JP5897826B2 - 蓄積手段を充電するためのスイッチングアームのスイッチ制御方法および充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチを備えるシステムのスイッチ制御方法に関する。このようなシステムは、再充電可能なバッテリにより駆動されるエンジンや、オルタネータの分野における充電方法を実施するために利用することができる。本発明は、バッテリがインバータを介してエンジンを駆動することができ、また、自動車が停止している間に再充電できる電気自動車の分野に適用すると有利である。

一方、前記システムおよびその関連方法は、上記の適用のために構成しうるが、他の分野、特に風力タービンや水力のタイプの発電装置にも利用することができる。

従来、電気車両は、インバータに直流電流を供給する高電圧バッテリを備えている。インバータは、直流電流を、車両の動作を保証する電気エンジンの駆動に利用できる交流電流に変換する。

この高電圧バッテリの再充電を保証するため、「ブリッジレスＰＦＣ」としても知られる、ダイオードブリッジを持たない電力制御コンバータを有し、電気自動車に組み込まれる充電装置を備えた車両が知られている。

コンバータのスイッチングによって生成されるコモンモード電流は、シャーシに対する電子機器、シャーシに対するエンジン、または、シャーシに対するバッテリによっても発生する疑似容量を流れる。これらの電流は、アース線が電子回路網の中性点に連結されたシャーシを介して一巡する。従って、充電装置は、電子回路網に外乱を生じさせる。通常は、シャーシに流れる電流による感電または感電死を防止するため、電子回路網における低周波外乱の発生を抑止する。

本発明は、電圧変動による浮遊容量の発生を防止し、これらの低周波外乱を抑止することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、外部電子回路網に接続されたシステムのスイッチ制御方法を提供するものである。このシステムは、少なくとも、第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームを備え、それぞれが２個のスイッチを有し、かつ前記制御方法は、パルス幅変調制御信号を送信することにより、前記第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームの各スイッチを制御するステップを有し、前記第２スイッチングアームの各スイッチは、一方が第２スイッチングアームに接続され、他方が前記外部電子回路網の中性点に接続されている補償インダクタンスの端子電圧に対して、逆位相の交流電圧を生成するように、制御信号のパルス幅を適応させて制御され、前記外部電子回路網の中性点と、グランドとの間の電圧は直流電圧となる。

前記システムは、前記第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームにより構成することができる。

前記外部電子回路網の中性点と、グランドとの間の電圧が直流電圧であれば、電圧変動および低周波外乱が抑制され、それによって発生する浮遊容量のリスクは解消される。

本発明の他の実施形態は、外部電子回路網と、それぞれが２個のスイッチを備える少なくとも第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームとを介して、蓄積手段を充電する充電方法を提供するようになっている。この充電方法は、少なくとも、上述した制御方法のパルス幅変調制御信号を送信することにより、前記第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームの各スイッチを制御するステップを有している。

前記ステップによれば、第２スイッチングアームの各スイッチは、一方が第２スイッチングアームに接続され、他方が前記外部電子回路網の中性点に接続されている補償インダクタンスの端子電圧に対して、逆位相の交流電圧を生成するように、制御信号のパルス幅を適応させて制御され、その結果、前記外部電子回路網の中性点と、グランドとの間の電圧は直流電圧となる。

また、前記制御方法または充電方法は、次の特徴の１つ以上を、単独で、または組み合わせとして含むことができる。
第２スイッチングアームは、開ループ方式で制御され、パルス幅は、補償インダクタンスの交流電圧と反対の平均値に実質上等しくなるように選択される。
第２スイッチングアームは、外部電子回路網の中性点とグランドとの間の電圧が目標値に拘束されるように、パルス幅を変化させる閉ループ方式で制御される。
この方法は、
電圧を、外部電子回路網の中性点と、グランドとの間で測定するステップと、
測定された電圧を、目標値と比較するステップと、
測定された電圧が、目標値と異なる場合、パルス幅を、外部電子回路網の中性点と、グランドとの間の電圧が、目標値と実質上等しくなるように修正するステップとを備えている。
前記第１スイッチングアームは、正弦波電流を吸収するように制御される。

閉ループ方式では、前記第２スイッチングアームの各スイッチは、外部電子回路網の中性点とグランドとの間の電圧が、前記第２スイッチングアームにより生成される直流電流である目標値に拘束されるように、パルス幅が動的に適応される制御信号により制御される。パルス幅は、目標値に拘束されない。

開ループ方式では、前記パルス幅は、目標値に拘束されない。

本発明の他の実施形態によると、上記した充電方法を実施するための充電装置が提供される。この充電装置は、外部電子回路網を介して、交流電流でエンジンを駆動するように構成された蓄積手段を充電するための電子装置である。
前記電子装置は、
エンジンと蓄積手段との間に接続され、それぞれが２個のスイッチを有する少なくとも第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームを有し、前記第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームが、前記エンジンの相の中間点に連結されているインバータと、
パルス幅変調制御信号を送信することにより、前記各スイッチを制御する制御回路、
とを備え、
前記電子装置は、第２スイッチングアームと外部電子回路網の中性点に連結されている補償インダクタンスを有し、
前記制御回路は、前記第２スイッチングアームが補償インダクタンスの端子電圧の逆位相の交流電圧を生成するように、パルス幅が適応される制御信号を送信することにより、前記第２スイッチングアームの各スイッチを制御するように構成され、前記外部電子回路網の中性点とグランドとの間の電圧が直流電圧となるようになっている、
ことを特徴としている。

また、前記電子装置は、以下の１つ以上の特徴を、単独または組み合わせとして含むことができる。
−電子装置は、単相の装置である。
−電子装置は、開ループ方式で第２スイッチングアームを制御するように構成されている。
−電子装置は、前記中性点における電圧を目標値に拘束する閉ループ方式で、前記第２スイッチングアームを制御するように構成されている。前記電子装置は、少なくとも、
・前記外部電子回路網の中性点と、グランドとの間の電圧を測定し、
・測定された電圧を、目標値と比較し、
・測定された電圧が、前記目標値と異なる場合、外部電子回路網の中性点とグランドとの間の電圧が、前記目標値に実質上等しくなるように、パルス幅の値を補正する、
処理手段を含んでいる。
−前記電子装置は、ローパスフィルタを構成するために、前記補償インダクタンスに直列に接続されているキャパシタおよび抵抗器を含んでいる。
−前記インバータは、それぞれが２つのスイッチングアームからなる２つのＨ型ブリッジ構造を有する。
−前記制御回路は、エンジンに対する電力供給モードから、蓄積手段に対する充電モードへの切り替え、および、その反対方向の切り替えのために、前記各スイッチを制御するように構成されている。

上述した方法または装置において、前記第１スイッチングアームは、前記エンジンの相の第１端子に連結される中間点を備え、前記第２スイッチングアームは、前記補償インダクタンスの第１端子に連結されている中間点を備え、前記エンジンの前記相の第２端子は、前記外部電子回路網の相に連結されている一方、前記補償インダクタンスの第２端子は、外部電子回路網の中性点に連結されている。このように、エンジンの相、外部電子回路網、および補償インダクタンスンスは、直列に接続されている。前記外部電子回路網の中性点は、グランドに連結される。

蓄積手段は、直流電圧を生成するバッテリにより構成することができる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行う、限定されない実施形態に関する以下の説明から明らかになると思う。

図１ａは、第１実施形態に係る充電装置の概略図、図１ｂは、第２実施形態に係る充電装置の概略図である。 図１ａまたは図１ｂにおける充電装置の一部の詳細な回路図である。 充電装置のインバータの第２スイッチングアームを、標準モデルで表した図１ａまたは図１ｂにおける充電装置の一部の回路図である。 図１ａの充電装置における第２スイッチングアームを制御する開ループのブロック図である。 図１ｂの充電装置における第２スイッチングアームを制御する拘束された閉ループのブロック図である。 ２つの混合Ｈ型ブリッジを有する図１ａまたは図１ｂの充電装置におけるインバータの回路図である。

各図および以下の説明において、実質上同一の構成要素には、同じ符号を使用する。

概略的に示す図１ａ、図１ｂおよび図２に示す、本発明の実施形態は、例えば、ハイブリッド自動車または電気自動車のための充電装置１を備えている。

充電装置１は、この実施形態では、
インバータ２、および２つのスイッチングアームＡ、Ｂを有し、かつインバータ２に組み込まれているスイッチング手段４と、
直流電圧Ｖｅを生成するバッテリを構成している蓄積手段５と、
巻線７がインダクタンスとして機能し、一部が示されている単相交流エンジン６と、
付加された補償インダクタンス７′と、
連結手段８と、
スイッチング手段４のための制御回路９と、
インバータ２と蓄積手段５との間に、任意に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ１０とを備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を用いることにより、電圧を適合させ、その結果として、能力を低下させることなく、インバータ２の寸法を最適化することができる。実際には、蓄積手段５の電圧は、１倍から２倍の変動範囲である充電量によって変動する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を用いることにより、インバータ２を、通過電流を２倍以下とする必要がある低い電圧のものとすることができる。

連結手段８は、単相電子回路網１１の出力端子に連結することができる。この連結手段８は、図示していないが、充電装置１の充電中に、電気出力端子に接触できないようにするロック手段を備えることができる。また、連結手段８には、電力供給モードのときに、ユーザが（通電している）導体に接触できないようにする第２ロック手段（図示せず）を併設させることができる。

図２から了解しうるように、単相交流エンジン６の巻線７は、単相電子回路網１１の相Ｐに連結されている。この巻線７は、第１スイッチングアームＡの中間点に連結され、第２スイッチングアームＢは、単相電子回路網１１の中性点Ｎに連結される補償インダクタンス７′に連結されている。また、単相電子回路網１１の中性点Ｎは、グランドに連結されている。

図示の実施形態において、充電装置１は、
バッテリ５（蓄積手段）から単相交流エンジン６に交流電流の電力を供給する電力供給モードと、
単相交流エンジン６の巻線７をインダクタンスとして利用し、グランドに連結された単相電子回路網１１からバッテリ５（蓄積手段）を充電する充電モード
との２つのモードで動作するように構成されている。

電力供給モードから充電モードへの切り替えは、制御回路９によって処理することができる。

制御回路９は、第１スイッチングアームＡおよび第２スイッチングアームＢのそれぞれの２個のスイッチ１２を制御する。電力供給モードでは、制御回路９は、単相交流エンジン６の相に交流電流が循環できるように、第１スイッチングアームＡおよび第２スイッチングアームＢを制御する。この実施形態における反転ダイオードを有するパワートランジスタであるスイッチ１２は、従来からの正弦波ＰＷＭ制御により制御される。ＰＷＭは、「パルス幅変調」（α）の略語である。

一方、充電モードでは、２つの第１スイッチングアームＡおよび第２スイッチングアームＢは、低周波電流を補償するために独立して制御される。

より具体的には、制御回路９は、ＰＦＣ（力率改善回路）として機能させるために、正弦波電流を吸収する第１スイッチングアームＡを制御する。

第２スイッチングアームＢは、補償インダクタンス７′の端子電圧と位相が逆の交流電圧を生成するために制御される。

実際には、第２スイッチングアームＢが標準モデル化されている図３を参照すると、単相電子回路網１１の中性点Ｎとグランドとの間の電圧Ｖ_Nは、補償インダクタンス７′の端子電圧と第２スイッチングアームＢの端子電圧との和に等しいことが了解できると思う（（１）式）。

Ｖ_N＝Ｚ_L・Ｉ_AC＋Ｖ_X＋ｋ （１）
（Ｚ_L＝補償インダクタンス７′のインピーダンス、Ｉ_AC＝単相電子回路網１１により供給される交流電流、Ｖ_X＝第２スイッチングアームＢにより生成される交流電圧、ｋ＝第２スイッチングアームＢにより生成される直流電圧）。

正弦波の場合、補償インダクタンス７′の端子電圧は、（２）式により表される。

Ｚ_L・Ｉ_AC＝Ｌ・ｗ・Ｉ・cos（ｗ・ｔ） （２）
（Ｌ＝インダクタンス、ｗ＝角周波数）

従って、電圧Ｖ_Xが補償インダクタンス７′の端子電圧Ｌ・ｗ・Ｉ・cos（ｗ・ｔ）と反対の値であれば、単相電子回路網１１の中性点Ｎとグランドとの間の電圧Ｖ_Nは、一定である（（３）式）。

Ｖ_N＝Ｌ・ｗ・Ｉ・cos（ｗ・ｔ）−Ｌ・ｗ・Ｉ・cos（ｗ・ｔ）＋ｋ
Ｖ_N＝ｋ （３）

このため、制御回路９は、第２スイッチングアームＢを開ループ方式で制御することができる（図１ａおよび図４）。この場合、補償インダクタンス７′のインダクタンスＬは、電流Ｉの値として正確に分かる値である。このとき、システムは安定している。従って、パルス幅αは、補償インダクタンス７′の端子電圧とは反対の平均値−Ｌ・ｗ・Ｉ・cos（ｗ・ｔ）に等しい値が選択される。

この充電方法では、第２スイッチングアームＢのスイッチ１２は、補償インダクタンス７′の端子電圧とは反対の平均値に等しいパルス幅変調制御信号αにより制御される。

他の実施形態として、制御回路９は、第２スイッチングアームＢを閉ループ方式で制御することができる（図１ｂおよび図５）。この場合、単相電子回路網１１の中性点Ｎとグランドとの間の電圧Ｖ_Nは、補償インダクタンス７′のインダクタンスＬまたは電流Ｉを知る必要はなく、目標値ｋに拘束される。

このため、充電装置１は、
−中性点Ｎとグランドとの間の電圧を測定する電圧測定手段１４と、
−測定された電圧を目標値ｋと比較する比較器１６と、
−中性点Ｎとグランドとの間の電圧が変動したとき、ＰＷＭ制御信号のパルス幅αを調整する補正器１８とを備えている。

電圧Ｖ_Nが切り替えられるため、電圧を取得するための復帰サブシステムには、フィルタＦが必要である。

このように、充電方法では、第２スイッチングアームＢのスイッチ１２は、単相電子回路網１１の中性点Ｎとグランドとの間の電圧Ｖ_Nが目標値ｋに拘束されるため、パルス幅が一定に適合される制御信号により制御される。

この目的を達成するために、電圧Ｖ_Nが測定され、目標値ｋと比較され、電圧Ｖ_Nが変動するときには、パルス幅αがそれに従って補正される。

従って、電圧Ｖ_Nは、低周波の外乱を抑止することのできる一定値である。

加えて、高周波外乱を抑止するため、ローパスフィルタを構成するキャパシタおよび抵抗器を補償インダクタンス７′に直列に接続することができる。

さらに、ここでは、２つの第１スイッチングアームＡおよび第２スイッチングアームＢを有するインバータが示されている。図６に示す変形例によれば、２つの混合Ｈ型ブリッジを有するインバータを提供することができる。第１Ｈ型ブリッジは、２つのスイッチングアームＣおよびＣ′で構成され、第２Ｈ型ブリッジは、２つのスイッチングアームＤおよびＤ′で構成されている。

その動作は、詳述した上記の実施形態と同様である。この場合、実際には、アームの１つ、例えば、第４スイッチングアームＤ′は、上述した第２スイッチングアームＢと同様に制御される。また、他のスイッチングアームＣ、Ｃ′およびＤは、上述した実施形態の第１スイッチングアームＡのような力率改善回路ＰＦＣとしての機能を発揮する。

このように、ハイブリッド自動車または電気自動車の単相交流エンジン６を駆動するバッテリを充電に特に適した充電方法においては、単相電子回路網１１の中性点Ｎとグランドとの間の一定の電圧ＶNを維持することにより、低周波外乱を容易に除去することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

特に、エンジンは、単相交流エンジン６以外のものであってもよい。エンジンは、単相回路網または他の相数を有する回路網で動作することができる。

本発明は、蓄積手段を充電するものに限定されるものではない。本発明は、システムが蓄積手段の充電装置の一部を構成するか否かによらず、回路網の中性点とグランドとの間の電圧が直流電圧であるため、少なくとも、第１スイッチングアームおよび第２スイッチングアームを備え、それぞれが２個のスイッチを有し、各スイッチを制御する電子回路網に連結されているシステムに広く適用することができる。

如何なる場合においても、スイッチは、インバータの一部とすることができ、また、インダクタンスは、エンジンの相を規定することができる。

１ 充電装置
２ インバータ
４ スイッチング手段
５ バッテリ（蓄積手段）
６ 単相交流エンジン
７ 巻線
７′ 補償インダクタンス
８ 連結手段
９ 制御回路
１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 単相電子回路網
１２ スイッチ
１４ 電圧測定手段
１６ 比較器
１８ 補正器
Ａ 第１スイッチングアーム
Ｂ 第２スイッチングアーム
Ｎ 中性点

Claims (14)

1. 外部電子回路網（１１）に接続されたシステムのスイッチ（１２）を制御する制御方法において、
   前記システムは、少なくとも、第１スイッチングアーム（Ａ）および第２スイッチングアーム（Ｂ）を備え、それぞれが２個のスイッチ（１２）を有し、該２個のスイッチ（１２）はインバータ（２）の一部であり、
   パルス幅（α）変調制御信号を送信することにより、前記第１スイッチングアーム（Ａ）および第２スイッチングアーム（Ｂ）の各スイッチ（１２）を制御するステップを有し、
   前記第２スイッチングアーム（Ｂ）の各スイッチ（１２）は、一方が第２スイッチングアーム（Ｂ）に接続され、かつ他方が前記外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）に接続されている補償インダクタンス（７′）の端子電圧に対して、逆位相の交流電圧（Ｖ_Ｘ）を生成するように、制御信号のパルス幅（α）を適応させて制御され、前記外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）と、グランドとの間の電圧（Ｖ_Ｎ）が、直流電圧となるようになっており、前記補償インダクタンス（７′）は、エンジンの相を規定していることを特徴とするスイッチ制御方法。
2. 外部電子回路網（１１）と、それぞれが２個のスイッチ（１２）を備える少なくとも第１スイッチングアーム（Ａ）および第２スイッチングアーム（Ｂ）とを介して、蓄積手段（５）を充電する充電方法において、
   この充電方法は、少なくとも、パルス幅（α）変調制御信号を送信することにより、前記第１スイッチングアーム（Ａ）および第２スイッチングアーム（Ｂ）の各スイッチ（１２）を制御する請求項１記載のステップを有することを特徴とする蓄積手段（５）の充電方法。
3. 前記第２スイッチングアーム（Ｂ）は、開ループ方式で制御され、前記パルス幅（α）は、前記補償インダクタンス（７′）の交流電圧と反対の平均値に実質上等しくなるように選択されることを特徴とする請求項１記載のスイッチ制御方法。
4. 前記第２スイッチングアーム（Ｂ）は、前記外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）とグランドとの間の電圧（Ｖ_Ｎ）が目標値（ｋ）に拘束されるように、前記パルス幅（α）を変化させる閉ループ方式で制御されることを特徴とする請求項１記載のスイッチ制御方法。
5. 前記電圧（Ｖ_Ｎ）を、外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）とグランドとの間で測定するステップと、
   測定された電圧（Ｖ_Ｎ）を、前記目標値（ｋ）と比較するステップと、
   測定された電圧（Ｖ_Ｎ）が前記目標値（ｋ）と異なる場合、前記パルス幅（α）を、外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）とグランドとの間の電圧（Ｖ_Ｎ）が前記目標値（ｋ）に実質上等しくなるように修正するステップ
   とを備えることを特徴とする請求項４記載のスイッチ制御方法。
6. 前記第１スイッチングアーム（Ａ）は、正弦波電流を吸収するように制御されることを特徴とする請求項１記載のスイッチ制御方法。
7. 外部電子回路網（１１）を介して、交流電流でエンジン（６）を駆動するように構成された蓄積手段（５）を充電するための電子装置において、
   前記電子装置は、
   前記エンジン（６）と前記蓄積手段（５）との間に接続され、それぞれが２個のスイッチ（１２）を有する少なくとも第１スイッチングアーム（Ａ）および第２スイッチングアーム（Ｂ）を有し、前記第１スイッチングアーム（Ａ）および第２スイッチングアーム（Ｂ）は、前記エンジン（６）の相の中間点に連結されるインバータ（２）と、
   パルス幅（α）変調制御信号を送信することにより、前記各スイッチ（１２）を制御する制御回路（９）
   とを備え、
   前記２個のスイッチ（１２）は前記インバータ（２）の一部であり、
   前記電子装置は、前記第２スイッチングアーム（Ｂ）と外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）に連結されている補償インダクタンス（７′）を有し、該補償インダクタンス（７′）は、エンジンの相を規定しており、
   前記制御回路（９）は、前記第２スイッチングアーム（Ｂ）が前記補償インダクタンス（７′）の端子電圧の逆位相の交流電圧を生成するように、パルス幅（α）が適応されている制御信号を送信することにより、前記第２スイッチングアーム（Ｂ）の各スイッチ（１２）を制御するように構成され、前記外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）とグランドとの間の電圧（Ｖ_Ｎ）が直流電圧となるようになっていることを特徴とする電子装置。
8. 前記電子装置は、単相の装置であることを特徴とする請求項７記載の電子装置。
9. 前記電子装置は、開ループ方式で、前記第２スイッチングアーム（Ｂ）を制御するように構成されていることを特徴とする請求項７記載の電子装置。
10. 前記電子装置は、前記中性点（Ｎ）における電圧（Ｖ_Ｎ）を、目標値（ｋ）に拘束する閉ループ方式で第２スイッチングアーム（Ｂ）を制御するように構成され、少なくとも、
    前記外部電子回路網（１１）の中性点（Ｎ）とグランドとの間の電圧（Ｖ_Ｎ）を測定し、測定された電圧（Ｖ_Ｎ）を、目標値（ｋ）と比較し、測定された電圧（Ｖ_Ｎ）が、前記目標値（ｋ）と異なる場合、前記中性点（Ｎ）における電圧（Ｖ_Ｎ）が、前記目標値（ｋ）と実質上等しくなるように、パルス幅（α）の値を補正する処理手段を含むことを特徴とする請求項７記載の電子装置。
11. 前記電子装置は、ローパスフィルタを構成するために、前記補償インダクタンス（７′）に直列に接続されているキャパシタおよび抵抗器を含むことを特徴とする請求項８記載の電子装置。
12. 前記インバータ（２）は、それぞれが２つのスイッチングアーム（Ｃ、Ｃ′、Ｄ、Ｄ′）からなる２つのＨ型ブリッジ構造を有することを特徴とする請求項８記載の電子装置。
13. 前記制御回路（９）は、前記エンジン（６）に対する電力供給モードから、前記蓄積手段（５）に対する充電モードへの切り替え、および、その反対方向の切り替えのために、前記各スイッチ（１２）を制御するように構成されていることを特徴とする請求項８記載の電子装置。
14. 前記第１スイッチングアーム（Ａ）は、前記エンジン（６）の相（７）の第１端子に連結されている中間点を備え、前記第２スイッチングアーム（Ｂ）は、補償インダクタンス（７′）の第１端子に連結されている中間点を備え、前記エンジン（６）の前記相（７）の第２端子は、前記外部電子回路網（１１）の相（Ｐ）に連結される一方、前記補償インダクタンス（７′）の第２端子は、前記外部電子回路網（１１）の前記中性点（Ｎ）に連結されていることを特徴とする請求項８記載の電子装置。

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