JP6526804B2 - 電気自動車またはハイブリッド自動車に用いられる、ガルバニック絶縁なしのバッテリ充電器の中性電流設定値を補正する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、車載の自動車用バッテリ充電器に関し、特に、電力供給ネットワークの擾乱に対するこの種の充電器の利用に関する。

ガルバニック絶縁なしの車載充電器は、電力供給ネットワークの擾乱の影響を受けやすく、特に、低周波電圧に高調波の影響が出る。場合によっては、擾乱が発生したネットワークに接続されることで負荷が遮断される可能性があるが、これはユーザにとって望ましくない。過電流の発生もまた起こり得、その場合、パワー電子機器には苛酷となる。こうした過電流もまた、負荷の遮断の誘因となる。

これを防ぐ１つの解決法は、充電器内を流れる電流に対するマージンを広くとることである。しかしこれには、充電器の出力が低下するという短所がある。さらに、負荷の利用に万全を期すべく、ネットワークの品質を無視して、使用状況に関わらず充電器の出力を低下させるということなどもまた、ユーザにとって許容し難いと思われる。

したがって、高負荷の出力と、電力供給ネットワークの品質に関係なく負荷を利用する可能性との間で協調を図るという、技術的な課題が存在する。

従来から、下記の文献が知られている。

文献ＷＯ２０１２０５２１９０では、電力生成システムと送電網との間の電気接続に発生している擾乱を、分解して緩和することが開示されている。この文献には、好適に適合された電流を注入することによって、送電網の品質向上を可能にするシステムが、記載されている。これは、完全系であり、自動車用には適合不能である。

文献ＥＰ１６６５４９５は、送電網の擾乱中に風力タービンを稼働する方法を開示している。この文献は、風力タービンシステムによって供給される電力が、送電網内の障害の発生に応じて変動することを示している。

これらの文献は、自動車の領域からは離れたものであり、この領域において高負荷の出力と負荷の利用可能性との間で協調を図ることについては、何らの情報をも提供していない。

本発明の目的は、ガルバニック絶縁なしの、電気自動車またはハイブリッド自動車用バッテリ充電器であって、電力供給ネットワークから電力供給されるバッテリ充電器の、中性電流設定値を補正する装置の発明である。

図１は、ガルバニック絶縁なしの車載充電器のメインユニットを示す。三相ネットワーク１が、参照番号２の降圧整流器に接続されている。ダイオード３のカソードは、降圧整流器２の第１の出力に接続されており、ダイオード３のアノードは、降圧整流器２の第２の出力に接続されている。降圧整流器２の第１の出力は、電気機械４のインダクタンス８に接続されており、前記インダクタンスは、参照番号５の昇圧型インバータに接続されている。昇圧型インバータ５の出力は、バッテリ６に接続されている。

中性電流は、降圧整流器２の第１の出力と、ダイオード３のカソードと、電気機械４との間で、電流測定センサ７によって測定される。文献ＦＲ２９４３１８８は、上記のような充電器の構造を、より詳細に示している。

概して、本願において「中性電流」とは、入力整流器の後に通常、昇圧ステージが続いてなる、ガルバニック絶縁なしの充電器の入力整流器の出力バスからの直流である。「中性電流」の用語は、文献ＦＲ２９４３１８８の場合、この電流が、充電器の昇圧ステージで再利用される固定子コイルであるエネルギー貯蔵インダクタンスの中性入力に到達していることによる。本発明はまた、少なくとも１つの整流器ステージを含む、他のタイプの充電器にも適用される。電流計７と固定子コイル８との間にインダクタンスが直列で追加された文献ＦＲ２９４３１８８の変形形態では、「中性電流」は、前記の追加のインダクタンスを通る電流のことである。

本装置は、電力供給ネットワークの電圧測定値に応じてネットワークの瞬時周波数を決定することが可能な位相ロックループと、バッテリの電流設定値に応じて中性電流設定値を決定することが可能な調整マッピングとを含む。

本装置はさらに、ネットワークの瞬時周波数に応じてネットワークの周波数変動幅を計算する手段、周波数変動幅の値を入力として受けて、中性電流設定値に対する補正値を出力する補正マッピング、及び補正値を中性電流設定値に加算することによって補正された中性電流設定値を得ることが可能な加算器を含む。

本装置は、中性電流の上昇設定値のローパスフィルタを備え得る。

本装置は、加算器から出力される補正後の中性電流設定値を、中性電流設定値の最大値を超過しないように制限することが可能な、飽和手段を備え得る。

本発明の別の目的は、ガルバニック絶縁なしの、電気自動車またはハイブリッド自動車用バッテリ充電器であって、電力供給ネットワークから電力供給されるバッテリ充電器において、整流器ステージ出力の中性電流設定値を補正する方法である。

方法は、以下のステップを含む。
ネットワークの瞬時周波数が、電力供給ネットワークの電圧測定値に応じて、位相ロックループによって決定されるステップ、及び
中性電流設定値が、バッテリ電流設定値に応じて決定されるステップ。

方法は、以下のステップをさらに含む。
ネットワークの瞬時周波数の変動幅が計算されるステップ、
中性電流設定値の補正値が、ネットワークの瞬時周波数の変動幅に応じて決定されるステップ、及び
中性電流設定値の補正値が、中性電流設定値に対して加算されるステップ。

中性電流設定値の補正値は、パスバンドフィルタを通じてフィルタリングされ得る。

補正後の中性電流設定値が、中性設定値の最大値を超過しないように飽和させることができる。

単なる具体例について、添付図面を参照してなされる後述の説明から、本発明の他の目的、特徴及び利点が明らかとなるであろう。

ガルバニック絶縁なしの車載充電器のメインユニットを示す。 中性電流の、設定値を補正する装置のメインユニットを示す。 中性電流の、設定値を補正する方法の主なステップを示す。

ガルバニック絶縁なしの車載充電器の電力レギュレーションは、三相であれ単相であれ、電気ネットワークの品質に依存する。例えば図１の充電器には、電流計７と固定子コイル８の間に追加されていてよいインダクタンスが示されているが、充電器のコストとサイズを最小化するため、前記インダクタンスは小さいものに留まってよい。これは、ネットワーク上に生じる擾乱が充電器に含まれるレギュレーション機能によって部分的に弱められたとしても、これらの擾乱が充電器の中性電流、即ち降圧整流器２の出力にフィードバックされることを意味している。

こうしたレギュレーションでは、電気周波の現在の位置を決定して三相のパーク変換を実施するため、または降圧整流器の出力における所望の単相電流を計算するため、電気角の値が使用される。電気角の値は、位相ロックループ（ＰＬＬ）によって決定される。

ネットワーク電圧は、以下のように表すことができる（等式１）。
Ｖ（ｔ）＝Ｖ_０ ^＊ｓｉｎ（ωｔ）
Ｖ_０は振幅、ωは脈動、ｔは時間である。

ここで、位相ロックフェーズの出力は、項ωｔに相当する。

文献ＦＲ２９７４２５３に記載された様々な理由によって、中性電流設定値は、常時、入力電流及びバッテリ電流よりも高くなくてはならない。電力供給ネットワーク上に擾乱が存在しているとき、中性電流に擾乱が発生し、これは線電流内へと伝播し得る。線電流は各相内の電流であり、したがって充電器の入力における電流である。この電流は中性電流から構成されているため、充電器の入力電流内には、中性電流の擾乱が存在する。事実上、電力供給ネットワークから所望の電流を引き出すことは不可能という結果となる。ある場合には、擾乱の影響で、レギュレーションによって電流を設定値に維持することができず、この結果、負荷の遮断に結び付き得る。他の場合には、バッテリの電流がシステムにとって危険なレベルに達する程度まで、レギュレーションに擾乱が発生し得る。

実際、システムの正常稼働中には、中性電流は上昇し、次いで充電前のフェーズにおいて電流設定値の付近で振動する。中性電流は、次いでこの設定値の付近でレギュレートされ、わずかに振動する。

しかし、先行技術による充電器では、三相ネットワークの第三次高調波（即ち例えば１５０Ｈｚ）上に９％の擾乱を注入することによって、負荷の遮断が生じてしまう。

この遮断は、約３００Ａに設定され充電器内に存在する、過電流保護（ＯＣＰ）の結果である。この保護は、レギュレーションとは無関係である。

この問題に対する１つの解決法は、上記のように、中性電流設定値の値を引き上げることであろう。より厳密には、中性電流がゼロになることまたはＯＣＰによる負荷の遮断は、線電流がもはや正しく構成され得ないときに発生する。これは、中性電流が低すぎるときに発生する。このとき、線電流に「達する」と呼ばれる。ネットワークにより多くの擾乱が発生するほど、中性電流により多くの擾乱が発生し、所望の線電流が中性電流と同水準になる可能性が増大する。擾乱によって振動が増大しているにもかかわらず中性電流設定値を上昇させることによって、レギュレーションは、よりよく機能する。三相ネットワークの第三次高調波上に９％の擾乱を注入した上記の例では、３０Ａ高くした中性電流設定値によって、顕著な振動にもかかわらず、危険なしにレギュレーション機能を維持することが可能である。したがって、この解決法によって、車両のバッテリが充電を続けることが可能になる。

しかし、中性電流設定値の変更は、制御電子工学の見地から実施されなくてはならない。実際、中性電流設定値は、無限に上昇することはできず、ＯＣＰをトリガーし得る最大中性電流値は、常に順守されなければならない。したがってこの解決法は、最大充電電力に常に適用可能な訳ではないと考えることが可能である。実際、こうした場合、中性電流は既に非常に高く、最大値との差はわずかである。

こうして、ネットワークに擾乱が発生していることが特定可能な場合、中性電流設定値が上昇していれば、擾乱が発生しているネットワーク上の、負荷の利用可能性は向上する。この向上の反面、これら擾乱が発生しているネットワーク上では、擾乱を免れたネットワークと比べて出力が低くなり、したがって充電時間が長くなる。

ネットワークの品質は、位相ロックループの出力を通じて、簡便に且つ確実に、推定することができる。上記のように、位相ロックループによって、等式１を仮定して電圧の正弦波を再構築することが可能になる。

位相ロックループはまた、出力としてｆ＝ω／２πの瞬時周波数も有する。

位相ロックループが完全に機能する場合、ωｔは０と２πとの間で振動する鋸歯状波であり、周波数は一定である。（特に低周波数において）ネットワークにより多くの擾乱が発生するほど、信号ωｔはより大きく変形する。これは、瞬時周波数が一定でないことに相当する。

位相ロックループが正常に機能している場合、周波数は一定であり、周波数変動幅は、何百ミリ秒かを約２〜３％超過する。言い換えれば、ネットワーク上に擾乱がほとんどない場合、フェーズロックループの出力に向けて発せられる周波数は、ほとんど変動しない。

例えばネットワークの第５次高調波の７％の擾乱を注入することによって、擾乱が発生した供給ネットワークをシミュレートすることが可能である。こうした場合、位相ロックループにもまた、充電の前後に、少なくとも１次ぶんはより大きい周波数の変動で、擾乱が発生する。

したがって、位相ロックループの瞬時周波数の出力振幅は、電力供給ネットワークの品質を推定するための信頼できる指標であると結論付けることが可能である。

さらに、擾乱が発生しているネットワークをシミュレートするとき、電流設定値を例えば３０Ａだけ引き上げることによって、ネットワーク周波数の顕著な変動にもかかわらず、バッテリの充電を維持することが可能になることが分かる。

したがって、位相ロックループは、ネットワーク擾乱の信頼できる指標である。

中性電流設定値は、現在、マッピングによって決定されているが、このマッピングは、バッテリ電流設定値に依存している。バッテリ電流設定値は、電力を具現化したもの（ｉｍａｇｅ）である。

こうして、電気供給ネットワークの擾乱時にバッテリを充電する能力を維持するため、中性電流設定値に、調整マッピング１４として知られるこのマッピングに由来する補正値（１１、１２、１３、１５）が加算される。補正値は、位相ロックループ１０に由来する、電力供給ネットワークの周波数変動幅に依存する。位相ロックループの出力における周波数変動に応じた補正値の振幅の決定は、車両の充電器のそれぞれの型に依存する。このため、経験的決定がなされなければならない。

図２は、中性電流設定値を補正する装置９を示す。装置９は、位相ロックループ１０、周波数変動幅を計算する手段１１、補正マッピング１２、ローパスフィルタ１３、調整マッピング１４、加算器１５、及び飽和手段１６を備える。

位相ロックループ１０は、電力供給ネットワークの電圧測定値を入力として受信し、このネットワークの瞬時周波数を出力として発する。

ネットワークの周波数変動幅の計算手段１１は、この瞬時周波数を受信し、周波数変動幅の値を、具体的にはＨｚで発する。

補正マッピング１２は、周波数変動幅の値を入力として受けて、中性電流設定値の補正値を、（特に、中性電流設定値を引き上げて）出力する。例えば、周波数変動幅の値５Ｈｚは、中性電流設定値の３０Ａの上昇に相当し得る。

中性電流設定値の補正値は、設定値の急な変化を防ぐために使用されるローパスフィルタ１３によってフィルタリングされる。

調整マッピング１４は、バッテリ電流設定値に応じた中性電流設定値の決定を可能にする。

加算器１５は、ローパスフィルタ１３に由来する中性電流設定値の補正値が、調整マッピング１４の出力において、中性電流設定値に加算されることを可能にする。

飽和手段１６は、補正後の中性電流設定値が、システムの物理的限界を超過しないように、加算器１５の出力において制限する。実際には、ＯＣＰが存在するため、中性設定値の最大値は無限ではない。

図３は、中性電流設定値を補正する方法を示す。

第１のステップ１８で、バッテリ電流設定値に応じて中性電流設定値を決定する。

第２のステップ１９で、位相ロックループに電力供給ネットワークの電圧測定値を適用して、電力供給ネットワークの瞬時周波数を決定する。

第３のステップ２０で、ネットワークの瞬時周波数変動の変動幅が計算され、次いで第４のステップ２１で、ネットワークの瞬時周波数変動幅に応じて中性電流設定値の補正値が決定される。

第５のステップ２２で、中性電流設定値の補正値がフィルタリングされ、次いで第６のステップ２３で、この補正値を中性電流設定値に加算する。

次いで第７のステップ２４で、補正後の中性電流設定値を、システムのパラメータに応じて、具体的には過電流保護ＯＣＰに関して、飽和させる。

Claims (6)

1. 電気自動車またはハイブリッド自動車に用いられる、ガルバニック絶縁なしのバッテリ充電器において、整流器ステージ出力の中性電流設定値を補正する装置であって、前記充電器は電力供給ネットワークから電力供給可能であり、
   前記装置は、前記電力供給ネットワークの電圧測定値に応じて前記ネットワークの瞬時周波数を決定することが可能な位相ロックループ（１０）と、バッテリ電流設定値に応じて中性電流設定値を決定することが可能な調整マッピング（１４）とを含み、
   前記ネットワークの前記瞬時周波数に応じて前記ネットワークの周波数変動幅を計算する手段（１１）、
   前記周波数変動幅の値を入力として受けて、前記中性電流設定値の補正値を出力する補正マッピング（１２）、及び
   前記補正値を前記中性電流設定値に加算することによって前記中性電流設定値を補正することが可能な加算器（１５）
   を備えることを特徴とする、装置。
2. 前記中性電流設定値の前記補正値のローパスフィルタ（１３）を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記中性電流設定値の最大値を超過しないように、前記加算器（１５）から出力される前記中性電流設定値の前記補正値を制限することが可能な飽和手段（１６）を備える、請求項１または２に記載の装置。
4. 電気自動車またはハイブリッド自動車に用いられる、ガルバニック絶縁なしのバッテリ充電器において、整流ステージ出力の中性電流設定値の補正値を決定する方法であって、前記充電器は電力供給ネットワークから電力供給可能であり、
   前記方法は、前記ネットワークの瞬時周波数が、前記電力供給ネットワークの電圧測定値に応じて、位相ロックループによって決定されるステップ、及び
   中性電流設定値が、バッテリ電流設定値に応じて決定されるステップ
   を含み、前記方法は、
   前記ネットワークの前記瞬時周波数変動幅が計算されるステップ、
   前記中性電流設定値の補正値が、前記ネットワークの前記瞬時周波数変動幅に応じて決定されるステップ、及び
   前記中性電流設定値の前記補正値が、前記中性電流設定値に対して加算されるステップ
   を含むことを特徴とする、方法。
5. 前記中性電流設定値の前記補正値が、ローパスフィルタを通じてフィルタリングされる、請求項４に記載の方法。
6. 補正後の中性電流設定値が、前記中性設定値の最大値を超過しないように飽和させる、請求項４または５のいずれか一項に記載の方法。

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