JP7385607B2 - Ｄｃリンクコンデンサを放電する制御装置及び方法、電力変換機、及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、負荷抵抗器と負荷抵抗器と直列に接続されたスイッチ素子とを備える放電装置によってＤＣリンクコンデンサを放電する制御装置に関する。

さらに、本発明は、電力変換機、車両、およびＤＣリンクコンデンサを放電する方法に関する。

ＤＣリンクコンデンサは、例えば電力変換機において電気モータに供給するための多相交流に変換されるＤＣ電圧を蓄える。例えば電気モータが遮断された場合など、電力変換機を備える車両の障害または事故の発生時に放電事象が生じている場合、電気的安全性を確保するために、ＤＣリンクコンデンサを危険でない電圧まで迅速に放電することが目標となる。負荷抵抗器と負荷抵抗器と直列に接続されたスイッチ素子とを有する放電装置を使用する場合、スイッチ素子は、放電事象が生じている場合に閉じられて、ＤＣリンクコンデンサに蓄えられているエネルギーを熱に変換する。

電気負荷と放電調整器とを有する電圧変換器内のＤＣリンクコンデンサを放電するこのような装置は、ＤＥ１０２０１３２２４８８４Ａ１から知られている。放電調整器は、所定の放電電流を用いて電気負荷を介してＤＣリンクコンデンサを放電するように設計されている。放電調整器は、少なくともほぼ一定の放電電流を可能にし、放電が所定の放電電流で行われるようにパワートランジスタを作動させる演算増幅器を備える。

このようにして、負荷抵抗器によるほぼ一定の電力消費が達成される。しかし、スイッチ素子のパワートランジスタは、その有効範囲内で作動し、パワートランジスタ自体が蓄えられたエネルギーの大きな部分を熱に変換する。したがって、負荷抵抗器による均一な電力消費は、スイッチ素子の電力消費を変動可能にすることによって達成される。スイッチ素子は、これに対応して高い電力消費を実現するように設計する必要があり、構成部品が複雑になる。

したがって、本発明の目的は、より複雑でないＤＣリンクコンデンサを放電する選択肢を提供することである。

この課題は、本発明によれば、決定されたデューティサイクルを有するスイッチ素子へのパルス幅変調作動信号を生成する生成ユニットと、負荷抵抗器を時間平均において所望の放電電流が流れるようにデューティサイクルを決定する制御ユニットとを備える、冒頭に記載の種類の制御装置によって解決される。

本発明は、パルス幅変調作動信号によってスイッチ素子をスイッチモードでのみ動作させるという思想に基づき、負荷抵抗器を流れるクロック電流はデューティサイクルに基づいて予め定められる。このようにして、一方ではスイッチ素子は有利には電力損失に関してアクティブ動作ではなくスイッチモードのみのために設計され、他方では負荷抵抗器は時間平均で生じる電力損失に基づいて設計することができる。

本発明における「時間平均」という表現は、パルス幅変調作動信号いくつかの期間にわたる移動平均または加重平均を意味すると理解されるべきである。したがって、平均値は基本的にはパルス幅変調による計時のみを補償する。このプロセスで、作動信号の持続時間は、負荷抵抗器の熱時定数を下回るように、必要に応じて負荷抵抗器における冷却条件を付加的に考慮して好都合な方法で選択される。この熱抵抗器は、その熱容量によって、電流によって生じる熱電力消費を平均化する。

制御ユニットは、放電電流が時間平均においてほぼ一定の電力消費を負荷抵抗器に生じさせるようにデューティサイクルを決定するよう構成されることが好ましい。したがって、負荷抵抗器は、一定の放電容量に対応する最大電力消費を可能にするだけでよい。したがって、負荷抵抗器を電流が連続的に流れる場合と比較して、負荷抵抗器は、高い一時的に発生するピーク電力レベルまたはピーク電流を消費するように設計されず、よって、より小さく、より安価であるように選択され得る。負荷抵抗器の熱容量により、オン時間の期間が負荷抵抗器の熱時定数と比較して短いので、作動信号のオン時間の間に流れる電流は負荷抵抗器を損傷させることなく流れることができる。電力消費は、ＤＣリンクコンデンサに蓄えられる最大エネルギーレベルと予め定められた放電時間とに基づいて決定することができる。

本発明の制御装置においては、特に有利には、制御ユニットは、ＤＣリンクコンデンサにおいて降下するＤＣリンク電圧を示す電圧情報の関数としてデューティサイクルを決定するよう構成される。このプロセスにおいて、より大きな放電電流、すなわち、作動信号のより大きなデューティサイクルは、典型的には、減少するＤＣリンク電圧とともに予め規定される。

好ましい第１の実施形態によれば、制御ユニットは、電圧情報の関数として放電電流目標値を決定するよう構成された目標値決定ユニットを備える。放電電流目標値は、負荷抵抗器の電力消費の二次依存性が負荷抵抗器における電圧降下（Ｐ＝Ｕ^２／Ｒ）によって補償されるように選択されることが好ましい。放電電流目標値が負荷抵抗器の電力消費とＤＣリンク電圧との商に対応するときに、最適な補償となる。

目標値決定ユニットは、放電電流目標値を、ＤＣリンク電圧の反転値、すなわち負の値の関数として決定するように構成することができる。負の値の使用は、ＤＣリンク電圧の逆数値の形の反転値を近似し、これによって回路に関してより単純な実装を可能にする。すなわち、負の値はＤＣリンク電圧の曲線を反映する。有利には、目標値決定ユニットはさらに、放電電流目標値を反転値とオフセットとの和に決定するよう構成されている。

好ましい第２の実施形態によれば、制御ユニットは、負荷抵抗器の抵抗値とその所望の電力消費との積とＤＣリンク電圧の二乗との比としてデューティサイクルを計算するよう構成されている。この場合、電圧の二次依存性の補償は計算によって行われる。さらに、デューティサイクルを直接計算することもできる。

本発明の制御装置においては、制御ユニットは、負荷抵抗器を流れる電流の時間平均を示す電流情報の関数としてデューティサイクルを決定するよう構成される。制御装置は、電流情報の決定を通じて、負荷抵抗器を通るクロック電流を調整する。この目的のために、制御装置は、負荷抵抗器を流れる瞬時の電流を示す電流測定値から電流情報を生成するローパスユニットを備えるよう構成される。すなわち、ローパスユニットは、パルス幅変調作動信号によって計時される電流測定値を調整する。ローパスユニットは、ＲＣ回路、保持素子、または別の平滑化回路または平均化回路であり得る。

放電プロセスが調整できるように、制御装置は、放電電流目標値からの電流の時間平均の偏差の関数としてデューティサイクルを決定するように構成されたコントローラを備え得る。コントローラはＰ動作、ＰＩ動作、またはＰＩＤ動作を有し得る。このプロセスにおいて、放電電流目標値が保持されている場合には、典型的には、流れる電流の時間平均での減少傾向、特に電圧降下に伴う減少傾向が、相応に大きなデューティサイクルによって補償される。負荷抵抗器を流れる電流を考慮することにより、特に、負荷抵抗器の製造に関連した抵抗値の変動にほとんど依存しない方法で放電電流を制御することが可能になる。これにより、負荷抵抗器に関して精度要件を有利に低減する。

本発明の制御装置の場合、制御ユニットは好ましくはアナログ回路として設計される。自動車用途の目的に関して、これは、制御ユニットを実装するために標準的な構成要素を用いることができ、それによって、準拠する自動車安全水準（ＡＳＩＬ）に関する認証の複雑さを最小限に抑えるという利点を有する。あるいは、制御ユニットはマイクロプロセッサとして設計することもできる。これは、特に放電電流目標値および電流情報の決定が省かれる、放電電流が上述の第２の実施形態に従って計算される場合に特に適用される。しかし、この計算をアナログ回路によって実行することも考えられる。

本発明は、ＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクコンデンサを放電させることができ、負荷抵抗器と負荷抵抗器と直列に接続されたスイッチ素子とを備える放電装置と、放電装置を作動させる本発明の制御装置と、を備える電力変換機にさらに関する。

本発明はさらに、車両を駆動するための電気モータおよび電気モータに電気を供給するように構成された本発明の電力変換機を備える車両（特に電気自動車またはハイブリッド車）に関する。

最後に、本発明は、負荷抵抗器と負荷抵抗器と直列に接続されたスイッチ素子とを備える放電装置によってＤＣリンクコンデンサを放電する方法であって、決定されたデューティサイクルを有するスイッチ素子へのパルス幅変調作動信号を生成し、負荷抵抗器を時間平均において所望の放電電流が流れるようにデューティサイクルを決定する方法に関する。

本発明の制御装置についてのすべての実施形態は、上記効果が得られるように、本発明の電力変換機、本発明の車両、および本発明の方法に同様に適用できる。

本発明のさらなる効果や詳細については、以下に説明する例示的実施形態および図面により明らかになるであろう。これらは概略図である。

図１は、本発明の制御装置の第１の例示的実施形態の回路図である。 図２は、制御装置の第２の例示的実施形態のブロック図である。 図３は、本発明の電力変換器の例示的実施形態を有する、本発明の車両の例示的実施形態のブロック図である。

図１は、放電装置３によってＤＣリンクコンデンサ２を放電するための制御装置１の第１の例示的実施形態の回路図である。

ＤＣリンクコンデンサ２は、ＤＣ電圧源４によって電気が供給され、特に、過渡電流を平滑化するために、電力インバータの電力ユニットに並列に接続することができる。放電装置３は、放電事象が生じているときに、所定の時間（例えば２秒）以内に所定の電圧閾値（例えば６０Ｖ）を下回るまでＤＣリンクコンデンサ２を能動的に放電するために使用される。この目的のために、放電装置３は、負荷抵抗器５と、例えばＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴなどの電子スイッチの形態である、負荷抵抗器５と直列に接続されたスイッチ素子６とを備える。放電のために、ＤＣリンクコンデンサ２は、典型的には１極または２極のスイッチ装置７によってＤＣ電圧源４から切り離される。

ＤＣリンクコンデンサ２の放電プロセスは、制御装置１によって制御される。この目的のために、制御装置３のまたはスイッチ素子６の制御端子８は、ドライバユニット９を介して制御装置１の出力１０に接続されている。ドライバユニット９は、ＤＣリンクコンデンサ２から放電される電流１９が負荷抵抗器５を流れるようにスイッチ素子６が導通するか、または非導通であるように、出力１０における作動信号を増幅する。

制御装置１は、制御ユニット１１と生成ユニット１２とを備え、生成ユニット１２は、制御ユニット１１によって決定されたデューティサイクルを有する、スイッチ素子６のためのパルス幅変調作動信号を出力１０において生成するように構成されている。

制御ユニット１１は、負荷抵抗器５を流れる放電電流が時間平均において、負荷抵抗器５による実質的に一定の電力消費を生じさせるように、デューティサイクルを放電プロセスにおいて決定するように構成されている。これによって、負荷抵抗器５における一定の電気的および熱的負荷が実現できる。同時に、スイッチ素子６は導電またはブロックモードにおいてのみ作動し、したがってアクティブまたは増幅範囲では作動しない。このようにして、スイッチ素子６の電力消費は最小化され、これによって負荷抵抗器５を流れる電流１９を同相制御する場合と比較して、スイッチ素子６をかなり低い電力要件に応じて設計することができるようになる。

制御ユニット１１は目標値決定ユニット２４を備えており、目標値決定ユニット２４は、放電電流目標値を、ＤＣリンクコンデンサ２において降下するＤＣリンク電圧１３を示す電圧情報の関数として決定するように構成されている。この目的のために、制御装置１は、第１の入力１４を備え、第１の入力１４を介して電圧情報を受信する。本例示的実施形態においては、このために第１の入力１４は電圧検出装置１５と接続されている。電圧検出装置１５は、ＤＣリンクコンデンサ２と抵抗素子１６、１７とが並列に接続された分圧器として構成されている。抵抗素子１６、１７は、高いＤＣリンク電圧１３を分圧器のタップ１８においてこれらに比例した電圧に分割する。このプロセスにおいて、抵抗素子１６は５００ｋΩの抵抗、抵抗素子１７は８２０Ωの抵抗とすることができ、例えば、抵抗素子１６、１７はそれぞれ、１つの抵抗成分または複数の互いに接続された抵抗成分によって形成されている。

電流目標値を決定するために、目標値決定ユニット２４は、第１の入力１４から提供される電圧情報を受信する。目標値決定ユニット２４は、演算増幅器２５を備え、演算増幅器２５は、電圧情報によって示されるＤＣリンク電圧１３を反転し、すなわちその負の値を求め、このように求めたＤＣリンク電圧１３の反転値に一定のオフセット値を加える。この目的のために、演算増幅器２５は、負の入力において、それぞれが例えば２０ｋΩの抵抗値を有する２つの抵抗器２６、２７によって反転増幅器として接続され、正の入力において定電圧源２８に接続されている。このようにして、負荷抵抗器５によって消費される電力の二次依存性が負荷抵抗器５における電圧降下によって大部分が補償されるように、負荷抵抗器５を流れる電流１９が選択されるように、ＤＣリンクコンデンサ２の放電が行われる。

さらに、制御ユニット１１は、負荷抵抗器５を流れる電流１９の時間平均を示す電流情報の関数としてデューティサイクルを決定するように構成されている。電流情報を決定するために、制御装置１は、放電装置３と直列に接続された電流検出装置２１に接続された第２の入力２０を介して電流測定値を受信する。本例示的実施形態においては、これは分路抵抗器２２によって形成されている。電流測定値はスイッチ素子６の切り替えによって計時される電流１９を示すので、例えばＲＣ回路の形態のローパスユニット２３が、第２の入力２０の下流に接続されている。ローパスユニット２３は、電流情報が電流１９の短期移動平均または加重平均に比例して提供されるように電流測定値を調整する。

デューティサイクルを調整するために、制御ユニット１１は、放電電流目標値からの電流１９の時間平均の偏差の関数としてデューティサイクルを決定するように構成されたコントローラ２９を備えている。本例示的実施形態においては、コントローラ２９が偏差およびＰＩ制御特性の決定を行う。この目的のために、コントローラ２９は演算増幅器３０を備え、演算増幅器３０は、その負の入力に２つのインピーダンス３１、３２が入力され、その正の入力に目標値決定ユニット２４の出力信号が入力される。図１におけるインピーダンス３１、３２の実装は、単なる一例である。インピーダンス３１は、例えば、２０ｋΩであり、インピーダンス３２は、例えば、１ｎＦのキャパシタンスと並列な１００ｋΩの抵抗値を有する抵抗器によって形成されている。あるいは、コントローラ２９はＰ制御特性またはＰＩＤ制御特性を有する。

あるいは、目標値決定ユニット２４の出力信号と電流情報とは、まずコントローラ２９の減算ユニット（図示せず）、例えば差動増幅器または減算器として互いに接続された演算増幅器に供給され、減算ユニットの出力信号は演算増幅器３０の負の入力に入力される。このプロセスにおいて、演算増幅器３０の正の入力はグランド電位に接続されている。

コントローラ２９の出力信号は、生成ユニット１２に入力される。生成ユニット１２は、コントローラ２９の出力信号が入力される正の入力と信号発生器３４に接続された負の入力とを有する比較器３３を備え、信号発生器３４は、例えば、出力１０においてパルス幅変調された出力信号を生成するための鋸歯状電圧または三角電圧を生成する。

制御装置１はさらに停止ユニット３５を備え、停止ユニット３５によって、出力１０における作動信号の出力を制御装置１の第３の入力３６における停止信号に応じて停止させることができる。この目的のために、停止ユニット３５はトランジスタ回路３７を備え、トランジスタ回路３７によって、制御装置３のスイッチ素子６が持続的に遮断され、特に通常動作中にＤＣリンクコンデンサ２の放電が発生しないように、停止信号に応じて出力１０を抵抗器を介してグランド電位に切り替えることができる。トランジスタ回路３７が遮断すると、作動信号が出力１０を通過することが可能となる。

本例示的実施形態においては、制御ユニット１１と生成ユニット１２との両方がアナログ回路として設計されている。あるいは、制御ユニット１１および／または生成ユニット１２はマイクロコントローラとして設計されてもよい。

図２は、制御装置１の第２の例示的実施形態のブロック図を示し、以下に記載する違いを除いて上述の例示的実施形態に相当する。同一または類似した構成要素には同一の参照符号を付す。

制御ユニット１１は、ここでは、負荷抵抗器５の抵抗値とその所望の電力消費との積とＤＣリンク電圧１３の二乗との比からデューティサイクルを直接計算するように構成されている。この目的のために、制御ユニット１１は、電圧情報から第１の入力１４で得られたＤＣリンク電圧１３を二乗する二乗ユニット３８を備えている。二乗ユニット３８の出力信号は、除算ユニット３９に供給され、除算ユニット３９は、メモリユニット４０から、負荷抵抗器５の抵抗値と所望の電力消費との積を示す信号を受信し、それを二乗ユニット３８の出力信号で除算する。除算ユニット３９の出力信号はデューティサイクルを示す。これにより、負荷抵抗器５の電力消費が実質的に一定となり、生成ユニット１２に供給される。式によって表されるように、抵抗ＲとデューティサイクルＤに対する所望の電力消費Ｐとから次式が得られる。

デューティサイクルの計算を簡単にするために、第２の例示的実施形態においては、制御ユニット１１および生成ユニット１２はマイクロコントローラとして設計され、二乗ユニット３８および除算ユニット３９は、マイクロコントローラの適切なソフトウェアルーチンによって実装されている。あるいは、二乗ユニット３８および除算ユニット３９を適切なアナログ演算回路によって実装することも可能である。

図３は、車両４０を駆動するために電気モータ４２に電気を供給するように構成された電力変換器４１の例示的実施形態を含む車両４０の例示的実施形態のブロック図を示す。同一または類似した構成要素には、図１、２と同一の参照符号を付す。

電力変換器４１は、ＤＣリンクコンデンサ２と、ＤＣリンクコンデンサ２を放電することができる放電装置３と、放電装置３を作動させる前述の例示的実施形態のうちの１つによる制御装置１とを備える。この目的のために、ＤＣリンクコンデンサ２は、スイッチ装置７を介して電力変換器４１のＤＣ電圧側に接続される、高電圧バッテリの形態のＤＣ電圧源４から供給を受ける。電力変換器４１は、ドライバユニット９と、電圧検出装置１５と、電流検出装置２１とをさらに備えている。これらは、図示を明快にするために図３に個々に示されていない。

ＤＣリンクコンデンサ２は、電力変換器４１の電源ユニット４３が生成する過渡電流を平滑化する。電源ユニット４３は、ＤＣ電圧源４から供給されるＤＣ電圧を、電気モータ４２のための多相、特に３相または６相交流に変換する。電源ユニット４３は、それぞれがＤＣリンクコンデンサ２に並列に接続されるとともに、それぞれが直列に接続された２つの電力半導体スイッチ素子からなる３つまたは６つのハーフブリッジを備えている。

制御装置１は停止信号を車両４０の制御モジュール４４から受信する。制御モジュール４４は、放電事象、例えば事故、絶縁障害、または車両４０もしくは電気モータ４２の遮断が発生しているかどうかを確認するように構成される。このような放電事象が生じている場合、または停止信号が他の理由で存在しない場合、第３の入力３６における停止信号の信号状態変化、または停止信号の不在が、放電装置３によるＤＣリンクコンデンサ２の放電をトリガする。

Claims (14)

1. 負荷抵抗器（５）と、前記負荷抵抗器（５）と直列に接続されたスイッチ素子（６）とを備えた放電装置（３）によってＤＣリンクコンデンサ（２）を放電するための制御装置（１）であって、
   決定されたデューティサイクルを有する前記スイッチ素子（６）へのパルス幅変調作動信号を生成する生成ユニット（１２）と、前記負荷抵抗器（５）を時間平均において所望の放電電流が流れるように前記デューティサイクルを決定する制御ユニット（１１）とを備えることを特徴とする、制御装置（１）。
2. 前記制御ユニット（１１）は、前記放電電流が時間平均においてほぼ一定の電力消費を前記負荷抵抗器（５）に生じさせるように前記デューティサイクルを決定する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御ユニット（１１）は、前記ＤＣリンクコンデンサ（２）において降下するＤＣリンク電圧（１３）を示す電圧情報の関数として前記デューティサイクルを決定する、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記制御ユニット（１１）は、前記電圧情報の関数として放電電流目標値を決定する目標値決定ユニット（２４）を備える、請求項３に記載の制御装置。
5. 前記目標値決定ユニット（２４）は、前記ＤＣリンク電圧（１３）の反転値の関数として前記放電電流目標値を決定する、請求項４に記載の制御装置。
6. 前記目標値決定ユニット（２４）は、前記放電電流目標値を前記反転値とオフセットとの和に決定する、請求項５に記載の制御装置。
7. 前記制御ユニット（１１）は、前記負荷抵抗器（５）の抵抗値とその所望の電力消費との積と前記ＤＣリンク電圧（１３）の二乗との比として前記デューティサイクルを計算する、請求項３に記載の制御装置。
8. 前記制御ユニット（１１）は、前記負荷抵抗器（５）を流れる電流（１９）の時間平均を示す電流情報の関数として前記デューティサイクルを決定する、請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
9. 制御ユニット（１１）は、前記放電電流目標値から、前記負荷抵抗器（５）を流れる電流（１９）の時間平均の偏差の関数として前記デューティサイクルを決定するコントローラ(２９)を備える、請求項４に記載の制御装置。
10. 瞬時の前記電流（１９）を示す電流測定値から前記電流情報を生成するローパスユニットを備える、請求項８に記載の制御装置。
11. 前記制御ユニット（１１）は、アナログ回路またはマイクロプロセッサとして設計されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の制御装置。
12. 前記ＤＣリンクコンデンサ（２）と、
    前記ＤＣリンクコンデンサ（２）を放電させることができ、前記負荷抵抗器（５）と前記負荷抵抗器（５）と直列に接続された前記スイッチ素子（６）と、を備える前記放電装置（３）と、
    前記放電装置（３）を作動させる請求項１から１１のいずれか一項に記載の制御装置（１）と、を備える電力変換機（４１）。
13. 車両（４０）を駆動する電気モータ（４２）と、
    前記電気モータ（４２）に電気を供給するように構成された請求項１２に記載の電力変換機（４１）と、を備える、車両（４０）。
14. 負荷抵抗器（５）と、前記負荷抵抗器（５）と直列に接続されたスイッチ素子（６）とを備える放電装置（３）によってＤＣリンクコンデンサ（２）を放電する方法であって、
    決定されたデューティサイクルを有する前記スイッチ素子（６）へのパルス幅変調作動信号を生成し、前記負荷抵抗器（５）を時間平均において所望の放電電流が流れるように前記デューティサイクルを決定する方法。
    

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