(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流リンク電圧を交流出力電力に変換する電力インバータと、
当該駆動システムに入力直流電圧を送出するように、エネルギ貯蔵装置を前記電力インバータに接続する手段と、
該接続する手段と前記インバータとの間に接続されている双方向直流−直流変換器であって、該直流−直流変換器は、前記入力直流電圧を所定の率だけ昇圧しており、前記直流リンク電圧が前記入力直流電圧及び前記エネルギ貯蔵装置のパラメータと実質的に無関係になるように、前記直流リンク電圧を前記エネルギ貯蔵装置から送出された前記入力直流電圧から減結合している、双方向直流−直流変換器と、
所定のトルクの包絡値を用いて効率を最大にするように当該電気駆動システムの動作を制御することにより、前記入力直流電圧を制御する制御手段とを備えた電気駆動システム。
【請求項２】
前記エネルギ貯蔵装置は、並列接続されたモジュールを有している蓄電池を含んでいる請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項３】
前記直流−直流変換器は、突き合わせ昇圧形変換器を含んでいる請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項４】
前記制御手段は、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶されている直流リンク電圧対モータ速度データ及びその結果得られる所定のトルクの包絡値を用いている請求項１に記載の電気駆動システム。
【請求項５】
直流リンク電圧を交流出力電圧に変換する電力インバータと、
当該駆動システムに入力直流電圧を送出するように、複数のエネルギ貯蔵装置の各々を前記電力インバータに接続する手段と、
該接続する手段の各々と前記インバータとの間に接続されている双方向直流−直流変換器であって、該直流−直流変換器の各々は、前記エネルギ貯蔵装置の各々の前記入力直流電圧を所定の率だけ昇圧しており、前記直流リンク電圧がそれぞれの前記入力直流電圧及びそれぞれの前記エネルギ貯蔵装置のパラメータと実質的に無関係になるように、前記直流リンク電圧をそれぞれの前記エネルギ貯蔵装置から送出された前記入力直流電圧から減結合している、双方向直流−直流変換器と、
所定のトルクの包絡値を用いて効率を最大にするように当該電気駆動システムの動作を制御することにより、前記エネルギ貯蔵装置の各々から供給された前記入力直流電圧を制御する制御手段とを備えた電気駆動システム。
【請求項６】
前記エネルギ貯蔵装置の少なくとも１つは、蓄電池を含んでいる請求項５に記載の電気駆動システム。
【請求項７】
前記エネルギ貯蔵装置の少なくとも１つは、ウルトラキャパシタを含んでいる請求項５に記載の電気駆動システム。
【請求項８】
前記エネルギ貯蔵装置の少なくとも１つは、超導電磁気エネルギ貯蔵装置を含んでいる請求項５に記載の電気駆動システム。
【請求項９】
前記制御手段は、直流−直流変換器の各々に付設されているそれぞれ別個の制御装置を含んでいる請求項５に記載の電気駆動システム。
【請求項１０】
前記直流−直流変換器の各々は、突き合わせ昇圧形変換器を含んでいる請求項５に記載の電気駆動システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、ルックアップテーブルとしてメモリに記憶されている直流リンク電圧対モータ速度データ及びその結果得られる所定のトルクの包絡値を用いている請求項５に記載の電気駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には電気駆動システムに関する。更に具体的に言えば、本発明は、推進用蓄電池の電圧又は補助エネルギ貯蔵装置の電圧を電気駆動システムの直流リンク電圧から減結合することにより、信頼性及び効率を改善することができるようにする電力半導体インタフェイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の電気車輌駆動装置は、乗物の厳しい加速条件及び登坂条件に適合するように、それに要求されるトルク及び電力のレベルが増加しつつある。実用的であるためには、商業用の電気車輌駆動装置は、コスト、寸法及び重量を最小限にしなければならない。最近１０年間、一層高い電圧の半導体装置が利用され得るようになるにつれて、業界は系統電圧（即ち、直流リンク電圧）をほぼ１００Ｖから３００Ｖまでに高めることにより、駆動システムの電力密度を高め、こうして定格電圧が一層高いが、定格電流の一層小さい電力半導体をインバータに用いることができるようにしてきた。この兼合いにより、電気駆動システムの寸法及びコストを最小限に抑えられたことが利点であった。蓄電池を別にすると、インバータは電気駆動システム全体の中で最も費用のかかるサブシステムであり、電力半導体スイッチが一般的には、このインバータの中で最も費用のかかる部品である。これらの駆動装置の典型的な電圧レベルでは、電力半導体のコストは、電圧ではなく、電流の関数として一層急速に増加する。
【０００３】
直流系統電圧を高くすることにより、コストを下げながら目立って性能が改善されてきた。しかしながら、直流系統電圧を増加することは、蓄電池を比較的高い電圧（典型的には公称３００Ｖ）用に設計することを必要とし、これは、一層電流容量の小さいセルを設計すると共に、一層多数の小さいセル（例えば２Ｖ）を直列に接続することによって達成されているが、そのため、セルごとの容量の不釣合（ミスマッチ）により、蓄電池の信頼性及び寿命を低下させてしまうことが不利である。一層多数のセルが直列に接続されればされるほど、セルごとの変動の確率が一層大きくなる。蓄電池の重量の制約も又、並列に接続することができるセルの直列ストリングの数を制限し、更に信頼性を低下させる。
【０００４】
従って、高電圧蓄電池の信頼性の問題に対する解決策を提供すると共に、エネルギ貯蔵装置を直流リンク電圧から減結合することにより、交流電気駆動システムの効率を高めることが望ましい。
【０００５】
【発明の要約】
交流電気駆動システムが、直流リンク電圧を交流出力電圧に変換する電力インバータと、駆動システムに入力直流電圧を送出するように、エネルギ貯蔵装置を電力インバータに接続する手段と、接続する手段とインバータとの間に接続されている直流−直流変換器を含んでいる双方向電力半導体インタフェイスとを備えている。直流−直流変換器は、直流リンク電圧が入力直流電圧、及びエネルギ貯蔵装置のパラメータと実質的に無関係になるように、入力直流電圧を所定の率だけ昇圧していると共に直流リンク電圧を入力直流電圧から減結合している。所定のトルクの包絡値（エンベロープ）を用いて効率を最大にすべく電気駆動システムの動作を制御するために、入力電圧を制御する制御手段が設けられている。
【０００６】
本発明の電力半導体インタフェイスを用いることにより、電気駆動システムの蓄電池又はエネルギ貯蔵装置は、その信頼性及び寿命を最大にするような電圧に設計することができることが有利であり、その一方、駆動システムに対する電圧入力は、効率を最大にすると共に、所与のトルク／速度動作点に対して、インバータの部品に対するストレスを最小限にするように、インタフェイスを介して制御されている。
【０００７】
本発明の特徴及び利点は、以下図面について詳しく説明するところから明らかになろう。
【０００８】
【実施例】
図１はモータ１４を駆動するために蓄電池１２に直接接続されているインバータ１０を含んでいる普通の電気駆動システムを示す。モータ１４は、例えば誘導機、永久磁石（内部若しくは表面磁石）形同期機、電子転流形モータ、又は切り換えリラクタンス機を含んでいる任意の適当な形式の交流機を備えていてもよい。入力フィルタ・キャパシタＣdcが直流リンクＶDCの間に接続されている。インバータ１０は、相岐路当たり２つの直列接続されているスイッチング装置Ｔ1 −Ｔ2 、Ｔ3 −Ｔ4 、及びＴ5 −Ｔ6 をそれぞれ有している３相インバータを備えているものとして示されている。ダイオードＤ1 −Ｄ2 、Ｄ3 −Ｄ4 、及びＤ5 −Ｄ6 が各々のスイッチング装置Ｔ1 −Ｔ2 、Ｔ3 −Ｔ4 、及びＴ5 −Ｔ6 と逆並列にそれぞれ接続されている。
【０００９】
普通のように、スイッチング装置Ｔ1 〜Ｔ6 は、外部のトルク指令に応答して、マイクロプロセッサを基本としたインバータ／モータ制御装置（図に示していない）によって制御されている。直流リンク電圧ＶDCの瞬時値は、蓄電池のパラメータ（例えば、開路電圧、内部抵抗、充電状態、温度）及びモータの特性と、電気駆動システムに対するトルク指令の大きさ及び極性との関数である。低速軽トルク運転には、インバータがパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作して、比較的高い蓄電池電圧Ｖbat を、モータの適正な運転に要求されるレベルまでチョッパ作用で下げることが必要であり、その結果、インバータのスイッチング装置に実質的な切り換え損失が生じる。
【００１０】
図１では、蓄電池１２は、それぞれがＶbat ／３の電圧を有している３つの蓄電池モジュールの直列接続として構成されている比較的高い電圧の蓄電池として図式的に示されている。図１に示すような普通の電気駆動システムでは、電圧の高い蓄電池の１つのモジュールを構成しているセルの並列ストリングのうちの１つ又は更に多くのストリングに故障が起こったときに、蓄電池の容量に著しい劣化が生ずることが欠点である。
【００１１】
しかしながら、本発明によれば、蓄電池又は補助エネルギ貯蔵装置からのエネルギが、電力半導体インタフェイス回路を介して高い電圧の交流駆動部へ効率的に転送される。補助エネルギ貯蔵装置の例としては、ウルトラキャパシタ、又は超導電磁気エネルギ貯蔵装置（ＳＭＥＳ）のような磁気エネルギ貯蔵装置がある。インタフェイス回路は、エネルギ貯蔵装置の電圧を駆動システムの直流リンク電圧から減結合し、こうしてエネルギ貯蔵装置の利用度を最大にする。更に、インタフェイス回路は双方向の敏速なエネルギ変換を行い、駆動システムの敏速な加速及び回生エネルギの回収を可能にする。
【００１２】
図２は本発明の一実施例による電気交流駆動システムを示す。直流−直流変換器を含んでいるインタフェイス回路２０が、蓄電池２２とインバータ１０との間に接続されている。インタフェイス回路２０のおかげで、蓄電池２２は図１の蓄電池１２（Ｖbat ）よりも電圧が一層低い蓄電池（Ｖ´ bat ）を備えていることが有利である。具体的に言うと、図２では蓄電池２２は、直列ではなく並列に接続されている３つの蓄電池モジュールを備えているものとして示されており、図１の場合に比べて、蓄電池全体の電圧を１／３に減少させている。
【００１３】
図２の駆動システムを用いて高い動力及び高い速度を達成するために、一層低い蓄電池電圧Ｖ´ bat は、せいぜい３倍だけ昇圧されなければならない。更に、合計の蓄電池電流Ｉdc´ は、図１の直流リンク電流Ｉdcの３倍でなければならない。従って、図２の直流−直流変換器２０のスイッチング装置の定格電流は、図１の従来のシステムの各相枝路のスイッチの定格電流の約３倍にすることが必要になる。
【００１４】
図２は、直流−直流変換器２０が周知の形式の突き合わせ昇圧形（即ち、双方向形）変換器を備えているものとして示されており、この変換器は、第１のスイッチング装置ＴB1及び逆並列ダイオードＤB1の並列の組み合わせと直列に接続されている入力フィルタ誘導子Ｌf を有している。第２のスイッチング装置ＴB2及び逆並列ダイオードＤB2の並列の組み合わせが、負の直流リンク電圧−ＶDCと、フィルタ誘導子Ｌf 及びスイッチング装置ＴB1を結んでいる接続点との間に接続されている。スナッバ抵抗Ｒsnub及びスナッバ・キャパシタＣsnubの直列の組み合わせが、負の直流リンク電圧−ＶDCとダイオードＤB1の陰極との間に接続されている。
【００１５】
電気車輌駆動システム制御装置３０は、（図１について前に述べたような）外部のトルク指令、タコメータ３２からのモータ速度測定値、電流センサ３４からの相電流測定値、及び電圧センサ３６からの直流リンク電圧測定値を受け取る。制御装置３０は更に、後で説明するような直流−直流変換器２０の状態を表す信号を直流−直流制御装置４０から受け取る。これに対して、制御装置３０は、タコメータ３２からのモータ速度信号を直流−直流制御装置４０に対する周波数信号ＦＲＥＱに変換すると共に、直流−直流変換器２０及びインバータ１０のスイッチング装置に対するゲート信号を発生するためのフィードフォワード（前送り）信号を発生する。
【００１６】
図２に示すように、直流−直流制御装置４０は、電圧センサ４４からの蓄電池電圧測定値Ｖ´ bat と、電流センサ４２からの直流入力電流Ｉdc´ 測定値とを受け取る。具体的に言うと、電圧Ｖ´ bat 及び電流Ｉdc´ の測定値は効率調整器４６に供給され、調整器４６は、所定のトルクの包絡値（エンベロープ）を用いて効率を最大にするために、電圧制御ブロック４８に対する効率調整信号を発生する。電圧制御ブロック４８は、所定のトルクの包絡値を用いて効率を最大にすると共にモータの運転を制御するために、電圧センサ４４からの直流リンク電圧測定値及び制御装置３０からの周波数信号ＦＲＥＱを用いて、入力直流電圧Ｖ´ bat を制御する。このトルクの包絡値を用いて運転を制御するための適正なゲート信号が、ゲート制御ブロック５０によって発生される。
【００１７】
図３は、電圧制御ブロック４８で用いられるような、電気車輌駆動システムに対する直流リンク電圧対モータ速度データ及びその結果得られるトルクの包絡線を示す。本発明によれば、直流−直流制御装置４０は、効率が最大になるように、図３に示すような所定のトルクの包絡線に沿って運転を制御する。図３に示すようなデータは、例えば直流−直流制御装置４０（図２）にルックアップテーブルとして記憶することができる。
動作について説明すると、駆動時（又はモータ動作の間）に、直流−直流変換器２０は一層低い蓄電池電圧Ｖ´ bat を一層高い直流リンク電圧ＶDCに昇圧する。低速及び軽トルクのとき、スイッチＴB1及びＴB2はオフであり、そのため変換器２０の状態もオフであり、蓄電池電圧Ｖ´ bat は順バイアスされたダイオードＤB1を介してインバータ１０に接続される。速度及びトルクを増加するためには、インタフェイス２０のスイッチング装置ＴB1及びＴB2を用いて、蓄電池電圧を昇圧する。具体的に言うと、変換器２０の状態がオンであり、動作は次に述べるように所定のトルクの包絡値を用いて維持される。スイッチＴB2がターンオンになると、誘導子Ｌf の電流が増加する。電流が制御されたレベルまで増加した後、スイッチＴB2はターンオフになり、誘導子Ｌf に流れていた電流の微分の符号が変わり、誘導子Ｌf の両端に電圧を誘起する。ダイオードＤB1が順バイアスされ、直流リンク電圧を高めて、モータに電力を供給する。誘導子電流が制御された値まで減少すると、スイッチＴB2が再びオンに切り替わり、このサイクルが繰り返される。
【００１８】
他方、回生制動の間、高圧直流リンクからの電力が蓄電池電圧の値Ｖ´ bat に変換され、この結果、蓄電池に電流が流れ込む。特に、回生制動の間、スイッチＴB2はオフに保たれる。スイッチＴB1をターンオンし、誘導子Ｌf の電流を増加させる。電流が制御されたレベルまで増加した後、スイッチＴB1をターンオフにすると、誘導子Ｌf の電流の微分の符号が変わり、その両端に電圧を誘起する。電流は、誘導子Ｌf から蓄電池に入り、その後、順バイアスされたダイオードＤB2を介して誘導子Ｌf に戻る閉じた回路に流れる。スイッチＴB1がオフである時間の間、直流リンク電流はフィルタ・キャパシタＣdcを充電する。回生制動モードでは、高周波チョッパ作用を利用して、直流−直流変換器２０及びインバータ１０の受動形部品の規模及び重量を減少することができるようにするのが有利である。更に、蓄電池の回生電流の限界に応じて、スイッチＴB1はスイッチＴB2よりも定格電流を一層小さくすることができる。
【００１９】
図２の電気駆動システムは、モータのコーナ点の速度よりも低い速度及び軽トルクでの運転の際に効率が改善される。しかしながら、大トルク及び高速では、直流−直流変換器２０を含んでいる交流駆動システム全体の効率は、図１に示すもとの駆動システムよりも若干低くなると予想される。しかしながら、蓄電池を電源とする大抵の電気車輌の用途では、全体の駆動のうち、最大動力又はトルクの包絡値で運転されるのは極く小さい部分である。従って、最大トルクの包絡値のときにシステムの効率が低下することは、蓄電池又はエネルギ貯蔵装置の信頼性、及び故障に対する寛容度を改善する点で、妥当な兼合いである。
【００２０】
本発明の電力半導体インタフェイス回路の他の利点として、直列誘導子Ｌf が存在するために、蓄電池に加えられる交流電流リップルが減少する。
図４は本発明による他の実施例の電気駆動システムを示す図であって、それぞれが蓄電池とインバータ１０との間に直流−直流変換器インタフェイスを有している複数（ｎ個）の蓄電池が用いられている。変換器のスイッチング装置の各々は、図２の直流−直流変換器の場合に比べて１／ｎの定格電流、又は図１の従来のシステムのスイッチング装置とほぼ同じ定格電流を有している。例えば、図４のシステムは、３つの蓄電池６０〜６２と、３つの対応する直流−直流変換器インタフェイス６３〜６５とをそれぞれ有しているものとして示されている。図４のシステムは、個々の蓄電池のハード故障又はソフト故障の際に、余分の故障に対する寛容度を有することが有利である。ハード故障（例えば、短絡又は開路）が検出されたとき、それぞれの直流−直流変換器は不作動に（ディセーブル）され、駆動システムは２／３の容量で運転される。ソフト故障（即ち、蓄電池の劣化）の際には、外部の制御装置を用いて、他の２つの蓄電池と同じ電圧を保つように、劣化した蓄電池に対する負荷を減少させ、こうして、容量が低下した蓄電池に対するストレスを増やさずに、モータに対して最高の電力レベルを供給することができる。
【００２１】
図５は、低電圧の推進用蓄電池２２及び補助エネルギ貯蔵装置７０の両方を用いている本発明の他の実施例の電気駆動システムを示す。エネルギ貯蔵装置７０は、ウルトラキャパシタ・バンクを備えているものとして示されている。蓄電池２０及びウルトラキャパシタ・バンク７０は、別々の直流−直流変換器インタフェイス２０及び７２をそれぞれ介してインバータ１０に接続されている。各々の直流−直流変換器インタフェイスは、電流フィードバック、ゲート駆動及び保護の機能を有するそれ自身の局所的な制御装置４０を有している。推進源の順序制御（即ち、トルク指令に応答した、蓄電池とウルトラキャパシタ・バンクとの間の瞬時電力の配分）が制御装置３０′によって行われる。直流−直流変換器２０及び２２は両方共、双方向性であるので、システムの制御装置はウルトラキャパシタを、回生制動により、又は推進用蓄電池からのいずれかによって充電することができる。特に、ウルトラキャパシタ・バンクは、車輌の加速及び回生制動の際に、ダイナミックに大電力を送出したり、又は大電力を受け取り、こうして推進用蓄電池のピーク電力を、駆動装置の平均電力よりも若干高いレベルに下げる。従って、図５のシステムは、図２のシステムに比べて２つ余分のスイッチング装置を用いているが、直流−直流変換器インタフェイス２０がピーク電力ではなく平均電力を切り換えるので、定格電流が一層低いスイッチング装置を用いることができる。
【００２２】
図６は図５のウルトラキャパシタ・バンク７０の代わりに、超導電磁気エネルギ貯蔵装置（ＳＭＥＳ）８０を用いている本発明の他の実施例を示す。
本発明の電気駆動システムの利点は、要約すれば次のようなことを含んでいる。
（１）  直列に接続されている一層少ない数のセルを有している電圧の一層低い蓄電池モジュールを用いて、蓄電池の信頼性を改善すると共に、蓄電池の寿命を長くする。
【００２３】
（２）  蓄電池のハード及びソフト故障の際に、駆動システムの故障に対する寛容度を改善する。
（３）  直流−直流変換器インタフェイス回路に設けられている直列誘導子のために、蓄電池に印加される交流電流リップルが減少する。
（４）  容量が同じでない内部セルを有している蓄電池を用いて、運転中のシステムの性能及び制御作用が改善される。
【００２４】
（５）  各々がそれぞれの電圧範囲で動作すると共に高圧交流駆動インバータの１つの直流母線に接続されている１つ又は更に多くの直流−直流変換器インタフェイス回路を有しているような、多数の蓄電池及び／又はウルトラキャパシタ・エネルギ貯蔵装置を用いたシステムの形式を採れる。
（６）  時間のかなりの部分の間、ソフト・スイッチング動作ができる余分の制御能力があるため、インバータのスイッチング装置に対するストレスが減少する。
【００２５】
（７）  インバータのスイッチング損失が減少するために、低速及び軽トルク運転での駆動システムの効率が改善される。
（８）  あらゆる形式の交流機に対して、直流母線の電圧が一層高いために、速度範囲が一層広くなる。
本発明の好ましい実施例を図面に示して説明したが、これらの実施例が例に過ぎないことは言うまでもない。当業者には、本発明の要旨の範囲内で、種々の変更及び置換が容易に考えられよう。従って、本発明は特許請求の範囲の要旨のみによって限定されることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】蓄電池に直接接続されているインバータを有している従来の電気駆動装置の回路図である。
【図２】本発明の一実施例によるインタフェイス回路を含んでいる交流電気駆動装置の回路図である。
【図３】本発明による交流電気駆動装置を制御するときの、直流リンク電圧対モータ速度及びその結果得られるトルクの包絡線の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の他の実施例による交流電気駆動装置の回路図である。
【図５】本発明の更に他の実施例による交流電気駆動装置の回路図である。
【図６】本発明の他の実施例による交流電気駆動装置の回路図である。
【符号の説明】
１０  インバータ
１４  モータ
２０  直流−直流変換器
２２  蓄電池
３０  電気車輌駆動システム制御装置
３２  タコメータ
３４、４２  電流センサ
３６、４４  電圧センサ
４０  直流−直流制御装置
４６  効率調整器
４８  電圧制御ブロック
５０  ゲート制御器
【図１】
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【図２】
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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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