JP2015523845A - 駆動制御装置、および電気エネルギー貯蔵器を充電する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気エネルギー貯蔵器（Ｔ５）を充電するための駆動制御装置（１００）であって、入力交流電圧（Ｕ１）の電気的干渉を制限するよう構成されたラインフィルタ素子（Ｔ１）と、ラインフィルタ素子（Ｔ１）と結合され、入力交流電圧（Ｕ１）を整流された入力電圧（Ｕ２）へと変換するよう構成されたライン整流回路素子（Ｔ２）と、ライン整流回路素子（Ｔ２）と結合され、整流された入力電圧（Ｕ２）を高周波交流電圧（Ｕ３）へと変換するよう構成されたフルブリッジ素子（Ｔ３）と、フルブリッジ素子（Ｔ３）と結合され、高周波交流電圧（Ｕ３）を変圧された交流電圧（Ｕ４）へと変換するよう構成された変圧素子（ＴＲＦ１）と、変圧素子（ＴＲＦ１）と結合され、変圧された交流電圧（Ｕ４）を整流された出力電圧（Ｕ５）へと変換するよう構成された整流回路素子（Ｔ４）と、整流回路素子（Ｔ４）と結合され、整流された出力電圧（Ｕ５）にフィルタを掛け、フィルタを掛けることにより電気エネルギー貯蔵器（Ｔ５）を充電するよう構成された出力チョーク素子（ＤＬ１）と、を備える、上記駆動制御装置（１００）に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、駆動制御装置、および電気エネルギー貯蔵器を充電する方法に関する。

独国特許出願公開第３６１２９０６号明細書は、少なくとも１つの整流回路により、ライン交流電圧を少なくとも１つの直流電圧へと、変圧器を利用せずに変換するための電源ユニットについて記載しており、ここでは、整流された線間交流電圧により供給される少なくとも１つのエネルギー貯蔵構成であって、チョークおよびコンデンサのコイルの直列回路を備える上記エネルギー貯蔵構成が、整流器またはツェナーダイオードを介して整流回路の出力口と接続されている。

独国特許出願公開第１９５２３５７６号明細書は、交流電圧−直流電圧電源ユニット、および、高電圧システム内で交流電圧を直流電圧へと変換する方法について記載している。ここで記載される交流電圧−直流電圧電源ユニットは、より低いアバランシェ電圧を有するバックワードコンバータ（Ｒｕｅｃｋｌａｕｆｗａｎｄｌｅｒ）の低電圧側に取り付けられた半導体スイッチを有する。より低いアバランシェ電圧は、低電圧スイッチ側の端子電圧を制御するシャントレギュレータによって実現可能である。

図１０は、バッテリと、中間回路と、変圧器と、モータとを備えた電動部の例示的な図を示している。

インバータＵＭＲ１は、バッテリＢＲ１のバッテリ電圧から、モータＭのための回転磁界を構築する。バッテリＢＲ１は、静的または可変的に接続されたバッテリセルＺ１〜Ｚ２を備える。バッテリＢＲ１の充電は、中間回路ＺＫ１に接続された図示されない別の回路を介して行われる。インバータＵＭＲ１は、充電状態においては非活性（ｐａｓｓｉｖ）である。

図１１は、充電装置の例示的な図を示している。充電装置は、ラインフィルタＢ１と、ダイオード整流器Ｂ２と、力率補正フィルタＢ３と、第１の電圧中間回路Ｂ４と、変圧器ブリッジ回路Ｂ５と、第２の電圧中間回路Ｂ６と、出力口Ｂ７と、を備える。

本発明は、電気エネルギー貯蔵器を充電するための駆動制御装置であって、入力交流電圧の電気的干渉を制限するよう構成されたラインフィルタ素子と、ラインフィルタ素子と結合され、入力交流電圧を整流された入力電圧へと変換するよう構成されたライン整流回路素子と、ライン整流回路素子と結合され、整流された入力電圧を高周波交流電圧へと変換するよう構成されたフルブリッジ素子と、フルブリッジ素子と結合され、高周波交流電圧を変圧された交流電圧へと変換するよう構成された変圧素子と、変圧素子と結合され、変圧された交流電圧を整流された出力電圧へと変換するよう構成された整流回路素子と、整流回路素子と結合され、整流された出力電圧にフィルタを掛け、フィルタを掛けることにより電気エネルギー貯蔵器を充電するよう構成された出力チョーク素子と、を備える、上記駆動制御装置を創出する。

さらに、本発明は、電気エネルギー貯蔵器を充電する方法であって、以下の処理工程、すなわち、入力交流電圧を整流された入力電圧へと変換し、整流された入力電圧を高周波交流電圧へと変換する工程と、高周波交流電圧を変圧された交流電圧に変圧し、変圧された交流電圧を整流された出力電圧へと変換する工程と、整流された出力電圧にフィルタを掛ける工程と、を含む、上記方法を創出する。

通常の充電装置に対して、上記の方法は、整流された線間電圧も整流された出力電圧も平滑化する必要がないという利点をもたらす。

これによって、大きくて高価なコンデンサはもはや必要ではない。大きくて高価なコンデンサ無しで済ますことによって、充電装置の耐用年数も延びる。

したがって、このコンデンサの省略によって、作動電流制限回路も、充電装置の高電圧に対する安全性を保証するための放電回路も、もはや必要ではない。

本発明のさらなる別の利点は、追加的な力率補正フィルタ（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ、力率補正）が必要ではないことである。充電電流は、当該充電電流が入力電圧に従うように制御される。

これにより、本発明は、通常の充電装置に対してコストおよび設置空間の面で利点をもたらす。この大きなコンデンサの省略により、駆動制御装置の耐用年数の点での利点も生じる。

変圧素子は、直流的絶縁に役立ち、その変圧比によって要求に応じて電圧を変換する。引き続いて、変圧素子の出力電圧が整流される。出力チョークは、ダイレクトコンバータ（ＤＩＣＯ：ｄｉｒｅｃｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）との分離、または、ダイレクトインバータ（ＤＩＮＶ：ｄｉｒｅｃｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）との分離のために役立つ。

本発明の構想は、エネルギー貯蔵器の充電電流が、ダイレクトインバータまたはダイレクトコンバータの逆電圧によって対応して調整されるということである。

本発明の有利な実施形態によれば、ラインフィルタ素子は、ローパスフィルタとして構成されることが構想される。このことにより、有利に、電流供給ネットワーク内への電子機器の電気的干渉も、電子機器への電流供給ネットワークの電気的干渉も制限することが可能となる。

本発明のさらなる別の有利な実施形態によれば、ライン整流回路素子は、複数の半導体ダイオードを備えた、制御されない整流器として構成されるということが構想される。

本発明のさらなる別の有利な実施形態によれば、フルブリッジ素子は、ブリッジ回路として構成されるということが構想される。

本発明のさらなる別の有利な実施形態によれば、変圧素子は、トロイダル変圧器として、または平面変圧器として、またはそれ以外の変圧器として構成されるということが構想される。このことによって、設置面積を取らずに変圧素子を組み込むことが可能となる。

本発明のさらなる別の有利な実施形態によれば、整流回路素子は、複数の半導体ダイオードを備えた、制御されない整流器として構成されるということが構想される。このことにより、有利に、出力電圧の整流を安価に行い、フィルタのコストの削減を実現することが可能となる。

本発明のさらなる別の有利な実施形態によれば、出力チョーク素子は、空芯コイルまたはそれ以外のコイルとして構成されるということが構想される。これにより、有利に、出力電圧のフィルタリングを実現することが可能となる。

上記の構成および発展形態は、有効である限りにおいて任意に互いに組み合わせられる。本発明のさらなる別の可能な構成、発展形態、および実現は、以前または以下に実施例に関して記載された本発明の特徴の明示的に挙げられない組み合わせも含む。

その際特に、当業者は、本発明の各基本形態への改善策または補足として個別の観点も追加するであろう。

本発明の実施形態のさらなる別の特徴および利点は、添付の図面に関する以下の明細書の記載から明らかとなろう。
本発明の一実施形態に係る電気エネルギー貯蔵器を充電するための駆動制御装置の概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係る入力電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係る整流された入力電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係る高周波交流電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係る整流された出力電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係る充電電流の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係る逆電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。 本発明の他の実施形態に係るダイレクトコンバータを備えた組み込まれたインバータの概略図を示す。 本発明の一実施形態に係る電気エネルギー貯蔵器を充電する方法のフローチャートの概略図を示す。 バッテリ、中間回路、変圧器、およびモータを備えた電気駆動部の概略図を示す。 充電装置の例の図を示す。 全ての図面において、同一または機能的の同一の構成要素および装置には、特に断りがない限り、同一の符号が付される。

図１は、本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵装置を充電するための駆動制御装置の概略図を示している。

電気エネルギー貯蔵器Ｔ５を充電するための駆動制御装置１００は、ラインフィルタ素子Ｔ１と、ライン整流回路素子Ｔ２と、フルブリッジ素子Ｔ３と、変圧素子ＴＲＦ１と、整流回路素子Ｔ４と、出力チョーク素子ＤＬ１とを備える。

ラインフィルタ素子Ｔ１は、本実施形態ではラインフィルタＮ１を有する。ラインフィルタ素子Ｔ１は、例えば、入力交流電圧Ｕ１の電気的干渉を制限するよう構成される。その際に、ラインフィルタ素子Ｔ１は、電流供給ネットワークへの電子機器の電気的干渉も、電子機器への電流供給ネットワークの電気的干渉も制限することが可能である。

ライン整流回路素子Ｔ２は、ここでは、複数の半導体ダイオードＨＬ１〜ＨＬ４を備えた、制御されない整流器として構成される。さらに、ライン整流回路素子Ｔ２は、例えば、入力交流電圧Ｕ１を、整流された入力電圧Ｕ２へと変換するよう構成される。

フルブリッジ素子Ｔ３は、例えばブリッジ回路として構成され、複数の電界効果トランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４を備える。その際に、電界効果トランジスタＦＥＴ１〜ＦＥＴ４の代わりに、任意の構造の他のトランジスタを利用することも可能である。

変圧素子ＴＲＦ１は、例えば、高周波交流電圧Ｕ３を、変圧された交流電圧Ｕ４へと変換するよう構成される。変圧素子ＴＲＦ１は、例えば、トライダル変圧器として、または平面変圧器として構成される。

整流回路素子Ｔ４は、ここでは、変圧された交流電圧Ｕ４を整流された出力電圧Ｕ５へと変換するよう構成される。整流回路素子Ｔ４は、本実施形態では、複数の半導体ダイオードＨＬ５〜ＨＬ８を備える。

出力チョーク素子ＤＬ１は、例えば、整流された出力電圧Ｕ５の高周波成分にフィルタを掛け、これにより、電気エネルギー貯蔵器Ｔ５を充電するよう構成される。

電気エネルギー貯蔵器Ｔ５は、少なくとも１つのセルモジュールＺ１〜Ｚｎを備える。その際に、エネルギー貯蔵器Ｔ５のダイレクトコンバータは、エネルギー貯蔵器Ｔ５に印加される充電電圧Ｕ６にしたがって、所定数のセルモジュールＺ１〜Ｚｎを活性（ａｋｔｉｖ）に接続し、充電電圧Ｕ６に応じて、電気エネルギー貯蔵器の充電のために有利な逆電圧Ｕ７を生成する。例えば、６３．３Ｖの充電電圧が印加された際には、３個のセルモジュールＺ１〜Ｚ３が内部で直列に接続され、その際に、各セルモジュールは２０Ｖのセル電圧を有する。４３．３Ｖの充電電圧が印加された際には、２個のセルモジュールＺ１〜Ｚ２が内部で直列に接続される。さらに、ダイレクトコンバータは、電気エネルギー貯蔵器Ｔ５への均等な充電を保証するために、セルモジュールＺ１〜Ｚｎを所定の順序で作動および停止することが可能である。その際に、ダイレクトコンバータの切り替えプロセスは、ミリ秒領域またはマイクロ秒領域の時間内に行われうる。

電気エネルギー貯蔵器Ｔ５は、例えば、複数のリチウムイオン蓄電池、複数のコンデンサ、複数のリチウムポリマ蓄電池、複数のリチウムタイタネート蓄電池、複数のリチウムマンガン蓄電池、もしくは複数のリン酸鉄リチウム蓄電池を備えたセルモジュールアセンブリ、または、複数のその他の蓄電池もしくは電気エネルギー貯蔵器を備えたセルモジュールアセンブリとして構成される。

図２は、本発明の他の実施形態に係る入力電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。

図２に示されるタイムチャートの縦軸は、入力交流電圧Ｕ１の振幅をボルト単位で表し、横軸には時間ｔが示されている。

電圧特性曲線ＳＫ１が、図２で示されたグラフ内に示されており、入力交流電圧Ｕ１の時間的な推移を再現している。

図３は、本発明の他の実施形態に係る整流された入力電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。

図３に示されるタイムチャートの縦軸は、整流された入力電圧の振幅をボルト単位で表し、横軸には、時間ｔが示されている。

電圧特性曲線ＳＫ２が、図３に示されたグラフ内に示されており、整流された入力電圧Ｕ２の時間的推移を再現している。

図４は、本発明の他の実施形態に係る高周波交流電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。

図４に示されるタイムチャートの縦軸は、高周波交流電圧Ｕ３の振幅をボルト単位で表し、横軸には、時間ｔが示されている。

電圧特性曲線ＳＫ３が、図４で示されるグラフ内に示されており、高周波交流電圧Ｕ３の時間的推移を再現している。

図５は、本発明の他の実施形態に係る整流された出力電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。

図５に示されるグラフの縦軸は、整流された出力電圧Ｕ５の振幅をボルト単位で表し、横軸には時間ｔが示されている。

電圧特性曲線ＳＫ４が、図５で示されるグラフ内に示されており、整流された出力電圧Ｕ５の時間的推移を再現している。

図６は、本発明の他の実施形態に係る充電電流の時間的推移のグラフの概略図を示す。

図６に示されるタイムチャートの縦軸は、充電電流の振幅をＡ（アンペア）単位で表し、横軸には、時間ｔが示されている。

電流特性曲線ｌＫ１が、図６に示されるグラフ内に示されており、整流された出力電圧Ｕ５に応じた充電電流ｌ１の時間的推移を再現している。

図７は、本発明の他の実施形態に係る逆電圧の時間的な電圧推移のグラフの概略図を示す。

図７に示されるタイムチャートの縦軸は、逆電圧Ｕ７の振幅をボルト単位で表し、横軸には、時間ｔが示されている。

電圧特性曲線ＳＫ５が、図７に示されるグラフ内に示されており、逆電圧Ｕ７の時間的推移を再現している。

図８は、本発明の他の実施形態に係るダイレクトコンバータを備えた、組み込まれたインバータの概略図を示す。

個々のセルモジュールＺ１〜Ｚ６を制御しながら接続することによって、ダイレクトコンバータを備えた、組み込まれたインバータＤＩＣＯは、モータのための所定の周波数および所定の振幅を有する回転磁界を直接的に構築することが可能となる。インバータＤＩＣＯが組み込まれる構想では、可変的な中間回路電圧が生成される。本構想は、例えば、電気エネルギー貯蔵器Ｔ５を充電するための駆動制御装置１００のような充電回路も必要とする。

図９は、本発明の一実施形態に係る電気エネルギー貯蔵器を充電する方法のフローチャートの概略図を示している。

ダイレクトコンバータを備えた電気エネルギー貯蔵器Ｔ５を充電する方法は、例えば、駆動制御装置１００によって実行される。

第１の処理工程において、入力電圧Ｕ１の整流された入力電圧Ｕ２への変換、および、整流された入力電圧Ｕ２の高周波交流電圧Ｕ３への変換Ｓ１が行われる。

第２の処理工程において、高周波交流電圧Ｕ３の変圧された交流電圧Ｕ４への変圧、および、変圧された交流電圧Ｕ４の整流された出力電圧Ｕ５への変換Ｓ２が行われる。

第３の処理工程において、整流された出力電圧Ｕ５のフィルタリングＳ３が行われる。

以上、好適な実施例を用いて本発明について記載してきたが、本発明は好適な実施例に限定されるものではなく、多様な形態で変更が可能である。特に、本発明は、本発明の核心から逸脱することなく、様々な形態に変更または修正される。

Claims (8)

1. 電気エネルギー貯蔵器（Ｔ５）を充電するための駆動制御装置（１００）であって、
   −入力交流電圧（Ｕ１）の電気的干渉を制限するよう構成されたラインフィルタ素子（Ｔ１）と、
   −前記ラインフィルタ素子（Ｔ１）と結合され、前記入力交流電圧（Ｕ１）を整流された入力電圧（Ｕ２）へと変換するよう構成されたライン整流回路素子（Ｔ２）と、
   −前記ライン整流回路素子（Ｔ２）と結合され、前記整流された入力電圧（Ｕ２）を高周波交流電圧（Ｕ３）へと変換するよう構成されたフルブリッジ素子（Ｔ３）と、
   −前記フルブリッジ素子（Ｔ３）と結合され、前記高周波交流電圧（Ｕ３）を変圧された交流電圧（Ｕ４）へと変換するよう構成された変圧素子（ＴＲＦ１）と、
   −前記変圧素子（ＴＲＦ１）と結合され、前記変圧された交流電圧（Ｕ４）を整流された出力電圧（Ｕ５）へと変換するよう構成された整流回路素子（Ｔ４）と、
   −前記整流回路素子（Ｔ４）と結合され、前記整流された出力電圧（Ｕ５）にフィルタを掛け、フィルタを掛けることにより前記電気エネルギー貯蔵器（Ｔ５）を充電するよう構成された出力チョーク素子（ＤＬ１）と、
   を備える、駆動制御装置（１００）。
2. 前記ラインフィルタ素子（Ｔ１）は、ローパスフィルタとして構成される、請求項１に記載の駆動制御装置（１００）。
3. 前記ライン整流回路素子（Ｔ２）は、複数の半導体ダイオード（ＨＬ１〜ＨＬ４）を備えた、制御されない整流器として構成される、請求項１または２に記載の駆動制御装置（１００）。
4. 前記フルブリッジ素子（Ｔ３）は、ブリッジ回路として構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の駆動制御装置（１００）。
5. 前記変圧素子（ＴＲＦ１）は、トロイダル変圧器または平面変圧器として構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の駆動制御装置（１００）。
6. 前記整流回路素子（Ｔ４）は、複数の半導体ダイオード（ＨＬ５〜ＨＬ８）を備えた、制御されない整流器として構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の駆動制御装置（１００）。
7. 前記出力チョーク素子（ＤＬ１）は、少なくとも１つの磁化しうる磁心を有するコイルとして構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の駆動制御装置（１００）。
8. 電気エネルギー貯蔵器（Ｔ５）を充電する方法であって、
   −入力交流電圧（Ｕ１）を整流された入力電圧（Ｕ２）へと変換し、前記整流された入力電圧（Ｕ２）を高周波交流電圧（Ｕ３）へと変換する工程と（Ｓ１）、
   −前記高周波交流電圧（Ｕ３）を変圧された交流電圧（Ｕ４）に変圧し、前記変圧された交流電圧（Ｕ４）を整流された出力電圧（Ｕ５）へと変換する工程と（Ｓ２）、
   −前記整流された出力電圧（Ｕ５）にフィルタを掛ける工程と（Ｓ３）、
   を含む、方法。
   

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