JP2015104310A

JP2015104310A - 車載パワーエレクトロニクスを使用して急速充電するための装置およびその製造の方法

Info

Publication number: JP2015104310A
Application number: JP2014232280A
Authority: JP
Inventors: ロバート・ディーン・キング; D King Robert; ロバート・ルイス・スタイガーウォルド; Robert Louis Steigerwald
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2034-11-17
Also published as: EP2875984B1; CN104659895B; EP2875984A2; JP6467198B2; US20150137751A1; EP2875984A3; CN104659895A; US9238415B2

Abstract

【課題】車載パワーエレクトロニクスを使用して急速充電する。【解決手段】ＤＣバスと、ＤＣバスに結合されＤＣ電圧を出力するように構成された第１のエネルギー貯蔵デバイスと、ＤＣバスに結合された第１の双方向電圧修正組立品と、ＤＣバスに結合可能な高インピーダンス電圧源とを含む装置は、ＤＣバスに結合された第１のレセプタクルと、第１の双方向電圧修正組立品に結合された第２のレセプタクルとを有する充電システムをさらに含む。第１のレセプタクルは、高インピーダンス電圧源に結合された第１のコネクタと嵌合するように組み立てられ、第２のレセプタクルは、高インピーダンス電圧源に結合された第２のコネクタと嵌合するように組み立てられる。制御器が、充電システムの第１および第２のレセプタクルを通じてＤＣバスへの充電エネルギーの同時伝達を制御するようにプログラムされる。【選択図】図１

Description

本発明の諸実施形態は、一般に、ハイブリッドおよび電気自動車を含む電気駆動システム、ならびに過渡またはパルス負荷を受ける固定駆動装置に関し、より詳しくは、エネルギー貯蔵デバイスを急速に充電するために車両または駆動装置のエネルギー貯蔵デバイスと車両または駆動装置の外部の電源との間のエネルギーの伝達に関する。

ハイブリッド電気自動車は、内燃機関と、トラクション電池などのエネルギー貯蔵デバイスによって電力供給される電気モータとを組み合わせて車両を推進させることができる。このような組合せにより、燃焼機関および電気モータが各々増加効率のそれぞれの範囲で動作することが可能になることによって総合燃料効率を増加させることができる。例えば、電気モータは、スタンディングスタートからの加速において効率的であり得るが、燃焼機関は、幹線道路運転など、一定のエンジン運転の持続時間の間、効率的であり得る。初期加速を高めるための電気モータがあると、ハイブリッド自動車における燃焼機関がより小型になり、より燃料効率がよくなることが可能になる。

純粋電気自動車は、貯蔵電気エネルギーを使用して電気モータに電力供給し、電気モータは車両を推進させ、補助駆動装置も動作させることができる。純粋電気自動車は、１つまたは複数の貯蔵電気エネルギー源を使用することができる。例えば、第１の貯蔵電気エネルギー源は、より長く持続するエネルギーを提供するのに使用することができ、第２の貯蔵電気エネルギー源は、例えば、加速するためにより高い電力エネルギーを提供するのに使用することができる。

プラグイン電気自動車は、ハイブリッド電気型であれ純粋電気型であれ、トラクション電池を再充電するために外部エネルギー源から電気エネルギーを使用するように構成される。このような車両は、例として、路上走行車、オフロード車、ゴルフカー、近隣用電気輸送機器、フォークリフト、および小型トラックを含むことができる。これらの車両は、車外固定電池充電器または車載電池充電器を使用して電気エネルギーを電力系統または再生可能エネルギー源から車両の車載トラクション電池に伝達することができる。プラグイン自動車は、例えば、電力系統または他の外部エネルギー源からトラクション電池の再充電を促進するために回路と接続部とを含むことができる。しかし、電池充電回路は、ブーストコンバータ、高周波フィルタ、チョッパー、インダクタ、および車載電気貯蔵デバイスと外部エネルギー源との間のエネルギー伝達専用の他の電気構成部品など、専用構成部品を含むことができる。これらの追加の専用構成部品により、余分な費用が追加され、車両の重量が増加する。

さらに、車載または車外整流器を使用して、エネルギー貯蔵デバイスを急速充電するために高充電電流を提供することができる。しかし、このような整流には、高い商用電源高調波および商用電源基本波形の位相シフトによる低い力率という望ましくない影響がある。ＡＣ電力システムの力率は、皮相電力に対する有効電力の比として定義され、０から１までの数、または０から１００までの百分率として表すことができる。有効電力は、特定の時間における仕事を行うための回路の容量である。皮相電力は、回路の電流と電圧の積である。負荷に貯蔵されエネルギー源に返されるエネルギーにより、またはエネルギー源から取り出される電流の波形を歪める非線形負荷により、皮相電力は、有効電力より大きいことがある。力率がより低い回路は、力率がより高い回路より、より少ない仕事を行う。したがって、同じ量の仕事を行うために、より高い電圧または電流がより低い力率を有する回路中に入力される。

力率補正キャパシタを使用して、整流器の使用によって生じる低い力率を改善することができるが、このような補正キャパシタのサイズは、商用電源の低い周波数（例えば、５０または６０Ｈｚ）により大きいものである。さらに、力率補正キャパシタは、低い力率にも寄与するより低い周波数の高調波電流に対して最小の影響があり、予期しないシステム共振をもたらすことがある。しかし、専用の能動フィルタを設けることもでき、このようなフィルタを実施すると、高価なスイッチングデバイスおよび関連するコントロールを使用して完全な充電電力を処理する全出力定格のパワーエレクトロニック変換器の形でシステムへの追加費用が増加する。

したがって、高い力率および低い高調波電流を維持しながら、車載電気貯蔵デバイスと外部エネルギー源との間のエネルギー伝達専用の構成部品の数を低減し、充電システムの費用を低減するプラグイン自動車の車載エネルギー貯蔵デバイスに外部エネルギー源から電気エネルギーを急速に伝達することを促進する装置を提供することが望ましい。

本発明の一態様によれば、装置が、ＤＣバスと、ＤＣバスに結合されＤＣ電圧を出力するように構成された第１のエネルギー貯蔵デバイスと、ＤＣバスに結合された第１の双方向電圧修正組立品と、ＤＣバスに結合可能な高インピーダンス電圧源とを含む。装置は、ＤＣバスに結合された第１のレセプタクルと、第１の双方向電圧修正組立品に結合された第２のレセプタクルとを有する充電システムをさらに含む。第１のレセプタクルは、高インピーダンス電圧源に結合された第１のコネクタと嵌合するように組み立てられ、第２のレセプタクルは、高インピーダンス電圧源に結合された第２のコネクタと嵌合するように組み立てられる。制御器が、充電システムの第１および第２のレセプタクルを通じてＤＣバスへの充電エネルギーの同時伝達を制御するようにプログラムされる。

本発明の別の態様によれば、車載エネルギー貯蔵デバイスと外部電圧源との間でエネルギーを伝達するための方法が、車載エネルギー貯蔵デバイスをＤＣ充電バスに結合するステップを含み、車載エネルギー貯蔵デバイスは、ＤＣ電圧を出力するように構成される。方法は、外部電圧源に結合された第１のコネクタをＤＣ充電バスに結合された第１のレセプタクルに差し込むステップと、双方向電圧修正組立品を通じて、外部電圧源に結合された第２のコネクタをＤＣ充電バスに結合された第２のレセプタクルに差し込むステップと、複数の接触器を閉じて第１および第２のコネクタを通じて外部電圧源から車載エネルギー貯蔵デバイスへのエネルギーの同時伝達を可能にするように制御器をプログラムするステップとをやはり含む。

本発明のさらに別の態様によれば、システムが、変圧器を備える遠隔電源と、遠隔電源に結合されたＤＣコネクタおよび遠隔電源に結合されたＡＣコネクタを有する充電システムとを含む。システムは、ＤＣバスと、ＤＣバスに結合されたエネルギー貯蔵デバイスと、ＤＣバスに結合されたＤＣレセプタクルと、双方向電圧修正組立品を通じてＤＣバスに結合されたＡＣレセプタクルとを有する車両も含む。制御器が、遠隔電源からＤＣバスへの充電エネルギーの伝達を制御するようにプログラムされ、充電エネルギーは、ＤＣレセプタクルを通じて伝達される高電流成分と、ＡＣレセプタクルを通じて伝達される電流補正成分とを有する。

様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および諸図面から明らかにされる。

諸図面は、本発明を実行するために現在企図される諸実施形態を示す。

本発明の一実施形態によるトラクションシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、図１のトラクションシステムに使用可能な二重入力充電インターフェースを組み込んだ車両の一部分の概略図である。本発明の一実施形態による、図１のトラクションシステムに統合された制御システムを示す概略図である。本発明の一実施形態による、第１の充電モードで動作する図１のトラクションシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、第２の充電モードで動作する図１のトラクションシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、第３の充電モードで動作する図１のトラクションシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、別のトラクションシステムの概略図である。本発明の一実施形態による、別のトラクションシステムの概略図である。

図１は、本発明の一実施形態によるトラクションシステム１０の概略図である。トラクションシステム１０は、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２を含む。一実施形態において、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２は、高電圧または高電力エネルギー貯蔵デバイスであり、例として、電池、フライホイールシステム、燃料電池、ウルトラキャパシタ、またはウルトラキャパシタと電池との組合せでよい。第１のエネルギー貯蔵デバイス１２は、ＤＣバスまたはＤＣ充電バス１６を介して双方向電圧変換器組立品１４に結合される。一実施形態において、双方向電圧修正組立品１４は、双方向ＤＣ／ＡＣ電圧変換器である。双方向ＤＣ／ＡＣ電圧変換器１４は、３つの相３０、３２、および３４を形成するように対になった６つのハーフフェーズモジュール１８、２０、２２、２４、２６、および２８を含む。各相３０、３２、３４は、ＤＣバス１６の第１の導体３６と第２の導体３８とを含む１対の導体に結合される。ＤＣバス１６に結合されたＤＣリンクキャパシタ４０が、ＤＣバス１６への平滑化機能を提供し、ＤＣバス１６上の高周波数電流をフィルタリングする。

電気機械デバイスまたはモータ４２が、双方向ＤＣ／ＡＣ電圧変換器１４に結合される。一実施形態において、電気機械デバイス４２は、非限定例として、車両１２２（図２）などの車両またはクレーン、エレベータもしくはリフトなどの他の電気装置の１つまたは複数の駆動車輪または駆動車軸４４に機械的に結合されたトラクションモータである。電気機械デバイス４２は、双方向ＤＣ／ＡＣ電圧変換器１４のそれぞれの相３０、３２、３４に結合された複数の導体５２を有する複数の巻線４６、４８、および５０を含む。巻線４６、４８、および５０は、ノード５６を形成するために互いに結合された複数の導体５４も有する。この３相接続構成は、しばしば「Ｙ」接続と呼ばれる。代替構成（図示せず）において、電気機械デバイス４２は、「デルタ」構成で接続することができ、したがって、共通ノード５６を含まない。

トラクションシステム１０は、電力を駆動車輪４４に提供するためにＤＣバス１６に結合された任意選択の第２のエネルギー貯蔵デバイス５８（２点鎖線で示す）を含む。一実施形態において、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８は、低電圧または低電力エネルギー貯蔵デバイスであり、電池、燃料電池、ウルトラキャパシタなどでよい。第１のエネルギー貯蔵デバイス１２は、例えば、車両の加速時間の間電力を提供するために第２のエネルギー貯蔵デバイス５８より高い電力を提供するように構成することができる。第２のエネルギー貯蔵デバイス５８は、車両により長く持続する電力を提供してその走行距離を増加させるために第１のエネルギー貯蔵デバイス１２より高いエネルギーを提供するように構成することができる。第２のエネルギー貯蔵デバイス５８は、任意選択として説明するが、トラクションシステム１０は、諸代替実施形態において第２のエネルギー貯蔵デバイス５８を含み、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２を省略することができる。一実施形態において、第１および第２のエネルギー貯蔵デバイス１２、５８の一方または両方は、高インピーダンス電圧源８４の瞬間送達能力より大きい瞬間許容能力を有する。

複数の双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４は、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８およびＤＣバス１６に結合され、一方のＤＣ電圧を別のＤＣ電圧に変換するように構成される。図示する実施形態において、トラクションシステム１０は、３つの双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器を含むが、しかし、トラクションシステム１０は、諸代替実施形態において３つより多いまたは少ない電圧変換器を含むことができる。各双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４は、１対のスイッチ６８、７０に結合され、１対のダイオード７２、７４に結合されたインダクタ６６を含む。各スイッチ６８、７０は、それぞれのダイオード７２、７４に結合され、各スイッチ／ダイオードの対は、それぞれのハーフフェーズモジュール７６、７８を形成する。スイッチ６８、７０を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として例示のために示す。しかし、本発明の諸実施形態は、ＩＧＢＴに限定されない。例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ、窒化ガリウム（ＧａＮ）デバイス、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、および金属酸化膜半導体制御サイリスタ（ＭＣＴ）などの任意の適当な電子スイッチを使用することができる。

トラクションシステム１０を組み込んだ車両または装置は、駐車しているとき、また使用していないとき、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２および／または第２のエネルギー貯蔵デバイス５８をリフレッシュまたは再充電するために車両のプラグを電力系統８０などの遠隔電源または再生可能エネルギー源に差し込むことが望ましいことがある。したがって、図１は、トラクションシステム１０の構成部品がエネルギー貯蔵デバイス１２、５８を再充電する、およびエネルギー貯蔵デバイス１２、５８からのエネルギーを負荷を駆動するまたは車両を推進させるのに使用可能なエネルギーに変換するという二重目的に使用することができるように、エネルギー貯蔵デバイス１２、５８を再充電するためにトラクションシステム１０のＤＣバス１６に結合可能な充電システム８２を含む本発明の一実施形態を示す。

充電システム８２は、外部の高インピーダンス電圧源８４を含む。図１に示す実施形態において、外部電圧源８４は、例えば、ＡＣ１２０Ｖ、ＡＣ２４０Ｖ、またはＡＣ４８０Ｖを提供することができる３相ＡＣ電源または電力系統８０の変圧器を含む車外多相商用電源システムである。このような一実施形態において、高インピーダンス電圧源８４の１つ、２つ、または３つの相は、充電電力を提供するために使用することができる。諸代替実施形態において、外部の高インピーダンス多相電圧源８４は、代わりに、１つ、２つ、６つ、または任意の他の数の相を有することができることが企図される。本発明の別の実施形態によれば、高インピーダンス電圧源８４は、ＤＣ電圧源であることが企図される。

高インピーダンス電圧源８４は、第１の組の二次巻線８８と第２の組の二次巻線９０に結合された複数の一次巻線８６を含む。図示する実施形態において、第１の組の二次巻線８８は、デルタ構成で接続され、第２の組の二次巻線９０は、Ｙ構成で接続される。しかし、第１および第２の組の二次巻線８８、９０は、諸代替実施形態により代替構成で構成することができる。

図１に示すように、トラクションシステム１０は、第１の組の二次巻線８８に結合され、接点９６、９８を有するレセプタクルまたはプラグ９４に結合された３相整流器９２を含む。プラグ９４は、接点１０２、１０４を有するトラクションシステム１０のプラグまたはレセプタクル１００と嵌合するように構成される。動作において、整流器９２は、第１の組の二次巻線８８から受け取った高充電電流を整流し、整流された充電電流を充電されるエネルギー貯蔵デバイスに送達する。整流器９２が受動スイッチング構成部品を含む一実施形態において、充電電流は変圧器のインピーダンスによって制限される。あるいは、整流器９２は、充電電流に対する能動制御を行うためにシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含むことができる。いずれの実施形態においても、第１の組の二次巻線８８に結合された整流器９２を使用することにより、高価なスイッチングデバイスおよび補助構成部品を有する全出力定格の電力変換器に比較して、費用のかからないやり方で、高充電電流をトラクションシステム１０に供給することが可能になる。整流器９２を車外トラクションシステム１０に搭載されたものとして図１に示すが、全出力定格の電力変換器に比較して、整流器９２は単純で比較的小型のサイズであることにより、整流器９２が諸代替実施形態における車載トラクションシステム１０に搭載されることが可能になる。

３相整流器９２により、費用のかからないやり方で、エネルギー貯蓄デバイスを充電するために高充電流がＤＣバス１６に供給されることが可能になるが、整流により、比較的高い商用電源高調波電流および低い力率がもたらされる。これを補正するために、高インピーダンス電圧源８４の第２の組の巻線９０が、接点１０８、１１０、１１２を有するレセプタクルまたはプラグ１０６を経由してトラクションシステム１０の既存の双方向ＤＣ／ＡＣ電圧変換器１４に結合される。プラグ１０６は、接点１１６、１１８、１２０を有するトラクションシステム１０のレセプタクルまたはプラグ１１４と嵌合するように構成される。動作の間、以下にさらに詳細に説明するように、双方向電圧インバータ１４が、商用電源力率を補正し、高電流充電整流器９２によって生じた商用電源高調波電流を低減するために能動フィルタとして働くように制御される。車載双方向ＤＣ／ＡＤ電圧インバータ１４は、全充電電流の一部を扱いさえすればよいので、システムは高効率で動作する。

嵌合プラグおよびレセプタクル９４、１００をＤＣ接続部として上に説明し、嵌合プラグおよびレセプタクル１０６、１１４を３相ＡＣ接続部として説明するが、プラグおよびレセプタクル９４、１００、１０６、１１４は、様々な諸実施形態により代替入力部として受けるように組み立てることができる。一非限定例として、プラグ／レセプタクル９４、１００およびプラグ／レセプタクル１０６、１１４の両方をＡＣまたはＤＣ接続部として組み立てることができる。プラグ／レセプタクル９４、１００がＡＣ接続部として組み立てられる一実施形態において、整流器９２は、搭載車両上に配置され、ＤＣバスへの供給のためにＡＣ接続部の出力を整流するように構成される。別の非限定例において、プラグ／レセプタクル９４、１００を、整流済み単相入力部として組み立てることができるが、プラグ／レセプタクル１０６、１１４を単相ＡＣ入力部として組み立てることができる。

図２は、図１のトラクションシステム１０を組み込んだ車両１２２の一部分を示す。車両１２２は、乗員を収容し、一般道路や幹線道路などの表面上を走行するように構成された車体１２４を含む。車両１２２を図２において乗用車として示すが、車両１２２は、限定はされないが、表面上および採鉱作業の場合などの地下の両方において動作することができる、材料輸送車両または個人用運搬車両を含めて自動車、バス、トラック、トラクタ、採鉱用機器、マリンクラフト、およびオフロード車を含むいかなる種類の車両でもよい。

一実施形態によれば、トラクションシステム１０（図１）のレセプタクル１００および１１４は、車体１２４上に取り付けられる二重入力充電インターフェースまたは共通充電インターフェース１２６内に収納される。図示するように、二重入力充電インターフェース１２６は、車体１２４の側面の後部分に配置される。しかし、二重入力充電インターフェース１２６は、車体１２４上または車体１２４内のどこでも配設できることが理解されよう。二重入力充電インターフェース１２６は、充電システム８２（図１）が使用されていないとき、レセプタクル１１０、１１４を隠すためのカバー（図示せず）を含むことができる。一代替実施形態において、レセプタクル１００および１１４は、別々のハウジング内に設けることができる。

次に図３を参照し、トラクションシステム１０内に組み込まれた制御器１２８および関連する制御線１３０を示す。分かりやすくするために、様々な部品番号が図３におけるトラクションシステム１０の図から省略されている。したがって、図１および図３は、制御器１２８の以下の論述に関して共に参照される。図示するように、制御器１２８は、線路１３０を介して、双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４および双方向ＤＣ／ＡＣ電圧変換器１４に結合される。

図１および図３に示すように、トラクションシステム１０は、モータ４２の巻線４６、４８、５０に結合された第１の複数のスイッチまたは接触器１３２を含む。スイッチ１３２は、充電システム８２がトラクションシステム１０に結合されているとき、再充電動作の間巻線４６、４８、５０から双方向電圧変換器組立品１４を減結合し、したがって、充電エネルギーは、モータ４２を電気的に励磁せずまたはモータ４２にエネルギー供給せず、したがって、モータ４２によって車両が充電の間移動しない。第２の複数のスイッチまたは接触器１３４は、高インピーダンス電圧源８４の二次巻線９０と双方向電圧変換器組立品１４との間に配置される。スイッチまたは接触器１３６、１３８は、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２と第２のエネルギー貯蔵デバイス５８とにそれぞれ直列に設けられる。第１のエネルギー貯蔵デバイス１２または第２のエネルギー貯蔵デバイス５８が省略される諸実施形態において、対応する接触器１３６、１３８は、同様に省略することができる。スイッチまたは接触器１４０が、トラクションシステム１０から二次巻線８８を選択的に減結合するために設けられる。様々な諸実施形態によれば、スイッチング素子１３２、１３４、１３６、１３８、および１４０を、電気機械スイッチングデバイスまたは固体型スイッチングデバイスとして組み立てることができる。

動作の間、制御器１２８は、図４〜図６に関して、以下に詳細に説明するように、いくつかの充電モードにより、トラクションシステム１０のスイッチ１３２、１３４、１３６、１３８、および１４０の動作を選択的に制御する。制御器１２８は、充電動作の間、トラクションシステム１０内に設けられたいくつかのセンサからフィードバックも受け取る。制御器１２８に結合された第１の電圧センサ１４２により、制御器１２８は、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２の充電を監視することが可能になる。第２の電圧センサ１４４は、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８に供給される充電電圧を監視するのに使用される。この場合も、センサ１４２またはセンサ１４４は、対応する第１または第２のエネルギー貯蔵デバイス１２、５８を含まない諸実施形態においては省略することができる。制御器１２８は、１つまたは複数の電流センサ１４６を介して充電エネルギーの電流を監視するように構成される。センサシステム１４７は、制御器１２８が高インピーダンス電圧源８４の電圧と電流を監視することを可能にするために線路電圧センサ１４８と線路電流センサ１５０とを含む。線路１４９によって全体が示されるセンサシステム１４７の出力は、制御器１２８によって受け取られる。一実施形態において、センサ１４８、１５０は、図３に示すように、一次巻線８６上に設けられる。あるいは、センサ１４８、１５０は、二次巻線８８、９０の一方または両方上に設けることができる。さらに、電圧センサ１４８は、線間電圧センサとして示すが、諸代替実施形態では、フィードバックを制御器１２８に提供するために１つまたは複数の線路中立電圧センサを含むことができる。センサシステム１４７は、高インピーダンス電圧源８４の各相に対応する線路および電圧センサ１４８、１５０を含むものとして示すが、センサシステム１４７は、相の総数より少ない電圧および／または電流センサを含むことができる。このような諸実施形態において、制御器１２８は、他の電圧および／または電流値を計算するために追加の処理を用いてプログラムすることができる。

監視モードにおいて、制御器１２８は、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２および／または第２のエネルギー貯蔵デバイス５８からのエネルギーがＤＣバス１６に伝達されるように、スイッチ１３２およびスイッチ１３６および／または１３８を閉状態に、スイッチ１３４、１４０を開状態に制御する。ハーフフェーズモジュール１８〜２８の適当な制御により、制御器１２８は、導体５２を介して巻線４６〜５０に供給するために、双方向ＤＣ／ＡＣ電圧インバータ１４を制御してＤＣバス１６上のＤＣ電圧または電流をＡＣ電圧または電流に変換するように構成される。したがって、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２および／または第２のエネルギー貯蔵デバイス５８からのＤＣ電圧または電流は、ＡＣ電圧または電流に変換し、車輪４４を駆動するためにモータ４２に送達することができる。他の非車両推進システムにおいて、駆動車輪４４は、ポンプ、ファン、ウインチ、クレーン、または他のモータ駆動負荷を含めて、別の種類の負荷（図示せず）でよい。

回生制動モードにおいて、電気機械デバイス４２は、車輪４４にブレーキをかけるために、および第１のエネルギー貯蔵デバイス１２または第２のエネルギー貯蔵デバイス５８を別々または両方同時のいずれかで再充電するのに適切なＤＣバス１６上へのＤＣ電圧または電流への反転のためにＡＣ電圧または電流を双方向ＤＣ／ＡＣ電圧インバータ１４に供給するために発電機として動作することができる。

再充電モードにおいて、電流などの充電エネルギーは、整流器９２を通じておよび双方向電圧変換器組立品１４のダイオード１５２、１５４、１５６、１５８、１６０、１６２を通じて高インピーダンス電圧源８４からＤＣバス１６に流れる。ダイオード１５２〜１６２は、高インピーダンス電圧源８４の二次巻線９０を介して供給されるＡＣ電力をＤＣバス１６用のＤＣ電力に変換するために整流を行う。

再充電モードにおいて、制御器１２８は、双方向電圧インバータ１４を制御して、充電されるＤＣリンクキャパシタ４０および／またはエネルギー貯蔵デバイス１２、５８と実質的にエネルギーを交換し、それによって商用電源力率および整流器９２の使用から生じる高い高調波電流を補正して高充電電流を急速充電するために供給する。制御器１２８は、センサ１４８を介して双方向電圧変換器組立品１４への３相線路電圧および線路電流を感知し、線路電圧を使用して線路基準電流命令を生成する。制御器１２８は、センサ１５０を介して３相線路電流も感知し、この感知した線路電流を生成された線路基準電流命令と比較する。線路電流が線路電圧に従う場合、低高調波の力率１が達成される。したがって、制御器１２８は、誤りの生成および安定性の補償のために線路基準電流を感知した線路電流と比較し、双方向電圧変換器組立品１４の適当なスイッチング制御により、双方向電圧インバータ１４のスイッチングを制御して、線路基準電流と感知した線路電流との誤りを最小にし、商用電源電流を商用電源電圧に従わせるまたは商用電源電圧と同相になる補正電流をＤＣバス１６上に注入する。補正電流により、システムは、力率１の所定の閾値内で動作する。一実施形態において、所定の閾値は、１の約５％以内である。

次に図４を参照し、トラクションシステム１０が高電圧の第１のエネルギー貯蔵デバイス１２を充電するための構成で制御されるときのトラクションシステム１０の有効回路を示す。図示する構成において、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２は、接触器１３８および接触器１４０を閉じ、接触器１３６を開くことによって充電される。接触器１３２は、充電動作の間モータ巻線４６、４８、５０を減結合するために開き、接触器１３４は、二次巻線９０を双方向電圧インバータ１４に結合するために閉じる。第２のエネルギー貯蔵デバイス５８は、存在する場合、この充電構成において回路から取り除かれる。整流器９２は、高充電電流をＤＣバス１６に供給して、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２を充電するが、制御器１２８は、上に説明したように、双方向電圧インバータ１４のスイッチングを制御して、商用電源力率を補正し、整流器９２からの高充電電流によって生じた商用電源高調波電流を低減する。

第１のエネルギー貯蔵デバイス１２の充電動作の間、制御器１２８は、センサ１４２を介して第１のエネルギー貯蔵デバイス１２の電圧を監視し、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２の充電をその電圧が指定レベルを超えないように調節する。充電の終わり近くに、制御器１２８は、再充電電流が低レベルに漸減するにつれてＤＣバス１６上の再充電電圧を「フロート電圧」に調節もし、双方向電圧変換器組立品１４の動作を高電力能動整流器モードに切り換えて、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２を充電の終わり近くに適正な「フロート電圧」に維持する。

図５は、低電圧の、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８を急速充電するための第１の構成におけるトラクションシステム１０の有効回路を示す。図示する充電構成を達成するために、制御器１２８は、接触器１３６を開いて高電圧の第１のエネルギー貯蔵デバイス１２を回路から取り除き（存在する場合）、接触器１３８を閉じて、双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４を迂回し、整流器９２を介してＤＣバス１６に供給される高充電電流が、閉じた接触器１３８を通じて直接第２のエネルギー貯蔵デバイス５８に加えられることを可能にする。この構成において、双方向電圧変換器組立品１４は、商用電源入力における力率１を達成するために能動フィルタとして働くように制御される。

図示する充電構成において、制御器１２８は、センサ１４４を介して第２のエネルギー貯蔵デバイス５８の充電状態を監視し、感知した電圧を第２のエネルギー貯蔵デバイス５８の所定の電圧制限と比較する。第２のエネルギー貯蔵デバイス５８の監視電圧が電圧閾値に達するか電圧閾値を超えるとき、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８の電圧が「フロート」または所望の電圧に維持される。一実施形態において、閾値は、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８の設計および温度に基づく。制御器１２８が第２のエネルギー貯蔵デバイス５８がフル充電近くにあると感知するとき、および電流が低減するにつれて、制御器１２８は、接触器１３８を開き、双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４を動作させて、よく制御されたやり方でより低い電流における充電を完了し、それによって、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８を最大で適正な「フロート電圧」までもたらし、かつ適正な「フロート電圧」に維持する。この充電制御の終わりの間、トラクションシステム１０の有効回路は、図６に示すものと同様のやり方で構成される。

図６は、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８を充電するための第２の構成におけるトラクションシステム１０の有効回路を示す。この第２の構成は、第２のエネルギー貯蔵デバイス５８の充電が双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４によって制御されるように接触器１３８が開くことを除いて、図５に示す構成に類似している。トラクションシステム１０内に含まれる双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器の数により、双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４は、ＤＣバス１６からの所望の高電流充電を達成するために十分な電力処理を提供することができる。この構成において、双方向電圧変換器組立品１４は、まだ能動フィルタとして働くが、それが処理する電力は、双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４が商用電流の大部分を制御して良好な力率を達成できるので、図５の構成に関連する電力から減少する。

様々な充電構成について第１のエネルギー貯蔵デバイス１２または第２のエネルギー貯蔵デバイス５８のいずれかへの充電に関して上に論じてきたが、第１および第２のエネルギー貯蔵デバイス１２、５８の公称電圧が適当に選択され、各それぞれのエネルギー貯蔵デバイス１２、５８のそれぞれの充電状態（ＳＯＣ）が、所定の値内にあるとき、スイッチ１３６および１３８は、第１および第２のエネルギー貯蔵デバイス１２、５８を同時に充電するように動作することができる。

図７ａおよび図７ｂは、本発明の別の実施形態による、トラクションシステム１６４の概略図を示す。トラクションシステム１６４は、例えば、バス、機関車、オフハイウェイトラック、採鉱用車両など、高電力用途で使用することができる。トラクションシステム１０および１６４に共通の要素および構成部品については、必要に応じて、同じ基準数に対して論じる。図７ａおよび図７ｂも、同じ基準数に対してトラクションシステム１６４の共通の構成部品について論じる。

トラクションシステム１０に共通の構成部品に加えて、トラクションシステム１６４は、双方向電圧修正組立品１６５と、高インピーダンス電圧源８４の二次巻線９０を双方向電圧修正組立品１６５に選択的に結合する、複数の変圧器スイッチまたは接触器１６８とを含む。

図７ａに示す実施形態において、双方向電圧修正組立品１６５は、３つの双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器１６６を含む。本発明の諸代替実施形態において、双方向電圧修正組立品１６５は、所与のトラクションシステムの設計仕様に基づいて３つより多いまたは少ないＤＣ／ＤＣ変換器を含むことができる。あるいは、双方向電圧修正組立品１６５は、双方向ＤＣ／ＡＣインバータでもよい。

トラクションシステム１６４は、制御線１７２を介して双方向電圧変換器組立品１４および双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器６０、６２、６４、および１６６に結合される制御器１７０を含む。制御線１７２は、制御器１７０をスイッチ１３２、１３６、１３８、１４０、および１６８にも結合する。

第１のエネルギー貯蔵デバイス１２または第２のエネルギー貯蔵デバイス５８を充電するとき、制御器１７０は、制御器１７０がトラクションシステム１０の充電動作において前に説明したように能動フィルタリングを達成するために双方向電圧変換器組立品１４を制御するのではなく、能動フィルタ機能を達成するために３相インバータとして双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器１６６を動作させることを除いて、図１〜図５に関して説明したのと同様のやり方で動作する。双方向電圧修正組立品１６５が１つまたは複数のＤＣ／ＤＣ電圧変換器１６６を含む諸実施形態において、双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器１６６のインダクタ１７４は、フィルタインダクタとして使用される。あるいは、より高い電流定格を有することができる二次巻線９０の漏れインダクタンスは、フィルタインダクタとして使用することができ、したがって、インダクタ１７４は不要にすることができる。

一実施形態において、任意選択のスイッチ１６７（２点鎖線で示す）は、充電システム８２がトラクションシステムに結合され、したがって充電エネルギーがモータ４２を電気的に励磁せずまたはモータ４２にエネルギーを供給せず、したがって、モータ４２により、充電の間、車両が移動しないとき、再充電動作の間、巻線４６、４８、５０からＤＣ／ＡＣ電圧インバータ１４を減結合する。あるいは、制御器１７０は、ＤＣ／ＡＣ電圧インバータ１４のスイッチング素子を無効にして、再充電の間、充電エネルギーがＤＣバス１６から巻線４６、４８、５０に流れるのを妨げる。

再充電動作において、制御器１２８は、電圧センサ１７６を介して第１のエネルギー貯蔵デバイス１２の電圧を感知し、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２の充電を、その電圧が指定レベルを超えないように調節する。充電の終わり近くに、制御器１２８は、再充電電流が低レベルに漸減するにつれて、ＤＣバス１６上の再充電電圧を「フロート電圧」に調節もする。

したがって、本発明の諸実施形態は、すでにトラクション制御システムに搭載されたインバータや変換器などの構成部品を使用して、トラクション制御システムの１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスを急速に再充電する。このようにして、これらの構成部品は、エネルギー貯蓄デバイスの監視および再充電する二重目的に使用することができる。車両の車載構成部品を使用することにより、車外の充電所が単純で、低費用で、高電力の設計を有することが可能になる。さらに、高電流充電を費用効果のあるやり方で得ることができる。したがって、車載エネルギー貯蓄デバイスの急速充電は、１対の変圧器の二次側を通じて遠隔電源からの同時二重入力を使用して実施することができる。遠隔電源からの第１の入力部は、急速充電のために高充電電流をＤＣバスに供給し、遠隔電源からの第２の入力部は、充電電流における高調波を低減し、１に近い高い力率を達成する、補正電流をＤＣバスに注入するのに使用される。

開示した装置への技術的寄与は、それが車載パワーエレクトロニクスを使用してエネルギーを伝達するための制御器によって実施される技法を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、装置が、ＤＣバスと、ＤＣバスに結合されＤＣ電圧を出力するように構成された第１のエネルギー貯蓄デバイスと、ＤＣバスに結合された第１の双方向電圧修正組立品と、ＤＣバスに結合可能な高インピーダンス電圧源とを含む。装置は、ＤＣバスに結合された第１のレセプタクルと、第１の双方向電圧修正組立品に結合された第２のレセプタクルとを有する充電システムさらに含む。第１のレセプタクルは、高インピーダンス電圧源に結合された第１のコネクタと嵌合するように組み立てられ、第２のレセプタクルは、高インピーダンス電圧源に結合された第２のコネクタと嵌合するように組み立てられる。制御器が、充電システムの第１および第２のレセプタクルを通じて充電エネルギーのＤＣバスへの同時伝達を制御するようにプログラムされる。

本発明の別の実施形態によれば、車載エネルギー貯蔵デバイスと外部電圧源との間でエネルギーを伝達するための方法が、車載エネルギー貯蔵デバイスをＤＣ充電バスに結合するステップを含み、車載エネルギー貯蔵デバイスはＤＣ電圧を出力するように構成される。方法は、外部電圧源に結合された第１のコネクタをＤＣ充電バスに結合された第１のレセプタクルに差し込むステップと、外部電圧源に結合された第２のコネクタをＤＣ充電バスに結合された第２のレセプタクルに双方向電圧修正組立品を通じて差し込むステップと、複数の接触器を閉じて、第１および第２のコネクタを通じて、外部電圧源から車載エネルギー貯蔵デバイスにエネルギーを同時に伝達することを可能にするように制御器をプログラムするステップとをやはり含む。

本発明のさらに別の実施形態によれば、システムが、変圧器と、遠隔電源に結合されたＤＣコネクタおよび遠隔電源に結合されたＡＣコネクタを有する充電システムとを備える遠隔電源を含む。システムは、ＤＣバスと、ＤＣバスに結合されたエネルギー貯蔵デバイスと、ＤＣバスに結合されたＤＣレセプタクルと、双方向電圧修正組立品を通じてＤＣバスに結合されたＡＣレセプタクルとを有する車両も含む。制御器が、遠隔電源からＤＣバスへの充電エネルギーの伝達を制御するようにプログラムされ、充電エネルギーは、ＤＣレセプタクルを通じて伝達された高電流成分と、ＡＣレセプタクルを通じて伝達された電流補正成分とを有する。

本発明を、限定された数の諸実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明が、このような開示した諸実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまで説明しなかった、いかなる数の変形、改変、代替、均等構成も組み込むように修正できるが、それらは本発明の精神および範囲に相応する。さらに、本発明の様々な諸実施形態を説明してきたが、本発明の諸態様は、説明した諸実施形態の一部しか含まないことがあることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものとみなしてはならず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０トラクションシステム
１２第１のエネルギー貯蔵デバイス
１４双方向電圧変換器組立品、双方向ＤＣ／ＡＣ電圧変換器、双方向電圧インバータ
１６ＤＣバス、ＤＣ充電バス
１８、２０、２２、２４、２６、２８ハーフフェーズモジュール
３０、３２、３４３相
３６第１の導体
３８第２の導体
４０ＤＣリンクキャパシタ
４２モータ
４４車輪、車軸
４６、４８、５０巻線
５２導体
５４導体
５６ノード
５８第２のエネルギー貯蔵デバイス
６０、６２、６４双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器
６８、７０１対のスイッチ
７２、７４ダイオード
７６、７８ハーフフェーズモジュール
８２充電システム
８４高インピーダンス電圧源
８６一次巻線
８８、９０二次巻線
９２整流器
１００、１１４レセプタクル
１２６二重入力インターフェース、共通充電インターフェース
１２８制御器
１３０制御線
１３２スイッチ、複数のスイッチ、接触器
１３４第２の複数の接触器、スイッチ
１３６スイッチ、接触器
１３８スイッチ、接触器
１４０スイッチ、接触器
１４２第１の電圧センサ
１４４第２の電圧センサ
１４７センサシステム
１４８線路電圧センサ
１４９線路
１５０線路電流センサ
１６４トラクションシステム
１６５双方向電圧修正組立品
１６６ＤＣ／ＤＣ電圧変換器
１６７任意選択のスイッチ
１６８複数の変圧器スイッチ、接触器
１７０制御器
１７２制御線

Claims

ＤＣバスと、
前記ＤＣバスに結合された第１のエネルギー貯蔵デバイスであって、ＤＣ電圧を出力するように構成された第１のエネルギー貯蔵デバイスと、
前記ＤＣバスに結合された第１の双方向電圧修正組立品と、
前記ＤＣバスに結合可能な高インピーダンス電圧源と、
充電システムであって、
前記ＤＣバスに結合された第１のレセプタクルであって、前記高インピーダンス電圧源に結合された第１のコネクタと嵌合するように組み立てられた第１のレセプタクル、
前記第１の双方向電圧修正組立品に結合された第２のレセプタクルであって、前記高インピーダンス電圧源に結合された第２のコネクタと嵌合するように組み立てられた第２のレセプタクル、および
前記充電システムの前記第１および第２のレセプタクルを通じて前記ＤＣバスへの充電エネルギーの同時伝達を制御するようにプログラムされた制御器
を備える充電システムと
を備える装置。
前記第１および第２のレセプタクルが、二重入力充電インターフェース内に収納される、請求項１記載の装置。
前記第１のレセプタクルが、ＤＣ入力部を受けるように組み立てられる、請求項１記載の装置。
前記第２のレセプタクルが、ＡＣ入力部を受けるように組み立てられる、請求項１記載の装置。
前記高インピーダンス電圧源の第１の複数の二次変圧器巻線に結合された整流器をさらに備える、請求項１記載の装置。
開位置と閉位置とを有する複数の変圧器接触器をさらに備え、
前記複数の変圧器接触器が、前記閉位置に配置されるとき、前記高インピーダンス電圧源の第２の複数の二次変圧器巻線を前記第１の双方向電圧修正組立品に接続するように組み立てられる、請求項１記載の装置。
前記ＤＣバスに結合された双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器をさらに備え、
前記第１の双方向電圧修正組立品が、双方向ＤＣ／ＡＣ電圧インバータを備える、請求項１記載の装置。
前記第１の双方向電圧修正組立品が、少なくとも１つの双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器を備える、請求項１記載の装置。
前記制御器が、前記第１の双方向電圧修正組立品に補正電流を前記ＤＣバスに注入させるようにさらにプログラムされる、請求項１記載の装置。
前記制御器が、
前記高インピーダンス電圧源の線路電流を監視し、
前記高インピーダンス電圧源の線路電圧を監視し、
監視された線路電圧から基準電流を生成し、
前記基準電流と前記監視された線路電流とを比較し、
前記基準電流と前記監視された線路電流との前記比較に基づいて前記補正電流を計算するようにさらにプログラムされる、請求項９記載の装置。
前記第１の双方向電圧修正組立品に結合された電気機械デバイスをさらに備える、請求項１記載の装置。
前記ＤＣバスに結合された第２のエネルギー貯蔵デバイスであって、ＤＣ電圧を出力するように構成された第２のエネルギー貯蔵デバイスと、
前記第１のエネルギー貯蔵デバイスに直列に配置され、前記第１のエネルギー貯蔵デバイスを前記ＤＣバスに直接結合するように構成された第１の接触器と、
前記第２のエネルギー貯蔵デバイスに直列に配置され、前記第２のエネルギー貯蔵デバイスを前記ＤＣバスに直接結合するように構成された第２の接触器と
をさらに備える、請求項１記載の装置。
前記第１のエネルギー貯蔵デバイスが、高電力エネルギー貯蔵デバイスを備え、
前記第２のエネルギー貯蔵デバイスが、低電力エネルギー貯蔵デバイスを備える、請求項１２記載の装置。
車載エネルギー貯蔵デバイスと外部電圧源との間でエネルギーを伝達するための方法であって、
前記車載エネルギー貯蔵デバイスをＤＣ充電バスに結合するステップであって、前記車載エネルギー貯蔵デバイスが、ＤＣ電圧を出力するように構成される、ステップと、
前記外部電圧源に結合された第１のコネクタを前記ＤＣ充電バスに結合された第１のレセプタクルに差し込むステップと、
双方向電圧修正組立品を通じて、前記外部電圧源に結合された第２のコネクタを前記ＤＣ充電バスに結合された第２のレセプタクルに差し込むステップと、
複数の接触器を閉じて、前記第１および第２のコネクタを通じて、前記外部電圧源から前記車載エネルギー貯蔵デバイスへのエネルギーの同時伝達を可能にするように制御器をプログラムするステップと
を含む方法。
前記双方向電圧修正組立品の切換えを制御して、前記外部電圧源の高調波電流を低減する補正電流を前記ＤＣ充電バスに注入するように前記制御器をプログラムするステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
前記外部電圧源の電圧と前記外部電圧源の電流との位相差を監視し、
所定の閾値の１内で動作するために前記位相差に基づいて前記補正電流を計算するように前記制御器をプログラムするステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
前記双方向電圧修正組立品を前記ＤＣ充電バスに結合するステップが、双方向ＤＣ／ＡＣ電圧インバータを前記ＤＣ充電バスに結合するステップを含む、請求項１４記載の方法。
双方向ＤＣ／ＤＣ電圧変換器を前記ＤＣ充電バスに結合するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
第２の車載エネルギー貯蔵デバイスを前記ＤＣ充電バスに結合するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
前記第１のコネクタを前記第１のレセプタクルに差し込むステップが、前記外部電圧源の第１の複数の二次巻線の整流された出力を前記ＤＣ充電バスに結合するステップを含み、
前記第２のコネクタを前記第２のレセプタクルに差し込むステップが、前記外部電圧源の第２の複数の二次巻線を前記双方向電圧修正組立品に結合するステップを含む、請求項１４記載の方法。
ＤＣ接続部を介して前記第１の複数の二次巻線を前記ＤＣ充電バスに結合するステップと、
ＡＣ接続部を介して前記第２の複数の二次巻線を前記双方向電圧修正組立品に結合するステップと
をさらに含む、請求項２０記載の方法。
変圧器を備える遠隔電源と、
前記遠隔電源に結合されたＤＣコネクタ、および
前記遠隔電源に結合されたＡＣコネクタ
を備える充電システムと、
ＤＣバス、
前記ＤＣバスに結合されたエネルギー貯蔵デバイス、
前記ＤＣバスに結合されたＤＣレセプタクル、および
双方向電圧修正組立品を通じて前記ＤＣバスに結合されたＡＣレセプタクル
を備える車両と、
前記遠隔電源から前記ＤＣバスへの充電エネルギーの伝達を制御するようにプログラムされた制御器と
を備え、前記充電エネルギーが、前記ＤＣレセプタクルを通じて伝達される高電流成分と、前記ＡＣレセプタクルを通じて伝達される電流補正成分とを有する、システム。
前記変圧器の第１の複数の二次巻線に結合された整流器をさらに備え、
前記ＡＣコネクタが、前記変圧器の第２の複数の二次巻線に結合される、請求項２２記載のシステム。
前記ＤＣレセプタクルおよび前記ＡＣレセプタクルが、共通の充電インターフェース内に収納される、請求項２２記載のシステム。