JP2009077492A - 電力変換システム及び電気駆動車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直列接続された複数のスイッチング素子からなるブリッジを備えたインバータ2と、その直流側に接続された直流電圧部1と、前記スイッチング素子同士の接続点に接続された電動機3と、直流電圧部1に直流側が接続されたダイオードブリッジ6と、直流電圧部の例えば負電位点に負極がそれぞれ接続され、かつ、正電位点が電動機3の中性点に直接、またはスイッチ部もしくは受動素子を介して接続されるバッテリー5と、を有する電力変換システムにおいて、ダイオードブリッジ6の交流側に交流電源を接続し、インバータ2のスイッチング素子のスイッチング動作により、電動機3に流れる電流を実質的にゼロ相電流のみとしてバッテリー5を充電する。
【選択図】図1
Description
図6において、10は三相交流電源(図示せず)に接続されたスイッチ、20は充電ユニット、21はスイッチ10に一次側が接続された変圧器、22は変圧器21の二次側に接続されたダイオードブリッジ、30はダイオードブリッジ22の直流出力端子間に接続されたバッテリー、40はインバータユニット、41はバッテリー30の正極に一端が接続されたスイッチ、42はスイッチ41の他端とバッテリー30の負極との間に接続された平滑コンデンサ、43は平滑コンデンサ42の両端に直流入力側が接続されたインバータ部、50はインバータ部43の交流出力側に接続された車両走行用の交流電動機である。
そこで、本発明の解決課題は、部品点数を減らして装置全体の重量やコストを低減させた電力変換システム及び電気駆動車を提供することにある。
前記ダイオードブリッジの交流側に交流電源を接続し、前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング動作により、前記バッテリーを充電するモードを有するものである。
まず、図1は、本発明の第1実施形態を示す回路図である。図1(a)において、1は電圧平滑用のコンデンサ1aからなる直流電圧部、2は、コンデンサ1aの両端に接続され、かつ、逆並列ダイオードをそれぞれ備えた半導体スイッチング素子2a〜2fをブリッジ接続してなる三相の電圧形インバータ、3はインバータ2の各相上下アームのスイッチング素子同士の接続点(交流出力端子)に接続された交流電動機、4は電動機3の固定子巻線同士の接続点、例えば中性点nとバッテリー5との間に接続されたスイッチ部である。
図1(a)では、バッテリー5が、図示する極性でスイッチ部4と直流電圧部1の負電位点との間に接続されているが、バッテリー5の正極を直流電圧部1の正電位点に接続し、バッテリー5の負極を、スイッチ部4の非中性点側に接続しても良い。
また、上記スイッチ部4としては、例えば図1(b)に示すように、半導体スイッチング素子4aとダイオード4bとを図示の極性で逆並列に接続したものが考えられるが、図1(c)に示すように、電動機3の中性点nとバッテリー5とを直接接続したり、あるいは適宜なインピーダンスの受動素子(図示せず)を介して電動機3の中性点nとバッテリー5とを接続しても良い。
ここで、図1(c)の如く電動機3の中性点nとバッテリー5とを直接接続する構成は、特開平10−337047号公報(発明の名称:多相出力電力変換回路)の図10にも記載されている。
まず、説明の便宜上、図1(a)における電動機3の中性点nとバッテリー5とを直接接続した場合(すなわち図1(c)の構成とした場合)の電力の授受動作について述べることとする。
図2において、301は電動機3の漏れインダクタンス、501はバッテリー5の内部抵抗、502は内部抵抗を除いた理想直流電源であり、Vnは直流電圧部1の負電位点に対する電動機3の中性点電位平均値、Idcsはバッテリー5に流れる電流平均値、Rdcsは内部抵抗501の抵抗値、Vdcsはバッテリー5の開放電圧である。
また、電動機3にトルクを発生させる通常運転モードでは、インバータ2のスイッチング素子2a〜2fによる周知のスイッチング動作により、直流電圧部1と電動機3との間で授受する電力を制御して電動機3を力行または回生動作させる。このときのパワーフローをBとして示す。
従って、インバータ2のスイッチングパターンを適切に選択することにより、パワーフローA,Bを併存させることが可能であり、言い換えれば、バッテリー5の充放電制御と電動機3の制御とを干渉させずに行うことができる。
図3(b)において、Cは交流電源からダイオードブリッジ6を介して直流電圧部1に電力を供給するパワーフローであり、また、Dは、前述したインバータ2のゼロ相電圧により、直流電圧部1からバッテリー5に電力を供給してバッテリー5を充電する際のパワーフローである。この場合、インバータ2はいわゆる降圧チョッパとして動作することになり、バッテリー5に流入する電流を制御しながら充電動作を行うことができる。
従って、インバータ2の出力を最大限に利用することが困難になってシステムの設計自由度が低下し、実用化の妨げともなる。
[数式1]
Idcs=(Kc×Vn−Vdcs)/Rdcs
なお、
Kc:スイッチング素子4aのオン・オフによって調整される係数,
Vn:直流電圧部1の負極に対する電動機3の中性点電位平均値,
Vdcs:バッテリー5の開放電圧,
Rdcs:バッテリー5の内部抵抗
である。
すなわち、係数Kcをスイッチング素子4aのスイッチングによって調整することにより、目的とするIdcsを維持することができ、バッテリー5の充放電の少なくとも一方を自在に調整することができる。
なお、前提として、直流電圧部1の電圧は、バッテリー5の電圧よりも高いものとする。
また、インバータ2の上アームのスイッチング素子2a,2c,2eがすべてオンし、スイッチ部4のスイッチング素子4aがオンの状態では、バッテリー5には電動機3の内部インピーダンスのゼロ相分を介して直流電圧部1の電圧が印加されるため、バッテリー5は充電状態となる。
また、インバータ2の上アームのスイッチング素子2a,2c,2eがすべてオンし、スイッチ部4のスイッチング素子4aがオフの状態では、スイッチング素子4aの逆並列ダイオードの作用により、バッテリー5に充電電流は流れず、バッテリー5が放電状態であればその放電電流はやがてゼロになる。
ただし、一般にこの状態において、電動機3の中性点電位の平均値Vnは、電動機3が定常状態であればほぼ一定となり、その前提に立てば、バッテリー5の電流は前述の数式1に示したように制御可能である。特に、バッテリー5の開放電圧VdcsがEdc/2よりも低い場合には、Vnが一般にEdc/2となることから、Vn>Vdcsの状態でスイッチング素子4aをオン・オフすればバッテリー5の電流平均値を制御することができる。
また、バッテリー5を放電させ、その電力をインバータ2を介して直流電圧部1に蓄積すれば、直流電圧部1の電力を用いてインバータ2により電動機3を駆動することができる。逆に、電動機3を発電機として動作させ、その電力をバッテリー5に充電することも可能である。
この場合、交流電源が接続されていることを検出する方法としては、その接続部に電圧検出器を設ける、直流電圧部1の電圧の変化を観測する等、様々な方法が考えられる。
また、交流電源を接続してバッテリー5を充電する際には、通常、車両が停止していることが必要になるため、充電中には電動機3にゼロ相電圧のみを与えてトルクが生じないようにすれば良い。
このような場合でも、電動機に接続された機械負荷が動いてしまうのを防止するためには、電動機あるいはその負荷に機械的なブレーキを設け、バッテリー5の充電中はこのブレーキを作用させて機械負荷を制動することが有効である。このようにすれば、安全な状態でバッテリー5を充電することができる。
例えば、電動機3の運転時に、安全のために直流電圧部1の電圧を充電時よりも低くしたり、逆に電動機3の高速・高出力化のために充電時よりも高くしたりすることが可能である。もちろん、充電時と同じ電圧値とすることも可能である。
このような手段を講じることで、目的に応じたシステムの最適化を図ることができる。
しかし、この問題は、図5に示す第2実施形態のように、電動機3とスイッチング素子4aとの接続点と直流電圧部1との間に、直流電圧部1の直流電圧を阻止する極性でスナバダイオード7を接続することにより解決可能である。このスナバダイオード7は、図1(b)のようなスイッチ部4に対しては、電動機3の中性点n側をアノードとしてそのカソードを直流電圧部1の正電位点に接続すれば良い。
1a:コンデンサ
2:インバータ
2a〜2f:半導体スイッチング素子
3:電動機
4:スイッチ部
4a:半導体スイッチング素子
4b:ダイオード
5:バッテリー
6:ダイオードブリッジ
6a〜6f:ダイオード
7:ダイオード
Claims (5)
- 直列接続された複数のスイッチング素子からなるブリッジを備えた電力変換器と、前記電力変換器の直流側に接続された直流電圧部と、前記スイッチング素子同士の接続点に接続された電動機と、前記直流電圧部に直流側が接続されたダイオードブリッジと、前記直流電圧部の正電位点または負電位点の何れか一方に、正電位点の場合には正極が、負電位点の場合には負極がそれぞれ接続され、かつ、他方の極が、前記電動機の複数の巻線同士の接続点に直接、またはスイッチング素子もしくは受動素子を介して接続されるバッテリーと、を有する電力変換システムにおいて、
前記ダイオードブリッジの交流側に交流電源を接続し、前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング動作により、前記バッテリーを充電するモードを有することを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1に記載した電力変換システムにおいて、
前記ダイオードブリッジの交流側に前記交流電源が接続されている場合に、前記電動機に流れる電流を実質的にゼロ相電流のみとすることを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1または2に記載した電力変換システムにおいて、
前記直流電圧部の直流電圧を、前記バッテリーの電圧以上であって前記電力変換器のスイッチング素子の耐圧以下の値にしたことを特徴とする電力変換システム。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した電力変換システムを搭載したことを特徴とする電気駆動車。
- 請求項4に記載した電気駆動車において、
前記ダイオードブリッジの交流側に前記交流電源が接続されている場合に、前記電動機により駆動するべき機械負荷を機械的なブレーキ手段によって制動することを特徴とする電気駆動車。
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