JP5615978B2 - 中間回路コンデンサを充電するための方法及び回路構成 - Google Patents

Description

本発明は、中間回路コンデンサを充電するための方法、及び、本方法を実現するための回路構成に関する。

風力発電所のような定置型の適用のため、及び、自動車技術における移動型の適用のためのバッテリシステムの将来的な開発は、非常に高い信頼性が求められる新しいバッテリシステムへと向かっている。

このような要請の背景には、バッテリの故障がシステム全体の故障に繋がる可能性があるということがある。従って、例えば電気自動車の場合には、メインバッテリの故障によって、自動車が立ち往生することになりうる。

風力発電所の場合には、バッテリの故障が、安全性に関わる問題となる可能性すらある。なぜならば、ここでは例えばバッテリが、強風の際に動翼の調整によって、許容しえない駆動状態になることから発電所を護るために使用されるからである。

必要とされる性能データ及びエネルギーデータを、バッテリシステムによって獲得するために、個々のバッテリセルは直列に接続され、部分的に、追加的に並列に接続される。

ハイブリッド自動車及び電気自動車では、典型的に、バッテリは２つの主接触器によって、車両駆動部が駆動される場合には、当該車両駆動部と接続される。

ピーク電圧及びピーク電流を蓄えるために、車両内にはさらに所謂中間回路コンデンサが存在する。

但し、この中間回路コンデンサは、２つの主接触器の直接的な作動を許容しない。なぜならば、この場合には、上記接触器により極端に高い電流が中間回路コンデンサ内へと流れ、この中間回路コンデンサを破壊するであろうからである。

このような理由から、従来技術では、最初に限られた電流により中間回路コンデンサを充電する所謂プリチャージユニットが、バッテリの保護回路内で利用され、中間回路コンデンサの充電後に初めて、２つの主接触器が作動される。

公知の従来技術が、図４及び図５に示される。

図４は、プリチャージ抵抗器Ｒを介して中間回路コンデンサを充電するための典型的な回路を示している。ここでは、所謂プリチャージリレーが作動され、中間回路コンデンサはプリチャージ抵抗器Ｒを介して充電される。所望の中間回路電圧に達した後に、２つの主接触器が作動される。

この解決策の欠点は、充電の開始時に、高い電流がプリチャージユニットを通って流れることであり、この高い電流は、時間の経過と共に指数関数的に下がり、従って、主接触器が閉鎖されるまでの時間を延長する。

ターンオン時間を短縮するために、抵抗値をより小さく選択する必要があり、このことが直接的に、抵抗器内の電力損がより高くなるという結果をもたらし、従って、容量や重量に適ったより大きくてより高価な抵抗器を利用することになる。

このような理由から、図５に示すような電流源が使用されることが多い。定電流の電流源によって、充電プロセスの間の中間回路電圧の勾配が一定になる。

但し、この場合の欠点は、電流源で、開始時に、即ち中間回路コンデンサが未だ放電している最中に、高い電圧が印加され、このことによって電力損が大きくなることである。

充電プロセスは典型的に数百ｍｓ続くため、電流源内のパワーデバイスは、この高い電力損に対して設計される必要がある。しかしながら、この設計は、充電プロセスの終わり頃にはもはや上手く活用されず、そうなると、より高い電流が流れる可能性があるであろう。

米国特許第５５７６６０９号明細書には、一定の電力損を保証するために電流を変更する制御システムによって、バッテリを充電するための回路が開示されている。

充電装置の制御システムの基本的な構成要素は、電流センサと、電圧センサと、これらセンサと結合された増幅器である。

独国特許出願公開第１０２００６０５０５２９号明細書には、電気駆動部の電流供給を、絶縁監視と接触器監視を組み合わせて監視するための回路構成が記載されている。電圧スパイクを測定するために２つの電圧測定装置が設けられる。更に配置されるパワーエレクトロニクスは、限られた電流で充電される中間回路コンデンサを含む。

本発明に基づいて、プリチャージユニット内の中間回路コンデンサを充電するための電流源を構想する方法であって、電流源は定電流を供給しない、上記方法が記載される。電流源での電圧が検出され、電流は、電流源が全充電プロセスの間に一定の電力損を有して機能するように調整される。

本発明に係る回路構成は、電流源に対して平行に配置された調整回路を有し、この調整回路によって、電流が、全充電プロセスの間に電流源内で一定の電力損が形成されるように調整されうる。

本発明に係る方法には、プリチャージユニット内の中間回路コンデンサを充電するために、電流源を介して中間回路の充電を行い、全充電プロセスの間に電流源内で一定の電力損が形成されるように電流源の電流を調整することで、充電プロセスの期間が短縮されるという利点がある。

更に、本発明に係る方法によって非常に有利に、電流源での電圧が充電プロセスの間に検出され、電流源により供給される電流が制御されることが可能となる。

本発明の更なる別の利点は、電流源と平行に調整回路が配置し、調整回路によって、中間回路コンデンサの充電のために、全充電プロセスの間に電流源内で一定の電力損が形成されるように電流を調整しうることで、回路構成が安価で確実に組み立てられるということである。

本発明の好適な実施形態によれば、一定の電力損が、抵抗器と組み合わせてツェナーダイオードによって調整されることが構想される。

本発明の特別な実施形態によれば、調整回路が、除算回路として互いに接続されたトランジスタを有することが構想される。

本発明の有利な発展形態は従属請求項に示され、以下の明細書において記載される。

本発明の実施例が、図面及び以下の明細書の記載によってより詳細に解説される。
中間回路電圧に依存した一定の電力損を有する、本発明に係る電流源の概略図を示す。 図１に示す概略図を実現するための詳細な回路構成を示す。 中間回路コンデンサを充電するためのシミュレーション結果を示す。 従来技術によるバッテリシステムの中間回路コンデンサを充電するプリチャージユニットの概略的な回路図を示す。 従来技術による定電流源により中間回路コンデンサを充電するための概略的な回路図を示す。

図１には、本発明に係る基本的な解決策の基本原則が示されている。バッテリ１、即ち、本実施例ではリチウムイオンバッテリは、電流源２と接続されている。本発明によれば、電流源２での電圧が検出され、全充電プロセスの間に電流源２内で一定の電力損が形成されるように、電流が調整される。

電流源２は、スイッチ３を介して中間回路コンデンサ４と接続される。電流源２と平行に、調整回路５が配置され、この調整回路５によって、中間回路コンデンサ４の充電のために、電流が、全充電プロセスの間に電流源２内で一定の電力損が形成されるように調整されうる。

図２は、本発明の可能な実施形態を示している。この場合、トランジスタＱ２、Ｑ１２、Ｑ４、Ｑ５、及びＱ６は除算回路として機能する。一定の電力損は、目標電力損として、ツェナーダイオードＤ１及び抵抗器Ｒ２によって調整される。バッテリ電圧と、中間回路コンデンサ電圧と、の間の電圧差は抵抗器Ｒ４を用いて検出される。トランジスタＱ１１のコレクタには、電流源２の目標電流に比例した電流が流れる。本来の電流源２は、もはや、適切な電流増幅率のカレントミラーを介して実現すればよいだけである。

図３は、中間回路コンデンサ４をＵ＝２５０Ｖの電圧に充電するための、図２に示した回路構成のシミュレーション結果を示す。上のグラフの□（四角形）が付いた線は電流であり、下のグラフの○（丸）が付いた線は電圧であり、▽（三角形）が付いた線はＱ７内の電力損である。

中間回路コンデンサ４での電圧が上がり、電流源２での電圧が下がるにつれて、電流が上昇する。従って、本発明に基づいて、中間回路コンデンサ４での電圧は線形状には上昇せず、上昇の勾配は、中間回路電圧が上がるにつれて同様に上昇し、従って、充電プロセスの期間が短縮されるということが分かる。

▽（三角形）が付いた線は、トランジスタＱ７内の電力損を示し、電力損は、全充電プロセスの間に所望のように、近似的に一定に維持される。

Claims (9)

1. プリチャージユニット内の中間回路コンデンサを充電する方法において、
   前記中間回路コンデンサ（４）の充電は、電流源（２）を介して行われ、前記電流源（２）の電流は、全充電プロセスの間に前記電流源（２）内で一定の電力損が形成されるように調整され、前記一定の電力損は、抵抗器と結合したツェナーダイオードによって調整されることを特徴とする、方法。
2. 前記電流源（２）での電圧が前記充電プロセスの間に検出され、前記電流源（２）により供給される電流が制御される、請求項１に記載の方法。
3. 前記電流源（２）は、適切な電流増幅率のカレントミラーによって実現される、請求項１又は２に記載の方法。
4. バッテリ（１）を備えた回路構成において、前記バッテリ（１）は電流源（２）と接続され、前記電流源（２）はスイッチ（３）を介して中間回路コンデンサ（４）と接続され、前記電流源（２）と並列に調整回路（５）が配置され、前記調整回路（５）によって、前記中間回路コンデンサ（４）の充電のために、電流が、全充電プロセスの間に前記電流源（２）内で一定の電力損が形成されるように調整され、前記一定の電力損は、抵抗器と結合したツェナーダイオードによって調整されうる、回路構成。
5. 前記調整回路（５）は、除算回路として互いに接続されたトランジスタ（Ｑ２、Ｑ１２、Ｑ４、Ｑ５、及びＱ６）を有する、請求項４に記載の回路構成。
6. 前記一定の電力損の調整は、抵抗器（Ｒ２）と相互接続されたツェナーダイオード（Ｄ１）によって行われる、請求項４又は５に記載の回路構成。
7. バッテリ電圧と中間回路コンデンサ電圧との間の電圧差が、抵抗器（Ｒ４）を用いて検出される、請求項４〜６のいずれか１項に記載の回路構成。
8. 車両であって、前記車両を駆動するための電気駆動モータと、前記電気駆動モータと接続された請求項４〜７のいずれか１項に記載の回路構成と、を有する車両。
9. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の回路構成を備えた風力発電所。
   

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