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JP2012039854A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

【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。
【選択図】図３

Description

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 充電装置の第１実施形態の一部の概略回路図である。 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。 充電装置の第２実施形態の概略回路図である。 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ｍa（ｔ）＝ｋ＋ｍ・cos(wt)
ｍb（ｔ）＝ｋ＋ｍ・cos(wt−２π／３)
ｍc（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）
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）。
Σｍx＝３・ｋ＜１⇒ｋ＝１／３ （２）
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。
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。
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）
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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

Claims (15)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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