JP6054933B2 - 給電および充電に共用される電気装置 - Google Patents

Description

本発明は、給電および充電に共用される電気装置、および共用の方法に関する。本発明は、再充電可能なバッテリによって給電されるモータ、またはオルタネータの分野に属する。

本発明は、インバータを介して、バッテリがモータに給電し、かつ停車時にバッテリが再充電される電気自動車の分野に、特に好ましく応用しうるものである。

しかしながら、このような応用のために特別に設計されてはいるが、この電気装置および方法は、他の分野、特に風力または水力などのエネルギーを発生させる装置に用いることができる。

従来、電気自動車には、インバータに直流電流を送出する高電圧バッテリが積載されている。インバータは、この直流電流を、電気自動車を駆動するモータに給電することができる交流電流に変換する。

このような高電圧バッテリを再充電するために、バッテリを充電するための外部の配電網の交流電流を整流することができる交流−直流コンバータを備えている車載充電装置を、車両に積載することは知られている。車載充電装置は、さらに、配電網の電圧レベルを、高電圧バッテリの電圧レベルに合致させるための直流−直流コンバータを備えていると有利である。

しかしながら、給電システムの電子部品、また充電システムの電子部品は、高価である。別の手法として、モータの一部と、モータへの給電に用いられる部品の一部とを利用して、バッテリを充電する装置を実現することを開示している特許文献１および２に提案されているように、相異なるステージにおいて、モータへの給電とバッテリの充電とが行われる。

したがって、バッテリを充電する装置は、交流−直流コンバータを構成するためにインバータを、またインダクタを構成するためにモータの巻線を用いている。モータへの給電モードから、バッテリの充電モードへの移行は、パワーコンタクタを用いて、中性点接続を断つことによって実行される。

しかしながら、パワーコネクタを使用するには、電気機械の電流を確実に通過させるために、そのパワーコネクタは大規模でなければならないという問題がある。具体的には、一例として、公称３４５Ｖのバッテリによって給電される出力５０ｋＷの牽引システムは、最大トルクを得るために、約３５０Ａの二乗平均平方根電流を必要とする場合がある。ロータがロックされると、この電流は、５００Ａのピーク値に達する場合があり、同時に、現行の規格にしたがって車両が受ける振動および衝撃に耐えなければならない。

ヨーロッパ特許公開第０６０３７７８号公報 国際公開第ＷＯ９７／０８００９号公報

本発明は、モータの構成要素と、インバータの構成要素とを用いることによって、モータへの給電と、バッテリの充電とに共用される電気装置および方法を提供することを目的としている。この装置は、また、給電モードと充電モードとの間の移行のためのパワーコンタクタを不要にすることができる構造を有している。

給電および充電に共用される本発明の電気装置は、交流モータ、インバータ、および蓄電手段を有し、さらに、インバータを介しての交流モータへの給電と、蓄電手段の充電との両方を可能にするスイッチング手段を有している。このスイッチング手段は、インバータ内に組み込まれており、かつ交流モータの各相当たり、少なくとも１つのＨブリッジ構造を備えており、蓄電手段の充電時に、モータの各相の中性点接続を維持することができるようになっている。

電気装置は、蓄電手段の特性に、外部配電網の電圧を適合させることを可能にするＤＣ／ＤＣ（直流−直流）コンバータを、Ｈブリッジ構造と蓄電手段との間に備えている場合がある。

交流モータが三相モータである場合には、スイッチング手段は、３つのＨブリッジ構造を有していると有利である。

電気装置への通電時に、外部配電網への接続のための差し込み口への接触を防止することができるロック手段を備えることもある。

差し込み口は、電気装置の接地手段を備えている場合がある。

本発明は、さらに、少なくとも１つのＨブリッジを有するスイッチング手段を、交流モータに給電するモードから、蓄電手段を充電するモードへのスイッチング、またその逆のスイッチングを可能にするように制御するステップを有する、上述の電気装置に適用される、給電および充電に共用される方法を提供するものである。

交流モータが三相モータである場合には、本発明の方法は、三相モータの一相が損傷した際に、一定振幅の単一の回転磁界を発生させることができるように、他の二相のうちの一方の位相反転を制御するステップを含んでいる場合がある。

三相モータ内に三相配電網への接続線を備える、本発明による電気装置の例示的な一実施形態を概要的に示す図である。 三相インバータへの単層配電網の接続の例示的な一実施形態を概要的に示す図である。 三相インバータへの単層配電網の接続の例示的な別の一実施形態を概要的に示す図である。

図面を参照して、非限定的な例として示す、以下の詳細な実施形態の説明を読むことによって、本発明をよりよく理解することができると思う。

図１には、インバータ２と、インバータ２内に組み込まれており、３つのＨブリッジ３、３’、３’’を有するスイッチング手段４とを備える、本発明による装置１が示されている。

この装置１は、次の２つのモードで作動するようになっている。
− バッテリから成る蓄電手段５から、モータ６に交流電流が給電される給電モードと、
− モータの巻線７をインダクタとして用いることによって、コネクタ８に接続されている外部の配電網から、蓄電手段５を充電する充電モード。

各Ｈブリッジ３、３’、３’’は、それぞれの２本のブリッジアーム（符号ＡおよびＢ、ＣおよびＤ、ＥおよびＦを付されている）に、４つのスイッチ１２を配置されている。従来の三相ブリッジに優るＨブリッジの１つの利点は、それを用いることによって、同一の電圧から、モータの各相に印加される電圧が２倍になるということである。その結果、スイッチ１２の数が２倍になるが、用いられるシリコンの面積は、Ｈブリッジの場合と、従来の三相ブリッジの場合とでほとんど同一である。これは、相電流が２分割されるからである。

Ｈブリッジを用いることによって、さらに、スイッチングに伴う電力損失を少なくすることができる。

装置１は、さらに、蓄電手段５、および巻線７がインダクタとして働くモータ６（部分的に示されている）を備えている。

装置１は、さらに、三相配電網の差し込み口に接続可能なコネクタ８を備えている。このコネクタ８は、充電モード時の装置１への通電中に、三相配電網の差し込み口への接触を防止することができるロック手段（図面には示されていない）を備えている。コネクタ８は、さらに、給電モード時に、ユーザが、（通電されている）導線に接触することを防止する第２のロック手段（図示せず）が組み合わされている。差し込み口は、さらに、装置１の接地手段（図示せず）を備えている。コネクタ８は、ＥＭＣフィルタ（電磁波による障害を防止するためのフィルタ）、および配電網への接続を目的として作られている任意の器具のための従来の保護手段（図示せず）を備えていると有利である。

給電モードから充電モードへの移行は、ブリッジアームＡ〜Ｆのスイッチを駆動する制御回路９によって管理される（図１においては、図面の読み出しを簡単にするために、制御回路９とスイッチとの関の接続は示されていない）。給電モードにおいては、制御回路９は、標準的制御と同様に、三相電流を発生させるブリッジアームＡ〜Ｆの全てを制御する。充電モードにおいては、電気機械のモータ６の巻線７（インダクタを構成する）とともに、昇圧器を実現するブリッジアームＢ、Ｄ、Ｆだけが制御される。

より詳細には、この例においては、制御回路９は、次のようにブリッジアームＡ〜Ｆを駆動する。
− 給電モードにおいては、各Ｈブリッジは、モータの対応する相に交流電流を流すように制御される。モータの三相を流れる交流電流は、従来どおりに、モータが回転するように調和させられる。制御回路９は、従来の正弦波ＰＷＭ（パルス幅変調）制御にしたがって、ブリッジアームＡおよびＢのスイッチ１２（この例では、パワートランジスタである）を駆動することができる。他の２つのＨブリッジも、三相モータの場合には、好ましくは互いに１２０°だけ位相がずれた状態で、同じ正弦波ＰＷＭ制御にしたがって駆動される。
− 三相の充電モードにおいては、インダクタを構成する各巻線７に交流電流が流れ、ＰＦＣ（力率補正）機能が全相で遂行されるように、ブリッジアームＡ、Ｃ、Ｅの各々の２つのスイッチは開かれ、一方、ブリッジアームＢ、Ｄ、Ｆの各々の２つのスイッチは、三相チャージャのための従来の交流制御にしたがって駆動される。

制御回路９は、さらに、モータ６を、劣化モードにおいて作動させることができる。具体的には、モータ６またはインバータ２の故障によって、ある相が損傷した場合に、制御回路９は、モータ６の作動している二相のうちの一方の相の位相を反転させるように制御する。この制御によって、トルク反転を発生させることのない、一定振幅の単一の回転磁界を発生させ続けることができる。このようなことは、相の損傷によって強いトルク反転が引き起こされる、従来の三相ブリッジを用いた装置においては不可能である。

図１を参照すると、装置１は、さらに、Ｈブリッジと蓄電手段５との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータ１０を備えていることが分かる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を用いることによって、電圧を適合させることができ、したがって性能を下げることなく、インバータの定格を最適化することができる。実際、蓄電手段５の電圧は、蓄電手段５の負荷に応じて変動し、この変動比は１：２に達するから、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を用いることによって、インバータ２を通る電流が半分になるまで、インバータ２の定格を、より高電圧に設定することができる。

図２は、単相チャージャを構成する三相のインバータ２を示している。

この例においては、制御回路９は、ブリッジアームＡ〜Ｆを、次のように駆動することができる。
− 給電モードにおいては、図１の装置の給電モードにおける制御（上記参照）と同じ制御がなされる。
− 充電モードにおいては、インダクタを構成する各巻線７に整流された交流電流が流れ、ＰＦＣ機能が関連する相において遂行されるように、ブリッジアームＢ、Ｃ、Ｅ、Ｆは制御されず、すなわち、これらのブリッジアームのスイッチ１２は全て開かれ、ブリッジアームＡおよびＤのスイッチは、単相チャージャのための従来の交流制御にしたがって駆動される。

図３も、単相チャージャを構成する三相のインバータを示している。単相配電網に対するこの第２の解法においては、配電網１１は、ブリッジ整流器を介して、インバータ２に接続されている。配電網１１の電流は、単相のダイオードブリッジ１３によって整流される。

この例においては、制御回路９は、ブリッジアームＡ〜Ｆを、次のように駆動することができる。
− 給電モードにおいては、図１の装置の給電モードにおける制御（上記参照）と同じ制御がなされる。
− 充電モードにおいては、インダクタを構成する各巻線７に整流された交流電流が流れ、ＰＦＣ機能が関連する相において遂行されるように、ブリッジアームＢ〜Ｆは制御されず、一方、ブリッジアームＡのスイッチ１２は、単相チャージャのための従来の交流制御にしたがって駆動される。

請求項によって定められている本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の他の態様を、さらに考え出すことができる。特に、上述の装置を、モータ６の各相にＨブリッジ構造を有する多相システムに拡張することができる。

１ 装置
２ インバータ
３、３’、３’’ Ｈブリッジ
４ スイッチング手段
５ 蓄電手段
６ モータ
７ 巻線
８ コネクタ
９ 制御回路
１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 配電網
１２ スイッチ
Ａ〜Ｆ ブリッジアーム

Claims (6)

1. 三相交流モータ（６）、三相インバータ（２）、蓄電手段（５）およびスイッチング手段（４）を備え、
   前記スイッチング手段（４）は
   −前記三相交流モータ（６）への給電を可能にし、
   −インダクタとして前記三相交流モータ（６）の巻線（７）を用いることによって、単一相の外部配電網（１１）から前記三相インバータ（２）を介して前記蓄電手段（５）への充電を可能にし、
   前記スイッチング手段（４）は、前記三相インバータ（２）内に組み込まれており、かつ前記三相交流モータ（６）の各相当たり、１つのＨブリッジ構造（３、３’、３’’）を備え、
   前記Ｈブリッジ構造（３、３’、３’’）のそれぞれは、ブリッジアーム（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ）に配置されている４つのスイッチ（１２）を備え、
   充電モードにおいて、
   第１相の前記三相交流モータ（６）の前記巻線（７）と、第１相の前記Ｈブリッジ（３）のブリッジアーム（Ｂ）との間の接続点は、前記単一相外部配電網（１１）の第１端子に接続されるように構成されており、
   第２相の前記三相交流モータ（６）の前記巻線（７）と、第２相の前記Ｈブリッジ（３’）のブリッジアーム（Ｃ）との間の接続点は、前記単一相外部配電網（１１）の第２端子に接続されるように構成されており、
   前記第１相のＨブリッジ（３）の他のブリッジアーム（Ａ）の前記スイッチ（１２）と第２相の他のブリッジアーム（Ｄ）の前記スイッチ（１２）とは、交流制御に従って駆動され、その結果それぞれの前記巻線（７）には、整流された交流が流れ、ＰＦＣ機能は、他の前記ブリッジアーム（Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ）の前記スイッチ（１２）が開いた状態で、単一相上で遂行されることを特徴とする電気装置。
2. 前記蓄電手段（５）の特性に、前記単一相外部配電網（１１）の電圧を適合させることを可能にするＤＣ／ＤＣコンバータ（１０）を、前記Ｈブリッジ構造（３、３’、３’’）と前記蓄電手段（５）との間に備えている、請求項１に記載の電気装置。
3. 前記電気装置への通電時に、前記単一相外部配電網（１１）への接続のための差し込み口への接触を防止することができるロック手段を備えている、請求項１または２に記載の電気装置。
4. 差し込み口は、前記電気装置の接地手段を備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気装置。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の給電および充電に共用される電気装置を提供するステップと、
   前記共用される電気装置Ｈブリッジ構造（３、３’、３’’）を有するスイッチング手段（４）において、交流モータ（６）に給電するモードから、蓄電手段（５）を充電するモードへのスイッチング、またその逆のスイッチングを可能にするように制御するステップと、
   充電するステップとを含み、
   前記充電するステップでは、
   前記単一相外部配電網（１１）の第１端子は、第１相の前記三相交流モータ（６）の前記巻線（７）と、第１相の前記Ｈブリッジ（３）のブリッジアーム（Ｂ）との間の接続点に接続され、
   前記単一相外部配電網（１１）の第２端子は、第２相の前記三相交流モータ（６）の前記巻線（７）と、第２相の前記Ｈブリッジ（３’）のブリッジアーム（Ｃ）との間の接続点に接続され、
   前記第１相のＨブリッジ（３）の他のブリッジアーム（Ａ）の前記スイッチ（１２）と第２相の他のブリッジアーム（Ｄ）の前記スイッチ（１２）とは、交流制御に従って駆動され、その結果それぞれの前記巻線（７）には、整流された交流が流れ、ＰＦＣ機能は、他の前記ブリッジアーム（Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｆ）の前記スイッチ（１２）が開いた状態で、単一相上で遂行されることを特徴とする給電および充電に共用する方法。
6. 該三相交流モータ（６）の一相が損傷した際に、一定振幅の単一の回転磁界を発生させることができるように、他の二相のうちの一方の位相反転を制御するステップを含んでいる、請求項５に記載の方法。

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