JP2005304235A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流電源から電力を供給する構成の車両用電源装置において、入力電流中の高調波電流成分を抑制する。
【解決手段】 直流電源であるバッテリ１０は、電力線２０１，２０２を介して、三相インバータ２５０を含む電力変換器２３０へ直流電圧を供給する。電流センサ２０５は、バッテリ１０から電力変換器２３０への入力電流Ｉｉｎを測定する。制御装置２２０は、電流センサ２０５による電流測定値に基づき、入力電流Ｉｉｎの交流成分と逆極性の補償電流を逐次算出するとともに、補償電流を発生させるための電流指令値ｉｒｆを生成する。アクティブフィルタ２１０は、制御装置２２０からの電流指令値ｉｒｆに従った交流電流ｉａｆを電力線２０１へ供給する。入力電流Ｉｉｎ中の高調波電流は、アクティブフィルタ２１０からの交流電流ｉａｆによって打ち消されることにより抑制される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、車両用電源装置に関し、より特定的には、車両駆動用モータを搭載した自動車に用いられる車両用電源装置に関する。

二次電池から供給された直流電圧を、インバータに代表される電力変換器によって交流電圧に変換して負荷を駆動する電源装置では、インバータでのスイッチング動作に起因する高調波電流が二次電池と接続された入力ライン（直流電圧ライン）に発生する現象が知られている。

電力系統における高調波電流を除去する技術としては、アクティブフィルタの適用が一般的に知られている。たとえば、アクティブフィルタを力率改善回路として備えた直流電源装置の構成（たとえば特許文献１および２）や、商用交流電圧が高調波を多く含む歪んだ波形であっても、入力電圧波形を正弦波として力率を改善することが可能なアクティブフィルタ型電源装置（たとえば特許文献３）が開示されている。
特開平９−２０１０５２号公報 特開平９−２８０８０号公報 特開平７−２２２４４９号公報

ハイブリッド自動車等に搭載された車両用電源装置では、直流電源から供給された直流電力をインバータによって交流電力に変換して、車両駆動用のモータの駆動制御に用いる構成が知られている。このような構成では、インバータを構成する電力用半導体素子のスイッチング周波数に対応したリップル電流や、スイッチング動作時に発生するサージ状のノイズ電流による高調波電流が、二次電池とインバータとを接続する電力線上に発生してしまう。

このような高調波電流に起因して種々の障害が発生する。たとえば、このような高調波電流が二次電池へ影響を及ぼすことで、高調波に起因した異音を発生させる原因となる可能性がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、直流電源からインバータへ電力を供給する構成の車両用電源装置において、直流電源からの入力電流の高調波電流成分を抑制することである。

この発明による車両用電源装置は、車両駆動用の交流モータを備えた自動車に搭載される車両用電源装置であって、直流電源と、電力変換器と、電力線と、電流センサと、アクティブフィルタと、制御装置とを備える。電力変換器は、直流電源によって供給される直流電力と交流モータを駆動制御する交流電力との間の電力変換を行なう。電力線は、直流電源と電力変換器との間を接続する。電流センサは、電力線の通過電流を測定する。アクティブフィルタは、与えられた電流指令値に従った交流電流を電力線へ供給する。制御装置は、電力変換器の作動期間において、電流センサにより測定された通過電流の交流成分と逆極性の交流電流に相当する補償電流を逐次算出するとともに、補償電流を発生させるための電流指令値を生成してアクティブフィルタへ与える。

好ましくは、この発明による車両用電源装置では、電流センサの測定値は、直流電源の制御にも用いられる。

また好ましくは、この発明による車両用電源装置は、制御装置からの指示に応答して、電力線と電力変換器との間を切り離すリレースイッチをさらに備える。さらに、直流電源は、二次電池で構成され、制御装置は、電力変換器の非作動期間においてリレースイッチをオフさせ、かつ、リレースイッチのオフ期間に発生された所定のトリガ信号に応答して、所定の交流電流を発生させるための電流指令値を生成してアクティブフィルタへ与える。

さらに好ましくは、この発明による車両用電源装置では、トリガ信号は、予め設定された所定時刻への到達に基づいて発生される。

好ましくは、直流電源は二次電池で構成される、

この発明による車両用電源装置は、電流センサによる測定値に基づいて電力線を流れる入力電流の交流成分を検出し、当該交流成分を打消す補償電流をアクティブフィルタによって発生させることができる。これにより、大容量の平滑コンデンサを設けることなく入力電流の高調波電流成分を抑制することができる。この結果、車両用電源装置の搭載性を損なうことなく、高調波電流に起因して発生する障害を抑制することができる。

特に、直流電源の制御用の電流センサによる測定値を用いてアクティブフィルタへの電流指令値を求める構成とすることにより、新たに電流センサを配置することなく高調波電流を抑制することが可能となる。

また、この発明による車両用電源装置では、リレースイッチのオフ期間において、所定のトリガ信号に応答して、二次電池で構成された直流電源を所定周期で充放電するための交流電流をアクティブフィルタによって生成できる。これにより、車両起動前に二次電池の自動的な暖機運転を行なって、起動時における車両運転をスムーズなものとすることができる。

特に、トリガ信号が予め設定された所定時刻への到達に基づいて発生される構成とすることにより、冬期の早朝等の運転者等が予め指定した時刻に二次電池の暖機運転を自動的に実行可能となる。

また、この発明による車両用電源装置では、直流電源が二次電池で構成された場合において、高調波電流の影響により二次電池で発生する障害、たとえば異音等の発生を、搭載性を損なうことなく抑制できる。
解決することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明による車両用電源装置を搭載した自動車の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略ブロック図である。

図１を参照して、この発明の実施の形態による車両用電源装置を搭載したハイブリッド自動車１００は、バッテリ１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、動力出力装置３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）４０と、前輪５０Ｌ，５０Ｒと、後輪６０Ｌ，６０Ｒと、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒと、リアシート８０とを備える。

「直流電源」であるバッテリ１０は、リアシート８０の後方部に配置される。バッテリ１０は、ＰＣＵ２０に電気的に接続される。バッテリ１０は、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成り、直流電圧をＰＣＵ２０へ供給するとともに、ＰＣＵ２０からの直流電圧によって充電される。

ＰＣＵ２０は、たとえば、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒの下部領域、すなわちフロア下領域を利用して配置される。動力出力装置３０は、ダッシュボード９０よりも前側のエンジンルームに配置される。ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０と電気的に接続される。動力出力装置３０は、ＤＧ４０と連結される。

ＰＣＵ２０は、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータを駆動制御する。また、ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０を充電する。

動力出力装置３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータによる動力をＤＧ４０を介して前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達して前輪５０Ｌ，５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置３０は、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ２０へ供給する。

ＤＧ４０は、動力出力装置３０からの動力を前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達するとともに、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力を動力出力装置３０へ伝達する。

図２は、この発明による車両用電源装置に相当する回路部分の構成を示す電気回路図である。

図２を参照して、この発明による車両用電源装置は、バッテリ１０と、ＰＣＵ２０の一部とによって構成される。

ＰＣＵ２０は、アクティブフィルタ２１０と、制御装置２２０と、電力変換器２３０とを含む。制御装置２２０は、マイクロコンピュータ等で構成された電子制御用コントロールユニット（ＥＣＵ）に相当する。電力変換器２３０は、コンバータ２４０と、平滑コンデンサ２４５と、三相インバータ２５０とを含む。

バッテリ１０と、電力変換器２３０との間は電力線２０１および２０２で接続される。電力線２０１は、バッテリ１０の正極と接続され、さらにリレースイッチ２１１を介して電力変換器２３０の電源ライン２３１と接続される。電力線２０２は、バッテリ１０の負極と接続され、さらにリレースイッチ２１２を介して電力変換器２３０のアースライン２３２と接続される。

コンバータ２４０は、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）Ｑ１およびＱ２と、リアクトル２４２とを含む。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、電源ライン２３３およびアースライン２３２の間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１およびＱ２はたとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成され、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２には、逆方向の電流通過を可能にする逆並列ダイオードＤ１およびＤ２がそれぞれ接続されている。

リアルトル２４２は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードと電力線２０１との間に接続される。すなわち、コンバータ２４０は、いわゆる非絶縁型の昇圧チョッパ回路を構成している。

平滑コンデンサ２４５は、電源ライン２３３およびアースライン２３２の間に接続される。

三相インバータ２５０は、Ｕ相アーム２５３を構成するスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４と、Ｖ相アーム２５４を構成するスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６と、Ｗ相アーム２５５を構成するスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８とを含む。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８も代表的にはＩＧＢＴで構成される。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８には、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ設けられている。

各相の中間点は、モータジェネレータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭ１は、三相の永久磁石モータであり、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続されて構成される。

一方、Ｕ相コイルの他端はスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に接続され、Ｖ相コイルの他端はスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に接続され、Ｗ相コイルの他端はスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８の中間点に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８は、制御装置２２０からの制御信号Ｓ１〜Ｓ８を制御電極（ＩＧＢＴではゲート電極）にそれぞれ受けて、当該制御信号に応答してオン・オフされる。制御装置２２０は、三相インバータ２５０の各相電流の検出値やモータジェネレータＭ１の回転位置検出センサ（図示せず）からの出力値に基づいて、制御信号Ｓ１〜Ｓ８を生成する。たとえば、制御信号Ｓ１〜Ｓ８は、モータジェネレータＭ１がモータ指令値（トルク指令値等）に従って駆動制御されるように、周知のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御等の手法に従って生成される。

電流センサ２０５は、電力線２０１上の通過電流、すなわちバッテリ１０からの入力電流Ｉｉｎを測定するために設けられる。電流センサ２０５は、たとえばバッテリ１０が格納されたバッテリパックを構成する筐体１１の中にバッテリ１０と一体的に格納されている。電流センサ２０５の測定電流は、図示しないＳＯＣ（State of Charge）制御系へ伝達され、バッテリ１０の充電状態（代表的にはＳＯＣ値）を維持するための制御に用いられる。たとえば、電流センサ２０５の測定電流積算値に基づいて、バッテリ１０のＳＯＣ値の低下が検出された場合には、バッテリ１０の充電のために、図示しないモータジェネレータを駆動させバッテリ１０を充電する。

電流センサ２０５は、さらに、制御装置２２０から電気的にコンタクト可能なように設けられ、電流センサ２０５による電流測定値は、制御装置２２０へ入力される。

制御装置２２０は、ハイブリッド自動車１００の運転者によるイグニッションスイッチ（図示せず）のオン・オフに応答して、リレースイッチ２１１，２１２を導通または遮断させる。イグニッションスイッチのオン時には、電力線２０１，２０２と電力変換器２３０とが接続されて、バッテリ１０からの直流電圧が電力変換器２３０へ供給される。すなわち、電力変換器２３０の作動期間において、リレースイッチ２１１，２１２はオンされる。

コンバータ２４０は、リレースイッチ２１１，２１２のオンに応答して電源ライン２１３およびアースライン２３２の間にバッテリ１０から供給された直流電圧を受ける。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチング制御されることによって、バッテリ１０からの直流電圧は昇圧されて、電源ライン２３３へ出力される。平滑コンデンサ２４５は、電源ライン２３３の直流電圧を平滑化して三相インバータ２５０へ供給する。三相インバータ２５０は、電源ライン２３３の昇圧された直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭ１を駆動する。すなわち、三相インバータ２５０は、バッテリ１０によって供給される直流電力と「車輪駆動用の交流モータ」であるモータジェネレータＭ１を駆動制御する交流電力との間の電力変換を行なう。

また、三相インバータ２５０は、モータジェネレータＭ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換して電源ライン２３３へ出力する。平滑コンデンサ２４５は、この直流電圧を平滑化してコンバータ２４０へ供給する。コンバータ２４０は、平滑コンデンサ２４５からの直流電圧を降圧して、電力線２０１，２０２を介してバッテリ１０等へ供給する。このように、ＰＣＵ２０では、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧してモータジェネレータＭ１を駆動するとともに、モータジェネレータＭ１が発電した電力をバッテリ１０等へ供給する。

このような電力変換において、電力線２０１を通過する入力電流Ｉｉｎには、コンバータ２４０のスイッチング周波数あるいは三相インバータ２５０のスイッチング周波数に応答したリップル電流やスイッチングノイズ電流等の高調波電流が重畳されることになる。このような高調波電流は、電流センサ２０５による入力電流Ｉｉｎの測定により検出可能である。

図３は、電流センサによる入力電流Ｉｉｎの測定波形例を示す図である。

図３を参照して、入力電流Ｉｉｎの直流成分Ｉ０に、高調波電流である交流成分が重畳されている。

再び図２を参照して、アクティブフィルタ２１０は、電力線２０１および２０２と接続され、制御装置２２０からの電流指令値ｉｒｆに従った交流電流ｉａｆを電力線２０１へ出力する。この発明による車両用電源装置に適用されるアクティブフィルタ２１０は、たとえば自励式インバータを含んで構成されるが、その回路構成は特に限定されず周知の種々の回路構成を適用することができる。

制御装置２２０は、電流センサ２０５での測定電流に基づき、入力電流Ｉｉｎの高調波電流を打消すような補償電流ｉｃｍｐがアクティブフィルタ２１０によって生成されるように、電流指令値ｉｒｆを生成する。

図４に示すように、入力電流Ｉｉｎの高調波電流を抑制するためには、入力電流Ｉｉｎ中の交流成分と逆極性の補償電流ｉｃｍｐを入力電流Ｉｉｎに加えてやればよい。これにより、図５に示すように入力電流Ｉｉｎの高調波成分を打ち消すことができる。

図６は、図４に示した補償電流ｉｃｍｐ生成のための制御装置２２０の制御動作を説明するフローチャートである。

図６を参照して、ハイブリッド自動車１００のイグニッションスイッチのオンに応答して、高調波電流抑制制御が開始される（ステップＳ１００）。

高調波電流抑制制御が開始されると、電流センサ２０５の出力、すなわち入力電流Ｉｉｎの測定値がサンプリングされる（ステップＳ１１０）。

制御装置２２０は、時系列的に逐次検出された電流センサ出力から、図３に示したような、入力電流Ｉｉｎの交流成分（高調波電流）を算出する（ステップＳ１２０）。

制御装置２２０は、ステップＳ１２０で算出された交流成分と逆極性、すなわち逆位相の交流電流に相当する補償電流ｉｃｍｐ（図５）を算出する（ステップＳ１３０）。さらに、補償電流ｉｃｍｐがアクティブフィルタ２１０により発生させるように、アクティブフィルタ２１０の電流指令値ｉｒｆを生成する（ステップＳ１４０）。

このような制御は、イグニッションスイッチがオフされるまで継続され、イグニッションスイッチオフに応答して高調波電流の抑制制御も終了される（ステップＳ１６０，Ｓ２００）。

一方、イグニッションスイッチがオンされている期間では、所定周期Ｔｓの経過ごとに、ステップＳ１１０〜Ｓ１４０が繰返される（ステップＳ１５０）。

このような制御フローに従って生成された電流指令値ｉｒｆに従ってアクティブフィルタ２１０によって生成された補償電流ｉｃｍｐにより、図５に示したような高調波電流が抑制された入力電流Ｉｉｎを得ることが可能となる。

以上説明したように、この発明の実施の形態１による車両用電源装置では、バッテリ（二次電池）からの入力電流の交流成分を検出し、当該交流成分を打消す補償電流をアクティブフィルタによって発生させるので、入力電流の高調波電流成分を抑制することができる。これにより、高調波電流の影響により二次電池で発生する障害、たとえば異音等の発生を抑制することができる。

特に、平滑コンデンサ２４５の容量を大きくすることなく入力電流の高調波電流成分を抑制することができるので、搭載制約の大きい車両搭載用電源装置において、平滑コンデンサを大型化する必要がなく、搭載性を良好にすることができる。

また、この発明の構成では、入力電流Ｉｉｎ測定用の電流センサの配置が必要となる。ハイブリッド自動車のバッテリパック内に一般的に設けられる、バッテリ１０の充電状態の維持制御に用いられる電流センサでの測定値を用いて、アクティブフィルタの電流指令値を生成する構成とすることにより、新たに電流センサを配置することなく高調波電流を抑制することが可能となる。

［実施の形態２］
実施の形態２では、高調波電流抑制用に設けたアクティブフィルタによって、バッテリ１０の暖機運転を行なう構成について説明する。

図７を参照して、実施の形態２に従う構成では、運転者によるイグニッションスイッチのオン前に、制御装置２２０へ与えられるトリガ信号に応答してバッテリ１０の暖機運転が実行される。

実施の形態２によるバッテリ暖機運転の実行時には、イグニッションスイッチがオフされており、リレースイッチ２１１，２１２はオフされている。すなわち電力ライン２０１，２０２と電力変換器２３０とは切離されている。

この状態で、制御装置２２０は、リレースイッチ２１１，２１２のオフ期間に与えられたトリガ信号に応答して、バッテリ暖機運転用の電流指令値ｉｒｆを生成する。トリガ信号は、予め設定された所定時刻への到達が、図示しない時計機構によって検知されたときに発生される。たとえば、冬期の早朝等の運転前にバッテリの暖機運転を行なうように、運転者が予めタイマ設定した時刻に到達したことを検知すると上記トリガ信号が制御装置２２０へ与えられる。なお、上記の時計機構およびトリガ信号発生機構は、制御装置２２０の内部に一体的に設ける構成としてもよい。

図８を参照して、バッテリ暖機運転時には、電流指令値ｉｒｆは、所定周波数および所定振幅の交流電流として生成される。アクティブフィルタ２１０は、制御装置２２０からの電流指令値ｉｒｆに従って、図８に示した交流電流ｉａｆを出力し、電力線２０１へ供給する。

リレースイッチ２１１，２１２のオフによって、電力線２０１，２０２を介してアクティブフィルタ２１０およびバッテリ１０による閉回路が構成されるので、アクティブフィルタ２１０からの交流電流ｉａｆは、暖機電流Ｉｉｎ♯としてバッテリ１０へ供給される。

暖機電流Ｉｉｎ♯によって、バッテリ１０が所定周期で充放電されることにより、バッテリ１０の電池温度が上昇し暖機運転が行なわれる。これにより、起動時における車両運転をスムーズなものとすることができる。

以上の発明の実施の形態では、バッテリ１０と接続された電力変換器２３０がコンバータ２４０および三相インバータ２５０で構成される例を説明したが、この発明の適用はこのような構成に限定されるものではない。すなわち、直流電源が、直流−交流変換を行なう電力変換器と接続された構成の車両用電源装置について、この発明の構成を共通に適用可能である。

また、この発明による車両用電源装置の適用は、ハイブリッド自動車への搭載に限られず、電気自動車（Electric Vehicle）への適用も可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明による車両用電源装置を搭載した自動車の一例として示されるハイブリッド自動車の構成を示す概略ブロック図である。 この発明による車両用電源装置に相当する回路部分の構成を示す電気回路図である。 電流センサによる入力電流の測定波形例を示す図である。 入力電流の高調波電流を打消すための補償電流の波形例を示す図である。 補償電流供給時における入力電流波形を示す図である。 図４に示した補償電流ｉｃｍｐ生成のための制御装置の制御動作を説明するフローチャートである。 この発明による車両用電源装置の実施の形態２によるバッテリ暖機運転時における回路状態を説明する回路図である。 実施の形態２によるバッテリ暖機運転時におけるアクティブフィルタへの電流指令値波形を示す図である。

符号の説明

１０ バッテリ、１１ 筐体（バッテリパック）、３０ 動力出力装置、５０Ｌ，５０Ｒ 前輪、６０Ｌ，６０Ｒ 後輪、１００ ハイブリッド自動車、２０１，２０２ 電力線、２０５ 電流センサ、２１０ アクティブフィルタ、２１１，２１２ リレースイッチ、２２０ 制御装置（ＥＣＵ）、２３０ 電力変換器、２３１，２３３ 電源ライン、２３２ アースライン、２４０ コンバータ、２４５ 平滑コンデンサ、２５０ 三相インバータ、Ｄ１〜Ｄ８ 逆並列ダイオード、ｉａｆ 交流電流（アクティブフィルタ）、ｉｃｍｐ 補償電流、Ｉｉｎ 入力電流、ｉｒｆ 電流指令値、Ｍ１ モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ８ 電力用半導体スイッチング素子、Ｓ１〜Ｓ８ 制御信号（スイッチング素子）。

Claims (5)

1. 車両駆動用の交流モータを備えた自動車に搭載される車両用電源装置であって、
   直流電源と、
   前記直流電源によって供給される直流電力と前記交流モータを駆動制御する交流電力との間の電力変換を行なうための電力変換器と、
   前記直流電源と前記電力変換器との間を接続する電力線と、
   前記電力線の通過電流を測定するための電流センサと、
   与えられた電流指令値に従った交流電流を前記電力線へ供給するアクティブフィルタと、
   前記電力変換器の作動期間において、前記電流センサにより測定された前記通過電流の交流成分と逆極性の交流電流に相当する補償電流を逐次算出するとともに、前記補償電流を発生させるための前記電流指令値を生成して前記アクティブフィルタへ与える制御装置とを備える、車両用電源装置。
2. 前記電流センサの測定値は、前記直流電源の制御にも用いられる、請求項１記載の車両用電源装置。
3. 前記制御装置からの指示に応答して、前記電力線と前記電力変換器との間を切り離すリレースイッチをさらに備え、
   前記直流電源は、二次電池で構成され、
   前記制御装置は、前記電力変換器の非作動期間において前記リレースイッチをオフさせ、かつ、前記リレースイッチのオフ期間に発生された所定のトリガ信号に応答して、所定の交流電流を発生させるための前記電流指令値を生成して前記アクティブフィルタへ与える、請求項１記載の車両用電源装置。
4. 前記トリガ信号は、予め設定された所定時刻への到達に基づいて発生される、請求項３記載の車両用電源装置。
5. 前記直流電源は、二次電池で構成される、請求項１記載の車両用電源装置。

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