JP2020527321A - 二重インバータ駆動装置の使用によるdcグリッドを介した電気車両の定電流高速充電 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
本願は、2017年6月15日に出願された米国特許出願第62/519946号、2017年12月19日に出願された米国特許出願第62/607549号、および、2017年10月23日に出願されたカナダ特許出願第2983328号(これら3つの特許は「CONSTANT CURRENT FAST CHARGING OF ELECTRIC VEHICLES VIA DC GRID USING DUAL INVERTER DRIVE」を発明の名称とし、参照することにより本願に援用される)の仮出願ではなく、優先権を含む、これら3つの特許のすべての利益を主張する。
例示的なDC充電構成が図2において示されている。本明細書の目的のために、スイッチ、電圧および電流の量は、上方モジュールおよび下方モジュールに対して、それぞれ「1」および「2」と標示される。上方モジュールおよび下方モジュールが図面において示されており、より多数の、より小数の、または代替的な電子的構成要素を含み得る。上方ならびに下方のモジュールおよびこれらの構成要素の態様は、連結されてもよく、取り付けられてもよく、直接的に接続されてもよく、または間接的に(例えば1つまたは複数の中間的構成要素を介して)接続されてもよい。モジュールおよび構成要素の態様は動作可能に接続されてもよい。n−ストリングからなるEVバッテリーパックは、1対の2レベル電圧源インバータ間で均等に分割される。各バッテリーストリングは1ストリングあたり同一個数の電池を有し、したがって組み合わされたバッテリーパックと同一の公称電圧が維持される。AC側は、機械漏れインダクタンスが2つのスイッチネットワーク間で共有されるよう、電動モータの開放終端巻線に接続される。
いくつかの実施形態では、二重インバータは、トラクションモードにおけるdc/ac変換の実施とは対照的に、充電モードにおいて1組のdc/dcコンバータとして動作するよう構成されている。動作に関するその原理は図3において示される平均モデルを介して分析される。このセクションでは、相補的かつインターリーブされたスイッチングが高調波性能に対して与える影響について強調する。
二重インバータの平均モデルは、分割バッテリーバックの場合と同様に、同等なエネルギー貯蔵統合化のために開発された。バッテリーパックのバランシングについてはセクションIVにおいてさらに扱われるであろう。マルチレベルコンバータのためのハーフブリッジネットワークの動的モデルは[19]において開発されたが、平均スイッチモデルを表すためにも使用され得る。6個のハーフブリッジコンバータの各コンバータは、理想的な制御された電圧源としてモデル化される。電圧は、貯蔵ユニットが挿入される期間に依存する。バッテリー電流i1およびi2は出力バランスから誘導される。出力フローは双方向であり得るが、本研究では、Vdcは入力として、V1およびV2は出力として指定される。
V1i=d1iV1 (1)
V2i=d2iV2 (2)
式中、3つのインターリーブされたdc/dc段階に対してi={a,b,c}である。
d1=d1i (3)
d2=d2i (4)
が、この分析に対して成り立つことに注意すべきである。
Vdc=V1d1i+V2d2i (5)
理想化された対称的なシステムに対して、d1i=d2i=dを仮定すると、次の式が得られる。
Vdc=(V1+V2)d (6a)
idc=isa+isb+isc (7)
出力電流i1およびi2は出力バランスから誘導される。すなわち、
V1i1=V1di(isa+isb+isc) (8a)
i1=idcd1 (8b)
i2=idcd2 (8c)
式中、i1およびi2は各モジュールにおいてデューティサイクルにより設定されるDC入力電流の一部である。
P1=V1idcd1 (9a)
P2=V2idcd2 (9b)
したがってバッテリーへの平均電流は、組み合わされたステータ電流およびデューティサイクルの関数である。ハーフブリッジスイッチネットワークの適切なスイッチング動作により、提案される充電器は個々のバッテリーパック電流を効果的に制御することが可能である。
i1i=isiS1i’ (12)
i2i=isiS2i’ (13)
インダクタ・リプルもバッテリーに伝搬することに注意すべきである。インダクタ・リプルが、分岐電流を合計することにより生成される脈動電流と較べて無視可能であるため、相補的スイッチングはバッテリー電流に対して最小の効果を有する。したがってバッテリーにおいて電流高調波成分を最少化するために、並列位相間でインターリーブされたスイッチングが使用される。提案されるスイッチング方法は、DC入力におけるスイッチング・リプルも減少させる。
i1=i1a+i1b+i1c (14)
i2=i2a+i2b+i2c (15)
図8では、並列位相を定電流制御するための3つのPI制御器が実装されている。EVSEが通常、車両導入口におけるDC電流を調節するため、各インダクタ電流は、DCバス電流基準の1/3を追跡するであろう。
図8では、電圧バランス制御器は電圧差を取得してΔdを出力し、次にΔdはd1iから減算され、d2iに加算される。したがって上方モジュールにおけるDC電源が下方モジュールと比較して過充電されている場合、下方モジュールは、より頻繁に挿入されるであろう。両方の供給源は同時に充電されるが、出力分布がシフトされるよう、オフセットが存在する状態で充電される。このオフセットがコンバータの動作限界を超過することがないことを保証するために、リミッタが電圧バランス制御器の出力において実装される。バランス制御器がDC電源内における全貯蔵エネルギーを推定するために電圧を使用することに注意すべきである。分割バッテリーパックの充電状態(クーロン数)の比較などの、他のパラメータもエネルギー管理のために使用され得る。
提案される統合化充電器のフルスイッチ・モデルが、PLECSツールボックスを用いてMATLAB/SIMULINKにおいて実装される。回路図が図12(a)において示されており、シミュレーションパラメータが表2において列挙されている。
・電流制御および電圧バランシング機能
・以前に提案された統合化充電器の1つの制限である動作点V1<Vdc、V2<VdcにおけるDC充電
・提案されるスイッチング方法の使用による電流リプル低減化
このセクションでは、提案される充電器トポロジーに基づく11kW実験室試作品の実験的試験について論じる。最も広く採用されるDC高速充電器の1つ(CHAdeMO)は定格が50kWである。本研究では、システム定格は、二重インバータ・パワートレインを使用する基本的な充電機能を検証するために、縮小化される。実験結果では、広い動作領域における定電流制御、電圧バランス、およびスイッチング・リプル低下について示される。2つの動作点、すなわち、1)V1<Vdc、V2<Vdc、および2)V1>Vdc、V2>Vdcにおける充電について、確認される。いずれのケースにおいても、このシステムは、モータの定格出力の94%で動作する。
図13(a)では、各スーパーキャパシタ電圧が入力電圧より低い場合の定電流制御の実験結果が示されている。これは、低充電状態における高エネルギー、低電圧EVバッテリーパックまたはバッテリーの充電に類似する。この結果では、isrefが0から15Aに上げられた後にその定格電流の50%にまで下げられたときの制御器の機能が示される。入力電流は、相電流の合計まで示される。1つのスーパーキャパシタバンクあたり175Vを有する組み合わされたエネルギー貯蔵システムは、10.35kW定格出力において230VのDC供給源から充電する。したがって定格機械出力に相当する出力でバッテリーを充電する。シミュレーションにおいて提示されたケースと同様に、idcおよびis,abcは新しい電流基準を追跡する。
図13(b)では、各スーパーキャパシタ電圧が入力電圧より大きい場合の定電流制御の実験結果が示されている。この動作シナリオは、高電圧および高速動作のために設計されたEVバッテリーの充電に当てはまる。入力電圧は230Vに固定され、各スーパーキャパシタバンクは245Vで充電し、合計充電出力も10.35kWである。同一の電流ステップがこの動作点に適用された。図14(a)において示されているように、相電流間のピークトゥピーク・リプルは同一ではない。突極ロータの使用は、ステータとロータとの間の非対称的な磁束漏れをもたらす。この磁束漏れは位相ごとの全インダクタンスにわずかな影響しか及ぼさない。
図15では、電圧バランス制御の機能が示されている。充電前のスーパーキャパシタ電圧は154Vおよび147Vである。制御器が有効化されると、DCバス電流は0から10Aに上がり、DC電源から2.3kWを引き込む。d1とd2との間に適用されたオフセットのために、「充電不足」状態のスーパーキャパシタバンクは「過充電」状態のスーパーキャパシタバンクと比較して、より速い充電速度を有する。スーパーキャパシタ電圧はおよそ178Vにおいて収束する。これらの結果は、初期電圧偏移に応答するバランス制御器の動作を確認する。
図14(a)には、ケース#1に対するものであるが、ここではより低い電流基準における、idc、is,abc、i1、およびi2のスイッチング・リプルが示されている。これは、ピークトゥピーク・リプルの大きさが平均充電電流に依存しないことを示すためのものである。図13(a)からの電流基準ステップにおけるスイッチングノイズを無視すると、idc=15Aにおける充電とidc=45Aにおける充電との間のスイッチング・リプルは同等である。シミュレーションおよび実験研究のフーリエスペクトルを比較すると、スイッチング周波数(7.5kHz)におけるスイッチング・リプルは両方のシステムにおいて解消されている。シミュレーションと実験結果との間のいかなる齟齬も、動作点における差異およびロータ突起物に起因するものである。例えば、実験室結果から得られる出力電流i1およびi2は、第3高調波が優勢であるシミュレーション結果と比較して、第3高調波よりも高い第6高調波を有する。これは、シミュレーションモデルが定格状態で動作するという事実に起因するものである。実験研究では、低電流における充電は、より高い第6高調波リプルを導入する。
以下で提供されるDCフロントエンド回路は、好適な実施形態に係る構成要素である。
ケース1:Vbatt1+Vbatt2≦Vdc
ケース2:Vbatt1+Vbatt2>Vdc
に分割され得る。
ケース1:Vbatt1+Vbatt2+Vmargin≦Vdc
ケース2:Vbatt1+Vbatt2+Vmargin>Vdc
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Claims (39)
- 第1バッテリーに対応する第1インバータモジュールと、
第2バッテリーに対応する第2インバータモジュールと、
前記第1インバータモジュールの高出力側および前記第2インバータモジュールの低出力側から分岐するDC端子と
を含むDC充電回路。 - 前記第1インバータモジュールおよび前記第2インバータモジュールの各インバータモジュールは、前記DC端子および前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーに対してカスケード状に接続された1組の3つのハーフブリッジスイッチネットワークを含む、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記第1インバータモジュールと前記第2インバータモジュールとの間のスイッチの相補的なスイッチングを用いて前記スイッチネットワークを制御することを含む、請求項2のDC充電回路のための方法。
- 並列位相間のインターリーブされたスイッチングを用いて前記スイッチネットワークを制御することを含む、請求項2のDC充電回路のための方法。
- バッテリーモジュール間のエネルギーをバランスするために前記第1インバータモジュールと前記第2インバータモジュールとの間のパワー分布を制御することを含む、請求項2のDC充電回路のための方法。
- 前記第1インバータモジュールおよび前記第2インバータモジュールは車両に搭載された電動モータに連結され、前記電動モータは、前記車両を移動させるための力を付与する駆動機能を前記電動モータが提供する第1モードと、前記電源に対して電気的に接続されたときに前記電動モータが充電機能を提供する第2モードと、を含むデュアルモードで動作するよう構成されている、請求項1に記載のDC充電回路。
- DC側に欠陥が発生した際に前記内蔵型バッテリーを保護する、前記DC電源において欠陥ブロック能力を提供するよう構成されている、ゲーティング信号制御器をさらに含む、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記DC端子は、前記第1インバータモジュールおよび前記第2インバータモジュールを含むトラクションシステムの差動接点において接続する、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記DC充電回路は、スタンドアロン型充電器を有さない前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーを高速充電するよう構成されている、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記DC充電回路は、前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーのうちの少なくとも一方が低充電状態にあるときに前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーを充電するよう構成されている、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーはn−ストリングからなるEVバッテリーパックである、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーは均等に分割された対の2レベル電圧源インバータを含む、請求項11に記載のDC充電回路。
- 前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーは、1ストリングあたり同一個数の電池を有するバッテリーストリングを含み、それにより、前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの組み合わせと同一の公称電圧が維持される、請求項12に記載のDC充電回路。
- 前記第1インバータモジュールおよび前記第2インバータモジュールの各インバータモジュールのAC端子は、機械漏れインダクタンスが前記第1インバータモジュールと前記第2インバータモジュールとの間で共有されるよう、電動モータの開放終端巻線に連結されている、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記第1インバータモジュールおよび前記第2インバータモジュールの各インバータモジュールは少なくとも1組のハーフブリッジスイッチネットワークを含む、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記第1インバータモジュールおよび前記第2インバータモジュールの各インバータモジュールは1組の3つのハーフブリッジスイッチネットワークを含む、請求項1に記載のDC充電回路。
- 各組の3つのハーフブリッジスイッチネットワークは、電圧不整合を相殺するために、カスケード状トポロジーで、DC入力、および前記第1バッテリー、および前記第2バッテリーに連結されている、請求項16に記載のDC充電回路。
- 前記第1インバータモジュールおよび前記第2インバータモジュールは、対応する上方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークと、対応する下方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークと、を含む、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記上方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークおよび前記下方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークは180度の位相シフトを有する、請求項18に記載のDC充電回路。
- 前記上方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークおよび前記下方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークの信号の並列位相は120度の位相シフトを有する、請求項18に記載のDC充電回路。
- 前記上方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークおよび前記下方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークは180度の位相シフトを有し、
前記上方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークおよび前記下方の1組のハーフブリッジスイッチネットワークの信号の並列位相は120度の位相シフトを有する、
請求項18に記載のDC充電回路。 - DC電源から、各インバータ回路が少なくとも1つのそれぞれのバッテリーに対応する、少なくとも1つのインバータ回路への、充電入力を制御するためのフロントエンドスイッチング回路であって、
前記少なくとも1つのインバータ回路および前記DC電源に対して直列に配置されたときに前記少なくとも1つのそれぞれのバッテリーに提供される前記充電入力を制御するよう構成され、かつ、前記少なくとも1つのそれぞれのバッテリーの少なくとも1つの電圧に基づいて前記少なくとも1つのインバータ回路におけるスイッチと併せて制御可能である、スイッチング装置を含む、
フロントエンドスイッチング回路。 - 前記DC電源から、第1バッテリーに対応する第1インバータ回路および第2バッテリーに対応する第2インバータ回路への充電入力を制御するよう構成されている、請求項22に記載のフロントエンドスイッチング回路であって、
前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの電圧の合計が前記DC電源の入力電圧よりも小さい場合には、前記スイッチング装置は、第1モードで動作することにより前記充電入力を制御するよう構成され、
前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの電圧の合計が前記DC電源の前記入力電圧よりも大きい場合には、前記スイッチング装置は、第2モードで動作することにより前記充電入力を制御するよう構成されている、
フロントエンドスイッチング回路。 - 前記第1モードにおいては、前記スイッチング装置は、前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの充電を可能にする前記第1インバータ回路および前記第2インバータ回路におけるスイッチがon状態である間、調整される、請求項23に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- 前記第1モードにおいて、前記スイッチング装置は、前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの充電を可能にする前記第1インバータ回路および前記第2インバータ回路におけるスイッチが調整される間、on状態である、請求項23に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- 前記第1モードにおいて、前記スイッチング装置は、デューティサイクルが前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの前記電圧の前記合計を前記DC電源の前記入力電圧で割った値以下の値となるよう、調整される、請求項24に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- 前記第2モードにおいて、前記スイッチング装置は、前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの充電を可能にする前記第1インバータ回路および前記第2インバータ回路におけるスイッチが調整される間、on状態である、請求項23に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- 前記スイッチング装置は双方向の電流伝導および単方向性の電圧ブロック能力を有する、請求項22に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- 入力フィルタと、前記少なくとも1つのインバータ回路に対して並列である、単方向性電流伝導および単方向性の電圧ブロック能力を有するダイオードのような装置と、を含む、請求項22に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- 前記少なくとも1つのインバータ回路におけるスイッチと併せて前記スイッチング装置を制御するための信号を生成するよう構成された制御器を含む、請求項22に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- 前記フロントエンドスイッチング回路は、前記DC電源において欠陥ブロック能力を含み、それによりDC側に欠陥が生じた際に前記内蔵型バッテリーは保護される、請求項22に記載のフロントエンドスイッチング回路。
- DC電源から、各インバータ回路が少なくとも1つのそれぞれのバッテリーに対応する、少なくとも1つのインバータ回路への、充電入力を制御するための方法であって、
前記少なくとも1つのそれぞれのバッテリーの少なくとも1つの電圧に基づいて、前記少なくとも1つのインバータ回路におけるスイッチと併せて、前記少なくとも1つのインバータ回路および前記DC電源に対して直列に配置されたスイッチング装置を制御することを含む、
方法。 - 前記スイッチング装置は、前記DC電源から、第1バッテリーに対応する第1インバータ回路および第2バッテリーに対応する第2インバータ回路への、充電入力を制御するために配置されている、請求項32に記載の方法であって、
前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの電圧の合計が前記DC電源の入力電圧よりも小さい場合には、第1モードで動作するよう前記スイッチング装置を制御し、
前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの前記電圧の前記合計が前記DC電源の前記入力電圧よりも大きい場合には、前記スイッチング装置は、第2モードで動作するよう前記スイッチング装置を制御する、
方法。 - 前記第1モードにおいて動作するよう前記スイッチング装置を制御することは、前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの充電を可能にする前記第1インバータ回路および前記第2インバータ回路におけるスイッチがon状態にあるとき前記スイッチング装置を調整することを含む、請求項33に記載の方法。
- 前記第1モードにおいて動作するよう前記スイッチング装置を制御することは、前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの充電を可能にする前記第1インバータ回路および前記第2インバータ回路におけるスイッチが調整される間、前記スイッチング装置をon状態にすることを含む、請求項33に記載の方法。
- 前記第1モードにおいて、デューティサイクルが前記第1バッテリーおよび前記第2バッテリーの前記電圧の前記合計を前記DC電源の前記入力電圧で割った値以下の値となるよう、前記スイッチング装置を調整することを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記第1エネルギー貯蔵装置はバッテリーであり、前記第2エネルギー貯蔵装置はバッテリーである、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記第1エネルギー貯蔵装置はバッテリーであり、前記第2エネルギー貯蔵装置は異なる種類のエネルギー貯蔵装置である、請求項1に記載のDC充電回路。
- 前記第2エネルギー貯蔵装置はスーパーキャパシタである、請求項38に記載のDC充電回路。
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