JP2007252074A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置を備えたシステム全体のサイズ・重量を大幅に低減することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】外部電圧入力端子１４及びバッテリ１３からそれぞれ供給される出力電圧に基づきパルスを生成・合成することにより、モータ１２の駆動電圧を生成する電力変換装置であって、モータ１２の各相に対応する変換部の少なくとも一つは、外部電圧入力端子１４及びバッテリ１３に対応した電位の電圧から一つを選択して出力するスイッチ手段により構成し、外部電圧入力端子１４からバッテリ１３へ充電する場合は、外部電圧入力端子１４からモータ１２へ供給する電力が正、バッテリ１３からモータ１２へ供給する電力が負となるように制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、電気自動車に備えられたモータを駆動する駆動電圧を生成する電力変換装置に関する。

従来、インバータを備えた「電気自動車用車載充電器」（特許文献１参照）が知られている。
この「電気自動車用車載充電器」は、少なくとも蓄電池と、この蓄電池の直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータにより駆動される電動機とからなる駆動装置を備えた電気自動車の充電器において、前記蓄電池の充電時以外には前記インバータの出力を前記電動機に接続し、前記蓄電池の充電時には充電用プラグコードからの電力を交流リアクトルを介して前記インバータに接続する双投形開閉器を設け、さらに前記蓄電池の充電時以外には前記電動機の駆動制御を行い、充電時には前記蓄電池の充電制御を行う制御回路を設けている。

つまり、インバータに、充電器としての機能を兼ねさせるようにしたので、蓄電池を充電するための電気自動車搭載部品を最小限に抑えることができ、電気自動車の重量及び価格を低減することができる。
特開平０６−１７８４０７号公報

しかしながら、従来の「電気自動車用車載充電器」（特許文献１参照）においては、インバータを充電装置の一部として用いることで小型化を図っているが、交流リアクトルや切り替え手段等が必要になるため、インバータを備えたシステムの大型化が避けられず、充電機能を小型で軽量な手段で実現するのは困難であった。
この発明の目的は、電力変換装置を備えたシステム全体のサイズ・重量を大幅に低減することができる電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換装置は、外部電力供給源及び内部直流電源からそれぞれ供給される出力電圧に基づきパルスを生成・合成することにより、多相交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置であって、前記多相交流モータの各相に対応する変換部の少なくとも一つは、前記外部電力供給源及び前記内部直流電源に対応した電位の電圧から一つを選択して出力するスイッチ手段により構成し、前記外部電力供給源から前記内部直流電源へ充電する場合は、前記外部電力供給源から前記多相交流モータへ供給する電力が正、前記内部直流電源から前記多相交流モータへ供給する電力が負となるように制御することを特徴としている。

この発明によれば、外部電力供給源及び内部直流電源からそれぞれ供給される出力電圧に基づきパルスを生成・合成することにより、多相交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置は、多相交流モータの各相に対応する変換部の少なくとも一つが、外部電力供給源及び内部直流電源に対応した電位の電圧から一つを選択して出力するスイッチ手段により構成されており、外部電力供給源から内部直流電源へ充電する場合は、外部電力供給源から多相交流モータへ供給する電力が正、内部直流電源から多相交流モータへ供給する電力が負となるように制御される。
このため、電力変換装置を備えたシステム全体のサイズ・重量を大幅に低減することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置を備えたモータ駆動システムの回路図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、電圧供給手段１１と共に、モータ１２を駆動するモータ駆動システムを構成しており、電圧供給手段１１から供給される電圧を用いてモータ１２に印加する電圧を生成する。

電圧供給手段１１は、バッテリ１３及び外部電圧入力端子１４を備えており、バッテリ１３の低電位側端子と外部電圧入力端子１４が接続されて共通電位（即ち、ＧＮＤ電位）が構成される。バッテリ１３の正極と負極の間には平滑用のコンデンサ１５が、外部電圧入力端子１４の正極と負極の間には平滑用のコンデンサ１６が、それぞれ接続されている。この電圧供給手段１１は、３つの電位、つまり、ＧＮＤ電位、外部電圧の電位Ｖｏｉ、バッテリ１３の高電位側電位Ｖｂを備える。但し、外部電圧入力端子１４は、バッテリ１３を外部電圧から供給される電力で充電しようとする場合やバッテリ電力を外部電圧に供給する場合に、外部電圧に接続され、その他の場合には外部電圧に接続されない。

モータ１２は、３相交流モータであり、電力変換装置１０から出力される交流電圧が印加され駆動される。
電力変換装置１０は、電圧供給手段１１から出力される３つの電位の電圧をもとに、モータ１２に印加する電圧を生成する直流−交流変換手段であり、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に対応するそれぞれのスイッチ手段は、何れも同一の構成を有している。ここでの説明は、Ｕ相のスイッチ手段１７について行い、同様の構成及び作用を有する、Ｖ相のスイッチ手段１８及びＷ相のスイッチ手段１９については説明を省略する。

スイッチ手段１７は、モータ１２のＵ相に出力する電圧を生成しており、ＧＮＤ電位、外部電圧の電位Ｖｏｉ、バッテリ１３の高電位側電位Ｖｂの中から、何れか一つを選択して接続する。そして、各電位に接続する時間の割合を変化させることで、モータ１２に必要な電圧を供給する。
図２は、図１のスイッチ手段を具体的に示したモータ駆動システムの回路図である。図２に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対応する各スイッチ手段１７，１８，１９は、それぞれ３組の双方向スイッチ１７ａ〜１７ｃ，１８ａ〜１８ｃ，１９ａ〜１９ｃで構成されており、３組の双方向スイッチの何れか一つがＯＮするように駆動される。各双方向スイッチは、スイッチング機能を有する能動素子、例えば、トランジスタを２個組み合わせて形成されている。

次に、モータ駆動システムの作用を説明する。
電力変換装置１０は、２つの機能を有する。１つは、電圧供給手段１１の３つの電位電圧を使って、モータ１２に必要な電圧を生成する機能、もう一つは、電圧供給手段１１を構成するバッテリ１３と外部電圧入力端子１４のそれぞれが供給する電力を任意の値にする機能である。
前者の機能は、モータ１２の動作点に応じてモータ１２に必要な交流電圧を、３レベルの直流電圧からパルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）により生成する。

後者の機能は、本発明の中心となるものであり、バッテリ１３等の電気エネルギを蓄積することができる電力供給源を電源としてモータ１２を駆動する場合、これを充電することが必要になる。例えば、電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＥＶ）等のシステムでは、電気エネルギ蓄積手段であるバッテリのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が減少した状態になったならば、充電することが必要である。また、ＥＶ等のバッテリ電力を系統の電源に供給することができれば、ＥＶのバッテリを非常電源として活用することができる。

この電力変換装置１０では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に対応する各スイッチ手段１７，１８，１９が、モータ１２の各相に出力する電圧を生成する際に、バッテリ１３の高電位側電位Ｖｂと外部電圧の電位Ｖｏｉに接続する時間割合及びタイミングを調整することで、バッテリ１３から供給する電力と外部電圧入力端子１４から供給する電力の割合を調整する。外部電圧入力端子１４が外部電源（図示しない）に接続されているときに、バッテリ１３を充電する場合は、バッテリ１３に、外部電源からの電力をモータ１２を介して供給する。また、バッテリ１３の電力を系統電源に返す場合には、バッテリ１３の電力をモータ１２を介して供給する。

図３は、図２のモータ駆動システムにおける電力の流れを示す回路図である。図３に示すように、Ｐ１は外部電源からモータ１２へ供給される電力の流れ、Ｐ２はバッテリ１３からモータ１２へ供給される電力の流れ、Ｐ３はモータ１２からバッテリ１３へ供給される電力の流れ、Ｐ４はモータ１２から外部電源へ供給される電力の流れ、をそれぞれ示している。

バッテリ１３を充電する場合には、Ｐ１とＰ３を実現するように各スイッチ手段１７，１８，１９のそれぞれの双方向スイッチ１７ａ〜１７ｃ，１８ａ〜１８ｃ，１９ａ〜１９ｃがスイッチング動作する。これにより、モータ１２を介してバッテリ１３に電力が供給されるため、モータ１２に電流が流れることになるが、モータ１２の出力トルクが０となるような電流、例えば、ｄ軸電流が流れるようにすれば、モータ出力トルクが０であるのでモータ１２が駆動されることはない。

バッテリ１３の電力を系統電源に返す場合には、Ｐ２とＰ４を実現するように各スイッチ手段１７，１８，１９のそれぞれの双方向スイッチ１７ａ〜１７ｃ，１８ａ〜１８ｃ，１９ａ〜１９ｃがスイッチング動作する。この場合にも、例えば、ｄ軸電流のみが流れるように制御される。
次に、外部電源と切り放されて、バッテリ１３のみでモータ１２が駆動される場合を説明する。この場合、Ｐ２の経路の電力を供給すればモータ１２の駆動は可能である。しかしながら、本実施例では、モータ１２の駆動状態に応じてコンデンサ１６に出入りする電力、つまり、Ｐ１，Ｐ４も制御することで、コンデンサ端子間電圧を制御しながらモータ１２を駆動する。

このようにすることで、モータ回転速度が大きい領域では、コンデンサ１６の端子間電圧をバッテリ電圧Ｖｂより高い電圧に保持しながら駆動することができ、バッテリ電圧から直接モータ１２に電圧を供給するより高い電圧を供給することが可能になる。
つまり、モータ１２は、パルス幅変調により駆動されるが、その際、直流母線に流れる電流はパルス状電流である。各相毎のパルス状電流を見ると正であったり負であったりするが、パルス状電流を時間平均すると、モータ力行時には正（電源からモータ１２の方向）、モータ回生時には負（モータ１２から電源の方向）となる。バッテリ電圧を使って、単にモータ１２を駆動する場合には、バッテリ１３側に接続される双方向スイッチ１７ａ，１７ｃ，１８ａ，１８ｃ，１９ａ，１９ｃをＯＮ／ＯＦＦすることでパルス幅変調を行い、双方向スイッチ１７ｂ，１８ｂ，１９ｂはＯＦＦにしておけば良い。

本実施例では、モータ回転速度が大きい領域では、双方向スイッチ１７ｂ，１８ｂ，１９ｂもＯＮ／ＯＦＦさせ、バッテリ１３からモータ１２に供給する電力の一部をコンデンサ１６に返すようにする。このようにすることで、コンデンサ１６の端子間電圧をバッテリ電圧より高い電圧にすることができる。このようにしながら、この高い電圧とバッテリ電圧の組み合わせによりモータ１２にバッテリ電圧より高い電圧を供給する。なお、外部電圧は直流であっても交流であっても良い。

以上説明してきたように、本実施例では、バッテリ１３を充電したり、バッテリ電力を系統に返す場合には、モータトルクを０にしながら電力を移動させる。また、モータ１２を駆動する場合には、外部電源接続用の端子である外部電圧入力端子１４に並列接続されたコンデンサ１６の端子間電圧を制御することで、モータ１２に印加する電圧をバッテリ電圧とは異なる直流電圧から生成することができるようになる。よって、バッテリ１３から直接電圧を供給する場合に比べ、モータ出力を大きくしたり損失を低減したりすることができる。

このため、従来例で必要とされていたリアクトルや、モータと交流電源を切り替えるための切り替えスイッチが不要になるので、電力変換装置を備えたシステム全体のサイズ・重量を大幅に低減することができる。また、モータを駆動する場合に、バッテリから直接電力を供給するだけではなく、コンデンサにチャージされた電力を使うことができるので、例えば、モータ回転速度が大きいときに高い電圧をモータに供給することができ、モータ出力を大きくしたり損失を低減したりすることができる。

（第２実施の形態）
図４は、この発明の第２実施の形態に係るモータ駆動システムの回路図である。図４に示すように、このモータ駆動システムは、外部電圧入力端子１４と電力変換装置２０の間に整流手段２１を設けており、それに伴い、電力変換装置２０は、スイッチ手段１７，１８，１９のＧＮＤ電位に接続される双方向スイッチ１７ｃ，１８ｃ，１９ｃに代えて、能動素子であるトランジスタとダイオードの組み合わせにより形成した双方向スイッチ２２，２３，２４を有している。その他の構成及び作用は、第１実施の形態のモータ駆動システム（図２参照）と同様である。
整流手段２１は、半波整流回路により構成されており、この整流手段２１を設けることで、電力変換装置２０の構成を、第１実施の形態の電力変換装置１０（図２参照）に比べ簡素化することができる。

（第３実施の形態）
図５は、この発明の第３実施の形態に係るモータ駆動システムの回路図である。図５に示すように、このモータ駆動システムは、半波整流回路により構成された整流手段２１に代えて、全波整流回路により構成された整流手段２５を設けている。その他の構成及び作用は、第２実施の形態のモータ駆動システム（図４参照）と同様である。
全波整流回路により構成した整流手段２５を設けることで、バッテリ１３に充電する時間を、第２実施の形態の電力変換装置２０（図４参照）に比べ短縮することができる。

（第４実施の形態）
図６は、この発明の第４実施の形態に係るモータ駆動システムの回路図である。図６に示すように、このモータ駆動システムは、外部電圧入力端子１４から入力する電圧がバッテリ電圧より小さい、という条件での用途に限ったものである。このような条件の場合、電力変換装置２６は、外部電圧入力端子１４に接続されるスイッチ手段１７，１８，１９の双方向スイッチ１７ｂ，１８ｂ，１９ｂに代えて、能動素子であるトランジスタとダイオードの組み合わせにより形成した双方向スイッチ２７，２８，２９を有している。その他の構成及び作用は、第３実施の形態のモータ駆動システム（図５参照）と同様である。
これにより、電力変換装置２６の構成を、第３実施の形態の電力変換装置（図５参照）に比べ簡素化することができる。

上述したように、この発明に係る電力変換装置は、外部電力供給源及び内部直流電源からそれぞれ供給される出力電圧に基づきパルスを生成・合成することにより、多相交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置であって、前記多相交流モータの各相に対応する変換部の少なくとも一つは、前記外部電力供給源及び前記内部直流電源に対応した電位の電圧から一つを選択して出力するスイッチ手段により構成し、前記外部電力供給源から前記内部直流電源へ充電する場合は、前記外部電力供給源から前記多相交流モータへ供給する電力が正、前記内部直流電源から前記多相交流モータへ供給する電力が負となるように制御することを特徴とする。そして、前記外部電力供給源から供給される電力は、交流であることを特徴とする。

これにより、一つの電力変換装置に交流と直流を入力し、半導体スイッチ等のスイッチ手段のスイッチングにより複数の外部の電力供給源から自由に電力を取り出すこと、また、外部の電力供給源に自由に電力を供給することができる。また、電力変換装置のみで交流電圧を出力する電力供給源から電力を蓄えることが可能な電力供給手段に電力を供給する、つまり充電することができるので、電力変換装置以外にメカ的な接続切り替えを伴うスイッチやリアクトル等が不要である。また、外部の電力供給源が全て直流である場合であっても、電力変換装置のみで電力を蓄えることが可能な電力供給手段に電力を供給する、つまり充電することができる。

また、前記外部電力供給源から前記内部直流電源へ充電する場合、前記多相交流モータにはｄ軸電流のみを流すことを特徴とする。これにより、モータの出力トルクを０にしたままで外部の電力供給源から電力を蓄えることが可能な電力供給手段へ電力を移動させる、つまり充電することができる。例えば、ＥＶ等の車両の走行モータの電力変換装置でこの発明を実施する場合、バッテリ充電時にモータトルクが出力されることはない。

また、前記外部電力供給源と並列に接続される電流平滑手段を備え、前記外部電力供給源からの電力供給が無い場合は、前記電流平滑手段と前記内部直流電源から供給される電圧のそれぞれの出力電圧からパルスを生成・合成することで前記駆動電圧を生成することを特徴とする。これにより、バッテリ等を充電する機能を有するだけではなく、モータを駆動する場合には、外部電力供給手段に並列に接続されるキャパシタの端子間電圧を可変制御し、外部回路を追加することなくモータ回転速度に応じて直流母線電圧を可変制御することができる。

このように、この発明によれば、外部電力供給源及び内部直流電源からそれぞれ供給される出力電圧に基づきパルスを生成・合成することにより、多相交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置は、多相交流モータの各相に対応する変換部の少なくとも一つが、外部電力供給源及び内部直流電源に対応した電位の電圧から一つを選択して出力するスイッチ手段により構成されており、外部電力供給源から内部直流電源へ充電する場合は、外部電力供給源から多相交流モータへ供給する電力が正、内部直流電源から多相交流モータへ供給する電力が負となるように制御されるので、電力変換装置を備えたシステム全体のサイズ・重量を大幅に低減することができる。

この発明の第１実施の形態に係る電力変換装置を備えたモータ駆動システムの回路図である。 図１のスイッチ手段を具体的に示したモータ駆動システムの回路図である。 図２のモータ駆動システムにおける電力の流れを示す回路図である。 この発明の第２実施の形態に係るモータ駆動システムの回路図である。 この発明の第３実施の形態に係るモータ駆動システムの回路図である。 この発明の第４実施の形態に係るモータ駆動システムの回路図である。

符号の説明

１０，２０，２６ 電力変換装置
１１ 電圧供給手段
１２ モータ
１３ バッテリ
１４ 外部電圧入力端子
１５，１６ コンデンサ
１７，１８，１９ スイッチ手段
１７ａ〜１７ｃ，１８ａ〜１８ｃ，１９ａ〜１９ｃ，２２，２３，２４，２７，２８，２９ 双方向スイッチ
２１，２５ 整流手段
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４ 電力の流れ

Claims (6)

1. 外部電力供給源及び内部直流電源からそれぞれ供給される出力電圧に基づきパルスを生成・合成することにより、多相交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置であって、
   前記多相交流モータの各相に対応する変換部の少なくとも一つは、前記外部電力供給源及び前記内部直流電源に対応した電位の電圧から一つを選択して出力するスイッチ手段により構成し、
   前記外部電力供給源から前記内部直流電源へ充電する場合は、前記外部電力供給源から前記多相交流モータへ供給する電力が正、前記内部直流電源から前記多相交流モータへ供給する電力が負となるように制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記外部電力供給源から供給される電力は、交流であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記外部電力供給源及び前記内部直流電源の共通負極母線と前記多相交流モータの間に配置されるスイッチ手段は、双方向スイッチであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記外部電力供給源は、整流器を介して接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記外部電力供給源から前記内部直流電源へ充電する場合、前記多相交流モータにはｄ軸電流のみを流すことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記外部電力供給源と並列に接続される電流平滑手段を備え、
   前記外部電力供給源からの電力供給が無い場合は、前記電流平滑手段と前記内部直流電源から供給される電圧のそれぞれの出力電圧からパルスを生成・合成することで前記駆動電圧を生成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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