JP2024511395A - 電気自動車の電気システム - Google Patents

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Abstract

本開示は、電気自動車の電気システム内の部品点数を削減するためのモータ駆動装置一体型車載充電器を提供する。充電モードにおいて、モータ及びモータ駆動インバータを車載充電器の一部として利用することにより、部品点数の削減を実現する。リレーを制御することにより、システムの電気接続を動作モードに応じて再構成することができる。一態様では、モータ及びモータ駆動インバータは、ブーストＰＦＣ、電流レギュレータ、またはその両方の役割を果たす。【選択図】図３Ａ

Description

［関連出願］
本出願は、２０２１年３月１８日に出願された米国仮出願第６３／１６２，６９４号に対する優先権の利益を主張し、その全内容はあらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、電気自動車における電気システムのコスト及び体積を削減するために、モータ駆動回路の部品を利用した車載充電器の実装に関するものである。
電気自動車は、内燃機関ではなく電気モータによって駆動される。電気モータは温室効果ガスを排出しないのに対し、内燃機関は温室効果ガスを排出し、大気汚染や地球温暖化を引き起す。環境保護がますます重要になるにつれ、電気自動車への関心が急速に高まっている。
図１Ａは、電気自動車の電気システム１０の概念図を示す。システム１０は、モータ１１、モータ駆動装置１２、バッテリ１３、車載バッテリ充電器１４、及びＡＣ入力１５を含む。電気モータ１１は、電気自動車の機械システムに接続することができる。電気モータ１１は、システム１０内の電気エネルギーを機械エネルギーに変換して、電気自動車の車輪を回転させる。モータ駆動装置１２は、バッテリ１３からモータ１１に電気エネルギーを供給する。車載充電器１４は、外部ＡＣ入力１５からバッテリ１３に電気エネルギーを供給する。従って、電気システム１０は、モータ駆動装置１２と車載充電器１４の両方の部品を含むことに留意されたい。
図１Ｂ及び図１Ｃは、それぞれ駆動モード及びバッテリ充電モードにおけるシステム１０内の電気エネルギーの流れ方向を示す。駆動モードでは、図１Ｂに示すように、電気エネルギーは、バッテリ１３からモータ１１に供給される。バッテリ１３は放電中であり、車載充電器は動作しない。バッテリ充電モードでは、図１Ｃに示すように、電気エネルギーは、ＡＣ入力１５からバッテリ１３に供給される。バッテリ１３は充電中であり、モータ駆動装置１２は動作しない。このとき、電気システム１０では、モータ駆動装置１２と車載充電器１４が同時に動作しないことに留意されたい。すなわち、駆動モードではモータ駆動装置１２のみがアクティブであり、バッテリ充電モードでは車載充電器１４のみがアクティブである。モータ駆動装置１２と車載充電器１４は同時に動作しないため、システム１０の部品点数を削減するために、モータ１１及び／またはモータ駆動装置１２を車載充電器１４の一部として利用する必要がある。
図２Ａは、三相モータを備えた電気自動車の従来の電気システム２０の例示的な概略回路を示す。電気システム２０は、三相モータ２１、モータ駆動インバータ２２、バッテリ２３、車載充電器２４、及びＡＣ入力２５を含む。三相モータ２１及びモータ駆動インバータ２２は、リレーＲ２を介してバッテリ２３の右側に接続される。安全上の懸念から、システム２０が動作していないときにバッテリ２３をシステム２０から物理的に切断することができるために、リレーＲ１及びＲ２は不可欠である。
三相モータ２１は、ステータアセンブリに埋め込まれた３つの巻線を有する。各ステータ巻線は、電気的にはインダクタとして表現することができる。モータ駆動インバータ２２は、スイッチＳ１、Ｓ２、...、Ｓ６を備えた同一のハーフブリッジレッグを３つ含む。各ハーフブリッジレッグのスイッチングノードは、モータ２１のステータ巻線の一端に接続される。ステータ巻線の他端は、中性点と呼ばれる単一ノードに接続される。モータ駆動インバータ２２は、ハーフブリッジ位相レッグのデューティ比を調整することにより、モータ相電流を制御することで、トルクを制御する。車載充電器２４は、ＡＣ／ＤＣ力率補正（ＰＦＣ）ステージ２４１と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータステージ２４２の２つのステージを有する。ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１は、充電器が入力電流の高い力率と低い全高調波歪みを達成するように、入力電流の形状を調整する。
ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１では、連続入力電流と制御の容易さのため、ブーストコンバータが一般的に使用される。この例では、ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１は、整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４、ブーストインダクタＬＰＦＣ、ブーストスイッチＳＢ１、及びブーストダイオードＤ５を含む。リンクコンデンサＣＯ，ＰＦＣにわたるＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１の出力電圧は、低周波数リップルを有する準ＤＣになる。リップルは、単相システムに特有の大きな電力リップルによって発生する。入力電圧ＶＡＣがゼロの場合、入力電力はゼロになり、入力電圧ＶＡＣが最大の場合、電力も最大になる。従って、ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージの電力の流れは、ラインサイクル全体で変動する。ＡＣ電圧には２つのゼロクロスがあるため、ＰＦＣ電力はグリッド周波数の２倍で変動する。
ＤＣ／ＤＣコンバータステージ２４２は、ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１に続き、絶縁バリアを提供するとともに、バッテリ２３に一定のＤＣ充電電流を提供する。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの場合、ＬＬＣ共振コンバータトポロジは、少数の部品で高い効率が得られるため、現在広く使用されている。図２Ａは、メインスイッチＳＩＮＶ１及びＳＩＮＶ２、共振インダクタＬＲ、共振コンデンサＣＲ１及びＣＲ２、トランスＴＲ、整流ダイオードＤＲ１及びＤＲ２、及び出力コンデンサＣＩＮ２を含む絶縁型ハーフブリッジＬＬＣ共振コンバータを示す。なお、車載充電器の３つの主な機能は、力率補正、絶縁、及びＤＣ充電電流調整である。
図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれ図２Ａの従来の電気システムの駆動モード及びバッテリ充電モードを示す。図２Ｂは、バッテリ２３がモータ２１及びモータ駆動インバータ２２のみに接続されるように、リレーＲ２を閉じリレーＲ１を開く駆動モード動作を示す。車載充電器２４はオフになっているため、非アクティブとなる。バッテリ２３に蓄えられたエネルギーは、システム２０を使用して車両を駆動することによって徐々に消耗される。図２Ｃは、バッテリ２３が車載充電器２４のみに接続されるように、リレーＲ２を開きリレーＲ１を閉じる充電モード動作を示す。モータ駆動インバータ２２はオフになり、モータ２１は動作しない。
参考文献
［１］Ｓ．Ｒ．Ｍｅｈｅｒ，Ｓ．Ｂａｎｅｒｊｅｅ，Ｂ．Ｔ．Ｖａｎｋａｙａｌａｐａｔｉ，ａｎｄ Ｒ．Ｋ．Ｓｉｎｇｈ，"Ａ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｎ－Ｂｏａｒｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｓｗｉｔｃｈ Ｃｏｕｎｔ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．６９，ｎｏ．４，Ａｐｒ．２０２０。
［２］Ｍ．Ｔｏｎｇ，Ｍ．Ｃｈｅｎｃ，Ｗ．Ｈｕａ，ａｎｄ Ｓ．Ｄｉｎｇ，"Ａ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｐｈａｓｅ Ｏｎ－Ｂｏａｒｄ Ｔｗｏ－Ｓｔａｇｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｈａｒｇｅｒ ｆｏｒ ＥＶｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｖｅ－Ｐｈａｓｅ Ｈｙｂｒｉｄ－Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｆｌｕｘ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．６９，ｎｏ．４，Ａｐｒ．２０２０。
［３］Ｋｈａｎ，Ｍｅｈｎａｚｅ Ａｋｈｔｅｒ，Ｉｑｂａｌ Ｈｕｓａｉｎ，ａｎｄ Ｙｉｌｍａｚ Ｓｏｚｅｒ．"Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｆｏｒ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ＤＣ ｏｒ ＡＣ ｇｒｉｄ．"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２８．１２（２０１３）：５７７４－５７８３。
［４］Ｓｕｂｏｔｉｃ，Ｉｖａｎ，ａｎｄ Ｅｍｉｌ Ｌｅｖｉ．"Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｏｎ－ｂｏａｒｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．"２０１５ ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ（ＷＥＭＤＣＤ）．ＩＥＥＥ，２０１５。
本開示は、電気自動車の電気システムの部品数を削減できるモータ駆動装置一体型車載充電器を提供する。電気自動車において、電気システムはモータ、モータ駆動装置、及び車載充電器を含む。充電モードでは、車載充電器は、力率補正、絶縁、及び電流調整の３つの主な機能を実行する。従来のシステムでは、電気システムの各部品は単一の機能を実行する。従って、充電モードでは、モータ及びモータ駆動インバータは使用されない。一方、車載充電器は駆動モードでは使用されない。本開示のコンバータトポロジは、電気システム内の部品点数を削減するために、充電モードにおいてモータ及びモータ駆動インバータを車載充電器の一部として利用する。本発明の実施形態によれば、モータ及びモータ駆動インバータは、リレーでトポロジを再構成することにより、充電モードにおいて力率補正及び電流調整の機能を提供することができる。従って、開示されたモータ駆動装置一体型車載充電器は、車載充電器の部品を削減し、それによって、電気システムの費用対効果を改善することができる。
一態様では、本開示の一実施形態は、ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータ及びインバータを含むモータ駆動装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、前記ＰＦＣインダクタと前記モータ駆動装置との間に接続される第１リレーと、バッテリを前記リンクコンデンサに接続するための第２リレーとを含む、電気自動車の電気システムを提供する。
一実施形態では、前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、前記位相の各第１端は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される。
一実施形態では、前記位相の第２端は中性点で接続される。一実施形態では、前記ＰＦＣインダクタは、前記第１リレーを介して前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグに接続される。
一実施形態では、前記位相レッグは２つのスイッチを含み、前記ＰＦＣインダクタは、前記第１リレーを介して、前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグの２つのスイッチ間の端子に接続される。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、入力端子でＡＣ電源を受信し、出力端子でＤＣ電力を生成することができるＬＬＣ直列共振コンバータを含む。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、ハーフブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、フルブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、ハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、及びハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のうちの１つを含む。
本開示の一実施形態の一態様によれば、電気自動車の電気システムが提供される。前記電気システムは、ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータ及びインバータを含むモータ駆動装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、第１リレーと、第２リレーとを含む。前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、各前記位相は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される。前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグを前記モータの前記位相のうちの該当する位相または前記ＰＦＣインダクタのいずれかに選択的に接続するように構成され、前記第２リレーは、バッテリを前記インバータの正端子または前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相のいずれかに選択的に接続するように構成されている。
一実施形態では、前記インバータの各位相レッグは２つのスイッチを含み、前記第１リレーは、前記ＰＦＣインダクタと前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグの２つのスイッチ間の端子との間に接続される。
一実施形態では、前記位相レッグの一端は中性点で互いに接続される。
一実施形態では、前記第１及び第２リレーは単極双投リレーを含む。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相に接続し、前記第２リレーは、前記バッテリを前記インバータの正端子に接続し、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記ＰＦＣインダクタに接続し、前記第２リレーは、前記バッテリを前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相に接続し、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、入力端子でＡＣ電源を受信し、出力端子でＤＣ電力を生成することができるＬＬＣ直列共振コンバータを含む。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、ハーフブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、フルブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、ハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、及びハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のうちの１つを含む。
本開示の一実施形態の一態様によれば、ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータ及びインバータを含むモータ駆動装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、第１リレーと、第２リレーと、第３リレーとを含む電気自動車の電気システムが提供される。前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、各前記位相は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続され、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグと前記位相のうちの該当する位相との間に接続され、前記第２リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記ＰＦＣインダクタと接続または切断するように構成され、前記位相のうちの前記該当する位相をバッファコンデンサと接続または切断するように構成されており、前記電気自動車のバッテリは、前記第３リレーを介して前記リンクコンデンサに接続される。
一実施形態では、前記第２リレーは二極双投リレーを含む。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１及び第３リレーが閉じ、前記第２リレーが開き、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第２及び第３リレーが閉じ、前記第１リレーが開き、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
本開示の別の実施形態の一態様によれば、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力端子でＡＣ電源を受信し、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端子でＤＣ電力を供給することができるＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端子に電気的に接続される第１リレーと、前記第１リレーを介して前記ＡＣ／ＤＣコンバータに接続されるモータと、前記モータに接続されるモータ駆動インバータと、前記モータ駆動インバータと並列に接続されるリンクコンデンサと、前記リンクコンデンサをバッテリに接続するための第２リレーとを含む、電気自動車の電気システムが提供される。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、前記ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
一実施形態では、前記モータは複数の位相レッグを含み、前記位相レッグの一端が中性点で接続され、前記第１リレーが前記中性点に接続される。
一実施形態では、前記電気システムは、前記第１リレー、前記モータ、及び前記モータ駆動インバータに電気的に接続される第３リレーをさらに含む。
一実施形態では、前記モータは複数の位相を含み、前記モータ駆動インバータは複数の位相レッグを含み、前記モータの前記位相の１つは、前記第３リレーを介して前記モータ駆動インバータの前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される。駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレー及び前記第３リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、前記第３リレーが開き、前記ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
本発明は、以下の詳細な説明及び添付の図面を考慮した後に、よりよく理解されるであろう。
電気自動車の従来の電気システムの概略図を示す。 駆動モードにおける図１Ａのシステム内の電気エネルギーの流れ方向を示す。 バッテリ充電モードにおける図１Ａのシステム内の電気エネルギーの流れ方向を示す。 三相モータを備えた電気自動車の従来の電気システムの例示的な概略回路を示す。 図２Ａの従来の電気システムの駆動モードを示す。 図２Ａの従来の電気システムのバッテリ充電モードを示す。 本開示によるモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムの概略図を示す。 駆動モードにおける図３Ａのシステムの電気エネルギーの流れ方向を示す。 バッテリ充電モードにおける図３Ａのシステムの電気エネルギーの流れ方向を示す。 本開示の第１の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図４Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図４Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 本開示の第２の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図５Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図５Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 本開示の第３の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図６Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図６Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 より明確にするために、図６Ｃの簡略化されたバージョンを示す。 本開示の第４の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図７Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図７Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 より明確にするために、図７Ｃの簡略化されたバージョンを示す。 図７Ｃ及び図７Ｄのコンバータの制御図を示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 本開示の第５の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図９Ａに示す実施形態のモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図９Ａに示す実施形態のモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。
図３Ａは、本開示の一実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器３４を有する電気自動車の電気システム３０の概略図を示す。部品点数を削減するために、モータ駆動装置一体型車載充電器３４は、モータ駆動装置と車載充電器の両方の機能を提供する。モータ駆動装置と車載充電器が同時に動作しないため、この一体型構造は可能となる。駆動モードでは、電気システム３０はモータ駆動装置として動作する。バッテリ充電モードでは、電気システム３０は車載充電器として動作する。
図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ駆動モード及びバッテリ充電モードにおけるシステム３０の電気エネルギーの流れ方向を示す。駆動モードでは、図３Ｂに示すように、電気エネルギーは、バッテリ３３からモータ３１に供給される。バッテリ３３は放電中であり、ＡＣ入力３５は切断されている。バッテリ充電モードでは、図３Ｃに示すように、電気エネルギーは、外部ＡＣ入力３５からバッテリ３３に供給される。バッテリ３３は充電中である。この機能は、従来のアプローチとモータ駆動装置一体型車載充電器アプローチの主な違いである。モータ駆動装置一体型車載充電器アプローチでは、モータ３１及びモータ駆動装置一体型車載充電器３４内の部品は、車載充電器の一部として動作することにより、車載充電器の部品点数を削減することができる。
図４Ａは、本開示の第１の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム４０を示す。図示のように、電気システム４０は、モータ４１、モータ駆動インバータ４２、バッテリ４３、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４、及び外部ＡＣ電力入力４５を含む。一実施形態では、モータ４１は、３つのモータ巻線（三相モータ）を含み、すべてのモータ巻線が中性点で互いに接続されている。
絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４は、整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４、入力コンデンサＣＩＮ１、及びＬＬＣコンバータを含む。ＬＬＣコンバータは、２つのスイッチＳＩＮＶ１及びＳＩＮＶ２、共振インダクタＬＲ、共振コンデンサＣＲ１及びＣＲ２、トランスＴＲ、整流ダイオードＤＲ１及びＤＲ２、及び小型出力コンデンサＣＩＮ２を含む。出力コンデンサＣＩＮ２は、リレーＲ１を介してモータ４１の中性点に接続される。モータ駆動インバータ４２は、スイッチＳ１、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６を含み得る。モータ４１のモータ巻線の中性点に対向する各端は、モータ駆動インバータ４２のスイッチＳ１、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６のうちの２つに接続されている。モータ駆動インバータ４２はリンクコンデンサＣＯと並列に接続され、バッテリ４３は、リレーＲ２を介してリンクコンデンサＣＯの両端に接続される。図２Ａの従来システムと比較して、図４Ａの実施形態のコンバータ４４は、ブーストインダクタＬＰＦＣ、スイッチＳＢ１、ダイオードＤ５、及びコンデンサＣＯ，ＰＦＣを含まなくてもよく、それによってシステムのコストが削減される。
図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ図４Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。一実施形態では、駆動モードにおいて、図４Ｂに示すように、リレーＲ１が開き、リレーＲ２が閉じることで、バッテリ４３は、モータ４１及びモータ駆動インバータ４２のみに接続され、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４はオフになる。なお、図４Ｂの電気システム４０の電気接続は、図２Ｂに示す電気接続と実質的に同一である。充電モードでは、図４Ｃに示すように、リレーＲ１とＲ２の両方が閉じることで、電気エネルギーは、ＡＣ電力入力４５からバッテリ４３に流れることができる。なお、モータ４１とモータ駆動インバータ４２の両方が充電システムの一部になる。これに対し、図２Ｂの電気システム２０では、充電モード中にモータ４１及びモータ駆動インバータ４２は使用されていない。
本実施形態では、充電モードにおいて、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４のＬＬＣコンバータは、ＡＣ／ＤＣ整流器として使用され、ＡＣ電力入力４５の絶縁及びスケーリングを提供する。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、共振タンクコンポーネントＬＲ、ＣＲ１、及びＣＲ２によって決定される共振周波数の２分の１から５倍まで変化することができる。なお、スイッチング周波数は、ＡＣ入力ライン周波数（例えば、６０Ｈｚ）よりもはるかに高い。従って、共振コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は、ＡＣ入力ライン電圧ＶＡＣのスケーリングされた絶対値になる。モータ駆動インバータ４２及びモータ４１の３つの巻線は、複合ブースト力率補正回路として動作するように並列に接続された３つの独立したブーストコンバータとみなすことができる。これにより、図４Ｃの回路は、少ない部品数で絶縁と力率補正を提供することができる。しかし、この実施形態では、図４Ｃの電気システム４０は、ＰＦＣ回路の出力電圧リップルにより、充電電流に大きなリップルが発生する可能性がある。従って、いくつかの実施形態では、図４Ｃの電気システム４０は、そのようなバッテリ電流リップルが許容されるシステムに適用可能である。
図４Ｃに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の１つの利点は、簡単な制御を提供することである。入力コンデンサＣＩＮ１は比較的小さいため、その両端の電圧は入力電圧ＶＡＣの整流バージョンになる。入力コンデンサＣＩＮ１は、ＬＬＣ共振コンバータの両端の電圧を設定する。共振コンバータは、５０％のデューティサイクル、一定のスイッチング周波数で動作し、トランスＴＲの二次巻線の巻数が一次巻線の巻数に比べて少ないため、入力コンデンサＣＩＮ１の両端の電圧をより低い値にスケールダウンする。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧を入力コンデンサＣＩＮ２に供給する。入力コンデンサＣＩＮ１と同様に、入力コンデンサＣＩＮ２の値も小さい。その結果、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧も、スケールダウンされた整流器入力電圧ＶＡＣになる。ＡＣ／ＤＣコンバータ４４には大きなエネルギー蓄積がないため、両方のコンデンサ電圧は入力電圧ＶＡＣの形状に従う。このようなシステムは、より大きな静電容量値を使用してＤＣリンクを準一定値に保持するシステム（例えば、図２Ａの電気システム２０）とは異なり、ソフトＤＣリンクを有すると説明できる。
三相モータ駆動インバータ位相レッグは、各モータ巻線によって引き出される電流が互いに等しくなるように制御される。前記モータ巻線の電流基準は、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、そこから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣコンバータ４４の出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣコンバータ４４には大きなエネルギー蓄積がないため、入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣコンバータ４４の入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。相巻線電流基準の大きさは、バッテリ充電アルゴリズムに依存する。バッテリが消耗すると、電流基準の大きさはコンバータの電力処理能力によってサポートされる最大値になる。バッテリの充電状態が最大に近づくと、電流基準の大きさは徐々にゼロまで減少する。
さらに、すべての巻線が時変電流を伝送するにもかかわらず、図４Ｃに示す実施形態の構成では、すべての巻線電流が互いに等しいため、脈動トルクは発生しない。これは、外部モータのニュートラル接続により可能になる。３つの巻線電流がすべて互いに等しい場合、モータは、定常状態またはモータの振動を引き起こす低周波トルクを生成しないゼロシーケンス電流のみを伝送する。システム内で生成される唯一のトルク成分は、巻線リップル電流による小さなスイッチング周波数リップルトルクである。リップル電流は、モータインダクタンスとスイッチング周波数の両方に反比例する。
図５Ａは、本開示の第２の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム５０を示す。図５Ａの電気システム５０は、並列接続された３つのモータ巻線の代わりに、入力コンデンサＣＩＮ２から電流を引き出すための外部ＰＦＣチョーク５６をさらに含むことを除いて、図４Ａの電気システムと実質的に同一である。また、三相モータ５１は、図４Ａのモータ４１とは異なる方法で接続されており、三相モータ５１、スイッチＳ１、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６、及びリンクコンデンサＣＯを含むモータ駆動装置５２の一部であると考えられる。この構成では、スイッチＳ１及びＳ２を含む第１モータ駆動インバータ位相レッグは、外部力率補正（ＰＦＣ）インダクタＬＰＦＣを流れる電流の調整のみを担当する。この実施形態では、ＰＦＣインダクタＬＰＦＣはブーストインダクタを含む。三相モータ５１は接続されたままであるため、他の２つの位相レッグは、同じデューティサイクルで動作し、モータ巻線電流をゼロに維持する。図５Ａに示すアプローチは、図４Ａのアプローチと比較して、モータのニュートラル端子にアクセスする必要がないという利点がある。いくつかの実施形態では、逆に、追加のインダクタが必要になる場合がある。
図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれ図５Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図５Ｂに示すように、リレーＲ１が開き、リレーＲ２が閉じることで、バッテリは、モータ４１及びモータ駆動インバータ４２に接続され、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４はオフになる。なお、図５Ｂの電気システム５０の電気接続は、図２Ｂに示す電気接続と実質的に同一である。充電モードでは、図５Ｃに示すように、リレーＲ１とＲ２の両方が閉じることで、電気エネルギーは、ＡＣ電力入力からバッテリに流れることができる。
駆動モードでは、図５Ｂに示すように、電気システム５０は、図３Ｂ及び図４Ｂに示すものと同等のモータ駆動装置として動作する。充電モードでは、図５Ｃに示すモータ駆動装置一体型車載充電器は、簡単な制御を提供する。入力コンデンサＣＩＮ１は比較的小さいため、その両端の電圧は入力電圧ＶＡＣの整流バージョンになる。入力コンデンサＣＩＮ１は、ＬＬＣ共振コンバータの両端の電圧を設定する。共振コンバータは、５０％のデューティサイクル、一定のスイッチング周波数で動作し、トランスＴＲの二次巻線の巻数が一次巻線の巻数に比べて少ないため、入力コンデンサＣＩＮ１の両端の電圧をより低い値にスケールダウンする。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧を入力コンデンサＣＩＮ２に供給する。入力コンデンサＣＩＮ１と同様に、入力コンデンサＣＩＮ２の値も小さい。その結果、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧も、スケールダウンされた整流器入力電圧ＶＡＣになる。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、両方のコンデンサ電圧は入力電圧ＶＡＣの形状に従う。このようなシステムは、より大きな静電容量値を使用してＤＣリンクを準一定値に保持するシステム（例えば、図２Ａの電気システム２０）とは異なり、ソフトＤＣリンクを有すると説明できる。
第１相モータ駆動インバータ位相レッグは、ブーストインダクタＬＰＦＣから引き出される電流が入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従うように制御される。従って、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、そこから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。
さらに、第１モータ巻線は、第１相インバータ位相レッグに接続されたままである。モータ巻線を流れる電流をゼロに維持するには、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグは、第１モータインバータ位相レッグと同じデューティサイクルで変調され、または第２及び第３相インバータレッグのすべてのスイッチはオフになる。モータ巻線の電流はゼロであるため、図５Ｃに示す構成では、トルクが発生しない。
図６Ａは、本開示の第３の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム６０を示す。本実施形態では、電気システム６０は、単極双投リレーＲ１を使用して、第１モータ駆動インバータ位相レッグ（スイッチＳ１及びＳ２を含む）のＡＣ端子（点Ａ）をモータ６１の第１モータ巻線または外部ＰＦＣブーストインダクタＬＰＦＣのいずれかに接続する。第２単極双投リレーＲ２は、バッテリ６３の正端子をモータ駆動インバータＤＣリンクの正端子（点Ｂ）またはモータ６１の第１モータ巻線のいずれかに接続するために使用される。
図６Ｂ及び図６Ｃは、それぞれ図６Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図６Ｂに示すように、リレーＲ１は、第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）を第１モータ巻線に接続し、リレーＲ２は、バッテリ６３の正端子をモータ駆動インバータＤＣリンクの正端子（点Ｂ）に接続する。絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器６４はオフになる。この構成は、図３Ｂ、図４Ｂ、及び図５Ｂに示すものと電気的かつ機能的に同等である。
バッテリ充電モードでは、図６Ｃに示すように、リレーＲ１は、第１モータ駆動インバータ位相レッグ（スイッチＳ１及びＳ２を含む）のＡＣ端子（点Ａ）を外部ＰＦＣブーストインダクタＬＰＦＣに接続し、リレーＲ２は、バッテリ６３の正端子をモータ６１の第１モータ巻線に接続する。この構成は、明確にするために、図６Ｄに再描画されている。この回路構成と図４Ｃ及び図５Ｃに示す回路構成との主な違いとしては、図６Ｃ及び図６Ｄの構成がＤＣリンク内の電圧源ＶＡＣからの脈動入力電力を吸収することである。
ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧を入力コンデンサＣＩＮ２に供給する。図６Ｃ及び図６Ｄに示すように、第１モータ駆動インバータ位相レッグはブーストＰＦＣとして動作する。この構成では、スイッチＳ１及びＳ２を含む第１モータ駆動インバータ位相レッグは、外部ブーストチョークＬＰＦＣを流れる電流の調整のみを担当する。ブーストチョークＬＰＦＣの電流基準は、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、コンデンサから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣ整流器の出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣ整流器には大きなエネルギー蓄積がないため、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣ整流器の入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。
さらに、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグは、モータ６１の第２及び第３モータ巻線に接続され、第１モータ巻線は、バッテリ６３の正端子に接続される。３つのモータ巻線は中性点で接続されたままである。その結果、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグとモータ６１は、インターリーブバックコンバータを構成する。降圧コンバータとも呼ばれるバックコンバータは、誘導素子が出力で接続されているため、出力電流が連続している。その結果、バッテリ充電電流を最小限のリップルで一定値に簡単に調整することができる。従って、図６Ｃ及び図６Ｄに示す回路構成は、入力でのＰＦＣ機能と出力でのＤＣ電流調整の両方を提供する。変動する入力電力と一定の出力電力との間の不一致は、既存のＤＣリンクコンデンサＣＯによって提供される。
第２及び第３インバータレッグに接続されるモータ巻線の電流は大きさと極性が等しく、残りの巻線の電流は大きさが２倍で極性が反対であるにもかかわらず、図６Ｃ及び図６Ｄに示す構成でモータ巻線を使用すると、すべての巻線が非常に小さい高周波数リップルでＤＣ電流を伝送するため、低周波脈動トルクが発生しない。リップル電流は、モータインダクタンスとスイッチング周波数の両方に反比例する。
図７Ａは、本開示の第４の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム７０を示す。本実施形態では、単極単投リレーＲ１は、第１モータ駆動インバータ位相レッグ（スイッチＳ１及びＳ２を含む）のＡＣ端子（点Ａ）をモータ７１の第１モータ巻線と接続または切断する。さらに、二極双投リレーＲ２は、第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）を外部ＰＦＣブーストインダクタＬＰＦＣと接続または切断し、また、第１モータ巻線をバッファコンデンサＣＢと接続または切断する。
図７Ｂ及び図７Ｃは、それぞれ図７Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図７Ｂに示すように、リレーＲ１及びリレーＲ３は閉じ、リレーＲ２は開いている。第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）は、モータ７１の第１モータ巻線に接続される。絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータはオフになる。この構成は、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、及び図６Ｂに示すものと電気的かつ機能的に同等である。
バッテリ充電モードでは、図７Ｃに示すように、リレーＲ１は開き、リレーＲ２及びリレーＲ３は閉じている。リレーＲ２は、第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）を外部ＰＦＣブーストインダクタＬＰＦＣに接続し、また、モータ７１の第１モータ巻線をバッファコンデンサＣＢに接続する。この構成は、明確にするために、図７Ｄに再描画されている。この回路構成と図４Ｃ、図５Ｃ、及び図６Ｃに示す回路構成との主な違いとしては、図７Ｃ及び図７Ｄの構成がバッファコンデンサＣＢ内の電圧源ＶＡＣからの脈動入力電力を吸収することである。
ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧を入力コンデンサＣＩＮ２に供給する。図７Ｃ及び図７Ｄに示すように、第１モータ駆動インバータ位相レッグはブーストＰＦＣとして動作する。この構成では、スイッチＳ１及びＳ２を含む第１モータ駆動インバータ位相レッグは、外部ブーストチョークＬＰＦＣを流れる電流の調整のみを担当する。ブーストチョークＬＰＦＣの電流基準は、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、コンデンサから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣ整流器の出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣ整流器には大きなエネルギー蓄積がないため、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣ整流器の入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。
さらに、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグは、モータ７１の第２及び第３モータ巻線に接続され、第１モータ巻線は、バッファコンデンサＣＢに接続される。３つのモータ巻線は中性点で接続されたままである。従って、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグとモータ７１は、インターリーブバックコンバータを構成する。降圧コンバータとも呼ばれるバックコンバータは、誘導素子が出力で接続されているため、出力電流が連続している。バックコンバータとバッファコンデンサＣＢの組み合わせは、アクティブパワーフィルタ（ＡＰＦ）を構成する。
定義上、アクティブパワーフィルタはＡＣ電力しか供給できない。従って、アクティブパワーフィルタは、ＤＣ電力とＡＣ電力の両方を供給するＰＦＣ回路と同じ大きさで逆極性のＡＣ電力を供給できる。その結果、ＰＦＣ回路のＡＣ成分は、バッテリ端子で効果的にキャンセルされ、その結果、バッテリ電流リップルが低下するか、またはまったく発生しない。ブーストＰＦＣによって供給されるエネルギーが過剰な場合、エネルギーはリンクコンデンサＣＯから引き出され、バッファコンデンサＣＢに蓄えられる。一方、ブーストＰＦＣによって供給されるエネルギーが不足する場合、エネルギーはバッファコンデンサＣＢから引き出され、リンクコンデンサＣＯに供給される。これにより、出力電流を一定に制御することが可能となる。従って、図７Ｃ及び図７Ｄに示す回路構成は、入力でのＰＦＣ機能と低いバッテリ電流リップルの両方を提供する。
図７Ｃ及び図７Ｄに示す実施形態の構成は、バッテリ７３へのＤＣリンクの接続を切断しないことにも留意されたい。従って、コンデンサ及びスイッチは、図６Ｃ及び図６Ｄに示す構成のようにわずかに高い電圧レベルをサポートする必要はない。さらに、巻線相Ａと相Ｂの電流は大きさ及び極性が等しく、巻線相Ｃの電流は大きさが２倍で極性が反対であることもかかわらず、図７Ｃ及び図７Ｄに示す構成でモータ巻線を使用すると、すべての巻線が非常に小さく高周波リップルでＤＣ電流を伝送するため、脈動トルクは発生しない。リップル電流は、モータインダクタンスとスイッチング周波数の両方に反比例する。
図７Ｅは、図７Ｃ及び図７Ｄのコンバータの制御図を示す。図７Ｅに示すように、図７Ｃ及び図７Ｄの回路の制御は、２つの電流ループと１つの電圧ループに基づいている。第１電流ループは、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧と同じ形状になるように、ブーストインダクタＬＰＦＣを流れる電流を調整する。従って、この回路はＰＦＣ機能を実現する。第２電流ループは、ＰＦＣ回路によって供給されるＡＣリップルを効果的にキャンセルするように、ＡＰＦ電流を調整する。この実施形態では、ＡＰＦコンデンサ電圧は、ＡＰＦ回路が必要な電力を供給または吸収できるように、公称点（ｎｏｍｉｎａｌ ｐｏｉｎｔ）でバランスをとる必要がある。これが残りの電圧ループである。電圧ループは、より高速なＡＰＦ電流ループと相互作用しないように、約１０Ｈｚクロスオーバー周波数で適度に遅くなるように設計されている。
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、及び図８Ｄは、絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。本開示では、簡略化のために直列共振コンバータトポロジのみを示す。なお、あらゆる種類の共振トポロジを絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流ステージとして使用することができる。整流器に続くモータ及びモータ駆動インバータの構成は、図４～図７のいずれかの構成とすることができる。
図８Ａは、ハーフブリッジインバータ及びフルブリッジ整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。図８Ｂは、フルブリッジインバータ及びフルブリッジ整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。図８Ｃは、ハーフブリッジインバータ及び倍電圧整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。図８Ｄは、フルブリッジインバータ及び倍電圧整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。
図９Ａは、本開示の第１の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。図示のように、電気システムは、モータ、モータ駆動インバータ、バッテリ、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ、及び外部ＡＣ電力入力を含む。一実施形態では、モータは、３つのモータ巻線を含む三相モータであり、モータ巻線の１つは中性点で接続されている。
絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータは、整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４、入力コンデンサＣＩＮ１、及びＬＬＣコンバータを含む。ＬＬＣコンバータは、２つのスイッチＳＩＮＶ１及びＳＩＮＶ２、共振インダクタＬＲ、共振コンデンサＣＲ１及びＣＲ２、トランスＴＲ、整流ダイオードＤＲ１及びＤＲ２、及び出力コンデンサＣＩＮ２を含む。出力コンデンサＣＩＮ２は、リレーＲ１を介してモータの第１相巻線点に接続される。同じ巻線は、リレーＲ３を介してモータ駆動インバータの第１位相レッグに接続される。モータ駆動インバータは、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６を含み得る。モータのモータ巻線の中性点に対向する各端は、モータ駆動インバータのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６のうちの２つに接続される。モータ駆動インバータは、リンクコンデンサＣＯと並列に接続され、バッテリはリレーＲ２を介してリンクコンデンサＣＯの両端に接続されている。図２Ａの従来システムと比較して、図９Ａの実施形態のコンバータはブーストインダクタＬＰＦＣ、ブーストスイッチＳＢ１、ダイオードＤ５、及びコンデンサＣＯ，ＰＦＣを含まないため、システムのコストが削減される。
図９Ｂ及び図９Ｃは、それぞれ図９Ａに示す実施形態のモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図９Ｂに示すように、リレーＲ１が開き、リレーＲ２とＲ３が閉じることで、バッテリは、モータ及びモータ駆動インバータのみに接続され、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータはオフになる。なお、図９Ｂの電気システムの電気接続は、図２Ｂに示す電気接続と実質的に同一である。充電モードでは、図９Ｃに示すように、リレーＲ１とＲ２の両方が閉じ、リレーＲ３が開いていることで、電気エネルギーは、ＡＣ電力入力からバッテリに流れることができる。なお、モータとモータ駆動インバータの両方が充電システムの一部になる。これに対し、図２Ｂの電気システムでは、充電モード中にモータ及びモータ駆動インバータは使用されていない。
本実施形態では、充電モードにおいて、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータのＬＬＣコンバータは、ＡＣ／ＤＣ整流器として使用され、ＡＣ電力入力の絶縁及びスケーリングを提供する。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、共振タンクコンポーネントＬＲ、ＣＲ１、及びＣＲ２によって決定される共振周波数の２分の１から５倍まで変化することができる。なお、スイッチング周波数は、ＡＣ入力ライン周波数（例えば、６０Ｈｚ）よりもはるかに高い。従って、共振コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は、ＡＣ入力ライン電圧ＶＡＣのスケーリングされた絶対値になる。モータ駆動インバータ及びモータの３つの巻線は、並列接続された２つの独立したブーストコンバータとみなすことができ、第１モータ巻線が第２及び第３モータ巻線と直列に接続された複合ブースト力率補正回路として動作する。リレーＲ３は開いているため、第１位相レッグは非アクティブである。これにより、図９Ｃの回路は、少ない部品数で絶縁と力率補正を提供することができる。しかし、図９Ｃの電気システムは、ＰＦＣ回路の出力電圧リップルにより、充電電流に大きなリップルが発生する。従って、図９Ｃの電気システムは、そのようなバッテリ電流リップルが許容されるシステムに適用可能である。図４に示すシステムと比較して、本実施形態はリレーＲ３を使用するが、モータ巻線中性点にアクセスする必要がない。
図９Ｃに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の１つの利点は、簡単な制御を提供する。入力コンデンサＣＩＮ１は比較的小さいため、その両端の電圧は入力電圧ＶＡＣの整流バージョンになる。入力コンデンサＣＩＮ１は、ＬＬＣ共振コンバータの両端の電圧を設定する。共振コンバータは、５０％のデューティサイクル、一定のスイッチング周波数で動作し、トランスＴＲの二次巻線の巻数が一次巻線の巻数に比べて少ないため、入力コンデンサＣＩＮ１の両端の電圧をより低い値にスケールダウンする。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧を入力コンデンサＣＩＮ２に供給することができる。入力コンデンサＣＩＮ１と同様に、入力コンデンサＣＩＮ２の値も小さい。その結果、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧も、スケールダウンされた整流器入力電圧ＶＡＣになる。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、両方のコンデンサ電圧は入力電圧ＶＡＣの形状に従う。このようなシステムは、より大きな静電容量値を使用してＤＣリンクを準一定値に保持するシステム（例えば、図２Ａの電気システム）とは異なり、ソフトＤＣリンクを有すると説明できる。
第２及び第３相モータ駆動インバータ位相レッグは、第２及び第３モータ巻線によって引き出される電流が互いに等しくなるように制御される。これら２つの電流の合計が、第１モータ巻線の電流になる。モータ巻線の電流基準は、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、入力コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、そこから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。相巻線電流基準の大きさは、バッテリ充電アルゴリズムに依存する。バッテリが消耗すると、電流基準の大きさはコンバータの電力処理能力によってサポートされる最大値になる。バッテリの充電状態が最大に近づくと、電流基準の大きさは徐々にゼロまで減少する。
本開示を説明及び定義する目的で、程度の用語（例えば、「実質的に」「わずかに」「約」「同等」など）は、定量的な比較、値、測定、または他の表現に起因する可能性がある固有の不確実性の程度を表すために本明細書で使用され得ることに留意されたい。このような程度の用語は、本明細書において、問題となっている主題の基本的な機能に変化をもたらすことなく、定量的表現が記載された基準から変動できる程度（例えば、約１０％以下）を表すために使用されてもよい。本明細書に別段の記載がない限り、本開示に記載される数値は、程度の用語（例えば、「約」）によって修飾されているとみなされ、それによってその本質的な不確実性が反映される。
本開示の様々な実施形態が本明細書で詳細に説明されているが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に記載されている本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、修正及び他の実施形態を容易に理解するであろう。
［関連出願］
本出願は、２０２１年３月１８日に出願された米国仮出願第６３／１６２，６９４号に対する優先権の利益を主張し、その全内容はあらゆる目的で参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、電気自動車における電気システムのコスト及び体積を削減するために、モータ駆動回路の部品を利用した車載充電器の実装に関するものである。
電気自動車は、内燃機関ではなく電気モータによって駆動される。電気モータは温室効果ガスを排出しないのに対し、内燃機関は温室効果ガスを排出し、大気汚染や地球温暖化を引き起す。環境保護がますます重要になるにつれ、電気自動車への関心が急速に高まっている。
図１Ａは、電気自動車の電気システム１０の概念図を示す。システム１０は、モータ１１、モータ駆動装置１２、バッテリ１３、車載充電器１４、及びＡＣ入力１５を含む。電気モータ１１は、電気自動車の機械システムに接続することができる。電気モータ１１は、システム１０内の電気エネルギーを機械エネルギーに変換して、電気自動車の車輪を回転させる。モータ駆動装置１２は、バッテリ１３からモータ１１に電気エネルギーを供給する。車載充電器１４は、外部ＡＣ入力１５からバッテリ１３に電気エネルギーを供給する。従って、電気システム１０は、モータ駆動装置１２と車載充電器１４の両方の部品を含むことに留意されたい。
図１Ｂ及び図１Ｃは、それぞれ駆動モード及びバッテリ充電モードにおけるシステム１０内の電気エネルギーの流れ方向を示す。駆動モードでは、図１Ｂに示すように、電気エネルギーは、バッテリ１３からモータ１１に供給される。バッテリ１３は放電中であり、車載充電器１４は動作しない。バッテリ充電モードでは、図１Ｃに示すように、電気エネルギーは、ＡＣ入力１５からバッテリ１３に供給される。バッテリ１３は充電中であり、モータ駆動装置１２は動作しない。このとき、電気システム１０では、モータ駆動装置１２と車載充電器１４が同時に動作しないことに留意されたい。すなわち、駆動モードではモータ駆動装置１２のみがアクティブであり、バッテリ充電モードでは車載充電器１４のみがアクティブである。モータ駆動装置１２と車載充電器１４は同時に動作しないため、システム１０の部品点数を削減するために、モータ１１及び／またはモータ駆動装置１２を車載充電器１４の一部として利用する必要がある。
図２Ａは、三相モータを備えた電気自動車の従来の電気システム２０の例示的な概略回路を示す。電気システム２０は、三相モータ２１、モータ駆動インバータ２２、バッテリ２３、車載充電器２４、及びＡＣ入力２５を含む。三相モータ２１及びモータ駆動インバータ２２は、リレーＲ２を介してバッテリ２３の右側に接続される。安全上の懸念から、システム２０が動作していないときにバッテリ２３をシステム２０から物理的に切断することができるために、リレーＲ１及びＲ２は不可欠である。
三相モータ２１は、ステータアセンブリに埋め込まれた３つの巻線を有する。各ステータ巻線は、電気的にはインダクタとして表現することができる。モータ駆動インバータ２２は、スイッチＳ１、Ｓ２、...、Ｓ６を備えた同一のハーフブリッジレッグを３つ含む。各ハーフブリッジレッグのスイッチングノードは、モータ２１のステータ巻線の一端に接続される。ステータ巻線の他端は、中性点と呼ばれる単一ノードに接続される。モータ駆動インバータ２２は、ハーフブリッジレッグのデューティ比を調整することにより、モータ相電流を制御することで、トルクを制御する。車載充電器２４は、ＡＣ／ＤＣ力率補正（ＰＦＣ）ステージ２４１と絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータステージ２４２の２つのステージを有する。ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１は、充電器が入力電流の高い力率と低い全高調波歪みを達成するように、入力電流の形状を調整する。
ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１では、連続入力電流と制御の容易さのため、ブーストコンバータが一般的に使用される。この例では、ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１は、整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４、ブーストインダクタＬＰＦＣ、ブーストスイッチＳＢ１、及びブーストダイオードＤ５を含む。リンクコンデンサＣＯ，ＰＦＣにわたるＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１の出力電圧は、低周波数リップルを有する準ＤＣになる。リップルは、単相システムに特有の大きな電力リップルによって発生する。入力電圧ＶＡＣがゼロの場合、入力電力はゼロになり、入力電圧ＶＡＣが最大の場合、電力も最大になる。従って、ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージの電力の流れは、ラインサイクル全体で変動する。ＡＣ電圧には２つのゼロクロスがあるため、ＰＦＣ電力はグリッド周波数の２倍で変動する。
ＤＣ／ＤＣコンバータステージ２４２は、ＡＣ／ＤＣ ＰＦＣステージ２４１に続き、絶縁バリアを提供するとともに、バッテリ２３に一定のＤＣ充電電流を提供する。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの場合、ＬＬＣ共振コンバータトポロジは、少数の部品で高い効率が得られるため、現在広く使用されている。図２Ａは、メインスイッチＳＩＮＶ１及びＳＩＮＶ２、共振インダクタＬＲ、共振コンデンサＣＲ１及びＣＲ２、トランスＴＲ、整流ダイオードＤＲ１及びＤＲ２、及びコンデンサＣＩＮ２を含む絶縁型ハーフブリッジＬＬＣ共振コンバータを示す。なお、車載充電器の３つの主な機能は、力率補正、絶縁、及びＤＣ充電電流調整である。
図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれ図２Ａの従来の電気システムの駆動モード及びバッテリ充電モードを示す。図２Ｂは、バッテリ２３がモータ２１及びモータ駆動インバータ２２のみに接続されるように、リレーＲ２を閉じリレーＲ１を開く駆動モード動作を示す。車載充電器２４はオフになっているため、非アクティブとなる。バッテリ２３に蓄えられたエネルギーは、システム２０を使用して車両を駆動することによって徐々に消耗される。図２Ｃは、バッテリ２３が車載充電器２４のみに接続されるように、リレーＲ２を開きリレーＲ１を閉じる充電モード動作を示す。モータ駆動インバータ２２はオフになり、モータ２１は動作しない。
参考文献
［１］Ｓ．Ｒ．Ｍｅｈｅｒ，Ｓ．Ｂａｎｅｒｊｅｅ，Ｂ．Ｔ．Ｖａｎｋａｙａｌａｐａｔｉ，ａｎｄ Ｒ．Ｋ．Ｓｉｎｇｈ，"Ａ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｎ－Ｂｏａｒｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｓｗｉｔｃｈ Ｃｏｕｎｔ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．６９，ｎｏ．４，Ａｐｒ．２０２０。
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［３］Ｋｈａｎ，Ｍｅｈｎａｚｅ Ａｋｈｔｅｒ，Ｉｑｂａｌ Ｈｕｓａｉｎ，ａｎｄ Ｙｉｌｍａｚ Ｓｏｚｅｒ．"Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｆｏｒ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ＤＣ ｏｒ ＡＣ ｇｒｉｄ．"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２８．１２（２０１３）：５７７４－５７８３。
［４］Ｓｕｂｏｔｉｃ，Ｉｖａｎ，ａｎｄ Ｅｍｉｌ Ｌｅｖｉ．"Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｏｎ－ｂｏａｒｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．"２０１５ ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ（ＷＥＭＤＣＤ）．ＩＥＥＥ，２０１５。
本開示は、電気自動車の電気システムの部品数を削減できるモータ駆動装置一体型車載充電器を提供する。電気自動車において、電気システムはモータ、モータ駆動装置、及び車載充電器を含む。充電モードでは、車載充電器は、力率補正、絶縁、及び電流調整の３つの主な機能を実行する。従来のシステムでは、電気システムの各部品は単一の機能を実行する。従って、充電モードでは、モータ及びモータ駆動インバータは使用されない。一方、車載充電器は駆動モードでは使用されない。本開示のコンバータトポロジは、電気システム内の部品点数を削減するために、充電モードにおいてモータ及びモータ駆動インバータを車載充電器の一部として利用する。本発明の実施形態によれば、モータ及びモータ駆動インバータは、リレーでトポロジを再構成することにより、充電モードにおいて力率補正及び電流調整の機能を提供することができる。従って、開示されたモータ駆動装置一体型車載充電器は、車載充電器の部品を削減し、それによって、電気システムの費用対効果を改善することができる。
一態様では、本開示の一実施形態は、ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータ及びインバータを含むモータ駆動装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、前記ＰＦＣインダクタと前記モータ駆動装置との間に接続される第１リレーと、バッテリを前記リンクコンデンサに接続するための第２リレーとを含む、電気自動車の電気システムを提供する。
一実施形態では、前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、前記位相の各第１端は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される。
一実施形態では、前記位相の第２端は中性点で接続される。一実施形態では、前記ＰＦＣインダクタは、前記第１リレーを介して前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグに接続される。
一実施形態では、前記位相レッグは２つのスイッチを含み、前記ＰＦＣインダクタは、前記第１リレーを介して、前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグの２つのスイッチ間の端子に接続される。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、入力端子でＡＣ電源を受信し、出力端子でＤＣ電力を生成することができるＬＬＣ直列共振コンバータを含む。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、ハーフブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、フルブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、ハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、及びフルブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のうちの１つを含む。
本開示の一実施形態の一態様によれば、電気自動車の電気システムが提供される。前記電気システムは、ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータ及びインバータを含むモータ駆動装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、第１リレーと、第２リレーとを含む。前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、各前記位相は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される。前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグを前記モータの前記位相のうちの該当する位相または前記ＰＦＣインダクタのいずれかに選択的に接続するように構成され、前記第２リレーは、バッテリを前記インバータの正端子または前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相のいずれかに選択的に接続するように構成されている。
一実施形態では、前記インバータの各位相レッグは２つのスイッチを含み、前記第１リレーは、前記ＰＦＣインダクタと前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグの２つのスイッチ間の端子との間に接続される。
一実施形態では、前記位相レッグの一端は中性点で互いに接続される。
一実施形態では、前記第１及び第２リレーは単極双投リレーを含む。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相に接続し、前記第２リレーは、前記バッテリを前記インバータの正端子に接続し、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記ＰＦＣインダクタに接続し、前記第２リレーは、前記バッテリを前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相に接続し、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、入力端子でＡＣ電源を受信し、出力端子でＤＣ電力を生成することができるＬＬＣ直列共振コンバータを含む。
一実施形態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、ハーフブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、フルブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、ハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、及びフルブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のうちの１つを含む。
本開示の一実施形態の一態様によれば、ＡＣ／ＤＣコンバータと、モータ及びインバータを含むモータ駆動装置と、前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、第１リレーと、第２リレーと、第３リレーとを含む電気自動車の電気システムが提供される。前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、各前記位相は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続され、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグと前記位相のうちの該当する位相との間に接続され、前記第２リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記ＰＦＣインダクタと接続または切断するように構成され、前記位相のうちの前記該当する位相をバッファコンデンサと接続または切断するように構成されており、前記電気自動車のバッテリは、前記第３リレーを介して前記リンクコンデンサに接続される。
一実施形態では、前記第２リレーは二極双投リレーを含む。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１及び第３リレーが閉じ、前記第２リレーが開き、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第２及び第３リレーが閉じ、前記第１リレーが開き、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
本開示の別の実施形態の一態様によれば、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力端子でＡＣ電源を受信し、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端子でＤＣ電力を供給することができるＡＣ／ＤＣコンバータと、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端子に電気的に接続される第１リレーと、前記第１リレーを介して前記ＡＣ／ＤＣコンバータに接続されるモータと、前記モータに接続されるモータ駆動インバータと、前記モータ駆動インバータと並列に接続されるリンクコンデンサと、前記リンクコンデンサをバッテリに接続するための第２リレーとを含む、電気自動車の電気システムが提供される。
一実施形態では、駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。
一実施形態では、充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、前記ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
一実施形態では、前記モータは複数の位相レッグを含み、前記位相レッグの一端が中性点で接続され、前記第１リレーが前記中性点に接続される。
一実施形態では、前記電気システムは、前記第１リレー、前記モータ、及び前記モータ駆動インバータに電気的に接続される第３リレーをさらに含む。
一実施形態では、前記モータは複数の位相を含み、前記モータ駆動インバータは複数の位相レッグを含み、前記モータの前記位相の１つは、前記第３リレーを介して前記モータ駆動インバータの前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される。駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレー及び前記第３リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる。充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、前記第３リレーが開き、前記ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる。
本発明は、以下の詳細な説明及び添付の図面を考慮した後に、よりよく理解されるであろう。
電気自動車の従来の電気システムの概略図を示す。 駆動モードにおける図１Ａのシステム内の電気エネルギーの流れ方向を示す。 バッテリ充電モードにおける図１Ａのシステム内の電気エネルギーの流れ方向を示す。 三相モータを備えた電気自動車の従来の電気システムの例示的な概略回路を示す。 図２Ａの従来の電気システムの駆動モードを示す。 図２Ａの従来の電気システムのバッテリ充電モードを示す。 本開示によるモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムの概略図を示す。 駆動モードにおける図３Ａのシステムの電気エネルギーの流れ方向を示す。 バッテリ充電モードにおける図３Ａのシステムの電気エネルギーの流れ方向を示す。 本開示の第１の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図４Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図４Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 本開示の第２の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図５Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図５Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 本開示の第３の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図６Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図６Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 より明確にするために、図６Ｃの簡略化されたバージョンを示す。 本開示の第４の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図７Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図７Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。 より明確にするために、図７Ｃの簡略化されたバージョンを示す。 図７Ｃ及び図７Ｄのコンバータの制御図を示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 本開示の第５の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。 図９Ａに示す実施形態のモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードを示す。 図９Ａに示す実施形態のモータ駆動装置一体型車載充電器のバッテリ充電モードを示す。
図３Ａは、本開示の一実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器３４を有する電気自動車の電気システム３０の概略図を示す。部品点数を削減するために、モータ駆動装置一体型車載充電器３４は、モータ駆動装置と車載充電器の両方の機能を提供する。モータ駆動装置と車載充電器が同時に動作しないため、この一体型構造は可能となる。駆動モードでは、電気システム３０はモータ駆動装置として動作する。バッテリ充電モードでは、電気システム３０は車載充電器として動作する。
図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ駆動モード及びバッテリ充電モードにおけるシステム３０の電気エネルギーの流れ方向を示す。駆動モードでは、図３Ｂに示すように、電気エネルギーは、バッテリ３３からモータ３１に供給される。バッテリ３３は放電中であり、ＡＣ入力３５は切断されている。バッテリ充電モードでは、図３Ｃに示すように、電気エネルギーは、外部ＡＣ入力３５からバッテリ３３に供給される。バッテリ３３は充電中である。この機能は、従来のアプローチとモータ駆動装置一体型車載充電器アプローチの主な違いである。モータ駆動装置一体型車載充電器アプローチでは、モータ３１及びモータ駆動装置一体型車載充電器３４内の部品は、車載充電器の一部として動作することにより、車載充電器の部品点数を削減することができる。
図４Ａは、本開示の第１の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム４０を示す。図示のように、電気システム４０は、モータ４１、モータ駆動インバータ４２、バッテリ４３、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４、及び外部ＡＣ電力入力４５を含む。一実施形態では、モータ４１は、３つのモータ巻線（三相モータ）を含み、すべてのモータ巻線が中性点で互いに接続されている。
絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４は、整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４、入力コンデンサＣＩＮ１、及びＬＬＣコンバータを含む。ＬＬＣコンバータは、２つのスイッチＳＩＮＶ１及びＳＩＮＶ２、共振インダクタＬＲ、共振コンデンサＣＲ１及びＣＲ２、トランスＴＲ、整流ダイオードＤＲ１及びＤＲ２、及びコンデンサＣＩＮ２を含む。コンデンサＣＩＮ２は、リレーＲ１を介してモータ４１の中性点に接続される。モータ駆動インバータ４２は、スイッチＳ １、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６を含み得る。モータ４１のモータ巻線の中性点に対向する各端は、モータ駆動インバータ４２のスイッチＳ １、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６のうちの２つに接続されている。モータ駆動インバータ４２はリンクコンデンサＣＯと並列に接続され、バッテリ４３は、リレーＲ２を介してリンクコンデンサＣＯの両端に接続される。図２Ａの従来システムと比較して、図４Ａの実施形態のコンバータ４４は、ブーストインダクタＬＰＦＣ、スイッチＳＢ１、ダイオードＤ５、及びコンデンサＣＯ，ＰＦＣを含まなくてもよく、それによってシステムのコストが削減される。
図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ図４Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。一実施形態では、駆動モードにおいて、図４Ｂに示すように、リレーＲ１が開き、リレーＲ２が閉じることで、バッテリ４３は、モータ４１及びモータ駆動インバータ４２のみに接続され、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４はオフになる。なお、図４Ｂの電気システム４０の電気接続は、図２Ｂに示す電気接続と実質的に同一である。充電モードでは、図４Ｃに示すように、リレーＲ１とＲ２の両方が閉じることで、電気エネルギーは、ＡＣ電力入力４５からバッテリ４３に流れることができる。なお、モータ４１とモータ駆動インバータ４２の両方が充電システムの一部になる。これに対し、図２Ｂの電気システム２０では、充電モード中にモータ４１及びモータ駆動インバータ４２は使用されていない。
本実施形態では、充電モードにおいて、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ４４のＬＬＣコンバータは、ＡＣ／ＤＣ整流器として使用され、ＡＣ電力入力４５の絶縁及びスケーリングを提供する。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、共振タンクコンポーネントＬＲ、ＣＲ１、及びＣＲ２によって決定される共振周波数の２分の１から５倍まで変化することができる。なお、スイッチング周波数は、ＡＣ入力ライン周波数（例えば、６０Ｈｚ）よりもはるかに高い。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は、ＡＣ入力ライン電圧ＶＡＣのスケーリングされた絶対値になる。モータ駆動インバータ４２及びモータ４１の３つの巻線は、複合ブースト力率補正回路として動作するように並列に接続された３つの独立したブーストコンバータとみなすことができる。これにより、図４Ｃの回路は、少ない部品数で絶縁と力率補正を提供することができる。しかし、この実施形態では、図４Ｃの電気システム４０は、ＰＦＣ回路の出力電圧リップルにより、充電電流に大きなリップルが発生する可能性がある。従って、いくつかの実施形態では、図４Ｃの電気システム４０は、そのようなバッテリ電流リップルが許容されるシステムに適用可能である。
図４Ｃに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の１つの利点は、簡単な制御を提供することである。入力コンデンサＣＩＮ１は比較的小さいため、その両端の電圧は入力電圧ＶＡＣの整流バージョンになる。入力コンデンサＣＩＮ１は、ＬＬＣ共振コンバータの両端の電圧を設定する。共振コンバータは、５０％のデューティサイクル、一定のスイッチング周波数で動作し、トランスＴＲの二次巻線の巻数が一次巻線の巻数に比べて少ないため、入力コンデンサＣＩＮ１の両端の電圧をより低い値にスケールダウンする。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧をコンデンサＣＩＮ２に供給する。入力コンデンサＣＩＮ１と同様に、コンデンサＣＩＮ２の値も小さい。その結果、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧も、スケールダウンされた整流器入力電圧ＶＡＣになる。ＡＣ／ＤＣコンバータ４４には大きなエネルギー蓄積がないため、両方のコンデンサ電圧は入力電圧ＶＡＣの形状に従う。このようなシステムは、より大きな静電容量値を使用してＤＣリンクを準一定値に保持するシステム（例えば、図２Ａの電気システム２０）とは異なり、ソフトＤＣリンクを有すると説明できる。
三相モータ駆動インバータ位相レッグは、各モータ巻線によって引き出される電流が互いに等しくなるように制御される。前記モータ巻線の電流基準は、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、そこから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣコンバータ４４の出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣコンバータ４４には大きなエネルギー蓄積がないため、入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣコンバータ４４の入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。相巻線電流基準の大きさは、バッテリ充電アルゴリズムに依存する。バッテリが消耗すると、電流基準の大きさはコンバータの電力処理能力によってサポートされる最大値になる。バッテリの充電状態が最大に近づくと、電流基準の大きさは徐々にゼロまで減少する。
さらに、すべての巻線が時変電流を伝送するにもかかわらず、図４Ｃに示す実施形態の構成では、すべての巻線電流が互いに等しいため、脈動トルクは発生しない。これは、外部モータのニュートラル接続により可能になる。３つの巻線電流がすべて互いに等しい場合、モータは、定常状態またはモータの振動を引き起こす低周波トルクを生成しないゼロシーケンス電流のみを伝送する。システム内で生成される唯一のトルク成分は、巻線リップル電流による小さなスイッチング周波数リップルトルクである。リップル電流は、モータインダクタンスとスイッチング周波数の両方に反比例する。
図５Ａは、本開示の第２の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム５０を示す。図５Ａの電気システム５０は、並列接続された３つのモータ巻線の代わりに、コンデンサＣＩＮ２から電流を引き出すための外部ＰＦＣチョーク５６をさらに含むことを除いて、図４Ａの電気システムと実質的に同一である。また、三相モータ５１は、図４Ａのモータ４１とは異なる方法で接続されており、三相モータ５１、スイッチＳ １、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６、及びリンクコンデンサＣＯを含むモータ駆動装置５２の一部であると考えられる。この構成では、スイッチＳ１及びＳ２を含む第１モータ駆動インバータ位相レッグは、外部力率補正（ＰＦＣ）インダクタＬＰＦＣを流れる電流の調整のみを担当する。この実施形態では、ＰＦＣインダクタＬＰＦＣはブーストインダクタを含む。三相モータ５１は接続されたままであるため、他の２つの位相レッグは、同じデューティサイクルで動作し、モータ巻線電流をゼロに維持する。図５Ａに示すアプローチは、図４Ａのアプローチと比較して、モータのニュートラル端子にアクセスする必要がないという利点がある。いくつかの実施形態では、逆に、追加のインダクタが必要になる場合がある。
図５Ｂ及び図５Ｃは、それぞれ図５Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図５Ｂに示すように、リレーＲ１が開き、リレーＲ２が閉じることで、バッテリは、モータ５１及びモータ駆動インバータ５２に接続され、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータはオフになる。なお、図５Ｂの電気システム５０の電気接続は、図２Ｂに示す電気接続と実質的に同一である。充電モードでは、図５Ｃに示すように、リレーＲ１とＲ２の両方が閉じることで、電気エネルギーは、ＡＣ電力入力からバッテリに流れることができる。
駆動モードでは、図５Ｂに示すように、電気システム５０は、図３Ｂ及び図４Ｂに示すものと同等のモータ駆動装置として動作する。充電モードでは、図５Ｃに示すモータ駆動装置一体型車載充電器は、簡単な制御を提供する。入力コンデンサＣＩＮ１は比較的小さいため、その両端の電圧は入力電圧ＶＡＣの整流バージョンになる。入力コンデンサＣＩＮ１は、ＬＬＣ共振コンバータの両端の電圧を設定する。共振コンバータは、５０％のデューティサイクル、一定のスイッチング周波数で動作し、トランスＴＲの二次巻線の巻数が一次巻線の巻数に比べて少ないため、入力コンデンサＣＩＮ１の両端の電圧をより低い値にスケールダウンする。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧をコンデンサＣＩＮ２に供給する。入力コンデンサＣＩＮ１と同様に、コンデンサＣＩＮ２の値も小さい。その結果、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧も、スケールダウンされた整流器入力電圧ＶＡＣになる。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、両方のコンデンサ電圧は入力電圧ＶＡＣの形状に従う。このようなシステムは、より大きな静電容量値を使用してＤＣリンクを準一定値に保持するシステム（例えば、図２Ａの電気システム２０）とは異なり、ソフトＤＣリンクを有すると説明できる。
第１相モータ駆動インバータ位相レッグは、ＰＦＣインダクタＬＰＦＣから引き出される電流がコンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従うように制御される。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、そこから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。
さらに、第１モータ巻線は、第１相インバータ位相レッグに接続されたままである。モータ巻線を流れる電流をゼロに維持するには、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグは、第１モータインバータ位相レッグと同じデューティサイクルで変調され、または第２及び第３相インバータレッグのすべてのスイッチはオフになる。モータ巻線の電流はゼロであるため、図５Ｃに示す構成では、トルクが発生しない。
図６Ａは、本開示の第３の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム６０を示す。本実施形態では、電気システム６０は、単極双投リレーＲ１を使用して、第１モータ駆動インバータ位相レッグ（スイッチＳ１及びＳ２を含む）のＡＣ端子（点Ａ）をモータ６１の第１モータ巻線または外部ＰＦＣインダクタＬＰＦＣのいずれかに接続する。第２単極双投リレーＲ２は、バッテリ６３の正端子をモータ駆動インバータＤＣリンクの正端子（点Ｂ）またはモータ６１の第１モータ巻線のいずれかに接続するために使用される。
図６Ｂ及び図６Ｃは、それぞれ図６Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図６Ｂに示すように、リレーＲ１は、第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）を第１モータ巻線に接続し、リレーＲ２は、バッテリ６３の正端子をモータ駆動インバータＤＣリンクの正端子（点Ｂ）に接続する。絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ６４はオフになる。この構成は、図３Ｂ、図４Ｂ、及び図５Ｂに示すものと電気的かつ機能的に同等である。
バッテリ充電モードでは、図６Ｃに示すように、リレーＲ１は、第１モータ駆動インバータ位相レッグ（スイッチＳ１及びＳ２を含む）のＡＣ端子（点Ａ）を外部ＰＦＣインダクタＬＰＦＣに接続し、リレーＲ２は、バッテリ６３の正端子をモータ６１の第１モータ巻線に接続する。この構成は、明確にするために、図６Ｄに再描画されている。この回路構成と図４Ｃ及び図５Ｃに示す回路構成との主な違いとしては、図６Ｃ及び図６Ｄの構成がＤＣリンク内の電圧源ＶＡＣからの脈動入力電力を吸収することである。
ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧をコンデンサＣＩＮ２に供給する。図６Ｃ及び図６Ｄに示すように、第１モータ駆動インバータ位相レッグはブーストＰＦＣとして動作する。この構成では、スイッチＳ１及びＳ２を含む第１モータ駆動インバータ位相レッグは、外部ＰＦＣインダクタＬＰＦＣを流れる電流の調整のみを担当する。ＰＦＣインダクタＬＰＦＣの電流基準は、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、コンデンサから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣ整流器の出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣ整流器には大きなエネルギー蓄積がないため、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣ整流器の入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。
さらに、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグは、モータ６１の第２及び第３モータ巻線に接続され、第１モータ巻線は、バッテリ６３の正端子に接続される。３つのモータ巻線は中性点で接続されたままである。その結果、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグとモータ６１は、インターリーブバックコンバータを構成する。降圧コンバータとも呼ばれるバックコンバータは、誘導素子が出力で接続されているため、出力電流が連続している。その結果、バッテリ充電電流を最小限のリップルで一定値に簡単に調整することができる。従って、図６Ｃ及び図６Ｄに示す回路構成は、入力でのＰＦＣ機能と出力でのＤＣ電流調整の両方を提供する。変動する入力電力と一定の出力電力との間の不一致は、既存のＤＣリンクコンデンサＣＯによって提供される。
第２及び第３インバータレッグに接続されるモータ巻線の電流は大きさと極性が等しく、残りの巻線の電流は大きさが２倍で極性が反対であるにもかかわらず、図６Ｃ及び図６Ｄに示す構成でモータ巻線を使用すると、すべての巻線が非常に小さい高周波数リップルでＤＣ電流を伝送するため、低周波脈動トルクが発生しない。リップル電流は、モータインダクタンスとスイッチング周波数の両方に反比例する。
図７Ａは、本開示の第４の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システム７０を示す。本実施形態では、単極単投リレーＲ１は、第１モータ駆動インバータ位相レッグ（スイッチＳ１及びＳ２を含む）のＡＣ端子（点Ａ）をモータ７１の第１モータ巻線と接続または切断する。さらに、二極双投リレーＲ２は、第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）を外部ＰＦＣインダクタＬＰＦＣと接続または切断し、また、第１モータ巻線をバッファコンデンサＣＢと接続または切断する。
図７Ｂ及び図７Ｃは、それぞれ図７Ａに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図７Ｂに示すように、リレーＲ１及びリレーＲ３は閉じ、リレーＲ２は開いている。第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）は、モータ７１の第１モータ巻線に接続される。絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータはオフになる。この構成は、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、及び図６Ｂに示すものと電気的かつ機能的に同等である。
バッテリ充電モードでは、図７Ｃに示すように、リレーＲ１は開き、リレーＲ２及びリレーＲ３は閉じている。リレーＲ２は、第１モータ駆動インバータ位相レッグのＡＣ端子（点Ａ）を外部ＰＦＣインダクタＬＰＦＣに接続し、また、モータ７１の第１モータ巻線をバッファコンデンサＣＢに接続する。この構成は、明確にするために、図７Ｄに再描画されている。この回路構成と図４Ｃ、図５Ｃ、及び図６Ｃに示す回路構成との主な違いとしては、図７Ｃ及び図７Ｄの構成がバッファコンデンサＣＢ内の電圧源ＶＡＣからの脈動入力電力を吸収することである。
ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧をコンデンサＣＩＮ２に供給する。図７Ｃ及び図７Ｄに示すように、第１モータ駆動インバータ位相レッグはブーストＰＦＣとして動作する。この構成では、スイッチＳ１及びＳ２を含む第１モータ駆動インバータ位相レッグは、外部ＰＦＣインダクタＬＰＦＣを流れる電流の調整のみを担当する。ＰＦＣインダクタＬＰＦＣの電流基準は、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、コンデンサから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣ整流器の出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣ整流器には大きなエネルギー蓄積がないため、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣ整流器の入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。
さらに、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグは、モータ７１の第２及び第３モータ巻線に接続され、第１モータ巻線は、バッファコンデンサＣＢに接続される。３つのモータ巻線は中性点で接続されたままである。従って、第２及び第３モータ駆動インバータ位相レッグとモータ７１は、インターリーブバックコンバータを構成する。降圧コンバータとも呼ばれるバックコンバータは、誘導素子が出力で接続されているため、出力電流が連続している。バックコンバータとバッファコンデンサＣＢの組み合わせは、アクティブパワーフィルタ（ＡＰＦ）を構成する。
定義上、アクティブパワーフィルタはＡＣ電力しか供給できない。従って、アクティブパワーフィルタは、ＤＣ電力とＡＣ電力の両方を供給するＰＦＣ回路と同じ大きさで逆極性のＡＣ電力を供給できる。その結果、ＰＦＣ回路のＡＣ成分は、バッテリ端子で効果的にキャンセルされ、その結果、バッテリ電流リップルが低下するか、またはまったく発生しない。ブーストＰＦＣによって供給されるエネルギーが過剰な場合、エネルギーはリンクコンデンサＣＯから引き出され、バッファコンデンサＣＢに蓄えられる。一方、ブーストＰＦＣによって供給されるエネルギーが不足する場合、エネルギーはバッファコンデンサＣＢから引き出され、リンクコンデンサＣＯに供給される。これにより、出力電流を一定に制御することが可能となる。従って、図７Ｃ及び図７Ｄに示す回路構成は、入力でのＰＦＣ機能と低いバッテリ電流リップルの両方を提供する。
図７Ｃ及び図７Ｄに示す実施形態の構成は、バッテリ７３へのＤＣリンクの接続を切断しないことにも留意されたい。従って、コンデンサ及びスイッチは、図６Ｃ及び図６Ｄに示す構成のようにわずかに高い電圧レベルをサポートする必要はない。さらに、巻線相Ａと相Ｂの電流は大きさ及び極性が等しく、巻線相Ｃの電流は大きさが２倍で極性が反対であることもかかわらず、図７Ｃ及び図７Ｄに示す構成でモータ巻線を使用すると、すべての巻線が非常に小さく高周波リップルでＤＣ電流を伝送するため、脈動トルクは発生しない。リップル電流は、モータインダクタンスとスイッチング周波数の両方に反比例する。
図７Ｅは、図７Ｃ及び図７Ｄのコンバータの制御図を示す。図７Ｅに示すように、図７Ｃ及び図７Ｄの回路の制御は、２つの電流ループと１つの電圧ループに基づいている。第１電流ループは、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧と同じ形状になるように、ＰＦＣインダクタＬＰＦＣを流れる電流を調整する。従って、この回路はＰＦＣ機能を実現する。第２電流ループは、ＰＦＣ回路によって供給されるＡＣリップルを効果的にキャンセルするように、ＡＰＦ電流を調整する。この実施形態では、ＡＰＦコンデンサ電圧は、ＡＰＦ回路が必要な電力を供給または吸収できるように、公称点（ｎｏｍｉｎａｌ ｐｏｉｎｔ）でバランスをとる必要がある。これが残りの電圧ループである。電圧ループは、より高速なＡＰＦ電流ループと相互作用しないように、約１０Ｈｚクロスオーバー周波数で適度に遅くなるように設計されている。
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、及び図８Ｄは、絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のトポロジ変化を伴うモータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。本開示では、簡略化のために直列共振コンバータトポロジのみを示す。なお、あらゆる種類の共振トポロジを絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流ステージとして使用することができる。整流器に続くモータ及びモータ駆動インバータの構成は、図４～図７のいずれかの構成とすることができる。
図８Ａは、ハーフブリッジインバータ及びフルブリッジ整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。図８Ｂは、フルブリッジインバータ及びフルブリッジ整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。図８Ｃは、ハーフブリッジインバータ及び倍電圧整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。図８Ｄは、フルブリッジインバータ及び倍電圧整流器を備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器を有するモータ駆動装置一体型車載充電器を示す。
図９Ａは、本開示の第５の実施形態による、モータ駆動装置一体型車載充電器を有する電気自動車の電気システムを示す。図示のように、電気システムは、モータ、モータ駆動インバータ、バッテリ、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータ、及び外部ＡＣ電力入力を含む。一実施形態では、モータは、３つのモータ巻線を含む三相モータであり、モータ巻線の１つは中性点で接続されている。
絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータは、整流ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４、入力コンデンサＣＩＮ１、及びＬＬＣコンバータを含む。ＬＬＣコンバータは、２つのスイッチＳＩＮＶ１及びＳＩＮＶ２、共振インダクタＬＲ、共振コンデンサＣＲ１及びＣＲ２、トランスＴＲ、整流ダイオードＤＲ１及びＤＲ２、及びコンデンサＣＩＮ２を含む。コンデンサＣＩＮ２は、リレーＲ１を介してモータの第１相巻線点に接続される。同じ巻線は、リレーＲ３を介してモータ駆動インバータの第１位相レッグに接続される。モータ駆動インバータは、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６を含み得る。モータのモータ巻線の中性点に対向する各端は、モータ駆動インバータのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、及びＳ６のうちの２つに接続される。モータ駆動インバータは、リンクコンデンサＣＯと並列に接続され、バッテリはリレーＲ２を介してリンクコンデンサＣＯの両端に接続されている。図２Ａの従来システムと比較して、図９Ａの実施形態のコンバータはＰＦＣインダクタＬＰＦＣ、ブーストスイッチＳＢ１、ダイオードＤ５、及びコンデンサＣＯ，ＰＦＣを含まないため、システムのコストが削減される。
図９Ｂ及び図９Ｃは、それぞれ図９Ａに示す実施形態のモータ駆動装置一体型車載充電器の駆動モードとバッテリ充電モードを示す。駆動モードでは、図９Ｂに示すように、リレーＲ１が開き、リレーＲ２とＲ３が閉じることで、バッテリは、モータ及びモータ駆動インバータのみに接続され、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータはオフになる。なお、図９Ｂの電気システムの電気接続は、図２Ｂに示す電気接続と実質的に同一である。充電モードでは、図９Ｃに示すように、リレーＲ１とＲ２の両方が閉じ、リレーＲ３が開いていることで、電気エネルギーは、ＡＣ電力入力からバッテリに流れることができる。なお、モータとモータ駆動インバータの両方が充電システムの一部になる。これに対し、図２Ｂの電気システムでは、充電モード中にモータ及びモータ駆動インバータは使用されていない。
本実施形態では、充電モードにおいて、絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータのＬＬＣコンバータは、ＡＣ／ＤＣ整流器として使用され、ＡＣ電力入力の絶縁及びスケーリングを提供する。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、共振タンクコンポーネントＬＲ、ＣＲ１、及びＣＲ２によって決定される共振周波数の２分の１から５倍まで変化することができる。なお、スイッチング周波数は、ＡＣ入力ライン周波数（例えば、６０Ｈｚ）よりもはるかに高い。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は、ＡＣ入力ライン電圧ＶＡＣのスケーリングされた絶対値になる。モータ駆動インバータ及びモータの３つの巻線は、並列接続された２つの独立したブーストコンバータとみなすことができ、第１モータ巻線が第２及び第３モータ巻線と直列に接続された複合ブースト力率補正回路として動作する。リレーＲ３は開いているため、第１位相レッグは非アクティブである。これにより、図９Ｃの回路は、少ない部品数で絶縁と力率補正を提供することができる。しかし、図９Ｃの電気システムは、ＰＦＣ回路の出力電圧リップルにより、充電電流に大きなリップルが発生する。従って、図９Ｃの電気システムは、そのようなバッテリ電流リップルが許容されるシステムに適用可能である。図４に示すシステムと比較して、本実施形態はリレーＲ３を使用するが、モータ巻線中性点にアクセスする必要がない。
図９Ｃに示すモータ駆動装置一体型車載充電器の１つの利点は、簡単な制御を提供する。入力コンデンサＣＩＮ１は比較的小さいため、その両端の電圧は入力電圧ＶＡＣの整流バージョンになる。入力コンデンサＣＩＮ１は、ＬＬＣ共振コンバータの両端の電圧を設定する。共振コンバータは、５０％のデューティサイクル、一定のスイッチング周波数で動作し、トランスＴＲの二次巻線の巻数が一次巻線の巻数に比べて少ないため、入力コンデンサＣＩＮ１の両端の電圧をより低い値にスケールダウンする。ＬＬＣコンバータのスイッチング周波数は、バッテリ電圧、バッテリ電流、及び入力電圧ＶＡＣに基づいており、適切なレベルのＡＣ電圧をコンデンサＣＩＮ２に供給することができる。入力コンデンサＣＩＮ１と同様に、コンデンサＣＩＮ２の値も小さい。その結果、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧も、スケールダウンされた整流器入力電圧ＶＡＣになる。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、両方のコンデンサ電圧は入力電圧ＶＡＣの形状に従う。このようなシステムは、より大きな静電容量値を使用してＤＣリンクを準一定値に保持するシステム（例えば、図２Ａの電気システム）とは異なり、ソフトＤＣリンクを有すると説明できる。
第２及び第３相モータ駆動インバータ位相レッグは、第２及び第３モータ巻線によって引き出される電流が互いに等しくなるように制御される。これら２つの電流の合計が、第１モータ巻線の電流になる。モータ巻線の電流基準は、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧の形状に従う。上述したように、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧は整流された正弦波である。従って、コンデンサＣＩＮ２の両端の電圧がゼロの場合、そこから電流は引き出されない。その結果、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力側の電圧波形と電流波形は、いずれも周波数及びアライメントが同じ整流された正弦波である。ＡＣ／ＤＣコンバータには大きなエネルギー蓄積がないため、入力電力は出力電力に等しい。そのうえ、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力電流も整流された正弦波となる。従って、グリッドから引き出される入力電流は、入力電圧ＶＡＣと同じ形状と角度である。従って、提示されたコンバータは力率補正特性をもたらす。相巻線電流基準の大きさは、バッテリ充電アルゴリズムに依存する。バッテリが消耗すると、電流基準の大きさはコンバータの電力処理能力によってサポートされる最大値になる。バッテリの充電状態が最大に近づくと、電流基準の大きさは徐々にゼロまで減少する。
本開示を説明及び定義する目的で、程度の用語（例えば、「実質的に」「わずかに」「約」「同等」など）は、定量的な比較、値、測定、または他の表現に起因する可能性がある固有の不確実性の程度を表すために本明細書で使用され得ることに留意されたい。このような程度の用語は、本明細書において、問題となっている主題の基本的な機能に変化をもたらすことなく、定量的表現が記載された基準から変動できる程度（例えば、約１０％以下）を表すために使用されてもよい。本明細書に別段の記載がない限り、本開示に記載される数値は、程度の用語（例えば、「約」）によって修飾されているとみなされ、それによってその本質的な不確実性が反映される。

Claims (29)

  1. ＡＣ／ＤＣコンバータと、
    モータ及びインバータを含むモータ駆動装置と、
    前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、
    前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、
    前記ＰＦＣインダクタと前記モータ駆動装置との間に接続される第１リレーと、
    バッテリを前記リンクコンデンサに接続するための第２リレーと、
    を含む、電気自動車の電気システム。
  2. 前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、前記位相の各第１端は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される、請求項１に記載の電気システム。
  3. 前記位相の第２端は中性点で接続される、請求項２に記載の電気システム。
  4. 前記ＰＦＣインダクタは、前記第１リレーを介して前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグに接続される、請求項２に記載の電気システム。
  5. 各前記位相レッグは２つのスイッチを含み、前記ＰＦＣインダクタは、前記第１リレーを介して、前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグの２つのスイッチ間の端子に接続される、請求項２に記載の電気システム。
  6. 前記駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる、請求項１に記載の電気システム。
  7. 充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる、請求項１に記載の電気システム。
  8. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、入力端子でＡＣ電源を受信し、出力端子でＤＣ電力を生成することができるＬＬＣ直列共振コンバータを含む、請求項１に記載の電気システム。
  9. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、ハーフブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、フルブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、ハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、及びハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のうちの１つを含む、請求項１に記載の電気システム。
  10. ＡＣ／ＤＣコンバータと、
    モータ及びインバータを含むモータ駆動装置であって、前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、各前記位相は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される、モータ駆動装置と、
    前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、
    前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、
    前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグを前記モータの前記位相のうちの該当する位相または前記ＰＦＣインダクタのいずれかに選択的に接続するように構成されている、第１リレーと、
    バッテリを前記インバータの正端子または前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相のいずれかに選択的に接続するように構成されている、第２リレーと、
    を含む、電気自動車の電気システム。
  11. 各前記位相レッグは２つのスイッチを含み、前記第１リレーは、前記ＰＦＣインダクタと前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグの２つのスイッチ間の端子との間に接続される、請求項１０に記載の電気システム。
  12. 前記位相レッグの一端は中性点で互いに接続される、請求項１１に記載の電気システム。
  13. 前記第１及び第２リレーは単極双投リレーを含む、請求項１０に記載の電気システム。
  14. 前記駆動モードでは、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相に接続し、前記第２リレーは、前記バッテリを前記インバータの正端子に接続し、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる、請求項１０に記載の電気システム。
  15. 充電モードでは、前記第１リレーは、前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記ＰＦＣインダクタに接続し、前記第２リレーは、前記バッテリを前記モータの前記位相のうちの前記該当する位相に接続し、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる、請求項１０に記載の電気システム。
  16. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、入力端子でＡＣ電源を受信し、出力端子でＤＣ電力を生成することができるＬＬＣ直列共振コンバータを含む、請求項１０に記載の電気システム。
  17. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、ハーフブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、フルブリッジインバータとフルブリッジ整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、ハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器、及びハーフブリッジインバータと倍電圧整流器を有する絶縁型ＡＣ／ＤＣ整流器のうちの１つを含む、請求項１０に記載の電気システム。
  18. ＡＣ／ＤＣコンバータと、
    モータ及びインバータを含むモータ駆動装置であって、前記モータは複数の位相を含み、前記インバータは複数の位相レッグを含み、各前記位相は前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される、モータ駆動装置と、
    前記ＡＣ／ＤＣコンバータと前記モータ駆動装置との間に電気的に接続される力率補正（ＰＦＣ）インダクタと、
    前記モータ駆動装置と並列に接続されるリンクコンデンサと、
    前記位相レッグのうちの選択された１つの位相レッグと前記位相のうちの該当する位相との間に接続される、第１リレーと、
    前記位相レッグのうちの前記選択された１つの位相レッグを前記ＰＦＣインダクタと接続または切断するように構成され、前記位相のうちの前記該当する位相をバッファコンデンサと接続または切断するように構成されている、第２リレーと、
    バッテリを前記リンクコンデンサに接続するための第３リレーと、
    を含む、電気自動車の電気システム。
  19. 前記第２リレーは二極双投リレーを含む、請求項１８に記載の電気システム。
  20. 前記駆動モードでは、前記第１及び第３リレーが閉じ、前記第２リレーが開き、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる、請求項１８に記載の電気システム。
  21. 充電モードでは、前記第２及び第３リレーが閉じ、前記第１リレーが開き、ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる、請求項１８に記載の電気システム。
  22. ＡＣ／ＤＣコンバータの入力端子でＡＣ電源を受信し、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端子でＤＣ電力を供給することができるＡＣ／ＤＣコンバータと、
    前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力端子に電気的に接続される第１リレーと、
    前記第１リレーを介して前記ＡＣ／ＤＣコンバータに接続されるモータと、
    前記モータに接続されるモータ駆動インバータと、
    前記モータ駆動インバータと並列に接続されるリンクコンデンサと、
    前記リンクコンデンサをバッテリに接続するための第２リレーと、
    を含む、電気自動車の電気システム。
  23. 前記駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる、請求項２２に記載の電気システム。
  24. 充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、前記ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる、請求項２２に記載の電気システム。
  25. 前記モータは複数の位相レッグを含み、前記位相レッグの一端が中性点で接続され、前記第１リレーが前記中性点に接続される、請求項２２に記載の電気システム。
  26. 前記第１リレー、前記モータ、及び前記モータ駆動インバータに電気的に接続される第３リレーをさらに含む、請求項２２に記載の電気システム。
  27. 前記モータは複数の位相を含み、前記モータ駆動インバータは複数の位相レッグを含み、前記モータの前記位相の１つは、前記第３リレーを介して前記モータ駆動インバータの前記位相レッグのうちの該当する位相レッグに接続される、請求項２６に記載の電気システム。
  28. 駆動モードでは、前記第１リレーが開き、前記第２リレー及び前記第３リレーが閉じ、前記バッテリを放電して前記モータに電力を供給できる、請求項２７に記載の電気システム。
  29. 充電モードでは、前記第１リレー及び前記第２リレーが閉じ、前記第３リレーが開き、前記ＡＣ電源を使用して前記バッテリを充電できる、請求項２７に記載の電気システム。
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