JP2005218256A

JP2005218256A - 車載用電力変換装置

Info

Publication number: JP2005218256A
Application number: JP2004024150A
Authority: JP
Inventors: Masaru Fuku; 優福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】いわゆるハイブリッド車両は、車両駆動用の第１の直流電源（高電圧）は、安全性の向上などの理由でシャーシグランドには接続しない。一方、第１の直流電源に接続されたスイッチング素子に制御信号を供給する制御演算装置はその回路グランドラインを第１の直流電源に接続すると、車両制御装置から信号を受ける際に回路を絶縁するためフォトカプラなどの必要が生じ、また、その回路グランドラインを車両の第２の直流電源（１２Ｖなど）に接続すると、車両制御装置からの信号は直接受けられるがスイッチング素子への信号を絶縁するフォトカプラなどを使用する必要が生じるという課題があった。
【解決手段】制御演算装置４の回路グランドを車両の第２の直流電源８に接続し、制御演算装置４の出力ラインを電位レベルシフト回路５を介してスイッチング素子３に供給する。これによりフォトカプラを用いる必要がなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載された第１の直流電源装置の直流を交流に変換して交流負荷を駆動し、また発電機として動作する交流負荷からの交流電力を直流に変換して第１の直流電源装置に回生する電力変換装置に関し、より詳しくは、第１の直流電源装置とは直流的に接続されていない第２の直流電源装置を電源とする制御演算装置から制御信号を受けるものに関する。

いわゆるハイブリッドカーなど、車両を駆動するための大電力の電源装置（一般にはインバータ、以下車載用電力変換装置という）を備えた車両がある。このような車両では、一般に大電力電源装置のための高電圧直流電源（第１の直流電源装置という）と、従来の車両に搭載されている１２Ｖまたは２４Ｖ程度の直流電源（第２の直流電源装置という）の２系統を有する。そして第２の直流電源装置の一方の極（例えば負極）は車両のシャーシに接続されているが、第１の直流電源は安全上、両極ともシャーシには接続されていない。即ち、第１の直流電源装置と第２の直流電源装置とは直流的に接続されていない。

さて、電力変換装置は、例えば車両を駆動する電動モータを制御するために使用されるが、そのための制御信号は前記第２の直流電源装置を電源として動作するマイコンなど（以下、制御演算装置ともいう）との間で制御信号を授受する必要がある。ここにおいて、直接には接続されていない２つの直流電源装置にそれぞれが接続された２つの装置間で信号を授受する必要が生じる。

特許文献１の図５に、３相交流モータを駆動する車載用電力変換装置の構成が開示されている。この従来の車載用電力変換装置では、プラス、マイナスのいずれの端子もシャーシグランド（以下ＧＮＤ）に接続されていない直流電源１と、この直流電源１に接続された３相分の変換回路、即ち、それぞれ２個のスイッチング素子２と、スイッチング素子２に逆並列に接続されたダイオード３とを含む直交変換回路と、直流電源１とは絶縁され負極がシャーシグランドに接続された直流電源６と、直流電源６を電源とするマイコン５と、同じく直流電源６を電源としてマイコン５に信号を供給する車両制御装置１４と、マイコン５の出力信号を電気的に絶縁して直交変換回路に伝達するフォトダイオード８とを含んでいる。

また、同文献の図３には、３相交流モータを駆動する車載用電力変換装置の他の構成が開示されている。図３ではプラス、マイナスのいずれの端子もシャーシグランド（以下ＧＮＤ）に接続されていない直流電源１と、この直流電源１に接続された３相分の変換回路、即ち、それぞれ２個のスイッチング素子２と、スイッチング素子２に逆並列に接続されたダイオード３とを含む直交変換回路と、直流電源１とは絶縁され負極がシャーシグランドに接続された直流電源６と、直流電源６を電源としてマイコン５に信号を供給する車両制御装置１４と、車両制御装置１４の出力信号を電気的に絶縁してマイコン５に供給する電気絶縁素子１７とを含んでいる。そして更にマイコン５の出力はＨＶＩＣ（High Voltage Integrated Circuit 高耐圧の半導体集積回路）１５を介してスイッチング素子２を駆動する。

このように、負極をシャーシグランドに接続した直流電源６を電源とする車両制御装置１４の出力を、フローティングしている直流電源１を制御するスイッチング素子２へと、マイコン５を介して供給するに際し、マイコン５の電源を車両制御装置１４と共通にする（即ち直流電源６をマイコンの電源とする）場合はマイコン５の出力をフォトダイオードで絶縁して変換回路に供給する必要があり、また一方、マイコン５の電源を直流電源１と共通にする場合は車両制御装置１４とマイコン５との接続部に電気絶縁素子１７を挿入する必要がある。即ち、マイコン５の電源を直流電源１と直流電源６のいずれにしようとも、回路のどこかに直流を電気絶縁して信号のみを伝達するフォトダイオード（フォトカプラとも言う）または電気絶縁素子などを使用しなければならなかった。
特開２０００−３４１９７４号公報

従来の車両用電力変換装置では、マイコンの前または後に、電気絶縁素子を挿入する必要がある、電気絶縁素子にはフォトカプラを用いる事が多いが、フォトカプラは耐久劣化があるため、これを用いた車載用電力変換装置の搭載場所は、環境が厳しくない場所に搭載しなければならないなど、装置のレイアウトに制限を受けるという課題があった。
また、フォトカプラは価格が高く車載用電力変換装置が高価となる主要因となるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決し、フォトカプラを必要とせず、耐久性に優れ、厳しい環境場所にも搭載可能である車両用電力変換装置を低価格で得ることを目的としている。

この発明の車載用電力変換装置は、複数の出力端子を有し、そのいずれもが車体のシャーシグランドに接続していない第１の直流電源、
前記第１の直流電源に接続された制御端子を有するスイッチング素子、このスイッチング素子を制御して前記第１の直流電源から交流電力を得、この交流電力により交流負荷を駆動する電力変換回路、
複数の出力端子を有し、そのいずれかが前記シャーシグランドに接続された第２の直流電源、
前記第２の直流電源から電力の供給を受けるとともに、回路のグランドが前記シャーシグランドに接続され、前記スイッチング素子を制御する制御信号を出力する制御演算装置、
入出力端子を有するとともに、前記入力端子が前記制御演算装置の前記制御信号の出力回路に接続され、前記出力端子が前記スイッチング素子の前記制御端子に接続された電位レベルシフト回路を備えたものである。

本発明の車載用電力変換装置は、スイッチング素子を制御する制御演算装置の電源（第２の直流電源）が、電力用電源（第１の直流電源）とは接続されていない。しかも、スイッチング素子への信号経路にフォトカプラを使用せず、電位レベルシフト回路を使用しているので耐久性に優れ、厳しい環境場所にも搭載可能であるという効果が得られる。

実施の形態１．
本発明の車載用電力変換装置の構成を図１に示す。図１において、第１の直流電源１は例えば数１００ボルトであり、電力変換装置に直流を供給する電源でシャーシグランド（以下ＧＮＤとも記す）１０には接続されておらず、その電位はシャーシＧＮＤ１０電位と異なる電位を持つ。第１の直流電源１に接続され負荷９に交流を出力する電力変換装置（点線で囲んだ部分）２は、スイッチング動作により電力変換を行うスイッチング素子３（いわゆるＩＧＢＴなどが使用される）、スイッチング素子３に制御信号を供給するとともにシャーシＧＮＤ１０をＧＮＤとする制御演算装置（後述）４、制御演算装置４からスイッチング素子３への信号伝達を行うとともに後述する電位シフト手段である電位レベルシフト回路（後述）５を含む。また、制御演算装置４へ信号を供給するとともにシャーシＧＮＤ１０をＧＮＤとする車両制御装置（後述）６、シャーシＧＮＤ１０をＧＮＤとし制御演算装置４と車両制御装置６に電源を供給する第２の直流電源８（例えば１２ないし２４ボルト）を図示している。

制御演算装置４は、たとえば車両制御装置６から車輪が駆動すべきトルク指令信号その他を受けて、この指令に基づくトルクなどを交流負荷（モータ）９が発生するように電力変換装置２を制御するものである。
電位レベルシフト回路５については前述の特許文献１の明細書段落［００１１］から［００１２］にＨＶＩＣ（High Voltage Integrated Circuit）として詳細が解説されているので、ここでの詳細な説明は省くが、一般的にはＮｃｈのＭＯＳで低電圧系から高電圧系へ、ＰｃｈのＭＯＳで高電圧系から低電圧系へ信号レベルのシフトを行う周知の高耐圧の半導体集積回路であり、ＪＩ形、ＤＩ形と呼ばれる構造が多く用いられている。ＨＶＩＣはＭＯＳゲート相当の絶縁抵抗が確保できることから、産業、民生分野において、絶縁機能を有する信号伝達手段として広く用いられている。

車両制御装置６は、運転者が操作するアクセルペダルやブレーキペダルの操作に応じて電力変換装置の動作モード（例えば駆動制御、回生制動制御、空転など、）を決定して指令するとともに、モータ９が発生すべきトルクレベルを演算して制御演算装置４に指令するものである。
なお、動作説明の必要上、各部の配線とシャーシＧＮＤ１０との間にある浮遊容量などからなるインピーダンスを１１として図示している。インピーダンス１１は第１の直流電源の正／負両極とシャーシ間、交流負荷９の配線とシャーシ間などに存在する。図では同じ１１として図示しているが、各インピーダンスは配線ごとに異なる値であり、また、環境湿度の変動などともに変化する。

第１の直流電源１の両極とシャーシＧＮＤ１０の間にはインピーダンス１１が存在するため、シャーシＧＮＤ１０の電位は第１の直流電源１の＋極電位と−極電位の間の電位となっており、シャーシＧＮＤ１０と第１の直流電源１の間には明確な（値は不確であるが）電位差が生じる。このためシャーシＧＮＤ１０をＧＮＤとする制御演算装置４と、第１の直流電源１のＧＮＤ基準であるスイッチング素子３との間も明確な電位関係が出来るが、電位レベルシフト回路５でこの電位差が解消されスイッチング素子３を駆動することが出来る。
制御演算装置４をシャーシＧＮＤ基準にすることが出来ると、車両制御装置６との信号伝達手段１２には、絶縁素子を使用する必要がなく直結したり、直流的に遮断されていないトランジスタ回路を使ったりすることが可能となる。
信号伝達手段１２にトランジスタを使用すると、従来の例で説明したフォトカプラのような耐久劣化が少ないため、電力変換装置を比較的環境条件の厳しい場所にも搭載可能となる。また、トランジスタはフォトカプラに比べて安価であるため、電力変換装置をより低価格とすることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２の車載用電力変換装置の構成を図２に示す。なお、以下の各図において同符合は同一または類似部分を示し、その詳細な説明は省略する場合がある。
図２において、第１の直流電源１とシャーシＧＮＤ１０の間にノイズ除去用のＹコンデンサ１３が接続されている。一般的に、車載用電力変換装置では、ラジオノイズ対策のためにＹコンデンサ１３をつけることが多い。Ｙコンデンサ１３のインピーダンスは車両の配線の浮遊容量によるインピーダンス１１より小さいため、シャーシＧＮＤ１０と第１の直流電源１の両極の電位関係は、Ｙコンデンサ１３のインピーダンスにより決まり、シャーシＧＮＤ１０の電位は第１の直流電源１の＋電極の電位と−電極の電位とのほぼ中間の値となる。シャーシＧＮＤ１０をＧＮＤとする制御演算装置４と、第１の直流電源１のＧＮＤ基準であるスイッチング素子３との間も明確な電位関係が出来るので、電位レベルシフト回路５でスイッチング素子３を駆動することが出来る。
なお、図２ではＹコンデンサ１３は電力変換装置２の中に記載してあるが、電力変換装置２の外部に取り付けられていても同じである。また、実施の形態１の図１、実施の形態２の図２に示した構成において、車両制御装置６のグランドと、制御演算装置４のグランドは共通であるから、信号伝達手段１２は例えば直流絶縁機能などを備えた特別なものは必要がなく直結してもよい。

実施の形態３．
車両に搭載する場合、特に小型車の場合には、各種の電子装置を搭載するためのまとまった大きいスペースを確保することが難しい場合がある。このような場合には実施の形態
１、２で説明した制御演算装置４が電力変換装置の中に収納されている構成では車両への搭載が難しくなる。
実施の形態１の図１と実施の形態２の図２とでは、電力変換装置２は制御演算装置４を含んだ構成となっていた。しかし、制御演算装置４の電源は第２の直流電源８、即ち、車両制御装置６と共通の電源を用いているので、制御演算装置４は電力変換装置２から分離した構成としてもよい。このようにした実施の形態３の車両用電力変換装置の構成を図３に示す。制御演算装置４を含まない電力変換装置は２ａで示している。
図３に示す制御演算装置４を電力変換装置とは分離して別の構成とした場合、スイッチング素子３と電位レベルシフト回路５とを含む部分を収納した部分を第１の変換部２ａと呼ぶ。そして制御演算装置４や車両制御装置６は第１の変換部とは異なる別の筐体に収納する。このようにすることにより小型の車両においても搭載するためのスペースを得やすくなる。
なお、図３は図１の構成をもとに記載しているが、図２のようにＹコンデンサ１３を直流電源ラインに含む場合も同様な構成とすることができる。

実施の形態４．
実施の形態１の図１、実施の形態２の図２に示した構成において、車両制御装置６のグランドと、制御演算装置４のグランドは共通であるから、信号伝達手段１２は例えば直流絶縁機能などを備えた特別なものは必要がなく、図４に示すように直結してもよい。
実施の形態３の説明のように、搭載すべき車両において得られるスペースに応じて図４のように、スイッチング素子３と電位レベルシフト回路５と制御演算装置４とを一つの筐体に収納したものを第２変換部２ｂと呼ぶ。この場合、車両制御装置６は第２変換部２ｂとは異なる別の筐体に収納する。

実施の形態５．
実施の形態３、実施の形態４では、特に小型車の場合の搭載スペースを得るために電力変換装置の構成を細分化することについて説明した。一方、車両が大型である場合には、電力変換装置を搭載するためのまとまった大きいスペースが比較的容易に得られる。一般的に電子装置は細分化するよりも可能な限り装置を一体化した方が全体としてのコストは低くなる傾向にある。そこで、大型車両に搭載するための電力変換装置としては図５に示すようにように、スイッチング素子３と制御演算装置４と電位レベルシフト回路５のみでなく、更に車両制御装置６を一つの筐体、第３変換部２ｃと呼ぶ筐体に収納してもよい。
図５では、図１〜図４に示した信号伝達手段１２を用いず直結している場合を示しているが、用いてもよいことはいうまでもない。また、Ｙコンデンサ１３を用いてもよい。

この発明の車両用電力変換装置は、乗用自動車に限らず、トラックやバスなどの大型車、あるいはフオークリフトやバッテリ運搬車などの特殊車両にも用いることができる。

この発明の実施の形態１の車両用電力変換装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２の車両用電力変換装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３の車両用電力変換装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態４の車両用電力変換装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態５の車両用電力変換装置の構成を示す図である。

符号の説明

１第１の直流電源、２電力変換装置、２ａ第１変換部、
２ｂ第２変換部、２ｃ第３変換部、３スイッチング素子、
４制御演算装置、５電位レベルシフト回路、６車両制御装置、
８第２の直流電源、９モータ、１０シャーシグランド、
１１浮遊容量のインピーダンス、１３Ｙコンデンサ、
２１電力変換装置。

Claims

複数の出力端子を有し、そのいずれもが車体のシャーシグランドに接続していない第１の直流電源、
前記第１の直流電源に接続された制御端子を有するスイッチング素子、このスイッチング素子を制御して前記第１の直流電源から交流電力を得、この交流電力により交流負荷を駆動する電力変換回路、
複数の出力端子を有し、そのいずれかが前記シャーシグランドに接続された第２の直流電源、
前記第２の直流電源から電力の供給を受けるとともに、回路のグランドが前記シャーシグランドに接続され、前記スイッチング素子を制御する制御信号を出力する制御演算装置、
入出力端子を有するとともに、前記入力端子が前記制御演算装置の前記制御信号の出力回路に接続され、前記出力端子が前記スイッチング素子の前記制御端子に接続された電位レベルシフト回路を備えたことを特徴とする車載用電力変換装置。
前記電力変換回路は前記交流負荷が発生した交流電力を直流に変換して前記第１の直流電源に供給する機能を備えたことを特徴とする請求項１に記載の車載用電力変換装置。
前記第１の直流電源の前記複数の出力端子間と、前記シャーシグランドとの間に接続されたYコンデンサを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の車載用電力変換装置。
前記車載用電力変換装置は、前記スイッチング素子と前記電位レベルシフト回路とを１筐体に収納した第１変換部と、前記第１変換部とは異なる筐体に収納した前記制御演算装置とを含むことを特徴とする請求項１または３に記載の車載用電力変換装置。
前記車載用電力変換装置は、前記スイッチング素子と前記電位レベルシフト回路と前記制御演算装置とを１筐体に収納した第２変換部を含むことを特徴とする請求項１または３に記載の車載用電力変換装置。
前記車載用電力変換装置は、前記スイッチング素子と前記電位レベルシフト回路と前記制御演算装置と、前記第２の直流電源から電力供給をうけて動作し前記制御演算装置に信号を供給する車両制御装置とを１筐体に収納した第３変換部を含むことを特徴とする請求項１または３に記載の車載用電力変換装置。