JP2010220443A

JP2010220443A - 車両搭載用マルチフェーズコンバータ

Info

Publication number: JP2010220443A
Application number: JP2009066682A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Fuma; 弘雄夫馬; Koji Umeno; 孝治梅野; Kota Manabe; 晃太真鍋
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: JP4800402B2; US8384236B2; US20100237694A1

Abstract

【課題】外部充電機能を有する車両搭載用の電力供給装置において、装置規模を小型化することを目的とする。
【解決手段】切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２は、電池１４の出力電圧を昇圧する昇圧モード、または外部電源装置から取得した電力に基づいて電池１４を充電する外部充電モードのいずれかのモードで動作する。昇圧モードにおいては、コントローラ２８はリレースイッチＲＳ１〜ＲＳ４をオンにする。そして、電池１４の出力電圧を昇圧した電圧が切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２の出力電圧として駆動回路２０に出力されるようスイッチング素子Ｓ１〜６の制御を行う。外部充電モードにおいては、コントローラ２８はリレースイッチＲＳ１〜ＲＳ４をオフにする。そして、単相プラグ２６から交流電力を取得し、電池１４が充電されるようスイッチング素子Ｓ１〜６の制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のインダクタを備え、各インダクタに流れる電流のスイッチングを行う車両搭載用マルチフェーズコンバータに関する。

モータの駆動力によって走行するハイブリッド自動車、電気自動車等が広く用いられている。このような電力駆動車両には、モータに駆動電力を供給する電池、および電池電圧を昇圧し、昇圧後の電圧をモータ駆動回路に出力する昇圧コンバータを備える。

昇圧コンバータは、インダクタ、インダクタに流れる電流をスイッチングするスイッチング回路等を備える。インダクタは電流のスイッチングにより誘導起電力を発生する。昇圧コンバータは、入力電圧に誘導起電力を加えた昇圧電圧をモータ駆動回路に出力する。これによって、昇圧コンバータは、電池電圧より大きい電圧をモータ駆動回路に出力することができる。

特開平８−３０８２５５号公報

近年、商用電源のコンセント、その他の外部電源装置から電池に電力を供給して電池を充電する車両搭載用の外部充電装置が開発されている。しかし、電池、昇圧コンバータ等に加えて外部充電装置を車両に搭載する場合、システムが大型化するという問題があった。

特許文献１には、直流交流変換を行う車両搭載用のインバータの一部を用いて外部充電を行う装置が開示されている。この装置では、インバータの一部を用いて外部充電回路を構成しているものの、大型のリアクトルを追加する必要があるものと考えられる。

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、外部充電機能を有する車両搭載用の電力供給装置において、装置規模を小型化することを目的とする。

本発明は、複数のインダクタと、電流経路のスイッチングを行うスイッチング部と、を備える車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、搭載車両とは別に設けられた電力発生源から交流電力を取得する外部電力取得部と、各インダクタの一端を車両駆動電力供給用の電池に至る経路に接続し、各インダクタの他端を前記スイッチング部に接続する昇圧接続状態、または、前記複数のインダクタのうち１つの一端を前記電池に至る経路に接続し、残りのインダクタの一端を前記電池に至る経路から切り離して前記外部電力取得部に接続し、各インダクタの他端を前記スイッチング部に接続する充電接続状態のうちいずれかの接続状態に、各インダクタ、前記スイッチング部、および前記外部電力取得部の接続状態を切り換える切り換え手段と、を備え、前記スイッチング部は、前記切り換え手段が接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、電流経路スイッチングに応じて各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧を前記車両搭載用マルチフェーズコンバータから出力し、前記切り換え手段が接続状態を前記充電接続状態としたときに、前記外部電力取得部から出力された交流電圧を電流経路スイッチングに基づいて直流電圧に変換し、その直流電圧を前記電池に印加することを特徴とする。

また、本発明に係る車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいては、搭載車両の駆動用モータを制御する駆動回路を備え、前記切り換え手段は、接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧が前記駆動回路に出力されるよう、前記駆動回路を前記スイッチング部に接続し、接続状態を前記充電接続状態としたときに、前記駆動回路を前記スイッチング部から切り離すことが好適である。

また、本発明は、複数のインダクタと、電流経路のスイッチングを行うスイッチング部と、を備える車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、搭載車両とは別に設けられた電力発生源から交流電力を取得する外部電力取得部と、各インダクタの一端を車両駆動電力供給用の電池に至る経路に接続し、各インダクタの他端を前記スイッチング部に接続する昇圧接続状態、または、各インダクタの一端を前記電池に至る経路から切り離し、前記複数のインダクタのうちいずれかの一端を前記外部電力取得部に接続すると共にその他端を前記スイッチング部の前段部に接続し、さらに、前記スイッチング部の前段部および後段部を磁気結合させる磁気結合回路が形成されるよう残りのインダクタを前記スイッチング部に接続し、前記後段部を前記電池に至る経路に接続する充電接続状態に、各インダクタ、前記スイッチング部、および前記外部電力取得部の接続状態を切り換える切り換え手段と、を備え、前記スイッチング部は、前記切り換え手段が接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、電流経路スイッチングに応じて各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧を出力し、前記切り換え手段が接続状態を前記充電接続状態としたときに、前記外部電力取得部から出力された交流電圧を電流経路スイッチングに基づいて直流電圧に変換し、その直流電圧を前記後段部から前記電池に印加することが好適である。

また、本発明に係る車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいては、前記後段部に接続され搭載車両の駆動用モータを制御する駆動回路を備え、前記切り換え手段が接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧を前記スイッチング部から前記駆動回路に出力することが好適である。

本発明によれば、外部充電機能を有する車両搭載用の電力供給装置において、装置規模を小型化することができる。

第１実施形態に係るハイブリッド車両駆動システムの構成を示す図である。スイッチング素子の構成例を示す図である。外部充電モードにおける３相マルチフェーズコンバータの回路構成を示す図である。第１実施形態の応用例に係るハイブリッド車両駆動システムの構成を示す図である。外部充電モードにおける応用例に係る４相マルチフェーズコンバータの回路構成を示す図である。第１実施形態に係るハイブリッド車両駆動システムの構成を示す図である。外部充電モードにおける６相マルチフェーズコンバータの回路構成を示す図である。第２実施形態の応用例に係るハイブリッド車両駆動システムの構成を示す図である。外部充電モードにおける応用例に係る７相マルチフェーズコンバータの回路構成を示す図である。

図１に本発明の第１実施形態に係るハイブリッド車両駆動システム１０の構成を示す。ハイブリッド車両駆動システム１０は、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２を備える。切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２は、商用電源等の外部電源装置から取得した電力に基づいて車両駆動電力供給用の電池１４を充電し、または電池１４の出力電圧を昇圧して駆動回路２０に出力する。また、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２と駆動モータ２２および発電モータ２４との間で直流交流変換を行い電力の受け渡しを行う駆動回路２０、ならびに、駆動モータ２２および発電モータ２４を備える。

切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２は、上下に接続されたスイッチング素子の接続節点にインダクタを接続した構成を有する。切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２は、電池１４の出力電圧を昇圧する昇圧モード、または外部電源装置から取得した電力に基づいて電池１４を充電する外部充電モードのいずれかのモードで動作する。

電池１４の両端には入力コンデンサ１６が並列に接続される。電池１４の正極には、リレースイッチＲＳ１の一端、リレースイッチＲＳ２の一端、およびインダクタＬ３の一端が接続される。

リレースイッチＲＳ１およびＲＳ２の他端には、それぞれ、インダクタＬ１およびＬ２の一端が接続される。インダクタＬ１の他端は、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続節点に接続され、インダクタＬ２の他端は、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続節点に接続される。また、インダクタＬ３の他端はスイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続節点に接続される。

スイッチング素子Ｓ１のスイッチング素子Ｓ２側とは反対側の一端、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の一端、およびスイッチング素子Ｓ５のスイッチング素子Ｓ６側とは反対側の一端は、リレースイッチＲＳ３の一端に共通に接続される。リレースイッチＲＳ３の他端は駆動回路２０に接続される。

スイッチング素子Ｓ２のスイッチング素子Ｓ１側とは反対側の一端、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の一端、およびスイッチング素子Ｓ６のスイッチング素子Ｓ５側とは反対側の一端は、電池１４の負極およびリレースイッチＲＳ４の一端に共通に接続される。リレースイッチＲＳ４の他端は駆動回路２０に接続される。駆動回路２０には、駆動モータ２２および発電モータ２４が接続される。

スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、およびＳ５の共通接続節点と、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、およびＳ６の共通接続節点との間には出力コンデンサ１８が接続される。

リレースイッチＲＳ１とインダクタＬ１との接続節点およびリレースイッチＲＳ２とインダクタＬ２との接続節点との間には、単相電源プラグ２６が接続される。

スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６、およびリレースイッチＲＳ１〜ＲＳ４は、コントローラ２８によってオンまたはオフに制御される。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、その他一般のバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等の半導体素子を用いることができる。以下の説明におけるその他のスイッチング素子についても同様である。各スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる場合には、図１における上側がコレクタ端子となり下側がエミッタ端子となるよう、各スイッチング素子の接続位置にＩＧＢＴを接続する。そして、各ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間にエミッタ端子側がアノード端子となるようダイオードを接続する。この場合、エミッタ端子からコレクタ端子に向かう方向の電流は、ダイオードが順方向バイアスとなることにより、ダイオードを流れることとなる。図２は、左側に示したスイッチング素子３０として、右側に示したＩＧＢＴ３２およびダイオード３４を用いることができることを示す。

昇圧モードでの動作について説明する。昇圧モードにおいては、コントローラ２８は、リレースイッチＲＳ１〜ＲＳ４をオンにする。そして、電池１４の出力電圧を昇圧した電圧が切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２の出力電圧として駆動回路２０に出力されるよう、次のような制御を行う。

上下に接続された２つのスイッチング素子のうち、上側のスイッチング素子をオフ、下側のスイッチング素子をオンにすると、その上下のスイッチング素子に接続されたインダクタを介して電池１４の正極から下側のスイッチング素子に電流が流れる。この状態において下側のスイッチング素子をオフとするとインダクタに誘導起電力が発生する。このとき上側のスイッチング素子をオンにすることによって、出力コンデンサ１８の両端および駆動回路２０には、電池１４の出力電圧に誘導起電力が加算された電圧が印加される。

電池１４の出力電圧に誘導起電力が加算された電圧が、出力コンデンサ１８の端子間電圧以上である場合には、出力コンデンサ１８が充電され、または出力コンデンサ１８の充電電圧が維持される。これによって、電池１４の出力電圧よりも大きい電圧を駆動回路２０に出力することができる。

電池１４の出力電圧に誘導起電力が加算された電圧が、出力コンデンサ１８の端子間電圧よりも小さい場合、出力コンデンサ１８および駆動回路２０からは、オンとなっている上側のスイッチング素子およびそれに接続されるインダクタを介して電池１４および入力コンデンサ１６に電流が流れる。これによって、電池１４および入力コンデンサ１６を充電することができる。なお、入力コンデンサ１６は、電池１４の出力電圧に含まれるリップル成分を充放電により低減する。

コントローラ２８は、このような原理に基づき、電池１４の出力電圧にインダクタ誘導起電力が加算された電圧が出力コンデンサ１８に印加され、出力コンデンサ１８の端子間電圧が駆動回路２０に出力されるよう、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。各インダクタに発生する誘導起電力は、各スイッチング素子のスイッチングタイミングを変化させることで調整することができる。

コントローラ２８は、搭載車両の走行制御に応じた直流電圧が切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２から駆動回路２０に出力されるよう、走行制御に応じて各スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する。

本実施形態では、上下に接続されるスイッチング素子の組を３組用いた構成としている。これによって、１組または２組の上下のスイッチング素子の組を用いた場合に比して、駆動回路２０に出力する直流電圧に含まれるリップル成分を低減することができる。

駆動回路２０は、スイッチングにより直流交流変換を行うインバータを備える。駆動回路２０は、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２と駆動モータ２２との間で直流交流変換を行う。駆動回路２０は、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２の出力電圧と、駆動モータ２２の端子間電圧との大小関係に応じて、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２が出力する直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を駆動モータ２２に供給する。また、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２の出力電圧と、駆動モータ２２の端子間電圧との大小関係に応じて、駆動モータ２２の発電電力を直流電力に変換し、その直流電力を切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２に供給する。

同様に、駆動回路２０は、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２と発電モータ２４との間で直流交流変換を行う。駆動回路２０は、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２の出力電圧と、発電モータ２４の端子間電圧との大小関係に応じて、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２が出力する直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を発電モータ２４に供給する。また、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２の出力電圧と、発電モータ２４の端子間電圧との大小関係に応じて、発電モータ２４の発電電力を直流電力に変換し、その直流電力を切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２に供給する。

駆動モータ２２は、搭載車両を駆動し、または回生発電制動を行う。発電モータ２４は、エンジン駆動力によって発電を行い、またはエンジンの始動を行う。

次に、外部充電モードでの動作について説明する。コントローラ２８は、リレースイッチＲＳ１〜ＲＳ４をオフに制御する。これによって、回路構成は図３に示すようになる。図１に示す構成部と同一の構成部については同一の符号を付している。

単相電源プラグ２６は単相電源コンセントに差し込まれる。単相電源プラグ２６の一方の電極は、リレースイッチＲＳ１側のインダクタＬ１の一端に接続され、単相電源プラグ２６の他方の電極は、リレースイッチＲＳ２側のインダクタＬ２の一端に接続される。

スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続節点Ａとスイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続節点Ｂとの間には、単相電源プラグ２６からインダクタＬ１およびＬ２を介して単相交流電圧が印加される。コントローラ２８は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を単相インバータとして動作させる。すなわち、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行い、接続節点ＡとＢとの間の交流電圧を整流および昇圧し、これによって得られる直流電圧を出力コンデンサ１８に印加する。

コントローラ２８は、例えば、単相電源プラグ２６の電極間の電圧がＶｓｉｎ（ωｔ）（Ｖは電圧振幅、ωは角周波数、ｔは時間）であるときに、単相電源プラグ２６側を基準としたインダクタＬ１の端子間電圧、および接続節点Ｂ側を基準としたインダクタＬ２の端子間電圧が（１／２）Ｂｃｏｓ（ωｔ）となるよう（Ｂは電圧振幅）、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を制御する。各インダクタに流れる電流は端子電圧の積分値であるため、このときに単相電源プラグ２６の一端から流入し他端から流出する電流は、単相電源プラグ２６の電極間の電圧と同位相となる。これによって、単相電源プラグ２６の電極間の力率を１とすることができ、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２の各構成部の耐電圧および耐電流を必要最小限に抑えることができる。また、インダクタＬ１およびＬ２の誘導起電力により、単相電源プラグ２６の電極間の電圧振幅より大きい電圧を出力コンデンサ１８に印加することができる。

コントローラ２８は、出力コンデンサ１８の端子間電圧が降圧され、降圧後の電圧に基づいて入力コンデンサ１６および電池１４が充電されるよう、次のような制御を行う。

スイッチング素子Ｓ６をオンとしスイッチング素子Ｓ５をオフとすると、インダクタＬ３を介して電池１４の正極からスイッチング素子Ｓ６に電流が流れる。この状態においてスイッチング素子Ｓ６をオフとするとインダクタＬ３に誘導起電力が発生する。このとき、電池１４の出力電圧にインダクタＬ３の誘導起電力を加えた電圧が出力コンデンサ１８の端子間電圧より小さいときは、スイッチＳ５をオンとすることにより、出力コンデンサ１８からインダクタＬ３を介して、入力コンデンサ１６および電池１４に電荷が放電され、入力コンデンサ１６および電池１４を充電することができる。

コントローラ２８は、このような原理に基づき、出力コンデンサ１８から入力コンデンサ１６および電池１４に電荷が放電され、入力コンデンサ１６および電池１４が充電されるよう、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６を制御する。これによって、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２は、外部の電源装置から交流電力を取得し、電池１４を充電することができる。

このような構成によれば、昇圧モードにおいて昇圧用のインダクタとして用いていたインダクタＬ１およびＬ２を、外部充電モードにおける力率改善および昇圧用のインダクタとして用いることができる。また、昇圧モードにおいて昇圧用のインダクタとして用いていたインダクタＬ３を、外部充電モードにおける降圧用のインダクタとして用いることができる。これによって、昇圧モードにおいて用いる構成部を外部充電モードにおいて用いることができ、システムの規模を小型化することができる。

次に、第１実施形態の応用例について説明する。図４に応用例に係るハイブリッド車両駆動システム３６の構成を示す。図１に示す構成部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。

ハイブリッド車両駆動システム３６は、切り換え式４相マルチフェーズコンバータ３８を備える。切り換え式４相マルチフェーズコンバータ３８は、図１の切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２にインダクタＬ４、リレースイッチＲＳ５、スイッチング素子ＳＡ１およびＳＡ２を追加し、外部充電モードにおいて３相交流電力による電池１４の充電を可能としたものである。

リレースイッチＲＳ５の一端は電池１４の正極に接続される。リレースイッチＲＳ５の他端は、インダクタＬ３の一端に接続される。インダクタＬ３の他端は、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続節点に接続される。

インダクタＬ４の一端は電池１４の正極に接続される。インダクタＬ４の他端は、スイッチング素子ＳＡ１およびＳＡ２の接続節点に接続される。スイッチング素子ＳＡ１のスイッチング素子ＳＡ２側とは反対側の一端は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、およびＳ５の共通接続節点に接続される。スイッチング素子ＳＡ２のスイッチング素子ＳＡ１側とは反対側の一端は、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、およびＳ６の共通接続節点に接続される。

リレースイッチＲＳ１とインダクタＬ１との接続節点、リレースイッチＲＳ２とインダクタＬ２との接続節点、およびリレースイッチＲＳ５とインダクタＬ３との接続節点には３相電源プラグ４０が接続される。

スイッチング素子ＳＡ１およびＳＡ２としてＩＧＢＴを用いる場合には、図４の上側がコレクタ端子となり下側がエミッタ端子となるよう、各スイッチング素子の接続位置にＩＧＢＴを接続する。そして、各ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間にエミッタ端子側がアノード端子となるようダイオードを接続する。

昇圧モードでの動作について説明する。昇圧モードにおいては、コントローラ４２は、リレースイッチＲＳ１〜ＲＳ５をオンに制御する。

コントローラ４２は、切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２における上下に接続されたスイッチング素子に対する制御と同様の原理に基づいて、電池１４の出力電圧にインダクタ誘導起電力が加算された電圧が出力コンデンサ１８および駆動回路２０に印加されるよう、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６、ＳＡ１およびＳＡ２を制御する。各インダクタに発生する誘導起電力は、各スイッチング素子のスイッチングタイミングを変化させることで調整することができる。

コントローラ４２は、搭載車両の走行制御に応じた直流電圧が切り換え式４相マルチフェーズコンバータ３８から駆動回路２０に出力されるよう、走行制御に応じて各スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する。

本実施形態では、上下に接続されるスイッチング素子の組を４組用いた構成としている。これによって、４組より少ない数の上下のスイッチング素子の組を用いた場合に比して、駆動回路２０に出力する直流電圧に含まれるリップル成分を低減することができる。

駆動回路２０は、切り換え式４相マルチフェーズコンバータ３８と、駆動モータ２２および発電モータ２４との間で直流交流変換および電力の受け渡しを行う。

次に、外部充電モードでの動作について説明する。コントローラ４２は、リレースイッチＲＳ１〜ＲＳ５をオフに制御する。これによって、回路構成は図５に示すようになる。図４に示す構成部と同一の構成部については同一の符号を付している。

３相電源プラグ４０は３相電源コンセントに差し込まれる。３相電源プラグ４０の第１の電極は、リレースイッチＲＳ１側のインダクタＬ１の一端に接続され、３相電源プラグ４０の第２の電極は、リレースイッチＲＳ２側のインダクタＬ２の一端に接続される。さらに、３相電源プラグ４０の第３の電極は、リレースイッチＲＳ５側のインダクタＬ３の一端に接続される。

スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続節点Ａ、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続節点Ｂ、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続節点Ｃには、３相電源プラグ４０からインダクタＬ１、Ｌ２およびＬ３を介して３相交流電圧が印加される。コントローラ４２は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を３相インバータとして動作させる。すなわち、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＰＷＭ制御を行い、接続節点Ａ、Ｂ、およびＣの相互間の相間電圧を整流および昇圧し、これによって得られる直流電圧を出力コンデンサ１８に印加する。

コントローラ４２は、例えば、３相電源プラグ４０の第１〜第３の電極の中性点電位に対する電位が、それぞれ、Ｖｓｉｎ（ωｔ）、Ｖｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）、およびＶｓｉｎ（ωｔ＋２４０°）であるときに、第１〜第３の電極に流入する電流が、それぞれ、Ｉｓｉｎ（ωｔ）、Ｉｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）、およびＩｓｉｎ（ωｔ＋２４０°）となるよう（Ｉは電流振幅）、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。これによって、３相電源プラグ４０の電極間の力率を１とすることができ、切り換え式４相マルチフェーズコンバータ３８の各構成部の耐電圧および耐電流を必要最小限に抑えることができる。また、インダクタＬ１〜Ｌ３の誘導起電力により、３相電源プラグ４０の電極間の電圧振幅より大きい電圧を出力コンデンサ１８に印加することができる。

コントローラ４２は、図３の切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２に対する制御と同様、出力コンデンサ１８から入力コンデンサ１６および電池１４に電荷が放電され、入力コンデンサ１６および電池１４が充電されるよう、スイッチング素子ＳＡ１およびＳＡ２を制御する。ここでは、図５のインダクタＬ４が、図３のインダクタＬ３が有する機能と同様の機能を有する。これによって、切り換え式４相マルチフェーズコンバータ３８は、外部電源装置から３相交流電力を取得し、電池１４を充電することができる。

このような構成によれば、昇圧モードにおいて昇圧用のインダクタとして用いていたインダクタＬ１〜Ｌ３を、外部充電モードにおける力率改善および昇圧用のインダクタとして用いることができる。また、昇圧モードにおいて昇圧用のインダクタとして用いていたインダクタＬ４を、外部充電モードにおける降圧用のインダクタとして用いることができる。これによって、昇圧モードにおいて用いる構成部を外部充電モードにおいて用いることができ、システムの規模を小型化することができる。

図６に、本発明の第２実施形態に係るハイブリッド車両駆動システム４４の構成を示す。ハイブリッド車両駆動システム４４は、切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６を備える。切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６は、商用電源等の外部電源装置から取得した電力に基づいて電池１４を充電し、または電池１４の出力電圧を昇圧して駆動回路２０に出力する。図１の構成部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。

切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６は、上下に接続されたスイッチング素子の接続節点に、インダクタが接続された構成を有する。切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６は、電池１４の出力電圧を昇圧する昇圧モード、または外部電源装置から取得した電力に基づいて電池１４を充電する外部充電モードのいずれかのモードで動作する。

電池１４の正極には、リレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４の一端が接続される。リレースイッチＳＷ１およびＳＷ２の他端には、それぞれ、インダクタＬ１およびＬ２の一端が接続される。リレースイッチＳＷ３の他端には、インダクタＬ３およびＬ４の一端が接続され、リレースイッチＳＷ４の他端には、インダクタＬ５およびＬ６の一端が接続される。

インダクタＬ１の他端は、スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続節点に接続され、インダクタＬ２の他端は、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続節点に接続される。また、インダクタＬ３の他端は、スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続節点に接続され、インダクタＬ４の他端は、スイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続節点に接続される。さらに、インダクタＬ５の他端は、スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続節点に接続され、インダクタＬ６の他端は、スイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続節点に接続される。

スイッチング素子Ｓ１のスイッチング素子Ｓ２側とは反対側の一端、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング素子Ｓ４側とは反対側の一端、スイッチング素子Ｓ５のスイッチング素子Ｓ６側とは反対側の一端、およびスイッチング素子Ｓ７のスイッチング素子Ｓ８側とは反対側の一端は、リレースイッチＳＷ７の一端に共通に接続される。リレースイッチＳＷ７の他端は駆動回路２０に接続される。

スイッチング素子Ｓ２のスイッチング素子Ｓ１側とは反対側の一端、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング素子Ｓ３側とは反対側の一端、スイッチング素子Ｓ６のスイッチング素子Ｓ５側とは反対側の一端、およびスイッチング素子Ｓ８のスイッチング素子Ｓ７側とは反対側の一端は、リレースイッチＳＷ６の一端に共通に接続される。リレースイッチＳＷ６の他端は電池１４の負極および駆動回路２０に接続される。

スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５、およびＳ７の共通接続節点とスイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、およびＳ８の共通接続節点との間には、前段出力コンデンサ１８−１が接続される。

スイッチング素子Ｓ９のスイッチング素子Ｓ１０側とは反対側の一端、およびスイッチング素子Ｓ１１のスイッチング素子Ｓ１２側とは反対側の一端は、駆動回路２０およびリレースイッチＳＷ５の一端およびリレースイッチＳＷ７の一端に接続される。リレースイッチＳＷ５の他端は、電池１４の正極に接続される。

スイッチング素子Ｓ１０のスイッチング素子Ｓ９側とは反対側の一端、およびスイッチング素子Ｓ１２のスイッチング素子Ｓ１１側とは反対側の一端は、電池１４の負極および駆動回路２０に接続される。

スイッチング素子Ｓ９およびＳ１１の共通接続節点とスイッチング素子Ｓ１０およびＳ１２の共通接続節点との間には、後段出力コンデンサ１８−２が接続される。

リレースイッチＳＷ１とインダクタＬ１との接続節点およびリレースイッチＳＷ２とインダクタＬ２との接続節点との間には、単相電源プラグ２６が接続される。

インダクタＬ３およびＬ５は、スイッチング素子に向かう電流が一方に流れたときに、スイッチング素子に向かう電流を流す誘導起電力が他方に発生するよう磁気的に結合する。インダクタＬ４およびＬ６は、スイッチング素子に向かう電流が一方に流れたときに、スイッチング素子に向かう電流を流す誘導起電力が他方に発生するよう磁気的に結合する。

スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２およびリレースイッチＳＷ１〜ＳＷ７は、コントローラ４８によってオンまたはオフに制御される。各スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる場合には、図６の上側がコレクタ端子となり下側がエミッタ端子となるよう、各スイッチング素子の接続位置にＩＧＢＴを接続する。そして、各ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間にエミッタ端子側がアノード端子となるようダイオードを接続する。

昇圧モードでの動作について説明する。昇圧モードにおいては、コントローラ４８は、リレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４、ＳＷ６およびＳＷ７をオンに制御し、リレースイッチＳＷ５をオフに制御する。

コントローラ４８は、図１の切り換え式３相マルチフェーズコンバータ１２における上下に接続されたスイッチング素子に対する制御と同様の原理に基づいて、電池１４の出力電圧にインダクタ誘導起電力が加算された電圧が前段出力コンデンサ１８−１、後段出力コンデンサ１８−２および駆動回路２０に印加されるよう、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２を制御する。各インダクタに発生する誘導起電力は、各スイッチング素子のスイッチングタイミングを変化させることで調整することができる。

コントローラ４８は、搭載車両の走行制御に応じた直流電圧が切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６から駆動回路２０に出力されるよう、走行制御に応じて各スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する。

本実施形態では、上下に接続されるスイッチング素子の組を６組用いた構成としている。これによって、６組より少ない数の上下のスイッチング素子の組を用いた場合に比して、駆動回路２０に出力する直流電圧に含まれるリップル成分を低減することができる。

駆動回路２０は、切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６と、駆動モータ２２および発電モータ２４との間で直流交流変換および電力の受け渡しを行う。

次に、外部充電モードでの動作について説明する。コントローラ４８は、リレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４、ＳＷ６およびＳＷ７をオフに制御し、ＳＷ５をオンに制御する。これによって、回路構成は図７に示すようになる。図６に示す構成部と同一の構成部については同一の符号を付している。外部充電モードにおいては、切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６は、インダクタＬ３＋Ｌ４より前段の構成部とインダクタＬ５＋Ｌ６より後段の構成部とに分けられる。

単相電源プラグ２６は単相電源コンセントに差し込まれる。単相電源プラグ２６の一方の電極は、リレースイッチＳＷ１側のインダクタＬ１の一端に接続され、単相電源プラグ２６の他方の電極は、リレースイッチＳＷ２側のインダクタＬ２の一端に接続される。なお、図７の電池１４より右側には駆動回路２０が接続される。

図３に示した実施形態と同様、コントローラ４８は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を単相インバータとして動作させる。これによって、接続節点ＡとＢとの間の交流電圧を整流および昇圧し、整流および昇圧後の直流電圧を前段出力コンデンサ１８−１に印加する。

スイッチング素子Ｓ５およびＳ６の接続節点Ｄとスイッチング素子Ｓ７およびＳ８の接続節点Ｅとの間には、一次側インダクタＬ３＋Ｌ４が接続される。一次側インダクタＬ３＋Ｌ４は、インダクタＬ３およびＬ４を直列接続したものである。スイッチング素子Ｓ９およびＳ１０の接続節点Ｆとスイッチング素子Ｓ１１およびＳ１２の接続節点Ｇとの間には、二次側インダクタＬ５＋Ｌ６が接続される。二次側インダクタＬ５＋Ｌ６は、インダクタＬ５およびＬ６を直列接続したものである。

コントローラ４８は、スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８を単相インバータとして動作させる。すなわち、スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のＰＷＭ制御を行い、前段出力コンデンサ１８−１の端子間電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を一次側インダクタＬ３＋Ｌ４に印加する。一次側インダクタＬ３＋Ｌ４と二次側インダクタＬ５＋Ｌ６との磁気的結合により、二次側Ｌ５＋Ｌ６には交流電圧が発生し、その交流電圧は接続節点Ｆと接続節点Ｇとの間に印加される。

コントローラ４８は、スイッチング素子Ｓ９〜Ｓ１２を単相インバータとして動作させる。すなわち、スイッチング素子Ｓ９〜Ｓ１２のＰＷＭ制御を行い、二次側インダクタＬ５＋Ｌ６から接続節点Ｆと接続節点Ｇとの間に印加された交流電圧を整流し、整流後の直流電圧を後段出力コンデンサ１８−２、入力コンデンサ１６および電池１４に印加する。これによって、切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６は、外部電源装置から電力を取得し、電池１４を充電することができる。

このような構成によれば、昇圧モードにおいて昇圧用のインダクタとして用いていたインダクタＬ１およびＬ２を、外部充電モードにおける力率改善および昇圧用のインダクタとして用いることができる。これによって、昇圧モードにおいて用いる構成部を外部充電モードにおいて用いることができ、システムの規模を小型化することができる。

また、外部充電モードにおいては、前段部と後段部とは一次側インダクタＬ３＋Ｌ４および二次側インダクタＬ５＋Ｌ６の磁気的結合に基づいて結合され、電気的に絶縁される。これによって、前段部に高電圧が印加されることを回避することができ、前段部における単相電源プラグ２６の取り扱い時において、高電圧が印加されている部分同士の接触によるシステム寿命の短縮等を回避することができる。

次に、第２実施形態の応用例について説明する。図８に応用例に係るハイブリッド車両駆動システム５０の構成を示す。図６に示す構成部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。

ハイブリッド車両駆動システム５０は、切り換え式７相マルチフェーズコンバータ５２を備える。切り換え式７相マルチフェーズコンバータ５２は、図６の切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６にインダクタＬ７、リレースイッチＳＷ８、スイッチング素子ＳＡ３およびＳＡ４を追加し、外部充電モードにおいて３相交流電力による電池１４の充電を可能としたものである。

リレースイッチＳＷ８の一端は電池１４の正極に接続される。リレースイッチＳＷ８の他端はインダクタＬ７の一端に接続される。インダクタＬ７の他端は、スイッチング素子ＳＡ３およびＳＡ４の接続節点に接続される。

スイッチング素子ＳＡ３のスイッチング素子ＳＡ４側とは反対側の一端は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５、およびＳ７の共通接続節点に接続される。スイッチング素子ＳＡ４のスイッチング素子ＳＡ３側とは反対側の一端は、スイッチング素子Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、およびＳ８の共通接続節点に接続される。

リレースイッチＳＷ１とインダクタＬ１との接続節点、リレースイッチＳＷ２とインダクタＬ２との接続節点、およびリレースイッチＳＷ８とインダクタＬ７との接続節点には、３相電源プラグ４０が接続される。

スイッチング素子ＳＡ３およびＳＡ４としてＩＧＢＴを用いる場合には、図８の上側がコレクタ端子となり下側がエミッタ端子となるよう、各スイッチング素子の接続位置にＩＧＢＴを接続する。そして、各ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間にエミッタ端子側がアノード端子となるようダイオードを接続する。

昇圧モードでの動作について説明する。昇圧モードにおいては、コントローラ５４は、リレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４、およびＳＷ６〜ＳＷ８をオンに制御し、ＳＷ５をオフに制御する。

コントローラ５４は、図６の切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６における上下に接続されたスイッチング素子に対する制御と同様の原理に基づいて、電池１４の出力電圧にインダクタ誘導起電力が加算された電圧が前段出力コンデンサ１８−１および後段出力コンデンサ１８−２、および駆動回路２０に印加されるよう、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ１２、ＳＡ３、およびＳＡ４を制御する。各インダクタに発生する誘導起電力は、各スイッチング素子のスイッチングタイミングを変化させることで調整することができる。

コントローラ５４は、搭載車両の走行制御に応じた直流電圧が切り換え式７相マルチフェーズコンバータ５２から駆動回路２０に出力されるよう、走行制御に応じて各スイッチング素子のスイッチングタイミングを調整する。

本実施形態では、上下に接続されるスイッチング素子の組を７組用いた構成としている。これによって、７組より少ない数の上下のスイッチング素子の組を用いた場合に比して、駆動回路２０に出力する直流電圧に含まれるリップル成分を低減することができる。

駆動回路２０は、切り換え式７相マルチフェーズコンバータ５２と、駆動モータ２２および発電モータ２４との間で直流交流変換および電力の受け渡しを行う。

次に、外部充電モードでの動作について説明する。コントローラ５４は、リレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４、およびＳＷ６〜ＳＷ８をオフに制御し、ＳＷ５をオンに制御する。これによって、回路構成は図９に示すようになる。図８に示す構成部と同一の構成部については同一の符号を付している。

３相電源プラグ４０は３相電源コンセントに差し込まれる。３相電源プラグ４０の第１の電極は、リレースイッチＳＷ１側のインダクタＬ１の一端に接続され、３相電源プラグ４０の第２の電極は、リレースイッチＳＷ２側のインダクタＬ２の一端に接続される。さらに、３相電源プラグ４０の第３の電極は、リレースイッチＳＷ８側のインダクタＬ７の一端に接続される。

スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の接続節点Ａ、スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の接続節点Ｂ、スイッチング素子ＳＡ３およびＳＡ４の接続節点Ｈには、３相電源プラグ４０からインダクタＬ１、Ｌ２およびＬ７を介して３相交流電圧が印加される。コントローラ５４は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４、ＳＡ３およびＳＡ４を３相インバータとして動作させる。これによって、接続節点Ａ、Ｂ、およびＨの相互間の相間電圧を整流および昇圧し、これによって得られる直流電圧を前段出力コンデンサ１８−１に印加する。

コントローラ５４は、例えば、３相電源プラグ４０の第１〜第３の電極の中性点電位に対する電位が、それぞれ、Ｖｓｉｎ（ωｔ）、Ｖｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）、およびＶｓｉｎ（ωｔ＋２４０°）であるときに、第１〜第３の電極に流入する電流が、それぞれ、Ｉｓｉｎ（ωｔ）、Ｉｓｉｎ（ωｔ＋１２０°）、およびＩｓｉｎ（ωｔ＋２４０°）となるよう、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４、ＳＡ３およびＳＡ４を制御する。これによって、３相電源プラグ４０の電極間の力率を１とすることができ、切り換え式７相マルチフェーズコンバータ５２の各構成部の耐電圧および耐電流を必要最小限に抑えることができる。また、インダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ７の誘導起電力により、３相電源プラグ４０の電極間の電圧振幅より大きい電圧を前段出力コンデンサ１８−１に印加することができる。

コントローラ５４は、図７の切り換え式６相マルチフェーズコンバータ４６に対する制御と同様、スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８を単相インバータとして動作させ、スイッチング素子Ｓ９〜Ｓ１２を単相インバータとして動作させる。これによって、切り換え式７相マルチフェーズコンバータ５２は、外部電源装置から３相交流電力を取得し、電池１４を充電することができる。

このような構成によれば、昇圧モードにおいて昇圧用のインダクタとして用いていたインダクタＬ１、Ｌ２、およびＬ７を、外部充電モードにおける力率改善および昇圧用のインダクタとして用いることができる。

また、外部充電モードにおいては、前段部と後段部とは一次側インダクタＬ３＋Ｌ４および二次側インダクタＬ５＋Ｌ６の磁気的結合に基づいて結合され、電気的に絶縁される。これによって、前段部に高電圧が印加されることを回避することができ、前段部における３相電源プラグ４０の取り扱い時において、高電圧が印加されている部分同士の接触によるシステム寿命の短縮等を回避することができる。

上記では、本発明の実施形態に係る切り換え式多相マルチフェーズコンバータをハイブリッド車両駆動システムに用いる場合について説明した。本発明の実施形態に係る切り換え式多相マルチフェーズコンバータは、電気自動車に用いることができる。この場合、発電モータ２４を必ずしも用いる必要はなく、駆動回路２０が切り換え式多相マルチフェーズコンバータと駆動モータ２２との間で、直流交流変換および電力の受け渡しを行う構成とすればよい。

１０，３６，４４，５０ハイブリッド車両駆動システム、１２切り換え式３相マルチフェーズコンバータ、１４電池、１６入力コンデンサ、１８出力コンデンサ、１８−１前段出力コンデンサ、１８−２後段出力コンデンサ、２０駆動回路、２２駆動モータ、２４発電モータ、２６単相電源プラグ、２８，４２，４８，５４コントローラ、３０，Ｓ１〜Ｓ１２スイッチング素子、３２ＩＧＢＴ、３４ダイオード、３８切り換え式４相マルチフェーズコンバータ、４０３相電源プラグ、４６切り換え式６相マルチフェーズコンバータ、５２切り換え式７相マルチフェーズコンバータ、Ｌ１〜Ｌ７インダクタ、ＲＳ１〜ＲＳ５、ＳＷ１〜ＳＷ８リレースイッチ。

Claims

複数のインダクタと、
電流経路のスイッチングを行うスイッチング部と、
を備える車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、
搭載車両とは別に設けられた電力発生源から交流電力を取得する外部電力取得部と、各インダクタの一端を車両駆動電力供給用の電池に至る経路に接続し、各インダクタの他端を前記スイッチング部に接続する昇圧接続状態、または、前記複数のインダクタのうち１つの一端を前記電池に至る経路に接続し、残りのインダクタの一端を前記電池に至る経路から切り離して前記外部電力取得部に接続し、各インダクタの他端を前記スイッチング部に接続する充電接続状態のうちいずれかの接続状態に、各インダクタ、前記スイッチング部、および前記外部電力取得部の接続状態を切り換える切り換え手段と、
を備え、
前記スイッチング部は、
前記切り換え手段が接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、電流経路スイッチングに応じて各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧を前記車両搭載用マルチフェーズコンバータから出力し、
前記切り換え手段が接続状態を前記充電接続状態としたときに、前記外部電力取得部から出力された交流電圧を電流経路スイッチングに基づいて直流電圧に変換し、その直流電圧を前記電池に印加することを特徴とする車両搭載用マルチフェーズコンバータ。
請求項１に記載の車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、
搭載車両の駆動用モータを制御する駆動回路を備え、
前記切り換え手段は、
接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧が前記駆動回路に出力されるよう、前記駆動回路を前記スイッチング部に接続し、接続状態を前記充電接続状態としたときに、前記駆動回路を前記スイッチング部から切り離すことを特徴とする車両搭載用マルチフェーズコンバータ。
複数のインダクタと、
電流経路のスイッチングを行うスイッチング部と、
を備える車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、
搭載車両とは別に設けられた電力発生源から交流電力を取得する外部電力取得部と、
各インダクタの一端を車両駆動電力供給用の電池に至る経路に接続し、各インダクタの他端を前記スイッチング部に接続する昇圧接続状態、または、各インダクタの一端を前記電池に至る経路から切り離し、前記複数のインダクタのうちいずれかの一端を前記外部電力取得部に接続すると共にその他端を前記スイッチング部の前段部に接続し、さらに、前記スイッチング部の前段部および後段部を磁気結合させる磁気結合回路が形成されるよう残りのインダクタを前記スイッチング部に接続し、前記後段部を前記電池に至る経路に接続する充電接続状態に、各インダクタ、前記スイッチング部、および前記外部電力取得部の接続状態を切り換える切り換え手段と、
を備え、
前記スイッチング部は、
前記切り換え手段が接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、電流経路スイッチングに応じて各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧を出力し、
前記切り換え手段が接続状態を前記充電接続状態としたときに、前記外部電力取得部から出力された交流電圧を電流経路スイッチングに基づいて直流電圧に変換し、その直流電圧を前記後段部から前記電池に印加することを特徴とする車両搭載用マルチフェーズコンバータ。
請求項３に記載の車両搭載用マルチフェーズコンバータにおいて、
前記後段部に接続され搭載車両の駆動用モータを制御する駆動回路を備え、
前記切り換え手段が接続状態を前記昇圧接続状態としたときに、各インダクタに発生する誘導起電力と前記電池の出力電圧とに基づく電圧を前記スイッチング部から前記駆動回路に出力することを特徴とする車両搭載用マルチフェーズコンバータ。