説明

蓄積手段を充電するためのスイッチングアームのスイッチ制御方法および充電装置

【課題】電圧変動による浮遊容量の発生を防止し、コモン‐モード電流の発生を抑止することを目的とする。
【解決手段】本発明は、各スイッチングアーム(A、B、C)が第1スイッチおよび第2スイッチを備える電子充電装置により、蓄積手段を充電する充電方法に関し、
−所定数の前記第1スイッチを、対応する閉塞時間(tfA、tfB、tfC)だけ閉塞させる指示を行うステップと、
−既に閉塞されている前記第1スイッチのそれぞれを開かせるとき、他の第1スイッチを、対応する閉塞時間(tfA、tfB、tfC)だけ閉塞させる指示を行うことにより、一定数の第1スイッチを同時に閉塞させるステップとを備えることを特徴としている。
また、本発明は、このような充電方法を実施する充電装置にも関する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スイッチングアームのスイッチ制御に関し、特に、再充電可能なバッテリにより駆動されるモータまたはオルタネータの分野に適用されるものである。本発明は、バッテリがインバータを介してモータを駆動することができ、また、自動車が停止している間にバッテリを再充電できるので、電気自動車の分野に適用すると有利である。
【0002】
一方、前記システムおよびそれに関連する方法は、特に上記の適用のために構成されるが、他の分野、特に風力タービンや水力の発電装置にも利用することができる。
【背景技術】
【0003】
従来、電気車両は、インバータに直流電流を供給する高電圧バッテリを備えている。インバータは、直流電流を、車両を動かす電気モータの駆動に利用できる交流電流に変換する。
【0004】
高電圧バッテリを再充電するため、「ブリッジレスPFC」としても知られる、ダイオードブリッジを有しない電力制御コンバータを備え、かつ電気自動車に組み込まれる充電装置を備える車両が知られている。
【0005】
コンバータのスイッチングによって発生するコモン‐モード電流は、シャーシに対する電子機器、シャーシに対するモータ、または、シャーシに対するバッテリによっても生じる浮遊容量を流れる。これらの電流は、アース線が電子回路網の中性点に連結されたシャーシを介して一巡する。従って、充電装置は、電子回路網に外乱を生じさせる。通常は、電子回路網における高周波外乱の発生を抑止する。
【0006】
パッシブフィルタによる解決手法は、この問題を解決する一助となる。これには、例えば、充電装置の入力部に、コモン‐モードフィルタを配置する。従って、コモン‐モード電流は、電子回路網を通過する代わりに、前記フィルタを介して一巡する。前記フィルタの欠点は、コストおよび容積を別にして、主要部とアースとの間に、(50Hz/60Hz程度の)低周波漏れ電流が生じることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従って、本発明は、電圧変動による浮遊容量の発生を防止し、コモン‐モード電流の発生を抑止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この目的を達成するために、本発明の実施形態は、各スイッチングアームが、第1スイッチおよび第2スイッチを備える前記スイッチングアームのスイッチ制御方法を提供するものである。
前記制御方法は、
a)所定数の第1スイッチを、対応する時間だけ閉じさせる指示を行うステップと、
b)既に閉じている第1スイッチのそれぞれを開かせるとき、他の第1スイッチを、対応する時間だけ閉じさせる指示を行うことにより、一定数の第1スイッチを同時に閉じさせるステップとを備えている。
【0009】
本発明の他の実施形態は、第1スイッチおよび第2スイッチを有する各スイッチングアームを備える電子充電装置を介して、蓄積手段を充電する充電方法を提供するものである。前記充電方法は、上述した制御方法のステップa)およびb)である、
a)所定数の前記第1スイッチを、対応する時間だけ閉じさせる指示を行うステップと、
b)既に閉じられている前記第1スイッチを開いたとき、他の第1スイッチを、対応する時間だけ閉じさせる指示を行うことにより、一定数の第1スイッチを、同時に閉じさせるステップ
とを備えることを特徴とする。
【0010】
前記各スイッチングアームには、同時に閉じられる同一レベルの一定数のスイッチがあるため、前記蓄積手段を充電するとき、中性点に一定の電圧を印加することができる。従って、浮遊容量を発生させやすい電圧変動、従って、コモン‐モード電流は、減少する。
【0011】
前記第1スイッチは、第2スイッチに対して、全てを同じ位置に配置することができる。前記第1スイッチは、例えば、各スイッチングアームの上部に配置され、一方、第2スイッチは、各スイッチングアームの下部に配置される。
【0012】
また、この制御方法または充電方法は、以下の特徴の1つ以上を、単独で、または組み合わせとして備えている。
−第1スイッチは、パルス幅変調PWM制御信号を送信することにより、閉塞が指示される。
−制御信号は、同相である。
−制御信号の位相はシフトされる。
−充電装置は三相であり、充電装置の各位相の平均変調は1/3である。
−同時に閉じられる第1スイッチの数と、同時に閉じられる第1スイッチ、および第2スイッチの総数との比率は、1/3である。
【0013】
また、本発明の他の実施形態は、上述した制御方法または充電方法を実施するための充電装置を提供するもので、蓄積手段を充電するこの電子充電装置は、
−それぞれ第1スイッチおよび第2スイッチを有する複数のスイッチングアームと、
−第1スイッチおよび第2スイッチを制御する制御装置
とを備え、前記蓄積手段を充電する間、前記制御装置は、所定数の第1スイッチを、対応する時間だけ閉じさせる指示を行い、既に閉じられている第1スイッチのそれぞれを開かせるとき、他の第1スイッチを、対応する時間だけ閉じさせる指示を行うことにより、一定数の第1スイッチを同時に閉じさせる。
【0014】
また、前記充電装置は、次の特徴の1つ以上を、単独または組み合わせとして有する。
−充電装置は、3つのスイッチングアームを備えている。
−充電装置は、それぞれが2つのスイッチングアームにより構成されている3つのH型ブリッジ構造を備えている。
−第1スイッチおよび第2スイッチのそれぞれは、トランジスタおよび反転ダイオードを備えている。
−充電装置は、スイッチングアームを有するインバータを備えている。
−充電装置は、インバータと蓄積装置との間に配置されたDC/DCコンバータを備えている。
−充電装置は、三相交流モータを備えている。
−制御装置は、三相交流モータを駆動する電力供給モードから、蓄積手段を充電する充電モードへの切り替え、および、その反対方向の切り替えのために第1スイッチおよび第2スイッチを制御するように構成されている。
【0015】
前記充電装置は、インダクタンスを備え、このインダクタンスは、電気モータの各相の巻線によって構成されていることが好ましい。三相モータの場合、3つのインダクタンスを前記三相モータの巻線によって構成することができる。
【0016】
電子回路網を連結する連結システムは、前記充電装置に組み込むことができる。
【0017】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行う、非限定的な実施形態に関する以下の説明から明らかになると思う。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】自動車のための三相電子回路網を有する三相充電装置の概略図である。
【図2】充電装置の第1実施形態の一部の概略回路図である。
【図3】本発明に係る充電方法における図2の充電装置の制御信号を示すタイミングチャートである。
【図4】充電装置の第2実施形態の概略回路図である。
【図5】本発明に係る充電方法における図4の充電装置の制御信号を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0019】
これらの図面および以下の説明において、実質上同一の構成要素には、同一の符号を付してある。
【0020】
第1実施形態:3つのスイッチングアームを有するインバータ
構成
例えば、ハイブリッド自動車Vまたは電気自動車Vを充電するための充電装置1の実施形態は、図1および図2に概略的に示すように、3つのスイッチングアームA、B、C、およびインダクタンス7を有するスイッチング手段4を備えている。この充電装置1は、自動車VのバッテリBを構成する蓄積手段5を再充電することができる。
【0021】
この実施形態における各スイッチングアームA、B、Cは、各スイッチングアームA、B、Cに分配されている2個のスイッチ12a、12bを備え、第1スイッチ12aは、図2におけるスイッチングアームA、B、Cの上部に配置され、第2スイッチ12bは、スイッチングアームA、B、Cの下部に配置されている。
【0022】
スイッチング手段4は、充電装置1のインバータ2に組み込むことができる。
【0023】
また、インダクタンス7は、一部が示されている交流三相モータ6の巻線により構成することができる。この場合、スイッチングアームA、B、Cは、中間点が交流三相モータ6の各相に連結される。
【0024】
また、図1および図2に示す実施形態では、充電装置1は、三相電子回路網11の出力端子に連結可能な連結システム8を備えている。この連結システム8は、添付の図面には示されていないが、充電装置1が充電されるときに、電気出力端子に接触できないようにするロック手段を備えることができる。また、連結システム8には、電力供給モードのときに、ユーザが(通電している)導体に接触できないようにする第2ロック手段(図示せず)を設けることができる。
【0025】
充電装置1は、インダクタンス7を用いて、接地された三相電子回路網11から、バッテリBを充電することができる。
【0026】
また、実施形態では、充電装置1は、スイッチ12a、12bを駆動する制御回路9を備えている。制御回路9とスイッチ12a、12bとの間の連結は、図示されていないが、図から容易に理解することができる。
【0027】
また、充電装置1は、インバータ2と蓄積手段5との間に配置されたDC/DCコンバータ10を備えている。DC/DCコンバータ10を用いることにより、電圧を適合させ、結果として、能力を低下させることなくインバータ2の寸法を最適化することができる。実際には、蓄積手段5の電圧は、1倍から2倍の変動範囲である充電量によって変動する。DC/DCコンバータ10を用いることにより、インバータ2の寸法を、通過電流を半分となる低電圧の寸法にすることができる。
【0028】
実施形態では、このDC/DCコンバータ10は、蓄積手段5に接続されるインダクタンス101と、中間点がインダクタンス101に接続される2個のスイッチ102と、2個のスイッチ102の各端子に接続されるコンデンサ103とを備えている。
【0029】
動作
インダクタンス7を用いて、充電装置1が接地された三相電子回路網11から、バッテリBを充電する充電モードでは、制御回路9は、例えば、上部の一定数nの第1スイッチ12aが、常に同一レベルで同時に閉塞されてONとなるように、スイッチングアームA、B、Cを駆動する。もちろん、下部の第2スイッチ12bを選択することも可能である。
【0030】
また、図3を参照すると、例えば、所定の周期TでバッテリBを充電する方法では、
第1スイッチングアームAの第1スイッチ12aは、閉塞時間tfAの閉塞が指示され、
第1スイッチングアームAの第1スイッチ12aの閉塞時間tfAが経過し、この第1スイッチ12aが開かれたとき、第2スイッチングアームBの第1スイッチ12aは、閉塞時間tfBの閉塞が指示され、
第2スイッチングアームBの第1スイッチ12aの閉塞時間tfBが経過し、この第1スイッチ12aが開かれたとき、第3スイッチングアームCの第1スイッチ12aは、閉塞時間tfCの閉塞が指示される。
【0031】
この場合、各第1スイッチ12aが閉塞されている時間間隔は異なる。この同期は、1つの第1スイッチ12aが周期Tに亘って一度に閉塞されることを可能とする。各制御信号は、重なることがない。従って、三相電子回路網11の中性点Nにおいて、一定の電圧が保証される。
【0032】
この実施形態では、同時に閉塞されていなければならない第1スイッチ12aの一定数nは1である。この数は、以下に詳細に説明する平均変調に基づいて計算される。
【0033】
各スイッチングアームA、B、Cは、PWMと称されるパルス幅変調技術により変調される。既に述べたように、これらのスイッチングアームA、B、Cは、各相が正弦波電流を生成するように変調される。三相充電装置の場合、各相は、2π/3ずつ位相がシフトされ、各変調度mは等しい。従って、各相の変調は、以下の(1)式によって計算される。
【0034】
a(t)=k+m・cos(wt)
b(t)=k+m・cos(wt−2π/3)
c(t)=k+m・cos(wt−4π/3) (1)
(kは平均変調、ma(t)、mb(t)、mc(t)は各相a、b、cの変調)
【0035】
変調の和mxは3kであり、互いに重なることがないように、基本的には変調の和mxは1である。従って、結局、平均変調kは、1/3である((2)式)。
【0036】
Σmx=3・k<1⇒k=1/3 (2)
【0037】
この結果、同時に閉塞される第1スイッチ12aの数と、同時に閉塞されるスイッチ12a、12bの総数との比率は、1/3である。
【0038】
この第1実施形態によれば、3つのスイッチングアームA、B、Cと、これらの3つのスイッチングアームA、B、Cに配分された6個のスイッチ12a、12bとがある。結局、3個のスイッチ12a、12bが閉塞されるとき、他の3個のスイッチ12a、12bは開かれる。閉塞される3個のスイッチ12a、12bの中、1/3は、スイッチングアームA、B、Cの上部の第1スイッチ12aでなければならず、閉塞される他の2個のスイッチ12a、12bは、スイッチングアームA、B、Cの下部の第2スイッチ12bでなければならない。
【0039】
従って、閉塞される一定数nの第1スイッチ12aがある((3)式)。
n=1 (3)
【0040】
もちろん、上述した三相の充電装置1は、多相システムに拡張することができる。
【0041】
さらに、スイッチング手段4がインバータ2に組み込まれている特別な場合において、充電装置1は、接地された三相電子回路網11から、バッテリBを充電する充電モードに加えて、交流三相モータ6に交流電流を電力として供給する電力供給モードでは、バッテリBから、交流三相モータ6の巻線をインダクタンス7として用いて動作させるように構成される。
【0042】
次に、電力供給モードから充電モードへの切り替えは、制御回路9によって処理される。
【0043】
電力供給モードでは、制御回路9は、交流三相モータ6の対応する相に交流電流が循環できるように、スイッチングアームA、B、Cを駆動する。交流三相モータ6の三相を循環する交流電流は、通常、協調して交流三相モータ6を回転させる。この実施形態では、反転ダイオードを有するパワートランジスタであるスイッチ12a、12bは、通常の正弦波PWM(パルス幅変調)命令により駆動することができる。
【0044】
充電モードでは、制御回路9は、上述したようにスイッチングアームA、B、Cを駆動する。
【0045】
第2実施形態:6つのスイッチングアームを有するインバータ
構成
図1および図4を参照すると、第2実施形態の充電装置1は、例えば、インバータ2に組み込まれる3つのH型ブリッジ3、3′、3″を構成する6つのスイッチングアームを有する。
【0046】
従って、スイッチング手段4は、6つのスイッチングアームA、B、C、D、E、Fを備えている。
【0047】
各スイッチングアームA、B、C、D、E、Fは、6つのスイッチングアームA、B、C、D、E、Fに分配される2個のスイッチ12a、12bを備えている。既に見たように、第1スイッチ12aは、図4におけるスイッチングアームA、B、C、D、E、Fの上部に配置され、第2スイッチ12bは、スイッチングアームA、B、C、D、E、Fの下部に配置されている。
【0048】
通常の三相ブリッジと比較すると、H型ブリッジの1つの利点は、同一の電圧として交流三相モータ6の各相に2倍の電圧が印加され、その結果、2倍の数のスイッチ12a、12bで構成しているとはいえ、使用されるシリコン表面は、通常の三相ブリッジの場合と同じH型ブリッジである。そのため、相電流は2分割されることによる。
【0049】
また、H型ブリッジを用いることにより、切り替え動作による損失を減少させることができる。
【0050】
この第2実施形態では、6つのスイッチングアームA、B、C、D、E、Fがあり、従って、12個のスイッチ12a、12bがある。6個のスイッチ12a、12bが閉塞されるとき、他の6個のスイッチ12a、12bは開かれる。閉塞される6個の12a、12bスイッチの中、1/3はスイッチングアームA、B、C、D、E、Fの上部の第1スイッチ12aである。
【0051】
従って、全ての閉塞される6個のスイッチ12a、12bの中、閉塞される一定数n=2の第1スイッチ12aがあり、閉塞される他の4個のスイッチ12a、12bは、スイッチングアームA、B、C、D、E、Fの下部の第2スイッチ12bである((4)式)。
n=2 (4)
【0052】
動作
また、図5を参照すると、バッテリBを充電する方法では、例えば、
−第1スイッチングアームAの第1スイッチ12aには、閉塞時間tfAの閉塞が指示され、
−第4スイッチングアームDの第1スイッチ12aには、閉塞時間tfDの閉塞が指示される。
【0053】
第1スイッチングアームAおよび第4スイッチングアームDの制御信号は、図に示すように、位相がシフトされるか、または、選択的に同相とすることができる。
【0054】
第1スイッチングアームAの第1スイッチ12aの閉塞時間tfAが経過し、この第1スイッチ12aが開かれたとき、第3スイッチングアームCの第1スイッチ12aには、閉塞時間tfCの閉塞が指示される。次いで、第3スイッチングアームCの第1スイッチ12aの閉塞時間tfCが経過し、この第1スイッチ12aが開かれたとき、第5スイッチングアームEの第1スイッチ12aには、閉塞時間tfEの閉塞が指示される。
【0055】
同様に、第4スイッチングアームDの第1スイッチ12aの閉塞時間tfDが経過し、この第1スイッチ12aが開かれたとき、第6スイッチングアームFの第1スイッチ12aには、閉塞時間tfFの閉塞が指示される。次いで、第6スイッチングアームFの第1スイッチ12aの閉塞時間tfFが経過し、この第1スイッチ12aが開かれたとき、第2スイッチングアームBの第1スイッチ12aには、閉塞時間tfBの閉塞が指示される。
【0056】
既に述べたように、この同期は、同時に閉塞される2個のスイッチ12を有することにより可能となる。従って、三相電子回路網11の中性点Nにおいて、一定の電圧が保証される。
【0057】
その結果、上述した充電装置1では、パルスのエッジの同期が不完全な場合であっても、誘導されたコモン‐モード電流を減少させるために、三相電子回路網11の中性点Nのレベルが一定の電圧に維持される。
【0058】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特に、電気自動車の蓄積手段が充電されているか否かにかかわらず、実施することができる。本発明は、コモン‐モード電流を減少させるため、スイッチングアームのスイッチを制御する場合に広く適用される。
【符号の説明】
【0059】
1 充電装置
2 インバータ
4 スイッチング手段
5 蓄積手段
6 交流三相モータ
7、101 インダクタンス
8 連結システム
9 制御回路
10 DC/DCコンバータ
11 三相電子回路網
12、102 スイッチ
12a 第1スイッチ
12b 第2スイッチ
103 コンデンサ
A〜F スイッチングアーム
B バッテリ
N 中性点
V 自動車

【特許請求の範囲】
【請求項1】
各スイッチングアームが第1スイッチ(12a)および第2スイッチ(12b)を備えるスイッチングアームのスイッチ制御方法において、
a)所定数の前記第1スイッチ(12a)を、対応する閉塞時間(tfA、tfB、tfC、tfD、tfE、tfF)だけ閉塞させる指示を行うステップと、
b)既に閉塞されている前記第1スイッチ(12a)のそれぞれを開かせるとき、他の第1スイッチ(12a)を、対応する閉塞時間(tfA、tfB、tfC、tfD、tfE、tfF)だけ閉塞させる指示を行うことにより、一定数の第1スイッチ(12a)を同時に閉塞させるステップ
とを備えることを特徴とするスイッチ制御方法。
【請求項2】
第1スイッチ(12a)および第2スイッチ(12b)を有する各スイッチングアーム(A、B、C、D、E、F)を備える電子充電装置を介して、蓄積手段(5)を充電する充電方法において、
少なくとも、請求項1記載のステップa)およびステップb)を備えることを特徴とする充電方法。
【請求項3】
前記第1スイッチ(12a)には、パルス幅変調PWM制御信号を送信することにより、閉塞が指示されることを特徴とする請求項1記載のスイッチ制御方法。
【請求項4】
前記制御信号は、同相であることを特徴とする請求項3記載のスイッチ制御方法。
【請求項5】
前記制御信号は、位相がシフトされることを特徴とする請求項3記載のスイッチ制御方法。
【請求項6】
前記充電装置は三相であり、前記充電装置の各位相の平均変調は1/3であることを特徴とする請求項2記載のスイッチ制御方法。
【請求項7】
同時に閉塞される前記第1スイッチ(12a)の数と、同時に閉塞される前記第1スイッチ(12a)および第2スイッチ(12b)の総数との比率は、1/3であることを特徴とする請求項6記載のスイッチ制御方法。
【請求項8】
蓄積手段(5)を充電する電子充電装置において、
第1スイッチ(12a)および第2スイッチ(12b)をそれぞれ有する複数のスイッチングアーム(A、B、C、D、E、F)と、
前記第1スイッチ(12a)および第2スイッチ(12b)を制御する制御装置(9)とを備え、
前記蓄積手段(5)を充電する間、前記制御装置(9)は、
所定数の前記第1スイッチ(12a)を、対応する閉塞時間だけ閉塞させる指示を行い、
既に閉塞されている第1スイッチ(12a)のそれぞれを開かせるとき、他の第1スイッチ(12a)を、対応する閉塞時間だけ閉塞させる指示を行うことにより、一定数の第1スイッチ(12a)を同時に閉塞させるように構成されていることを特徴とする電子充電装置。
【請求項9】
3つの前記スイッチングアーム(A、B、C)を備えることを特徴とする請求項8記載の電子充電装置。
【請求項10】
それぞれが2つの前記スイッチングアーム(A、B、C、D、E、F)により構成される3つのH型ブリッジ構造(3、3′、3″)を備えていることを特徴とする請求項8記載の電子充電装置。
【請求項11】
前記第1スイッチ(12a)および第2スイッチ(12b)の、それぞれが、トランジスタおよび反転ダイオードを備えていることを特徴とする請求項8記載の電子充電装置。
【請求項12】
前記スイッチングアーム(A、B、C、D、E、F)を有するインバータ(2)を備えていることを特徴とする請求項8記載の電子充電装置。
【請求項13】
前記インバータ(2)と蓄積装置(5)との間に配置されているDC/DCコンバータ(10)を備えることを特徴とする請求項12記載の電子充電装置。
【請求項14】
三相交流モータ(6)を備えていることを特徴とする請求項8記載の電子充電装置。
【請求項15】
前記制御装置(9)は、前記三相交流モータ(6)を駆動する電力供給モードから、前記蓄積手段(5)を充電する充電モードへの切り替え、および、その反対方向の切り替えのために、前記第1スイッチ(12a)および第2スイッチ(12b)を制御するように構成されていることを特徴とする請求項14記載の電子充電装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−39854(P2012−39854A)
【公開日】平成24年2月23日(2012.2.23)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2011−140235(P2011−140235)
【出願日】平成23年6月24日(2011.6.24)
【出願人】(508021716)ヴァレオ システム ドゥ コントロール モトゥール (27)
【Fターム(参考)】