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公開番号2021027792
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210222
出願番号2019200657
出願日20191105
発明の名称双方向電力変換を備える3相電源装置
出願人台達電子工業股ふん有限公司,Delta Electronics,Inc.
代理人特許業務法人 エビス国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210125BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】双方向電力変換を備え、電気自動車の電池を充電する3相電源装置を提供する。
【解決手段】3相電源装置は、交流直流変換ユニット11、第1直流バス12、第1直流直流変換ユニット、第2直流バス及び第2直流直流変換ユニットを含む。交流直流変換ユニット11は、交流電源Vacに結合される。第1直流バス12は、交流直流変換ユニット11に結合される。第1直流直流変換ユニットは、絶縁変圧器、共振タンク、第1ブリッジアームアセンブリ及び第2ブリッジアームアセンブリを含む。第1ブリッジアームアセンブリは、第1直流バス12及び絶縁変圧器の1次側に結合される。第2ブリッジアームアセンブリは、絶縁変圧器の2次側に結合される。第2直流バスは、第2ブリッジアームアセンブリに結合される。第2直流直流変換ユニットは第2直流バス及び電池に結合される。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項1】
電気自動車の電池に用いられる双方向電力変換を備える3相電源装置であって、
第1ブリッジアーム、第2ブリッジアーム及び第3ブリッジアームを有し、第1側が交流電源に結合される交流直流変換ユニットと、
前記交流直流変換ユニットの第2側に結合され、第1直流電圧を有する第1直流バスと、
1次側及び2次側を有する絶縁変圧器と、前記第1直流バス及び前記1次側に結合され、第1ブリッジアーム及び第2ブリッジアームを有する第1ブリッジアームアセンブリと、前記2次側に結合され、第1ブリッジアーム及び第2ブリッジアームを有する第2ブリッジアームアセンブリと、を含む第1直流直流変換ユニットと、
前記第2ブリッジアームアセンブリの前記第2ブリッジアームに結合され、第2直流電圧を有する第2直流バスと、
第1側が前記第2直流バスに結合され、第2側が電池に結合される第2直流直流変換ユニットと、
を含み、
前記絶縁変圧器の前記1次側及び/又は前記2次側は共振タンクを有し、前記第1直流直流変換ユニットは開ループ動作であり、共振周波数点で動作する、
ことを特徴とする双方向電力変換を備える3相電源装置。
続きを表示(約 2,200 文字)【請求項2】
前記第2直流直流変換ユニットは非絶縁型変換回路である、ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項3】
前記交流直流変換ユニットは3レベル構造であり、電力潮流(power flow)方向が前記交流電源から前記電池へである場合、前記交流電源に対して力率補正を提供し、安定した前記第1直流電圧を提供する、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項4】
電力潮流(power flow)方向が前記電池から前記交流電源へである場合、前記交流直流変換ユニットは3レベル制御であり、前記交流直流変換ユニットは電流源として動作する、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項5】
電力潮流(power flow)方向が前記交流電源から前記電池へである場合、前記第2直流直流変換ユニットはバック型直流コンバータとして動作する、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項6】
電力潮流(power flow)方向が前記電池から前記交流電源へである場合、前記第2直流直流変換ユニットはブースト型直流コンバータとして動作する、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項7】
電力潮流(power flow)方向が前記電池から出力され、独立した動作である場合、前記交流直流変換ユニットは3レベル制御であり、電圧源として動作する、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項8】
前記交流直流変換ユニットの前記第1ブリッジアームは、2つの直列された第1電力スイッチと第2電力スイッチ及び前記第1電力スイッチと前記第2電力スイッチとの共通結合点に結合された第1ダイオードと、2つの直列された第3電力スイッチと第4電力スイッチ及び前記第3電力スイッチと前記第4電力スイッチとの共通結合点に結合された第2ダイオードと、を含み、前記第2電力スイッチは前記第3電力スイッチに結合されるとともに、第1接点に共通結合され、前記第1ダイオードは前記第2ダイオードに結合されるとともに、電位中点に共通結合され、
前記交流直流変換ユニットの前記第2ブリッジアームは、2つの直列された第5電力スイッチと第6電力スイッチ及び前記第5電力スイッチと前記第6電力スイッチとの共通結合点に結合された第3ダイオードと、2つの直列された第7電力スイッチと第8電力スイッチ及び前記第7電力スイッチと前記第8電力スイッチとの共通結合点に結合された第4ダイオードと、を含み、前記第6電力スイッチは前記第7電力スイッチに結合されるとともに、第2接点に共通結合され、前記第3ダイオードは前記第4ダイオードに結合されるとともに、前記電位中点に共通結合され、
前記交流直流変換ユニットの前記第3ブリッジアームは、2つの直列された第9電力スイッチと第10電力スイッチ及び前記第9電力スイッチと前記第10電力スイッチとの共通結合点に結合された第5ダイオードと、2つの直列された第11電力スイッチと第12電力スイッチ及び前記第11電力スイッチと前記第12電力スイッチとの共通結合点に結合された第6ダイオードと、を含み、前記第10電力スイッチは前記第11電力スイッチに結合されるとともに、第3接点に共通結合され、前記第5ダイオードは前記第6ダイオードに結合されるとともに、電位中点に共通結合される、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項9】
前記第1直流直流変換ユニットの前記第1ブリッジアームアセンブリの前記第1ブリッジアームは、2つの直列された第1電力スイッチと第2電力スイッチを含み、前記第1電力スイッチと前記第2電力スイッチは第4接点に共通結合され、
前記第1直流直流変換ユニットの前記第1ブリッジアームアセンブリの前記第2ブリッジアームは、2つの直列された第3電力スイッチと第4電力スイッチを含み、前記第3電力スイッチと前記第4電力スイッチは第5接点に共通結合され、前記第4接点と前記第5接点はそれぞれ前記1次側の両端に結合され、
前記第1直流直流変換ユニットの前記第2ブリッジアームアセンブリの前記第1ブリッジアームは、2つの直列された第5電力スイッチと第6電力スイッチを含み、前記第5電力スイッチと前記第6電力スイッチは第6接点に共通結合され、
前記第1直流直流変換ユニットの前記第2ブリッジアームアセンブリの前記第2ブリッジアームは、2つの直列された第7電力スイッチと第8電力スイッチを含み、前記第7電力スイッチと前記第8電力スイッチは第7接点に共通結合され、前記第6接点と前記第7接点はそれぞれ前記2次側の両端に結合される、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。
【請求項10】
前記第1直流電圧又は前記第2直流電圧はリアルタイムの変換効率、部品温度又は電池電圧に基づき、動的な調整を行う、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換を備える3相電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は電源装置に関し、特に、電気自動車の充電に用いられる双方向電力変換を備える3相電源装置に関する。
続きを表示(約 7,000 文字)【背景技術】
【0002】
省エネルギーと二酸化炭素の排出量削減は既に世界的な話題になっており、世界の各大手自動車メーカもプラグインハイブリッド電気自動車、バッテリー式電気自動車を積極的に開発している。各国政府も法律及びエネルギー政策を制定することにより、自動車メーカがより多くの研究に投資するように激励し、産業のグレードアップを推進し、環境に優しい経済の発展を促進している。
【0003】
電気自動車の使用量が迅速に増加しているため、新世代電気自動車充電設備は、将来各大手自動車メーカの充電仕様を満たさなければならないほか、より大切なことは送電網との互いの調整可能性が必要であり、対応する充電設備の拡張は送電網全体の構造を考慮しなければならない。
【0004】
このため、如何に電気自動車の充電に用いられる双方向電力変換を備える3相電源装置を設計することで、上記技術的目標に達するかが、本願の発明者が検討する重要な課題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は双方向電力変換を備える3相電源装置を提供することにより、前記技術的特徴に達することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するために、本発明により提供される双方向電力変換を備える3相電源装置は、交流直流変換ユニット、第1直流バス、第1直流直流変換ユニット、第2直流バス及び第2直流直流変換ユニットを含む。交流直流変換ユニットは第1ブリッジアーム、第2ブリッジアーム及び第3ブリッジアームを有し、交流直流変換ユニットの第1側には交流電源が結合されている。第1直流バスは交流直流変換ユニットの第2側に結合され、第1直流電圧を有する。第1直流直流変換ユニットは絶縁変圧器、第1ブリッジアームアセンブリ及び第2ブリッジアームアセンブリを含む。絶縁変圧器は1次側及び2次側を有する。第1ブリッジアームアセンブリは第1直流バス及び1次側に結合され、第1ブリッジアーム及び第2ブリッジアームを有する。第2ブリッジアームアセンブリは2次側に結合され、第1ブリッジアーム及び第2ブリッジアームを有する。第2直流バスは第2ブリッジアームアセンブリの第2ブリッジアームに結合され、第2直流電圧を有する。第2直流直流変換ユニットの第1側は第2直流バスに結合され、第2直流直流変換ユニットの第2側には電池が結合されている。絶縁変圧器の1次側及び/又は2次側は共振タンクを有し、第1直流直流変換ユニットは開ループ動作を行い、共振周波数点で動作している。
【0007】
一実施例において、第2直流直流変換ユニットは非絶縁型変換回路である。
【0008】
一実施例において、交流直流変換ユニットは3レベル構造であり、3相電源装置の電力潮流(power flow)方向が交流電源から電池へである場合、交流電源に対し力率補正を提供し、安定的な第1直流電圧を提供する。
【0009】
一実施例において、3相電源装置の電力潮流(power flow)方向が電池から交流電源へである場合、交流直流変換ユニットは3レベル制御であり、交流直流変換ユニットは電流源として動作する。
【0010】
一実施例において、3相電源装置の電力潮流(power flow)方向が交流電源から電池へである場合、第2直流直流変換ユニットはバック型直流コンバータとして動作する。
【0011】
一実施例において、3相電源装置の電力潮流(power flow)方向が電池から交流電源へである場合、第2直流直流変換ユニットはブースト型直流コンバータとして動作する。
【0012】
一実施例において、3相電源装置の電力潮流(power flow)方向が電池から出力され、独立した動作である場合、交流直流変換ユニットは3レベル制御であり、交流直流変換ユニットは電圧源として動作する。
【0013】
一実施例において、交流直流変換ユニットの第1ブリッジアームは2つの直列された第1電力スイッチと第2電力スイッチ及び第1電力スイッチと第2電力スイッチとの共通結合点に結合された第1ダイオードと、2つの直列された第3電力スイッチと第4電力スイッチ及び第3電力スイッチと第4電力スイッチとの共通結合点に結合された第2ダイオードと、を含み、第2電力スイッチは第3電力スイッチに結合されると共に、第1接点に共通結合され、第1ダイオードは第2ダイオードに結合されるとともに、電位中点に共通結合される。交流直流変換ユニットの第2ブリッジアームは、2つの直列された第5電力スイッチと第6電力スイッチ及び第5電力スイッチと第6電力スイッチとの共通結合点に結合された第3ダイオードと、2つの直列された第7電力スイッチと第8電力スイッチ及び第7電力スイッチと第8電力スイッチとの共通結合点に結合された第4ダイオードと、を含み、第6電力スイッチは第7電力スイッチに結合されるとともに、第2接点に共通結合され、第3ダイオードは第4ダイオードに結合されるとともに、電位中点に共通結合される。交流直流変換ユニットの第3ブリッジアームは、2つの直列された第9電力スイッチと第10電力スイッチ及び第9電力スイッチと第10電力スイッチとの共通結合点に結合された第5ダイオードと、2つの直列された第11電力スイッチと第12電力スイッチ及び第11電力スイッチと第12電力スイッチとの共通結合点に結合された第6ダイオードと、を含み、第10電力スイッチは第11電力スイッチに結合されるとともに、第3接点に共通結合され、第5ダイオードは第6ダイオードに結合されるとともに、電位中点に共通結合される。
【0014】
一実施例において、第1直流直流変換ユニットの第1ブリッジアームアセンブリの第1ブリッジアームは、2つの直列された第1電力スイッチと第2電力スイッチを含み、第1電力スイッチと第2電力スイッチは第4接点に共通結合され、第1直流直流変換ユニットの第1ブリッジアームアセンブリの第2ブリッジアームは、2つの直列された第3電力スイッチと第4電力スイッチを含み、第3電力スイッチと第4電力スイッチは第5接点に共通結合される。ここで、第4接点と第5接点はそれぞれ1次側の両端に結合される。第1直流直流変換ユニットの第2ブリッジアームアセンブリの第1ブリッジアームは、2つの直列された第5電力スイッチと第6電力スイッチを含み、第5電力スイッチと第6電力スイッチは第6接点に共通結合される。第1直流直流変換ユニットの第2ブリッジアームアセンブリの第2ブリッジアームは、2つの直列された第7電力スイッチと第8電力スイッチを含み、第7電力スイッチと第8電力スイッチは第7接点に共通結合され、第6接点と第7接点はそれぞれ2次側の両端に結合される。
【0015】
一実施例において、第1直流電圧又は第2直流電圧は、リアルタイムの変換効率、部品温度又は電池電圧に基づき、動的な調整を行う。
【0016】
提供された双方向電力変換を備える3相電源装置に適用することにより、新世代電気自動車の充電設備の需要と要求に達することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明の所定の目的を達成するために採用した技術、手段及び効果をより深く理解させるため、以下の本発明にかかる詳細な説明と図面を提供する。よって本発明の目的、特徴と特性をさらに具体的に理解することができるが、添付の図面は参考と説明のためのものであり、本発明を限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【0018】
本発明の双方向電力変換を備える3相電源装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
本発明の技術的内容及び詳細な説明について、図面に合わせて下記のように説明する。
【0020】
図1(図面サイズの限定により、図1A、図1B及び図1Cによって構成される)は、本発明の双方向電力変換を備える3相電源装置の回路図である。前記双方向電力変換を備える3相電源装置は電気自動車の充電に用いられる。ここで、電池16は電気自動車(electric vehicle)に内蔵可能な充電電池である。当該3相電源装置は、交流直流変換ユニット11、第1直流バス12、第1直流直流変換ユニット13、第2直流バス14及び第2直流直流変換ユニット15を含む。
【0021】
交流直流変換ユニット11(図1A参照)は、第1ブリッジアーム111、第2ブリッジアーム112及び第3ブリッジアーム113を有する。交流直流変換ユニット11の第1側は交流電源Vacに結合され、本発明において、交流電源Vacは3相交流電源、又は交流送電網である。
【0022】
第1ブリッジアーム111は、2つの直列された電力スイッチQ
11
、Q
12
及び2つの電力スイッチQ
11
、Q
12
の共通結合点に結合されたダイオードD

と、2つの直列された電力スイッチQ
13
、Q
14
及び2つの電力スイッチQ
13
、Q
14
の共通結合点に結合されたダイオードD

と、を含む。また、電力スイッチQ
12
は電力スイッチQ
13
に結合されるとともに、第1接点P
11
に共通結合され、ダイオードD

はダイオードD

に結合されるとともに、電位中点P
10
に共通結合される。ここで、これらの電力スイッチQ
11
〜Q
14
はIGBT電力トランジスタ又はMOSFET電力トランジスタであってもよい。
【0023】
第2ブリッジアーム112は、2つの直列された電力スイッチQ
15
、Q
16
及び2つの電力スイッチQ
15
、Q
16
の共通結合点に結合されたダイオードD

と、2つの直列された電力スイッチQ
17
、Q
18
及び2つの電力スイッチQ
17
、Q
18
の共通結合点に結合されたダイオードD

と、を含む。また、電力スイッチQ
16
は電力スイッチQ
17
に結合されるとともに、第2接点P
12
に共通結合され、ダイオードD

はダイオードD

に結合されるとともに、電位中点P
10
に共通結合される。ここで、これらの電力スイッチQ
15
〜Q
18
はIGBT電力トランジスタ又はMOSFET電力トランジスタであってもよい。
【0024】
第3ブリッジアーム113は、2つの直列された電力スイッチQ
19
、Q
1A
及び2つの電力スイッチQ
19
、Q
1A
の共通結合点に結合されたダイオードD

と、2つの直列された電力スイッチQ
1B
、Q
1C
及び2つの電力スイッチQ
1B
、Q
1C
の共通結合点に結合されたダイオードD

と、を含む。また、電力スイッチQ
1A
は電力スイッチQ
1B
に結合されるとともに、第3接点P
13
に共通結合され、ダイオードD

はダイオードD6に結合されるとともに、電位中点P
10
に共通結合される。ここで、これらの電力スイッチQ
19
〜Q
1C
はIGBT電力トランジスタ又はMOSFET電力トランジスタであってもよい。
【0025】
ここで、各ブリッジアームは3レベルのブリッジアームであり、各ブリッジアームは3つの電圧レベルを出力するように制御することができ、このように構成されることによりスイッチングストレスを軽減し調波を減少させることができる。第1接点P
11
、第2接点P
12
及び第3接点P
13
は、対応するように3相交流電源Vacの各相の出力に結合される。強調すべきことは、電気自動車の電池は益々高くなる電圧と大容量になる傾向があるため、本発明の交流直流変換ユニット11は3レベル構造を使用することが好ましく、これによってスイッチングストレスを軽減することができ、第1直流バス12に高い電圧を印加する場合、高耐電圧・高コストのスイッチング素子を使用する必要なく、交流送電網に結合される場合、調波を減少させることに役立つ。
【0026】
第1直流バス12は交流直流変換ユニット11の第2側に結合され、第1直流電圧V
dc1
を有する。後段の変換ユニットの電圧源になるように、第1直流電圧V
dc1
は電位中点P
10
を接続する2つのコンデンサCa、Cbに橋絡される。
【0027】
第1直流直流変換ユニット13(図1B参照)は第1ブリッジアームアセンブリ131、第2ブリッジアームアセンブリ132、絶縁変圧器133及び共振タンクを含む。絶縁変圧器133は、1次側1331及び2次側1332を有する。絶縁変圧器133の1次側1331は、インダクタンスキャパシタンス(LC)共振タンクを有することができ、第1直流直流変換ユニット13は開ループ動作し、共振周波数点で動作しており、詳細は後述する。別の実施例において、絶縁変圧器133の2次側1332もLC共振タンクを含むことができ、このように、第1直流直流変換ユニット13はフォワード動作又はリバース動作において対称する回路を有し、又は2次側はコンデンサのみを含む。異なる負荷と範囲に基づき共振タンクを設置することで、さらに制御しやすくなる。
【0028】
第1ブリッジアームアセンブリ131は第1直流バス12及び絶縁変圧器133の1次側1331に結合され、第1ブリッジアーム1311及び第2ブリッジアーム1312を有する。第1ブリッジアーム1311は2つの直列された電力スイッチQ
21
、Q
22
を含み、電力スイッチQ
21
、Q
22
は第4接点P21に共通結合される。第2ブリッジアーム1312は2つの直列された電力スイッチQ
23
、Q
24
を含み、電力スイッチQ
23
、Q
24
は第5接点P
22
に共通結合される。ここで、第4接点P
21
と第5接点P
22
はそれぞれ1次側1331の両端に結合される。
【0029】
第2ブリッジアームアセンブリ132は絶縁変圧器133の2次側1332に結合され、第1ブリッジアーム1321及び第2ブリッジアーム1322を有する。第1ブリッジアーム1321は、2つの直列された電力スイッチQ
25
、Q
26
を含み、電力スイッチQ
25
、Q
26
は第6接点P
23
に共通結合される。第2ブリッジアーム1322は、2つの直列された電力スイッチQ
27
、Q
28
を含み、電力スイッチQ
27
、Q
28
は第7接点P
24
に共通結合される。ここで、第6接点P
23
と第7接点P
24
はそれぞれ2次側1332の両端に結合される。
【0030】
第2直流バス14は第2ブリッジアームアセンブリ132の第2ブリッジアーム1322に結合され、第2直流電圧V
dc2
を有する。第2直流電圧V
dc2
はコンデンサC
BUS
に橋絡される。
(【0031】以降は省略されています)

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