特許 6017536 単相の電力供給網にもとづいて自動車の電池を充電するための装置、およびこの装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6017536

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】単相の電力供給網にもとづいて自動車の電池を充電するための装置、およびこの装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/10 20060101AFI20161020BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20161020BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20161020BHJP

   B60L 11/18 20060101ALI20161020BHJP

   H02J 3/18 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/10 P

   H02J7/00 P

   H02M7/12 F

   H02M7/12 P

   B60L11/18 C

   H02J3/18 114

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-504381(P2014-504381)

(86)(22)【出願日】2012年4月12日

(65)【公表番号】特表2014-517665(P2014-517665A)

(43)【公表日】2014年7月17日

(86)【国際出願番号】FR2012050806

(87)【国際公開番号】WO2012140374

(87)【国際公開日】20121018

【審査請求日】2015年4月6日

(31)【優先権主張番号】1101177

(32)【優先日】2011年4月14日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

(74)【代理人】

【識別番号】100109726

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 吉隆

(74)【代理人】

【識別番号】100101199

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義教

(72)【発明者】

【氏名】ガティ， メディ

(72)【発明者】

【氏名】クヴィエスカ， ペドロ

(72)【発明者】

【氏名】ケッフィ−シェリフ， アフマド

【審査官】 緑川 隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２１５５２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０１５５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０３０９５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−０３３９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１９２３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｌ１／００−３／１２，

Ｂ６０Ｌ７／００−１３／００，

Ｂ６０Ｌ１５／００−１５／４２，

Ｈ０１Ｍ１０／４２−１０／４８，

Ｈ０２Ｊ３／００−５／００，

Ｈ０２Ｊ７／００−７／１２，

Ｈ０２Ｊ７／３４−７／３６，

Ｈ０２Ｍ３／００−３／４４，

Ｈ０２Ｍ７／００−７／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電池（１３）、特に電気運転自動車の電池を、単相の電力供給網から充電するための装置であって、前記単相の供給網へと接続されるように意図されたフィルタ処理段（２）と、前記フィルタ処理段（２）へと接続された降圧段（３）と、前記電池（１３）へと接続されるように意図され、インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を介して前記降圧段（３）へと連結された昇圧段（４）と、前記降圧段（３）および前記昇圧段（４）にチョッピングのデューティサイクル（ａ、ａ_ｓ）を与えることができる制御ユニット（１５）とを備えており、
前記制御ユニット（１５）が前記降圧段（３）の入力電流（Ｉ_ｆ）と前記降圧段（３）の入力電圧（Ｖ_ｃ）との間の位相のずれを補償するための手段を備えており、
前記制御ユニット（１５）が、
前記降圧段（３）の入力電流（Ｉ^ｆ）と前記降圧段（３）の入力電圧（Ｖ_ｃ）との間の位相のずれを補償するため、および前記電池が受け取る電力（Ｐ_ｂａｔ）を設定点の電力（Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆ）の関数として制御するために、前記降圧段（３）のチョッピングのデューティサイクル（ａ）を、前記単相の電力供給網の電圧（Ｖ_ｅ）、前記設定点の電力（Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆ）、および前記インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を通って流れる電流の強度（Ｉ_ｄ）の関数として決定することができる第１の制御モジュール（１６）と、
前記昇圧段（４）のチョッピングのデューティサイクル（ａ_ｓ）を、前記降圧段（３）の出力における電圧（Ｖ_ｋｎ）、前記電池（１３）の電圧（Ｖ_ｂａｔ）、および設定点の誘導の強度（Ｉ_ｄ^ｒｅｆ）と前記インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を通って流れる電流の強度（Ｉ_ｄ）との間の差の関数として決定し、前記電池（１３）を通って流れる電流の強度（Ｉ_ｂａｔ）の閉ループ制御を行うことができる第２の制御モジュール（１７）と
を含んでいることを特徴とする、装置。

【請求項2】

前記第１の制御モジュール（１６）が、前記単相の電力供給網の電圧（Ｖ_ｅ）の振幅（Ｖ_ｍ）および前記設定点の電力（Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆ）の関数として前記降圧段（３）の前記入力電流（Ｉ_ｆ）の振幅（Ｉ_ｆｍ）をもたらすマップを備えている、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記設定点の誘導の強度（Ｉ_ｄ^ｒｅｆ）が、前記電池（１３）を通って流れる前記強度（Ｉ_ｂａｔ）および前記インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を通って流れる前記強度（Ｉ_ｄ）よりも常に大きい、請求項１または２に記載の装置。

【請求項4】

前記第２の制御モジュール（１７）が、前記インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を通って流れる前記電流の強度（Ｉ_ｄ）と前記設定点の誘導の強度（Ｉ_ｄ^ｒｅｆ）との間の差が送信される比例−積分コントローラ（３０）と、前記第２の制御モジュール（１７）によって決定される前記チョッピングのデューティサイクル（ａ_ｓ）が「０」または「１」にほぼ等しい場合に前記コントローラ（３０）の積分部分を無効にするように設計された速度超過保護手段とを備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

駆動輪へと接続された電気機械（５）と、前記電気機械（５）に給電することができるインバータ段とを含んだ少なくとも部分的に電気運転である自動車であって、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置を含んでおり、前記装置の前記昇圧段（４）の電気的接続およびスイッチが前記インバータ段に含まれており、前記装置の前記インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）が前記電気機械（５）の巻線であることを特徴とする、自動車。

【請求項6】

電池（１３）、特に自動車の電池の、単相網からの充電を制御する方法であって、入力電圧（Ｖ_ｅ）をフィルタ処理し、電力を前記網から降圧段（３）およびインダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を介して連結された昇圧段（４）を介して前記電池へと取り出すもので、
前記降圧段（３）の入力電流（Ｉ_ｆ）と前記降圧段（３）の入力電圧（Ｖ_ｃ）との間の位相のずれを補償し、
前記降圧段（３）の入力電流（Ｉ_ｆ）と前記降圧段（３）の入力電圧（Ｖ_ｃ）との間の位相のずれを補償するため、および前記電池が受け取る電力（Ｐ_ｂａｔ）を設定点の電力（Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆ）の関数として制御するために、前記降圧段（３）の入力電流（Ｉ_ｆ）を、前記単相の電力供給網の電圧（Ｖ_ｅ）、前記設定点の電力（Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆ）、および前記インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を通って流れる電流の強度（Ｉ_ｄ）の関数として前記降圧段（３）のチョッピングのデューティサイクル（ａ）を開ループ制御することによって制御し、
前記電池（１３）を通って流れる電流の強度（Ｉ_ｂａｔ）を、前記降圧段（３）の出力における電圧（Ｖ_ｋｎ）、前記電池（１３）の電圧（Ｖ_ｂａｔ）、および設定点の誘導の強度（Ｉ_ｄ^ｒｅｆ）と前記インダクタンスコイル（Ｌ_ｄ）を通って流れる前記電流の強度（Ｉ_ｄ）との間の差の関数として前記昇圧段（４）のチョッピングのデューティサイクル（ａ_ｓ）を閉ループ制御することによって、基準の電池強度（Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆ）へとロックする
ことを特徴とする方法。

【請求項7】

前記チョッピングのデューティサイクル（ａ_ｓ）が「０」または「１」にほぼ等しい場合に、比例−積分コントローラの積分部分を無効にする、請求項６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に電気運転自動車のための、単相の電力供給網にもとづく高電圧の電池充電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高電圧の電池再充電システムにおいては、供給網からの電力が、降圧または「バック（ｂｕｃｋ）」コンバータおよび昇圧または「ブースト（ｂｏｏｓｔ）」コンバータという２つのコンバータを介して連続的に電池へともたらされる。これら２つのコンバータは、それらの出力および入力端子の間の電圧比を、出力電流および／または所望の出力電圧の関数として制御される周波数で一連のスイッチを連続的に開放および閉鎖することによって、縮小または増大させることを可能にする。

【0003】

そのような充電システムが、例えば車両の電池を三相または単相の回路から再充電することを可能にする自動車用の車載の再充電システムに関する仏国特許出願公開第２９４３１８８号明細書に記載されており、この再充電回路は、電流の生成または車両の推進などの他の機能ももたらす電気機械のコイルを備えている。

【0004】

電力供給網から取り出される電流のチョッピング（ｃｈｏｐｐｉｎｇ）は、取り出される電流に高周波成分を生じさせ、伝統的には５０Ｈｚである配電網の基本周波数よりも高次の高調波を生じさせる。

【0005】

取り出される電流の高調波に関して、売電業者が規格を課しているため、このような再充電システムは、抵抗性／誘導性／容量性（ＲＬＣ）フィルタを降圧コンバータの入力にさらに備えている。このフィルタは、供給網から取り出された電流と電圧との間に位相のずれを生じさせる。この位相のずれの結果として、ユーザによって取り出されることがなく、理想的には最小化されなければならない無効電力が、供給網を通って流れる。

【0006】

さらに、大部分の家庭の電力供給網は、単相の電力供給網である。したがって、単相の電力供給から電池を再充電するための装置を備える車両を、家庭の電力供給網から、例えば私有の駐車場またはガレージにおいて、再充電することができる。

【0007】

単相の電力供給網からの再充電は、いくつかの特有の特徴を有する。電力供給網のトポロジーに応じて、入力電流の位相を供給網の電圧の位相に一致させることが、常には可能でない。さらに、入力の正弦波電圧がゼロに近づくとき、システムが一時的に制御不能になり、これは、降圧コンバータと昇圧コンバータとの間の電気機械の蓄電インダクタンス（ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）が大きい場合には、インダクタの電流が減少するための時間を持たないがゆえであり、きわめて不都合というわけではないが、このインダクタがかさばるという欠点を有している。

【0008】

さらに、電力の流れを継続的にするために、非ゼロの電流が降圧コンバータと昇圧コンバータとの間の電気機械の蓄電インダクタを通って流れている必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】仏国特許出願公開第２９４３１８８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の目的は、そのような再充電装置の降圧コンバータおよび昇圧コンバータを制御するための装置であって、装置の入力におけるＲＬＣフィルタの有無に関わらず、単相の電力供給網から取り出される電流と電圧との間の位相角を小さく保つことを可能にする装置を提案することにある。

【0011】

本発明の別の目的は、自動車用の車載の再充電装置であって、外部の単相の電力供給網へと接続することが可能であり、自身の回路に車両の電気機械の巻線を組み込んでいる車載の再充電装置を提案することにある。

【0012】

一態様によれば、一実施形態は、電池（特に、電気運転自動車の電池）を単相の電力供給網から充電するための装置であって、単相の供給網へと接続されるように意図されたフィルタ処理段と、前記フィルタ処理段へと接続された降圧段と、電池へと接続され、かつインダクタンスコイルなどの誘導成分を介して前記降圧段へと接続されるように意図された昇圧段と、前記降圧段および前記昇圧段にチョッピングのデューティサイクルを与えることができる制御ユニットとを備えている装置を提案する。

【0013】

全体的な特徴によれば、制御ユニットが、降圧段の入力電流と降圧段の入力電圧との間の位相のずれを補償するための手段を備える。

【0014】

有利には、制御ユニットが、降圧段の入力電流と降圧段の入力電圧との間の位相のずれを補償するため、および電池が受け取る電力を設定点の電力の関数として制御するために、降圧段のチョッピングのデューティサイクルを単相の電力供給網の電圧、設定点の電力、およびインダクタンスコイルを通って流れる電流の強度の関数として決定することができる、第１の開ループ制御モジュールを備える。

【0015】

第１の制御モジュールは、有利には、入力電圧の振幅および設定点の電力の関数として降圧段の入力電流の振幅をもたらすマップを備えることができる。

【0016】

好ましくは、制御ユニットが、昇圧段のチョッピングのデューティサイクルを前記降圧段の出力における電圧、電池の電圧、および設定点の誘導の強度とインダクタンスコイルを通って流れる電流の強度との間の差の関数として決定するとともに、電池を通って流れる電流の強度の閉ループ制御をもたらすことができる第２の制御モジュールを備える。

【0017】

設定点の誘導の強度は、好ましくは、電池を通って流れる強度およびインダクタンスコイルを通って流れる強度よりも常に大きい。

【0018】

有利には、第２の制御モジュールが、インダクタンスコイルを通って流れる電流の強度と設定点の誘導の強度との間の差が送信される比例−積分コントローラと、第２の制御モジュールによって決定されるチョッピングのデューティサイクルが「０」または「１」にほぼ等しい場合にコントローラの積分部分を無効にするように設計された速度超過保護手段とを備える。

【0019】

別の態様によれば、本発明は、駆動輪へと接続された電気機械と、この電気機械に給電することができるインバータ段とを備えており、少なくとも部分的に電気運転である自動車を提案する。

【0020】

全体的な特徴によれば、前記自動車が、上述のように単相の供給網から電池を充電するための装置を備え、前記装置の昇圧段の電気的接続およびスイッチがインバータ段に含まれ、前記装置のインダクタンスコイルが前記電気機械の巻線に対応している。

【0021】

別の態様によれば、一実施形態は、単相の網からの電池（特に、自動車の電池）の充電を制御するための方法であって、入力電圧をフィルタ処理し、電力を該網からインダクタンスコイルなどの誘導成分を介して接続された降圧段および昇圧段を介して電池へと取り出す方法を提案する。

【0022】

全体的な特徴によれば、降圧段の入力電流と降圧段の入力電圧との間の位相のずれが補償される。

【0023】

好ましくは、降圧段の入力電流と降圧段の入力電圧との間の位相のずれを補償するため、および電池が受け取る電力を設定点の電力の関数として制御するために、降圧段の入力電流が、単相の電力供給網の電圧、設定点の電力、およびインダクタンスコイルを通って流れる電流の強度の関数としての、降圧段のチョッピングのデューティサイクルの開ループ制御によって制御される。

【0024】

電池を通って流れる電流の強度を、昇圧段のチョッピングのデューティサイクルを降圧段の出力における電圧、電池の電圧、および設定点の誘導の強度とインダクタンスコイルを通って流れる電流の強度との間の差の関数として閉ループにて設定することによって、基準の電池強度へと設定することも可能である。

【0025】

有利には、チョッピングのデューティサイクルが「０」または「１」にほぼ等しい場合に、比例−積分コントローラの積分部分を無効にすることができる。

【0026】

本発明の他の利点および特徴が、決して本発明を限定しようとするものではない本発明の一実施形態についての詳細な説明、および添付の図面に示される。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の一実施形態による再充電装置を示している。

【図2a】第１の制御モジュールの第１の実施形態を示している。

【図2b】第１の制御モジュールの第２の実施形態を示している。

【図3】第２の制御モジュールの一実施形態の概略図である。

【図4】インダクタンスコイルを通って流れる電流のグラフ表示である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

図１は、一実施形態による、単相の電力供給網から電気運転自動車の電池を充電するための装置の概略図を示している。

【0029】

再充電装置１が、フィルタ処理段２と、フィルタ処理段２へと接続された降圧段３と、電気機械５を介して降圧段３へと接続された昇圧段４とを備えている。

【0030】

装置１は、三相または単相の電力供給へと接続することが可能であるため、フィルタ処理段２の入力へと接続されており、電力供給網へと接続することが可能である３つの端子Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３を有している。単相の充電においては、入力Ｂ_１およびＢ_２だけが、入力電圧Ｖｅおよび入力電圧Ｉｅをもたらす単相の電力供給網へと接続される。

【0031】

各入力端子Ｂ_１、Ｂ_２、およびＢ_３は、フィルタ処理段２のフィルタ処理ブランチへと接続されている。各フィルタ処理ブランチは、２つのブランチを並列に備えており、一方のブランチが、値Ｌ_２のインダクタを有し、他方のブランチが、値Ｌ_１のインダクタおよび値Ｒの抵抗を直列に有している。

【0032】

これら２つのフィルタ処理ブランチの出力の各々が、各フィルタ処理ブランチについてＤ_１、Ｄ_２、Ｄ_３とそれぞれ称されている点において、容量Ｃのコンデンサに接続されており、これらのコンデンサは、さらに接地へと接続されている。値Ｒの抵抗と、値Ｌ_１またはＬ_２のインダクタと、容量Ｃのコンデンサとからなる組が、降圧コンバータ３の入力においてＲＬＣフィルタを形成している。

【0033】

単相の再充電においては、端子Ｂ_３は、電力供給網へと接続されることがない。端子Ｂ_３へと接続されたフィルタ処理ブランチは使用されないため、以降の説明においては考慮されず、破線を使用して示されている。破線を用いて示されている電気回路のその他の構成要素は、三相の電力供給網へと接続される場合に限って使用される構成要素である。

【0034】

降圧段３は、点Ｄ_１およびＤ_２においてフィルタ処理段２へと接続される。単相の電力供給により動作するとき、降圧段３は、制御ユニット１５によって制御される２つのスイッチＳ_１またはＳ_２をそれぞれ有している２つの並列なブランチ６および７を備える。

【0035】

降圧コンバータの入力Ｄ_１およびＤ_２の各々は、それぞれブランチＦ_１およびＦ_２によって、単独のブランチ６および７それぞれの２つのスイッチＳ_１およびＳ_２の間に位置する接続点へと接続されている。

【0036】

ブランチ６および７の共通の末端が、降圧コンバータ３の２つの出力端子を形成している。端子の一方が、電池１３の「−」端子および昇圧コンバータ４の第１の入力１０へと接続されている。これらの端子の他方は、電気機械５の第１の端子へと接続されており、電気機械５の他方の端子が、昇圧コンバータ４の第２の入力１１へと接続されている。

【0037】

昇圧コンバータ４は、制御ユニット１５によって別個独立に制御することができる２つのスイッチＳ_４およびＳ_５を有している。これら２つのスイッチＳ_４およびＳ_５は、昇圧コンバータ４の第１の入力１０と電池１３の「＋」端子とを接続するブランチに位置している。電気機械５が接続された昇圧コンバータ４の第２の入力１１が、２つのスイッチＳ_４およびＳ_５の間に接続され、スイッチＳ_４が第２の入力１１と電池１３の「＋」端子との間に接続され、スイッチＳ_５が、第１の入力１０と第２の入力１１との間に接続されている。

【0038】

インダクタンスコイルＬｄに直列に配置された値Ｒｄの抵抗と同様の電気機械５が、降圧コンバータ３の出力端子と昇圧コンバータ４の第２の入力１１との間に接続されている。本発明の技術的範囲から外れることなく、電気機械５を、非抵抗性のインダクタンスコイルによって置き換えることができ、あるいは補足のインダクタンスコイルを、電気機械５に直列に接続することができる。

【0039】

電池１３の端子が、電池１３の端子の電圧を比較的安定に保つように意図されたコンデンサ１２、ならびに電池１３の「＋」端子を介して注入される最適な電流強度を電池の充電レベルの関数として明らかにする設定点の値Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆをもたらすことができる電池の充電を監視するためのモジュール１９へと接続される。充電監視モジュール１９は、設定点の値Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆを専用の接続によって制御ユニット１５へと送信する。

【0040】

さらに、モジュール１９または他の場所に組み込まれた測定手段が、実際に電池に進入する電流を明らかにする測定値Ｉ_ｂａｔおよび電池１３の「−」端子と「＋」端子との間の電圧を明らかにする値Ｖ_ｂａｔを、制御ユニット１５に送信する。

【0041】

他の電流強度の測定モジュールが、電気機械５を通って流れる電流の値Ｉｄ、フィルタ処理段２に進入する電力供給網の電流の強度Ｉｅ、および供給網からの電力供給の入力電圧値Ｖｅを測定し、制御ユニット１５へと送信することを可能にする。

【0042】

制御ユニット１５は、降圧段３のチョッピングのデューティサイクルａを決定する第１の制御モジュール１６と、昇圧段４のチョッピングのデューティサイクルの設定点ａ_ｓを決定する第２の制御モジュール１７とを備える。

【0043】

このために、制御ユニット１５は、２つのパイロットモジュール（図示されていない）を備えており、第１のパイロットモジュールが、降圧段３のチョッピングのデューティサイクルａを得るなどのために降圧コンバータ３のスイッチの各々について時間的な開放および閉鎖のパターンを与え、第２のパイロットモジュールが、デューティサイクルａ_ｓを得るなどのために昇圧コンバータ４のスイッチＳ_４およびＳ_５の各々について時間的な開放および閉鎖のパターンを与える。

【0044】

スイッチは、好ましくは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）など、高速スイッチングを可能にするトランジスタである。

【0045】

もっぱら単相モードで使用される場合、昇圧コンバータ４の第２の入力１１と電池１３の「＋」端子との間のスイッチＳ_４は常に閉じられており、結果として、前記第２の入力１１から電池１３の「＋」端子への流れを可能にするダイオードによって置き換えることが可能である。装置１が単相の電力供給網ならびに三相の電力供給網に接続される可能性がある場合、ダイオードを、前記第２の入力１１と電池１３の「＋」端子との間に接続されたスイッチＳ_４に並列に接続することができ、このダイオードが、前記第２の入力１１から電池１３の「＋」端子への流れを可能にする。

【0046】

デューティサイクルａおよびａ_ｓを判断するために、制御ユニット１５は、供給網からの電力の供給電圧Ｖｅ、電気機械５を通って流れる電流の強度Ｉｄ、電池１３の両端間の電圧Ｖ_ｂａｔ、電池１３を通って流れる電流の強度Ｉ_ｂａｔ、および充電監視モジュール１９によってもたらされる基準の電池の強度Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆの値を、入力として受信する。

【0047】

例として、充電装置１の電気要素の特徴的な値は、以下の範囲内にある。
・フィルタ２の容量値は、それぞれ数百μＦに相当し、例えば１００〜５００μＦの間である。
・端子の電圧を安定させるために使用される電池１３の端子間のコンデンサ１２は、ｍＦ程度であり、例えば１〜１０ｍＦの間である。
・フィルタ処理回路２の抵抗値Ｒは、約１オームであり、例えば１〜１０Ωの間である。
・電気機械Ｍｅの回転子の抵抗Ｒｄは、数十ｍΩ程度であり、例えば０．０１Ω〜０．１Ωの間である。
・フィルタ処理段２のインダクタおよび電気機械５の巻線にそれぞれ対応するインダクタンス値Ｌ１、Ｌ２、Ｌｄは、数十μＨ程度の値を有し、例えば１０μＨ〜１００μＨの間の値を有する。

【0048】

第１の制御モジュール１６および第２の制御モジュール１７を使用して、制御ユニットは、以下の３つの目標を満足する降圧コンバータ３および昇圧コンバータ４のためのチョッピングのデューティサイクルの設定点の値ａおよびａ_ｓを準備する。
・降圧段３の入力電流Ｉｆの振幅を制御し、この電流Ｉｆの位相が入力電圧Ｖｅの位相と一致するように保証する（この制御により、降圧段３の入力電流Ｉｆと降圧段３の入力電圧Ｖ_ｃとの間の位相のずれが最小にされる）ことによって、電力供給網の関数として取り出される電力を制御する。
・充電監視モジュール１９によって明らかにされ、Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆ関数として制御ユニット１５へともたらされる、電池１３の電力供給の必要性に対応して、電池１３の「＋」端子において測定される入力電流Ｉ_ｂａｔを得る。
・供給網から取り出される電流に望ましくない高調波を引き起こすことがないよう、電気機械５のインダクタンスコイルＬｄを通って流れる電流Ｉｄの消滅を防止する。

【0049】

フィルタ処理段２における電圧低下が、使用される電力の範囲においては無視できるため、入力フィルタの式は、説明を必要としない。

【0050】

降圧段３の入力における電圧Ｖｃは、電力供給網の入力電圧Ｖｅに等しいと考えられる。

【0051】

降圧段３の出力電圧Ｖｋｎは、ａ・Ｖｅに等しい。それがａ・Ｖｅに等しいため、電気機械５を有するブランチの式を、以下の形
Ｒｄ・Ｉｄ＋Ｌｄ・ｓ・Ｉｄ＝ａ・Ｖｅ−ａ_ｓ・Ｖ_ｂａｔ（式１）
で表わすことができ、ここでｓは、時間「ｔ」に関する微分演算子であり、すなわち

であり、
ａは、降圧段３のチョッピングのデューティサイクルであり、ａ_ｓは、昇圧段４のデューティサイクルである。

【0052】

降圧段３のチョッピングのデューティサイクルａを、ａ＝Ｉｆ／Ｉｄと表わすこともでき、ここでＩｆは、降圧段３における入力電流であり、昇圧段４のチョッピングのデューティサイクルａ_ｓは、ａ_ｓ＝Ｉ_ｂａｔｔ／Ｉｄによって与えられる。

【0053】

したがって、式（１）を以下の形に表わすこともできる。
Ｒｄ・Ｉｄ＋Ｌｄ・ｓ・Ｉｄ＝（Ｉｆ・Ｖｅ−Ｉ_ｂａｔ・Ｖ_ｂａｔ）／Ｉｄ（式２）
または

【0054】

したがって、式３によれば、降圧段３の入力電流の強度Ｉｆを、電気機械５を通って流れる電流ＩｄをインダクタンスコイルＬｄの電流の消滅を防止するように準備される設定点の値Ｉｄ^ｒｅｆへとロックするための制御変数として使用することができる。

【0055】

入力電圧Ｖｅがゼロに近づく場合、システムは、たとえロックされていても制御不能になる。該式によれば、これらの制御不能の局面において、電気機械５のコイルＬｄの電流Ｉｄは、図４に示されるように、低下するだけで済む。

【0056】

定義により、降圧段３の入力電流の強度Ｉｆの値を、電気機械５を通って測定される電流の強度Ｉｄの値で除算することによって、降圧段３のチョッピングのデューティサイクルａの値がもたらされる。チョッピングのデューティサイクルの設定点ａを使用して降圧段３を制御することで、降圧段３の入力における電流と電圧との間の位相のずれを取り除くために、供給網の電力供給電流Ｉｅをゼロ基準へとロックすることが可能になり、電気機械５を通って流れる電流Ｉｄを所望の設定点の値、すなわち設定点の誘導強度Ｉｄ^ｒｅｆへとロックすることが可能になる。

【0057】

電力供給網の入力電圧Ｖｅに等しい降圧段３の入力電圧Ｖｃは、Ｖｃ＝Ｖｅ＝Ｖｍ・ｓｉｎ（ωｔ）の形をとる。

【0058】

コマンドが、Ｉｆの位相が入力電圧の位相に一致することを保証する。入力電流Ｉｅは、Ｉｅ＝Ｉｆ＋Ｉｃ、すなわちＩ_ｅ＝Ｉ_ｆｍ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｃ／２・Ｖｍ・ｃｏｓ（ωｔ）によって与えられる。

【0059】

したがって、電流Ｉｆは、供給網から取り出される有効電力のイメージである。この後者は、関係Ｐ_{ａｃｔｉｖｅ}＝Ｉ_ｆｍ・Ｖ_ｍ／２によって与えられ、ここでＩ_ｆｍ＝２・Ｐ_{ａｃｔｉｖｅ}／Ｖ_ｍである。

【0060】

入力電流Ｉｅが、降圧段３の入力電流Ｉｆによって位相のずれをなくすように制御され、電気機械５を通って流れる電流Ｉｄが、降圧段３の入力電流Ｉｆによって電気機械５のコイルＬｄの電流の消滅を防止するように制御される場合、充電監視モジュール１９によってもたらされる設定点の値Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆに電池の入力電流Ｉ_ｂａｔをロックすることに関して制御ユニット１５によって行われる制御の第３の目的は、満たされたままである。

【0061】

そのようにするために、チョッピングのデューティサイクルａ_ｓを、例えば関係ａ_ｓ＝Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆ／Ｉｄを満足するように昇圧コンバータへと適用することができる。

【0062】

式（１）によって与えられる電気機械５を通過する電流の動態を決定する関係が、昇圧段４のデューティサイクルａ_ｓおよび電気機械５を通って流れる電流Ｉｄを直接的に結び付ける。

【0063】

したがって、ａ_ｓを、基準値Ｉｄ^ｒｅｆと電気機械５を通って流れる測定値Ｉｄとの間の誤差から直接制御することができる。

【0064】

図２ａは、第１の制御モジュール１６の第１の実施形態の概略図である。第１の制御モジュールは、降圧段３の入力電流Ｉｆの開ループ制御を含む。降圧段３の入力電流Ｉｆが、降圧段３のチョッピングのデューティサイクルａを計算することによって制御される。

【0065】

降圧段３のチョッピングのデューティサイクルａは、電池の電圧Ｖ_ｂａｔおよび設定点の電池の強度Ｉ_ｂａｔｔ^ｒｅｆから決定される設定点の電力Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆ、単相の電力供給網の入力電圧Ｖｅ、ならびにインダクタンスコイルＬｄを通って流れる電流の強度Ｉｄの関数として決定される。

【0066】

第１の制御モジュール１６は、第１の入力において電池の強度の設定点Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆを受信し、第２の入力において電池の端子において測定される電圧Ｖ_ｂａｔを受信する。電池の設定点の強度Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆおよび電池の電圧Ｖ_ｂａｔが、第１の乗算器２１へと入力され、第１の乗算器２１が、設定点の電力Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆを出力する。

【0067】

第３の入力において、制御モジュール１６は、電力供給網からの入力電圧Ｖｅを受信する。モジュール１６は、単相の電力供給網の入力電圧Ｖｅに比例する規格化された振幅信号Ｖ_ｍの抽出を可能にする信号分析器２２を備えている。振幅信号Ｖ_ｍは、振幅Ｖ_ｍの反転を出力する第１の反転スイッチ２３へともたらされる。この振幅の反転Ｖ_ｍが、設定点の電力Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆも入力として受信する第２の乗算器２４へともたらされる。

【0068】

次いで、第２の乗算器２４が、降圧段３の入力電流の振幅Ｉｆ_ｍを第３の乗算器２５へと出力し、第３の乗算器２５は、単相の電力供給網の入力電圧Ｖ_ｅの位相信号ｓｉｎ（ωｔ）も入力として受信する。

【0069】

次いで、第３の乗算器２５が、降圧段３の入力電流Ｉｆを、第１には第２の制御モジュール１７へと出力し、第２には第４の乗算器２６へと出力する。モジュール１６は、第４の入力によって、電気機械５のコイルＬｄを通って流れる電流の強度の値Ｉｄを受信する。コイルＬｄを通って流れる電流の強度の値Ｉｄが、第２の反転スイッチ２７へともたらされ、第２の反転スイッチ２７が、コイルＬｄを通って流れる電流の強度Ｉｄの反転を第４の乗算器２６へと出力する。

【0070】

次いで、第４の乗算器２６が、計算Ｉｆ／Ｉｄを実行し、降圧段３のチョッピングのデューティサイクルの値ａを出力し、降圧段３の入力電流Ｉｆの制御を可能にする。

【0071】

図２ｂは、第１の制御モジュール１６の第２の実施形態を示している。

【0072】

このモジュール１６においては、第２の乗算器２４が、降圧段３の入力電流Ｉｆの振幅Ｉｆ_ｍを、入力電圧Ｖｅの振幅Ｖ_ｍおよび設定点の電力Ｐ_ｂａｔ^ｒｅｆの関数としてもたらすマップ２８によって置き換えられている。

【0073】

図３は、第２の制御モジュール１７の一実施形態を示している。

【0074】

充電装置１において、電池１３を通って流れる電流Ｉ_ｂａｔが、昇圧段４によって制御される。実際、電池の電流Ｉ_ｂａｔは、関係Ｉ_ｂａｔ＝ａ_ｓＩ_ｄによって与えられる。

【0075】

したがって、電池１３における電流Ｉ_ｂａｔを、ａ_ｓ＝Ｉ_ｂａｔ^ｒｅｆ／Ｉｄによって関連の基準値へと単純にロックすることができる。

【0076】

電池の電流測定が得られる場合には、補正ループを追加することも可能である。この場合、

が得られ、ここでαは、設定パラメータである。

【0077】

第２の制御モジュール１７は、電気機械５のインダクタンスコイルＬｄを通って流れる電流の強度Ｉｄの閉ループ制御を含む。

【0078】

第２の制御モジュール１７は、第１の入力において、電力供給網の入力強度の値Ｉｅを受信する。この強度の値Ｉｅが、設定点の誘導の強度Ｉｄ^ｒｅｆの値を決定するモジュール３１へともたらされる。第２の制御モジュール１７は、第２の入力において、電気機械５のコイルＬｄを通って流れる電流の強度の値Ｉｄを受信する。強度の値Ｉｄが、設定点の誘導の強度の値Ｉｄ^ｒｅｆを正の入力において受信する第１の減算器３２の負の入力へともたらされる。

【0079】

次いで、第１の減算器３２は、インダクタンスコイルＬｄを通って流れる電流の強度Ｉｄと、設定点の誘導の強度Ｉ_ｄ^ｒｅｆとの間の差を、比例／積分コントローラ３０へと出力する。

【0080】

比例／積分コントローラ３０は、並列な２つのブランチを備えており、第１のブランチが比例制御モジュールＫ_ｐを備え、第２のブランチが積分制御モジュールＫ_ｉおよび積分モジュールｉを備えている。

【0081】

第２の制御モジュール１７は、第３の入力において、第１の制御モジュール１６によってもたらされる降圧段３の入力電流の強度の値Ｉｆを受信する。強度Ｉｆは、第２の制御モジュール１７の第４の入力において受信される単相の供給網の入力電圧Ｖ_ｅも入力として受信する第１の乗算器３３へともたらされる。

【0082】

したがって、第３の乗算器３３は、有効電力の値Ｐ_{ａｃｔｉｖｅ}を出力する。この値Ｐ_{ａｃｔｉｖｅ}が、第１の反転スイッチ３５へと前もってもたらされている電流Ｉｄの反転も入力として受信する第２の乗算器３４へと入力される。

【0083】

第２の乗算器３４が、計算Ｐ_{ａｃｔｉｖｅ}／Ｉｄを実行し、降圧段３の出力電圧の値Ｖｋｎを出力する。降圧段３の電圧Ｖｋｎは、比例／積分コントローラ３０からの出力を負の入力において受信する第２の減算器３６の正の入力へともたらされる。

【0084】

次いで、第２の減算器３６は、インダクタンスコイルＬｄを通って流れる電流の強度Ｉｄと、比例／積分コントローラ３０によって補正された設定点の誘導の強度Ｉ_ｄ^ｒｅｆとの間の差について、降圧段３の出力電圧Ｖｋｎとの合計を、第３の乗算器３７の入力に出力する。第３の乗算器３７は、第２の制御モジュール１７の第５の入力において受信されて第２の反転スイッチ３８へと前もってもたらされている電池電圧Ｖ_ｂａｔの反転も入力として受信する。

【0085】

次いで、第３の乗算器３７は、昇圧段４のチョッピングのデューティサイクルの設定点の値ａ_ｓを出力する。

【0086】

第２の制御モジュール１７は、第３の乗算器３７の出力と比例／積分コントローラ３０の積分制御モジュールＫ_ｉを含んでいる方のブランチの入力との間のフィードバックループをさらに備える。

【0087】

昇圧段４のチョッピングのデューティサイクルの値ａ_ｓがほぼ０または１である場合、積分制御ブランチが無効にされる。

【0088】

このフィードバックループは、入力電圧Ｖｅがゼロに近づくときの装置の制御の喪失を克服するために使用される速度超過の保護の技術である。実際、制御不能の局面においては、差を小さくすることができないため、制御が飽和し、すなわちスイッチまたはＩＧＢＴトランジスタのデューティサイクルが１になる。この誤差が積分され続けることを防止するために、フィードバックループが使用される。したがって、ひとたび装置が制御可能になると、電気機械５のコイルＬｄを通って流れる電流Ｉｄが、基準値Ｉｄ^ｒｅｆへともたらされる。

【0089】

このフィードバックループの使用は、きわめて低いインダクタンスのコイルＬｄを有するシステムの制御も可能にする。低インダクタンスのコイルを使用することで、充電器の体積を減らすことが可能になる。

【0090】

本発明は、外部の単相の電力供給網へと接続されるように設計された自動車用の車載充電装置であって、回路に車両の電気機械の巻線が組み込まれた、該単相の電力供給網から取り出される電流と電圧との間の位相のずれを小さく保つように降圧コンバータおよび昇圧コンバータを制御することを可能にする充電装置を提供する。

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】