JP2007089334A - 電気自動車用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な回路構成で、直流電圧と電動機の運転状態に応じた制御を行うことにより、バッテリ能力を有効に活用するＥＶ用電力変換装置を提供する。
【解決手段】 直流電源１の直流を交流に変換して交流電動機４を駆動するインバータ回路３３と、このインバータ回路を制御する制御手段３４と、交流電動機の回転数を検出する速度検出器５と、インバータ回路の直流電圧を検出する電圧検出器３４６とで構成し、制御手段３４は、交流電動機の電流を励磁電流及びこれに直交するトルク電流に分離し、夫々の指令値との偏差に応じて、インバータ回路の電圧指令を調節するベクトル制御手段と、交流電動機が力行運転状態か回生運転状態かを判別する力行／回生判定手段３４９とを具備し、速度検出器５と電圧検出器３４６と力行／回生判定手段３４９の出力に応じて前記トルク電流の動作範囲にリミットを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、改良された電気自動車（以下ＥＶと呼ぶ。）用電力変換装置に関する。

従来のＥＶ用電力変換装置は、バッテリ等の直流電源と、この直流電源からの直流をインバータにより交流に変換して誘導電動機または同期電動機を駆動するように構成するのが通常である。

インバータの制御は、所謂ベクトル制御が用いられる。即ち、トルク電流指令ｉｑ*及びこれと直交する励磁電流指令ｉｄ*を、フィードバック演算されたトルク電流ｉｑ及び励磁電流ｉｄと夫々増幅器で比較演算し、その夫々の出力をトルク電圧指令ｖｑ*及び励磁電圧指令ｖｄ*とする。そして、このトルク電圧指令ｖｑ*及び励磁電圧指令ｖｄ*を座標変換器で三相電圧基準Ｖ＊に変換し、これをＰＷＭ制御器でパルスに変換し、インバータのゲート信号を得ている。

ここで、トルク電流指令ｉｑ*は、速度検出器で検出された回転数ｎによって決まるトルク電流指令リミットによって、リミットされている。トルク電流指令リミットは回転数毎にトルク電流指令最大値が設定されている。なお、トルク電流指令ではなく、トルク指令にリミットをかける場合もあるが、動作は同様である。

一方、前述のトルク電流ｉｑと励磁電流ｉｄは、インバータの任意の２相の出力電流、例えばＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗを検出し、これを座標変換器で、３相から２相へ変換して求める。ここで、座標変換器の基準位相は、速度検出器で検出した誘導電動機の回転数ｎを積分した位相角θｒと、トルク電流指令ｉｑ*と励磁電流指令ｉｄ*から演算で求めたすべり周波数ｆｓを積分して得られる位相角θｓを加えた位相角θを用いる。前述した座標変換器の基準位相も同様にこの位相角θを用いる。この位相角θはインバータの出力位相と誘導電動機の回転磁界のなす電気角に相当する。なお、電動機回転数ｎは、速度検出器を用いなくても演算によって求めることもできる。この場合が所謂センサレスベクトル制御となる。

一般的にＥＶでは、直流電源がバッテリであり、この場合、電圧は充電や放電などの状態や負荷条件によって大きく変動する。また、同一電流が流れても、バッテリの充電状態により、電圧は異なる。

ＥＶでは、バッテリからの放電エネルギにより、車両を発進、加速時させ、減速時に車両の運動エネルギをバッテリに回生するので、大きなエネルギが必要となり、放電、充電の電流も大きくなる。しかし、バッテリは車両に搭載されるので、寸法、重量などの制約から、比較的小容量になってしまう。このため、大きな電流が流れた場合、放電時は直流(バッテリ)電圧が低下し、充電時は直流（バッテリ）電圧が上昇する割合が大きくなる。この電圧変動は±２０％を超えることもあり、商用電源を用いた一般的な直流電源よりも電圧変動が非常に大きくなる。

電動機のトルク出力が大きいほど電動機の電流も大きくなり、電動機に供給する所要電圧も高くなるが、インバータから電動機に供給する電圧の上限は直流（バッテリ）電圧によって決まる。直流（バッテリ）電圧が低い状態でトルク電流指令ミットを設定した場合、トルク電流指令ミットが小さくなり、バッテリ電圧が高いときにバッテリ能力を有効活用できなくなる。逆に直流（バッテリ）電圧が高い状態でトルク電流指令ミットを設定した場合は、バッテリ電圧が低いときにインバータ出力電圧が飽和して電動機電流が制御困難となり、場合によっては過電流となることがある。

上記問題点の対策として、インバータの電圧指令がバッテリ電圧で決まる所定の電圧リミット値を超えたとき、トルク指令値を低減する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００３−１２８３９８号公報（第３−４頁、図２）

特許文献１に示された手法によれば、インバータの出力電圧指令が所定値を超えたとき、トルク指令を低減するようにしているので、バッテリの電圧に応じてトルクを調節することが可能となるが、バッテリ電圧からインバータ出力電圧に換算する手順が必要となって回路が複雑化するばかりでなく、電動機の運転状態を考慮していないため、電動機が力行状態で上記の所定値を決めたとき、電動機が回生運転された場合は必要以上にトルクを制限することになってしまい、運転効率の低下を招いてしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので、比較的簡単な回路構成で、直流（バッテリ）電圧と電動機の運転状態に応じた制御を行うことにより、バッテリ能力を有効に活用するＥＶ用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である電気自動車用電力変換装置は、直流電源からの直流電力を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御手段と、前記交流電動機の回転数を直接または間接的に検出する回転数検出手段と、前記インバータ回路の直流電圧を検出する電圧検出手段とを具備し、前記制御手段は、前記交流電動機の電流を励磁電流及びこれに直交するトルク電流に分離し、夫々の指令値との偏差に応じて、前記インバータ回路の電圧指令を調節するベクトル制御手段と、前記交流電動機が力行運転状態か回生運転状態かを判別する力行／回生判定手段とを有し、前記回転数検出手段と前記電圧検出手段と前記力行／回生判定手段の出力に応じて前記トルク電流の動作範囲にリミットを設けたことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である電気自動車用電力変換装置は、直流電源からの直流電力を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御手段と、前記交流電動機の回転数を直接または間接的に検出する回転数検出手段とを具備し、前記制御手段は、前記交流電動機の電流を励磁電流及びこれに直交するトルク電流に分離し、夫々の指令値との偏差に応じて、前記インバータ回路の電圧指令を調節するベクトル制御手段と、前記交流電動機が力行運転状態か回生運転状態かを判別する力行／回生判定手段とを有し、前記回転数検出手段の出力、前記力行／回生判定手段の出力及び前記電圧指令の大きさに応じて前記トルク電流の動作範囲にリミットを設けたことを特徴としている。

本発明によれば、比較的簡単な回路構成で、直流（バッテリ）電圧と電動機の運転状態に応じた制御を行うことにより、バッテリ能力を有効に活用するＥＶ用電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下に本発明の実施例１に係るＥＶ用電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図である。

直流電源１は開閉器２を介しインバータ３に直流電力を供給し、インバータ３はこの直流電力を交流に変換し、交流電動機４を駆動する。

インバータ３の内部は、直流電圧を平滑するためのコンデンサ３２と、主回路素子３３ｕ、３３ｖ、３３ｗ、３３ｘ、３３ｙ及び３３ｚがブリッジ接続されたインバータ回路３３により構成されている。また、インバータ回路３３は、制御回路３４によって制御されている。

交流電動機４には速度検出器５が設けられ、回転数信号を制御回路３４に与えている
制御回路３４の構成は以下の通りである。与えられたトルク電流（ｑ軸電流）指令ｉｑ*は、リミット回路３４１を介してフィードバック演算されたトルク電流（ｑ軸電流）ｉｑと比較され、この偏差は増幅器３４２によって調節されてｑ軸電圧指令ｖｑ*を出力する。同様に、励磁電流（ｄ軸電流）指令ｉｄ*は、フィードバック演算された励磁電流（ｄ軸電流）ｉｄと比較され、この偏差は増幅器３４３によって調節されてｄ軸電圧指令ｖｄ*を出力する。ここで得られたq軸電圧指令ｖｑ*及びｄ軸電圧指令ｖｄ*を座標変換器３４４によって３相電圧基準Ｖ*に変換し、これをＰＷＭ制御器３４５でパルスに変換し、インバータ回路３３用のゲート信号を得ている。

一方、前述したｑ軸電流ｉｑとｄ軸電流ｉｄは、インバータ３の任意の２相の出力電流、例えばＵ相電流ｉｕとＷ相電流ｉｗを検出し、これを座標変換器３４６で、３相から２相へ変換して求めている。ここで、座標変換器３４６の基準位相は、交流電動機４の回転数ｎを積分した位相角θｒと、トルク電流指令ｉｑ*と励磁電流指令ｉｄ*から演算で求めたすべり周波数ｆｓを積分して得られる位相角θｓを加えた位相角θを用いる。前述した座標変換器３４４の基準位相も同様にこの位相角θを用いる。以上のように交流電動機４の電流をトルク電流と励磁電流に分離して夫々を独立して制御する手法は所謂ベクトル制御としてよく知られている。

インバータ３の直流電圧は電圧検出器３４７によって検出されトルク電流リミット回路３４８に与えられる。トルク電流リミット回路３４８には、速度検出器５の出力である回転数信号及びトルク電流指令ｉｑ*から得られる力行／回生判定回路３４９の出力が与えられ、この出力によってリミット回路３４１を制御する。尚、図１においては、電圧検出器３４７は制御回路３４の内部に設けたが、これは制御回路３４の外部であっても良い。

図２はトルク電流リミット回路３４８の動作説明図である。

トルク電流指令リミット回路３４８は、図２に示したように回転数ｎを入力としてトルク電流指令リミットを出力とする。力行／回生判定回路３４９で回生運転と判定された場合、トルク電流指令リミットは直流電圧Ｖｄｃの値にかかわらず回生時の最大値ｉｑ＿ｍａｘ＿ｎ*となるようにする。このｉｑ＿ｍａｘ＿ｎ*は通常、基底速度ｎ０までは一定値であるが、速度がｎ０を超えて弱め界磁領域になると速度に略反比例して低減する。

同様に、力行／回生判定回路３４９で力行運転と判定された場合、トルク電流指令リミットは基底速度ｎ０以下では回生時の最大値ｉｑ＿ｍａｘ＿ｎ*となるようにするが、基底速度ｎ０を超えたときは、直流電圧Ｖｄｃに応じてその値を変化させる。いま、直流電圧の最大値をＶｄｃ３、それより低い電圧値をＶｄｃ２、更に低い電圧値をＶｄｃ１とすると、図示したように直流電圧がＶｄｃ３からＶｄｃ１へと低減するに従ってトルク電流指令リミットを低減させる。

このように直流（バッテリ）電圧に応じてトルク電流指令リミットを変化させることにより、力行時には直流（バッテリ）電圧が変動してもインバータ出力電圧が飽和しないようにすることができる。また回生時に、バッテリ電圧が低下している場合は、多少インバータの出力電圧が飽和しても回生トルクを最大化し、更にバッテリ充電量を確保してバッテリ電圧が回復するようにする。

尚、トルク電流指令にリミットをかける代わりに、トルク指令にリミットをかけても同様の効果が得られることは明らかである。また、トルク電流指令ｉｑ*により力行／回生の判定を行なったが、直流電流ｉｄｃなどによって力行／回生の判定を行なっても良い。

図３は本発明の実施例２に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、q軸電圧指令ｖｑ*及びｄ軸電圧指令ｖｄ*から電圧指令Vｄｑ*を演算する電圧指令演算回路３５０及びこの電圧指令Vｄｑ*と力行／回生判定回路３４９の出力から力行時の電圧低減率を演算する変調率リミット回路３５１を設け、変調率リミット回路３５１の出力をトルク電流指令リミット回路３５１Ａの出力に乗算してリミット回路３４１を動作させるようにした点である。

ここで、電圧指令演算器内の計算式は下記となる。

Ｖｄｑ*＝{(ｖｄ*)²＋(ｖｑ*)²}^1/2
以下、変調率リミット回路３５１の動作について図４を参照して説明する。

力行／回生判定回路３４９で力行運転と判定された場合、図示したように電圧指令演算器３５０の出力が所定値以上となったとき、変調率リミット回路の出力を１からゼロに向けて低減させるようにする。この出力をトルク電流指令リミット回路３４８Ａの出力に乗算してリミッタ３４１を動作させれば、電圧指令Ｖｄｑ*が基準値を超えるとトルク電流指令ｉｑ*が低減するので、直流電圧Ｖｄｃが変動してもインバータ出力電圧が飽和しないようになる。尚、トルク電流指令リミット回路３４８Ａの出力は、直流電圧Ｖｄｃの最大値におけるリミット値としておく。

尚、力行／回生判定回路３４９で回生運転と判定された場合は、変調率リミット回路３５１は常に１を出力するようにする。

弱め界磁領域において、回転数ｎの上昇は電圧指令Ｖｄｑ*の上昇に相当するので、この実施例２によれば、力行時には直流（バッテリ）電圧が変動してもインバータ出力電圧が飽和しないようにできる。また回生時に、バッテリ電圧が低下している場合は、多少インバータの出力電圧が飽和しても回生トルクを最大化し、更にバッテリ充電量を確保することが可能となる。

尚、変化率リミット回路３５１の出力をトルク電流指令リミット回路３４８の出力ではなく、リミット回路３４１の出力に乗算してトルク電流指令ｉｑ*をリミットしても全く同様の効果が得られる。

図５は本発明の実施例３に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、レート処理回路３５２を設け、このレート処理回路３５２介して電圧検出器３４６で検出した直流（バッテリ）電圧Ｖｄｃをトルク電流指令リミット回路３４８に与えるように構成した点である。

レート処理回路３５２は、直流（バッテリ）電圧が低下する場合はレートなしで、直流電流が上昇する場合はレートを付けた電圧検出値をトルク電流指令リミットに入力する。

図６はレート処理回路３５２の動作説明図である。図６（ａ）は、レート処理回路３５２が電圧低下時にレートなし、電圧上昇時にもレートなしの場合の動作例である。トルク指令が時刻ｔ＝ｔ０でステップ状に大きく増加したとき、直流（バッテリ）電圧が低下し、トルク電流指令リミットも絞られる。そして、時刻ｔ＝t１ではトルク電流指令リミットが絞られたことにより、直流（バッテリ）電圧が上昇し、再びトルク電流指令リミットが上昇する。更に時刻ｔ＝ｔ２ではトルク電流指令リミットが増加したことにより、再び電圧が低下し、時刻ｔ＝ｔ０のときと同じ状態となり、この振動現象は時刻ｔ＝ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６と繰り返される。

次に図６（ｂ）はレート処理回路３５２が電圧低下時にレートなし、電圧上昇時にはレートありの場合の動作例である。トルク指令が時刻ｔ＝ｔ０でステップ状に大きく増加したとき、直流（バッテリ）電圧が低下し、トルク電流指令リミットも絞られる。トルク電流指令リミットが絞られたことにより、直流（バッテリ）電圧が上昇し、再びトルク電流指令リミットは上昇しようとするが、直流（バッテリ）電圧の検出値はレート処理されているため、トルク電流指令リミットはゆっくり増加していく。これによって、図６（ａ）に示したような振動現象を抑制でき、大きなトルク指令が入力された場合でも安定した運転を行うことが可能となる。

尚、図５においてレート処理回路３５２は電圧検出器３４６の出力をレート処理するようにしているが、このレート処理はトルク電流指令リミット回路３４８の出力に設けて、トルク電流指令リミットの時間変化率を直接制限するように構成しても良い。

図７は本発明の実施例４に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図１の実施例１に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、交流電動機４を同期電動機とし、すべり周波数の演算をなくして速度検出器５から検出した回転数ｎを積分した角度をそのままが座標変換器の基準位相θとする構成とした点である。

尚、同期電動機の場合は、回転数ｎはインバータ３の出力周波数に比例するので、速度検出器５を省略することができる。

また、実施例１乃至実施例３の場合についても、所謂センサレスベクトル制御を用いることによって速度検出器５を省略することも可能である。

更に、以上の実施例１乃至実施例４はＥＶ用ばかりでなく、ハイブリッドＥＶ用の電力変換装置にも適用可能なことは明らかである。

本発明の実施例１に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図。 トルク電流指令リミット回路の動作説明図 本発明の実施例２に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図。 変調率リミット回路の動作説明図 本発明の実施例３係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図。 レート処理回路の動作説明図 本発明の実施例４に係るＥＶ用電力変換装置のブロック構成図。

符号の説明

１ 直流電源
２ 開閉器
３ インバータ
４ 交流電動機
５ 速度検出器
３２ 直流コンデンサ
３３ インバータ回路
３４ 制御回路
３４１ リミット回路
３４２ 増幅器
３４３ 増幅器
３４４ 座標変換器
３４５ ＰＷＭ回路
３４６ 座標変換器
３４７ 電圧検出回路
３４８、３４８Ａ トルク電流指令リミット回路
３４９ 力行／回生判定回路
３５０ 電圧指令演算回路
３５１ 変調率リミット回路
３５２ レート処理回路

Claims (7)

1. 直流電源からの直流電力を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御手段と、
   前記交流電動機の回転数を直接または間接的に検出する回転数検出手段と、
   前記インバータ回路の直流電圧を検出する電圧検出手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記交流電動機の電流を励磁電流及びこれに直交するトルク電流に分離し、夫々の指令値との偏差に応じて、前記インバータ回路の電圧指令を調節するベクトル制御手段と、
   前記交流電動機が力行運転状態か回生運転状態かを判別する力行／回生判定手段と
   を有し、
   前記回転数検出手段と前記電圧検出手段と前記力行／回生判定手段の出力に応じて前記トルク電流の動作範囲にリミットを設けたことを特徴とする電気自動車用電力変換装置。
2. 直流電源からの直流電力を交流に変換して交流電動機を駆動するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御手段と、
   前記交流電動機の回転数を直接または間接的に検出する回転数検出手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、
   前記交流電動機の電流を励磁電流及びこれに直交するトルク電流に分離し、夫々の指令値との偏差に応じて、前記インバータ回路の電圧指令を調節するベクトル制御手段と、
   前記交流電動機が力行運転状態か回生運転状態かを判別する力行／回生判定手段と
   を有し、
   前記回転数検出手段の出力、前記力行／回生判定手段の出力及び前記電圧指令の大きさに応じて前記トルク電流の動作範囲にリミットを設けたことを特徴とする電気自動車用電力変換装置。
3. 前記回転数検出手段による回転数が所定値以下のとき、前記トルク電流のリミットは、
   前記力行／回生判定手段の出力が力行のときは正の一定値、回生のときは負の一定値となるようにし、
   前記回転数が前記所定値を超えたとき、
   前記トルク電流のリミットを前記回転数に略反比例して低減させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気自動車用電力変換装置。
4. 前記力行／回生判定手段の出力が力行で且つ前記回転数が所定値を超えたとき、
   前記電圧検出手段による電圧に略比例して前記トルク電流のリミットを低減させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用電力変換装置。
5. 前記力行／回生判定手段の出力が力行で且つ前記回転数が所定値を超えたとき、
   前記電圧指令の大きさに略比例して前記トルク電流のリミットを低減させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電気自動車用電力変換装置。
6. 前記電圧検出手段による電圧の時間変化率が所定のリミット値以下となるようなレート設定手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の電気自動車用電力変換装置。
7. 前記レート設定手段は、
   電圧が上昇するときの前記時間変化率のリミット値を、
   電圧が低下するときの前記時間変化率のリミット値より
   大きく設定したことを特徴とする請求項６に記載の電気自動車用電力変換装置。

Images