JP6866206B2 - 充電装置、システム、および方法 - Google Patents

充電装置、システム、および方法 Download PDF

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Description

本開示は、蓄電の分野に関し、さらに詳しくは、充電装置、システム、および方法に関する。
単一の電池の限られた供給能力ゆえに、複数の電池が、典型的には、大電力の供給が必要とされる場合に、充分な電力をもたらすために電池バックへとまとめられる。しかしながら、製作精度、プロセス管理、などといった多数の因子に起因して、電池バックの電池セルの内部抵抗、容量、自己放電率、などのパラメータの間に、不可避的な相違が存在する。この相違が、全体としての電池バックの充電および放電の不安定につながる。
上述の問題を解決するために、先行技術が種々の解決策を提供している。例えば、充電の前に、すべての電池セルが、電池セル間の相違を減らすために放電させられる。しかしながら、この解決策は、複雑な回路およびより高いコストにつながるだけでなく、電池セルのパラメータ間の相違によって引き起こされる充電および放電の不安定を基本的に解決することができない。
したがって、上述の問題のうちの少なくとも1つを解決する新たな充電装置およびシステムを提供する必要がある。
本開示は、充電装置、システム、および方法を提供する。
一態様において、本開示は、電池バックを充電するための充電装置であって、上記電池バック内の電気的に直列に接続された複数の電池セルを充電するための複数の充電アセンブリを備えており、上記複数の充電アセンブリは、第1の時間期間において上記複数の電池セルのうちの第1組を充電し、第2の時間期間において上記複数の電池セルのうちの第2組を充電するように構成され、上記複数の電池セルのうちの互いに隣り合う任意の2つの電池セルは、上記複数の電池セルの異なる組からのものであり、上記複数の充電アセンブリの各々は、入力されたAC電圧を第1のDC電圧へと変換するためのAC/DCコンバータと、上記第1のDC電圧を上記電池セルを充電するための第2のDC電圧へと変換するためのDC/DCコンバータとを備えている、充電装置に関する。
別の態様において、本開示は、電気的に直列に接続された複数の電池セルを備える電池バックと、上記複数の電池セルを充電するための複数の充電アセンブリを備えている充電装置とを備えており、上記複数の充電アセンブリの各々は、入力されたAC電圧を第1のDC電圧へと変換するためのAC/DCコンバータと、上記第1のDC電圧を上記電池セルを充電するための第2のDC電圧へと変換するためのDC/DCコンバータとを備え、上記複数の充電アセンブリは、第1の時間期間において上記複数の電池セルのうちの第1組を充電し、第2の時間期間において上記複数の電池セルのうちの第2組を充電し、上記複数の電池セルのうちの互いに隣り合う任意の2つの電池セルは、上記複数の電池セルの異なる組からのものである、充電システムに関する。
さらなる態様において、本開示は、電気的に直列に接続された複数の電池セルを備える電池バックを充電するための充電方法であって、第1の時間期間において、上記複数の電池セルのうちの第1組を、第1組の充電アセンブリによって充電するステップと、第2の時間期間において、上記複数の電池セルのうちの第2組を、第2組の充電アセンブリによって充電するステップとを含んでおり、上記複数の電池セルのうちの互いに隣り合う任意の2つの電池セルは、上記複数の電池セルの異なる組からのものである、充電方法に関する。
本開示のこれらの特徴、態様、および利点、ならびに他の特徴、態様、および利点が、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を検討することによって、よりよく理解されると考えられ、添付の図面において、類似の文字は、図面の全体を通して類似の部分を表している。
本開示の実施形態による充電システムの概略の回路図である。 本開示の実施形態による充電アセンブリの概略の回路図である。 本開示の別の実施形態による充電システムの概略の回路図である。 本開示のさらなる実施形態による充電システムの概略の回路図である。 図1に示した波形Vinの概略図である。 スイッチユニットのクロックサイクルにおける図2に示したVABの波形の概略図である。 本開示の実施形態による充電方法の概略図である。 本開示の別の実施形態による充電方法の概略図である。 本開示のさらなる実施形態による充電方法の回路の概略図である。
これらの実施形態の簡潔な説明を提供する努力において、必ずしも実際の実施例におけるすべての特徴が1つ以上の特定の実施形態において説明されるわけではない。そのようなあらゆる実際の実施例の開発においては、あらゆる工学または設計プロジェクトと同様に、実施例毎に様々であり得るシステム関連および事業関連の制約の順守等の開発者の具体的な目標を達成するために、実施例に特有の多数の決定を行わなければならないことを、理解すべきである。さらに、そのような開発の努力が、複雑且つ時間を必要とするものであり得るが、それでもなお本開示の恩恵を被る当業者にとって設計、製作、および製造の日常的な取り組みにすぎないと考えられることを、理解すべきである。
とくに定義されない限り、本明細書において使用される技術的および科学的用語は、本開示が属する技術の当業者が一般的に理解するとおりの意味と同じ意味を有する。用語「第1」、「第2」、などは、本明細書において使用されるとき、いかなる順序、量、または重要性も意味するものではなく、むしろ或る要素をもう1つの要素から区別するために用いられている。また、用語「a」および「an」は、数量の限定を意味せず、むしろ言及される事項が少なくとも1つ存在することを意味している。
用語「または」は、包含であるように意図され、挙げられる事項のいずれか、いくつか、またはすべてを意味する。本明細書における「・・・を含む」または「・・・を備える」ならびにこれらの変種の使用は、そこに挙げられる事項、それらの均等物、ならびに追加の事項を包含するように意図されている。
本明細書における「いくつかの実施形態」への言及は、本発明に関する特定の要素(例えば、特徴、構造、および/または特徴)が、本明細書において言及される少なくとも1つの実施形態に含まれ、他の実施形態に現れても、現れなくてもよいことを意味する。加えて、本発明の要素を、任意の適切なやり方で組み合わせることができることを、理解すべきである。
本開示の充電システムは、電池バックおよび充電装置を備える。電池バックは、電気的に直列に接続された複数の電池セルを備える。充電装置は、電池バック内の電気的に直列に接続された複数の電池セルを充電するための複数の充電アセンブリを備えており、これら複数の充電アセンブリは、第1の時間期間において上記複数の電池セルのうちの第1組を充電し、第2の時間期間において上記複数の電池セルのうちの第2組を充電するように構成され、上記複数の電池セルのうちの互いに隣り合う任意の2つの電池セルは、上記複数の電池セルの異なる組からのものであり、各々の充電アセンブリは、入力されたAC電圧を第1のDC電圧へと変換するためのAC/DCコンバータと、上記第1のDC電圧を上記電池セルを充電するための第2のDC電圧へと変換するためのDC/DCコンバータとを備える。
以下で、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明するが、周知の機能または構造は、本発明の理解を難しくしかねない不必要な細部を避けるために、詳細には説明されないかもしれない。
図1が、本開示の実施形態による充電システム90の概略の回路図を示している。充電システム90は、電池バック70と、電池バック70を充電するための充電装置80とを備える。
電池バック70は、電気的に直列に接続された複数の電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nを備え、ここでNは、自然数である。いくつかの実施形態において、電池バック70は、まとめられた別々の電池(integrated separating batteries)を備える。いくつかの実施形態において、電池バック70は、搭載用の電池(on−board battery)を備える。
充電装置80は、AC電圧Vgridを受け取るために電力網へと接続される。いくつかの実施形態において、充電装置80は、インダクタL1を介して電力網へと接続される。
充電装置80は、複数の電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nを備え、複数の電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nは、電気的に直列に接続された複数の電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nを充電し、電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nは、第1組の電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nが第1の時間期間において充電され、第2組の電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nが第2の時間期間において充電され、電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nのうちの互いに隣り合う任意の2つが異なる電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nの組に属するように構成される。したがって、電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nのうちの互いに隣り合う任意の2つは、2つの異なる期間において充電され、すなわち電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nのうちの任意の2つが同時に充電されることがない。いくつかの実施形態において、電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nは、充電モードまたはスリープモードにおいて別々に働くことができる。充電モードの電池アセンブリは、対応する電池セルを充電するために充電電圧をもたらし、スリープモードの電池アセンブリは、充電電圧をもたらさず、すなわち対応する電池セルは充電されない。
いくつかの実施形態においては、Nが偶数である例を考え、電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nの第1の組が、電池セル20−1、20−3、・・・、20−(N−1)を含み、電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nの第2の組が、電池セル20−2、20−4、・・・、20−Nを含む。
図1に示される実施形態においては、電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nと電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nとの間に1対1の対応が存在し、すなわち充電アセンブリが、ただ1つの電池セルを充電し、電池セルが、ただ1つの充電アセンブリによって充電される。いくつかの実施形態においては、第1組の電池セル20−1、20−3、・・・、20−(N−1)を充電するための電池アセンブリ10−1、10−3、・・・、10−(N−1)が、第1の時間期間において充電モードであり、第2の時間においてスリープモードである。第2組の電池セル20−2、20−4、・・・、20−Nを充電するための電池アセンブリ10−2、10−4、・・・、10−Nは、第1の時間期間においてスリープモードであり、第2の時間において充電モードである。
いくつかの実施形態において、電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nは、同じまたは類似の定格充電電圧を有し、電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nによって出力される第2のDC電圧は、同じまたは類似である。例えば、電池セル20−1および20−3の定格充電電圧が、同じであり、したがって電池アセンブリ10−1および10−3によって出力される第2のDC電圧は、同じである。いくつかの実施形態においては、電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nにおける充電単位のうちの少なくとも2つの充電単位の定格充電電圧が、異なっており、したがって電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nにおける少なくとも2つの充電単位を充電するための充電アセンブリによって出力される第2のDC電圧が、異なる。例えば、電池セル20−1および20−3の定格充電電圧が、異なり、したがって充電アセンブリ10−1および10−3によって出力される第2のDC電圧が、異なる。
上述の「第1組」および「第2組」が、限定を意図していないことに注意すべきであり、複数の電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nを、3つ以上の時間期間のそれぞれにおいて充電される3つの組[20−1、20−4、・・・、20−(N−2);20−2、20−5、・・・、20−(N−1);20−3、20−6、・・・、20−N]またはそれ以上の組へと分割してもよいと、技術的に理解することができる。
電池アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nは、入力されたAC電圧を第1のDC電圧へと変換するためのAC/DCコンバータ11−1、11−2、・・・、11−Nと、AC/DCコンバータ11−1、11−2、・・・、11−Nによって生成された第1のDC電圧を電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nを充電するための第2のDC電圧へと変換するためのDC/DCコンバータ12−1、12−2、・・・、12−Nとを備える。
図2を参照されたい。図2は、充電アセンブリ10−1の概略の回路図を示している。充電アセンブリ10−1は、AC/DCコンバータ11−1およびDC/DCコンバータ12−1を備える。
AC/DCコンバータ11−1は、2つのブリッジアームを備え、2つのブリッジアームのうちの一方が、スイッチングセルK1およびK2を含み、他方のブリッジアームが、スイッチングセルK3およびK4を含む。いくつかの実施形態において、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4は、FET(電界効果管)およびダイオードを含み、FETのゲートが、駆動信号を受け取り、FETのドレインおよびソースが、ダイオードの両側にそれぞれ接続される。
AC電圧が、スイッチングセルK1およびK2の接続点AならびにスイッチングセルK3およびK4の接続点Bを介して、AC/DCコンバータ11−1へと入力される。いくつかの実施形態においては、充電モードにおいて、AC/DCコンバータ11−1のスイッチングセルK1、K2、K3、およびK4が、駆動信号によって制御されてオンおよびオフに切り換わり、入力されたAC電圧を第1のDC電圧へと変換する。いくつかの実施形態においては、スリープモードにおいて、スイッチングセルK1およびK3がオンにされ、K2およびK4がオフにされ、あるいはスイッチングセルK2およびK4がオンにされ、K1およびK3がオフにされる。
DC/DCコンバータ12−1は、第1のコンバータ121と、変圧モジュール122と、第2のコンバータ123とを備える。
第1のコンバータ121は、AC/DCコンバータ11−1へと接続され、AC/DCコンバータ11−1によって生成された第1のDC電圧を第1のAC方形波へと変換する。いくつかの実施形態においては、DCリンク13−1が、第1のコンバータ121とAC/DCコンバータ11−1との間に接続される。いくつかの実施形態において、DCリンク13−1は、AC/DCコンバータ11−1の2つのブリッジアームに並列に接続されたコンデンサC5を備える。
第1のコンバータ121は、ハーフブリッジ回路を備え、ハーフブリッジ回路は、スイッチングセルK5およびK6を含む。いくつかの実施形態において、スイッチングセルK5およびK6は、FETおよびダイオードを含み、FETのゲートが、駆動信号を受け取り、FETのドレインおよびソースが、ダイオードの両側にそれぞれ接続される。第1のコンバータ121のスイッチングセルK5およびK6は、駆動信号によって制御されてオンおよびオフに切り換わり、AC/DCコンバータ11−1からの第1のDC電圧を第1のAC方形波へと変換する。いくつかの実施形態において、第1のコンバータ121は、コンデンサC1およびC2を備え、コンデンサC1の一方側が、ハーフブリッジ回路の一方側につながり、コンデンサC1の他方側が、コンデンサC2につながり、コンデンサC2の一方側が、コンデンサC1につながり、コンデンサC2の他方側が、ハーフブリッジ回路の他方側につながっている。
変圧モジュール122は、第1のコンバータ121によって生成された第1のAC方形波を、第1のAC方形波から電気的に絶縁された第2のAC方形波へと変換するために、第1のコンバータ121に接続されている。いくつかの実施形態において、第1のAC方形波および第2のAC方形波の振幅は、異なっており、いくつかの実施形態において、第1のAC方形波および第2のAC方形波のパルスデューティサイクルは、異なっている。
変圧モジュール122は、主として、変圧器を備える。いくつかの実施形態においては、変圧モジュール122の一次側の一方側が、インダクタL2を介してハーフブリッジ回路のスイッチングセルK5およびK6の接続点Dにつながり、変圧モジュール122の一次側の他方側が、コンデンサC1およびC2の接続点Cにつながり、変圧モジュール122の二次側が、第2のコンバータ123に接続されている。
第2のコンバータ123は、変圧モジュール122によって生成された第2のAC方形波を、電池セル20−1を充電するための第2のDC電圧へと変換する。
第2のコンバータ123は、スイッチングセルK7およびK8を含むハーフブリッジ回路を備える。いくつかの実施形態において、スイッチングセルK7およびK8は、FETおよびダイオードを含み、FETのゲートが、駆動信号を受け取り、ソースおよびドレインが、ダイオードの両側に接続される。第2のコンバータ123のスイッチングセルK7およびK8は、駆動信号によって制御されてオンおよびオフに切り換わり、変圧モジュール122によって生成された第2のAC方形波を電池セル20−1を充電するための第2のDC電圧へと変換する。いくつかの実施形態において、第2のコンバータ123は、コンデンサC3およびC4を備え、コンデンサC3の一方側が、ハーフブリッジ回路の一方側につながり、コンデンサC3の他方側が、コンデンサC4につながり、コンデンサC4の一方側が、コンデンサC3につながり、コンデンサC4の他方側が、ハーフブリッジ回路の他方側につながっている。
いくつかの実施形態において、充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nは、同じまたは類似の回路構造を有するが、充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nの各ユニットのパラメータ(例えば、変圧器の巻数比など、スイッチングセルのFETの飽和ドレイン電流、ピンチオフ電圧、ターンオン電圧、低周波相互コンダクタンス、電極間容量、および絶縁破壊電圧など、スイッチングセルのダイオードの順電圧降下、逆ブレークダウン電圧、連続電流、スイッチング速度、蓄電時間、カットオフ周波数、インピーダンス、および接合容量など、インダクタのインダクタンス、定格電流、許容偏差、線質係数、および分布容量など、ならびにコンデンサの容量、定格電圧、絶縁抵抗、周波数特性、温度係数、および誘電正接など)は、異なっている。いくつかの実施形態において、充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nは、例えば充電アセンブリ10−1において第2のコンバータ123がハーフブリッジ回路を備え、充電アセンブリ10−2において対応する第2のコンバータのハーフブリッジ回路がフルブリッジ回路で置き換えられるなど、異なる回路構造を有してもよい。
いくつかの実施形態において、充電装置80は、制御アセンブリ30をさらに備え、制御アセンブリ30は、各々のスイッチングセルを制御してオンまたはオフに切り換えるために各々のスイッチングセルの制御信号を生成する。
図3を参照されたい。図3は、本開示の別の実施形態による充電システムの概略の回路図を示している。図1による実施形態からの図3による実施形態の主たる相違は、電池バックにおける電池セルの数量が電池バックにおける充電アセンブリの数量の2倍であり、各々の充電アセンブリが一度にスイッチによって互いに隣り合う2つの電池セルのうちの一方に接続されることを含む。図3による実施形態における充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nの構成は、図1による実施形態における充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nの構成と同じまたは類似であり、ここでは詳しくは説明しない。
図3による実施形態において、電池バックの電池セル20−1、20−2、・・・、20−2Nは、2つの組を含むことができ、第1組が電池セル20−1、20−3、・・・、20−(2N−1)を含み、第2組が電池セル20−2、20−4、・・・、20−2Nを含む。充電アセンブリと電池セルとの間のスイッチを制御してオンおよびオフへと切り換えることで、第1の時間期間において、例えば充電アセンブリ10−1が充電セル20−1へと接続され、充電アセンブリ10−2が充電セル20−3へと接続され、・・・、充電アセンブリ10−Nが充電セル20−(2N−1)へと接続されるなど、すべての充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nが第1組の電池セルへと接続され、したがって第1の時間期間においては充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nが第1組の電池セル20−1、20−3、・・・、20−(2N−1)を充電し、第2の時間期間において、例えば充電アセンブリ10−1が充電セル20−2へと接続され、充電アセンブリ10−2が充電セル20−4へと接続され、・・・、充電アセンブリ10−Nが充電セル20−2Nへと接続されるなど、すべての充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nが第2組の電池セルへと接続され、したがって第2の時間期間においては充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nが第2組の電池セル20−2、20−4、・・・、20−2Nを充電する。
この実施形態は、より少数の充電アセンブリで電池セルを充電できる。
図4を参照されたい。図4は、本開示のさらなる実施形態による充電システムの概略の回路図を示している。図1による実施形態からの図4による実施形態の主たる相違は、1つの充電ユニットを3つの充電アセンブリによって充電でき、3つの充電アセンブリの入力端が三相交流の3つの相のそれぞれの電流を受け取ることを含む。図4による実施形態における充電アセンブリ10−11、10−12、10−13、10−21、10−22、10−23、・・・、10−N1、10−N2、10−N3の構成は、図1による実施形態における充電アセンブリ10−1、10−2、・・・、10−Nの構成と同じまたは類似である。
充電アセンブリ10−11、10−12、10−13の入力端は、三相交流の3つの相のそれぞれの電流を受け取り、充電アセンブリ10−11、10−12、10−13の出力端は、互いに並列にされ、電池セル20−1につながり、したがって電池セル20−1を充電し、充電アセンブリ10−21、10−22、10−23の入力端は、三相交流の3つの相のそれぞれの電流を受け取り、充電アセンブリ10−21、10−22、10−23の出力端は、互いに並列にされ、電池セル20−2につながり、したがって電池セル20−2を充電し、同様に充電アセンブリ10−N1、10−N2、10−N3の入力端は、三相交流の3つの相のそれぞれの電流を受け取り、充電アセンブリ10−N1、10−N2、10−N3の出力端は、互いに並列にされ、電池セル20−Nにつながり、したがって電池セル20−Nを充電する。
充電アセンブリ10−N1、10−N2、10−N3の入力端は、三相交流からの1つの相の電圧を分け合うように互いに直列であり、同様に充電アセンブリ10−12、10−22、・・・、10−N2の入力端は互いに直列であり、充電アセンブリ10−13、10−23、・・・、10−N3の入力端は互いに直列である。
いくつかの実施形態において、電池セル20−1、20−2、・・・、20−Nは、第1組の電池セル20−1、20−3、・・・、20−(N−1)および第2組の電池セル20−2、20−4、・・・、20−Nを含む。第1組の電池セルにつながった充電アセンブリ10−11、10−12、10−13、10−31、10−32、10−33、・・・、10−[(N−1)1]、10−[(N−1)2]、10−[(N−1)3]は、第1の時間期間においては充電モードで動作し、第2の時間期間においてはスリープモードで動作し、第2組の電池セルにつながった充電アセンブリ10−21、10−22、10−23、10−41、10−42、10−43、・・・、10−N1、10−N2、10−N3は、第1の時間期間においてはスリープモードで動作し、第2の時間期間においては充電モードで動作する。
図4による実施形態は、電池セルをそれぞれ充電するために三相交流を利用することができる。
図2による実施形態を、充電に三相交流を利用するように変更できることに、注意すべきである。
本開示による実施形態においては、電池バック70の各々の電池セルが、対応する充電アセンブリによって充電される。したがって、各々の電池セルの充電を、各々の電池セルについてより良好な充電効果を達成するために独立して制御することができる。
通常は、充電アセンブリの数量を無限に増やすことは不可能であるため、スイッチングセルをオンおよびオフに切り換えることによって生成されるAC電圧(例えば、図1に示されているVin)の波形と、電力網のAC電圧(例えば、図1に示されているVgrid)との間に相違が存在し、高調波が生じる。これらの高調波が、電力網へとフィードバックされ、電力網の電力供給の品質に影響を及ぼす可能性がある。
図1による実施形態を例として取り上げると、第1の時間期間および第2の時間期間における充電モードの充電アセンブリの数量がどちらも3つであると仮定し、AC電圧Vinの波形の概略図が、図5に示される。図5における横軸は、時間(秒)を示し、縦軸は、充電モードのすべての充電アセンブリの入力電圧の合計の最大値と電圧Vinとの間の単位値(以下では、「単位値」と称する)を示す。N=3であるため、図5に示される波形の振幅を、6つの大きさによって表すことができ、単位値「1」または「−1」は、3つの充電アセンブリのうちの1つの充電アセンブリの入力端の入力電圧がゼロでないことを示し、単位値「2」または「−2」は、3つの充電アセンブリのうちの2つの充電アセンブリの入力端の入力電圧がゼロでなく、3つの充電アセンブリのうちの残りの1つの充電アセンブリの入力端の入力電圧がゼロであることを示し、単位値「3」または「−3」は、3つのすべての充電アセンブリの入力端の入力電圧がゼロでないことを示す。
種々の次数の高調波の含有量を、図5に示される波形にもとづいてフーリエスペクトル解析を実行することによって得ることができ、ここで高調波の「含有量」は、基本波の振幅のパーセンテージとしての高調波の振幅を表す。通常は、図5に示される波形、すなわち電圧Vinの波形は、複数の高調波を生じる。
AC電圧Vinの高調波を、充電アセンブリのAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号の設定によって軽減することができる。いくつかの実施形態においては、スイッチングセルの駆動信号を、充電モードの充電アセンブリの数量および高調波の所定の次数にもとづいて設定することができる。
1つの電池セルが1つの充電アセンブリによって充電される状況において、スイッチングセルの駆動信号の設定が、図1〜3による実施形態にもとづいて紹介される。
複数のAC/DCコンバータ11−1、11−2、・・・、11−Nのスイッチングセルの駆動信号の波形は、互いに近く、ひとたび1つのAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号が得られたならば、残りのAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号は、所定の位相差にもとづいて決定できる(所定の位相差は、或る時間期間において充電モードの充電アセンブリによって充電される電池セルの数量がZである場合、2π/Zであってよい)ため、以下ではAC/DCコンバータ11−1のスイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の駆動信号の設定を主として紹介する。
いくつかの実施形態においては、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の1つの時間期間の最初の4分の1における接続点Aと接続点Bとの間の電位差VABの変化の回数が、充電モードの充電アセンブリの数量と同じであり、低減が望まれる所定の次数の高調波を組み合わせることで、最初の4分の1において電位差VABが変化する位相角を決定でき、したがって最初の4分の1における電位差VABの波形が決定され、1つの時間期間の2番目、3番目、および4番目の4分の1における電位差VABの波形を、その時間期間の最初の4分の1における波形にもとづいて決定することができる。
図6が、充電アセンブリ10−1が充電モードにあり、第1の時間期間および第2の時間期間において充電モードにある充電アセンブリの数量がどちらも3つであるときのAC/DCコンバータ11−1のスイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の1つの時間期間におけるVABの波形の概略図を示している。図6の横軸は、角度(ラジアン)を示しており、縦軸は、VABの大きさ(正規化されている)を示している。K1およびK4がオンにされ、K2およびK3がオフにされるとき、VAB=1であり、K2およびK3がオンにされ、K1およびK4がオフにされるとき、VAB=−1であり、K1およびK3がオンにされ、K2およびK4がオフにされるとき、またはK1およびK3がオフにされ、K2およびK4がオンにされるとき、VAB=1である。
図6において、α1、α2、およびα3は、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の1つの時間期間の最初の4分の1においてVABが変化する1回目、2回目、および3回目の位相角を表し、π−α3、π−α2、およびπ−α1は、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の1つの時間期間の2番目の4分の1においてVABが変化する1回目、2回目、および3回目の位相角を表し、π+α1、π+α2、およびπ+α3は、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の1つの時間期間の3番目の4分の1においてVABが変化する1回目、2回目、および3回目の位相角を表し、2π−α3、2π−α2、および2π−α1は、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の1つの時間期間の4番目の4分の1においてVABが変化する1回目、2回目、および3回目の位相角を表す。
α1、α2、およびα3を、軽減すべき所定の次数の高調波にもとづいて設定することができる。例えば、次数「n」の高調波の振幅bnは、図5に示される波形のフーリエ展開にもとづいて以下の式を満たすことができる。
Figure 0006866206
ここで、Mは、充電モードにある充電アセンブリの数量を表し、αiは、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の時間期間の最初の4分の1におけるVABのi回目の変化の位相角を表す。
軽減が所望される高調波の次数が、5および7である場合、b5をゼロへと設定することができ、b7をゼロへと設定することができる。したがって、以下の式を、上述の式にもとづいて得ることができる。
Figure 0006866206
Figure 0006866206
さらに、基本波の振幅が通常は既知であるため、以下の式も得られる。
Figure 0006866206
ここで、b0は、充電アセンブリ10−1の入力端の基本波の振幅を表す。
α1、α2、およびα3が、式(1)、(2)、および(3)を解くことによって得られ、すなわち1つの時間期間におけるVABの波形が決定される。次いで、スイッチングセルK1、K2、K3、およびK4の駆動信号を、決定されたVABの波形をスイッチングセルK1、K2、K3、およびK4をオンおよびオフに切り換えることによって得ることができるように、設定することができる。
以下の表1が、図1〜3および6に従って紹介されたやり方にもとづいてスイッチングセルの駆動信号を設定することによって得られたAC電圧Vinの次数「n」の高調波の含有量を例示しており、ここで、軽減が所望される高調波の次数は5および7であり、n=1、3、5、7、9、11、15、21、23、25である。
Figure 0006866206
表1によって示されるとおり、次数5および7の高調波の含有量は、他の高調波の含有量よりも少ない。
1つの電池セルが3つの充電アセンブリによって充電される状況において、スイッチングセルの駆動信号の設定が、図4による実施形態にもとづいて紹介される。
この実施形態においては、N=6であり、電池バックが6つの電池セル20−1、20−2、20−3、20−4、20−5、および20−6を備え、電池セル20−1が、充電アセンブリ10−11、10−12、10−13によって充電され、電池セル20−2が、充電アセンブリ10−21、10−22、10−23によって充電され、同様に、電池セル20−6が、充電アセンブリ10−61、10−62、10−63によって充電される。
第1組の電池セルは、20−1、20−3、および20−5を含み、第2組の電池セルは、20−2、20−4、および20−6を含み、したがって充電モードにある充電アセンブリの数量は、一度に9つである。さらに、第1の時間期間において、充電モードにある充電アセンブリは、10−11、10−12、10−13、10−31、10−32、10−33、10−51、10−52、10−53を含み、第2の時間期間において、充電モードにある充電アセンブリは、10−21、10−22、10−23、10−41、10−42、10−43、10−61、10−62、10−63を含む。
第1の時間期間における充電モードの充電アセンブリのAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号の設定は、第2の時間期間における充電モードの充電アセンブリのAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号の設定と同じまたは同様であり、同じ電池セルを充電するための充電アセンブリのAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号の設定は、同じであるため、充電アセンブリ10−11、10−31、10−51のAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号の設定を、主として紹介する。
図2、図4、および図6を参照されたい。充電アセンブリ10−11、10−12、10−13の回路構成は、充電アセンブリ10−1の回路構成と同じであり、同様に、充電アセンブリ10−11、10−12、10−13のAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号も、図2に示したVABの波形にもとづいて決定することができる。
スイッチングセルの時間期間の最初の4分の1において充電アセンブリ10−11に対応するVABの波形が変化する1回目、2回目、および3回目の位相角が、α1、α2、およびα3として表され、スイッチングセルの時間期間の最初の4分の1において充電アセンブリ10−31に対応するVABの波形が変化する1回目、2回目、および3回目の位相角が、α4、α5、およびα6として表され、スイッチングセルの時間期間の最初の4分の1において充電アセンブリ10−51に対応するVABの波形が変化する1回目、2回目、および3回目の位相角が、α7、α8、およびα9として表される。α1〜α9を、以下の式にもとづいて得ることができる。
Figure 0006866206
Figure 0006866206
Figure 0006866206
Figure 0006866206
ここで、λ1は、充電アセンブリ10−11のAC/DCコンバータの入力端へと入力される交流の基本波の振幅と充電アセンブリ10−11のAC/DCコンバータによって出力される第1のDC電圧との間の比を表し、λ2は、充電アセンブリ10−31のAC/DCコンバータの入力端へと入力される交流の基本波の振幅と充電アセンブリ10−31のAC/DCコンバータによって出力される第1のDC電圧との間の比を表し、λ3は、充電アセンブリ10−51のAC/DCコンバータの入力端へと入力される交流の基本波の振幅と充電アセンブリ10−51のAC/DCコンバータによって出力される第1のDC電圧との間の比を表し、「n」は、軽減が所望される高調波の次数を表す。
いくつかの実施形態においては、n=5、7、11、13、17、19である。
α1〜α9を、上述の式(4)〜(7)を解くことによって決定でき、したがって充電アセンブリ10−11、10−31、および10−51のAC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号を決定することができる。
いくつかの状況において、充電アセンブリの入力端の間の入力電圧が不釣り合いとなる可能性があり、これは、例えば充電アセンブリ間の充電の不釣り合いなど、多数の問題につながる可能性がある。したがって、AC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号を、充電プロセスにおける不釣り合いを調節するために、充電モードの充電アセンブリの入力電圧または出力電圧にもとづいて設定することができる。以下で、いくつかの例を、図3による実施形態にもとづいて紹介する。
これらの例において、充電アセンブリの数量Nは、3であり、充電モードの充電アセンブリの数量Mも、やはり3である。充電アセンブリ10−iのAC/DCコンバータのスイッチングセルのパルス信号変調度λiを、以下の式にもとづいて得ることができ、ここでλiは、充電アセンブリ10−iのAC/DCコンバータの入力端へと入力される交流の基本波の振幅と充電アセンブリ10−iのAC/DCコンバータによって出力される第1のDC電圧との間の比を表し、i=1、2、・・・、Mである。
Figure 0006866206
ここで、
Figure 0006866206
であり、Vtotalは、充電アセンブリ10−1、10−2、および10−3へと入力される総電圧を表し、Eは、充電アセンブリ10−1、10−2、および10−3によって出力される総電圧を表し、Δλiを、(Ei−E/M)にもとづいて決定することができ、ここでEiは、充電アセンブリ10−iの出力電圧を表す。
パルス信号変調度を求めた後に、AC/DCコンバータのスイッチングセルの駆動信号を、これに対応して決定することができ、したがって充電アセンブリへと入力される交流電圧が調節され、充電アセンブリ間の電圧の釣り合いがより良好になる。また、電池セル間の電荷の不釣り合いが、充電アセンブリへと入力される交流電圧に影響を及ぼす可能性がある(例えば、或る電池セルが他の電池セルよりも速く完全またはほぼ完全に充電される場合に、その電池セルを充電する充電アセンブリのDCリンクの電圧が高くなり、充電アセンブリの入力電圧の上昇につながる可能性がある)ため、電池セル間の電荷の不釣り合いを、充電アセンブリの入力電圧の調節を通じて軽減することができる。
図7が、本開示の実施形態による電池バックを充電するための充電方法50の概略図を示している。電池バックは、電気的に直列に接続された複数の電池セルを備える。充電方法は、以下のステップ51および52を含む。
ステップ51において、第1組の複数の電池セルが、第1の時間期間において、第1組の充電アセンブリを利用することによって充電される。
ステップ52において、第2組の複数の電池セルが、第2の時間期間において、第2組の充電アセンブリを利用することによって充電される。
いくつかの実施形態において、ステップ51およびステップ52における充電アセンブリおよび電池バックの構成は、図1〜4による実施形態にもとづくと考えられる。ステップ51とステップ52との間にいかなる順序も存在しないことに、注意すべきである。
例えば図8による実施形態など、いくつかの実施形態において、充電方法50は、ステップ53およびステップ54をさらに含む。ステップ53および54においては、第1組の充電アセンブリが、第1の時間期間においては充電モードに設定され、第2の時間期間においてはスリープモードに設定され、第2組の充電アセンブリが、第1の時間期間においてはスリープモードに設定され、第2の時間期間においては充電モードに設定される。図8によって示される方法による充電アセンブリと電池バックとの間の接続のやり方は、図1および4による実施形態を参照することができる。ステップ51および53を同時に実行することができ、ステップ52および54を同時に実行することができることに、注意すべきである。
例えば図9による実施形態など、いくつかの実施形態において、充電方法50は、ステップ55およびステップ56をさらに備える。ステップ55において、第1組および第2組のすべての充電アセンブリが、第1の時間期間において第1組の電池セルに接続され、ステップ56において、第1組および第2組のすべての充電アセンブリが、第2の時間期間において第2組の電池セルに接続される。図9によって示される方法による充電アセンブリと電池バックとの間の接続のやり方は、図3による実施形態を参照することができる。ステップ51および55を同時に実行することができ、ステップ52および56を同時に実行することができることに、注意すべきである。
本開示を典型的な実施形態において例示および説明したが、本開示の技術的思想から決して離れることなく種々の変更および置換を行うことが可能であるため、示されている詳細への限定は意図されていない。したがって、当業者であれば、ありふれた実験以上の何ものも使用することなく、本明細書における開示のさらなる変更および均等物に想到でき、そのような変更および均等物はすべて、以下の特許請求の範囲によって定められるとおりの本開示の技術的思想および技術的範囲に包含されると確信される。
10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3 充電アセンブリ、電池アセンブリ
11−1、11−2、・・・、11−N AC/DCコンバータ
12−1、12−2、・・・、12−N DC/DCコンバータ
13−1 DCリンク
20−1、20−2、・・・、20−N 充電セル、電池セル
30 制御アセンブリ
50 充電方法
51 ステップ
52 ステップ
53 ステップ
54 ステップ
55 ステップ
56 ステップ
70 電池バック
80 充電装置
90 充電システム
121 第1のコンバータ
122 変圧モジュール
123 第2のコンバータ

Claims (12)

  1. 電池バック(70)を充電するための充電装置(80)であって、
    前記電池バック(70)内の電気的に直列に接続された複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)を充電するための複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)を備えており、
    前記複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)は、第1の時間期間において前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの第1組を充電し、第2の時間期間において前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの第2組を充電するように構成され、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの互いに隣り合う任意の2つの電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)は、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)の異なる組からのものであり、
    前記複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)の各々は、
    入力されたAC電圧を第1のDC電圧へと変換するためのAC/DCコンバータ(11−1、11−2、・・・、11−N)と、
    前記第1のDC電圧を前記電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)を充電するための第2のDC電圧へと変換するためのDC/DCコンバータ(12−1、12−2、・・・、12−N)と
    を備えている、充電装置(80)。
  2. 前記複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)の各々は、1つの電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)につながるように構成され、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの前記第1組につながる充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)は、前記第1の時間期間において充電モードにあり、前記第2の時間期間においてスリープモードにあり、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの前記第2組につながる充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)は、前記第1の時間期間においてスリープモードにあり、前記第2の時間期間において充電モードにある、請求項1に記載の充電装置(80)。
  3. 前記複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)のすべてが、前記第1の時間期間において前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの前記第1組につながり、前記第2の時間期間において前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの前記第2組につながるように構成されている、請求項1に記載の充電装置(80)。
  4. 前記AC/DCコンバータ(11−1、11−2、・・・、11−N)は、複数のブリッジアームを備え、前記複数のブリッジアームの各々は、複数のスイッチングセルを備える、請求項1に記載の充電装置(80)。
  5. 前記複数のスイッチングセルの駆動信号を生成するための制御アセンブリ(30)を備える、請求項4に記載の充電装置(80)。
  6. 前記駆動信号は、充電モードの前記各々の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)の入力電圧にもとづいて設定される、請求項5に記載の充電装置(80)。
  7. 前記駆動信号は、充電モードの充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)の数量および所定の高調波の次数にもとづいて設定される、請求項5に記載の充電装置(80)。
  8. 前記DC/DCコンバータ(12−1、12−2、・・・、12−N)は、
    前記第1のDC電圧を第1のAC方形波へと変換するための第1のコンバータ(121)と、
    前記第1のAC方形波を前記第1のAC方形波から電気的に絶縁された第2のAC方形波へと変換するための変圧モジュール(122)と、
    前記第2のAC方形波を前記第2のDC電圧へと変換するための第2のコンバータ(123)と
    を備える、請求項1に記載の充電装置(80)。
  9. 電気的に直列に接続された複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)を備える電池バック(70)と、
    前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)を充電するための複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)を備えている充電装置(80)と
    を備えており、
    前記複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)の各々は、
    入力されたAC電圧を第1のDC電圧へと変換するためのAC/DCコンバータ(11−1、11−2、・・・、11−N)と、
    前記第1のDC電圧を前記電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)を充電するための第2のDC電圧へと変換するためのDC/DCコンバータ(12−1、12−2、・・・、12−N)と
    を備え、
    前記複数の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)は、第1の時間期間において前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの第1組を充電し、第2の時間期間において前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの第2組を充電し、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの互いに隣り合う任意の2つの電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)は、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)の異なる組からのものである、充電システム(90)。
  10. 電気的に直列に接続された複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)を備える電池バック(70)を充電するための充電方法(50)であって、
    第1の時間期間において、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの第1組を、第1組の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)によって充電するステップ(51)と、
    第2の時間期間において、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの第2組を、第2組の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)によって充電するステップ(52)と
    を含んでおり、
    前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)のうちの互いに隣り合う任意の2つの電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)は、前記複数の電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)の異なる組からのものである、充電方法(50)。
  11. 前記第1組の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)を、前記第1の時間期間において充電モードに、前記第2の時間期間においてスリープモードに設定するステップ(53)と、
    前記第2組の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)を、前記第1の時間期間においてスリープモードに、前記第2の時間期間において充電モードに設定するステップ(54)と
    をさらに含む、請求項10に記載の充電方法(50)。
  12. 前記第1組および第2組の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)のすべてを、前記第1の時間期間において前記電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)の前記第1組に接続するステップ(55)と、
    前記第1組および第2組の充電アセンブリ(10−1、10−2、・・・、10−N、10−11、10−12、10−13、・・・、10−N1、10−N2、10−N3)のすべてを、前記第2の時間期間において前記電池セル(20−1、20−2、・・・、20−N)の前記第2組に接続するステップ(56)と
    をさらに含む、請求項10に記載の充電方法(50)。
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