JP2015532080A - 非接触充電システムにおける電気自動車の電池の充電を制御するための方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、非接触充電システムにおける電気自動車またはハイブリッド駆動モータ自動車の、電池の充電を制御するための方法であって、インバータ(12)が後に続くDC直流源(11)を備える発電機(10)は、前記インバータと直列で配置されるインダクタ(ID1)を備える負荷を供給する方法であって、前記方法は、前記インバータの第1および第2のスイッチングアームへの、第1および第2のパルス幅変調指令信号それぞれの伝送により、前記負荷共振周波数に追随する動作周波数(f)で、前記インバータ(12)を制御するステップを含み、閉ループ調整が前記インバータの供給電流の強度で実行され、供給電流設定値は、前記直流源により供給することができる最大電流(Imax_dc)にしたがって画定されることを特徴とする方法に関する。【選択図】 図5
Description
本発明は、非接触充電システムにおける、電気自動車またはハイブリッド駆動モータ自動車の、電池の充電を制御するための方法であって、インバータが後に続くDC電圧源を備える種類の発電機は、インダクタを備える負荷を供給し、負荷は、インバータの出力と直列に接続される方法であって、インバータの第1および第2のスイッチングアームそれぞれへの、第1および第2のパルス幅変調指令信号の伝送により、インバータの出力で負荷共振周波数に近い周波数に追随する動作周波数で、インバータを制御するステップを含む方法に関する。
「非接触」システムといわれる、モータ自動車電池を充電するためのシステムがよく知られているが、それらのシステムは、従来、例えば自動車の駐車スペースの床面に配置されているシステムであって、主電源(mains)に接続され、もう一方は、自動車内に配置されるインバータ発電機によって給電される、インダクタを備えるエネルギーエミッタ端子、およびインダクタとレシーバ端子との間の誘導結合によりエネルギー伝達を可能にし、その結果、自動車の電池の再充電を可能にするために、インダクタの上方に載置されるように設計されたエネルギーレシーバ端子を備える。
これらのシステムの利点は、従来の有線充電システムに比べ、使い心地がよいこと、および使用についての人間工学性にある。しかしながら、これらの非接触充電システムは、電池の充電段階の効率低下を回避するために、エネルギーエミッタ端子に対する、自動車の極めて正確な位置調整を必要とする欠点を有している。また、エネルギーエミッタ端子に対する自動車の位置調整に関係なく、インダクタおよびレシーバ端子により構成される、負荷の共振周波数の値と実質的に等しい周波数で発電機のインバータブリッジを制御することから構成される解決策を提供することが、本出願人の名で文献FR2947113において想定されている。共振は、レシーバ端子上に磁場を集中させることにより効率を高めることができる。それによって、位置調整の最適な効率および最大許容値が得られる。
しかしながら、さらなる欠点が残る。具体的には、電気駆動自動車のモータに電力供給するために使用される高電圧電池は、低インピーダンスを有する。また、本出願では、共振周波数にほぼ到達し、電池を再充電しようとすると、発電機から見たインピーダンスは非常に低くなり、その結果、インバータの連続的な電力供給から得られる電流は、制御される可能性のないまま非常に高くなる。電力供給は、次に、ほぼ瞬時に電力飽和状態に陥る危険にさらされるが、この電力飽和状態は、従来、電力供給の「デフォルト」モードへの切り替えによって明らかになる。
また、中レベルおよび低レベルで、具体的には、電池の再充電サイクルの終盤に向け、さらには、エミッタ端子と自動車との間の相対的な位置調整がどのようなものであろうと、電池に注入される電力を制御できることは望ましい。
このような背景において、本発明の目的は、電気自動車またはハイブリッド自動車の、電池の充電を制御するための方法であって、利用可能な電力供給の実際の制限を考慮しつつ、注入された電力を正確な手法で制御することができる方法を提案することである。
この目的のために、先の前書きで提供された一般的な定義による本発明の方法は、基本的に、閉ループ調整がインバータの供給電流の強度で実行され、供給電流強度設定値が前記インバータのDC電圧源により供給できる最大電流に従って画定されることを特徴とする。
本発明による方法はまた、好ましくは、以下の特徴:
−前記負荷を通過する前記電流は、前記インバータの前記出力で測定され、前記測定された電流は、前記電流設定値と比較され、および前記測定された電流が前記設定値と異なる場合に、前記インバータの前記出力で前記負荷を通過する前記電流が前記設定値と実質的に等しくなるように、前記インバータの前記パルス幅変調指令信号が適合されること;
−前記供給電流の前記強度の前記閉ループ調整は、前記インバータの前記第1および第2の指令信号のデューティサイクルを適合することにより実施されること;
−前記インバータの前記第2の指令信号は、前記インバータの前記第1の指令信号を補完する信号であること;
−前記供給電流の前記強度の前記閉ループ調整は、前記インバータの前記第1の指令信号と前記第2の指令信号との間の位相を変えることにより実施されること;
−前記インバータにより伝送される電力の閉ループ調整は、前記インバータの供給電圧の制御に作用することにより同時に実施され、電力設定値は、電池の充電に必要な電力情報にしたがって確立されること;
−前記電池の前記充電に必要とされる前記電力情報は、電池充電完了ストラテジーによる電池監視コンピュータにより伝送されること;
−前記インバータの前記出力での前記負荷の前記共振周波数に近い周波数への前記インバータの前記動作周波数の追随は、前記インバータの前記出力で送出されるリップル供給電圧とリップル供給電流との間の位相差の閉ループ調整を実行することにあり、位相差設定値は、前記インバータの前記動作周波数が前記出力での前記負荷共振周波数と実質的に等しい値で一定に維持される方法で決定されること
のうちの1または複数を有する。
−前記負荷を通過する前記電流は、前記インバータの前記出力で測定され、前記測定された電流は、前記電流設定値と比較され、および前記測定された電流が前記設定値と異なる場合に、前記インバータの前記出力で前記負荷を通過する前記電流が前記設定値と実質的に等しくなるように、前記インバータの前記パルス幅変調指令信号が適合されること;
−前記供給電流の前記強度の前記閉ループ調整は、前記インバータの前記第1および第2の指令信号のデューティサイクルを適合することにより実施されること;
−前記インバータの前記第2の指令信号は、前記インバータの前記第1の指令信号を補完する信号であること;
−前記供給電流の前記強度の前記閉ループ調整は、前記インバータの前記第1の指令信号と前記第2の指令信号との間の位相を変えることにより実施されること;
−前記インバータにより伝送される電力の閉ループ調整は、前記インバータの供給電圧の制御に作用することにより同時に実施され、電力設定値は、電池の充電に必要な電力情報にしたがって確立されること;
−前記電池の前記充電に必要とされる前記電力情報は、電池充電完了ストラテジーによる電池監視コンピュータにより伝送されること;
−前記インバータの前記出力での前記負荷の前記共振周波数に近い周波数への前記インバータの前記動作周波数の追随は、前記インバータの前記出力で送出されるリップル供給電圧とリップル供給電流との間の位相差の閉ループ調整を実行することにあり、位相差設定値は、前記インバータの前記動作周波数が前記出力での前記負荷共振周波数と実質的に等しい値で一定に維持される方法で決定されること
のうちの1または複数を有する。
本発明はまた、本発明による方法を実行するためのハードウェア手段および/またはソフトウェア手段を備えるコンピュータに関連する。
本発明のさらなる特徴および利点は、添付図面を参照して、限定することを意図していない以下の例示的な説明から明らかになるであろう。
図1は、出力と直列に配置された負荷を供給するために使用される、パルス幅変調PWM制御を含む従来のインバータ発電機10の図を示す。発電機10は、例えば、230Vの電源交流電圧を整流することにより形成され、かつ振幅Vdcの調整されたおよび調整可能なDC供給電圧Eをインバータ12に供給する、DC電圧源11を備える。このインバータ12は、トランジスタT1−T3およびT2−T4がインバータ12の2つのスイッチングアームAおよびBを形成する、IGBTパワートランジスタ(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などの、4つのスイッチT1からT4が、DC電圧源11の正端子および負端子の2つの間で直列に接続されている、ブリッジ構造を有する。
発電機10に対する負荷は、具体的には、コンデンサ(図示されず)と直列に配置されるインダクタL1と見なすことができる、ID1で示されるインダクタを備え、これにより共振回路が形成される。インダクタID1の各端子が2つのトランジスタによりそれぞれDC電圧源11の正の供給端子および負の供給端子の2つに接続されるように、インダクタID1は、インバータ12のスイッチングアームAおよびBの2つの間で、インバータ12の出力において接続される。インバータ12の出力で共振回路によって吸収される電力を調整するために、トランジスタに送るためのPWM型の指令信号を生成することができる制御回路13により、トランジスタの導通および非導通の連続サイクルの周波数に作用することができ、基本的には、トランジスタが導通および遮断を行うインバータの動作周波数といわれる周波数を制御することが可能になる。
トランジスタの通過−遮断状態を制御回路13により放出された適切なPWM制御により制御することによって、AC電圧V1を得るために、電圧をインダクタID1の端子で固定することができる。インバータ12によりインダクタID1に送出される交流電圧V1によって、電池を充電するために、自動車に搭載されるレシーバ端子の二次巻線(図示されず)であって、整流平滑回路に接続される当該二次巻線の電流を誘導するために使用される磁場を生成することができる。インダクタにより吸収される充電電流は、当該インダクタに印加された電圧から生じる。この電流およびトランジスタの制御は、インバータ12の供給電流Idc、即ち、インバータ12のDC電圧源11から得られる電流を固定する。
インバータ12は、0.5に等しいPWMデューティサイクルプロファイルを有する指令信号によって制御することができ、直列の2つのトランジスタの制御電極は、対向するように制御される。具体的には、指令信号PWMAが、トランジスタT1の開閉を制御するのに対し、制御論理は、信号PWMAを反転し、インバータの電源の短絡を回避するためにデッドタイムを確保することにより、トランジスタT3の指令信号を構築するように設計される。同様に、インバータ12の第2の分岐に関して、信号PWMAの補数である指令信号PWMBが、トランジスタT2の開閉を制御するのに対し、制御論理は、トランジスタT4の指令信号を構築するように設計される。
インバータ12により負荷に伝送される電力は、具体的には、インバータ12のDC供給電圧Eの振幅Vdc、インダクタID1に印加されるリップル供給電圧、およびインバータ12の出力におけるインダクタID1を流れる電流の強度I1に依存する。供給電圧Eの所与の振幅Vdcについて、伝送される電力は、スイッチング周波数が負荷振幅周波数に等しいときに最大である。図2は、インバータの共振時に、0.5のデューティサイクルに対するインバータのPWM制御の波形および伝送電力P1の波形を示す。伝送電力は、全波整流された正弦波に対応し、負荷を流れる電流は、電力と完全に同一の速度を有する。
次に、平均値が、以下の方法で計算される。
Pavは、これにより伝達される電力に対応し、
Ppeakは、電力の最大値(ピーク値)に対応し、
Ipeakは、電流(ピーク値)の最大値に対応し、
Iavは、インバータ12のDC電圧源11の出力における供給電流Idcの平均値を指す。
Pavは、これにより伝達される電力に対応し、
Ppeakは、電力の最大値(ピーク値)に対応し、
Ipeakは、電流(ピーク値)の最大値に対応し、
Iavは、インバータ12のDC電圧源11の出力における供給電流Idcの平均値を指す。
本発明によれば、インバータ12は、端数期間中だけ電力を注入するために、動作期間にわたって、トランジスタの導通期間と非導通期間との間の割合に影響を与えるように、もはや補完されていないが異なるデューティサイクル0.5を有するPWM指令信号で制御される。
図3は、0.5未満(図示された例では0.3に等しい)のデューティサイクルを有し、この結果、インバータの出力において印加される電圧V1である、インバータの2つのスイッチングアームそれぞれに伝送される第1の指令信号PWMAおよび第2の指令信号PWMBの波形を示す。次に、図4は、0.5のデューティサイクルに対する同一の指令信号と重畳される、0.3のデューティサイクルに対する指令信号PWMAの波形、およびこの0.3のデューティサイクルに対する負荷に伝送される電力の波形を示す。
また、インバータ12の供給電圧Eの所与の振幅Vdcについて、これがPWM指令信号の補助を伴い制御される場合に、このデューティサイクルは、
Rc=0.5.α、このとき、0<α<1である。
Rc=0.5.α、このとき、0<α<1である。
制御された電流といわれる平均電流は、このように取得される。0.5未満のデューティサイクルの適用は、したがってバーチャルトランスフォーマの実装に相当し、インバータの供給電圧の実際に適用される振幅Vdcを低減し、それゆえに節電のために供給電流Idcを増加させるだろう。よって、インバータのPWM指令信号のデューティサイクルに作用することにより、インバータのDC供給電流の限界を超えることが可能であり、デューティサイクルは、これに従い、インバータの供給電圧Eの振幅Vdcに加え、追加の変数をシステムの制御に提供する。
図5は、本発明による方法を実行することができる充電制御デバイスの回路図を示す。このデバイスは、本発明の方法を実行するために、ハードウェア手段および/またはソフトウェア手段を有する、地上のエミッタ端子に存在するコンピュータ20の形態で実装される。図6に示される調整されるシステム30は、インバータ12が後に続くDC電力供給(電圧源11)を備える発電機10、ならびに地上の一部分に対してインバータ12の出力と直列に配置され、自動車に搭載されたもう1つの部分に対して配置されるインダクタID1、およびレシーバ端子により形成される負荷によって形成される。
したがって、先ほど説明された原理に従って、充電制御デバイスは、インバータ12の供給電流Idcの強度を調整するための、閉ループ構造による第1のループを備える。この調整は、好ましくは、インバータ12の指令信号PWMAおよびPWMBのデューティサイクルに作用することによって、実行される。この目的を達成するために、インバータ12のDC供給は、供給電流の強度の測定値Idc_mesをコンピュータ20に伝送することができ、この測定値Idc_mesは、インバータの出力において負荷を流れるリップル電流の平均値Idc_modに対応している。即ち、Idc_mod=Idc_mesである。電流設定値Imax_dcは、DC電圧源11によって供給することができる最大電流値に基づき、コンピュータ20で計算される。したがって、供給電流Idcを調整するためのループにより、この電流を、DC電圧源から得ることができる最大値に限定することができる。この調整は、例えば、コレクターC1(複数可)のおかげで実施することができる。この調整を実行するために、インバータの指令信号PWMAおよびPWMBのデューティサイクルRcを0.5とは異なる値に変調することができるパラメータαと電流Idc_mesとの間の伝達関数G(複数可)を知ることが必要である。言い換えれば、これは、0.5とは異なるデューティサイクルによってもたらされる利得変調Mである。Mは、当該電流が図2で示された波形により示される速度を有するときに、インバータの出力において電流の平均値を計算することによって得られる。
αと電流測定Idc_mesとの間の動力(dynamic)は、無視される。伝達の動的部分は、低域通過フィルタF(複数可)を電流測定Idc_mesに追加することによって与えられる。
ここで
はラジアン毎秒のカットオフパルス、かつsはラプラス変数とする。
ここで
はラジアン毎秒のカットオフパルス、かつsはラプラス変数とする。
Kpは比例利得であり、Kiは積分利得である。
制御されるシステムが既知の利得(Mにより画定される)および既知の動力(F(複数可)により画定される)を有しているので、これらの利得は容易に調整される。したがって、MおよびF(複数可)に基づき、KpおよびKiを計算するための方法は、解析計算が可能であるので、当業者によく知られている。
つまり、この第1の調整ループのおかげで、電流Idcは、一定になるように、即ち、インバータのDC電力供給により生成することができる最大電流に等しくなるように、固定される。この出願において、「等しい」という用語は、「実質的に等しい」を意味しており、インバータの電力供給により生成することができる最大電流の評価は、この値を評価するための方法に従って変わる。
変形例では、供給電流の強度は、前述したように、インバータの指令信号PWMAおよびPWMBのデューティサイクルを適合することにより調整されるが、指令信号PWMBは、第1の指令信号PWMAを補完する信号である。
さらなる変形例では、インバータブリッジ12は、0.5に等しいデューティサイクルの2つの指令信号PWMAおよびPWMBにより制御されるが、インバータ12の指令信号PWMAとPWMBとの間の位相は、インバータの供給電流が設定値Imax_dcに追随するように、変えられる。
また、地上のコンピュータ20は、必要な電力に対応する充電設定値P_consを含む電力充電リクエストを、電池監視コンピュータから受信することができる。先述のインバータのDC供給から得られる電流を調整するための第1のループが、入力時にDC電圧源によって提供できる最大電流の値Imax_dcを直接受け取るので、以下のように、電池を充電するために必要な電力に基づき、インバータに適用される供給電圧レベル設定値Vdc_consを計算することが可能である。
この制御モードによって、DC電圧源により生成することができる最大電力に到達することができる(Pmax_dc=Vdc_max × Imax_dc)ので、評価された必要な電力に有効に応答することができる。それとは対照的に、電力調整モードでは、飽和せずに持続的に機能するために、インバータの供給電流Idcを調整するためのループを必要とするので、実際には信頼性がない。具体的には、低電力値で、電流Imax_dcに到達することはできない。その結果、そのような電力調整モードは、インバータにより伝送される電力の正確な制御を、具体的には電池充電の完了を制御するためのストラテジーで必要とされる可能性が高い低電力値で、実施するのに適していない。
また、充電制御デバイスは、供給電流Idcを調整するための第1のループと同時に作用する、インバータにより実際に注入される電力のレベルを調整するための、第2の閉ループ調整ループをさらに備える。電力設定値P_consは、電池監視コンピュータからもたらされ、この設定値は、例えば、電池充電完了のためのストラテジー適用範囲内で必要な電力レベルに従って決定される。次に、この設定値は、測定された供給電圧Vdc_mesおよび測定された供給電流Idc_mesについて、インバータのDC供給によりコンピュータ20に戻される値に基づき計算される、インバータにより実際に伝送される電力と比較される。
例えば、調整は、コレクターC2(複数可)のおかげで実施することができ、伝送された電力の正確な調整を保証することができる。調整を実行するために、PIタイプの第2のコレクターC2(複数可)が合成され、この合成は、インバータの供給電圧Vdc_mesの測定とその制御Vdc_consとの間の伝達関数T(複数可)の知識に基づいている。
また、第1のコレクターC1(複数可)によって、インバータ発電機のDC電圧源により供給できる最大値への、インバータの供給電流の制御を保証することができる一方で、第2のコレクターC2(複数可)によって、インバータ発電機により注入される電力の正確な調整を保証することができる。
最後に、充電制御デバイスは、先述の2つの調整ループと同時に作用し、インバータ12により送出されるリップル供給電圧V1の周波数を、インバータの出力において負荷共振周波数に近い周波数に追随させるために、インバータの動作周波数fを調整することを目的とした、閉ループ構造による第3の調整ループを備える。この目的を達成するために、PIタイプの第3のコレクターC3(複数可)が合成され、コンピュータ20により決定される位相差設定値Cons_Phaseによるインバータ12の出力におけるリップル供給電圧V1とリップル供給電流I1との間の位相差が、この第3の調整ループの調整パラメータとして選択される。
また、本発明の制御方法は、それぞれが供給電流を制御し、中レベルおよび低レベルによることを含む所望の電力を正確に注入し、ならびにシステムの共振にとどまることを可能にする、3つのコレクターによって、3つの調整機能を同時に実行することを可能にする。
Claims (9)
- 非接触充電システムにおける電気自動車またはハイブリッド駆動モータ自動車の、電池の充電を制御するための方法であって、インバータ(12)が後に続くDC電圧源(11)を備える種類の発電機(10)は、インダクタ(ID1)を備える負荷を供給し、前記負荷は前記インバータ(12)の出力と直列に接続される方法であって、前記方法は、前記インバータ(12)の第1のスイッチングアーム(A)および第2のスイッチングアーム(B)それぞれへの、第1のパルス幅変調指令信号(PWMA)および第2のパルス幅変調指令信号(PWMB)の伝送により、前記インバータ(12)の前記出力で、負荷共振周波数に近い周波数に追随する動作周波数(f)で、前記インバータ(12)を制御するステップを含み、前記方法は、
−前記インバータ(12)の供給電流の強度の閉ループ調整が実行され、供給電流強度設定値(Imax_dc)が一定であるように、即ち、前記インバータ(12)の前記DC電圧源(11)により供給することができる最大電流に等しくなるように固定され、および
−前記インバータ(12)により伝送される電力の閉ループ調整は、前記インバータ(12)の供給電圧(Vdc_cons)の制御に作用することにより同時に実行され、電力設定値(P_cons)は、前記電池の前記充電に必要な電力情報にしたがって確立されることを特徴とする方法。 - 前記インバータ(12)の前記出力で前記負荷を通過する供給電流(Idc_mes)が測定され、前記測定された供給電流(Idc_mes)が前記電流設定値(Imax_dc)と比較され、および前記測定された電流(Idc_mes)が前記設定値(Imax_dc)と異なる場合に、前記インバータの前記出力で前記負荷を通過する前記電流が前記設定値(Imax_dc)と実質的に等しくなるように、前記インバータ(12)の前記パルス幅変調指令信号(PWMA、PWMB)が適合されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記供給電流の前記強度の前記閉ループ調整は、前記インバータ(12)の前記第1の指令信号(PWMA)および前記第2の指令信号(PWMB)のデューティサイクルを適合することにより実行されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 前記インバータ(12)の前記第2の指令信号(PWMB)は、前記インバータの前記第1の指令信号(PWMA)を補完する信号であることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
- 前記供給電流の前記強度の前記閉ループ調整は、前記インバータ(12)の前記第1の指令信号(PWMA)と前記第2の指令信号(PWMB)との間の位相を変えることにより実行されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
- 前記電力設定値(P_cons)は、前記インバータにより実際に伝送される電力と比較され、前記実際に伝送される電力は、前記供給電圧(Vdc_mes)の前記測定値および前記供給電流(Idc_mes)の前記測定値に基づき計算されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電池の前記充電に必要とされる前記電力情報は、電池充電完了ストラテジーにしたがって電池監視コンピュータにより伝送されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記インバータ(12)の前記出力での前記負荷の前記共振周波数に近い周波数への前記インバータ(12)の前記動作周波数(f)の前記追随は、前記インバータ(12)の前記出力で送出されるリップル供給電圧(V1)とリップル供給電流(I1)との間の位相差の閉ループ調整を実行することから構成され、位相差設定値(Cons_phase)は、前記インバータ(12)の前記動作周波数が前記出力での前記負荷の前記共振周波数の値と実質的に等しい値で一定になるように固定される方法で決定されることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の方法を実行するためのハードウェア手段および/またはソフトウェア手段を備えることを特徴とする、コンピュータ(20)。
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