JP2022548710A - 駆動システムのエネルギー蓄積器を放電させるための回路 - Google Patents

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Abstract

本発明は、車載電気システムにおいてパワーエレクトロニクスユニットを有する電気自動車駆動装置の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための回路であって、アクチュエータの形態の単相ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が、駆動システムの上流に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が、第１の電流回路（５）に対して、第１のコンデンサ（２）、第１のコンデンサ（２）の下流に接続されたコイル（３）、および第１のスイッチ（４）を提供し、第２の電流回路（８）に対して、第１のコンデンサ（２）、第１のコンデンサ（２）の下流に接続されたコイル（３）、コイル（３）の下流に接続された第２のスイッチ（６）、および第２のスイッチ（６）の下流に接続された第２のコンデンサ（７）を提供する、回路に関する。第１のスイッチ（４）および第２のスイッチ（６）は、放電プロセス中に車載電気システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器をアクティブに放電させるために、第１の電流回路（５）または第２の電流回路（８）のいずれかを閉じるように、交互にかつ互いに異なるように切り替えられるように構成されている。本発明はさらに、電気自動車駆動装置、および電気自動車の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための方法に関する。

Description

本発明は、車載電気システムにおいてパワーエレクトロニクスユニットを有する、特にハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または純粋な電気自動車における、電気自動車駆動装置の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための回路であって、アクチュエータの形態の単相ＤＣ／ＤＣコンバータが、駆動システムの上流に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータが、第１の電流回路に対して、第１のコンデンサ、第１のコンデンサの下流に接続されたコイル、および第１のスイッチを提供し、第２の電流回路に対して、第１のコンデンサ、第１のコンデンサの下流に接続されたコイル、コイルの下流に接続された第２のスイッチ、および第２のスイッチの下流に接続された第２のコンデンサを提供する、回路に関する。本発明は、この回路を有する電気自動車駆動装置、および電気自動車の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための方法にさらに関する。
一般的な回路は、先行技術においてすでに十分に知られている。例えば、ＤＥ１０２０１２２０３７７８Ａ１には、クランクシャフトを備えた内燃機関と、クランクシャフトに動作可能に接続された回転子を備えたモータかつ発電機として作動することができる電気機械と、クランクシャフト関連ねじり振動ダンパに動作可能に接続された回転子と、電気機械と電気エネルギーを交換するためのアキュムレータ装置と、対応するアキュムレータ装置と、を備えた自動車におけるハイブリッド駆動トレインを制御する方法が開示されている。
したがって、パワーエレクトロニクス機器に埋め込まれたアクティブ放電回路を介して放電を行う放電回路はすでに知られているが、これは、追加のコンポーネント、したがって設置スペースを必要とし、より大きなコストをもたらす。これには、蓄積されたエネルギーを熱に変換するために、少なくとも１つの追加の電力半導体スイッチと追加の電力抵抗器が必要になるという欠点がある。さらに、そのような放電回路にはロジック制御が必要となる。
関連する安全基準によれば、高電圧車載電気システムのＤＣ電圧中間回路の電気エネルギーは、２秒という短い時間内に人体に無害なレベル／電圧レベルまで放電しなければならない。このようなＤＣ電圧中間回路は、６０Ｖ ＤＣ（直流電圧）を超える電圧で動作し、安全基準に従って、６０Ｖ ＤＣ（直流電圧）未満に放電する必要がある。
現在の状態に応じて、電圧またはバッテリ電圧の電圧範囲によっては、これには５００Ｖ～８００Ｖ ＤＣ（直流電圧）の放電電圧が含まれる。従来技術によれば、このような放電は、パワーエレクトロニクス機器に埋め込まれたアクティブな充電回路を介して行われるが、これは、追加のコンポーネント、したがって設置スペースを必要とし、より大きなコストをもたらす。上記のように、蓄積されたエネルギーを熱に変換するために、少なくとも１つの追加の電力半導体スイッチおよび追加の電力抵抗器、ならびにこの回路のためのロジックコントローラが必要である。
この安全要件は、全般的には、エネルギー蓄積器が機能的にかつ／または寄生的に存在する、常に存在する容量性エネルギー蓄積器を備えたすべての電気自動車駆動システムに関係する。また、バッテリ式の電気自動車駆動システムでは、効率を上げるために、ＤＣ／ＤＣコンバータが駆動コンバータの上流に接続されている。これらの変圧器は一般に、駆動システムの動作点に応じて、駆動インバータの中間ＤＣ回路電圧を追跡する役割を果たす。
したがって、本発明の目的は、従来技術から知られている欠点を排除すること、特に、費用効果が高く、かつ必要とする設置スペースがより少ない回路を提供することである。特に、本発明の目的は、最小限の労力で単相ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた駆動システムにおける放電を実現することである。
本目的は、第１のスイッチおよび第２のスイッチを、放電プロセス中に車載電気システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器をアクティブに放電させるために第１の電流回路または第２の電流回路のいずれかを閉じるような交互の方法でかつ互いに異なるように、切り替えるように構成することで達成される。
言い換えれば、車載電気システムにおけるエネルギー蓄積器全体のアクティブな放電を、既存のエネルギー蓄積器を巧みに再充電することによって達成する。エネルギー蓄積器のこの電荷反転は、第１のスイッチと第２のスイッチの交互の開閉によって実現される。言い換えれば、車載電気システムにおける、パワーエレクトロニクス機器のＤＣ電圧中間回路、または容量は、バックブーストトポロジまたはブーストトポロジにおける上流の単相ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた駆動システムにおいてアクティブに放電される。なお、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサはそれぞれ、放電されるエネルギー蓄積器を表す。
さらなる有利な実施形態は、従属請求項とともに特許請求され、以下により詳細に説明される。
また、所定の時間間隔に基づいて第１の電流回路と第２の電流回路との間で強制的に切り替えるように第１のスイッチおよび第２のスイッチが構成されれば好ましい。第１のスイッチを閉じることによって第１の電流回路が閉じられる所定の時間間隔が、第２のスイッチを閉じることによって第２の電流回路が閉じられる所定の時間間隔に少なくともほぼ対応すれば特に好ましい。これには、回路が第１の電流回路と第２の電流回路との間で定期的に切り替わるという利点がある。言い換えれば、これは、第１のスイッチが第２のスイッチに定期的にオフセットされて切り替えられることを意味する。
ここでは、切り替えが、独立して／自動的に、連続的にまたは６０Ｖ未満の目的の電圧に達するかもしくは放電が不要になるまで実行されるように、回路を構成すればまた有利である。
第１のスイッチを閉じて第２のスイッチが開くように、または第２のスイッチを閉じて第１のスイッチを開くように、放電プロセスを提供すれば好ましい。言い換えれば、これは、放電プロセスが開始されたらすぐに、２つのスイッチの一方が常に開位置にあり、２つのスイッチの他方が閉じていることを意味する。
第１の電流回路が、第１のスイッチが閉じて第２のスイッチが開いているときに第１のコンデンサがコイルを介して放電される放電プロセスの第１の状態を定義すればまた有利である。第２の電流回路が、第２のスイッチが閉じて第１のスイッチが開いているときに第２のコンデンサがコイルを介して放電され、かつ第１のコンデンサが放電される放電プロセスの第２の状態を定義すれば特に有利である。これは、使用される２つのスイッチの位置が、第１の状態と第２の状態との間の切り替えのみを提供することを意味する。したがって、第１のエネルギー蓄積器としての第１のコンデンサは、第２のエネルギー蓄積器としての第２のコンデンサと常に交互に放電される。
この文脈において、第１の電流回路と第２の電流回路との両方における第１のコンデンサ、第２のコンデンサ、コイル、第１のスイッチ、および第２のスイッチのオーム抵抗が、それぞれの電流回路に蓄積されたエネルギーを熱に変換し、それを熱として放出するように特別に調整されればまた都合が良い。ここでの利点は、放電プロセスまたは放電機能にとって、追加のコンポーネントが不要である／追加のコンポーネントを使用する必要がないことである。その結果、追加のコストと設置スペースを節約することができる。この節約は、主に高価な電力抵抗器と追加の半導体スイッチに関連する。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータのすべての電力コンポーネントが水冷式であれば有利である。したがって、コンデンサまたはエネルギー蓄積器のアクティブな放電中の熱的挙動が常に危機的状況とならない。これは、電力抵抗器を使用する場合には当てはまらない。言い換えれば、既存の水冷により、熱に変換されたエネルギーに起因してＤＣ／ＤＣコンバータのすべての電力コンポーネントが過熱するリスクがなくなる。したがって、電気エネルギーは、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ、コイル、ならびに第１および第２のスイッチのオーム抵抗によって熱として放散される。
好ましくは、回路にソフトウェアルーチンが統合される。この統合されたソフトウェアルーチンによって、第１の電流回路と第２の電流回路との間で切り替えることが可能である。これには、２つのスイッチ位置の間を切り替えるための所定の時間間隔を簡単に調整できるという利点がある。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力コンポーネントと、ゲートドライバ、マイクロプロセッサ、および電流センサなどの制御コンポーネントを使用できるため、追加のコンポーネントは必要ない。また、例えば、それぞれの第１のスイッチまたは第２のスイッチを自動的に開閉するためのソフトウェアルーチンを構成すれば有利であることがわかっている。
少なくとも１つのエネルギー蓄積器を好ましくは５００ミリ秒後に５０Ｖ未満に、但し、少なくとも２秒未満で６０Ｖ未満に、放電させるように回路を構成および設定すれば好ましい。これには、少なくとも１つのエネルギー蓄積器を２秒で６０Ｖ未満に放電するという安全基準を簡単に満たすという利点がある。
また、本発明は、前述の態様のいずれかによる回路が含まれる、特に、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または純粋な電気自動車のための電気自動車駆動装置に関する。
また、本発明は、車載電気システムにおいてパワーエレクトロニクスユニットを有する、特にハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または純粋な電気自動車における、電気自動車駆動装置の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための方法であって、アクチュエータの形態の単相ＤＣ／ＤＣコンバータが、駆動システムの上流に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータが、第１の電流回路に対して、第１のコンデンサ、第１のコンデンサの下流に接続されたコイル、および第１のスイッチを提供し、第２の電流回路に対して、第１のコンデンサ、第１のコンデンサの下流に接続されたコイル、コイルの下流に接続された第２のスイッチ、および第２のスイッチの下流に接続された第２のコンデンサを提供する、方法であって、第１のスイッチおよび第２のスイッチが、放電プロセス中に車載電気システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器をアクティブに放電させるために、第１の電流回路または第２の電流回路のいずれかを閉じるように、交互にかつ互いに異なるように切り替えられるように構成されている、方法に関する。
以下において、本発明は、図面を参照してより詳細に説明される。
単相ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 アクティブな放電プロセスの第１の状態による単相ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 アクティブな放電プロセスの第２の状態による単相ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 アクティブな放電プロセス全体にわたる経時的な電圧と電流の曲線を表すグラフである。 図４のセクションＡを拡大して表現するためのグラフである。
これらの図は本質的に単なる概略図であり、本発明を理解するためにのみ役立つ。同じ要素には同じ参照記号が付与されている。
図１は、車載電気システムにおいてパワーエレクトロニクス機器を備えた電気自動車駆動装置の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための単相ＤＣ／ＤＣコンバータ１の回路図を示している。単相ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、駆動システムの上流にアクチュエータとして接続されている。図１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が、第１の電流回路５（図２に示す）に対して、第１のコンデンサ２、第１のコンデンサ２の下流に接続されたコイル３、および第１のスイッチ４を有することを示している。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、第２の電流回路８（図３に示す）に対して、第１のコンデンサ２、第１のコンデンサ２の下流のコイル３、コイル３の下流の第２のスイッチ６、および第２のスイッチ６の下流の第２のコンデンサ７を有する。図１では、第１のスイッチ４および第２のスイッチ６が開位置で示されている。
図２は、アクティブな放電プロセスの第１の状態１０（図５に示す）による、図１の単相ＤＣ／ＤＣコンバータ１の回路図を示している。第１の状態１０では、第１のスイッチ４は閉じており、第２のスイッチ６は開位置にある。第１のスイッチ４によって閉じられた第１の電流回路５は、下流に接続されたコイル３を介して第１のコンデンサ２が放電されることを可能にする。したがって、第２のコンデンサ７はここでは無視される。
図３は、アクティブな放電プロセスの第２の状態１１（図５に示す）による、図１の単相ＤＣ／ＤＣコンバータ１の回路図を示している。第２の状態１１では、第２のスイッチ６は閉じており、第１のスイッチ４は開位置にある。第２のスイッチ６によって閉じられた第２の電流回路８は、コイル３および第１のコンデンサ２を介して第２のコンデンサ７が放電されることを可能にする。
図４は、アクティブな放電プロセス全体にわたる経時的な電圧と電流の曲線を表すグラフを示している。図４は、上側の電圧関連のグラフと下側の電流関連のグラフを含んでいる。ミリ秒単位の時間は、０秒～６００ミリ秒の範囲でｘ軸にプロットされている。上側のグラフでは、－４６Ｖ～＋４８９Ｖの範囲のボルト単位の電圧がｙ軸にプロットされており、下側の図では、－２００Ａ～＋２００Ａの範囲のアンペア単位の電流がｙ軸にプロットされている。
図４の上側のグラフは、第１のコンデンサ２の電圧曲線ＵＣ１と第２のコンデンサ７の電圧曲線ＵＣ２を示している。ここで、第１のコンデンサ２からの電圧ＵＣ１および第２のコンデンサ７からの電圧ＵＣ２は、５００ミリ秒後にすでに５０Ｖを下回っていることがわかる。これについてのより詳細な説明は、図５に関連して続ける。
図４の下側のグラフは、コイル３の電流曲線ＩＬを示している。電流ＩＬは、第１の状態１０と第２の状態１１との間の交互切り替えによる放電プロセス中のコイル３での電流の挙動を表している。言い換えれば、ＩＬは、第１の電流回路５と第２の電流回路８との間の切り替えに基づく電流の曲線を表している。
図５は、図４のセクションＡを拡大して表現するためのグラフを示している。図４に応じて、図５にも２つのグラフを示しており、上側のグラフは電圧に関するもので、下側のグラフは電流に関するものである。上側のグラフには、２つの特性曲線が確認できる。第１の特性曲線は、電圧曲線ＵＣ１を表しており、第２の特性曲線は、電圧曲線ＵＣ２を表している。
上側のグラフのＵＣ１による第１の特性曲線は、単相ＤＣ／ＤＣコンバータ１の第１のコンデンサ２による電圧の曲線を表している。スイッチ４およびスイッチ６の交互の開閉を確認することができる。第１のスイッチ４が閉じ、第１の状態１０に従って第１のコンデンサ２が放電されると、特性曲線ＵＣ１の曲線は下降する。第１のスイッチ４が開いて第２のスイッチ６が閉じるとすぐに、第２のコンデンサ７は、第２の状態１１に従って放電される。この第２の状態１１では、特性曲線ＵＣ１は上昇する。
２つの状態１０と状態１１との間の交互の切り替えの大要は、波状／正弦曲線になる。ピーク・ツー・バレー値１２は、約５００ミリ秒で図４による０Ｖ～５０Ｖの電圧範囲内のみに曲線が移動するまで、時間の経過とともにますます小さくなる。
上側の図のＵＣ２による第２の特性曲線は、単相ＤＣ／ＤＣコンバータ１の第２のコンデンサ７による電圧の曲線を表している。ここでも、スイッチ４およびスイッチ６の交互の開閉を確認することができる。第２のスイッチ６が閉じ、第２の状態１１に従って第２のコンデンサ７が放電されると、特性曲線ＵＣ２の曲線は下降する。第２のスイッチ６が開いて第１のスイッチ４が閉じるとすぐに、第１のコンデンサ２は、第１の状態１０に従って放電される。この第１の状態１０では、特性曲線ＵＣ２は上昇する。
２つの状態１０と状態１１との交互の切り替えの大要は、再び、波形／正弦曲線になる。ピーク・ツー・バレー値１２は、時間の経過とともにますます小さくなり、電圧レベル全体が低下するため、電圧範囲は、約５００ミリ秒で０～５０Ｖとなる。
２つの特性曲線ＵＣ１とＵＣ２を比較すると、特性曲線ＵＣ１のピーク・ツー・バレー値１２が特性曲線ＵＣ２のピーク・ツー・バレー値１２よりもかなり大きいことがわかる。また、図５の上側のグラフから、曲線ＵＣ２が上昇すると曲線ＵＣ１は下降し、かつその逆も同様であることがわかる。これは、２つの状態１０と状態１１との間の切り替え、または第１のコンデンサ２と第２のコンデンサ７の交互の放電を反映している。ＵＣ１のピーク・ツー・バレー値１２は、特性曲線ＵＣ２のピーク・ツー・バレー値１２よりもかなり大きい。この背景は、第２のコンデンサ７が第１のコンデンサ２およびコイル３を介して放電され、第１のコンデンサ２がコイル３を介してのみ放電されることである。したがって、特性曲線ＵＣ１の電圧レベルは、かなり大きく上昇する。特性曲線ＵＣ２は、非常に平坦な曲線を示しているが、一貫して高い電圧レベルである。両方の特性曲線ＵＣ１およびＵＣ２の継続期間１４は、第１の状態１０および第２の状態１１を一緒にした共通の継続期間によって定義される。
下側のグラフには、特性曲線ＩＬ１が示されている。電流曲線ＩＬ１において、第１の状態１０から第２の状態１１に切り替えるとき、または第２の状態１１から第１の状態１０に切り替えるとき、それぞれの場合にゼロ点１５を通過することがわかる。したがって、電流曲線ＩＬ１の最上点１６は、時間に関して第１の状態１０の中心にあり、電流曲線ＩＬ１の最下点１７は、時間に関して第２の状態１１の中心にある。振幅１３は、ゼロ線から電流曲線ＩＬ１の最上点１６または最下点１７までで定義され、また、放電プロセスが進行するにつれて電流曲線がゼロ線に近づくように、時間の経過とともに減少する。
１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ 第１のコンデンサ
３ コイル
４ 第１のスイッチ
５ 第１の電流回路
６ 第２のスイッチ
７ 第２のコンデンサ
８ 第２の電流回路
９ 時間間隔
１０ 第１の状態
１１ 第２の状態
１２ ピーク・ツー・バレー値
１３ 振幅
１４ 継続期間
１５ ゼロ点
１６ 最上点
１７ 最下点

Claims (10)

  1. 車載電気システムにおいてパワーエレクトロニクスユニットを有する、特にハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、または純粋な電気自動車における、電気自動車駆動装置の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための回路であって、アクチュエータの形態の単相ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が、前記駆動システムの上流に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が、第１の電流回路（５）に対して、第１のコンデンサ（２）、前記第１のコンデンサ（２）の下流に接続されたコイル（３）、および第１のスイッチ（４）を提供し、第２の電流回路（８）に対して、前記第１のコンデンサ（２）、前記第１のコンデンサ（２）の下流に接続された前記コイル（３）、前記コイル（３）の下流に接続された第２のスイッチ（６）、および前記第２のスイッチ（６）の下流に接続された第２のコンデンサ（７）を提供する、回路であって、前記第１のスイッチ（４）および前記第２のスイッチ（６）が、放電プロセス中に前記車載電気システムの前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器をアクティブに放電させるために、前記第１の電流回路（５）または前記第２の電流回路（８）のいずれかを閉じるように、交互にかつ互いに異なるように切り替えられるように構成されていることを特徴とする、回路。
  2. 前記第１のスイッチ（４）および前記第２のスイッチ（６）が、所定の時間間隔（９）に基づいて前記第１の電流回路（５）と前記第２の電流回路（８）との間を強制的に切り替えるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の回路。
  3. 前記放電プロセスが、前記第１のスイッチ（４）が閉じ、かつ前記第２のスイッチ（６）が開くか、または前記第２のスイッチ（６）が閉じ、かつ前記第１のスイッチ（４）が開くように提供されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の回路。
  4. 前記第１の電流回路（５）が、前記第１のスイッチ（４）が閉じて前記第２のスイッチ（６）が開いているときに、前記第１のコンデンサ（２）が前記コイル（３）を介して放電される前記放電プロセスの第１の状態（１０）を定義することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回路。
  5. 前記第２の電流回路（８）が、前記第２のスイッチ（６）が閉じて前記第１のスイッチ（４）が開いているときに、前記第２のコンデンサ（７）が前記コイル（３）を介して放電され、かつ前記第１のコンデンサ（２）が放電される前記放電プロセスの第２の状態（１１）を定義することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回路。
  6. 前記第１の電流回路（５）および前記第２の電流回路（８）の両方における、前記第１のコンデンサ（２）、前記第２のコンデンサ（７）、前記コイル（３）、前記第１のスイッチ（４）、および前記第２のスイッチ（６）のオーム抵抗が、それぞれの前記電流回路（５、８）に蓄積されたエネルギーを熱に変換し、それを熱として放出するように特別に調整されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の回路。
  7. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）にソフトウェアルーチンが統合されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の回路。
  8. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器を５０Ｖ未満に放電させるように構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の回路。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の回路が含まれることを特徴とする電気自動車駆動装置。
  10. 車載電気システムにおいてパワーエレクトロニクスユニットを有する電気自動車の駆動システムの少なくとも１つのエネルギー蓄積器を放電させるための方法であって、アクチュエータの形態の単相ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が、前記駆動システムの上流に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が、第１の電流回路（５）に対して、第１のコンデンサ（２）、前記第１のコンデンサ（２）の下流に接続されたコイル（３）、および第１のスイッチ（４）を提供し、第２の電流回路（８）に対して、前記第１のコンデンサ（２）、前記第１のコンデンサ（２）の下流に接続された前記コイル（３）、前記コイル（３）の下流に接続された第２のスイッチ（６）、および前記第２のスイッチ（６）の下流に接続された第２のコンデンサ（７）を提供し、前記第１のスイッチ（４）および前記第２のスイッチ（６）が、放電プロセス中に前記車載電気システムの前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器をアクティブに放電させるために、前記第１の電流回路（５）または前記第２の電流回路（８）のいずれかを閉じるように、交互にかつ互いに異なるように切り替えられる、方法。
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