JP2019533415A - 電力変換装置、電気的駆動システム、及び、電気エネルギー貯蔵器を充電する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電力変換装置を用いた電気エネルギー貯蔵器の充電に関する。本発明では、電力変換装置が、電力変換装置と充電される電気エネルギー貯蔵器との間の電気的接続を監視する。電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の電気的接続の遮断、例えば電気エネルギー貯蔵器と電力変換装置との間の断路器の開放が検出された場合には、電力変換装置による、電気エネルギー貯蔵器を充電するための電気エネルギーの更なる提供が即時に止められる。このようにして、電力変換装置での危険な過度の電圧上昇が回避されうる。【選択図】図１

Description

本発明は、電気エネルギー貯蔵器を充電するための電力変換装置、電力変換装置を備えた電気的駆動システム、及び、電気エネルギー貯蔵器を充電する方法に関する。

例えば電気自動車又はハイブリッド自動車で使用される電気的駆動システムでは、電気機械がインバータによって駆動制御されうる。駆動中にインバータは、例えば主電池等の電気的エネルギー源と接続されている。電気的エネルギー源とインバータの間には、エネルギー源とインバータとの間の電気的接続を遮断することが可能な分離装置が設けられている。発電機駆動時には、電気機械は、インバータを介して電気的エネルギー源の方向に電力を供給することが可能である。上記駆動モードにおいて、インバータは、制御された整流器として機能する。

電気機械から主電池へと電気エネルギーが供給される間、主電池とインバータとの間の電気的接続は分離装置によって遮断されうる。電気機械からの電気エネルギーは、最初に、インバータの中間回路コンデンサへと流れ、この中間回路コンデンサでは電圧上昇が起きる。中間回路コンデンサの電圧が所定の値を越えた場合には、電気機械の発電機駆動を終了することが可能である。

独国特許出願公開第１０２０１３２１５７０４号明細書には、電池分離ユニットと、電池制御ユニットと、を備えた電池システムが開示されている。電池分離ユニットは、消費機器から電池構成を分離するために用いられる。電池分離ユニットは、電池構成の駆動を制御するための電池制御ユニットと統合されて１つのアセンブリを成している。

独国特許出願公開第１０２００８００４２０２号明細書には、車両用の電線の短絡及び／又は断線を検出する方法が開示されている。このために、信号パターンが電線に対して変調され、上記信号パターンは線状態から影響を受ける。上記影響に従って、線の短絡及び／又は断線の検出が行われる。

本発明は、請求項１に記載の特徴を備えた電力変圧装置と、請求項５に記載の特徴を備えた電気的駆動システムと、請求項９に記載の特徴を備えた電気エネルギー貯蔵器と、を開示する。

これによれば、電気エネルギー貯蔵器を充電するための電力変換装置が構想される。電気エネルギー貯蔵器は、断路器を介して電力変圧装置と結合されうる。電力変換装置は、検出器を備える。検出装置は、電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の断路器の開放を検出するよう構成される。電力変換装置はさらに、検出装置が断路器の開放を検出した場合には、電気エネルギー貯蔵器のための電気エネルギーの提供を中断するよう構成される。

さらに、本発明に係る電力変換装置と、電気機械と、エネルギー貯蔵システムと、を備えた電気的駆動システムが構想される。電気機械は、電力変換装置と結合されている。さらに、電気機械は、発電機駆動時に電力変圧装置に電気エネルギーを提供するよう構成される。エネルギー貯蔵システムは、電気エネルギー貯蔵器と、断路器と、を備える。エネルギー貯蔵システムの電気エネルギー貯蔵器は、断路器を介して電力変換装置と電気的に結合可能である。

さらに、電気エネルギー貯蔵器を、断路器を介して電気エネルギー貯蔵器と結合された電力変換装置を用いて充電する方法が構想される。本方法は、電気エネルギー貯蔵器の充電の間、断路器の切り替え状態を監視する工程を含む。特に、上記監視の間に、断路器の開放が検出される。さらに、本方法は、断路器の切り替え状態の監視の間に電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の断路器の開放が検出された場合には、電気エネルギー貯蔵器のための電気エネルギーの提供を中断する工程を含む。

本発明の根底には、電力変換装置による電気エネルギー貯蔵器の充電の際に、当該充電の間に電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の断路器が突然開放された場合には、非常に急な電圧上昇が起こりうるという認識がある。非常に大きな電圧上昇勾配ｄＵ／ｄｔに基づいて、断路器が開放された際には、電圧が非常に急速に上昇する。部品を保護するために、その際に発生する最大電圧が制限される必要がある。

従って、本発明の根底には、上記認識を考慮し、かつ、電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の電気的接続が遮断された際には、部品に損傷を与える危険な限界を超えた電圧上昇を回避出来るほど十分にすばやくエネルギーの流れを止めるという構想がある。

このために、電力変換装置では、当該電力変換装置と充電される電気エネルギー源との間の電気的接続を監視し、例えば電力変換装置とエネルギー貯蔵器との間の断路器の開放によって生じうる断線を即時に検出することが構想される。断路器のこのような開放が検出された場合には、これに応じて、電力変換装置が直接的に、電気エネルギー貯蔵器のための電気エネルギーの供給を中断する。充電過程が迅速に中断されることで、危険なほど高い電圧値による電力変換装置での中間回路コンデンサの充電が防止される。これにより、中間回路の電圧は、接続された部品の損傷を引き起こさない制御可能な電圧値に保たれる。このようにして、電力変換装置の故障又は寿命の短縮が回避されうる。電圧の過度な上昇を回避するための、コストか掛り場合によってはエラーが起こりやすい他の防護対策が必要ではない。従って、製造コストが下がり、電力変換装置の必要な設置空間も縮小されうる。

一実施形態によれば、検出装置は、電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の線を監視するための装置を含む。特に、電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の線の監視によって、断路器の開放による起こりうる断線が直接的に検出されうる。

一実施形態によれば、検出装置は、断路器の切り替え状態を検出するための装置を含む。例えば断路器には、追加的な接点、又は、断路器の切り替え状態についての情報を提供する他のセンサ装置が設けられもよい。この情報は、電力変換装置の検出装置によって評価されてもよい。

一実施形態によれば、検出装置は、断路器のための駆動制御信号を評価するための装置を含む。断路器のための駆動制御信号の評価によって、断路器の切り替え状態を決定するための他の構造的対策又は回路が必要ではない。電気的駆動システムの一実施形態によれば、断路器は、信号線によって検出装置と接続されている。この信号線を介して、断路器の現在の切り替え状態についての情報が、直接的に検出装置で提供されうる。

一実施形態によれば、電気的駆動システムは制御装置を備える。この制御装置は、エネルギー貯蔵システムの断路器を駆動制御するよう構成される。さらに制御装置は、検出器と接続されている。このようにして、断路器の駆動制御についての情報が直接的に検出装置に提供されうる。

一実施形態によれば、電力変換装置は、断路器の開放が検出されている場合には、電気機械で安全な駆動状態を設定するよう構成される。特に、この安全な駆動状態は、電気機械のためのアクティブショートサーキット（ａｋｔｉｖｅｒ Ｋｕｒｚｓｃｈｌｕｓｓ）を含む。

電気エネルギー貯蔵器を充電する方法の一実施形態によれば、断路器の切り替え状態を監視する工程は、電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の電気的接続の監視を含む。追加的又は代替的に、切り替え状態を監視する上記工程は、断路器の駆動制御の監視も含みうる。

上記の構成及び発展形態は、有効である限り、任意に互いに組み合わせ可能である。本発明の他の構成、発展形態、及び実現は、前述又は後述の実施例に関して記載される本発明の特徴の、明示的に挙げられない組み合わせも含む。特に当業者は、個々の観点も、本発明の個々の基本形態への改良又は補足として付け加えるであろう。

以下では、本発明が、概略図に示される実施形態を用いて詳細に解説される。
一実施形態に係る電力変換装置を備えた電気的駆動システムの概略図を示す。 一実施形態に係る方法の根底にあるフロー図の概略図を示す。

図１は、一実施形態に係る電気的駆動システム１の概略図を示す。電気的駆動システム１は、電気機械３０と、電力変換装置１０と、電気的エネルギー貯蔵システム２０と、を備える。電気機械３０は、例えば永久磁石同期電動機又は非同期電動機のような、任意の電気機械であってよい。さらに基本的には、発電機駆動時に電気エネルギーを供給することが可能な他の任意の電気機械も可能である。電気機械３０は、電力変換装置１０と結合されている。電気機械３０の原動機駆動時には、電気機械３０は、電力変換装置１０によって、所定の電流及び／又は電圧の提供により駆動制御されうる。発電機駆動時には、電気機械３０は、電力変換装置１０に電気エネルギーを提供する。

さらに、電力変換装置１０は、電気的エネルギー貯蔵システム２０と接続されている。電気的エネルギー貯蔵システム２０は、断路器２２を介して電力変換装置１０と接続された電気的エネルギー源２１を含む。電気的エネルギー源２１は、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車の主電池であってもよい。さらに、電力変換装置１０に電気エネルギーを提供し、充電駆動時には電力変換装置１０により提供される電気エネルギーを蓄えるよう構成された他の任意の電気エネルギー貯蔵器も可能である。電気エネルギー貯蔵器２１と電力変換装置１０との間の断路器２１は、電気的エネルギー源２１と電力変換装置１０との間の電気的接続を、必要な場合には遮断することが可能である。このために断路器２１は、例えば、電気的エネルギー貯蔵システム２０の制御装置２３によって駆動制御されうる。制御装置２３は、例えば、電池管理システム等であってもよい。

ここで示される実施例では、電力変換装置１０は、例えば、電気的エネルギー貯蔵システム２０により提供された直流電圧から三相交流電圧を生成し当該交流電圧を電気機械３０に提供する三相インバータであってもよい。しかしながら、本発明は、このような三相インバータには限定されない。さらに、接続された電気機械３０に応じた任意の単相又は多相インバータも可能である。基本的には、電気的エネルギー貯蔵システム２０により提供される電圧と、電気機械３０の要求と、に対して調整されたいずれの電力変換装置１０も可能である。

電力変換装置１０は、検出装置１２をさらに有する。この検出装置１２は、電気エネルギー貯蔵器２１への電力変換装置１０による電気エネルギーの供給の間に、電力変換装置１０と電気エネルギー貯蔵器２１との間の電気的接続を監視する。その際に、電力変換装置１０と電気エネルギー貯蔵器２１との間の電気的接続が遮断されたことが検出装置１２によって確認された場合には、これに応じて、電流変換装置１０は、電気エネルギー貯蔵器２１のための電気エネルギーの更なる提供を止めさせられる。電力変換装置１０と電気エネルギー貯蔵器２１との間の電気的接続が遮断された際に、電力変換装置１０が電気エネルギーを引き続き提供したのであれば、この電気エネルギーは、電力変換装置１０の中間回路コンデンサ１４へと流れるであろう。このことによって、中間回路コンデンサ１４では急激な電圧上昇が引き起こされるであろう。電力変換装置１０と電気エネルギー貯蔵器２１との間の電気的接続の遮断の後に、電力変換装置１０による電気エネルギーの更なる提供が迅速に中断されることによって、中間回路コンデンサ１４での電圧の過度の上昇が防止されうる。

特に、電力変換装置１０と電気エネルギー貯蔵器２１との間の電気的接続の遮断が検出された後で、電力変換装置１０は、接続された電気機械３０の安全な駆動状態のための切り替え状態を取りうる。上記安全な駆動状態は、例えば、アクティブショートサーキット、又は、フリーホイール（Ｆｒｅｉｌａｕｆ）を含みうる。

検出装置１２は、電力変換装置１０と電気エネルギー貯蔵器２１との間の電気的接続を、例えば、高周波信号の変調と、線の反射（Ｌｅｉｔｕｎｇｓｒｅｆｌｅｘｉｏｎ）の検出と、によって監視しうる。その際に、電力変換装置１０と電気エネルギー貯蔵器２１との間の電気的接続の遮断、特に断路器２２の開放が検出された場合には、これに応じて、電力変換装置１０による電気エネルギーの更なる提供を中断し、場合によっては、電気機械３０を安全な駆動状態に置くことが可能である。

さらに、当然のことながら、電力変換装置１０と電気的エネルギー源２１との間の接続を監視するため、及び、当該接続の遮断を検出するための任意の他の方法も可能である。変調された高周波信号の非常に速い伝播速度によって、例えば断路器２２の開放等の発生した断線が非常に迅速に検出されうる。これにより、電力変換装置１０による電気エネルギーの更なる提供も迅速に止めることが可能であり、従って、中間回路コンデンサ１４で危険な電圧上昇が起らない。

追加的又は代替的に、断路器２２の切り替え状態も監視することが可能である。例えば、このために、断路器２２での追加的な開閉接点を用いて、断路器２２の現在の切り替え状態を検知することが可能である。さらに、断路器２２の切り替え状態を監視するための任意の他のセンサも可能である。断路器２２の検知された切り替え状態は、例えば追加的な信号線を介して検出装置１２に提供されうる。上記信号線により伝送される信号に基づいて、検出装置１２は、断路器２２の開放を直接的に検出し、この後で、電力変換装置１０に、電気エネルギーの更なる提供を止めさせ、場合によっては電気機械３０を安全な駆動状態に切り替えさせることが可能である。

さらに、断路器２２の駆動制御信号を直接的に検出装置１２に、適切な信号線を介して提供することも可能である。これに応じて、検出装置１２は、断路器２２のための駆動制御信号を直接的に評価し、これに基づいて断路器２２の開放を検出することが可能である。例えば、断路器２２は、例えば電池管理システム等の制御装置２３によって駆動制御されうる。制御信号２３からの上記駆動信号は、並行して検出装置１２に提供することも可能である。代替的に、制御装置２３からの追加的な制御信号を検出装置１２に提供することも可能である。断路器２２のためのこの制御信号に基づいて、検出装置１２は、制御信号に基づき断路器２２を開放すべき場合には、電力変換装置１０に電気エネルギー貯蔵器２１のための電気エネルギーの更なる提供を止めさせることが可能である。追加的に、この場合にも、電気機械３０を安全な駆動状態に切り替えることが可能である。

さらに当然のことながら、検出装置１２への、断路器２２の切り替え状態についての他の任意のシグナリングも可能である。しかしながらその際には、断路器２２の切り替え状態についての情報を所定の非常に短い時間内に検出装置１２に提供しうることが常に保証されている必要がある。例えば、断路器２２の開放についてのシグナリングは、１μｓよりも短い時間内に、少なくとも１０μｓよりも短い時間内に検出器１２に提供されるべきであろう。

図２は、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根底にあるフロー図の概略図を示している。ここでは、本方法は、電気的エネルギー貯蔵システムと、電力変換装置と、発電機駆動中の電気機械と、から成る先に記載した構成により実現される。ここでは、電気機械３０は発電機駆動状態にあり、電気エネルギーを電力変換装置１０に提供する。電力変換装置１０は、提供された電気エネルギーを、エネルギー貯蔵システム２０内の電気エネルギー貯蔵器２１を充電するために適した電圧に変換する。電気エネルギー貯蔵器２１への上記充電の間に、工程Ｓ１において、電気エネルギー貯蔵器２１と電力変換装置１０との間の断路器２２の切り替え状態が監視される。好適に、ここでは、断路器の切り替え状態の継続的な監視が行われる。しかしながら基本的には、可能な限り短い周期による、好適に１μｓよりも短い周期による、断路器の切り替え状態の周期的な監視も可能である。

断路器２２が開放されていることが、断路器２２の切り替え状態の監視の間に検出された場合には、工程Ｓ２において、電力変換装置１０による電気エネルギー貯蔵器２２のための電気エネルギーの供給が中断される。その際に特に、断路器２２の開放状態が検出された後で電気機械３０を、例えばフリーホイール又はアクティブショートサーキット等の安全な駆動状態に切り替えることが可能である。

以上、本発明は、電力変換装置を用いた電気エネルギー貯蔵器の充電に関する。本発明では、電力変換装置が、電力変換装置と充電される電気エネルギー貯蔵器との間の電気的接続を監視する。電力変換装置と電気エネルギー貯蔵器との間の電気的接続の遮断、例えば、電気エネルギー貯蔵器と電力変換装置との間の断路器の開放が検出された場合には、電力変換装置による電気エネルギーの充電のための電気エネルギーの更なる提供が即時に止められる。このようにして、電力変換装置での危険な過度な電圧上昇が回避される。

Claims (10)

1. 電気エネルギー貯蔵器（２１）を充電するための電力変換装置（１０）であって、前記電気エネルギー貯蔵器（２１）は断路器（２２）を介して前記電力変換装置（１０）と結合可能である、前記電力変換装置（１０）において、
   前記断路器（２２）の開放を検出するよう構成された検出装置（１２）を備え、
   前記電力変換装置（１０）は、前記検出装置（１２）が前記断路器（２２）の開放を検出した場合には、前記電気エネルギー貯蔵器（２１）のための電気エネルギーの提供を中断するよう構成される、電力変換装置（１０）。
2. 前記検出装置（１２）は、前記電力変換装置（１０）と前記電気エネルギー貯蔵器（２１）との間の線を監視するための装置（１３）を含む、請求項１に記載の電力変換装置（１０）。
3. 前記検出装置（１２）は、前記断路器（２２）の切り替え状態を検出するための装置を含む、請求項１又は２に記載の電力変換装置（１０）。
4. 前記検出装置（１２）は、前記断路器（２２）のための駆動制御信号を評価するための装置を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０）。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０）と、
   前記電力変換装置（１０）と電気的に結合され、発電機駆動時に電気エネルギーを提供するよう構成された電気機械（３０）と、
   電気エネルギー貯蔵器（２１）と、断路器（２２）と、を備えるエネルギー貯蔵システム（２０）であって、前記電気エネルギー貯蔵器（２１）は、前記断路器（２２）を介して前記電力変換装置（１０）と電気的に結合可能である、前記エネルギー貯蔵システム（２０）と、
   を備える、電気的駆動システム（１）。
6. 前記断路器（２２）は、信号線によって前記検出装置（１２）と接続される、請求項５に記載の電気的駆動システム（１）。
7. 前記エネルギー貯蔵システム（２０）の前記断路器（２２）を駆動制御するよう構成された制御装置（２３）を備え、
   前記制御装置（２３）はさらに、前記検出装置（１２）と接続される、請求項５又は６に記載の電気的駆動システム。
8. 前記電力変換装置（１０）は、前記断路器（２２）の開放が検出されている場合には、前記電気機械（３０）で安全な駆動状態を設定するよう構成される、請求項５〜７のいずれか１項に記載の電気的駆動システム（１）。
9. 電気エネルギー貯蔵器（２１）を、断路器（４２）を介して前記電気エネルギー貯蔵器（２１）と結合された電力変換装置（１０）を用いて充電する方法であって、以下の工程、即ち、
   前記電気エネルギー貯蔵器（２１）のための電気エネルギーを提供する間、前記断路器（２２）の前記切り替え状態を監視する工程（Ｓ１）と、
   前記電力変換装置（１０）と前記電気エネルギー貯蔵器（２１）との間の前記断路器（４２）が開放される場合には、前記電気エネルギー貯蔵器（２１）のための電気エネルギーの前記提供を中断する工程（Ｓ２）と、
   を含む、方法。
10. 前記断路器（２２）の前記切り替え状態を監視する前記工程（Ｓ１）は、前記電力変換装置（１０）と前記電気エネルギー貯蔵器（２１）との間の前記電気的接続の監視、及び／又は、前記断路器（２２）の駆動制御の監視を含む、請求項９に記載の方法。
    

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