JP6526800B2 - Dc−dc直列共振コンバータを有したバッテリ充電器を制御する方法 - Google Patents

Dc−dc直列共振コンバータを有したバッテリ充電器を制御する方法 Download PDF

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Description

本発明は広くは電気工学の分野に関し、より詳細にはバッテリ充電器を制御する方法であって、特に電気自動車における車両の駆動電力バッテリの充電制御に有用な方法に関する。
持続可能なモビリティを広く利用可能にするには、家庭の電力網で低コストに再充電可能な電気自動車の開発が求められる。そのような車両は、低電力(特に単相AC電力網に接続している場合には7kWの制限)で作動する駆動電力バッテリ充電器を有しているのが好ましい。
存在し得る充電器の構成としては、絶縁方式充電器と称される、外部の給電網と充電すべき車両との間にガルバニック絶縁を備えたトランスを用いた充電器が存在する一方で、外部の電力網から絶縁されていない充電器が存在し得る。やや高コストであり、なお且つガルバニック絶縁トランスを充電器に組み込むことで追加の体積が発生するものの、絶縁方式充電器を組み込んだ電気自動車では充電中の電気的安全管理が容易であるため、絶縁方式充電器が好まれている。
仏国特許出願第3001091号は、外部の単相電力網による7kWでのスローな充電のために設計された電気自動車の絶縁方式充電器について記載している。この絶縁方式充電器は、出力でDC−DCコンバータ段に接続された入力整流段を含み、DC−DCコンバータ段は昇圧段を介して出力で駆動電力バッテリに接続されている。
DC−DCコンバータ段は、
−入力が入力整流段に接続され出力が共振回路に接続された、インバータ、
−インバータに接続された共振回路、
−共振回路に組み込まれ、トランスの一次巻線と共振コンデンサと共振インダクタとを直列に有する、ガルバニック絶縁トランス、及び
−入力がトランスの二次巻線に接続され、出力が昇圧段に接続された整流器
を含み、
昇圧段は車両の駆動電力バッテリに接続されている。
給電網からバッテリへエネルギーを伝送する際の損失を抑えるため、共振回路のコンポーネントは、トランス内でのエネルギー伝送が共振回路の共振周波数で行われるように選択される。従ってインバータは、共振周波数でAC電流を生じるよう制御される。従って、この目的のため、またスイッチング損失を減らすため、インバータのトランジスタが高い周波数でスイッチされることにより、それらスイッチングが、ゼロ電圧(ZVS即ち「ゼロ電圧スイッチング」として知られる切り替え)及びゼロ電流(ZCS即ち「電流電圧スイッチング」として知られる切り替え)で、共振周波数で実施される。
この種の絶縁方式充電器では、接点における充電オーバーラップによってトランジスタの破損を引き起こす振動が生じないよう、適切なパフォーマンスを得るために、絶縁方式充電器のコンポーネント、特に共振回路の精密な整合が要求される。
本発明の目的の1つは、絶縁方式のバッテリ充電器を制御する方法とともに、そのような充電器の制御システムを提供することにより、従来技術の欠点の少なくとも一部を克服することである。これにより、実装が容易でありながら、絶縁方式充電器のロバスト性を、この充電器のコンポーネントの特性の比較的大きな変化に対して+/−20%の許容差内で向上させることが可能となる。
この目的のため、本発明は、AC給電網に接続された入力整流段に入力が接続されバッテリに出力が接続された、直列共振DC−DCコンバータ、を含むバッテリ充電器を制御する方法を提供する。
前記コンバータは、
少なくとも2つのトランジスタアームを含むフルブリッジであって、前記アームの各々は上トランジスタと下トランジスタを含み、上トランジスタのコレクタは入力整流段の正の出力バスに接続されており、上トランジスタのエミッタは直列共振回路の各端部に接続されており、直列共振回路がコンデンサ、インダクタ、及びトランスの一次巻線を含み、各下トランジスタのコレクタは前記下トランジスタと同じアームの上トランジスタのエミッタに接続されており、各下トランジスタのエミッタは入力整流段の負の出力バスに接続されている、フルブリッジと、
前記直列共振回路と、
一次巻線がフルブリッジに接続され二次巻線が出力整流器の入力に接続された、前記トランスと、
前記上及び下トランジスタのゼロ電圧におけるスイッチングを助ける回路と、
前記バッテリに出力が接続された、前記出力整流器と
を含み、前記方法が、
前記上トランジスタのうちの1つの開放を制御するステップ、及び
前記上トランジスタのうちの前記1つと同じアームの、前記下トランジスタのうちの1つの閉鎖を、前記開放を制御するステップの後のデッドタイム中、制御するステップ
を含み、
前記閉鎖を制御するステップが、前記デッドタイム中の、前記下トランジスタのうちの前記1つの電極間の電圧の見積もりの時間的変動について実行されるテストステップで条件付けられる
ことを特徴とする。
本発明によれば、トランジスタの電極間の不要な電圧振動の存在に起因して、電極間の電圧が最大である瞬間にDC−DCコンバータのトランジスタがターンオンされることが、回避される。本発明者は、実際に、DC−DCコンバータのトランジスタと並列に位置するZVS及びZCSスイッチングを支援するコンデンサの存在が、スイッチング中、トランジスタの開放と同じアームの別のトランジスタの閉鎖との間のデッドタイム中、二次共振をもたらすことを見出した。この二次共振はトランジスタの電極間で振動を引き起こし、結果として、電極間の電圧が最大となるときにトランジスタがターンオンされる可能性が生じる。そして充電器はZVSモードではもはや作動せず、望ましくない電磁放射がかなりの量発生することとなるのみならず、関係するスイッチの電極間で大きな過電圧が発生し、それらスイッチが破損する可能性が生じる。
本発明による制御方法の有利な特徴によれば、前記テストステップ中、前記電圧の時間的変動が解析され、前記閉鎖を制御するステップは、前記電圧が増大していると検知された場合にのみ始動される。
本発明のこの実装形態により、スイッチの開放と閉鎖との間のデッドタイム期間を制限することが可能となり、絶縁方式充電器の効率が最適化される。
本発明による制御方法の更なる有利な特徴によれば、前記電圧が更に、所定の低電圧閾値と高電圧閾値と間の範囲にある場合にのみ、前記制御ステップが始動される。
本発明のこの特徴により、絶縁方式充電器の高効率性を維持しながら、マイナーな電圧振動及びヒステリシス現象をフィルタすることが可能となる。
有利には、前記高閾値が、前記DC−DCコンバータの定格動作における前記下トランジスタのうちの前記1つの電極間の最大電圧の、少なくとも5%未満である。
本発明は、AC給電網に接続可能な入力整流段と、前記入力整流段に入力が接続されバッテリに出力が接続可能な直列共振DC−DCコンバータと、を含むバッテリ充電システムにも関し、前記コンバータは、
少なくとも2つのトランジスタアームを含むフルブリッジであって、前記アームの各々が上トランジスタ及び下トランジスタを含み、上トランジスタのコレクタが入力整流段の正の出力バスに接続されており、上トランジスタのエミッタが直列共振回路の各端部に接続されており、直列共振回路がコンデンサ、インダクタ、及びトランスの一次巻線を含み、各下トランジスタのコレクタが前記下トランジスタと同じアームの上トランジスタのエミッタに接続されており、各下トランジスタのエミッタが入力整流段の負の出力バスに接続されている、フルブリッジと、
前記直列共振回路と、
一次巻線がフルブリッジに接続され二次巻線が出力整流器の入力に接続された、前記トランスと、
前記上及び下トランジスタの、ゼロ電圧におけるスイッチングを助ける回路と、
前記バッテリに出力が接続可能な前記出力整流器と
を含み、前記システムが、
各上トランジスタの開放を制御する手段と、
各下トランジスタの閉鎖を、同じアームの上トランジスタの開放の後のデッドタイム中、制御する手段と、
前記デッドタイム中の、対応する下トランジスタの電極間の電圧の見積もりの時間的変化に応じて、前記閉鎖制御手段を始動する手段と
を含むことを特徴とする。
有利には、本発明による充電システムを始動する前記手段が、前記電圧の増大を検出する手段を含み、前記始動する手段は前記検出手段によって起動する。換言すれば、前記始動手段は、前記電圧が増大している場合にのみ下トランジスタの閉鎖を起動するように設計されている。
有利には、前記電圧が所定の低電圧閾値と高電圧閾値との間の範囲にある場合にのみ、前記始動手段が前記検出手段により起動される。有利には、高閾値が、DC−DCコンバータの定格動作における下トランジスタの電極間の最大電圧の少なくとも5%未満である。
更に、本発明は、一以上のプロセッサで実行されると本発明によるバッテリ充電器を制御する方法を実施するための命令を含んだ、コンピュータプログラムに関する。
本発明による充電システム及び本発明によるコンピュータプログラムは、本発明による制御方法と同様の利点をもたらす。
下記の図面を参照しつつ好ましい実施形態を読むことにより、その他の特徴及び利点が明らかとなるであろう。
好ましい実施形態における、本発明による充電システムを示す。 同じトポロジーであるが本発明を実装していない充電システムの制御を示す。 好ましい実施形態における、本発明による充電システムの制御を示す。 本発明による制御方法のステップを示す。 好ましい実施形態における、本発明による充電システムの制御信号を示す。
図1に示す本発明の1つの好ましい実施形態によれば、本発明による充電システムが、
−単相給電網RESに接続可能な入力整流段、
−入力が入力整流段に接続された、DC−DCコンバータCONV、及び
−入力がDC−DCコンバータCONVに接続され、出力がバッテリBATTに接続可能な、出力整流器RED2
を含み、ここで、バッテリBATTは、約400V(ボルト)の定格電圧を有する電気又はハイブリッド車両の駆動電力バッテリである。
入力整流段は、
−単相給電網RESに接続された、電磁両立性フィルタF、
−給電網によって送達されフィルタFによってフィルタされた電圧からDC電圧を生じる、ダイオードブリッジを含む整流器RED1、及び
−入力が整流器RED1に接続され、出力がコンバータCONVの入力に接続された、力率補正段PFCを含む。この段PFCは、給電網RES上の正弦波電流を確実に吸収し、且つ、力率補正段PFCの出力平滑コンデンサに並列に接続された2つの昇圧アームを含む。
DC−DCコンバータCONVは、
−上トランジスタT3と下トランジスタT4とを含む第1のアーム、及び、上トランジスタT1と下トランジスタT2とを含む第2のアーム、の2つのトランジスタアームを含む、フルブリッジであって、上トランジスタT3及びT1のコレクタが、力率補正段PFCの出力における正のDC電圧バスに接続されており、下トランジスタT4及びT2のエミッタが、力率補正段PFCの負の出力バスに接続されている、フルブリッジと、
−第1の端部が第1のアームの中点、即ちトランジスタT3のエミッタとトランジスタT4のコレクタとの間の接続点に接続され、第2の端部が第2のアームの中点、即ちトランジスタT1のエミッタとランジスタT2のコレクタとの間の接続点に接続された、直列共振回路と、
−一次巻線L1がフルブリッジに接続され二次巻線L2が出力整流器RED2の入力に接続された、トランスTRと、
−ダイオードブリッジ及び出力平滑コンデンサを含み、バッテリBATTに並列接続された、出力整流器RED2と
を含む。ダイオードブリッジの2つのアームの中点はそれぞれ、トランスTRの二次巻線L2の別々の端部に接続されている。
直列共振回路は、直列に接続された、コンデンサC、インダクタL、及びトランスTRの一次巻線L1を含む。
更に、フリーホイールダイオードが、各トランジスタT1、T2、T3、及びT4に並列接続されている。トランジスタT1、T2、T3、及びT4はまた、各トランジスタT1、T2、T3、及びT4に並列の「スナバ抵抗器」と呼ばれる抵抗器に直列に接続されたコンデンサを含むダイポールなどの、ZVS及びZCSスイッチングを助ける回路を備えている(図示せず)。
本発明による充電システムは、例えば、トランジスタT1〜T4を制御するために電子基板に組み込まれた制御手段CMDEも含む。
図2を参照すると、本発明による制御方法が実装されない場合の、DC−DCコンバータCONVの巻線Lを流れる電流Ires、トランジスタT1の制御信号CT1、トランジスタT2の制御信号CT2、及びトランジスタT2の電極間の電圧VT2が、同じ時間軸で示されている。
制御信号CT1が高い値にあるとき、トランジスタT1は閉でありトランジスタT2は開である。従って、トランジスタT2の電極間で、電圧VT2は電圧パルスを形成する。制御信号CT1がゼロ値になると電圧パルスはトランジスタT1の開放直後に急速に減少する。しかしながら、この減少に二次共振ピークP1が後続する。二次共振ピークP1は図2の部分拡大図A1でより正確に見て取れる。トランジスタT2の制御信号CT2は、電圧VT2が二次共振ピークP1のほぼ最大となる瞬間に高い値となることによって、トランジスタT2の閉鎖を制御することが見て取れる。即ち、充電システムがもはやZVSモードで作動しないことを意味する。この図2では他の共振ピークが見て取れる。他の共振ピークは、トランジスタのスイッチングと同じアームの他のトランジスタのスイッチングとの間のデッドタイムに現れるからである。
図3を参照すると、本発明による制御方法が実装された場合の、DC−DCコンバータCONVの巻線Lを流れる電流Ires、トランジスタT1の制御信号CT1、ランジスタT2の制御信号CT2、及びトランジスタT2の電極間の電圧VT2が、同じ時間軸で示されている。
この図3では、トランジスタT2の電極間の電圧VT2は、トランジスタT1の開放の直後、トランジスタT1の開放とトランジスタT2の閉鎖との間のデッドタイムTm中、急速に減少している。トランジスタT2の電極間の電圧VT2の時間的変動は、図3のこの部分の拡大図A2でより正確に示されている。デッドタイムTm中、トランジスタT2の電極間の電圧VT2の二次共振P2は、図2の二次共振ピークP1よりもはるかに小さい。実際、トランジスタT2の閉鎖は、この二次共振P2中、電圧VT2の上昇の開始時に実行される。従って、このスイッチング方式は、トランジスタT2が閉のとき、即ち二次共振が共振ピークに到達するよりもかなり前に、電圧VT2の値がゼロ値になるので、二次共振P2を抑制する。従って、本発明により、スイッチング支援回路に起因する二次共振現象にもかかわらず、充電システムのZCS及びZVSモードでの作動が可能となる。
本発明による制御方法は、図4に示すステップE1〜E3を含むアルゴリズムの形態で表される。
方法は電子制御手段CMDE内で実施される。
ステップE1は、本発明による充電システムの上トランジスタ、この実施例ではトランジスタT1の開放命令である。このステップは、図5に示すトランジスタT1の制御信号CT1をゼロに設定することに対応する。
次のステップE2は、下トランジスタT2の電極間の電圧VT2の測定値信号について実行される、テストステップである。このステップで、時間tで測定された電圧VT2と先行する時間t−1での電圧Vt2の先行する測定値との間の差を計算することにより、電圧VT2の時間的変動が監視される。この差が正である場合、電圧VT2が、例えば、低閾値0Vと本発明による充電システムの定格動作中の電圧VT2の最大値よりもはるかに低い高閾値Shとの間の範囲にあることが、更に検証される。この高閾値Shは、例えば、トランジスタT2の定格動作における電極間の最大電圧の5%に固定されている。
これらの条件が検証された場合、即ち電圧VT2の測定値信号が低閾値と高閾値Shとの間の範囲にあり、且つ、この信号の導関数が正である場合には、トランジスタT2の閉鎖を承認する信号EN_T2が高い値に設定される。
信号EN_T2が高い値にあり、トランジスタT2の制御信号PWM_T2も高い値にある場合、方法は次のステップE3に進む。制御信号PWM−T2は、同じアームのスイッチのスイッチングとトランジスタT2の制御デューティサイクルの発生との間で最小限のデッドタイムの間に存在することを保証する。
次のステップE3は、トランジスタT2の閉鎖の命令であり、トランジスタT2の制御信号CT2を高い値に設定することに対応する。
これらのステップがブリッジの他のアームでシンメトリカルに繰り返されることに留意されたい。トランジスタT3の開放において、方法は、トランジスタT4の閉鎖を承認する前に、トランジスタT4の電極間の電圧が増大し0Vの低閾値と高閾値Shとの間の範囲となるのを待つ。
この実施形態で充電システムは単相給電網を用いているが、本発明は、ZVS及びZCSモードで作動する直列共振DC−DCコンバータであるが三相給電網を用いた充電システムで使用されてもよいことに留意されたい。実際、そのような変形実施形態では、2つのアームを有する整流器ブリッジの使用よりも、入力整流段で3つのアームを有する整流器ブリッジを用いれば十分である。同様に、本発明は、この実施形態に示されたものとはやや異なるトポロジーで実施されてもよい。実際、充電システムの入力における力率補正段又は電磁両立性フィルタの存在は、ネットワーク接続基準に適合させるには好ましいものの、本発明の実施及び運用には必須ではない。同様に、充電システムの平滑コンデンサもまた本発明の実施には必要不可欠ではない。

Claims (9)

  1. AC給電網(RES)に接続された入力整流段に入力が接続され、バッテリ(BATT)に出力が接続された、直列共振DC−DCコンバータ(CONV)、を含むバッテリ充電器(BATT)を制御する方法であって、前記コンバータ(CONV)が、
    少なくとも2つのトランジスタアームを含むフルブリッジであって、前記アームの各々が上トランジスタ(T3,T1)と下トランジスタ(T4,T2)とを含み、上トランジスタ(T3,T1)のコレクタが入力整流段の正の出力バスに接続されており、上トランジスタ(T3,T1)のエミッタが直列共振回路の各端部に接続されており、直列共振回路がコンデンサ(C)、インダクタ(L)、及びトランス(TR)の一次巻線(L1)を含み、各下トランジスタ(T4,T2)のコレクタが前記下トランジスタ(T4,T2)と同じアームの上トランジスタ(T3,T1)のエミッタに接続されており、各下トランジスタ(T4,T2)のエミッタが入力整流段の負の出力バスに接続されている、フルブリッジと、
    前記直列共振回路と、
    一次巻線(L1)がフルブリッジに接続され二次巻線(L2)が出力整流器(RED2)の入力に接続された、前記トランス(TR)と、
    前記上(T3,T1)及び下(T4,T2)トランジスタのゼロ電圧でのスイッチングを助ける回路と、
    出力が前記バッテリ(BATT)に接続された、前記出力整流器(RED2)と
    を含み、前記方法が、
    前記上トランジスタ(T1)のうちの1つの開放を制御するステップ(E1)と、
    前記上トランジスタのうちの前記1つと同じアームの前記下トランジスタ(T2)のうちの1つの閉鎖を、前記開放を制御するステップ(E1)の後のデッドタイム(Tm)中、制御するステップ(E3)と
    を含み、
    前記閉鎖を制御するステップ(E3)が、前記デッドタイム(Tm)中の、前記下トランジスタ(T2)のうちの前記1つの電極間の電圧(VT2)の見積もりの時間的変化について実行されるテストステップ(E2)により、条件付けられることを特徴とする、方法。
  2. 前記テストステップ(E2)中、前記電圧(VT2)の時間的変化が解析され、前記閉鎖(E3)を制御するステップが、前記電圧(VT2)が増大していることが検知される場合にのみ始動されることを特徴とする、請求項1に記載の制御方法。
  3. 前記閉鎖(E3)を制御するステップが、前記電圧(VT2)が、更に、所定の低電圧閾値と高電圧閾値(Sh)との間の範囲にある場合にのみ始動されることを特徴とする、請求項2に記載の制御方法。
  4. 前記高閾値(Sh)が、前記DC−DCコンバータ(CONV)の定格動作における前記下トランジスタ(T2)のうちの前記1つの電極間の最大電圧の、少なくとも5%未満である、請求項3に記載の制御方法。
  5. AC給電網(RES)に接続可能な入力整流段と、前記入力整流段に入力が接続され、バッテリ(BATT)に出力が接続可能な、直列共振DC−DCコンバータ(CONV)と、を含むバッテリ充電システム(BATT)であって、前記コンバータ(CONV)が、
    少なくとも2つのトランジスタアームを含むフルブリッジであって、前記アームの各々が上トランジスタ(T3,T1)と下トランジスタ(T4,T2)とを含み、上トランジスタ(T3,T1)のコレクタが入力整流段の正の出力バスに接続されており、上トランジスタ(T3,T1)のエミッタが直列共振回路の各端部に接続されており、直列共振回路がコンデンサ(C)、インダクタ(L)、及びトランス(TR)の一次巻線(L1)を含み、各下トランジスタ(T4,T2)のコレクタが前記下トランジスタ(T4,T2)と同じアームの上トランジスタ(T3,T1)のエミッタに接続されており、各下トランジスタ(T4,T2)のエミッタが入力整流段の負の出力バスに接続されている、フルブリッジと、
    前記直列共振回路と、
    一次巻線(L1)がフルブリッジに接続され二次巻線(L2)が出力整流器(RED2)の入力に接続された、前記トランス(TR)と、
    前記上(T3,T1)及び下(T4,T2)トランジスタのゼロ電圧でのスイッチングを助ける回路と、
    出力が前記バッテリ(BATT)に接続可能な、前記出力整流器(RED2)と
    を含み、前記システムが、
    各上トランジスタ(T3,T1)の開放を制御する手段と、
    各下トランジスタ(T4,T2)の閉鎖を、同じアームの上トランジスタ(T3,T1)の開放後のデッドタイム(Tm)中、制御する手段と
    を含み、前記デッドタイム(Tm)中の、対応する下トランジスタ(T2)の電極間の電圧(VT2)の見積もりの時間的変化に応じて、前記閉鎖制御手段を始動する手段を含むことを特徴とする、システム。
  6. 前記始動する手段が、前記電圧(VT2)の増大を検出する手段を含み、前記始動する手段が前記検出する手段によって起動されることを特徴とする、請求項5に記載の充電システム。
  7. 前記始動する手段が、前記電圧(VT2)が所定の低電圧閾値と高電圧閾値(Sh)との間の範囲にある場合にのみ、前記検出する手段によって起動されることを特徴とする、請求項6に記載の充電システム。
  8. 前記高閾値(Sh)が、前記DC−DCコンバータ(CONV)の定格動作における前記下トランジスタ(T2)の電極間の最大電圧の少なくとも5%未満である、請求項7に記載の充電システム。
  9. 一以上のプロセッサで実行されると請求項1から4の何れか一項に記載のバッテリ充電器(BATT)を制御する方法を実施するための命令を含む、コンピュータプログラム。
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