УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК B60L53/24 

Область техники

Изобретение относится к устройству электропитания.

Уровень техники

В преобразователе мощности для транспортного средства с электрическим приводом, описанном в публикации нерассмотренной заявки на патент Японии № 2007-252074 (JP 2007-252074 A), инвертор для возбуждения мотор-генератора также функционирует как зарядное устройство, так что представляется возможным минимизировать части транспортного средства, используемые для зарядки аккумулятора с помощью зарядного устройства переменного тока (AC), которое является внешним зарядным устройством, тем самым, уменьшая вес и стоимость транспортного средства с электрическим приводом.

Сущность изобретения

Однако, технология, описанная в JP 2007-252074 A, существует для AC-зарядки, а не для зарядки с помощью постоянного тока (DC). В последнее время, в качестве DC-зарядного устройства, используемого для зарядки аккумулятора для возбуждения мотор-генератора, установленного в транспортном средстве с электрическим приводом, например, используются два вида зарядных устройств, имеющих максимальные напряжения класса 400 В (150 кВт) и класса 800 В (350 кВт), соответственно. Также, DC-зарядное устройство требует наличия возможности заряжать аккумулятор согласно множеству стандартов напряжения в транспортном средстве с электрическим приводом.

Настоящее изобретение предоставляет устройство электропитания, которое может заряжать аккумуляторную батарею с помощью DC-зарядного устройства, соответствующего множеству стандартов напряжения.

Устройство электропитания согласно одному аспекту настоящего изобретения включает в себя: аккумуляторную батарею; блок конденсаторов, в котором первый конденсатор и второй конденсатор соединяются последовательно между положительной клеммой и отрицательной клеммой аккумуляторной батареи; преобразователь мощности, включающий в себя U-фазу, V-фазу и W-фазу, соединенные с аккумуляторной батареей параллельно, U-фаза, V-фаза и W-фаза являются трехуровневыми инверторами соответственно, и каждый из трехуровневых инверторов включает в себя: первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент, соединенные последовательно; первый диод, катод которого соединяется с межсоединением, соединяющим первый переключающий элемент и второй переключающий элемент, и анод которого соединяется с межсоединением, соединяющим первый конденсатор и второй конденсатор; и второй диод, анод которого соединяется с межсоединением, соединяющим третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент, и катод которого соединяется с межсоединением, соединяющим первый конденсатор и второй конденсатор, каждый из трехуровневых инверторов конфигурируется, чтобы выборочно выводить, мотор-генератору, напряжение какого-либо одного из трех различных значений напряжения, включая и выключая каждый из первого переключающего элемента, второго переключающего элемента, третьего переключающего элемента и четвертого переключающего элемента; устройство управления, сконфигурированное, чтобы управлять включением и выключением каждого из первого переключающего элемента, второго переключающего элемента, третьего переключающего элемента и четвертого переключающего элемента преобразователя мощности; первую соединительную клемму, электрически соединенную с P-клеммой зарядного устройства постоянного тока и расположенную между первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом в какой-либо одной из U-фазы, V-фазы и W-фазы; и вторую соединительную клемму, электрически соединенную с N-клеммой зарядного устройства постоянного тока и расположенную между третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом в другой фазе из U-фазы, V-фазы и W-фазы.

Дополнительно, в вышеописанном аспекте, в котором режим управления устройства управления может включать в себя первый режим заряда, в котором аккумуляторная батарея заряжается без повышения мощности от зарядного устройства постоянного тока, и второй режим заряда, в котором аккумуляторная батарея заряжается посредством повышения мощности от зарядного устройства постоянного тока.

По существу, включая в себя первый режим зарядки и второй режим зарядки, аккумуляторная батарея может быть заряжена в случае, в котором максимальное напряжение зарядного устройства постоянного тока равно или выше напряжения аккумуляторной батареи, а также в случае, в котором максимальное напряжение ниже напряжения аккумуляторной батареи, так что представляется возможным заряжать аккумуляторную батарею с помощью зарядного устройства постоянного тока согласно множеству стандартов напряжения.

Дополнительно, в вышеописанном аспекте, во втором режиме зарядки, устройство управления может быть сконфигурировано, чтобы управлять включением и выключением каждого из первого переключающего элемента, второго переключающего элемента, третьего переключающего элемента и четвертого переключающего элемента преобразователя мощности, так что первый конденсатор и второй конденсатор поочередно заряжаются мощностью от зарядного устройства постоянного тока.

По существу, возможно заряжать аккумуляторную батарею посредством повышения мощности от зарядного устройства постоянного тока без порождения протекания тока через мотор-генератор.

Дополнительно, в вышеописанном аспекте, устройство управления может быть сконфигурировано, чтобы: когда первый конденсатор заряжается с помощью мощности от зарядного устройства постоянного тока, включать первый переключающий элемент в одной фазе, имеющей первую соединительную клемму, среди U-фазы, V-фазы и W-фазы, и второй переключающий элемент и третий переключающий элемент в другой фазе, имеющей вторую соединительную клемму, и выключать остальные переключающие элементы, и когда второй конденсатор заряжается с помощью мощности от зарядного устройства постоянного тока, включать второй переключающий элемент и третий переключающий элемент в одной фазе, имеющей первую соединительную клемму, среди U-фазы, V-фазы и W-фазы, и четвертый переключающий элемент в другой фазе, имеющей вторую соединительную клемму, и выключать остальные переключающие элементы.

По существу, возможно поочередно заряжать первый конденсатор и второй конденсатор мощностью от зарядного устройства постоянного тока и поочередно увеличивать напряжения первого конденсатора и второго конденсатора.

Дополнительно, в вышеописанном аспекте, устройство управления может быть сконфигурировано, чтобы, во время первого режима зарядки, поддерживать включенные состояния первого переключающего элемента в одной фазе, имеющей первую соединительную клемму, среди U-фазы, V-фазы и W-фазы, и четвертого переключающего элемента в другой фазе, имеющей вторую соединительную клемму, и поддерживать выключенные состояния остальных переключающих элементов.

По существу, возможно обеспечивать долговечность переключающего элемента, через который ток протекает. Кроме того, поскольку включенное или выключенное состояние каждого переключающего элемента преобразователя мощности фиксируется во время зарядки в первом режиме зарядки, представляется возможным уменьшать потерю на переключение.

В устройстве электропитания согласно вышеупомянутому аспекту настоящего изобретения, аккумуляторная батарея может заряжаться зарядным устройством постоянного тока, соответствующим множеству стандартов напряжения, посредством электрического соединения P-клеммы зарядного устройства постоянного тока между первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом в какой-либо одной из U-фазы, V-фазы и W-фазы, каждый из которых является трехуровневым инвертором в преобразователе мощности, и посредством электрического соединения N-клеммы зарядного устройства постоянного тока между третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом в другой фазе.

Краткое описание чертежей

Признаки, преимущества и техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 - схема конфигурации системы питания согласно варианту осуществления;

Фиг. 2 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы питания согласно варианту осуществления;

Фиг. 3 - схема, иллюстрирующая состояние цепи, когда аккумулятор заряжается DC-зарядным устройством в режиме прямого соединения;

Фиг. 4 - схема, иллюстрирующая состояние цепи, в котором зарядка конденсатора C1 находится во включенном состоянии, когда аккумулятор заряжается посредством DC-зарядного устройства в режиме повышения мощности.

Фиг. 5 - схема, иллюстрирующая состояние цепи, в котором зарядка конденсатора C2 находится во включенном состоянии, когда аккумулятор заряжается посредством DC-зарядного устройства в режиме повышения мощности;

Фиг. 6 - схема, иллюстрирующая один пример моментов переключения между состоянием, в котором зарядка конденсатора C1 является включенной, и состоянием, в котором зарядка конденсатора C2 является включенной;

Фиг. 7A - график, иллюстрирующий изменения напряжения аккумулятора и напряжения конденсатора по времени в течение режима повышения мощности; и

Фиг. 7B - график, иллюстрирующий изменение тока, протекающего через конденсаторы, по времени в течение режима повышения мощности.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Далее в данном документе будет описан вариант осуществления устройства электропитания согласно настоящему изобретению. Однако, настоящее изобретение не ограничивается вариантом осуществления.

Фиг. 1 представляет собой схему конфигурации системы питания согласно варианту осуществления. Система питания согласно варианту осуществления применяется к транспортному средству с электрическим приводом, которое может двигаться с помощью мощности, такому как электрическое транспортное средство, гибридное транспортное средство, подключаемое гибридное транспортное средство (PHV) и электрическое транспортное средство с расширенным диапазоном (REEV).

Система питания согласно варианту осуществления включает в себя устройство 10 электропитания, мотор-генератор 20, DC-зарядное устройство 30 и т.п. Кроме того, в системе питания согласно варианту осуществления, устройство 10 электропитания и мотор-генератор 20 устанавливаются на транспортное средство с электрическим приводом, а DC-зарядное устройство 30 предусматривается во внешнем зарядном оборудовании, и т.п., предусмотренном внешне по отношению к транспортному средству с электрическим приводом.

Устройство 10 электропитания включает в себя аккумулятор 12, блок 16 конденсаторов, преобразователь 18 мощности, зарядное релейное устройство 40, электронный блок управления (ECU) 60 и т.п. Устройство 10 электропитания электрически соединяется с мотор-генератором 20.

Аккумулятор 12 является аккумуляторной батареей, которая может заряжаться и разряжаться как высоковольтная аккумуляторная батарея. В качестве аккумулятора 12, например, никель-кадмиевый аккумулятор и свинцовая аккумуляторная батарея могут быть использованы в дополнение к литиево-ионной аккумуляторной батарее и никелево-водородной аккумуляторной батарее.

Блок 16 конденсаторов включает в себя первый конденсатор C1 и второй конденсатор C2, соединенные друг с другом последовательно между положительной клеммой (положительной шиной 22) аккумулятора 12 и отрицательной клеммой (отрицательной шиной 22) аккумулятора 12. Конденсатор C1 и конденсатор C2 соединяются друг с другом в нейтральной точке NP1. Другими словами, одна клемма одной стороны конденсатора C1 соединяется с положительной шиной 22, а одна клемма другой его стороны соединяется с нейтральной точкой NP1. Кроме того, одна клемма одной стороны конденсатора C2 соединяется с нейтральной точкой NP1, и одна клемма другой его стороны соединяется с отрицательной шиной 24. Следовательно, предполагая, что конденсаторы C1, C2 заряжаются и разряжаются одинаковым образом и всегда накапливают одинаковую величину электрического заряда, напряжение нейтральной точки, которое является напряжением между нейтральной точкой NP1 и отрицательной шиной 24, фиксируется в половине напряжения аккумулятора 12. Напряжение нейтральной точки соответствует напряжению VC2 между клеммами конденсатора C2. Кроме того, напряжение VC1 на фиг. 1 является напряжением между клеммами конденсатора C1.

Преобразователь 18 мощности включает в себя верхнюю ветвь, в которую подается положительное напряжение, которое является напряжением между положительной шиной 22 и нейтральной точкой NP1, и нижнюю ветвь, в которую подается отрицательное напряжение, которое является напряжением между нейтральной точкой NP1 и отрицательной шиной 24. В преобразователе 18 мощности верхняя ветвь и нижняя ветвь мультиплексируются и размещаются последовательно между положительной шиной 22 и отрицательной шиной 24. Преобразователь 18 мощности может выводить трехуровневое трехфазное AC-напряжение мотор-генератору 20.

Дополнительно, преобразователь 18 мощности включает в себя ветвь U-фазы, которая выводит напряжение U-фазы мотор-генератору 20, ветвь V-фазы, которая выводит напряжение V-фазы мотор-генератору 20, и ветвь W-фазы, которая выводит напряжение W-фазы мотор-генератору 20.

В ветви U-фазы первый переключающий элемент SU1, второй переключающий элемент SU2, третий переключающий элемент SU3 и четвертый переключающий элемент SU4 соединяются последовательно, в таком порядке, от положительной шины 22 по направлению к отрицательной шине 24. Каждый из переключающих элементов SU1, SU2, SU3, SU4 имеет конфигурацию, в которой диод обратной цепи соединяется с полупроводниковым элементом обратно-параллельно. Соединение обратно-параллельно означает, что, например, катодная клемма диода соединяется с коллекторной клеммой полупроводникового элемента, а анодная клемма диода соединяется с эмиттерной клеммой полупроводникового элемента. Промежуточная точка PU1 (первая промежуточная точка) в качестве соединительного фрагмента на межсоединении, соединяющем первый переключающий элемент SU1 и второй переключающий элемент SU2, и промежуточная точка PU2 (вторая промежуточная точка) в качестве соединительного фрагмента на межсоединении, соединяющем третий переключающий элемент SU3 и четвертый переключающий элемент SU4, соединяются посредством диодов DU1, DU2 таким образом, что анодная сторона двух диодов DU1, DU2, соединенных друг с другом последовательно, соединяется с промежуточной точкой PU2, а их катодная сторона соединяется с промежуточной точкой PU1. Точка соединения на межсоединении, соединяющем два диода DU1, DU2, соединяется с нейтральной точкой NP1 блока 16 конденсаторов. Другими словами, катодная сторона диода DU1 соединяется с промежуточной точкой PU1, а его анодная сторона соединяется с нейтральной точкой NP1. Кроме того, анодная сторона диода DU2 соединяется с промежуточной точкой PU2, а его катодная сторона соединяется с нейтральной точкой NP1. В такой конфигурации напряжение U-фазы выводится мотор-генератору 20 от точки соединения между вторым переключающим элементом SU2 и третьим переключающим элементом SU3.

В ветви V-фазы первый переключающий элемент SV1, второй переключающий элемент SV2, третий переключающий элемент SV3 и четвертый переключающий элемент SV4 соединяются последовательно, в таком порядке, от положительной шины 22 по направлению к отрицательной шине 24. Каждый из переключающих элементов SV1, SV2, SV3, SV4 имеет конфигурацию, в которой диод обратной цепи соединяется с полупроводниковым элементом обратно-параллельно. Промежуточная точка PV1 (первая промежуточная точка) в качестве соединительного фрагмента на межсоединении, соединяющем первый переключающий элемент SV1 и второй переключающий элемент SV2, и промежуточная точка PV2 (вторая промежуточная точка) в качестве соединительного фрагмента на межсоединении, соединяющем третий переключающий элемент SV3 и четвертый переключающий элемент SV4, соединяются посредством диодов DV1, DV2 таким образом, что анодная сторона двух диодов DV1, DV2, соединенных друг с другом последовательно, соединяется с промежуточной точкой PV2, а их катодная сторона соединяется с промежуточной точкой PV1. Точка соединения на межсоединении, соединяющем два диода DV1, DV2, соединяется с нейтральной точкой NP1 блока 16 конденсаторов. Другими словами, катодная сторона диода DV1 соединяется с промежуточной точкой PV1, а его анодная сторона соединяется с нейтральной точкой NP1. Кроме того, анодная сторона диода DV2 соединяется с промежуточной точкой PV2, а его катодная сторона соединяется с нейтральной точкой NP1. В такой конфигурации напряжение V-фазы выводится мотор-генератору 20 от точки соединения между вторым переключающим элементом SV2 и третьим переключающим элементом SV3.

В ветви W-фазы первый переключающий элемент SW1, второй переключающий элемент SW2, третий переключающий элемент SW3 и четвертый переключающий элемент SW4 соединяются последовательно, в таком порядке, от положительной шины 22 по направлению к отрицательной шине 24. Каждый из переключающих элементов SW1, SW2, SW3, SW4 имеет конфигурацию, в которой диод обратной цепи соединяется с полупроводниковым элементом обратно-параллельно. Промежуточная точка PW1 (первая промежуточная точка) в качестве соединительного фрагмента на межсоединении, соединяющем первый переключающий элемент SW1 и второй переключающий элемент SW2, и промежуточная точка PW2 (вторая промежуточная точка) в качестве соединительного фрагмента на межсоединении, соединяющем третий переключающий элемент SW3 и четвертый переключающий элемент SW4, соединяются посредством диодов DW1, DW2 таким образом, что анодная сторона двух диодов DW1, DW2, соединенных друг с другом последовательно, соединяется с промежуточной точкой PW2, а их катодная сторона соединяется с промежуточной точкой PW1. Точка соединения на межсоединении, соединяющем два диода DW1, DW2, соединяется с нейтральной точкой NP1 блока 16 конденсаторов. Другими словами, катодная сторона диода DW1 соединяется с промежуточной точкой PW1, а его анодная сторона соединяется с нейтральной точкой NP1. Кроме того, анодная сторона диода DW2 соединяется с промежуточной точкой PW2, а его катодная сторона соединяется с нейтральной точкой NP1. В такой конфигурации напряжение W-фазы выводится мотор-генератору 20 от точки соединения между вторым переключающим элементом SW2 и третьим переключающим элементом SW3.

В настоящем варианте осуществления, в качестве каждого переключающего элемента преобразователя 18 мощности, может быть использован биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), или т.п.

Мотор-генератор 20 является ротационной электрической машиной, установленной на электрическое транспортное средство. Мотор-генератор 20 функционирует как мотор, когда DC-напряжение, выводимое от аккумулятора 12, преобразуется в трехфазное AC-напряжение посредством преобразователя 18 мощности и подается, и формирует приводящее усилие для движения транспортного средства. С другой стороны, мотор-генератор 20 функционирует как генератор, когда транспортное средство тормозит, рекуперирует энергию торможения и выводит энергию торможения в качестве трехфазного AC-напряжения. Затем, трехфазное AC-напряжение преобразуется в DC-напряжение посредством преобразователя 18 мощности и подается к аккумулятору 12, так что аккумулятор 12 заряжается.

DC-зарядное устройство 30 является внешним зарядным устройством, предусмотренным внешне по отношению к транспортному средству, которое заряжает аккумулятор 12. DC-зарядное устройство 30 включает в себя P-клемму (положительную клемму) 32P и N-клемму (отрицательную клемму) 32N, которые являются двумя клеммами, электрически соединенными со стороной устройства 10 электропитания в блоке 50 соединения зарядного устройства, который включает в себя штепсель (не показан) DC-зарядного устройства 30 и соединитель (не показан) на стороне транспортного средства. Зарядное релейное устройство 40, имеющее зарядные реле 42P, 42N, и дроссель 44P предусматриваются между блоком 50 присоединения зарядного устройства и преобразователем 18 мощности.

Как проиллюстрировано на фиг. 1, P-клемма 32P DC-зарядного устройства 30 электрически соединяется с промежуточной точкой PV1 между первым переключающим элементом SV1 и вторым переключающим элементом SV2 в ветви V-фазы через зарядное реле 42P и дроссель 44P. Дополнительно, N-клемма 32N DC-зарядного устройства 30 электрически соединяется с промежуточной точкой PU2 между третьим переключающим элементом SU3 и четвертым переключающим элементом SU4 в ветви U-фазы через зарядное реле 42N.

Кроме того, в устройстве 10 электропитания согласно варианту осуществления, промежуточные точки PU1, PV1, PW1, каждая из которых является первой промежуточной точкой в трехуровневом инверторе одной фазы среди ветви U-фазы, ветви V-фазы и ветви W-фазы, соединяются с P-клеммой 32P DC-зарядного устройства 30, и промежуточные точки PU2, PV2, PW2, каждая из которых является второй промежуточной точкой в трехуровневом инверторе другой фазы, соединяются с N-клеммой 32N DC-зарядного устройства 30.

Как описано выше, в устройстве 10 электропитания согласно варианту осуществления, первая промежуточная точка в трехуровневом инверторе одной фазы среди ветви U-фазы, ветви V-фазы и ветви W-фазы используется в качестве первой соединительной клеммы, электрически соединенной с P-клеммой 32P DC-зарядного устройства 30. Кроме того, вторая промежуточная точка в трехуровневом инверторе другой фазы среди ветви U-фазы, ветви V-фазы и ветви W-фазы используется в качестве второй соединительной клеммы, электрически соединенной с N-клеммой 32N DC-зарядного устройства 30.

Устройство 10 электропитания согласно варианту осуществления имеет конфигурацию зарядки аккумулятора 12 с помощью DC-зарядного устройства 30, соответствующего множеству стандартов напряжения, посредством электрического соединения P-клеммы 32P DC-зарядного устройства 30 с точкой (первой промежуточной точкой) между первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом в какой-либо одной из U-фазы, V-фазы и W-фазы, каждая из которых является трехуровневым инвертором в преобразователе 18 мощности, и электрического соединения N-клеммы 32N DC-зарядного устройства 30 с точкой (второй промежуточной точкой) между третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом друг с другом.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую конфигурацию системы питания согласно варианту осуществления. ECU 60 является электронным устройством управления, которое управляет работой устройства 10 электропитания, и т.п. ECU 60 включает в себя блок 62 управления зарядкой, блок 64 формирования стробирующего сигнала и т.п. На фиг. 2 "VB" ссылается на напряжение аккумулятора, а "VH" ссылается на напряжение зарядки.

Различные сигналы вводятся в блок 62 управления зарядкой. Примеры сигналов включают в себя командный сигнал мощности зарядки, выводимый из блока управления системой (не показан), сигнал фазы напряжения, выводимый из вольтметра (не показан), предусмотренного в преобразователе 18 мощности, сигналы напряжений VC1, VC2 конденсаторов C1, C2, выводимые из вольтметра (не показан), предусмотренного в блоке 16 конденсатора, и информационный сигнал зарядного устройства, выводимый из DC-зарядного устройства 30. Дополнительно, блок 62 управления зарядкой выводит, в блок 64 формирования стробирующего сигнала, например, скважность, полученную из командного сигнала мощности зарядки, сигнала фазы напряжения, сигналов напряжений VC1, VC2 и т.п. Блок 64 формирования стробирующего сигнала формирует стробирующий сигнал для включения и выключения каждого переключающего элемента преобразователя 18 мощности и выводит сформированный стробирующий сигнал каждому переключающему элементу.

В устройстве 10 электропитания согласно варианту осуществления, когда аккумулятор 12 заряжается DC-зарядным устройством 30, режим управления ECU 60 включает в себя режим прямого соединения, который является первым режимом зарядки, применяемым, когда максимальное напряжение DC-зарядного устройства 30 равно или выше напряжения VB аккумулятора, и режим повышения мощности, который является вторым режимом зарядки, применяемым, когда максимальное напряжение DC-зарядного устройства 30 ниже напряжения VB аккумулятора. В режиме прямого соединения аккумулятор 12 заряжается без повышения мощности от DC-зарядного устройства 30. В режиме повышения мощности аккумулятор 12 заряжается посредством повышения мощности от DC-зарядного устройства 30. Кроме того, в устройстве 10 электропитания согласно варианту осуществления, и в режиме прямого соединения и в режиме повышения мощности, аккумулятор 12 заряжается без порождения протекания тока от DC-зарядного устройства 30 к мотор-генератору 20.

Блок 62 управления зарядкой сравнивает максимальное напряжение DC-зарядного устройства 30 с напряжением VB аккумулятора на основе информационного сигнала зарядного устройства от DC-зарядного устройства 30. Затем, когда максимальное напряжение DC-зарядного устройства 30 является равным или более высоким по сравнению с напряжением VB аккумулятора, аккумулятор 12 заряжается посредством DC-зарядного устройства 30 в режиме прямого соединения. С другой стороны, когда максимальное напряжение DC-зарядного устройства 30 ниже напряжения VB аккумулятора, аккумулятор 12 заряжается посредством DC-зарядного устройства 30 в режиме повышения мощности.

Дополнительно, например, оператор, такой как водитель, может приводить в действие переключатель, или т.п., предусмотренный в транспортном средстве с электрическим приводом, на котором устройство 10 электропитания установлено, на основе спецификации (максимального напряжения) DC-зарядного устройства 30, чтобы выбирать между режимом прямого соединения и режимом повышения мощности.

Фиг. 3 представляет собой схему, иллюстрирующую состояние цепи, когда аккумулятор 12 заряжается посредством DC-зарядного устройства 30 в режиме прямого соединения. На фиг. 3 максимальное напряжение DC-зарядного устройства 30 равно 800 В, и напряжение VB аккумулятора равно 800 В. Кроме того, на фиг. 3, переключающие элементы, которые включены, обведены кругами.

Как проиллюстрировано на фиг. 3, когда аккумулятор 12 заряжается посредством DC-зарядного устройства 30 в режиме прямого соединения, сначала, ECU 60 включает четвертый переключающий элемент SU4 ветви U-фазы и первый переключающий элемент SV1 ветви V-фазы и выключает остальные переключающие элементы. Затем, ECU 60 включает зарядные реле 42P, 42N зарядного релейного устройства 40 и подает DC-напряжение от DC-зарядного устройства 30 к аккумулятору 12 через преобразователь 18 мощности, чтобы заряжать аккумулятор 12.

ECU 60 может выключать четвертый переключающий элемент SU4 и первый переключающий элемент SV1, поскольку ток протекает через их соответствующие диоды обратной цепи. По существу, поскольку все переключающие элементы преобразователя 18 мощности являются выключенными, нет необходимости выполнять действие для включения и выключения каждого переключающего элемента преобразователя 18 мощности, эффективность зарядки может быть увеличена, и инверторный элемент и механизм охлаждения для зарядки не должны добавляться. С другой стороны, включая четвертый переключающий элемент SU4 и первый переключающий элемент SV1, возможно обеспечивать долговечность четвертого переключающего элемента SU4 и первого переключающего элемента SV1, когда ток протекает через них.

Кроме того, в режиме прямого соединения, поскольку включенное или выключенное состояние каждого переключающего элемента преобразователя 18 мощности является фиксированным во время зарядки, потеря на переключение может быть уменьшена.

Фиг. 4 представляет собой схему, иллюстрирующую состояние цепи, в котором зарядка конденсатора C1 находится во включенном состоянии, когда аккумулятор 12 заряжается DC-зарядным устройством 30 в режиме повышения мощности. Фиг. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую состояние цепи, в котором зарядка конденсатора C2 находится во включенном состоянии, когда аккумулятор 12 заряжается DC-зарядным устройством 30 в режиме повышения мощности. Дополнительно, на фиг. 4 и 5 переключающие элементы, которые включены, обведены кругами. Фиг. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую один пример моментов переключения между состоянием, в котором зарядка конденсатора C1 является включенной, и состоянием, в котором зарядка конденсатора C2 является включенной.

В настоящем варианте осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 4, состояние, в котором ток протекает от DC-зарядного устройства 30 к конденсатору C1, так что конденсатор С1 заряжается в режиме повышения мощности, называется "зарядка конденсатора C1 находится во включенном состоянии". Дополнительно, в настоящем варианте осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 5, состояние, в котором ток протекает от DC-зарядного устройства 30 к конденсатору C2, так что конденсатор С2 заряжается в режиме повышения мощности, называется "зарядка конденсатора C2 находится во включенном состоянии".

Кроме того, в режиме повышения мощности, блок 62 управления зарядкой выполняет управление по обратной связи (PI-управление), так что соответствующие напряжения VC1, VC2 конденсаторов C1, C2 уравниваются. В этом управлении по обратной связи (PI-управлении), скважность, когда зарядка конденсатора C1 находится во включенном состоянии, и скважность, когда зарядка конденсатора C2 находится во включенном состоянии, как представлено прямоугольным импульсом на фиг. 6, вычисляются с помощью следующего уравнения (1). На фиг. 6 "T" ссылается на период несущей частоты. Дополнительно, на фиг. 6, высокий уровень прямоугольного импульса означает, что зарядка конденсатора C1 находится во включенном состоянии, а низкий уровень прямоугольного импульса означает, что зарядка конденсатора C2 находится во включенном состоянии.

duty = K_p (VC2 - VC1) + K_iʃ (VC2 - VC1) dt … (1)

В вышеприведенном уравнении (1) "K_p" представляет пропорциональный коэффициент усиления, а "K_i" представляет интегральный коэффициент усиления.

Информация о скважности, вычисленной, как показано выше, выводится из блока 62 управления зарядкой в блок 64 формирования стробирующего сигнала.

В режиме повышения мощности блок 64 формирования стробирующего сигнала формирует стробирующий сигнал для включения и выключения каждого переключающего элемента преобразователей 18 мощности на основе скважности, продолжительности T периода несущей частоты и т.п. и выводит сформированный стробирующий сигнал каждому переключающему элементу, так что заряд конденсатора C1 или заряд конденсатора C2 находится во включенном состоянии.

Когда аккумулятор 12 заряжается посредством DC-зарядного устройства 30 в режиме повышения мощности, сначала, напряжения VC1, VC2 конденсаторов C1, C2, которые заряжаются с помощью мощности от аккумулятора 12, соответственно, должны быть 400 В, что равно 1/2 напряжения VB аккумулятора (800 В). Напряжение DC-зарядного устройства 30 также задается в 400 В, что равно 1/2 напряжения VB аккумулятора (800 В). Напряжение DC-зарядного устройства 30 может быть слегка выше 1/2 напряжения VB аккумулятора.

Затем, например, как проиллюстрировано на фиг. 4, ECU 60 переключает зарядку конденсатора C1 во включенное состояние. Другими словами, ECU 60 включает второй переключающий элемент SU2 и третий переключающий элемент SU3 в ветви U-фазы, и первый переключающий элемент SV1 в ветви V-фазы, и выключает остальные переключающие элементы. По существу, ток, выводимый от P-клеммы 32P DC-зарядного устройства 30 к промежуточной точке PV1 ветви V-фазы, протекает через первый переключающий элемент SV1 ветви V-фазы, конденсатор C1 и второй переключающий элемент SU2 и третий переключающий элемент SU3 ветви U-фазы и подается от промежуточной точки PU2 ветви U-фазы на N-клемму 32N DC-зарядного устройства 30. По существу, когда зарядка конденсатора C1 находится во включенном состоянии, конденсатор C1 заряжается с помощью мощности от DC-зарядного устройства 30, и, таким образом, напряжение VC1 увеличивается. Зарядка конденсатора C1 посредством DC-зарядного устройства 30 выполняется до тех пор, пока напряжение VH зарядки (напряжение VC1+напряжение VC2) не достигнет предварительно определенного напряжения, которое выше напряжения VB аккумулятора. Предварительно определенное напряжение может быть, например, выше 800 В. После этого, когда определяется, что сумма напряжений VC1, VC2 превышает 800 В, на основе значений напряжений VC1, VC2, выводимых от вольтметра, предусмотренного в блоке 16 конденсаторов, блок 62 управления зарядкой заканчивает зарядку конденсатора C1 посредством DC-зарядного устройства 30.

Дополнительно, ECU 60 может выключать первый переключающий элемент SV1, поскольку ток протекает через его диод обратной цепи. С другой стороны, посредством включения первого переключающего элемента SV1, возможно обеспечивать долговечность первого переключающего элемента SV1, когда ток протекает через него.

Далее, как проиллюстрировано на фиг. 5, ECU 60 переключается из состояния, в котором зарядка конденсатора C1 находится во включенном состоянии, в состояние, в котором зарядка конденсатора C2 включена. Другими словами, ECU 60 включает четвертый переключающий элемент SU4 в ветви U-фазы и второй переключающий элемент SV2 и третий переключающий элемент SV3 в ветви V-фазы, и выключает остальные переключающие элементы. По существу, в состоянии, в котором напряжение VH зарядки выше напряжения VB аккумулятора, зарядка конденсатора C1 посредством DC-зарядного устройства 30 прекращается, и мощность, накопленная в конденсаторе C1, разряжается и подается в аккумулятор 12, так что аккумулятор 12 заряжается.

Кроме того, когда зарядка конденсатора C2 находится во включенном состоянии, ток, выводимый с P-клеммы 32P DC-зарядного устройства 30 к промежуточной точке PV1 ветви V-фазы, протекает через второй переключающий элемент SV2 и третий переключающий элемент SV3 в ветви V-фазы, конденсатор C2, четвертый переключающий элемент SU4 в ветви U-фазы и подается от промежуточной точки PU2 ветви U-фазы к N-клемме 32N DC-зарядного устройства 30. По существу, когда зарядка конденсатора C2 находится во включенном состоянии, конденсатор C2 заряжается с помощью мощности от DC-зарядного устройства 30, и, таким образом, напряжение VC2 увеличивается. Зарядка конденсатора C2 посредством DC-зарядного устройства 30 выполняется до тех пор, пока напряжение VH зарядки не достигнет предварительно определенного напряжения, которое выше напряжения VB аккумулятора. Предварительно определенное напряжение может быть, например, выше 800 В. После этого, когда определяется, что сумма напряжений VC1, VC2 превышает 800 В, на основе значений напряжений VC1, VC2, выводимых от вольтметра, предусмотренного в блоке 16 конденсаторов, блок 62 управления зарядкой заканчивает зарядку конденсатора C2 посредством DC-зарядного устройства 30.

Кроме того, ECU 60 может выключать четвертый переключающий элемент SU4, поскольку ток протекает через его диод обратной цепи. С другой стороны, посредством включения четвертого переключающего элемента SU4, возможно обеспечивать долговечность четвертого переключающего элемента SU4, когда ток протекает через него.

Далее, ECU 60 переключается из состояния, в котором зарядка конденсатора C2 является включенной, в состояние, в котором зарядка конденсатора C1 является включенной. По существу, в состоянии, в котором напряжение VH зарядки выше напряжения VB аккумулятора, зарядка конденсатора C2 посредством DC-зарядного устройства 30 прекращается, и мощность, накопленная в конденсаторе C2, разряжается и подается в аккумулятор 12, так что аккумулятор 12 заряжается.

Фиг. 7A представляет собой график, иллюстрирующий изменения напряжения VB аккумулятора и напряжений VC1, VC2 конденсаторов C1, C2 со временем в течение режима повышения мощности. Фиг. 7B представляет собой график, иллюстрирующий изменение токов IC1, IC2, протекающих через конденсаторы C1, C2, со временем в течение режима повышения мощности. Кроме того, на фиг. 7B, конденсаторы C1, C2 заряжаются на положительной стороне тока относительно 0 A, и конденсаторы C1, C2 разряжаются на отрицательной стороне тока относительно 0 А.

В режиме повышения мощности, посредством поочередного переключения зарядки конденсатора C1 и зарядки конденсатора C2 во включенное состояние, как проиллюстрировано на фиг. 7A и 7B, зарядка и разрядка конденсаторов C1, C2 поочередно выполняются, и напряжение VH зарядки (напряжение VC1+напряжение VC2), подаваемое от DC-зарядного устройства 30 к аккумулятору 12, повышается до более высокого по сравнению с напряжением VB аккумулятора. По этой причине, даже когда максимальное напряжение DC-зарядного устройства 30 ниже напряжения VB аккумулятора, аккумулятор 12 может заряжаться посредством DC-зарядного устройства 30.

Дополнительно, в режиме повышения мощности, поскольку мощность не подается к мотор-генератору 20, повышение мощности не выполняется с помощью катушки мотор-генератора 20 в качестве дросселя. По этой причине, поскольку мотор-генератор 20 не вращается во время зарядки в режиме повышения мощности, нет необходимости предусматривать реле, которое может отключать электропитание между устройством 10 электропитания и мотор-генератором 20, так что представляется возможным добиваться уменьшения в стоимости и размере.

Кроме того, в режиме повышения мощности, поскольку разница напряжений между конденсаторами C1, C2 и DC-зарядным устройством 30 является близкой к 0 В, пульсация тока вследствие разницы напряжений может быть уменьшена. По существу, поскольку размер дросселя, предусмотренного между DC-зарядным устройством 30 и преобразователем 18 мощности, может быть уменьшен, или дроссель между DC-зарядным устройством 30 и преобразователем 18 мощности может быть устранен, представляется возможным добиваться уменьшения в стоимости и размере и высокой эффективности устройства 10 электропитания.

Как описано выше, в устройстве 10 электропитания согласно варианту осуществления, посредством включения режима прямого соединения и режима повышения мощности в режим управления, аккумулятор 12, который является высоковольтным аккумулятором, может заряжаться посредством как DC-зарядных устройств 30, имеющих, например, класс 400 В, так и имеющих класс 800 В, соответствующих множеству стандартов напряжения.

Дополнительно, в устройстве 10 электропитания согласно варианту осуществления, преобразователь 18 мощности может быть сконфигурирован с помощью инвертора, имеющего большее число уровней по сравнению с трехуровневым инвертором. В этом случае, P-клемма 32P и N-клемма 32N DC-зарядного устройства 30 электрически соединяются между переключающими элементами, отличными от переключающих элементов, которые выводят мощность от преобразователя 18 мощности к мотор-генератору 20.

Изобретение относится к области электротехники. Устройство электропитания включает в себя аккумуляторную батарею, блок конденсаторов, соединенный с аккумуляторной батареей, преобразователь мощности, включающий в себя три фазы, соединенных с аккумуляторной батареей параллельно, устройство управления, сконфигурированное, чтобы управлять включением и выключением переключающих элементов, включенных в три фазы, соответственно, первую соединительную клемму, соединенную с P-клеммой DC-зарядного устройства и расположенную между первым и вторым переключающими элементами в какой-либо одной из трех фаз, и вторую соединительную клемму, соединенную с N-клеммой DC-зарядного устройства и расположенную между третьим и четвертым переключающими элементами в другой фазе из трех фаз. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство электропитания, содержащее:

аккумуляторную батарею;

блок конденсаторов, в котором первый конденсатор и второй конденсатор соединены последовательно между положительной клеммой и отрицательной клеммой аккумуляторной батареи;

преобразователь мощности, включающий в себя U-фазу, V-фазу и W-фазу, соединенные с аккумуляторной батареей параллельно, причем U-фаза, V-фаза и W-фаза являются трехуровневыми инверторами соответственно, и каждый из трехуровневых инверторов включает в себя:

- первый переключающий элемент, второй переключающий элемент, третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент, соединенные последовательно;

- первый диод, катод которого соединен с межсоединением, соединяющим первый переключающий элемент и второй переключающий элемент, а анод которого соединен с межсоединением, соединяющим первый конденсатор и второй конденсатор; и

- второй диод, анод которого соединен с межсоединением, соединяющим третий переключающий элемент и четвертый переключающий элемент, а катод которого соединен с межсоединением, соединяющим первый конденсатор и второй конденсатор, при этом каждый из трехуровневых инверторов выполнен с возможностью выборочного вывода, к мотор-генератору, напряжения какого-либо одного из трех различных значений напряжения, включая и выключая каждый из первого переключающего элемента, второго переключающего элемента, третьего переключающего элемента и четвертого переключающего элемента;

устройство управления, выполненное с возможностью управления включением и выключением каждого из первого переключающего элемента, второго переключающего элемента, третьего переключающего элемента и четвертого переключающего элемента преобразователя мощности;

первую соединительную клемму, электрически соединенную с P-клеммой зарядного устройства постоянного тока и расположенную между первым переключающим элементом и вторым переключающим элементом в какой-либо одной из U-фазы, V-фазы и W-фазы; и

вторую соединительную клемму, электрически соединенную с N-клеммой зарядного устройства постоянного тока и расположенную между третьим переключающим элементом и четвертым переключающим элементом в другой одной из U-фазы, V-фазы и W-фазы.

2. Устройство электропитания по п. 1, в котором режим управления устройства управления включает в себя первый режим зарядки, в котором аккумуляторная батарея заряжается без повышения мощности от зарядного устройства постоянного тока, и второй режим зарядки, в котором аккумуляторная батарея заряжается посредством повышения мощности от зарядного устройства постоянного тока.

3. Устройство электропитания по п. 2, в котором во втором режиме зарядки устройство управления выполнено с возможностью управления включением и выключением каждого из первого переключающего элемента, второго переключающего элемента, третьего переключающего элемента и четвертого переключающего элемента преобразователя мощности, так что первый конденсатор и второй конденсатор поочередно заряжаются с помощью мощности от зарядного устройства постоянного тока.

4. Устройство электропитания по п. 3, в котором устройство управления выполнено с возможностью:

когда первый конденсатор заряжается с помощью мощности от зарядного устройства постоянного тока,

- включения первого переключающего элемента в одной фазе, имеющей первую соединительную клемму, среди U-фазы, V-фазы и W-фазы, и второго переключающего элемента и третьего переключающего элемента в другой фазе, имеющей вторую соединительную клемму, и

- выключения остальных переключающих элементов, и,

когда второй конденсатор заряжается с помощью мощности от зарядного устройства постоянного тока,

- включения второго переключающего элемента и третьего переключающего элемента в указанной одной фазе, имеющей первую соединительную клемму, среди U-фазы, V-фазы и W-фазы, и четвертого переключающего элемента в другой фазе, имеющей вторую соединительную клемму, и

- выключения остальных переключающих элементов.

5. Устройство электропитания по любому из пп. 2-4, в котором устройство управления выполнено с возможностью, во время первого режима зарядки,

поддержания включенных состояний первого переключающего элемента в одной фазе, имеющей первую соединительную клемму, среди U-фазы, V-фазы и W-фазы, и четвертого переключающего элемента в другой фазе, имеющей вторую соединительную клемму, и

поддержания выключенных состояний остальных переключающих элементов.