JP2010541534A - 電気機械のための電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＭＣの問題を回避し、費用の少ないプリチャージ回路を備える電気機械に電力を供給するためのシステムを提供する。
【解決手段】システム１００は、電源１０２と、電気機械Ｍに対して電力を供給するための電子回路１０８と、閉位置にあるときに電源１０２が電子回路１０８に電力を供給する第１スイッチ１０１と、第１スイッチ１０１が閉位置にあるとき、電源１０２に並列に接続される少なくとも１つのキャパシタ１０４、１０５と、キャパシタ１０４、１０５をプリチャージさせるためのプリチャージ回路１１４と、第２スイッチ（＋ＡＰＣ）を備え、プリチャージ回路１１４は、第２スイッチ（＋ＡＰＣ）が閉状態のとき、電源１０２に接続され、第１スイッチ１０１は、キャパシタ１０４、１０５のプリチャージ後に閉塞するように制御される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気機械に電力を供給するシステムに関する。本発明は、特に、自動車に使用される電気モータに電力を供給する分野に適用すると有益である。

自動車に使用される電気モータのような電気機械に電力を供給するシステムは、通常、車両のバッテリから、前記電気モータの電力供給を管理する電子回路基板に電圧を供給するように設計された電力回路を備えている。

電力供給システム１の一例を、図１に概略的に示す。このシステムは、
− 車両のバッテリから構成される電源２と、
− 電力回路３と、
− モータＭに電力を供給するように設計された電子電力供給回路８、
とを備えている。

電力回路３は、
− 並列に接続される２つのキャパシタ４および５と、
− 電源２の陽極端子＋Ｂａｔと、２つのキャパシタ４および５の第１共通端子との間に接続されるインダクタ６、
とを備えている。

電力回路３の機能は、電源２から電力供給電子回路８に電圧を供給することである。電力回路３は、例えば、図示しない複数の銅母線を備えている。

電動パワーステアリングシステムに用いられるブラシレスモータにおいては、電力供給電子回路８は、３つのブリッジアーム９、１０および１１を備え、各ブリッジアーム９、１０および１１は、直列に接続された２つのトランジスタ１２および１３から構成され、各トランジスタ１２および１３がアンチパラレルダイオード（アンチパラレルダイオードは、時として、ＭＯＳＦＥＴ型の電界効果トランジスタとして製造される。）を有するチョッピング電力供給回路から構成されている。従って、モータＭの３つのステータ巻線のそれぞれには、ブリッジアーム９、１０および１１の１つから電力が供給される。明確化のために、トランジスタの制御回路は、図示していない。

電力供給電子回路８による電圧の切り替えは、回路基板上の全回路網および電源２の電圧を乱す。インダクタ６とキャパシタ４および５とから構成されるフィルタは、電源２の電圧を安定化させるように設計されている。フィルタは、逆電圧をある程度平滑化することが可能である。フィルタリング容量は、通常は大きい。すなわち、ここに提示した例のように、並列に接続された２つの分離されたキャパシタ４および５が、しばしば使用される。これらのキャパシタ４および５は、インダクタ６に共通の陽極が接続される電気化学的キャパシタとすることが望ましい。

しかしながら、このような構成とした場合、電源２が電力回路３と電力供給電子回路８とに常時接続されているため、問題がある。この常時接続により、望ましくない発熱を惹起する可能性のあるリーク電流が生じる。

従って、製造業の中には、電源を回路から切り離すことのできるスイッチを設けることを要求する者がある。このような構造を備えた電力供給システム２０の一例を、図２に示す。

電力供給システム２０は、電源を電力回路と電力供給電子回路とに選択的に接続することのできるスイッチ２１を備え、それ以外は、図１のシステムと同一である。

このようなスイッチ２１には、キャパシタを事前に充電するため、電力回路に含まれるプリチャージ回路２２が必要である。プリチャージ回路２２は、スイッチ２１がＯＮになり、始めに放電されたキャパシタに接続されたときに生じる突入電流を防止するように設計される。１００Ａ（または２００Ａ）に達する突入電流は、バッテリ、種々のコネクタ、リレー接続器、電気化学的キャパシタ、さらにはヒューズをも損傷させる。

プリチャージ回路２２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ型の電力電界効果トランジスタ２３を備えている。このトランジスタは、例えば、スイッチ２１が完全に閉塞されるまで、パルスを徐々に増加させるように制御される。このようなプリチャージ回路２２は、電気化学的キャパシタの連続的な充電を保証することが可能である。電力電界効果トランジスタ２３は、負荷抵抗として機能し、キャパシタとともにＲＣ回路を構成する。キャパシタが一度充電されると、電力電界効果トランジスタ２３は、閉位置に保持される。

しかし、図２に示す構成とした場合であっても、問題が生じることがある。

すなわち、この構成の主な欠点は、電力回路を変更する場合、特に、この電力回路に含まれるフィルタにインピーダンス（例えば、電力ＭＯＳＦＥＴトランジスタ）を追加する場合に生じる。

このインピーダンスを追加することは、新たな接続が必要になるとともに、回路全体の効率を低下させる一方、ＥＭＣ（Electro-Magnetic Compatibility：電磁環境適合性）の点で意義がある。その理由は、電磁環境において、フィルタ自体が電磁障害を惹起することなく、（インピーダンスを追加せずに）十分に動作するように設計されているからである。

さらに、このインピーダンスを追加することにより、少なくない追加費用が発生する。その理由は、大きな電力で動作し、かつ、ＯＮの状態において、インピーダンスが小さいトランジスタ型の素子を使用する必要があるからである。

このような事情があるので、本発明の目的は、上述したＥＭＣの問題を回避することができ、高い電気的効率を有し、プリチャージ回路を備えていないシステムと比較して、比較的費用の少ないプリチャージ回路を備える電気機械に、電力を供給するためのシステムを提供することである。

この目的を達成するため、本発明は、
− 電源と、
− 電気機械に対して電力を供給するための電子回路と、
− 閉位置にあるとき、前記電源が前記電子回路に電力を供給する第１スイッチと、
− 前記第１スイッチが閉位置にあるとき、前記電源に並列に接続される少なくとも１つのキャパシタと、
− 前記キャパシタをプリチャージするプリチャージ回路、
とを備える電気機械のための電力供給システムであって、
第２スイッチと、前記第２スイッチが閉状態のとき、前記電源に接続される前記プリチャージ回路と、前記キャパシタがプリチャージされた後に閉塞するように制御される前記第１スイッチとを備える電気機械のための電力供給システムを提供するものである。

プリチャージ回路は、プリチャージ回路がない場合よりも、キャパシタをより緩慢に充電することを許容する回路である。そのため、プリチャージ回路は、第１スイッチが閉塞するときにキャパシタから放電される過大な突入電流を防止する。

本発明によれば、第１スイッチが電気機械の電力供給電子回路を閉塞する前に、キャパシタをプリチャージ可能とするため、第２スイッチが使用される。この第２スイッチは、電力供給電子回路の電源から、キャパシタのプリチャージ機能を確実に分離することを可能とする。従って、プリチャージ回路は、電力回路の外部にあり、効率低下とＥＭＣ問題を惹起する如何なるインピーダンスも導入されない。

さらに、第２スイッチは、キャパシタをプリチャージするときにのみ使用され、電子回路に供給するためには使用されない。従って、低電力で動作するとともに、ＯＮ状態において、上述した公知の方法で使用されるトランジスタの抵抗値よりも大きな抵抗値のスイッチを使用することができる。

この目的を達成するために、前記プリチャージ回路および前記第２スイッチは、例えば、前記第１スイッチの端子間に直列に接続される。

また、本発明のシステムにおいては、下記の特徴の１つまたは複数を、個々に、または、技術的に可能なように結合して備えている。
− 前記電源は、自動車のバッテリである。
− 前記第２スイッチは、点火後電力供給機器により構成されている。
− 少なくとも１つの前記キャパシタは、電気化学的キャパシタである。
− 前記プリチャージ回路は、前記キャパシタのプリチャージを保証するように制御されるトランジスタを備えている。
− 前記トランジスタは、前記第１スイッチが閉塞される前に開成されるように制御される。
− 前記プリチャージ回路は、トランジスタに並列に接続される抵抗器を備えている。
− 本発明にかかるシステムは、前記第１キャパシタに並列に接続される第２キャパシタを備えている。
− 前記電力供給電子回路は、電気モータに電力を供給するための回路である。
− 前記電力供給電子回路は、チョッピング電力供給回路から構成されている。
− 前記システムは、前記キャパシタのプリチャージ後に閉塞される前記第１スイッチを制御するための手段を備えている。

また、本発明は、前記第１スイッチが前記キャパシタのプリチャージが終了した後に閉塞するように制御されるようになっている上述した前記システムの使用にも関する。

本発明の他の特徴および利点は、単なる一例であって、これに限定されることのない、添付の図面を参照して、以下に示す説明から、明らかに理解できると思う。

先行技術に関する電気機械に電力を供給するための第１システムの概略配線図である。 先行技術に関する電気機械に電力を供給するための第２システムの概略配線図である。 本発明に関する電気機械に電力を供給するためのシステムの概略配線図である。

図１および図２は、先行技術を説明するものである。

図３は、本発明に関するシステム１００の概略配線図である。

本発明のシステム１００は、
− 車両のバッテリにより構成される電源１０２と、
− 電力回路１０３と、
− 電気モータＭに電力を供給するために設計された電力供給電子回路１０８、
とを備えている。

電力回路１０３は、
− 電源１０２と電力回路１０３、および、電源１０２と電力供給電子回路１０８とを選択的に接続可能な電気化学的リレーのようなスイッチ１０１と、
− 並列に接続される２つの電気化学的なキャパシタ１０４および１０５と、
− 電源１０２の陽極端子＋Batと、２つの電気化学的なキャパシタ４および５の共通端子との間に接続されるインダクタ１０６、
とを備えている。

電力回路１０３の機能は、電源１０２から電力供給電子回路１０８に電圧を供給することである。電力回路１０３は、図示しない例えば、複数の銅母線を備えている。

電動パワーステアリングシステムに一般的に用いられるような三相ブラシレスモータにおいて、電力供給電子回路１０８は、通常、ＩＭＳ型（Insulated Metal Substrate：金属絶縁基板）の電子回路基板によって構成され、３つのブリッジアーム１０９、１１０および１１１を備え、各ブリッジアーム１０９、１１０および１１１は、直列に接続された２つのトランジスタ１１２および１１３から構成され、各トランジスタ１１２および１１３はアンチパラレルダイオード（アンチパラレルダイオードは、往々にして、ＭＯＳＦＥＴ型の電界効果トランジスタとして製造される。）を有するチョッピング電力供給回路から構成されている。従って、モータＭの３つのステータ巻線のそれぞれには、ブリッジアーム１０９、１１０および１１１の１つから電力が供給される。明確化のために、トランジスタの制御回路は、図示していない。

また、電力供給電子回路１０８は、例えば、バイポーラトランジスタ１１５により構成されるプリチャージ回路１１４を備えている。スイッチ１０１が設けられているため、過剰な突入電流を防止するためのキャパシタ１０４および１０５をプリチャージするプリチャージ回路１１４が必要である。このバイポーラトランジスタ１１５は、電気化学的キャパシタ１０４および１０５の陽極端子と、車両の点火後電力供給装置＋ＡＰＣとの間に接続されている。車両の点火装置が起動されたとき、車両の点火後電力供給装置＋ＡＰＣは、車両の所定の電子システムを、スタンバイ状態または停止状態から、通常の起動常態に切り替え可能な電力供給信号を送信する。点火後電力供給装置＋ＡＰＣは、バイポーラトランジスタ１１５を、電源１０２の電圧源として接続しうるようになっている。

インダクタ１０６と電気化学的キャパシタ１０４および１０５とからなるフィルタは、電力供給電子回路１０８で発生するチョッピングに耐え得るように、電源１０２の電圧を安定化させるように設計されている。フィルタリングのキャパシタ容量は、通常は大きい。すなわち、ここに示す例では、並列に接続された２つの分離した電気化学的キャパシタ１０４および１０５が使用されている。この型の実用的である電気化学的キャパシタ１０４および１０５の各容量は、例えば、０．６μＨのインダクタ１０６に対して、３３００μＦ程度である。

点火後電力供給装置＋ＡＰＣの信号とスイッチ１０１とは、例えば、回路基板上のコンピュータによって制御される。

このシステム１００は、次のように動作する。
点火装置のスイッチをＯＮとすると（リレーを動作させる点火キーを介して電源の電圧が接続される。）、図示しない電子制御機器が、（例えば、パルスを徐々に増加させることにより）プリチャージトランジスタであるバイポーラトランジスタ１１５を閉塞制御する。この結果、キャパシタ１０４および１０５が徐々に充電される。一旦キャパシタ１０４および１０５が充電されると、図示しない電子制御機器は、プリチャージトランジスタであるバイポーラトランジスタ１１５を開成制御し、次いで、回路基板上のオンボードコンピュータがスイッチ１０１を閉塞制御し、これにより、電力回路１０３および電力供給電子回路１０８に、電源１０２から電力が供給可能される。このとき、回路基板上のコンピュータに課された点火後電力供給装置＋ＡＰＣとスイッチ１０１の閉塞とを分離する時間は、キャパシタ１０４および１０５を正確にプリチャージするのに十分な時間でなければならない。

本発明に係るシステム１００によれば、プリチャージ回路は、電源１０２と電気効率に影響するモータＭとの間にある必要はない。電源から供給される電圧のすべては、損失が最小となるように設計された電力回路１０３（抵抗損失が殆ど生じない銅母線を使用する。）を介して、電力供給電子回路１０８に直接導入される。

さらに、プリチャージ回路１１４で使用されるバイポーラトランジスタ１１５は、キャパシタをプリチャージするためだけに使用される。従って、バイポーラトランジスタ１１５は、公知のプリチャージ回路で使用される電力トランジスタよりも低い（従って、安価である）機能（特に、ＯＮ状態でのインピーダンスの点において）のものとすることができる。

結局、プリチャージ回路１１４は、電力供給電子回路１０８に含まれ、電力回路１０３には含まれない。そのため、プリチャージ回路１１４は、電力回路１０３の構造を変更せず、電力回路１０３におけるＥＭＣに対して影響を与えることはない。

勿論、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

プリチャージ回路は、図面に示されたバイポーラトランジスタにより構成するのが好ましい。しかし、例えば、電界効果型トランジスタのような如何なる型のトランジスタを使用することもできる。

さらに、プリチャージ回路は、抵抗器に対して並列に接続されたトランジスタで構成することもできる。

最後に、上記した諸要素を、適宜の等価な手段と置換することが可能である。

１、２０ 電力供給システム
２、１０２ 電源
３、１０３ 電力回路
４、５ キャパシタ
６、１０６ インダクタ
８、１０８ 電力供給電子回路
９、１０、１１、１０９、１１０、１１１ ブリッジアーム
１２、１３、１１２、１１３ トランジスタ
２１、１０１ スイッチ
２２、１１４ プリチャージ回路
２３ 電力ＦＥＴ
１００ システム
１０４、１０５ 電気化学キャパシタ
１１５ バイポーラトランジスタ
Ｍ モータ

Claims (12)

1. ― 電源（１０２）と、
   ― 前記電気機械（Ｍ）に対して電力を供給するための電子回路（１０８）と、
   ― 閉位置にあるとき、前記電源（１０２）が前記電子回路（１０８）に電力を供給する第１スイッチ（１０１）と、
   ― 前記第１スイッチ（１０１）が閉位置にあるとき、前記電源（１０２）と並列に接続される少なくとも１つのキャパシタ（１０４，１０５）と、
   ― 前記キャパシタ（１０４，１０５）をプリチャージするためのプリチャージ回路（１１４）、
   とを備える電気機械（Ｍ）のための電力供給システムであって、
   前記システム（１００）は、第２スイッチ（＋ＡＰＣ）も備え、前記プリチャージ回路（１１４）は、前記第２スイッチ（＋ＡＰＣ）が閉状態のとき前記電源（１０２）に接続され、前記第１スイッチ（１０１）は、前記キャパシタ（１０４，１０５）のプリチャージ後に閉塞するように制御されるようになっていることを特徴とする電気機械（Ｍ）のための電力供給システム（１００）。
2. 前記電源（１０２）は、自動車のバッテリ（＋ＢＡＴ）であることを特徴とする請求項１記載の電力供給システム（１００）。
3. 前記第２スイッチは、点火後電力供給機器により構成されていることを特徴とする請求項２記載の電力供給システム（１００）。
4. 少なくとも１つの前記キャパシタ（１０４、１０５）は、電気化学的キャパシタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）。
5. 前記プリチャージ回路（１１４）は、前記キャパシタ（１０４、１０５）のプリチャージを保証するように制御されるトランジスタ（１１５）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）。
6. 前記トランジスタ（１１５）は、前記第１スイッチ（１０１）が閉塞される前に開成されるように制御されることを特徴とする請求項５記載の電力供給システム（１００）。
7. 前記プリチャージ回路は、トランジスタに並列に接続される抵抗器を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）。
8. 前記第１キャパシタ（１０５）に並列に接続される第２キャパシタ（１０４）を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）。
9. 前記電力供給電子回路（１０８）は、電気モータに電力を供給するための回路であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）。
10. 前記電力供給電子回路（１０８）は、電力供給チョッピング回路（１０９、１１０、１１１）から構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）。
11. 前記キャパシタ（１０４、１０５）のプリチャージ後に閉塞される前記第１スイッチ（１０１）を制御するための手段を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）。
12. 前記第１スイッチ（１０１）が前記キャパシタのプリチャージ（１０４、１０５）が終了した後に閉塞するように制御されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力供給システム（１００）の使用。

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