JP7357175B1 - 電気推進システム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変更のための変圧器をもつ電気推進システムを提供する。【解決手段】電気推進システムは、高電圧バッテリ１から給電されるモータ駆動回路２０をもち、モータ駆動回路は、推進モータを駆動する。モータ駆動回路の一対の入力端は平滑キャパシタ２に接続される。電気推進システムはさらに、３個以上のコイルを有する変圧器１３をもつバッテリ回路をもつ。変圧器は、高電圧バッテリを充電するための充電器１１に内蔵され、高電圧バッテリを加熱するためのバッテリ加熱コイル５をもつ。バッテリ加熱コイルは、高電圧バッテリ及び平滑キャパシタとともに閉ループ回路を形成する。たとえば１ターンのバッテリ加熱コイルに高周波二次電圧が誘導される時、高周波電力が高電圧バッテリ及び平滑キャパシタを循環する。その結果、高電圧バッテリは加熱される。【選択図】図２

Description

本発明は、電気推進システムに関し、特に電圧変更のための変圧器をもつ電気推進システムに関する。

高電圧バッテリの電力エネルギーを用いてトラクションモータを駆動する電気推進システムとして、電気自動車（EV）が知られている。さらに、高電圧バッテリの電力エネルギーを用いて推進モータを駆動する電気推進システムとして、電気船及び電気航空機が知られている。高電圧バッテリの直流電力はモータ駆動回路により交流電力に変換されて推進モータに供給される。３相インバータは典型的なモータ駆動回路であるが、さらに昇圧チョッハ゛が追加されたモータ駆動回路も知られている。

従来の電気推進システムは、モータ駆動回路に加えて高電圧バッテリに接続される複数のバッテリ回路をもつ。これらのバッテリ回路の運転電圧は、高電圧バッテリの定格電圧と異なるのが通常である。このため、これらのバッテリ回路はそれぞれ、電圧変更のための変圧器をもつ。

バッテリ回路の一例として、グリッド電力により高電圧バッテリを充電するグリッド充電器が知られている。さらに、バッテリ回路の他例として、高電圧バッテリから低電圧バッテリへバッテリ電力を伝送するDCDCコンバータも知られている。

従来の電気推進システムの一例が図１に示される。高電圧バッテリ１は、配線箱１０を通じて平滑キャパシタ２に実質的に並列接続されている。平滑キャパシタ２は、モータ駆動回路２０のスイッチングノイズを吸収する。

配線箱１０は、リレー回路３、グリッド充電器１１、DCDCコンバータ１２、及びコントローラ３０をもつ。リレー回路３は、システムリレー３１及び３４、プリチャージリレー３２、及び抵抗器３３をもつ。

高電圧バッテリ１の正極端子B+は、システムリレー３１を通じて平滑キャパシタ２の正極端子C+に接続される。高電圧バッテリ１の負極端子B-は、システムリレー３４を通じて平滑キャパシタ２の負極端子C-に接続される。

グリッド充電器１１は、グリッド側コンバータ９、変圧器１３、及びバッテリ側コンバータ４をもつ。変圧器１３は、軟磁性コア１３Aに巻かれたコイル８A及び７をもつ。グリッド側コンバータ９は、整流器９３、キャパシタ９２、及びオシレータ９１からなる。

整流器９３は単相グリッド電圧を整流してキャパシタ９２を充電する。キャパシタ９２はオシレータ９１に直流電力を供給し、オシレータ９１は変圧器１３のコイル７に高周波電圧を印加する。変圧器１３のコイル８Aに誘導された二次電圧は、バッテリ側コンバータ４Aにより整流される。安全リレー３５及び３６を通じて高電圧バッテリ１に接続されたバッテリ側コンバータ４Aは、高電圧バッテリ１に整流電圧を印加する。

DCDCコンバータ１２は、バッテリ側コンバータ４B、変圧器１４、及び整流器６１からなる。変圧器１４は、軟磁性コア１４Aに巻かれたコイル８B及び６をもつ。安全リレー３５及び３６を通じて高電圧バッテリ１に接続されたバッテリ側コンバータ４Bは、コイル８Bに高周波電流を供給する。コイル６に誘導された二次電圧は整流器６１により整流される。整流電圧は低電圧バッテリ６０を充電する。

他方、高電圧バッテリ１の性能改善のために、高電圧バッテリ１に交流電力を供給する変圧器をもつバッテリ加熱回路が提案されている。結局、従来の電気推進システムは、グリッド充電器、DCDCコンバータ、及びバッテリ加熱回路のような変圧器が内蔵されたバッテリ回路をもつ。けれども、これらの変圧器は電気推進システムの重量を増加させる。

特許文献１は、グリッド充電器の変圧器をインダクタとして使用するバッテリ加熱回路を提案している。特許文献１によれば、変圧器の数を減らすことができる。しかし、特許文献１は、変圧器のコイルをインダクタとして使用するために複数の半導体パワースイッチング素子を追加する必要がある。高電圧及び大電流を扱うこれらの半導体パワースイッチング素子は高価である。

CN特許１１１１８１２０８

本発明の第１の目的は、簡素なパワースイッチング回路及び軽量な変圧器をもつ電気推進システムを提供することである。

本発明の第１の様相によれば、推進モータを駆動する電気推進システムに付属するバッテリ回路は、共通の軟磁性コアに巻かれた３個以上のコイルを有する変圧器をもつ。これにより、電気推進システムの複数の動作モードを単一の変圧器を使用して実施することができるため、バッテリ回路は、簡素な回路構成をもつ。さらに、変圧器の合計重量を低減することができる。

好適な態様において、この電気推進システムは、グリッド充電モード、DC-DCコンバータモード、及びバッテリ加熱モードのうちの少なくとも２つを共通の変圧器を通じて実行する。
好適な態様において、この電気推進システムは、グリッド充電モード、DC-DCコンバータモード、及びバッテリ加熱モードのすべてを共通の変圧器を通じて実行する。

本発明の第２の様相によれば、推進モータを駆動する電気推進システムの変圧器は、高電圧バッテリに二次電流を流すためのバッテリ加熱コイルをもつ。バッテリ加熱コイル、高電圧バッテリ、及び平滑キャパシタは、二次電流が循環する閉ループ回路を形成する。平滑キャパシタは、モータ駆動回路の入力ターミナルに接続される。これにより、簡素な回路構成により、高電圧バッテリの急速加熱を実現することができる。

従来の電気推進システムのバッテリ回路を示すブロック回路図である。 第１実施例の電気推進システムのバッテリ回路を示すブロック回路図である。 図２に示されるバッテリ回路の一例を示す回路図である。 図２に示されるバッテリ回路の他例を示す回路図である。 第２実施例の電気推進システムのバッテリ回路を示すブロック回路図である。 図５に示されるバッテリ回路の磁束和モードを示す回路図である。 図５に示されるバッテリ回路の磁束差モードを示す回路図である。

本発明の電気推進システムに付属するバッテリ回路が図面を参照して説明される。けれども、本発明の技術思想は他の公知の回路技術により実現されてもよい。さらに、本発明の電気推進システムは、電気自動車（BEV）の他に、ハイブリッド車（HV）、プラグインハイブリッド車（PHV）、バッテリ推進船（BS）、及びバッテリ推進航空機（BP）などを含む。

第１実施例
第１実施例の電気推進システムが図２を参照して説明される。EVのトラクションモータを駆動する３相インバータ２０を備えるこの電気推進システムは、バッテリ加熱コイル５を除いて図１に示される従来の電気推進システムと同じである。

図２に示される電気推進システムは、高電圧バッテリ１、平滑キャパシタ２、及び配線箱１０をもつ。高電圧バッテリ１は、約４００Vの定格電圧をもつリチウムイオン電池である。約０．４ｍFの静電容量をもつフィルムキャパシタからなる平滑キャパシタ２は、モータ駆動回路２０の一対の直流電源端子に接続されている。このモータ駆動回路２０は３相インバータからなるが、平滑キャパシタ２の電圧を昇圧するための昇圧チョッパ回路を含むことも可能である。

高電圧バッテリ１及び平滑キャパシタ２は、配線箱１０を通じて接続されている。配線箱１０は、リレー回路３、グリッド充電器１１、DCDCコンバータ１２、及びコントローラ３０をもつ。リレー回路３は、システムリレー３１及び３４、プリチャージリレー３２、抵抗器３３、及び安全リレー３５及び３６をもつ。

バッテリ１の正極端子B+は、リレー３１を通じて平滑キャパシタ２の正極端子C+に接続されている。バッテリ１の負極端子B-は、リレー３４及びバッテリ加熱コイル５を通じて平滑キャパシタ２の負極端子C-に接続されている。バッテリ加熱コイル５は、平滑キャパシタ２の負極端子C-とシステムリレー３４とを接続している。直列接続されたリレー３２及び低抵抗器３３はシステムリレー３１と並列に接続されている。良く知られているように、リレー３２はリレー３１に先行してオンされる。これにより、平滑キャパシタ２を充電する電流が低減される。

グリッド電力を用いてバッテリ１を充電するグリッド充電器１１は、グリッド側コンバータ９、変圧器１３、及びバッテリ側コンバータ４Aからなる。グリッド側コンバータ９は、整流器９３、キャパシタ９２、及びオシレータ９１からなる。

グリッド電圧が整流器９３に印加される時、グリッド充電モードが開始される。言い換えれば、グリッド充電モードは、グリッド側コンバータ９の整流器９３が電気グリッドに接続された後で実行される。グリッド充電モードが開始される前に、リレー３１、３２、３４はオフされ、リレー３５及び３６はオンされる。グリッド充電モードによれば、ダイオードフルブリッジからなる整流器９３は単相グリッド電圧を整流してキャパシタ９２を充電する。

キャパシタ９２は、Hブリッジと呼ばれるフルブリッジインバータからなるオシレータ９１に直流電力を供給する。オシレータ９１は、変圧器１３のコイル７に高周波電流を供給する。Hブリッジ９１の４つのMOSFETは、高周波電流の波形制御のためにPWM制御される。

変圧器１３は、軟磁性コア１３Aに巻かれた３つのコイル５、７、及び８Aをもつ。コイル５、７、及び８Aは、軟磁性コア１３Aにより磁気的に結合されている。オシレータ９１がコイル７に高周波の一次電流を供給する時、整流器としてのバッテリ側コンバータ４Aは、コイル８Aに誘導された二次電圧を整流する。バッテリ側コンバータ４Aも、Hブリッジと呼ばれるフルブリッジインバータからなる。バッテリ側コンバータ４Aにより整流された電圧は、リレー３５及び３６を通じてバッテリ１に印加される。結局、グリッド充電器１１は、グリッド電力を用いてバッテリ１を充電することができる。

DCDCコンバータ１２は、バッテリ側コンバータ４B、変圧器１４、及び整流器６１からなる。変圧器１４は軟磁性コア１４Aに巻かれたコイル８B及び６をもつ。オシレータからなるバッテリ側コンバータ４Bは高周波電圧をコイル８Bに印加する。コイル６に誘導された二次電圧は整流器６１によって整流された後、低電圧バッテリ６０に印加される。

コントローラ３０は、グリッド充電モードに加えてバッテリ加熱モードをもつ。このバッテリ加熱モードは、平滑キャパシタ２がプリチャージされた後で実施される。バッテリ１の温度が所定値未満である時に実施されるバッテリ加熱モードによれば、平滑キャパシタ２とバッテリ１との間を循環する高周波電流がバッテリ１を加熱する。

このバッテリ加熱モードは２つのモードを含む。第１のバッテリ加熱モードは、バッテリ接続式バッテリ加熱モードと呼ばれる。第２のバッテリ加熱モードは、グリッド接続式バッテリ加熱モードと呼ばれる。

まず、バッテリ接続式バッテリ加熱モードが説明される。リレー３５及び３６がオンされ、バッテリ１はバッテリ側コンバータ４Aにバッテリ電圧を印加する。次に、オシレータとして駆動されるバッテリ側コンバータ４Aは、コイル８Aに高周波電流を供給する。これにより、高周波の二次電圧がコイル５に誘導され、二次電流が、バッテリ１、コイル５、リレー３１、平滑キャパシタ２、及びリレー３４からなる閉ループ回路を循環する。

その結果、バッテリ１はその抵抗損失により効率よく加熱される。たとえば、バッテリ１の内部抵抗が０．１オームであり、高周波電流の実効値が７０Aと仮定される。その結果、バッテリ１は約４９０Wの抵抗損失を発生する。このバッテリ接続式バッテリ加熱モードは、推進モータが停止される期間、及び、推進モータが駆動される期間に実施されることができる。

ただし、バッテリ加熱モードのための高周波電力とモータ駆動のための電力との合計が所定レベルを超えないように、バッテリ加熱電力は調整されるべきである。バッテリ加熱電力の制御は、バッテリ側コンバータ４AとしてのHブリッジのPWM制御により実施される。このバッテリ加熱モードは、バッテリ１の温度が所定値に達した時に終了される。

次に、グリッド接続式バッテリ加熱モードが説明される。このグリッド接続式バッテリ加熱モードは、既述されたグリッド充電モードと同時に実施されることができる他、単独で実施されることもできる。バッテリ加熱モード及びグリッド充電モードが一緒に実施される時、バッテリ加熱電力は、バッテリ１の電流が所定値を超えないように好適に制御される。グリッド側コンバータ９のオシレータ９１は、バッテリ加熱電力の制御のためにPWM制御される。

まず、グリッド接続式バッテリ加熱モードの単独実施が説明される。リレー３５及び３６はオフされ、リレー３１及び３４はオンされる。整流器９３により整流されたグリッド電力がオシレータ９１に供給される。オシレータ９１は一次電圧をコイル７に印加する。その結果、バッテリ加熱コイル５に二次電圧が誘導され、バッテリ１及び平滑キャパシタ２は高周波電流により加熱される。

次に、グリッド接続式バッテリ加熱モード及びグリッド充電モードを同時に実施するケースが説明される。グリッド接続式バッテリ加熱モードが実施されている時、リレー３５及び３６がオンされる。
整流器９３により整流されたグリッド電力はキャパシタ９２に充電される。キャパシタ９２から給電されたオシレータ９１は高周波電流をコイル７に供給する。その結果、バッテリ加熱コイル５に誘導された高周波電圧はバッテリ１を加熱する。さらに、コイル８Aに誘導された二次電圧は、整流器としてのバッテリ側コンバータ４Aにより整流される。これにより、バッテリ１が充電される。

図３は、図２に示されるバッテリ側コンバータ４A、変圧器１３、及びグリッド側コンバータ９の回路例を示す。図３において、変圧器１３の断面が模式的に示される。３つのコイル８A、５、及び７は、軟磁性コア１３Aの中央ポールに巻かれている。コイル５の巻数は好適には１ターンである。

この実施例の効果が説明される。まず、グリッド充電器１１の変圧器１３は、バッテリ１を加熱するバッテリ加熱回路の変圧器を兼ねる。さらに、グリッド充電器１１のバッテリ側コンバータ４A及びグリッド側コンバータ９はそれぞれ、このバッテリ加熱回路のオシレータを兼ねる。その結果、簡素な回路追加により低温のバッテリ１を加熱することができ、バッテリ加熱回路の重量及びコストを低減することができる。

次に、バッテリ加熱コイル５のインダクタンスによる影響が説明される。まず、リレー３１及び３４がオフされる時、リレー３１及び３４のいわゆる接点アーク問題が深刻となる。この問題は、リレー３１及び３４がオフされる時、コイル５に二次逆電圧を印加することにより解決される。リレー３１及び３４がオフされる時、バッテリ側コンバータ４Aはコイル８Aに一次逆電圧を印加する。これにより、二次逆電圧がコイル５に誘導される。この二次逆電圧の方向は、バッテリ加熱コイル５を流れる電流の方向と反対である。これにより、リレー３１及び３４のオフ時におけるコイル５の悪影響が抑制される。

さらに、バッテリ加熱コイル５に二次逆電圧を誘導する技術は、プリチャージリレー３２のオンにより、平滑キャパシタ２に流れる突入電流を抑制するために使用することができる。まず、リレー３５及び３６をオンすることにより、バッテリ側コンバータ４Aはコイル８Aに一次逆電圧を印加する。これにより、二次逆電圧がコイル５に誘導される。この二次逆電圧の方向は、平滑キャパシタ２を流れる突入電流を減らす方向である。これにより、突入電流が低減される。

図２に示される変圧器１３及び変圧器１４の変形態様が図４を参照して説明される。図４に示される変圧器１５の軟磁性コア１３Aは、第１ポール１０１A、第２ポール１０１B、及び第３ポール１０１Cをもつ。軟磁性コア１３Aはさらに、横バー１０１D、１０１E、１０１F、及び１０１Gをもつ。コイル５、７、８Aは第１ポール１０１Aに巻かれ、コイル６及び８Bは第３ポール１０１Cに巻かれている。第２ポール１０１Bは、コイルをもたない。

したがって、コイル５、７、８Aの磁束は、第１ポール１０１A、横バー１０１D、第２ポール１０１B、及び横バー１０１Eにより形成される閉ループ磁路を流れる。同様に、コイル６及び８Bの磁束は、第３ポール１０１C、横バー１０１F、第２ポール１０１B、及び横バー１０１Gにより形成される閉ループ磁路を流れる。

結局、図４に示される変圧器１５は、図２に示される２つの変圧器１３及び１４と均等である。しかし、変圧器１５の軟磁性コア１５Aは、２つの変圧器１３及び１４の軟磁性コア１３A及び１４Aよりもコンパクトとなる。さらに付け加えれば、図４に示されるポール１０１Bは、ポール１０１A及び１０１Cを囲む壁形状をもつことができる。これにより、電磁波ノイズを低減することができる。

第２実施例
本発明の電気推進システムの第２実施例が図５を参照して説明される。図５に示される電気推進システムは、図２に示される電気推進システムと類似している。けれども、この実施例は、図２に示される２つの変圧器１３及び１４の代わりに一つの変圧器１６を使用する。さらに、この実施例は、図２に示される一つのコイル６の代わりに直列接続された二つのコイル６A及び６Bを使用する。

この変圧器１６は、６個のコイル５、７、８A、８B、６A、及び６Bをもつ。バッテリ側コンバータ４Aはコイル８Aに接続され、バッテリ側コンバータ４Bはコイル８Bに接続されている。直列接続された２つのコイル６A及び６Bが整流器６１に接続されている。

高電圧バッテリ１の正極端子B+は、リレー３１を通じて平滑キャパシタ２の正極端子C+に接続されている。バッテリ１の負極端子B-は、リレー３４及びコイル５を通じて平滑キャパシタ２の負極端子C-に接続されている。モータ駆動用の３相インバータ２０が平滑キャパシタ２と並列に接続されている。直列接続されたリレー３２及び低抵抗素子３３がリレー３１と並列に接続されている。バッテリ側コンバータ４A及び４Bは、リレー３５及び３６を通じてバッテリ１に接続されている。

コイル７は、グリッド側コンバータ９を通じて電気グリッドに接続されている。グリッド側コンバータ９は、コイル７に接続されたオシレータ９１、キャパシタ９２、及び整流器９３をもつ。グリッド電圧は整流器９３により整流される。整流された直流電圧はキャパシタ９２を充電する。オシレータ９１は、キャパシタ９２の直流電力を高周波電力に変換してコイル７に供給する。結局、グリッド側コンバータ９、コイル７、コイル８A及び８B、及びバッテリ側コンバータ４A及び４Bは、既述されたグリッド充電器を形成している。

バッテリ１は、バッテリ側コンバータ４A及び４B、コイル８A及び８B、コイル６A及び６B、及び整流器６１を通じて低電圧バッテリ６を充電する。この動作は、DCDCコンバータモードと呼ばれる。バッテリ側コンバータ４A及び４B、コイル８A及び８B、コイル６A及び６B、及び整流器６１は、低電圧バッテリ６を充電するためのDCDCコンバータを形成している。直列接続されたコイル６A及び６Bに誘導された二次電圧は整流器６１により整流される。整流器６１は低電圧バッテリ６０を充電する。１２Vの定格電圧をもつ低電圧バッテリ６０はコントローラ３０に制御電力を供給する。

さらに、バッテリ加熱コイルであるコイル５は、バッテリ１及び平滑キャパシタ２とともにバッテリ加熱用の閉ループ回路を形成している。コイル５に誘導された二次電圧は、この閉ループ回路に高周波電流を循環させる。

コントローラ３０により実施される動作モードが説明される。コントローラ３０は、モータ駆動モード、グリッド充電モード、グリッド接続式バッテリ加熱モード、バッテリ接続式バッテリ加熱モード、及びDCDCコンバータモードをもつ。これらのモードが順番に説明される。

まず、グリッド充電モードが説明される。まず、リレー３５及び３６がオンされる。ダイオードブリッジからなる整流器９３が２００ACVの電気グリッドに接続される時、整流器９３はグリッド電圧を整流して、キャパシタ９２を充電する。キャパシタ９２に接続されたオシレータ９１は一次コイル７に高周波電流を供給する。

これにより、二次コイル８Aに誘導された二次電圧はバッテリ側コンバータ４Aにより整流されてバッテリ１に印加される。同様に、二次コイル８Bに誘導された二次電圧はバッテリ側コンバータ４Bにより整流されてバッテリ１に印加される。二次コイル８A及び８Bは等しい巻数値をもつ。結局、整流器としてのバッテリ側コンバータ４A及び４Bは、バッテリ１を並列に充電する。

次に、グリッド接続式バッテリ加熱モードが説明される。このグリット゛接続式バッテリ加熱モードは、バッテリ１の温度が低く、かつ、整流器９３が電気グリッドに接続される時に実施される。まず、リレー３１及び３４がオンされる。整流器９３はグリッド電圧を整流して、キャパシタ９２を充電する。キャパシタ９２に接続されたオシレータ９１は一次コイル７にたとえば８ｋHzの高周波電流を供給する。バッテリ加熱コイル５に誘導された二次電圧は、コイル５、バッテリ１、及び平滑キャパシタ２からなる閉ループ回路に高周波電流を流し、バッテリ１が加熱される。バッテリ１の温度が所定値に到達した時、このグリット゛接続式バッテリ加熱モードは終了する。

次に、DCDCコンバータモードが説明される。まず、リレー３５及び３６がオンされる。このDCDCコンバータモードにおいて、バッテリ側コンバータ４A及び４Bはそれぞれ、オシレータとして動作する。バッテリ側コンバータ４Aはコイル８Aに高周波電流を供給し、バッテリ側コンバータ４Bはコイル８Bに高周波電流を供給する。コイル６A及び６Bに誘導された二次電圧の合計は、整流器６１により整流されて低電圧バッテリ６０に印加される。バッテリ側コンバータ４A及び４Bは、低電圧バッテリ６０の電圧に応じてPWM制御される。

次に、バッテリ接続式バッテリ加熱モードが説明される。整流器９３は電気グリッドから切り離される。まず、リレー３１、３４、３５、及び３６がオンされる。オシレータとして動作するバッテリ側コンバータ４A及び４Bは、コイル８A及び８Bに高周波電流を供給し、二次電圧がバッテリ加熱コイル５に誘導される。その結果、高周波電流がバッテリ１、平滑キャパシタ２、コイル５からなる閉ループ回路を流れ、バッテリ１が加熱される。なお、バッテリ接続式バッテリ加熱モード及びモータ駆動モードを同時に実施する場合、バッテリ１を流れる最大電流が所定しきい値未満となるように、高周波電流は制限される。

この実施例によれば、バッテリ接続式バッテリ加熱モード及びDCDCコンバータモードの両方は、バッテリ側コンバータ４A及び４Bをオシレータとして使用する。したがって、オシレータ４A及び４Bがコイル８A及び８Bに一次電流を供給する時、二次電圧が二次コイルとしてのコイル５、６A、及び６Bに誘導される。言い換えれば、バッテリ接続式バッテリ加熱モード及びDCDCコンバータモードは同時に実施される。

しかし、バッテリ接続式バッテリ加熱モード及びDCDCコンバータモードはそれぞれ、独立実施されることが好ましい。この問題は、磁束切替型変圧器と呼ばれる特殊な変圧器１６の採用により解決される。

図６及び図７は、変圧器１６の構造を示す模式断面図である。軟磁性コア１６Aは、３つのポール１０１A、１０１B、及び１０１Cをもち、さらに４つの横バー１０１D、１０１E、１０１F、及び１０１Gをもつ。ポール１０１A、横バー１０１D、ポール１０１B、及び横バー１０１Eは、第１閉磁気回路を形成している。ポール１０１C、横バー１０１F、ポール１０１B、及び横バー１０１Gは、第２閉磁気回路を形成している。

実際には、磁気飽和を回避するために、これらの閉磁気回路は狭いエアギャップをもつ。横バー１０１D及び１０１Fは３つのポール１０１A、１０１B、及び１０１Cの上端を磁気的に短絡している。同様に、横バー１０１E及び１０１Gは３つのポール１０１A、１０１B、及び１０１Cの下端を磁気的に短絡している。

コイル８A及びコイル６Aはポール１０１Aに巻かれ、コイル８B及びコイル６Bはポール１０１Cに巻かれている。言い換えれば、コイル８A及びコイル６Aは第１閉磁気回路に巻かれ、コイル８B及びコイル６Bは第２閉磁気回路に巻かれている。しかし、コイル８A、６A、８B、及び６Bは、第１閉磁気回路及び第２閉磁気回路の共通磁路であるポール１０１Bに巻かれない。

直列接続されたコイル６A及び６Bは等しい巻数値をもつ。コイル８A及び８Bは等しい巻数値をもつ。コイル５及び７はポール１０１Bに巻かれている。好適には、コイル５の巻数値は１ターンである。変圧器１６において、コイル８A及び８Bとコイル５との磁気結合は磁束和結合と呼ばれ、コイル８A及び８Bとコイル６A及び６Bとの磁気結合は磁束差結合と呼ばれる。

図６及び図７に示されるように、コイル８Aに接続されるバッテリ側コンバータ４Aは、２つのレグ４０１及び４０２をもつHブリッジからなる。同様に、コイル８Bに接続されるバッテリ側コンバータ４Bは、２つのレグ４０３及び４０４をもつHブリッジからなる。

磁束和モード及び磁束差モードをもつコントローラ３０は、バッテリ側コンバータ４Bからコイル８Bに供給される一次電流の方向を切り替えることにより、磁束和結合及び磁束差結合のどちらかを選択する。磁束和モードの実施により磁束和結合が選択され、磁束差モードの実施により磁束差結合が選択される。磁束和モード及び磁束差モードの両方において、バッテリ側コンバータ４Aからコイル８Aへ供給される第１の一次電流は、バッテリ側コンバータ４Bからコイル８Bへ供給される第２の一次電流と比べて等しい振幅値及び等しい周波数値をもつ。

図６は、磁束和モードにおける電流及び磁束の流れを示す。この磁束和モードにおいて、コイル８Aに供給される第１の一次電流は、コイル８Bに供給される第２の一次電流と同じ位相をもつ。言い換えれば、第１の一次電流及び第２の一次電流は同じ波形をもつ。これにより、コイル８Aがポール１０１A内に形成する磁束F1は上向きとなり、コイル８Bがポール１０１C内に形成する磁束F２も上向きとなる。したがって、同じ波形をもつ２つの磁束F１及び磁束F２はポール１０１B内を下向きに流れる。

この磁束和モードによれば、二次電圧がコイル５及びコイル７に誘導される。コイル７はオシレータ９１に接続されているため、コイル７に誘導された二次電圧の影響は無視される。コイル５に誘導された二次電圧により、バッテリ加熱モードが実施される。すなわち、この磁束和モードは、バッテリ接続式バッテリ加熱モードにおいて採用される。

さらに、この磁束和モードによれば、二次電圧がコイル６A及び６Bに誘導される。しかし、直列接続されたコイル６A及び６Bの二次電圧の合計がゼロとなるように、コイル６A及び６Bは互いに接続される。言い換えれば、コイル６Aが整流器６１に印加する二次電圧は、コイル６Bが整流器６１に印加する二次電圧と逆向きとなる。これにより、コイル６A及び６Bが整流器６１に印加する二次電圧の合計がゼロとなり、DCDCコンバータモードは磁束和モードにおいて実施されない。

図７は、磁束差モードにおける電流及び磁束の流れを示す。この磁束差モードにおいて、コイル８Aに供給される第１の一次電流は、コイル８Bに供給される第２の一次電流と比べて反対の位相をもつ。言い換えれば、第１の一次電流及び第２の一次電流は反対の波形をもつ。第２の一次電流の波形を反転することにより、磁束和モードから磁束差モードへの変更が実施される。この変更は、バッテリ側コンバータであるHブリッジ４BのPWM制御により簡単に実施される。

磁束差モードにおいて、図７に示されるレグ４０３は図６に示されるレグ４０４と同じスイッチングパターンをもち、図７に示されるレグ４０４は図６に示されるレグ４０３と同じスイッチングパターンをもつ。これにより、図７に示されるHブリッジ４Bがコイル７Bに供給する一次電流は、図６に示されるHブリッジ４Bがコイル７Bに供給する一次電流と反対波形をもつ。

図７に示される磁束差モードにおいて、コイル８Aに供給された第１の一次電流はポール１０１Aに磁束F１を形成し、コイル８Bに供給された第２の一次電流はポール１０１Cに磁束F２を形成する。磁束F1及び磁束F２は同じ波形をもつ。しかし、磁束F１はポール１０１Aを上へ向けて流れるが、磁束F２はポール１０１Cを下へ向けて流れる。

結局、この磁束差モードによれば、同じ波形をもつ磁束F１及びF２がポール１０１B内を逆方向に流れる。これは、ポール１０１B内を流れる磁束の合計がゼロとなることを意味する。したがって、コイル５及びコイル７に誘導される二次電圧はそれぞれゼロとなり、バッテリ加熱モードは実施されない。

次に、この磁束差モードにおいて、同じ方向をもつ磁束F１及び磁束F２がポール１０１A及び１０１Cを流れる。これにより、磁束F１及び磁束F２の合計は、コイル６A及び６Bにそれぞれ、二次電圧を誘導する。その結果、コイル６A及び６Bは同方向の二次電圧を整流器６１に印加する。整流器６１は２つのコイル６A及び６Bの二次電圧の合計を整流して低電圧バッテリ６０に印加する。結局、この磁束差モードは、バッテリ１からバッテリ６０へ直流電力を伝送するDCDCコンバータモードにおいて採用される。

このDCDCコンバータモードはモータ運転モードと同時に実施されることができる。このDCDCコンバータモードにより、コイル６A及び６Bを通じて低電圧バッテリ６０が充電される期間において、コイル６Aにより誘導されるコイル５の二次電圧と、コイル６Bにより誘導されるコイル５の二次電圧との和はゼロとなる。したがって、モータ駆動モードにおいて、コイル５の上記二次電圧により平滑キャパシタ２の電圧が変動することが防止される。バッテリ１を流れる放電電流が所定の最大しきい値を超えないように、バッテリ側コンバータ４A及び４BがPWM制御される。

既述されたグリッド充電モードにおける磁束の流れが説明される。オシレータ９１は一次電力をコイル７に供給する。コイル７は、コイル８A及び８Bと磁束和結合を形成する。したがって、図６に示されるように、ポール１０１Bに巻かれたコイル７は、ポール１０１Aに磁束F１を流し、ポール１０１Cに磁束F２を流す。言い換えれば、コイル７が形成する磁束の半分がポール１０１Aを流れ、残りの半分がポール１０１Cを流れる。結局、整流器４A及び４Bは、並列にバッテリ１を充電する。このグリッド充電モードにおいて、直列接続されたコイル６A及び６Bの二次電圧の和はゼロとなる。したがって、DCDCコンバータモードは実施されない。

第３実施例
本発明の電気推進システムの第３実施例が図５を参照して説明される。ただし、この第３実施例において、コイル５は省略される。コントローラ３０は、既述されたグリッド充電モード及びDCDCコンバータモードをもつ。グリッド充電モードは図６に示される磁束和モードにより実施され、DCDCコンバータモードは図７に示される磁束差モードにより実行される。

結局、図５に示される電気推進システムに付属するバッテリ回路は、図６及び図７に示される軟磁性コア１６Aを採用することにより、グリッド充電モード及びDCDCコンバータモードをそれぞれ独立に実施することができる。このため、グリッド充電モードにおいて低電圧バッテリ６０が過充電されるのを回避することができる。

第４実施例
本発明の電気推進システムの第４実施例が図５を参照して説明される。ただし、この第４実施例において、コイル７は省略される。コントローラ３０は、既述されたバッテリ加熱モード及びDCDCコンバータモードをもつ。バッテリ加熱モードは図６に示される磁束和モードにより実施され、DCDCコンバータモードは図７に示される磁束差モードにより実行される。

結局、図５に示される電気推進システムに付属するバッテリ回路は、図６及び図７に示される軟磁性コア１６Aを採用することにより、バッテリ加熱モード及びDCDCコンバータモードをそれぞれ独立に実施することができる。この実施例によれば、高電圧バッテリ１により低電圧バッテリ６０を充電する降圧DCDCコンバータの変圧器にバッテリ加熱コイル５を追加するだけで、低温のバッテリ１を交流加熱することができる。

既述された各実施例の変形態様において、バッテリ側コンバータ４又はバッテリ側コンバータ４A及び４Bは、システムリレー３１及び３４を通じて高電圧バッテリ１に接続されることができる。これにより、安全リレー３５及び３６を省略することができる。さらに、グリッド充電器１１は、変圧器をもつ双方向性の充電器でもよい。

Claims (5)

1. 推進モータ駆動用のモータ駆動回路にモータ駆動電力を供給する高電圧バッテリと、前記高電圧バッテリに電気的に接続される変圧器と、前記変圧器のコイルに供給される電流を制御するコントローラとを備える電気推進システムにおいて、
   前記変圧器は、共通の軟磁性コアに巻かれた３個以上のコイルを有し、
   前記軟磁性コア（１６）は、第１磁路（１０１Ａ）、第２磁路（１０１Ｃ）、及び第３磁路（１０１Ｂ）を有し、
   前記第１磁路、第２磁路、及び第３磁路は、磁気的に並列に接続され、
   第１コイル（８A）及び第２コイル（６A）は、前記第１磁路に巻かれ、
   第３コイル（８B）及び第４コイル（６B）は、前記第２磁路に巻かれ、
   第５コイル（５及び/又は７）は、前記第３磁路に巻かれ、
   前記第２コイル（６A）及び前記第４コイル（６B）は直列に接続されることを特徴とする電気推進システム。
2. 前記コントローラ（３０）は、一次コイルとしての前記第１コイル（８A）及び前記第３コイル（８B）に供給する一次電流を制御することにより、前記第２コイル（６A）及び前記第４コイル（６B）の合計二次電圧と、前記第５コイル（５及び/又は７）の二次電圧の一方を選択的に利用する請求項１記載の電気推進システム。
3. 推進モータ駆動用のモータ駆動回路にモータ駆動電力を供給する高電圧バッテリと、前記高電圧バッテリに電気的に接続される変圧器と、前記変圧器のコイルに供給される電流を制御するコントローラとを備える電気推進システムにおいて、
   前記変圧器は、前記モータ駆動回路の一対の入力ターミナルに接続される平滑キャパシタ及び前記高電圧バッテリとともに閉ループ回路を形成するバッテリ加熱コイルを有し、
   前記コントローラは、
   前記高電圧バッテリの温度が所定値未満である時、前記バッテリ加熱コイルに二次電圧を誘導することにより、前記閉ループ回路に二次電流を循環させるバッテリ加熱モードをもつことを特徴とする電気推進システム。
4. 前記閉ループ回路はさらに、前記高電圧バッテリ及び前記平滑キャパシタを接続するリレーを有し、
   前記コントローラは、前記リレーの開放時に、前記リレーを流れる電流を低減するための電圧を前記バッテリ加熱コイルに誘導する請求項３記載の電気推進システム。
5. 前記変圧器は、電力グリッドの電力により前記高電圧バッテリを充電するグリッド充電器に内蔵される変圧器と共通の軟磁性コアををもつ請求項３記載の電気推進システム。