JP2010104227A - 電力用電子装置及び機械インダクタンスを用いてエネルギを伝達する装置と該装置を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】牽引用インバータ回路を提供する。
【解決手段】牽引用インバータ回路は、ＤＣ電圧を出力するように構成されている第１のエネルギ蓄積装置（１２，７６）と、前記第１のエネルギ蓄積装置に結合された第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）と、第１の電気機械装置（６０，１０６）とを含む。前記電気機械装置は、前記両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータに結合された複数の巻線（６４〜６８，１０８〜１１２）を含む。牽引用インバータ回路はまた、前記電気機械装置の前記複数の巻線に結合された第１の導体（８２）を有する充電用母線（８０）を含む。この充電用母線（８０）は、前記電気機械装置及び前記両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータを介して前記エネルギ蓄積装置を充電するために前記電気機械装置へ充電電流を伝送し且つ前記電気機械装置から充電電流を受け取るように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に云えば、ハイブリッド型車両及び電気車両を含む電気駆動システム並びに過渡的な又はパルス状の負荷を受ける据え置き型駆動装置に関するものであり、より具体的には、車両又は駆動装置の蓄電装置と車両外部の電源との間でエネルギを伝達することに関するものである。

ハイブリッド型電気車両では、車両を推進させるために、内燃機関と、牽引用蓄電池のようなエネルギ蓄積装置から給電される電動機とを組み合わせることができる。このような組合せは、内燃機関及び電動機の各々をそれぞれの高効率の範囲内で動作させることによって、全体の燃料効率を増大させることができる。例えば、電動機はスタンディング・スタートからの加速に効率がよく、他方、内燃機関は、高速道路での運転におけるような一定の機関動作が持続する期間において効率がよい。初期加速を高めるために電動機を持つことは、ハイブリッド型車両内の内燃機関をより小形にし且つ燃料効率をより良くすることが可能である。

純粋な電気車両は、車両を推進し且つまた補助的な駆動装置を動作させることができる電動機に給電するために蓄積された電気エネルギを使用する。純粋な電気車両は、１つ以上の蓄積電気エネルギ源を使用することができる。例えば、より長く持続するエネルギを供給するために第１の蓄積電気エネルギ源を使用することができ、他方、例えば、加速のためのより大きい出力エネルギを供給するために第２の蓄積電気エネルギ源を使用することができる。

プラグイン式電気車両は、ハイブリッド電気型か純粋電気型に拘わらず、牽引用蓄電池を再充電するために外部電源から電気エネルギを使用するように構成される。このような車両としては、例えば、オンロード及びオフロード車両、ゴルフ・カー、地域内電気車両、フォークリフト、並びに小形トラックを挙げることができる。このような車両は、電力系統又は再生可能なエネルギ源から車両の車載牽引用蓄電池へ電気エネルギを伝達するために車外据え置き蓄電池充電装置又は車載蓄電池充電装置を使用することができる。

プラグイン式車両は、例えば、電力系統又は他の外部電源から牽引用蓄電池を再充電し易くするための回路及び接続部を含むことができる。しかしながら、蓄電池充電回路は、昇圧コンバータ、高周波フィルタ、チョッパ、インダクタ、及び車載蓄電装置と外部電源との間でエネルギを伝達するためにのみ用いられる他の電気部品のような、専用構成部品を含むことがある。これらの追加の専用構成部品は車両について余分なコスト及び重量を付加する。

米国特許第５３７３１９５号 米国特許第５５８９７４３号 米国特許第５９０３４４９号 米国特許第６３３１３６５号 米国特許第６７３７８２２号 米国特許第７０４９７９２号

従って、外部電源からプラグイン式車両の車載蓄電装置への電気エネルギの伝達を容易にして、車載蓄電装置と外部電源との間でエネルギを伝達するためにのみ用いられる専用構成部品の数を少なくする装置を提供することは望ましいと考えられる。

本発明の一面に従って提供する牽引用インバータ回路は、ＤＣ電圧を出力するように構成されている第１のエネルギ蓄積装置と、前記第１のエネルギ蓄積装置に結合された第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータと、第１の電気機械装置とを含む。前記第１の電気機械装置は、前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータに結合された第１の複数の導体と、一緒に結合された第２の複数の導体と、前記第１の複数の導体と前記第２の複数の導体との間に結合された複数の巻線とを含む。牽引用インバータ回路はまた、前記第１の電気機械装置の前記第２の複数の導体に結合された第１の導体を有する充電用母線を含む。この充電用母線は、前記第１の電気機械装置及び前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータを介して前記第１のエネルギ蓄積装置を充電するために、前記第１の電気機械装置へ充電電流を伝送し又は前記第１の電気機械装置から充電電流を受け取るように構成されている。

本発明の別の面に従って提供する方法は、第１のＤＣエネルギ蓄積装置を第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータへ結合する段階と、第１の電気機械装置を第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータへ結合する段階とを含み、この場合、前記第１の電気機械装置は、機械エネルギを電気エネルギへ変換するように構成され且つ電気エネルギを機械エネルギへ変換するように構成される。本方法はまた、導体を第１の電気機械装置へ結合する段階を含み、この場合、前記導体は、第１の電気機械装置を介して且つ第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータを介して第１のエネルギ蓄積装置を充電するために、第１の電気機械装置を介して充電電流を伝達するように構成される。

本発明の更に別の面に従って提供するシステムは、機械エネルギを電気エネルギへ変換するように構成され且つ電気エネルギを機械エネルギへ変換するように構成された機械を含む。該機械は、各々が第１の端部及び第２の端部を持つ複数の巻線と、各々がそれぞれの対応する巻線の第１の端部に結合された複数の第１の導体と、各々がそれぞれの対応する巻線の第２の端部に結合された複数の第２の導体とを含む。本システムはまた、ＡＣ電気エネルギをＤＣ電気エネルギへ変換し且つＤＣ電気エネルギをＡＣ電気エネルギへ変換するように構成されている電圧インバータを含み、該電圧インバータは複数の第１の導体を介して複数の巻線に結合されている。第１のエネルギ蓄積装置が電圧インバータに結合され、また充電用導体が複数の第２の導体を介して複数の巻線に結合されており、該充電用導体は第１のエネルギ蓄積装置を充電するために前記機械を介して充電エネルギを伝送するように構成される。

様々な他の特徴及び利点は図面を参照した以下の詳しい説明から明らかになろう。

図面は発明を実施するために現在考えられる実施形態を示している。

図１は、本発明の一実施形態に従った牽引システムの概略回路図である。 図２は、本発明の一実施形態に従った別の牽引システムの概略回路図である。 図３は、本発明の一実施形態に従った更に別の牽引システムの概略回路図である。 図４は、本発明の一実施形態に従った更に別の牽引システムの概略回路図である。 図５は、本発明の一実施形態に従った更に別の牽引システムの概略回路図である。 図６は、本発明の一実施形態に従った更に別の牽引システムの概略回路図である。

図１は、本発明の一実施形態に従った牽引システム１０の概略回路図である。牽引システム１０は第１のエネルギ蓄積装置１２を含む。一実施形態では、第１のエネルギ蓄積装置１２は低電圧エネルギ蓄積装置であり、蓄電池、燃料電池、超コンデンサ又は同様なものであってよい。第１のエネルギ蓄積装置１２は、１つのＤＣ電圧を別のＤＣ電圧に変換するように構成された両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に結合される。両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、一対のスイッチ１８，２０に結合されていると共に一対のダイオード２２，２４に結合されているインダクタ１６を含む。各スイッチ１８，２０はそれぞれのダイオード２２，２４に結合されており、また各々のスイッチ／ダイオード対はそれぞれの半相(half phase)モジュール２６，２８を形成する。例示の目的で、スイッチ１８，２０は絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）として示されている。しかしながら、本発明の実施形態はＩＧＢＴに制限されない。任意の適切な電子スイッチ、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、及び金属酸化物半導体制御型サイリスタ（ＭＣＴ）を用いることができる。

牽引システム１０は、それぞれの一対の線路３２を介してスイッチ１８，２０に結合された制御装置３０を含む。制御装置３０は、スイッチ１８及び２０の適切な制御により、両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４を制御して、第１のエネルギ蓄積装置１２の電圧をより高い電圧へ昇圧し、その高い電圧を、両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に結合されたＤＣ母線３８の一対の導体３４，３６に供給するように構成されている。制御装置３０はまた、両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４のスイッチ１８及び２０を制御して、ＤＣ母線３８から電圧を降圧(buck)し、この降圧された電圧を第１のエネルギ蓄積装置１２へ供給するように構成される。

牽引システム１０は、ＤＣ母線３８に結合された両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を含む。両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０は６つの半相(half phase)モジュール４２，４４，４６，４８，５０及び５２を含み、これらのモジュールは３つの相５４，５６及び５８を形成するように対にされる。各相５４，５６，５８はＤＣ母線３８の導体３４及び３６に結合される。電気機械装置又は機械６０が両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０に結合される。一実施形態では、電気機械装置６０は、車両（図示せず）の１つ以上の駆動用車輪又は車軸６２に機械的に結合された牽引電動機である。電気機械装置６０は、両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０のそれぞれの相５４，５６，５８に結合された複数の導体７０を持つ複数の巻線６４，６６及び６８を含む。巻線６４〜６８はまた、ノード７４を形成するように一緒に結合された複数の導体７２を持つ。

制御装置３０は、それぞれの線路３２を介して半相モジュール４２〜５２に結合される。制御装置３０は、半相モジュール４２〜５２の適切な制御により、両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を制御して、ＤＣ母線３８上のＤＣ電圧又は電流を、導体７０を介して巻線６４〜６８に供給するためのＡＣ電圧又は電流へ変換するように構成される。従って、第１のエネルギ蓄積装置１２からのＤＣ電圧又は電流は両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４によってより高いＤＣ電圧又は電流へ増大させることができ、その高いＤＣ電圧又は電流は次いでＡＣ電圧又は電流へ変換して、車輪６２を駆動するために電動機６０へ供給することができる。他の非車両推進システムでは、駆動用車輪６２は、ポンプ、ファン、ウィンチ、クレーン又は他の電動機駆動負荷を含むパルス状負荷（図示せず）であってよい。回生制動モードでは、電気機械装置６０は、発電機として動作して、車輪６２を制動し且つＤＣ母線３８へ向かうＤＣ電圧又は電流へ逆変換するためにＡＣ電圧又は電流を両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０へ供給することができる。その後、ＤＣ電圧又は電流は、両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４により、第１のエネルギ蓄積装置１２を再充電するのに適した別のＤＣ電圧又は電流に降圧又は変換することができる。

本発明の一実施形態では、車輪６２を駆動するための追加の電力を供給するためにＤＣ母線３８に第２のエネルギ蓄積装置７６（仮想線で示す）を結合することができる。第２のエネルギ蓄積装置７６は、例えば、車両の加速期間中に電力を供給するために第１のエネルギ蓄積装置１２よりも大きい電力を供給するように構成することができる。第１のエネルギ蓄積装置１２は、車両の走行距離を伸ばすように車両に長く持続する電力を供給するために、第２のエネルギ蓄積装置７６よりも大きいエネルギを供給するように構成することができる。第２のエネルギ蓄積装置７６によりＤＣ母線３８に供給されるエネルギはまた、両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０により逆変換して、電気機械装置６０を力行運転(motoring)するように供給することができる。同様に、回生制動モードの際に生成されるエネルギはまた、両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を介して第２のエネルギ蓄積装置７６を再充電するように用いることができる。

牽引システム１０を組み込んでいる車両が駐車されているとき又は使用中でないとき、エネルギ蓄積装置１２，７６のいずれか又は両方をリフレッシュ又は再充電するために車両を、例えば、電力系統又は再生可能なエネルギ源にプラグ・インすることが望ましいと考えられる。従って、図１は、エネルギ蓄積装置１２，７６を再充電する目的とエネルギ蓄積装置１２，７６からのエネルギを車両の推進に使用可能なエネルギに変換する目的との二重の目的のために牽引システム１０の構成部品を使用できるように、エネルギ蓄積装置１２，７６の再充電のために牽引システム１０に結合された充電システム７８を含む本発明の一実施形態を示す。

充電システム７８は、一対の導体８２，８４を持つ充電用母線８０を含む。図１に示されるように、導体８２はノード７４に結合され、また導体８４はＤＣ母線３８の導体３６に結合される。充電システム７８は、充電用母線８０に結合され且つ接点９０，９２を持つレセプタクル８８に結合された整流器８６を含む。レセプタクル８８は、外部電源１００の接点９６，９８を持つプラグ９４と係合するように構成される。一実施形態では、外部電源１００がＡＣ電源であり、また外部電源１００の１相、２相又は３相を使用することができ、また外部電源１００が、例えば、交流１２０Ｖ又は２４０Ｖの電力を供給できると考えられる。三相ＡＣ外部電源１００で動作させるために設計された構成では、整流器８６は、三相整流器の第３の相のために２つの追加のダイオード（図示せず）を含むように構成することができる。本発明の別の実施形態によれば、外部電源１００をＤＣ電源とすることが考えられる。整流器８６を介してＤＣ電源１００を充電用母線８０に結合することは、ＤＣ電源１００が逆極性を持つ整流器８６に結合されている場合に充電用母線８０へ伝達された充電電圧が確実に正しい極性を持つようにするのに役立つ。

ＡＣ電力系統の力率は、皮相電力に対する有効電力の比として定義され、そして０と１との間の数、又は０と１００との間の百分率で表現することができる。有効電力は、或る特定の時間内に仕事を遂行するための回路の容量である。皮相電力は、回路の電流と電圧との積である。負荷に蓄積されて電源に戻されるエネルギに起因して、又は電源から流れる電流の波形を歪ませる非線形負荷に起因して、皮相電力は有効電力よりも大きくなることがある。力率の低い回路は、力率の高い回路よりも遂行する仕事量が低い。従って、同じ仕事量を遂行するためには、力率の低い回路にはより高い電圧又は電流が入力される。

正弦波電流及び電圧を持つ回路では、力率は電流と電圧との間の位相差に起因して減少することがある。スイッチ・モードの電源装置は、エネルギ伝達力率を増大させるために負荷によって引き出される電力量を制御するように構成することができる。用途によっては、スイッチ・モードの電源装置は、例えば、降圧／昇圧コンバータを含むものは、そこからの電流出力を制御して、電流波形がそこからの電圧波形出力に比例するようにする。例えば、降圧／昇圧コンバータは、電流波形を、電圧波形の正弦波と同相の正弦波に成形することができる。昇圧コンバータは、一定のＤＣ母線出力線路電圧を維持しながら、該出力線路電圧と同相で且つ同じ周波数である電流を流れさせるように制御できる。

外部電源１００が接点９０，９２，９６，９８を介して充電システム７８に接続されたとき、制御装置３０は、例えば、相５４の半相モジュール４２，４４を制御して、電気機械装置６０の巻線６４に印加される充電電圧を昇圧又は降圧するように構成される。充電電圧が充電中のそれぞれの蓄積装置よりも高いときに該充電電圧を降圧することは、牽引システム１０が、牽引システム１０の各素子の電圧定格と合致する外部電源１００から入力される広範囲の線路電圧に基づいて高い又は１に近い力率で動作することを可能にする。昇圧された又は降圧された充電電圧はＤＣ母線３８に供給されて、第２のエネルギ蓄積装置７６（存在する場合）を直接再充電するために、また制御装置３０による両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４の降圧制御を介して第１のエネルギ蓄積装置１２を再充電するために使用される。制御装置３０はまた、相５６の半相モジュール４６，４８及び／又は相５８の半相モジュール５０，５２を更に制御して、リップルを低減するために充電中にインターリーブ・モードで二相又は三相昇圧回路として両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を動作させるように構成することができる。更に、充電中の一相、二相又は三相動作は、部分負荷充電効率を最大にすることができる。

図２は、本発明の別の実施形態に従った牽引システム１０２の概略回路図を示す。牽引システム１０及び１０２に共通な素子及び構成部品を必要に応じて同じ参照数字に関連して説明する。図３〜６もまた、共通の構成部品を同じ参照数字に関連して説明する。牽引システム１０２は、第２の電気機械装置１０６に結合された第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ１０４を含み、第２の電気機械装置１０６は複数の巻線１０８，１１０及び１１２を含む。第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ１０４は６つの半相モジュール１１４，１１６，１１８，１２０，１２２及び１２４を含み、これらのモジュールは３つの相１２６，１２８及び１３０を形成するように対にされる。各相１２６，１２８，１３０はＤＣ母線３８の導体３４及び３６に結合される。

本発明の一実施形態では、電気機械装置６０は車輪６２に結合された牽引電動機であり、また電気機械装置１０６は内燃機関１３２に機械的に結合された交流発電機である。制御装置３０はそれぞれの線路３２を介して半相モジュール１１４〜１２４に結合される。制御装置３０は、半相モジュール１１４〜１２４の適切な制御により、クランキング(cranking)インバータ１０４を制御して、ＤＣ母線３８上のＤＣ電圧又は電流が、内燃機関１３２に対するクランキング・トルクを生成するために交流発電機１０６の巻線１０８〜１１２に供給されるＡＣ電圧又は電流へ変換されるように構成される。この代わりに、内燃機関１３２が交流発電機１０６にトルクを印加することにより、ＡＣ電圧又は電流がＤＣ母線３８上のＤＣ電圧又は電流へ逆変換するためのクランキング・インバータ１０４へ供給されるようにすることができる。その後、このＤＣ電圧又は電流は第２のエネルギ蓄積装置７６を再充電し、及び／又は両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４により、第１のエネルギ蓄積装置１２を再充電するのに適した別のＤＣ電圧又は電流へ降圧又は変換することができる。

図２に示されているように、充電システム７８が交流発電機１０６に結合されている。しかしながら、充電システム７８は、図１に示されているように電動機６０に結合することもできると考えられる。そこで、制御装置３０は、例えば、相１２６の半相モジュール１１４，１１６を制御して、交流発電機１０６の巻線１０８に流入する充電電圧又は電流を昇圧するように構成される。昇圧された充電電圧は、ＤＣ母線３８に供給されて、第２のエネルギ蓄積装置７６（存在する場合）を直接に再充電するために、また制御装置３０による両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４の降圧制御により第１のエネルギ蓄積装置１２を再充電するために使用される。もし第２のエネルギ蓄積装置７６が存在していない場合、インバータ１０４に含まれているＤＣリンク・フィルタ・コンデンサ（図示せず）がＤＣ母線３８について平滑化機能を提供し、また第１のエネルギ蓄積装置１２の再充電が、制御装置３０による両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４の降圧制御により行うことができる。従って、高い力率は、ＤＣ母線３８上のＤＣ電圧レベルが整流器８６出力のピーク電圧よりも高くなる構成の場合に実現できる。制御装置３０はまた、相１２８の半相モジュール１１８，１２０及び／又は相１３０の半相モジュール１２２，１２４を更に制御して、リップルを低減するために充電中にインターリーブ・モードで二相又は三相昇圧回路としてクランキング・インバータ１０４を動作させるように構成することができる。更に、充電中の一相、二相又は三相動作は、部分負荷充電効率を最大にすることができる。

図３は、本発明の別の実施形態に従った牽引システム１３４の概略回路図を示す。牽引システム１３４は図２の牽引システム１０２に基づいたものである。しかしながら、牽引システム１３４は、整流器８６が牽引システム１３４の外部にある本発明の一実施形態を示している。外部の整流器８６は、レセプタクル８８及びプラグ９４の接点９０，９２，９６，９８を介して充電用母線８０に接続される。この態様では、整流器８６は、車両（図示せず）の外の外部ＡＣ電源１００に接続されるモジュールと一体化することができる。

牽引システム１３４はまた、ＤＣ母線３８の導体３４に、例えば、両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０の相５４及び５６の間に接続された接触器１３６を含む。この実施形態では、制御装置３０は、両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０が降圧／昇圧コンバータとなるように、半相モジュール４２〜４８を制御するように構成される。すなわち、制御装置３０は両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を制御して、充電電圧又は電流の値に依存して充電電圧又は電流を降圧（減少）又は昇圧（増大）させることができる。例えば、充電電圧がＤＣ母線３８上の電圧よりも小さいときのように、充電電圧が第２のエネルギ蓄積装置７６（存在する場合）を再充電するのに必要な電圧よりも小さい場合、制御装置３０は両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を制御して、充電電圧を昇圧させる。充電電圧がＤＣ母線３８上の電圧よりも大きいときのように、充電電圧が第２のエネルギ蓄積装置７６（存在する場合）を再充電するのに必要な電圧よりも大きい場合、制御装置３０は両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を制御して、充電電圧を降圧する。充電電圧が第２のエネルギ蓄積装置７６を再充電するのに必要な電圧よりも小さい場合、制御装置３０は両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を制御して、充電電圧を昇圧させる。降圧モードでは、制御装置３０が半相モジュール４６のスイッチ１４０を制御して、電流をスイッチ１４０及び半相モジュール４８のダイオード１４２に交互に流れさせる間、半相モジュール４２のダイオード１３８は導通する。昇圧モードでは、制御装置３０は、電流を半相モジュール４４のスイッチ１４４及び半相モジュール４２のダイオード１３８に交互に流れさせる間、半相モジュール４６のスイッチ１４０をオンに留まるように制御する。この態様では、巻線６４〜６６はインダクタとして作用する。両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０が制御装置３０により昇圧コンバータとして、また降圧コンバータとして動作可能であるので、充電電圧は半導体及び関連受動性構成部品の電圧定格までの任意の値にすることができ、他方、充電電圧波形全体を通じて１に近い力率を維持することができる。蓄積装置７６が存在しない場合、ＤＣ−ＡＣインバータ４０に含まれる入力ＤＣリンク・フィルタ・コンデンサ又は平滑化コンデンサ（図示せず）が、第１のエネルギ蓄積装置１２を充電するために図１に述べたように両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に供給されるＤＣ母線３８の電圧を維持する。

図４は、本発明の別の実施形態に従った牽引システム１４６の概略回路図を示す。牽引システム１４６は図３の牽引システム１３４に基づいたものである。しかしながら、牽引システム１４６は、電力系統に結合された整流器を含む代わりに、（接点１５８，１６０を持つ）プラグ１５６と係合するように構成された（接点１５２，１５４を持つ）レセプタクル１５０を介して充電用母線８０に直接に接続されたＤＣ電源又はシンク１４８を含む。制御装置３０は、前に述べたようにそれを通る充電電圧又は電流を降圧（減少）又は昇圧（増大）させるように両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を動作させ又は制御する。ＤＣ電圧源１４８は、半導体及び関連受動性構成部品の電圧定格までの最大電圧を持つ充電電圧源とすることができる。

本発明の代替実施形態では、ＤＣ電源１４８は、昇圧コンバータ１４及び制御装置３０の動作によりエネルギ蓄積装置１２及び／又はエネルギ蓄積装置７６（存在する場合）を機能試験又は較正、或いはＤＣ負荷の動作のために放電させることのできるＤＣ負荷（例えば、抵抗又はＤＣ電動機を含む）とすることができる。

図５は、本発明の別の実施形態に従った牽引システム１６２の概略回路図を示す。牽引システム１６２は、図２の牽引システム１０２と同様な、第１及び第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０，１０４と電気機械装置６０，１０６とを含む。しかしながら、図５に示されている両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ１０４は、図２に示されているようにＤＣ母線３８により両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０に並列に結合されるのではなく、第２のＤＣ母線１６４により第１のエネルギ蓄積装置１２に並列に結合される。これにより、外部電源１００からの充電電圧は、制御装置３０による適切な制御により両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ１０４で昇圧される。昇圧された充電電圧又は電流は第１のエネルギ蓄積装置１２を直接に再充電し、また両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４の昇圧制御により第２のエネルギ蓄積装置７６（存在する場合）を再充電する。制御装置３０はまた、相１２８の半相モジュール１１８，１２０及び／又は相１３０の半相モジュール１２２，１２４を更に制御して、リップルを低減するために充電中にインターリーブ・モードで二相又は三相昇圧回路としてクランキング・インバータ１０４を動作させるように構成することができる。更に、充電中の一相、二相又は三相動作は、部分負荷充電効率を最大にすることができる。制御装置３０はまた、相１２６の半相モジュール１１４，１１６、相１２８の半相モジュール１１８，１２０及び相１３０の半相モジュール１２２，１２４を更に制御して、クランキング・インバータ１０４をＡＣ−ＤＣコンバータとして動作させることにより、エネルギ蓄積装置１２に制御された充電電圧を供給し、また交流発電機１０６を駆動する内燃機関１３２を使用してＤＣ−ＡＣインバータ４０及び電気機械６０より成る牽引駆動システムを動作させる電力を供給するように構成することができる。

図６は、本発明の別の実施形態に従った牽引システム１６６の概略回路図を示す。牽引システム１６６はスイッチ１６８を含み、スイッチ１６８は巻線６４に、ノード７４に、また充電用母線８０の導体８４に結合されている。制御装置３０は１つ以上のそれぞれの線路３２を介してスイッチ１６８に結合される。充電モードでは、制御装置３０はスイッチ１６８を制御して、巻線６４を導体８４に結合する。この態様では、ＡＣ電力系統のような外部電源１００からの充電電圧が両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４０を介して昇圧されて、第２のエネルギ蓄積装置７６（存在する場合）を直接に再充電するために、また両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４の降圧制御により第１のエネルギ蓄積装置１２を再充電するために使用される。力行運転モードでは、外部電源１００が牽引システム１６６から切り離され、また制御装置３０はスイッチ１６８を制御して、巻線６４をノード７４に結合する。この態様では、第１及び／又は第２のエネルギ蓄積装置１２，７６からのエネルギは逆変換されて、車輪６２を駆動するために電気機械装置６０に供給することができる。

制御装置３０は、半相モジュール４２〜５２を制御して充電電圧又は電流を昇圧（増大）させることに加えて、半相モジュール４２〜５２を適切に制御してＡＣ充電電圧又は電流を整流させる。従って、図１に示された整流器８６のような整流器は必要とされない。

このように本発明の実施形態では、牽引制御システムのインバータ及び機械インダクタンスを使用して、牽引制御システムの１つ以上のエネルギ蓄積装置を再充電する。この態様では、インバータ及び機械は、力行運転し且つエネルギ蓄積装置を再充電すると云う二重の目的のために使用することができる。インバータ及び機械インダクタンスを使用することにより、エネルギ蓄積装置の高力率で高調波の低い充電を可能にする。

本発明の一実施形態に従って提供する牽引用インバータ回路は、ＤＣ電圧を出力するように構成されている第１のエネルギ蓄積装置と、前記第１のエネルギ蓄積装置に結合された第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータと、第１の電気機械装置とを含む。前記第１の電気機械装置は、前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータに結合された第１の複数の導体と、一緒に結合された第２の複数の導体と、前記第１の複数の導体と前記第２の複数の導体との間に結合された複数の巻線とを含む。牽引用コンバータ回路はまた、前記第１の電気機械装置の前記第２の複数の導体に結合された第１の導体を有する充電用母線を含む。この充電用母線は、前記第１の電気機械装置及び前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータを介して前記第１のエネルギ蓄積装置を充電するために、前記第１の電気機械装置へ充電電流を伝送し又は前記第１の電気機械装置から充電電流を受け取るように構成される。

本発明の別の実施形態に従って提供する方法は、第１のＤＣエネルギ蓄積装置を第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータへ結合する段階と、第１の電気機械装置を第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータへ結合する段階とを含み、この場合、前記第１の電気機械装置は、機械エネルギを電気エネルギへ変換するように構成され且つ電気エネルギを機械エネルギへ変換するように構成される。本方法はまた、導体を第１の電気機械装置へ結合する段階を含み、この場合、前記導体は、第１の電気機械装置を介して且つ第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータを介して第１のエネルギ蓄積装置を充電するために、第１の電気機械装置を介して充電電流を伝達するように構成される。

本発明の更に別の実施形態に従って提供するシステムは、機械エネルギを電気エネルギへ変換するように構成され且つ電気エネルギを機械エネルギへ変換するように構成された機械を含む。該機械は、各々が第１の端部及び第２の端部を持つ複数の巻線と、各々がそれぞれの対応する巻線の第１の端部に結合された複数の第１の導体と、各々がそれぞれの対応する巻線の第２の端部に結合された複数の第２の導体とを含む。本システムはまた、ＡＣ電気エネルギをＤＣ電気エネルギへ変換し且つＤＣ電気エネルギをＡＣ電気エネルギへ変換するように構成されている電圧インバータを含み、該電圧インバータは複数の第１の導体を介して複数の巻線に結合されている。第１のエネルギ蓄積装置が電圧インバータに結合され、また充電用導体が複数の第２の導体を介して複数の巻線に結合されており、該充電用導体は第１のエネルギ蓄積装置を充電するために前記機械を介して充電エネルギを伝送するように構成される。

本発明を限られた数の実施形態のみについて詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明していないが、本発明の精神及び範囲に相応する様々な変形、変更、置換又は等価構成を取り入れるように修正することできる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾分かのみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は上記の説明によって制限されると見なすべきではなく、特許請求の範囲によって限定される。

１０ 牽引システム
１２ 第１のエネルギ蓄積装置
１４ 両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ
１６ インダクタ
１８、２０ 対のスイッチ
２２、２４ 対のダイオード
２６、２８ 半相モジュール
３２ 線路
３４、３６ 対の導体
３８ ＤＣ母線
４０ 両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ
４２、４４ 半相モジュール
４６、４８ 半相モジュール
５０、５２ 半相モジュール
５４、５６、５８ 相
６０ 電気機械装置
６４、６６、６８ 巻線
７０、７２ 導体
７４ ノード
７６ 第２のエネルギ蓄積装置
７８ 充電システム
８０ 充電用母線
８２、８４ 対の導体s
８６ 整流器
８８ レセプタクル
９０、９２ レセプタクルの接点
９４ プラグ
９６、９８ プラグの接点
１００ 外部電源
１０２ 牽引システム
１０４ 両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ
１０６ 第２の電気機械装置
１０８、１１０、１１２ 巻線
１１４、１１６ 半相モジュール
１１８、１２０ 半相モジュール
１２２、１２４ 半相モジュール
１２６、１２８、１３０ 相
１３４ 牽引システム
１３６ 接触器
１３８ ダイオード
１４０ スイッチ
１４２ ダイオード
１４４ スイッチ
１４６ 牽引システム
１４８ ＤＣ電源又はシンク
１５０ レセプタクル
１５２、１５４ レセプタクルの接点
１５６ プラグ
１５８、１６０ プラグの接点
１６２ 牽引システム
１６４ 第２のＤＣ母線
１６６ 牽引システム
１６８ スイッチ

Claims (10)

1. ＤＣ電圧を出力するように構成されている第１のエネルギ蓄積装置（１２，７６）と、
   前記第１のエネルギ蓄積装置（１２，７６）に結合された第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）と、
   前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）に結合された複数の巻線（６４〜６８，１０８〜１１２）を含む第１の電気機械装置（６０，１０６）と、
   前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）に結合された充電用母線（８０）であって、前記第１の電気機械装置（６０，１０６）の前記複数の巻線（６４〜６８，１０８〜１１２）に結合された第１の導体（８２）を有する充電用母線（８０）と、を有し、
   前記充電用母線（８０）が、前記第１の電気機械装置（６０，１０６）及び前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）を介して前記第１のエネルギ蓄積装置（１２，７６）を充電するために前記第１の電気機械装置（６０，１０６）へ充電電流を伝送し且つ前記第１の電気機械装置（６０，１０６）から充電電流を受け取るように構成されていること、
   を特徴とする牽引用インバータ回路。
2. 更に、エネルギ蓄積装置（１２，７６）に結合された両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ（１４）と、前記両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ（１４）と前記第１の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）との間に結合されたＤＣ母線（３８，１６４）とを有している請求項１記載の牽引用インバータ回路。
3. 更に、前記ＤＣ母線（３８）に結合された第２のエネルギ蓄積装置（１２，７６）を有している請求項２記載の牽引用インバータ回路。
4. 前記第２のエネルギ蓄積装置（７６）は前記第１のエネルギ蓄積装置（１２）よりも高い電圧を持つ、請求項３記載の牽引用インバータ回路。
5. 更に、前記両方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ（１４）に結合された第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）と、
   前記第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）に結合された複数の巻線（６４〜６８，１０８〜１１２）を含む第２の電気機械装置（６０，１０６）と、
   を有している請求項２記載の牽引用インバータ回路。
6. 前記第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）は前記ＤＣ母線（３８）に結合された複数の全相(full-phase)モジュールを含んでおり、各々の全相モジュールは、一対のスイッチと一対のダイオードとを有しており、更に、前記複数の全相モジュールの内の２つの間の前記ＤＣ母線（３８）には接触器（１３６）が結合されている、請求項５記載の牽引用インバータ回路。
7. 前記牽引用インバータ回路は更に、前記第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）に結合された制御装置（３０）を有しており、該制御装置（３０）は、前記牽引用インバータ回路の力率を１へ向けるために充電電圧のレベルに基づいて昇圧モード及び降圧モードの内の１つで前記第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）の動作を制御するように構成されている、請求項６記載の牽引用インバータ回路。
8. 前記充電用母線（３８）は、ＡＣ電源（１００）から充電電圧を受け取るように構成されている、請求項７記載の牽引用インバータ回路。
9. 前記牽引用インバータ回路は更に、前記第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）に結合された制御装置（３０）を有しており、該制御装置（３０）は、充電電圧のレベルに基づいて昇圧モード及び降圧モードの内の１つで前記第２の両方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ（４０，１０４）の動作を制御するように構成されており、また、前記充電用母線（３８）が、ＤＣ電源（１４８）から充電電圧を受け取るように構成されている、請求項６記載の牽引用インバータ回路。
10. 前記一対のスイッチは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）及び金属酸化物半導体制御型サイリスタ（ＭＣＴ）の内の一種類で構成されている、請求項６記載の牽引用インバータ回路。