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

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 Download PDF

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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。
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