JPH06276609A - 電気駆動システム - Google Patents

電気駆動システム

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JPH06276609A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 蓄電池の信頼性を高めると共にシステムの効
率を高めることのできる電気駆動システムを提供する。 【構成】 本発明に係る交流電気駆動システムが、蓄電
池22又は補助エネルギ貯蔵装置と電力インバータ10
との間に双方向電力半導体インタフェイス20を含んで
おり、双方向電力半導体インタフェイス20は、直流リ
ンク電圧が入力直流電圧及び蓄電池22又はエネルギ貯
蔵装置のパラメータと実質的に無関係になるように、入
力直流電圧を昇圧すると共に、入力直流電圧から直流リ
ンク電圧を減結合する。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、入力直流電圧が制御される。

Description

【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1
2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 −T
6 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 〜T
6 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V
DC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V
bat /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Csn
ub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3
4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FR
EQ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4
0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
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4
8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4
4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T
B1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T
B2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(SME
S)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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・ディーン・キング アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、ウェンプル・ロード、アールデ ィー・ナンバー6(番地なし)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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。
  10. 【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。
  11. 【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。
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