JP7051852B2 - 電気またはハイブリッド車両に搭載の充電装置を制御するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＣ－ＤＣ（交流－直流）絶縁型コンバータを備える、三相または単相入力を有する三相充電装置を制御するための方法に関する。そのような充電装置は、電気またはハイブリッド自動車両に搭載の装置としての使用に特に好適である。

上記車両は、高電圧電気バッテリを装備し、一般的には、車載型充電器、すなわち、車両に直接載置される電気バッテリを充電するための装置を備える。上記充電装置の主たる機能は、配電グリッド上で利用可能な電気からバッテリを再充電することである。したがって、それらは、交流を直流に変換する。充電装置、特に車載型充電器に要求される基準は、高効率、低バルク、ガルバニック絶縁、良好な信頼性、動作安全性、低電磁妨害放出、および入力電流における低調和比である。

三相入力を有する充電装置、すなわち、三相給電グリッドからバッテリを充電することができる充電装置、ならびに、単相入力充電装置、すなわち、単相給電グリッドからバッテリを充電することができる充電装置が知られている。三相入力充電装置は、最大電力が２２ｋＷで、単相入力充電装置よりも大きい充電電力を有する。単相グリッドにおける接続の場合、いくつかの充電電力レベル、例えば７ｋＷ、１５ｋＷ、および２２ｋＷ、が要求され得る。

図１は、電力供給グリッド３０から車両の高電圧バッテリ２０を再充電するための、電気またはハイブリッド車両に搭載の隔離した充電装置１０の既知のトポロジを例証するものであり、この電力供給グリッド３０に、グリッドの線路インピーダンス４０を介して車載型充電装置１０が接続される。

ガルバニック絶縁でＡＣ－ＤＣ変換機能を実行するためには、入力電流高調波を制限するために力率補正（ＰＦＣ）回路１１を含む第１のＡＣ－ＤＣコンバータステージと、充電を調整するために、およびさらに使用安全性のための絶縁機能を実施するために第２のＤＣ－ＤＣ（直流－直流）コンバータ１２ステージとを備える充電装置１０を使用することが知られている。入力フィルタ１３は、従来、電気グリッド３０に対してＰＦＣ回路１１から上流で、車載型充電装置１０の入力部へ統合される。

ＰＦＣ回路１１は、電圧に対する電流の出現をリアルタイムで分析および補正する統合制御器（図示せず）によって管理される。統合制御器は、そこから形状誤差を電圧の整流正弦曲線との比較により推測し、また統合制御器は、高周波数切断およびインダクタンス内のエネルギー貯蔵によりエネルギー量を制御することによってそれら形状誤差を補正する。その役割は、より具体的には、充電器の電力供給の入力部において、できる限り正弦波である、位相シフトのない電流を獲得することである。

ＰＦＣ回路の場合、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器として広く知られている、３つのスイッチを有する３レベル三相整流器を組み入れることが可能である。このトポロジの選択は、実際、力率補正の性能に関して特に有利である。

図２は、出力として２つの電源バス７および８を有する三相Ｖｉｅｎｎａ整流器タイプ１１０のＰＦＣコンバータステージ１１で構成される三相入力充電装置のトポロジを例証するものであり、２つの電源バスの各々が正給電線および負給電線を備え、また２つの電源バスの各々においてＤＣ－ＤＣ回路１４、１６がそれぞれ接続され、これが図１のＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２を構成する。各ＤＣ－ＤＣ回路１４、１６は、フルブリッジ、それぞれ１４０、１６０、内に載置されるＭＯＳトランジスタなどのスイッチの第１のセットを備える共振ＬＬＣコンバータであり、スイッチの第１のセットは、２つの電源バス７、８のうちの一方の入力部において接続され、ならびに出力部において、直列で、共振回路Ｌ、Ｃに、および変圧器Ｔの一次側に接続され、変圧器の二次側は、完全ブリッジ、それぞれ１４１、１６１、内のスイッチの第２のセットに接続され、これは、任意選択的に出力フィルタ２１を介して、バッテリ２０に接続される。

三相Ｖｉｅｎｎａ整流器タイプ１１０のＰＦＣコンバータステージ１１は、３つの並列到来相接続Ａ、Ｂ、Ｃを備え、この相接続は各々が、三相給電グリッドの相に結合され、また各々が、直列のインダクタンスコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３を介して三相Ｖｉｅｎｎａ整流器のスイッチングアームを形成するスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の対に接続される。入力フィルタ１３は、各相においてインダクタンスＬ１、Ｌ２、Ｌ３から上流に統合される。

スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の各対は、対応する入力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが正であるときに操作される第１の対応するスイッチ１Ｈ、２Ｈ、３Ｈ、および対応する入力電流が負であるときに操作される第２の対応するスイッチ１Ｌ、２Ｌ、３Ｌで構成される直列アセンブリを備える。スイッチは、ダイオードと逆並列で接続される、例えば、ＭＯＳトランジスタ（「Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（金属酸化膜半導体）」の頭字語）を開閉するように制御される半導体部品によって形成される。スイッチ１Ｈは、高スイッチとも呼ばれ、スイッチ１Ｌは、低スイッチとも呼ばれる。

三相Ｖｉｅｎｎａ整流器はまた、３つの並列分岐１、２、および３を備え、各々が、２つのダイオードＤ１およびＤ２、Ｄ３およびＤ４、ならびにＤ５およびＤ６を含み、これにより、三相電力供給グリッドから回収される電流および電圧を整流することを可能にする、６つのダイオードを有する三相ブリッジを形成する。三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の各入力部は、それぞれの並列到来接続により、同じ分岐１、２、および３の２つのダイオードの間に位置する接続点に接続される。

分岐１、２、および３の２つの共有端は、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の２つの出力端子５および６、それぞれ正の出力端子および負の出力端子を構成し、これらは、ＤＣ－ＤＣ装置１２に結合されることが意図される。

各相のスイッチングアームＳ１、Ｓ２、Ｓ３はまた、各々がそれぞれ、第１、第２、および第３の分岐１、２、３の２つのダイオードの間に位置する接続点と、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の出力電圧Ｖ＿ＤＣ＿１およびＶ＿ＤＣ＿２の中点Ｍとの間にそれぞれ接続され、出力電圧Ｖ＿ＤＣ＿１およびＶ＿ＤＣ＿２は、三相整流器の正の出力端子５と中点Ｍとの間の出力コンデンサＣ１上の電圧、および中点Ｍと三相整流器の負の出力端子６との間の出力コンデンサＣ２上の電圧にそれぞれ対応する。

ＬＬＣ（各々Ｌで表記される２つのインダクタンスおよびＣで表記される１つのキャパシタンスの組み合わせを備える回路の使用を指す頭字語）直列－並列共振トポロジの使用は、上に説明されるようなＤＣ－ＤＣコンバータ１２に適用され、入力電圧、すなわちステージ１１および１２間の２つの電源バス７、８上の電圧と、出力電圧（バッテリ電圧２０）との間の共振回路の電圧利得を変化させることを可能にする。実際、バッテリ２０を再充電するときには、バッテリ電圧がかけられ、その充電状態に基づいて変化し、これは、ＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２が充電に送られる電力をリアルタイムで調整することを要求する。

これを受けて、ＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２は、その利得を適合して、入力電圧を、供給バス上で、バッテリ電圧に変換することを可能にする。より具体的には、整流器ステージ１２のＤＣ－ＤＣ回路、それぞれ１４および１６、の各々の一次側と関連付けられた、フルブリッジ、それぞれ１４０、１６０、のスイッチのスイッチング周波数の変化が、共振回路の電圧利得を変化させることを可能にする。

図３に例証されるように、単相入力グリッド９への接続については、容量性の中点Ｍが接地される限り、ＰＦＣ入力整流器回路１１の独立した分岐、例えば、分岐１を、電圧ダブラを有する単相充電器として使用することが知られている。図４に例証されるように、単相グリッド９に接続するための設定はまた、中点Ｍの再接地が常に存在する限り、ＰＦＣ入力整流器回路１１の２つの分岐を使用することが知られている。

２つのレベル、すなわち、力率補正ＰＦＣ機能を実施する、グリッドに接続される入力整流器ステージ１１と、バッテリ２０のガルバニック絶縁を可能にするＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２とを有する上述のタイプの充電装置１０では、２つのタイプの調整が使用される。

グリッドに接続される入力整流器ステージ１１によって行われる調整は、入力電流への正弦波状、および電源バス上の電圧の調整を提供することが意図される。これを受けて、従来、低速外部電圧ループ（グリッド周波数に近い帯域幅を有する）および高速電流ループ（システムの切断周波数に近い帯域幅を有する）が使用される。２つのループ同士の切離は、入力部におけるＰＦＣ整流器ステージとＤＣ－ＤＣコンバータステージとの間で確立される強固な容量値により行われる。

しかし、ＤＣ－ＤＣコンバータステージに一定電流を送信することに基づく先行技術のソリューションは、単相充電装置に対する大きな制約である。

単相モードにおいて、ＰＦＣ整流器ステージによってＤＣコンバータステージに送信される電流は、整流正弦波電流の分割である。この電流は、２つの明確な周波数成分、すなわち、システムの分割周波数に比例する第１の成分（例えば、１００ｋＨｚに近い）、およびグリッド電圧の第２の高調波に比例する第２の成分（１００Ｈｚ～１２０Ｈｚ）を有する。

この第２の低周波数成分は、ＰＦＣ整流器ステージの出力部において２つの電源バスを有するコンデンサには非常に制限的であり、容量値が、２つの調整ループ同士を切離することについてのみ心配しなければならない場合に必要とする容量値よりもはるかに大きくなるように、多数の並列のコンデンサを接続することを必要とする。さらに、費用を最適化することへの関心は、他のタイプの技術（例えば、フィルム、セラミックタイプのコンデンサ）よりもグリッド電圧断絶に影響されない化学タイプのコンデンサ技術に目を向けることを意味する。

その結果、特にＰＦＣ整流器ステージとＤＣ－ＤＣコンバータステージとの間の電源バスのコンデンサの値を低減することを可能にする単相グリッドによって電力供給されるとき、上に説明されるトポロジを有する充電装置のための最適化された調整戦略が必要とされている。

本発明によると、この目的は、自動車両のためのバッテリ充電装置を制御するための方法であって、充電装置が、単相または三相電力供給グリッドの入力部において各々が直列インダクタンスコイルを用いて接続されることができる三相接続を含む、力率補正機能を実施する整流器ステージと、整流器ステージとバッテリとの間に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータステージとを備え、整流器ステージは、三相ダイオードブリッジおよびダイオードブリッジ内に統合された３つのスイッチングアームを備える三相Ｖｉｅｎｎａ整流器であり、スイッチングアームが各々、グリッドの電流が正であるときに制御されることができる高スイッチおよびグリッドの電流が負であるときに制御されることができる低スイッチの直列アセンブリを備え、スイッチングアームは、第１および第２のバスコンデンサが整流器ステージの出力部において接続される中点において相互接続され、ＤＣ－ＤＣコンバータステージは、入力部において第１および第２の電源バスによって第１および第２の電源バスコンデンサにそれぞれ接続され、また出力部においてバッテリに接続される第１および第２のＬＬＣ共振コンバータを備え、本方法は、電流が、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器を使用して充電装置の入力部において調整されるタイプのものであり、各スイッチングアームは、パルス幅変調制御信号を使用して制御され、パルス幅変調制御信号のスイッチングデューティファクタは、入力電流の調整に基づいて決定され、本方法は、充電装置が単相によって電力供給され、第１および第２の電源バスの電圧が、電源バスの各々において固定調整電圧を提供するように、第１および第２のＬＬＣ共振コンバータを使用して独立して調整されることを特徴とする、方法によって達成される。

したがって、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器は、充電装置の入力電流のみを調整する一方、ＤＣ－ＤＣコンバータステージは、中点における三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の出力部において供給される中間電圧を調整する。したがって、単相接続モードにおいて、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器により回収される電流のすべては、ＤＣ－ＤＣコンバータステージによってバッテリに送信される。したがって、ＤＣ－ＤＣコンバータによって受信される電流は、もはや単相充電のための直流ではなく、１００Ｈｚの強い交流成分を有する。その結果、供給バスコンデンサ内のこの周波数での電流変動は減少され、これらのコンデンサの値を大いに低減することが可能であり、これは、一方では費用および他方ではバルクの見地から特に好都合である。

有利には、低から高までの３つの充電電力レベルのうちの第１の単相充電電力レベルに対応する第１の単相接続モードにおいて、充電装置の三相接続の第１および第２の接続は、単相電気グリッドの相線および中性線にそれぞれ接続され、第２の相接続は、接続リレーによって中性線に接続される。

この接続モードにおいて、第１の実施形態によると、２つのＬＬＣ共振コンバータのうちの一方のみを交互に使用して、入力電流の符号に基づいて、第１の充電電力レベルに従ってバッテリを充電するように、中性線に接続される充電装置の第２の相接続に対応するスイッチングアームのスイッチは、常に閉状態に保たれる。

好ましくは、入力電流の符号が交替するたびに、使用されていない方のＬＬＣ共振コンバータの制御が切断される。

この第１の接続モードにおいて、第２の実施形態によると、２つのＬＬＣ共振コンバータを併せて使用して、第１の充電電力レベルに従ってバッテリを充電するように、単相電気グリッドに接続される充電装置の第１および第２の相接続に対応するスイッチングアームのスイッチは、入力電流の符号の関数として体系的に切り換えられる。

有利には、入力電流の正の交替の間、充電装置の第１および第２の相接続にそれぞれ対応するスイッチングアームの高スイッチおよび低スイッチは、一緒に切り換えられ、入力電流の負の交替の間、充電装置の第１および第２の相接続にそれぞれ対応するスイッチングアームの低スイッチおよび高スイッチは、一緒に切り換えられる。

有利には、低から高までの少なくとも３つの充電電力レベルのうちの第２の単相充電電力レベルに対応する第２の単相接続モードにおいて、充電装置の三相接続の第１および第２の接続は、単相電気グリッドの相線および中性線にそれぞれ接続され、第２の相接続は、第１の接続リレーによって中性線に接続され、さらに第２の接続リレーによって第１および第３の相接続を一緒に接続する。

この第２の接続モードにおいて、第１の実施形態によると、中性線に接続される充電装置の第２の相接続に対応するスイッチングアームのスイッチについては、状態が体系的に閉じたままに保たれ、２つのＬＬＣ共振コンバータのうちの一方のみを交互に使用して、入力電流の符号に基づいて、第２の充電電力レベルに従ってバッテリを充電するように、一緒に接続される充電装置の第１および第３の相接続に対応するスイッチングアームのスイッチは、入力電流の符号の関数として体系的に切り換えられる。

有利には、入力電流の正の交替の間、一緒に接続される充電装置の第１および第３の相接続にそれぞれ対応するスイッチングアームの高スイッチは、一緒に切り換えられ、入力電流の負の交替の間、一緒に接続される充電装置の第１および第３の相接続にそれぞれ対応するスイッチングアームの低スイッチは、一緒に切り換えられる。

この第２の接続モードにおいて、第２の実施形態によると、２つのＬＬＣ共振コンバータを併せて使用して、第２の充電電力レベルに従ってバッテリを充電するように、単相電気グリッドに接続される充電装置の第１、第２、および第３の相接続に対応するスイッチングアームのスイッチは、入力電流の符号に基づいて体系的に切り換えられる。

有利には、低から高までの少なくとも３つの充電電力レベルのうちの第３の単相充電電力レベルに対応する第３の単相接続モードにおいて、充電装置の三相接続の第１の接続は、単相電気グリッドの相線に接続され、充電装置の第２および第３の相接続は、それぞれの接続リレーによって単相電気グリッドの上記相線に接続され、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の中点は、単相電気グリッドの中性線に接続される。

有利には、２つのＬＬＣ共振コンバータのうちの一方のみが交互に、入力電流の符号に基づいて、第３の充電電力レベルに従ってバッテリを充電するために使用され、互いに接続される充電装置の第１、第２、および第３の相接続に対応するスイッチングアームのスイッチは、入力電流の符号に基づいて体系的に切り換えられる。

本発明の他の具体性および利点は、以下の図面を参照して、非限定的ではあるが情報のために提供される本発明の１つの特定の実施形態の以下の説明を読むことにより明らかになる。

電気またはハイブリッド自動車両に搭載されることが意図されるバッテリ－充電装置の既知のトポロジを概略的に例証する図である。 出力としての２つの電源バスと共に入力としての三相Ｖｉｅｎｎａ整流器で構成される２つのレベルを有する充電装置であって、２つの電源バスの各々においてＬＬＣ共振コンバータタイプのＤＣ－ＤＣコンバータが接続され、本発明に従う制御方法が実施される、充電装置を概略的に示す図である。 単相充電器としての使用のための図２の充電装置の単相グリッドへの接続のための第１の設定例を例証する図である。 単相充電器としての使用のための図２の充電装置の単相グリッドへの接続のための第１の設定例を例証する図である。 図２に例証される三相基本トポロジとは異なる単相接続モードを細かく説明することを可能にする、単相充電のための調整原則を概略的に例証する図である。 単相モードで要求される第１の充電電力レベルに対応する、図２に例証される充電装置の第１の単相接続モードであって、両方のＤＣ－ＤＣ共振コンバータを交互に使用して上記第１の要求される充電電力レベルを送達する、第１の単相接続モードを例証する図である。 単相モードで要求される第１の充電電力レベルに対応する、図２に例証される充電装置の第１の単相接続モードであって、両方のＤＣ－ＤＣ共振コンバータを交互に使用して上記第１の要求される充電電力レベルを送達する、第１の単相接続モードを例証する図である。 ＤＣ－ＤＣコンバータステージの両方の共振コンバータが並列で使用されて、第１の要求される充電電力レベルを送達する、充電装置の第１の単相接続モードの代替案を例証する図である。 第１のレベルよりも大きい第２の要求される単相充電電力レベルに対応する、図２に例証される充電装置の第２の単相接続モードを例証する図である。 第１および第２のレベルよりも大きい単相モードで要求される第３の充電電力レベルに対応する、図２に例証される充電装置の第３の単相接続モードを例証する図である。

図５を参照すると、単相グリッド９に接続される充電装置１０の単相モードにおける調整原則が、ブロックの各々、それぞれＰＦＣ整流器ステージ１１およびＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２、のための単純な調整モデルと共に例証される。

ＰＦＣ整流器ステージ１１の単相モードでの調整は、入力電流を調整すること、およびさらに上記電流に対して正弦波状を強制することからなる。ＰＦＣ整流器ステージ１１の調整の制御モジュール５０は、三相整流器ステージの入力電流のスレービングを提供するようにプログラムされる。制御モジュール５０によって実施されるこのスレービングは、ＰＦＣ整流器の入力電流のためのフィードバックループを適用することを含み、このフィードバックループは、制御変数および設定点を有し、ここでループの制御変数は、ＰＦＣ整流器の入力部および出力部において測定される電圧から開ループ内で計算される値に対するデューティサイクル偏差に基づく。これを受けて、推定器５１は、ＰＦＣ整流器の入力Ｖ＿ＩＮおよび出力Ｖ＿ｏｕｔ電圧から理論上のデューティサイクルＤの値を計算するのに好適である。上記理論上の値Ｄに対する偏差は、新しいデューティサイクル比を計算するためにＰＩＤ調整器５２によって使用される、入力電流Ｉ＿ＢＯＯＳＴの測定と設定点電流Ｉ＿ｃｏｎｓとの間の誤差により計算され、式中、ｋｐ、Ｋｉ、およびＫｄは、ＰＩＤ調整器５２の比例利得、積分利得、および微分利得である。ＰＦＣ整流器ステージの出力部における電源バスの電圧は、ＤＣ－ＤＣ整流器ステージによってスレービングされるため、一定であると仮定される。

理論上の値に対する計算されたデューティサイクルの偏差は、次に、特にランプ波と比較されるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（パルス幅変調））制御信号を生成するためのブロック５３に提供され、ＰＦＣ整流器のスイッチングアームのスイッチを制御するために使用される様々な制御信号Ｖ＿ＧＳを、後で概要が述べられる異なる単相充電モードに基づいて生成することを可能にする。

そのような制御ループは、ＰＦＣ整流器の各入力相に使用される。

ＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２に関しては、選択されたトポロジが、ＰＦＣ整流器１１の出力部における電源バスとバッテリ２０との間の電圧を適合させることがその機能であるＬＬＣ共振コンバータのものであることが図２を参照して上で分かった。特に、コンバータの一次側に接続されるフルブリッジのトランジスタのスイッチング周波数における充電中の変化が、共振回路の伝達機能を変化させることを可能にする。従来、ＤＣ－ＤＣコンバータは、バッテリに送信される出力電圧を調整するために使用される。ここで実施される調整原則は、ＤＣ－ＤＣコンバータの入力部における２つの電源バスにわたる電圧、それぞれＶ＿ＤＣ＿１およびＶ＿ＤＣ＿２を、ＤＣ－ＤＣコンバータを使用して調整することからなる。したがって、ＰＦＣ整流器の出力電圧に対応するゾーン入力電圧を調整するのはＤＣ－ＤＣコンバータである。

コンバータステージ１２の調整を制御するためのモジュール６０は、この調整を提供するようにプログラムされる。選択されたトポロジ内のＤＣ－ＤＣコンバータ１２を構成する各ＬＬＣ共振コンバータは、それが接続される電源バス上で電圧を独立して調整するために独自の調整ループを有する。より具体的には、電源バスＶ＿ＤＣ＿ＢＵＳの電圧の測定とＰＦＣ整流器の出力部において望まれる電圧Ｖ＿ｏｕｔとの間の電圧誤差は、制御モジュール６０のＰＩＤ調整器６１に提供され、これが新しい電圧値を計算し、次いでこの値は、電圧制御された発振器６２に提供され、電源バスの各々、それぞれＶ＿ＤＣ＿１およびＶ＿ＤＣ＿２、において固定調整電圧を提供するために、共振ＬＬＣコンバータに強制することが必要なスイッチング周波数を規定することを可能にする。したがって、ＬＬＣ共振コンバータの一次側におけるスイッチのフルブリッジのスイッチの２つの対角線は、固定デューティサイクル（５０％）、および上に示されるような調整ループによって規定される周波数で切り換えられる。

したがって、制御モジュール６０は、充電装置の三相接続モードにしても単相接続モードにしても、バッテリの充電中にＤＣ－ＤＣコンバータを使用して一定電圧にある電源バス電圧の調整を提供するように自動的にプログラムされる。

これより、充電装置の異なる単相接続モードを細かく説明し、これらのモードはすべて、図２を参照して説明されるような充電装置の同じ基本三相トポロジに基づき、有利には、単相モードで要求される異なる充電電力レベル、特に、７ｋＷ、１５ｋＷ、および２２ｋＷに適合することができる充電装置を展開することを可能にする。これは、電力に使用される構成要素の適合を除いては、充電装置のハードウェア設定全体を変更することなく可能であり、ＰＦＣ整流器のスイッチングアームの制御の適合のみが、充電装置の異なる単相接続モードに充電装置が適合することを可能にするために必要である。

最大三相充電電力は２２ｋＷである。ＰＦＣ整流器１１のアームによる例えを引用すると、ＰＦＣ整流器の各アームは、２２ｋＷ／３、すなわち約７ｋＷの電力を通すことができるということが言える。２つのＬＬＣ共振コンバータ１４、１６は、それらが各々約１１ｋＷの電力を有するように寸法決定される。したがって、目的は、いくつかの要求された電力レベル、特に、７ｋＷ、１５ｋＷ、および２２ｋＷに適合することを可能にすると同時に、充電装置になされるべき変更を最小限にする異なる単相接続モードを細かく説明することである。

図６は、第１のいわゆる低充電モードに対応する、単相モードで７ｋＷを送達することを可能にする充電装置の第１の単相接続モードを説明する。実際、ＰＦＣ整流器のアームの各々がこの公称電力のために寸法決定されているため、充電装置の電力トポロジ全体を修正することなく単相モードで７ｋＷを送達することを成し遂げることが可能である。単相グリッド９の中性線９０と充電装置の相接続のうちの１つとの間に接続リレー１７を追加することだけが、充電装置の相接続のうちの１つを単相グリッドに適合させるために必要とされ、充電装置の残部は未変更のままである。したがって、この第１の単相接続モードにおいて、相Ａの接続は、充電装置の入力部として単相電気グリッド９の相線９１に接続され、例えば、相Ｃの接続は、接続リレー１７を介して、単相電気グリッド９の中性線９０に接続される。ＰＦＣ整流器の第２のスイッチングアームと関連付けられた相Ｂの接続は使用されない。

低電力では、システムの無効電力消費を最小限にするために、ＰＦＣ整流器の出力部において一度に単一のＤＣ－ＤＣ共振コンバータで動作することが関心の対象である。その結果、単相グリッドの中性線に接続される相Ｃ接続に対応するスイッチングアームＳ３のスイッチ３Ｈおよび３Ｌは、入力電圧の符号に応じて、１つの共振ＬＬＣコンバータのみに交互にエネルギーを送信するように、常に閉じたままに保たれる。図７は、常に閉じられたグリッドの中性線に接続されるアームの２つのスイッチを有する、単相グリッドに接続されるＰＦＣ整流器のこの設定を例証する。

この設定では、正の入力電圧の場合、グリッドの相線に接続されるＰＦＣ整流器のスイッチングアームＳ１の上方スイッチ１Ｈは、ＰＦＣ整流器ステージ１１を制御するモジュール５０によって供給される制御信号によるスイッチングにおいて制御される一方、下方スイッチ１Ｌは、アイドル状態にあるように制御される。中性線に接続されるスイッチングアームの上方および下方スイッチ３Ｈおよび３Ｌが常に閉状態に保たれているため、電流は、入力部がバスコンデンサＣ１に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータステージのＬＬＣ共振コンバータに送信される。

充電装置の入力電圧が負であるとき、スイッチングアームＳ１の制御スイッチは、下方スイッチ１Ｌである一方、上方スイッチ１Ｌは、アイドル状態にあるように制御される。中性線に接続されるスイッチングアームの上方および下方スイッチ３Ｈおよび３Ｌが依然として常に閉状態に保たれているため、電流は、この時は、入力部がバスコンデンサＣ２に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータステージのＬＬＣ共振コンバータに送信される。

２つの電源バスの各々の調整は、上記バスと関連付けられたＬＬＣ共振コンバータによって交互に行われる。バスコンデンサＣ１に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２のＬＬＣ共振コンバータ１４が、入力電圧の正の交替の間は指揮をとり、バスコンデンサＣ２に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２のＬＬＣ共振コンバータ１６が、入力電圧の負の交替の間は指揮をとる。

入力電圧の交替の各々の間に使用されないＬＬＣ共振コンバータの一次側のスイッチのフルブリッジのＰＷＭコマンドは、システム内の無効電流の循環を減少させるように、ならびに損失を減少させるように、好ましくは切断される。

図８は、先に説明される第１の単相接続モードの文脈における第２の制御戦略を例証するものであり、これは、依然として第１の充電電力レベル、すなわち７ｋＷを送達することを目的とするが、システムの性能を最適化するために、今度は、ＰＦＣ整流器ステージの出力部におけるＤＣ－ＤＣコンバータステージの２つのＬＬＣ共振コンバータにわたって電力を分配する。その結果、図６および図７を参照した先行ケースとは異なり、エネルギーは、ＤＣ－ＤＣコンバータステージの両方のＬＬＣ共振コンバータに同時に送信され、これらのＬＬＣ共振コンバータは、この場合、７ｋＷの充電電力を送達するために並列で使用される。

両方のＬＬＣ共振コンバータを同時に使用して、単相充電において７ｋＷの電力を送達することを可能にする制御戦略は、入力電流の符号に応じて、単相グリッド９の相線および中性線にそれぞれ接続される相Ａおよび相Ｃ接続と関連付けられたスイッチングアームＳ１およびＳ３のスイッチを体系的に切り換えることからなる。

より具体的には、入力電流の正の交替の間、ＰＦＣ整流器ステージ１１の制御モジュール５０は、グリッド９の相線に接続されるＰＦＣ整流器のスイッチングアームＳ１の上方スイッチ１Ｈとグリッド９の中性線に接続されるスイッチングアームＳ３の下方スイッチ３Ｌとのスイッチングを制御する一方で、スイッチングアームＳ１およびＳ３の下方スイッチ１Ｌおよび上方スイッチ３Ｈはアイドルモードのままにすることを一緒に可能にする適切な制御信号を供給するのに好適である。

入力電流の負の交替の間、ＰＦＣ整流器ステージ１１の制御モジュール５０は、今度は、グリッド９の相線に接続されるスイッチングアームＳ１の下方スイッチ１Ｌとグリッド９の中性線に接続されるスイッチングアームＳ３の上方スイッチ３Ｈとのスイッチングを制御する一方で、スイッチングアームＳ１およびＳ３の上方スイッチ１Ｈおよび下方スイッチ３Ｌはアイドルモードのままにすることを一緒に可能にする適切な制御信号を提供するのに好適である。

単相グリッド９の相線および中性線にそれぞれ接続される相ＡおよびＣ接続と関連付けられたスイッチングアームＳ１およびＳ３の制御信号をシフトすることにより、２つの相間にインターリーブを有することに成功し、これが、システムの分別周波数を変更することなく、ＰＦＣ整流器のインダクタンスによって見られる周波数を二倍にすることを可能にする。

調整モードは変更されない。ＰＦＣ整流器の各入力相と関連付けられた調整ループの各々は、図５に例証されるように、各相接続上でそれぞれ取り出される入力電圧が単相グリッドによって送達される電圧の半分に対応すると仮定して、充電装置の入力電流を調整するために提供される。

図９は、約１５ｋＷの、中間と呼ばれる、単相モードで要求される第２の充電電力レベルに対応する、充電装置の第２の単相接続モードを説明する。これを行うために、図６に説明される実施形態に対する充電装置の適合は、相Ｃ接続および単相グリッド９の中性線９０を接続することを可能にする第１の接続リレー１７に加えて、第２の接続リレー１８を追加することからなり、この第２の接続リレー１８は、２つの相ＡおよびＢ接続を一緒に接続することを目的とし、次いでこれら両方が単相グリッド９の相線９１に接続される。この接続において、相ＡおよびＢ接続と関連付けられた２つのスイッチングアームＳ１およびＳ２のために、同じ構成要素を有する同じ基本トポロジを保つことが可能である。実際、ＰＦＣ整流器のスイッチングアームの各々は、約７ｋＷを通すことができるように寸法決定される。反対に、グリッドの中性線に接続される相Ｃ接続と関連付けられ、かつ復帰アームとして機能する第３のスイッチングアームＳ３は、グリッドの相線において一緒に接続される他の２つのアームによって送信される電力、すなわち約１４ｋＷを通すことができるように再寸法決定されなければならない。したがって、スイッチングアームＳ３の構成要素が、それに応じて再寸法決定される。

単相モードで７ｋＷを送達することを可能にする第１の単相接続モードの場合と同様に、この単相接続モードのための２つの制御戦略を確立することが可能であり、これはすなわち、コンバータステージ１２の２つのＬＬＣ共振コンバータ１４、１６が、第２の要求される充電電力レベルを送達するために交替で使用される制御戦略、および、２つのコンバータ１４、１６が、この第２の充電電力レベルを送達するために並列で併せて使用される戦略である。

２つのコンバータ１４、１６を交互に使用しようとする第１の戦略によると、入力電圧の符号に応じて、一方のＬＬＣ共振コンバータのみに対して交替方式でエネルギーを送信するように、単相グリッドの中性線に接続される相Ｃ接続に対応するスイッチングアームＳ３のスイッチ３Ｈおよび３Ｌは、常に閉状態に保たれる。しかしながら、交替で使用される２つのＬＬＣ共振コンバータ１４、１６を用いるこの単相接続モードの極限電力は、約１１ｋＷであり、これは、コンバータ１４、１６の各々について寸法決定される公称電力である。ＰＦＣ整流器のスイッチングアームＳ１およびＳ２の制御側では、制御信号は、ＰＦＣ整流器のインダクタンスが経験するリップルを制限するようにインターリーブされる。言い換えると、スイッチングアームＳ１のスイッチングサイクルは、スイッチングアームＳ２のスイッチングサイクルに対して位相シフトされる。したがって、正の充電装置の入力電圧では、グリッドの相線に接続されるＰＦＣ整流器のスイッチングアームＳ１およびＳ２の上方スイッチ１Ｈおよび２Ｈが、１８０°の位相シフトで切り換えられ、グリッドの中性線に接続される相Ｃ接続に対応するスイッチングアームＳ３のスイッチ３Ｈおよび３Ｌは、常に閉状態に保たれている。負の入力電圧では、スイッチングアームＳ１およびＳ２の下方スイッチ１Ｌおよび２Ｌが、１８０°の位相シフトで切り換えられ、スイッチングアームＳ３のスイッチ３Ｈおよび３Ｌは、依然として常に閉状態に保たれている。

第２の制御戦略によると、したがって、エネルギーは、ＤＣ－ＤＣコンバータステージ１２の２つのＬＬＣ共振コンバータ１４、１６に送信され、これらＬＬＣ共振コンバータは、この場合、第２の中間充電電力を送達するために並列で使用される。

これを受けて、単相グリッドの相線に一緒に接続される相ＡおよびＢ接続と関連付けられたスイッチングアームＳ１およびＳ２のスイッチ、ならびに単相グリッド９の中性線に接続される相接続Ｃと関連付けられたスイッチングアームＳ３のスイッチは、入力電流の符号に応じて、体系的に切り換えられる。

より具体的には、入力電流の正の交替の間、ＰＦＣ整流器ステージ１１の制御モジュール５０は、グリッド９の相線に接続されるスイッチングアームＳ１およびＳ２の上方スイッチ１Ｈおよび２Ｈとグリッド９の中性線に接続されるスイッチングアームＳ３の下方スイッチ３Ｌとのスイッチングを制御する一方で、スイッチングアームＳ１およびＳ２の下方スイッチ１Ｌおよび２ＬならびにスイッチングアームＳ３の上方スイッチ３Ｈはアイドルモードのままにすることを可能にする適切な制御信号を提供するのに好適である。

入力電流の負の交替の間、グリッド９の相線に接続されるスイッチングアームＳ１およびＳ２の下方スイッチ１Ｌおよび２Ｌとグリッド９の中性線に接続されるスイッチングアームＳ３の上方スイッチ３Ｈとのスイッチングが制御される一方、スイッチングアームＳ１およびＳ２の上方スイッチ１Ｈおよび２ＨならびにスイッチングアームＳ３の下方スイッチ３Ｌはアイドルモードのままである。

図１０は、約２２ｋＷの、高と呼ばれる、単相モードで要求される第３の充電電力レベルに対応する、充電装置の第３の単相接続モードを説明する。この第３の単相接続モードにおいて、ＰＦＣ整流器の３つの相Ａ、Ｂ、およびＣ接続は、単相グリッド９の相線９１に並列で接続される。相Ａ接続は、例えば、相線に直接接続され、２つの接続リレー１７、１８が、ＰＦＣ整流器の相ＢおよびＣ接続を相線９１にそれぞれ接続するために追加される。さらに、整流器の入力フィルタ１３は、単相グリッド９の中性線９０に接続される。実際、この第３の単相接続モードによると、電源バスコンデンサの中点Ｍは、入力フィルタ１３を介して上記中性線に接続されなければならない。

この接続モードでは、中点Ｍが中性に接続されるため、エネルギーをコンバータステージ１２の２つのＬＬＣ共振コンバータ１４、１６に同時に送信することができるということは不可能にされる。その結果、２つのＬＬＣ共振コンバータ１４、１６は、２２ｋＷの充電電力をバッテリ２０に送信するために交互に使用される。その結果、これらのコンバータの各々は、先に説明される２つの単相接続モードの場合の１１ｋＷではなく、２２ｋＷの公称電力のために寸法決定されなければならない。

ＰＦＣ整流器のスイッチングアームの制御に関しては、入力電流の正の交替の間、ＰＦＣ整流器ステージ１１を制御するためのモジュール５０は、グリッド９の相線に接続されるスイッチングアームＳ１、Ｓ２、およびＳ３のそれぞれ上方スイッチ１Ｈ、２Ｈ、および３Ｈのスイッチングを制御する一方で、スイッチングアームＳ１、Ｓ２、およびＳ３の下方スイッチ１Ｌ、２Ｌ、および３Ｌをアイドルモードのままにすることを可能にする制御信号を提供するのに好適である。入力電流の負の交替の間、グリッド９の相線に接続されるスイッチングアームＳ１、Ｓ２、およびＳ３のそれぞれ下方スイッチ１Ｌ、２Ｌ、および３Ｌのスイッチングが指示される一方、上方スイッチ１Ｈ、２Ｈ、および３Ｈはアイドルモードのままである。スイッチの制御信号は、電流変動を制限するように、好ましくは１２０°の位相シフトでインターリーブされる。

Claims (12)

1. 自動車両のためのバッテリ充電装置を制御するための方法であって、前記充電装置は、単相または三相電力供給グリッド（９）の入力部において各々が直列インダクタンスコイル（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を用いて接続されることができる三相接続（Ａ、Ｂ、Ｃ）を含む、力率補正機能を実施する整流器ステージ（１１）と、前記整流器ステージ（１１）とバッテリ（２０）との間に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータステージ（１２）とを備え、前記整流器ステージは、三相ダイオードブリッジ（Ｄ１～Ｄ６）および前記ダイオードブリッジ内に統合された３つのスイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を備える三相Ｖｉｅｎｎａ整流器（１１０）であり、前記スイッチングアームが各々、前記グリッドの入力電流が正であるときに制御されることができる高スイッチ（１Ｈ～３Ｈ）および前記グリッドの入力電流が負であるときに制御されることができる低スイッチ（１Ｌ～３Ｌ）の直列アセンブリを備え、前記スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）は、第１および第２のバスコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）が前記整流器ステージ（１１）の出力部において接続される中点（Ｍ）において相互接続され、前記ＤＣ－ＤＣコンバータステージ（１２）は、入力部において第１および第２の電源バス（７、８）によって前記第１および第２のバスコンデンサにそれぞれ接続され、また出力部において前記バッテリ（２０）に接続される第１および第２のＬＬＣ共振コンバータ（１４、１６）を備え、前記方法は、前記入力電流が、前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器（１１０）を使用して前記充電装置の入力部において調整されるタイプのものであり、各スイッチングアームは、パルス幅変調制御信号を使用して制御され、前記パルス幅変調制御信号のスイッチングデューティファクタは、前記入力電流の調整に基づいて決定され、前記方法は、前記充電装置が単相によって電力供給され、前記第１および第２の電源バス（７、８）の電圧（Ｖ＿ＤＣ＿１、Ｖ＿ＤＣ２）が、前記電源バスの各々において固定調整電圧を提供するように、前記第１および第２のＬＬＣ共振コンバータ（１４、１６）を使用して独立して調整されることを特徴とする、方法。
2. 低から高までの３つの充電電力レベルのうちの第１の充電電力レベルに対応する第１の単相接続モードにおいて、前記充電装置の前記三相接続の第１の相接続（Ａ）および第２の相接続（Ｃ）が、前記単相電力供給グリッドの相線（９１）および中性線（９０）にそれぞれ接続され、前記第２の相接続が、接続リレー（１７）によって前記中性線に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記２つのＬＬＣ共振コンバータ（１４、１６）のうちの一方のみを交互に使用して、前記入力電流の符号に基づいて、前記第１の充電電力レベルに従って前記バッテリ（２０）を充電するように、前記中性線に接続される前記充電装置の前記第２の相接続（Ｃ）に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ３）のスイッチ（３Ｈ、３Ｌ）が、常に閉状態に保たれることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記入力電流の符号が交替するたびに、使用されていない方のＬＬＣ共振コンバータの制御が切断されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記２つのＬＬＣ共振コンバータ（１４、１６）を併せて使用して、前記第１の充電電力レベルに従って前記バッテリ（２０）を充電するように、前記単相電力供給グリッド（９）に接続される前記充電装置の前記第１の相接続（Ａ）および第２の相接続（Ｃ）に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ３）のスイッチが、前記入力電流の符号の関数として体系的に切り換えられることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. 前記入力電流の正の交替の間、前記充電装置の前記第１の相接続に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１）の前記高スイッチ（１Ｈ）および前記第２の相接続に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ３）の前記低スイッチ（３Ｌ）が、一緒に切り換えられ、前記入力電流の負の交替の間、前記充電装置の前記第１の相接続に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１）の前記低スイッチ（１Ｌ）および前記第２の相接続に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ３）の前記高スイッチ（３Ｈ）が、一緒に切り換えられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 低から高までの少なくとも３つの充電電力レベルのうちの第２の充電電力レベルに対応する第２の単相接続モードにおいて、前記充電装置の前記三相接続の第１の相接続（Ａ）および第２の相接続（Ｃ）が、前記単相電力供給グリッドの相線および中性線にそれぞれ接続され、前記第２の相接続（Ｃ）が第１の接続リレー（１７）によって前記中性線に接続され、さらに第２の接続リレー（１８）によって前記第１の相接続（Ａ）および第３の相接続（Ｂ）が一緒に接続されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記中性線に接続される前記充電装置の前記第２の相接続（Ｃ）に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ３）のスイッチについては、状態が体系的に閉じたままに保たれ、一緒に接続される前記充電装置の前記第１（Ａ）および第３（Ｂ）の相接続に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２）のスイッチは、前記２つのＬＬＣ共振コンバータ（１４、１６）のうちの一方のみを交互に使用して、前記入力電流の符号に基づいて、前記第２の充電電力レベルに従って前記バッテリを充電するように、前記入力電流の符号の関数として体系的に切り換えられることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記入力電流の正の交替の間、一緒に接続される前記充電装置の前記第１（Ａ）および第３（Ｂ）の相接続にそれぞれ対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２）の前記高スイッチ（１Ｈ、２Ｈ）が、一緒に切り換えられ、前記入力電流の負の交替の間、一緒に接続される前記充電装置の前記第１（Ａ）および第３（Ｂ）の相接続にそれぞれ対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２）の前記低スイッチ（１Ｌ、２Ｌ）が、一緒に切り換えられることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記２つのＬＬＣ共振コンバータ（１４、１６）を併せて使用して、前記第２の充電電力レベルに従って前記バッテリを充電するように、前記単相電力供給グリッド（９）に接続される前記充電装置の前記第１、第２、および第３の相接続に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）のスイッチが、前記入力電流の符号に基づいて体系的に切り換えられることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
11. 低から高までの少なくとも３つの充電電力レベルのうちの第３の充電電力レベルに対応する第３の単相接続モードにおいて、前記充電装置の前記三相接続の第１の相接続（Ａ）が、前記単相電力供給グリッド（９）の相線（９１）に接続され、前記充電装置の前記三相接続の第２の相接続（Ｃ）および第３の相接続（Ｂ）が、それぞれの接続リレー（１７、１８）によって前記単相電力供給グリッドの前記相線に接続され、前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器（１１０）の前記中点（Ｍ）が、前記単相電力供給グリッド（９）の中性線（９０）に接続されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記２つのＬＬＣ共振コンバータ（１４、１６）のうちの一方のみが、前記入力電流の符号に基づいて、前記第３の充電電力レベルに従って前記バッテリを充電するために使用され、互いに接続される前記充電装置の前記第１の相接続（Ａ）、第２の相接続（Ｃ）、および第３の相接続（Ｂ）に対応する前記スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）のスイッチが、前記入力電流の符号に基づいて体系的に切り換えられることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

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