JP2011172461A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ等の誘導性負荷へ交流電力を供給できるとともに、負荷の電気耐圧を小さくすることが可能であり、電気ノイズが小さい直流電源としても機能できる小型軽量シンプルな電源装置の提供を目的とする。
【解決手段】インバータ回路と、インバータ回路へ接続される誘導性負荷と、インバータ回路に交流電力を前記誘導性負荷へ出力させる制御回路とを備え、制御回路は、開閉器により誘導性負荷と直列に第２の負荷を接続し、インバータ回路から誘導性負荷を介して第２の負荷へ直流電力を出力させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ回路に接続される誘導負荷を介してインバータ回路から直流電力を供給する電源装置に関するものである。

従来、インバータ回路からモータへ交流電力を供給するとともに、当該インバータ回路から電気ヒータへ直流電力を供給する電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図８により説明する。制御回路７９が、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を、接続線１８を介して制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調され、交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１の回転子５が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。

このインバータ回路１０からの出力を低下させ、リレー９９が閉じられる。これにより、インバータ回路１０のスイッチング素子２Ｗから、電気ヒータ１２０へ直流電力が供給される。この直流電力は、スイッチング素子２Ｗのチョッピング（スイッチング）により調節される。

特開平１０−１５７４４５号公報（第８頁、第１図）

上記の従来例においては、インバータ回路１０からの出力を低下させてリレー９９が閉じられ、電気ヒータ１２０へ直流電力が供給される。そのため、交流電流は小さい状態でリレー９９が閉じられるため、リレー９９の保護には有効である。

然しながら、インバータ回路１０から電気ヒータ１２０への瞬時出力電圧は、スイッチング素子２ＷがＯＮした時の電圧即ちバッテリー１の電圧になる。スイッチング素子２ＷがＯＦＦした時は０Ｖとなる。このチョッピング（スイッチング）によるパルス電圧が電気ヒータ１２０に印加される。そのため、電気ヒータ１２０、リレー９９には、バッテリー１の電圧以上の電気耐圧が必要となる。これにより、電気ヒータ１２０、リレー９９が大型化、複雑化することになる。バッテリー１の電圧を低電圧に変換するダウンコンバータをバッテリー１とインバータ回路１０との間に配置することが考えられるが、ダウンコンバータのコイル、スイッチング素子、ダイオードなどの部品点数が増加し、大型化、複雑化することになる。

また、電気ヒータ１２０は抵抗器であるため、電気ヒータ１２０、リレー９９、配線などには、上記パルス電圧に同期した矩形パルス電流が流れることになる。矩形パルス電流には高調波成分が含まれている。これにより、大きな電気ノイズが発生するため、その対策としてのシールド、フィルタなどにより、電気ヒータ１２０、リレー９９、配線などが大型化、複雑化することになる。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、モータ等の誘導性負荷へ交流電力を供給できるとともに、直流電源としても機能できる、負荷等に高い電気耐圧を必要とせず、大きな電気ノイズを生じない小型で軽量かつシンプルな電源装置の提供を目的とす
る。

上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路へ接続される第１の負荷である誘導性負荷と、インバータ回路を制御して交流電力を誘導性負荷へ出力させる制御回路とを備え、第２の負荷に接続した開閉器を備え、制御回路は、開閉器により誘導性負荷と直列に第２の負荷を接続し、インバータ回路から誘導性負荷を介して第２の負荷へ直流電力を出力させるものである。

これにより、ダウンコンバータを直流電源とインバータ回路との間に配置することなく、第２の負荷へ低電圧に変換した直流電力を出力させることができる。そのため、ダウンコンバータのコイル、スイッチング素子、ダイオードなどの部品点数増加、大型化、複雑化を招くことがない。また、第２の負荷、開閉器の電気耐圧を大きくする必要がなく、大型化、複雑化を防止できる。

また、第２の負荷が抵抗器である場合においても、第２の負荷、開閉器、配線などには、パルス電圧に同期した矩形パルス電流が流れることはない。即ち、大きな電気ノイズが発生することはないため、電気ノイズ対策としてのシールド、フィルタなどにより、第２の負荷、開閉器、配線などが大型化、複雑化することを防止できる。

本発明の電源装置は、モータ等の誘導性負荷へ交流電力を供給できるとともに、特段の部品追加が不要で小型軽量シンプルであり、電気耐圧の小さい負荷への電気ノイズの小さい給電が可能な直流電源としても機能できる。

本発明の実施の形態１に係る電源装置の電気回路図 本発明の実施の形態２に係る電源装置の電気回路図 本発明の実施の形態３に係る電源装置の電気回路図 本発明の実施の形態４に係る電動圧縮機の断面図 本発明の実施の形態４に係る別の電動圧縮機の断面図 本発明の実施の形態５に係るＰＴＣヒータの斜視図 本発明の実施の形態６に係るバッテリー加熱の模式図 従来の電源装置の電気回路図

第１の発明の電源装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、インバータ回路へ接続される第１の負荷である誘導性負荷と、インバータ回路を制御して交流電力を誘導性負荷へ出力させる制御回路とを備え、第２の負荷に接続した開閉器を備え、制御回路は、開閉器により誘導性負荷と直列に第２の負荷を接続し、インバータ回路から誘導性負荷を介して第２の負荷へ直流電力を出力させるものである。

これにより、ダウンコンバータを直流電源とインバータ回路との間に配置することなく、第２の負荷へ低電圧に変換した直流電力を出力させることができる。そのため、ダウンコンバータのコイル、スイッチング素子、ダイオードなどの部品点数増加、大型化、複雑化を招くことがない。また、第２の負荷、開閉器の電気耐圧を大きくする必要がなく、大型化、複雑化を防止できる。

また、第２の負荷が抵抗器である場合においても、第２の負荷、開閉器、配線などには、パルス電圧に同期した矩形パルス電流が流れることはない。即ち、大きな電気ノイズが発生することはないため、電気ノイズ対策としてのシールド、フィルタなどにより、第２の負荷、開閉器、配線などが大型化、複雑化することを防止できる。

第２の発明は、第１の発明の電源装置において、第２の負荷は、インバータ回路と誘導性負荷との間に接続されるものである。これにより、開閉器として第２の負荷両端を開閉できれば良いので、トランスファリレーは必要なく、１接点リレー、双方向サイリスタ（トライアック）などが使用可能となり、電気回路をシンプルにできる。

第３の発明は、第１の発明の電源装置において、第２の負荷は、インバータ回路と誘導性負荷との接続ラインから分岐して接続されるものである。これにより、インバータ回路と誘導性負荷との接続はそのままに、第２の負荷の電気回路を追加するのみで容易に実現できる。

第４の発明は、第１乃至第３の発明の電源装置において、開閉器は半導体とするものである。これにより、開閉器として機械接点のあるリレーを用いず、電気回路をソリッド部品のみで構成でき、振動などに対しての信頼性を強化できる。

第５の発明は、第１乃至第４の発明の電源装置において、誘導性負荷は電動圧縮機であり、第２の負荷は電気ヒータとするものである。これにより、暖房を行う場合、電動圧縮機によるヒートポンプ暖房が充分にその性能を発揮できない低温（ＣＯＰが１以下）においては、電動圧縮機のモータを停止させ、電気ヒータに通電して暖房することができる。このとき、電気ヒータへ通電するためのコンバータなどを準備する必要はない。電気耐圧の大きい電気ヒータ、電気ノイズ対策なども準備する必要がない。そのため、小型軽量化を図ることができる。

また、電動圧縮機にインバータ回路などを搭載すれば、スイッチング素子と固定子巻線が近くに配置できる。また、これらが金属ケースに納められることで、電気ノイズを更に抑制できる。

第６の発明は、第５の発明の電源装置において、電気ヒータをＰＴＣヒータとするものである。ＰＴＣヒータは構造上電気耐圧を大きくできないため、電気耐圧の小さい負荷への給電が可能な直流電源としても機能できる本電源装置は有用である。

第７の発明は、第１乃至第４の発明の電源装置において、直流電源はバッテリー、誘導性負荷はモータであり、第２の負荷は当該バッテリーを加熱する電気ヒータとするものである。これにより、低温時において、モータを使用する前にバッテリーを暖めておき、モータを使用する時にバッテリーの能力を充分に引き出すことが出来る。

第８の発明は、第１乃至第７の発明の電源装置において、車両に搭載されるものである。車両に搭載される装置には小型軽量であることが求められる。そのため、小型軽量にできる本電源装置は有用である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電源装置の電気回路図である。

まず、交流電源としての作動について説明する。制御回路７１が、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を、接続線１８を介して制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調され、交流電流が第１の負荷であるモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１の回転子５が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの上アームスイッチング素子２を２Ｕ，２Ｖ，２Ｗ、下アームスイッチング素子２を２Ｘ，２Ｙ，２Ｚとする。また、それらに対応するダイオード３を、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ、３Ｘ，３Ｙ，３Ｚとする。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの固定子巻線４を４Ｕ，４Ｖ，４Ｗとする。回転子５の位置検出方法などについては割愛する。

次に、直流電源としての作動例について以下説明する。制御回路７１は、インバータ回路１０によるバッテリー１からの直流電圧のＰＷＭ変調を停止し、モータ１１の駆動を停止する。ここで、リレー９１を作動させ、接点ｂから接点ａに接続切り替えする。また、Ｕ相の上アームスイッチング素子２Ｕ、Ｕ相の下アームスイッチング素子２ＸをＯＦＦに固定する。

制御回路７１は、インバータ回路１０のスイッチング素子２ＶをＯＮにする。これにより、バッテリー１、スイッチング素子２Ｖから、固定子巻線４Ｖ，固定子巻線４Ｗを経由して、第２の負荷としての電気ヒータ１２、平滑コンデンサ６（ダウンコンバータ機能用）へ直流電流が供給される。次に、スイッチング素子２ＶをＯＦＦにする。これにより、誘導性負荷である固定子巻線４Ｖ，固定子巻線４Ｗのインダクタンスに蓄えられたエネルギーにより、下アームダイオード３Ｙから、固定子巻線４Ｖ，固定子巻線４Ｗを経由して、第２の負荷である電気ヒータ１２、平滑コンデンサ６（ダウンコンバータ機能用）へ直流電流が供給される。このスイッチング素子２Ｖのスイッチング（ＯＮ，ＯＦＦ）が適切に繰り返されることで、インバータ回路１０（スイッチング素子２Ｖ）、固定子巻線４（固定子巻線４Ｖ，固定子巻線４Ｗ）、平滑コンデンサ６によりダウンコンバータが構成される。即ち、インバータ回路１０から誘導性負荷としてのモータ１１を介して、第２の負荷としての電気ヒータ１２へ直流電力が出力される。

これにより、ダウンコンバータをバッテリー１とインバータ回路１０との間に配置することなく、電気ヒータ１２へ低電圧に変換した直流電力を出力させることができる。そのため、ダウンコンバータのコイル、スイッチング素子、ダイオードなどの部品点数増加、大型化、複雑化を招くことがない。また、電気ヒータ１２、リレー９１の電気耐圧を高くする必要がなく、大型化、複雑化を防止できる。

また、電気ヒータ１２は抵抗器であるが、電気ヒータ１２、リレー９１、配線などには、スイッチング素子２Ｖのスイッチング（ＯＮ，ＯＦＦ）に起因するパルス電圧に同期した矩形パルス電流が流れることはない。矩形パルス電流には高調波成分が含まれているため、これによって大きな電気ノイズが発生するので、電気ノイズ対策としてのシールド、フィルタなどにより、電気ヒータ１２、リレー９１、配線などを設けることが必要となって装置が大型化・複雑化する。これに対して本実施の形態の構成では、矩形パルス電流が流れないため、ノイズ対策のために装置が大型化・複雑化することを防止できる。

尚、交流電力の負荷として、センサレスブラシレスモータを例に挙げたが、誘導性負荷であれば、ブラシモータ、誘導モータ、トランスなどにも適用できる。３相回路に限らず２相などにも適用できる。ＰＷＭ変調に限らずＰＡＭ変調でも良い。リレー９１に代わり双方向通電可能な半導体双方向サイリスタ（トライアック）でも良い。これにより、開閉器として機械接点のあるリレーを用いず、電気回路をソリッド部品のみで構成し、振動な
どに対しての信頼性を強化できる。電気回路の構成としては、電気ヒータ１２をバッテリー１のプラス側に接続し、スイッチング素子２Ｙをスイッチングしても良い。また、もうひとつの電気ヒータをＵ相に接続しても良い。スイッチング素子２Ｖのみのスイッチングを例に挙げたが、スイッチング素子２Ｖ及びスイッチング素子２Ｕの双方をスイッチングしても良い。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る電源装置の電気回路図である。図１に比較し、リレー９２が１接点となりシンプルになっている。配線も減少し小型化を図ることができる。交流電源としての作動については実施の形態１と同じであり、直流電源としての作動例について以下説明する。

制御回路７２は、インバータ回路１０によるバッテリー１からの直流電圧のＰＷＭ変調を停止し、モータ１１の駆動を停止する。ここで、リレー９２を作動させ、接点を閉から開とする。また、下アームスイッチング素子２ＺをＯＮに固定する。これにより、インバータ回路１０とモータ１１との間に、電気ヒータ１２と平滑コンデンサ６が接続される。Ｕ相の上アームスイッチング素子２Ｕ、Ｕ相の下アームスイッチング素子２ＸをＯＦＦに固定する。以下の作動は、実施の形態１と同じである。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る電源装置の電気回路図である。図１、図２に比較し、電気ヒータ１２は、インバータ回路１０とモータ１１との接続ラインから分岐して接続されている。これにより、インバータ回路１０とモータ１１との接続はそのままに、電気ヒータ１２の電気回路を追加するのみで容易に実現できる。また、リレー９１、リレー９２に代わり、開閉器としてトランジスタ９３を使用している。これにより、開閉器として機械接点のあるリレーを用いず、電気回路をソリッド部品のみで構成し、振動などに対しての信頼性を強化できる。交流電源としての作動については実施の形態１と同じであり、直流電源としての作動例について以下説明する。

制御回路７３は、インバータ回路１０によるバッテリー１からの直流電圧のＰＷＭ変調を停止し、モータ１１の駆動を停止する。ここで、トランジスタ９３を作動させ、ＯＮにする。これにより、電気ヒータ１２は、インバータ回路１０とモータ１１との接続ラインから分岐して接続される。また、Ｕ相の上アームスイッチング素子２Ｕ、Ｕ相の下アームスイッチング素子２Ｘ、Ｗ相の上アームスイッチング素子２Ｗ、Ｗ相の下アームスイッチング素子２ＺをＯＦＦに固定する。以下の作動は、実施の形態１と同じである。

（実施の形態４）
図４は、本発明の電源装置を用いて駆動する電動圧縮機２５の断面図である。図の電動圧縮機２５において、金属製筐体３２の内部には、圧縮機構部２８、モータ１１が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８がモータ１１で駆動されることにより圧縮される。この圧縮された冷媒は、金属製筐体３２の内部においてモータ１１を通過し、その際にモータ１１の冷却を行い、吐出口３４より吐出される。モータ１１の固定子巻線４は、金属製筐体３２の内部で、ターミナル３９に接続されている。ターミナル３９は、金属製筐体３２の外部で、インバータ回路１０に接続される。

暖房を行う場合、電動圧縮機２５によるヒートポンプ暖房が行われる。周囲温度が低くなると、蒸発器による吸熱が充分にできなくなる。そして、電気ヒータ１２に通電して暖房する方が効率的に良くなる（ＣＯＰが１以下）。このような状況においては、電動圧縮機２５のモータ１１を停止させ、電気ヒータ１２に通電して暖房することになる。このとき、インバータ回路１０、モータ１１の固定子巻線４などによりコンバータを構成するた
め、電気ヒータ１２へ通電するためのコンバータなどを準備する必要はない。また、電気耐圧の大きい電気ヒータ、電気ノイズ対策なども準備する必要がない。そのため、小型軽量化を図ることができる。

図５は、本発明の電源装置を用いて駆動する別の電動圧縮機の断面図である。電動圧縮機４０の右側に、インバータ回路１０及びその周辺回路（符号２０で示す）を密着させて取り付けている。金属製筐体３２の中に圧縮機構部２８、モータ１１等が設置されている。冷媒は、吸入口３３から吸入され、圧縮機構部２８（この例ではスクロール）がモータ１１で駆動されることにより、圧縮される。この圧縮された冷媒は、モータ１１を通過する際にモータ１１を冷却し、吐出口３４より吐出される。

インバータ回路１０及びその周辺回路は、電動圧縮機４０に取り付けられるように、金属製ケース３０を使用している。発熱源となるインバータ回路部１０は、低圧配管３８を介して低圧冷媒で冷却される。電動圧縮機４０の内部でモータ１１の固定子巻線４に接続されているターミナル３９は、インバータ回路部１０の出力部に接続される。保持部３５で金属製ケース３０に固定される接続線３６には、バッテリー１への電源線と回転数信号を送信するエアコンコントローラ（図示せず）との通信線及び電気ヒータ１２への直流電源供給用の接続線がある。

電動圧縮機４０にインバータ回路１０などを搭載しているので、スイッチング素子２と固定子巻線４が近くに配置できる。そのため、配線を削減でき、コンバータとしての性能も確保できる。そして、これらが金属製筐体３２、金属製ケース３０に納められることで、電気ノイズを更に抑制できる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の電源装置に用いるヒータの一例であるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ正温度特性）ヒータ４３の斜視図である。電極４４、フィン４５、ＰＴＣサーミスタ素子４６から構成される。ＰＴＣサーミスタ素子４６は薄く、電極４４が向かい合うため、ＰＴＣヒータは構造上電気耐圧を大きくできない。そのため、電気耐圧の小さい負荷への給電が可能な直流電源としても機能できる本電源装置は有用である。

（実施の形態６）
図７は、本発明の電源装置を用いたバッテリー加熱の模式図である。電気自動車を例に説明する。シーズヒータ等の電気ヒータ５１によって加熱された温水（または不凍液）をポンプ５２で送出する温水ユニット（流体加熱送出ユニット）５３を有し、温水ユニット５３と車室内熱交換器５４とを流体経路すなわち送出管５５と戻り用管５６とで環状に連結している。そして送出管５５と戻り管５６の途中を制御弁５８、５９を介してバイパス管（バイパス流路）５７で接続するとともに、バイパス管５７を電気自動車の走行用バッテリー１の近傍に沿わす構成にしている。

上記構成により、電気ヒータ５１で加熱された温水はホンプ５２で送出されて送出管５５を通り、制御弁５８によって流れの方向が、車室内熱交換器５４側かバイパス管５７側または車室内熱交換器５４側とバイパス管５７側の両側等に切換え制御される。このとき制御弁５９は制御弁５８に連動して動作するようにしている。したがつて、制御弁５８、５９によつて温水がバイパス管５７側に送られた場合は、温水は電気自動車の走行用バッテリー１の近傍に沿って流れるので、走行用バッテリー１を暖めることができる。また制御弁５８、５９の切換え制御により、車室内の暖房、バッテリーの暖房、または車室内とバッテリー１の両方の暖房等が切換え可能になる。

これにより、低温時において、モータ１１を使用する前に、インバータ回路１０、モータ１１の固定子巻線４などによりコンバータを構成して、電気ヒータ５１に通電しバッテリー１を暖めておくことができる。そのため、モータ１１を使用する時には、バッテリー１の能力を充分に引き出すことが出来る。尚、モータは走行用、電動圧縮機用などいずれでも良い。電気自動車で説明したが、エンジン駆動と電気駆動を併用したハイブリット車等でも同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる電源装置は、モータ等の誘導性負荷へ交流電力を供給できるとともに、特段の部品追加が不要で小型軽量シンプルであり、電気耐圧の小さい負荷への電気ノイズの小さい給電が可能な直流電源としても機能できるため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。

１ バッテリー
２ スイッチング素子
３ ダイオード
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
６ 平滑コンデンサ（ダウンコンバータ機能用）
８ 平滑コンデンサ（インバータ機能用）
１０ インバータ回路
１１ モータ
１２ 電気ヒータ
１８ 接続線
２５ 電動圧縮機
４０ 電動圧縮機（インバータ回路搭載用）
４３ ＰＴＣヒータ
５１ 電気ヒータ（バッテリー加熱用）
７１ 制御回路（トランスファリレー回路用）
７２ 制御回路（１接点リレー回路用）
７３ 制御回路（トランジスタ回路用）
９１ トランスファリレー（開閉器）
９２ １接点リレー（開閉器）
９３ トランジスタ（開閉器）

Claims (8)

1. 直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、前記インバータ回路へ接続される第１の負荷である誘導性負荷と、前記インバータ回路を制御して交流電力を前記誘導性負荷へ出力させる制御回路とを備えた電源装置において、第２の負荷に接続した開閉器を備え、前記制御回路は、前記開閉器により前記誘導性負荷と直列に第２の負荷を接続し、前記インバータ回路から前記誘導性負荷を介して前記第２の負荷へ直流電力を出力させる電源装置。
2. 前記第２の負荷は、前記インバータ回路と前記誘導性負荷との間に接続される請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第２の負荷は、前記インバータ回路と前記誘導性負荷との接続ラインから分岐して接続される請求項１に記載の電源装置。
4. 前記開閉器は、半導体である請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の電源装置。
5. 前記誘導性負荷は電動圧縮機であり、前記第２の負荷は電気ヒータである請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記電気ヒータはＰＴＣヒータである請求項５に記載の電源装置。
7. 前記直流電源はバッテリー、前記誘導性負荷はモータであり、前記第２の負荷は当該バッテリーを加熱する電気ヒータである請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の電源装置。
8. 車両に搭載される請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の電源装置。