JP7806380B2 - 予備充電短絡検出 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、予備充電制御機能を含む、ソリッドステートバッテリ切断及び保護回路に関する。

予備充電回路は、電源投入時に高い突入電流をもたらし得る容量性負荷を伴う高電圧ＤＣ応用において使用される。電力線電圧の予備充電は、突入電流を制限する予備モードである。予備充電回路は、従って、高アンペアの電流スパイクをブロックすることにより、システムコンポーネントへの損傷を防止する。

大きな容量性負荷を有する高電圧システムは、最初の電源投入時に高電流に晒され得る。制限されない場合、当該電流は、コンタクタが溶着して閉じることを引き起こすことを含むがこれに限定されない、多大な応力又は損傷をシステムコンポーネントに引き起こし得る。

電気車両応用において、バッテリ切断はコンタクタを用いて実装され、過電流保護は、特定の回路構成によって制御される同じコンタクタ及びヒューズ又はパイロヒューズなどの追加の保護素子の組み合わせで実装され、予備充電制御は追加の専用回路構成で実装される。

電気車両応用において、大きな容量性負荷は電気モータにおけるＤＣリンクである。「ＤＣリンクコンデンサ」は、実際には、電気車両内のサブユニットにおける幾つかの並列コンデンサの総体であり、１つは電気モータ用、もう１つは空調コンプレッサ用、もう１つはウィンドウイネーブリング用などである。

ＤＣリンクコンデンサの予備充電は、各車両始動時に行われる。バッテリ電圧は、バッテリ充電状態に応じて、各車両始動において異なり得る。従って、バッテリ電圧は、バッテリの動作範囲内の任意の値、例えば８００Ｖバッテリシステムにおいては５５０Ｖ～８００Ｖであり得る。予備充電回路は突入電流を制限し、下流のＤＣリンクコンデンサを低速で充電する。ＤＣリンクコンデンサの電圧がバッテリのそれに近付くと、主スイッチを閉じることが可能になる。こうして、予備充電回路は、車両起動時に制御された様式で電流が流れることを可能にする。

電気車両における予備充電回路は、大きな値の抵抗と直列で、かつ主スイッチと並列に配置された補助スイッチにより構築され、起動時に車両に流れ込む突入電流を制御する。主スイッチは開かれ、補助スイッチは閉じられており、そのため、ＤＣリンクコンデンサは、抵抗によって判定された通りに、低速で充電される。ＤＣリンクコンデンサが十分に充電されると（それにより、その電圧がバッテリのそれに近付くと）、主スイッチは完全に閉じられ、バッテリは、車両に安全に電力を供給することができる。

しかしながら、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）制御に基づく予備充電システムは、通常、高速予備充電機能のために公称電流を上回って動作する。このユースケースにおいて、実際の過電流故障状態を区別することは困難である。

本改善は、これら及び他の考慮事項に関して有用であり得る。

この概要は、以下の発明を実施するための形態において更に説明される概念の選択を簡略化した形態で紹介するために提供されている。この概要は、特許請求される主題の重要又は不可欠な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する助けとなることを意図するものでもない。

１つの手法において、ソリッドステートバッテリ切断及び保護システムにおける使用のための適応型予備充電制御回路は、電気車両の電気バッテリ及びＤＣリンクコンデンサの間に結合された高電圧スイッチ、ここで電気車両は電気バッテリによって電力を供給される、及び制御回路、を備え得る。本制御回路は、パルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ：ＰＷＭ）信号を発して電流プロファイルを生成するために動作可能であり得、ここで１つ置きのパルスは予め定義された制限を超える。本制御回路は更に、予備充電中に電流プロファイルを監視し、２つの連続するパルスが予め定義された制限を超えた場合に、過電流故障が存在すると判定し得る。

別の手法において、ソリッドステートバッテリ切断及び保護システムにおける使用のための適応型予備充電制御回路は、電気車両の電気バッテリ及びＤＣリンクコンデンサの間に結合された高電圧スイッチ、ここで電気車両は電気バッテリによって電力を供給される、及び制御回路、を備え得る。本制御回路は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を発して電流プロファイルを生成し、予備充電中にＤＣリンクコンデンサの電圧Ｖ_ｏｕｔの電圧増加分を測定し、パルスを印加した後に電圧増加分が正でない場合に過電流故障が存在すると判定するために動作可能であり得る。

添付図面は、その原理の実際的な用途のためにこれまでに考案された、開示される実施形態の例示的な手法を示す。

例示的な実施形態による、電気車両システムにおける使用のための適応型予備充電制御回路を示す図である。

例示的な実施形態による、図１の適応型予備充電制御回路によって使用されるパルス幅変調の動作原理を示す図である。

例示的な実施形態による、図１の適応型予備充電制御回路によって使用されるパルス幅変調の動作原理を示す図である。

図面は必ずしも原寸に比例していない。図面は単なる表示であり、本開示の特定のパラメータを表現することは意図されていない。図面は、本開示の例示的な実施形態を示すことが意図され、従って、範囲の限定とみなされない。図面において、同様の参照符号は同様の要素を表す。

ここで、本開示は、様々な手法が示される添付図面を参照して進められる。しかしながら、再使用可能なスナップイン継手は、多くの異なる形態で具現化されてよく、本明細書に記載の手法に限定されるものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。むしろ、これらの手法は、本開示が徹底的かつ完全なものとなり、当業者に本開示の範囲を十分に伝えるものであるように提供される。

電気車両において予備充電能力を提供するための適応型予備充電制御回路が開示される。適応型予備充電制御回路は、電気車両に電力を供給する電気バッテリ及び電気車両の負荷の間に配設される。高電圧スイッチにパルス幅変調信号を発することにより、車両負荷のコンデンサを表すＤＣリンクコンデンサの電圧が変更され得る。ＤＣリンクコンデンサの電圧が電気バッテリのそれに近づくと、高電圧スイッチがオンになり、電流が負荷に安全に届けられることを可能にする。適応型予備充電制御回路は、過電圧保護及び電流制限機能を備える。本明細書で更に説明される通り、本開示の実施形態は、定義された電流パターン（例えば、過電流閾値を上回る１つの電流パルス、過電流閾値を下回る１つの電流パルス）及び／又は出力電圧の測定値を用いて、高速ＰＷＭベース予備充電機能において過電流故障状態を確実に検出することができる。

図１は、例示的な実施形態による、ソリッドステートバッテリ切断及び保護システム１００において予備充電能力を提供するための適応型予備充電制御回路１０８の代表図である。ソリッドステートバッテリ切断及び保護システム１００は、電気車両（ＥＶ）バッテリ１０２、負荷１０４、及びＤＣリンクコンデンサ１０６で構成され、適応型予備充電制御回路１０８はＥＶバッテリ１０２及び負荷１０４の間に配設されている。主として、負荷１０４は電気車両のＥＶモータであるが、負荷は、空調コンプレッサ、ウィンドウイネーブリングモータなどのような、電気車両内の他の動力付きコンポーネントをも含む。車両内の各サブユニットは入力容量を有し、個々のコンデンサ、及びサブユニットの数は不知である。個々のコンデンサの総体は、ＤＣリンクコンデンサ１０６によって表されるＤＣリンク容量（Ｃ_ＤＣ）である。

適応型予備充電制御回路１０８は、高電圧双方向スイッチ回路１１６、又は略して高電圧スイッチ１１６、及び制御ブロック１２４を特徴とする、ソリッドステートバッテリ切断及び保護回路である。ソリッドステートバッテリ切断及び保護回路は、電流センサに結合されたマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを使用して波形をサンプリングし、任意の過電流シナリオを検出する。ソリッドステートバッテリ切断及び保護回路は、従来の回路遮断器と比較して非常に高速な応答時間を有する。適応型予備充電制御回路１０８の高電圧スイッチ１１６は、オン（閉）又はオフ（開）になって、ＥＶバッテリ１０２及び負荷１０４の間の電流の流れを制御する（可能にする、又は阻止する）。例示的な実施形態において、制御ブロック１２４は高電圧スイッチ１１６にＰＷＭ信号２１０を発し、その中のスイッチ２０２を、ＰＷＭ信号のデューティサイクルに基づく比率でオン及びオフになるようにする。オン／オフ率又は時間当たりのスイッチング事象の数は、ＰＷＭスイッチング周波数によって定義される。デューティサイクルは、オン時間及びスイッチング周期の間の比率を定義する。

ＥＶバッテリ１０２の電圧Ｖ_ｂａｔｔ及びＤＣリンクコンデンサ１０６の電圧Ｖ_ｏｕｔが示されている。例示的な実施形態において、適応型予備充電制御回路１０８は、ＤＣリンクコンデンサ１０６の電圧がＥＶバッテリ１０２の電圧に近付くまで、ＤＣリンクコンデンサ１０６の低速充電を可能にするように設計されている。Ｖ_ｏｕｔ及びＶ_ｂａｔｔの間の予め定義された差であるＶ_ｄｉｆｆに達すると、高電圧スイッチ１１６がオン（閉）になり、ＥＶバッテリ１０２及び負荷１０４の間で電流が自由に流れることが可能になる。このようにして、ＥＶバッテリ１０２は負荷に安全に電力を供給することができる。数学的に述べると、Ｖ_ｂａｔｔ－Ｖ_ｏｕｔ≦Ｖ_ｄｉｆｆになった場合、電気車両がオフになるまでスイッチは閉じたままになる。

制御ブロック１２４は、マイクロプロセッサ２０８及び３つのアナログ・デジタルコンバータ（ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＣ）２０４、２０６、及び２１４を特徴とする。他の実施形態において、制御ブロック２１４は、同等の集積回路であり得る。ＡＤＣ２０４がバッテリ電圧Ｖ_ｂａｔｔを測定する一方で、ＡＤＣ２０６は出力電圧Ｖ_ｏｕｔを測定する。計算が行われ得る前に、マイクロプロセッサ２０８には、バッテリ電圧Ｖ_ｂａｔｔ及び出力電圧Ｖ_ｏｕｔの測定値又はデジタル表現が提示される。ＡＤＣ２０４が電圧を測定してデジタル値に変換する一方で、ＡＤＣ２０６は電流を測定する。マイクロプロセッサ２０８は、次に、これらの結果を読取り、電圧差Ｖ_ｄｉｆｆを計算し得る。更に、マイクロプロセッサ２０８はＰＷＭパターンを生成してスイッチ２０２をオン及びオフにする。制御ブロック１２４はまた、入力Ｖ_ｂａｔｔにおける電流測定１１８及び電圧測定１２８、並びに、出力Ｖ_ｏｕｔにおける電圧測定２１８を特徴とする。例示的な実施形態において、適応型予備充電制御回路１０８のロジック及びゲート駆動は、高電圧スイッチ１１６へのＰＷＭ信号２１０の発行を引き起こす。ＰＷＭ信号２１０は高電圧スイッチ２０２がオン又はオフになることを可能にし、それにより、ＥＶバッテリ１０２及びＤＣリンクコンデンサ１０６の間の電流の流れを可能にする、又は阻止する。適応型予備充電制御回路１０８は、こうして、ＰＷＭ制御信号を用いて予備充電制御を実装し、パルス幅プロファイルを制御して電流を制御する。制御ブロック１２４のロジック及びゲート駆動１２２は制御インタフェース１２６に接続されており、これは有線又は無線接続であり得る。

例示的な実施形態において、適応型予備充電制御回路１０８のＰＷＭ信号２１０は、定義された電流パターン（例えば、過電流閾値を上回る１つの電流パルス、過電流閾値を下回る１つの電流パルス）及び／又は出力電圧の測定を用いて、より確実な予備充電をサポートする。

例示的な実施形態において、電流測定１１８によって使用されるセンサは、電流が閾値に達したときにロジック及びゲート駆動１２２にロジック信号が発せられるよう、予め定義された閾値を有するホール効果センサである。ホールセンサを用いることの代替として、幾つかの実施形態において、電流測定１１８はシャント抵抗を使用して過電流を感知し得る。代替的な実施形態において、事実上いかなる電流センサタイプも使用され得ることを理解されたい。例示的な実施形態において、適応型予備充電制御回路１０８は、電流制限機能をも含む。図１における電流センサは、電流測定１１８で構成され、円は測定されているワイヤを示す。流れる電流によって生成される磁束は、ホール効果を経て電圧に変換される。電圧は、過電流を示す閾値電圧を表すセンサ内の基準値（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）と比較される。過電流が発生した場合、単一のロジック信号が生成されて、ロジック及びゲート駆動１２２に送信される。例示的な実施形態において、これはマイクロ秒の時間枠内で起こる。

電流が特定の制限を（例えば、２回連続で）超えた場合、電流制限機能がトリガされ、適応型予備充電制御回路１０８はバッテリ及び負荷を切断する（そして、充電を停止する）。電流制限機能を伴わない場合、電流は際限なく上昇し、コンポーネント及びインターコネクトに応力又は損傷をもたらし得る。

例示的な実施形態において、高電圧スイッチ１１６のスイッチ２０２は、絶縁ゲートバイポーラ接合トランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）、パワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）などの半導体、サイリスタ、シリコン制御整流素子（ｓｉｌｉｃｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ：ＳＣＲ）、交流用三極管（ｔｒｉｏｄｅ ｆｏｒ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ：ＴＲＩＡＣ）、又は任意の他の好適な高出力制御ソリッドステートデバイスなどのソリッドステートスイッチングデバイスである。スイッチ２０２は、ＥＶバッテリ１０２を車両の高電圧車載システムに接続又は切断する。例示的な実施形態において、スイッチ２０２は、ＥＶバッテリ１０２が車両（負荷１０４）に供給することを可能にし、かつ、充電器がバッテリに供給することを可能にするために双方向性である。例示的な実施形態において、スイッチ２０２は、制御ブロック１２４から入来するＰＷＭ信号２１０によって制御される。

予備充電回路は、一般に、車両がオンになったときに下流の静電容量が突入電流に晒され得る、電気車両システムなどの高電圧システムの一部である。これらの予備充電回路は、通常、車両が始動する前にオンに切り替わり、ＤＣリンクコンデンサが低速で充電される、大きな値の抵抗を有する。コンデンサが十分に充電されると、スイッチが完全に閉じられる。設定された予備充電閾値を有することによって、車両使用後のバッテリ放電が考慮されるものではない。更に、従来技術の予備充電回路は、適応型予備充電制御回路１０８で行われているように、充電を制御するためにパルス幅変調を利用しない。適応型予備充電制御回路１０８は、こうして、バッテリ放電を検出し、バッテリ充電の初期値及び最終値に基づき予備充電閾値を設定する一方で、併せて、１つ又は複数の定義された電流パターン（例えば、過電流閾値を上回る１つの電流パルス、過電流閾値を下回る１つの電流パルス）及び／又は出力電圧の測定を用いて、より確実に過電流故障状態を検出するための新規の方法を提供する。

図２は、例示的な実施形態による、適応型予備充電制御回路１０８によって使用されるパルス幅変調の動作原理の代表図である。この実施形態において、ＰＷＭパターンは、過電流閾値を上回る１つの電流パルス、これに続く過電流閾値を下回る１つの電流パルスなどの特定の電流プロファイルを生成するように定義され得る。適応型予備充電制御回路１０８の場合、双方向スイッチ２０２をオンにした後に、充電電流３０１（Ｉ_{ｃｈａｒｇｅ}）が蓄積される。図２においてパルス間隔３０２が示され、微量の電流３０４が各パルスで発せられている。ＤＣリンクコンデンサ１０６は、最初はゼロボルトであるため、制御を伴わない充電電流は短絡電流と同様になり、破壊をもたらす可能性がある。短パルスを発することにより、電流は安全限界内に留まり、ＤＣリンクコンデンサ１０６は名目上充電される。電流は、バッテリ電圧Ｖ_ｂａｔｔ及びＤＣリンク電圧Ｖ_{ＤＣ＿ＳＹＳ}３０６（図１におけるＶ_ｏｕｔ）の間の電圧差Ｖ_ｄｉｆｆによって駆動されるため、ＤＣリンク電圧の上昇は、次のパルスについての電流の低下をもたらす。各パルスに伴って、ＤＣリンク電圧３０６は上昇する。示されている通り、充電電流３０１は、１秒置きにのみパルスが制限３１０を超えるように定義され得る。すなわち、第１のパルス３０４Ａは制限３１０を下回り、第２のパルス３０４Ｂは制限３１０を上回り、第３のパルス３０４Ｃは制限３１０を下回り、第４のパルス３１０Ｄは制限３１０を上回り、かつ第５のパルス３０４Ｅも制限３１０を上回る。２つの連続するパルス（３０４Ｄ、３０４Ｅ）が制限３１０を上回るため、実際の過電流故障が検出される。

幾つかの実施形態において、過電流保護回路はリセット可能である。すなわち、回路保護が作動したとき、本システムは、過電流状態が存続しているかどうか、又は、それが何らかの他の過渡効果のノイズによって引き起こされたかどうかを検証するために、一定時間後に再試行し得る。再接続時に、（ＤＣリンク電圧がバッテリ電圧に近付くように）デバイスが予備充電モードにない場合であっても、過電流事象を検出するために、同様の方法（例えば、定義されたＰＷＭパターンの使用）が使用され得る。

図３は、別の例示的な実施形態による、適応型予備充電制御回路１０８によって使用されるパルス幅変調の動作原理の代表図である。この実施形態において、特定の電流プロファイルを生成するために、ＰＷＭパターンが再び定義される。この例において、過電流閾値は予備充電中に無効化され、Ｖ_{ＤＣ＿ＳＹＳ}３０６における電圧増加分が測定される。パルスを印加した後に電圧増加分が正でない場合、これは、電流３０１についての実際の過電流故障を示す。

上記の論述は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書で開示される１つの形態又は複数の形態に限定することは意図されていない。例えば、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で、１つ又は複数の態様、実施形態、又は構成において共にグループ化され得る。しかしながら、本開示の特定の態様、実施形態、又は構成の様々な特徴は、代替の態様、実施形態、又は構成において組み合わされ得ることを理解されたい。更に、以下の特許請求の範囲は、本明細書において、この参照によってこの発明を実施するための形態に組み込まれ、各請求項は、それ自体が本開示の別個の実施形態として独立している。

本明細書で使用される場合、単数形で記載され、「ａ」又は「ａｎ」という単語で始まる要素又はステップは、そのような除外が明示的に記載されていない限り、複数の要素又はステップを除外しないものとして理解されるべきである。更に、本開示の「一実施形態」の参照は、記載された特徴をも組み込む追加的な実施形態の存在を除外するものと解釈されることは意図されていない。

「含む」、「備える」、又は「有する」、及びそれらの変形を本明細書において使用することは、それらの後に列挙された項目及びその均等物並びに追加的な項目を包含することを意味している。従って、「含む」、「備える」、又は「有する」という用語及びそれらの変形は、オープンエンド表現であり、本明細書において交換可能に使用することができる。

本開示は、本明細書で説明される特定の複数の実施形態によって範囲を限定されるものではない。実際、本明細書で説明されたものに加えて、本開示の様々な他の実施形態及び修正形態は、上記の説明及び添付図面から当業者には明らかであろう。従って、そのような他の実施形態及び修正形態は、本開示の範囲内にあることが意図されている。更に、本開示は、特定の目的のために特定の環境における特定の実装形態の文脈において本明細書で説明されてきた。当業者は、有用性がそれに限定されないことを認識し、本開示は、任意の数の目的のために任意の数の環境において有益に実装されてよい。従って、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書で説明されるような本開示の全容及び趣旨を考慮して解釈されるべきである。

Claims (6)

1. 電気車両の電気バッテリ及びＤＣリンクコンデンサの間に結合された高電圧スイッチ、ここで前記電気車両は前記電気バッテリによって電力を供給される；及び
   制御回路であって：
   特定の電流プロファイルを生成するように定義されるパルス幅変調（ＰＷＭ）パターンのＰＷＭ信号を発し、ここで前記特定の電流プロファイルは、予め定義された制限を超える１つ置きのパルスを示す；
   予備充電中に予備充電の電流プロファイルを監視する；及び
   前記予備充電の前記電流プロファイルの２つの連続するパルスが前記予め定義された制限を超えた場合に、過電流故障が存在すると判定する
   ために動作可能である制御回路
   を備える、ソリッドステートバッテリ切断及び保護システムにおける使用のための適応型予備充電制御回路。
2. 前記制御回路は、前記過電流故障が判定された場合に前記高電圧スイッチを開くように更に動作可能である、請求項１に記載の適応型予備充電制御回路。
3. 前記過電流故障を受けて、前記制御回路をリセットする手順を更に備える、請求項１又は２に記載の適応型予備充電制御回路。
4. 電気車両の電気バッテリ及びＤＣリンクコンデンサの間に結合された高電圧スイッチ、ここで前記電気車両は前記電気バッテリによって電力を供給される；及び
   制御回路であって：
   特定の電流プロファイルを生成するように定義されるパルス幅変調（ＰＷＭ）パターンのＰＷＭ信号を発し、ここで前記特定の電流プロファイルは、過電流閾値を上回る１つの電流パルスと、前記過電流閾値を上回る前記１つの電流パルスに続く過電流閾値を下回る１つの電流パルスとを示す；
   予備充電中に前記予備充電の電流プロファイルを監視する；及び
   前記予備充電の前記電流プロファイルの２つの連続するパルスが予め定義された制限を超えた場合に、過電流故障が存在すると判定し、前記予備充電の前記電流プロファイルの単一のパルスだけが前記予め定義された制限を超えた場合に、過電流故障が存在しないと判定する、
   ために動作可能である制御回路
   を備える、ソリッドステートバッテリ切断及び保護システムにおける使用のための適応型予備充電制御回路。
5. 前記制御回路は、前記過電流故障が判定された場合に前記高電圧スイッチを開くように更に動作可能である、請求項４に記載の適応型予備充電制御回路。
6. 前記過電流故障を受けて、前記制御回路をリセットする手順を更に備える、請求項４又は５に記載の適応型予備充電制御回路。