JP2011024370A

JP2011024370A - 負荷駆動装置及びこれを使用した電気自動車

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Publication number: JP2011024370A
Application number: JP2009168836A
Authority: JP
Inventors: Akitake Takizawa; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: US20110011658A1; JP5493532B2; US8297389B2

Abstract

【課題】負荷駆動装置及び電動機の高効率化を図りながら、バッテリの１部に故障が発生した場合でも電動機の正常動作を確保することができる負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】負荷駆動装置１は、直流電源２の正極側及び負極側にそれぞれ正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチ回路ＳＷｎを介して接続された正極ラインＬｐ及び負極ラインＬｎと、前記正極ライン及び前記負極ライン間に直列に接続した２つのスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣ変換部３と、前記正極側ライン及び前記負極側ライン間に前記ＤＣ−ＤＣ変換部と並列に接続された平滑回路４及び電動機６を駆動するＤＣ−ＡＣ変換部５とを備え、前記ＤＣ−ＤＣ変換部は、前記直流電源２の中間電位と前記スイッチング素子間の接続点とを中間電位ラインＬｍで接続し、該中間電位ラインと前記正極側ライン及び負極側ラインとの一方にリアクトルを介挿した構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくともバッテリから供給される電力によって電動機を駆動する例えば電気自動車などに適用可能な負荷駆動装置及びこれを使用した電気自動車に関する。

電気自動車に代表される負荷駆動装置としては、例えば所定の直流電圧を発生するバッテリと、このバッテリの発生する直流電圧を昇圧し、昇圧電圧に基づき電動機を駆動するための電源を得る双方向型昇圧チョッパ部と、この双方向型昇圧チョッパ部と電動機を駆動するためインバータ部の間に接続され、双方向型昇圧チョッパ部の直流電圧を平滑する電解コンデンサからなる電動機制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。

また、バッテリ電圧を昇圧コンバータで昇圧してメインコンデンサに供給し、昇圧コンバータから出力されるシステム電圧を、モータの動作状態に応じて可変に制御する可変電圧システムが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
すなわち、モータシステムでは、モータ損失（銅損＋鉄損）、インバータ損失（オン損失＋スイッチング損失）、昇圧ＩＧＢＴ損失（オン損失＋スイッチング損失）及び昇圧リアクトル損失（銅損＋鉄損）等のシステム損失が発生し、このシステム損失を最小化するための条件は、システム電圧をモータの誘起電圧とほぼ同じにすることである。この誘起電圧はモータの動作状態（回転数、トルク）によって変化するため、モータの動作状態に応じてシステム電圧を可変に制御すれば、損失を最小とすることができる。

上記特許文献１に記載された従来例の構成は、図１５に示すように、バッテリ１００のバッテリ電圧をＤＣ−ＤＣ変換回路で構成される双方向昇圧チョッパ部１０１で昇圧し、この双方向昇圧チョッパ部１０１の出力側となる正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎとの間に電解コンデンサ１０２を接続し、さらにこの電解コンデンサ１０２と並列にＤＣ−ＡＣ変換回路としてのインバータ部１０３を接続した構成を有する。そして、インバータ部１０３から出力される三相交流が電動機１０４に供給されている。

ここで、双方向昇圧チョッパ部１０１は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続されたＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２と、これらＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２の接続点とバッテリ１００の正極側との間に介挿されたリアクトルＬとで構成されている。
また、バッテリ１００は、１ユニット／数Ｖのものを数十直列に接続することで、高電圧の直流電源を構成している。

一般に、電動機１０４の回転数と電解コンデンサ１０２の両端の直流電圧Ｅｄとは、図１６に示すような関係に制御する。すなわち、電動機１０４の回転数が零から所定回転数Ｎ₀までの間は、直流電圧Ｅｄをバッテリ電圧Ｖｂと等しくし、インバータ部１０３を構成する各スイッチング素子をＰＷＭ制御することによって電動機１０４の回転数を制御する。そして、電動機１０４の回転数が所定回転数Ｎ₀を超えて所定回転数Ｎ₀より大きな所定回数Ｎ₁までの間では、昇圧チョッパ部１０１によってバッテリ電圧Ｖｂの昇圧率を１から回転数の増加に応じて徐々に増加させることにより、直流電圧Ｅｄをバッテリ電圧Ｖｂより徐々に増加させて、インバータ部１０３の各スイッチング素子をＰＷＭ制御することによって、電動機の回転数を制御する。

そして、直流電圧Ｅｄが最大値Ｅｄ_MAXに達する所定回転数Ｎ₁を超えると直流電圧Ｅｄを最大値Ｅｄ_MAXに固定し、さらなる電動機１０４の回転数増加にはインバータ部１０３をＰＷＭ制御から１パルス制御への移行や、弱め界磁制御などを実行するようにしている。

特開２００１−２７５３６７号公報

TOYTA Technical Review Vol.54 No.1 Aug. 2005第42頁〜第51頁

しかしながら、上記各従来例にあっては、ＤＣ−ＡＣ変換回路となるインバータ部１０３に入力される最低直流入力電圧値がバッテリ電圧値Ｖｂとなることから、電動機１０４を低速運転する場合は、インバータ部１０３でバッテリ電圧値ＶｂによるＰＷＭ制御を行うことになる。そのため、スイッチング素子（ＩＧＢＴおよびダイオード）のスイッチング損失が大きくなるとともに、電動機１０４側も、流れる電流のリップルが大きくなるため、キャリア周波数成分による高調波損失が増加し、負荷駆動装置及び電動機の効率低下を招くという未解決の課題がある。

また、電動機１０４を高速運転する場合は、ＤＣ−ＤＣ変換回路としての昇圧チョッパ部１０１によって、バッテリ電圧Ｖｂの昇圧を行う。その際、図１６の回路の場合は、ＩＧＢＴ１及びＩＧＢＴ２とダイオードＤ１及びＤ２とが動作するため、これらの半導体チップには相応の容量を有したものが必要となるという未解決の課題もある。
さらに、通常、電気自動車は、１ユニットが数Ｖのバッテリを数１０直列に接続することで、数百Ｖのバッテリとして自動車に搭載する。ところが、何かしらの理由で、任意の１ユニットのみが故障した場合、各バッテリユニットが直列に接続されていることから、バッテリ１００全体が使用不可となる。そのため、図１５のような単純に直列接続されているバッテリシステムでは、信頼性の向上を図ることができていという未解決の課題もある。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、負荷駆動装置及び電動機の高効率化を図りながら、バッテリの１部に故障が発生した場合でも電動機の正常動作を確保することができる負荷駆動装置及びこれを使用した電気自動車を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る負荷駆動装置は、直流電源を使用して交流電動機を駆動する負荷駆動装置であって、前記直流電源の正極側及び負極側にそれぞれ正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路を介して接続された正極ライン及び負極ラインと、前記正極ライン及び前記負極ライン間に直列に接続した少なくとも２つのスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣ変換部と、前記正極側ライン及び前記負極側ライン間に前記ＤＣ−ＤＣ変換部と並列に接続された平滑用コンデンサを有する平滑回路と、該平滑回路の直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するＤＣ−ＡＣ変換部とを備え、前記ＤＣ−ＤＣ変換部は、前記直流電源の中間電位と前記スイッチング素子間の接続点とを中間電位ラインで接続し、該中間電位ラインと前記正極側ライン及び負極側ラインとの一方にリアクトルを介挿した構成を有する。

また、本発明の他の形態に係る負荷駆動装置は、前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路の一方を常時オフ状態とし他方を常時オン状態に制御して、直流電源の１／２電圧を前記平滑回路に供給する低電力供給部を形成している。
また、本発明の他の形態に係る負荷駆動装置は、前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路の双方を常時オン状態に制御して、直流電源の電圧を前記平滑回路に供給する中電力供給部を形成している。

また、本発明の他の形態に係る負荷駆動装置は、前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路の一方を常時オフ状態とし、他方を常時オン状態に制御し、且つ前記ＤＣ−ＤＣ変換部のスイッチング素子をオンオフ制御して、前記リアクトルで昇圧した電圧を前記平滑回路に供給する大電力供給部を形成している。
また、本発明の他の形態に係る負荷駆動装置は、前記正極側スイッチ回路をオン状態に制御し、前記負極側スイッチ回路をオフ状態に制御する第１の制御態様と、前記正極側スイッチ回路をオフ状態に制御し、前記負極側スイッチ回路をオン状態に制御する第２の制御態様とを時間系列で交互に繰り返すようにしている。

また、本発明の他の形態に係る負荷駆動装置は、前記直流電源の中間電位を挟む一方の電源ユニットが異常となった場合に、前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路のうち異常となった電源ユニットに接続されたスイッチ回路を常時オフ状態に制御し、正常な電源ユニットに接続されたスイッチ回路を常時オン状態に制御するとともに、前記ＤＣ−ＤＣ変換部の正常な電源ユニットに前記スイッチ回路を介して接続されたスイッチング素子をオンオフ制御して、前記平滑回路に直流電力を供給している。

また、本発明の他の形態に係る電気自動車は、上記各負荷駆動装置のうちの１つを車両の駆動輪を駆動する電動機駆動装置として備えている。

本発明によれば、負荷駆動装置及び電動機の高効率運転が可能となるとともに、直流電源の１部に故障が発生した場合でも電動機の正常動作を確保することができるという効果を得ることができる。
しかも、上記効果を有する負荷駆動装置を電気自動車の電動機駆動装置に適用することにより、高信頼性を有する電気自動車を提供することができる。

本発明を電気自動車に適用した場合の一実施形態を示すブロック図である。第１の実施形態に適用しうる双方向性スイッチ回路の構成例を示す回路図である。本発明の実施形態の制御部を含めたブロック図である。電動機回転速度と平滑回路の直流電圧との関係を示す特性線図である。電動機を低速回転領域で駆動する場合の動作状態を説明するブロック図である。電動機を中速回転領域で駆動する場合の動作状態を説明するブロック図である。電動機を高速回転領域で駆動する場合の動作状態を説明するブロック図である。電動機を高速回転領域で駆動する場合の他の実施形態を示すブロック図である。電動機を高速回転領域で駆動する場合のさらに他の実施形態を示すブロック図である。直流電源のバッテリユニットの一方が故障した場合の動作状態を説明するブロック図であって、（ａ）はバッテリユニットＢＵｂが故障した場合、（ｂ）はバッテリユニットＢＵａが故障した場合を示す。電動機制御装置を低速領域、中速領域及び高速領域で駆動する場合の制御部の構成を示すブロック図である。バッテリユニットの故障を考慮した制御装置を示すブロック図である。図１２の制御装置の制御部の具体的構成を示すブロック図である。図１の変形例を示すブロック図である。従来の電動機駆動装置を示すブロック図である。従来例の電動機回転速度と平滑回路の直流電圧との関係を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の負荷機駆動装置を示すブロック図であり、図中、１は電気自動車に適用する負荷駆動装置としての電動機駆動装置である。この電動機駆動装置１は、バッテリで構成される直流電源２と、この直流電源２の正極側及び負極側から導出された正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎにそれぞれ並列に接続されたＤＣ−ＤＣ変換部３、平滑回路４及びＤＣ−ＡＣ変換部５を備えている。そして、ＤＣ−ＡＣ変換部５から出力される交流電力が交流電動機６に供給されている。この交流電動機６で発生される駆動トルクは、必要に応じて減速機構７を介し、さらにデファレンシャルギヤ８を介して駆動輪９に伝達される。

直流電源２は、１ユニットが数Ｖのバッテリを数１０直列に接続することで、数百Ｖのバッテリ電圧Ｖｂを得るように構成されている。そして、直列に接続されたバッテリを２分割してバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂを構成している。そして、バッテリユニットＢＵａの正極側から正極側スイッチ回路ＳＷｐを介して正極側ラインＬｐが導出され、バッテリユニットＢＵｂの負極側から負極側スイッチ回路ＳＷｎを介して負極側ラインＬｎが導出されている。さらに、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの接続点すなわち中間電位点Ｐｍから中間電位ラインＬｍが導出されている。ここで、正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチ回路ＳＷｎは、コンタクタのような機械式のスイッチやサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの逆耐圧を有する半導体スイッチ素子を逆並列に接続したもので構成することができる。例えば、図２（ａ）に示すように、逆耐圧を有するＩＧＢＴａ及びＩＧＢＴｂを逆並列に接続した構成を適用するか、図２（ｂ）に示すように、逆耐圧を有さないＩＧＢＴｃ及びＩＧＢＴｄを直列に接続し、各ＩＧＢＴｃ及びＩＧＢＴｄに逆並列にダイオードＤｃ及びＤｄを接続した構成を適用することが好ましい。

また、ＤＣ−ＤＣ変換部３は、双方向昇圧チョッパ回路の構成を有し、正極側ラインＬｐと中間電位ラインＬｍとの間に直列に接続された一対の例えばＩＧＢＴで構成されるスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂを備えている。これらスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂの接続点にはリアクトルＬを介して直流電源２の中間電位ラインＬｍが接続されている。各スイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂにはそれぞれダイオードＤ３ａ及びＤ３ｂが逆並列接続されている。

さらに、平滑回路４は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に接続された平滑用コンデンサＣを備えており、この平滑用コンデンサＣでＤＣ−ＤＣ変換部３から出力される直流電力を平滑化する。この平滑用コンデンサＣの両端の直流電圧ＥｄがＤＣ−ＡＣ変換部５に供給される。

さらにまた、ＤＣ−ＡＣ変換部５は、インバータ回路の構成を有し、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に並列に接続された３つのスイッチングアームＳＡ２１〜ＳＡ２３を有する。これらスイッチングアームＳＡ２１〜２３のそれぞれは、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された例えばＩＧＢＴで構成されるスイッチング素子Ｑｊａ及びＱｊｂ（ｊは２１〜２３）と、各スイッチング素子Ｑｊａ及びＱｊｂに逆並列に接続されたダイオードＤｊａ及びＤｊｂとを有する。そして、各スイッチング素子Ｑｊａ及びＱｊｂの接続点が交流出力点Ｐｕ，Ｐｖ及びＰｗとされて負荷としての交流電動機６の例えばスター結線されたコイルＬｕ、Ｌｖ及びＬｗに接続されている。

そして、上記正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチ回路ＳＷｎのオンオフ制御と、ＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂ及びＤＣ−ＡＣ変換部５のスイッチング素子Ｑ２１ａ〜２３ｂのＰＷＭ（パルス幅変調）制御が、図３に示すように、制御装置１１の制御部１２によって行われる。ここで、制御部１２には、交流電動機６の速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*が入力される。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
今、車両が渋滞時走行程度の低速度（例えば０〜２０ｋｍ／ｈ程度）で走行し、交流電動機６を、図４に示すように、交流電動機６の回転速度Ｎｍを所定回転数Ｎ₀₁以下に設定して低速回転駆動する場合には、図５（ａ）に示すように、例えば正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オフ状態とし、且つ負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オン状態としてバッテリユニットＢＵｂを選択する。この制御状態では、バッテリユニットＢＵｂの正極側がリアクトルＬを介しスイッチング素子Ｑ３ａと逆並列に接続されたダイオードＤ３ａを介して平滑回路４の平滑用コンデンサＣの正極側に接続され、バッテリユニットＢＵｂの負極側が負極側スイッチ回路ＳＷｎを介し負極側ラインＬｎを介して平滑回路４の平滑用コンデンサＣの負極側に供給される。このため、バッテリユニットＢＵｂは、バッテリ電圧Ｖｂの半分の電圧Ｖｂ／２であるので、この電圧Ｖｂ／２が平滑用コンデンサＣに充電されることになる。このため、平滑用コンデンサＣの両端の正極側電位部Ｖｐ及び負極側電位部Ｖｎ間の直流電圧ＥｄはＶｂ／２となる。

この平滑回路４の直流電圧Ｅｄ（＝Ｖｂ／２）がＤＣ−ＡＣ変換部５の各スイッチングアームＳＡ１〜ＳＡ３に供給されるので、これらスイッチングアームＳＡ１〜ＳＡ３の各スイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａ及びＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂを制御部１２で、速度指令（又は周波数指令）Ｎｍ^*に基づくデューティ比でＰＷＭ制御することにより、交流電動機６を低速回転駆動することができる。このため、交流電動機６をバッテリ電圧Ｖｂの半分の電圧Ｖｂ／２がＤＣ−ＡＣ変換部５に供給されて、このＤＣ−ＡＣ変換部５の各スイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａ及びＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂがＰＷＭ制御される。したがって、ＤＣ−ＡＣ変換部のスイッチング損失や、交流電動機６の高調波損失を低減することが可能となる。

同様に、図５（ｂ）に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オン状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オフ状態とすることにより、バッテリユニットＢＵａを選択する。このため、バッテリユニットＢＵａの正極側が正極側スイッチ回路ＳＷｐを介し、正極側ラインＬｐを介して平滑回路４の平滑用コンデンサＣの正極側に接続される。一方、バッテリユニットＢＵａの負極側がリアクトルＬ及びダイオードＤ３ｂを介し、さらに負極側ラインＬｎを介して平滑用コンデンサＣの負極側に接続される。このため、上述した図５（ａ）と同様に、平滑用コンデンサＣの両端の直流電圧Ｅｄがバッテリ電圧Ｖｂの半分の電圧Ｖｂ／２となり、この直流転圧Ｅｄ（＝Ｖｂ／２）がＤＣ−ＡＣ変換部５に供給される。そして、上述した図５（ａ）と同様にＤＣ−ＡＣ変換部５の各スイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａ及びＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂをＰＷＭ制御することにより、ＤＣ−ＡＣ変換部のスイッチング損失や、交流電動機６の高調波損失を低減することが可能となる。

また、交流電動機６の低速回転領域での一方のバッテリユニットＢＵａ（またはＢＵｂ）に負担が集中するのを軽減するために、低速回転領域で図５（ｂ）に示すバッテリユニットＢＵａを使用するモードａと、図５（ａ）に示すバッテリユニットＢＵｂを使用するモードｂとを時系列で交互に切換えるようにしても良い。

次ぎに、車両が例えば市街地を走行する程度の中速度（２０ｋｍ／ｈ〜７０ｋｍ／ｈ程度）で走行し、交流電動機６の回転速度Ｎｍを、図４における所定回転速度Ｎ₀₁を超え所定回転速度Ｎ₀₁より大きい回転速度Ｎ₀以下となる中速回転領域で回転駆動する場合について説明する。

この中速回転領域では、図６に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチ回路ＳＷｎの双方を常時オン状態に制御して、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂを選択する。この制御状態では、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの電圧を加算したバッテリ電圧Ｖｂが平滑回路４の平滑用コンデンサＣに充電される。このため、平滑用コンデンサＣの両端の直流電圧Ｅｄがバッテリ電圧Ｖｂとなり、前述した低速回転駆動状態の倍の電圧がＤＣ−ＡＣ変換部５に供給される。このため、ＤＣ−ＡＣ変換部５の各スイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａ及びＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂをＰＷＭ制御することにより、交流電動機６を高電圧で回転駆動することができる。

この交流電動機６を中速回転駆動する状態では、前述した図１２の従来例と同様の駆動方式となるが、回路的にはリアクトルＬを介することがないとともに、ＤＣ−ＤＣ変換部３をＰＷＭ駆動することがない。このため、リアクトルＬでの銅損や鉄損を防止することができるとともに、ＤＣ−ＤＣ変換部３でのスイッチング損失やオン損失を防止することができる。

次ぎに、例えば車両が高速道路を走行する高速度（例えば８０ｋｍ／ｈ以上）で走行し、交流電動機６の回転速度Ｎｍを、図４における所定回転速度Ｎ₀を超え所定回転速度Ｎ₀より大きい回転速度Ｎ₁以下となる高速回転領域で回転駆動する場合について説明する。

この高速回転領域では、図７に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オン状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オフ状態とすることにより、バッテリユニットＢＵｂを選択する。そして、バッテリユニットＢＵｂの正極側を中間電位ラインＬｍ及びリアクトルＬを介してＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂの接続点に接続し、負極側を負極側スイッチ回路ＳＷｎを介して負極ラインＬｎに接続する。

この状態で、ＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ＢをＰＷＭ制御する。このとき、交流電動機６の回転速度Ｎｍが所定回転速度Ｎ₀であるときには、昇圧率αが“２”となるようにスイッチング素子Ｑ３ｂのゲートに供給するＰＷＭ信号のデューティ比を選択する。これにより、ＤＣ−ＤＣ変換部３でバッテリ電圧Ｖｂ／２をバッテリ電圧Ｖｂまで昇圧し、この昇圧電圧で平滑回路４の平滑用コンデンサＣを充電する。このため、平滑用コンデンサＣの両端の直流電圧Ｅｄがバッテリ電圧Ｖｂと等しくなり、前述した中速回転領域の直流電圧Ｅｄと等しくなる。

この昇圧動作は、ＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａを常時オフ状態とし、且つスイッチング素子Ｑ３ｂをオン状態とすることにより、リアクトル７に電流が流れる。この状態から、スイッチング素子Ｑ３ｂをオフ状態とすることにより、リアクトル７には電流が流れ続けるように逆起電圧が生じ、この逆起電圧がダイオードＤ３ａを通じて平滑回路４の平滑用コンデンサＣに充電されて昇圧が行われる。

その後、スイッチング素子Ｑ３ｂに供給するＰＷＭ信号のデューティ比を増加させて、昇圧率αを“２”より徐々に増加させることにより、ＤＣ−ＤＣ変換部３から出力される直流電圧をバッテリ電圧Ｖｂより徐々に増加させ、交流電動機６の回転速度Ｎｍを所定回転速度Ｎ₀から徐々に増加させる。

そして、昇圧率αを増加させることにより、ＤＣ−ＤＣ変換部３から出力される直流電圧によって充電される平滑回路４の平滑用コンデンサＣの直流電圧Ｅｄが予め設定された最大電圧Ｅｄ_MAXに達すると、以後はＤＣ−ＤＣ変換部３の出力電圧を平滑用コンデンサＣに設定された最大電圧Ｅｄ_MAXを維持するようにスイッチング素子Ｑ３ｂのゲートに供給するＰＷＭ信号のデューティ比を固定する。

この交流電動機６を高速回転領域で回転駆動する場合には、回路的には前述した従来例と等しくなるが、入力電源となるバッテリ電圧ＶｂがＶｂ／２となることが異なる。このため、昇圧時のスイッチング素子Ｑ３ｂ及びダイオードＤ３ａの負担とパワーの供給を行うバッテリユニットＢＵｂの負担が従来方式に比較して大きくなる。

このバッテリユニットＢＵｂの負担増を解消するは、図８に示すように、中立電位ラインＬｍとバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの中間電位点Ｐｍとの間に正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチ回路ＳＷｎと同様の中間電位スイッチ回路ＳＷｍを介挿するとともに、バッテリユニットＢＵａ及び正極側スイッチ回路ＳＷｐの接続点とスイッチ回路ＳＷｍ及びリアクトルＬの接続点との間にバイパススイッチ回路ＳＷａを設ける。

この構成によると、交流電動機６を高速回転領域で回転駆動する場合には、正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び中間電位スイッチ回路ＳＷｍを常時オフ状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎ及びバイパススイッチ回路ＳＷａを常時オン状態として、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂを選択することにより、直流電源２から出力される電圧をバッテリ電圧Ｖｂとする。

この場合には、ＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ｂのゲートに供給するＰＷＭ信号のデューティ比を交流電動機６の回転速度Ｎｍが所定値Ｎ₀であるときに、昇圧率αが“１”となるように設定することにより、交流電動機６の回転速度Ｎｍが所定値Ｎ₀であるときに平滑用コンデンサＣの両端の直流電圧Ｅｄをバッテリ電圧Ｖｂと等しくすることができる。

このように、図８の構成によれば、ＤＣ−ＤＣ変換部３のリアクトルＬにバッテリ電圧Ｖｂを供給することができるので、昇圧動作時のバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの負担を等しくし、これらバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの負担とＤＣ−ＤＣ変換部のスイッチング素子Ｑ３ｂ及びダイオードＤ３ａの負担とを前述した図１２に示す従来例と等しくすることができる。

また、交流電動機６の高速回転領域での一方のバッテリユニットＢＵｂの負担増を軽減するために、高速回転領域で図９（ａ）に示すバッテリユニットＢＵａを使用するモードａと、図９（ｂ）に示すバッテリユニットＢＵｂを使用するモードｂとを時系列で交互に切換えるようにしても良い。
すなわち、モードａでは、正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オン状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オフ状態としてバッテリユニットＢＵａを選択し、且つＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ｂを常時オフ状態とし、スイッチング素子Ｑ３ａのゲートに交流電動機６の回転速度Ｎｍに応じたデューティ比のＰＷＭ信号を供給する。

これにより、スイッチング素子Ｑ３ａがオン状態であるときには、バッテリユニットＢＵａから正極側スイッチ回路ＳＷｐ、スイッチング素子Ｑ３ａ、リアクトルＬを介してバッテリユニットＢＵａの負極側に至る閉回路が構成されて、リアクトルＬに電流が流れる。

その後、スイッチング素子Ｑ３ａがオフ状態となると、リアクトルＬには電流が流れ続けるように逆起電圧が生じる。このとき、バッテリユニットＢＵａの正極側が正極スイッチ側回路ＳＷｐ及び正極側ラインＬｐ経て平滑用コンデンサＣの正極側に接続され、この平滑用コンデンサＣの負極側が負極側ラインＬｎ、ダイオードＤ３ｂ、リアクトルＬ及び中間電位ラインＬｍを介してバッテリユニットＢＵｂの負極側に接続される。このため、リアクトルＬに生じた逆起電圧がバッテリユニットＢＵａのバッテリ電圧Ｖｂ／２に加算されて平滑回路４の平滑コンデンサＣに充電される。このため、平滑コンデンサＣの両端の直流電圧Ｅｄがバッテリ電圧Ｖｂ／２を昇圧した電圧となり、この直流電圧ＥｄがＤＣ−ＡＣ変換部５に供給されることにより、このＤＣ−ＡＣ変換部５でスイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａ及びＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂをＰＷＭ制御して交流電動機を高速駆動する。

また、モードｂでは、前述した図７と同様の昇圧動作となる。
そして、これらモードａ及びモードｂを時間系列で交互に動作させることにより、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの負担を均等化することができるとともに、ＤＣ−ＤＣ変換部３におけるスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂとダイオードＤ３ａ及びＤ３ｂの負担も均等化することができる。このように、スイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂとダイオードＤ３ａ及びＤ３ｂの負担を均等化することができるので、半導体チップの温度上昇抑制が可能となり、半導体チップの信頼性の向上を図ることができ可能となる。

因みに、前述した図１５に示す従来例の構成でも、昇圧時には、ＤＣ−ＤＣ変換回路で構成される双方向昇圧チョッパ部１０１を構成するスイッチング素子ＩＧＢＴ２をオン状態としたときに、リアクトルＬに電流が流れ、スイッチング素子ＩＧＢＴ２をオフ状態に反転させることにより、リアクトルＬには電流が流れ続けるように逆起電圧が生じ、この逆起電圧がダイオードＤ１を通じて電解コンデンサ１０２に充電される。このため、スイッチング素子ＩＧＢＴ２及びダイオードＤ１のみが動作状態となり負担が、非動作状態となるスイッチング素子ＩＧＢＴ１及びダイオードＤ２に対して大きくなり、半導体の負担が不均等となる。

また、交流電動機６の回転速度Ｎｍを所定回転速度Ｎ₁を超えて回転駆動する場合には、前述した従来例と同様に、ＤＣ−ＡＣ変換部５のスイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａ及びＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂをＰＷＭ制御から１パルス制御への移行や、弱め界磁制御を行うことにより、対応している。

さらに、車両が制動状態となったり、下り坂を走行する状態となったりして、交流電動機６が発電機として動作する状態となった回生動作時には、発電電力がＤＣ−ＡＣ変換部５からＤＣ−ＤＣ変換部３に供給され、このＤＣ−ＤＣ変換部３で降圧されてバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂに充電電流として供給される。

また、上記第１の実施形態においては、交流電動機６を中速回転領域で駆動する場合に、平滑回路４の平滑用コンデンサＣの両端の直流電圧Ｅｂを交流電動機６の回転速度にかかわらずバッテリ電圧Ｖｂに等しく設定した場合について説明した。しかしながら、上記構成に限定されるものではなく、図８に示す回路構成を適用して、中速回転領域で、スイッチ回路ＳＷｐ及びＳＷａを常時オフ状態として、スイッチ回路ＳＷｎ及びＳＷｍを常時オン状態として、バッテリユニットＢＵｂを選択して、ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力電圧をＶｂ／２から徐々に昇圧する。これにより、図４で点線図示のように回転速度Ｎｍの増加に応じて平滑用コンデンサＣの両端の直流電圧ＥｄをＶｂ／２から徐々に増加させるようにしても良い。このとき、回転数Ｎｍが所定回転速度Ｎ₀に達したときに、スイッチ回路ＳＷｍを常時オフ状態に切換えるとともに、スイッチ回路ＳＷａを常時オン状態に切換えて、バッテリ電圧Ｖｂの昇圧状態に切換える。

さらに、バッテリユニットＢＵｂが故障した場合には、図１０（ａ）に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オン状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オフ状態とすることで、前述した図９（ａ）に示すモードａと同様の構成とすることができ、交流電動機６の駆動制御を正常状態で継続することができる。

逆に、バッテリユニットＢＵａが故障した場合には、図１０（ｂ）に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オフ状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オン状態とすることで、前述した図９（ｂ）に示すモードｂと同様の構成とすることができ、交流電動機６の駆動制御を正常状態で継続することができる。
このように、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの一方が故障した場合でも、交流電動機６の正常運転を継続することが可能となるため、自動車としての信頼性向上を図ることが可能となる。

以上説明したように、交流電動機６の回転速度Ｎｍの回転速度領域に応じて正極側スイッチ回路ＳＷｐ、負極側スイッチ回路ＳＷｎ、ＤＣ−ＤＣ変換部３及びＤＣ−ＡＣ変換部５を制御するには制御装置１１の制御部１２を図１１に示すように構成する。

すなわち、制御部１２に、低速回転領域制御部２１、中速回転領域制御部２２及び高速回転領域制御部２３と、これら低速回転領域制御部２１、中速回転領域制御部２２及び高速回転領域制御部２３を選択する選択部２４とを設ける。
ここで、低速回転領域制御部２１では、前述した図５（ａ）又は（ｂ）に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチ回路ＳＷｎをオンオフ制御し、且つＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂをオフ状態し、さらにＤＣ−ＡＣ変換部５のスイッチング素子をＰＷＭ制御する。

中速回転領域制御部２２は、前述した図６に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチ回路ＳＷｎをともにオン状態に制御し、ＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂをともにオフ状態に制御し、さらにＤＣ−ＡＣ変換部５のスイッチング素子をＰＷＭ制御する。なお、中速回転領域制御部２２としては、図８の構成としてスイッチング回路ＳＷｐ、ＳＷｎ、ＳＷｍ、ＳＷａをオンオフ制御するようにしてもよい。

高速回転領域制御部２３は、図７に示すように、正極側スイッチ回路ＳＷｐ及び負極側スイッチＳＷｎの何れか一方をオン状態に制御し、他方をオフ状態に制御し、且つＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂの一方をＰＷＭ制御することで昇圧制御し、さらにＤＣ−ＡＣ変換部５のスイッチング素子をＰＷＭ制御する。この高速回転領域制御部２３では、昇圧制御を図９（ａ）及び（ｂ）に示すようにモードａ及びモードｂを時間系列で交互に制御するようにしてもよい。

また、選択部２４は、非反転入力側に回転速度指令Ｎｍ^*が入力された２つのコンパレータ２５及び２６を有するウィンドコンパレータ２７を備えている。各コンパレータ２５及び２６の反転入力側には個別に所定回転速度Ｎ₀₁及びＮ₀が入力されている。
したがって、コンパレータ２５は回転速度指令Ｎｍ^*が所定回転速度Ｎ₀₁未満であるときには論理値“０”となり、回転速度指令Ｎｍ^*が所定回転速度Ｎ₀₁以上であるときには論理値“１”となる選択信号ＳＬ１を出力する。

また、コンパレータ２５は、回転速度指令値Ｎｍ^*が所定回転速度Ｎ₀未満であるときには論理値“０”となり、回転速度指令Ｎｍ^*が所定回転速度Ｎ₀以上であるときには論理値“１”となる選択信号ＳＬ２を出力する。
そして、選択信号ＳＬ１及びＳＬ２が選択信号ＳＬ１及びＳＬ２の双方の入力側が反転入力とされたアンド回路２８、選択信号ＳＬ１の入力側が反転入力とされたアンド回路２９及びアンド回路３０に供給されている。

そして、アンド回路２８の出力が低速回転領域制御部２１に供給され、アンド回路２９の出力が中速回転領域制御部２２に供給され、アンド回路３０の出力が高速回転領域制御部２３に供給され、各低速回転領域制御部２１、中速回転領域制御部２２及び高速回転領域制御部２３が入力されるアンド出力が論理値“１”であるときに動作状態となるように構成されている。

したがって、回転速度指令Ｎｍ^*が所定回転速度Ｎ₀₁より小さい場合には、コンパレータ２５及び２６から出力される選択信号ＳＬ１及びＳＬ２がともに論理値“０”となる。このため、アンド回路２８のみが論理値“１”を出力するので、低速回転領域制御部２１のみが動作状態となって、交流電動機６を低速回転駆動する。

また、回転速度指令Ｎｍ^*が所定回転速度Ｎ₀₁以上で、所定回転速度Ｎ₀未満であるときには、コンパレータ２５から出力される選択信号ＳＬ１が論理値“１”となり、コンパレータ２６から出力される選択信号ＳＬ２が論理値“０”となる。このため、アンド回路２９のみが論理値“１”を出力するので、中速回転領域制御部２２のみが動作状態となって、交流電動機６を中速回転駆動する。

さらに、回転速度指令Ｎｍ^*が所定回転速度Ｎ₀以上であるときには、コンパレータ２５から出力される選択信号ＳＬ１が論理値“１”となり、コンパレータ２６から出力される選択信号ＳＬ２も論理値“１”となる。このため、アンド回路３０のみが論理値“１”を出力するので、高速回転領域制御部２３のみが動作状態となって、交流電動機６を高速回転駆動する。

また、制御装置１１の制御部１２で、バッテリユニットＵＢａ及びＵＢｂの故障も考慮する場合には、図１２に示すように、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂのそれぞれの端子電圧Ｖａ及びＶｂを検出して故障の有無を検出するバッテリ故障検出部３１ａ及び３１ｂを設け、これらバッテリ故障検出部３１ａ及び３１ｂでバッテリ故障を検出したときに出力されるバッテリ故障検出信号ＢＡａ及びＢＡｂを制御部１２に供給する。そして、制御部１２では、図１３に示すように、バッテリユニットＢＵｂが故障したときに制御を行うユニットＢＵｂ故障時制御部３２と、バッテリユニットＢＵａが故障したときに制御を行うユニットＢＵａ故障時制御部３３と、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂが正常であるときに制御を行う前述した図１１の構成を有する正常時制御部３４とを備えている。

ここで、ユニットＢＵｂ故障時制御部３２は、前述した図１０（ａ）に示すように正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オン状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オフ状態としてバッテリユニットＢＵａを選択し、且つＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａをＰＷＭ制御し、さらにＤＣ−ＡＣ変換部５の各スイッチング素子をＰＷＭ制御する。
また、ユニットＢＵａ故障時制御部３３は、前述した図１０（ｂ）に示すように正極側スイッチ回路ＳＷｐを常時オフ状態とし、負極側スイッチ回路ＳＷｎを常時オン状態としてバッテリユニットＢＵｂを選択し、且つＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ｂをＰＷＭ制御し、さらにＤＣ−ＡＣ変換部５の各スイッチング素子をＰＷＭ制御する。

そして、選択スイッチ回路３５にバッテリ故障検出信号ＢＡａ及びＢＡｂが供給され、バッテリ故障検出信号ＢＡａ及びＢＡｂがともに論理値“０”であるときには正常時制御部３４が選択されて、スイッチ回路ＳＷｐ，ＳＷｎ、ＤＣ−ＤＣ変換部３及びＤＣ−ＡＣ変換部５が制御される。また、バッテリ故障検出信号ＢＡａが論理値“０”でバッテリ故障検出信号ＢＡａが論理値“１”であるときには選択スイッチ回路３５でユニットＢＵｂ故障時制御部３２が選択されて、スイッチ回路ＳＷｐ，ＳＷｎ、ＤＣ−ＤＣ変換部３及びＤＣ−ＡＣ変換部５が制御される。さらに、バッテリ故障検出信号ＢＡａが論理値“１”でバッテリ故障検出信号ＢＡａが論理値“０”であるときには選択スイッチ回路３５でユニットＢＵａ故障時制御部３３が選択されて、スイッチ回路ＳＷｐ，ＳＷｎ、ＤＣ−ＤＣ変換部３及びＤＣ−ＡＣ変換部５が制御される。

このように、制御装置１１の制御部１２を図１２及び図１３の構成とすることにより、直流電源２のバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂが正常である場合には、回転速度指令Ｎｍ^*に応じて交流電動機６を回転速度制御し、バッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂの一方が故障した場合には、正常なバッテリユニットを使用して交流電動機６を正常な回転速度制御を継続することができる。

なお、上記実施形態においては、ＤＣ−ＤＣ変換部３を構成するスイッチング素子Ｑ３ａ及びＱ３ｂ間にバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂ間の中間電位点ＰｍをリアクトルＬを介して接続する場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、図１４に示すように、リアクトルＬの容量の半分の容量のリアクトルＬａ及びＬｂに分割し、リアクトルＬａを正極側スイッチ回路ＳＷｐ及びＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ａのコレクタ間の正極側ラインＬｐに介挿し、リアクトルＬｂを負極側スイッチ回路ＳＷｎ及びＤＣ−ＤＣ変換部３のスイッチング素子Ｑ３ｂのエミッタ間の負極側ラインＬｎに介挿するようにしても良い。この場合でも、上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態においては、直流電源２としてバッテリユニットＢＵａ及びＢＵｂを適用した場合について説明したが、これに限定されるものでなく、２組の燃料電池ユニットや、２組の太陽電池ユニット等の他の直流電源ユニットで構成することもできる。さらには、バッテリユニット、燃料電池ユニット、太陽電池ユニット等の異なるユニット同士を接続して直流電源２を構成するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、使用電力に応じてパワーＭＯＳＦＥＴ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）等の任意のスイッチング素子を適用することができる。
さらにまた、上記実施形態においては、本発明を電気自動車に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電気自動車の交流電動機以外の交流負荷を直流電源２で駆動する負荷駆動装置にも本発明を適用することができる。

１…電動機駆動装置、２…直流電源、ＢＵａ，ＢＵｂ…バッテリユニット、ＳＷｐ…正極側スイッチ回路、ＳＷｎ…負極側スイッチ回路、Ｌｐ…正極側ライン、Ｌｎ…負極側ライン、Ｌｍ…中間電位ライン、３…ＤＣ−ＤＣ変換部、Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ…リアクトル、４…平滑回路、Ｃ…平滑用コンデンサ、５…ＤＣ−ＡＣ変換部、６…交流電動機、１１…制御装置、１２…制御部、２１…低速回転領域制御部、２２…中速回転領域制御部、２３…高速回転領域制御部、２４…選択部、３１ａ，３１ｂ…バッテリ故障検出部、３２…ユニットＢＵｂ故障時制御部、３３…ユニットＢＵｂ故障時制御部、３４…正常時制御部

Claims

直流電源を使用して交流電動機を駆動する負荷駆動装置であって、
前記直流電源の正極側及び負極側にそれぞれ正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路を介して接続された正極ライン及び負極ラインと、
前記正極ライン及び前記負極ライン間に直列に接続した少なくとも２つのスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣ変換部と、
前記正極側ライン及び前記負極側ライン間に前記ＤＣ−ＤＣ変換部と並列に接続された平滑用コンデンサを有する平滑回路と、
該平滑回路の直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するＤＣ−ＡＣ変換部とを備え、
前記ＤＣ−ＤＣ変換部は、前記直流電源の中間電位と前記スイッチング素子間の接続点とを中間電位ラインで接続し、該中間電位ラインと前記正極側ライン及び負極側ラインとの一方にリアクトルを介挿した構成を有する
ことを特徴とする負荷駆動装置。
前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路の一方を常時オフ状態とし他方を常時オン状態に制御して、直流電源の１／２電圧を前記平滑回路に供給する低電力供給部を形成することを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路の双方を常時オン状態に制御して、直流電源の電圧を前記平滑回路に供給する中電力供給部を形成することを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路の一方を常時オフ状態とし、他方を常時オン状態に制御し、且つ前記ＤＣ−ＤＣ変換部のスイッチング素子をオンオフ制御して、前記リアクトルで昇圧した電圧を前記平滑回路に供給する大電力供給部を形成することを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
前記正極側スイッチ回路をオン状態に制御し、前記負極側スイッチ回路をオフ状態に制御する第１の制御態様と、前記正極側スイッチ回路をオフ状態に制御し、前記負極側スイッチ回路をオン状態に制御する第２の制御態様とを時間系列で交互に繰り返すようにしたことを特徴とする請求項２又は４に記載の負荷駆動装置。
前記直流電源の中間電位を挟む一方の電源ユニットが異常となった場合に、前記正極側スイッチ回路及び負極側スイッチ回路のうち異常となった電源ユニットに接続されたスイッチ回路を常時オフ状態に制御し、正常な電源ユニットに接続されたスイッチ回路を常時オン状態に制御するとともに、前記ＤＣ−ＤＣ変換部の正常な電源ユニットに前記スイッチ回路を介して接続されたスイッチング素子をオンオフ制御して、前記平滑回路に直流電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
請求項１乃至６に記載の負荷駆動装置のうちの何れか１つを車両の駆動輪を駆動する電動機駆動装置として備えた電気自動車。