(57)【要約】  ＤＣ電気エネルギ貯蔵部とＤＣ電気エネルギ源とに接続されたＡＣ電気モータを動作させるための電気システムを提示する。当該電気システムは、１つの多相インバータまたはインバータのセットを含み、１つもしくは複数のインバータの複数のＡＣ相がモータに結合されており、１つもしくは複数のインバータの個別のＤＣ接続部は、ＤＣ電気エネルギ源およびＤＣ電気エネルギ貯蔵部に結合されている。
2022502998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ電気エネルギ貯蔵部とＤＣ電気エネルギ源とに接続されたＡＣ電気モータを動作させるための電気システムであって、該システムは、１つの多相インバータまたはインバータのセットを含み、
１つもしくは複数のインバータの複数のＡＣ相が、前記モータに結合されるように適合化されており、
前記ＤＣ電気エネルギ源と前記ＤＣ電気エネルギ貯蔵部との間にＤＣ電気接続部が生じないよう、前記１つもしくは複数のインバータの個別のＤＣ接続部が前記ＤＣ電気エネルギ源と前記ＤＣ電気エネルギ貯蔵部とに結合されるように適合化されている、
システム。
【請求項２】
前記ＤＣ源に結合されるように適合化されたインバータの複数のＡＣ相が、前記ＤＣ貯蔵部に結合されたインバータの複数のＡＣ相に電気的に接続されている、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ＤＣ源に結合されるように適合化されたインバータのＡＣ相が、前記ＤＣ貯蔵部に結合されたインバータに電気的に接続されていない、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記ＤＣ電気エネルギ貯蔵部は、バッテリである、請求項１から３までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
前記ＤＣ電気エネルギ源は、燃料電池である、請求項１から４までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記１つもしくは複数のインバータは、付加的なＤＣ電気エネルギ貯蔵部および／または付加的なＤＣ電気エネルギ源に結合されるように適合化されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
１つのインバータの２つのＨブリッジが、付加的に、ＤＣ網に電気的に接続されるように適合化されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
１つもしくは複数のインバータの少なくとも２つのＨブリッジが、ＡＣ網に電気的に接続されるように適合化されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項９】
１つもしくは複数のインバータの３つのＨブリッジが、前記ＡＣ網に電気的に接続されるように適合化されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
ＤＣ電気エネルギ貯蔵部とＤＣ電気エネルギ源とに接続されたＡＣ電気モータを含む電気システムを動作させる方法であって、
１つの多相インバータまたはインバータのセットが電力の複数のＡＣ相をモータに供給するために用いられ、
１つもしくは複数のインバータの個別のＤＣ接続部が、前記ＤＣ電気エネルギ源および前記ＤＣ電気エネルギ貯蔵部への電力の輸送、ならびに前記ＤＣ電気エネルギ源および前記ＤＣ電気エネルギ貯蔵部からの電力の輸送に用いられる、
方法。
【請求項１１】
前記ＤＣ源からの電力の輸送を行うインバータの複数のＡＣ相が、前記ＤＣ貯蔵部への電力の輸送および前記ＤＣ貯蔵部からの電力の輸送を行うインバータの複数のＡＣ相に電気的に接続されている、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記ＤＣ源からの電力の輸送を行うインバータのＡＣ相が、前記ＤＣ貯蔵部への電力の輸送および前記ＤＣ貯蔵部からの電力の輸送を行うインバータのＡＣ相に電気的に接続されていない、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記ＤＣ電気エネルギ貯蔵部は、バッテリである、請求項１０から１２記載の方法。
【請求項１４】
前記ＤＣ電気エネルギ源は、燃料電池である、請求項１０から１２記載の方法。
【請求項１５】
ＡＣ電気駆動モータまたはＡＣ電気トラクションモータ、バッテリ、燃料電池、および請求項１から９までのいずれか１項記載のシステムを含む、電気的に駆動される自動車であって、
前記システムは、前記電気モータ、前記バッテリおよび前記燃料電池に電気的に結合されている、
電気的に駆動される自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータの構成、特に、電気駆動モータ、駆動バッテリもしくはトラクションバッテリ、および燃料電池を備えた車両にとって有利な構成に関する。本発明は、種々の電源および充電装置の組み合わせを備えたシステムを改善し、関連する方法を提供するものであって、再充電可能バッテリおよび／または燃料電池によって給電されるモータまたはオルタネータの分野に位置づけられる。本発明は、有利には、燃料電池および／またはバッテリからインバータを介してモータに給電可能であって、また自動車が停止したときに電気網から場合により再充電される、電気モータを備えた車両に適用可能である。
【０００２】
ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）およびバッテリ電気車両（ＢＥＶ）を含む電気化車両は、典型的には、電気駆動モータもしくはトラクションモータまたは推進機構に給電するトラクションバッテリ（または高電圧バッテリ）を含む。パワーインバータは、直流電流（ＤＣ）電力を交流電流（ＡＣ）電力へ変換するために用いられる。典型的なＡＣトラクション機械は、それぞれ１２０°の位相分離で駆動される３つの正弦波電流によって給電可能な３相モータであるが、任意の数の相を設けることができる。特に、駆動モータは、６相を有していてよい。
【０００３】
電気化車両は、バッテリおよびモータへの単独の電力源として電力を供給するか、またはバッテリを充電できる外部のＤＣ供給網もしくはＡＣ供給網に対して付加的に電力を供給する、燃料電池を使用することができる。
【０００４】
高電圧バッテリを再充電するために、車両にはまた、バッテリの充電のための電気網からのＡＣ電力を整流することができるＡＣ／ＤＣコンバータを含むエンベデッド型充電装置を設けることもできる。また、車両には、網の電圧レベルをバッテリの電圧レベルへ適合化するためのＤＣ／ＤＣコンバータを設けることもできる。
【０００５】
こうした構成では、バッテリおよび燃料電池はＤＣ要素であり、駆動モータはＡＣ要素でありうるので、インバータを用いて、種々の要素間で電気エネルギを輸送することができる。
【０００６】
１つもしくは複数のインバータは、アナログ相電圧インバータであり、これは、国際公開第２０１７２１１６５５号、国際公開第２０１７２１１６５６号、および国際公開第２０１７２１１６５７号の各出願に開示されており、これらの文献は引用により本明細書に含まれるものとする。アナログ相電圧（ＡＰＶ）インバータは、典型的には、ＡＣ電圧とＤＣ電圧との間での必要な変換を行うために、高周波数（例えば２００ｋＨｚ超）を有するハーフブリッジまたはＨブリッジブーストコンバータのいずれかを使用している。
【０００７】
幾つかの構成では、燃料電池およびバッテリは、１つもしくは複数のＤＣ／ＤＣコンバータおよびＤＣリンクを有する種々のトポロジで接続可能である。モータを駆動するインバータは、ＤＣリンクにも接続可能である。
【０００８】
ただし、バッテリおよび燃料電池（または場合により複数のそれぞれのインスタンス）を備えた車両内に複数の要素が存在する場合、コスト、特に電圧コンバータおよびインバータ用の電子回路のコストを最適化するため、相互接続のトポロジの複雑性を低減することが有利となりうる。
【０００９】
１つもしくは複数のインバータのパワースイッチには、特に、高電流および／または高電圧の要求のため、付加的なコストが追加されうる。典型的なパワースイッチはＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴでありうる。関与する電力貯蔵部または電力生成部または電力消費要素が増えるにつれ、コストも大きくなる。したがって、特に複数の電力貯蔵部、電力生成部および電力消費要素が存在するアーキテクチャおよびトポロジにおけるパワーエレクトロニクスのコストを低減するアプローチを見出だすことが所望されうる。
【００１０】
幾つかのシステムでは、バッテリとインバータとの間の高電圧ＤＣリンクによってドライブトレインインバータとバッテリ電圧との間の電圧の分離がもたらされる。高周波数（２００ｋＨｚ超）で動作するアナログ相電圧インバータ（ＡＰＶインバータ）、ハーフブリッジブーストコンバータは、ブースト電圧側に正弦波を形成するために使用可能である。
【００１１】
電源サブシステムの電気要素および充電サブシステムの電気要素によっても、付加的なコストが追加されうる。モータへの給電およびバッテリの充電は、種々の相によって行われる。したがって、電力輸送およびバッテリの充電を実現するためには、電気モータへの電力の供給に使用される要素を再使用することが有利となりうる。さらに、有利なコンセプトの一部としてモータの再使用を可能とすることが挙げられうる。
【００１２】
発明の概要
本発明の一実施形態は、１つの多相インバータまたはインバータのセットを含み、ここで、複数のＡＣ相は、ＤＣ電気エネルギ源および電気機械もしくはモータと、ＤＣ電気エネルギ貯蔵部および電気機械もしくはモータとの間で用いられる。１つもしくは複数のインバータのＤＣ側は、電気エネルギ貯蔵部、例えばバッテリに結合可能であり、かつ／または電気エネルギ源、例えば燃料電池に結合可能である。特に有利な実現形態は、２つの３相ＡＰＶインバータを含み、当該３相ＡＰＶインバータは、ＡＣ側で同じ電気機械（ｅマシン）もしくはモータに接続されており、ＤＣ側でバッテリに接続されており、さらに他の側が燃料電池に接続されている。ＡＣ相は、ＤＣエネルギ貯蔵部とエネルギ源要素との間のＡＣリンクを形成する。
【００１３】
実施形態では、２つのインバータが、共有のＡＣ相を使用する１つのモータを駆動するために使用可能である。例えば、インバータは、モータもしくはｅマシンの駆動のために３つのＡＣ相を共有することができる。他の実施形態では、相互接続されていない相を使用することもでき、この場合はむしろ、各インバータが多相モータの個別の相を駆動する。３相インバータの場合、得られる構成は、ｅマシンもしくはモータの駆動に利用可能な６相を有する。したがって、電気貯蔵部（バッテリ）に関連する回路間の厳密なガルバニック分離は第１のインバータを介して達成可能であり、電源（燃料電池）に関連する回路間の厳密なガルバニック分離は第２のインバータを介して達成可能である。
【００１４】
本発明の一実施形態では、ＡＣ網もしくは電力グリッドへ接続されるインバータのＨブリッジを、例えばバッテリの充電源としてかつ／または電力を受け取るための双方で、使用することができる。本発明の他の実施形態では、ＤＣ網もしくは電力グリッドへ接続されるインバータのＨブリッジを、例えばバッテリの充電源としてかつ／または電力を受け取るための双方で、使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１ａ】電気的に駆動される車両において使用されているバッテリおよび燃料電池の１つのトポロジを示す図である。
【図１ｂ】電気的に駆動される車両において使用されているバッテリおよび燃料電池の異なるトポロジを示す図である。
【図１ｃ】電気的に駆動される車両において使用されているバッテリおよび燃料電池の異なるトポロジを示す図である。
【図２】１つのＡＣモータに結合された２つのＡＰＶインバータを使用する本発明の一実施形態を示す図である。
【図３】１つのＡＣモータに結合された２つのＡＰＶインバータを使用する本発明の代替的な実施形態を示す図である。
【００１６】
燃料電池車両の可能かつ基本的な電気的トポロジが、図１ａ〜図１ｃに概略的に示されている。図１ａには、インバータＩＮＶ１ａのＡＣ側が電気モータもしくはｅマシンＥＭを駆動するトポロジが示されている。モータはさらに車輪を駆動する。インバータのＤＣ側は、燃料電池システムＦＣに接続されており、ここから電力を得る。燃料電池とインバータとの間のＤＣ接続部はまた、ＤＣ‐ＤＣコンバータＣＶ１ａに電気的に接続されているかまたは電気的に結合されており、当該ＤＣ‐ＤＣコンバータＣＶ１ａはさらに高電圧ＤＣバッテリＨＶに接続されている。当該トポロジでは、燃料電池およびインバータのＤＣ側が、典型的には燃料電池システムのための適切な動作電圧によって決定される共通のＤＣ電圧で動作する。電気モータもしくはトラクションモータＥＭのためのＡＣ電圧は、モータとモータから所望される駆動とにとって適切となるように、インバータによって決定される。
【００１７】
図１ｂには異なるトポロジが示されている。上述と同様に、インバータＩＮＶ１ｂのＡＣ側は、電気モータもしくはｅマシンＥＭを駆動する。モータはさらに車輪を駆動する。インバータのＤＣ側は、高電圧ＤＣバッテリＨＶに接続されており、ここから電力を得る。バッテリとインバータとの間のＤＣ接続部はまた、ＤＣ‐ＤＣコンバータＣＶ１ｂに電気的に接続されているかまたは電気的に結合されており、当該ＤＣ‐ＤＣコンバータＣＶ１ｂはさらに燃料電池システムＦＣに接続されている。当該トポロジでは、バッテリおよびインバータのＤＣ側が、典型的にはバッテリのための適切な動作電圧によって決定される共通のＤＣ電圧で動作する。燃料電池のための電圧は、ＤＣ‐ＤＣコンバータの動作によって、バッテリ電圧から独立している。電気モータもしくはトラクションモータＥＭの種々の相のためのＡＣ電圧は、モータとモータから所望される駆動とにとって適切となるように決定され、ＤＣ電圧からは実質的に独立している。
【００１８】
図１ｃにはさらに別のトポロジが示されている。インバータＩＮＶ１ｃのＡＣ側が、電気モータもしくはｅマシンＥＭを駆動する。インバータのＤＣ側は、２つのＤＣ‐ＤＣコンバータＣＶ１ｃおよびＣＶ２ｃに接続されており、ここから電力を得る。ＤＣ‐ＤＣコンバータＣＶ１ａはさらに高電圧ＤＣバッテリＨＶに接続されている。ＤＣ‐ＤＣコンバータＣＶ１ｂは燃料電池システムＦＣに接続されている。当該トポロジでは、燃料電池のための電圧およびバッテリ電圧が、２つのＤＣ‐ＤＣコンバータの動作によって、互いにかつインバータのＤＣ側から独立しており、逆も同様である。電気モータもしくはトラクションモータＥＭの種々の相のためのＡＣ電圧は、モータとモータから所望される駆動とにとって適切となるように決定され、ＤＣ電圧から実質的に独立した状態にとどまる。
【００１９】
図２を参照すると、２つのインバータＩＮＶ１およびＩＮＶ２を用いる本発明の一実施形態が示されている。第１のインバータは、当該実施形態では、ＤＣ側で、ＤＣエネルギ貯蔵部ＥＳ１、例えばバッテリに電気的に接続されているものとして示されている。第２のインバータは、当該実施形態では、ＤＣエネルギ源ＥＳ２、例えば燃料電池に電気的に接続されているものとして示されている。他の実施形態では、付加的なエネルギ貯蔵部またはエネルギ源に結合された付加的なインバータが含まれていてもよい。２つのインバータはどちらも、ＡＣ側で、ＥＭとして示されている電気モータもしくは電気機械（ｅモータもしくはｅマシン）に電気的に接続されているものとして示されている。３つのＡＣ相ＰＨ１，ＰＨ２，ＰＨ３を介した接続部が示されている。
【００２０】
当該実施形態では、ＩＮＶ１およびＩＮＶ２が双方とも多相インバータであり、１つもしくは複数のインバータの複数のＡＣ相がモータに結合されるように適合化されている。１つもしくは複数のインバータの個別のＤＣ接続部は、ＤＣ電気エネルギ源とＤＣ電気エネルギ貯蔵部とに結合されるように適合化されており、これにより、ＤＣ電気エネルギ源とＤＣ電気エネルギ貯蔵部との間にはＤＣ電気接続部が生じない。
【００２１】
ＡＣチャージャ（ＡＣ−Ｎ）への任意手段としての接続部は、インバータＩＮＶ２の一部として示されている。当該接続部は、インバータ２のＨブリッジＨＢ１，ＨＢ２，ＨＢ３を使用している。チャージャＡＣ−ＮがＡＣ−ＮとしてのＡＣ網へ電力を供給する接続部によって置換可能であるか、またはＡＣ−ＮがＡＣ電力網への双方向接続部であってもよい。システムが車両内に構成される場合、ＡＣ−Ｎは、例えば車庫内または駐車場駐車スペース内の固定のＡＣ網への接続部となりうる。
【００２２】
インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２は、好ましくは、必要とされる電圧レベルへの変換を行うそれぞれのインバータのインダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ３を横断する高周波数を使用したＡＰＶ網である。各インバータは３つのＨブリッジＨＢ１，ＨＢ２，ＨＢ３を有する。各Ｈブリッジは、ＨＳで標識された４つのスイッチを含む。当該実施形態におけるパワースイッチは、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ、または他の半導体デバイス、または他の電気スイッチであってよい。
【００２３】
図３を参照すると、当該図は、２つのインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２が用いられ、ここでＩＮＶ１のＡＣ側とＩＮＶ２のＡＣ側との間に電気接続部が生じない、本発明の一実施形態を示している。第１のインバータは、当該実施形態では、ＤＣ側で、ＤＣエネルギ貯蔵部ＥＳ１、例えばバッテリに電気的に接続されているものとして示されている。第２のインバータは、当該実施形態では、ＤＣエネルギ源ＥＳ２、例えば燃料電池に電気的に接続されているものとして示されている。他の実施形態では、付加的なエネルギ貯蔵部または付加的なエネルギ源に結合された付加的なインバータが含まれていてもよい。各インバータは、ＡＣ側で、ＥＭとして示されている電気モータもしくは電気機械（ｅモータもしくはｅマシン）の個別の相に別々に電気的に接続されているものとして示されている。
【００２４】
ＡＣ側のインバータＩＮＶ１は、電気モータＥＭに対する３つの相（ＰＨ１，ＰＨ２，ＰＨ３）を形成する。同様に、ＡＣ側のＩＮＶ２も、電気モータＥＭに対する３つの相（ＰＨ４，ＰＨ５，ＰＨ６）を形成する。２×３相の構成を実施例として示しているが、当業者であれば、特に電気モータＥＭの機械的構成に応じて他の構成も可能であることを認識するであろう。システムの要求に応じて、相ＰＨ１，ＰＨ２，ＰＨ３およびＰＨ４，ＰＨ５，ＰＨ６の電気的作動は、０°のオフセットで同時に行うことができる（例えばＰＨ１とＰＨ４とが同時に作動される）。代替的に、各相が６０°のオフセットまたは他のオフセットを有してもよい。
【００２５】
図２のように、ＡＣチャージャまたは網（電源）への任意手段としての接続部は、インバータＩＮＶ２の一部である（ＡＣ−Ｎ）ものとして示されている。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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