JP2014519304A - 車両の電気制動を管理する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気的制動動力を管理する装置（１）に関し、この装置は、連続バス（１０）を有し、この連続バスは、車両の電気トラクション機械（２１）に接続可能な接続電極（１２）を含み、この電気トラクション機械は、制動モードにおいて電気的制動動力を連続バスで送り出すインバータ（２０）と関連しており、連続バスは、電力貯蔵バッテリ（３０）に接続可能な接続電極（１３）を更に含み、電気的制動動力管理装置は、接続点（１１）のところで連続バスに接続された散逸枝路（１Ｄ）を有し、この枝路は、散逸抵抗器（１Ｄ２）と直列に接続された電子散逸スイッチ（１Ｄ１）を含み、電気的制動動力管理装置は、連続バス上に設けられていて、連続バスの接続点（１１）とバッテリに接続された接続電極（１３）との間に配置された電流コレクタ（１５）と、コントローラ（１８）とを更に有する。この装置は、散逸枝路（１Ｄ）が連続バス（１０）に接続されている接続点と連続バスのバッテリに接続された接続電極との間に設けられた電子充電スイッチ（１Ｃ１）を更に含み、このスイッチは、電気機械に接続された接続電極からバッテリに接続された接続電極への連続バス上の電流の流れを制御する。コントローラは、バッテリの再充電電流限度と連続バス上の電流との差を評価し、例えば、連続バス上の電流がバッテリの再充電電流限度を下回っている状態で電子充電スイッチを閉成状態のままにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、道路車両に関する。本発明は、特に、電気トラクションを搭載した道路車両の制動システムに関する。特に、本発明は、電気的制動動力の管理に関する。

電気車両は、車両を動かすのに必要な電気エネルギーがバッテリ内に蓄えられる車両及び電気エネルギーが少なくとも一部について発電機を駆動するヒートエンジン（熱機関）又は燃料電池によって車外で作られる車両を含む。電気車両では、車両の制動が従来型摩擦機械式制動システムによって行われる場合であっても、電気車両の価値のうちの１つは、電気の形態で回生し、そして制動中に生じるエネルギーの一部分を蓄えるこれらの能力に由来していることが知られている。

具体的に説明すると、電気機械は可逆性なので、電気機械をモータとして使用することができ、そして車両の制動段階中、発電機としても使用でき、この場合、電気機械は、機械的制動エネルギーを電気エネルギーに変換し、車両は、好ましくは車両の使用に必要なエネルギーを節約するためにかかる電気エネルギーを蓄え、そして必然的に電気エネルギーを蓄えることが可能ではなく又はそれ以上可能ではない場合に電気エネルギーを散逸又は消費させることによって電気エネルギーを吸収しなければならない。この作動モードは、事実、電気機械を作動させることにより得られる電気エネルギーが最終的に少なくとも部分的に熱の形で散逸又は消費される場合であっても「電気制動」又は「回生制動」と呼ばれる場合が多い。

先行技術の一例として、米国特許出願公開第２００３／００８８３４３号明細書を引用することが可能であり、この米国特許出願公開明細書は、内燃エンジン及び車両の駆動のための補助手段として介在する電気機械を搭載したハイブリッド自動車用の電気トラクションチェーンを記載している。電気機械自体はバッテリによって電力供給される。特に、電気制動の観点では、国際公開第２００８／０００６３６号パンフレットを引用することが可能であり、この国際公開パンフレットは、特に電子回生モジュールにプログラムされた電気エネルギー管理方式を思い起こさせる電気制動モードを記載しており、電子回生モジュールは、一群のスーパーキャパシタを再充電すると共に／或いは電気散逸抵抗器でエネルギーを散逸させるよう制動エネルギーを分配する。この国際公開パンフレットは、電気エネルギーを貯蔵する手段、この場合、スーパーキャパシタの能力が制限される場合があり、しかも、この能力が許容する制動レベルを超えると、電気トラクション機械により生じる電力を次に散逸手段に差し向けなければならないということを追加記載している。純粋に電気的な制動の高度の信頼性に達するために冗長性の構築に集中したこの国際公開パンフレットは、電気エネルギーを貯蔵する手段を再充電する管理方式については詳細を与えていない。

米国特許出願公開第２００３／００８８３４３号明細書 国際公開第２００８／０００６３６号パンフレット

本発明の目的は、電気制動を提供しながら電気エネルギーを貯蔵する手段の最適再充電を発電機モードで作動している電気機械により生じる電気エネルギーの散逸又は消費によって提供する手段を提案することにあり、かかる手段は、最適であり且つ電気エネルギー貯蔵手段の充電状態とは無関係である。

本発明は、ＤＣバスを有する電気的制動動力を管理する装置であって、ＤＣバスは、
・車両の電気トラクション機械に接続可能な電極を含み、電気トラクション機械は、インバータと関連しており、インバータは、制動モードにおいて、ＤＣバスで電気的制動動力を送り出し、
・電気エネルギーを貯蔵するバッテリに接続可能な電極を含み、この装置は、
・接続点のところでＤＣバスに接続された散逸枝路を有し、枝路は、散逸抵抗器に直列接続された電子散逸スイッチを有し、
・ＤＣバス上に設けられていて、ＤＣバスの接続点とバッテリに接続可能な電極との間に配置された電流センサを有し、
・コントローラを有し、コントローラは、
・「バッテリ再充電電流限度」に関する情報項目、
・バッテリがその最大充電状態にあるときの「充電された状態のバッテリ」に関する情報項目と、
・ＤＣバス上の電流センサにより送られるＤＣバス上の電流の測定値を受け取り、
・コントローラは、バッテリ再充電限度電流とＤＣバス上の電流の差を評価する比較器を有し、コントローラは、ＤＣバス上の電流がバッテリ再充電限度電流未満である場合、バッテリ再充電限度電流に等しいバッテリ充電電流を維持するサイクルに従って電子散逸スイッチを制御するように、電子散逸スイッチの制御を保証するユニットを有する、電気的制動動力管理装置を提案する。

本発明は又、車両の電気的制動モードを管理する方法であって、車両は、車両の電気トラクション機械を有し、電気機械を電気エネルギーの貯蔵のためのバッテリに接続すると共に電気エネルギーの散逸又は消費のための抵抗器に接続する電気回路を有し、散逸抵抗器を通る散逸電流をバッテリ充電電流とバッテリに許容できる最大充電電流の差に従動させることを特徴とする電気的制動モードの管理方法に及ぶ。

以下の説明により、図１によって本発明の観点の全てを明確に理解することができる。

本発明の装置を示す図である。

図１は、一方において車両の電気トラクション機械２１に給電するインバータ２０に接続されると共に他方において電気エネルギーを貯蔵するバッテリ３０に接続された電気的制動動力を管理する装置１を示している。車両４の全体的中央管理ユニットは、車両の全体的監視を行うと共に以下において説明する電気的制動動力管理装置１と通信する。バッテリ３０は、バッテリ管理システム３１を有している。電気的制動動力管理装置１は、ＤＣバス１０を有し、その正のライン１０＋及び負のライン１０−が見える。電気的制動動力管理装置１は、インバータ２０に接続可能な第１の電極１２及びバッテリ３０に接続可能な第２の電極１３を有する。電気的制動動力管理装置１は、散逸枝路１Ｄを有し、この散逸枝路１Ｄは、その接続点１１のところで電気トラクション機械２１に給電するインバータ２０と並列にＤＣバス１０に接続されている。この散逸枝路１Ｄは、電子散逸スイッチ１Ｄ１を有し、この電子散逸スイッチは、散逸抵抗器１Ｄ２に直列接続されたトランジスタ、特にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）型のトランジスタから成る。電子散逸スイッチ１Ｄ１は、散逸抵抗器１Ｄ２を通る電流の流れを制御する。「電流の流れを制御する」という表現は、電流を以下に説明するように調節することを意味する。

また、ＩＧＢＴ型のトランジスタの構成と関連したダイオード１Ｄ３が見え、及び電子散逸スイッチ１Ｄ１を開離したときに、散逸抵抗器１Ｄ２中に流れている電流を打ち消すことができるダイオード１Ｄ４が見える。これは、回路が誘導性なので特に有用である。注目されるように、電子散逸スイッチ１Ｄ１は、別形式の半導体、例えば、ＭＯＳ（金属酸化物半導体）型のトランジスタであっても良く、選択は、実際の構成上の細部に応じて当業者により行われる。

電気的制動動力管理装置１は、ＤＣバス１０への散逸枝路１Ｄの接続点１１とＤＣバスのバッテリに接続可能な第２の電極１３との間に配置された電子充電スイッチ１Ｃ１を有する。この電子充電スイッチは、有利には、電子散逸スイッチ１Ｄ１について上述したようにトランジスタである。電子充電スイッチ１Ｃ１は、第１の接続電極１２からバッテリに接続可能な第２の電極１３までのＤＣバス１０上の電流の流れを制御する。「電流の流れを制御する」という表現は、バッテリ充電電流を以下に説明するように調節することを意味する。

電気的制動動力管理装置１は、ＤＣバス１０上に設けられていて、電子充電スイッチ１Ｃ１と第２の接続電極１３との間に配置された電流センサ１５を有する。実際には、好ましくは、電流センサ１５は、電子充電スイッチ１Ｃ１の上流側にＤＣバス１０に接続された他の消費要素が存在し又は存在する場合があるのでバッテリ３０にできるだけ近く位置しなければならず、電流センサ１５は、充電時と再充電時の両方についてバッテリ電流をモニタする。

電気的制動動力管理装置１は、電子充電スイッチ１Ｃ１と並列に設けられていて、第２の接続電極１３から第１の接続電極１２までのＤＣバス１０上の電流の流れを許容にするダイオード１Ｃ２を更に有する。キャパシタ１６，１７が電子充電スイッチ１Ｃ１及び電子散逸スイッチ１Ｄ１を閉成し又は開離するときにＤＣバス１０上の電圧を平滑化するために電子充電スイッチ１Ｃ１の各側でＤＣバス１０に接続されている。

コントローラ１８が電気的制動動力管理装置１を駆動する。理解できるように、コントローラは、バッテリ管理システム３１からＣＡＮ（登録商標）バス１８０を経て「バッテリ再充電電流限度」の設定値がIc＿recharge＿maxである制動動力の管理に有用な種々の情報項目、ライン１５０を経て電流センサ１５によって送り出されたＤＣバス１０上の電流の測定値、ライン１６０を経て電子充電スイッチ１Ｃ１と第２の接続電極１３との間のＤＣバス１０上の電圧“Ｕ”の測定値、ライン１７０を経て電子充電スイッチ１Ｃ１と第１の接続電極１２との間のＤＣバス１０上の電圧の測定値、及びＣＡＮ（登録商標）バス１８１を経て車両４の全体的中央管理ユニットから来た種々の情報項目を受け取る。制動トルクは、車両４の全体的中央管理ユニットにより管理され、この全体的中央管理ユニットは、車両の運転手の要望に応じて、ＣＡＮ（登録商標）バス１８０を経てトルク設定値をインバータ２０に送る。インバータ２０は、ＤＣバス１０上の最大許容電流（この最大許容電流は、コントローラ１８によって定められる）の限度まで、このトルクを生じさせるよう電気機械２１を制御する。最後に、コントローラ１８は、適当な電気信号を散逸制御ライン１１０及び充電制御ライン１２０によりそれぞれ送ることによって電子散逸スイッチ１Ｄ１及び電子充電スイッチ１Ｃ１を駆動する。このように、コントローラ１８は、駆動チェーンを作動させてこれを正確な場所に差し向ける電力の流れを管理する。

次に、電気的制動動力管理装置１の作動について説明する。

電気化学的バッテリの最適再充電は、電気化学的バッテリの技術に応じて、値Ic＿recharge＿maxの限度内で一定の電流によって実施されるのが良い。例えば、リチウムポリマーバッテリ又はリチウムイオンバッテリは、相当大きいが、依然として放電電流よりも小さい充電電流を受け取る。Ic＿recharge＿maxの設定値として（即ち、バッテリ再充電電流限度の設定値）をどのように定めるかは、用いられる電気アキュムレータ技術、場合によっては他のパラメータ、例えば温度、充電状態、本発明とは関連しない全てのことで決まる。バッテリ再充電電流限度は、本発明が賢明に利用するパラメータである。

コントローラ１８は、バッテリ再充電電流限度とＤＣバス上の電流の差を評価する比較器を有し、このコントローラは、ＤＣバス上の電流がバッテリ再充電電流限度よりも小さい限り、電子再充電スイッチを閉成状態のままにすると共にＤＣバス上の電流がバッテリ再充電電流限度以上である場合、バッテリ再充電電流限度に等しいバッテリ充電電流を維持するサイクルに従って電子散逸スイッチを駆動するよう電子散逸スイッチを駆動するユニットを有する。

かくして、散逸電力の駆動、即ち、バッテリ３０を充電するために用いることができない電気機械２１によって得られる電力の部分は、電子散逸スイッチ１Ｄ１の開閉の適当なデューティサイクルによって実施され、電子散逸スイッチ１Ｄ１が開いている時間は、最大バッテリ充電電流設定値と電流センサ１５による電流の測定値の差に応じて変化する。慣例によれば、「最大充電モード」は、電子充電スイッチ１Ｃ１が永続的に閉成される電気的制動動力管理装置１の作動に関する用語である。

最大充電モードでは、ＤＣバス１０により送られる（駆動機械２１のインバータ２０によって）電力は、必然的に、電子散逸スイッチ１Ｄ１を閉成したときにバッテリ３０及び散逸抵抗器１Ｄ２が吸収することができる電力よりも低い。この作動モードでは、散逸抵抗器１Ｄ２の端子に印加される電圧は、バッテリの電圧に等しい（半導体中の電圧降下及び電気ライン中の電圧降下を無視するものとする）。従動方式は、電子散逸スイッチ１Ｄ１のデューティサイクルを制御してバッテリ充電電流３０が電池が許容する充電電流の最大値の状態にあるようにする。駆動機械２１により生じる電力が増大すればするほど、或いは、バッテリ３０の充電電力が減少すればするほど、電子散逸スイッチ１Ｄ１のデューティサイクルがそれだけ一層増大してバッテリに差し向けられる電力が減少する。

最大充電の特徴を示す既定の電圧値に達すると、バッテリ３０の電圧を一定に保つことによって最終の充電段階への移行が行われる。この段階では、充電電流をモニタし、充電電流は、次第に減少する。この電流が所与の値（例えば、Ic＿recharge＿max／２０）を下回った場合、バッテリは、完全充電状態にあると考えられる。

バッテリ３０それ自体のところでは、その充電の管理は、バッテリ管理システム３１によって制御される。バッテリの電圧、その温度等に応じて、最大再充電電流Ic＿recharge＿maxを定めるのは、このバッテリ管理システム３１である。この最大再充電電流Ic＿recharge＿maxは、ＣＡＮ（登録商標）バス１８０により送られる設定値である。電気的制動動力管理装置１は、この電流を越えないよう作動する。具体的に説明すると、バッテリの既定の電圧に達しない第１段階では、バッテリ管理システム３１は、ＣＡＮ（登録商標）バス１８０により、Ic＿recharge＿maxとしてバッテリ製造業者により与えられた限度を与える。第２段階では、バッテリの既定電圧に達すると、バッテリ管理システム３１は、この既定の電圧に達することができるようにする再充電電流Ic＿rechargeを計算してこれをＣＡＮ（登録商標）バス１８０により送る。バッテリ３０が次第に充電されると、この電流Ic＿rechargeは減少する。

注目されるように、電子散逸スイッチ１Ｄ１について１００％のサイクル比に達すると共に、ＤＣバス１０により送られる電力が電子充電スイッチ１Ｃ１を閉成したときにバッテリ３０の充電及び散逸抵抗器１Ｄ２における散逸又は消費が吸収することができる電力の合計よりも大きい状況を見出すことが可能である。この場合、或いは、バッテリ３０の充電が全体的である場合、電気的制動動力管理装置１は、「最大散逸モード」、即ち、電子充電スイッチ１Ｃ１が永続的に開離され、電子散逸スイッチ１Ｄ１が永続的に閉成された（１００％のデューディサイクル）作動に入る。バッテリ３０の充電による電気エネルギー回生は生じない。ＤＣバス１０の電圧“Ｕ”は、増大することになり、そして散逸抵抗器１Ｄ２中の散逸電力を、ＤＣバス１０に電気エネルギーを送る１つ又は複数の電気トラクション機械２１により生じる電力と釣り合わせるよう安定化されることになる。１つ又は複数の電気トラクション機械２１により生じる電力が増大した場合、バスの電圧は、増大し、又この逆の関係が成り立つ。１つ又は複数の電気トラクション機械２１により生じる電力がバッテリ３０及び散逸抵抗器１Ｄ２に吸収することができる電力を下回ると言っていいほど十分に減少した場合、最大充電モードへのスイングバックが行われる。次に、電子充電スイッチ１Ｃ１を閉成し、コントローラ１８により作動される従動方式は、電子散逸スイッチ１Ｄ１のデューティサイクルをもう一度調整して充電電流をバッテリ管理システム３１により許容される最大値に従動させる。

好ましくは、最大のエネルギーがバッテリ３０中に貯蔵される必要があり、この場合、これが達成されると、有利には、最大の電気的制動エネルギーが散逸抵抗器１Ｄ２内で散逸又は消費され、その目的は、摩擦による機械的制動への依存を最小限に抑え（又は、摩耗状態をなくし）、かくしてブレーキパッド及びブレーキディスクの摩耗を減少させることにある。

実際には、コントローラ１８は、最適制御を目的として、考えられる最大の散逸電力及び実際の散逸電力並びに考えられる最大の充電電力及び実際の充電電力をリアルタイムで計算する手段を有する。電子散逸スイッチ１Ｄ１を永続的に閉成した場合、最大再充電モードから最大散逸モードへの移行が生じる。コントローラ１８は、バッテリをその時点で存在する状況において技術的に考えられる最大レベルまで再充電するよう散逸を調節する。

結論として、上記から理解されるように、本発明によれば、散逸抵抗器を通る散逸電流をバッテリ充電電流とバッテリに許容できる最大充電電流の差に従動させる方法が提案されている。さらに、好ましくは、本発明により提案されている方法によれば、電気的制動動力がバッテリ再充電電力と電気エネルギー散逸抵抗器中の散逸電力の合計よりも大きい場合、バッテリを切り離して電気機械を散逸抵抗器に接続している電気回路の電圧を上昇させることができるようにする。

Claims (6)

1. ＤＣバス（１０）を有する電気的制動動力を管理する装置（１）であって、前記ＤＣバスは、
   ・車両の電気トラクション機械（２１）に接続可能な電極（１２）を含み、前記電気トラクション機械は、インバータ（２０）と関連しており、前記インバータは、制動モードにおいて、前記ＤＣバスに電気的制動動力を送り出し、
   ・電気エネルギーを貯蔵するバッテリ（３０）に接続可能な電極（１３）を含み、前記装置は、
   ・接続点（１１）のところで前記ＤＣバスに接続された散逸枝路（１Ｄ）を有し、前記枝路は、散逸抵抗器（１Ｄ２）に直列接続された電子散逸スイッチ（１Ｄ１）を有し、
   ・前記ＤＣバス上に設けられていて、前記ＤＣバスの前記接続点（１１）とバッテリに接続可能な前記電極（１３）との間に配置された電流センサ（１５）を有し、
   ・コントローラ（１８）を有し、前記コントローラは、
   ・「バッテリ再充電電流限度」に関する情報項目、
   ・前記バッテリが最大充電状態にあるときの「充電された状態のバッテリ」に関する情報項目、
   ・前記ＤＣバス上の前記電流センサ（１５）により送られる前記ＤＣバス上の電流の測定値を受け取り、
   ・前記コントローラは、バッテリ再充電限度電流と前記ＤＣバス上の前記電流の差を評価する比較器を有し、前記コントローラは、前記ＤＣバス上の前記電流が前記バッテリ再充電限度電流未満である場合、前記バッテリ再充電限度電流に等しいバッテリ充電電流を維持するサイクルに従って前記電子散逸スイッチを制御するように、前記電子散逸スイッチの制御を保証するユニットを有する、電気的制動動力管理装置。
2. 前記電子散逸スイッチは、トランジスタである、請求項１記載の電気的制動動力管理装置。
3. 前記電気的制動動力管理装置は、
   前記ＤＣバス（１０）への前記散逸枝路（１Ｄ）の接続点と前記ＤＣバスのバッテリに接続可能な前記電極との間に設けられていて、電気機械に接続可能な前記電極からバッテリに接続可能な前記電極までの前記ＤＣバス上の前記電流の流れを制御する電子充電スイッチ（１Ｃ１）と、
   前記電子充電スイッチと並列に設けられ、バッテリに接続可能な前記電極から電気機械に接続可能な前記電極への前記ＤＣバス上の前記電流の流れを許容にするダイオードを更に有する、請求項１記載の電気的制動動力管理装置。
4. 前記電子充電スイッチは、トランジスタである、請求項１記載の電気的制動動力管理装置。
5. 車両の電気的制動モードを管理する方法であって、前記車両は、前記車両の電気トラクション機械を有し、前記電気機械を電気エネルギーの貯蔵のためのバッテリに接続すると共に電気エネルギーの散逸のための抵抗器に接続する電気回路を有し、前記散逸抵抗器を通る散逸電流を前記バッテリ充電電流と前記バッテリに許容できる最大充電電流の差に従動させる、電気的制動モードの管理方法。
6. 前記電気的制動動力が前記バッテリ再充電電力と前記電気エネルギー散逸抵抗器中の散逸電力の合計よりも大きい場合、前記バッテリを切り離して前記電気機械を前記散逸抵抗器に接続している前記電気回路の電圧を上昇させることができるようにする、請求項５記載の電気的制動モードの管理方法。

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