アクティブなスイッチング周波数変調
【課題】アクティブなスイッチング周波数変調を提供する。
【解決手段】車両に配置された可変周波数電力コンバータ１１２を制御する方法、およびそのような可変周波数電力コンバータ１１２を備えた機械が開示される。方法は、車両に配置された電力制御器、可変周波数電力コンバータ１１２、および電気エネルギー蓄電装置１１０を提供するステップを含み得る。方法はさらに、電力制御器１１４によって、所望の電力基準値を受け取るステップ、および、所望の基準値に基づいて可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップを含み得る。
【解決手段】車両に配置された可変周波数電力コンバータ１１２を制御する方法、およびそのような可変周波数電力コンバータ１１２を備えた機械が開示される。方法は、車両に配置された電力制御器、可変周波数電力コンバータ１１２、および電気エネルギー蓄電装置１１０を提供するステップを含み得る。方法はさらに、電力制御器１１４によって、所望の電力基準値を受け取るステップ、および、所望の基準値に基づいて可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップを含み得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して高効率な電力コンバータに関し、詳細にはハイブリッド式土工車両、建設車両、材料運搬車両、採掘車両などで使用されるかかるコンバータから得られる電流および電力リップルを低減することに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械の駆動系は一般に、機械を推進するように作動するホイールまたは他の牽引装置に連結されるモータを含む。駆動系はさらに、発電機を駆動する原動機、例えばエンジンを含む。発電機はモータを駆動するために使用される電力を生成する。エンジンによって生成される機械的動力は発電機によって電力に変換される。次にこの電力は、モータおよび／または機械補助装置に供給される前に処理および／または調節される。モータは電力を変換して機械的動力に戻し、牽引装置を駆動するおよび車両を推進する。
【０００３】
一般的な機械はまた、ブレーキおよび機械を遅らせるまたは減速する他の機構を含み得る。機械が減速すると、機械の運動量が牽引装置を介してモータに移行され得る。モータは、機械の運動エネルギーを、機械の駆動系またはエネルギー蓄電装置に供給され得る電気的エネルギーに変換するために発電機として作動し得る。
【０００４】
ハイブリッド式機械などの特定の機械は、運転の減速モードの間エンジンによって提供される電気的エネルギーまたはモータによって提供される電気的エネルギーをあとで使用するため蓄電するように構成される。かかるエネルギーは電力コンバータによって調節され、その後、バッテリーなどの電気的エネルギー蓄電装置に蓄電され得る。蓄電されたエネルギーは、エンジン使用を最小化するためおよび燃料消費を低減するために、機械の補助装置に電力を供給するためにおよび／またはモータを駆動するために使用され得る。
【０００５】
２０１０年１２月２３日に公開された（特許文献１）（「Ｂｒｉｎｌｅｅら」）は、スイッチング周波数の制御に関連する先行技術の例である。Ｂｒｉｎｌｅｅらは、電力スイッチを含む電力コンバータ、スイッチング周波数を制御する制御器、および不均一なギャップを有する磁気装置を開示する。Ｂｒｉｎｌｅｅらにおいて、インダクタンス値にフィードバックを提供するために実際のシステムピーク電流が使用される。次にスイッチング周波数が、システムのキャパシタを最小化するためにフィードバックに基づいて調整される。この設計は電力変換効果を増大し得る一方で、必要なフィードバックを提供するために実際のシステムピーク電流の使用を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２１９５８号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本開示の一態様に従って、車両に配置される可変周波数電力コンバータを制御する方法が開示される。方法は車両に配置される電力制御器、可変周波数電力コンバータ、および電気的エネルギー蓄電装置を提供するステップを含み得る。電力制御器は可変周波数電力コンバータと電気的エネルギー蓄電装置に連結され得る。方法はさらに、電力制御器によって所望の電力基準値を受け取るステップと、所望の電力基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップとを含み得る。
【０００８】
本開示の別の態様に従って、ハイブリッド式車両に配置される可変周波数電力コンバータを制御する方法が開示される。方法はハイブリッド式車両に配置される電力制御器、可変周波数電力コンバータ、および電気的エネルギー蓄電装置を提供するステップを含み得る。電力制御器は可変周波数電力コンバータと電気的エネルギー蓄電装置に連結され得る。方法はさらに、電力制御器によって所望の電流基準値を得るステップと、所望の電流基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップとを含み得る。
【０００９】
本開示の別の態様に従って、電気式駆動機械が開示される。機械はエンジンと、エンジンに動作可能に連結される発電機と、１つ以上の牽引装置に動作可能に連結されるモータと、電気エネルギー蓄電装置と、電気エネルギー蓄電装置に連結される閉ループ可変周波数電力コンバータと、可変周波数電力コンバータに連結される電力制御器とを含み得る。可変周波数電力コンバータは第１および第２位置の間を移動可能なスイッチを含み得る。電力制御器は可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を所望の基準値に応じて増減するように構成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の教示に従う電気式駆動機械に適用されるような駆動系の例示的実施形態の概略図である。
【図２】本開示に従う電力コンバータを制御する方法の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図３】本開示に従う電力コンバータを制御する方法の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図４】本開示に従う、スイッチング周波数および電力負荷と、電力および電流リップルに対する効果との例示的な関係を示す。
【図５】本開示に従う、スイッチング周波数および電流と、電力および電流リップルに対する効果との例示的な関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここで特定の実施形態又は特徴への言及が詳細になされる。その例は添付図面に示される。概して、同一または一致した部品に言及するために、一致した参照番号が図面を通して使用される。
【００１２】
図１は例示的な電気駆動機械１００を概略的に示す。かかる機械は、掘削機、ホイールローダ、路上および路上外走行トラック、または建設、採掘、農業、または他の産業的用途で使用される車両であり得るがこれらに限定されない。電気駆動機械１００は、エンジンなどの機械的動力源１０２、エンジン１０２に連結される発電機１０４、１つ以上の牽引モータ１０６、１つ以上の最終駆動牽引装置１０８、主制御器１０９、電気エネルギー蓄電装置１１０、可変周波数電力コンバータ１１２、および電力制御器１１４を含み得る。牽引装置１０８は機械１００の移動を推進しかつ促進し、掘削機および履帯式機械にみられるものなどの下部走行体、ホイールなどであり得るがこれらに限定されない。機械１００はさらに、図１に示される第１電力コンバータ１１６および第２電力コンバータ１１８などの追加的な電力コンバータを含み得る。
【００１３】
機械１００の全体的な制御は、機械１００の埋設されたまたは一体化された主制御器１０９によって行われ得る。制御器は１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、電子制御モジュール（ＥＣＭ）、電子制御ユニット（ＥＣＵ）または機械１００の機能を電子的に制御する任意の他の適切な手段の形態をとってもよい。
【００１４】
主制御器１０９は機械１００の様々な運転状態に基づいて機械１００を制御するための予め定められたアルゴリズムまたは指示セットに従い作動するように構成され得る。かかるアルゴリズムまたは指示セットは、主制御器１０９の車載メモリに読み出され得るか、例えば、フロッピーディスク、ハードドライブ、光学媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、または当技術分野で一般に使用される任意の他の適切なコンピュータ可読記憶媒体の形態にある、制御器１０９によってアクセス可能な記憶媒体またはメモリに予めプログラムされ得る。主制御器１０９はエンジン１０２、発電機１０６、第１および第２コンバータ１１６、１１８、可変周波数電力コンバータ１１２、電気エネルギー蓄電装置１１０などと電気的に通信状態にあり得る。主制御器１０９はまた、機械１００の様々な他の構成要素、システムまたはサブシステム（図示せず）に連結され得る。かかる接続により、制御器１０９は、センサなどから機械１００の電流動作パラメータに関するデータを受け取り得る。かかる入力に応じて、主制御器１０９は様々な決定を実行しかつかかる決定の結果に対応するまたは実行される必要のある動作に対応する出力信号を送信し得る。
【００１５】
一実施形態において、電気エネルギー蓄電装置１１０はバッテリーであり得る。さらにもう１つの実施形態において、電気エネルギー蓄電装置１１０は１つ以上のウルトラキャパシタであり得る。可変周波数電力コンバータ１１２は、電気エネルギー蓄電装置１１０によって機械１００に供給される電力を調節し得る。可変周波数電力コンバータ１１２はまた、蓄電のためエンジン１０２から電気エネルギー蓄電装置１１０に供給される電力を調節し得る。さらに可変周波数電力コンバータ１１２は、機械１００から電気エネルギー蓄電装置１１０へ供給される回生的電力、例えば制動から生成される電力を調節し得る。
【００１６】
運転の推進モードの間、すなわち機械１００が加速されている時、機械１００を移動させるため、動力はエンジン１０２から牽引装置１０８へ伝達され得る。具体的には、エンジン１０２は発電機１０４に対する出力トルクを生成し得る。発電機１０４は次に機械的トルクを電力へ変換し得る。電力は、交流（ＡＣ）電力の形態で生成され得る。ＡＣ電力はその後第１コンバータ１１６によって直流（ＤＣ）に変換され得る。そしてモータ１０６に供給される前に、第２電力コンバータ１１８によってＤＣ電力から適量のＡＣ電力へ再び変換され得る。得られたＡＣ電力はその後、当業者に公知のように、１つ以上のモータ１０６および牽引装置１０８を駆動するために使用され得る。
【００１７】
運転の動的制動モードの間、すなわち機械１００の動きが減速されている時、電力は牽引装置１０８の機械的な運動によって生成され得る。具体的には、移動機械１００の運動エネルギーが牽引装置１０８で回転動力に転換され得る。牽引装置１０８のかかる回転動力はさらに、例えばＡＣ電力の形態にある電力を生成するようにモータ１０６を回転させ得る。生成されたかかる回生的なＡＣ電力は、第２コンバータ１１８によってＤＣ電力へ変換され、少なくとも部分的にエンジン１０２を駆動するために発電機１０４に向けられ得るおよび／または電気エネルギー蓄電装置１１０に蓄電する前に調節するため可変周波数電力コンバータ１１２へ向けられ得る。
【００１８】
実施形態において、可変周波数電力コンバータ１１２は、電圧、電流および／または電力のいずれかまたはそれらの組み合わせを調整する閉ループスイッチング調整器を含み得る。調整器は、当技術分野で公知のように、第１および第２位置の間で移動可能なスイッチング要素を含み得る。可変周波数電力コンバータ１１２は、閉ループスイッチング調整器のスイッチング要素が当業者に公知のように開閉するデューティーサイクルのスイッチング周波数を制御するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）プロセスを利用し得る。
【００１９】
実施形態において、電力制御器１１４が可変周波数電力コンバータ１１２に連結され得る。電力制御器１１４は、主制御器１０９から分離し得るか、（図１に示されるように）主制御器１０９に連結され得るか、または主制御器１０９の一部であり得る。電力制御器は１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、電子制御モジュール（ＥＣＭ）、電子制御ユニット（ＥＣＵ）またはコンバータ１１２の機能を電子的に制御するための任意の他の適切な手段の形態をとり得る。電力制御器１１４は、可変周波数電力コンバータ１１２を制御するための予め決定されたアルゴリズムまたは指示セットに従い動作するように構成され得る。かかるアルゴリズムまたは指示セットは、電力制御器１１４の車載メモリに読み出され得るか、または例えばフロッピーディスク、ハードドライブ、光学媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンメモリ（ＲＯＭ）または当業界で一般に使用される任意の他の適切なコンピュータ可読記憶媒体の形態の電力制御器１１４によってアクセス可能な記憶媒体またはメモリに予めプログラムされ得る。
【００２０】
電力制御器１１４は、一実施形態において、電力基準に基づいて可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数をある周波数から別の周波数へ調整するように構成され得る。電力基準は、機械１００によって望まれる電気エネルギー蓄電装置１１０からの放電量か、あるいは機械１００によって望まれる電気エネルギー蓄電装置１１０を充電するための電力量のどちらかであり得る。電気エネルギー蓄電装置１１０からの放電は、例えば、機械１００が電気エネルギー蓄電装置１１０に機械１００に推進力を提供するように要求した時に発生し得、機械１００の補助的付属装置等に電力を提供する。
【００２１】
所望の電力基準値（電気エネルギー蓄電装置１１０へのまたはそこからの所望される電力）が低下すると、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加し得る。例えば、既存の電力基準（電気エネルギー蓄電装置１１０に／から現在提供されている電力量）が所望の電力基準を超えている場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電力基準値に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電力基準値に対応）へ増加し得る。同様に、既存の電力基準が所望の電力基準未満である場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電力基準値に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電力基準値に対応）へ減少させ得る。
【００２２】
一例示的実施形態において、機械１００は電気エネルギー蓄電装置１１０を充電することを望み得る。主制御器１０９または他の制御器は、電気エネルギー蓄電装置１１０が実質的に完全に充電されている時に電気エネルギー蓄電装置１１０から利用できる電力量（初期量）を表す値をデータベース１２０からまたは制御器がアクセス可能なメモリから読み出し得る。主制御器１０９はまた、現在の充電レベルにおいて電気エネルギー蓄電装置１１０に残っている残留電力（現在量）の測定を表すデータを受け取り得る。かかるデータは、電気エネルギー蓄電装置１１０に結合されたセンサから取得し得るが、必ずしもそうである必要はない。電力基準は、この実施形態において、実質的に完全に充電されている時に電気エネルギー蓄電装置１１０から利用できる電力量（初期量）と、現在の充電レベルにおいて電気エネルギー蓄電装置１１０から利用できる残留電力（現在量）との差であり得る。他の実施形態において、例えば、機械１００を促進するために電気エネルギー蓄電装置１１０が電力を供給している時、電力基準は機械１００によって電気エネルギー蓄電装置１１０から所望される電力であり得る。
【００２３】
ある実施形態において、電力制御器１１４は、所望の基準電力があらかじめ決定された範囲内に達した場合のみ可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整し得る。一実施形態において、所望の電力基準が可変周波数電力コンバータ１１２の電力定格の約８０パーセント未満の範囲内に低下した場合、電力制御器１１４は、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加する。別の実施形態において、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数のこの調整は、低電力状態の間のみ発生し得る。低電力状態の一例は、電気エネルギー蓄電装置１１０への／からの電力／エネルギーの所望量が、可変周波数電力コンバータ１１２の電力定格の約１０パーセント未満の範囲内にある時である。
【００２４】
第２スイッチング周波数は、電力制御器１１４によって実行される機能またはアルゴリズムを使用して電力制御器１１４によって決定され得るか、またはデータベース１２０に記憶されたルックアップテーブルから電力制御器１１４によって読み出され得る。電力制御器１１４は次に、本明細書で第１スイッチング周波数と呼ばれる、可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング要素の既存スイッチング周波数を、第２周波数へ調整し得る。
【００２５】
別の実施形態において、電力制御器１１４は、所望の電流基準に基づいて可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数をある周波数から別の周波数へ調整するように構成され得る。所望の電流基準は電力制御器１１４、主制御器１０９または別の制御器によって計算され得る。かかる所望の電流基準は、所望の電力基準に対応するまたはそれに関連する電流を表し得る。
【００２６】
上で考察した例を使用して、電力制御器１１４は、一実施形態において、所望の電流基準に基づいて可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数をある周波数から別の周波数へ調整するように構成され得る。所望の電流基準の値が低下すると、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加し得る。例えば、既存の電流基準（電気エネルギー蓄電装置１１０へ／から要求される既存電流）が所望の電流基準を超えている場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電流基準に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電流基準に対応）へ増加し得る。同様に、既存の電流基準が所望の電流基準未満の場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電流基準に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電流基準に対応）へ減少させ得る。
【００２７】
ある実施形態において、電力制御器１１４は、所望の電流基準があらかじめ決定された範囲内に達した場合のみ可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整し得る。一実施形態において、所望の電流基準が可変周波数電力コンバータ１１２の電流定格の約８０パーセント未満の範囲内に低下した場合、電力制御器１１４は、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加する。別の実施形態において、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数のこの調整は、低電流状態の間のみ発生し得る。低電流状態の一例は、電気エネルギー蓄電装置１１０への／からの電流の所望量が、可変周波数電力コンバータ１１２の電流定格の約１０パーセント未満の範囲内にある時である。
【００２８】
図２は例示的実施形態に従う車両に連結される電力コンバータを制御するための例示的な方法２００である。この方法は図示されたステップ数よりも多いまたは少ないステップ数で実行されてもよく、また示された順番に限定されない。
【００２９】
ステップ２１０において、電力制御器１１４は所望の電力基準を受け取り得る。一例示的実施形態において、所望の電力基準値は、主制御器１０９からまたは機械の別の制御器から電力制御器１１４へ伝達され得る。
【００３０】
方法のステップ２２０において、電力制御器１１４は、所望の電力基準があらかじめ決定された範囲内にあるかどうかを決定し得る（該当する場合）。所望の電力基準があらかじめ決定された範囲内にある場合、方法はステップ２３０に進む。所望の電力基準があらかじめ決定された範囲外にある場合、プロセスは終了する。あらかじめ決定された範囲がない実施形態では、プロセスはステップ２１０からステップ２３０へ続く。
【００３１】
ステップ２３０において、電力制御器１１４は所望の電力基準を既存の電力基準と比較する。所望の電力基準が既存の電力基準と異なる場合、プロセスはステップ２４０へ続き、そうでない場合プロセスは終了する。
【００３２】
ステップ２４０において、電力制御器１１４は所望の電力基準に基づいて第２スイッチング周波数を決定する。第２スイッチング周波数は、電力制御器１１４による機能またはアルゴリズムの実行から計算され得るか、またはデータベース１２０に記憶されているルックアップテーブルから電力制御器１１４によって読み出され得る。
【００３３】
ステップ２５０で電力制御器１１４は可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整する。
【００３４】
ハイブリッド機械において、所望の電力基準が可変周波数電力コンバータの電力定格の特定範囲内にある時、電力（および電流）リップルが発生し得る。かかる電力（または電流）リップルは電気エネルギー蓄電装置１１０によって蓄電または提供可能なエネルギー量を制限し得る。可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整することによって、リップル量は低減され得る。より詳細には、電力（または電流）リップルは、所望の電力（または電流）基準が低下した時、可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング周波数を増加することによって低減され得る。図４Ａ〜Ｃは本出願の教示に従うこの概念を示す。
【００３５】
図４Ａにおいて、電力基準とスイッチング周波数との関係を示す２つの例示的なグラフが描かれる。第１グラフ４００において、電力基準４０２は経時的に低下していることが確認される。第２グラフ４１０において、電力コンバータ１１２の関連するスイッチング周波数４１２は、本開示の教示に従い、電力基準４０２が低下するにつれ増加しているように示される。２つのグラフ４００、４１０を一緒に読むと、電力基準４０２が低下するにつれスイッチング周波数４１２は増加する。
【００３６】
図４Ｂは、電力コンバータ１１２のスイッチング周波数の増加前の図４Ａに示される例示的電力基準点４０４における例示的な電力リップル４２２と電流リップル４２４を描くグラフ４２０を示す。図４Ｃは、図４Ａに示された例示的な所望電力基準点４０６における例示的な電力リップル４３２と例示的な電流リップル４３４を描くグラフ４３０を示す。グラフ４２０とグラフ４３０との比較で確認できる電力リップルおよび電流リップルの低減は、電力基準４０２が低下するにつれ電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数が増加した時の電力リップル４２２と電流リップル４２４における効果を示す。
【００３７】
図３は例示的な実施形態に従う車両に連結された電力コンバータを制御するための別の例示的な方法３００である。この方法は図示されるステップ数よりも多いまたは少ないステップ数で実行されてもよく、また図示される順番に限定されない。
【００３８】
ステップ３１０において、電力制御器１１４は所望の電流基準を取得し得る。一例示的実施形態において、所望の電流基準値は主制御器１０９からまたは機械の別の制御器から電力制御器１１４へ伝達され得る。別の実施形態において、電力制御器１１４は、電力制御器１１４によって受け取られた所望の電力基準に基づいて、当技術分野で方法を知られているように、所望の電流基準を計算し得る。
【００３９】
方法のステップ３２０において、電力制御器１１４は、所望の電流基準があらかじめ決定された範囲内にあるかどうかを決定し得る（該当する場合）。所望の電流基準があらかじめ決定された範囲内にある場合、方法はステップ３３０に進む。所望の電流基準があらかじめ決定された範囲外にある場合、プロセスは終了する。あらかじめ決定された範囲がない実施形態では、プロセスはステップ３１０からステップ３３０へ続く。
【００４０】
ステップ３３０において、電力制御器１１４は所望の電流基準を既存の電流基準と比較する。所望の電流基準が既存の電流基準と異なる場合、プロセスはステップ３４０へ続き、そうでない場合プロセスは終了する。
【００４１】
ステップ３４０において、電力制御器１１４は所望の電流基準に基づいて第２スイッチング周波数を決定する。第２スイッチング周波数は、電力制御器１１４による機能またはアルゴリズムの実行から計算され得るか、またはデータベース１２０に記憶されているルックアップテーブルから電力制御器１１４によって読み出され得る。
【００４２】
ステップ３５０で電力制御器１１４は可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整する。
【００４３】
図４Ａ〜Ｃと同様、図５Ａ〜Ｃは可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整することによって、リップル量が低減され得ることを示す。より詳細には、電力（または電流）リップルは、所望の電流基準が低下するにつれ可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング周波数を増加することによって低減され得る。
【００４４】
図５Ａにおいて、電流基準とスイッチング周波数との関係を示す２つの例示的なグラフが描かれる。第１グラフ５００において、電流基準５０２は経時的に低下していることが確認される。第２グラフ５１０において、電力コンバータ１１２の関連するスイッチング周波数５１２は、本開示の教示に従い、電流基準５０２が低下するにつれ増加しているように示される。２つのグラフ５００、５１０を一緒に読むと、電流基準５０２が低下するにつれスイッチング周波数５１２は増加する。
【００４５】
図５Ｂは、電力コンバータ１１２のスイッチング周波数の増加前の図５Ａに示される例示的電流基準点５０４における例示的な電力リップル５２２と電流リップル５２４を描くグラフ５２０を示す。図５Ｃは、図５Ａに示された例示的な所望電流基準点５０６における例示的な電力リップル５３２と例示的な電流リップル５３４を描くグラフ５３０を示す。グラフ５２０とグラフ５３０との比較で確認できる電力リップルおよび電流リップルの低減は、電流基準５０２が低下するにつれ電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数が増加した時の電力リップル５２２と電流リップル５２４における効果を示す。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
エンジンからあるいは他の回生的源から電気エネルギー蓄電装置に電力／エネルギーを蓄電する、または電気エネルギー蓄電装置から電力／エネルギーを得るハイブリッド機械には、電気エネルギー蓄電装置に連結された電力コンバータが一般に存在する。特定の状況下、電力リップルおよび電流リップルは、電気エネルギー蓄電装置の充電中および放電中に発現され得る。当技術分野で公知のように、このリップルは、電気エネルギー蓄電装置に蓄電可能なまたは電気エネルギー蓄電装置から取得可能なエネルギーを制限する。本開示は、所望の電力または電流基準が低下するにつれスイッチング周波数を増加することによってリップルを低減することにおいて利用可能性を見出し得る。
【００４７】
一実施形態において、電力制御器が所望の電力基準を受け取る。電力制御器は次に、所望の電力基準が、あらかじめ決定された範囲内にあるかどうか決定し得る。電力制御器は次に、所望の電力基準値が既存の電力基準値と異なるかどうかを決定し得る。異なる場合、電力制御器は所望の電力基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング要素のスイッチング周波数を変化させる。電力基準が低下するにつれスイッチング周波数は増加し、その逆もある。スイッチング周波数のそのような変化により電力リップルが低減し、かつ電気エネルギー蓄電装置はより速く充電／放電するようになる。
【００４８】
別の実施形態において、電力制御器が所望の電流基準を受け取る。電力制御器は次に、所望の電流基準が、あらかじめ決定された範囲内にあるかどうか決定し得る。電力制御器は次に、所望の電流基準値が既存の電流基準値と異なるかどうかを決定し得る。異なる場合、電力制御器は所望の電流基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング要素のスイッチング周波数を変化させる。電流基準が低下するにつれスイッチング周波数は増加し、その逆もある。スイッチング周波数のそのような変化により電流リップルが低減し、かつ電気エネルギー蓄電装置はより速く充電／放電するようになる。
【００４９】
本明細書に開示された特徴はハイブリッド式掘削機、ホイールローダ、および他の土工車両、建設車両、採掘車両または材料運搬車両に特に有益であり得る。
【符号の説明】
【００５０】
１００ 電気駆動機械
１０２ 機械的動力源
１０４ 発電機
１０６ モータ
１０８ 牽引装置
１０９ 主制御器
１１０ 電気エネルギー蓄電装置
１１２ 可変周波数電力コンバータ
１１４ 電力制御器
１１６ 第１電力コンバータ
１１８ 第２電力コンバータ
１２０ データベース
４００ 第１グラフ
４０２ 電力基準
４０４ 電力基準点
４０６ 所望電力基準点
４１０ 第２グラフ
４１２ スイッチング周波数
４２０ グラフ
４２２ 電力リップル
４２４ 電流リップル
４３０ グラフ
４３２ 電力リップル
４３４ 電流リップル
５００ 第１グラフ
５０２ 電流基準
５０４ 電流基準点
５０６ 所望電流基準点
５１０ 第２グラフ
５１２ スイッチング周波数
５２０ グラフ
５２２ 電力リップル
５２４ 電流リップル
５３０ グラフ
５３２ 電力リップル
５３４ 電流リップル
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して高効率な電力コンバータに関し、詳細にはハイブリッド式土工車両、建設車両、材料運搬車両、採掘車両などで使用されるかかるコンバータから得られる電流および電力リップルを低減することに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械の駆動系は一般に、機械を推進するように作動するホイールまたは他の牽引装置に連結されるモータを含む。駆動系はさらに、発電機を駆動する原動機、例えばエンジンを含む。発電機はモータを駆動するために使用される電力を生成する。エンジンによって生成される機械的動力は発電機によって電力に変換される。次にこの電力は、モータおよび／または機械補助装置に供給される前に処理および／または調節される。モータは電力を変換して機械的動力に戻し、牽引装置を駆動するおよび車両を推進する。
【０００３】
一般的な機械はまた、ブレーキおよび機械を遅らせるまたは減速する他の機構を含み得る。機械が減速すると、機械の運動量が牽引装置を介してモータに移行され得る。モータは、機械の運動エネルギーを、機械の駆動系またはエネルギー蓄電装置に供給され得る電気的エネルギーに変換するために発電機として作動し得る。
【０００４】
ハイブリッド式機械などの特定の機械は、運転の減速モードの間エンジンによって提供される電気的エネルギーまたはモータによって提供される電気的エネルギーをあとで使用するため蓄電するように構成される。かかるエネルギーは電力コンバータによって調節され、その後、バッテリーなどの電気的エネルギー蓄電装置に蓄電され得る。蓄電されたエネルギーは、エンジン使用を最小化するためおよび燃料消費を低減するために、機械の補助装置に電力を供給するためにおよび／またはモータを駆動するために使用され得る。
【０００５】
２０１０年１２月２３日に公開された（特許文献１）（「Ｂｒｉｎｌｅｅら」）は、スイッチング周波数の制御に関連する先行技術の例である。Ｂｒｉｎｌｅｅらは、電力スイッチを含む電力コンバータ、スイッチング周波数を制御する制御器、および不均一なギャップを有する磁気装置を開示する。Ｂｒｉｎｌｅｅらにおいて、インダクタンス値にフィードバックを提供するために実際のシステムピーク電流が使用される。次にスイッチング周波数が、システムのキャパシタを最小化するためにフィードバックに基づいて調整される。この設計は電力変換効果を増大し得る一方で、必要なフィードバックを提供するために実際のシステムピーク電流の使用を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２１９５８号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本開示の一態様に従って、車両に配置される可変周波数電力コンバータを制御する方法が開示される。方法は車両に配置される電力制御器、可変周波数電力コンバータ、および電気的エネルギー蓄電装置を提供するステップを含み得る。電力制御器は可変周波数電力コンバータと電気的エネルギー蓄電装置に連結され得る。方法はさらに、電力制御器によって所望の電力基準値を受け取るステップと、所望の電力基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップとを含み得る。
【０００８】
本開示の別の態様に従って、ハイブリッド式車両に配置される可変周波数電力コンバータを制御する方法が開示される。方法はハイブリッド式車両に配置される電力制御器、可変周波数電力コンバータ、および電気的エネルギー蓄電装置を提供するステップを含み得る。電力制御器は可変周波数電力コンバータと電気的エネルギー蓄電装置に連結され得る。方法はさらに、電力制御器によって所望の電流基準値を得るステップと、所望の電流基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップとを含み得る。
【０００９】
本開示の別の態様に従って、電気式駆動機械が開示される。機械はエンジンと、エンジンに動作可能に連結される発電機と、１つ以上の牽引装置に動作可能に連結されるモータと、電気エネルギー蓄電装置と、電気エネルギー蓄電装置に連結される閉ループ可変周波数電力コンバータと、可変周波数電力コンバータに連結される電力制御器とを含み得る。可変周波数電力コンバータは第１および第２位置の間を移動可能なスイッチを含み得る。電力制御器は可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を所望の基準値に応じて増減するように構成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の教示に従う電気式駆動機械に適用されるような駆動系の例示的実施形態の概略図である。
【図２】本開示に従う電力コンバータを制御する方法の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図３】本開示に従う電力コンバータを制御する方法の例示的なステップを示すフローチャートである。
【図４】本開示に従う、スイッチング周波数および電力負荷と、電力および電流リップルに対する効果との例示的な関係を示す。
【図５】本開示に従う、スイッチング周波数および電流と、電力および電流リップルに対する効果との例示的な関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここで特定の実施形態又は特徴への言及が詳細になされる。その例は添付図面に示される。概して、同一または一致した部品に言及するために、一致した参照番号が図面を通して使用される。
【００１２】
図１は例示的な電気駆動機械１００を概略的に示す。かかる機械は、掘削機、ホイールローダ、路上および路上外走行トラック、または建設、採掘、農業、または他の産業的用途で使用される車両であり得るがこれらに限定されない。電気駆動機械１００は、エンジンなどの機械的動力源１０２、エンジン１０２に連結される発電機１０４、１つ以上の牽引モータ１０６、１つ以上の最終駆動牽引装置１０８、主制御器１０９、電気エネルギー蓄電装置１１０、可変周波数電力コンバータ１１２、および電力制御器１１４を含み得る。牽引装置１０８は機械１００の移動を推進しかつ促進し、掘削機および履帯式機械にみられるものなどの下部走行体、ホイールなどであり得るがこれらに限定されない。機械１００はさらに、図１に示される第１電力コンバータ１１６および第２電力コンバータ１１８などの追加的な電力コンバータを含み得る。
【００１３】
機械１００の全体的な制御は、機械１００の埋設されたまたは一体化された主制御器１０９によって行われ得る。制御器は１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、電子制御モジュール（ＥＣＭ）、電子制御ユニット（ＥＣＵ）または機械１００の機能を電子的に制御する任意の他の適切な手段の形態をとってもよい。
【００１４】
主制御器１０９は機械１００の様々な運転状態に基づいて機械１００を制御するための予め定められたアルゴリズムまたは指示セットに従い作動するように構成され得る。かかるアルゴリズムまたは指示セットは、主制御器１０９の車載メモリに読み出され得るか、例えば、フロッピーディスク、ハードドライブ、光学媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、または当技術分野で一般に使用される任意の他の適切なコンピュータ可読記憶媒体の形態にある、制御器１０９によってアクセス可能な記憶媒体またはメモリに予めプログラムされ得る。主制御器１０９はエンジン１０２、発電機１０６、第１および第２コンバータ１１６、１１８、可変周波数電力コンバータ１１２、電気エネルギー蓄電装置１１０などと電気的に通信状態にあり得る。主制御器１０９はまた、機械１００の様々な他の構成要素、システムまたはサブシステム（図示せず）に連結され得る。かかる接続により、制御器１０９は、センサなどから機械１００の電流動作パラメータに関するデータを受け取り得る。かかる入力に応じて、主制御器１０９は様々な決定を実行しかつかかる決定の結果に対応するまたは実行される必要のある動作に対応する出力信号を送信し得る。
【００１５】
一実施形態において、電気エネルギー蓄電装置１１０はバッテリーであり得る。さらにもう１つの実施形態において、電気エネルギー蓄電装置１１０は１つ以上のウルトラキャパシタであり得る。可変周波数電力コンバータ１１２は、電気エネルギー蓄電装置１１０によって機械１００に供給される電力を調節し得る。可変周波数電力コンバータ１１２はまた、蓄電のためエンジン１０２から電気エネルギー蓄電装置１１０に供給される電力を調節し得る。さらに可変周波数電力コンバータ１１２は、機械１００から電気エネルギー蓄電装置１１０へ供給される回生的電力、例えば制動から生成される電力を調節し得る。
【００１６】
運転の推進モードの間、すなわち機械１００が加速されている時、機械１００を移動させるため、動力はエンジン１０２から牽引装置１０８へ伝達され得る。具体的には、エンジン１０２は発電機１０４に対する出力トルクを生成し得る。発電機１０４は次に機械的トルクを電力へ変換し得る。電力は、交流（ＡＣ）電力の形態で生成され得る。ＡＣ電力はその後第１コンバータ１１６によって直流（ＤＣ）に変換され得る。そしてモータ１０６に供給される前に、第２電力コンバータ１１８によってＤＣ電力から適量のＡＣ電力へ再び変換され得る。得られたＡＣ電力はその後、当業者に公知のように、１つ以上のモータ１０６および牽引装置１０８を駆動するために使用され得る。
【００１７】
運転の動的制動モードの間、すなわち機械１００の動きが減速されている時、電力は牽引装置１０８の機械的な運動によって生成され得る。具体的には、移動機械１００の運動エネルギーが牽引装置１０８で回転動力に転換され得る。牽引装置１０８のかかる回転動力はさらに、例えばＡＣ電力の形態にある電力を生成するようにモータ１０６を回転させ得る。生成されたかかる回生的なＡＣ電力は、第２コンバータ１１８によってＤＣ電力へ変換され、少なくとも部分的にエンジン１０２を駆動するために発電機１０４に向けられ得るおよび／または電気エネルギー蓄電装置１１０に蓄電する前に調節するため可変周波数電力コンバータ１１２へ向けられ得る。
【００１８】
実施形態において、可変周波数電力コンバータ１１２は、電圧、電流および／または電力のいずれかまたはそれらの組み合わせを調整する閉ループスイッチング調整器を含み得る。調整器は、当技術分野で公知のように、第１および第２位置の間で移動可能なスイッチング要素を含み得る。可変周波数電力コンバータ１１２は、閉ループスイッチング調整器のスイッチング要素が当業者に公知のように開閉するデューティーサイクルのスイッチング周波数を制御するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）プロセスを利用し得る。
【００１９】
実施形態において、電力制御器１１４が可変周波数電力コンバータ１１２に連結され得る。電力制御器１１４は、主制御器１０９から分離し得るか、（図１に示されるように）主制御器１０９に連結され得るか、または主制御器１０９の一部であり得る。電力制御器は１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、電子制御モジュール（ＥＣＭ）、電子制御ユニット（ＥＣＵ）またはコンバータ１１２の機能を電子的に制御するための任意の他の適切な手段の形態をとり得る。電力制御器１１４は、可変周波数電力コンバータ１１２を制御するための予め決定されたアルゴリズムまたは指示セットに従い動作するように構成され得る。かかるアルゴリズムまたは指示セットは、電力制御器１１４の車載メモリに読み出され得るか、または例えばフロッピーディスク、ハードドライブ、光学媒体、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンメモリ（ＲＯＭ）または当業界で一般に使用される任意の他の適切なコンピュータ可読記憶媒体の形態の電力制御器１１４によってアクセス可能な記憶媒体またはメモリに予めプログラムされ得る。
【００２０】
電力制御器１１４は、一実施形態において、電力基準に基づいて可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数をある周波数から別の周波数へ調整するように構成され得る。電力基準は、機械１００によって望まれる電気エネルギー蓄電装置１１０からの放電量か、あるいは機械１００によって望まれる電気エネルギー蓄電装置１１０を充電するための電力量のどちらかであり得る。電気エネルギー蓄電装置１１０からの放電は、例えば、機械１００が電気エネルギー蓄電装置１１０に機械１００に推進力を提供するように要求した時に発生し得、機械１００の補助的付属装置等に電力を提供する。
【００２１】
所望の電力基準値（電気エネルギー蓄電装置１１０へのまたはそこからの所望される電力）が低下すると、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加し得る。例えば、既存の電力基準（電気エネルギー蓄電装置１１０に／から現在提供されている電力量）が所望の電力基準を超えている場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電力基準値に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電力基準値に対応）へ増加し得る。同様に、既存の電力基準が所望の電力基準未満である場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電力基準値に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電力基準値に対応）へ減少させ得る。
【００２２】
一例示的実施形態において、機械１００は電気エネルギー蓄電装置１１０を充電することを望み得る。主制御器１０９または他の制御器は、電気エネルギー蓄電装置１１０が実質的に完全に充電されている時に電気エネルギー蓄電装置１１０から利用できる電力量（初期量）を表す値をデータベース１２０からまたは制御器がアクセス可能なメモリから読み出し得る。主制御器１０９はまた、現在の充電レベルにおいて電気エネルギー蓄電装置１１０に残っている残留電力（現在量）の測定を表すデータを受け取り得る。かかるデータは、電気エネルギー蓄電装置１１０に結合されたセンサから取得し得るが、必ずしもそうである必要はない。電力基準は、この実施形態において、実質的に完全に充電されている時に電気エネルギー蓄電装置１１０から利用できる電力量（初期量）と、現在の充電レベルにおいて電気エネルギー蓄電装置１１０から利用できる残留電力（現在量）との差であり得る。他の実施形態において、例えば、機械１００を促進するために電気エネルギー蓄電装置１１０が電力を供給している時、電力基準は機械１００によって電気エネルギー蓄電装置１１０から所望される電力であり得る。
【００２３】
ある実施形態において、電力制御器１１４は、所望の基準電力があらかじめ決定された範囲内に達した場合のみ可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整し得る。一実施形態において、所望の電力基準が可変周波数電力コンバータ１１２の電力定格の約８０パーセント未満の範囲内に低下した場合、電力制御器１１４は、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加する。別の実施形態において、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数のこの調整は、低電力状態の間のみ発生し得る。低電力状態の一例は、電気エネルギー蓄電装置１１０への／からの電力／エネルギーの所望量が、可変周波数電力コンバータ１１２の電力定格の約１０パーセント未満の範囲内にある時である。
【００２４】
第２スイッチング周波数は、電力制御器１１４によって実行される機能またはアルゴリズムを使用して電力制御器１１４によって決定され得るか、またはデータベース１２０に記憶されたルックアップテーブルから電力制御器１１４によって読み出され得る。電力制御器１１４は次に、本明細書で第１スイッチング周波数と呼ばれる、可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング要素の既存スイッチング周波数を、第２周波数へ調整し得る。
【００２５】
別の実施形態において、電力制御器１１４は、所望の電流基準に基づいて可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数をある周波数から別の周波数へ調整するように構成され得る。所望の電流基準は電力制御器１１４、主制御器１０９または別の制御器によって計算され得る。かかる所望の電流基準は、所望の電力基準に対応するまたはそれに関連する電流を表し得る。
【００２６】
上で考察した例を使用して、電力制御器１１４は、一実施形態において、所望の電流基準に基づいて可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数をある周波数から別の周波数へ調整するように構成され得る。所望の電流基準の値が低下すると、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加し得る。例えば、既存の電流基準（電気エネルギー蓄電装置１１０へ／から要求される既存電流）が所望の電流基準を超えている場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電流基準に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電流基準に対応）へ増加し得る。同様に、既存の電流基準が所望の電流基準未満の場合、電力制御器１１４は可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数（既存電流基準に対応）から第２スイッチング周波数（所望の電流基準に対応）へ減少させ得る。
【００２７】
ある実施形態において、電力制御器１１４は、所望の電流基準があらかじめ決定された範囲内に達した場合のみ可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整し得る。一実施形態において、所望の電流基準が可変周波数電力コンバータ１１２の電流定格の約８０パーセント未満の範囲内に低下した場合、電力制御器１１４は、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を増加する。別の実施形態において、可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数のこの調整は、低電流状態の間のみ発生し得る。低電流状態の一例は、電気エネルギー蓄電装置１１０への／からの電流の所望量が、可変周波数電力コンバータ１１２の電流定格の約１０パーセント未満の範囲内にある時である。
【００２８】
図２は例示的実施形態に従う車両に連結される電力コンバータを制御するための例示的な方法２００である。この方法は図示されたステップ数よりも多いまたは少ないステップ数で実行されてもよく、また示された順番に限定されない。
【００２９】
ステップ２１０において、電力制御器１１４は所望の電力基準を受け取り得る。一例示的実施形態において、所望の電力基準値は、主制御器１０９からまたは機械の別の制御器から電力制御器１１４へ伝達され得る。
【００３０】
方法のステップ２２０において、電力制御器１１４は、所望の電力基準があらかじめ決定された範囲内にあるかどうかを決定し得る（該当する場合）。所望の電力基準があらかじめ決定された範囲内にある場合、方法はステップ２３０に進む。所望の電力基準があらかじめ決定された範囲外にある場合、プロセスは終了する。あらかじめ決定された範囲がない実施形態では、プロセスはステップ２１０からステップ２３０へ続く。
【００３１】
ステップ２３０において、電力制御器１１４は所望の電力基準を既存の電力基準と比較する。所望の電力基準が既存の電力基準と異なる場合、プロセスはステップ２４０へ続き、そうでない場合プロセスは終了する。
【００３２】
ステップ２４０において、電力制御器１１４は所望の電力基準に基づいて第２スイッチング周波数を決定する。第２スイッチング周波数は、電力制御器１１４による機能またはアルゴリズムの実行から計算され得るか、またはデータベース１２０に記憶されているルックアップテーブルから電力制御器１１４によって読み出され得る。
【００３３】
ステップ２５０で電力制御器１１４は可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整する。
【００３４】
ハイブリッド機械において、所望の電力基準が可変周波数電力コンバータの電力定格の特定範囲内にある時、電力（および電流）リップルが発生し得る。かかる電力（または電流）リップルは電気エネルギー蓄電装置１１０によって蓄電または提供可能なエネルギー量を制限し得る。可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整することによって、リップル量は低減され得る。より詳細には、電力（または電流）リップルは、所望の電力（または電流）基準が低下した時、可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング周波数を増加することによって低減され得る。図４Ａ〜Ｃは本出願の教示に従うこの概念を示す。
【００３５】
図４Ａにおいて、電力基準とスイッチング周波数との関係を示す２つの例示的なグラフが描かれる。第１グラフ４００において、電力基準４０２は経時的に低下していることが確認される。第２グラフ４１０において、電力コンバータ１１２の関連するスイッチング周波数４１２は、本開示の教示に従い、電力基準４０２が低下するにつれ増加しているように示される。２つのグラフ４００、４１０を一緒に読むと、電力基準４０２が低下するにつれスイッチング周波数４１２は増加する。
【００３６】
図４Ｂは、電力コンバータ１１２のスイッチング周波数の増加前の図４Ａに示される例示的電力基準点４０４における例示的な電力リップル４２２と電流リップル４２４を描くグラフ４２０を示す。図４Ｃは、図４Ａに示された例示的な所望電力基準点４０６における例示的な電力リップル４３２と例示的な電流リップル４３４を描くグラフ４３０を示す。グラフ４２０とグラフ４３０との比較で確認できる電力リップルおよび電流リップルの低減は、電力基準４０２が低下するにつれ電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数が増加した時の電力リップル４２２と電流リップル４２４における効果を示す。
【００３７】
図３は例示的な実施形態に従う車両に連結された電力コンバータを制御するための別の例示的な方法３００である。この方法は図示されるステップ数よりも多いまたは少ないステップ数で実行されてもよく、また図示される順番に限定されない。
【００３８】
ステップ３１０において、電力制御器１１４は所望の電流基準を取得し得る。一例示的実施形態において、所望の電流基準値は主制御器１０９からまたは機械の別の制御器から電力制御器１１４へ伝達され得る。別の実施形態において、電力制御器１１４は、電力制御器１１４によって受け取られた所望の電力基準に基づいて、当技術分野で方法を知られているように、所望の電流基準を計算し得る。
【００３９】
方法のステップ３２０において、電力制御器１１４は、所望の電流基準があらかじめ決定された範囲内にあるかどうかを決定し得る（該当する場合）。所望の電流基準があらかじめ決定された範囲内にある場合、方法はステップ３３０に進む。所望の電流基準があらかじめ決定された範囲外にある場合、プロセスは終了する。あらかじめ決定された範囲がない実施形態では、プロセスはステップ３１０からステップ３３０へ続く。
【００４０】
ステップ３３０において、電力制御器１１４は所望の電流基準を既存の電流基準と比較する。所望の電流基準が既存の電流基準と異なる場合、プロセスはステップ３４０へ続き、そうでない場合プロセスは終了する。
【００４１】
ステップ３４０において、電力制御器１１４は所望の電流基準に基づいて第２スイッチング周波数を決定する。第２スイッチング周波数は、電力制御器１１４による機能またはアルゴリズムの実行から計算され得るか、またはデータベース１２０に記憶されているルックアップテーブルから電力制御器１１４によって読み出され得る。
【００４２】
ステップ３５０で電力制御器１１４は可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整する。
【００４３】
図４Ａ〜Ｃと同様、図５Ａ〜Ｃは可変周波数コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数を調整することによって、リップル量が低減され得ることを示す。より詳細には、電力（または電流）リップルは、所望の電流基準が低下するにつれ可変周波数電力コンバータ１１２のスイッチング周波数を増加することによって低減され得る。
【００４４】
図５Ａにおいて、電流基準とスイッチング周波数との関係を示す２つの例示的なグラフが描かれる。第１グラフ５００において、電流基準５０２は経時的に低下していることが確認される。第２グラフ５１０において、電力コンバータ１１２の関連するスイッチング周波数５１２は、本開示の教示に従い、電流基準５０２が低下するにつれ増加しているように示される。２つのグラフ５００、５１０を一緒に読むと、電流基準５０２が低下するにつれスイッチング周波数５１２は増加する。
【００４５】
図５Ｂは、電力コンバータ１１２のスイッチング周波数の増加前の図５Ａに示される例示的電流基準点５０４における例示的な電力リップル５２２と電流リップル５２４を描くグラフ５２０を示す。図５Ｃは、図５Ａに示された例示的な所望電流基準点５０６における例示的な電力リップル５３２と例示的な電流リップル５３４を描くグラフ５３０を示す。グラフ５２０とグラフ５３０との比較で確認できる電力リップルおよび電流リップルの低減は、電流基準５０２が低下するにつれ電力コンバータ１１２のスイッチング要素のスイッチング周波数が増加した時の電力リップル５２２と電流リップル５２４における効果を示す。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
エンジンからあるいは他の回生的源から電気エネルギー蓄電装置に電力／エネルギーを蓄電する、または電気エネルギー蓄電装置から電力／エネルギーを得るハイブリッド機械には、電気エネルギー蓄電装置に連結された電力コンバータが一般に存在する。特定の状況下、電力リップルおよび電流リップルは、電気エネルギー蓄電装置の充電中および放電中に発現され得る。当技術分野で公知のように、このリップルは、電気エネルギー蓄電装置に蓄電可能なまたは電気エネルギー蓄電装置から取得可能なエネルギーを制限する。本開示は、所望の電力または電流基準が低下するにつれスイッチング周波数を増加することによってリップルを低減することにおいて利用可能性を見出し得る。
【００４７】
一実施形態において、電力制御器が所望の電力基準を受け取る。電力制御器は次に、所望の電力基準が、あらかじめ決定された範囲内にあるかどうか決定し得る。電力制御器は次に、所望の電力基準値が既存の電力基準値と異なるかどうかを決定し得る。異なる場合、電力制御器は所望の電力基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング要素のスイッチング周波数を変化させる。電力基準が低下するにつれスイッチング周波数は増加し、その逆もある。スイッチング周波数のそのような変化により電力リップルが低減し、かつ電気エネルギー蓄電装置はより速く充電／放電するようになる。
【００４８】
別の実施形態において、電力制御器が所望の電流基準を受け取る。電力制御器は次に、所望の電流基準が、あらかじめ決定された範囲内にあるかどうか決定し得る。電力制御器は次に、所望の電流基準値が既存の電流基準値と異なるかどうかを決定し得る。異なる場合、電力制御器は所望の電流基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング要素のスイッチング周波数を変化させる。電流基準が低下するにつれスイッチング周波数は増加し、その逆もある。スイッチング周波数のそのような変化により電流リップルが低減し、かつ電気エネルギー蓄電装置はより速く充電／放電するようになる。
【００４９】
本明細書に開示された特徴はハイブリッド式掘削機、ホイールローダ、および他の土工車両、建設車両、採掘車両または材料運搬車両に特に有益であり得る。
【符号の説明】
【００５０】
１００ 電気駆動機械
１０２ 機械的動力源
１０４ 発電機
１０６ モータ
１０８ 牽引装置
１０９ 主制御器
１１０ 電気エネルギー蓄電装置
１１２ 可変周波数電力コンバータ
１１４ 電力制御器
１１６ 第１電力コンバータ
１１８ 第２電力コンバータ
１２０ データベース
４００ 第１グラフ
４０２ 電力基準
４０４ 電力基準点
４０６ 所望電力基準点
４１０ 第２グラフ
４１２ スイッチング周波数
４２０ グラフ
４２２ 電力リップル
４２４ 電流リップル
４３０ グラフ
４３２ 電力リップル
４３４ 電流リップル
５００ 第１グラフ
５０２ 電流基準
５０４ 電流基準点
５０６ 所望電流基準点
５１０ 第２グラフ
５１２ スイッチング周波数
５２０ グラフ
５２２ 電力リップル
５２４ 電流リップル
５３０ グラフ
５３２ 電力リップル
５３４ 電流リップル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に配置された可変周波数電力コンバータを制御する方法であって、
車両に配置された電力制御器、可変周波数電力コンバータ、および電気エネルギー蓄電装置を提供するステップであって、電力制御器が可変周波数電力コンバータおよび電気エネルギー蓄電装置に連結されているステップと、
電力制御器によって、所望の電力基準値を受け取るステップと、
所望の電力基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップと
を含む方法。
【請求項２】
電気エネルギー蓄電装置がバッテリーである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電気エネルギー蓄電装置がウルトラキャパシタを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
所望の電力基準値が、可変周波数電力コンバータの電力定格の約８０パーセント未満の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
所望の電力基準値が、可変周波数電力コンバータの電力定格の約１０パーセント未満の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
電力制御器に連結されたデータベースに記憶されたルックアップテーブルから第２スイッチング周波数を選択するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
所望の電力基準値が、実質的に充電されている時に電気エネルギー蓄電装置から利用できる初期の電力量と、現在の充電レベルにおいて電気エネルギー蓄電装置から利用できる現在の電力量との差を示す、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
電気駆動機械であって、
エンジンと、
エンジンに動作可能に連結された発電機と、
１つ以上の牽引装置に動作可能に連結されたモータと、
電気エネルギー蓄電装置と、
第１および第２位置の間で移動可能なスイッチを含む、電気エネルギー蓄電装置に連結された閉ループ可変周波数電力コンバータと、
可変周波数電力コンバータに連結された電力制御器であって、所望の基準値に応じて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を増減するように構成された電力制御器と
を含む電気駆動機械。
【請求項９】
所望の基準値が所望の電力基準値である、請求項８に記載の機械。
【請求項１０】
所望の基準値が所望の電流基準値である、請求項８に記載の機械。
【請求項１】
車両に配置された可変周波数電力コンバータを制御する方法であって、
車両に配置された電力制御器、可変周波数電力コンバータ、および電気エネルギー蓄電装置を提供するステップであって、電力制御器が可変周波数電力コンバータおよび電気エネルギー蓄電装置に連結されているステップと、
電力制御器によって、所望の電力基準値を受け取るステップと、
所望の電力基準値に基づいて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を第１スイッチング周波数から第２スイッチング周波数へ調整するステップと
を含む方法。
【請求項２】
電気エネルギー蓄電装置がバッテリーである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電気エネルギー蓄電装置がウルトラキャパシタを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
所望の電力基準値が、可変周波数電力コンバータの電力定格の約８０パーセント未満の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
所望の電力基準値が、可変周波数電力コンバータの電力定格の約１０パーセント未満の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
電力制御器に連結されたデータベースに記憶されたルックアップテーブルから第２スイッチング周波数を選択するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
所望の電力基準値が、実質的に充電されている時に電気エネルギー蓄電装置から利用できる初期の電力量と、現在の充電レベルにおいて電気エネルギー蓄電装置から利用できる現在の電力量との差を示す、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
電気駆動機械であって、
エンジンと、
エンジンに動作可能に連結された発電機と、
１つ以上の牽引装置に動作可能に連結されたモータと、
電気エネルギー蓄電装置と、
第１および第２位置の間で移動可能なスイッチを含む、電気エネルギー蓄電装置に連結された閉ループ可変周波数電力コンバータと、
可変周波数電力コンバータに連結された電力制御器であって、所望の基準値に応じて可変周波数電力コンバータのスイッチング周波数を増減するように構成された電力制御器と
を含む電気駆動機械。
【請求項９】
所望の基準値が所望の電力基準値である、請求項８に記載の機械。
【請求項１０】
所望の基準値が所望の電流基準値である、請求項８に記載の機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７４７９３（Ｐ２０１３−７４７９３Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２１２４１７（Ｐ２０１２−２１２４１７）
【出願日】平成２４年９月２６日（２０１２．９．２６）
【出願人】（３９１０２０１９３）キャタピラー インコーポレイテッド (296)
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＴＥＲＰＩＬＬＡＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月２６日（２０１２．９．２６）
【出願人】（３９１０２０１９３）キャタピラー インコーポレイテッド (296)
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＴＥＲＰＩＬＬＡＲ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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