JP2016532416A - 電気回路の少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサを放電する方法 - Google Patents
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Abstract
電気回路(1)の少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニットを放電する方法であって、電気回路(1)は、それぞれがDCバス(7)のプラス導体(4)とマイナス導体(5)との間で並列に延びる複数のアーム(3)を備えるスイッチングシステム(2)を更に備え、各アーム(3)が少なくとも2つのスイッチングセル(10)を直列に備え、この方法では、コンデンサ(20,40)を放電するために、DCバス(7)のプラス導体(4)とマイナス導体(5)との間での短絡がスイッチングシステム(2)のアーム(3)のうちの少なくとも2つでもたらされ、それにより、電気エネルギー蓄積ユニットの放電電流(IDC)が前記プラス導体(4)から前記マイナス導体(5)へ流れることができる。
Description
本発明は、電気回路の少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサを放電することに関する。
本発明は、特に、回転モータの電気巻線を備える電気回路に適用できる。この電気回路は、電気モータを用いて自動車等の車両を推進するために使用されてもよい。
電気回路は、コンデンサなどの少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニットを備え、該ユニットの放電は、例えば、1997:“給電設備で用いる電子機器”のEN50178標準規格の要件を順守するために望ましい。この電気エネルギー蓄積ユニットの端子間の電圧は、外部からアクセスできる電気回路の端子間でかなりの大きさになる場合があり、また、この電圧の存在は、例えば整備士等のオペレータに危険をもたらす場合がある。
前述の自動車用途では、ブリーダ抵抗を使用して1つ以上のコンデンサを放電することが周知のやり方であり、ブリーダ抵抗は、電気回路に接続されるとともに、この放電動作に専用のものである。この解決策は電気回路の構成要素の数を増大させ、したがって、この解決策は費用がかかる。
また、回転電気モータのステータ電気巻線を通じてコンデンサを放電するための方法が例えば米国特許第7652858号明細書から知られている。
この解決策は、現在、特にモータが永久磁石ロータを備えるときに放電電流によって望ましくないトルクの発生を避ける必要があるため、実施するのに比較的手間がかかる。
また、三相インバータの単一の短絡されたレグへの或いはDC−DC電圧コンバータへのコンデンサの放電も米国出願公開第2009/0195199号明細書及び米国出願公開第2010/0213904号明細書から知られている。これらの解決策は、インバータ又はDC−DC電圧コンバータの電子構成要素を劣化させる及び/又はそれらの寿命を低下させるという欠点を有する。
スイッチングシステム及び場合により回転電気モータのステータ電気巻線を備える電気回路の電気エネルギー蓄積ユニット、例えばコンデンサを放電するための簡単で安価な効果的方法の必要性があり、前記回路は、特に、ハイブリッド車両又は電気車両の推進で使用される回路である。
本発明の目的はこの必要性に対応することであり、また、本発明は、その態様のうちの1つによれば、電気回路の少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサ又はスタンドアロン電気エネルギー源を放電するための方法を使用して、これを達成し、電気回路は、それぞれがDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で並列に延びる複数のレグを備えるスイッチングシステムを更に備え、各レグが直列を成す少なくとも2つのスイッチングセルを備え、この方法では、電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサを放電するために、DCバスのプラス導体とマイナス導体との間において、スイッチングシステムのレグのうちの少なくとも2つで短絡がもたらされ、それにより、電気エネルギー蓄積ユニットからの放電電流が前記プラス導体から前記マイナス導体へ流れることができる。
前述の方法によれば、電気エネルギー蓄積ユニットの放電中、スイッチングシステムの少なくとも2つの異なるレグが短絡を形成し、この短絡を通じて放電電流が流れる。それにより、望ましくないトルクを生み出さないように比較的複雑な制御を行わなければならないような、ステータ電気巻線への電気エネルギー蓄積ユニットの放電が回避される。短絡したレグのスイッチングセルで電力の散逸が行われてもよい。
また、前述の方法は、電気エネルギー蓄積ユニットを放電するための特定の構成要素を付加することを回避できるようにしてもよい。
短絡の場合に放電電流が常に同じスイッチングセルへと流れる米国出願公開第2009/0195199号明細書及び米国出願公開第2010/0213904号明細書に詳しく述べられる解決策とは対照的に、前述の方法は、1つのレグにのみ負担をかけることを回避できるようにする。したがって、スイッチングシステムのスイッチングセルは、短絡に耐えるべく過大に寸法付けられる必要がなく、そのため、コストが低減される。また、電気エネルギー蓄積ユニットの放電中に複数のレグが呼び掛けられることを考えると、この放電によりもたらされる応力がこれらのレグ間で分配される。
したがって、それぞれのレグに負担が殆どかからず、また、レグのスイッチングセルは、従来技術の場合ほど放電による損傷に晒されない。
前述の方法の実施の第1の形態によれば、短絡は一度に1つのレグにのみもたらされる。すなわち、放電電流は、放電中にDCバスのプラス導体からマイナス導体へと流れるように異なるレグを連続的にとる。このようにすると、所定の瞬間に、放電電流は、1つのレグのみを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れる。したがって、スイッチングシステムでは、DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で「回転する」短絡がもたらされる。
本発明の実施のこの第1の形態によれば、方法は、
−スイッチングシステムの第1のレグで短絡がもたらされる第1のステップであって、この第1のステップ中に放電電流が前記第1のレグのみを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、第1のステップと、
−スイッチングシステムの第2のレグで短絡がもたらされるその後の第2のステップであって、この第2のステップ中に放電電流が前記第2のレグのみを通じてプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、第2のステップと、
を備えてもよい。
−スイッチングシステムの第1のレグで短絡がもたらされる第1のステップであって、この第1のステップ中に放電電流が前記第1のレグのみを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、第1のステップと、
−スイッチングシステムの第2のレグで短絡がもたらされるその後の第2のステップであって、この第2のステップ中に放電電流が前記第2のレグのみを通じてプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、第2のステップと、
を備えてもよい。
更に本発明の実施のこの第1の形態によれば、第1のレグが短絡を形成している持続時間は、第2のレグが短絡を形成している持続時間よりも短い。これらの持続時間のそれぞれは、例えば、スイッチングシステムのチョッピング周期の値のごく僅かである。チョッピング周期ごとに単一の短絡が形成されてもよい。
第1のレグは、1つの所定のチョッピング周期のごく僅かにわたって短絡を形成してもよく、また、その後、第2のレグは、他の所定のチョッピング周期、例えばその後のチョッピング周期のごく僅かにわたって短絡を形成する。
前述の第1のステップが電気エネルギー蓄積ユニットの放電の開始に対応する場合、第1のレグを通じて流れる放電電流は大きい。この第1のレグが短絡されている短い持続時間は、第1のレグのスイッチングセルがこの放電電流により損傷される危険を減らすことを可能にする。この第1のステップの後、放電電流は更に小さく、それにより、第2のステップ中、放電電流は、より長い時間にわたって第2のレグ中を流れてもよい。
実施の第1の形態の一例では、スイッチングシステムが3つのレグを備え、各レグが連続的に短絡を形成し、該短絡を通じて放電電流がDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れる。
スイッチングシステムのレグのそれぞれが所定の瞬間に短絡を形成してもよく、該短絡を通じて放電電流がスイッチングシステムのプラス導体からマイナス導体へ流れる。スイッチングシステムのレグのそれぞれが所定の瞬間に短絡を形成してもよく、該短絡を通じて放電電流がスイッチングシステムのプラス導体からマイナス導体へ流れる。
方法の実施の第1の形態によれば、短絡は、規則正しい順序にしたがってスイッチングシステムの様々なレグ間で移動されてもよく、この規則正しい順序は、所定の回数繰り返されてもよい。例えば、3つのレグを有するスイッチングシステムの場合、規則正しい順序は、第1のレグのみにおける短絡の形成、その後の第2のレグのみにおける短絡の形成、その後の第3のレグのみにおける短絡の形成に対応してもよく、また、この規則正しい順序は、電気エネルギー蓄積ユニットを放電するために、少なくとも2回、詳細には、100回繰り返されてもよい。
電気エネルギー蓄積ユニットがコンデンサであってもよく、また、放電前に、コンデンサのプレート間に蓄積される初期電圧が約410Vであってもよい。方法は、このコンデンサの初期電荷の80%に至るまで放電するように実施されてもよい。
コンデンサを放電するために要する時間は1〜10秒であってもよい。変形において、電気エネルギー蓄積ユニットは、例えば、特にバッテリ又はバッテリの任意のアセンブリにより形成されるスタンドアロン電気エネルギー源であり、また、前述の方法を使用するこのエネルギー源の放電は更に多くの時間を要する場合がある。
本発明の実施の第2の形態によれば、方法は、
−スイッチングシステムの第1のレグで短絡がもたらされる第1のステップであって、この第1のステップ中に放電電流が前記第1のレグのみを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、第1のステップと、
−第1のレグ及び第2のレグの両方で短絡がもたらされる第2のステップであって、この第2のステップ中に放電電流が第1のレグ及び第2のレグを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにし、このとき、前記レグのそれぞれが同時にDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で短絡を形成する、第2のステップと、
を備える。
−スイッチングシステムの第1のレグで短絡がもたらされる第1のステップであって、この第1のステップ中に放電電流が前記第1のレグのみを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、第1のステップと、
−第1のレグ及び第2のレグの両方で短絡がもたらされる第2のステップであって、この第2のステップ中に放電電流が第1のレグ及び第2のレグを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにし、このとき、前記レグのそれぞれが同時にDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で短絡を形成する、第2のステップと、
を備える。
第1のステップは、第2のステップの前又は後であってもよい。
実施のこの第2の形態によれば、短絡は、第1のステップ中に第1のレグにおいてのみもたらされ、また、第2のステップ中、それぞれが短絡を形成する第1のレグ及び第2のレグによって放電電流がプラス導体とマイナス導体との間で流れることを可能にしてもよい。第1のレグにおける短絡と同時にもたらされる第2のレグにおける短絡は、第1のレグのスイッチングセルに対して経時的にもたらされる損傷を減らすことを可能にする。
また、実施のこの第2の形態によれば、スイッチングシステムがチョッピング周期にしたがって機能してもよく、また、第1のステップ中、短絡は、前記周期の値のごく僅かである持続時間にわたって第1のレグにおいてもたらされ、その持続時間は、第1のレグ及び第2のレグの両方で短絡がもたらされている前記周期の値のごく僅かである持続時間よりも短い。
第1のステップは、例えば、1つの所定のチョッピング周期のごく僅かな期間にわたって行われ、一方、第2のステップは、他の所定のチョッピング周期、特に前の或いは後のチョッピング周期のごく僅かな期間にわたって行われる。
本発明の実施の第1又は第2の形態によれば、電気エネルギー蓄積ユニットの放電は、スイッチングシステムにおいてプラス導体とマイナス導体との間で複数の短絡を連続的にもたらすことによって達成されてもよく、また、放電の経過にわたって、各短絡がもたらされている持続時間が増大する。この増大は、1つの短絡から他の短絡へと一定のファクターにしたがって行われてもよい。各短絡がもたらされている持続時間は、例えば毎回1%ずつ増大する。変形例では、短絡の持続時間の増大が無作為であってもよい。既に指摘したように、電気エネルギー蓄積ユニットの放電が更に進行すればするほど、短絡を形成するレグを通じて流れる放電電流が少なくなり、そのため、この短絡の持続時間が増大してもよい。
スイッチングシステムがDC−AC電圧コンバータを形成してもよい。
このとき、スイッチングシステムは、多相、特に三相のDC−AC電圧コンバータである。このコンバータは、インバータ又は整流器として動作してもよい。
変形例において、スイッチングシステムは、少なくとも2つのインターリーブ型DC−DC電圧コンバータを形成してもよい。インターリーブ型DC−DC電圧コンバータの使用は、より低いレベルの電力を伝えるように寸法付けられるコンバータを使用できるようにしてもよく、そのため、コストを低減する。
このとき、スイッチングシステムは、ステップアップ又はステップダウンコンバータとして動作してもよい。
各スイッチングセルが制御可能であってもよく、また、DCバスのプラス導体とマイナス導体との間のレグで短絡を形成するために、このレグのスイッチングセルが制御されてもよい。このとき、スイッチングセルは、放電電流をDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流すべく1レグずつ制御される。
変形例では、各スイッチングセルが制御可能であってもよく、また、電気エネルギー蓄積ユニットの放電前に、DCバスのプラス導体又はマイナス導体に直接に接続されるスイッチングセルの全ては、それらの全てが同じスイッチング状態を有するように、特にそれらが閉状態にあるように制御される。次に、DCバスのマイナス導体又はプラス導体に直接に接続されるスイッチングセルだけを制御することによって各短絡がもたらされる。この変形例によれば、スイッチングシステムの1つのレグから他のレグへの短絡の移動が望ましいときにレグごとに1つのスイッチングセルだけが制御される。このとき、制御が簡略化されてもよい。
各スイッチングセルが同一であってもよく或いは同一でなくてもよい。各スイッチングセルが制御可能な電子スイッチを備えてもよく、電子スイッチの端子間にフライバックダイオードが逆並列に接続される。
変形例では、DCバスの同じ導体に直接に接続されるスイッチングセルだけが制御可能である。
制御可能な電子スイッチは、例えば、トランジスタ、特に電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、又は、IGBTトランジスタである。
制御可能なスイッチは、400A、特に5600Aに等しい最大値を有する電流をそれぞれが運ぶように寸法付けられてもよい。
電気回路は、スイッチングシステムの各レグの中間点に接続され得る回転電気モータのステータ電気巻線を備えてもよい。各レグが2つのスイッチングセルのみを備えるときには、中間点が2つのスイッチングセル間に位置される。
回転電気モータは、例えば、多相、特に三相である。回転電気モータは、特に永久磁石を伴う同期モータ、インダクションモータ、又は、可変リラクタンスモータであってもよい。また、回転電気モータは、DCモータ、リニアモータ、又は、エレクトロマグネットであってもよい。
この電気モータは、例えば、1W〜200kWの公称電力を有する。
ステータ電気巻線は、それぞれが電気的な相を形成するコイルを有してもよく、また、これらのコイルは電気的に結合されてもよく或いは電気的に結合されなくてもよい。
コイルの電気的な結合の例は、星結合及び多角形結合である(三相の場合に関しては「デルタ結合」と呼ばれる)。コイルが互いに電気的に結合されない場合、コイルは、他のコイルの端子に直接に結合される端子を有さない。
スイッチングシステムの各中間点とステータ電気巻線との間にスイッチが介挿され、また、これらのスイッチは、電気エネルギー蓄積ユニットの放電中にスイッチングシステムをステータ電気巻線から切断してもよい。
それにより、放電電流がステータ電気巻線へ流れないようにされるとともに、望ましくないトルクが回転電気モータによってもたらされないようにされる。また、このとき、スイッチングシステムをステータ電気巻線に接続して、放電方法が満足に機能するようにする必要がない。これにより、回転電気モータを使用して放電方法を検査しなければならないことが避けられ、それにより、検査工程をより簡単にして殆ど過密でない環境下におくことができる。
放電されるべき電気エネルギー蓄積ユニットがコンデンサであるときには、コンデンサがスイッチングシステムのレグと並列に接続されてもよい。
変形例において或いは上記との組み合わせにおいて、電気回路は、
−コンデンサと並列に接続されるスタンドアロン電気エネルギー源と、
−前記スタンドアロン電気エネルギー源とスイッチングシステムとの間に介挿されるDC−DC電圧コンバータと、
を更に備え、
方法は前記コンデンサを放電できるようにしてもよい。
−コンデンサと並列に接続されるスタンドアロン電気エネルギー源と、
−前記スタンドアロン電気エネルギー源とスイッチングシステムとの間に介挿されるDC−DC電圧コンバータと、
を更に備え、
方法は前記コンデンサを放電できるようにしてもよい。
スイッチングセル、すなわち、スイッチングセルの状態は、電圧に関して或いは電流に関して制御されてもよい。
スタンドアロン電気エネルギー源は、バッテリ、スーパーキャパシタ、又は、バッテリ或いはスーパーキャパシタの任意のアセンブリであってもよい。スタンドアロン電気エネルギー源は、例えば、直列を成すバッテリの複数の並列接続ブランチである。
このスタンドアロン電気エネルギー源は、60V〜410V、特に200V〜410Vの公称電圧を有してもよい。
コイルが電気的に切り離される場合、電気回路は、スタンドアロン電気エネルギー源を帯電させるために電気システムの相補的なタイプのコネクタに接続され得るコネクタを備えてもよく、該コネクタは少なくとも複数の接点を備え、各接点は、自由端と、コイルの中間点に接続される他端とを有する。それにより、電気システムは、コイルの中間点、特にコイルの中点を介して各コイルに電力を供給する。
そのような電気回路は、
−電気モータを回転させるために、スタンドアロン電気エネルギー源からインバータとして使用されるスイッチングシステムを通じてステータのコイルへ電力を供給するため、及び、
−インダクタとして使用されるステータのコイルを通じて、及び、整流器として使用されるスイッチングシステムを通じて、スタンドアロン電気エネルギー源を帯電させるため、
のいずれにおいて使用されてもよい。
−電気モータを回転させるために、スタンドアロン電気エネルギー源からインバータとして使用されるスイッチングシステムを通じてステータのコイルへ電力を供給するため、及び、
−インダクタとして使用されるステータのコイルを通じて、及び、整流器として使用されるスイッチングシステムを通じて、スタンドアロン電気エネルギー源を帯電させるため、
のいずれにおいて使用されてもよい。
変形例において、前述の電気回路は、スタンドアロン電気エネルギー源により回転電気モータに電力が供給されるときには回転電気モータの推進に専用のものであり、また、他の回路は車両に搭載されており、この他の回路は、スタンドアロン電気エネルギー源を外部単相、三相、又は、DC電気システムから帯電させることを可能にするコネクタを備える。
放電方法はDCバスの電圧の値に応じて制御されてもよく、この電圧は、プラス導体とマイナス導体との間で測定される。この電圧の値に応じて制御ユニットがスイッチングセルを制御して、スイッチングシステムにおいてプラス導体とマイナス導体との間に短絡を形成してもよい。この制御は、開ループ又は閉ループで行われてもよい。
電気回路がDCバスの電圧を測定するための要素を備えてもよく、また、開ループでは、DCバスの電圧の増大の比率に応じてスイッチングセルの電子スイッチに適用されるべきデューティサイクルが決定されてもよい。
電気回路は、変形例では、DCバスの電圧を測定するための要素と、スイッチングシステムの直ぐ上流側にあるDCバスのプラス導体における電流を測定するための要素とを備えてもよい。この測定要素により与えられる電流値は、ヒステリシスを伴うコンパレータシステムとDCバスの電圧の監視とに基づいて、閉ループ制御を可能にしてもよい。
本発明の他の主題は、その他の態様によれば、電気回路の少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサ又はスタンドアロン電気エネルギー源を放電するための方法であり、電気回路は、それぞれがDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で並列に延びる複数のレグを備えるスイッチングシステムを更に備え、各レグが直列を成す少なくとも2つのスイッチングセルを備え、方法は、
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第1のレグで短絡がもたらされる第1のステップと、
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第2のレグで短絡がもたらされる第2のステップと、
を備える。
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第1のレグで短絡がもたらされる第1のステップと、
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第2のレグで短絡がもたらされる第2のステップと、
を備える。
既に指摘したように、「回転する」短絡が得られる。それにより、電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサの放電に関連付けられる電力は、スイッチングシステムの少なくとも2つのレグへと散逸される。
第1のステップ中、第1のレグのみが短絡を形成してもよい。変形例では、この第1のステップ中に第2のレグ又は他のレグも短絡を形成する。
第2のステップ中には、第2のレグのみが短絡を形成する。変形例では、この第2のステップ中に第1のレグ又は他のレグも短絡を形成する。
前述の特徴の全部又は一部を本発明のこの他の態様に適用できる。
特に、本発明のこの態様の変形例は、電気回路の少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサ又はスタンドアロン電気エネルギー源を放電するための方法に関し、電気回路は、それぞれがDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で並列に延びる複数のレグを備えるスイッチングシステムを更に備え、各レグが直列を成す少なくとも2つのスイッチングセルを備え、方法は、
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第1のレグ及び第2のレグで短絡がもたらされる第1のステップと、
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第2のレグ及び他のレグで短絡がもたらされる第2のステップと、
を備える。
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第1のレグ及び第2のレグで短絡がもたらされる第1のステップと、
−DCバスのプラス導体とマイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第2のレグ及び他のレグで短絡がもたらされる第2のステップと、
を備える。
レグは、第1及び第2のステップでもたらされる短絡間で共有される。したがって、2つの短絡に関与するレグの数が制限される。スイッチ及び/又はレグは、それらの制御パラメータに関して変化してもよく、それにより、蓄積ユニットを放電するための方法におけるスイッチの制御を簡略化できる。
方法は、第1及び第2のステップの前のステップであって、スイッチングシステムの第1のレグで短絡がもたらされ、それにより、この第1のステップ中に放電電流が前記第1のレグのみを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、ステップを備えてもよい。方法は、第1及び第2のステップの前のステップであって、スイッチングシステムの第3のレグで短絡がもたらされ、それにより、この第1のステップ中に放電電流が前記第3のレグのみを通じてDCバスのプラス導体からマイナス導体へ流れるようにする、ステップを備えてもよい。
蓄積ユニットの放電の開始時には、除去されるべきエネルギーがかなりの量である。しかしながら、複数のレグの同時制御は、特に、レグのスイッチ間の開/閉遅延などの不整合を含んでもよい。これらの不整合は、除去されるべきかなりのエネルギーを考えると、レグのスイッチに対して過度の摩耗をもたらす場合がある。また、スイッチ及び/又はレグは、それらの制御パラメータに関して変化してもよい。短絡を第1のレグで最初にもたらすことにより、レグのスイッチが磨滅する危険が減少され、放電方法の信頼性が高められる。
特に、前のステップでもたらされる短絡は、この前のステップで使用されるレグで大電流が発生するのを避けるのに十分短い持続時間を有する。特に、前のステップの短絡の持続時間は、制御信号をレグのスイッチへ印加するための最小持続時間とレグのスイッチを開くための最大持続時間との間であり、前記最大持続時間は、スイッチにより耐えられる最大電流に対応する。例えば、最小持続時間は400ns、500ns、又は、600nsである。最大持続時間は700ns、800ns、或いは更には、900nsである。
例えば、この前のステップにおいて、第1及び第2のステップは、蓄積ユニットの放電を制御する信号を受けた後に互いに前後して実施される。
また、本発明は、特に車両の空調コンプレッサのための電圧コンバータであって、
−それぞれがDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で並列に延びる複数のレグを備えるスイッチングシステムであって、各レグが直列を成す少なくとも2つのスイッチングセルを備える、スイッチングシステムと、
−本発明に係る方法を実施するように構成される制御ユニットと、
を備える電圧コンバータに関する。
−それぞれがDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で並列に延びる複数のレグを備えるスイッチングシステムであって、各レグが直列を成す少なくとも2つのスイッチングセルを備える、スイッチングシステムと、
−本発明に係る方法を実施するように構成される制御ユニットと、
を備える電圧コンバータに関する。
コンバータは、該コンバータに適合する前述の特徴のいずれか1つを備えてもよい。
また、本発明は、本発明に係る電圧コンバータを備える車両用の電気空調コンプレッサにも関連する。
本発明の限定しない典型的な実施の以下の説明を読むことによって、また、添付図面を検討することによって、本発明のより良い理解を得ることができる。
図1は、放電方法が実施されてもよい電気回路の一部を示す。記載される例では、方法がコンデンサを放電させることを可能にするが、本発明は、放電されるべきそのような典型的な構成要素に限定されない。
この回路1はスイッチングシステム2を備え、該スイッチングシステム2は、それぞれがDCバス7のプラス導体4とマイナス導体5の間で延びる複数のレグ3を備える。
考慮中の例では、スイッチングシステム2が三相DC−ACコンバータであるが、本発明はこの例に限定されない。各レグ3は、この例では、2つの制御可能なスイッチングセル10を備える。
スイッチングシステム2のチョッピング周波数は例えば10kHzである。各スイッチングセル10は、例えば、制御可能なスイッチ11により形成され、該スイッチ11と逆並列にフライバックダイオード12が接続される。
スイッチ11は、トランジスタ、特に電界効果バイポーラトランジスタ又はIGBT型トランジスタであってもよい。各レグ3は、2つのスイッチングセル10間に位置される中間点13を備える。
考慮中の例では、各スイッチングセル10が制御可能であり、また、集中型制御ユニット14が設けられてもよい。この制御ユニット14は、デジタルであってもよい或いはデジタルでなくてもよい処理手段を備えるとともに、電子スイッチ11の全てを制御できる。
電子スイッチ11の制御は、このスイッチ11の制御電極に電流を注入することによって、或いは、この制御電極に電位を印加することによって行われてもよい。
制御ユニット14は、考慮中の例では、1つ以上のマイクロコントローラ及び/又は1つ以上のフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)を備える。この制御ユニット14は、DCバス7の電圧を測定するための要素18及び/又はDCバス7を通じて流れる電流を測定するための要素19を有してもよい。
図1に示されるように、コンデンサ20はレグ3と並列に接続される。このコンデンサは、例えば、200μF〜3500μFのキャパシタンスを有する。
図1の例において、回路1は、回転電気モータのステータ電気巻線22を備える。この電気巻線22は、例えば、三相であり、それぞれがステータの電気的な相を形成する3つのコイル23を備える。各コイル23は、スイッチングシステム2の中間点13に接続される端子を備える。この接続は、図1の場合のように、各中間点13と対応するコイル23との間に介挿されるスイッチ24を無効化することによって行われてもよい。
回転電気モータは、特に永久磁石を伴う同期モータ、インダクションモータ、又は、可変リラクタンスモータであってもよい。
図1の例では、コイル23が星形を成して電気的に結合される。しかしながら、本発明は、この形態の電気的結合に限定されず、或いは、互いに電気的に結合されるコイル23に限定されない。したがって、図3は図1の変形を示し、この変形によれば、コイル23が互いに電気的に結合されない。
この図3では、コイル23がステータ電気巻線22の他のコイル23の端子に対して直接に接続される、すなわち、中間構成要素を伴わずに接続される端子を有していないことが分かる。
この例では、スイッチングシステム2が図1のそれの2倍の数のレグ3を備える。レグ3の各中間点13は、図3の例では、コイル23のうちの1つのそれぞれの端子に接続され、このとき、各コイル23は、Hブリッジ27を形成する2つの別個のレグの2つの中間点13間に位置される。
図3では、スイッチングシステム2とステータ電気巻線22との間にスイッチ24が示されないが、巻線22をスイッチングシステム2から切断するためにそのようなスイッチが設けられてもよい。
ここで、図2を参照して、図1の回路の付加について説明するが、この回路の付加は図3の回路にも関連する。スイッチングシステム2を介して電力をステータ電気巻線22に供給するために、スタンドアロン電気エネルギー源30がコンデンサ20の上流側に位置されてもよい。
このスタンドアロン電気エネルギー源30は、バッテリ、又は、並列及び/又は直列を成すバッテリの結合体であってもよい。
図2の例でも、先と同様に、回路1がDC−DC電圧コンバータ32を備える。この電圧コンバータ32は、スタンドアロン電気エネルギー源30によって供給される電圧の値をDCバス7に適合させるように構成され、逆もまた同様である。
図示の例では、コンバータ32が可逆的な電流チョッパである。既知の態様で、このチョッパ32は2つのスイッチングセル35を備え、これらのスイッチングセル35は、スイッチングシステム2のスイッチングセル10と同一であってもよい或いは同一でなくてもよいとともに、中間点36によって分離される。スイッチングセル35が制御ユニット14により制御されてもよい。これらのセル35のそれぞれは、考慮中のこの例では、可逆的であり、制御可能なスイッチ及びダイオードを逆並列状態で備える。インダクタ38がこの中間点36とスタンドアロン電気エネルギー源30との間に介挿される。
図2に示されるように、コンデンサ40は、スタンドアロン電気エネルギー源30と並列に接続されてもよい。
安全上の理由により、例えばメンテナンス作業中、事故の場合、又は、工場内で行われる試験中、コンデンサ20及び/又はコンデンサ40を放電することが必要な場合がある。
以下に記載される例では、コンデンサ20の端子間の電圧が410Vの値に達するときにコンデンサ20の放電が関連する。無論、以下で説明される方法は、コンデンサ20の代わりに或いはコンデンサ20に加えてコンデンサ40を放電すること、或いは更には、図2に示されない電気回路の任意の他のコンデンサを放電すること、或いは更には、電気回路1の任意の他の電気エネルギー蓄積ユニット、例えばスタンドアロン電気エネルギー源30を放電することが目的であるときに実施されてもよい。
放電中、ステータ電気巻線22は、開位置へ移動するスイッチ24により、電気回路1の残りの部分から切断されてもよい。
コンデンサ20を放電するために、スイッチングシステムの各レグ3は、図4に示されるように、連続的に短絡を形成してもよい。この例において、短絡は、以下で「第1のレグ」と称される図1のスイッチングシステム2の最も左側のレグ3で最初にもたらされる。この短絡をもたらすために、第1のレグの2つの電子スイッチ11は、チョッピング周期の値のごく僅かである持続時間t1にわたって閉じるように命令される。第1のレグが短絡を形成すると、このレグが経路を規定し、該経路に沿って放電電流IDCが持続時間t1にわたってプラス導体4からマイナス導体5へ流れてもよい。このとき、DCバス7中も流れるこの電流IDCは、図6に示されるように、第1のレグを通じて流れる短絡電流ICC1に等しい。
図5にも見られるように、短絡は、コンデンサ20の端子間の電圧100の値を減少させることを可能にする。この図5において、曲線110は、各レグ3の端子間の電圧に対応する。
その後の繰り返し中、短絡は、次に、以下で「第2のレグ」と称される図1のスイッチングシステム2の中央のレグでもたらされる。この短絡をもたらすために、第2のレグ3の2つの電子スイッチ11は、その後のチョッピング周期中、チョッピング周期の値のごく僅かである持続時間t2にわたって閉じるように命令される。第2のレグが短絡を形成すると、このレグが経路を規定し、該経路に沿って放電電流IDCが持続時間t2にわたってプラス導体4からマイナス導体5へ流れてもよい。このとき、DCバス7中も流れるこの電流IDCは、図6に示されるように、第2のレグを通じて流れる短絡電流ICC2に等しい。
図5及び図6において分かるように、放電電流IDCの値は、それが持続時間t1にわたって第1のレグ中を流れているときには、それが持続時間t2にわたって第2のレグ中を流れているときよりも大きい。
また、第2のレグ中の放電電流IDCの流れがDCバス7の電圧の値を更に減らすことを可能にすることも分かる。図4において分かるように、持続時間t2は持続時間t1よりも更に長い。
目的がコンデンサ20の放電を続けることであるときには、その後、この場合も先と同様に以下で「第3のレグ」と称される図1のスイッチングシステムの右側のレグで短絡がもたらされる。この短絡をもたらすために、第3のレグの2つの電子スイッチ11は、第2のレグが短絡を形成するチョッピング周期の後のチョッピング周期中に、チョッピング周期の値のごく僅かである持続時間t3にわたって閉じるように命令される。
第3のレグが短絡を形成すると、このレグが経路を規定し、該経路に沿って放電電流IDCが持続時間t3にわたってプラス導体4からマイナス導体5へ流れてもよい。このとき、DCバス7中も流れるこの電流IDCは、図6に示されるように、第3のレグを通じて流れる短絡電流ICC3に等しい。
図5及び図6において分かるように、放電電流IDCの値は、それが持続時間t2にわたって第2のレグ中を流れているときには、それが持続時間t3にわたって第3のレグ中を流れているときよりも大きい。
また、第3のレグ中の放電電流IDCの流れがDCバス7の電圧の値を更に減らすことを可能にすることも分かる。図4において分かるように、持続時間t3は、それ自体が持続時間t1よりも長い持続時間t2よりも更に長い。
測定要素18により測定される電圧の値又は測定要素19により測定される電流の値が所定の値よりも小さいかどうかに応じて、コンデンサ20の放電が続けられてもよく或いは続けられなくてもよい。
スイッチングシステム2のレグ3は、今しがた示された順序と同じ順序で、1つの繰り返しから他の繰り返しへと増大する短絡持続時間を毎回伴って、あらためて短絡するように連像的に命令されてもよい。
前述の放電は開ループで行われてもよい。すなわち、制御ユニット14は、測定要素18を使用して得られるDCバス7の電圧の増大率に応じて決定されるデューティサイクル値を制御可能な電子スイッチ11に適用することによって該電子スイッチ11を制御する。この場合、電流を測定するための要素19が存在しないことが想定し得る。
変形例では、放電が測定要素18,19によって閉ループで行われる。電流測定要素19により与えられる電流値は、ヒステリシスを伴うコンパレータシステムによって使用されてもよく、また、DCバスの電圧の値が監視されてもよい。
本発明は、今しがた説明された典型的な放電方法に限定されない。
説明されない他の例では、短絡を連続的に形成するために、DCバス7のプラス導体4に接続される電子スイッチ11の全てが最初に同じ状態、例えば閉状態に置かれる。1つのレグで短絡を形成するために、DCバスのマイナス導体5に接続されるこのレグの電子スイッチが閉じるように命令される。
他の例において、制御ユニット14により行われる電子スイッチ11の制御は、閉ループで行われてもよい(図8参照)。
更なる他の例において、スイッチングシステムは、異なっており、例えば、異なる数のレグを備え、或いは、インターリーブ型DC−DCコンバータである。
「1つの〜を備える」なる表現は、反対のことが明記される場合を除き、「少なくとも1つの〜を備える」なる表現と同義であるとして理解されるべきである。
特定の例において、図1、図2、及び、図3に示される回路1のスイッチングシステム2は、特に車両用の空調コンプレッサの電気モータを制御するための電圧コンバータ、例えばDC−ACコンバータであってもよい。
図7は、図4の例との違いに特に注意を払いながら説明される、コンデンサ20を放電するための他の典型的な方法を示す。
短絡は、最も左側のレグ3で最初にもたらされる。
しかしながら、その後の繰り返し中、図4に示される例とは対照的に、チョッピング周期の値のごく僅かである持続時間t2にわたってスイッチングシステム2の第2及び第3のレグで短絡が同時にもたらされる。2つのレグは経路を規定し、該経路に沿って放電電流IDCが持続時間t2にわたってプラス導体4からマイナス導体5へ流れてもよい。このとき、DCバス7中も流れるこの電流IDCは、第2及び第3のレグを通じて流れる短絡電流ICC2,ICC3の和に等しい。放電電流IDCが2つのレグ中を流れるようにすることにより、放電の総持続時間が図4の例に対して減少される。
目的がコンデンサ20の放電を続けることであるときには、その後、チョッピング周期のごく僅かである持続時間t3にわたって第3及び第1のレグで短絡がもたらされる。その後の繰り返し中、第1のレグ及び第2のレグで短絡がもたらされてもよい。
測定要素18により測定される電圧の値又は測定要素19により測定される電流の値が所定の値よりも小さいかどうかに応じて、コンデンサ20の放電が続けられてもよく或いは続けられなくてもよい。スイッチングシステム2のレグ3は、一度に2つ、今しがた示された順序と同じ順序で、図4に示される例に関して説明されたように1つの繰り返しから他の繰り返しへと増大する短絡持続時間を毎回伴って、あらためて短絡するように連続的に命令されてもよい。
図7に示される例において、第1のレグの2つの電子スイッチ11のための閉じる持続時間t1は700nsに等しい。0から500nsまで、閉信号がレグのスイッチに印加される。
500ns後、必ずスイッチが閉じられる。放電電流IDCは、200ns後に約2800Aに達するまで第1のレグで徐々に増大する。
その後、スイッチに損傷を与える恐れのある更に高い強度の電流を避けるためにスイッチが開かれる。
コンデンサ20を放電するために、スイッチングシステムの各レグ3は、図4に示されるように、連続的に短絡を形成してもよい。この例において、短絡は、以下で「第1のレグ」と称される図1のスイッチングシステム2の最も左側のレグ3で最初にもたらされる。この短絡をもたらすために、第1のレグの2つの電子スイッチ11は、チョッピング周期の値のごく僅かである持続時間t1にわたって閉じるように命令される。第1のレグが短絡を形成すると、このレグが経路を規定し、該経路に沿って放電電流IDCが持続時間t1にわたってプラス導体4からマイナス導体5へ流れてもよい。このとき、DCバス7中も流れるこの電流IDCは、図6に示されるように、第1のレグを通じて流れる短絡電流ICC1に等しい。
Claims (13)
- 電気回路の少なくとも1つの電気エネルギー蓄積ユニット、特にコンデンサ又はスタンドアロン電気エネルギー源を放電するための方法であって、前記電気回路は、それぞれがDCバスのプラス導体とマイナス導体との間で並列に延びる複数のレグを備えるスイッチングシステムを更に備え、前記各レグが直列を成す少なくとも2つのスイッチングセルを備え、前記方法は、
−前記DCバスの前記プラス導体と前記マイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく第1のレグ及び第2のレグで短絡がもたらされる第1のステップと、
−前記DCバスの前記プラス導体と前記マイナス導体との間で放電電流が流れることを可能にする経路を規定するべく前記第2のレグ及び他のレグで短絡がもたらされる第2のステップと、
を備える、方法。 - 前記第1及び第2のステップの前のステップであって、前記スイッチングシステム(2)の前記第1のレグで短絡がもたらされ、それにより、この第1のステップ中に放電電流(IDC)が前記第1のレグのみを通じて前記DCバス(7)の前記プラス導体(4)から前記マイナス導体(5)へ流れるようにする、ステップを備える請求項1に記載の方法。
- 前記第1及び第2のステップの前のステップであって、前記スイッチングシステム(2)の第3のレグで短絡がもたらされ、それにより、この第1のステップ中に放電電流(IDC)が前記第3のレグのみを通じて前記DCバス(7)の前記プラス導体(4)から前記マイナス導体(5)へ流れるようにする、ステップを備える請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 前記電気エネルギー蓄積ユニットの放電は、前記スイッチングシステム(2)において前記DCバス(7)の前記プラス導体(4)と前記マイナス導体(5)との間で複数の短絡を連続的にもたらすことによって行われ、前記電気エネルギー蓄積ユニットが放電されるにつれて、前記各短絡がもたらされている持続時間が増大する請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記スイッチングシステム(2)がDC−AC電圧コンバータを形成する請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記スイッチングシステム(2)が少なくとも2つのインターリーブ型DC−DC電圧コンバータを形成する請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記各スイッチングセル(10)が制御可能であり、前記DCバス(7)の前記プラス導体(4)と前記マイナス導体(5)との間のレグ(3)で短絡を形成するために、このレグ(3)の前記スイッチングセル(10)が制御される請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記各スイッチングセル(10)が制御可能であり、前記電気エネルギー蓄積ユニットの放電前に、前記DCバス(7)の前記プラス導体(4)又は前記マイナス導体(5)に直接に接続される前記スイッチングセル(10)の全ては、それらの全てが同じスイッチング状態を有するように制御され、前記各短絡は、前記DCバス(7)の前記プラス導体(4)又は前記マイナス導体(5)に直接に接続される前記スイッチングセル(10)のみを制御することによってもたらされる請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気回路(1)は、前記スイッチングシステム(2)の前記各レグ(3)の中間点(13)に接続可能な回転電気モータのステータ電気巻線(22)も備える請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記スイッチングシステム(2)の前記各中間点(13)と前記ステータ電気巻線(22)との間にスイッチ(24)が介挿され、これらのスイッチ(24)は、前記電気エネルギー蓄積ユニットの放電中に前記スイッチングシステム(2)を前記ステータ電気巻線(22)から切断する請求項9に記載の方法。
- 前記コンデンサ(20)が前記スイッチングシステム(2)の前記レグ(3)と並列に接続され、前記コンデンサ(20)が放電される請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気回路(1)は、コンデンサ(40)と並列に接続されるスタンドアロン電気エネルギー源(30)と、前記スタンドアロン電気エネルギー源(30)と前記スイッチングシステム(2)との間に介挿されるDC−DC電圧コンバータ(32)とを更に備え、この方法では前記コンデンサ(40)が放電される請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- 特に車両の空調コンプレッサのための電圧コンバータにおいて、
−それぞれがDCバス(7)のプラス導体(4)とマイナス導体(5)との間で並列に延びる複数のレグ(3)を備えるスイッチングシステム(2)であって、前記各レグ(3)が直列を成す少なくとも2つのスイッチングセル(10)を備える、スイッチングシステム(2)と、
−請求項1から12のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成される制御ユニット(14)と、
を備える電圧コンバータ。
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