JP2009189171A

JP2009189171A - 車両駆動装置

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Publication number: JP2009189171A
Application number: JP2008027214A
Authority: JP
Inventors: 芳光 ▲高▼橋; Yoshimitsu Takahashi; Toru Wakimoto; 亨脇本; Yuya Nakamoto; 雄也中本; Keiji Takizawa; 敬次滝澤
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-07
Also published as: JP5203737B2

Abstract

【課題】モータ駆動車両に用いられる電気回路において、コモンモード電流を低減することを目的とする。
【解決手段】車両を駆動するモータ１６と、スイッチング制御により直流電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧を前記モータ１６に出力するインバータ回路１４と、インバータ回路１４に含まれる電流経路とは別に設けられた接地導体２４とを備える車両駆動装置において、インバータ回路１４の直流電圧印加端子に接続されるスイッチング部と、スイッチング部および接地導体２４との間に接続されるコモンモード接地回路とを備える分担スイッチング回路２２を備え、スイッチング部は、インバータ回路のスイッチング制御タイミングに従って、直流電圧印加端子とコモンモード接地回路との間の接続状態を切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両を駆動するモータと、スイッチング制御により直流電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧をモータに出力するインバータ回路とを備える車両駆動装置に関する。

モータによって駆動される電気自動車、ハイブリッド自動車等が広く用いられている。このようなモータ駆動車両は、モータに電力を供給するための電池、電池が出力する直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧をモータに出力するインバータ回路を備える。

一般に、電池、インバータ回路、およびモータは使用電圧が高い。そのため、電池、インバータ回路、およびモータは、車両アクセサリ機器等の接地導体として用いられるボデーとの間に十分な大きさの絶縁インピーダンスが介在するよう車両に搭載される。

特開２００１−６９７６２号公報

モータ駆動車両では、電池、インバータ回路、モータおよび接地導体の位置関係によっては、電池、インバータ回路、およびモータのそれぞれと接地導体との間の浮遊容量によってコモンモード電流のループが形成される。そして、これらの電気回路の動作状態に応じて各電気回路にコモンモード電流が流れ、各電気回路内に不均一な電圧を発生させる。したがって、モータ駆動車両に対しては、コモンモード電流によって発生する電圧が不均一であることによる絶縁破壊を回避するため、十分な絶縁設計を行う必要があった。そのため、設計製造コストが増大するという問題があった。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、モータ駆動車両に用いられる電気回路において、コモンモード電流を低減することを目的とする。

本発明は、車両を駆動するモータと、スイッチング制御により直流電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧を前記モータに出力するインバータ回路と、前記インバータ回路に含まれる電流経路とは別に設けられた接地導体と、を備える車両駆動装置において、前記インバータ回路の直流電圧印加端子に接続されるスイッチング部と、前記スイッチング部および前記接地導体との間に接続されるコモンモード接地回路と、を備える分担スイッチング回路を備え、前記スイッチング部は、前記インバータ回路のスイッチング制御タイミングに従って、前記直流電圧印加端子と前記コモンモード接地回路との間の接続状態を切り換えることを特徴とする。

また、本発明に係る車両駆動装置においては、前記インバータ回路の直流電圧印加端子は、直流正極端子および直流負極端子を備え、前記インバータ回路の交流電圧出力端子は、第１〜第３相端子を備え、前記インバータ回路は、前記直流正極端子と前記第１〜第３相端子との間にそれぞれ接続される第１〜第３インバータスイッチング素子と、前記直流負極端子と前記第１〜第３相端子との間にそれぞれ接続される第４〜第６インバータスイッチング素子と、を備え、前記コモンモード接地回路は、一端が前記接地導体に接続される第１〜第３インピーダンス素子を備え、前記スイッチング部は、前記直流正極端子と前記第１〜第３インピーダンス素子の他端との間にそれぞれ接続される第１〜第３分担スイッチング素子と、前記直流負極端子と前記第１〜第３インピーダンス素子の他端との間にそれぞれ接続される第４〜第６分担スイッチング素子と、を備え、前記第１〜第６分担スイッチング素子は、それぞれ、前記第１〜第６インバータスイッチング素子の断続制御タイミングと同一のタイミングで断続制御されることが好適である。

本発明によれば、モータ駆動車両に用いられる電気回路において、コモンモード電流を低減することができる。

図１に本発明の実施形態に係る車両駆動システム１０を示す。車両駆動システム１０は、直流電圧源１２、直流電圧源１２が出力する電圧を３相交流電圧に変換し、その３相交流電圧をモータ１６に出力するインバータ回路１４、およびインバータ回路１４の直流正極端子２８および直流負極端子３０に接続される分担スイッチング回路２２を備える。インバータ回路１４および分担スイッチング回路２２を制御するため、車両駆動システム１０は制御回路２６を備える。直流電圧源１２、インバータ回路１４および分担スイッチング回路２２は、接地導体２４との間に十分大きな絶縁インピーダンスが介在するよう車両に搭載される。モータ１６は、巻線１８と筐体２０との間に十分大きな絶縁インピーダンスが介在するよう構成される。そして、筐体２０が接地された上で車両に搭載される。接地導体２４は車両のボデー等を用いることができる。

直流電圧源１２は、電池、電池電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路等によって構成することができる。直流電圧源１２は、車両をモータ１６で駆動するために十分な直流電力を出力する。

インバータ回路１４は、直流電圧源１２の正極端子に接続される直流正極端子２８、および直流電圧源１２の負極端子に接続される直流負極端子３０を備える。

インバータ回路１４が備える各トランジスタには、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることができる。各トランジスタのベース端子とエミッタ端子との間の電圧は制御回路２６によって制御される。制御回路２６は、各トランジスタのベース端子とエミッタ端子との間の電圧を制御することにより、各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間の断続制御を行う。

トランジスタ３２、３４、および３６の各コレクタ端子は直流正極端子２８に接続される。また、トランジスタ３８、４０、および４２の各エミッタ端子は直流負極端子３０に接続される。トランジスタ３２、３４、および３６のエミッタ端子は、それぞれ、トランジスタ３８、４０、および４２のコレクタ端子に接続される。トランジスタ３２および３８の接続点、トランジスタ３４および４０の接続点、ならびにトランジスタ３６および４２の接続点は、それぞれ、モータ１６のｕ相端子、ｖ相端子、ならびにｗ相端子に接続される。

各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるよう、ダイオード４４が接続される。

次に、インバータ回路１４の動作について説明する。インバータ回路１４のスイッチング状態としては次の６状態をとることができる。（１）制御回路２６がトランジスタ３２および４０をオンとすることにより、ｕ相端子とｖ相端子との間にｕ相端子側を正として電圧を印加する状態、（２）制御回路２６がトランジスタ３４および３８をオンとすることにより、ｕ相端子とｖ相端子との間にｖ相端子側を正として電圧を印加する状態、（３）制御回路２６がトランジスタ３４および４２をオンとすることにより、ｖ相端子とｗ相端子との間にｖ相端子側を正として電圧を印加する状態、（４）制御回路２６がトランジスタ３６および４０をオンとすることにより、ｖ相端子とｗ相端子との間にｗ相端子側を正として電圧を印加する状態、（５）制御回路２６がトランジスタ３６および３８をオンとすることにより、ｗ相端子とｕ相端子との間にｗ相端子側を正として電圧を印加する状態、（６）制御回路２６がトランジスタ３２および４２をオンとすることにより、ｗ相端子とｕ端子との間にｕ相端子側を正として電圧が印加する状態。

制御回路２６は、上記（１）〜（６）のうちのいずれかのスイッチング状態を組み合わせ、時間経過と共にスイッチング状態の組み合わせを変化させることにより、直流正極端子２８と直流負極端子３０との間に印加された直流電圧を３相交流電圧に変換し、ｕ相端子、ｖ相端子、およびｗ相端子に出力する。

モータ１６は、ｕ相端子、ｖ相端子、およびｗ相端子に印加された３相交流電圧に基づいて巻線１８から回転磁界を発生し、その回転磁界によって回転子を回転させることで車両を駆動する。

なお、各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間に接続されたダイオード４４は、各トランジスタがオフになったときにエミッタ端子側からコレクタ端子側へと電流を流すためのものである。ダイオード４４が設けられることによって、各トランジスタがオフになったときにコレクタ端子とエミッタ端子との間に発生する誘導起電力の大きさを低減し、各トランジスタに過大な電圧が印加されることを回避することができる。また、モータ１６に流れる電流が不連続となることを回避することができる。

次に、分担スイッチング回路２２について説明する。分担スイッチング回路２２は、接地導体２４の電位を基準としてインバータ回路１４およびモータ１６に発生するコモンモード電圧、および接地導体２４を電流ループの一部としてインバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流を低減するものである。

分担スイッチング回路２２が備える各トランジスタには、ＩＧＢＴを用いることができる。各トランジスタのベース端子とエミッタ端子との間の電圧は制御回路２６によって制御される。制御回路２６は、各トランジスタのベース端子とエミッタ端子との間の電圧を制御することにより、各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間の断続制御を行う。

正極入力端子４６は、直流電圧源１２の正極端子とインバータ回路１４の直流正極端子２８とを接続する導線に接続される。負極入力端子４８は、直流電圧源１２の負極端子とインバータ回路１４の直流負極端子３０とを接続する導線に接続される。トランジスタ５０、５２、および５４の各コレクタ端子は正極入力端子４６に接続される。トランジスタの５６、５８、および６０の各エミッタ端子は負極入力端子４８に接続される。

トランジスタ５０、５２、および５４のエミッタ端子は、それぞれ、トランジスタ５６、５８、および６０のコレクタ端子に接続される。トランジスタ５０および５６の接続点、トランジスタ５２および５８の接続点、ならびにトランジスタ５４および６０の接続点は、それぞれ、コモンモード出力端子６２−１、コモンモード出力端子６２−２、ならびにコモンモード出力端子６２−３に接続される。

コモンモード出力端子６２−１、コモンモード出力端子６２−２、およびコモンモード出力端子６２−３と接地導体２４との間には、それぞれ、インピーダンス素子６４、６６、および６８が接続される。各インピーダンス素子はインダクタ、キャパシタ等を含む受動回路で構成することができる。

制御回路２６は、トランジスタ３２、３４、３６、３８、４０、および４２を、それぞれ、トランジスタ５０、５２、５４、５６、５８、および６０を断続制御するタイミングと同一のタイミングで断続制御する。正極入力端子４６に流入したコモンモード電流７０は、トランジスタ５０、５２、および５４のうちオンとなっているトランジスタのコレクタ端子に流入しエミッタ端子から流出する。また、負極入力端子４８に流入したコモンモード電流７０は、トランジスタ５６、５８、および６０のそれぞれに接続されているダイオード４４のアノード端子に流入しカソード端子から流出する。このようにして、正極入力端子４６および負極入力端子４８に流れるコモンモード電流７０は、トランジスタのスイッチング状態に応じた経路を流れ、インピーダンス素子６４、６６、または６８のいずれかに流れて接地導体２４に流入する。

接地導体２４に流入したコモンモード電流７０は、直流電圧源１２の正極端子側の導線と接地導体２４との間の浮遊容量７２、および直流電圧源１２の負極端子側の導線と接地導体２４との間の浮遊容量７４を介して、各導線に流れ込む。

このような構成によれば、直流電圧源１２の正極端子側の導線および直流電圧源１２の負極端子側の導線に流れるコモンモード電流７０を、分担スイッチング回路２２の側に流入させることができる。これによって、インバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流を低減することができる。また、このような構成によれば、分担スイッチング回路２２の正極入力端子コモンモードインピーダンスおよび負極入力端子コモンモードインピーダンスが、それぞれ、インバータ回路１４の直流正極端子コモンモードインピーダンスおよび直流負極端子コモンモードインピーダンスよりも十分小さくなるよう、インピーダンス素子６４、６６、および６８のインピーダンスを決定することで、インバータ回路１４およびモータ１６のコモンモード電圧およびコモンモード電流を低減することができる。

ここで、正極入力端子コモンモードインピーダンスおよび負極入力端子コモンモードインピーダンスとは、それぞれ、分担スイッチング回路２２の正極入力端子４６から分担スイッチング回路２２内部側を臨んだときの接地導体２４に対するコモンモードインピーダンス、および分担スイッチング回路２２の負極入力端子４８から分担スイッチング回路２２内部側を臨んだときの接地導体２４に対するコモンモードインピーダンスをいう。また、インバータ回路１４の直流正極端子コモンモードインピーダンスおよび直流負極端子コモンモードインピーダンスとは、それぞれ、インバータ回路１４の直流正極端子２８からインバータ回路１４内部側を臨んだときの接地導体２４に対するコモンモードインピーダンス、およびインバータ回路１４の直流負極端子３０からインバータ回路１４内部側を臨んだときの接地導体２４に対するコモンモードインピーダンスをいう。

インバータ回路１４の直流正極端子コモンモードインピーダンスおよび直流負極端子コモンモードインピーダンスは、インバータ回路１４のスイッチング状態の変化に応じて変化する。

同様に、分担スイッチング回路２２の正極入力端子コモンモードインピーダンス、および負極入力端子コモンモードインピーダンスは、分担スイッチング回路２２のスイッチング状態の変化に応じて変化する。

本実施形態に係る車両駆動システム１０では、分担スイッチング回路２２のトランジスタ３２、３４，３６、３８、４０および４２の断続制御タイミングを、それぞれ、インバータ回路１４のトランジスタ５０、５２、５４、５６、５８、および６０の断続制御タイミングと同一としている。これによって、インピーダンス素子６４、６６、および６８のインピーダンスを固定値としても、分担スイッチング回路２２の正極入力端子コモンモードインピーダンス、および負極入力端子コモンモードインピーダンスを、それぞれ、インバータ回路１４の直流正極端子コモンモードインピーダンスの変化、および直流負極端子コモンモードインピーダンスの変化に対応させて変化させることができる。

したがって、インピーダンス素子６４、６６、および６８のインピーダンスを、インバータ回路１４およびモータ１６のコモンモード電圧およびコモンモード電流を低減する値に固定し、インバータ回路１４およびモータ１６のコモンモード電圧およびコモンモード電流を低減することができる。

なお、インバータ回路１４の各トランジスタ、およびモータ１６の各相の巻線１８の電気的分布定数はそれぞれ異なる。このような電気的分布定数の不均一を補償するため、インピーダンス素子６４、６６、および６８のインピーダンスは異なる値としてもよい。

従来の車両駆動システムでは、本実施形態のように分担スイッチング回路２２が設けられていなかった。そのため、インバータ回路１４の直流正極端子２８および直流負極端子３０に流入し、インバータ回路１４の内部を流れてモータ１６の各相の巻線１８に至り、さらに、各相の巻線１８とモータ１６の筐体２０との間の浮遊容量を介して接地導体２４に至るコモンモード電流の値を低減することが困難であった。また、インバータ回路１４の各部、モータ１６の巻線１８の各部に発生するコモンモード電圧の値を低減することが困難であった。コモンモード電流は電気回路の各部に不均一な電圧を発生させる。また、コモンモード電圧は電気回路の各部に不均一に発生する。そのため、従来の車両駆動システムでは、不均一に発生する過大な電圧による絶縁破壊を回避するため、十分な絶縁設計を行う必要があった。そのため、設計製造コストが増大するという問題があった。

例えば、モータ１６の各相の巻線１８は、導線をコアの回りに巻き付けた構造とすることがある。このような巻線に不均一な電圧が発生すると、周回違いで近接した導線部分の電位差が大きくなるため、巻線被覆の絶縁耐性を強化する必要が生じ製造コストが増大するという問題があった。

本実施形態に係る車両駆動システム１０によれば、インバータ回路１４およびモータ１６に発生するコモンモード電圧およびコモンモード電流を低減することができる。これによって、車両駆動システム１０の設計製造コストを低減することができる。

図２に実施例に係る車両駆動システム１０Ａの構成を示す。図１の車両駆動システム１０と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。この実施例は、各インピーダンス素子を、インダクタ７６、キャパシタ７８、抵抗器８０の直列接続回路としたものである。各インピーダンス素子に用いるインダクタ７６、キャパシタ７８および抵抗器８０の回路定数は、インピーダンス素子ごとに異なる値とすることができる。

インダクタ７６のインダクタンス値およびキャパシタ７８の静電容量は、正極入力端子４６および負極入力端子４８に流れるコモンモード電流の基本周波数に基づいて定めることが好適である。例えば、インバータ回路１４のトランジスタおよび分担スイッチング回路２２のトランジスタが総て同一の周波数で断続制御されている場合には、正極入力端子４６および負極入力端子４８に流れるコモンモード電流の基本周波数は、各トランジスタの断続周波数となる。この場合、インダクタ７６およびキャパシタ７８の直列共振周波数が、各トランジスタの断続周波数と一致するよう、インダクタ７６のインダクタンス値およびキャパシタ７８の静電容量を決定すればよい。

このような構成によれば、分担スイッチング回路２２の正極入力端子コモンモードインピーダンスおよび負極入力端子コモンモードインピーダンスを小さくすることができ、インバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流を低減することができる。

上記のように、インバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流は、分担スイッチング回路２２により低減することができるが、低減されたコモンモード電流には、各トランジスタの断続制御に基づいて振動成分が生じる。このような振動成分を低減することができれば、インバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流を更に低減することができる。振動成分は、各インピーダンス素子のＱ値を調整することで低減することができる。Ｑ値は、インダクタ７６のインダクタンス値をＬ、キャパシタ７８の静電容量をＣ、および抵抗器８０の抵抗値をＲとして、Ｑ＝（１／Ｒ）√（Ｌ／Ｃ）として定まる。

したがって、各インピーダンス素子の共振周波数を、各トランジスタの断続周波数に基づいて決定すると共に、各インピーダンス素子のＱ値を、インバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流の振動成分が低減されるよう決定することで、インバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流を低減することができる。なお、インバータ回路１４およびモータ１６に流れるコモンモード電流の振動成分が問題とならない場合には、各インピーダンス素子の抵抗器８０の部分を短絡した構成とすることができる。

本発明の実施形態に係る車両駆動システムの構成を示す図である。実施例に係る車両駆動システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０，１０Ａ車両駆動システム、１２直流電圧源、１４インバータ回路、１６モータ、１８巻線、２０筐体、２２分担スイッチング回路、２４接地導体、２６制御回路、２８直流正極端子、３０直流負極端子、３２〜４２，５０〜６０トランジスタ、４４ダイオード、４６正極入力端子、４８負極入力端子、６２−１〜６２−３コモンモード出力端子、６４，６６および６８インピーダンス素子、７０コモンモード電流、７２，７４浮遊容量、７６インダクタ、７８キャパシタ、８０抵抗器。

Claims

車両を駆動するモータと、
スイッチング制御により直流電圧を交流電圧に変換し、当該交流電圧を前記モータに出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路に含まれる電流経路とは別に設けられた接地導体と、
を備える車両駆動装置において、
前記インバータ回路の直流電圧印加端子に接続されるスイッチング部と、
前記スイッチング部および前記接地導体との間に接続されるコモンモード接地回路と、
を備える分担スイッチング回路を備え、
前記スイッチング部は、
前記インバータ回路のスイッチング制御タイミングに従って、前記直流電圧印加端子と前記コモンモード接地回路との間の接続状態を切り換えることを特徴とする車両駆動装置。
請求項１に記載の車両駆動装置において、
前記インバータ回路の直流電圧印加端子は、
直流正極端子および直流負極端子を備え、
前記インバータ回路の交流電圧出力端子は、
第１〜第３相端子を備え、
前記インバータ回路は、
前記直流正極端子と前記第１〜第３相端子との間にそれぞれ接続される第１〜第３インバータスイッチング素子と、
前記直流負極端子と前記第１〜第３相端子との間にそれぞれ接続される第４〜第６インバータスイッチング素子と、
を備え、
前記コモンモード接地回路は、
一端が前記接地導体に接続される第１〜第３インピーダンス素子を備え、
前記スイッチング部は、
前記直流正極端子と前記第１〜第３インピーダンス素子の他端との間にそれぞれ接続される第１〜第３分担スイッチング素子と、
前記直流負極端子と前記第１〜第３インピーダンス素子の他端との間にそれぞれ接続される第４〜第６分担スイッチング素子と、
を備え、
前記第１〜第６分担スイッチング素子は、それぞれ、前記第１〜第６インバータスイッチング素子の断続制御タイミングと同一のタイミングで断続制御されることを特徴とする車両駆動装置。