JP2014520504A - 車載バッテリ充電器を補償するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

車両に搭載されて、アース、中性相を有するライン、及び中性相以外の少なくとも１つの位相を有するラインによって電源網に接続される電池充電器（１）からの漏れ電流を補償するためのシステム（２０）であって、バッテリ充電器（１）と電源網との間にデバイスが挿入されて、残留電流からの差動保護を行い、漏れ電流はバッテリ充電器から電源網までアース上を流れる。補償システムは、漏れ電流と同じ振幅かつ漏れ電流の位相とは逆位相の補償電流をアース上に適用することができる漏れ電流補償手段（２０）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の技術分野は、バッテリ充電システム、特に、自動車に搭載されるバッテリ充電器である。

バッテリ（特に電気自動車用バッテリ）を再充電するために非絶縁充電器を使用すると、充電器は配電網まで接続されるので、漏れ電流が発生する恐れがある。この漏れ電流は、アースに沿って流れ、充電器と配電網との間に設置される残留電流差動保護デバイスを始動することがある。これらの保護デバイスが始動されると、充電器への電力供給が停止され、それにより、車両を充電するプロセスが中断される。

一般に、漏れ電流は、配電網とバッテリとの間のガルバニック絶縁変圧器を導入することによって制限される。しかし、これらの変圧器のサイズは、変圧器を流れる充電電力が大きいほど大きくなる。電気自動車に搭載されるバッテリ充電器は、同様の予測不可能な状態にさらされ、同様の措置が取られる。しかし、車両の範囲を決めるのは重量／蓄電電力比であるため、車載充電器内にガルバニック絶縁変圧器を含むことによって車両の質量を増加させるのは好ましくない。

本発明の目的は、充電器の質量を大幅に増加させずに、充電器が生成する漏れ電流を残留電流差動保護デバイスが始動するレベル未満に低減することである。

本発明の別の目的は、単相又は三相配電網によって電力供給される充電器に適用可能な、漏れ電流補償システムを提供することである。

１つの実施形態は、車両に搭載されるパワートレイン内に収容され、アース、中性相、及び中性相以外の少なくとも１つの位相によって電源網に接続される電池充電器の漏れ電流を補償するための補償システムであり、バッテリ充電器と電源網との間に残留電流差動保護デバイスが挿入された補償システムを提案している。補償システムは、バッテリ充電器から電源網までアース上を流れる漏れ電流を補償するための補償手段であって、漏れ電流と同じ振幅であり、かつ漏れ電流の位相と逆位相である補償電流をアース上に放出することができる補償手段を備える。

本発明は、漏れ電流に重畳する補償電流であり、漏れ電流と同じ振幅であるが、漏れ電流の位相と逆位相である補償電流を生成することによって、漏れ電流を受動的に補償するという利点を提供するものである。したがって、これら電流の和は、低振幅又はゼロ振幅の電流を生成する。

漏れ電流補償手段は、電源網の中性相以外の相毎に１つの変圧器を備えてよく、各変圧器の一次巻線は電源網の１つの位相に接続され、変圧器の二次巻線はブリッジ整流器に接続され、ブリッジ整流器は、コンデンサに結合されている分圧ブリッジの第１の端部及び第２の端部に接続される。

変圧器の一次巻線及び二次巻線は、中性相に接続してよい。

分圧ブリッジに結合されているコンデンサは、アースと分圧ブリッジの中点との間に接続される第１のコンデンサ、分圧ブリッジの中点と第２の端部との間に接続される第２のコンデンサ、及びアースと分圧ブリッジの第２の端部との間に接続される第３のコンデンサを備えてよい。

分圧ブリッジは、第２の抵抗器と直列接続された第１の抵抗器に接続された第１の端部を備え、第２の抵抗器は第２の端部に接続され、中点は第１の抵抗器と第２の抵抗器との間に位置する。

補償システムは、位相決定手段を備えてよく、位相決定手段はコモンモードフィルタとパワートレインとの間に接続され、コモンモードフィルタの漏れ電流と同じ振幅であり、かつ漏れ電流の位相と逆位相である補償電流をアース上に放出することができる。

位相決定手段は、第１の２位置スイッチ及び第２の２位置スイッチを備えてよく、各スイッチは変圧器の一方の巻線の一端に摺動接触によって接続され、他方の巻線は、最初に、コンデンサを介してアースに接続され、次に、２位置スイッチの摺動接点に接続され、スイッチは第１の位置では第１の接続点に接続され、第２の位置で第２の接続点に接続される。

本発明の別の態様は、車両に搭載されるパワートレイン内に収容されて、アース、中性相、及び中性相以外の少なくとも１つの位相によって電源網に接続される電池充電器の漏れ電流を補償するための補償方法であり、バッテリ充電器と電源網との間に残留電流差動保護デバイスが挿入される補償方法を提案するものである。バッテリ充電器から電源網までアース上を流れる漏れ電流と同じ振幅であり、かつ漏れ電流の位相と逆位相である補償電流がアース上に生成される。

電源電圧の一部を取り出し、取り出した電源電圧を位相シフトし、取り出した電源電圧を漏れ電流の振幅に相当する振幅の電流に変換することができる。

車載電池充電器は、コモンモードフィルタを介して電源網に接続可能であり、コモンモードフィルタとパワートレインとの間に接続された位相決定手段は、コモンモードフィルタの漏れ電流と同じ振幅であり、かつ漏れ電流の位相と逆位相である補償電流をアース上に放出することができ、位相決定手段は、第１の２位置スイッチ及び第２の２位置スイッチを備え、各スイッチは変圧器の一方の巻線の一端に摺動接触によって接続され、他方の巻線は、最初に、コンデンサを介してアースに接続され、次に、２位置スイッチの摺動接点に接続され、スイッチは第１の位置では第１の接続点に接続され、第２の位置で第２の接続点に接続される条件において、
コモンモードフィルタの漏れ電流を補償するために、第１の接続点が中性相を有する場合、第１のスイッチは第１の接続点を変圧器の第１の巻線に接続するように切り替えられ、第２のスイッチは第２の接続点を変圧器の第２の巻線に接続するように切り替えられ、第３のスイッチは変圧器の第２の巻線を第１の接続点に接続するように切り替えられる。

車載電池充電器は、コモンモードフィルタを介して電源網に接続可能であり、コモンモードフィルタとパワートレインとの間に接続された位相決定手段は、コモンモードフィルタの漏れ電流と同じ振幅であり、かつ漏れ電流の位相と逆位相である補償電流をアース上に放出することができ、位相決定手段は、第１の２位置スイッチ及び第２の２位置スイッチを備え、各スイッチは変圧器の一方の巻線の一端に摺動接触によって接続され、他方の巻線は、最初に、コンデンサを介してアースに接続され、次に、２位置スイッチの摺動接点に接続され、スイッチは第１の位置では第１の接続点に接続され、第２の位置で第２の接続点に接続される条件において、
コモンモードフィルタの漏れ電流を補償するために、第２の接続点が中性相を有する場合、第１のスイッチは第２の接続点を変圧器の第１の巻線に接続するように切り替えられ、第２のスイッチは第１の接続点を変圧器の第２の巻線に接続するように切り替えられ、第３のスイッチは変圧器の第２の巻線を第２の接続点に接続するように切り替えられる。

本発明のその他の目的、特徴、及び利点は、単に非限定的な例として添付図面を参照しながら説明した以下の記述を読むことにより明らかになるであろう。

図１は、本発明による漏れ電流補償システムの第１の態様を示している。 図２は、本発明による漏れ電流補償システムの第２の態様を示している。

図１は、直列に接続された、バッテリ２、昇圧器３、電気モータ４、降圧器５、及びコンデンサデバイス６を備えるパワートレイン１を示した図である。

昇圧器３は、入力ＤＣ電圧より高い出力ＤＣ電圧を生成できるデバイスである。

降圧器５は、極めて効率的に出力電圧を低下させることができる直列チョッパである。

パワートレイン１は出力において、電源の位相数と同数の接続点１５ｂ〜１８ｂ及びアース接続点１９ｂによって差動モードフィルタ１４ａに接続される。差動モードフィルタ１４ａは、同様の方法で、接続点電気的接続点１５〜１９によってコモンモードフィルタ１４ｂに接続される。

コモンモードフィルタ１４ｂ自体は、電源位相接続点１５ｃ〜１８ｃ及びアース接続点１９ｃによって電源網に接続される。

パワートレイン１の動作によってコモンモード電圧が生成され、これによってアースへの漏れ電流が発生する。

その結果、パワートレイン１の要素とアースとの間に結合が生じる。コンデンサ７〜１３は、アースとバッテリ２との間、アースと昇圧器３との間、アースと電気モータ４との間、アースと降圧器５との間、及びアースとコンデンサデバイス６との間のコモンモード電圧に由来する結合を表すものとする。

上述の結合は、構成要素の寄生現象又は正常動作のいずれかに起因する。したがって、漏れ電流の発生を防ぐために漏れ電流の根本的原因に対処することはできない。

漏れ電流補償システムは、様々な電源位相に接続された電気的接続点１５ａ〜１８ａ及びアースに接続された電気的接続点１９ａによってコモンモードフィルタ１４ｂと差動モードフィルタ１４ａとの間に接続された補償手段２０を備える。接続点１５ａ〜１９ａは、基本的には接続点１５〜１９からの取り出し個所である。

漏れ電流補償手段２０は、中性相以外の電源位相の相毎に１つの接続点１５ａ、１６ａ、１７ａ、中性相用の１つの接続点１８ａ、及びアース用の１つの接続点１９ａを備える。中性相以外の電源位相用の接続点１５ａ〜１７ａはそれぞれ、変圧器２１〜２３の一次巻線２１ａ〜２３ａの一方の端子に接続される。一次巻線２１ａ〜２３ａの他方の端子は、共に中性相接続点１８ａに接続される。二次巻線２１ｂ〜２３ｂそれぞれの端子は、共に中性相接続点１８ａに接続される。二次巻線２１ｂ〜２３ｂそれぞれの他方の端子は、ダイオードブリッジ整流器２４の脚部２５〜２８の１つに接続される。

ダイオードブリッジ整流器の第１の脚部２５は、第２のダイオード２５ｂのアノードに接続されるカソードを有する第１のダイオード２５ａを備える。脚部の出力電圧は、第１のダイオード２５ａの上流側接続点と第２のダイオード２５ｂの下流側接続点との間で得られる。

第１の脚部２５の入力電圧は、アースコネクタ１９ａと、第１のダイオード２５ａと第２のダイオード２５ｂとの間のコネクタ２５ｃとの間に印加される。他の脚部２６〜２８の構造は、第１の脚部２５の構造と同じである。図１に示されている４つの脚部は、共に並列接続される。

ダイオードブリッジ整流器２４の出力接続点２９、３０は、４つの脚部の出力に接続される。

補償システムは分圧ブリッジを備え、この分圧ブリッジは、第２の抵抗器と直列接続された第１の抵抗器３１に接続された第１の端部を含み、第２の抵抗器３２は第２の端部に接続され、中点が第１の抵抗器３１と第２の抵抗器３２との間に位置する。

分圧ブリッジは、第１の端部を介してダイオードブリッジ整流器２４の出力接続点３０に接続され、第２の端部を介して出力接続点２９に接続される。

補償システムは更に、分圧ブリッジの出力に接続されるコンデンサを備える。

第１のコンデンサ３３は、アースコネクタ１９ａと分圧ブリッジの中点との間に接続される。

第２のコンデンサ３４は、分圧ブリッジの中点と第２の端部との間に接続される。

第３のコンデンサ３５は、アースと分圧ブリッジの第２の端部との間に接続される。

その結果、変圧器２１〜２３によって、二次巻線が発する信号を一次巻線で受信する信号に対して位相シフトすることができる。具体的には、二次巻線が発する信号は、一次巻線で受信する信号と位相が反対になる。一次巻線と二次巻線は共に中性相に接続されるので、位相を逆にすることができる。更に、変圧器の二次巻線は、出力電圧の位相が入力電圧の位相と反対になるように接続される。コンデンサ３９を介して一次巻線の中性点と二次巻線の中性点とをアースに接続することで、補償電流を接続点１９に流すことができる。

分圧ブリッジ及びコンデンサ３３〜３５に結合されたダイオード整流リッジ２４により、漏れ電流と同じ振幅であるが、漏れ電流の位相と逆位相である電流を複製することができる。補償電流は、アースコネクタ１９ａによってコモンモードフィルタ１４ｂに向けて放出される。補償電流が漏れ電流と同じ方向に同じ振幅かつ逆位相で流れることにより、結果として生じる電流は低振幅又はゼロ振幅となる。

更に、三相電源に関連して説明したが、上述した実施形態は、電源導体が５本でなく３本のみ必要である単層電源にも適用できることは明らかである。この場合、補償システムに必要なのは、１つの変圧器と二脚ダイオードブリッジ整流器と２つの補償コンデンサのみとなり、補償システムはより単純なものとなる。

図２は、コモンモードフィルタ１４ｂが存在することで生じる漏れ電流を補償する補償システムの別の態様を示した図である。更に、この別の態様は、中性相の位置が不明である二相式設備に補償システムを適用する方法を示している。

図２は、入力においてアース接続点１９ｃと２つの位相接続点１５ｃ、１６ｃとに接続されるコモンモードフィルタ１４ｂを示している。接続点１５ｃは、変圧器４０の第１の巻線に接続され、更に第１の巻線は第１の接続点１５に接続される。接続点１５ｃは、変圧器４０の第２の巻線に接続され、第２の巻線は第２の接続点１６に接続される。コンデンサ４１は、変圧器４０の第１の巻線及びアース接続点１９ｃに接続される。同様に、コンデンサ４２も、変圧器４０の第１の巻線及びアース接続点１９ｃに接続される。

更に、接続点１９ｃは、コモンモードフィルタ１４ｂの出力において接続点１９に接続される。

図示されるように、位相決定手段４３は、入力においてコモンモードフィルタ１４ｂに接続され、出力においてパワートレイン１に接続され、３つの２位置スイッチ（４４、４５、４６）、二巻線変圧器４７、コンデンサ４８及び抵抗器４９を備える。

第１の２位置スイッチ４４は、一方の位置を介して第１の接続点１５に接続され、他方の位置を介して第２の接続点１６に接続され、スイッチを介して変圧器４７の第１の巻線の第１の端子に接続される。

第２の２位置スイッチ４５は、一方の位置を介して第１の接続点１５に接続され、他方の位置を介して第２の接続点１６に接続され、スイッチを介して変圧器４７の第１の巻線の第２の端子に接続される。

第３の２位置スイッチ４６は、一方の位置を介して第１の接続点１５に接続され、他方の位置を介して第２の接続点１６に接続され、スイッチを介して変圧器４７の第２の巻線の第１の端子に接続される。変圧器４７の第２の巻線の第２の端子は、コンデンサ４８に接続され、コンデンサ４８自体は出力において抵抗器４９に接続される。抵抗器４９は、接続点１９に接続される。

家庭用設備では、中性相は、区別なく二相式設備の一方の位相又は他方の位相と考えられる。位相決定手段４３により、中性相を有するのが第１の接続点１５であるか、又は第２の接続点１６であるかに応じて漏れ電流の補償を適合することができる。中性点がコネクタ１５上にある場合、コンデンサ４２を介して補償電流が注入される。中性点がコネクタ１６上にある場合、コンデンサ４１を介して補償電流が注入される。

上記を達成するために、中性点が第１の接続点１５上にある場合、第１のスイッチ４４は第１の接続点１５を変圧器４７の第１の巻線に接続し、同時に第２のスイッチ４５は第２の接続点１６を変圧器４７の第２の巻線に接続する。第３のスイッチ４６は、変圧器４７の第２の巻線を第１の接続点１５に接続する。

中性点が第２の接続点１６上にある場合、第１のスイッチ４４は第２の接続点１６を変圧器４７の第１の巻線に接続し、同時に第２のスイッチ４５は第１の接続点１５を変圧器４７の第２の巻線に接続する。第３のスイッチ４６は、変圧器４７の第２の巻線を第２の接続点１６に接続する。

漏れ電流を補償する方法は、バッテリ充電器から電源網にアース上を流れる漏れ電流と同じ振幅で漏れ電流の位相と逆位相である補償電流を、アース上に発生させる必要がある。

そのためには、電源の電圧の一部を取り出し、位相シフトし、漏れ電流の振幅に相当する振幅の電流に変換する。

補償システムは、補償対象の回路のコモンモード結合に応じてその構成要素が決定されるという受動的システムである。漏れ電流の強度がデバイスの設計の基準及び定格の強度より高い場合には、能動的システムを使用して過度の漏れ電流を補償することができる。

この能動的システムは、電源網への接続点に接続される漏れ電流検出回路と、アース電流測定回路と、漏れ電流の推定レベル及びアース電流の測定レベルに応じてデバイスの動作を制御する手段とを備える。この能動的システムにより、漏れ電流とアース電流の強度に応じて、特に漏れ電流がアース電流によって補償されない場合、充電器への電力の印加が可能又は不可能になる。

したがって、上述の補償システムにより、パワートレインの要素と車載のバッテリ充電器とのコモンモード結合によって生じる恐れのある漏れ電流を低減、更には除去することができる。

Claims (10)

1. 車両に搭載されるパワートレイン（１）内に収容される電池充電器であって、アース、中性相、及び前記中性相以外の少なくとも１つの位相によって電源網に接続される電池充電器の漏れ電流を補償するための補償システム（２０）であって、
   前記バッテリ充電器と前記電源網との間に残留電流差動保護デバイスが挿入されており、
   前記バッテリ充電器から前記電源網まで前記アース上を流れる前記漏れ電流を補償するための補償手段（２０）であって、前記漏れ電流と同じ振幅で前記漏れ電流の位相と逆位相の補償電流を前記アース上に放出することができる補償手段（２０）を備えることを特徴とする補償システム。
2. 前記漏れ電流補償手段（２０）は、前記電源網の中性相（１８ａ）以外の相（１５ａ、１６ａ、１７ａ）毎に１つの変圧器（２１、２２、２３）を備え、
   前記各変圧器の前記一次巻線（２１ａ、２２ａ、２３ａ）は、前記電源網の１つの位相（１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８ａ）に接続され、
   前記変圧器の前記二次巻線（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ）は、ブリッジ整流器（２４）に接続され、
   前記ブリッジ整流器（２４）は、コンデンサ（３３、３４、３５）に結合されている分圧ブリッジ（３１、３２）の第１の端部及び第２の端部に接続される、
   請求項１に記載の補償システム。
3. 前記変圧器の前記一次巻線（２１ａ、２２ａ、２３ａ）及び前記二次巻線（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ）は、前記中性相（１８ａ）に接続される、請求項２に記載の補償システム。
4. 前記分圧ブリッジに結合されている前記コンデンサ（３３、３４、３５）は、
   前記アース（１９ａ）と前記分圧ブリッジの中点との間に接続される第１のコンデンサ（３３）、
   前記分圧ブリッジの中点と前記第２の端部との間に接続される第２のコンデンサ（３４）、及び
   前記アース（１９ａ）と分圧ブリッジの第２の端部との間に接続される第３のコンデンサ（３５）
   を備え、
   前記分圧ブリッジ（３１、３２）は、第２の抵抗器（３２）と直列接続された第１の抵抗器（３１）に接続された第１の端部を備え、
   前記第２の抵抗器（３２）は前記第２の端部に接続され、
   前記中点は前記第１の抵抗器（３１）と前記第２の抵抗器（３２）との間に位置する、請求項２又は３に記載の補償システム。
5. コモンモードフィルタ（１４ｂ）と前記パワートレイン（１）との間に接続された位相決定手段（４３）を備え、
   前記位相決定手段（４３）は、前記コモンモードフィルタ（１４ｂ）の前記漏れ電流と同じ振幅で前記漏れ電流の位相と逆位相の補償電流を、前記アース上に放出することができる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の補償システム。
6. 前記位相決定手段（４３）は、第１の２位置スイッチ（４４）及び第２の２位置スイッチ（４５）を備え、
   前記各２位置スイッチは、変圧器（４７）の一方の巻線の一端に摺動接触によって接続され、
   他方の巻線は、最初に前記コンデンサ（４８）を介して前記アース（１９）に接続され、次に前記２位置スイッチ（４６）の前記摺動接点に接続され、
   前記スイッチ（４４、４５、４６）は、第１の位置で前記第１の接続点（１５）に接続され、第２の位置で前記第２の接続点（１６）に接続される、
   請求項５に記載の補償システム。
7. 車両に搭載されるパワートレイン（１）内に収容される電池充電器であって、アース、中性相、及び前記中性相以外の少なくとも１つの位相によって電源網に接続される電池充電器の漏れ電流を補償するための補償方法であって、
   前記バッテリ充電器と前記電源網との間に残留電流差動保護デバイスを挿入するもので、
   前記バッテリ充電器から前記電源網までアース上を流れる前記漏れ電流と同じ振幅で前記漏れ電流の位相と逆位相の補償電流をアース上に生成する、補償方法。
8. −電源電圧の一部を取り出し、
   −前記取り出した電源電圧を位相シフトし、
   −前記取り出した電源電圧を前記漏れ電流の前記振幅に相当する振幅の電流に変換する、請求項７に記載の方法。
9. 前記車載電池充電器は、コモンモードフィルタ（１４ｂ）を介して前記電源網に接続され、
   前記コモンモードフィルタ（１４ｂ）と前記パワートレイン（１）との間に接続された位相決定手段（４３）は、前記コモンモードフィルタ（１４ｂ）の前記漏れ電流と前記同じ振幅で前記漏れ電流の前記位相と逆位相の前記補償電流を前記アース上に放出することができ、
   前記位相決定手段（４３）は、第１の２位置スイッチ（４４）及び第２の２位置スイッチ（４５）を備え、
   前記各２位置スイッチは、変圧器（４７）の一方の巻線の一端に摺動接触によって接続され、他方の巻線は、最初にコンデンサ（４８）を介して前記アース（１９）に接続され、次に２位置スイッチ（４６）の前記摺動接点に接続され、
   前記スイッチ（４４、４５、４６）は、第１の位置で前記第１の接続点（１５）に接続され、第２の位置で前記第２の接続点（１６）に接続され、
   ここで、前記コモンモードフィルタ（１４ｂ）の前記漏れ電流を補償するために、前記第１の接続点（１５）が前記中性相を有する場合、前記第１のスイッチ（４４）は前記第１の接続点（１５）を前記変圧器（４７）の前記第１の巻線に接続するように切り替えられ、前記第２のスイッチ（４５）は前記第２の接続点（１６）を前記変圧器（４７）の前記第２の巻線に接続するように切り替えられ、前記第３のスイッチ（４６）は前記変圧器（４７）の前記第２の巻線を前記第１の接続点（１５）に接続するように切り替えられる、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記車載電池充電器は、コモンモードフィルタ（１４ｂ）を介して前記電源網に接続され、
    前記コモンモードフィルタ（１４ｂ）と前記パワートレイン（１）との間に接続された位相決定手段（４３）は、前記コモンモードフィルタ（１４ｂ）の前記漏れ電流と前記同じ振幅で前記漏れ電流の前記位相と逆位相の前記補償電流を前記アース上に放出することができ、
    前記位相決定手段（４３）は、第１の２位置スイッチ（４４）及び第２の２位置スイッチ（４５）を備え、
    前記各２位置スイッチは、変圧器（４７）の一方の巻線の一端に摺動接触によって接続され、他方の巻線は、最初にコンデンサ（４８）を介して前記アース（１９）に接続され、次に２位置スイッチ（４６）の前記摺動接点に接続され、
    前記スイッチ（４４、４５、４６）は第１の位置で前記第１の接続点（１５）に接続され、第２の位置で前記第２の接続点（１６）に接続され、
    ここで、前記コモンモードフィルタ（１４ｂ）の前記漏れ電流を補償するために、前記第２の接続点（１６）が前記中性相を有する場合、前記第１のスイッチ（４４）は前記第２の接続点（１６）を前記変圧器（４７）の前記第１の巻線に接続するように切り替えられ、前記第２のスイッチ（４５）は前記第１の接続点（１５）を前記変圧器（４７）の前記第２の巻線に接続するように切り替えられ、前記第３のスイッチ（４６）は前記変圧器（４７）の前記第２の巻線を前記第２の接続点（１６）に接続するように切り替えられる、請求項７又は８に記載の方法。

Images