JP6999651B2

JP6999651B2 - 電気自動車またはハイブリッド車の車載充電デバイスの三相整流器を制御するための方法

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Publication number: JP6999651B2
Application number: JP2019511580A
Authority: JP
Inventors: ブリュノキヴィエスカ，; アブデルマーレクマルーム，; リュドヴィックメリエンヌ，
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: EP3520210A1; KR102180900B1; FR3056852A1; WO2018060572A1; JP2019530396A; FR3056852B1; CN109690929A; KR20190040326A; EP3520210B1; CN109690929B

Description

本発明は、絶縁型ＡＣ／ＤＣ（交流／直流）変換器を備えた、三相入力充電デバイスの三相整流器を制御するための方法に関する。そのような充電デバイスは、特に、電気またはハイブリッド自動車の車載デバイスとして使用するように適合されている。

これらの車両は、高電圧電池が装備され、一般に車載充電器、すなわち、車両上に直接取り付けられた電池充電デバイスを備える。これらの充電デバイスの主な機能は、送電網から利用可能な電力により電池を再充電することにある。したがって、それらは、交流を直流に変換する。充電デバイスの、より具体的には車載充電器の所望の基準は、高効率、小型化、ガルバニック絶縁、良好な信頼性、動作の安全性、電磁妨害（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）の低放出および入力電流上の低高調波成分である。

これは、単相入力充電デバイスに比較してより高い充電電力を有する三相入力充電デバイスの部類に関する。図１は、三相電力供給網３０から車両の高電圧電池２０を再充電するための電気またはハイブリッド車の車載絶縁型充電デバイス１０の周知のレイアウトを示し、三相電力供給網３０には、車載充電デバイス１０が電力供給網の線路インピーダンス４０を用いて接続される。

ガルバニック絶縁を有するＡＣ／ＤＣ変換機能を実装するために、入力電流高調波を制限するための力率補正（ＰＦＣ：ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路１１と、充電を制御するための、および動作の安全性のために絶縁機能も提供するための第２のＤＣ／ＤＣ（直流／直流）変換器１２とを備えた第１のＡＣ／ＤＣ変換器を備える充電デバイス１０の使用が周知である。入力フィルタ１３が、三相電力供給網３０に対してＰＦＣ回路１１の上流の、車載充電デバイス１０の入力において従来方式で統合される。

ＰＦＣ回路１１は、電圧に対する電流の変化率を分析し、これに対して実時間補正を実施する統合制御器（図示せず）によって管理される。統合制御器は、実時間補正から、形状誤差を電圧の整流された正弦波との比較によって推定し、インダクタにおける高周波分割および電力貯蔵によって電力の量を制御することによって形状誤差を補正する。より具体的には、その目的は、充電器の電力供給の入力において位相がずれていなくて、できるだけ正弦波である、電流を得ることにある。

ＰＦＣ回路には、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器と通常呼ばれる、３つのスイッチを有する３つのレベルの三相整流器を実装することが可能である。このレイアウトの選択は、力率補正の性能レベルに関して実際に特に有利である。

特許文書ＣＮ１０４８１１０６１は、図１において、そのような三相ＰＦＣ整流器のモデルを開示しており、その場合、三相交流入力電圧の各位相は、それぞれのインダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３によって、電力スイッチの、それぞれ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を用いて提供される整流器のスイッチングアームに接続され、電力スイッチは、それぞれ中心点Ｍと正の電力供給線路との間に接続された第１の出力コンデンサＣ１上の電圧に、および中心点と負の電力供給線路との間に接続された第２の出力コンデンサＣ２上の電圧にそれぞれ対応する、整流器の２つの出力電圧の間のそれぞれのインダクタと中心点との間に配設される。

概して、そのような整流器を制御するために、各スイッチの入力における、および整流器の出力における電圧および電流は測定され、制御ループが、スイッチの平均伝導時間を制御するのに使用される。文書ＣＮ１０４８１１０６１において、目的は、前述の目的により供給電流を制御することにあるのではなく、定電圧を供給するようにＰＦＣを使用して出力コンデンサ上の電圧を制御することにある。具体的には、これらの電圧は、全波制御電力スイッチによって安定化される。この制御の利点は、反応性に存するが、しかし、全波制御電力スイッチが生成する高調波により、そのような制御はエネルギー配給業者によって規定された品質制約（高調波成分、ＣＥＭ）に必ずしも適合しない。

本発明の目的は、この制限を克服することにある。

本発明によれば、この目的は、電気またはハイブリッド自動車の車載電池を充電するためのデバイスの力率補正回路を制御するための方法によって実現され、前記充電デバイスは、電池を充電するために三相電力供給網に接続することができ、前記力率補正回路とＤＣ／ＤＣ変換器とを備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ変換器を備え、前記力率補正回路は、それぞれ直列インダクタを用いて三相電力供給網のそれぞれの位相のうちの１つに接続することができる３つのスイッチングアームを備えた三相Ｖｉｅｎｎａ整流器であり、前記方法は、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における供給電流の自動制御を含み、前記自動制御は、制御変数および設定値を有する三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相間の電流の各１つに制御ループを適用することを含むことを特徴とし、前記制御変数は、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の対応するスイッチングアームに適用される位相間のデューティサイクル偏差である。

有利には、
－三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相間の電圧および電流の測定値を取得するステップと、
－動的制御法則を決定するステップであって、前記制御法則は、位相間の電流の測定値と設定値との間の偏差に対する比例動作および積分動作、設定値の時間的変動の検討、および位相間の電圧の測定値を、位相間の電流の制御ループにおける妨害として統合する、決定するステップと、
－前記決定された制御法則による位相間のデューティサイクル偏差を計算するステップとが実装される。

有利には、各スイッチングアームは、対応する入力電流が正であるとき制御される第１のスイッチと、対応する入力電流が負であるとき制御される第２のスイッチとによって形成された直列スイッチの対を備える。

電気またはハイブリッド自動車の車載電池を充電するためのデバイスの力率補正回路を制御するためのデバイスも提案され、前記充電デバイスは、電池を充電するために三相電力供給網に接続することができ、前記力率補正回路とＤＣ／ＤＣ変換器とを備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ変換器を備え、前記力率補正回路は、それぞれ直列インダクタを用いて三相電力供給網のそれぞれの位相のうちの１つに接続することができる３つのスイッチングアームを備えた三相Ｖｉｅｎｎａ整流器であり、前記デバイスは、上記に説明した方法のステップを実行するように構成された処理手段を備える。これらの処理手段は、例えば、プロセッサ、例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または他のデバイスを備えることができる。

本発明は、高電圧電池と、三相電力供給網から電池を充電することができる車載充電デバイスとを備える電気またはハイブリッド自動車にさらに関し、前記充電デバイスは、力率補正回路とＤＣ／ＤＣ変換器とを備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ変換器を備え、前記力率補正回路は、それぞれ直列インダクタを用いて三相電力供給網のそれぞれの位相のうちの１つに接続することができる３つのスイッチングアームを備えた三相Ｖｉｅｎｎａ整流器であり、前記車両は、上記に説明した制御デバイスを備える。

本発明の他の特徴および利点は、以下の図面を参照して、非限定例として提供される、本発明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となるであろう。

電気またはハイブリッド自動車に車載するべきことが意図された電池充電デバイスの周知のレイアウトを概略的に示す図である。入力フィルタなしの、図１の充電デバイスに統合された三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の構造を概略的に示す図である。

したがって、図２は、充電デバイスの力率補正にこの場合使用された三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の構造を示す。三相Ｖｉｅｎｎａ整流器１１０は、それぞれ直列インダクタＬ１、Ｌ２、Ｌ３を用いて三相電力供給網４の位相Ａ、Ｂ、Ｃに結合され、それぞれ三相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の対に接続された３つの並列入力接続部を備える。

スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の各対は、対応する入力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが正であるとき制御される第１の対応するスイッチ１Ｈ、２Ｈ、３Ｈと、対応する入力電流が負であるとき制御される第２の対応するスイッチ１Ｌ、２Ｌ、３Ｌとによって形成された直列組立品を備える。スイッチは、例えば、ダイオードと逆並列に接続されたＭＯＳ（金属酸化膜半導体）トランジスタなどの、閉路で、および開路で制御される半導体構成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、それぞれ２つのダイオードＤ１とＤ２、Ｄ３とＤ４、およびＤ５とＤ６を備える３つの並列分岐１、２および３も備え、これらのダイオードは、三相電力供給網４から取り出した電流および電圧の整流を可能にする６ダイオード型三相ブリッジを形成する。三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の各入力は、それぞれの並列入力接続部によって、同じ分岐１、２および３の２つのダイオードの間に配置された接続点に接続される。

分岐１、２および３の２つの共通端部は、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の、それぞれ正および負の、２つの出力端子５および６を形成し、その端子は、ＤＣ／ＤＣデバイスに結合されることが意図されている。

各位相のスイッチングアームＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ三相整流器の正の出力端子５と中心点Ｍとの間の出力コンデンサＣ１上の電圧に、および中心点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第１、第２および第３の分岐１、２および３の２つのダイオードの間に配置された接続点と、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の出力電圧ＶＤＣ＿ｈｉｇｈおよびＶＤＣ＿ｌｏｗの中心点Ｍとの間にもそれぞれ接続される。

出力コンデンサＣ１、Ｃ２上の電圧は、図１に示す全体レイアウトにより、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の出力において接続された充電デバイスのＤＣ／ＤＣ変換器によって独立して自動的に制御されることに留意されたい。言い換えれば、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣ変換器によって制御される。

充電器用電力供給装置の入力において挿入された三相Ｖｉｅｎｎａ整流器は、供給電流に対して充電器用制御器の力率補正の役割を担う。そのような役割により、充電器によって生じた任意の妨害電流（高調波）が、Ｖｉｅｎｎａ整流器の上流に配置された供給網のインピーダンスを通って循環することを妨ぐことが可能になる。

各位相のスイッチングアームＳ１、Ｓ２およびＳ３は、例えば、マイクロコントローラの種類の処理手段（図示せず）によって個々に制御される、可変デューティサイクルを有する３つのＰＷＭ（パルス幅変調）制御信号を用いて制御される。したがって、処理手段は、整流器の入力における正弦波電流の自動制御に必要とされる、整流器のスイッチングアームのスイッチのスイッチングを制御するための信号のデューティサイクルを決定するように適合される。

システムのモデルは、最初は、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の制御を決定することを目的として完成する。

Ｖａ、ＶｂおよびＶｃが三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相と中性点との間の単一の電圧であるとし、Ｌが、点Ａ、ＢおよびＣと整流器のスイッチングアームとの間に、それぞれ直列に接続されたインダクタＬ１、Ｌ２およびＬ３の値であるとする。入力における接地から中心点Ｍを通過する接地までの電圧ループを仮定すると、位相Ａに注入された位相電流Ｉａは、以下のようにモデル化することができる。
Ｉａ＞０ならば、

故に、

ここで、α_Ｈは、対応する電流Ｉａが正であるとき制御される高スイッチ１Ｈに適用される制御電圧のデューティサイクルである。これには平均モデルが関与することに留意されたい。したがって、α_Ｈ＝１である場合、インダクタＬ１の出力と中心点Ｍとの間の電圧はゼロである。α_Ｈ＝０である場合、この電圧は、Ｖ_{ＤＣ＿ｈｉｇｈ}に等しい。α_Ｈの中間値には、中間電圧がある。
Ｉａ＜０ならば、

故に、

ここで、α_Ｌは、対応する電流が負であるとき制御される低スイッチ１Ｌに適用される制御電圧のデューティサイクルである。位相電流Ｉａが負である場合、前に説明したのと同じ論理が適用可能である。

以下の式が変数の変更を適用したと仮定する。
Ｉａ＞０ならば、
α_α＝α_Ｈ－１
Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_{ＤＣ＿ｈｉｇｈ}
Ｉａ＜０ならば、
α_α＝１－α_Ｌ
Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_{ＤＣ＿ｌｏｗ}

したがって、任意の位相電流Ｉａは、以下の式で表すことができる。

電圧Ｖｄｃ＿ｈｉｇｈおよびＶｄｃ＿ｌｏｗがＤＣ／ＤＣ変換器デバイスによって制御される限りにおいて、それらの電圧は等しいとみなすことができる。この場合、同じ手順を適用することができ、３つの位相には１つの変数Ｖ_ＤＣだけを考慮することができる。

他の２つの位相電流ＩｂおよびＩｃに上記と同じ手順を適用することによって、以下の方程式が得られる。

これらの方程式（１）、（２）および（３）に基づいて、それぞれの計算（１）－（２）、（２）－（３）および（３）－（１）を実施することによって、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相間の電流の時間的変動をもたらす以下の連立方程式が得られる。

ここで、Ｉ_ａｂは位相ＡとＢとの間の差動電流であり、Ｉ_ｂｃは位相ＢとＣとの間の差動電流であり、Ｉ_ｃａは、位相ＣとＡとの間の差動電流であり、Ｖ_ＡＢは位相ＡとＢとの間の電圧であり、Ｖ_ＢＣは位相ＢとＣとの間の電圧であり、Ｖ_ＣＡは位相ＣとＡとの間の電圧である。

これらの、後の３つの方程式は、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における電流を制御するために実装されるモデルの基盤を形成する。モデルの基盤を形成するには、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相間の電流に関する差動電流に対して（ここで制御の制御変数は差動デューティサイクルである）、または、前記位相のそれぞれに対応する三相Ｖｉｅｎｎａ整流器のスイッチングアームに適用される位相間のデューティサイクル偏差に対してのいずれかで、３つの制御ループを適用することが関与することに留意されたい。

さらに、この制御モードにより、デューティサイクルの適用には、ある程度の自由を得ることができる。実際、目的が三相整流器の各スイッチングアーム間のデューティサイクル差を適用することにある限りにおいて、制御の文脈内で様々な戦略を使用することができる。例として、α_ａｂ＝０．５が制御の出力において制御されると仮定する（α_ａｂは位相ＡおよびＢに対応する三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の２つのスイッチングアームに適用されるデューティサイクル差である）と、この差動デューティサイクルは、０．６に等しい位相Ａに関連付けられたスイッチングアームに対してデューティサイクルα_ａを、および０．１に等しい位相Ｂに関連付けられたスイッチングアームに対するデューティサイクルα_ｂを定義することによって、またはデューティサイクルα_ａを０．７に等しいものとして、およびデューティサイクルα_ｂを０．２に等しいものとして定義することによっても得ることができる。

制御に提案される制御法則は以下の通りである。

以下の種類の状態の方程式によって記述される汎用動的システムを仮定する。

ここで、ｘは状態ベクトルであり、ｕは制御であり、Ａはシステムの発展行列であり、Ｂは制御の適用行列であり、ｆは妨害である。

ＰＩＤ制御機能を構成することが可能になる、以下の制御が提案される。

行列ＡおよびＢが制御に関与し、したがって、制御は行列ＡおよびＢが周知であると仮定する。例えば、行列ＡおよびＢは前に開発されたシステムのモデルから生じる。

一定の瞬間に位相間の電流によって取られる値で定義される状態ベクトルｘは、直接使用される。状態ベクトルｘは、好ましくは、測定から生じる。変動として、状態ベクトルｘは、観察者から再構築することができる。さらに、妨害ｆを使用して、状態ベクトルｘを測定することができねばならない。自動的に制御するべきシステムにおいて、自動視点から、主な妨害は位相間の電圧であり、したがって、その電圧が測定される。

さらに、および従来方式で、制御は、設定値と電流状態との間の偏差に対する比例動作と積分動作とを含む。しかし、自動的に制御するべきシステムの制御のドリフト項は、従来からそうであるように、設定値と状態との間の偏差のドリフトに基づかず、設定値自体のドリフトに基づく。言い換えれば、制御は、設定値に対するシステムの状態の偏差の時間的変動ではなく、設定値の時間的変動を考慮に入れる。実際、供給された設定値は、ソフトウェア生成値であり、したがって、雑音が多くなく、したがって、そのドリフトも雑音が多くない。したがって、設定値のドリフトのこの項は、ＰＩＤ制御の従来のドリフト項ではなく、設定値を追尾するための位相の進みをシステムに提供するための項に過ぎない。

制御を表す上記の方程式が種類の状態の方程式

と組み合わされたとき、以下の式が得られる。

ｅ＝ｘ_ｒｅｑ－ｘと表される、システムの設定値と状態ベクトルとの間の偏差ｅを仮定すると、前の方程式の２つの辺がドリフトするのを許容される場合、以下の方程式が得られる。

言い換えれば、制御するための制御法則は、偏差による二次微分方程式として要約され、ここで、
Ｋ_ｐ＝２εωであり、
Ｋ_ｉ＝ω^２である。

したがって、制御の調整は、所望の動態が偏差に対して定義されているとき、容易に行うことができる。

次いで、上記に提案された制御法則は、方程式（４）、（５）および（６）によって定義されるシステムに適用され、それらの方程式は、三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相間の差動電流の時間的変動を差動デューティサイクルの関数として支配する。

制御法則の汎用公式化において、

方程式（４）は、以下のパラメータを有する。
ｘ＝Ｉ_ａｂ
ｕ＝（α_ａ－α_ｂ）
Ａ＝０

したがって、制御は以下の形である。

方程式（５）および（６）から開始して、それぞれ位相ＢとＣとの間および位相ＣとＡとの間の差動電流によるループは、まったく同じ構造を有する。

Claims

電気またはハイブリッド自動車の車載電池（２０）を充電するための充電デバイス（１０）の力率補正回路（１１）を制御するための方法であって、前記充電デバイスが、前記電池（２０）を充電するために三相電力供給網（４）に接続することができ、前記力率補正回路（１１）とＤＣ／ＤＣ変換器（１２）とを備えた絶縁型ＡＣ／ＤＣ変換器を備え、前記力率補正回路が、それぞれ直列インダクタ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を用いて前記三相電力供給網（４）のそれぞれの位相（Ａ、Ｂ、Ｃ）のうちの１つに接続することができる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、前記方法は、前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における供給電流の自動制御を含み、制御変数および設定値を有する前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相間の電流の各１つに制御ループを適用することを含み、前記制御変数が、前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の対応するスイッチングアームに適用される位相間のデューティサイクル偏差であることを特徴とする、方法。
前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器の入力における位相間の電圧および電流の測定値を取得するステップと、
動的制御法則を決定するステップであって、前記制御法則が、位相間の電流の測定値と前記設定値との間の偏差に対する比例動作および積分動作と、前記設定値の時間的変動の検討と、位相間の電圧の測定値とを位相間の電流の制御ループにおける妨害として統合する、決定するステップと、
前記決定された制御法則による位相間のデューティサイクル偏差を計算するステップとが実装されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記各スイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が、対応する入力電流が正であるとき制御される第１のスイッチ（１Ｈ、２Ｈ、３Ｈ）と、前記対応する入力電流が負であるとき制御される第２のスイッチ（１Ｌ、２Ｌ、３Ｌ）とによって形成された直列スイッチの対を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
電気またはハイブリッド自動車の前記車載電池（２０）を充電するための前記充電デバイス（１０）の前記力率補正回路（１１）を制御するための制御デバイスであって、前記充電デバイスが、前記電池を充電するために前記三相電力供給網（４）に接続することができ、前記力率補正回路（１１）と前記ＤＣ／ＤＣ変換器（１２）とを備えた前記絶縁型ＡＣ／ＤＣ変換器を備え、前記力率補正回路（１１）が、それぞれ前記直列インダクタ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を用いて前記三相電力供給網（４）のそれぞれの位相（Ａ、Ｂ、Ｃ）のうちの１つに接続することができる前記３つのスイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を備える前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器であり、前記制御デバイスが、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法のステップを実行するように構成された処理手段を備える、制御デバイス。
高電圧電池と、前記三相電力供給網から前記電池を充電することができる車載充電デバイスとを備える電気またはハイブリッド自動車であって、前記充電デバイスが、前記力率補正回路（１１）と前記ＤＣ／ＤＣ変換器（１２）とを備えた前記絶縁型ＡＣ／ＤＣ変換器を備え、前記力率補正回路（１１）が、それぞれ前記直列インダクタ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）を用いて前記三相電力供給網（４）のそれぞれの位相（Ａ、Ｂ、Ｃ）のうちの１つに接続することができる前記３つのスイッチングアーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を備える前記三相Ｖｉｅｎｎａ整流器であり、請求項４に記載の制御デバイスを備える、車両。