヒューズ番号ＪＪＮ−６００である。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２４０】
充電器上に大きな赤色緊急停止スイッチ２８５Ａがあり、これは制御電源およびソリッドステートリレー接触器コイル回路の両方を遮断する。これが緊急事態発生時に瞬時オフ制御能力を提供する。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２４１】
ＤＳＰコントローラ２６３Ａは特にバッテリ充電用に開発された制御盤である。これはフラッシュメモリおよびＰＷＭ生成用タイムプロセッサユニットを組み込んだテキサスインスツルメンンツ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０６デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む。これは様々なセンサから送り返される情報を読み取ってＰＷＭ信号に適正な変更を行うとともにそれをＩＧＢＴスイッチ２７７に送る。この制御は開始、停止用２７８Ａおよび充電設定パラメータ用２７９Ａスイッチなどの他の操作者入力端子を含む。他の出力端子は例えばモデル番号ＣＵ２００２９ＳＣＰＢ−Ｔ２０Ａとしてノリタケ（Ｎｏｒｉｋｔａｋｅ）から市販されているディスプレイとして２列の大きな大文字真空蛍光英数字ディスプレイ２８０Ａと、ストップ（赤）、充電中（アンバー）、仕上げ／等化（黄）、および完了（緑）の充電器の状態表示のための異なる色の発光ダイオード（ＬＥＤ）２８１Ａとを含む。例えばハモンド変圧器（Ｈａｍｍｏｎｄ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）（モデル番号ＳＬ５０ＡＧ）を含む２４ＶＡＣ５０ＶＡ制御変圧器２８３Ａにより電力がＤＳＰコントローラおよび周辺回路すべてに供給される。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２４２】
実施例２。２個の大容量バッテリを充電するための急速充電器
図３１は２個の大容量バッテリを同時に充電する本発明の急速充電器のブロック図である。この回路は実施例１の単一の急速充電器に類似している。入力開閉装置、ヒューズおよび変圧器は２個のバッテリを収容する大きさに形成されているが、他の構成要素は２個ずつある。この充電器は重要な部品を共用するためメンテナンスが簡単になる。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図面の簡単な説明】
【０２５１】
【図１】（先行技術）先行技術の鉄共振型バッテリ充電器の電気的概略図である。
【図２】（先行技術）先行技術のＳＣＲバッテリ充電器の電気的概略図であり、差し込み図２ＡはＳＣＲスイッチマトリックス位相制御デューティサイクルを示す。
【図３】本発明のバッテリ充電器内で有用な例示的バックレギュレータの電気回路図である。
【図４】図３のスイッチの出力の時間に対する電圧のプロット、図３のスイッチのフィルタ処理された出力の時間に対する電圧のプロット、および図３のインダクタを介する電流の時間に対する電流のプロットを示す。
【図５】バスコンデンサの時間に対する電流および電圧のプロット、ならびにＩＧＢＴ電子スイッチの時間に対する電流のプロットである。
【図６】（先行技術）バッテリ充電のためのＡＣからＤＣへの電圧変換用の先行技術の整流コンデンサの電気回路図である。
【図７】図６に示した回路のコンデンサ供給入力電流およびレジスタ負荷電流の時間に対する電流のプロットプロットを示す。
【図８】層状バスの平面概略図である。
【図９】図８の層状バスの側面概略図である。
【図１０】重ね合わせをＤＣおよびＡＣ等価回路に分解した、本発明の急速充電器の出力をＤＣ電源としてモデル化した電気回路図の編集物である。
【図１１】本発明の急速充電器の第１の制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の急速充電器の第２の制御方法を示すフローチャートである。
【図１３Ａ】図１２に示した第２の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１３Ｂ】図１２に示した第２の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１３Ｃ】図１２に示した第２の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１３Ｄ】図１２に示した第２の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１４Ａ】本発明の急速充電器の第３の制御方法を示すフローチャートである。
【図１４Ｂ】本発明の急速充電器の第３の制御方法を示すフローチャートである。
【図１５Ａ】図１４に示した第３の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１５Ｂ】図１４に示した第３の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１５Ｃ】図１４に示した第３の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１５Ｄ】図１４に示した第３の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１５Ｅ】図１４に示した第３の制御方法用ソフトウエア一覧表である。
【図１６】本発明の急速充電方法を示す簡略ブロック図である。
【図１７】本発明の一実施形態によるバック電力変換器システムの一般的概略電気回路図である。
【図１８】本発明の他の実施形態によるバックレギュレータによる大容量バッテリ用急速充電器の電気回路図である。
【図１９】例示的鉄強共振充電器出力の時間の関数としての電圧のプロットである。
【図２０】内部制御、ヒューズおよび電源モジュールを示す急速充電器の外部正面概略図である。
【図２１】図２０の急速充電器の内部正面概略図である。
【図２２】図２０〜２１の急速充電器の内部側面概略図である。
【図２３】内部電源モジュールを示す単一の大容量バッテリを充電するための本発明急速充電器の部分側面斜視図である。
【図２４】内部制御、ヒューズおよび電源モジュールを示す図２３の急速充電器の正面斜視図である。
【図２５】内部電源および制御モジュールを示す図２３の急速充電器の平面斜視図である。
【図２６】図２３の急速充電器のヒューズモジュールの概略図である。
【図２７】図２３の急速充電器の中央平面パネルの概略図である。
【図２８】図２３の急速充電器の制御盤の三次元概略図である。
【図２９】図２３の急速充電器の電源盤の平面概略図である。
【図３０Ａ】実施例１に説明する単一の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３０Ｂ】実施例１に説明する単一の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３０Ｃ】実施例１に説明する単一の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３０Ｄ】実施例１に説明する単一の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３０Ｅ】実施例１に説明する単一の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３１Ａ】実施例２に説明する、並んだ２個の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３１Ｂ】実施例２に説明する、並んだ２個の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３１Ｃ】実施例２に説明する、並んだ２個の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３１Ｄ】実施例２に説明する、並んだ２個の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【図３１Ｅ】実施例２に説明する、並んだ２個の大容量バッテリを充電する本発明の急速充電器のブロック図である。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005509396.tif 000072
【手続補正２７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2005509396.tif 000073
【手続補正２８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2005509396.tif 000074
【手続補正２９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2005509396.tif 000075
【手続補正３０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2005509396.tif 000076
【手続補正３１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2005509396.tif 000077
【手続補正３２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2005509396.tif 000078
【手続補正３３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2005509396.tif 000079
【手続補正３４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2005509396.tif 000080
【手続補正３５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2005509396.tif 000081
【手続補正３６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４Ａ】
2005509396.tif 000082
【手続補正３７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４Ｂ】
2005509396.tif 000083
【手続補正３８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１６】
2005509396.tif 000084
【手続補正３９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１７】
2005509396.tif 000085
【手続補正４０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１８】
2005509396.tif 000086
【手続補正４１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
2005509396.tif 000087
【手続補正４２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３０Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３０Ａ】
2005509396.tif 000088
【手続補正４３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３０Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３０Ｂ】
2005509396.tif 000089
【手続補正４４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３０Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３０Ｃ】
2005509396.tif 000090
【手続補正４５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３０Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３０Ｄ】
2005509396.tif 000091
【手続補正４６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３０Ｅ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３０Ｅ】
2005509396.tif 000092
【手続補正４７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３１Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３１Ａ】
2005509396.tif 000093
【手続補正４８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３１Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３１Ｂ】
2005509396.tif 000094
【手続補正４９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３１Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３１Ｃ】
2005509396.tif 000095
【手続補正５０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３１Ｄ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３１Ｄ】
2005509396.tif 000096
【手続補正５１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３１Ｅ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３１Ｅ】
2005509396.tif 000097
【国際調査報告】
2005509396.tif 000098