DE112009002554T5

DE112009002554T5 - Mehrphasenwandler zum Einbau in ein Fahrzeug und Auslegungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE112009002554T5
Application number: DE112009002554T
Authority: DE
Inventors: Hiroo Fuma; Yuji Nishibe; Kota Manabe; Nobuyuki Kitamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2013-02-07
Also published as: US8610414B2; CN102197577A; WO2010047413A2; DE112009002554T8; JP5049245B2; CN102197577B; JP2010104074A; US20110193408A1; WO2010047413A3

Abstract

Ziel ist die Verkleinerung von Boost-Spulen, die in einem Wandler zum Einbau in ein Fahrzeug verwendet werden. In dem Auslegungsverfahren für einen Mehrphasenwandler zum Einbau in einem Fahrzeug, der mehrere Boost-Spulen und einen Schaltkreis zum Erzeugen einer induzierten elektromotorischen Kraft an den einzelnen Boost-Spulen durch Schalten von Strom, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, aufweist, um auf Basis einer Eingangsspannung und der induzierten elektromotorischen Kraft, die an den einzelnen Boost-Spulen erzeugt wird, eine Ausgangsspannung an eine Fahrzeug-Antriebsschaltung anzulegen, wird ein Kopplungsfaktor, der das Maß anzeigt, in dem die induzierte elektromotorische Kraft, die an den einzelnen Boost-Spulen erzeugt wird, zur Spannung zwischen Anschlüssen einer anderen Boost-Spule beiträgt, auf Basis einer Beziehung zwischen dem Kopplungsfaktor und einem Wechselanteil eines Stroms in den einzelnen Boost-Spulen bestimmt.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrphasenwandler zum Einbau in ein Fahrzeug, der eine Vielzahl von Verstärker- bzw. Boost-Spulen aufweist, die magnetisch miteinander verkoppelt sind, um eine Spannung gemäß einer an den einzelnen Spulen induzierten elektrischen Kraft auszugeben, und ein Verfahren zu dessen Auslegung
TECHNISCHER HINTERGRUND
Hybridautos und Elektroautos, die mit der Antriebskraft eines Elektromotors angetrieben werden, sind weit verbreitet. Diese mit einem Elektromotor angetriebenen Fahrzeuge weisen einen Verstärkungs- bzw. Aufwärtswandler auf, um eine Batteriespannung zu verstärken und um die verstärkte Spannung an eine Elektromotor-Antriebsschaltung auszugeben.
Der Aufwärtswandler weist eine Boost-Spule und einen Schaltkreis auf, um Strom, der zur Boost-Spule fließt, zu schalten. Durch Schalten des Stroms erzeugt die Boost-Spule eine induzierte elektromotorische Kraft. Der Aufwärtswandler gibt an die Motorantriebsschaltung eine verstärkte Spannung aus, für die eine induzierte elektromotorische Spannung zu einer Eingangsspannung addiert wurde. Infolgedessen kann der Aufwärtswandler eine Spannung an die Motorantriebsschaltung ausgeben, die höher ist als die Batteriespannung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Eine Boost-Spule eines Aufwärtswandlers ist häufig im Motorraum eines Fahrzeugs angeordnet. Wenn das Volumen der Boost-Spule groß ist, muss notwendigerweise das Volumen des Motorraums vergrößert werden, was zwangsläufig dazu führt, dass der Raum für die Insassen kleiner wird.
Die vorliegende Erfindung soll dieses Problem lösen. Das heißt, ihr Ziel ist die Verkleinerung der Boost-Spule, die in einem Verstärkerwandler zum Einbau in ein Fahrzeug verwendet wird.
Lösung des Problems
Die vorliegende Erfindung ist ein Auslegungsverfahren für einen Mehrphasenwandler zum Einbau in ein Fahrzeug, der eine Vielzahl von Boost-Spulen und einen Schaltkreis aufweist zum Erzeugen einer induzierten elektromotorischen Kraft an den einzelnen Boost-Spulen durch Schalten eines Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, um auf Basis einer Eingangsspannung und der induzierten elektromotorischen Kraft, die an den einzelnen Boost-Spulen erzeugt wird, eine Ausgangsspannung an eine Fahrzeug-Antriebsschaltung anzulegen, und beinhaltet einen Auslegungsprozess zur Bestimmung eines Kopplungsfaktors, der anzeigt, in welchem Maß die induzierte elektromotorische Kraft, die an einer aus einer Vielzahl von Boost-Spulen erzeugt wird, zur Spannung zwischen Anschlüssen einer anderen Boost-Spule beiträgt, auf Basis einer Beziehung zwischen dem Kopplungsfaktor und einem Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen.
Ferner beinhaltet in dem Auslegungsverfahren der vorliegenden Erfindung der Auslegungsprozess einen Prozess zur Bestimmung des Kopplungsfaktors auf Basis einer Änderung eines Wechselanteils des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen, wenn sich das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung ändert.
In einem Mehrphasenwandler der vorliegenden Erfindung, der zum Einbau in ein Fahrzeug bestimmt ist und der eine Vielzahl von Boost-Spulen und einen Schaltkreis aufweist zum Erzeugen einer induzierten elektromotorischen Kraft an den einzelnen Boost-Spulen durch Schalten eines Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, um auf Basis einer Eingangsspannung und der induzierten elektromotorischen Kraft, die an den einzelnen Boost-Spulen erzeugt wird, eine Ausgangsspannung an eine Fahrzeug-Antriebsschaltung anzulegen, schaltet ferner der Schaltkreis den Strom, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, so, dass das Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung gemäß einer Fahrsteuerung des Fahrzeugs in einem vorgegebenen Variationsbereich variiert, und ein Kopplungsfaktor, der anzeigt, in welchem Maß die induzierte elektromotorische Kraft an einer aus der Vielzahl von Boost-Spulen zur Spannung zwischen Anschlüssen einer anderen Boost-Spule beiträgt, wird so bestimmt, dass der Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen kleiner ist als der Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen in einem Fall, wo der Kopplungsfaktor 0 ist, wenn das Verhältnis höchstens der Mitte des Variationsbereichs entspricht.
In einem Mehrphasenwandler der vorliegenden Erfindung, der zum Einbau in ein Fahrzeug bestimmt ist und der eine Vielzahl von Boost-Spulen und einen Schaltkreis aufweist zum Erzeugen einer induzierten elektromotorischen Kraft an den einzelnen Boost-Spulen durch Schalten eines Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, um auf Basis einer Eingangsspannung und der induzierten elektromotorischen Kraft, die an den einzelnen Boost-Spulen erzeugt wird, eine Ausgangsspannung an eine Fahrzeug-Antriebsschaltung anzulegen, liegt ferner ein Kopplungsfaktor, der den Beitrag der induzierten elektromotorischen Kraft an einer aus der Vielzahl von Boost-Spulen zur Spannung zwischen Anschlüssen einer anderen Boost-Spule anzeigt, bei einem Wert von 0,1 oder größer und 0,4 oder kleiner.
In dem Mehrphasenwandler der vorliegenden Erfindung, der zum Einbau in ein Fahrzeug bestimmt ist, ist es ferner bevorzugt, dass der Schaltkreis den Strom, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, so schaltet, dass das Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung gemäß einer Fahrsteuerung des Fahrzeugs variiert.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Boost-Spulen, die in dem Aufwärtswandler zum Einbau in ein Fahrzeug verwendet werden, verkleinert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt ein Blockschema eines Zweiphasenwandlers.
2 zeigt eine Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung und einem Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen für den Zweiphasenwandler.
3 zeigt ein Blockschema eines Dreiphasenwandlers.
4A und 4B zeigen eine Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung und einem Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen für den Dreiphasenwandler.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein Blockschema eines Zweiphasenwandlers einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Zweiphasenwandler weist zwei Boost-Spulen auf, die magnetisch miteinander verkoppelt sind, und steuert zu verschiedenen Zeiten das Schalten des Stroms, der zu den Boost-Spulen fließt. Von den Ausgangsanschlüssen werden Spannungen, die der elektromotorischen Kraft der einzelnen Boost-Spulen entsprechen, ausgegeben.
Nun wird der Aufbau des Zweiphasenwandlers beschrieben. Ein Ende eines oberen Schalters 16-1 ist mit einem Ende eines unteren Schalters 18-1 verbunden. Das andere Ende des unteren Schalters 18-1 ist mit einem negativen Anschluss einer Batterie 10 verbunden, und ein Kondensator 20 ist zwischen dem anderen Ende des oberen Schalters 16-1 und dem anderen Ende des unteren Schalters 18-1 angeschlossen. Ein Ende einer ersten Boost-Spule 12 ist mit einem positiven Anschluss der Batterie 10 verbunden, und das andere Ende ist mit einer Verbindung zwischen dem oberen Schalter 16-1 und dem unteren Schalter 18-1 verbunden.
Ebenso ist ein Ende eines oberen Schalters 16-2 mit einem Ende eines unteren Schalters 18-2 verbunden. Das andere Ende des unteren Schalters 18-2 ist mit dem negativen Anschluss der Batterie 10 verbunden, und der Kondensator 20 ist zwischen dem anderen Ende des oberen Schalters 16-2 und dem anderen Ende des unteren Schalters 18-2 angeschlossen. Ein Ende der zweiten Boost-Spule 14 ist mit dem positiven Anschluss der Batterie 10 verbunden, und das andere Ende ist mit einer Verbindung zwischen dem oberen Schalter 16-2 und dem unteren Schalter 18-2 verbunden.
Ein Ende des Kondensators 20 ist mit einem Ausgangsanschluss 22 verbunden, und das andere Ende ist mit einem Ausgangsanschluss 24 verbunden. Mit den Ausgangsanschlüssen 22 und 24 sind eine Fahrzeug-Antriebsschaltung 26 verbunden, die einen Motor-Generator ansteuert, der das Fahrzeug antreibt.
Wenn Strom aus der Batterie 10 zu den Boost-Spulen fließt, oder wenn Strom von den Boost-Spulen zur Batterie 10 fließt, werden die erste Boost-Spule 12 und die zweite Boost-Spule 14 negativ magnetisch verkoppelt, so dass ein magnetischer Fluss, der auf einer Seite erzeugt wird, den magnetischen Fluss auf der anderen Seite verringert. Die erste Boost-Spule 12 und die zweite Boost-Spule 14 werden jeweils durch seriell geschaltete Induktivitäten eines gekoppelten Abschnitts aL und eines unabhängigen Abschnitts (1 – a) dargestellt. Hierbei ist a ein Kopplungsfaktor mit einem Wert von mindestens 0 und höchstens 1. Der Kopplungsfaktor a zeigt den Beitrag der induzierten elektromotorischen Kraft der ersten Boost-Spule 12 zur Spannung zwischen Anschlüssen der zweiten Verstärkerspule 14 und den Beitrag der induzierten elektromotorischen Kraft der zweiten Boost-Spule 14 zur Spannung zwischen Anschlüssen der ersten Boost-Spule 12 an. Das heißt, der unabhängige Abschnitt (1 – a)L stellt die Selbstinduktivität der einzelnen Boost-Spulen dar, und der gekoppelte Abschnitt aL stellt die gegenseitige Induktivität der ersten Boost-Spule 12 und der zweiten Boost-Spule 14 dar. Die Punkte in der Nähe der gekoppelten Abschnitte aL in 1 bedeuten, dass, wenn an einem gekoppelten Abschnitt aL eine induzierte elektromotorische Kraft für den als positiv betrachteten Anschluss auf der mit einem Punkt gekennzeichneten Seite erzeugt wird, am anderen als positiv betrachteten gekoppelten Abschnitt aL eine induzierte elektromotorische Kraft für den Anschluss auf der mit einem Punkt bezeichneten Seite erzeugt wird.
Die Schaltung von 1 ist als Ersatzschaltung dargestellt, und die erste Boost-Spule 12 und die zweite Boost-Spule 14 können in der Realität so ausgelegt sein, dass sie an einer Aufzweigung an einem beliebigen Teil der Wicklung magnetisch verkoppelt sind.
Nun wird eine Funktionsweise des Zweiphasenwandlers beschrieben. Eine Steuereinheit 28 führt eine EIN/AUS-Steuerung der einzelnen Schalter durch. Durch Einschalten des unteren Schalters 18-1 fließt Strom von der positiven Elektrode der Batterie 10 zur ersten Boost-Spule 12. Dann wird durch Ausschalten des unteren Schalters 18-1 eine induzierte elektromotorische Kraft aufgrund einer Stromänderung in der ersten Boost-Spule 12 erzeugt. Dann wird durch Einschalten des oberen Schalters 16-1 eine Spannung, bei der es sich um die elektromotorische Kraft der ersten Boost-Spule plus die Batteriespannung Vb handelt, an den Kondensator 20 angelegt.
Durch Einschalten des unteren Schalters 18-2 fließt Strom von der positiven Elektrode der Batterie 10 zur zweiten Verstärkerspule 14. Durch Ausschalten des unteren Schalters 18-2 wird dann eine elektromotorische Kraft aufgrund einer Stromänderung in der zweiten Boost-Spule 14 erzeugt. Durch Einschalten des oberen Schalters 16-2 wird anschließend eine Spannung, bei der es sich um die elektromotorische Kraft der zweiten Boost-Spule 14 plus die Batteriespannung Vb handelt, an den Kondensator 20 angelegt.
Die an der ersten Boost-Spule 12 erzeugte elektromotorische Kraft induziert gemäß dem Kopplungsfaktor a eine Spannung an der zweiten Boost-Spule 14, und die elektromotorische Kraft, die an der zweiten Boost-Spule 14 erzeugt wird, induziert gemäß dem Kopplungsfaktor a eine Spannung an der ersten Boost-Spule 12.
Durch eine derartige Steuerung der Schalter wird der Kondensator 20 mit einer Spannung Vh aufgeladen, die höher ist als die Batteriespannung Vb, und die Spannung Vh, die höher ist als die Batteriespannung Vb, kann von den Ausgangsanschlüssen 22 und 24 ausgegeben werden.
Nun wird ein Steuerungsablauf in größerer Einzelheit beschrieben. Der Zweiphasenwandler dieser Ausführungsform weist die folgenden drei Steuerzustände auf.

(1) Einen Zustand, wo der obere Schalter 16-1 und der untere Schalter 18-2 auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.
(2) Einen Zustand, wo der untere Schalter 18-1 und der obere Schalter 16-2 auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.
(3) Einen Zustand, wo die unteren Schalter 18-1 und 18-2 auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.

Im Folgenden werden die Zustände (1) bis (3) als Oben-1-EIN-Zustand, Oben-2-EIN-Zustand bzw. Beide-Unten-EIN-Zustand bezeichnet. Natürlich kann im Allgemeinen ein Beide-Oben-EIN-Zustand eingenommen werden, wo die beiden oberen Schalter auf EIN stehen.
Die Steuereinheit 28 steuert die Schalter so, dass der Beide-Unten-EIN-Zustand auf den Oben-1-EIN- und den Oben-2-EIN-Zustand folgt, wie Oben-1-Ein, Beide-Unten-EIN, Oben-2-EIN, Beide-Unten-EIN, Oben-1-Ein, Beide-Unten-EIN, Oben-2-Ein, Beide-Unten-EIN usw. Ferner steuert die Steuereinheit 28 die Schalter so, dass die Zeit für den Oben-1-EIN-Zustand und die Zeit für den Oben-2-EIN-Zustand jeweils gleich sind.
Ein Boost-Verhältnis, das als das Verhältnis der Ausgangsspannung Vh zur Batteriespannung Vb definiert ist, kann durch Ändern der Zeit T1 für den Oben-1-EIN-Zustand oder den Oben-2-EIN-Zustand und der Zeit T2 für den Beide-Unten-EIN-Zustand angepasst werden. Wenn der Steuerzeitraum auf Tc = T1 + T2 festgelegt ist, besteht zwischen den Zeiten T1 und T2 und dem Boost-Verhältnis α eine Beziehung α = 2(1 + T2/T1).
Die Steuereinheit 28 passt das Boost-Verhältnis und die Ausgangsspannung Vh durch Halten des Steuerzeitraums auf Tc = T1 + T2 und Ändern des Verhältnisses der Zeit T2 zur Zeit T1 an.
Gemäß diesem Aufbau kann die Steuereinheit 28 die Ausgangsspannung des Zweiphasenwandlers des Fahrzeugs und die Spannung, die zur Fahrzeug-Antriebsschaltung 26 geliefert wird, gemäß einer Fahrsteuerung anpassen. Auf Basis der Spannung, die vom Zweiphasenwandler ausgegeben wird, bewirkt die Fahrzeug-Antriebsschaltung, dass der Motor-Generator ein Beschleunigungsmoment erzeugt, so dass das Fahrzeug beschleunigt wird, oder sie bewirkt, dass der Motor-Generator ein Bremsmoment erzeugt, so dass das Fahrzeug abgebremst wird.
Nun wird ein Auslegungsverfahren für die Boost-Spulen des Zweiphasenwandlers beschrieben. Der Aufbau der ersten Boost-Spule 12 und der zweiten Boost-Spule 14 wird auf Basis der magnetischen Sättigungsleistung bestimmt. Hierbei bezeichnet magnetische Sättigungsleistung die Leistung, welche das Problem anzeigt, dass es zu einer magnetischen Sättigung gekommen ist. Ferner bezeichnet magnetische Sättigung einen Zustand, in dem die Induktivität der Boost-Spule in Bezug auf den Strom nicht linear ist. Wenn der Strom, der zur Boost-Spule fließt, eine bestimmte Sättigungsschwelle erreicht, kommt es zu einer magnetischen Sättigung, und die Boost-Leistung des Zweiphasenwandlers nimmt ab.
Im Allgemeinen besteht eine Beziehung zwischen Spulenvolumen und Sättigungsschwelle, wonach die Sättigungsschwelle umso höher ist, je größer das Spulenvolumen ist. Falls es möglich ist, die Sättigungsschwelle zu senken, kann daher das Volumen der Boost-Spule verkleinert werden. Um die Sättigungsschwelle zu senken, muss jedoch der Strom, der zur Boost-Spule fließt, verringert werden, ohne die Boost-Leistung zu beeinträchtigen.
Hierbei beinhaltet der Strom, der zur Boost-Spule fließt, einen Gleichanteil und einen Wechselanteil. Von diesen beiden trägt der Wechselanteil zur Erzeugung einer induzierten elektromotorischen Kraft in der Boost-Spule bei, das heißt, zur Verstärkungsfunktion im Zweiphasenwandler. Falls der Gleichanteil des Stroms in der Boost-Spule verkleinert wird, kann daher der Strom, der zur Boost-Spule fließt, verringert werden, ohne die Boost-Leistung im Zweiphasenwandler zu beeinträchtigen.
Somit wird im Zweiphasenwandler dieser Ausführungsform der Gleichanteil des Stroms, der zu den Boost-Spulen fließt, durch eine negative magnetische Kopplung der ersten Boost-Spule 12 und der zweiten Boost-Spule 14 verringert. Durch Verkleinern des Gleichanteils des Stroms, der zur Boost-Spule fließt, kann der Betrag des Stroms, der zur Boost-Spule fließt, verkleinert werden, ohne die Boost-Leistung zu beeinträchtigen. Somit kann die Sättigungsschwelle gesenkt werden, und das Volumen der Boost-Spule kann verkleinert werden.
Im Zweiphasenwandler dieser Ausführungsform wurde bestätigt, dass, wenn der Kopplungsfaktor a ist, das Volumen der Boost-Spule im Vergleich zu einem Kopplungsfaktor 0 das etwa (1 – a)-fache sein kann. Das heißt, mit a = 0,1 kann das Volumen der Boost-Spule gegenüber a = 0,0 um etwa 10% verkleinert werden.
Der Aufbau der ersten Boost-Spule 12 und der zweiten Boost-Spule 14 wird ferner auf Basis der Wärmeableitungseigenschaften bestimmt. Die Boost-Spule ist so ausgelegt, dass eine vorgegebene Temperatur nicht überschritten wird, um die Leistungsfähigkeit der anderen im Fahrzeug verbauten Teile zu gewährleisten. In dieser Ausführungsform wird die Wärmeableitungsauslegung gemäß der Wärmemenge durchgeführt, die von der Boost-Spule erzeugt wird, so dass die Temperatur der Boost-Spule eine vorgegebene Temperatur nicht überschreitet. Das heißt, je größer die Wärmemenge ist, die von der Boost-Spule erzeugt wird, desto mehr nimmt das Volumen der Boost-Spule zu und desto größer wird die erzeugte Wärmemenge. Daher kann das Volumen der Boost-Spule umso kleiner sein, je kleiner die von der Boost-Spule erzeugte Wärmemenge ist.
Die Boost-Spule erzeugt Wärme aufgrund des Wechselanteils des Stroms. Durch Verkleinern des Wechselanteils ohne Beeinträchtigen der Boost-Leistung kann somit die Wärmemenge, die von der Boost-Spule erzeugt wird, verkleinert werden, und das Volumen der Boost-Spule kann verkleinert werden.
Der Betrag des Wechselanteils hängt vom Kopplungsfaktor a, vom Boost-Verhältnis α usw. ab. Demgemäß werden Bedingungen für die Verkleinerung des Wechselanteils nachfolgend beschrieben.
Zunächst wird die Zweite Kirchhoffsche Regel für den Fall angewendet, dass der Steuerzustand des Zweiphasenwandlers der Beide-Unten-EIN-Zustand ist. Das heißt, eine Closed-Circuit-Gleichung wird für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die erste Boost-Spule 12 und den unteren Schalter 18-1 und für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die zweite Boost-Spule 14 und den unteren Schalter 18-2 aufgestellt. Ein Auflösen der Closed-Circuit-Gleichung ergibt die Zeitdifferenz eines Stroms I1 der ersten Boost-Spule 12 und die Zeitdifferenz eines Stroms I2 der zweiten Boost-Spule 14 wie im folgenden Ausdruck. Ausdruck 1
Vb ist die Batteriespannung und t ist die Zeitvariable. Ferner sind die Induktivität der ersten Boost-Spule 12 und die Induktivität der zweiten Boost-Spule 14 gleich dem Wert L.
Nun wird die Zweite Kirchhoffsche Regel für den Fall angewendet, dass der Steuerzustand des Zweiphasenwandlers der Oben-1-EIN-Zustand ist. Das heißt, eine Closed-Circuit-Gleichung wird für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die erste Boost-Spule 12, den oberen Schalter 16-1 und den Kondensator 20 und für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die zweite Boost-Spule 14 und den unteren Schalter 18-2 aufgestellt. Eine Auflösung der Closed-Circuit-Gleichung ergibt die Zeitdifferenz des Stroms I2 der zweiten Boost-Spule 14 wie in den folgenden Ausdrücken. Ausdruck 2
Ausdruck 3
Hierbei ist Vh die Ausgangsspannung.
Ferner wird die Zweite Kirchhoffsche Regel für den Fall angewendet, dass der Steuerzustand des Zweiphasenwandlers der Oben-2-EIN-Zustand ist. Das heißt, eine Closed-Circuit-Gleichung wird für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die erste Boost-Spule 12 und den unteren Schalter 18-1 und für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über den oberen Schalter 16-2 und den Kondensator 20 aufgestellt. Eine Auflösung der Closed-Circuit-Gleichung ergibt die Zeitdifferenz des Stroms I1 der ersten Boost-Spule 12 und die Zeitdifferenz der zweiten Boost-Spule 14 wie in den folgenden Ausdrücken. Ausdruck 4
Ausdruck 5
2 zeigt die Ergebnisse der Ermittlung des Wechselanteils des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, wenn bei einer Batteriespannung Vb = 200 V die Ausgangsspannung Vh im Bereich von 450 V bis 750 V variiert, in vier Fällen mit Kopplungsfaktoren a = 0,0, a = 0,25, a = 0,5 und a = 0,75. Der Wechselanteil des Stroms, der zur ersten Boost-Spule 12 fließt, und der Wechselanteil des Stroms, der zur zweiten Boost-Spule 14 fließt, sind gleich, und der Wechselanteil von 2 ist sowohl der ersten Boost-Spule 12 als auch der zweiten Boost-Spule 14 zu eigen. Die Induktivität der ersten Boost-Spule 12 und der zweiten Boost-Spule 14 ist L = 500 μH, und der Steuerzeitraum ist Tc = T1 + T2 = 1 μs.
Wie oben gezeigt, ergibt außerdem die Beziehung α = Vh/Vb = 2(1 + T2/T1) für das Boost-Verhältnis α diese Beziehungen:
Ausdruck 6

T₁ = 2Tc Vb / Vh

Der Wechselanteil von 2 wird mit der Zeitänderung dt als T1 oder T2 erhalten. Das heißt, der Peak-zu-Peak-Wert der Stromwellenform wird als Wechselanteil erhalten, wo der Wert sich zwischen einer Zeit 0 und einer Zeit T1 um einen Wert auf der rechten Seite des Ausdrucks 2, multipliziert mit T1, erhalten aus dem Ausdruck 6, zwischen einer Zeit T1 und einer Zeit T1 + T2 um einen Wert auf der rechten Seite des Ausdrucks 1, multipliziert mit T2, erhalten aus dem Ausdruck 7, zwischen einer Zeit T1 + T2 und einer Zeit T1 + T2 + T1 um einen Wert auf der rechten Seite des Ausdrucks 4, multipliziert mit T1, erhalten aus dem Ausdruck 6, und ferner zwischen einer Zeit T1 + T2 + T3 und einer Zeit T1 + T2 + T1 + T2 um einen Wert auf der rechten Seite des Ausdrucks 1, der mit T2, erhalten aus dem Ausdruck 7, multipliziert ist, ändert.
Wie in 2 dargestellt, ist der Wechselanteil bei einem Kopplungsfaktor = 0,25 kleiner als bei einem Kopplungsfaktor a = 0,0. Wenn der Kopplungsfaktor a größer wird, nimmt die Steigung in Bezug auf die Ausgangsspannung Vh des Wechselanteils zu, und die Kennlinie für den Kopplungsfaktor a = 0,5 schneidet die Kennlinie (Bezugskennlinie) für den Kopplungsfaktor a = 0,0 in der Nähe einer Ausgangsspannung Vh = 600 V. Das heißt, auf der Niederspannungsseite von dem Punkt aus gesehen, wo sich die Kennlinien schneiden, wird der Wechselanteil für den Fall eines Kopplungsfaktors a = 0,5 kleiner als der Wechselanteil der Bezugskennlinie, und auf der Hochspannungsseite von dem Punkt aus gesehen, wo die Kennlinien sich schneiden, wird der Wechselanteil für den Fall eines Kopplungsfaktors a = 0,5 größer als der Wechselanteil der Bezugskennlinie. Ferner liegt der Schnittpunkt mit der Bezugskennlinie umso mehr auf der Niederspannungsseite, je größer der Kopplungsfaktor a ist. Im Falle eines Kopplungsfaktors a = 0,75 in dem Bereich, der eine Ausgangsspannung Vh = 460 V überschreitet, wird der Wechselanteil für den Fall eines Kopplungsfaktors a = 0,75 größer als der Wechselanteil der Bezugskennlinie. In einem Fahrzeug mit Elektromotorantrieb, wie einem Hybridfahrzeug, liegt die Ausgangsspannung Vh häufig im Bereich zwischen 450 V bis 750 V. Daher ist es bevorzugt, den Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, zu verringern, und unter dem Gesichtspunkt einer Verkleinerung des Volumens der Boost-Spulen ist es bevorzugt, dass der Kopplungsfaktor bei 0,4 oder darunter liegt.
Wie oben beschrieben, ist es unter dem Gesichtspunkt der Volumenverkleinerung der Boost-Spulen bei gleichzeitiger Vermeidung einer magnetischen Sättigung ferner bevorzugt, dass der Kopplungsfaktor bei 0,1 oder darüber liegt. Somit ist es bevorzugt, dass der Kopplungsfaktor a der Boost-Spule, die in dem Zweiphasenwandler für Fahrzeuge verwendet wird, bei mindestens 0,1 und höchstens 0,4 liegt.
Allgemeiner gesprochen ist es bevorzugt, bei einem Boost-Verhältnis, das höchstens in der Mitte des Variationsbereichs liegt, den Kopplungsfaktor so zu bestimmen, dass der Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, kleiner ist als der Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, wenn der Kopplungsfaktor auf 0 eingestellt ist. Das heißt, in 2, wo der Variationsbereich der Ausgangsspannung auf Vh = 450 V bis 750 V eingestellt ist, ist es bevorzugt, den Kopplungsfaktor so zu bestimmen, dass die Kennlinie des Wechselanteils die Bezugskennlinie in dem Bereich schneidet, wo die Ausgangsspannung 600 V überschreitet.
Nun wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 3 zeigt ein Blockschema eines Dreiphasenwandlers der zweiten Ausführungsform. Der Dreiphasenwandler weist drei Boost-Spulen auf, die magnetisch miteinander verkoppelt sind, und steuert das Schalten des Stroms, der zu den Boost-Spulen fließt, zu unterschiedlichen Zeiten. Teile, die denen des in 1 dargestellten Zweiphasenwandlers gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und auf ihre Beschreibung wird verzichtet.
Der Dreiphasenwandler fügt dem Zweiphasenwandler ferner eine dritte Boost-Spule 30, einen oberen Schalter 16-3 und einen unteren Schalter 18-3 hinzu. Ein Ende des oberen Schalters 16-3 ist mit einem Ende des unteren Schalters 18-3 verbunden. Das andere Ende des unteren Schalters 18-3 ist mit dem negativen Anschluss der Batterie 10 verbunden, und das anderen Ende des oberen Schalters 16-3 und das andere Ende des unteren Schalters 18-3 sind mit beiden Enden des Kondensators 20 verbunden. Ferner ist ein Ende der dritten Boost-Spule 30 mit dem positiven Anschluss der Batterie 10 verbunden, und das andere Ende ist mit der Verbindung zwischen dem oberen Schalter 16-3 und dem unteren Schalter 18-3 verbunden.
Die erste Boost-Spule 12, die zweite Boost-Spule 14 und die dritte Boost-Spule 30 sind magnetisch miteinander verkoppelt, so dass ein magnetischer Fluss, der an einer Boost-Spule erzeugt wird, den magnetischen Fluss an den anderen beiden Boost-Spulen verringert, wenn Strom von der Batterie 10 zu den Boost-Spulen fließt, oder wenn Strom von den Boost-Spulen zur Batterie 10 fließt. Die erste Boost-Spule 12, die zweite Boost-Spule 14 und die dritte Boost-Spule 30 sind jeweils als seriell angeschlossene Induktivitäten aus zwei gekoppelten Abschnitten aL und einem unabhängigen Abschnitt (1 – a) dargestellt. Hierbei ist a ein Kopplungsfaktor mit einem Wert von mindestens 0 und höchstens 0,5. Der Kopplungsfaktor a zeigt den jeweiligen Beitrag der induzierten elektromotorischen Kraft einer Boost-Spule zu den induzierten elektromotorischen Kräften der anderen beiden Boost-Spulen. Das heißt, der unabhängige Abschnitt (1 – a)L stellt die Selbstinduktivität jeder einzelnen Boost-Spule dar, und der gekoppelte Abschnitt aL stellt die gegenseitige Induktivität zwischen den drei Boost-Spulen dar. Die Schaltung von 3 ist als Ersatzschaltung dargestellt, und die erste Boost-Spule 12, die zweite Boost-Spule 14 und die dritte Boost-Spule 30 können in der Realität so gestaltet sein, dass sie an einer Aufzweigung an irgendeinem Teil der Wicklung gekoppelt sind.
Der Dreiphasenwandler dieser Ausführungsform weist die folgenden vier Steuerzustände auf.

(1) Einen Zustand, in dem der obere Schalter 16-1 und die unteren Schalter 18-2 und 18-3 auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.
(2) Einen Zustand, in dem der obere Schalter 16-2 und die unteren Schalter 18-1 und 18-3 auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.
(3) Einen Zustand, in dem der obere Schalter 16-3 und die unteren Schalter 18-1 und 18-2 auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.
(4) Einen Zustand, in dem die unteren Schalter 18-1 bis 18-3 auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.

Im Folgenden werden die Zustände (1) bis (4) als Oben-1-EIN-Zustand, Oben-2-EIN-Zutand, Oben-3-EIN-Zustand bzw. Alle-Unten-EIN-Zustand bezeichnet. Natürlich kann im Allgemeinen ein Alle-Oben-EIN-Zustand eingenommen werden, wo die drei oberen Schalter auf EIN stehen und die anderen Schalter auf AUS stehen.
Die Steuereinheit 28 steuert die Schalter so, dass der Alle-Unten-EIN-Zustand nach den Oben-1-EIN-, Oben-2-EIN- und Oben-3-EIN-Zuständen eingenommen wird, wie beispielsweise Oben-1-EIN, Alle-Unten-EIN, Oben-2-EIN, Alle-Unten-EIN, Oben-3-EIN, Alle-Unten-EIN, Oben-1-EIN, Alle-Unten-EIN, Oben-2-EIN, Alle-Unten-EIN usw. Ferner steuert die Steuereinheit 28 die Schalter so, dass die Zeiten des Oben-1-EIN-Zustands, des Oben-2-EIN-Zustands und des Oben-3-EIN-Zustands gleich sind.
Der Dreiphasenwandler kann das Boost-Verhältnis, das als das Verhältnis der Ausgangsspannung Vh zur Batteriespannung Vb definiert ist, durch Variieren der Zeit T1, die der Oben-1-EIN-Zustand, der Oben-2-EIN-Zustand oder der Oben-3-EIN-Zustand dauert, und der Zeit T2, die der Alle-Unten-EIN-Zustand dauert, anpassen. Wenn der Steuerzeitraum auf Tc = T1 + T2 festgelegt ist, besteht eine Beziehung α = 3(1 + T2/T1) zwischen den Zeiten T1 und T2 und dem Boost-Verhältnis α.
Durch Festlegen des Steuerzeitraums auf Tc = T1 + T2 und Ändern des Verhältnisses zwischen der Zeit T2 und der Zeit T1 passt die Steuereinheit 28 das Boost-Verhältnis und die Ausgangsspannung Vh an.
Gemäß dieser Gestaltung kann die Steuereinheit 28 die Ausgangsspannung Vh des Dreiphasenwandlers und die Spannung, die zur Fahrzeug-Antriebsschaltung 26 geliefert wird, gemäß einer Fahrsteuerung des Fahrzeugs anpassen.
Nun wird die Auslegung der Boost-Spulen beschrieben. Die erste Boost-Spule 12, die zweite Boost-Spule 14 und die dritte Boost-Spule 30 sind untereinander negativ magnetisch verkoppelt, so dass ihre Auslegung im Hinblick auf die Volumenverkleinerung der Boost-Spule derjenigen des Zweiphasenwandlers ähnelt.
Die Auslegung zur Verringerung des Volumens der Boost-Spule wird nun anhand einer Verkleinerung des Wechselanteils des Stroms, der zu den Boost-Spulen fließt, und einer Verkleinerung der Wärmemenge, die von den Boost-Spulen erzeugt wird, beschrieben.
Zunächst wird die Zweite Kirchhoffsche Regel für den Fall angewendet, dass der Steuerzustand des Dreiphasenwandlers der Alle-Unten-EIN-Zustand ist. Das heißt, eine Closed-Circuit-Gleichung wird für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die erste Boost-Spule 12 und den unteren Schalter 18-1, eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die zweite Boost-Spule 14 und den unteren Schalter 18-2 und eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die dritte Boost-Spule 30 und den unteren Schalter 18-3 aufgestellt. Ein Auflösen der Closed-Circuit-Gleichung ergibt dann die Zeitdifferenz des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, ähnlich wie im Ausdruck 1.
Ferner wird die Zweite Kirchhoffsche Regel für jeden der Zustände Oben-1-EIN, Oben-2-Ein und Oben-3-EIN angewendet. Das heißt, für eine von den drei Boost-Spulen, die einen angeschlossenen oberen Schalter aufweisen, der auf EIN steht, wird eine Closed-Circuit-Gleichung für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die Boost-Spule, den oberen Schalter und den Kondensator aufgestellt, und für eine von den drei Boost-Spulen, die einen angeschlossenen unteren Schalter aufweisen, der auf EIN steht, wird eine Closed-Circuit-Gleichung für eine Stromschleife vom positiven Anschluss der Batterie 10 zum negativen Anschluss der Batterie 10 über die Boost-Spule und den unteren Schalter aufgestellt. Dann wird ähnlich wie in dem Fall, wo der Ausdruck 2 und der Ausdruck 3 oder der Ausdruck 4 und der Ausdruck 5 erhalten werden, die Zeitdifferenz des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, erhalten. Infolgedessen kann der Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, erhalten werden.
4A und 4B zeigen das erhaltene Ergebnis für der Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, wenn die Ausgangsspannung Vh im Bereich von 600 V bis 900 V variiert, bei einer Batteriespannung Vb = 200 V in fünf Fällen, wo der Kopplungsfaktor a = 0,0, a = 0,1, a = 0,2, a = 0,3 und a = 0,4 ist. 4B verkleinert den Maßstab der vertikalen Achse von 4A. Hierbei ist die Induktivität der einzelnen Boost-Spulen L = 100 μH, und der Steuerzeitraum Tc ist Tc = T1 + T2 = 1 μs.
Der Wechselanteil im Falle eines Kupplungsfaktors a = 0,1 und im Fall von a = 0,2 ist kleiner als im Falle eines Kopplungsfaktors a = 0,0. Je höher der Kopplungsfaktor a wird, desto größer wird die Steigung in Bezug auf die Ausgangsspannung Vh des Wechselanteils, und die Kennlinie für den Kopplungsfaktor a = 0,3 schneidet die Kennlinie (Bezugskennlinie) für den Kopplungsfaktor a = 0,0 in der Nähe einer Ausgangsspannung Vh = 820 V. Das heißt, auf der Niederspannungsseite von dem Punkt aus gesehen, wo sich die Kennlinien schneiden, wird der Wechselanteil für den Fall eines Kopplungsfaktors a = 0,3 kleiner als der Wechselanteil der Bezugskennlinie, und auf der Hochspannungsseite von dem Punkt aus gesehen, wo die Kennlinien sich schneiden, wird der Wechselanteil für den Fall eines Kopplungsfaktors a = 0,3 größer als der Wechselanteil der Bezugskennlinie. Ferner liegt der Schnittpunkt mit der Bezugskennlinie umso mehr auf der Niederspannungsseite, je größer der Kopplungsfaktor a ist. Im Falle eines Kopplungsfaktors a = 0,4 in dem Bereich, der eine Ausgangsspannung Vh = 700 V überschreitet, wird der Wechselanteil für den Fall eines Kopplungsfaktors a = 0,4 größer als der Wechselanteil der Bezugskennlinie.
Der Driphasenwandler wird eher in großen Fahrzeugen verwendet als in anderen Fahrzeugen, in denen der Zweiphasenwandler verwendet wird. Somit liegt die Ausgangsspannung Vh häufig im Bereich zwischen 600 V und 750 V. Daher ist es bevorzugt, der Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, zu verringern, und unter dem Gesichtspunkt einer Verkleinerung des Volumens der Boost-Spulen ist es bevorzugt, dass der Kopplungsfaktor bei 0,4 oder darunter liegt.
Wie oben beschrieben, ist es unter dem Gesichtspunkt der Volumenverkleinerung der Boost-Spulen bei gleichzeitiger Vermeidung einer magnetischen Sättigung ferner bevorzugt, dass der Kopplungsfaktor bei 0,1 oder darüber liegt. Somit ist es bevorzugt, dass der Kopplungsfaktor a der Boost-Spule, die in dem Zweiphasenwandler für Fahrzeuge verwendet wird, bei mindestens 0,1 und höchstens 0,4 liegt.
Allgemeiner gesprochen ist es ähnlich wie beim Zweiphasenwandler bevorzugt, bei einem Boost-Verhältnis, das höchstens in der Mitte des Variationsbereichs liegt, den Kopplungsfaktor so zu bestimmen, dass der Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, kleiner ist als der Wechselanteil des Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, wenn der Kopplungsfaktor auf 0 eingestellt ist. Das heißt, in 4A und 4B, wo der Variationsbereich der Ausgangsspannung auf Vh = 600 V bis 750 V eingestellt ist, ist es bevorzugt, den Kopplungsfaktor so zu bestimmen, dass die Kennlinie des Wechselanteils die Bezugskennlinie in dem Bereich schneidet, wo die Ausgangsspannung Vh bei mindestens 675 V liegt.
Es wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gemäß dem Auslegungsverfahren dieser Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Wechselanteil des Stroms, der zur Boost-Spule des Mehrphasenwandlers fließt, verkleinert werden und das Volumen der Boost-Spule kann vergrößert werden.
Es wurden die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber natürlich können verschiedene Modifikationen daran vorgenommen werden, und die beigefügten Ansprüche sollen alle diese Modifikationen abdecken, die vom Gedanken und Bereich der vorliegenden Erfindung umfasst werden.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
Bezugszeichenliste

10: Batterie
12: Erste Boost-Spule
14: Zweite Boost-Spule
16-1 bis 16-3: oberer Schalter
18-1 bis 18-3: unterer Schalter
20: Kondensator
22 und 24: Ausgangsanschluss
26: Fahrzeug-Antriebsschaltung
28: Steuereinheit
30: Dritte Boost-Spule

LISTE DER ENTGEGENHALTUNGEN
Patentliteratur

1: JP 2005-65384 A
2: JP 2008-22594 A

Claims

Auslegungsverfahren für einen Mehrphasenwandler zum Einbau in ein Fahrzeug, der aufweist: eine Vielzahl von Boost-Spulen; und einen Schaltkreis zum Erzeugen einer induzierten elektromotorischen Kraft an den einzelnen Boost-Spulen durch Schalten eines Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt; zum Anlegen einer Ausgangsspannung an eine Fahrzeug-Antriebsschaltung auf Basis einer Eingangsspannung und der an den einzelnen Boost-Spulen erzeugten induzierten elektromotorischen Kraft; einen Auslegungsprozess zum Bestimmen eines Kopplungsfaktors umfassend, welcher das Maß anzeigt, in dem die induzierte elektromotorische Kraft an einer der Boost-Spulen zur Spannung zwischen Anschlüssen einer anderen Boost-Spule beiträgt, auf Basis einer Beziehung zwischen dem Kopplungsfaktor und einem Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen.
Auslegungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Auslegungsprozess einen Prozess zum Bestimmen des Kopplungsfaktors auf Basis einer Änderung des Wechselanteils des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen, wenn sich ein Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung ändert, umfasst.
Mehrphasenwandler zum Einbau in ein Fahrzeug, aufweisend: eine Vielzahl von Boost-Spulen; und einen Schaltkreis zum Erzeugen einer induzierten elektromotorischen Kraft an den einzelnen Boost-Spulen durch Schalten eines Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt; zum Anlegen einer Ausgangsspannung an eine Fahrzeug-Antriebsschaltung auf Basis einer Eingangsspannung und der induzierten elektromotorischen Kraft, die an den einzelnen Boost-Spulen erzeugt wird; wobei der Schaltkreis einen Strom, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, so schaltet, dass sich das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung in einem vorgegebenen Variationsbereich gemäß einer Fahrsteuerung des Fahrzeugs ändert; und wobei ein Kopplungsfaktor, der das Maß anzeigt, in dem die induzierte elektromotorische Kraft an einer von der Vielzahl von Boost-Spulen zur Spannung zwischen Anschlüssen einer anderen Boost-Spule beiträgt, so bestimmt wird, dass, wenn das Verhältnis höchstens bei der Hälfte des Variationsbereichs liegt, der Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen kleiner ist als der Wechselanteil des Stroms in den einzelnen Boost-Spulen in dem Fall, wo der Kopplungsfaktor 0 ist.
Mehrphasenwandler zum Einbau in ein Fahrzeug, aufweisend: eine Vielzahl von Boost-Spulen; und einen Schaltkreis zum Erzeugen einer induzierten elektromotorischen Kraft an den einzelnen Boost-Spulen durch Schalten eines Stroms, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt; zum Anlegen einer Ausgangsspannung an eine Fahrzeug-Antriebsschaltung auf Basis einer Eingangsspannung und der induzierten elektromotorischen Kraft, die an den einzelnen Boost-Spulen erzeugt wird; wobei ein Kopplungsfaktor, der das Maß anzeigt, in dem die induzierte elektromotorische Kraft in einer von der Vielzahl von Boost-Spulen zur Spannung zwischen Anschlüssen einer anderen Boost-Spule beiträgt, auf einen Wert von 0,1 oder größer und 0,4 oder kleiner eingestellt wird.
Mehrphasenwandler nach Anspruch 4 zum Einbau in ein Fahrzeug, wobei: der Schaltkreis einen Strom, der zu den einzelnen Boost-Spulen fließt, so schaltet, dass das Verhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung gemäß einer Fahrsteuerung des Fahrzeugs variiert.