CN116800111A - 电力控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电力控制装置。电力控制装置具备受电部、电力转换部以及控制装置。受电部具备接受从送电装置以非接触的方式传输的交流电力的次级侧线圈。电力转换部具备与次级侧线圈连接的在二相中成对的晶体管。电力转换部将受电部接受的交流电力转换成直流电力。控制装置在目标输出为规定值以上的情况下，通过同步地驱动二相的晶体管而执行对交流电力进行整流的同步整流动作。控制装置在目标输出小于规定值的情况下，通过脉冲频率调制来控制同步整流动作、以及通过二相的晶体管使次级侧线圈短路的短路动作。

Description

电力控制装置
技术领域
本发明涉及电力控制装置。
背景技术
以往，为了减轻地球环境上的不良影响，对电动车辆的关注变高，正在研究在电动车辆的行驶时等从外部以非接触的方式供给电力的***。
以往，已知有一种受电装置，该受电装置通过利用脉冲宽度调制(PWM：PulseWidth Modulation)来控制电力转换的受电侧的电力转换器中的短路模式与整流模式的切换，对电力传输的效率和受电电力进行控制(例如参照日本特开2017-93094号)。
以往，已知有一种非接触供电装置，该非接触供电装置通过软开关，对通过脉冲宽度调制来控制电力转换的送电侧的逆变器和受电侧的桥式整流电路各自的开关元件进行控制(例如参照日本特开2017-11875号)。
发明内容
在上述那样的装置中，期望通过在电力转换时进行软开关来降低损耗。但是，虽然在最大输出等的高输出区域的同步整流中能够维持软开关，但在低输出区域无法维持软开关，产生硬开关，可能使损耗增大。
本发明的方案是考虑这种情况而完成的，其目的在于，提供一种能够降低损耗的电力控制装置。
为了解决上述问题而实现上述目的，本发明采用了以下的方案。
(1)本发明的一方案的电力控制装置具备：受电部，其具有线圈，该线圈接受从送电装置以非接触的方式传输的交流电力；以及电力转换部，其具有与所述线圈连接的多个开关元件，并且将所述受电部接受的所述交流电力转换成直流电力；以及控制装置，其控制所述多个开关元件的开关动作，所述控制装置在目标输出为规定值以上的情况下，通过同步地驱动所述多个开关元件而执行对所述交流电力进行整流的同步整流动作，在所述目标输出小于所述规定值的情况下，通过脉冲频率调制来控制所述同步整流动作、以及通过所述多个开关元件使所述线圈短路的短路动作。
(2)在上述方案(1)中也可以是，所述多个开关元件通过多个相而桥接，所述控制装置在所述短路动作中，在高侧臂的所述多个相的所述开关元件中持续进行所述同步整流动作，并且将低侧臂的所述多个相的所述开关元件设定为断开。
根据上述方案(1)，即便在电力转换部的低输出区域由于多个开关元件的开关损耗而产生效率下降的情况下，也能够通过脉冲频率调制来抑制损耗的增大。
即便在伴随着电力转换部的低输出区域中的电流减少而使各开关元件的输出电容的放电完成所需的时间变长的情况下，也能够通过基于脉冲频率调制的频率的降低而使断开时间增大来确保放电完成，能够维持零电压开关的软开关。
在上述方案(2)的情况下，通过在高侧臂持续进行同步整流动作并且仅将低侧臂设为断开，能够根据在受电部的线圈中流动的电流的大小和相位来维持同步整流动作。通过低侧臂的受电部的线圈的短路，使线圈的电压和电流大致成为零，由此，能够增大从送电侧观察时的受电侧的阻抗，能够使送电装置中的电流节流。能够通过次级侧的电力转换部来控制初级侧的送电装置中的电流，能够在次级侧进行独立的电力控制。
附图说明
图1是示出具备本发明的实施方式中的电力控制装置的非接触电力传输***的结构的图。
图2是示出本发明的实施方式中的非接触电力传输***的送电部和受电部的结构的图。
图3是示出本发明的实施方式中的受电装置的同步整流动作中的脉冲宽度调制控制的接通和断开的例子的图。
图4是示出本发明的实施方式中的受电装置的短路动作中的脉冲频率调制控制的接通和断开的例子的图。
图5是示出本发明的实施方式中的受电装置的同步整流动作的状态例的图。
图6是示出本发明的实施方式中的受电装置的同步整流动作中的各开关元件的接通及断开的状态、次级侧线圈的两端间的电压、在次级侧线圈中流动的电流以及初级侧线圈的两端间的电压的图。
图7是示出本发明的实施方式中的受电装置的短路动作的状态例的图。
图8是示出本发明的实施方式的电力控制装置及比较例的电力控制装置各自中的各相的电流的变化的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的电力控制装置进行说明。
图1是示出具备实施方式中的电力控制装置10的非接触电力传输***1的结构的图。图2是示出实施方式中的非接触电力传输***1的送电部8和受电部31的结构的图。
实施方式的电力控制装置10搭载于车辆。具备电力控制装置10的非接触电力传输***1通过非接触方式的电力传输从车辆的外部向车辆供给电力。
(非接触电力传输***)
如图1所示，实施方式的非接触电力传输***1例如具备设置于车辆的行驶路径等的送电装置2、以及搭载于车辆的驱动控制装置3和电力控制装置10。
送电装置2例如具备电源部5、电容器(capacitor)6、电力转换部7、以及送电部8。
电源部5例如具备商用电源等交流电源、以及将交流电力转换成直流电力的AC-DC转换器。电源部5通过AC-DC转换器将从交流电源供给的交流电力转换成直流电力。
电容器6与电源部5并联地连接。电容器6使从电源部5输出的直流电力平滑化。
电力转换部7例如具备将直流电力转换成交流电力的逆变器。电力转换部7具备由二相桥接的多个开关元件和整流元件形成的桥电路。各开关元件例如是SiC(SiliconCarbide)的MOSFET(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor)等晶体管。多个开关元件是在各相中成对的高侧臂和低侧臂的晶体管7a、7b。高侧臂的晶体管7a的集电极与电源部5的正极连接。低侧臂的晶体管7b的发射极与电源部5的负极连接。高侧臂的晶体管7a的发射极及低侧臂的晶体管7b的集电极与送电部8连接。整流元件例如是在各晶体管7a、7b的集电极-发射极之间从发射极朝向集电极正向地并联连接的续流二极管。
送电部8例如利用磁场共振或电磁感应等磁场耦合，通过高频的磁场的变化而送出电力。如图2所示，送电部8例如具备由串联连接的初级侧线圈8a、初级侧电阻8b及初级侧电容器8c形成的谐振电路。
如图1所示，车辆的驱动控制装置3例如具备蓄电装置11、第一电力转换装置12、以及旋转电机13。
车辆的电力控制装置10例如具备受电装置14、第二电力转换装置15、以及控制装置16。
蓄电装置11通过从车辆的外部的送电装置2以非接触的方式传输的电力而被充电。蓄电装置11经由第一电力转换装置12而与旋转电机13之间授受电力。
蓄电装置11例如具备锂离子蓄电池等蓄电池、以及进行升压和降压的双向的电压转换等的电压控制器。蓄电装置11在蓄电池的充电和放电时通过电压控制器对输入电力和输出电力进行转换。蓄电装置11与后述的第一电力转换装置12的初级侧的正极端子12a及负极端子12c连接。
第一电力转换装置12例如具备进行升压和降压的双方向的电压转换的电压转换器、以及进行直流电力与交流电力的转换的电力转换器。第一电力转换装置12例如具备一对电抗器21、第一元件模块22、电阻23和开关元件24、第二元件模块25、以及第一电容器26和第二电容器27。
一对电抗器21通过以彼此相反极性进行磁耦合而形成复合型电抗器。一对电抗器21与初级侧的正极端子12a及第一元件模块22连接。
第一元件模块22例如具备由二相桥接的多个开关元件和整流元件形成的桥电路。各开关元件例如是SiC的MOSFET等晶体管。多个开关元件是在各相中成对的高侧臂和低侧臂的晶体管22a、22b。高侧臂的晶体管22a的集电极与次级侧的正极端子12b连接。低侧臂的晶体管22b的发射极在初级侧和次级侧与共同的负极端子12c连接。高侧臂的晶体管22a的发射极及低侧臂的晶体管22b的集电极与电抗器21连接。整流元件例如是在各晶体管22a、22b的集电极-发射极之间从发射极朝向集电极正向地并联连接的续流二极管。
一对电抗器21和第一元件模块22通过所谓的二相的交织(interleave)进行电压转换。在二相的交织中，在与一对电抗器21连接的二相的晶体管22a、22b中，第一相的晶体管22a、22b的开关控制的一个周期与第二相的晶体管22a、22b的开关控制的一个周期相互偏移了半个周期。
电阻23和开关元件24串联地连接。开关元件24例如是SiC的MOSFET等晶体管。电阻23与次级侧的正极端子12b及开关元件24的集电极连接，开关元件24的发射极与负极端子12c连接。
第二元件模块25例如具备由三相桥接的多个开关元件和整流元件形成的桥电路。各开关元件例如是SiC的MOSFET等晶体管。多个开关元件是在各相中成对的高侧臂和低侧臂的晶体管25a、25b。高侧臂的晶体管25a的集电极与次级侧的正极端子12b连接。低侧臂的晶体管25b的发射极与负极端子12c连接。高侧臂的晶体管25a的发射极及低侧臂的晶体管25b的集电极经由交流端子12d而与旋转电机13的定子绕组连接。整流元件例如是在各晶体管25a、25b的集电极-发射极之间从发射极朝向集电极正向地并联连接的续流二极管。
第一电容器26与初级侧的正极端子12a及负极端子12c连接。第二电容器27在第一元件模块22与第二元件模块25之间与次级侧的正极端子12b及负极端子12c连接。各电容器26使伴随着各开关元件的接通(导通)和断开(切断)的切换动作而发生的电压变动平滑化。
第二元件模块25通过电力的授受对旋转电机13的动作进行控制。第二元件模块25例如在旋转电机13的动力运行时，将从正极端子和负极端子输入的直流电力转换成三相交流电力，将三相交流电力供给到旋转电机13。第二元件模块25通过使向旋转电机13的三相的定子绕组的通电依次换流而产生旋转驱动力。
第二元件模块25例如在旋转电机13的再生时，通过与旋转电机13的旋转取得了同步的各相的开关元件的接通(导通)和断开(切断)的驱动，将从三相的定子绕组输入的三相交流电力转换成直流电力。第二元件模块25能够将从三相交流电力转换后的直流电力经由一对电抗器21和第一元件模块22供给到蓄电装置11。
旋转电机13例如是三相交流的无刷DC马达。旋转电机13具备：具有励磁用的永磁铁的旋转件、以及具有产生使旋转件旋转的旋转磁场的三相的定子绕组的固定件。三相的定子绕组与第一电力转换装置12的三相的交流端子12d连接。
旋转电机13通过从第一电力转换装置12供给的电力进行动力运行动作，由此产生旋转驱动力。旋转电机13例如在能够与车辆的车轮连结的情况下，通过从第一电力转换装置12供给的电力进行动力运行动作，由此产生行驶驱动力。旋转电机13也可以通过从车辆的车轮侧输入的旋转动力进行再生动作，由此产生发电电力。旋转电机13在能够与车辆的内燃机连结的情况下，也可以通过内燃机的动力进行发电。
受电装置14例如具备受电部31、电力转换部32、以及电容器33。
如图2所示，受电部31例如通过利用磁场共振或电磁感应等磁场耦合而从送电部8传递的高频的磁场的变化来接受电力。受电部31例如具备由串联连接的次级侧线圈31a、次级侧电阻31b及次级侧电容器31c形成的谐振电路。
如图1所示，电力转换部32具备将交流电力转换成直流电力的所谓的全无桥型(或者无桥和图腾柱型)的功率因数改善(PFC：Power Factor Correction)电路。所谓的无桥PFC是不具备由桥接的多个二极管构成的桥式整流器的PFC，所谓的图腾柱PFC是具备在相同方向上串联连接(图腾柱连接)的相同导电型的一对开关元件的PFC。
电力转换部32例如具备由二相桥接的多个开关元件和整流元件形成的桥电路。各开关元件例如是SiC的MOSFET等晶体管。多个开关元件是在各相中成对的高侧臂和低侧臂的晶体管32a、32b。高侧臂的晶体管32a的集电极与次级侧的正极端子14a连接。低侧臂的晶体管32b的发射极与次级侧的负极端子14b连接。高侧臂的晶体管32a的发射极及低侧臂的晶体管32b的集电极与受电部31连接。整流元件例如是在各晶体管32a、32b的集电极-发射极之间从发射极朝向集电极正向地并联连接的续流二极管。
电容器33与次级侧的正极端子14a及负极端子14b连接。电容器33使伴随着各开关元件的接通(导通)和断开(切断)的切换动作而发生的电压变动平滑化。
第二电力转换装置15通过对从受电装置14输出的直流电力进行转换而输出任意的直流电力。第二电力转换装置15例如具备进行降压的电压转换的电压转换器。第二电力转换装置15例如具备一对电抗器41、元件模块42、以及电容器43。
一对电抗器41通过以彼此相反极性进行磁耦合而形成复合型电抗器。一对电抗器41与次级侧的正极端子15a及元件模块42连接。
元件模块42具备由二相桥接的多个开关元件和整流元件形成的桥电路。各开关元件例如是SiC的MOSFET等晶体管。多个开关元件是在各相中成对的高侧臂和低侧臂的晶体管42a、42b。高侧臂的晶体管42a的集电极与初级侧的正极端子15b连接。低侧臂的晶体管42b的发射极在初级侧和次级侧与共同的负极端子15c连接。高侧臂的晶体管42a的发射极及低侧臂的晶体管42b的集电极与电抗器41连接。整流元件例如是在各晶体管42a、42b的集电极-发射极之间从发射极朝向集电极正向地并联连接的续流二极管。
一对电抗器41和元件模块42通过所谓的二相的交织进行电压转换。在二相的交织中，在与一对电抗器41连接的二相的晶体管42a、42b中，第一相的晶体管42a、42b的开关控制的一个周期与第二相的晶体管42a、42b的开关控制的一个周期相互偏移了半个周期。
电容器43与次级侧的正极端子15a及负极端子15c连接。电容器43使伴随着各开关元件的接通(导通)和断开(切断)的切换动作而发生的电压变动平滑化。
第二电力转换装置15的初级侧的正极端子15b与受电装置14的次级侧的正极端子14a连接。
第二电力转换装置15的次级侧的正极端子15a与第一电力转换装置12的次级侧的正极端子12b连接。
第二电力转换装置15的负极端子15c与受电装置14的次级侧的负极端子14b及第一电力转换装置12的负极端子12c连接。
控制装置16例如综合地控制车辆的驱动控制装置3和电力控制装置10。控制装置16例如是通过由CPU(Central Processing Unit)等处理器执行规定的程序而发挥功能的软件功能部。软件功能部是具备CPU等处理器、存储程序的ROM(Read Only Memory)、暂时地存储数据的RAM(Random Access Memory)以及计时器等电子电路的ECU。控制装置16的至少一部分也可以是LSI(Large Scale Integration)等集成电路。
控制装置16例如生成表示将各开关元件驱动为接通(导通)和断开(切断)的时机的控制信号，并且，生成用于基于控制信号将各开关元件实际驱动为接通(导通)和断开(切断)的栅极信号。例如，控制装置16通过对受电装置14的各开关元件的开关进行控制，将从送电装置2接受的交流电力整流为直流电力，并且进行输入电压和输入电流的功率因数改善。
图3是示出实施方式的受电装置14的同步整流动作中的脉冲宽度调制控制的接通和断开的例子的图。图4是示出实施方式的受电装置14的短路动作中的脉冲频率调制控制的接通和断开的例子的图。
例如，控制装置16在受电装置14的目标输出为规定值以上的情况下，如图3所示那样通过脉冲宽度调制(PWM)来控制将受电装置14的多个开关元件同步地驱动为接通(导通)和断开(切断)的同步整流动作。控制装置16在脉冲宽度调制(PWM)中，通过使规定的固定开关周期SC内的接通时间变化来控制与目标输出相应的输出。
例如，控制装置16在受电装置14的目标输出小于规定值的情况下，如图4所示那样通过脉冲频率调制(PFM：Pulse Frequency Modulation)来控制同步整流动作和将次级侧线圈31a短路的短路动作。脉冲频率调制(PFM)例如是固定接通时间类型。控制装置16通过以将执行同步整流动作的接通时间设为固定且使执行短路动作的断开时间变化的方式使频率变化，从而控制与目标输出相应的输出。
图5是示出实施方式的受电装置14的同步整流动作的状态例的图。图6是示出实施方式的受电装置14的同步整流动作中的各开关元件的接通和断开的状态、次级侧线圈31a的两端间的电压Vr、在次级侧线圈31a中流动的电流Ir以及初级侧线圈8a的两端间的电压Vt的图。
控制装置16检测通过从送电部8输送的电力而在受电部31产生的电流，即在次级侧线圈31a中流动的电流Ir，根据电流Ir的大小和相位对同步整流动作进行控制。
如图5和图6所示，控制装置16在同步整流动作中，通过所谓的相移型的脉冲宽度调制(PWM)对各开关元件的接通和断开进行控制。以下，将在第一相中成对的高侧臂和低侧臂的晶体管32a、32b设为第一开关元件SW1和第二开关元件SW2，将在第二相中成对的高侧臂和低侧臂的晶体管32a、32b设为第三开关元件SW3和第四开关元件SW4。
控制装置16在受电装置14的最大输出等的高输出区域，通过所谓的零电压开关(ZVS：Zero Voltage Switching)的软开关对各开关元件SW1、SW2、SW3、SW4进行控制。控制装置16为了降低由于进行高频的开关而引起的开关损耗，根据与初级侧线圈8a和次级侧线圈31a之间的距离相关的车高条件及车辆的电特性等来设定死区时间(dead time)校正值，由此进行软开关。在零电压开关(ZVS)中，各开关元件SW1、SW2、SW3、SW4通过各相的死区时间期间的断开状态下的输出电容(寄生电容)的放电而使两端电压成为零之后，执行开启(从断开状态向接通状态的切换)。
例如图6所示的时刻t1至时刻t2是第三开关元件SW3的零电压开关的期间，时刻t3至时刻t4是第二开关元件SW2的零电压开关的期间，时刻t5至时刻t6是第四开关元件SW4的零电压开关的期间，时刻t7至时刻t8是第一开关元件SW1的零电压开关的期间。各零电压开关的期间是通过各开关元件SW1、SW2、SW3、SW4的续流二极管导通而使例如MOSFET中的漏极-源极间电压大致成为零的状态。
图7是示出实施方式中的受电装置14的短路动作的状态例的图。
如图7所示，控制装置16在短路动作中，在各相的高侧臂中使零电压开关(ZVS)中的同步整流动作持续，并且仅将各相的低侧臂设为断开，由此使次级侧线圈31a短路。在作为各相的低侧臂的晶体管32b的第二开关元件SW2和第四开关元件SW4被设定为断开时，与次级侧线圈31a串联的次级侧电容器31c所蓄积的电流通过高侧臂的续流二极管向平滑用的电容器33流出。由此，次级侧线圈31a的两端间的电压Vr下降而成为零，次级侧线圈31a由于不产生电位差而不再作为线圈发挥功能，因此，由于与送电部8之间的磁场产生而引起的电流Ir变得非常少。此时，在从初级侧的送电装置2观察次级侧的受电装置14时，次级侧的阻抗成为非常大的值，初级侧的阻抗也变大，因此，初级侧的电流(送电电流：在初级侧线圈8a中流动的电流It)被节流。即，通过次级侧的受电装置14而控制了初级侧的送电装置2中的电流。根据在次级侧线圈31a中流动的电流Ir而进行同步整流动作的各相的高侧臂的晶体管32a即第一开关元件SW1和第三开关元件SW3由于不超过阈值电流而停止同步整流动作的开关，成为与次级侧电容器31c分离的状态。
如图2所示，送电部8的初级侧线圈8a与受电部31的次级侧线圈31a被设定为相反极性。控制装置16例如通过所谓的相位差开关对受电装置14的各开关元件的开关进行控制，该相位差开关为，使受电装置14的电力转换部32中的开关控制的一个周期相对于送电装置2的电力转换部7中的开关控制的一个周期相对地偏移半个周期。
图8是示出实施方式的电力控制装置10和比较例的电力控制装置各自中的各相的电流的变化的图。图8所示的实施方式的电力控制装置10的结构与比较例的电力控制装置的结构相同，实施方式的受电装置14由相位差开关控制，与此相对，比较例的受电装置14由同相开关控制。在同相开关中，送电装置2的电力转换部7和受电装置14的电力转换部32的彼此的开关控制是相同相位。
在实施方式的电力控制装置10中，通过受电装置14的相位差开关，送电部8的初级侧线圈8a和受电部31的次级侧线圈31a的相互交链的磁通中的直流成分被抵消，但交流成分残留。另一方面，在比较例的电力控制装置中，通过受电装置14的同相开关，送电部8的初级侧线圈8a和受电部31的次级侧线圈31a的相互交链的磁通全部被消除。在实施方式中，初级侧线圈8a和次级侧线圈31a中的电感和漏感残留，与此相对，在比较例中，仅残留漏感，由此电感变得相对小。
如图8所示，由于电感的大小之差，实施方式中的电流纹波Rp小于比较例中的电流纹波Rp1，从而认为实施方式中的损耗小于比较例中的损耗。
如上所述，根据实施方式的电力控制装置10，通过从在受电装置14的低输出区域由于多个开关元件SW1、SW2、SW3、SW4的开关损耗而产生效率下降的脉冲宽度调制(PWM)控制移至脉冲频率调制(PFM)控制，从而能够抑制损耗的增大。
即便在伴随着受电装置14的低输出区域中的电流减少而使各开关元件SW1、SW2、SW3、SW4的输出电容的放电完成所需的时间变长的情况下，也能够通过基于脉冲频率调制(PFM)控制的频率的降低而使断开时间增大来确保放电完成，能够维持零电压开关的软开关。
在受电装置14的短路动作中，在高侧臂持续进行同步整流动作并且仅将低侧臂设为断开，由此，能够根据在次级侧线圈31a中流动的电流Ir的大小和相位来维持同步整流动作。通过低侧臂的次级侧线圈31a的短路，使次级侧线圈31a的电压Vr和电流Ir大致成为零，由此，能够增大从送电侧观察时的受电侧的阻抗，能够使送电装置2中的电流节流。能够通过次级侧的受电装置14来控制初级侧的送电装置2中的电流(送电电流：在初级侧线圈8a中流动的电流It)，能够在次级侧进行独立的电力控制。
本发明的实施方式是作为例子而提示的方式，并非意在限定发明的范围。这些实施方式能够通过其他的各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形与包含在发明的范围或主旨内同样地，包含在权利要求书所记载的发明及其同等的范围内。

Claims (2)

1.一种电力控制装置，其特征在于，
所述电力控制装置具备：
受电部，其具有线圈，该线圈接受从送电装置以非接触的方式传输的交流电力；
电力转换部，其具有与所述线圈连接的多个开关元件，并且将所述受电部接受的所述交流电力转换成直流电力；以及
控制装置，其控制所述多个开关元件的开关动作，
所述控制装置在目标输出为规定值以上的情况下，通过同步地驱动所述多个开关元件而执行对所述交流电力进行整流的同步整流动作，
所述控制装置在所述目标输出小于所述规定值的情况下，通过脉冲频率调制来控制所述同步整流动作、以及通过所述多个开关元件使所述线圈短路的短路动作。
2.根据权利要求1所述的电力控制装置，其特征在于，
所述多个开关元件通过多个相而桥接，
所述控制装置在所述短路动作中，在高侧臂的所述多个相的所述开关元件中持续进行所述同步整流动作，并且将低侧臂的所述多个相的所述开关元件设定为断开。
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