JP2002051408A - Ｐｗｍインバータへの高周波注入を用いる電気自動車用補助電力変換システム - Google Patents

Ｐｗｍインバータへの高周波注入を用いる電気自動車用補助電力変換システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 補助電力系統用の中間電圧および（または）
低電圧を生じる専用のＤＣ−ＤＣコンバータをなくす電
気自動車用電源系統を提供すること。 【解決手段】 電気自動車用電力系統１０は、駆動モー
タ１２と、動作電力を供給して駆動モータ１２を励振す
る高電圧バス２０と、電力切換えデバイス１６を含み且
つ出力を持つインバータ１４とを備える。インバータ１
４は高電圧バス２０と駆動モータ１２との間に結合さ
れ、コントローラ１８はインバータ１４に結合されてモ
ータ制御信号と高周波注入信号とをインバータ１４へ提
供する。補助電力ユニット２４はインバータ出力に接続
され、高周波注入信号に応答してＤＣ動作電力を供給す
る。駆動モータ１２はモータ制御信号に応答して動作
し、高周波注入信号には実質的に影響されない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高電圧バスから取
出された電力を使用する、電気自動車における低電圧補
助システムに対する電源系統に関する。
【０００２】
【従来の技術】バッテリ車、ハイブリッド車および燃料
電池電動車両を含む電気自動車は、典型的に、切換えモ
ード電源の形態のインバータを用いて車両の駆動モータ
へ３相電力を提供する。最も一般的に用いられるインバ
ータの設計は、車両の電動モータにより要求されるトル
ク需要を満たすのに必要な高電流を供給できるパワー・
トランジスタを利用するパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧源
インバータである。このインバータは、約３５０〜４０
０Ｖｄｃの高電圧バスからモータの巻線への電力を切換
える。
【０００３】通常、電気自動車は、車両の車輪を付勢す
るため用いられる駆動モータに加えて、種々の異なる車
両システムを動作させる色々な補助駆動モータを備えて
いる。これらの補助駆動モータの事例には、冷媒液ポン
プ、トラクション制御モータ、気候制御用コンプレッサ
・モータ、電子式パワー・ステアリング・ポンプ、なら
びに他のブロアおよびファンが含まれる。３５０〜４０
０ボルトのバスから直接的に動作し得る適切なＤＣモー
タが市販されているが、このような高電圧稼働は、例え
ば、電弧その他の整流時の問題によりモータの寿命が短
くなることを含む色々な理由から、一般に望ましくない
と見なされる。従って、例えば、固定された４２〜４８
Ｖｄｃで動作する中間電圧の電力バスから駆動できる低
電圧モータがときに用いられる。このような中間電圧電
源は、高電圧バスから動作電力を取出し周知のＤＣ−Ｄ
Ｃ変換手法を用いて固定ＤＣ電圧を生じるＤＣ−ＤＣコ
ンバータを用いて作ることができる。
【０００４】中間電圧電源に加えて、電気自動車で用い
られる一部の補助電源系統は、標準的な１２Ｖｄｃの車
両電圧源を必要とする。この低電圧バスは、典型的に
は、動作電力を高電圧バスから取出す別個のＤＣ−ＤＣ
コンバータによって生成される。これらの１２ボルトお
よび４２ボルトの専用ＤＣ−ＤＣコンバータは、車両の
種々の補助電源系統の更に望ましい低電圧動作を提供す
るが、多くの固有の短所をも備えている。特に、使用さ
れるＤＣ−ＤＣコンバータは、典型的には、独自の入力
フィルタ、制御回路およびパワー・トランジスタを含
み、このパワー・トランジスタは、通常、インバータの
パワー・トランジスタを冷却するのに使用される冷媒液
システムにコンバータを接続することによる独自の熱管
理を必要とする。結果として、ＤＣ−ＤＣコンバータ
は、車両用電力電子装置のシャーシーにかなりの空間を
占有するばかりでなく、車両の電力系統コストを著しく
付加することになる。
【０００５】高電圧バスから動作されるＤＣ−ＤＣコン
バータの使用はさておき、駆動モータから動作されるロ
ータリ・コンバータが使用され、車両が必要とする中間
電圧および低電圧の電源を生じることがある。しかし、
これらのコンバータは、一般に、大型で重量が大きく、
非効率である。更に、車両の熱機関から動作される「交
流発電機」の形態のロータリ・コンバータの場合は、コ
ンバータは機関が停止しているときは働かない。ロータ
リ・コンバータが電動機の軸から駆動される場合は、大
部分の自動車用交流発電機は駆動モータの高速回転
（８，０００〜１５，０００ｒｐｍ）では使用できない
ので、一般に特注設計が要求される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の一般
的目的は、自動車の補助電源系統に用いられる中間電圧
および（または）低電圧の電源を生じる専用のＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータを不要とする電気自動車用電力系統を提供
することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、補助電
力変換を提供するため専用のＤＣ−ＤＣコンバータを使
用する公知のシステムの上記短所を克服する電力系統が
提供される。本発明の電力系統は、高電圧バスと、駆動
モータと、補助電力回路と、高電圧バスから動作電力を
取出すインバータとを備える。このインバータは、コン
トローラと、該コントローラに結合された電力切換えデ
バイスとを含み、電力切換えデバイスは高電圧バスから
の電力をインバータ出力を介して駆動モータへ切換える
よう回路接続されている。補助電力回路は、インバータ
出力に結合された入力と、ＤＣ動作電力を車両の１つ以
上の補助システムへ供給するＤＣ出力を持つ整流器とを
備える。コントローラは、駆動モータに対して低周波駆
動電力を提供し、補助電力回路に対して高周波動作電力
を提供するように、高い周波数と低い周波数とで電力切
換えデバイスを動作させる。駆動モータは、低周波駆動
電力に応答して回転を生じるように動作可能であり、補
助電力回路は、高周波動作電力をＤＣ出力へ供給される
ＤＣ電圧へ変換するように動作可能である。
【０００８】この構成は、コントローラを用いて高周波
駆動信号をインバータの電力切換えデバイスへ注入する
ことにより、１つ以上の専用ＤＣ−ＤＣコンバータの必
要をなくすことができ、次いで、補助電力回路は、出力
された高周波電圧を整流することにより、所望の低いお
よび（または）中間のＤＣ電圧を提供する。高周波数
は、モータの動作に実質的に影響しない適宜の大きい値
となるように選定され、補助電力回路は、モータの駆動
に用いられる低周波駆動信号を阻止する高域通過フィル
タを含むことが望ましい。
【０００９】一つの実施の形態において、補助電力回路
はインバータ出力に直接接続される。補助電力回路に対
する電圧隔離を提供するとともに、所望のＤＣ電圧へ整
流するよう高電圧電力を適切なピーク電圧へ逓減するた
め、電源変圧器が用いられる。電源変圧器は、１つ以上
の低電圧ＤＣバスが必要とされ又は要求される場合に異
なるＤＣ電圧を生じるよう、複数の巻線を備え得る。別
の実施の形態においては、２重巻線駆動モータが用いら
れ、補助電力回路は駆動モータの二次巻線に接続され
る。これにより、補助電力回路において電源変圧器が除
去される。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の望ましい実施の形態につ
いて、以下、添付図面を参照して記述することにする。
なお、図面では、同じ要素は同一の番号で指示される。
【００１１】図１は、従来のトランスミッション（図示
せず）を介して車両の車輪に結合されるＡＣ駆動モータ
１２へ電力を提供するため、電気自動車において使用さ
れる電力系統１０を示している。ＡＣ駆動モータ１２
は、コントローラ１８によりパルス幅変調方式で動作さ
れる多数のパワー・トランジスタ１６を含むインバータ
１４を用いて励振される。パワー・トランジスタ１６
は、モータ１２の各巻線の選択的な励振を可能にする周
知の駆動機構２２を用いて、モータ１２と高電圧バス２
０との間の回路に接続される。電力系統１０は、インバ
ータ１４により提供される動作電力を、低電圧の動作電
力を必要とする車両の種々の補助システムにより使用さ
れる１つ以上のＤＣ電圧へ変換する補助電力回路２４を
も備える。以下において更に詳細に述べるように、補助
電力回路２４により使用される動作電力は、パワー・ト
ランジスタ１６に対する高周波駆動信号１９の注入２３
により生成され、補助電力回路はパワー・トランジスタ
１６の高周波出力を所望のＤＣ電圧へ整流するように動
作し得る。
【００１２】高電圧バス２０は正電圧ノード２８と負電
圧ノード３０とを備え、正ノード２８は一般的な約３５
０〜４００Ｖｄｃの電圧に充電される。このノードは、
ＤＣ電源３２により、周知の方法で車両の点火系統によ
り制御できる電力リレーその他の接触装置３４を介して
充電される。ＤＣ電源３２は、例えば、バッテリまたは
燃料電池でよい。フィルタ処理および蓄電の目的のため
に、コンデンサまたは一連のコンデンサ３６を高電圧バ
ス２０に接続することができる。無論、高電圧バス２０
は３５０〜４００Ｖｄｃのレベルである必要はなく、本
発明の範囲内で、補助電力回路２４により生じるＤＣ出
力電圧より高い電圧を持つ任意の電源バスでよい。
【００１３】図示のように、モータ１２は、空間ベクト
ル法を用いて従来の方法で動作し得る３相ＡＣモータで
あり、インバータ１４は、所望のモータ速度に従って変
化する基本周波数でモータ１２を駆動する３相電圧源イ
ンバータの形態のものである。この目的のため、コント
ローラ１８は、指令速度や実際の速度などの、当業者に
周知の入力などを表わす基準値およびフィードバック値
を用いて、モータ１２の適切なＰＷＭ制御装置２１を提
供する。トランジスタ１６を駆動するＰＷＭ制御信号１
７には、インバータの出力２８を介して補助電力回路２
４への電力を変換するため用いられる１組の高周波駆動
信号１９が重畳される。その結果、インバータ１４は、
モータ１２の動作のための低周波動作電力と、補助電力
回路２４により所望の低電圧ＤＣ出力に変換するための
高周波動作電力とを提供する。コントローラ１８により
生成された高周波駆動信号は、モータ１２の動作が実質
的に影響を受けないほど充分に高く選択された周波数に
あり、これは、高周波動作電力がモータの動作に対して
生じる影響が駆動モータ１２が使用されている特定の用
途に対して許容され得ることを意味する。
【００１４】図１に示される実施の形態において、補助
電力回路２４では、入力２６はインバータ１４の出力３
８に直接接続されている。この回路は、出力３８に生じ
た３相の高周波動作電力を１２Ｖｄｃと４８Ｖｄｃの電
力へ変換するよう動作し得、これら電力は車両の種々の
アクセサリ駆動モータおよび電力系統を動作させるのに
用いられる。この目的のため、補助電力回路２４は高域
通過フィルタ４０と電源変圧器４２と整流器４４とを含
み、これらは各々３相インバータ出力に適合する３相回
路である。高域通過フィルタ４０は、モータ１２を駆動
するため用いられる低周波動作電力を阻止し、従って、
モータ１２の最も高い基本動作周波数よりは高く且つ高
周波動作電力を生じるのに用いられる周波数よりは低い
遮断周波数を持つよう設計される。このため、コントロ
ーラ１８は、パワー・トランジスタ１６を前記遮断周波
数より低い低周波数で動作させ、また該パワー・トラン
ジスタを前記遮断周波数より高い１つ以上の高周波数で
動作させる。明らかなように、モータの動作は、高周波
動作電力には実質的に影響を受けないから、当該構成は
低周波動作電力が駆動モータによってのみ使用されてモ
ータの回転を生じ、高周波動作電力は補助電力回路２４
によってのみ使用されて１２Ｖｄｃおよび４８Ｖｄｃの
出力を生じる結果となる。
【００１５】電源変圧器４２は、補助電力回路２４によ
り生じる異なるＤＣ電圧出力のそれぞれに対する個別の
３相二次巻線を含む電圧アダプタ・隔離変圧器として使
用される。理解されるように、所望の変圧器出力を得る
ために他の適切な巻線構造を使用することができる。変
圧器４２は、１２Ｖｄｃと４８Ｖｄｃの出力を生じるた
めに必要な二次ピーク電圧を生じるのに適した巻線比で
巻かれる。変圧器４２の二次巻線のそれぞれは整流器４
４に接続され、該整流器は複数の３相整流器として実現
し得、各３相整流器は変圧器の二次巻線の各々に生じる
電圧を整流するために用いられる従来の設計を有する。
整流された１２Ｖｄｃおよび４８Ｖｄｃの動作電力は、
これらの電圧で動作するよう設計された種々の車両シス
テムにより使用される１対のＤＣ出力４６および４８上
でそれぞれ提供される。
【００１６】コントローラ１８は、受け取った種々の入
力およびフィードバック値を処理してパワー・トランジ
スタ１６へ出力される適切な駆動信号を生成する、プロ
グラム制御下で動作するマイクロプロセッサ型コントロ
ーラであってよい。先に述べたように、これらの基準値
およびフィードバック値は、所望のおよび実際のモータ
速度ばかりでなく、モータ１２の速度およびトルクの閉
ループ制御を提供するため周知の方法で使用できる多数
の他の変数およびパラメータのいずれかをも含み得る。
コントローラ１８はまた、整流器４４の１２Ｖｄｃと４
８Ｖｄｃの出力の閉ループ制御を提供する。これは、出
力電圧の１つを表わす信号をコントローラ１８へフィー
ドバックした後、被監視ＤＣ電圧が所望の設定点から変
動するときに必要とされるように高周波動作電力を調整
することによって達成可能である。コントローラ１８に
より出力されたＤＣ電圧の調整は、インバータ１４によ
り生成される高周波動作電力の電圧振幅を調整すること
によって達成することができる。
【００１７】モータ１２の低速度動作期間においては、
補助電力回路２４へ電力を送るためコントローラ１８に
より使用される高周波数は、モータ１２の駆動のため使
用される低周波数とは独立的に選定することができる。
しかし、モータ速度がモータ駆動システムの基本速度に
近いかあるいはこれを越える点まで増加する場合、補助
電力回路に利用可能な電圧は低減される。この場合は、
例えば、低周波駆動信号の第５高調波または第７高調波
を用いて、コントローラ１８は高周波注入をモータの低
周波駆動と同期させることができる。このため、インバ
ータが駆動モータ１２を異なる速度範囲内で動作させる
よう動作可能である場合、インバータがモータを基本速
度を含む速度範囲内で動作させているときには、パワー
・トランジスタ１６がモータに対する低周波駆動電力を
生じるために第１の周波数で駆動され、また、第１の周
波数の高調波である第２の周波数で（高周波動作電力を
生じるために）駆動されるように、インバータをプログ
ラムすることができる。
【００１８】次に、図２に関して、本発明の第２の実施
の形態について記述する。図２の電力系統１０′は、図
１のモータにおける駆動巻線と該駆動巻線に相互誘導に
より結合される二次巻線とを含む２重巻線モータ１２′
を使用することにより電源変圧器４２を除去したことを
除いて、図１の電力系統と同じである。モータ１２′に
おける二次巻線は、高域通過フィルタ４０が整流器４
４′に直接接続され得るように、必要な電圧逓減を生じ
る。電圧の逓減は高域通過フィルタ４０の前段で生じる
ので、フィルタ４０は高電圧定格の構成要素で構成され
る必要がないという利点をも持ち得る。当該実施の形態
の整流器４４′は１つの１２Ｖｄｃ出力しか持たない
が、理解されるように、モータ１２′は他の電圧出力に
対する別の二次巻線を備え得る。図２の電力系統１０′
の他の全ての特徴は図１の電力系統と同じであり得るの
で、図１に関する特徴についての先の論述は、図２に等
しく妥当することが理解されよう。
【００１９】明らかなように、図１および図２の回路構
成は、コントローラ１８を用いて高周波駆動信号をイン
バータのパワー・トランジスタへ注入し、出力された高
周波電圧を補助電力回路が整流して所望の低いおよび
（または）中間のＤＣ電圧を生じることによって、高電
圧バスから直接動作される別個のＤＣ−ＤＣコンバータ
の必要性をなくすものである。当該構成は、電気的トラ
クション制御モータ、気候制御コンプレッサ・モータ、
冷媒液ポンプ、電気式パワー・ステアリング・ポンプ、
および他のこのようなアクセサリ駆動モータによって使
用するため電気自動車において補助電力を生成する問題
に対する経済的な解決法を提供する。
【００２０】更に、パワー・トランジスタ１６の過大化
は補助電力回路に必要な追加の電流を取り扱うのに必要
であろうが、このような過大化の程度は重大ではない。
例えば、パワー・トランジスタの電流処理能力は
【００２１】
【数１】Ｉsw＝（Ｉlf 2＋Ｉhf 2）1/2 に従って計算することができる。但し、Ｉswはパワー・
トランジスタ１６が切換えねばならない電流の大きさ、
Ｉlfはモータ１２により要求される低周波電流、Ｉhfは
補助電力回路により要求される高周波電流である。低周
波電流Ｉlfが３００Ａ ｒｍｓ（amperes, root-mean-s
quare；二乗平均アンペア）、高周波電流Ｉhfが１００
Ａ ｒｍｓの場合には、トランジスタが処理しなければ
ならない全切換え電流Ｉswは３１６Ａ ｒｍｓであり、
高周波信号の注入を行わない低周波電流より僅かに５．
３３％多くなるに過ぎない。
【００２２】従って、明らかなように、本発明により、
本文に記載された目的と利点を達成する電気自動車用の
電力系統が提供される。無論、本文の記述が望ましい実
施の形態についてのものであること、および、本発明が
記載した特定の実施の形態に限定されるものでないこと
が理解されよう。種々の変更および修正が当業者には明
らかであろう。例えば、本文に示した補助電力回路の設
計は固定されたＤＣ出力電圧を提供するが、かかる設計
は単一の補助車両システムあるいはアクセサリ駆動モー
タにのみ用いられる場合、可変出力電圧を提供する自蔵
のＰＷＭ段その他の適切な回路を含み得ることは明らか
であろう。このような全ての変更および修正は、頭書の
特許請求の範囲内に含まれるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力系統の第１の実施の形態を示すブ
ロック図である。
【図２】本発明の電力系統の第２の実施の形態を示すブ
ロック図である。
【符号の説明】
１０ 電力系統 １２ ＡＣ駆動モータ １４ インバータ １６ パワー・トランジスタ １７ パルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号 １８ ＰＷＭコントローラ １９ 高周波駆動信号 ２０ 高電圧バス ２１ ＰＷＭ制御装置 ２３ 高周波信号の注入 ２４ 補助電力回路 ２８ 正電圧ノード ３０ 負電圧ノード ３２ ＤＣ電源 ３４ 接触装置 ３６ コンデンサ ４０ 高域通過フィルタ ４２ 電源変圧器 ４４ 整流器 ４６、４８ ＤＣ出力
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シルバ・ハイティ アメリカ合衆国カリフォルニア州90503, トーランス，ウエスト・ワンハンドレッド アンドナインティース・ストリート 5520，アパートメント 201 (72)発明者 ジェームズ・ナガシマ アメリカ合衆国カリフォルニア州90703, セリトス，ムーアブルック・アベニュー 16608 Ｆターム(参考） 5H115 PA11 PG04 PI16 PU08 PV02 PV23 QA01 QA03 QA04 RB22 SE10 TO13

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気自動車用の電源系統であって、 駆動モータと、 前記駆動モータを励振する動作電力を供給する高電圧バ
    スと、 電力切換えデバイスを含み、インバータ出力を持つイン
    バータであって、前記高電圧バスと前記駆動モータとの
    間に結合されるインバータと、 前記インバータに結合され、モータ制御信号と高周波注
    入信号とを前記インバータへ与えるコントローラと、 前記インバータ出力に結合され、ＤＣ動作電力を供給す
    るＤＣ出力を持つ補助電力ユニットであって、前記高周
    波注入信号に応答して前記ＤＣ動作電力を供給する補助
    電力ユニットと、を備え、前記駆動モータが前記モータ
    制御信号に応答して動作し、前記高周波注入信号には実
    質的に影響されない電源系統。
  2. 【請求項２】 電気自動車用の電源系統であって、 駆動モータと、 前記駆動モータを励振する動作電力を供給する高電圧バ
    スと、 電力切換えデバイスを含み、インバータ出力を持つイン
    バータであって、前記高電圧バスと前記駆動モータとの
    間に結合されるインバータと、 前記インバータに結合され、モータ制御信号と高周波注
    入信号とを前記インバータへ与えるコントローラと、 前記インバータ出力に結合され、ＤＣ動作電力を供給す
    るＤＣ出力を持つ補助電力ユニットであって、前記高電
    圧注入信号に応答して前記ＤＣ動作電力を供給する補助
    電力ユニットと、を備え、 前記駆動モータが前記モータ制御信号に応答して動作
    し、前記高電圧注入信号には実質的に影響されず、前記
    駆動モータが、前記補助電力ユニットを前記インバータ
    出力に結合する電源系統。
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