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特表2022-518675車載充電器を利用する車両のためのパワートレインアーキテクチャ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-16
(54)【発明の名称】車載充電器を利用する車両のためのパワートレインアーキテクチャ
(51)【国際特許分類】
B60L 53/20 20190101AFI20220309BHJP
H02J 7/34 20060101ALI20220309BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20220309BHJP
H02J 7/10 20060101ALI20220309BHJP
B60L 9/18 20060101ALI20220309BHJP
B60L 50/60 20190101ALI20220309BHJP
B60L 53/14 20190101ALI20220309BHJP
B60L 58/10 20190101ALI20220309BHJP
H02M 3/00 20060101ALI20220309BHJP
【ＦＩ】
B60L53/20
H02J7/34 J
H02J7/00 P
H02J7/10 N
B60L9/18 J
B60L50/60
B60L53/14
B60L58/10
H02M3/00 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021538383
(86)(22)【出願日】2019-12-19
(85)【翻訳文提出日】2021-08-30
(86)【国際出願番号】 US2019067364
(87)【国際公開番号】W WO2020142231
(87)【国際公開日】2020-07-09
(31)【優先権主張番号】16/236,556
(32)【優先日】2018-12-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】507107291
【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】230129078
【弁護士】
【氏名又は名称】佐藤 仁
(71)【出願人】
【識別番号】390020248
【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ合同会社
(72)【発明者】
【氏名】サンミン ケヴィン チョン
(72)【発明者】
【氏名】マニシュ ブハードワジ
(72)【発明者】
【氏名】フイ タン
【テーマコード（参考）】
5G503
5H125
5H730
【Ｆターム（参考）】
5G503AA01
5G503BA01
5G503BB01
5G503CA11
5G503CB02
5G503FA06
5G503FA18
5G503GB03
5G503GB06
5G503GD03
5G503GD06
5H125AA01
5H125AC12
5H125AC24
5H125BA00
5H125BB00
5H125BB05
5H125BC21
5H125CD05
5H125DD02
5H125EE15
5H125FF23
5H730AS01
5H730AS13
5H730AS17
5H730BB27
5H730CC02
5H730DD04
5H730DD16
5H730EE04
5H730EE13
5H730ZZ07
(57)【要約】
車載充電器（１０２）を利用した車両（ハイブリッド電気自動車／電気自動車など）のためのパワートレインアーキテクチャに関連する手法について記載した。この手法は、電力レギュレーションのためのデバイスを含み、このデバイスは、交流（ＡＣ）－ＤＣコンバータ（１０６）からの第１のＤＣ電圧（１０４）を変換して、バッテリー（１１４）を充電するための第１の変換されたＤＣ電圧を生成し、バッテリー（１１４）からの第２の変換されたＤＣ直流（ＤＣ）を、ＤＣ－ＡＣ電圧コンバータ（１１８）のための第２の変換されたＤＣ電圧に変換するように構成可能な電圧コンバータ－ＤＣインバータ（１０８）を含む。インバータ（１１８）は、モーター（１２６）に結合する。制御回路（１１６）が、電圧コンバータ（１０８）の動作モードを指示するように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力レギュレーションのためのデバイスであって、前記デバイスが直流（ＤＣ）－ＤＣ電圧コンバータを含み、
前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータが、
バッテリーを充電するための第１の変換されたＤＣ電圧を生成するために、交流（ＡＣ）－ＤＣコンバータからの第１のＤＣ電圧を変換し、
前記バッテリーからの第２のＤＣ電圧を、モーターに電気的に結合されるインバータのための第２の変換されたＤＣ電圧に変換し、
前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータの動作モードを指示するための回路要素を制御する、
ように構成可能である、
デバイス。
【請求項2】
請求項１に記載のデバイスであって、さらに筐体を含み、前記ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ及び前記ＡＣ‐ＤＣコンバータが、前記筐体内に少なくとも部分的に包囲されている、
デバイス。
【請求項3】
請求項２に記載のデバイスであって、前記筐体が冷却メカニズムを含む、デバイス。
【請求項4】
請求項３に記載のデバイスであって、前記冷却メカニズムが、前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータ及び前記ＡＣ－ＤＣコンバータの動作温度を少なくとも部分的に低減させる、デバイス。
【請求項5】
請求項３に記載のデバイスであって、前記筐体が少なくとも部分的に前記インバータを包囲し、前記冷却メカニズムが、前記インバータの動作温度を少なくとも部分的に低減する、デバイス。
【請求項6】
請求項１に記載のデバイスであって、前記ＤＣ‐ＤＣの電圧コンバータがさらに、
第１の動作モードで前記ＡＣ－ＤＣコンバータから前記第１のＤＣ電圧を受け取り、
第２の動作モードで前記バッテリーから前記第２のＤＣ電圧を受け取る、
ように構成可能であり、
前記第１及び第２の動作モードがノンオーバーラップ動作モードであり、
制御する回路要素が、前記第１の動作モードと第２の動作モードの間の切り替えを指示する、
デバイス。
【請求項7】
請求項１に記載のデバイスであって、前記第２の変換されたＤＣ電圧を、前記第２の変換されたＤＣ電圧とは異なる第３のＤＣ電圧に変換するための第２のＤＣ－ＤＣ電圧コンバータをさらに含む、デバイス。
【請求項8】
請求項１に記載のデバイスであって、前記ＡＣ‐ＤＣコンバータが前記インバータを含む、デバイス。
【請求項9】
電力レギュレーションのためのシステムであって、前記システムが、２つの動作モードを有する直流（ＤＣ）－ＤＣ電圧コンバータを含み、
前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータが、
第１の動作モードにおいて、交流（ＡＣ）－ＤＣコンバータからの第１のＤＣ電圧を、バッテリーを充電するための第１の変換されたＤＣ電圧を生成するために変換し、
第２の動作モードにおいて、前記バッテリーからの第２のＤＣ電圧を、モーターに電気的に結合されたインバータのための第２の変換されたＤＣ電圧に変換し、
前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータの動作モードを指示するための回路要素を制御する、
システム。
【請求項10】
請求項９に記載のシステムであって、前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータ及び前記ＡＣ－ＤＣコンバータが、筐体内に少なくとも部分的に包囲されている、システム。
【請求項11】
請求項１０に記載のシステムであって、前記筐体が冷却メカニズムを含む、システム。
【請求項12】
請求項１１に記載のシステムであって、前記冷却メカニズムが、前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータ及び前記ＡＣ－ＤＣコンバータの動作温度を少なくとも部分的に低減する、システム。
【請求項13】
請求項１１に記載のシステムであって、前記筐体が少なくとも部分的に前記インバータを包囲し、前記冷却メカニズムが、前記インバータの動作温度を少なくとも部分的に低減する、システム。
【請求項14】
請求項９に記載のシステムであって、前記第１及び第２の動作モードがノンオーバーラップ動作モードであり、制御する回路要素が、前記第１の動作モードと第２の動作モードの間の切り替えを指示する、システム。
【請求項15】
請求項９に記載のシステムであって、前記第２の変換されたＤＣ電圧を前記第２の変換されたＤＣ電圧とは異なる第３の電圧に変換するための第２のＤＣ－ＤＣ電圧コンバータをさらに含む、システム。
【請求項16】
請求項９に記載のシステムであって、前記ＡＣ‐ＤＣコンバータが前記インバータを含む、システム。
【請求項17】
バスの電力レギュレーションのための方法であって、バッテリーを充電するための第１の変換されたＤＣ電圧を生成するために、第１の動作モードにおける直流（ＤＣ）－ＤＣ電圧コンバータによって、ＡＣ－ＤＣコンバータからのレギュレートされた電圧で第１のＤＣ電圧を変換すること、
第２の動作モードにおけるＤＣ－ＤＣ電圧コンバータによって、前記バッテリーからの第２のＤＣ電圧を変換すること、
を含み、
前記第２のＤＣ電圧が、モーターに電気的に結合されたインバータのために前記レギュレートされた電圧で第２の変換されたＤＣ電圧を生成するための可変電圧を有する、
方法。
【請求項18】
請求項１７に記載の方法であって、さらに、第２の動作モードにおける前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータによって、前記第２の変換されたＤＣ電圧を前記レギュレートされた電圧とは異なる第３のＤＣ電圧に変換するために、第２のＤＣ－ＤＣ電圧コンバータのために前記第２の変換されたＤＣ電圧を生成すること、
を含む、方法。
【請求項19】
請求項１７に記載の方法であって、前記ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ及びＡＣ‐ＤＣコンバータを筐体内に少なくとも部分的に包囲することをさらに含む、方法。
【請求項20】
請求項１９に記載の方法であって、前記ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータ及び前記ＡＣ－ＤＣコンバータの動作温度を低減するために、冷却メカニズムを用いて前記筐体を冷却することをさらに含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）及び電気自動車（ＥＶ）は、内燃機関推進車両と比較して、燃料コストの低減と車両排出の低減を提供するので人気が高まっている。ＨＥＶ／ＥＶは、一つ又は複数の電気モーターを駆動する一つ又は複数のバッテリーを使用して給電される。ＨＥＶは、内燃機関と併せて使用されるモーター及びバッテリーによって駆動され得る。ＥＶは純粋にモーターとバッテリーによって駆動される。
【0002】
ＨＥＶ及びＥＶはいずれも大量の電気を消費し、この電気は概して一つ又は複数のバッテリーに蓄えられる。これらのバッテリーは、電気生成器として作用するモーターを用いた再生の組み合わせを用いて、又は車両が使用されていないときは、電気充電器及び外部電源によって充電され得る。電気充電器は車載及びオフボード形態とし得る。オフボード充電は概して、家庭又は壁面充電器など、充電ステーション又は他の機器を利用する充電システムを指す。これらのシステムは、車自体に内蔵された充電器を利用する他の車載充電システムに比べて、高電圧で高速の充電が可能である。柔軟性及び利便性を向上させるために、より高い容量の車載充電器が、より高い充電速度を提供することがますます増えている。
【発明の概要】
【0003】
本明細書は、概してＨＥＶ／ＥＶの分野に関し、より詳細には、電力レギュレーションのためのデバイスに関する。例示のデバイスは、交流（ＡＣ）‐ＤＣ電圧コンバータからの第１の直流（ＤＣ）電圧を変換して、バッテリーを充電するために第１の変換されたＤＣ電圧を生成するように構成可能なＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータを含む。このデバイスはさらに、バッテリーからの第２のＤＣ電圧を、インバータのための第２の変換されたＤＣ電圧に変換し、インバータはＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータの動作モードを指示するための制御回路要素と共に、モーターに電気的に結合される。
【0004】
本明細書の別の態様は、電力レギュレーションのためのシステムに関する。このシステムは２つの動作モードを有する直流（ＤＣ）‐ＤＣ電圧コンバータを含み、第１の動作モードにおいて、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータは交流（ＡＣ）‐ＤＣコンバータからの第１のＤＣ電圧を変換して、第１の変換されたＤＣ電圧を生成し、バッテリーを充電する。ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータは、第２の動作モードにおいて、モーターに電気的に結合されるインバータのためにバッテリーからの第２のＤＣ電圧を第２の変換されたＤＣ電圧に変換する。このシステムは、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータの動作モードを指示するための制御回路要素をさらに含む。
【0005】
本明細書の別の態様は、バスの電力レギュレーションのための方法に関する。この方法は、第１の動作モードにおける直流（ＤＣ）‐ＤＣ電圧コンバータによって、ＡＣ‐ＤＣコンバータからのレギュレートされた電圧における第１のＤＣ電圧を変換して、バッテリーを充電するための第１の変換されたＤＣ電圧を生成することを含む。この方法はさらに、第２の動作モードにおけるＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータによって、バッテリーからの第２のＤＣ電圧を変換することを含み、第２のＤＣ電圧は可変電圧を有し、モーターに電気的に結合されるインバータに対して、レギュレートされた電圧において第２の変換されたＤＣ電圧を生成する。
【0006】
種々の例の詳細な説明のため、ここで、添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】車両パワートレインを図示するアーキテクチャ図である。
【図2】車両パワートレインを図示するアーキテクチャ図である。
【図3】車両パワートレインを図示するアーキテクチャ図である。
【図4】車両パワートレインを図示するアーキテクチャ図である。
【0008】
【図5】力率補正回路の回路図である。
【0009】
【図6】車両パワートレインの少なくとも一部を図示するアーキテクチャ図である。
【0010】
【図7】ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ回路の一例を図示する回路図である。
【0011】
【図8】バスの電力レギュレーションのための手法を図示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
ＨＥＶ／ＥＶ車両のためのパワートレインは概して、一つ又は複数のバッテリーパック（以下、バッテリーと呼ぶ）を含む。バッテリーは、車両に内蔵されている車載充電器（ＯＢＣ）を使って充電することができる。ＯＢＣの１つの機能は、パワーグリッドから受け取った電力を交流（ＡＣ）形態から直流（ＤＣ）形態に変換し、ＤＣ電力を供給してバッテリーを充電することである。例えば、ＯＢＣを壁面コンセントに差し込み、公益事業パワーグリッドから電力を引き出して車両バッテリーを充電することができる。ＯＢＣは、壁面ソケットから１２０ＶＡＣ、２４０ＶＡＣ、４８０ＶＡＣなどの入力ＡＣ電圧を受け取り、第１のＤＣ電圧で出力ＤＣ電圧を生成するＡＣ‐ＤＣコンバータ（整流器としても知られる）を含み得る。特定の場合には、この第１のＤＣ電圧が、バッテリーを充電するのに適していないか又は効率的でないことがあり、ＯＢＣは、第１のＤＣ電圧を、バッテリーを充電するのにより適している第２のＤＣ電圧に変換するＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータを含む第２段を含み得る。
【0013】
或る場合において、ＯＢＣで用いられるＤＣ‐ＤＣコンバータ及びＡＣ‐ＤＣコンバータは、双方向動作に対応している。例えば、Ｖ２Ｇ（Vehicle to Grid）動作は、パワーグリッドが、パワーグリッドをサポートするためにＨＥＶ／ＥＶ車両の充電されたバッテリーから電力を引き出すことを可能にし得る。そのような場合、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータは、バッテリーから電力を引き出し、バッテリーの第１のＤＣ電圧を、ＡＣ‐ＤＣコンバータが扱い得る第２のＤＣ電圧に変換するように構成され得る。次に、ＡＣ‐ＤＣコンバータは、第２のＤＣ電圧をＡＣに変換して、グリッドに送り返す。
【0014】
また、パワートレインは、バッテリーからのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するトラクションインバータを含み得る。トラクションインバータは、このＡＣ電圧を一つ又は複数の電気モーターに供給して車両を駆動する。概して、バッテリーが提供する電圧は、バッテリーが放電するにつれて変化する。トラクションインバータは、この電圧変化を考慮に入れることができ、バッテリーが提供し得る広い電圧範囲のＤＣ電圧入力を扱うように設計される。広い入力電圧範囲を扱うことができるため、レギュレートされた入力電圧を有するインバータと比較して、トラクションインバータがＤＣ‐ＡＣ変換においてより効率的でなくなる。例えば、レギュレートされた入力電圧のために設計されたインバータは、レギュレートされた電圧で最も効率的に動作するように選択された設計又は構成要素を利用することができる。本明細書に記載されるように、レギュレートされた又は固定された電圧への言及は、レギュレートされた電圧を提供するコンバータの設計公差内の一定の電圧を指す。
【0015】
また、車載コンピュータ、調節可能懸架システム、娯楽システムなどの他のデバイスが、バッテリーによって提供される電気を利用し得る。これらのデバイスは、他のＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータによって駆動される別個の電気バス（１２ｖ又は４８ｖバスなど）上の変化するバッテリー電圧から隔離され得る。このようなＤＣ‐ＤＣ間電圧コンバータはまた、変化するバッテリー電圧を扱うように設計され得、特定の入力電圧をとるように設計されたコンバータよりも潜在的に効率的ではない。
【0016】
図１は、本明細書の態様に従った、車両パワートレイン１００の少なくとも一部を図示するアーキテクチャ図である。例示の車両パワートレイン１００では、ＯＢＣ１０２が充電動作モードで、局所パワーグリッドなどのＡＣ電源１０４に結合されている。ある場合には、ＯＢＣ１０２は、２段充電器であり、ＯＢＣ筐体１０９内にＡＣ‐ＤＣコンバータ１０６と充電器ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１０８とを含む。ＡＣ‐ＤＣコンバータ１０６は、ＡＣ電源１０４からのＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧に変換し、この第１のＤＣ電圧を導体１１１を介して充電器ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１０８に供給して、レギュレートされた電圧でＤＣ電圧を生成し、可変ＤＣバス１１２を駆動する。ある場合には、ＯＢＣ１０２は、ヒートシンク、ファン、冷却ラインなどの冷却メカニズム１１０を含み得る。冷却メカニズム１１０は、ＯＢＣ筐体１０９に少なくとも部分的に組み込まれてもよく、使用される厳密なメカニズムは、パッケージング制約、ＯＢＣ１０２の効率、又は他の要因などのいくつかの要因の関数であり得る。冷却メカニズムは、ＡＣ‐ＤＣコンバータ１０６及び充電器のＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１０８のいずれか又は両方の動作温度を低減するように構成することができる。ＯＢＣ１０２によって与えられるＤＣ電圧は、可変ＤＣバス１１２に通電し、可変ＤＣバス１１２に結合されたバッテリー１１４を充電する。
【0017】
場合によっては、ＯＢＣ１０２は複数のモードで動作する。例えば、ＯＢＣ１０２の制御回路１１６が、ＡＣ電源１０４がプラグインされるか又はその他の方式で利用可能になるときを検出し、ＯＢＣ１０２を充電動作モードに切り替えることによって応答する。ＡＣ電力表示信号１０５が図１で示されている。ＡＣ電力表示信号１０５は、ＯＢＣ１０２がＡＣ電源１０４に接続されているかどうかを制御回路１１６に示す。また、制御回路１１６は、例えばパワーグリッドから、指示を受け取り、パワーグリッドに電力を供給し得る。次に、ＯＢＣ１０２の制御回路１１６は、ＯＢＣ１０２をＶ２Ｇ動作モードに切り替えて、場合によってはＡＣ電源１０４を介して電力をパワーグリッドに戻すことができる。概して、制御回路１１６は、ＡＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１０６からのＤＣ電圧を可変ＤＣバス１１２のための電圧に、又はその逆に変換するように、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１０８を構成する。制御回路１１６は、プログラマブルプロセッサ、有限状態機械、又は他の適切なタイプの回路として実装され得る。ＡＣ電源１０４がプラグ接続されていないか、又は利用可能でない場合、制御回路１１６は、ＯＢＣ１０２を駆動動作モードに切り換えることができる。概して、充電及びＶ２Ｇ動作モードは重複しない。
【0018】
駆動動作モードでは、バッテリー１１４は、可変ＤＣバス１１２を通電し、それによって、トラクションインバータ１１８、及び一つ又は複数のボディ電子機器１２０に電力を供給する。図１の例において、ボディ電子機器１２０が、可変ＤＣバス１１２よりも低い電圧で動作し得るボディ電子機器バス１２４に結合され、そこから電力を受け取る。一例として、娯楽システム又は電力調節可能な座席が、ＨＥＶ／ＥＶバッテリーによって提供されるより高い電圧ではなく、１２Ｖ又は４８Ｖで動作し得る。一つ又は複数のボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１２２が、可変ＤＣ電圧のＤＣバス１１２を、対応するボディ電子機器バス１２４上のボディ電子機器１２０に適した別のＤＣ電圧に変換する。例えば、異なる車両電子機器が、異なるＤＣ電圧で動作してもよく、又は、電圧変動、ノイズなどにより敏感であってもよく、必要に応じて、別個の電気バス上のこれらの構成要素を隔離するように、付加的なボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ（図示せず）が可変ＤＣバス１１２に取り付けられ得る。
【0019】
駆動動作モードでは、トラクションインバータ１１８はまた、可変ＤＣバス１１２から電力を引き出して、一つ又は複数のトラクションモーター１２６を駆動する。トラクションインバータ１１８は、第２段のＤＣ‐ＡＣインバータ１３０に結合された第１段のＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１２８を用いて、２段階でＤＣをＡＣに変換する。バッテリー１１４の容量が引き下げられると、可変ＤＣバス１１２の両端の電圧が変化することがある。ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１２８は、可変ＤＣバス１１２の可変ＤＣ電圧をレギュレートされたＤＣ電圧に変換し、この電圧を導体１３１を介してＤＣ‐ＡＣインバータ１３０に供給する。ＤＣ‐ＡＣインバータ１３０は、このレギュレートされたＤＣ電圧をＡＣに変換してトラクションモーター１２６を駆動する。
【0020】
場合によっては、ＤＣ‐ＡＣトラクションインバータ１１８とカスケード接続されたＤＣ‐ＤＣの２段変換は、単一段インバータよりもモーター駆動に対して効率的である。何故ならば、可変ＤＣ電圧を所望のＤＣ電圧に変換することはかなり効率的であり、場合によっては、９８％より効率的であるからである。次いで、ＤＣ‐ＡＣインバータ１３０は、例えば、弱め界磁制御Ｉｎモーター駆動を必要とせずに高速作動のためにモーターをより効率的に駆動するために、そのスイッチング損失を低減させるインバータ制御においてスイッチング方式を最適化させることによって、所望のＤＣ電圧での効率のために最適化され得る。ＤＣ‐ＡＣインバータ１３０を最適化することによって実現される増加した効率は、ＤＣ‐ＤＣ変換段からの損失を上回り、ＤＣからＡＣへの２段変換を用いることによって、比較的大きな入力のＤＣ電圧範囲が与えられた単一段のＤＣからＡＣへの変換と比較して、損失が低減する。
【0021】
この例のトラクションインバータ１１８は、ヒートシンク、ファン、冷却ラインなどのインバータ冷却メカニズム１３２も含む。また、インバータ冷却メカニズム１３２は、トラクションインバータ１１８筐体内に少なくとも部分的に組み込まれてもよく、インバータＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１２８及びＤＣ‐ＡＣインバータ１３０のいずれか又は両方の動作温度を低減するように構成され得る。インバータ冷却メカニズムは、冷却メカニズム１１０に類似し得る。ＯＢＣ１０９及びトラクションインバータ１１８が代替モードで作動することが観察され得る。ＯＢＣ１０９がアクティブモードで作動しているとき、トラクションインバータ１１９はアイドルモードにあり得、逆も同様である。
【0022】
図２は、車両パワートレイン２００の少なくとも一部の別の例である。トラクションインバータにＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータを追加すると、効率は向上するが、場合によってトラクションインバータの寸法と冷却要件が増大する。これらの制約に対処するのを助けるために、ＯＢＣからのＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータを利用して、トラクションインバータのためのレギュレートされたＤＣ電圧を提供することができる。一般に、車両は概してプラグイン及びチャージ中に駆動されないので、充電器ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータは、パワーグリッドへの及びパワーグリッドからの電力を一度に変換することはない。従って、トラクションインバータのためのレギュレートされたＤＣ電圧を提供するために充電器ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータを用いることがバッテリーの充電を妨害する可能性は少ない。
【0023】
例示の車両パワートレイン２００では、ＯＢＣ２０２が、充電モードで、局所パワーグリッドなどのＡＣ電源２０４に結合されている。この例では、ＯＢＣ２０２は、２段充電器であり、ＯＢＣ筐体２０９内にＡＣ‐ＤＣコンバータ２０６及びＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８を含む。充電の間、ＡＣ‐ＤＣコンバータ２０６は、ＡＣ電源２０４からのＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧に変換し、この第１のＤＣ電圧をレギュレートされたＤＣバス２２２を介してＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８に供給する。ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８は、第２のＤＣ電圧を生成して、可変ＤＣバス２１４を駆動し、可変ＤＣバス２１４に結合されたバッテリー２１０を充電する。ＯＢＣ２０２は、ＯＢＣ筐体２０９に少なくとも部分的に組み込まれ得る冷却メカニズム２１２を含み得る。冷却メカニズム２１２は、図１の冷却メカニズム１１０と関連して上記でより詳細に記載されている。
【0024】
充電動作モードから駆動動作モードに切り替えるために、ＯＢＣ１０２の制御回路２１６は、ＡＣ電源１０４がプラグ接続されていないことを判定し得、例えば、車両制御コンピュータ（図示せず）から駆動動作モードに切り替える指示を受信し、又はＡＣ電源が利用できないことを検出し得る。例えば、ＡＣ電力表示信号２１７が、ＯＢＣ２０２がＡＣ電源２０４に接続されていないことを制御回路２１６に示す。制御回路２１６は、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８を駆動動作モードに切り替え、ＡＣ‐ＤＣコンバータ２０６からではなく、バッテリー２１０からの入力電力を受け取ることができる。再生動作の間、制御回路２１６は、充電動作モードに切り替えるための指示を受け取り、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８を切り替えて、トラクションインバータ２２０のＤＣ‐ＡＣインバータ２１８からの電圧を変換し、可変ＤＣバス２１４を介してバッテリー２１０を充電するための電力を供給することができる。或る場合において、ＤＣ‐ＡＣインバータが、再生動作の間、レギュレートされたＤＣ電圧でＤＣ電圧を生成するように構成され得る。制御回路２１６はＯＢＣ筐体２０９の外に示されているが、制御回路２１６はＯＢＣ筐体２０９内又は上に配置することもできる。
【0025】
ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８は、可変ＤＣバス２１４のバッテリー２１０によって提供される可変ＤＣ電圧を、レギュレートされたＤＣバス２２２のためのレギュレートされたＤＣ電圧に変換する。トラクションインバータ２２０のＤＣ‐ＡＣインバータ２１８は、レギュレートされたＤＣ電圧でレギュレートされたＤＣバス２２２から電力を受け取り、このレギュレートされたＤＣ電圧をＡＣに変換してトラクションモーター２２４を駆動する。トラクションインバータ２２０はまた、トラクションインバータ筐体２２８に少なくとも部分的に組み込まれ得るインバータ冷却メカニズム２２６を含み得る。
【0026】
１つ又は複数のボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２３２が、可変ＤＣバス２１４のＤＣ電圧を、１つ又は複数のボディ電子機器２３０に適した別のＤＣ電圧に変換する。図３に示されるように、場合によっては、１つ又は複数のレギュレートされたボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ３０２が、レギュレートされたＤＣバス３０４から電力を引き出し、レギュレートされたＤＣ電圧を、１つ又は複数のボディ電子機器３０６に適した別のＤＣ電圧に変換する。レギュレートされたボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ３０２は、レギュレートされたＤＣ電圧から引き出すので、レギュレートされたボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ３０２は、レギュレートされたＤＣ電圧での効率のために設計最適化され得、車両の全体的な効率をさらに高めるのに役立つ。場合によっては、一つ又は複数のボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ３０８も、一つ又は複数のボディ電子機器３１６のための可変ＤＣバス３１０から引き出す。制御回路３１２は、例えば、ＡＣ電源インジケータ又は別のインジケータに基づいて、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ３１４のために動作モードを切り替えることができる。
【0027】
ある実施例では、ＯＢＣ２０２は、ＯＢＣ筐体２０９内のＡＣ‐ＤＣコンバータ２０６と、トラクションインバータ筐体２２８内のトラクションインバータ２２０内に組み込まれたＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８とを含む。制御回路２１６は、そのような実施例において、トラクションインバータ２２０に組み込まれたＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ２０８に結合されている。
【0028】
図４は、本明細書の態様に従った、車両パワートレイン４００の少なくとも一部の別の例である。この例では、ＯＢＣとトラクションインバータは、これらの構成要素によって使われる物理的空間を減らし、潜在的には冷却メカニズムの数を減らすのを助けるために、共通の筐体内で結合されたユニットとして一緒にパッケージされる。
【0029】
車両パワートレイン４００において、充電動作モードにある間、組み合わせユニット４０２がＡＣ電源４０４に結合され得る。組み合わせユニットは、ＡＣ電源４０４からのＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧に変換するためのＡＣ‐ＤＣコンバータ４０６を含み、この第１のＤＣ電流をレギュレートされたＤＣバス４０８を介して供給する。場合によっては、この第１のＤＣ電圧は、レギュレートされたＤＣバス４０８のレギュレートされた電圧である。組み合わせユニット筐体４１７内のＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ４１０が、この第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換し、この第２のＤＣ電圧を可変のＤＣバス４１２に供給してバッテリー４１４を充電する。ＤＣ‐ＡＣインバータ４１６が、組み合わせユニット筐体４１７内に少なくとも部分的に封入され得る。冷却メカニズム４１８が、組み合わせユニット筐体４１７に少なくとも部分的に組み込まれ、ＡＣ‐ＤＣコンバータ４０６、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ４１０、及びＤＣ‐ＡＣインバータ４１６のうちの一つ又は複数のものの動作温度を低減するように構成される。
【0030】
制御回路４２０が、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ４１０を充電動作モードから駆動動作モードに切り替える。駆動動作モードにおいて、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ４１０は、可変ＤＣバス４１２を介して、ＡＣ‐ＤＣコンバータ４０６からではなく、バッテリー４１４から電力を引き出す。ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ４１０は、可変ＤＣ電圧をレギュレートされたＤＣ電圧に変換し、レギュレートされたＤＣ電圧をレギュレートされたＤＣバス４０８に供給する。ＤＣ‐ＡＣインバータ４１６は、レギュレートされたＤＣ電圧を、レギュレートされたＤＣバス４０８から、トラクションモーター４２２を駆動するためにＡＣに変換する。制御回路４２０は組み合わせユニット筐体４１７の外に示されているが、制御回路４２０は、組み合わせユニット筐体４１７内に配置されてもよい。
【0031】
一つ又は複数のボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ４２４が、可変ＤＣバス４１２から可変ＤＣバス４１２のＤＣ電圧を引き出して、特定のボディ電子機器に適した別のＤＣ電圧（図示せず）に変換する。一つ又は複数のレギュレートされたボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ４２６が、レギュレートされたＤＣバス４０８から電力を引き出し、レギュレートされたＤＣ電圧を一つ又は複数のボディ電子機器（図示せず）に適した別のＤＣ電圧に変換する。
【0032】
図５は、本明細書の態様に従った、例示の力率訂正回路５００の回路図である。概して、ＡＣ‐ＤＣコンバータ５０２が、（この例で示されるような）インダクタ、インダクタコンデンサ、又はインダクタコンデンサインダクタなどの幾つかの受動構成要素５０４、ならびにＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８を含む。受動構成要素は、ＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８に接続して、完全なＡＣ‐ＤＣコンバータを形成する。例えば、それぞれ、図１、図２、及び図４のＡＣ‐ＤＣコンバータ１０６、２０６、及び４０６が、受動構成要素５０４及びＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８を含む。この例では、ＡＣ電源５０６からの３つの異なった電圧を受動構成要素５０４に接続して、（図示のように）３つの位相力率改善回路（ＰＦＣ：power factor correction）を形成し得る。場合によっては、２つの位相が受動構成要素を含み得、１つの位相は、単一の位相のＰＦＣ（図示せず）のための受動構成要素を有さないことがある。他の場合において、単一位相及び３位相のＰＦＣ（図示せず）の両方をサポートするためにマルチプレクサバージョンが提供され得る。ＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８及び受動構成要素５０４は、協働して、レギュレートされたバスをＡＣ‐ＤＣコンバータ５１０の出力で生成する。場合によっては、３つの位相インバータのためのＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８が、３つのハーフブリッジ５１２を含む。ハーフブリッジ５１２は、各位相を介する電流をレギュレートするために、制御回路要素（図示せず）によって制御される。この制御は、ハーフブリッジ５１２のパワーデバイスをオン及びオフにすることによって達成される。デューティサイクルレギュレーションが使用されてもよく、その場合、ＰＦＣのためのＡＣ‐ＤＣモードのコンバータであるＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８がブースト回路として振る舞う。モーター制御のためにＤＣ‐ＡＣモードで動作する場合、ＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８は降圧回路として振舞う。この例では、２レベル３位相インバータ構造がＡＣ‐ＤＣブリッジ構造５０８に示されているが、２レベル３位相インバータ構造は、３レベル又は別のインバータ構造で置き換えることができる。
【0033】
図６は、本明細書の態様に従った、車両パワートレイン６００の少なくとも一部を図示するアーキテクチャ図である。この例では、ＯＢＣの機能及びトラクションインバータは、組み合わせユニット６０２に一体化され、それは組み合わされた筐体６０４内に少なくとも部分的に含まれる。
【0034】
車両パワートレイン６００において、充電動作モードにある間、組み合わせユニット６０２はＡＣ電源６０６に結合され得る。組み合わせユニット６０２は、ＡＣ‐ＤＣ段に必要な受動構成要素６０８と、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素（関連するブリッジ構造、感知電子機器、及び制御回路要素を含む）６１０と、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６１４とを含み得る。ＡＣ電源６０６からのＡＣ電圧は、受動構成要素６０８に接続され、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０に供給されて、ＡＣ電源６０６からのＡＣ電圧を第１のＤＣ電圧に変換する。図４に示されるものと同様の方式で、第１のＤＣ電圧は、ＤＣレギュレートされたバス６１２を介してＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６１４に供給されて、可変ＤＣバス６１８を介してバッテリー６１６を充電する。スイッチ６２０が、トラクションモーター６２２と、受動構成要素６０８の接続点と、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０との間に結合され得る。この場合、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０は、動作モードに応じて、トラクション駆動と同様に能動ＰＦＣとして動作し得る３つの位相ハーフブリッジインバータを含み得る。充電の間、スイッチ６２０は開いており、トラクションモーター６２２は給電されない。単一のスイッチ６２０が示されているが、スイッチ６２０はモーターに結合された位相ラインごとに１つずつ、３つのスイッチを含み得る。受動構成要素６０８、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０、及びＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６１４は、組み合わされた筐体６０４内に少なくとも部分的に包囲され得る。冷却メカニズム６２４が、組み合わされた筐体６０４に少なくとも部分的に組み込まれ、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６１４、及び受動構成要素６０８のうちの１つ又は複数のものの動作温度を低減するように構成される。
【0035】
制御回路６２６が、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６１４及びＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０を充電動作モードから駆動動作モードに切り替える。制御回路６２６は組み合わされた筐体６０４の外に示されているが、制御回路６２６は、組み合わされた筐体６０４内に配置されてもよい。
【0036】
駆動動作モードでは、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６１４は、可変ＤＣバス６１８を介して、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０からではなく、バッテリー６１６から電力を引き出す。ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６１４は、可変ＤＣ電圧をレギュレートされたＤＣ電圧に変換し、レギュレートされたＤＣ電圧をレギュレートされたＤＣバス６１２に供給する。特定の実施例ではあるが、バッテリー電圧は、可変ＤＣバス６１８を介してＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０によって直接使用され得る。ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０は、駆動動作モードにおいて、レギュレートされたＤＣ電圧を、レギュレートされたＤＣバス６１２から、トラクションモーター６２２を駆動するためにＡＣに変換する。充電動作モード以外の動作モードにあるとき、受動構成要素６０８は開回路であり、ＡＣ‐ＤＣコンバータ構成要素６１０又はトラクションモーター６２２からの電力の影響を受けない。
【0037】
１つ又は複数のボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６２８は、可変ＤＣバス６１８のＤＣ電圧を特定のボディ電子機器に適した別のＤＣ電圧（図示せず）に変換するために、可変ＤＣバス６１８から引き出す。一つ又は複数のレギュレートされたボディＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ６３０は、レギュレートされたＤＣバス６１２から電力を引き出し、レギュレートされたＤＣ電圧を、一つ又は複数のボディ電子機器（図示せず）に適した別のＤＣ電圧に変換する。
【0038】
図７は、上述した例で使用可能な（例えば、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ１０８、２０８、３１４、及び４１０のための）ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ７００回路の回路例である。ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ７００は、双方向電圧コンバータであり、制御回路（制御回路１１６、２１６、３１２、４２０、及び６１４）によって制御される。第１のモードにおいて、第１の電圧ノード７１０からの入力電力を受け取り、電力を第２の電圧ノード７２０に出力変換するように、対応する制御回路が双方向ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ７００を構成する。第２のモードにおいて、制御回路は、第２の電圧ノード７２０からの入力電力を受け取り、変換された電力を第１の電圧ノード７１０に出力するように、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ７００を構成する。
【0039】
引き続き図７を参照すると、双方向ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータ７００は、トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７、及びＭ８、インダクタＬＩ、及び変圧器ＴＲ１を含む。こういったトランジスタは、ｎチャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＮＭＯＳ）として実装されるが、他の実装において、ｐチャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＰＭＯＳ）として、又はさらに他の実装において、バイポーラ接合トランジスタとして実装することもできる。各トランジスタＭ１～Ｍ６は、動作モードに応じてそれぞれのトランジスタをオン又はオフにするように、対応する制御回路によって制御される制御入力（例えば、ゲート）を含む。Ｍｌ、Ｍ２、Ｍ３、及びＭ４は第１のフルブリッジを形成し、第２のフルブリッジのためにＭ５、Ｍ６、Ｍ７、及びＭ８を形成する。Ｍ１～Ｍ８のデューティサイクル制御と位相制御の両方を用いて、電力の流れを制御し、レギュレートする。
【0040】
図８は、本明細書の態様に従って、バスの電力レギュレーションのための手法８００を図示するフローチャートである。ブロック８０２において、第１の動作モードのＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータが、ＡＣ‐ＤＣコンバータからのレギュレートされた電圧で第１のＤＣ電圧を変換し、第１の変換されたＤＣ電圧を生成して、１つ又は複数のバッテリーを充電する。ブロック８０４において、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータは、第２の動作モードにあり、バッテリーからの第２のＤＣ電圧を変換して、モーターに電気的に結合されたインバータについて、レギュレートされた電圧で第２の変換されたＤＣ電圧を生成する。第２のＤＣ電圧は、バッテリーの充電レベルに基づいて変化し得る可変電圧を有する。ブロック８０６において、ＤＣ‐ＤＣ電圧コンバータは、第２の動作モードにあり、第２のＤＣ－ＤＣ電圧コンバータのための第２の変換されたＤＣ電圧を生成して、第２の変換されたＤＣ電圧を、レギュレートされた電圧とは異なる第３のＤＣ電圧に変換する。
【0041】
本明細書では、「結合する」という用語は、間接的又は直接的な有線又は無線接続のいずれかを意味する。したがって、第１のデバイスが第２のデバイスに結合する場合、その接続は、直接的接続を介するものか、又は他のデバイス及び接続を介した間接的接続を介するものであり得る。「に基づく」という記載は、「少なくとも部分的に～に基づく」ことを意味する。したがって、ＸがＹに基づく場合、ＸはＹ及び任意の数の他の要因の関数であり得る。
【0042】
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】