JP2021506220A

JP2021506220A - Ｄｃ−ｄｃ変換装置、双方向充電システム、及び自動車

Info

Publication number: JP2021506220A
Application number: JP2020532676A
Authority: JP
Inventors: ガッシャー，アラン
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: FR3076123B1; JP6923087B2; FR3076123A1; WO2019121477A1; EP3729627A1; EP3729627B1

Abstract

本発明は、電力網に接続された電気アキュムレータのバッテリ（２６）の充電器のためのＤＣ−ＤＣ変換装置（１）に関するものであって、双方向で動作可能であり、少なくとも一つの共振フルブリッジＬＬＣコンバータ（２０）を含み、各共振フルブリッジＬＬＣコンバータは、トランス（２３）によって増幅された信号を整流する整流器（２４）であって、トランジスタ（３０１）、ダイオード（３０２）、及びコンデンサ(３０３）が並列に取付られた４つの並列構造（２４０、２４０’、２４０’’、２４０’’’）のフルブリッジにより形成される整流器（２４）を含む。整流器（２４）の各並列構造（２４０、２４０’、２４０’’、２４０’’’）は、ＤＣ−ＤＣ変換装置（１）が間接モードで動作するときに、関連する並列構造（２４０、２４０’、２４０’’、２４０’’’）のコンデンサ（３０３）の効果をキャンセルするための装置（４０）を含むことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、電気アキュムレータのバッテリを充電する双方向充電器用のＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

電気アキュムレータのバッテリを充電するための従来の充電器は、電気アキュムレータを外部の電力供給網から再充電することのみを可能にした単方向性のものであり、これは一般的に充電方向または順方向と呼ばれている。

電気アキュムレータのバッテリを充電するためのこのような単方向充電器は、一般的に、略称ＰＦＣでも知られている力率改善段と、チョッパという名称でも知られ、より一般的にはＤＣ−ＤＣ段と呼ばれるＤＣ−ＤＣ変換段とから構成されている。

しかし、最近では、アキュムレータ蓄電器が蓄積した電力を外部の電力網に供給できるようにすることも有用であり、双方向充電器が参考にされている。電気アキュムレータのバッテリによる外部の電力網への電流の供給は、放電方向又は逆方向であると言われている。

一つの既知の課題は、従来技術から知られている単方向アキュムレータ充電器を双方向充電器に適合させることである。

特に、高電力密度を必要とするアプリケーションのための従来技術から知られている単方向充電器は、従来技術の図１に示すように、フルブリッジＬＬＣ共振ＤＣ−ＤＣコンバータを実装している。

このような変換部１０は、良好な効率、低いＥＭＣトレース及び低いバルクを達成することを可能にする。また、いわゆる「ソフト」スイッチングを実装することを可能にし、従来のパルス幅変調動作中に一般的に生じるスイッチング損失を低減することができる。

図１に係るフルブリッジＬＬＣ共振コンバータ１０は、コンデンサと２つのインダクタにより形成されるＬＬＣ回路１２を励磁する矩形波信号又は電流を生成するフルスイッチングブリッジ１１を含む。そして、ＬＬＣ回路１２は、トランス１３に共振正弦波電流を生成する。この共振正弦波電流は、整流ブリッジ１４により整流される。その後、整流された信号／電流は、バッテリ１６によって収集される前に、出力コンデンサ１５によってフィルタリングされる。

フルスイッチングブリッジ１１とＬＬＣ回路１２によって形成されるアセンブリは、コンバータの１次回路又は１次部分と言われ、整流ブリッジ１４と出力コンデンサ１５によって形成されるアセンブリは、コンバータの２次回路又は２次部分と言われている。言い換えると、充電器の順向動作では、電流は１次側から２次側に送られ、コンバータの動作の順方向が参照される。

ソフトスイッチングは、１次側ではゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）型、２次側ではゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）型で実現される。これは、より高いスイッチング周波数の使用を可能にする解決策を構成している。

しかしながら、双方向充電器を実現するためには、比較的効率の良い堅牢で安価なＤＣ−ＤＣコンバータが必要である。

提案されているのは、電力網に接続された電気アキュムレータのバッテリを充電するための充電器のＤＣ−ＤＣ変換装置であって、順方向でバッテリを充電し、逆方向で電力網にバッテリを放電することにより、双方向に動作可能であり、少なくとも一つのフルブリッジＬＬＣ共振コンバータを含み、
各フルブリッジＬＬＣ共振コンバータは、
−矩形波信号を生成するフルスイッチングブリッジであって、並列に接続されたトランジスタ、ダイオード、及びコンデンサによりそれぞれ形成された４つの構造を有するフルブリッジアセンブリを含むフルスイッチングブリッジと、
−コンデンサと２つのインダクタを含み、矩形波信号によって励磁されるＬＬＣ回路と、
−ＬＬＣ回路からの信号を伝送するトランスと、
−トランスによって伝送された信号を整流する整流器であって、並列に接続されたトランジスタ、ダイオード、及びコンデンサにより形成された４つの構造を有するフルブリッジによって形成された整流器と、
−整流された信号をフィルタリングする出力コンデンサを含むＤＣ−ＤＣ変換装置である。

整流器の各構造は、ＤＣ−ＤＣ変換装置が順方向モードで動作するときに、関連する構造のコンデンサの影響を除去するための装置をさらに含む。これにより、可逆的なＤＣ−ＤＣコンバータを実現することができ、充電器を双方向に動作させるとことができるとともに、高効率で比較的信頼性が高い充電器を実現することができる。

有利にも限定されず、除去装置（ledit dispositif d’annulation）は、
−関連する構造のコンデンサと関連する構造のダイオードのアノードとの間に、関連する構造のコンデンサと直列に接続された別のトランジスタと、
−抵抗と別のコンデンサとを並列に含むＲＣアセンブリであって、他方のトランジスタのゲートと関連する構造のダイオードのアノードとの間に接続されるＲＣアセンブリと、
−カソードによって他方のトランジスタのゲートに接続され、アノードによって関連する構造のトランジスタのゲートに接続されたダイオードを含む。
これにより、比較的低コストで除去装置を得ることができる。

有利にも限定されず、変換装置は、並列する２つのフルブリッジＬＬＣ共振コンバータを含む。これにより、装置の効率や信頼性を向上させることができる。

また、本発明は、電気アキュムレータのバッテリを充電するための双方向充電システムであって、電力網と、力率改善整流段と、上述したＤＣ-ＤＣ変換装置と、電気アキュムレータのバッテリを含む双方向充電システムに関する。

また、本発明は、本発明に係る双方向充電システムを備える自動車に関する。

本発明のその他の特定の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、限定ではなく例示として与えられる、本発明の一つの特定の実施形態について以下に与えられる説明を読むことによって明らかになるであろう。

図１は、従来技術から知られているＤＣ−ＤＣコンバータの図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るＤＣ−ＤＣ変換装置の図である。図３は、本発明の第２実施形態に係るＤＣ−ＤＣ変換装置の図である。図４は、本発明の第１実施形態又は第２実施形態に係るコンバータの整流器の構造の詳細図である。

図２を参照すると、本発明の第１実施形態では、全体が図示されていない充電器は、ＰＦＣと呼ばれる力率改善整流段と、双方向フルブリッジＬＬＣ共振コンバータ２０を備えるＤＣ−ＤＣ変換装置１を含む。

フルブリッジＬＬＣ共振コンバータ２０は、コンデンサと２つのインダクタからなるＬＬＣ回路２２を励磁する矩形波信号又は電流を発生するフルスイッチングブリッジ２１を含む。そして、ＬＬＣ回路２２は、トランス２３により伝送され、整流ブリッジ２４で整流される共振正弦波電流を生成する。整流され増幅された信号／電流は、その後、バッテリ２６によって収集される前に、出力コンデンサ２５によってフィルタリングされる。

フルスイッチングブリッジ２１とＬＬＣ回路２２によって形成されたアセンブリは、コンバータの１次回路又は１次部分と呼ばれ、整流器２４と出力コンデンサ２５によって形成されるアセンブリは、コンバータの２次回路又は２次部分と呼ばれる。

充電器の双方向動作では、電流がコンバータ２０の１次側から２次側に送られると、コンバータ２０の動作の順方向を参照し、これにより、１次側に接続された外部電力網からバッテリ２６を再充電することが可能になる。充電器は、さらに、バッテリ２６によって蓄積されたエネルギーが、外部電力網に供給するように、コンバータ２０の２次側から１次側へ伝送する逆方向に動作するように設計されている。

スイッチングブリッジ２１は、４つのスイッチングアームを含み、それぞれが構造２１０、２１０^’、２１０^’’、２１０^’’’により形成されている。構造は、互いに並列に接続された電子部品を含む。

各構造２１０、２１０^’、２１０^’’、２１０^’’’は、ダイオード、トランジスタ、及びコンデンサを含む。

構造２１０、２１０^’、２１０^’’、２１０^’’’は、当業者によく知られた構成で、フルブリッジとして接続されている。

ＬＬＣ回路２２及びトランス２３は、上述した従来技術ものと同様である。

二次回路の整流器２４は、４つのスイッチングアームにより形成されたフルブリッジを含む。

各スイッチングアームは、構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’により形成され、構造は、互いに並列に接続された電子部品を含む。

図４を参照すると、各構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’は、フルブリッジ整流器接続におけるダイオード３０２、トランジスタ３０１、及びコンデンサ３０３を含む。

二次回路のコンデンサ３０３は、電圧上昇を遅くすることを可能にし、損失なしで、かつ、小さな過電圧の状態で電流を遮断することができる。

具体的には、コンバータ２０の構造が対称ではないため、コンバータが逆方向（放電方向）に動作するときに、２次側のチョップド電流が１次側のチョップド電流よりも高くなる。

この二次側のコンデンサ３０３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の順方向の動作中に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の効率に悪影響を与える効果がある。

この欠点を修正するために、整流器２４の各構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’は、さらに、遮断アセンブリ４０（montage de coupure 40）を含み、これにより、コンバータ２０の順方向の動作中に、整流器２４の各構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’のコンデンサ（スナバとも呼ばれる）３０３が二次側に及ぼす影響を除去することができる。

図４を参照すると、構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’に関連付けられたこの遮断アセンブリ４０は、関連する構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’のコンデンサと構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’のダイオードのアノードとの間で、構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’に直列に接続され、関連する構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’のトランジスタ３０１とは対照的に、他方のトランジスタ４０１又は遮断トランジスタ４０１と呼ばれるトランジスタ４０１を含む。

遮断アセンブリ４０は、また、抵抗４０４と別のコンデンサ４０３とを並列に含むＲＣアセンブリ４０５を含み、ＲＣアセンブリ４０５は、他方のトランジスタ４０１のゲートと関連する構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’のダイオード３０２のアノードとの間に接続されている。

遮断アセンブリ４０は、また、カソードによって他方のトランジスタ４０１のゲートに接続され、アノードによって関連する構造２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’のトランジスタ３０１のゲートに接続されたダイオード４０６を含む。

電流を遮断するために用いられるトランジスタ４０１は、構造のトランジスタ３０１と比較して、非常に低いスペックのものである。例えば、遮断トランジスタ４０１は、１０オームのインピーダンスを有するが、構造のトランジスタ３０１は、１０００００オーム、すなわち１００００倍のインピーダンスを有する。

このようにして、遮断と遮断アセンブリ４０を作動させるためのコマンドが自動的に生成される。

双方向コンバータの効率を高め、比較的低コストで過電圧を低減できるという利点がある。

図３を参照すると、本発明の第２実施形態によれば、双方向充電器は、第１実施形態で説明したような２つのＤＣ−ＤＣコンバータ２０、２０^’を含むＤＣ−ＤＣ変換段１^’を含む。２つのＤＣ−ＤＣコンバータ２０、２０^’は、並列に接続され、マイクロ電子カード５００によって制御される。

このようなＤＣ−ＤＣコンバータ２０、２０^’を並列に配置する構造は、比較的高いロバスト性で、大電流に耐えることを可能にする。

なお、本発明は、並列に接続された２つのＤＣ−ＤＣコンバータだけに限定されず、並列に接続されたより多くのコンバータを含むことができる。

本発明によれば、充電器を双方向に動作させるとことができるとともに、高効率で比較的信頼性が高い充電器を実現することができる。

Claims

電力網に接続された電気アキュムレータのバッテリ（２６）を充電するための充電器のＤＣ−ＤＣ変換装置（１、１^’）であって、順方向で前記バッテリ（２６）を充電し、逆方向で前記電力網に前記バッテリ（２６）を放電することにより、双方向に動作可能であり、少なくとも一つのフルブリッジＬＬＣ共振コンバータ（２０）を含み、
各フルブリッジＬＬＣ共振コンバータ（２０）は、
矩形波信号を生成するフルスイッチングブリッジ（２１）であって、並列に接続されたトランジスタ（３０１、４０１）、ダイオード、及びコンデンサによりそれぞれ形成された４つの構造（２１０、２１０^’、２１０^’’、２１０^’’’）を有するフルブリッジアセンブリを含むフルスイッチングブリッジ（２１）、と、
コンデンサと２つのインダクタを含み、前記矩形波信号により励磁されるＬＬＣ回路（２２）と、
前記ＬＬＣ回路（２２）からの前記信号を伝送するトランス（２３）と、
前記トランス（２３）により伝送された前記信号を整流する整流器（２４）であって、並列に接続されたトランジスタ（３０１）、ダイオード（３０２）、コンデンサ（３０３）によりそれぞれ形成された４つの構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）を有するフルブリッジアセンブリによって形成された整流器（２４）と、
整流された前記信号をフィルタリングする出力コンデンサ（２５）を含み、
整流器（２４）の各構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）は、ＤＣ−ＤＣ変換装置（１）が順方向モードで動作するときに、関連する構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）の前記コンデンサ（３０３）の影響を除去するための装置（４０）をさらに含む
ＤＣ−ＤＣ変換装置。
請求項１に記載されたＤＣ−ＤＣ変換装置（１、１^’）であって、
前記除去装置（４０）は、
前記関連する構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）の前記コンデンサ（３０３）と前記関連する構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）の前記ダイオード（３０２）のアノードとの間に、前記関連する構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）の前記コンデンサ（３０３）に直列に接続された別のトランジスタ（４０１）と、
抵抗（４０４）と別のコンデンサ（４０３）とを並列に含むＲＣアセンブリ（４０５）であって、他方のトランジスタ（４０１）のゲートと前記関連する構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）の前記ダイオード（３０２）の前記アノードとの間に接続されるＲＣアセンブリ（４０５）と、
カソードによって前記他方のトランジスタ（４０１）のゲートに接続され、アノードによって前記関連する構造（２４０、２４０^’、２４０^’’、２４０^’’’）の前記トランジスタ（３０１）のゲートに接続されたダイオード（４０６）を含む
ＤＣ−ＤＣ変換装置。
請求項１又は２に記載されたＤＣ−ＤＣ変換装置（１^’）であって、
並列する２つのフルブリッジＬＬＣ共振コンバータ（２０、２０^’）を含む
ＤＣ−ＤＣ変換装置。
電気アキュムレータのバッテリ（２６）を充電するための双方向充電システムであって、
電力網と、力率改善整流段と、請求項１〜３の何れか一項に記載のＤＣ−ＤＣ変換装置（１、１^’）と、電気アキュムレータのバッテリ（２６）を含む双方向充電システム。
請求項４に記載された双方向充電システムを備える自動車。