JP4778821B2 - 2つの直流源を備えた電気車両又はハイブリッド車両のための回路装置及びそれに付属のコントロール方法 - Google Patents

2つの直流源を備えた電気車両又はハイブリッド車両のための回路装置及びそれに付属のコントロール方法 Download PDF

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Description

純粋な電気駆動装置を備えた車両、又は電気モータと内燃機関から成るハイブリッド駆動装置を備えた車両のための回路装置及びそれに付属のコントロール方法が紹介される。2つの直流源と、少なくとも1個の電気モータと、必要不可欠な電流変換器技術からの適切な組み合わせについてのみ説明するものとする。ハイブリッド駆動装置への電気モータと内燃機関の接続についてはここでは考察されない。
この種の車両のために例えば特許文献1からは、例えば300Vの動作電圧を有する割り当てられた蓄電池(アキュムレータ)即ち直流源及び直流シンクを備えた電気モータからの組み合わせが知られている。更にこの種の駆動システムは、12V又は42Vの動作電圧を有する第2蓄電池を有する。しかしこの際、電気モータを用いた車両稼動のためには、第2蓄電池の動作電圧が低すぎるので、エネルギー蓄積器として第1蓄電池だけが使用される。
電気モータを用いた車両稼動では、ハイブリッド駆動装置内で更に内燃機関が平行して作動するかに依存せず、この電気モータが第1蓄電池からエネルギー供給される。そのために蓄電池と電気モータとの間には3相インバータの形式の電流変換器が接続されている。制動稼動時において電気モータは蓄電池を充電するためのジェネレータとして作動し、この際、電流変換器は整流器として稼動される。同様に内燃機関を用いた走行稼動中において電気モータはジェネレータとして用いられ、電流変換器を用いて蓄電池を充電し、その理由はここでは推進用のエネルギーが内燃機関からのみ得られるためである。これらの全ての場合において第2蓄電池は必要不可欠な制御装置にエネルギー供給するために用いられ得る。
同様に、第1蓄電池が燃料電池で置換され得ることも知られている。燃料電池は水素で稼動され、電気モータのためのエネルギー源として用いられる。この際、制動エネルギーが逆蓄積され得ず、従って利用されないままであることは不利である。
更に、所定の蓄電池動作電圧においてより高い定格電圧を有する電気モータを稼動するために、蓄電池と電気モータとの間に昇圧チョッパが配設され得ることが知られている。
DE19849316A1
本発明の基礎を成す課題は、少なくとも1つの多相機械と、電流源及び電流シンクとして用いられる第1直流ユニットと、同様に電流源及び電流シンクとしてか又は電流源としてのみ用いられる第2直流ユニットとを備えた電気車両又はハイブリッド車両のための回路装置及びそれに付属するコントロール方法を紹介することであり、この際、多相機械は直流ユニットの任意の組み合わせからエネルギー供給され得て、全ての電流シンクはこの多相機械からエネルギー供給され得て、電流源は選択的に又は同時に多相機械及び電流シンクにエネルギー供給し得て、この際、例えばDC・DCコンバータの形式の追加的な電流変換器は直流ユニットの間に必要ではない。
前記の課題は、本発明に従い、請求項1並びに請求項に記載した構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。
本発明は、車両の運動形式及び上位の制御のエネルギー管理に依存せずモータ稼動か又はジェネレータ稼動で作動する少なくとも1つの多相機械、好ましくは3相機械を備えた電気車両又はハイブリッド車両から出発する。この多相機械は任意の組み合わせで2つの直流ユニットからエネルギー供給される。第1直流ユニットは、電流源及び電流シンクとして、好ましくは蓄電池(アキュムレータ)として形成されている。第2直流ユニットは、電流源及び電流シンクとして、好ましくは蓄電池として又はコンデンサの装置として、或いは電流源としてのみ、好ましくは燃料電池として形成されている。
全回路装置は更にパワー半導体素子の装置を有する。この装置は、2つの電流変換器(コンバータ)、好ましくは2つの3相電流変換器から成り、この際、各電流変換器の方は、各々2つの半導体スイッチを有する対応数のハーフブリッジ装置から成る。この際、交流端子の各々の相は互いに及び同相で多相機械の端子と接続されている。
第1直流ユニットと第2直流ユニットは異なる動作電圧を有する。
両方の直流ユニット及び両方の電流変換器の第2極性の端子、好ましくは負極性の端子は互いに接続されている。第1直流ユニットの第1極性の端子、好ましくは正極性の端子は、第1電流弁を用い、第1電流変換器の第1端子と接続されていて、それに対し、第2直流ユニットの第1極性の端子は、第2電流弁を用い、第2電流変換器の第1端子と接続されている。
前記の回路装置のコントロール方法は多数の稼動状態を含んでいる。即ち:
a)1つのエネルギー源を使用する走行。この際、多相機械はモータ稼動で直流ユニットからそれに割り当てられている電流変換器を用いてエネルギー供給される。
b)両方のエネルギー源を使用する場合の加速。この際、多相機械はモータ稼動で殆ど同時に両方の直流ユニットからエネルギー供給され、これは、第1直流ユニットが、第1電流変換器における第1ハーフブリッジ装置の開かれたTOPスイッチと、任意の第2ハーフブリッジ装置の開かれたBOTスイッチとを用い、モータを1つの時間インターバルの間、駆動することによってである。モータ巻線のインダクタンスに基づいてフリーホイーリング電流が流れることになる次の時間インターバルで、第2電流変換器における第1ハーフブリッジ装置の開かれた第1TOPスイッチと、任意の第2ハーフブリッジ装置の開かれたBOTスイッチとを用い、モータが第2直流ユニットからエネルギー供給される。この方法は全てのハーフブリッジ装置に対して周期的に置換される。
c)少なくとも1つの直流ユニット内のエネルギー逆供給を伴う制動過程。この際、多相機械はジェネレータ稼動で両方の直流ユニットの1つをそれに割り当てられている電流変換器を用いて整流器稼動でエネルギー供給する。選択的に、両方の直流ユニットが電流シンクでもあるのであれば、両方の電流ユニットはそれらに割り当てられている電流変換器を用いて交互の方法でエネルギー供給され得る。
d)両方の直流ユニット間の再充電過程。この際、第1直流ユニットは、第1直流ユニットよりも低い出力電圧を有する第2直流ユニットからエネルギー供給され、これは、第1直流ユニットの第1電流変換器に割り当てられているTOPスイッチと、同時にこのTOPスイッチと多相機械の巻線を介して接続されていて第2直流ユニットの第2電流変換器に割り当てられているBOTスイッチとが開かれ、それにより電流の流れが始まることによってである。引き続きBOTスイッチは閉じられ、電流の流れは巻線のインダクタンスに基づいて維持され続け、必然的に、BOTスイッチに割り当てられているTOPスイッチのダイオードを通じて流れ、電流弁が開いている場合、第2直流ユニットを充電する。より高い電圧の直流電圧ユニットからより低い電圧の直流電圧ユニットへの再充電過程が同様に可能である。
次に本発明の思想を図1から図4の実施例と図5の参考例に基づいて詳細に説明する。
図1は、同種の2つの直流ユニットのための対称に構成された本発明に従う第1回路装置を示している。ここでこれらの直流ユニットは同種の2つの蓄電池(アキュムレータ:20、30a)であり、例えば100Vと600Vの間の動作電圧を有するニッケル水素電池(Nickel-Metal-Hydride-Cell)である。両方の蓄電池(20、30a)の正極性の端子(ターミナル)は、各々、制御可能な同じ電流弁(24、34a)と接続されている。これらの各々の電流弁(24、34a)は、各々トランジスタ(26、36)として又は多数のトランジスタの並列回路として、及び逆並列接続されたダイオード(28、38)又は多数のダイオードとして形成されている。この際、各々のトランジスタ(26、36)は、各々の電流変換器(コンバータ:40、50)から各々の直流ユニット(20、30a)への導通方向で配設されている。各々の電流弁(24、34a)は、それに割り当てられている3相電流変換器(40、50)の直流端子と接続されている。これらの電流変換器(40、50)の交流出力部は、同相で互いに及び3相機械(10)の端子と接続されている。
電流変換器(40、50)の方は、各々の第1スイッチ、即ちTOPスイッチ(トップスイッチ:42a、52a)と、各々の第2スイッチ、即ちBOTスイッチ(ボトムスイッチ:42b、52b)を有する3つのハーフブリッジ装置の装置として形成されている。各々の直流ユニット(20、30a)の正極性の端子と接続されているTOPスイッチ(42a、52a)は、各々の直流ユニット(20、30a)の負極性の端子と接続されているBOTスイッチ(42b、52b)と同様に、従来技術により、多数の逆並列接続されたパワーダイオード(46a/b、56a/b)を備えている多数のバイポーラパワートランジスタ(44a/b、54a/b)、例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の並列回路として形成されている。ここでは図面の見易さのために、各々、1つのIGBTと1つのパワーダイオードだけが描かれている。
走行稼動時、3相機械(10)がモータ稼動で単独で又は同時に内燃機関と共に車両を駆動する場合、少なくとも1つの蓄電池(20、30a)からエネルギーが取り出され、それに付属の電流は、割り当てられている電流弁(24、34a)の割り当てられているダイオード(28、38)を通じて流れ、各々の電流変換器(40、50)にエネルギー供給し、従ってこの電流変換器(40、50)はここではインバータとして作動する。この稼動形式においてエネルギーは、その都度、定義された時間の間、蓄電池(20、30a)から取り出され得て、そのために割り当てられている回路装置の部分を通流する。選択的に両方の蓄電池(20、30a)も殆ど同時にエネルギー供給することができ、そのために割り当てられている回路装置の部分を介してモータ(10)を駆動することができる。他の選択肢は、両方の蓄電池(20、30a)からのエネルギーの流れを交互にする方法によりモータ(10)を駆動することである。
制動稼動時には3相機械(10)がジェネレータとして作動する。この際に発生された電流は電流変換器(40、50)を通じて流れ、この際、これらの電流変換器(40、50)は整流器として作動する。各々の電流変換器のこの出力電圧が、割り当てられている蓄電池(20、30a)の電圧よりも高く、割り当てられている電流弁(24、34a)のトランジスタ(26、36)が開いている場合、その電流は、割り当てられている蓄電池(20、30a)へと流れ、これを充電する。上記のものと同様にここでも、1つの蓄電池を充電すること、又は両方の蓄電池を交互に充電すること、又は両方の蓄電池が同じ動作電圧を有する場合には両方の蓄電池を同時に充電することが可能である。
他の稼動選択肢は、3相機械(10)がモータ稼動で作動し、この際に一方の蓄電池からエネルギー供給が成され、他方の蓄電池が充電されるということにある。この稼動方式は同様に本発明に従う回路を用いて可能である。この際、モータ(10)は、電流が電流弁(24)のダイオード(28)を通じて流れ且つインバータとしての電流変換器(40)にエネルギー供給することで、例えば第1蓄電池(20)からエネルギー供給される。本発明に従う回路装置の上記の構成により、ところが電流はモータ(10)だけに流れるのではなく、第2電流変換器(50)にも流れる。従って上述の機構により、割り当てられている第2蓄電池(30a)が充電され得る。
図2は、異なって構成された2つの直流ユニットのための本発明に従う第2回路装置を示している。第1直流ユニット(20)は再び電流源及び電流シンクとして、ここでは特に高い容量を有するコンデンサの装置、例えば所謂2重層コンデンサとして形成されている。それに対して第2直流ユニット(30b)は独占的に電流源としてのみ、ここでは例えば燃料電池として形成されている。この際、両方の直流源は、異なる特性、通常では異なる電圧をも有する。2重層コンデンサ(20)は、これらが何倍も速く放充電され得るという有利な特性を有するが、それらの容量は車両内において許容可能な構成サイズと対応する重量とに基づき制限されている。それに対して例えば燃料電池(30b)は、同様に車両内に設けられている外部のエネルギー蓄積器からのエネルギー供給により、より高いエネルギー容量を有する。ところが車両内の燃料電池の使用における短所は、それらの燃料電池が制動エネルギーの蓄積のためには使用可能とされていないということである。それにより2重層コンデンサ(20)と燃料電池(30b)の提案された組み合わせは車両にとって極めて適切な選択であり、その理由は各々の直流ユニットの短所が各々他方の直流ユニットの長所で補われるためである。本発明に従う回路装置の構成はこのことを顧慮している。
例として挙げたこの回路装置の構成は図1のものと同じ基本構成要素を有する。しかし燃料電池(30b)とそれに割り当てられている電流変換器(50)との間の電流弁(34b)はダイオード(38)としてのみ形成されていて、その理由は燃料電池(30b)への可能な電流の流れが周知の理由から不必要なためである。
本発明に従う回路装置のこの構成において意味に即した稼動バリエーションは、モータ(10)を駆動することなく2重層コンデンサ(20)を燃料電池(30b)により充電することにある。この際、本発明の回路装置の他の特徴は特に有益である。2重層コンデンサ(20)に割り当てられている電流変換器(40)は3相機械(10)のインダクタンスとの組み合わせで昇圧チョッパとして稼動され得る。つまり燃料電池(30b)の電圧が2重層コンデンサ(20)の電圧の下側に位置する場合にはそれにも拘らずこれらの2重層コンデンサ(20)が充電され得て、それは、電流変換器(40)の少なくとも1つのスイッチ(42a)と、3相機械(10)の少なくとも1つの巻線(コイル)、即ち必要不可欠なインダクタンスとから形成される昇圧チョッパを用いて電圧値が上昇されることによってである。同じ方式でこの機能は、異なる電圧を有する2つの蓄電池においても利用可能であり、それについては図3で詳しく説明される。
図3は、異なって構成された2つの直流ユニットのための本発明に従う第3回路装置を示している。基本構成要素は図1のものと同じである。しかしここでは例えば異なる動作電圧の2つの蓄電池(20、30a)を用いるものとしている。同様にここでは、一方の直流ユニットを蓄電池として形成し、他方の直流ユニットを2重層コンデンサの装置として形成することが可能であろう。
更にここでは追加的なエネルギー供給部(70)が描かれている。通常の走行稼動において、回収された制動エネルギーから両方の蓄電池を充電することは十分であるとは言えない。それによりここでは、例えば、後接続される整流器を用いた公共の供給ネットワークからのエネルギー供給が不可避である。選択的に、ハイブリッド駆動装置を備えた車両において、追加的なエネルギー供給部(70)は、内燃機関に後接続され且つ整流器が後接続されているジェネレータとしても形成され得る。
図3のa及びbは、例として第1蓄電池(20)から第2蓄電池(30a)の充電過程時の電流の流れを示していて、ここで第1蓄電池(20)は第2蓄電池(30a)よりも低い電圧を有する。この際、第1電流変換器(40)のTOPスイッチ(44a)と、同時にこのTOPスイッチ(44a)と3相機械(10)の巻線を介して接続されていて第2直流ユニット(30a)の第2電流変換器(50)に割り当てられているBOTスイッチ(44b)とが開かれる(図3a)。従って電流の流れはこれらのスイッチと3相機械(10)の巻線を通じて始まる。引き続き第2電流変換器(50)内のBOTスイッチ(44b)が閉じられる。電流の流れは巻線のインダクタンスに基づいて維持され続け、従って必然的に、前記のBOTスイッチに割り当てられているTOPスイッチ(52a)のダイオード(56a)を通じる電流の流れになる。この電流は、電流弁(34a)が開いている場合、第2直流ユニットへと流れ、これを充電する。この充電過程のためには、3相機械(10)がモータ稼動で作動していることは必要でない。
図4は、本発明に従う他の回路装置を示している。この回路装置は小さい出力の3相機械(10)を備えた車両駆動装置にとって特に有利である。蓄電池(20)として形成されている直流ユニットと、僅かな電力出力の純粋な電流源、即ち例えば燃料電池(30b)として形成されている第2直流ユニットとが再び描かれている。
蓄電池(20)は、制御可能な電流弁(24)を介し、上述のように、割り当てられている電流変換器と接続されている。燃料電池(30b)は、制御可能でない3つの電流弁(34b)を介し、それに割り当てられている電流変換器の各相に対して接続されている。
しかしこの構成において両方の電流変換器は依存しない構成をもつものではなく互いに結び付けられている。この際、BOTスイッチ(48b)とTOPスイッチ(48a、58a)は例えばMOSFETのようなユニポーラパワートランジスタとして形成されている。この際、各電流変換器はその固有のTOPスイッチを相ごとに有する。しかしこれらの電流変換器は、相ごとに1つだけの共通のBOTスイッチ(48b)が相ごとに配設されているように互いに結び付けられて形成されている。本発明に従う回路装置のこの構成において上述の機能性は完全に維持され、この際、この回路は、より少数のパワースイッチで形成されるという本質的な長所を有する。
参考図としての図5は、追加的な昇圧チョッパ(60)を備えた回路装置の一部分を示している。基本的な回路装置は図3に従うものに対応する。しかしこの回路装置は昇圧チョッパ(60)の分だけ拡張されていて、この昇圧チョッパ(60)は、電流源(30b)、例えば燃料電池と、それに割り当てられている電流変換器(50)との間に配設されている。この昇圧チョッパ(60)は、電流源(30b)の正極性の端子と制御可能でない電流弁との間のインダクタンス(62)、ダイオード(38)、並びに、電流源(30b)の負極性の端子と、インダクタンス(62)と電流弁(38)との間の中心点との間に、逆並列接続されたダイオード(66)を備えたパワースイッチ(64)を含んでいる。
この回路装置のこの構成における長所は、この際には僅かな動作電圧を有する電流源(30b)が効果的にモータ(10)に結合され得るということであり、その理由は昇圧チョッパ(60)により電圧値が対応的に上昇され得るためである。
同種の2つの直流ユニットのための対称に構成された本発明に従う第1回路装置を示す図である。 異なって構成された2つの直流ユニットのための本発明に従う第2回路装置を示す図である。 異なって構成された2つの直流ユニットのための本発明に従う第3回路装置を示す図である。 共通のBOTスイッチを備えた本発明に従う他の回路装置を示す図である。 追加的な昇圧チョッパを備えた回路装置の一部分を示す参考図である。
符号の説明
10 3相機械
20、30a 蓄電池(アキュムレータ)
30b 電流源(燃料電池)
24、34a、34b 電流弁
26、36 トランジスタ
28、38 ダイオード
40、50 電流変換器(コンバータ)
42a、48a、52a、58a TOPスイッチ(トップスイッチ)
42b、48b、52b BOTスイッチ(ボトムスイッチ)
44a/b、54a/b バイポーラパワートランジスタ
46a/b、56a/b パワーダイオード
60 昇圧チョッパ
62 インダクタンス
64 パワースイッチ
66 ダイオード
70 エネルギー供給部

Claims (7)

  1. 電気車両又はハイブリッド車両のための回路装置において、この回路装置が、少なくとも1つの多相機械(10)と、電流源及び電流シンクとして形成されている第1直流ユニット(20)と、同様に電流源及び電流シンク(30a)としてか又は電流源(30b)としてのみ形成されている第2直流ユニット(30a/b)と、パワー半導体素子の装置とを備え、これらのパワー半導体素子が2つの電流変換器(40、50)内にあり、各々の電流変換器(40、50)が、各々2つの半導体スイッチ(42a/b、52a/b、或いは48a/b、58a)を有する対応数のハーフブリッジ装置から成り、それらの半導体スイッチの各々の交流端子が同相で互いに及び多相機械(10)の端子と接続されていて、それらの半導体スイッチの、各々の電流変換器(40、50)の同じ極性のそれらの半導体スイッチの直流端子が互いに接続されていて、更には、第1直流ユニット(20)と第2直流ユニット(30a/b)は異なる動作電圧を有し、両方の直流ユニット(20、30a/b)及び両方の電流変換器(40、50)の第2極性の端子が互いに接続されていて、第1直流ユニット(20)の第1極性の端子が、少なくとも1つの電流弁(24)を介し、第1電流変換器(40)の第1端子と接続されていて、第2直流ユニット(30a/b)の第1極性の端子が、少なくとも1つの電流弁(34a/b)を介し、第2電流変換器(50)の第1端子と接続されていることを特徴とする回路装置。
  2. 半導体スイッチ(42a/b、52a/b)が、多数の逆並列接続されたパワーダイオード(46a/b、56a/b)を備えているIGBTのような多数のバイポーラパワートランジスタ(44a/b、54a/b)として、又は、MOSFETのような多数の並列接続されたユニポーラパワートランジスタ(48a/b、58a)として形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の回路装置。
  3. 第1及び第2直流ユニット(20、30a)が、100Vと600Vの間の動作電圧を有する蓄電池として形成されていて、第1及び第2電流弁(24、34a)が、各々、半導体スイッチ(26、36)の並列回路として形成されていて、この半導体スイッチが、それに割り当てられている電流変換器(40、50)からそれに割り当てられている直流ユニット(20、30a)への導通方向で配設されていて、またそれに割り当てられている直流ユニット(20、30a)からそれに割り当てられている電流変換器(40、50)への導通方向でダイオード(28、38)を備えていることを特徴とする、請求項1に記載の回路装置。
  4. 第1直流ユニット(20)が、100Vと600Vの間の動作電圧を有する蓄電池として、又は、特に高い容量を有するコンデンサの装置として形成されていて、第2直流ユニット(30b)が燃料電池として形成されていて、第1電流弁(24)が半導体スイッチ(26)の並列回路として制御可能に形成されていて、この半導体スイッチが、それに割り当てられている電流変換器(40)からそれに割り当てられている直流ユニット(20)への導通方向で配設されていて、またそれに割り当てられている直流ユニット(20)からそれに割り当てられている電流変換器(40)への導通方向でダイオード(28)を備えていて、第2電流弁(34b)が、それに割り当てられている直流ユニット(30b)からそれに割り当てられている電流変換器(50)への導通方向でダイオード(38)として制御可能でなく形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の回路装置。
  5. 3つのハーフブリッジ装置の各々のBOTスイッチ(48b)、即ち負端子のスイッチが第1及び第2電流変換器(40、50)の共通のスイッチとして形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の回路装置。
  6. 直流ユニット(20)にエネルギー供給のための他の直流端子(70)が設けられていて、この直流端子(70)が、内燃機関に連結されているジェネレータを用いてか又は公共の供給ネットワークから、各々、後接続されている整流機能を用いてエネルギー供給されることを特徴とする、請求項1に記載の回路装置。
  7. 請求項1に記載の回路装置をコントロールするための方法において、a)多相機械がモータ稼動で殆ど同時に両方の直流ユニットからエネルギー供給され、これは、第1直流ユニットが、第1電流変換器における第1ハーフブリッジ装置の開かれたTOPスイッチと、任意の第2ハーフブリッジ装置の開かれたBOTスイッチとを用い、モータを1つの時間インターバルの間、駆動し、また、モータ巻線のインダクタンスに基づいてフリーホイーリング電流が流れることになる次の時間インターバルで、第2電流変換器における第1ハーフブリッジ装置のTOPスイッチと、任意の第2ハーフブリッジ装置のBOTスイッチとを用い、モータを第2直流ユニットからエネルギー供給することによってであり、この方法が全てのハーフブリッジ装置に対して周期的に置換されること、及び/又は、更にはb)第1直流ユニットが、第1直流ユニットよりも低い出力電圧を有する第2直流ユニットからエネルギー供給され、これは、第1直流ユニットの第1電流変換器に割り当てられているTOPスイッチと、同時にこのTOPスイッチと多相機械の巻線を介して接続されていて第2直流ユニットの第2電流変換器に割り当てられているBOTスイッチとが開かれ、それにより電流の流れが始まり、引き続きBOTスイッチが閉じられ、電流の流れが巻線のインダクタンスに基づいて維持され続け、必然的に、BOTスイッチに割り当てられているTOPスイッチのダイオードを通じて流れ、電流弁が開いている場合、第2直流ユニットを充電することによってである、ことを特徴とする方法。
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