JP7389795B2

JP7389795B2 - オンボードチャージャー（ｏｂｃ）

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Publication number: JP7389795B2
Application number: JP2021514363A
Authority: JP
Inventors: ベルトアアントンエスモリス; エレロドナトヨルダン
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2039-10-17
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Description

本発明は、任意のタイプのＡＣ電源に接続されるように構成され、３相電気グリッドにおける最大電力に等しい最大電力を単相、２相、及び分相グリッドにおいて抽出することを可能にする手段を備えるＯＢＣに関する。

オンボードチャージャー（ＯＢＣ）としての電力変換システムは、ＡＣ入力電力をＤＣ負荷に供給するために用いられる。ＯＢＣは、ＡＣモータを駆動するインバータ段を持つモータ駆動において用いられ得る。ＯＢＣは、グリッド５０／６０ＨｚをＤＣ電力に変換し、ＤＣ電圧を高電圧バッテリに要求されるレベルに調整し、ガルバニック絶縁、力率補正器（ＰＦＣ）、及びホットの時にプラグを抜くことによって発生するアークによるダメージを防止する制御を提供する。

ＯＢＣは、ある限度以下の入力電流の全高調波歪（ＴＨＤ）を制限しつつ、力率ＰＦが１に近くなるようにするＰＦＣコンバータを通して電気グリッドに典型的には接続される。ほとんどの場合、顧客は、ＰＦＣが単相、分相、及び３相グリッドで動作することを要求する。典型的には、全電力の１／３だけが単相／分相構成においては伝達され得る。しかし、全電力が構成の全てにおいて提供されることが要求され得て、この場合は、高電力密度の値を確保する一方で、電力要件を充足するという両方を可能にする代替の回路トポロジーが要求されることになる。

従来は、単相ＰＦＣ段コンバータは、単相ブリッジ整流器と、それに続くブーストコンバータに基づき得る。ブーストコンバータの出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、すなわちバッテリチャージャーの、高電圧ＤＣバッテリを充電するという正しい動作を確保する調整されたＤＣ電圧であり得る。

前述の単相トポロジーは、１相当たりの単相ブーストＰＦＣコンバータに基づいて、３相ＰＦＣ段を実現するために複数個、設けられ得る。このアーキテクチャは、既に既存の単相設計が存在するときは良い選択であるが、その理由は上市するための時間を短縮できるからである。しかし、要素の個数及び電力密度は、他のアーキテクチャに比べて最適化されないかもしれない。不利なことには、単相ブリッジ整流器及び１相当たりのブーストコンバータに基づく３相ＰＦＣ段は、要素の個数を最適化しない。したがって、ＯＢＣ入力段の電力密度は、妥協され得る。

他の現在の実現例としては、並列な単相ブーストＰＦＣ段に基づく１相ブーストＰＦＣ段が含まれ、ここで単相ＰＦＣ段のそれぞれは、前述のブリッジ整流器とそれに続くブーストコンバータを置き換える３相ＡＦＥに基づいて、潜在的には単相電源、又は３相ＯＢＣ又は単相ＯＢＣに並列に接続され得る。ＡＦＥは、要素の個数を減らし、より高い電力密度を可能にする。不利なことには、３相ＡＦＥに基づく３相ＰＦＣ段は、電気グリッドから単相のものへと抽出され得る最大電流を制限するので、単相動作モードにおける最大電力は、３相動作モードにおける最大電力の１／３である。

力率補正のためにＯＢＣで用いられるアクティブフロントエンド（ＡＦＥ）コンバータは、入力ＡＣ電力を変換して、ＤＣ電力をバスに提供するために、アクティブスイッチング整流器を採用し、この後段には、力率補正器の出力からＯＢＣ出力へのガルバニック絶縁を保持してエネルギーを伝達するためにトランスを駆動するインバータがある。絶縁トランスの２次電流は、ＤＣ負荷を駆動するために整流される。そのようなアクティブフロントエンドコンバータは、それぞれの電力相と接続されたＬＣＬフィルタ回路のような入力フィルタと典型的には結合される。フロントエンド整流器は、スイッチング回路なので、入力フィルタは、不要な高調波成分が電力グリッド又は他の入力ソースに流入しないように動作する。フィルタインダクタを含むフィルタ要素は、電力コンバータの定格に従って典型的には設計され、ここで入力フィルタ要素を大きくしすぎると、システムのコストを上げ、貴重な筐体スペースを専有する。しかし、グリッド電圧が低下したり、コンバータが設計された定格ＡＣ入力電圧よりも利用可能な入力電源電圧が低くなったりする状況が起こり得る。

したがって、現在のＯＢＣの構成の上述の欠点を克服し、１に近い力率（ＰＦ）及び低いＴＨＤｉを確保し、最小個数の要素を用いながら高い電力密度を達成する、単相、分相、及び３相電気グリッドでＯＢＣを動作させることを可能にするＯＢＣ入力段アーキテクチャを得ることが求められている。さらに、単相、２相、及び分相電気グリッドにおいて、３相グリッドから抽出され得るのと同じ合計電力を抽出する（よって、前述のＡＦＥアーキテクチャによって課される単相１／３の制限を回避する）ＯＢＣも必要とされている。

本発明は、前述の欠点を解決する、例えば、ＡＦＣアーキテクチャによって課される単相１／３の制限を回避し、ＯＢＣが単相、２相、分相、及び３相電気網と互換性があるようにし、１に近いＰＦ及び低いＴＨＤｉを確保する、ＯＢＣのためのアーキテクチャを提案する。さらに、提案されているＯＢＣの電力密度は、標準的な３相電気網ＡＦＥに匹敵し得て、要素の個数も、単相ＰＦＣ段を並列化することに基づいて、前述の最新の解決策に比べて、最適化され得る。

よって、本発明の主要な局面においては、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を、オンボードチャージャーＯＢＣを用いてＡＣ電気グリッドから抽出する方法が提案され、前記オンボードチャージャーＯＢＣは、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ、及び前記電力値を抽出するように前記ＯＢＣを構成する手段を備え、前記手段は、３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３、及び前記ＡＦＥの高圧側及び低圧側の間に直列に接続されたダイオードＤ１及びＤ２を有するダイオードアームを備え、前記２つのスイッチＳＷ１及びＳＷ２は、前記ＡＦＥと前記ＡＣ電気グリッドとの間に配置され、３相ＡＦＥの相アーム間を流れる電流を遮断でき、前記第３スイッチＳＷ３は、前記ダイオードアームを前記ＡＣ電気グリッドに接続する線に配置され、前記方法は、前記ＰＦＣが３相電気グリッドに接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を開いた状態に設定することによって、スイッチＳＷ１及びＳＷ２が前記３相ＡＦＥの相アーム間を流れる電流を遮断するようにして前記電力値を抽出することであって、ここで前記第３スイッチＳＷ３は、前記３相電気グリッドと前記ダイオードアームとの間を流れる電流を遮断することで、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３及び前記ダイオードアームが電流を流さないようにする、抽出することを含む。

代替として、前記方法は、前記ＰＦＣが単相電気グリッドに接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を閉じた状態に設定することによって、前記電力値を抽出することであって、ここで前記スイッチＳＷ１及びＳＷ２が、前記３相ＡＦＥの前記相アームの間で電流が流れることを可能にするよう、前記ダイオードアームが電流を流し、ここで前記第３スイッチＳＷ３は、前記単相電気グリッドと前記ダイオードアームとの間で電流が流れることを可能にするよう閉じられる、抽出することを含む。

代替として、前記方法は、前記ＰＦＣが分相又は２相電気グリッドに接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を閉じた状態に設定することによって、スイッチＳＷ１及びＳＷ２が前記３相ＡＦＥの相アーム間を電流が流れることを可能にするようにして前記電力値を抽出することであって、ここで前記第３スイッチＳＷ３は、前記ダイオードアームと前記分相又は前記２相電気グリッドのうちの１本の線との間で電流が流れることを可能にするよう閉じられる、抽出することを含む。

よって、本発明の他の主要な局面では、オンボードチャージャーＯＢＣを用いてＡＣ電気グリッドから電力値を抽出する方法が提案され、前記オンボードチャージャーＯＢＣは、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ、及び前記ＡＦＥと前記ＡＣ電気グリッドとの間に配置され、前記３相ＡＦＥの２つの相アームの間を流れる電流を遮断できるスイッチＳＷ２を備え、前記方法は、前記ＰＦＣが前記３相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２を開いた状態に設定することによって、前記スイッチＳＷ２が前記３相ＡＦＥのうちの前記２つの相アームの間に流れる電流を遮断するようにし、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出することを含む。

代替として、前記方法は、前記ＰＦＣが単相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２を閉じた状態に設定することによって、前記スイッチＳＷ２が前記３相ＡＦＥのうちの前記２つの相アームの間に電流が流れることを可能にし、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出することであって、ここで前記ＡＦＥの第３相アームは、線電流Ｉ_ＭＡＸの最大値に耐え、前記３相ＡＦＥの前記２つの相アームは、１／２Ｉ_ＭＡＸに等しい線電流の値に耐える、抽出することを含む。

代替として、前記方法は、前記ＰＦＣが分相又は２相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２を閉じた状態に設定することによって、前記スイッチＳＷ２が前記３相ＡＦＥのうちの前記２つの相アームの間に電流が流れることを可能にし、参照値２／３Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出することであって、ここで前記３相ＡＦＥの第３相アームは、線電流Ｉ_ＭＡＸの最大値に耐え、前記３相ＡＦＥの前記２つの相アームは、１／２Ｉ_ＭＡＸに等しい線電流の値に耐える、抽出することを含む。

本発明の他の主要な局面では、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、及び前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータを備えるオンボードチャージャー（ＯＢＣ）が提案される。前記ＯＢＣは、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を、前記ＯＢＣが接続された任意のタイプのＡＣ電気グリッドから抽出するよう前記ＯＢＣを設定する手段を備え、前記手段は、３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３、及び前記ＡＦＥ（２２０）の高圧側及び低圧側の間に直列に接続されたダイオードＤ１及びＤ２を有するダイオードアーム（２６０）を備えることによって、前記２つのスイッチＳＷ１及びＳＷ２は、前記ＡＦＥ（２２０）と前記ＡＣ電気グリッドとの間に配置され、３相ＡＦＥ（２２０）の相アーム間を流れる電流を遮断でき、ここで前記第３スイッチＳＷ３は、前記ダイオードアームを前記ＡＣ電気グリッドに接続する線に配置される。

ある例では、このＯＢＣは、前記電気グリッドと前記３相ＡＦＥとの間に確立されたＥＭＩフィルタをさらに備える。

本発明の他の主要な局面では、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、及び前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータを備えるオンボードチャージャー（ＯＢＣ）が提案され、前記ＯＢＣは、前記ＡＦＥと前記ＡＣ電気グリッドとの間に配置され、前記３相ＡＦＥの２つの相アームの間を流れる電流を遮断できるスイッチＳＷ２を備え、前記ＡＣグリッドが３相電気グリッドであるときには、前記ＰＦＣが前記３相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２を開いた状態に設定することによって、前記スイッチＳＷ２が前記３相ＡＦＥのうちの前記２つの相アームの間に流れる電流を遮断するようにし、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出する。

代替として、前記ＡＣグリッドが単相、２相、又は分相電気グリッドであるときには、前記ＰＦＣが分相又は２相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２が前記３相ＡＦＥのうちの前記２つの相アームの間に電流が流れることを可能にし、参照値２／３Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出し、ここで前記３相ＡＦＥの第３相アームは、線電流Ｉ_ＭＡＸの最大値に耐え、前記３相ＡＦＥの前記２つの相アームは、１／２Ｉ_ＭＡＸに等しい線電流の値に耐える。

上の説明をよりよく理解するために、及び例を提供する目的だけのために、いくつかの実際の実施形態を概略的に図示する非限定的な図面が含まれる。
図１は、ＯＢＣの従来の充電制御システムを示す。図２は、本開示による３相電気グリッドに接続されたＯＢＣの例を示す。図３は、本開示による単相電気グリッドに接続された提案されているＯＢＣを示す。図４は、本開示による分相又は２相電気グリッドに接続された提案されているＯＢＣを示す。図５は、本開示によるＥＭＩフィルタを持つＯＢＣの例を示す。図６は、本開示によるＥＭＩフィルタを持つＯＢＣの例を示す。図７は、本開示による３相グリッド接続のためのＯＢＣの他の例を示す。図８は、本開示による単相グリッド接続のためのＯＢＣの他の例を示す。図９は、本開示による２相又は分相グリッド接続のためのＯＢＣの他の例を示す。

図１は、ＯＢＣ（１００）の従来の充電制御システムを示す図である。従来は、これら充電制御システムは、力率改善回路（ＰＦＣ）段（１２０）及びＤＣ－ＤＣコンバータ（１３０）を通して、単相、分相（split phase）、及び三相のグリッドの交流（ＡＣ）電力がＤＣ電力に変換され、入力電源として供給され、ＤＣ電源にエネルギーとして貯蔵され得る構造を有する。図１は、３相電気グリッド（１１０）のための３相ＰＦＣ段（１２０）を持つＯＢＣ（１００）を示す。

低速充電の間、ＯＢＣ（１００）は、入力電源（例えば外部ＡＣ電源）を整流し昇圧し、ＡＣ電源をＤＣ電源に変換し高電圧バッテリ（１４０）を充電するよう構成され得る。ＯＢＣは、高効率スイッチングオン／オフ動作を実行するよう構成されたＤＣ－ＤＣコンバータ（１３０）（電力変換器）を含み得る。ＰＦＣ（１２０）の入力／出力電圧制御は、ＰＦＣ（１２０）のスイッチングモジュールのデューティー比を調整することによって実行され得て、よってＤＣ－ＤＣコンバータ（１３０）に供給されるＰＦＣ（１２０）の出力電圧の大きさも調整され得る。

したがってＤＣ－ＤＣコンバータ（１３０）は、高電圧バッテリに要求される電圧及び電流に従って充電を実行するために出力電圧及び電流を調整するよう構成され得る。ＤＣ－ＤＣコンバータ（１３０）は、入力電圧としてＰＦＣ（１２０）の出力電圧を使用し得て、周波数及び位相シフト調整を実行することによって、ＯＢＣ（１００）の出力電圧及び電流を調整するよう構成され得る。

ＰＦＣ（１２０）は、ＰＦ改善回路であり、ＡＣ電源をＤＣ電源に変換するプロセスで発生する電力損失を低減させるよう構成され得る。ＰＦＣ（１２０）は、インピーダンス整合回路を用いてＡＣ電源の電圧及び電流の間の位相差を打ち消すよう電力伝送効率を向上させるよう構成され得る。ＰＦＣ（１２０）は、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を通してＡＣ電源を等化させる（equalize）よう構成されたスイッチングモジュールを含み得る。

前に述べたように、
Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}＝３・Ｖ_ｐｎ（ｒｍｓ）・Ｉ_ｐ（ｒｍｓ）
Ｐ_{ＭＡＸ１Φ}＝Ｖ_ｐｎ（ｒｍｓ）・Ｉ_ｐ（ｒｍｓ）
に従って、図１に示される従来のＯＢＣ構成の単相／分相では３相グリッドの全電力のうちの１／３しか伝達されない。

ある例では、相の対中性点グリッド電圧は２３０Ｖ_ｒｍｓであり、最大要求線電流は１６Ａ_ｒｍｓであると仮定すると、３相ネットワークにグリッドから抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}＝１１ｋＷであり、単相について抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ１Φ}＝３．７ｋＷである。

図２は、本開示による３相電気グリッド（２１０）のための提案されているＯＢＣ（２００）を持つ充電制御システムの例を示す。提案されているＯＢＣ（２００）は、ＰＦＣコンバータとして機能する３相ＡＦＥ（２２０）及びＤＣ電力を高電圧バッテリ（２４０）に供給する充電器ＤＣ－ＤＣコンバータ（２３０）を備える。

ＡＦＥ（２２０）は、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を通して３相電気グリッド（２１０）を等化する（equalize）よう構成されたスイッチングモジュール（２２４）を含む。充電システムは、３相グリッドソースのそれぞれの相について入力インダクタンス（２２２）と、不要高調波成分の導入を阻止するキャパシタ（２２６）を備える。

提案されているＯＢＣ（２００）は、ＯＢＣが接続されている電気グリッドのタイプとは独立して、ＯＢＣ（２００）がグリッドから最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}を抽出することを可能にする手段、すなわち図２で示されるように、参照符号２５０で示されるスイッチＳＷ１、ＳＷ２及び参照符号２５５で示されるスイッチＳＷ３、加えて、参照符号２６０で示されるダイオードＤ１及びＤ２をさらに備える。ダイオードＤ１及びＤ２は、ＡＦＥ（２２０）の高電位側及び低電位側の間に直列に接続され、それによって２つのスイッチＳＷ１及びＳＷ２がＡＦＥ（２２０）及びＡＣ電気グリッドの間に配置され、３相ＡＦＥ（２２０）の相アームの間を流れる電流を遮断でき、第３スイッチＳＷ３は、ダイオードアーム（２６０）をＡＣ電気グリッドに接続する線の途中に配置される。ＯＢＣ（２００）のＡＦＥ（２２０）が３相、２相、単相又は分相（split phase）の電気グリッドに接続されているかに依存して、このＯＢＣの動作には３つのモードが存在する。図２は、３相電気グリッド（２１０）に接続されている動作のモードを示す。

３相電気グリッドに接続する場合のＯＢＣ（２００）の動作モードは、以下の通りである。ＯＢＣ（２００）が３相電気グリッドに接続されている時、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３は、図２に示されるように恒久的に開いており、ＰＦＣの段は、通常の３相ＡＦＥとして振る舞う。この動作モードにおいて、ダイオードＤ１及びＤ２は、電流を流さない。実際の例では、中性点に対する相グリッド実効電圧が２３０Ｖ_ｒｍｓであると仮定すると、グリッドから抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}＝１１ｋＷ（ＰＦ＝１であり、相あたりの最大線電流１６Ａ_ｒｍｓであると想定）である。この例では、３相ＡＦＥは、パルス幅変調法によって制御され得る。他の例では、スイッチＳＷ３は、ＯＢＣ（２００）に含まれない。他の例では、ＯＢＣ（２００）は、２相電気グリッドから電力を抽出する。

図３は、単相電気グリッド（３１０）に接続されている、本開示による提案されているＯＢＣ（２００）を示す。図３は、ＰＦＣコンバータとしてのＡＦＥ（２２０）及びＤＣ電力を高電圧バッテリに供給する充電器ＤＣ－ＤＣコンバータを備えるＯＢＣ（２００）を示す。前に述べたように、提案されているＯＢＣ（２００）は、参照符号２５０で示されるスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及び参照符号２５５で示されるスイッチＳＷ３、加えて参照符号２６０で示されるダイオードＤ１及びＤ２を備える。図３は、単相電気グリッド（３１０）のための動作モードを示す。

ＯＢＣ（２００）が単相電気グリッド（３１０）に接続されている時、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３は、恒久的に閉じている。この動作モードでは、３相アームは、互いに並列に動作し、それぞれのアームは、合計線電流Ｉ_ｒｍｓの１／３ずつを担い、ダイオードＤ１及びＤ２は、電流を通し、トーテムポール整流器として知られるトポロジーを形成する。よって、電力要素は、単相、２相、分相又は３相動作についての１／３Ｉ_ｒｍｓの定格にされ得る。図３に示されるように、単相電気グリッド（３１０）が、スイッチＳＷ３を介してダイオードアームに及びダイオードＤ１及びＤ２の間に接続される。この例について、中性点に対する相電圧（phase to neutralgrid voltage）Ｖ_ｒｍｓ＝２３０Ｖ_ｒｍｓであり、合計線電流Ｉ_ｒｍｓ＝４８Ａであり、それぞれのアームについての電流が１６Ａ_ｒｍｓに等しいと仮定すると、グリッドから抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ１Φ}＝Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}＝１１ｋＷ（ＰＦ＝１と想定）である。ダイオード及びＳＷ３は、線電流の３倍（×３）（例えばこの例では４８Ａ_ｒｍｓ）に耐えられるようにそれら仕様が定められなければならない。Ｄ１及びＤ２は、低い周波数（電源周波数）のダイオードであり、よってそれらのコストは限定的であり得る。

この例では、ＡＦＥ（２２０）の３相アームのそれぞれは、パルス幅変調技術によって制御され得る。これらアームは、制御信号を共有してもよく、又は例えば、インターリービングのような異なる変調技術を用いてもよく、そのような技術は、ＰＦＣコンバータの電力密度をさらに向上させるために用いられ得る。これは、例えば、高い周波数の高調波低減によって、電磁干渉ＥＭＩフィルタリング及びブーストインダクタの低減によって達成され得る。

図４は、分相又は２相電気グリッド（４１０）に接続された、前の図に記載されたＯＢＣ（２００）を示す。この動作モードは、図４に見られるように、単相の動作モードと類似している。この動作モードの主要な違いは、ダイオードアーム（２６０）の中点がどのように分相又は２相の電気グリッド（４１０）に接続されるかに関連する。

同様に、中性点に対するグリッド相電圧（phase to neutral grid voltage）Ｖ_ｒｍｓ＝１１５Ｖ_ｒｍｓであり、よってＯＢＣ（２００）から見て等価な入力電圧２３０Ｖ_ｒｍｓがかかり、線電流Ｉ_ｒｍｓ＝４８Ａ_ｒｍｓであると仮定すると、グリッドから抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ２Φ}＝Ｐ_{ＭＡＸｓｐｌｉｔ}＝Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}＝１１ｋＷである。分相の場合、相間で１８０°の位相差が存在する。したがって、中性点に対するグリッド相電圧Ｖ_{ｒｍｓ＿Ｌ－Ｎ}＝１１５Ｖ_ｒｍｓである。これは、ＰＦＣコンバータから見れば、ＰＦＣコンバータの入力の間に２３０Ｖ_ｒｍｓがかかっていることになる。したがって、Ｐ_{ＭＡＸｓｐｌｉｔ}＝１１ｋＷをグリッドから抽出するためには、線電流４８Ａ_ｒｍｓが必要となる。

中性点に対するグリッド相電圧Ｖ_{ｒｍｓ＿Ｌ－Ｎ}＝２３０Ｖであり、１２０°の位相差を有する２相グリッドに接続されたＯＢＣ（２００）の場合、グリッドから抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ２Φ}＝２３０Ｖ_ｒｍｓ×√３×１６Ａ_ｒｍｓ＝６．３ｋＷであり、よって３相グリッド運用のときと同じ最大電流が維持される。他の例では、ＰＦＣ段の電力要素の電流制限値を適用することによって、グリッドから抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ２Φ}＝２３０Ｖ_ｒｍｓ×√３×３２Ａ_ｒｍｓ＝１２．７ｋＷである。

図５及び図６は、本開示による提案されているＯＢＣ（５００）の他の例を示す。ＯＢＣ（５００）は、３相電力グリッド（５１０）に接続されており、ＥＭＩフィルタ（５７０）を備える。特に、ＥＭＩは、放射又は伝導されている電磁波が電子装置に影響を与えるような電磁的な干渉又は伝搬外乱を表す。ＯＢＣ（５００）は、充電制御システムの電源である入力電源（システム電源）に直接に接続されているので、ＥＭＩフィルタ（５７０）は、ＯＢＣで発生したノイズのシステム電源への流入を最小化することが可能であり得る。入力ＥＭＩフィルタ（５７０）の使用によって、図５及び図６に示されるように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２の位置についてさらなる自由度が得られる。

図７、図８、及び図９は、本開示による提案されているＯＢＣ（７００）の他の例を示す。

提案されているＯＢＣ（７００）は図７に示され、ここでＯＢＣ（７００）は、３相電気グリッドに接続されている。図８及び図９は、単相及び分相電力グリッドに接続されているＯＢＣ（７００）をそれぞれ示す。ＯＢＣ（７００）は、ＯＢＣ（７００）が接続されている電気グリッドの種類に依存して、グリッドから合計電力を抽出するための単一の要素、すなわち参照符号７５０を持つスイッチＳＷ２だけを備える。スイッチＳＷ２は、ＡＦＥ（２２０）及びＡＣ電気グリッドの間に配置され、３相ＡＦＥ（２２０）の２つの相アームの間を流れる電流を遮断し得る。よって単一のスイッチが閉じた状態だと、ＯＢＣ（７００）は、図８に示される単相電気グリッドに接続されたときの、又は図９に示される分相電気グリッドに接続されたときの最大電力の２／３を得ることができる。よって、図８に示されるように提案されているＯＢＣ（７００）が単相電気グリッドに接続されると、グリッドから抽出され得る最大電力は、Ｐ_{ＭＡＸ１Φ}＝２／３Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}である。さらに、図９に示されるように提案されているＯＢＣ（７００）が分相電気グリッドに接続されると、Ｐ_{ＭＡＸｓｐｌｉｔ}＝２／３Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}である。さらに、提案されているＯＢＣ（７００）が２相電気グリッドに接続されると、Ｐ_{ＭＡＸ２Φ}＝２／３Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}である。

本開示による提案されているＯＢＣ（７００）は、単相の動作モードでは、相のうちの１つが最大電流Ｉ_ＭＡＸに耐えるように設計されるが、他の２つの相は、その電流の半分に耐えることを要求する。単相又は分相又は２相の動作モードでは、これら２相は、並行に動作する。この例では、それぞれのアームについての線電流（Ｉ_ｒｍｓ＝１６Ａ_ｒｍｓ）が並行に動作し、Ｉ_ＭＡＸ＝３２Ａ_ｒｍｓである限り、高周波数ＰＷＭに基づく異なる制御方式も可能である。入力ＥＭＩフィルタの使用により、スイッチＳＷ２をＥＭＩフィルタの前にでも後にでも配置できるという、さらなる自由度が得られる。

上記に基づいて、本開示は、ＯＢＣを単相、分相、２相、及び３相の電気グリッドと共に動作させて、１に近いＰＦと、低いＴＨＤｉと確保し、最低限の個数の部品を使いつつも高い電力密度を達成し、及び３相グリッドから抽出され得る最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい合計電力を、単相、分相、及び２相の電気グリッドにおいて得ることを可能にし、よって、前述の従来のＡＦＥアーキテクチャによって課された単相１／３制限を回避する、３相ＡＦＥに基づくＯＢＣ入力段アーキテクチャを提案する。

本発明の具体的な実施形態に参照がなされてきたが、ここで説明されたＯＢＣ入力段アーキテクチャは、多くの変形及び改変が可能であること、及び添付の特許請求の範囲によって規定される保護範囲から逸脱することなく、言及された全ての詳細は、他の技術的に等価なものと置換可能であることが当業者には明らかである。

ある例では、本願は、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を、オンボードチャージャーＯＢＣを用いてＡＣ電気グリッドから抽出する第１方法に関し、前記オンボードチャージャーＯＢＣは、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ、及び前記電力値を抽出するように前記ＯＢＣを構成する手段を備え、前記手段は、３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３、及び前記ＡＦＥの高圧側及び低圧側の間に直列に接続されたダイオードＤ１及びＤ２を有するダイオードアームを備え、前記第１方法は、前記ＰＦＣが３相電気グリッドに接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を開いた状態に設定することによって、前記ダイオードアームが電流を流さないようにする、合計電力を抽出すること、又は前記ＰＦＣが単相電気グリッドに接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を閉じた状態に設定することによって、電力を迂回させ、前記ダイオードアームが電流を流すようにして、合計電力を抽出すること、又は前記ＰＦＣが分相又は２相電気グリッドに接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を閉じた状態に設定することによって、電流を迂回させ、前記ダイオードアームが電流を流し、前記ダイオードアームの中点を前記分相又は前記２相電気グリッドのうちの１本の線に接続して、合計電力を抽出することを含む。

ある例では、前記第１方法は、前記ＡＣ電気グリッドと前記３相ＡＦＥとの間に電磁干渉フィルタを確立することをさらに含む。

ある例では、本願は、オンボードチャージャーＯＢＣを用いてＡＣ電気グリッドから電力値を抽出する方法であって、前記オンボードチャージャーＯＢＣは、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ、及び前記ＡＦＥと前記ＡＣ電気グリッドとの間に配置され、前記３相ＡＦＥの２つの相アームの間を流れる電流を遮断できるスイッチＳＷ２を備え、前記第２方法は、前記ＰＦＣが前記３相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２を開いた状態に設定することによって、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出すること、又は前記ＰＦＣが単相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２を閉じた状態に設定することによって、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出することであって、ここで前記ＡＦＥの第３相アームは、線電流Ｉ_ＭＡＸの最大値に耐え、前記３相ＡＦＥの前記２つの相アームは、１／２Ｉ_ＭＡＸに等しい線電流の値に耐える、抽出すること、又は前記ＰＦＣが分相又は２相電気グリッドに接続されることに応答して、前記スイッチＳＷ２を電流を迂回させる閉じた状態に設定することによって、参照値２／３Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を抽出することであって、ここで前記３相ＡＦＥの第１相アームは、線電流Ｉ_ＭＡＸの最大値に耐え、前記３相ＡＦＥの第２及び第３相アームは、１／２Ｉ_ＭＡＸに等しい線電流の値に耐える、抽出することを含む、第２方法に関する。

ある例では、前記第２方法は、前記ＡＣ電気グリッドと前記３相ＡＦＥとの間にＥＭＩフィルタを確立することをさらに含む。

ある例では、本願は、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、及び前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータを備える第１オンボードチャージャー（ＯＢＣ）に関する。前記ＯＢＣは、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を、前記ＯＢＣが接続された任意のタイプのＡＣ電気グリッドから抽出するよう前記ＯＢＣを設定する手段を備えることを特徴とし、前記手段は、３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３、及びダイオードＤ１及びＤ２を有するダイオードアームを備える。

ある例では、前記第１ＯＢＣは、前記電気グリッドと前記３相ＡＦＥとの間に確立されたＥＭＩフィルタをさらに備える。

ある例では、本願は、ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンドＡＦＥを有する力率補正器ＰＦＣ、及び前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリを充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータを備える第２オンボードチャージャー（ＯＢＣ）にも関する。前記ＯＢＣは、ＯＢＣが、ＯＢＣが接続されたＡＣ電気グリッドから合計電力を抽出できるように構成するスイッチＳＷ２を備えることを特徴とし、前記ＡＣ電気グリッドが３相電気グリッドであるときには、前記合計電力は、３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しく、前記ＡＣ電気グリッドが単相、２相、又は分相電気グリッドであるときには、前記合計電力は、２／３Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい。

ある例では、前記第２ＯＢＣは、前記電気グリッドと前記３相ＡＦＥとの間に確立されたＥＭＩフィルタをさらに備える。

Claims

３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を、オンボードチャージャー（ＯＢＣ）（２００）を用いてＡＣ電気グリッドから抽出する方法であって、
前記ＯＢＣは、
ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンド（ＡＦＥ）（２２０）を有する力率補正器（ＰＦＣ）、
前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリ（１４０）を充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ（２３０）、及び
前記電力値を抽出するように前記ＯＢＣを構成する手段
を備え、
前記手段は、３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３、及び前記ＡＦＥ（２２０）の高圧側及び低圧側の間に直列に接続されたダイオードＤ１及びＤ２を有するダイオードアーム（２６０）を備え、
前記スイッチＳＷ１及びＳＷ２は、前記ＡＦＥ（２２０）と前記ＡＣ電気グリッドとの間に配置され、３相ＡＦＥ（２２０）の相アーム間を流れる電流を遮断でき、
前記スイッチＳＷ３は、前記ダイオードアームを前記ＡＣ電気グリッドに接続する線に配置され、
前記方法は、
前記ＰＦＣが３相電気グリッド（２１０）に接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を開いた状態に設定することによって、スイッチＳＷ１及びＳＷ２が前記３相ＡＦＥ（２２０）の相アーム間を流れる電流を遮断するようにして前記電力値を抽出することであって、ここで前記スイッチＳＷ３は、３相電気グリッド（２１０）と前記ダイオードアーム（２６０）との間を流れる電流を遮断することで、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３及び前記ダイオードアーム（２６０）が電流を流さないようにする、抽出すること、
又は
前記ＰＦＣが単相電気グリッド（３１０）に接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を閉じた状態に設定することによって、前記電力値を抽出することであって、ここで前記スイッチＳＷ１及びＳＷ２が、前記３相ＡＦＥ（２２０）の相アームの間で電流が流れることを可能にするよう、前記ダイオードアーム（２６０）が電流を流し、ここで前記スイッチＳＷ３は、前記単相電気グリッド（３１０）と前記ダイオードアーム（２６０）との間で電流が流れることを可能にするよう閉じられる、抽出すること、
又は
前記ＰＦＣが分相又は２相電気グリッド（４１０）に接続されることに応答して、前記３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３を閉じた状態に設定することによって、スイッチＳＷ１及びＳＷ２が前記３相ＡＦＥ（２２０）の相アーム間を電流が流れることを可能にするようにして前記電力値を抽出することであって、ここで前記スイッチＳＷ３は、前記ダイオードアーム（２６０）と前記分相又は前記２相電気グリッド（４１０）のうちの１本の線との間で電流が流れることを可能にするよう閉じられる、抽出すること
を含む、方法。
前記ＡＣ電気グリッドと前記３相ＡＦＥ（２２０）との間に電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタを確立すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
ＡＣ電気グリッドに接続された３相アクティブフロントエンド（ＡＦＥ）（２２０）を有する力率補正器（ＰＦＣ）、及び
前記ＰＦＣから調整されたＤＣ電圧を受け取り、高電圧バッテリ（１４０）を充電するよう構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ（２３０）
を備えるオンボードチャージャー（ＯＢＣ）（２００）であって、前記ＯＢＣは、
３相電気グリッドから抽出される参照最大電力Ｐ_{ＭＡＸ３Φ}に等しい電力値を、前記ＯＢＣが接続された任意のタイプのＡＣ電気グリッドから抽出するよう前記ＯＢＣを設定する手段を備え、
前記手段は、３つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及びＳＷ３、及び前記ＡＦＥ（２２０）の高圧側及び低圧側の間に直列に接続されたダイオードＤ１及びＤ２を有するダイオードアーム（２６０）を備えることによって、前記スイッチＳＷ１及びＳＷ２は、前記ＡＦＥ（２２０）と前記ＡＣ電気グリッドとの間に配置され、３相ＡＦＥ（２２０）の相アーム間を流れる電流を遮断でき、ここで前記スイッチＳＷ３は、前記ダイオードアームを前記ＡＣ電気グリッドに接続する線に配置される
ＯＢＣ。
前記ＡＣ電気グリッドと前記３相ＡＦＥ（２２０）との間に確立されたＥＭＩフィルタをさらに備える、請求項３に記載のＯＢＣ。