DE112019001203T5 - Energie-umwandlungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine magnetisch gekoppelte Spule (4) und ein DC/DC-Wandler (5) sind zwischen einer DC-Energieversorgung (1) und einem Wechselrichter (7) angeordnet. Ein erster Glättungskondensator (3) ist zwischen der DC-Energieversorgung (1) und der gekoppelten Spule (4) angeordnet. Ein zweiter Glättungskondensator (6) ist zwischen dem DC/DC-Wandler (5) und dem Wechselrichter (7) angeordnet. Eine Steuerung (9) ist angeordnet, um Schaltvorgänge des Wechselrichters (7) und des DC/DC-Wandlers (5) zu steuern. Die Steuerung (9) veranlasst, dass Halbleiter-Schaltelemente (51a), (51b) und (51c), (51d), die obere und untere Stränge des DC/DC-Wandlers (5) bilden, komplementäre Vorgänge durchführen, so dass sie wechselweise eingeschaltet/ausgeschaltet werden, und sie veranlasst, dass linke und rechte Zweige mit zueinander verschobenen Schaltphasen arbeiten. Dadurch werden elektrische Ladungen, die in beiden Glättungskondensatoren (3), (6) gespeichert sind, durch Energieverluste in der gekoppelten Spule (4) und im DC/DC-Wandler (5) entladen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energie-Umwandlungseinrichtung, die beispielsweise an einem Elektrofahrzeug montiert ist.
• Stand der Technik
• Es ist ein herkömmliches Elektrofahrzeug bekannt, das Folgendes aufweist: eine DC-Energieversorgung, die zum Laden und Entladen imstande ist, einen Aufwärtswandler zum Aufwärtswandeln der DC-Spannung, die von der DC-Energieversorgung zugeführt wird, einen ersten Glättungskondensator zum Glätten der Spannung zwischen der DC-Energieversorgung und dem Aufwärtswandler, einen Wechselrichter zum Umsetzen einer hohen DC-Spannung, die aus dem Aufwärtswandler ausgegeben wird, in eine AC-Spannung, einen zweiten Glättungskondensator zum Glätten der Spannung zwischen dem Aufwärtswandler und dem Wechselrichter, und einen Dreiphasen-AC-Elektromotor, an welchen die AC-Spannung angelegt wird, die aus dem Wechselrichter ausgegeben wird, so dass die Antriebskraft und die Bremskraft des Fahrzeugs gesteuert werden.
• Bei solch einem Elektrofahrzeug gilt Folgendes: Um die Sicherheit des Fahrzeugs zu gewährleisten, ist es notwendig, dass eine elektrische Ladung mit hoher Spannung, die in einem Glättungskondensator gespeichert ist, unmittelbar entladen wird, wenn das Fahrzeug eine Kollision hat oder die Energiezufuhr angehalten wird, so dass ein elektrischer Schlag vermieden wird.
• Außerdem ist es notwendig, dass die Kapazität einer Unterstützungs-Energieversorgung verringert wird, die als eine Betriebs-Energieversorgung zum Durchführen einer Entladesteuerung des Aufwärtswandlers dient, so dass der Entladungszeitraum verkürzt wird, um die Energie-Umwandlungseinrichtung zu verkleinern.
• Daher hat man herkömmlicherweise Technologien vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in den unten aufgeführten Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben sind.
• Ein Elektrofahrzeug, wie es in dem Patentdokument 1 beschrieben ist, weist zwei bidirektionale DC/DC-Wandler auf, und Kondensatoren sind mit einem Niederspannungsende und einem Hochspannungsende der zwei bidirektionalen DC/DC-Wandler verbunden. Während der Fahrt führt eine Steuerungseinrichtung Treiber-Impulssignale, bei welchen die Einschalt-Timings zueinander verschoben sind und bei welchen die Ausschalt-Timings zueinander verschoben sind, Halbleiter-Schaltelementen der bidirektionalen DC/DC-Wandler zu.
• Zur Zeit des Entladens der Kondensatoren werden indessen Treiber-Impulssignale, die übereinstimmende bzw. zusammenpassende Einschalt-Timings und übereinstimmende bzw. zusammenpassende Ausschalt-Timings aufweisen, den Halbleiter-Schaltelementen der bidirektionalen DC/DC-Wandler zugeführt, um den Entladungszeitraum zu verkürzen.
• Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Entladen durch wechselweises Ein- und Ausschalten von oberen und unteren Strängen eines Wechselrichters gilt Folgendes: Wenn die Stränge, die den Wechselrichter bilden, kurzgeschlossen werden, kann das Entladen infolge von Überstrom oder dergleichen nicht durchgeführt werden. In dieser Hinsicht gilt bei einer Energie-Umwandlungseinrichtung, die in dem Patentdokument 2 beschrieben ist, Folgendes: Es wird ein DC/DC-Wandler mit vier Strängen verwendet, die in Reihe geschaltet sind, das Auftreten eines Strang-Kurzschlusses wird detektiert, und elektrische Ladungen, die in Eingangs- und Ausgangskondensatoren gespeichert sind, werden über eine gekoppelte Spule und den DC/DC-Wandler entladen.
• Literaturverzeichnis
• Patentdokument
• Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2017-85696 A
• Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP 2015-33153 A
• Zusammenfassung der Erfindung
• Mit der Erfindung zu lösende Probleme
• Bei beiden herkömmlichen Technologien, die in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben sind, sind Ströme, die durch die gekoppelte Spule fließen, Dreieckwellen-Ströme mit einer Schaltfrequenz, und deren Stromkomponenten schließen nur eine Schaltfrequenz-Komponente des DC/DC-Wandlers ein. Daher sind die Kupferverluste bei der Stromleitung klein, und demzufolge ist die Wirkung, dass Energie der Kondensatoren verbraucht wird, klein, so dass Zeit zum Durchführen der Entladung benötigt wird. Außerdem ist die Energiezuführungs-Kapazität der Unterstützungs-Energieversorgung, die als eine Betriebs-Energieversorgung zum Durchführen der Entladesteuerung des DC/DC/DC-Wandlers dient, um den Entladungszeitraum zu verkürzen, immer noch groß.
• Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das obige Problem zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energie-Umwandlungseinrichtung anzugeben, bei welcher ein Paar von gekoppelten Spule vom Kopplungstyp mit magnetischer Kopplung an einer Eingangsstufe eines DC/DC-Wandlers angeordnet ist, und welche es ermöglicht, dass der Entladungszeitraum von Kondensatoren verkürzt wird, und zwar in Abhängigkeit von dem Betrieb des DC/DC-Wandlers, verglichen mit dem herkömmlichen Fall, und welche eine Größenverringerung einer Unterstützungs-Energieversorgung zum Treiben des DC/DC-Wandlers zur Entladungssteuerung ermöglicht.
• Wege zum Lösen der Probleme
• Eine Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine gekoppelte Spule, die magnetisch gekoppelt ist, und einen DC/DC-Wandler zur Spannungswandlung, die zwischen einer DC-Energieversorgung und einem Wechselrichter zum Treiben eines Elektromotors angeordnet sind; einen ersten Glättungskondensator, der zwischen die DC-Energieversorgung und die gekoppelte Spule geschaltet ist; einen zweiten Glättungskondensator, der zwischen den DC/DC-Wandler und den Wechselrichter geschaltet ist; einen Schalter zum Einschalten/Ausschalten der DC-Energieversorgung, wobei der Schalter zwischen den ersten Glättungskondensator und die DC-Energieversorgung gefügt ist; und eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie Schaltvorgänge der Halbleiter-Schaltelemente steuert, die im Wechselrichter und im DC/DC-Wandler enthalten sind.
• Der DC/DC-Wandler hat eine Vollbrücken-Konfiguration, wobei zwei Zweige parallelgeschaltet sind, wobei jeder Zweig gebildet wird, indem ein Paar von oberen und unteren Strängen in Reihe geschaltet werden, die die Halbleiter-Schaltelemente aufweisen. Die gekoppelte Spule weist eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung auf, bei denen jeweils eine Endseite mit einer positiven Seite der DC-Energieversorgung verbunden ist. Die andere Endseite der ersten Wicklung ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den oberen und unteren Strängen verbunden, die einen ersten Zweig der Zweige bilden. Die andere Endseite der zweiten Wicklung ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den oberen und unteren Strängen verbunden, die einen zweiten Zweig der Zweige bilden.
• Die Steuerungseinheit öffnet - in Abhängigkeit von einem Entladebefehl - den Schalter, veranlasst die Halbleiter-Schaltelemente, die die oberen und unteren Stränge des DC/DC-Wandlers bilden, komplementäre Vorgänge durchzuführen, so dass sie wechselweise ein-/ausgeschaltet werden, und veranlasst, dass das Paar von Zweigen mit voneinander verschobenen Schaltphasen arbeitet.
• Wirkung der Erfindung
• Bei der Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Umlaufstrom durch einen DC/DC-Wandler und eine gekoppelte Spule zwischen einem ersten Glättungskondensator und einem zweiten Glättungskondensator fließen, so dass elektrische Ladungen, die im ersten Glättungskondensator und im zweiten Glättungskondensator gespeichert sind, unmittelbar entladen werden können, und zwar durch Kupferverluste, die in einem Pfad auftreten, durch den Strom fließt, durch Eisenverluste, die im Kern der gekoppelten Spule auftreten, und Verluste, die im DC/DC-Wandler auftreten. Demzufolge können der Entladungszeitraum des ersten Glättungskondensators und des zweiten Glättungskondensators verkürzt werden, und zwar im Vergleich mit dem herkömmlichen Fall. Demzufolge kann die Unterstützungs-Energieversorgung zum Treiben des DC/DC-Wandlers zur Entladesteuerung verkleinert werden.
• Für den Fall, dass eine gekoppelte Spule vom Differentialtyp verwendet wird, bei welcher magnetische DC-Flüsse in solchen Richtungen erzeugt werden, dass sie einander aufheben, wenn ein DC-Strom fließt, wird eine Stromkomponente, die ein Vielfaches der Frequenz ist, im Leitungsstrom erzeugt, so dass die Kupferverluste erhöht werden können. Für den Fall, dass eine gekoppelte Spule vom kumulativen Typ verwendet wird, bei welcher magnetische DC-Flüsse in solchen Richtungen erzeugt werden, dass sie einander verstärken, wenn ein DC-Strom fließt, wird veranlasst, dass der Leitungsstrom ein Rückflussstrom wird und demzufolge eine Rechteckwellenform hat, so dass der Strom-Effektivwert erhöht wird und demzufolge die Kupferverluste in der gekoppelten Spule erhöht werden können.
• Figurenliste
• 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das die Gesamtheit einer Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
• 2 veranschaulicht den Erzeugungszustand für magnetischen Fluss einer gekoppelten Spule vom Differentialtyp bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 3 veranschaulicht den Erzeugungszustand für magnetischen Fluss der gekoppelten Spule vom Differentialtyp bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 4 veranschaulicht den Erzeugungszustand für magnetischen Fluss der gekoppelten Spule vom Differentialtyp bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 5 veranschaulicht Veränderungen der Steigungen der Ströme im Zeitverlauf, die durch die gekoppelte Spule fließen, für den Fall von D < 0,5 bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 6 veranschaulicht Veränderungen der Steigungen der Ströme im Zeitverlauf, die durch die gekoppelte Spule fließen, für den Fall von D > 0,5 bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 7 veranschaulicht die Betriebs-Timings eines DC/DC-Wandlers und Änderungen der Ströme im Zeitverlauf, die durch die Wicklungen der gekoppelten Spule und jeden Teil des DC/DC-Wandlers fließen, bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 8 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 9 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 10 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 11 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 12 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 13 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 14 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 15 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 16 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 17 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 18 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 19 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 20 veranschaulicht eine Schaltfrequenz, wenn ein Schaltbetrieb des DC/DC-Wandlers durchgeführt wird, bei der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
• 21 veranschaulicht den Erzeugungszustand für magnetischen Fluss einer gekoppelten Spule vom kumulativen Typ bei der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 22 veranschaulicht den Erzeugungszustand für magnetischen Fluss der gekoppelten Spule vom kumulativen Typ bei der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 23 veranschaulicht den Erzeugungszustand für magnetischen Fluss der gekoppelten Spule vom kumulativen Typ bei der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 24 veranschaulicht die Betriebs-Timings des DC/DC-Wandlers und Änderungen der Ströme im Zeitverlauf, die durch die Wicklungen der gekoppelten Spule und jeden Teil des DC/DC-Wandlers fließen, bei der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 25 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 26 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 27 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 28 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 29 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 30 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 31 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 32 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 33 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• 34 veranschaulicht ein Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
• Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung
• Ausführungsform 1
• 1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Gemäß 1 weist die Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform Folgendes auf: eine DC-Energieversorgung 1, einen Schalter 2 (wobei das Konzept ein Relais und ein Halbleiter-Schaltelement einschließt), einen ersten Glättungskondensator 3, einen ersten Spannungssensor 20, eine gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp, einen DC/DC-Wandler 5, einen zweiten Glättungskondensator 6, einen zweiten Spannungssensor 30, einen Wechselrichter 7, einen Elektromotor 8, eine Steuerung 9 und eine Hilfs-Energieversorgung 10.
• Die DC-Energieversorgung 1 ist zum Laden und Entladen imstande, und sie überträgt Energie an den Elektromotor 8 bzw. nimmt Energie von diesem entgegen, und zwar über den Wechselrichter 7. Der DC/DC-Wandler 5 ist zwischen der DC-Energieversorgung 1 und dem Wechselrichter 7 angeordnet und wandelt die DC-Spannung aufwärts, die von der DC-Energieversorgung 1 zugeführt wird. Der erste Glättungskondensator 3 ist zwischen die DC-Energieversorgung 1 und den DC/DC-Wandler 5 geschaltet und glättet die Spannung zwischen der DC-Energieversorgung 1 und dem DC/DC-Wandler 5.
• Der erste Spannungssensor 20 misst die Spannung zwischen einem Hochspannungsknoten und einem Niederspannungsknoten des ersten Glättungskondensators 3. Ein Stromsensor 40a misst den Strom, der der gekoppelten Spule 4 vom Differentialtyp zugeführt wird. Stromsensoren 40b, 40c messen die Ströme, die zwischen dem gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp und dem DC/DC-Wandler 5 ausgegeben werden.
• Der Wechselrichter 7 wandelt die hohe DC-Spannung, die aus dem DC/DC-Wandler 5 ausgegeben wird, in AC-Spannung um, und zwar mittels DC/AC-Wandlung. Der zweite Glättungskondensator 6 ist zwischen den DC/DC-Wandler 5 und den Wechselrichter 7 geschaltet und glättet die Spannung zwischen dem DC/DC-Wandler 5 und dem Wechselrichter 7. Der zweite Spannungssensor 30 misst die Spannung zwischen einem Hochspannungsknoten und einem Niederspannungsknoten des zweiten Glättungskondensators 6.
• Die AC-Spannung, die aus dem Wechselrichter 7 ausgegeben wird, wird an den Elektromotor 8 angelegt, so dass die Antriebskraft und die Bremskraft des Fahrzeugs gesteuert werden. Während der Fahrt des Fahrzeugs ist der Schalter 2 geschlossen, um die DC-Energieversorgung 1 mit dem ersten Glättungskondensator 3 und dem DC/DC-Wandler 5 zu verbinden. Wenn die Verwendung des Fahrzeugs abgeschlossen ist und eine Unterbrechung der Energie detektiert wird oder wenn eine Kollision des Fahrzeugs von einem Beschleunigungssensor (nicht dargestellt) detektiert wird oder dergleichen, wird der Schalter 2 geöffnet, um die DC-Energieversorgung 1 vom DC/DC-Wandler 5, dem ersten Glättungskondensator 3 und der gekoppelten Spule 4 vom Differentialtyp zu trennen.
• Die Steuerung 9 weist eine Steuerungseinheit 9a des DC/DC-Wandlers, eine Wechselrichter-Steuerungseinheit 9b und eine Entladungsbestimmungs-Befehlseinheit 9c auf. Wenn beispielsweise eine Kollision des Fahrzeugs vom Beschleunigungssensor (nicht dargestellt) detektiert wird oder wenn die Verwendung des Fahrzeugs abgeschlossen ist und die Energie unterbrochen wird, weist die Entladungsbestimmungs-Befehlseinheit 9c die Steuerungseinheit 9a des DC/DC-Wandlers und die Wechselrichter-Steuerungseinheit 9b an, die elektrischen Ladungen zu entladen, die im ersten Glättungskondensator 3 und im zweiten Glättungskondensator 6 gespeichert sind.
• Die Steuerungseinheit 9a des DC/DC-Wandlers steuert die Schaltvorgänge der Halbleiter-Schaltelemente 51a bis 51d, die Komponenten der Leistungs-Halbleiterelemente sind, die im DC/DC-Wandler 5 enthalten sind, und führt eine DC/DC-Wandlung im DC/DC-Wandler 5 durch. Die Wechselrichter-Steuerungseinheit 9b steuert die Schaltvorgänge der Halbleiter-Schaltelemente 71a bis 71f in den Leistungs-Halbleiterelementen auf der Hochspannungsseite und den Leistungs-Halbleiterelementen auf der Niederspannungsseite der Schaltstränge, die im Wechselrichter 7 enthalten sind, und führt eine DC/AC-Wandlung im Wechselrichter 7 durch.
• Hinsichtlich der Leistungs-Halbleiterelement im DC/DC-Wandler 5 wird eine Einheit, in welcher jedes Halbleiter-Schaltelement 51a bis 51d und jedes Halbleiter-Gleichrichtungselement 52a bis 52d zueinander antiparallel geschaltet sind, als Strang bezeichnet, und die Stränge, die miteinander in Reihe geschaltet sind, werden als Zweig bezeichnet. Auf ähnliche Weise wird hinsichtlich des Leistungs-Halbleiterelements im Wechselrichter 7 eine Einheit, welcher jedes Halbleiter-Schaltelement 71a bis 71f und jedes Halbleiter-Gleichrichtungselement 72a bis 72f zueinander antiparallel geschaltet sind, als Strang bezeichnet, und die Stränge, die miteinander in Reihe geschaltet sind, werden als Zweig bezeichnet.
• Nachstehend wird die Konfiguration des DC/DC-Wandlers 5 detailliert beschrieben.
• Der DC/DC-Wandler 5 ist vom Vollbrückentyp, wobei vier Halbleiter-Schaltelemente 51a bis 51d vorgesehen sind, und er ist so konfiguriert, dass zwei Zweige (ein erster Zweig und ein zweiter Zweig) parallelgeschaltet sind, die jeweils gebildet werden, indem die oberen und unteren Stränge in Reihe geschaltet werden. In 1 werden Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) als Halbleiter-Schaltelemente verwendet und gezeigt. Es können jedoch auch Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder dergleichen verwendet werden.
• Als Nächstes wird die detaillierte Konfiguration des Wechselrichters 7 beschrieben.
• Im Wechselrichter 7 sind Zweige in einer Anzahl angeordnet, die der Anzahl von Phasen des anzutreibenden Elektromotors entspricht. Wie in 1 gezeigt, gilt Folgendes: Für den Fall, dass der Elektromotor 8 ein Dreiphasen-Elektromotor ist, weist der Wechselrichter 7 drei Zweige für die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase auf.
• Die Wechselrichter-Steuerungseinheit 9b steuert den Wechselrichter 7 so, dass sie die Potentiale der Knoten Uac, Vac, Wac anpasst, die mit dem Elektromotor 8 verbunden sind. Dadurch können die Werte der Ströme gesteuert werden, die zum Elektromotor 8 fließen. Im Ergebnis steuert der Elektromotor 8 die Antriebskraft und die Bremskraft für das Fahrzeug. Außerdem erfasst die Wechselrichter-Steuerungseinheit 9b auch Rotationsinformationen bezüglich des Elektromotors 8.
• Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 bis 4 die Konfiguration der gekoppelten Spule 4 beschrieben.
• Die gekoppelte Spule wird hier von einem Kern 4g gebildet, der zwei obere und untere U-förmige Eisenkerne aufweist, und einer ersten Wicklung 4e und einer zweiten Wicklung 4f, die um den Kern 4g gewickelt sind, so dass sie magnetisch gekoppelt sind. Insbesondere bezeichnet die gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp in der vorliegenden Ausführungsform eine gekoppelte Spule, bei welcher die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f so gewickelt sind, dass magnetische DC-Flüsse, die im Kern 4g von beiden Wicklungen 4e, 4f erzeugt werden, in solchen Richtungen ausgebildet werden, dass sie einander aufheben, wenn ein DC-Strom durch die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f fließt, wie in 2 gezeigt.
• Die eine Endseite 4a und die eine Endseite 4c beider Wicklungen 4e, 4f, die die gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp bilden, sind mit der positiven Seite der DC-Energieversorgung 1 verbunden. Die andere Endseite 4b der ersten Wicklung 4e ist mit einem Verbindungspunkt 50e (erster Zweig) zwischen dem oberen Strang und dem unteren Strang verbunden, die zwei Halbleiter-Schaltelemente 51a, 51b haben. Die andere Endseite 4d der zweiten Wicklung 4f ist mit einem Verbindungspunkt 50f (zweiter Zweig) zwischen dem oberen Strang und dem unteren Strang verbunden, die zwei Halbleiter-Schaltelemente 51c und 51d haben.
• Die oberen und unteren Stränge des DC/DC-Wandlers 5, die mit der gekoppelten Spule 4 vom Differentialtyp verbunden sind, werden komplementär betätigt, so dass sie wechselweise eingeschaltet/ausgeschaltet werden, und außerdem werden die Zweige so betätigt, dass deren Phasen gegeneinander verschoben sind, so dass wechselweise die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f erregt werden. Demzufolge werden die folgenden zwei magnetischen Flusskomponenten gleichzeitig erzeugt.
• Wie mit den Konturpfeilen in 2 gezeigt: Eine magnetische Flusskomponente, die von Strömen erzeugt wird, die durch die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f in der gleichen Richtung fließen und die nicht durch den Kern 4g zirkulieren. Wie mit den dicken Pfeilen in 3 und 4 gezeigt: Eine magnetische Flusskomponente, die im Kern 4g zirkuliert, während deren Richtung in Abhängigkeit vom Schaltzustand geändert wird. In diesem Fall gilt Folgendes: Da die magnetischen Flüsse und die Ströme ein zueinander proportionales Verhältnis haben, treten Stromrippel, die den Veränderungen der zwei magnetischen Flusskomponenten entsprechen, in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f auf.
• Hier sind die Steigungen der Stromrippel, die in der gekoppelten Spule 4 vom Differentialtyp auftreten, unter Verwendung von mathematischen Ausdrücken gezeigt. Die Spannung über der ersten Wicklung 4e ist mit V1e bezeichnet, und der Strom, der durch die erste Wicklung 4e fließt, ist mit i1 bezeichnet. Im Strom i1 ist eine Stromkomponente, die infolge eines zirkulierenden magnetischen Flusses entsteht, mit i1ac bezeichnet, und eine Stromkomponente, die infolge eines nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses entsteht, mit i1dc bezeichnet.
• Die Spannung über der zweiten Wicklung 4f ist außerdem mit V2e bezeichnet, und der Strom, der durch die zweite Wicklung 4f fließt, ist mit i2 bezeichnet. Im Strom i2 ist eine Stromkomponente, die infolge eines zirkulierenden magnetischen Flusses entsteht, mit i2ac bezeichnet, und eine Stromkomponente, die infolge eines nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses entsteht, mit i2dc bezeichnet. Zur Vereinfachung wird hier angenommen, dass die Stärken der Komponenten des Stroms i1 und des Stroms i2 gleich sind.
• Wenn die Eigeninduktivitäten der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f mit L bezeichnet werden und die Gegeninduktivität zwischen diesen mit M bezeichnet wird, werden die Spannungen V1e, V2e, die in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f auftreten, durch den Ausdruck 1 und den Ausdruck 2 ausgedrückt, unter Verwendung des Faradayschen Gesetzes.
  Gleichung 1 $$V1e=L·\frac{d}{dt}i1-M·\frac{d}{dt}i1$$

  

  
  Gleichung 2 $$V2e=L·\frac{d}{dt}i2-M·\frac{d}{dt}i1$$

  
• Der Strom i1 und der Strom i2 sind aus der Stromkomponente i1ac infolge des zirkulierenden magnetischen Flusses und der Stromkomponente i1dc infolge des nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses gebildet. Daraus werden der Ausdruck 3 und der Ausdruck 4 erhalten.
  Gleichung 3 $$\frac{di1}{dt}=\frac{di1dc}{dt}+\frac{di1ac}{dt}$$

  

  
  Gleichung 4 $$\frac{di2}{dt}=\frac{di1dc}{dt}-\frac{di1ac}{dt}$$

  
• Wenn der Strom i1 und der Strom i2 summiert werden, wie mit dem folgenden Ausdruck 5 gezeigt, heben sich die Zirkulations-Stromkomponenten i1ac auf. Demzufolge wird eine Steigung erhalten, die ein Vielfaches der Stromkomponente i1dc ist, die infolge der nicht-zirkulierenden magnetischen Flusskomponenten in der jeweiligen Wicklung hervorgerufen wird.
  Gleichung 5 $$\frac{di1}{dt}+\frac{di2}{dt}=2\frac{di1dc}{dt}$$

  
• Aus den Gleichungen gemäß Ausdruck 1 bis Ausdruck 4 können die Stromkomponenten i1ac, i1dc berechnet werden, die im Strom i1 und im Strom i2 enthalten sind, wie im Ausdruck 6 und im Ausdruck 7 gezeigt.
  Gleichung 6 $$\frac{di1ac}{dt}=\frac{1}{\left(L+M\right)}\frac{\left(V1e-V2e\right)}{2}$$

  

  
  Gleichung 7 $$\frac{di1dc}{dt}=\frac{1}{\left(L-M\right)}\frac{\left(V1e+V2e\right)}{2}$$

  
• Die Eingangsspannung in die gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp ist mit Vin bezeichnet, und die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 5 ist mit Vout bezeichnet. Tabelle 1 zeigt die Spannung über die gekoppelte Spule 4, die sich in Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Halbleiter-Schaltelemente 51b, 51d der unteren Stränge des DC/DC-Wandlers 5 ändert. Tabelle 1

  Spannung über der Spule in Abhängigkeit von den Schaltzuständen
  51b	51d	V1e	V2e	V1e+V2e	V1e-V2e
  EIN	AUS	Vin	Vin-Vout	2Vin-Vout	Vout
  AUS	EIN	Vin-Vout	Vin	2Vin-Vout	-Vout
  EIN	EIN	Vin	Vin	2Vin	0
  AUS	AUS	Vin-Vout	Vin-Vout	2Vin-2Vout	0

• Indem die obige Spannung in den Ausdruck 6 und den Ausdruck 7 eingesetzt wird, ist es möglich, die Steigung des Stroms zu berechnen, der sich in Abhängigkeit von den Schaltzuständen ändert.
• Für den Fall, dass das Fahrzeug normal fährt, d. h. bei einem normalen Energieumwandlungsbetrieb, bei welchem, während der Schalter 2 eingeschaltet ist, die zwei Zweige des DC/DC-Wandlers 5 wechselweise betätigt werden, wobei deren Phasen voneinander verschoben sind, um die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f wechselweise anzuregen, werden als Nächstes Stromrippel, die in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f auftreten, auf der Basis der Steigungen der Ströme beschrieben, die in den obigen Gleichungen 3 bis 7 berechnet werden, und zwar unter Bezugnahme auf 5 und 6.
• 5 zeigt den Fall von D (Tastverhältnis) < 0,5.
• 6 zeigt den Fall von D (Tastverhältnis) > 0,5.
• In 5 und 6 wird angenommen, dass die Stromkomponenten, die in den Stromrippeln in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f enthalten sind, idc < iac erfüllen. Das Tastverhältnis D ist das Verhältnis des Einschaltzeitraums zur Periode T.
• Hinsichtlich der Betriebsmodi werden vier Modi aus dem Zustand T1, dem Zustand T2, dem Zustand T3 und dem Zustand T4 sequenziell wiederholt, und zwar gemäß den Betriebszuständen der Halbleiter-Schaltelemente 51b, 51d, die die unteren Stränge des DC/DC-Wandlers 5 sind. Es sei angemerkt, dass die Halbleiter-Schaltelemente 51a, 51c, im Falle von MOSFETs oder dergleichen, zur synchronen Gleichrichtung komplementär zu den Halbleiter-Schaltelementen 51b, 51d arbeiten.
1. [A] Zunächst werden, wie in 5 gezeigt, Stromrippel beschrieben, die in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f im Fall von D < 0,5 auftreten.
   • (1) Während des Zeitraums im Zustand T1 ist das Halbleiter-Schaltelement 51b eingeschaltet und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist ausgeschaltet. Es werden die folgenden zwei Schleifen gebildet: eine Stromschleife des Stroms i1, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die erste Wicklung 4e fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt, und eine Stromschleife des Stroms i2, der durch die zweite Wicklung 4f, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52c und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und dann zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt. Zu dieser Zeit bilden die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f die gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp, die magnetisch gekoppelt ist. Daher werden in der ersten Wicklung 4e ein Stromrippel i1ac infolge eines zirkulierenden magnetischen Flusses, wie in 4 gezeigt, und ein Stromrippel i1dc infolge eines nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses erzeugt, wie in 2 gezeigt. In der zweiten Wicklung 4f werden ein Stromrippel i2ac (in diesem Fall in entgegengesetzter Richtung zu i1ac erzeugt) infolge eines zirkulierenden magnetischen Flusses, wie in 3 gezeigt, und ein Stromrippel i2dc infolge einer nicht-zirkulierenden magnetischen Flusskomponente erzeugt, wie in 2 gezeigt. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird hier angenommen, dass die Steigung der Stromkomponente, die infolge eines zirkulierenden magnetischen Flusses auftritt, 4 ist, und dass die Steigung der Stromkomponente, die infolge eines nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses auftritt, 6 ist. Unter Verwendung dieses numerischen Wertbeispiels werden Veränderungen in den Wellenformen der Stromrippel beschrieben, die in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f auftreten, die sich gemäß dem Schaltzustand des DC/DC-Wandlers 5 ändern. Während dieses Zeitraums hat die Steigung des Stroms i1ac einen Wert von 4, die Steigung des Stroms i1dc hat einen Wert von 6, und demzufolge hat die Steigung des Stroms der ersten Wicklung 4e einen Wert von 10. Hinsichtlich der Steigung der Summe von Strömen der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f heben i1ac und i2ac einander auf, so dass die Steigung die Summe der Steigungen von i1dc und i2dc ist, d. h. gleich dem Wert 12 ist.
   • (2) Während des Zeitraums im Zustand T2 ist das Halbleiter-Schaltelement 51b ausgeschaltet und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist ausgeschaltet, und es bilden sich die folgenden Stromschleifen: eine Stromschleife des Stroms i1, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die erste Wicklung 4e, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52a und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt; und eine Stromschleife des Stroms i2, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die zweite Wicklung 4f, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52c und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und dann zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt. Dieser Zeitraum ist ein Zeitraum, in welchem die Erregung der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f zurückgesetzt wird. Die Komponenten i1ac und i2ac ändern sich nicht, und die Komponenten i1dc und i2dc verringern sich. Die Steigung des Stroms i1ac beträgt 0. Die Steigung des Stroms i1dc beträgt -6. Demzufolge hat die Steigung des Stroms der ersten Wicklung 4e einen Wert von -6. Die Steigung der Summe der Ströme der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f ist die Summe der Steigungen von i1dc und i2dc, d. h. sie ist gleich -12.
   • (3) Während des Zeitraums im Zustand T3 ist das Halbleiter-Schaltelement 51b ausgeschaltet und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist eingeschaltet, und es bilden sich die folgenden Stromschleifen: eine Stromschleife des Stroms i1, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die erste Wicklung 4e, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52a und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt; und eine Stromschleife des Stroms i2, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die zweite Wicklung 4f und das Halbleiter-Schaltelement 51d fließt und dann zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt. Zu dieser Zeit bilden die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f die gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp, die magnetisch gekoppelt ist. Daher werden in der ersten Wicklung 4e ein Stromrippel i1ac infolge eines zirkulierenden magnetischen Flusses, wie in 3 gezeigt, und ein Stromrippel i1dc infolge eines nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses erzeugt, wie in 2 gezeigt. In der zweiten Wicklung 4f werden ein Stromrippel i2ac (in diesem Fall in entgegengesetzter Richtung zu i1ac erzeugt) infolge eines zirkulierenden magnetischen Flusses, wie in 4 gezeigt, und ein Stromrippel i2dc infolge einer nicht-zirkulierenden magnetischen Flusskomponente erzeugt, wie in 2 gezeigt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine magnetische Kopplung hergestellt, so dass der magnetische Fluss von der zweiten Wicklung 4f in einer Richtung erzeugt wird, so dass der magnetische Fluss der ersten Wicklung 4e verringert wird, und demzufolge hat i1ac eine negative Steigung. Auf ähnliche Weise hat die Steigung des Stroms i1ac einen Wert von -4, die Steigung des Stroms i1dc hat einen Wert von 6, und demzufolge hat die Steigung des Stroms der erste Wicklung 4e einen Wert von 2. Hinsichtlich der Steigung der Summe von Strömen der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f heben i1ac und i2ac einander auf, so dass die Steigung die Summe der Steigungen von i1dc und i2dc ist, d. h. 12.
   • (4) Während des Zeitraums im Zustand T4, wie auch im Falle des Zustands T2, ist das Halbleiter-Schaltelement 51b ausgeschaltet, und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist ausgeschaltet. Die folgenden Stromschleifen werden gebildet: eine Stromschleife des Stroms i1, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die erste Wicklung 4e, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52a und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt; und eine Stromschleife des Stroms i2, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die zweite Wicklung 4f, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52c und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und dann zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt. Dieser Zeitraum ist ein Zeitraum, in welchem die Erregung der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f zurückgesetzt wird, und i1ac und i2ac ändern sich nicht, und die Komponenten i1dc und i2dc verringern sich. Die Steigung des Stroms i1 ac hat einen Wert von 0, die Steigung des Stroms i1dc hat einen Wert von -6, und demzufolge hat die Steigung des Stroms der ersten Wicklung 4e einen Wert von -6. Die Steigung der Summe der Ströme der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f ist die Summe der Steigungen von i1dc und i2dc, d. h. -12. Wie oben beschrieben, gilt im Falle von D < 0,5 Folgendes: Hinsichtlich der ersten Wicklung 4e ist die Steigung des Stroms i1 während des Zustands T3 positiv, und die Stromkomponenten schließen eine Stromkomponente ein, die ein Vielfaches der Schaltfrequenz zum Schalten des DC/DC-Wandlers 5 ist.
2. [B] Wie in 6 gezeigt, werden als Nächstes Stromrippel beschrieben, die in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f im Fall von D >0,5 auftreten.
   • (1) Während des Zeitraums im Zustand T1 ist das Halbleiter-Schaltelement 51b eingeschaltet und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist eingeschaltet, und es bilden sich die folgenden Stromschleifen: eine Stromschleife des Stroms i1, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die erste Wicklung 4e fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt, und eine Stromschleife des Stroms i2, der durch die zweite Wicklung 4f fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt. Während dieses Zeitraums gilt Folgendes: In der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f sind die Ströme i1ac, i2ac infolge einer zirkulierenden magnetischen Flusskomponente null, und Stromrippel i1dc, i2dc, die infolge einer nicht-zirkulierenden magnetischen Flusskomponente auftreten, nehmen zu. Während diese Zeitraums sowie im obigen Fall von D < 0,5 wird zur Vereinfachung der Beschreibung angenommen, dass die Steigung des Stroms i1ac den Wert 0 hat, und dass die Steigung des Stroms i1dc den Wert 6 hat, und die Steigung des Stroms der ersten Wicklung 4e hat den Wert 6. Da die Komponenten 1ac und 2ac Null sind, ist die Steigung der Summe von Strömen der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f die Summe der Steigungen von i1dc und i2dc, d. h. 12.
   • (2) Während des Zeitraums im Zustand T2 ist das Halbleiter-Schaltelement 51b eingeschaltet und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist ausgeschaltet, und es bilden sich die folgenden Stromschleifen: eine Stromschleife des Stroms i1, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die erste Wicklung 4e fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt, und eine Stromschleife des Stroms i2 der durch die zweite Wicklung 4f, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52c und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und dann zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt. Während dieses Zeitraums tritt ein zirkulierender magnetischer Fluss in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f auf, so dass i1ac zunimmt und i2ac abnimmt. Andererseits nehmen i1dc und i2dc ab, die infolge eines nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses auftreten. Daher wird angenommen, dass die Steigung des Stroms i1ac einen Wert von 4 hat, und dass die Steigung des Stroms i1dc einen Wert von -6 hat, und die Steigung des Stroms der ersten Wicklung 4e hat einen Wert von -2. Hinsichtlich der Steigung der Summe von Strömen der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f heben die Komponenten i1ac und i2ac einander auf, so dass die Steigung die Summe der Steigungen von i1dc und i2dc ist, d. h. gleich -12 ist.
   • (3) Während des Zeitraums im Zustand T3 ist das Halbleiter-Schaltelement 51b eingeschaltet und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist eingeschaltet, und demzufolge ist dieser Zeitraum der gleiche wie im Falle des Zustands T1.
   • (4) Während des Zeitraums im Zustand T4 ist das Halbleiter-Schaltelement 51b ausgeschaltet und das Halbleiter-Schaltelement 51d ist eingeschaltet, und es bilden sich die folgenden Stromschleifen: eine Stromschleife des Stroms i1, der von der DC-Energieversorgung 1 durch die erste Wicklung 4e, das Halbleiter-Gleichrichtungselement 52a und den zweiten Glättungskondensator 6 fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt; und eine Stromschleife des Stroms i2, der durch die zweite Wicklung 4f fließt und zur DC-Energieversorgung 1 zurückfließt.
• Während dieses Zeitraums tritt ein zirkulierender magnetischer Fluss in der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f auf, so dass i1ac abnimmt und i2ac zunimmt. Andererseits nehmen i1dc und i2dc ab, die infolge eines nicht-zirkulierenden magnetischen Flusses auftreten. Die Steigung des Stroms i1ac hat daher einen Wert von -4, die Steigung des Stroms i1dc hat einen Wert von -6, und demzufolge hat die Steigung des Stroms der ersten Wicklung 4e einen Wert von -10. Hinsichtlich der Steigung der Summe von Strömen der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f heben die Komponenten i1ac und i2ac einander auf, so dass die Steigung die Summe der Steigungen von i1dc und i2dc ist, d. h. gleich -12 ist.
• Wie oben beschrieben, gilt im Falle von D >0,5 Folgendes: Hinsichtlich der ersten Wicklung 4e ist die Steigung des Stroms i1 während des Zustands T2 negativ, und die Stromkomponenten schließen eine Stromkomponente ein, die ein Vielfaches der Schaltfrequenz zum Schalten des DC/DC-Wandlers 5 ist.
• Damit die Stromkomponenten einen großen Wert der Stromkomponente enthalten können, die ein Vielfaches der Schaltfrequenz zum Schalten des DC/DC-Wandlers 5 ist, ist es notwendig, dass - im Falle von D < 0,5 - der folgende Ausdruck 8 während des Zeitraums im Zustand T3 erfüllt ist, und dass im Falle von D >0,5 der folgende Ausdruck 9 während des Zeitraums im Zustand T2 erfüllt ist.
  Gleichung 8 $$\frac{di1dc}{dt}+\frac{di1ac}{dt}>0$$

  

  
  Gleichung 9 $$\frac{di1dc}{dt}+\frac{di1ac}{dt}<0$$

  
• Unter Verwendung von Ausdruck 6, Ausdruck 7 und Tabelle 1 werden die Ausdrücke von Ausdruck 8 und Ausdruck 9 umgestellt, indem L (Eigeninduktivität), M (Gegeninduktivität) und D (Tastverhältnis) verwendet werden. Im Ergebnis werden der folgende Ausdruck 10 und Ausdruck 11 erhalten.
  Fall mit D < 0,5
  Gleichung 10 $$\frac{M}{L}>\frac{D}{1-D}$$

  

  Fall mit D > 0,5
  Gleichung 11 $$\frac{M}{L}>\frac{1-D}{D}$$

  
• Unter der Bedingung, dass die obigen Verhältnisausdrücke erfüllt sind, gilt Folgendes: Wenn der untere Strang mit der Bedingung von D >0,5 unter Verwendung des DC/DC-Wandlers 5 betrieben wird, so dass der erste Glättungskondensator 3 und der zweite Glättungskondensator 6 entladen werden, zeigt 7 die Wellenformen der Ströme, die durch die Wicklungen der gekoppelten Spule 4 vom Differentialtyp fließen, die Betriebs-Timings des DC/DC-Wandlers 5 und die Wellenformen der Ströme, die durch die Halbleiter-Schaltelemente 51a bis 51 d fließen, die den DC/DC-Wandler 5 bilden.
• Außerdem zeigen 8 bis 19 Stromleitungskomponenten des DC/DC-Wandlers 5 und Betriebsmuster zu diesem Zeitpunkt. In 8 bis 19 sind die Stromleitungskomponenten mit dicken Linien gezeichnet. Die Stromleitungskomponenten und das Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers 5 wechseln im Zeitverlauf nacheinander durch die in 8 bis 19 gezeigten Zustände, und nach der Beendigung des in 19 gezeigten Zustands springen sie zu dem in 8 gezeigten Zustand zurück.
• Wie oben beschrieben, zeigt sich, dass die Ströme i1, i2, die Frequenzkomponenten enthalten, die ein Vielfaches der Schaltfrequenz des Schaltens der Halbleiter-Schaltelemente im DC/DC-Wandler 5 sind, durch die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f fließen.
• Als Nächstes wird Folgendes beschrieben: Wenn eine Kollision des Fahrzeugs detektiert wird oder wenn die Verwendung des Fahrzeugs abgeschlossen ist und eine Unterbrechung der Energie detektiert wird, so wird ein Entladevorgang, bei welchem die Halbleiter-Schaltelemente 51a bis 51d, die die Leistungs-Halbleiterelemente bilden, die im DC/DC-Wandler 5 enthalten sind, zum Durchführen eines Schaltbetriebs mittels der Steuerungseinheit 9a des DC/DC-Wandlers gezwungen werden, so dass die elektrischen Ladungen des ersten Glättungskondensators 3 und des zweiten Glättungskondensators 6 entladen werden.
• Wenn eine Kollision des Fahrzeugs detektiert wird oder wenn die Verwendung des Fahrzeugs abgeschlossen ist und eine Unterbrechung der Energie detektiert wird, so wird der Schalter 2 ausgeschaltet, der Wechselrichter 7 wird von der Wechselrichter-Steuerungseinheit 9b der Steuerung 9 unterbrochen, und gemäß einem Befehl von der Entladungsbestimmungs-Befehlseinheit 9c führt die Steuerungseinheit 9a des DC/DC-Wandlers einen Entladevorgang des DC/DC-Wandlers 5 durch.
• In diesem Fall ist der Steuerungsbetrieb der Steuerungseinheit 9a des DC/DC-Wandlers für den DC/DC-Wandler 5 im Wesentlichen der gleiche wie der Steuerungsbetrieb des oben beschriebenen Falls des normalen Fahrens, in welchem der Schalter 2 eingeschaltet ist. Das heißt, die Energie, die im ersten Glättungskondensator 3 und im zweiten Glättungskondensator 6 gespeichert ist, wird durch Kupferverluste und Eisenverluste aufgebraucht, die von Strömen herrühren, die durch den DC/DC-Wandler 5 und die gekoppelte Spule 4 vom Differentialtyp fließen, die sich zwischen dem ersten Glättungskondensator 3 und dem zweiten Glättungskondensator 6 befinden, so dass das Entladen durchgeführt wird.
• Beim Entladevorgang in diesem Fall wird jedoch die Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers 5 verglichen mit dem Fall des normalen Energieumwandlungsbetriebs gesenkt, so dass Stromrippel innerhalb eines zulässigen Strombereichs im DC/DC-Wandler 5 zunehmen. Demzufolge nehmen die Verluste ab, so dass der Entladungszeitraum in dem Fall verkürzt werden kann, in welchem der Schalter 2 ausgeschaltet ist.
• Wenn ein solcher Entladungsvorgang durchgeführt wird, tritt eine LC-Resonanz in dem ersten Glättungskondensator 3, dem zweiten Glättungskondensator 6 und der gekoppelten Spule 4 vom Differentialtyp auf. Falls die Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers 5 übermäßig gesenkt wird, besteht daher die Möglichkeit, dass eine Resonanzspannung und ein Resonanzstrom auftreten, die die zulässigen Werte des DC/DC-Wandlers 5, des ersten Glättungskondensators 3 und des zweiten Glättungskondensators 6 überschreiten.
• Wie in 20 gezeigt, wird demzufolge die Steuerung so durchgeführt, dass die Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers 5 allmählich von der Frequenz im normalen Energieumwandlungsbetrieb gesenkt wird, wenn die Entladung vom Beginn der Entladung des ersten Glättungskondensators 3 und des zweiten Glättungskondensators 6 aus fortschreitet, so dass sowohl ein Schutz der Komponenten, als auch eine Verkürzung des Entladungszeitraums erreicht werden können. 20 veranschaulicht die Schaltfrequenz, wenn der Schaltbetrieb des DC/DC-Wandlers 5 durchgeführt wird.
• Falls der Entladungszeitraum des ersten Glättungskondensators 3 und des zweiten Glättungskondensators 6 verkürzt wird, wie oben beschrieben, kann die Energiezuführungs-Kapazität der Hilfs-Energieversorgung 10 zum Zuführen von Energie zur Steuerung 9 verkürzt werden, die die Treibersteuerung des DC/DC-Wandlers 5 zum Durchführen des Entladevorgangs durchführt, so dass die gesamte Energie-Umwandlungseinrichtung verkleinert werden kann.
• Ausführungsform 2
• Eine Energie-Umwandlungseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungskonfiguration der gekoppelten Spule 4, die bei der Ausführungsform 1 verwendet wird, in eine vom kumulativen Typ geändert wird. Die übrige Konfiguration sind die gleichen wie die Konfigurationen bei der Ausführungsform 1, und daher wird deren detaillierte Beschreibung weggelassen.
• Hierbei bezeichnet die gekoppelte Spule 4 vom kumulativen Typ eine gekoppelte Spule, bei welcher die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f so gewickelt sind, dass die magnetischen DC-Flüsse, die im Kern 4g von der ersten Wicklung 4e und der zweiten Wicklung 4f erzeugt werden, in solchen Richtungen erzeugt werden, dass sie einander verstärken, wenn ein DC-Strom durch die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f fließt, wie in 21 gezeigt.
• 24 zeigt die Schalt-Timings des DC/DC-Wandlers 5 und die Veränderungen des Stroms an jedem Teil und der Wicklungsströme der gekoppelten Spule 4 im Zeitverlauf, wenn ein Phasenverschiebungsbetrieb des DC/DC-Wandlers 5 durchgeführt wird, unter Verwendung der gekoppelten Spule 4 vom kumulativen Typ. 25 bis 34 zeigen die Strompfade und die Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers 5. Es sei angemerkt, dass die Stromleitungskomponenten und das Betriebsmuster des DC/DC-Wandlers 5 im Zeitverlauf nacheinander durch die in 25 bis 34 gezeigten Zustände wechseln, und nach der Beendigung des in 34 gezeigten Zustands springen sie zu dem in 25 gezeigten Zustand zurück.
• Wenn der DC/DC-Wandler 5 mittels Phasenverschiebungsbetriebs unter Verwendung der gekoppelten Spule 4 vom kumulativen Typ betrieben wird, führt der DC/DC/DC-Wandler 5 einen Rückflussbetrieb durch, wie in 24 und 25 bis 34 gezeigt. Demzufolge fließen rechteckwellenförmige Ströme mit hohen Effektivwerten durch die erste Wicklung 4e und die zweite Wicklung 4f der gekoppelten Spule 4 vom kumulativen Typ, so dass die Kupferverluste zunehmen, so dass der Entladungszeitraum in dem Fall, in welchem der Schalter 2 ausgeschaltet ist, wie auch im Fall von Ausführungsform 1 verkürzt werden kann.
• Obwohl die Erfindung oben mit verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben ist, versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, Aspekte und Funktionen, die in einer oder mehreren der einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, bezüglich deren Anwendbarkeit nicht auf die bestimmte Ausführungsform beschränkt sind, in der sie beschrieben sind, sondern dass sie stattdessen auch - allein oder in verschiedenen Kombinationen - mit einer oder mehreren der Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können.
• Es versteht sich daher, dass verschiedene Modifikationen ersonnen werden können, die nicht beispielhaft beschrieben wurden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann mindestens einer der Bestandteile modifiziert, hinzugefügt oder weggelassen werden. Mindestens einer der Bestandteile, die in mindestens einer der bevorzugten Ausführungsformen erwähnt ist, kann ausgewählt werden und mit den Bestandteilen kombiniert werden, die in einer anderen bevorzugten Ausführungsformen erwähnt sind.
• Bezugszeichenliste

1

DC-Energieversorgung

2

Schalter

3

erster Glättungskondensator

4

gekoppelte Spule

4e

erste Wicklung

4f

zweite Wicklung

4g

Kern

40a, 40b, 40c

Stromsensor

5

DC/DC-Wandler

51a bis 51 d

Halbleiter-Schaltelement

6

zweiter Glättungskondensator

7

Wechselrichter

71a bis 71f

Halbleiter-Schaltelement

8

Elektromotor

9

Steuerung

9a

Steuerungseinheit des DC/DC-Wandlers

9b

Wechselrichter-Steuerungseinheit

9c

Entladungsbestimmungs-Befehlseinheit

10

Hilfs-Energieversorgung

20

erster Spannungssensor

30

zweiter Spannungssensor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 2017085696 A [0008]
• JP 2015033153 A [0008]

Claims (10)

1. Energie-Umwandlungseinrichtung, die Folgendes aufweist: - eine gekoppelte Spule, die magnetisch gekoppelt ist, und einen DC/DC-Wandler zur Spannungswandlung, die zwischen einer DC-Energieversorgung und einem Wechselrichter zum Treiben eines Elektromotors angeordnet sind; - einen ersten Glättungskondensator, der zwischen die DC-Energieversorgung und die gekoppelte Spule geschaltet ist; - einen zweiten Glättungskondensator, der zwischen den DC/DC-Wandler und den Wechselrichter geschaltet ist; - einen Schalter zum Einschalten/Ausschalten der DC-Energieversorgung, wobei der Schalter zwischen den ersten Glättungskondensator und die DC-Energieversorgung gefügt ist; und - eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie Schaltvorgänge der Halbleiter-Schaltelemente steuert, die im Wechselrichter und im DC/DC-Wandler enthalten sind, wobei - der DC/DC-Wandler eine Vollbrücken-Konfiguration hat, wobei zwei Zweige parallelgeschaltet sind, wobei jeder Zweig gebildet wird, indem ein Paar von oberen und unteren Strängen in Reihe geschaltet werden, die die Halbleiter-Schaltelemente aufweisen, - die gekoppelte Spule eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, bei denen jeweils eine Endseite mit einer positiven Seite der DC-Energieversorgung verbunden ist, - die andere Endseite der ersten Wicklung mit einem Verbindungspunkt zwischen den oberen und unteren Strängen verbunden ist, die einen ersten Zweig der Zweige bilden, die andere Endseite der zweiten Wicklung mit einem Verbindungspunkt zwischen den oberen und unteren Strängen verbunden ist, die einen zweiten Zweig der Zweige bilden, und - die Steuerungseinheit in Abhängigkeit von einem Entladebefehl den Schalter öffnet, die Halbleiter-Schaltelemente veranlasst, die die oberen und unteren Stränge des DC/DC-Wandlers bilden, komplementäre Vorgänge durchzuführen, so dass sie wechselweise ein-/ausgeschaltet werden, und veranlasst, dass das Paar von Zweigen mit voneinander verschobenen Schaltphasen arbeitet.
2. Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung den DC/DC-Wandler so steuert, dass AC-Strom durch die gekoppelte Spule und den DC/DC-Wandler zwischen dem ersten Glättungskondensator und dem zweiten Glättungskondensator zirkuliert und elektrische Ladungen, die im ersten Glättungskondensator und im zweiten Glättungskondensator gespeichert sind, durch Energieverluste infolge der gekoppelten Spule und des DC/DC-Wandlers entladen werden.
3. Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gekoppelte Spule vom Differentialtyp ist, wobei magnetische DC-Flüsse, die von der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung erzeugt werden, in solchen Richtungen erzeugt werden, dass sie einander aufheben, wenn DC-Strom durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung fließt.
4. Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei AC-Strom, der eine Komponente enthält, die ein Vielfaches der Schaltfrequenz des DC/DC-Wandlers ist, durch die gekoppelte Spule fließt, indem eine Vorgabe erfolgt, mit der die folgenden Verhältnisse erfüllt sind: im Fall von D < 0,5: M/L > D/(1 - D) im Fall von D > 0,5: M/L > (1 - D)/D wobei D das Tastverhältnis ist, mit welchem die Halbleiter-Schaltelemente des DC/DC-Wandlers ein-/ausgeschaltet werden, L die Eigeninduktivität der gekoppelten Spule ist und M die Gegeninduktivität der gekoppelten Spule ist.
5. Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei dann, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, die Steuerung das Tastverhältnis ändert, mit welchem die Halbleiter-Schaltelemente des DC/DC-Wandlers ein-/ausgeschaltet werden, und zwar in Abhängigkeit von den Spannungen des ersten Glättungskondensators und des zweiten Glättungskondensators oder der Spannungsdifferenz zwischen diesen, so dass der Rippelstrom, der durch die gekoppelte Spule fließt, in einem solchen Bereich maximiert wird, dass ein gewisser zulässiger im Voraus vorgegebener Wert nicht überschritten wird.
6. Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gekoppelte Spule vom kumulativen Typ ist, wobei magnetische DC-Flüsse, die von der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung erzeugt werden, in solchen Richtungen erzeugt werden, dass sie einander verstärken, wenn DC-Strom durch die erste Wicklung und die zweite Wicklung fließt.
7. Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 6, wobei dann, wenn der Schalter ausgeschaltet wird, die Steuerung die Phase des DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit von den Spannungen des ersten Glättungskondensators und des zweiten Glättungskondensators oder der Spannungsdifferenz zwischen diesen verschiebt, so dass der Rippelstrom, der durch die gekoppelte Spule fließt in einem solchen Bereich maximiert wird, dass ein gewisser zulässiger im Voraus vorgegebener Wert nicht überschritten wird.
8. Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei dann, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, die Steuerung veranlasst, dass die Halbleiter-Schaltelemente des DC/DC-Wandlers auf einer Schaltfrequenz arbeiten, die niedriger ist als in dem Fall, in welchem der Schalter eingeschaltet ist, so dass der erste Glättungskondensator und der zweite Glättungskondensator durch Energieverluste infolge der gekoppelten Spule und des DC/DC-Wandlers entladen werden.
9. Energie-Umwandlungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuerung einen Steuervorgang durchführt, so dass die Schaltfrequenz für die Halbleiter-Schaltelemente für den Fall, dass der Schalter ausgeschaltet ist, allmählich im Zeitverlauf verringert wird, so dass der Strom-Scheitelwert während des Entladens verringert wird.
10. Energie-Umwandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner den Wechselrichter zum Umsetzen der DC-Spannung, die aus dem DC/DC-Wandler ausgegeben wird, in AC-Spannung aufweist.

Images