JP2005184901A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のインバータ制御装置では、高電圧型の大電力部品を用いなければならず、装置自体が大型化し、コスト的にも高価なものであった。
【解決手段】
本発明は、上記目的を達成するために、低電圧型で小電力のリレーおよび抵抗器を複数用いて、リレーのオン・オフによる時間差制御で充放電制御を行うことを特徴とする。さらに、リレーと抵抗を含んで、コンデンサの充電回路およびコンデンサの放電回路の２つの機能を実行する回路を有するインバータ装置である。
【効果】
低電圧型の小電力用部品である部品を用いることで、実装密度を上げることができ、同じ容量のインバータ制御を行う装置に比べて装置の大きさを小型化することが可能になる。
インバータ装置に供給されている主電源である高電圧バッテリは駆動停止時に所定期間だけ抵抗器による放電がなされることでバッテリの消費量を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輌等のインバータ装置に係わり、特にインバータ装置内に実装される部品の実装方法に関するものである。

従来、電気車等を駆動するインバータ装置にはコンタクタ，コンデンサ，半導体素子等の電気部品が数多く使用されている。特に、コンデンサへの初期充電を行うための抵抗器およびリレー、さらにはコンデンサに充電された電荷の放電を行うための抵抗器等は高電圧型でなおかつ大電力に耐えうるために外形形状が非常に大きく、インバータ装置内部のスペースを大きく占めていた。また、コンデンサの放電用の抵抗器は常に電源ラインに接続されていることから、常にインバータ装置の主電源である高圧バッテリの電力をむだに消費しており、燃費悪化の要因の一つとなっていた。

特開平０８−２６６０８７号公報

上記従来技術では、高電圧型で大電力部品は一般的でないために特殊な製造技術により製作されていることから、非常に高価でありさらには大型の形状を成している。従って、インバータ装置に要求されている低価格・小型化を満たすには大きな弊害となっていた。また、特殊な部品を使用しているために、万が一の故障時の交換の際の部品費用が高価なものになったり、納入期間を必要としたり、作業時期を通常より長く必要としたりなどの問題があり、結果的に膨大な時間と費用を要するという問題がある。

本発明の目的は、一般的に使用されている低電圧型の小型の小電力部品を使用して低価格・小型化を図った部品実装方法を提供することにある。さらに、バッテリの消費量の低減および不慮の事故等による感電を防止し、また、故障発生時の車両停止時間を短縮化して稼動率の向上可能な電気車のインバータ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、低電圧型で小電力のリレーおよび抵抗器を所定の容量分となるように複数用いて、リレーのオン・オフによる時間差制御で充放電制御を行うことを特徴とする。さらに、リレーと抵抗を含んで、コンデンサの充電回路およびコンデンサの放電回路の２つの機能を実行する回路を有するインバータ装置である。

本発明は上記目的を達成するためにインバータ装置内にコンデンサへの充電用およびコンデンサの放電用に実装されている複数の抵抗器および複数のリレーを小型形状で同一の低電圧型の小電力用仕様の素子とし、これらを制御基板上に実装し、また、複数のリレーを時間差制御による駆動方式としたものである。

低電圧型の小電力用部品である部品を用いることで、実装密度を上げることができ、同じ容量のインバータ制御を行う装置に比べて装置の大きさを小型化することが可能になる。

インバータ装置に供給されている主電源である高電圧バッテリは駆動停止時に所定期間だけ抵抗器による放電がなされることでバッテリの消費量を低減することができる。

本発明は、インバータ装置内にコンデンサへの充電用およびコンデンサの放電用に実装されている複数の抵抗器および複数のリレーを小型形状で同一の低電圧型の小電力用仕様の素子とし、これらを制御基板上に実装し、また、複数のリレーを時間差制御による駆動方式としたものである。

以下、本発明の一実施例を図１により説明する。

図１中６，７，８，９,１０,１１はスイッチング素子であるＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴを駆動制御するためにインバータ制御回路４に内蔵されたＩＧＢＴ駆動回路２１により、オン・オフのスイッチング動作され、高電圧バッテリ１からの直流電圧を交流電圧に変換し電動機（図示せず）を駆動する。

ここで、直流電源（＋）は高電圧バッテリ１の（＋）端子→端子４１→コンタクタ２→端子４２→コンデンサ５を経てＩＧＢＴ６，８，１０に接続される。一方、直流電源(−)は高電圧バッテリ１の（−）端子→端子４３→コンデンサ５を経てＩＧＢＴ７，９，１１に接続される。

なお、半導体素子としてＩＧＢＴ以外の素子を使用することも可能である。

充放電回路３は、インバータ制御回路４に内蔵されたリレー駆動回路２０により発信されるオン・オフ信号により駆動される。さらに、インバータ制御回路４には、インバータ装置全体を制御する主制御回路２２を設けている。

図２は図１の本発明の一実施例である充放電回路３の内部構成図を示したものであり、リレー３１，リレー３２，リレー３３，リレー３４，リレー３５，抵抗器３６，抵抗器
３７、および抵抗器３８より構成される。ここで、リレー３１〜３５は制御基板実装型の小型の低電圧小電力用のリレーで全て同一品であり、また、抵抗器３６〜３８も同様に制御基板実装型の小型の低電圧小電力用の抵抗器で全て同一品である。

なお、図２における前記各々部品の数は自由に変更可能である。

図３は図１の従来の一実施例である充放電回路３の内部構成図を示したものであり、充電リレー５１，充電抵抗器５２および放電抵抗器５３より構成される。

図４は図２の本発明の一実施例である充放電回路３を構成している各リレー群および抵抗器群に印加される電圧値・電流値および抵抗値のタイミングチャート図を示したものである。

図５は従来の一実施例であるインバータ装置の主回路部品の実装ブロック図を示したものであり、ケースなどのインバータベース５０の上に制御基板６０などインバータ装置を構成する主な部品が実装されている。

図６は本発明の一実施例であるインバータ装置の主回路部品の実装ブロック図を示したものである。

以上の構成によるインバータ装置の動作例を図１，図２，図３，図４，図５および図６も含めて詳細に説明する。

図１において、インバータ装置を運転するための初期状態に設定するためには、まず、主制御回路２２からの信号がリレー駆動回路２０に入力されると、リレー駆動回路２０より抵抗器群およびリレー群より構成される充放電回路３に信号が入力される。適当な時間経過後にコンタクタ２に主制御回路２２よりリレー駆動回路２０を介して信号が入力されると、コンタクタ２は導通状態になる。高電圧バッテリ１より高電位の電圧は、端子４２，４３を介してコンデンサ５およびＩＧＢＴ６〜１１の両端に印加される。

従来の一実施例である図３も含めてさらに詳細に説明する。リレー駆動回路２０より充電リレー５１にオン信号が入力されると、充電リレー５１は導通状態になる。高電圧バッテリ１よりの高電位の電圧は、端子４１を介して充電抵抗器５２を通電し、端子４２を介してコンデンサ５を充電する。適当な時間経過後にコンタクタ２は、リレー駆動回路２０よりオン信号を受け、コンタクタ２は導通状態になり、前記同様にインバータ装置は運転するための初期状態を保つことになる。

ここで、従来の実施例である図３の充放電回路においては、コンタクタ２が導通状態になると、コンデンサ５の充電用に設定されていた充電リレー５１および充電抵抗器５２は無通電となる。従って、再度インバータ装置の電源立上げまで、その機能を果たさなくなり、非常に無駄となる。

さらに、放電抵抗器５３は電源ラインに直接接続されていることから、インバータ装置が運転中もしくは高電位の電圧が入力されている運転待機状態においても常に電力を消費していることになる。

また、例えば主制御回路２２からの指示によりＩＧＢＴ駆動回路２１からＩＧＢＴ６に信号が入力され、さらにＩＧＢＴ９に信号が入力されると、ＩＧＢＴ６およびＩＧＢＴ９が作動し、端子４２より高電位系の（＋）電圧がＩＧＢＴ６を通電して端子Ｕから電動機に印加され、端子Ｖを通りＩＧＢＴ９を通電して高電位系の（−）電圧が印加されている端子４３に電流が流れる。

次に図２、および、図４も含めて詳細に説明する。

図２は図１の充放電回路３の内部構成図の本発明の一実施例であり、図４は図２の充放電回路３を構成するリレー群と抵抗器群のタイミングチャートを示したものである。

ここで、抵抗器３６の抵抗値をＲ１（Ω）、抵抗器３７の抵抗値をＲ２（Ω）、抵抗器３８の抵抗値をＲ３（Ω）、端子４１から端子４２間および端子４２から端子４３間の合計抵抗値をＲＮ（Ω）、コンデンサ５に印加される電圧をＶｃ（Ｖ）、コンデンサ５の充放電時の電流をＩｃ（Ａ）と仮定する。

以下に、図４のタイミングチャートも含めて充放電回路３の動作を説明する。

なお、電圧Ｖｃおよび電流Ｉｃは過渡現象が起こる前の安定した時の初期値および過渡現象が起きた後の十分な時間経過後の安定した時の値を示している。

まず、インバータ装置が停止状態である時間ｔ０期間においては、充放電回路３内の回路群は全てオフ状態であることから、コンデンサ５の電位は抵抗器３６を介してリレー
３１およびリレー３５の導通により端子４３の電位に保持されることになるため、コンデンサ５への充電電流Ｉｃは流れない。

なお、抵抗器３７，３８およびリレー３２，３３も導通状態に保たれているが、リレー３１にて短絡されていることから、端子４２と端子４３間の抵抗値ＲＮは抵抗器３６の抵抗値であるＲ１（Ω）とみなすことができる。

次に、時間ｔ１期間において、リレー３４，３５およびリレー３３がオン状態になり、リレー３１，３２はオフ状態を保つとすると、リレー３３のみが導通状態になるために、端子４１と端子４２間の抵抗値ＲＮはＲ１＋Ｒ２＋Ｒ３となる。その結果、充電電流Ic1の初期値はＶｃ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）に設定され、コンデンサ５に充電される電圧Ｖｃは前記抵抗値ＲＮと初期の充電電流Ｉｃ１によりＶｃ１まで上昇する。

ここで、端子４１と端子４２間には高圧の電位が印加されているが、全て同一仕様の抵抗器３６〜３８が直列に接続されていることで、大型の高電圧大電力用の抵抗器１個にて使用していた従来の方法に比べ、合計の抵抗値ＲＮは約３倍にすることができ、充電電流Ｉｃの初期値は約１／３となる。さらに、各抵抗器には約１／３の低位の電圧に分圧された電圧しか印加されないことになるため、小型である低電圧小電力用の抵抗器とリレーを使用することが可能となる。

次に、時間ｔ２期間において、リレー３３，３４，３５に続いてリレー３２もオン状態になり、リレー３１はオフ状態を保つとすると、リレー３２のみが導通状態になるために、端子４１と端子４２間の抵抗値ＲＮはＲ１＋Ｒ２となる。その結果、充電電流Ｉｃ２の初期値は、Ｖｃ／(Ｒ１＋Ｒ２)に設定される。コンデンサ５に充電される電圧Ｖｃは、前記抵抗値ＲＮと初期の充電電流Ｉｃ２によりＶｃ２まで上昇するが、ここで本来、抵抗値ＲＮがｔ１期間より約１／３低下していることから、初期の充電電流Ｉｃ２は前記Ｉｃ１より高くなりＩｃ２′になるはずである。しかし、ｔ１期間にコンデンサ５はＶｃ１に充電されていることからＶｃ２−Ｖｃ１の電位差になるため、実際に流れる初期の充電電流Ｉｃ２はＩｃ１より低く抑えられる。従って、前記同様にリレー３２および抵抗器３７は小型である低電圧小電力用の抵抗器とリレーの同一品を使用することが可能となる。

なお、抵抗器３８およびリレー３３も導通状態に保たれているが、リレー３２で短絡されていることから、端子４１と端子４２間の抵抗値ＲＮは抵抗器３６，３７の合計値とみなすことができる。

次に、時間ｔ３期間において、リレー３２，３３，３４，３５に続いてリレー３１もオン状態になると、リレー３１のみが導通状態になるために、端子４１と端子４２間の抵抗値ＲＮはＲ１となる。その結果、充電電流Ｉｃ３の初期値はＶｃ／（Ｒ１）に設定され、コンデンサ５に充電される電圧Ｖｃは、前記抵抗値ＲＮと初期の充電電流Ｉｃ３により
Ｖｃ３まで上昇するが、ここで本来、抵抗値ＲＮがｔ２期間より約１／３低下していることから初期の充電電流Ｉｃ３は前記Ｉｃ２より高くなりＩｃ３′になるはずである。しかし、ｔ２期間にコンデンサ５はＶｃ２に充電されていることからＶｃ３−Ｖｃ２の電位差になるため、実際に流れる初期の充電電流Ｉｃ３はＩｃ２より低く抑えられることから、前記同様にリレー３１および抵抗器３６は小型である低電圧小電力用の抵抗器とリレーの同一品を使用することが可能となる。

なお、抵抗器３７，３８およびリレー３２，３３も導通状態に保たれているが、リレー３１にて短絡されていることから、端子４１と端子４２間の抵抗値ＲＮは抵抗器３６の値とみなすことができる。

次に、コンデンサ５の充電電圧が高電圧バッテリ１の電源電圧と同じＶｃ３の電位まで到達した場合、主制御回路２２よりリレー駆動回路２０を介してコンタクタ２にオン信号が入力されると、コンタクタ２は導通状態になり、その結果、充放電回路３が接続されている端子４１と端子４２間を短絡することになるために、充放電回路３は無通電状態と同様になり、高電位の電圧は端子４２および端子４３に印加された状態を保ち、インバータ装置の運転モードの初期段階である時間ｔ４期間に入ることになる。

次に、コンタクタ２がオン状態にある時間ｔ４期間の間に、リレー３１，３２，３３はオン状態を保持し、リレー３４，３５をオン状態からオフ状態に切替えると、抵抗器３６，３７，３８は無通電となるために端子４１と端子４２間および端子４２と端子４３間の抵抗値ＲＮは抵抗器３６，３７，３８に無関係な状態を保つために、本状態の時には抵抗器３６，３７，３８による電力の消費は発生しないため、燃費の向上に大きく寄与することになる。

次に、インバータ装置の運転待機状態が解除され、インバータ装置を停止するための信号が主制御回路２２よりリレー駆動回路２０を介してコンタクタ２に入力されると、コンタクタ２はオン状態の通電状態からオフ状態の無通電状態に切替わり、再び充放電回路３を構成している抵抗器群およびリレー群に高電位の電圧が印加されることになる。

次に、時間ｔ５期間において、リレー３３がオフ状態になり、リレー３４，３５もオフ状態を保ち、リレー３１，３２はオン状態を保つとすると、リレー３３のみが導通状態となるために、端子４２と端子４３間の抵抗値ＲＮはＲ１＋Ｒ２＋Ｒ３となる。その結果、放電電流Ｉｃ１の初期値はＶｃ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）に設定され、コンデンサ５に充電されていた電圧Ｖｃは、前記抵抗値ＲＮと初期の放電電流Ｉｃ１によりＶｃ３を初期値として低下していくことになる。ここで、端子４２と端子４３間には高圧の電位が印加されているが、全て同一仕様の抵抗器３６〜３８が直列に接続されていることで、大型の高電圧大電力用の抵抗器１個にて使用していた従来の方法に比べ、合計の抵抗値ＲＮは約３倍となる。その結果、放電電流Ｉｃの初期値は約１／３となり、さらに、各抵抗器には約１／３の低位の電圧に分圧された電圧しか印加されないことになるため、小型である低電圧小電力用の抵抗器とリレーを使用することが可能となる。

次に、時間ｔ６期間において、リレー３３，３４，３５に続いてリレー３２もオフ状態になり、リレー３１はオン状態を保つとすると、リレー３２のみが導通状態になるために、端子４２と端子４３の抵抗値ＲＮはＲ１＋Ｒ２となる。その結果、放電電流Ｉｃ２の初期値はＶｃ／（Ｒ１＋Ｒ２）に設定され、コンデンサ５に充電されていた電圧Ｖｃは前記抵抗値ＲＮと初期の放電電流Ｉｃ２によりＶｃ２まで低下するが、ここで本来、抵抗値
ＲＮがｔ５期間より約１／３低下していることから初期の放電電流Ｉｃ２は前記Ｉｃ１より高くなりＩｃ２′になるはずである。しかし、ｔ６期間にコンデンサ５の電位はＶｃ２まで低下していることからＶｃ３−Ｖｃ２の電位差になるため、実際に流れる初期の放電電流Ｉｃ２はＩｃ１と同じく低く抑えられることから、前記同様にリレー３２および抵抗器３７は小型である低電圧小電力用の抵抗器とリレーの同一品を使用することが可能となる。なお、抵抗器３８およびリレー３３も導通状態に保たれているが、リレー３２にて短絡されていることから、端子４２と端子４３間の抵抗値ＲＮは抵抗器３６，３７の合計値とみなすことができる。

次に、時間ｔ７期間において、リレー３２，３３，３４，３５に続いてリレー３１もオフ状態になると、端子４２と端子４３間の抵抗値ＲＮはＲ１となる。その結果、放電電流Ｉｃ３の初期値はＶｃ／（Ｒ１）に設定され、コンデンサ５に充電されていた電圧Ｖｃは前記抵抗値ＲＮと初期の放電電流Ｉｃ３によりＶｃ１まで低下するが、ここで本来、抵抗値ＲＮがｔ６期間より約１／３低下していることから初期の放電電流Ｉｃ３は前記Ｉｃ２より高くなりＩｃ３′になるはずである。しかし、ｔ７期間にコンデンサ５はＶc1まで低下していることからＶｃ２−Ｖｃ１の電位差になるため、実際に流れる初期の充電電流
Ｉｃ３はＩｃ２より低く抑えられることから、前記同様にリレー３１および抵抗器３６は小型である低電圧小電力用の抵抗器とリレーの同一品を使用することが可能となる。

なお、抵抗器３７，３８およびリレー３２，３３も導通状態に保たれているが、リレー３１にて短絡されていることから、端子４２と端子４３間の抵抗値ＲＮは抵抗器３６の値とみなすことができる。

次に、インバータ装置の運転が停止状態の時間ｔ８期間においては主制御回路２２の電源もオフであるため、充放電回路３内のリレー群および抵抗器群も同様にオフ状態になっている。電源が切れた状態においても、リレー３１を介して抵抗器３６は端子４２と端子４３を導通状態に保っているために、抵抗器３６により自然放電され、最終的にコンデンサ５の電位は端子４３の電位まで低下することになり、電源が切れた状態においてもコンデンサ５に充電された高圧の電位を放電することが可能となる様な回路構成にしたことで、不慮の事故等により制御回路の電源が入らなくても感電を防止することが可能となる。

また、従来はコンデンサ５の充電および放電の方法としてはそれぞれの機能に対して１組ずつ合計２組の回路を組んでいたが、上記実施例においては、１組の部品にてコンデンサ５の充電・放電の２つの機能を備えた回路構成にしたことで、インバータ装置のさらなる小型化が可能となる。

次に、図５および図６も含めて詳細に説明する。図５は従来のインバータ装置の主回路部品を実装したブロック図の一実施例であり、ＩＧＢＴ６〜１１，コンタクタ２および制御基板６０等が実装されている。ここで、インバータベース５０に実装されている主回路の中において、高電圧用の充電リレー５１および高電圧用の充電抵抗器５２さらに高電圧用の放電抵抗器５３の占める割合が非常に大きい。一方、本発明の一実施例である図６において、前記高電圧用の充電リレー５１および高電圧用の充電抵抗器５２さらに高電圧用の放電抵抗器５３を小型形状である低電圧型の小電力用リレーおよび小型形状である低電圧型の小電力用抵抗器にて複数個直列接続した回路構成からなる充放電回路３を制御基板６０上に搭載したことで、従来、高電圧用充電リレーおよび高電圧用充放電抵抗器を接続していた大型ケーブル等が不要になり、インバータ装置全体としての体積を約３０％低減することが可能となる。

以上説明したように、本発明では、電気車用のインバータ装置において一般的に使用されている低電圧型の小電力用部品を組み合わせた一組の同一仕様のリレーおよび同一仕様の抵抗器を時間差制御にてコンデンサの充電・放電の２つの機能を持たせた回路を制御基板上に形成したことにより、部品間を接続していた大型ケーブル等が廃止可能となることから、低価格および小型化が図られる。

さらに、インバータ装置に供給されている主電源である高電圧バッテリは駆動停止時のみのある一定期間だけ抵抗器による放電がなされることでバッテリの消費量を低減することが可能になる。

さらに、不慮の事故等により制御電源が切れた状態でもコンデンサの放電が可能な回路構成にしたことで感電防止に大きく寄与し、また、一般的に普及している低電圧用の部品は調達が容易なことから修理に要する時間は短時間で済み、故障発生時の車両停止時間を短縮化することで稼動率が向上でき、さらには保守費用を低減できる。

本発明の一実施例の制御システムのブロック図。 本発明の一実施例の充放電回路図。 従来のインバータ装置の充放電回路図。 本発明の一実施例のタイミングチャート図。 従来のインバータ装置の主回路部品実装ブロック図。 本発明の一実施例のインバータ装置の主回路部品実装ブロック図。

符号の説明

１…高電圧バッテリ、２…コンタクタ、３…充放電回路、４…インバータ制御回路、５…コンデンサ、６〜１１…ＩＧＢＴ、２０…リレー駆動回路、２１…ＩＧＢＴ駆動回路、２２…主制御回路、３１〜３５…リレー、３６〜３８…抵抗器、４１〜４３…端子、５０…インバータベース、５１…充電リレー、５２…充電抵抗器、５３…放電抵抗器、６０…制御基板。

Claims (5)

1. リレーおよび抵抗器からなる単位回路が所定の容量分となるように複数用いて、リレーのオン・オフによる時間差制御で充放電制御を行うことを特徴とする車輌用インバータ装置。
2. 請求項１において、
   リレーと抵抗を含んで、コンデンサの充電回路およびコンデンサの放電回路を構成することを特徴とする車輌用インバータ装置。
3. 直流電源から半導体素子のスイッチング動作により得られた交流電源により電動機を駆動する車両用インバータ装置であって、前記インバータ装置内に前記半導体素子をスイッチング駆動するための駆動回路に制御信号を発生する回路と、前記直流電源を導通・遮断するためのコンタクタ又はコンデンサへの初期充電を行うための複数の抵抗器と複数のリレーから成る充電回路部と、前記抵抗器および前記リレーはコンデンサの放電を行い、前記リレーを時間差制御にて駆動することを特徴とする車輌用インバータ装置。
4. 請求項３において、
   前記リレーを含む回路によって、前記コンデンサに充電された電荷を、制御電源が切れた状態で放電することを特徴とする車輌用インバータ装置。
5. 請求項３において、
   前記抵抗器および前記リレーにより構成された回路群は、前記車輌用インバータ装置の制御基板上に実装されていることを特徴とする車輌用インバータ装置。
   

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