JP2004537950A - 可変リラクタンス装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのフィールドコイル（ｎ）であって、制御回路を介してプライマリ電源供給ネットワークに接続されるコイルを備える装置を制御する方法に関し、この制御回路は、コイル（ｎ）の接続点（Ａ）と、プライマリネットワーク（ＲＰ）の端子との間に設けられるとともに、前記装置の制御に用いられる少なくとも１つのバリエータのハーフブリッジであって、第１および第２の制御スイッチ（Ｔ＋ｎ，Ｔ−ｎ）からなるハーフブリッジとを備える。本方法は、コイル（ｎ）の接続点（Ａ）を、少なくとも１つの第３の制御偏差スイッチ（Ｔｎ−ｘ）であって、少なくとも１つのセカンダリ電源ネットワーク（Ｒｘ）に接続される第３の制御スイッチ（Ｔｎ−ｘ）に接続するステップと、記第３のスイッチ（Ｔｎ−ｘ）の電気的状態を、ハーフブリッジの電気的状態に、結び付けるステップを備えることを特徴とする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、良好に使用可能なインダクタンスを有するコイルを備える多相電気的装置に関する。これは、本制御方法によって生成される三角波期間より大きい電気的時定数を有するコイルに適用可能である。
【０００２】
より具体的には、本発明は、電気的装置の電磁コイルに蓄積されたエネルギーの使用を可能とする、可変リラクタンス電気的装置を制御する方法に関し、これにより、装置の多様な動作状態が実現される。
【背景技術】
【０００３】
このように、可変リラクタンス電気装置を始めとして、本制御方法は以下の機能のいくつか、またはすべてを実現するはずである。
【０００４】
・例えばバッテリーから構成されるプライマリ電源ネットワークから電力供給される電気装置の始動機能の実行、
・このプライマリネットワークにおける発電機能の実行、
・例えばバッテリーから構成される少なくとも１つのセカンダリネットワークにおける発電機能の実行、
・プライマリネットワークから少なくとも１つのセカンダリネットワークへの電力供給機能の実行、
・少なくとも１つのセカンダリネットワークから、少なくとも１つの蓄電池への充電または再充電機能の実行、および
・少なくとも１つのセカンダリネットワークからのプライマリ電力供給機能の実行。
【０００５】
可変リラクタンス装置としては、特に、制御回路を介してプライマリ電力供給ネットワークに接続される少なくとも１つの電磁コイルを備えるものが知られている。この制御回路は、制御対象のコイルの接続点とこのプライマリネットワークの端子との間に設けられ、この装置を制御するために用いられる、少なくとも１つのバリエータのハーフブリッジを備え、このハーフブリッジは第１および第２の制御スイッチからなり、この第１および第２のスイッチはそれぞれ、ＯＮ状態またはＯＦＦ状態を維持可能である。
【０００６】
こうした装置は、技術的視点からは充分に満足できるものであるが、しかしながら、これらの制御方法は、コイルに蓄積された電気エネルギーを利用できるものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、かかる欠点を軽減するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するため、この種の装置を制御する方法は、以下のステップを備えることを特徴とする。
【０００９】
・前記コイルの接続点を、電気的ＯＮ状態または電気的ＯＦＦ状態を維持することが可能な、少なくとも１つの第３の制御スイッチに接続し、この第３の制御スイッチは少なくとも１つのセカンダリ電源ネットワークに接続されるバイパススイッチを構成し、および
・この第３のスイッチの電気的状態を、このハーフブリッジの電気的状態に、装置の電磁コイルに蓄積された電気エネルギーがプライマリネットワークおよび／またはセカンダリネットワークに再送出されるように、結び付ける。
【００１０】
こうした構成により、可変リラクタンス装置の電磁コイルは、エネルギーが、多様なネットワーク間、あるいは装置と多様なネットワークの間で交換されることを可能にする、相応の数のエネルギー蓄積要素（電流源）として利用される。
【００１１】
本発明の好適な実施形態によれば、次の配置の１つまたはそれ以上に、本発明の応用が任意に得られる。
【００１２】
・第１および第２のスイッチがＯＦＦの場合のみに、第３のスイッチがＯＮする、
・第２のセカンダリネットワークに接続される他の第３のスイッチがＯＦＦの場合のみに、第１のセカンダリネットワークに接続される第３のスイッチがＯＮする、および
・第３のスイッチがＯＮである間にデッドタイムが取り入れられており、これによりプライマリネットワークとセカンダリ電源ネットワークとの間の短絡が回避される。
【００１３】
他の態様によれば、本発明は、増圧または分圧用の静電コンバータ、またはバリエータとコンバータとの結合を実現するための制御方法に用いられる。
【００１４】
他の態様によれば、本発明は、２電圧可変リラクタンスオルタネータ／スタータにおける同じ制御方法に用いられる。
【００１５】
本発明の他の特徴および利点は、本発明を限定するものではない一例たる、以下における実施形態の開示と、図を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図において、同一の符号は、同一または類似する要素を示す。
【００１７】
図１において、可変リラクタンス装置を制御するためのバリエータハーフブリッジが開示されている。説明の簡潔のため、図１においては装置における１つの電磁コイルのみが図示されており、このコイルはｎとして参照される。
【００１８】
この電子コイルからの電流Ｉｐｈは、コイルの接続点Ａを介して、前記装置の制御バリエータに属するハーフブリッジの中間点Ａに供給される。このハーフブリッジは、前記コイルの接続点とプライマリ電源ネットワークＲＰとの間に並列に接続される第１および第２の制御スイッチＴ＋ｎおよびＴ−ｎからなる。この電源ネットワークは、直流（ＤＣ）電圧、特に０−４２ボルト（Ｖ）または０−１２Ｖタイプの電圧を供給する。
【００１９】
多相装置としては、装置とバリエータのハーフブリッジとの間の誘導性接続は、位相間に結合のない独立的態様であってもよく、あるいは位相およびハーフブリッジ間の結合がデルタ型またはスター型接続によって生ずる従属的態様であってもよい。
【００２０】
図２は、本発明の教示が表されている、図１から得られるバリエータ構造を示す。特に、少なくとも１つのバリエータハーフブリッジが少なくとも１つの第３の制御スイッチと結びついており、このスイッチは、少なくとも１つのコイルの接続点Ａを、少なくとも１つのセカンダリ電源ネットワークＲｘに接続する。
【００２１】
多様な電源ネットワーク間の短絡を回避するため、第１および第２のスイッチＴ＋ｎおよびＴ−ｎは、第３のスイッチＴｎ−ｘのＯＮと排他的な関係で、ＯＮすることが必要となる。このため、これらのスイッチの制御サイクルにデッドタイムが取り入れられている。
【００２２】
第３のスイッチＴｎ−ｘ，Ｔｎ−ｙ，Ｔｎ−ｚはまた、完全に他のものと排他的な関係で（図７に示されるように）ＯＮするように保証されるよう留意すべきである。これらのスイッチは、それぞれ、セカンダリネットワークＲｘ、Ｒｙ、Ｒｚに接続されることができる。
【００２３】
図３は、図２に示される可変リラクタンス装置が、プライマリ電源ネットワークＲＰとセカンダリネットワークＲｘとの間の静電電圧コンバータとして利用される場合を示す。この例において、可変リラクタンス装置は停止している（回転していない）。
【００２４】
図３において、制御方法は、装置を増圧器として動作させている。すなわち、プライマリネットワークを、低電圧のセカンダリネットワークＲｘから再充電されることを可能としている。
【００２５】
このＤＣ動作モードにおいて、第３のスイッチＴｎ−ｘはＯＮ状態を維持する。プライマリ電源ネットワークに送出される電力は、コイルの磁化時間（Ｔ−ｎ ＯＮ）および同一のコイルの消磁時間（Ｔ＋ｎ ＯＮ）の比率によって、図３ａに示されるように規制される。
【００２６】
図４に示される可変リラクタンス装置は、図３に示されるものと同一であるが、動作を異にする。コイル接続点からの電流は、図３に示されるのと逆方向に流れる。この構成においては、装置は、プライマリネットワークＲＰおよび少なくとも１つのセカンダリネットワークＲｘとの間の静電コンバータとして動作を継続するが、分圧モードで動作する（高電圧のプライマリネットワークから少なくとも１つのセカンダリネットワークへの再充電）。
【００２７】
このＤＣ動作モードにおいて、第３の制御スイッチＴｎ−ｘはＯＮ状態を維持し、プライマリネットワークＲＰおよびセカンダリネットワークＲｘとの間の電力は、インダクタの磁化時間（Ｔ−ｎ ＯＮ）およびこのインダクタの消磁時間（Ｔ＋ｎ ＯＮ）の比率によって、図４ａに示されるように規制される。
【００２８】
図５は、図２に示される可変リラクタンス装置が、プライマリ電源ネットワークＲＰとセカンダリネットワークＲｘとの間のコンバータおよびバリエータとして利用される場合を示す。この例において、可変リラクタンス装置は動作している（回転している）。
【００２９】
電気的条件に依存して、セカンダリネットワークＲｘは、少なくとも１つのコイルから電流を取り込むことにより、充電または放電する。本方法は、電流の方向にかかわりなく、電流を取り込むために適用されることに留意すべきである。充電または放電の度合いは、図５ａに示されるように（セカンダリネットワークの再充電）、および図５ｂに示されるように（セカンダリネットワークの放電）、第３のスイッチＴｎ−ｘのＯＮ時間の関数として採用されている。
【００３０】
図６は、本発明の、複数のｎ電磁コイルを備える可変リラクタンス装置への一般化を示す。
【００３１】
構造的には、この装置は、図３または図４に示される装置と同一であるが、特に、コイル１からｎのそれぞれは、第３の制御スイッチＴｘ−１，Ｔｘ−２，Ｔｘ−３，・・・に結び付けられており、これら第３のスイッチのそれぞれは、セカンダリ電源ネットワークＲｘに接続されていて、上述したように動作可能となっている。
【００３２】
図７は、それぞれが異なる電源電位で動作可能な複数のセカンダリネットワークＲｘ，Ｒｙ，Ｒｚを備える本発明の他の実施形態を示す。
【００３３】
この構成において、電磁コイルｎの接続点は、複数の第３の制御スイッチＴｎ−ｘ，Ｔｎ−ｙ，Ｔｎ−ｚに並列に結び付けられており、これらのバイパススイッチのそれぞれは、それぞれのセカンダリ電源ネットワークＲｘ，Ｒｙ，Ｒｚに接続されている。
【００３４】
接地、プライマリネットワーク、およびセカンダリネットワークが、例えばそれぞれ０、１２Ｖ、４２Ｖの異なる電位である場合、電磁コイルの同じ接続点に接続される第１、第２および第３のスイッチＴ＋ｉ，Ｔ−ｉ，Ｔｘ−ｉは、同時にＯＮであってはならないことが必要となる（この例においては、ｉは１からｎの範囲にある）。
【００３５】
上記から、図６および図７に示される可変リラクタンス装置の構成に関する教示は、図７の装置を、図６の複数のｎコイルのものに一般化することが可能であることが理解される。
【００３６】
図８を参照して、本発明を、Ｕ１＝４２Ｖのバッテリを使用し、Ｕ２＝１２Ｖのバッッテリを再充電するために用いられ、双方向コンバータＵ１／Ｕ２を提供可能なオルタネータ／スタータに特に使用した場合の説明をする。
【００３７】
この回路の機能は、次のとおりである。
【００３８】
・４２Ｖバッテリからのモーター機能（すなわちスタータ）を提供すること、
・４２Ｖネットワークでの発電機能を提供すること、
・１２Ｖネットワークでの発電機能を提供すること、
・４２Ｖネットワークから１２Ｖネットワークへの電力供給機能を提供すること、および
・１２Ｖネットワークから４２Ｖネットワークへの充電機能を提供すること。
【００３９】
最初の２つの機能は、オルタネータ／スタータに“従来から”要求されているものであり、最後の３つの機能は、２電圧コンバータに要求されているものである。
【００４０】
従来のオルタネータ／スタータモード（４２Ｖ）においては、構成要素Ｔ１，Ｄ２，Ｄ３およびＴ４のみが使用されるものであり、これらの構成要素は好ましくはスイッチ用のトランジスタおよびダイオードから成る。この場合、装置のコイルは、プライマリネットワーク（Ｕ１＝４２Ｖ）からのみ電力供給される。コイルからの電流が正である場合、スイッチＴ５はＯＦＦであり、Ｔ１，Ｄ２，Ｄ３およびＴ４のみが動作する。電流が負の場合、Ｄ１，Ｔ２，Ｔ３およびＤ４が動作する。
【００４１】
スイッチＴｘおよびダイオードＤｘの組み合わせは、好ましくは金属酸化シリコン（ＭＯＳ）を用いて実現されるとよい。
【００４２】
この動作モードにおいて、ジュール（Ｊｏｕｌｅ）効果損失の低減のため、Ｄ２が導電状態の間、スイッチＴ２を用いることができる。Ｄ３と並列のスイッチを用いることでも、同様のことが可能となるが、こうした環境下においては、トランジスタＴ３，Ｔ４およびＴ５は、相互に排他的にＯＮしなければならない（同時にはこれらのうち１つのみがＯＮである）。
【００４３】
オルタネータモード（装置回転状態）において、または４２Ｖ／１２Ｖコンバータモード（装置停止状態）において、構成要素Ｔ１，Ｄ２およびＴ５のみが用いられる。 他の動作モードも用いることができる。これは、１２Ｖ／４２コンバータモード、または“ブースター”モードである。この場合、装置のインダクタンスの使用がされる。使用される構成要素は、Ｄ１，Ｔ２およびＴ５である。
【００４４】
動作制約条件の点からは、Ｔ１およびＴ２は、４２Ｖネットワークを短絡することになるため、同時にＯＮであってはならないことが重要である。Ｔ５およびＴ４も同様に、１２Ｖネットワークを短絡することになるため、同時に導通（ＯＮ）してはならない。“ブースター”動作において、装置を流れる電流が逆であり、供給電力が１２Ｖネットワークであるならば、スイッチＴ５は、双方向に電流を導通可能であることが必要となる。
【００４５】
これら多様な動作モードを得るためには、適切なスイッチ制御およびこれらの電気状態の適切な管理が必要となる。特に、
・ハーフブリッジの第１および第２のスイッチが閉状態で導通であるＯＮモード（導通モード）。電圧Ｕ１またはＵ２がコイルｎの端子に適用される、
・第１および第２のスイッチがブロックされるＯＦＦモード（開路モード）。電圧Ｕ１またはＵ２が、コイルｎの端子電流がゼロでない場合に適用され、または電流がゼロの場合にゼロ電圧が適用される、および
・スイッチのうち１つが、他がＯＮであるとき、ＯＦＦである（逆も同様）“フリーホイール”モード。これにより、コイルｎの端子電圧がゼロであるフリーホイール動作が得られる。
【００４６】
この制御は、第３のスイッチの制御と結び付けられる必要がある。
【００４７】
すべての構成要素への制御信号は、専門回路、特にフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）タイプの回路を用いてハードウエアによって生成されてもよく、マイクロコントローラを用いてソフトウエアによって生成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】可変リラクタンス装置を制御するハーフブリッジの概略図である。
【図２】本発明に係る可変リラクタンス装置を制御するハーフブリッジの概略図である。
【図３】増圧器として動作する可変リラクタンス装置の概略図であり、図３ａは、図３の装置のスイッチ制御におけるタイミング図である。
【図４】分圧器として動作する可変リラクタンス装置の概略図であり、図４ａは、図４の装置のスイッチ制御におけるタイミング図である。
【図５】電圧コンバータとして動作する可変リラクタンス装置の概略図であり、図５ａおよび図５ｂは、それぞれ、セカンダリネットワークを再充電する場合およびセカンダリネットワークを放電する場合における、図５の装置のスイッチ制御におけるタイミング図である。
【図６】セカンダリ電源ネットワークに接続される複数の電磁コイルを備える可変リラクタンス装置の概略図である。
【図７】複数のセカンダリ電源ネットワークを備える可変リラクタンス装置の概略図である。
【図８】オルタネータ／スタータの概略図である。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの電磁コイル（ｎ）であって、制御回路を介してプライマリ電源ネットワーク（ＲＰ）に接続される電磁コイルを含む装置を制御する方法であって、前記制御回路は、制御対象である前記コイル（ｎ）の接続点（Ａ）および前記プライマリネットワーク（ＲＰ）の端子の間に設けられるとともに、前記装置の制御に用いられる少なくとも１つのバリエータのハーフブリッジを備え、前記ハーフブリッジは、第１および第２の制御スイッチ（Ｔ＋ｎ，Ｔ−ｎ）であって、ＯＮまたはＯＦＦの電気的状態を維持可能である第１および第２の制御スイッチからなり、前記方法は、
   ・前記コイル（ｎ）の前記接続点（Ａ）を、電気的ＯＦＦ状態または電気的ＯＮ状態を維持可能である少なくとも１つの第３の制御スイッチ（Ｔｎ−ｘ）であって、少なくとも１つのセカンダリ電源ネットワーク（Ｒｘ）に接続される第３の制御スイッチ（Ｔｎ−ｘ）に接続するステップと、
   ・前記第３のスイッチ（Ｔｎ−ｘ）の電気的状態を、前記ハーフブリッジの電気的状態に、前記装置の前記電磁コイル（ｎ）に蓄積される電気エネルギーが前記プライマリネットワークおよび／またはセカンダリネットワークに再送出されるよう、結び付けるステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の制御方法であって、前記第３のスイッチ（Ｔｎ−ｘ）は前記第１および第２のスイッチ（Ｔ＋ｎ，Ｔ−ｎ）がＯＦＦ状態の場合のみに、ＯＮする
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の制御方法であって、前記第１のセカンダリネットワーク（Ｒｘ）に接続される前記第３のスイッチ（Ｔｎ−ｘ）は、第２のセカンダリネットワーク（Ｒｙ）に接続される他の第３のスイッチがＯＦＦ状態の場合のみに、ＯＮする
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか記載の制御方法であって、前記第３のスイッチ（Ｔｎ−ｘ）がＯＮである間に、デッドタイムが取り入れられ、これにより前記プライマリネットワーク（ＲＰ）および前記セカンダリ電源ネットワーク（Ｒｘ）の間の短絡を防止する
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の制御方法を、増圧または分圧するための静電コンバータとして使用する方法。
6. 請求項１ないし４のいずれか記載の制御方法を、バリエータおよびコンバータの結合として使用する方法。
7. 請求項１ないし４のいずれか記載の制御方法を、２電圧可変リラクタンスオルタネータ／スタータとして使用する方法。

Images