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

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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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