JP6761014B2 - 電気自動車のためのインバータ - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車のためのインバータに関する。本発明は、対応する電気自動車にさらに関する。

電気工学では、充電ステーションという用語は、エネルギー貯蔵装置を取り外す必要なく、簡単な位置決めまたはプラグ接続により、充電池式のモバイルデバイス、機械、または自動車にエネルギーを供給する役割を果たす任意の据置型装置または電気設備（例えば、電気自動車のトラクションバッテリ）を表す。電気自動車のための充電ステーションは、一般に「充電ステーション」とも呼ばれ、設計に応じて「充電柱」として特徴付けられる複数の充電ポイントを備え得る。

ここで、公知のシステムとして、特に、ヨーロッパで広く使用されているいわゆるコンボ式充電システム（ＣＣＳ）など、直流（ＤＣ）ベースの急速充電システム（高性能充電、ＨＰＣ）がある。一般的なタイプの直流充電では、直流は、充電柱から車両に直接供給される。この目的のために、直流は、強力な整流器によって電力網から、または大型の充電式緩衝バッテリによって太陽光充電ステーションで提供される。車両には、電流強度を適応させるために、または容量限度に達したときにプロセスを終了させるために充電柱と通信するバッテリ管理システムがある。

従来技術によれば、この目的のために必要とされるパワー電子回路は、通常、充電柱に組み込まれ、５０ｋＷの電力限度までの負荷容量を有する。充電柱の直流接続部は、トラクションバッテリの対応する接続部に直接接続される。そのため、高い充電電流が低損失で伝送され得る。これにより、短い充電時間が可能となる。

しかし、現代の高性能電気自動車および多目的自動車では、典型的な急速充電柱の出力電圧（これは多くの場合に４００Ｖ未満である）を時としてはるかに上回る駆動システム用電圧が使用される。それにも関わらず、既存の急速充電柱で充電できるようにするには、充電柱の電圧を車両バッテリのために例えば４００Ｖから８００Ｖに上昇させるＤＣ電圧変換を行う必要がある。

前記ＤＣ電圧変換は、専用のＤＣ−ＤＣコンバータによって行われ得る。しかし、そのようなコンバータは、高出力が要求されるために高価である。また、そのようなコンバータによって大きい構造スペースが占有され、かつ車両重量が大幅に増加する。その結果、走行距離が悪影響を受ける。

例えば、（特許文献１）、（特許文献２）、および（特許文献３）では、ＤＣ−ＤＣコンバータを有する電気自動車のバッテリ安全システムがそれぞれ開示されている。それぞれのシステムは、限度値に達しているかどうかを確認するように構成されている。（特許文献１）および（特許文献２）の場合、電圧限度が確認される。（特許文献３）の場合、温度限度が確認される。

同様に、（特許文献４）は、電力コンバータを有する電気自動車のバッテリ安全システムに関する。このシステムは、限度値に達しておりかつ特定の低圧側スイッチが遮断されるかどうかを確認するための電流および電圧センサを備える。

（特許文献５）では、ＤＣ−ＤＣコンバータを有する電気自動車のバッテリ安全システムが論じられている。このシステムは、限度値に達しているかどうかを確認すめるための温度センサを備える。

あるいは、車両の駆動インバータがＤＣ−ＤＣコンバータとして使用され得る。この場合、（位相からスターポイントへの）電気機械の位相インダクタンスによって変換が行われる。駆動インバータおよび機械の使用における大きい問題は、重畳交流（リップル電流）である。重畳交流（リップル電流）は、多くの場合に機械位相インダクタンスが低いこと、および車両で使用される低速絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の可能なスイッチングレートが低いことによって生じる。現在の車両の非常に高い充電電力（村１つ分の電力供給に相当する１００〜５００ｋＷ）の場合、この電流および電圧リップルにより、車両内の多くの高感度電子システムで強い電磁干渉が生じ、かつ加熱を伴うエネルギー損失が増加する。

米国特許出願公開第２００４１７８７５６Ａ号明細書 米国特許出願公開第２００９２３０９１７Ａ号明細書 米国特許出願公開第２０１３１８７４４６Ａ号明細書 米国特許出願公開第２０１７１２６１６５Ａ号明細書 米国特許第５６８７０６６Ａ号明細書

本発明は、独立請求項で特許請求される、電気自動車のためのインバータおよび対応する電気自動車を提供する。

本発明による手法は、電気機械の引き出されたスターポイントに直流充電柱の正極を接続できるという洞察に基づいている。一方、充電柱の負極は、高電圧バッテリ（ＨＶバッテリ）の負の電位に接続される。

電気機械の位相インダクタンスを用いることにより、およびインバータの半導体素子の適切な駆動により、インバータは、いわばステップアップコンバータ、ブーストコンバータ、またはステップアップ制御装置として使用され得る。前記ブーストコンバータにより、充電柱のより低い電圧がＨＶバッテリの電圧に変換される。そのため、追加の充電電子回路（例えば、さらなるＤＣ−ＤＣコンバータ）を使用することなく、従来の充電柱で高電圧バッテリを充電することが可能になる。

位相の複雑な駆動と、高い電流および電圧リップルとにより、充電プロセス中の動作リスクが高まる。あらゆる起こり得る事象を考慮した安全構造は、ユーザおよび構成部品の保護に不可欠である。

本願で提案される解決策の利点の１つは、充電プロセス中の適切な動作を保証し、かつ電流、電圧または温度が超過した場合に自動的に介入する安全構造をもたらすことにある。

本発明のさらなる有利な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明の１つの例示的実施形態が図面に示され、以下でより詳細に説明される。

電気ドライブトレインの概略構成を示す。 充電電流の第１の時間プロファイルを示す。 充電電流の第２の時間プロファイルを示す。 本発明による第１の制御ループの一部を示す。 本発明による第２の制御ループの一部を示す。 過電圧保護のためのクローバ回路を示す。 電子制御式の放電デバイスを示す。 充電電流の第３の時間プロファイルを示す。 電流センサの閾値スイッチを概略的に示す。 電流センサを備えるドライブトレインの構成を示す。 電圧センサの閾値スイッチを示す。 充電柱に接続された第１の電気自動車を示す。 両方の車軸で駆動される第２の電気自動車を示す。 フィルタの代替の実施形態を示す。

図１では、電気自動車に組み込まれ、かつ高電圧トラクションバッテリ（１１）を備えるドライブトレインの概略構成を示す。高電圧トラクションバッテリ（１１）には、バッテリ自体によって制御されるバッテリ接触器（２９）が一体化されている。車両は、少なくとも３つの相を有するインバータ（１０）であって、トラクションバッテリ（１１）のＤＣ電圧を三相ＡＣ電圧に変換するインバータ（１０）と、電気エネルギーを、車両を動かす機械エネルギーに変換するための三相モータ（１２）とをさらに有する。

三相モータ（１２）のスターポイント（２５）（図中で識別される）は、走行動作中にエネルギーの流れ方向に反して作用するブーストコンバータを形成するためのアクセスとして使用され得る。この場合、三相モータ（１２）の位相インダクタンスは、ＤＣ−ＤＣコンバータのブーストインダクタンスとして機能する。通常、三相モータでの前記スターポイント（２５）は、アクセス可能でも電気的に接触可能でもない。しかし、本発明による車両では、前記スターポイント（２５）は、意図的に三相モータ（１２）のハウジングから引き出され、任意選択のヒューズ（３１）を有する充電ソケット（３３）を介して４００Ｖ ＤＣ充電ステーション（３５）に接続される。

安全アーキテクチャは、好ましくは、ハードウェアに関して監視される以下の入力基準に基づく：ＡＣおよびＤＣ電流限度、トラクションバッテリ（１１）に対するインバータ（１０）のリンク回路の出力でのＤＣ電圧限度、およびトラクションバッテリ（１１）がインバータ（１０）から切断される場合に関するバッテリ接触器（２９）の任意選択の信号。さらに、狭められたまたは電流信号から数学的に導出された電流および電圧に関する温度限度および追加の限度を提供することが可能である。

特に、ソフトウェアを用いたプログラミングを可能にしないデジタルまたはアナログ電子回路により、ハードウェア実装またはハードウェア回路内での実装が存在する。

生じ得る故障応答には、ローサイドスイッチ（１３）の遮断、アクティブ放電の作動、ローサイドスイッチ（１３）のデューティサイクルまたはデューティファクタによる電流励起の減少が含まれる。これに関連して、低圧側（ローサイド）という用語は、図面に従って常に回路の下側を表す。前記下側は、図１では参照符号１３によって識別される。

ハードウェアに関して監視される動作限度を超える場合、（少なくとも関連する位相の）動作を直接中断しなければならない。

インバータ（１０）の個々のまたは全ての位相のローサイドトランジスタが遮断される場合、すなわちローサイドトランジスタをオンに切り替えることが防止される場合、電流は、電気機械のインダクタンスＬ_emにさらに伝達されず、また増加しない。むしろ、電流は、以下の割合でゆっくりと放電される。

ローサイドスイッチ（１３）は、ハードウェアに関して様々な方式で遮断され得る。限度を超えたときに、対応するローサイドスイッチ（１３）の駆動電子回路（例えば、電界効果トランジスタの場合にはゲートドライバ）の電圧供給（例えば、１２Ｖ、１５Ｖまたは２０Ｖ）が切断され得る。この切断は、好ましくは、通常オフの挙動を示す回路によって行われ得る。すなわち、駆動用の供給電圧を提供するために、限度をチェックする回路からの明示的なイネーブルが必要とされる。

あるいは、ゲートドライバのための制御信号は、安全限度をチェックする回路のイネーブル信号とオンコマンドとを組み合わせた論理回路、例えばＡＮＤゲートを用いて得られる。

１相のみで発生する限度超過、例えば１相のＡＣ電流センサでの電流限度の超過の場合、全ての位相のローサイドスイッチ（１３）を遮断する代わりに、対応する位相のローサイドスイッチ（１３）のみを遮断することも可能である。その後、電力が他の位相に分散され、その位相の限度も同様に超える場合、それに対応して、超過が識別されると直ちにその位相のスイッチがオフに切り替えられる。

インバータでのＡＣ電流センサの役割には、通常、閉ループ制御のための接続された三相モータ（１２）の位相電流を測定することが含まれる。例えば、モータ動作中の電力流入を測定するために、ＤＣ電流センサがさらに設けられ得る。

多くの駆動インバータでは、ｎ個の位相があると仮定して、ｎ−１個のＡＣ位相電流センサのみが実装される。この場合、位相は、１つの専用のセンサによって直接監視され得る。一方、残りの位相の電流強度は、ＤＣ電流センサによって測定された値、またはＡＣ電流センサ値とＤＣ電流との差によって決定される。

対照的に、位相ごとにＡＣ電流センサがある場合、基本的にＤＣ電流センサを省略することが可能である。しかし、追加の電流センサにより、冗長性の結果として安全性が向上し、さらに測定誤差の補正が可能になる。

また、ＤＣ値は、全ての位相の合計電流も示す。さらに、ＤＣ値を使用して、特定の精度内で位相電流の和と一致しない場合に故障を示すことができる。

本発明の意味において、応答をトリガする起こり得る故障事例は、例えば、以下のようなものである。
− 測定値の不一致：冗長電流および／または電圧センサの値が、所定の値および／またはパーセンテージ比を超えて互いにまたは予想される関係（例えば、キルヒホッフの法則）に矛盾する（好ましくは、少なくともハードウェア監視および応答による実装）。
− あり得ない、例えば非物理的な値（例えば、高いノイズ）の検出。
− センサの故障の検出（好ましくは、少なくともハードウェア監視および応答による実装）。
− 車両と充電柱との間の通信の喪失。
− 所定の限度値（電圧、電流、温度）の超過（好ましくは、少なくともハードウェア監視および応答による実装。適切であれば、例えばソフトウェアでの追加的なソフト限度を伴う）。
− プラグオフ識別のトリガ。
− インバータの制御システムと、好ましくはバスを介してインバータの制御システムと通信する上位の車両制御システムとの間の通信の喪失。
− 例えば、インバータの信号受信ユニットまたは通信受信ユニットのタイムアウトのトリガ。
− 制御システムのクラッシュを示すインバータ制御システムのウォッチドッグメカニズムのトリガ。
− 充電プロセス中の少なくとも１つの接触器の開放の検出（好ましくは、少なくともハードウェア監視および応答による実装）。

図面によれば、フリーホイールダイオードを備えたＩＧＢＴとして具現化されたローサイドスイッチ（１３）により、三相モータ（１２）の２つの巻線インダクタンスにおける入力電流の流れが制御される。したがって、これらのスイッチ（１３）の１つの遮断により、対応する位相へのエネルギーの移動が防止される。しかし、この場合、既にインダクタンス内にあるエネルギーは、トラクションバッテリ（１１）に放散されなければならず、または例えばバッテリ接触器（２９）が開放されている場合にはアクティブに放電されなければならない。

図２では、ローサイドスイッチ（１３）がオフにされている位相中のローサイドスイッチ（１３）の遮断時のインダクタンス電流のプロファイルを示す。このとき、電流は、フリーホイールダイオードを通ってまたはいわゆるハイサイドを通って出力に流れる。この場合、電流プロファイルの変化は、直接的には生じない。しかし、ローサイドスイッチ（１３）は、もはやラッチ解除されない。また、さらなる電流は、関連するインダクタンスに伝達されない。その結果、電流はゼロに向かってさらに減少する。遮断がない場合の仮定の電流プロファイルが破線で示されている。

対照的に、図３に示すように、ローサイドスイッチ（１３）が閉じられている間に遮断される場合、さらなる充電は即座に停止される。この場合、インダクタンスの電流およびそれに関連するエネルギーは、ほぼ指数関数的に減少するプロファイルで出力に放電される。

図４および５では、１つまたは複数の電流の下方制御の例示的な実装を概略的に示す。故障事例において特定の位相電流を減少させなければならない場合、対応する制御装置（１４）の電流制御ターゲットは、例えば、ある絶対値だけ減少され得るか、またはある係数分の１に減少され得る（図４を参照されたい）。

制御誤差は、例えば、比例−積分（ＰＩ）方式で具現化された制御装置（１４）を最初に通過し、多くの場合、ある時間にわたって蓄積されなければならないため、制御ループは、比較的長い応答時間を有する。そのため、例えば、制御装置（１４）の出力を同じ割合で同様に減少させることが可能である（図５を参照されたい）。この制御装置（１４）により、通常、スイッチ（１３）の相対スイッチオン期間が制御される。

前記制御装置（１４）の出力を減少させることなく、集積回路上の制御装置（１４）によって下方制御が行われる場合、関連するローサイドスイッチ（１３）を遮断する追加の電流限度が実装されるべきである。

あるいは（好ましくはないが）、特定の時間にわたって遅延を生じさせるために、または特定の時間にわたってオン信号の一部（例えば、１つおきまたは２つおきの信号）のみをイネーブルにするために、特定の時間にわたり、関連するローサイドスイッチ（１３）のオン信号をロックすることにより、対応する閉ループ制御がもたらされ得る。

１つまたは複数のローサイドスイッチ（１３）の遮断により、実際に、三相モータ（１２）の関連するインダクタンスへのさらなるエネルギーの後続の充電が防止され得る。しかし、それにも関わらず、インダクタンスに磁気的に既に蓄えられているエネルギーは、出力に、したがってリンク回路コンデンサまたはトラクションバッテリ（１１）に放電されなければならない。そのため、緊急時または故障時に前記エネルギーを安全に放電でき、好ましくはそのエネルギーを熱に変換できるデバイスが必要とされる。

特にバッテリ接触器（２９）が開放されている場合、エネルギーを取り込むトラクションバッテリ（１１）は、もはやインバータ（１０）に接続されていない。この場合、リンク回路コンデンサが、急速な電圧上昇を抑制することができる唯一の貯蔵装置であろう。しかし、インバータ位相または機械位相ｊに関する三相モータ（１２）のインダクタンスでのエネルギー

は、現在の充電電圧Ｖ_presで依然として貯蔵され得るエネルギーを大幅に超えることがある。最大許容電圧Ｖ_tolmaxに達するまでに、

となる。この場合、図６および７に示すように、本発明に関連してアクティブ放電デバイス（１５）を使用する必要がある。

アクティブ放電の作動（決定ループ内でソフトウェアを有さないハードウェアにおいて、すなわち一般的にソフトウェアを用いたプログラミングを可能にしないデジタルまたはアナログ電子回路による）は、特にＤＣ電圧が設定限度値を超える場合、または任意選択で例えばトラクションバッテリ（１１）の信号に基づいてバッテリ接触器（２９）の開放が識別されるときに行われる。

アクティブ放電デバイス（１５）は、好ましくは、電気的に作動可能な（通常オフの）または好ましくは作動停止可能な（通常オンの）スイッチ（９３）を備える。それにより、リンク回路コンデンサの正極および負極は、任意選択であるが有利な放電抵抗器を介して導電接続される。図６では、スイッチ（９３）としてのサイリスタを有し、別個の抵抗器を有さず、例示的なハードウェア過電圧検出器（１６）を有する対応するクローバ回路を例として示す。図７では、電子安全監視および制御システム（１７）の代替形態を示す。このシステム（１７）により、アクティブ放電に加え、ローサイドスイッチ（１３）の遮断が同時に制御される。

好ましくは、複数の電流限度が実装される。すなわち、第１の限度（「内側電流限度」）を超えると、関連する電流が下方制御され、第２の限度（「外側電流限度」）を超えると、関連するローサイドスイッチ（１３）が遮断される。この手順は、内側電流限度の監視が失敗しているか、有効でないか、または不十分である場合に好適であることが分かっている。

内側限度を超えても電流が減少されるのみであり、ローサイドスイッチ（１３）を遮断することで外側限度によって行われるように、関連する位相の変換が完全に停止されることはない。内側限度は、外側限度よりも小さい。好ましくは、両方がハードウェアで実装される。少なくとも外側限度は純粋にハードウェアで実装される。内側限度に達して減少される電流に関する例示的な挙動は、図８で見ることができる。外側限度に達すると、少なくとも一時的に動作が停止される。

防止すべきリスクの１つは、パワートランジスタまたはモータ巻線の過負荷の可能性である。これは、位相を通る個々の電流のアンバランス（例えば、１つの位相が、機械の異なるインダクタンスにより、他の位相よりも大幅に多い電流を搬送する）、電気機械巻線での短絡（その結果、特に回転子内に永久磁石を有する三相モータ（１２）の場合、実効インダクタンスが減少するか、または回転子位置の変更によりインダクタンスが減少する）によって引き起こされ得る。

したがって、インバータ（１０）の各ＡＣおよびＤＣ電流センサには閾値スイッチ（１８）が装備される。１つの位相に関する閾値スイッチ（１８）の概略構成は、図９で見ることができる。

閾値スイッチ（１８）のデジタル入力（２２）により、故障時に電流をトリガし、充電接触器（３２ − 図１）を開き、関連するローサイドスイッチ（１３）の作動を例えば論理ゲート（ＡＮＤ）によって防止する。論理ゲートにより、電流限度監視システムの適切な信号が同時に存在しない限り、スイッチング信号が転送されることを防止するか、または対応するローサイドゲートドライバの供給電圧を切断する。

全てのローサイドスイッチ（１３）の完全なスイッチオフに加えて、さらに、交流センサ（２４）に関して位相ごとのスイッチオフを実施できる可能性がある。測定された電流の干渉および他の望ましくない部分は、任意選択で、フィルタ（１９）によって増幅器（２０）または分圧器の入力側で減少され得る。

さらに、任意選択のシュミットトリガ（２１）により、ローサイドスイッチ（１３）を自動的に再びオンに切り替えることを可能にし得るが、同時にローサイドスイッチ（１３）が発振することを防止し得る。

図１０では、３つの交流センサ（２４）と、１つの直流センサ（２３）とを用いた冗長性のための任意選択の機器を示す。言うまでもなく、最低限の機器を備える代替形態によれば、本発明の範囲から逸脱することなく、２つの交流センサ（２４）および１つの直流センサ（２３）のみ、または３つの交流センサ（２４）のみが提供され得る。

このタイプの回路では、交流センサ（２４）によってＤＣが測定され得ることを前提とする。これにより、例えば、純粋に誘導式のセンサが除外される。この場合、交流センサ（２４）の帯域幅は、好ましくは、少なくとも例えばＩＧＢＴパワースイッチの場合には１２ｋＨｚ〜２５ｋＨｚ、または広いバンドギャップのパワー半導体、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）もしくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）から構成されたトランジスタの場合には４０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのスイッチングレートに対応する。デジタル入力をトリガするための閾値は、交流センサ（２４）および直流センサ（２３）に関して異なって設定され得る。

さらに、防止すべき１つのリスクは、例えばインバータ（１０）の情報がない状態での、故障によるトラクションバッテリ（１１）の突然の切断である。この場合、約１ｍＦの現在のリンク回路キャパシタンスのみによって電流を取り込むことができる。そのため、充電電流が流れ続けると、電圧がほぼ突然に上昇する。トラクションバッテリ（１１）の損壊、トラクションバッテリ（１１）の冷却圧縮機または他の大型消費機器の突然の負荷制限、閉ループ制御の故障または「暴走」は、防止する必要があるさらなるリスクである。

１つの実装可能性として、インバータ（１０）のリンク回路のＤＣ電圧センサに閾値スイッチ（１８）が備えられる。１つの位相に関する閾値スイッチ（１８）の概略構成は、図１１で見ることができる。閾値スイッチ（１８）のデジタル入力（２２）により、故障時に電圧をトリガし、ローサイドの供給電圧の切断を可能にする。測定された電圧は、任意選択で、増幅器（２０）または分圧器の入力側でフィルタされ得る。さらに、任意選択のシュミットトリガ（２１）により、ローサイドを再び自動的にオンに切り替えることができる。

インバータ（１０）の電気定格変数の監視に加えて、さらに熱的監視を行うことが好ましい。インバータ（１０）のパワー半導体または他の中心要素の温度過上昇が生じると、ローサイドは、この場合に即座にオフに切り替えられる。それにより、指定された温度範囲内のみでの動作が可能となる。その結果、動作中のインバータ（１０）の構成要素への損傷が防止される。

図１２では、例えば、ブースト動作における電気自動車（３０）を示す。前記電気自動車は、充電ソケット（２６）によって充電柱（２７）に接続されている。電気自動車（３０）によるバッテリ接触器（２９）の開放時（必ずしもブースト動作によって引き起こされない）、トラクションバッテリ（１１）は、ＨＶ回路に、したがってインバータ（１０）にもはや接続されない。本発明によるインバータ（１０）のブースト動作により、ＨＶ回路に電流がさらに導入されると、リンク回路キャパシタンスのみによって電圧上昇が抑制される。したがって、その時間微分は、以下の式を満たす。

上記の事例は、同様に、ブースト動作時に急速に上昇するＤＣ電圧によって識別されるべきである。バッテリ接触器（２９）の対応する信号は、前記接触器の開放時にブースト動作を直接停止するために有利である。

スイッチオフまたは他の制御が確実に行われることを保証するために、本発明に従って、ハードウェアに関するスイッチオフのための規則が存在すべきである。一方で代替実施形態では、ソフトウェアに関してパラメータ化可能な規則、またはさらには実行時に自動的に可変の規則を実施することが可能である。したがって、規則は、かなり複雑であり得、例えば、アナログ電子回路のみでは実現できない方程式および演算を含み得る。

一般に、ハードウェアのスイッチオフ規則が最大許容限度値に向けられ得る一方、ソフトウェア規則は、より控えめに選択される。なぜなら、概して、ソフトウェア規則が既に以前に適用可能であったと仮定することができるからである。この場合、故障により少なくとも１つのソフトウェア規則が適用されなかった場合にのみハードウェア限度に達する。

特定の状況下では、安全規則およびそれに対応する応答のトリガ後、前の状態への復帰を行うことができる。応答の作動時にシュミットトリガ（２１）を使用することにより、通常動作への復帰は、トリガ限度値を明確に下回った状態で可能にされ得る。しかし、この解決策は、主に電流の単なる下方制御に関して興味深いものである。バッテリ接触器（２９）の過電圧または開放がトリガであった場合、エネルギーを取り込むことができるトラクションバッテリ（１１）が接続されない危険がある。したがって、原因の除去後にのみイネーブルが行われるべきである。また、イネーブルは、（プラグ接続後の充電動作の初期起動時にも一般的であるように）低電流でのゆっくりとした始動を伴うべきである。

通常動作への復帰前、臨界範囲から離れた後にいわゆるデッドタイムが経過するまで待機される。再びオンに切り替える回数をシフトレジスタによって制限して、例えば、実際の故障が持続する場合にスイッチオフおよび復帰の繰返しを防止することができる。例えば、ここで、制御システム（１７）の完全なリセットが必要である。

ハードウェアに関するスイッチオフの場合、遮断をキャンセルすることができる集積回路（ＩＣ）への同時信号が推奨される。例えば、追加のデッドタイム、２つの独立した制御ＩＣ（いずれも作動を行わなければならない）、または３つの独立した制御ＩＣ（少なくとも２つがイネーブルを行わなければならない）により、故障したＩＣまたはソフトウェアによる意図しないキャンセルを防止する必要がある。

好ましくは、ハードウェア故障限度の各トリガ後、基本的にその後にシステムがより低い電流で始動する。電流は、徐々にのみ再び増加される。例として、プラグ接続後に充電プロセスが開始された初期化ループの一部または全体を実行することが可能である。

例として、ソフトウェア規則では、ハードウェアとは対照的に、実際に臨界の動作限度を決定するためのモデルを比較的簡単に計算することができる。これに関して、例えば、電流を制限する実際の背景は、半導体の過熱および破壊の防止である。ハイサイドダイオードに加えて、特にローサイドＩＧＢＴまたは他のトランジスタが考慮に入れられる。

ソフトウェア限度は、ハードウェア限度よりも狭く定義され得、より複雑な公式関係を含み得る。特に、通常、アクセスできない変数を測定値から推定することができる。

例として、以下の関係に従って半導体の温度Ｔを一次式で計算することができる。

上記の場合、Ｋ_T,1は、半導体（周囲、ヒートシンクなど）からの熱放散を表し、Ｋ_T,2は、実効熱容量を表し、Ｖ_ceは、（ＩＧＢＴの場合にはコレクタからエミッタへの）半導体にわたる電流依存電圧降下であり、Ｋ_E,1は、スイッチング損失を表す定数であり、ｆ_switchは、スイッチングレートであり、ｉ（ｔ）は、経時的な電流プロファイルである。パラメータＫは、例えば、デジタル回路のメモリに記憶され得る。電流が測定され得る。電圧降下は、定数として近似され得るか、または電流強度に応じたルックアップテーブルとして記憶され得る。現在のスイッチング周波数は、制御システム（１７）によって通信され得るか、または定数もしくはパラメータとしてメモリに記憶され得る。微分方程式は、例えばオイラー法またはクランク−ニコルソン法などにより、デジタル回路を用いて解かれ得る。

次いで、対応するソフトウェア規則により、上記の公式またはより正確なモデルに基づいて温度を推定することができる。温度の特定の限度に達するかまたは超えると、上記の故障応答の１つが起こり得る。

さらに、ソフトウェア規則は、予測的に機能することができる。ソフトウェア規則では、一定時間内における、または好ましくは計画された応答（例えば、ローサイドスイッチ（１３）の遮断または位相電流もしくは合計電流の下方制御）までの最大予想遅延時間内における温度の将来の推移を考慮することができる。その結果、故障の発生を妨げるためまたは故障を防止するために予期して対応することが可能である。

したがって、所定の将来の時点または既知の応答時間後のある時点での半導体の温度を推定することが可能である。この目的のために、現在の電流の維持、経時的に現在の勾配を有する現在の電流の線形的な継続、予想最大電流の使用（最悪の場合を決定するため）、または過去のサイクルの包含による周期的な電流プロファイルなど、好適な仮定を行うべきである。

ハードウェアまたはソフトウェアに関してチェックすることができる限度値は、電流強度
Ｉ_Max＝Ｉ_rated＋ΔＩ＝１．１・Ｉ_rated（ここで、例えば、ΔＩ＝１０％（Ｉ_rated））
および積分

、ＤＣ電圧
Ｕ_Max＝Ｕ_rated＋ΔＵ＝１．１・Ｕ_rated（ここで、例えば、ΔＵ＝１０％（Ｕ_rated））
および積分

、ならびに温度
Ｔ_Max＝Ｔ_rated＋ΔＴ＝１．１・Ｔ_rated（ここで、例えば、ΔＴ＝１０％（Ｔ_rated））
に関係する。積分および微分は、例えば、アナログハードウェアで実装され得る。

図１３では、図１４および図１５と併せて、２台の機械を使用した任意選択の回路実装を示す。この場合、駆動車軸（２８）を接続または切断することができる。

上記の説明によるシステムの電気的および熱的監視に加えて、機械的監視がさらに行われ得る。機械的監視により、電気機械の回転子位置が所定の大きさ以下で変化し、電気機械で生じるトルクが特定の限度値を超えないことを保証し、安全性に関する応答が示されない。電気機械の固定子巻線を通る電流によって充電プロセス中に固定子に生じる磁場により、通常であれば回転子においてトルクが発生する。また、場合により、その磁場により、結果として生じる磁場内で回転子が新たに方向付けられる。

充電プロセス中、上記の状態は、ノイズ発生の可能性およびさらには電気機械と車輪との機械的結合のために望ましくない。したがって、回転子位置もしくは回転子速度の変化または回転子内に生じるトルクを適切な手段によって識別および防止しなければならない。好ましくは、この目的のために、車両アーキテクチャの既存のセンサ技術（例えば、レゾルバ／エンコーダ／回転子位置センサ）が既に用いられている。

回転子位置が所定の時間内に所定の大きさだけ変化する場合、応答の必要がある。この応答は、例えば特定の値だけの電流減少もしくは特定の比での電流減少、またはスイッチオフ（トランジスタ駆動の遮断）によって行われ得る。例として、第１の限度で電流の減少を行い、第２の限度でスイッチオフを行うことも可能である。

ここでも、異なる尺度をもたらし得るソフト限度およびハード限度を定義することが可能である。

さらに、上の説明では、ローサイドスイッチおよびハイサイドスイッチを例にしてインバータの位相を説明したことに留意すべきである。このタイプのインバータは、一般に、フリーホイールダイオードを有する。そのため、本発明の意味におけるインバータのＤＣ−ＤＣ動作は、それにも関わらず、ハイサイドスイッチの作動なしで行われ得る。これは、特にＩＧＢＴに当てはまる。ゲートが充電されるとき、逆方向、すなわちダイオードの順方向へのＩＧＢＴの導電性は、（ＭＯＳＦＥＴとは対照的に）増加しない。このようにして、例えば制御エラーの場合にバッテリから充電柱に電流が流れることが不可能になるため、これは安全技術の点で大きい利点を有する。さらに、接地への短絡は生じ得ない。ローサイドスイッチのみによるそのようなＤＣ−ＤＣブーストモードは、一方では特定の故障に応答して適用され得、他方では制御動作中にも適用され得る。

１０ インバータ
１１ トラクションバッテリ
１２ 三相モータ
１３ 低圧側スイッチ
１４ 制御装置
１５ 放電デバイス
１６ ハードウェア過電圧検出器
１７ 電子制御システム
１８ 閾値スイッチ
１９ フィルタ
２０ 増幅器
２１ シュミットトリガ
２２ デジタル入力
２３、２４ 電流センサ
２５ スターポイント
２６、３３ 直流充電ソケット
２８ 駆動車軸
２９ バッテリ接触器
３０ 電気自動車
３４ ケーブル
３５ 充電ステーション

Claims (18)

1. 電気自動車（３０）のためのインバータ（１０）であって、以下の特徴：
   前記インバータ（１０）は、一端で前記電気自動車（３０）の少なくとも１つのトラクションバッテリ（１１）に接続され、かつ他端で前記電気自動車（３０）の少なくとも１つの三相モータ（１２）に接続されるように構成され、前記インバータ（１０）は、前記トラクションバッテリ（１１）のＤＣ電圧を、前記三相モータ（１２）を駆動するＡＣ電圧に変換すること、
   前記インバータ（１０）は、前記少なくとも１つの三相モータ（１２）のスターポイント（２５）が充電ステーション（３５）に接続される場合、前記少なくとも１つのトラクションバッテリ（１１）を充電するように構成されること、および
   前記インバータ（１０）は、前記インバータ（１０）の所定の動作限度を超える場合に前記充電を中断するための低圧側スイッチ（１３）を備え、
   前記インバータ（１０）は、前記インバータ（１０）への流入電流を測定する直流電流センサ（２３）を備え、
   前記インバータ（１０）は、前記三相モータ（１２）の位相電流を測定するための交流電流センサ（２４）を備え、
   前記動作限度は、前記位相電流に関係すること、によって特徴付けられるインバータ（１０）。
2. 以下の特徴：
   前記インバータ（１０）は、前記位相電流を制御するための制御装置（１４）を備えること、および
   前記制御装置（１４）は、前記低圧側スイッチ（１３）に接続されることによって特徴付けられる、請求項１に記載のインバータ（１０）。
3. 以下の特徴：
   前記インバータ（１０）は、前記三相モータ（１２）を放電するための放電デバイス（１５）を備えること、および
   前記インバータ（１０）は、前記動作限度を超えたときに前記放電デバイス（１５）を作動させるように構成されることによって特徴付けられる、請求項１または２に記載のインバータ（１０）。
4. 以下の特徴：
   前記放電デバイス（１５）は、ハードウェア過電圧検出器（１６）を備えること、または
   前記放電デバイス（１５）は、電子制御システム（１７）を備えることの少なくとも１つによって特徴付けられる、請求項３に記載のインバータ（１０）。
5. 以下の特徴：
   前記電流センサ（２３、２４）は、閾値スイッチ（１８）を備えること、および
   前記閾値スイッチ（１８）は、それぞれフィルタ（１９）、増幅器（２０）、シュミットトリガ（２１）、およびデジタル入力（２２）を備えることによって特徴付けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインバータ（１０）。
6. 電気自動車（３０）であって、以下の特徴：
   前記電気自動車（３０）は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のインバータ（１０）と、トラクションバッテリ（１１）と、また三相モータ（１２）とを備えること、および
   前記インバータ（１０）は、一端で前記トラクションバッテリ（１１）に接続され、かつ他端で前記三相モータ（１２）に接続されることによって特徴付けられる、電気自動車（３０）。
7. 以下の特徴：
   前記電気自動車（３０）は、直流充電ソケット（２６、３３）を備えること、および
   前記直流充電ソケット（２６、３３）は、ケーブル（３４）を介して前記スターポイント（２５）を前記充電ステーション（３５）に接続するように構成されることによって特徴付けられる、請求項６に記載の電気自動車（３０）。
8. 以下の特徴：
   前記電気自動車（３０）は、駆動車軸（２８）を有すること、および
   前記駆動車軸（２８）は、前記三相モータ（１２）を担持することによって特徴付けられる、請求項６または７に記載の電気自動車（３０）。
9. 以下の特徴：
   少なくとも１つのスイッチ（１３）は、故障事例が検出されると作動停止されることによって特徴付けられる、請求項６〜８のいずれか一項に記載の電気自動車（３０）のための充電方法。
10. 前記故障事例には、少なくとも第１のクラスの故障事例および第２のクラスの故障事例が存在することを特徴とする、請求項９に記載の充電方法。
11. 以下の特徴：
    前記故障事例は、少なくとも、以下の事象：
    ＤＣリンク回路の電圧ＵBattが所定の限度値を超えること、および
    少なくとも１つのバッテリ接触器（２９）が開いていることの１つが生じるときに存在することによって特徴付けられる、請求項９に記載の充電方法。
12. 以下の特徴：
    前記充電は、前記第１のクラスの故障事例が終了する場合に継続されることによって特徴付けられる、請求項１０に記載の充電方法。
13. 以下の特徴：
    前記充電は、前記第２のクラスの故障事例が終了する場合に継続されないことによって特徴付けられる、請求項１０または１２に記載の充電方法。
14. 以下の特徴：
    放電は、前記第２のクラスの故障事例において作動されることによって特徴付けられる、請求項１３に記載の充電方法。
15. 前記第２のクラスの故障事例は、ハードウェアによって検出される、請求項１４に記載の充電方法。
16. 以下の特徴：
    前記スイッチ（１３）による前記トラクションバッテリ（１１）の前記充電の前記中断および好ましくは前記充電の継続は、ハードウェアおよびソフトウェア規則に従って実施されることによって特徴付けられる、請求項９〜１５のいずれか一項に記載の充電方法。
17. 以下の特徴：
    少なくとも１つのスイッチ（１３）による前記トラクションバッテリ（１１）の前記充電の前記中断時、様々な故障応答が可能であり、および前記可能な故障応答は、前記スイッチ（１３）を遮断すること、前記放電を作動させること、前記スイッチ（１３）のデューティサイクルまたはデューティファクタによって電流励起を減少させること、および充電要件を充電柱に適合させることを含むことによって特徴付けられる、請求項９〜１６のいずれか一項に記載の充電方法。
18. 故障事例は、充電プロセス中、少なくとも、以下の事象：
    同じ変数を測定するかまたは一定の数学的関係にある少なくとも２つの電流および／または電圧センサの測定値が、所定の値または所定のパーセンテージ比だけ互いに矛盾すること、
    少なくとも１つのセンサの前記測定値が所定の範囲を離れること、
    少なくとも１つのセンサの前記測定値が、所定の限度を超えるノイズ比を有すること、
    少なくとも１つのセンサが故障していること、
    前記充電柱と車両の少なくとも１つの制御システムとの間の通信が失敗していること、
    プラグの接続が開かれたこと、
    前記インバータの少なくとも１つの制御システムと少なくとも１つの上位制御システムとの間の通信が失敗していること、
    前記インバータの少なくとも１つの制御システムが、所定の時間内に上位制御システムからの信号を受信していないこと、
    少なくとも１つの接触器が開かれたことの１つが生じるときに存在する、請求項１７に記載の充電方法。

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