(57)【要約】  単相ネットワークに基づき、バッテリ（１３）の充電、特に自動車両のバッテリの充電を制御する方法であって、入力電圧（Ｖｅ）がフィルタ処理され、ネットワークの電力は、インダクタ素子（Ｌｄ）を介して相互連結された降圧段（３）及び昇圧段（４）を介してバッテリに伝達され、前記インダクタ素子を通過する電流の強度（Ｉｄ）は、強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）の関数として制御され、前記強度（Ｉｄ）は継続的に制御可能ではない、方法。この方法によれば、強度設定点は、前記強度設定点が少なくとも第１の値及び第１の値を上回る少なくとも第２の値を有するような方式で策定され、強度設定点は、強度が制御不能である位相の始まりよりも前に、第２の値を有する。【選択図】図１
2015534800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相ネットワークからの、バッテリ（１３）の充電、特に自動車両のバッテリの充電を制御する方法であって、
入力電圧（Ｖｅ）がフィルタ処理されることと、
ネットワークの電力が、インダクタ素子（Ｌｄ）を介して相互連結される、バック段（３）及びブースト段（４）を介してバッテリへ供給されることと、
前記インダクタ素子を通過する強度（Ｉｄ）であって、継続的に制御可能でない前記強度（Ｉｄ）が強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）の関数として監視されることと
を含み、
前記強度設定点は、前記強度設定点が少なくとも第１の値及び第１の値を上回る少なくとも第２の値を有するような方式で算出され、前記強度設定点は、強度が制御不能である位相の始まりよりも前に、第２の値を有することを特徴とする、方法。
【請求項２】
強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）は、前記強度設定点がはじめの２つの値を下回る第３の値を有するよう算出され、前記強度設定点は第２の値から第３の値へと、強度が制御可能でない位相中に移動する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）は、前記強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）が第３の値を有した後に、増加する線形関数に従って第３の値から第１の値へと移動するよう算出される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）は、第２の値から第３の値へと移動するときに強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）が特定の持続期間だけ定値をとるよう算出される、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記定値は第１の値に等しい、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
バック段（３）の入力電流（Ｉｆ）は、バック段（３）の入力電圧（Ｖｃ）と同位相に作成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
バック段の入力電流をバック段の入力電圧と同位相にし、バッテリにより受けられる電力（Ｐｂａｔ）を設定点電力（Ｐｂａｔｒｅｆ）に対して制御するために、バック段（３）のチョッピングデューティサイクル（ａ）を、単相供給ネットワークの電圧（Ｖｅ）の関数として、設定点電力（Ｐｂａｔｒｅｆ）の関数として、及びインダクタ素子（Ｌｄ）を通過する電流の強度（Ｉｄ）の関数として、開ループで制御することにより、バック段（３）の入力電流（Ｉｆ）が調整される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
ブースト段（４）のチョッピングデューティサイクル（ａｓ）を、バック段（３）の出力における電圧（Ｖｋｎ）の関数として、バッテリ（１３）の電圧（Ｖｂａｔ）の関数として、及び、インダクタ素子（Ｌｄ）を通過する電流の強度設定点（Ｉｄｒｅｆ）と強度（Ｉｄ）との間の差の関数として、閉ループで制御することにより、バッテリ（１３）を通過する電流の強度（Ｉｂａｔ）が基準バッテリ強度（Ｉｂａｔｒｅｆ）に対して調整される、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
チョッピングデューティサイクル（ａｓ）が１つの閾値間隔内で値０又は１に等しい場合、比例積分制御装置の積分部は非活動化される、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相供給ネットワークから高圧バッテリを充電するための装置に関し、より詳細には電気駆動自動車両の高圧バッテリを充電するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧バッテリ再充電システムにおいて、ネットワークの電力は２つのコンバータすなわちバック及びブーストを介して、バッテリに連続的に供給される。これら２つのコンバータは、出力電流の及び／又は所望の出力電圧の関数として制御される周波数において一連のスイッチを連続的に開閉することによって、出力端子と入力端子との電圧比を、それぞれ降下させ及び上昇させることを可能にする。
【０００３】
このような再充電システムは例えば、欧州特許出願第ＦＲ２９４３１８８号に開示されており、これは、三相又は単相回路からの車両バッテリの再充電を可能にする、自動車両搭載の再充電システムに関する。再充電回路はさらに、電流の発生又は車両の推進などの他の機能を提供する、電気機械のコイルを組み込んでいる。
【０００４】
供給ネットワークから引かれた電流のチョッピングは、引かれた電流の高周波成分、すなわち通常５０Ｈｚである配電ネットワークの基本波を上回る、高調波を生み出す。
【０００５】
配電器は引かれた電流の高調波に基準を設定するため、このような再充電システムはバックの入力においてＲＬＣ（抵抗‐コイル‐コンデンサ）フィルタも含む。このフィルタはネットワークから引かれた電流と電圧との間で位相シフトを引き起こす。この位相シフトはネットワークを通過するがユーザによって引かれない無効電力を含むため、それを最小化する目的も伴う。
【０００６】
さらに、家庭用供給ネットワークは主として単相供給ネットワークである。したがって、単相供給からバッテリを再充電するための装置を含む車両は、例えば個人のガレージ又は駐車場などの家庭用供給ネットワークから再充電されることができる。
【０００７】
単相供給ネットワークからの再充電には、固有の特徴がある。
【０００８】
トポロジに応じて、入力電流をネットワークの電圧と位相を揃えることが不可能である。さらに、入力正弦波電圧がゼロに近いときシステムは一時的に制御不能となる。さらに、電力フローを継続的に確立するため、非ゼロの電流がバックとブーストとの間の電気機械の蓄電インダクタを流れなければならない。ただしこれは、システムの制御不能性位相（ｐｈａｓｅｓ  ｄｅ  ｎｏｎ  ｃｏｍｍａｎｄａｂｉｌｉｔe，  ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ  ｐｈａｓｅｓ）の間にインダクタを通過する電流の値の問題を起こす。実際、これら位相中にインダクタを通過する電流は特に制御不可能である。
【０００９】
１つのソリューションは、インダクタ内の電流がゼロの値へ下落する時間を有しないよう、高蓄電インダクタを使用することであろう。しかしながらこのソリューションは、インダクタの容量が大きいという点で不利である。
【発明の概要】
【００１０】
上述を考慮し、本発明の目的は、先述した欠点を少なくとも部分的に解決することができる、バッテリ充電方法を提示することである。
【００１１】
本発明の目的は特に、電気機械のインダクタを通過する電流の値がゼロを通過することを防止するための、充電方法を提示することである。
【００１２】
本発明の目的は、充電システムのエネルギー効率を向上させることでもある。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、高い値のインダクタを要求しない充電方法を提示することである。
【００１４】
一態様によれば、単相ネットワークからの、バッテリの充電、特に自動車両のバッテリの充電を制御する方法が提示され、方法では、
入力電圧がフィルタ処理され、
ネットワークの電力が、インダクタ素子を介して相互連結される、バック段及びブースト段を介してバッテリへ供給され、及び、
前記インダクタ素子を通過する強度は強度設定点の関数として監視され、前記強度は継続的に制御可能ではない。
【００１５】
この方法の全体的な特徴によれば、強度設定点は、前記強度設定点が少なくとも第１の値及び第１の値を上回る少なくとも第２の値を有するような方式で算出され、強度設定点は、強度が制御不能である位相の始まりよりも前に、第２の値を有する。
【００１６】
制御不能性位相とも称される、電流が制御不能である位相中は、インダクタ素子を通過する強度は低下することのみができる。したがって、十分に高い第２の設定点値を選択することにより、インダクタ素子を通過する強度が、避けられるべきゼロの値に到達することを防止する。さらに、設定点が制御不能性位相の外で第１の値をとる場合、インダクタ素子を通過する強度の平均値は、例えば第２の値をとる一定の設定点に対し、大きく低下する。したがって再充電エネルギー効率が改善される。
【００１７】
一実施形態によれば、強度設定点は、前記設定点がはじめの２つの値を下回る第３の値を有するよう算出され、設定点は第２から第３の値へと、強度が制御不能である位相中に移動する。
【００１８】
したがってはじめの２つの値を下回る値をとる設定点により、制御不能位相の終端で、インダクタ素子を通過する電流は、この電流の平均値を減少させるより低い値から、同じだけ再度増加する。
【００１９】
一実施形態によれば、第３の値を有した後、強度設定点は増加する線形関数に従って第３から第１の値へと移動するよう、強度設定点は算出される。
【００２０】
したがって制御可能性を回復する間、設定点に従う電流は第１の値に緩やかに到達するために、はじめの２つの値より低い値から始まる。したがって、実際に電流において高調波を生み出す及び／又は設定点インダクタンス強度の超過を引き起こす、電流の唐突すぎる再増加が防止される。
【００２１】
別の実施形態によれば、強度設定点は、第２の値から第３の値へと移動するときに強度設定点が特定の持続期間だけ定値をとるよう、算出される。
【００２２】
制御不能性位相中のこのプラトーの存在によって、設定点がインダクタ素子を通過する電流をさらに低下させることを防止することができる。
【００２３】
この実施形態の特徴によれば、前記定値は第１の値に等しい。
【００２４】
別の実施形態では、バック段の入力電流がバック段の入力電圧と同位相で作成される。
【００２５】
この位相シフトは実際にはネットワークを通過する無効電力を引き起こすが、これはバッテリ充電によって引かれない。したがって、この位相シフトを最小化し無効電力を減らせることは有利である。この位相シフトは例えば、ネットワークから引かれた電流と電圧との間で位相シフトを引き起こすＲＬＣフィルタに起因する。
【００２６】
好ましくは、バック段のチョッピングデューティサイクルを、単相供給ネットワークの電圧の関数として、設定点電力の関数として、及びインダクタ素子を通過する電流の強度の関数として、開ループで制御することにより、バック段の入力電流が調整され、これによりバック段の入力電流をバック段の入力電圧と同位相にし、バッテリにより受けられる電力を設定点電力に対して制御する。
【００２７】
バッテリを通過する電流の強度もまた、ブースト段のチョッピングデューティサイクルを、バック段の出力における電圧の関数として、バッテリの電圧の関数として、及び、インダクタ素子を通過する電流の強度設定点と強度との間の差の関数として、閉ループで制御することにより、基準バッテリ強度に対して調整されることができる。
【００２８】
有利には、比例積分制御装置の積分部は、チョッピングデューティサイクルが１つの閾値間隔内で値０又は１に等しい場合に、非活動化されることができる。
【００２９】
本発明の他の利点及び特徴は、いかなる意味でも限定的ではない本発明の実施形態の詳細なる記載及び下記の添付図面を分析することにより、明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態による再充電装置を示す。
【図２ａ】第１の監視モジュールの、第１の実施形態を示す。
【図２ｂ】第１の監視モジュールの、第２の実施形態を示す。
【図３】第２の監視モジュールの概略図である。
【図４】インダクションコイルを通過する電流のグラフを示す。
【図５】設定点インダクション強度の関数として、インダクションコイルを通過する電流を示す、グラフである。
【図６】設定点インダクション強度の関数として、インダクションコイルを通過する電流を示す、グラフである。
【図７】設定点インダクション強度の関数として、インダクションコイルを通過する電流を示す、グラフである。
【図８】設定点インダクション強度の関数として、インダクションコイルを通過する電流を示す、グラフである。
【図９】再充電システムの変動の比較を設定点の関数として示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、一実施形態による、電気駆動自動車両のバッテリを単相供給ネットワークから充電するための装置を概略的に示す。
【００３２】
再充電装置１は、フィルタ処理段２、フィルタ処理段２に接続されるバック段３、及び、電気機械５を介してバック段３に接続されるブースト段４を含む。
【００３３】
装置１は、三相及び単相供給に接続されることができるため、フィルタ処理段２の入力において接続される３つの端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を含み、これら端子は供給ネットワークへ接続されることができる。単相の再充電においては入力Ｔ１及びＴ２のみが単相供給ネットワークへ接続され、入力電圧Ｖｅ及び入力電流Ｉｅを提供する。
【００３４】
Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３の各入力端子はフィルタ処理段２のフィルタ処理分岐へ接続される。各フィルタ処理分岐は２つの並列分岐を含み、１つは値Ｌ２のインダクタを有し、他方は値Ｌ１のインダクタと値Ｒの抵抗とを直列に有する。
【００３５】
これら２つのフィルタ処理分岐は出力において、各フィルタ処理分岐に対するＤ１、Ｄ２、Ｄ３とそれぞれ称される点において、キャパシタンスＣのコンデンサにそれぞれ接続される。値Ｒの抵抗、値Ｌ１もしくはＬ２のインダクタ、及びキャパシタンスＣのコンデンサは全て、バック３の入力においてＲＬＣフィルタを形成する。
【００３６】
単相の再充電の場合、端子Ｔ３は供給ネットワークに接続されない。端子Ｔ３に接続されるフィルタ処理分岐が使用されないため、本記載の後述では考慮されず、破線で示されている。電気回路の、破線で示される他の要素は、三相の供給ネットワークへの接続に関してのみ使用されるものである。
【００３７】
バック段３は、点Ｄ１及びＤ２によってフィルタ処理段２に接続される。単相供給ネットワークを伴い動作するバック３は、２つの並列分岐６及び７を含み、各分岐は、調整ユニット１５により制御されるスイッチＳ１ｈ及びＳ１ｂ、又は、Ｓ２ｈ及びＳ２ｂを有する。
【００３８】
バックの各入力Ｄ１又はＤ２は、分岐Ｆ１及びＦ２をそれぞれ介して、同じ分岐６及び７各々の２つのスイッチＳ１ｈ及びＳ１ｂ、又は、Ｓ２ｈ及びＳ２ｂの間に位置する、接続点へ接続される。
【００３９】
分岐６及び７の共有端は、バック３の２つの出力端子を形成する。端子のうちの一方は、バッテリ１３の「−」端子に、及びブースト４の第１の入力に接続される。これら端子のうちの他方は、電気機械５の第１の端子に接続され、電気機械の他方の端子はブースト４の第２の入力１１に接続される。
【００４０】
ブースト４は、調整ユニット１５により独立制御される２つのスイッチＳ４及びＳ５を含む。これら２つのスイッチＳ４及びＳ５は、ブースト４の第１の入力１０とバッテリ１３の「＋」端子とを接続する分岐に位置する。電気機械５が接続される、ブースト４の第２の入力１１は、２つのスイッチＳ４及びＳ５の間に接続され、スイッチＳ４は第２の入力１１とバッテリ１３の「＋」端子との間に接続され、スイッチＳ５は第１の入力１０と第２の入力１１との間に接続される。
【００４１】
インダクタンスコイルＬｄと直列に配置される、値Ｒｄの抵抗器と見なされる電気機械５は、バック３の出力端子とブースト４の第２の入力１１との間に接続される。電気機械５が非抵抗性インダクタンスコイルに置き換えられる場合、又は追加のインダクタンスコイルが電気機械５と直列に分岐される場合も、本発明の範囲から逸脱するものではない。
【００４２】
バッテリ１３の端子における電圧を比較的安定して維持するためのコンデンサ１２、及び、バッテリの充電を監視するためのモジュール１９がバッテリ１３の端子に接続され、モジュール１９は設定点値Ｉｂａｔｒｅｆを提供することができ、Ｉｂａｔｒｅｆはバッテリ１３の「＋」端子を介して入力される電流の最適な強度をバッテリの充電レベルの関数として表す。充電監視モジュール１９は設定点値Ｉｂａｔｒｅｆを、専用の接続を介して調整ユニット１５に伝送する。
【００４３】
モジュール１９に任意選択で組み込まれる測定手段はさらに、実際にバッテリに流入する電流の測定された強度を表す値Ｉｂａｔを、及び、バッテリ１３の「−」端子と「＋」端子との間の電圧を表す値Ｖｂａｔを、調整ユニット１５に伝送する。
【００４４】
他の電流強度測定モジュールにより、電気機械５を通過する電流の値Ｉｄの、供給ネットワークのフィルタ処理段２に流入する電流強度の値Ｉｅの、及び、ネットワークの供給入力電圧の値Ｖｅの、測定並びに調整ユニット１５への伝送が可能となる。
【００４５】
調整ユニット１５は、バック段３のチョッピングデューティサイクルａを決定するための第１の監視モジュール１６、及び、ブースト段４のチョッピングデューティサイクルａｓ設定点を決定するための第２の監視モジュール１７を含む。
【００４６】
この目的のため調整ユニット１５は２つのドライバモジュール（図示せず）を含み、第１のモジュールにおいてはバック３のチョッピングデューティサイクルａを得るためにバック３の各スイッチの開閉の時間的パターンを設定し、第２のモジュールにおいてはデューティサイクルａｓを得るためにブースト４の各スイッチＳ４及びＳ５の開閉の時間的パターンを設定する。
【００４７】
好ましくは、スイッチは例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）トランジスタなどの、高速スイッチングが可能なトランジスタである。
【００４８】
デューティサイクルａ及びａｓを評価するために、調整ユニット１５は入力において、ネットワーク供給電圧Ｖｅの値、電気機械５を通過する電流の強度Ｉｄの値、バッテリ１３を通過する電圧Ｖｂａｔの値、バッテリ１３を通過する電流の強度Ｉｂａｔの値、及び、充電監視モジュール１９により提供される基準バッテリ強度Ｉｂａｔｒｅｆの値を受信する。
【００４９】
デューティサイクルａに応じて、調整ユニット１５は、バック段３の各スイッチＳ１ｈ、Ｓ１ｂ、Ｓ２ｈ、及びＳ２ｂの状態を制御する。同様に、デューティサイクルａｓに応じて、調整ユニット１５はブースト段４のスイッチＳ４及び／又はＳ５の状態を制御することができる。
【００５０】
情報としてのみ提供するが、充電装置１の電気的要素の特徴的な値は、以下の値の範囲内にある。
フィルタ２のコンデンサは数百μＦを表し、例えばそれぞれ１００から５００μＦの範囲であり、
バッテリ１３の端子に位置する、端子の電圧を安定化するためのコンデンサ１２は、例えば１から１０ｍＦの範囲のｍＦ域にあり、
フィルタ処理回路２における値Ｒの抵抗器は、例えば１から１０Ωの範囲のオーム域にあり、
電気機械Ｅｍのロータの抵抗器Ｒｄは例えば０．０１Ωから０．１Ωの範囲の約数ダースｍΩであり、
フィルタ処理段２のインダクタに及び電気機械５のコイルにそれぞれ対応する、インダクタＬ１、Ｌ２、Ｌｄは、約数ダースμＨの値、例えば１０μＨから１００μＨの範囲の値を有する。
【００５１】
調整ユニットは、第１の監視モジュール１６及び第２の監視モジュール１７を使用して、下記３つの目的を満たすために、バック３及びブースト４に対するチョッピングデューティサイクルａ、ａｓ設定点値を算出する：
バック段３の入力電流Ｉｆの振幅を監視して、この電流Ｉｆが入力電圧Ｖｅと同位相にあることを確保すること（この監視の意図は、入力電圧の同位相にあるバック段３の入力電流Ｉｆを作成することである）であり、これは供給ネットワークに対して引かれる電力を制御することを意味する。
バッテリ１３の供給要件に対応して、バッテリ１３の「＋」端子を介してＩｂａｔに流入する測定電流を得ることであり、これら要件は充電監視モジュール１９により決定され関数Ｉｂａｔｒｅｆとして調整ユニット１５へ送達される。
電気機械５のインダクションコイルＬｄを通過する電流Ｉｄの、キャンセレーションを防止すること。
【００５２】
フィルタ処理段２に渡る電圧の低下は使用電力範囲に対してごくわずかであるため、入力フィルタの方程式を記載する必要はない。
【００５３】
バック段３の入力における電圧Ｖｃは供給ネットワークの入力電圧Ｖｅに等しいと考慮される。
【００５４】
バック段３の出力電圧Ｖｋｎはａ・Ｖｅに等しい。ａ・Ｖｅに等しく、これは電気機械５を担う分岐の方程式を
2015534800.tif 000003
と表すことができる。
ここでｓはラプラス変数である。
ａはバック段３のチョッピングデューティサイクルであり、ａｓはブースト段４のデューティサイクルである。
【００５５】
バック段３のチョッピングデューティサイクルａはまた、ａ＝Ｉｆ／Ｉｄともすることができ、ここでＩｆはブースト段３における入力電流であり、ブースト段４のチョッピングデューティサイクルａｓはａｓ＝Ｉｂａｔ／Ｉｄと表されることができる。
【００５６】
したがって方程式（１）は
2015534800.tif 000004
又は、
2015534800.tif 000005
とすることもできる。
【００５７】
したがって、方程式３によれば、バック段３の入力電流の強度Ｉｆは、電気機械５を通過する電流Ｉｄを設定点値Ｉｄｒｅｆに対して制御するための制御変数として使用されることができ、ＩｄｒｅｆはインダクタンスコイルＬｄにおける電流のキャンセレーションを防止するよう算出される。
【００５８】
入力電圧Ｖｅがゼロに近いとき、システムは、制御されたシステムであっても制御不能となる。方程式によれば、これら制御不能性の位相中、電気機械５のコイルＬｄにおける電流Ｉｄは、図４に示すように低下することができるのみである。
【００５９】
バック段３の入力電流の強度Ｉｆの値を、電気機械５を通して測定される電流の強度Ｉｄの値で割ることで、定義上、バック段３のチョッピングデューティサイクルａの値が得られる。
【００６０】
供給ネットワークの入力電圧Ｖｅと等しい、バック段３の入力電圧Ｖｃは、Ｖｃ＝Ｖｅ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ）と表される。
【００６１】
制御により、Ｉｆが入力電圧と同位相にあることが確保される。入力電流Ｉｅは、Ｉｅ＝Ｉｆ＋Ｉｃ、すなわち
Ｉｅ＝Ｉｆｍｓｉｎ（ωｔ）＋Ｃ／２Ｖｍｃｏｓ（ωｔ）
により得られる。
【００６２】
したがって電流Ｉｆはネットワークから取られる有効電力の像（ｉｍａｇｅ）である。有効電力はＰａｃｔｉｖｅ＝ＩｆｍＶｍ／２の関係式により得られ、ここで、Ｉｆｍ＝２Ｐａｃｔｉｖｅ／Ｖｍである。
【００６３】
電気機械５のコイルＬｄにおける電流のキャンセレーションを防止するために、入力電流Ｉｅがバック段３の入力電流Ｉｆによって調整され、電気機械５を通過する電流Ｉｄがバック段３の入力電流Ｉｆによって調整される場合には、充電監視モジュール１９により送達される設定点値Ｉｂａｔｒｅｆに対してバッテリに流入する電流Ｉｂａｔを制御することに関連する、調整ユニット１５によって実行される調整の第３の目的が、依然として満たされる必要がある。
【００６４】
この目的のため、チョッピングデューティサイクルａｓは例えば、関係式ａｓ＝Ｉｂａｔｒｅｆ／Ｉｄを順守するようブーストに対し設定されることができる。
【００６５】
方程式（１）により得られる、電気機械５を通る電流のダイナミクスを表す関係式は、ブースト段４のデューティサイクルａｓと電気機械５を通過する電流Ｉｄとを直接リンクする。
【００６６】
したがって、基準値Ｉｄｒｅｆと電気機械５を通過する測定された値Ｉｄとの間の誤差からａｓを直接制御することが可能となる。
【００６７】
図２ａは、第１の監視モジュール１６の、第１の実施形態を概略的に示す。第１の監視モジュールは、バック段３の入力電流Ｉｆの開ループ調整を含む。バック段３の入力電流Ｉｆは、バック３のチョッピングデューティサイクルａを計算することにより調整される。
【００６８】
バック段３のチョッピングデューティサイクルａは設定点電力Ｐｂａｔｒｅｆの関数として決定され、バッテリの電圧Ｖｂａｔから及び設定点バッテリ強度Ｉｂａｔｒｅｆから決定され、単相供給ネットワークの入力電圧Ｖｅから及びインダクションコイルＬｄを通過する電流の強度Ｉｄから決定される。
【００６９】
第１の監視モジュール１６は、第１の入力においてバッテリ強度設定点Ｉｂａｔｒｅｆを受信し、第２の入力においてバッテリの端子で測定される電圧Ｖｂａｔを受信する。バッテリの設定点強度Ｉｂａｔｒｅｆ及びバッテリの電圧Ｖｂａｔは、第１の乗算器２１の入力に送達され、乗算器は次いで設定点電力Ｐｂａｔｒｅｆを出力する。
【００７０】
第３の入力において、監視モジュール１６は供給ネットワークの入力電圧Ｖｅを受信する。モジュール１６は正規化された振幅Ｖｍの信号を抽出するための信号解析器２２を含み、この信号は単相供給ネットワークの入力電圧Ｖｅに比例する。振幅Ｖｍの信号は第１のインバータ２３に送達され、第１のインバータ２３は振幅Ｖｍの逆数を出力する。この振幅の逆数Ｖｍは第２の乗算器２４に送達され、第２の乗算器２４は、Ｐｂａｔｒｅｆ設定点電力も入力において受信する。
【００７１】
次いで第２の乗算器２４は、バック段３の入力電流の振幅Ｉｆｍを第３の乗算器２５へと出力し、第３の乗算器２５は、単相供給ネットワークの入力電圧Ｖｅの位相信号ｓｉｎ（ωｔ）も入力において受信する。
【００７２】
次いで第３の乗算器２５は、バック段３の入力電流Ｉｆを、第２の監視モジュール１７及び第４の乗算器２６の双方へ出力する。モジュール１６は、電気機械５のコイルＬｄを通過する電流の強度の値Ｉｄを、第４の入力において受信する。コイルＬｄを通過する電流の値Ｉｄは第２のインバータ２７へ送達され、第２のインバータ２７は、コイルＬｄを通過する電流の強度Ｉｄの逆数を第４の乗算器２６へ出力する。
【００７３】
次いで第４の乗算器２６は計算Ｉｆ／Ｉｄを実行し、バック段３の入力電流Ｉｆを制御するための、バック段３のチョッピングデューティサイクルの値ａを出力する。
【００７４】
図２ｂは、第１の監視モジュール１６の第２の実施形態を示す。
【００７５】
このモジュール１６では第２の乗算器２４が、バック段３の入力電流Ｉｆの振幅Ｉｆｍを、入力電圧Ｖｅの振幅Ｖｍの関数として及び設定点電力Ｐｂａｔｒｅｆの関数として送達する、マッピング２８に置き換えられている。
【００７６】
図３は、第２の監視モジュール１７の一実施形態を示す。
【００７７】
充電装置１において、バッテリ１３に入る電流Ｉｂａｔの調整は、ブースト段４により制御される。実際、バッテリの電流Ｉｂａｔは関係式Ｉｂａｔ＝ａｓＩｄにより得られる。
【００７８】
したがって、バッテリ１３内の電流Ｉｂａｔを基準値に対して制御するためには、関係式ａｓ＝Ｉｂａｔｒｅｆ／Ｉｄで十分である。
【００７９】
バッテリ電流測定値が得られる場合、補正ループを追加することも可能である。この場合、結果は
2015534800.tif 000006
であり、
ここでαは調節パラメータである。
【００８０】
第２の監視モジュール１７は、電気機械５のインダクションコイルＬｄを通過する電流の強度Ｉｄの閉ループ調整を含む。
【００８１】
第２の監視モジュール１７は、供給ネットワークの入力強度の値Ｉｅを第１の入力において受信する。この強度値Ｉｅは、設定点インダクション強度Ｉｄｒｅｆの値を決定するモジュール３１へ送達される。第２の監視モジュール１７は、電気機械５のコイルＬｄを通過する強度の値Ｉｄを、第２の入力において受信する。強度の値Ｉｄは第１の減算器３２の負の入力に送達され、減算器３２は、設定点インダクション強度の値Ｉｄｒｅｆを正の入力において受信する。
【００８２】
次いで第１の減算器３２は、インダクタンスコイルＬｄを通過する電流の強度Ｉｄと設定点インダクタンス強度Ｉｄｒｅｆとの間の差を、比例積分制御装置３０へ出力する。
【００８３】
比例積分制御装置３０は２つの並列分岐を含み、このうち第１は比例制御モジュールＫｐを含み、第２は積分制御モジュールＫｉと積分モジュールｉとを含む。
【００８４】
第２の監視モジュール１７は、バック段３の入力における電流の強度の値Ｉｆを、第３の入力において受信し、値Ｉｆは第１の監視モジュール１６によって送達される。強度Ｉｆは第１の乗算器３３へ送達され、第１の乗算器３３は、第２の監視モジュール１７の第４の入力において受信される単相ネットワークの入力電圧Ｖｅも、入力において受信する。
【００８５】
したがって第１の乗算器３３は、有効電力の値Ｐａｃｔｉｖｅを出力する。この値Ｐａｃｔｉｖｅは第２の乗算器３４に入力され、第２の乗算器３４は、電流Ｉｄの逆数も入力において受信し、電流Ｉｄは第１のインバータ３５へ予め送達されている。
【００８６】
第２の乗算器３４は計算Ｐａｃｔｉｖｅ／Ｉｄを実行し、バック段３の出力電圧の値Ｖｋｎを出力する。バック段３の電圧Ｖｋｎは第２の減算器３６の正の入力に送達され、第２の減算器３６は、比例積分制御装置３０の出力を負の入力において受信する。
【００８７】
次いで第２の減算器３６は、比例積分制御装置３０により補正された、インダクタンスコイルＬｄを通過する電流の強度Ｉｄと設定点インダクタンス強度Ｉｄｒｅｆとの間の差、並びに、バック段３の出力電圧Ｖｋｎ、の加算を、第３の乗算器３７の入力に出力する。第３の乗算器３７はバッテリ電圧Ｖｂａｔの逆数も入力において受信し、バッテリ電圧Ｖｂａｔは第２の監視モジュール１７の第５の入力において受信され第２のインバータ３８へ予め送達されている。
【００８８】
次いで第３の乗算器３７は、ブースト段４のチョッピングデューティサイクルａｓの設定点値を出力する。
【００８９】
第２の監視モジュール１７は、第３の乗算器３７の出力と比例積分制御装置３０の積分制御モジュールＫｉを含む分岐の入力との間の、フィードバックループも含む。
【００９０】
ブースト段４のチョッピングデューティサイクルａｓの値が１つの閾値内で０又は１に等しい場合、積分制御分岐は非活動化される。
【００９１】
このフィードバックループは、入力電圧Ｖｅがゼロに近いとき装置の制御不能性を克服するのに使用される、暴走防止技術に対応する。実際、制御不能性位相中は制御が飽和となりすなわちスイッチ又はＩＧＢＴトランジスタのデューティサイクルが１にあり、差を減少させることができない。フィードバックループはこのエラーが継続的に含まれること防止するために使用される。したがって、装置が制御可能になると、電気機械５のコイルＬｄを通過する電流Ｉｄは基準値Ｉｄｒｅｆに戻される。
【００９２】
このフィードバックループの使用により、非常に低いインダクタンスを有するコイルＬｄを有するシステムが制御されることもできる。低インダクタンスコイルの使用により、充電器の容量を減らすことができる。
【００９３】
本発明により、外部の単相供給ネットワークとの接続に適した車載充電装置の提供が可能となり、装置は、回路に車両の電気機械のコイルを組み込み、バック及びブーストは、単相供給ネットワークから引かれる電流と電圧との間の減少された位相シフトを維持するよう、調整されることができる。
【００９４】
図４は、時間を秒で示す水平軸、及び、電流をアンペアで示し電圧をボルトで示す垂直軸をそれぞれ含む、２つの基準点を示す。図示される曲線１及び２は、例えばＩｄｒｅｆ＝１００Ａである定値の設定点又は設定点インダクション強度に対する、インダクタ素子Ｌｄを通過する電流Ｉｄにおけるアンペアでの変動を、及び、電圧Ｖｅにおける変動を、制御不能性位相の関数としてそれぞれ示す。
【００９５】
図４では、電圧Ｖｅの絶対値がゼロ値に近いときに制御不能性位相が存在し、これに従って電流Ｉｄは急速に低下することが見て取れる。周期的な単相入力電圧の場合、制御不能性位相は入力電圧Ｖｅの周波数の２倍周波数を伴い周期的である。
【００９６】
したがって、制御不能性位相は予測及び／又は検知できる。例えば、その値未満で制御不能性位相が検知される、入力電圧Ｖｅの絶対値に対する閾値が決定されることができる。別の実施例によれば、制御不能性位相は周期的に発生するため、第１の制御不能性位相の検知後、次の位相が予測されることができる。
【００９７】
図５は、時間を秒で示す水平軸と電流をアンペアで示す垂直軸とを含む２つの基準点を示す。図示される曲線３及び４は、インダクタンスコンポーネントＬｄを通過する電流Ｉｄのアンペアでの詳細な変動と、図３のモジュール３１により送達される定値Ｉｄｒｅｆ＝１００Ａの設定点とを、それぞれ示す。図示される曲線５は、移動平均後の、電流Ｉｄの値における変動を示す。Ｉｄｒｅｆ＝１００Ａの設定点を伴い、電流Ｉｄは９６．５２Ａから９６．６８Ａの範囲であり、約９６．６Ａの平均値を有することが見て取れる。
【００９８】
次いで、ブースト段４（図１）を使用して、電流Ｉｄをバッテリへ電流Ｉｂａｔの形態で伝送すると想定される。ただし上述のような充電システムでは、７ｋＷの電力で３００Ｖのバッテリを充電するために、電流Ｉｂａｔは２５Ａでなければならない。従来の欧州の２３０ボルトＲＭＳのネットワークにおいて、そのような電力で引かれるネットワーク電流は３０．５ＡＲＭＳすなわち４３Ａ振幅である。したがって、Ｉｄ平均値（９６．６Ａ）は大きく、且つバッテリから引かれる電流の値Ｉｂａｔ及び引かれるネットワーク電流（４３Ａ振幅）からは著しく異なることが見て取れる。この、大きく且つ電流Ｉｂａｔ及びネットワーク電流から異なる値は、後述のようなエネルギー損失を包含する。１つのソリューションは、電流Ｉｄを減少させるため、図３のモジュール３１により送達される設定点値Ｉｄｒｅｆをより低くすることである。
【００９９】
実際にはこのソリューションは可能でなく、これは非ゼロ電流が常にバックとブーストとの間の電気機械のストレージインダクタ内を流れなければならないため、すなわち電流Ｉｄは、制御不能性位相中を含め常に０Ａよりも大きくなければならないためである。上述の充電システム及び約４３Ａの入力電流Ｉｅの振幅を伴い、５５Ａの強度Ｉｄの最小値（この最小値は例えば制御可能性位相中に到達される）を含む設定点Ｉｄｒｅｆは、１２Ａの安全マージンのみを見込む。
【０１００】
図５に示すような一定の設定点Ｉｄｒｅｆ＝１００Ａの使用により、約２０Ａの十分な安全マージン（このマージン値は、入力電流４３Ａの振幅の値を制御不能性位相中の最小値６３．７９Ａから減算することにより得られる、すなわち６３．７９Ａ−４３Ａ＝２０．７９Ａ）が見込まれるが、電流Ｉｄのサイズに起因する、及び電流Ｉｄのサイズとバッテリにより引かれる電流値Ｉｂａｔとの差に起因する、不満足なエネルギー効率を伴う。
【０１０１】
この問題に対するソリューションは図６に示される。図６は、時間を秒で示す水平軸と電流をアンペアで示す垂直軸とを含む２つの基準点を示す。図示される曲線６及び７は、新しい設定点Ｉｄｒｅｆ、及び、この新しい設定点の関数として、インダクタ素子を通過する電流Ｉｄのアンペアでの詳細な変動を、それぞれ示す。
【０１０２】
曲線６によれば、新しい設定点は、約８０Ａの中間閾値に等しい第１の値と約１０５Ａの高閾値に等しい第２の値との、２つの値を取ることが見て取れる。設定点は第１から第２へと急速に増加し、次いで第２の値に到達すると即座に第１の値に低下する。第１から第２の値への増加の持続期間は例えばπ／４ラジアンであり、基準は電圧Ｖｅ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ）の電気角ωｔである。したがって、周期で表される対応する増加持続期間は１／８周期であり、すなわち５０Ｈｚの周波数の場合は（π／４）／（２．π．５０）＝２．５ｍｓである。
【０１０３】
曲線７によれば、曲線６に示す設定点Ｉｄｒｅｆを伴い、制御不能性位相中に電流Ｉｄは約６２．７１Ａの最小値をとることが見て取れる。この値は、Ｉｄｒｅｆ＝１００Ａで固定される一定の設定点を伴って得られる値とほぼ同一である。これは、制御不能性位相の直前に第２の値（１０５Ａ）をとる設定点の結果である。
【０１０４】
さらに、図示された曲線８は、移動平均後の、電流Ｉｄの値における変動（曲線７）を示す。この新しい設定点Ｉｄｒｅｆ（曲線６）を伴い、電流Ｉｄは、８０．８３から８０．９３Ａの範囲であり、約８０．９Ａの平均値を有することが見て取れる。
【０１０５】
したがって、新しい設定点は、平均値は大きく減少しているもののその最小値は同一である、電流Ｉｄをもたらす。したがって図６は、２つの値をとる新しい設定点Ｉｄｒｅｆから成るソリューションを示し、その結果、同一の安全マージンに対応する電流Ｉｄの最小強度を可能にしつつ、電流Ｉｄの平均強度は減少する。したがって、十分な安全マージンを保持しつつエネルギー効率が向上される。より詳細には、平均電流は１６％下落し（９６．６Ａに対し８０．９Ａ）、これにより電気機械５（図１）における抵抗損のみならずデューティサイクルａｓに従うブースト段４（図１）のスイッチングを減らすことができ、強度ＩｄがＩｂａｔを上回ることを維持しつつＩｂａｔにより近いため、効率の向上が可能となる。
【０１０６】
当然ながら、例えば、エネルギー効率と安全性マージンとの向上を得るために、又はエネルギー効率の向上なしに安全性マージンの向上を得るために、高閾値が増加された設定点から成る、他の調節を使用することも可能であろう。
【０１０７】
しかしながら、図６から、制御可能性の回復中に曲線７が設定点を大きく超えることが見て取れる。この問題に対するソリューションは下記の図７に示される。
【０１０８】
図６と同様図７は、時間を秒で示す水平軸と電流をアンペアで示す垂直軸とを含む２つの基準点を示す。図示される曲線９及び１０は、新しい設定点Ｉｄｒｅｆ、及び、この新しい設定点の関数として、インダクタ素子を通過する電流Ｉｄのアンペアでの詳細な変動を、それぞれ示す。さらに、図示された曲線１１は、移動平均後の、電流Ｉｄの値における変動（曲線１０）を示す。
【０１０９】
曲線６上に示される設定点と同様、曲線９の設定点は、約８０Ａの中間閾値に等しい第１の値及び約１０５Ａの高閾値に等しい第２の値をとることが見て取れる。曲線９の設定点と曲線６の設定点との違いは、設定点が制御不能性位相中にとる低閾値と称される第３の値である。例示的実施形態として、低閾値の値は６６Ａである。この第３の値を取った後、曲線９の設定点は第１の値の平均閾値へ再び増加する。例示的実施形態として、第３から第１の値への増加の持続期間はπ／４ラジアンであり、基準は電圧Ｖｅ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ）の電気角ωｔである。したがって、周期で表される対応する増加持続期間は１／８周期であり、すなわち５０Ｈｚ周波数の場合は（π／４）／（２．π．５０）＝２．５ｍｓである。
【０１１０】
この新しい設定点を伴い、曲線１０で電流Ｉｄは依然として設定点をやや超えるが、曲線７の場合を大きく下回る値においてということが見て取れる。これは、制御不能性位相の終端からの、第３の値から第１の値への電流Ｉｄにおける緩やかな増加に起因し、この緩やかな増加は、やはりこの緩やかな増加を表示する設定点Ｉｄｒｅｆに起因する。
【０１１１】
その後、曲線１０上に示される電流Ｉｄは、曲線７の最大値に類似した最大値に到達し、次いで曲線７の最小値よりわずかに小さい最小値に到達する。より詳細には、曲線１０の電流Ｉｄは、６０．８９Ａの最小値に、及び、７９．８３から７９．９２Ａの範囲の約７９．８６Ａの（曲線１１に示される）平均値に、到達する。したがって曲線９の設定点は、平均値の減少と唐突すぎる増加の防止とを可能にし、この過剰に唐突すぎる増加は、電流において、高調波と設定点の超過とを引き起こす。
【０１１２】
しかしながら、曲線９の設定点を伴って得られる６０．８９Ａの最小値は、６０．８９Ａ−４３Ａ＝１７．８９Ａの安全マージンを見込むのみであるため、十分とは言えない。
【０１１３】
図８はこの問題を克服する設定点を提示する。図７と同様図８は、時間を秒で示す水平軸と電流をアンペアで示す垂直軸とを含む２つの基準点を示す。図示される曲線１２及び１３は、新しい設定点Ｉｄｒｅｆ、及び、この新しい設定点の関数として、インダクタ素子を通過する電流Ｉｄのアンペアでの詳細な変動を、それぞれ示す。さらに、図示された曲線１４は、移動平均後の、電流Ｉｄの値における変動（曲線１３）を示す。
【０１１４】
曲線９の設定点と同様、曲線１２の設定点は、約８０Ａの中間閾値に等しい第１の値、約１０５Ａの高閾値に等しい第２の値、及び約６６Ａの低閾値に等しい第３の値をとることが見て取れる。曲線１２の設定点と曲線９の設定点との違いは、制御不能性位相中に設定点によって想定されるプラトーである。
【０１１５】
このプラトーは、第２の値から第３の値へと移動するとき、ある一定の期間だけ設定点インダクタンス強度によってとられる定値に対応する。例示的実施形態として、定値がとられる持続期間は０．０７ラジアンであり、基準は電圧Ｖｅ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ）の電気角ωｔである。したがって、対応する増加持続期間を周期で表すと０．０３５周期であり、すなわち５０Ｈｚ周波数の場合は（０．０７．π）／（２．π．５０）＝０．７ｍｓである。例示的実施形態として、とられる定値は第１の値すなわち約８０Ａの値を有する中間閾値である。
【０１１６】
この新しい設定点を伴い、曲線１３で電流Ｉｄは（制御不能性位相中に）、曲線１０の場合よりはるかに大きい最小値をとる値ということが見て取れる。これは設定点におけるプラトーの存在に起因し、プラトーは、制御不能性位相中であっても、設定点がインダクタ素子を通過する電流をさらに低下させることを防止することができる。
【０１１７】
この点に加えて、曲線１３で示された電流Ｉｄの形状は、曲線１０の形状に類似している。したがって曲線１３の電流Ｉｄは、６２．５１Ａの最小値及び７９．０３Ａから７９．１９Ａの範囲の約７９．１Ａの（曲線１４に示される）平均値に到達する。したがって曲線１２の設定点は、類似の又はさらに低下した（−０．７Ａ）平均値を保持しつつ電流Ｉｄの最小値がやや上昇されることを可能にする。
【０１１８】
したがって曲線１２で示される設定点は、６２．５１−４３＝１９．５１Ａの十分な安全マージンの達成を可能にし、電流Ｉｄの平均値の約１８％（９６．６Ａに対する７９．１Ａ）の低下を可能にする。
【０１１９】
図９は、再充電システムの変動の比較を設定点の関数として示す。図９は、時間を秒で示す水平軸、及び、電流をアンペアで示す垂直軸、電圧をボルトで示す垂直軸、電流をアンペアで示す垂直軸をそれぞれ含む、３つの基準点を示す。
【０１２０】
図示された曲線１５、１６は、曲線１２によるインダクタンス強度Ｉｄｒｅｆと定値Ｉｄｒｅｆ＝１００による設定点インダクタンス強度とをそれぞれ示す。例示された曲線１７は、電圧Ｖｅにおける変動を、図４ですでに示した制御不能性位相の関数として示す。最後に曲線１８及び１９は、曲線１６で示す設定点に対する、及び曲線１５で示す設定点に対する、電流Ｉｄをそれぞれ示す。
【０１２１】
図９では、曲線１５及び１６の設定点Ｉｄｒｅｆの変動が、４つのステップに分割され得ることが見て取れる。
【０１２２】
曲線１５の設定点Ｉｄｒｅｆが第１の値に等しい定値をとる第１のステップ。したがって曲線１８の電流Ｉｄは、曲線１６の設定点の調整を伴うよりも低い値に維持される。これにより、インダクタ素子を通過する電流Ｉｄ （ニュートラル電流（ｎｅｕｔｒａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ）とも称される）の、曲線１６の設定点を伴う場合よりも大きな部分をバッテリへ伝送することに対応する、デューティサイクルａｓが得られる。実際、電流の平均値は、電流Ｉｂａｔを上回ることを維持しつつ電流Ｉｂａｔにより近い。したがって効率の向上が生み出される。
【０１２３】
曲線１５の設定点Ｉｄｒｅｆが第２の値へと増加する第２のステップ。曲線１８の電流Ｉｄは設定点に従い、したがって、制御可能性の来たるべき損失（ゼロ値に接近する曲線１７で示す）を想定して増加する。したがって電流Ｉｄはより高い値から下落し、これにより下落の終端でより高い値が到達される。
【０１２４】
制御不能性位相中に実行される第３のステップであって、この過程で設定点は第２の値から第３の値へ下落し、前記下落はプラトーを含み、このプラトーの過程で設定点は定値（例えば第１の値）を保持する。
【０１２５】
第４のステップであって、この過程で曲線１５の設定点は第３の値から第１の値へと緩やかに再上昇する。
【０１２６】
図６〜９に示す全てのソリューションは、一定でない曲線に従う設定点Ｉｄｒｅｆの算出から成る。これらソリューションは、前記設定点を電流Ｉｅの関数として算出するであろうモジュール３１を使用して実装される。
【図１】
2015534800.tif 000007
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2015534800.tif 000016
【国際調査報告】
2015534800.tif 000017
2015534800.tif 000018
2015534800.tif 000019
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