JP5779722B2 - 送電システム - Google Patents

Description

本出願は、２０１１年１０月４日に出願された米国特許出願第１３／２５２，３０６号の利益を主張するものであり、これらは参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して低電磁障害の送電システムに関し、更に詳しくは、電気自動車またはハイブリッド電気自動車のパワーインバータとバッテリー間の送電に関する。

自動車産業の新規開発と進歩は、主に自動車の新規で改良された電子部品によって推進される。新規開発は、例えば、自動車用ナビゲーションシステム、娯楽情報機器、安全装置等を含んでいる。

自動車の益々複雑になる電子システムの機能を保証し、また、外部システムへの自動車システムの悪影響を最小限にするため、自動車の電磁両立性（ＥＭＣ）についての関心が益々高まっている。このことは、車両に電力を供給するために高電圧かつ大電流のスイッチングが必要な電気自動車やハイブリッド電気自動車において特に当てはまることである。

特に、電気自動車やハイブリッド電気自動車（以下まとめて「電気自動車」という）では、一般的に高電圧かつ大電流をスイッチングするパワーインバータが使用され、自動車の推進に利用される１つ又は複数の電気モータに必要な電力を供給している。電気自動車の一つ又は複数のモータへの最終的な配電用パワーインバータに電力を供給するため、電気自動車は大容量のバッテリーを備えている。

従来、電気自動車では、パワーインバータとバッテリーを電気的に接続するために一対の細長い導体が使用される。通常、バッテリーはパワーインバータから離隔して配置され、パワーインバータとバッテリーの間には導電性の車両シャーシに沿って導体が延在する。

パワーインバータと導体間およびバッテリーと導体間のインピーダンス不整合のため、導体に沿ってコモンモード電流が発生する。そして、このコモンモード電流は、車両の電気系統の電気部品に干渉しうる電磁障害（ＥＭＩ）を発生する。例えば、パワーインバータとバッテリーの間の導体で発生したコモンモード電流が車両の他の電気部品、例えばラジオや他の娯楽情報機器の電気系統と干渉する電気ノイズを発生する、ということが知られている。したがって、自動車の電気系統の設計、特にＥＭＩの発生が非電気自動車よりも本質的により厳しい電気自動車の電気系統の設計において、コモンモード電流に起因する電気ノイズの低減が最優先になっている。

本発明は、電気自動車のバッテリーとインバータのように離隔して配置される電源と負荷の間の電気接続におけるコモンモード電流によって発生する電磁ノイズを低減するシステムを提供する。

本発明の一態様において、システムは、互いに離隔して配置された一対の導体を備えている。この導体は、電源と負荷またはバッテリーとパワーインバータの間に車両シャーシに沿って延在する。導体は、電源と負荷の両方と電気的に接続され、それらを電気的に接続している。また、電源と負荷は電気自動車のバッテリーとパワーインバータを含んでもよい。導電性の金属板が、導体の間にそれらと離隔して配置される。この金属板は、少なくとも電源と負荷のある場所で車両シャーシと電気的に接続される。更に、ＥＭＩ要件の最大周波数の電磁波の半波長未満の間隔で更なる接続点を設けることが必要であり、無限個の接続点でこの金属板の端から端までシャーシと電気的に接続されることが最も好ましい。

また、導体と金属板の間隔が導体と車両シャーシの間隔よりも小さくなるように導体が配置される。導体は金属板の両側に対称に分布する。そうすれば、戻り電流がシャーシから金属板に移り、各導体によって作られた２つの電流ループが反対の磁界を発生し、その結果として、それらが互いに打ち消され、これによって全体の電磁干渉が低減される。

添付の図面とともに下記の詳細な説明が読まれるとき、本発明がよりよく理解される。なお、下記図面では同様の参照符号によって同様の部品が参照されている。
図１は、電気自動車を示す線図である。 図２は、図１の線２−２に沿ってとった断面図であり、明確に示すために拡大されている。 図３Ａは、本発明の好ましい実施例を示す側面図であり、図３Ｂは図３Ａと同様の線図であり、改良されたものが示されている。 図４は、本発明に係る電磁障害の削減を示すグラフである。 図５Ａ，５Ｂは三相のモータケーブルの本発明の実施例の他の一例である。 図６は、図１の線２−２に沿ってとった金属板のない従来のケーブルの断面図である。 図７は、電車を示す線図である。 図８は、図７のメインコンバータの構造である。 図９は、図７の線４−４に沿ってとった断面図であり、明確に示すために拡大されている。 図１０は、三相モータのケーブルの本発明の実施例の他の一例である。

最初に図１を参照すると、電気自動車１０が示されている。従来、自動車１０は、スチール等の導電性材料で構成されたシャーシ１２を含んでいる。このシャーシ１２は、自動車用の接地板を形成している。

バッテリー１４はシャーシ１２内に含まれるか、シャーシ１２に支持されている。パワーインバータ１６も同様にシャーシ１２に含まれるか、シャーシ１２に支持されている。パワーインバータ１６は一つ又はそれ以上の車輪と駆動接続された電気モータ１８に電力を供給する。

ここで図１、２を参照すると、互いに離隔して配置された１対の導体２０がシャーシ１２に沿って延在し、バッテリー１４とパワーインバータ１６が電気的に接続されている。図６を参照すると、バッテリー１４とパワーインバータ１６の両方を導体２０と接続するために、従来の任意の手段を使用することができる。

図２に最適に示されるように、複数の導体２０が離隔して配置され、バッテリー１４からパワーインバータ１６まで互いに平行である。また、導体２０はシャーシ１２から距離ｂだけ離れている。

バッテリー１４と導体２０およびパワーインバータ１６と導体２０との完全なインピーダンス整合が全く不可能でないにしても極めて難しいので、自動車１０の運転中にはコモンモード電流が本質的に導体２０に沿って発生する。自動車１０の他の電子および電気システムにＥＭＩおよび潜在的な干渉を招くのがこれらのコモンモード電流である。

図２を参照すると、コモンモード電流による電磁障害の発生を低減するため、導電材料でできた略平面形状の金属板２２が導体２０間に配置されている。また、距離ａは距離ｂより小さく、コモンモード電流によって導体２０に生成される電界がシャーシよりも金属板２２に多くの電流を誘導するように、導体２０がこの金属板２２から距離ａだけ離れて等間隔で配置されるのが好ましい。また、距離ａは距離ｂより小さいことが好ましい。導体２０内のコモンモード電流によって発生する電磁界がシャーシ１２よりも金属板２２により多くの電流を誘導する。ケーブルに誘導されるコモンモード電流の中心が金属板２２の戻り電流の中心と重なって、ケーブル２０の電流によって生成される電界が金属板の戻り電流で生成される電界をキャンセルし、ノイズを顕著に低減している。

図３Ａを参照すると、最も好ましい構成は、シャーシ全域にわたって金属板を電気的に接続することである。金属板とシャーシとの間に有限個の接続点さえあれば、この金属板は、図３Ｂに示されるように、少なくとも電源と負荷の両方の位置で車両シャーシに電気的に接続される。また、金属板の共振を回避するために接続点の間隔をＥＭＩ要件の最大周波数の電磁波の半波長未満に保つ必要がある。

図４に最も良く示されるように、電気的導体２２がシャーシ１２と電気的に接続されている。よって、コモンモード電流の戻り通路がシャーシ１２から金属板２２に変更される。そして、導体と金属板の夫々によって形成された２つの電流ループが対向する磁界を発生する可能性があり、それらが互いに打ち消され、ゆえに電磁波障害の合計を低減する。

図４を参照すると、金属板２２の効果を示すグラフが、Ｘ軸上の周波数に対するＹ軸上のノイズの関数として示されている。グラフ３０は、通常の従来技術の車両、すなわち金属板のない車両に関するノイズの発生を示している。グラフ３２は、金属板が取り付けられ、距離ａが距離ｂより大きい場合のノイズを周波数の関数として示している。

同様に、グラフ３４は、距離ａと距離ｂが等しい場合のノイズの生成を周波数の関数として示し、グラフ３６は、距離ａが距離ｂより小さい場合のノイズの発生を周波数の関数として示している。

図４に示されたグラフ３０〜３６から明らかなように、金属板２２を設けて、距離ａすなわち導体と金属板２２の間隔を、距離ｂすなわち導体２０とシャーシ１２の間隔より小さくしたことによって自動車の電磁障害の大幅な低減が可能である。実に、この低減はグラフ３８で示されるように１４ｄＢの大きさになる。

[００１６]を経て高電圧直流ケーブルに関する発想を説明した。これと同様の発想が図６を参照して三相交流ケーブルにも適用可能である。図５Ａ、５Ｂに示すように、金属板はケーブルの間に設ける必要がある。ケーブル２０に誘導されたコモンモード電流は金属板２２を介して戻り、ケーブルのコモンモード電流によって発生した電磁界と金属板２２の戻り電流によって発生した電磁界が互いに打ち消し合い、ノイズを著しく低減する。

上述の通り、本願では高電圧直流ケーブルに関する発想を説明しており、本発明が電気自動車のＥＭＩを低減するための簡単で効果的な手段を提供することがわかる。しかしながら、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神から逸脱しない範囲で本発明の様々な修正がこの技術分野の当業者には明白である。

以上から、本発明が電気自動車のＥＭＩを低減するための簡単で効果的な手段を提供するものであることがわかる。また、本発明は、建設機械や列車等の他の車両タイプにも適用可能である。図７は、列車構成の他の実施例を示している。図８は、コンバータ、インバータおよびモータがどのように互いに接続されているかを説明している。コモンモード電流は、コンバータとインバータの間の高電圧直流ケーブルやインバータとモータの間で発生する。本発明は、これらのコモンモード電流によるＥＭＩの影響を低減するために、高電圧直流ケーブルやモータケーブルに適用可能である。高電圧直流ケーブルに関しては図２に、また、モータケーブルに関しては図５に示すように実現可能である。上述したように、様々な修正が可能である。

金属管がこれらのケーブルを囲むために使用されるとき、その金属管は、高電圧直流ケーブルに関しては図９に、三相モータケーブルに関しては図１０に示すように、僅かに修正できる。さらに、導体２０のコモンモード電流がシャーシ１２またはケース２３に沿うよりも金属板２２に沿ってより多く戻るように、距離ａは距離ｂ、ｃ、ｄより小さくすることが好ましい。したがって、モータケーブルの電流によって発生する電磁界が金属板の戻り電流によって発生する磁界を打ち消し、電磁界の合計を低減する。

また、深刻なコモンモード電流が、補助電力線に、図７に示すように、それらのケーブルの大規模なループ領域に沿って誘導されるとき、重大なＥＭＩ問題を引き起こすことになる。本発明は、これらの補助電力線にも使用され、ＥＭＩ結合を低減することが可能である。

Claims (4)

1. 導電性シャーシを有する電気自動車またはハイブリッド電気自動車内で離隔して配置されたパワーインバータおよびバッテリー／モータの電気的接続におけるコモンモード電流によって発生する電磁ノイズを低減するためのシステムであって、
   前記パワーインバータと前記バッテリー／モータを電気的に接続し、前記シャーシに沿って延在する、互いに離隔して配置された一対の導体と、
   前記導体の間に位置し、前記パワーインバータと前記バッテリー／モータの間で、少なくとも両端で前記シャーシと電気的に接続される導電性の金属板と、
   前記導体の間に位置し、対象の周波数の内、最小の半波長未満の間隔の有限の接続点で、前記パワーインバータと前記バッテリー／モータの間で、前記シャーシと電気的に接続される金属板と、を備え、
   前記導体は前記導体と前記金属板の間隔より大きい距離だけ前記シャーシから離隔して配置されることを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記金属板は前記シャーシと電気的に接続されることを特徴とするシステム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記導体は前記金属板から等距離で配置されることを特徴とするシステム。
4. 請求項１に記載のシステムであって、前記金属板は平面形状であることを特徴とするシステム。

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