JP2012200139A - インバータ−充電器統合型装置及びその制御方法 - Google Patents

インバータ−充電器統合型装置及びその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】インバータ、高圧充電器及び低圧充電器それぞれが電気自動車に装着されるように設計するには、多くの時間と労力が必要とされるという問題があった。
【解決手段】本発明のインバータ−充電器統合装置は、三相電動機と、バッテリの充電のための交流電力を整流して三相電動機に出力する整流部と、整流部と連結され、バッテリを充電する整流器−インバータ統合部と、バッテリの充電及び三相電動機の駆動を制御する制御部と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車に具備された電動機で駆動電力を供給するバッテリを充電し、三相電動機の駆動のためのインバータを含むインバータ−充電器統合型装置及びその制御方法に関する。
一般的に、電気自動車は、高圧バッテリと、三相電送機と、インバータと、を含む。高圧バッテリには、約７２０Ｖの高圧が充電される場合がある。三相電送機は、高圧バッテリに充電されている電力で電気自動車を走行させることができる。インバータは、三相電動機を駆動させることができる。ここで、高圧バッテリに充電された電力で三相電送機を駆動させることが、高圧バッテリの容量によって制限される場合がある。
電気自動車の高圧バッテリに残っている電力が所定の量以下となった場合、それ以上三相電動機を駆動することができなくなる。従って、電気自動車は高圧充電器を具備し、高圧バッテリを充電している。このような高圧充電器は、大別すると、家庭用単相交流電源を利用した緩速充電器と、送電用及び配電用三相交流電源を利用した急速充電器と、に分類することができる。
また、電気自動車は三相電動機以外に電子装置及び灯火装置などをはじめ、１２Ｖの低圧電力を使用する各種の負荷を具備している。上記低圧電力を使用する負荷を動作させるために低圧バッテリを装着してもよく、低圧バッテリに低圧を充電させるための低圧充電器を具備していてもよい。
従来の電気自動車には、上記インバータ、高圧充電器及び低圧充電器がそれぞれ互いに分離した状態で具備されている。従って、インバータ、高圧充電器及び低圧充電器それぞれが電気自動車に装着されるように設計するには、多くの時間と労力が必要とされるという問題があった。
本発明は、降圧型（バック（ｂｕｃｋ）タイプ）の三相整流器、三相電動機及びインバータを利用してバック−ブースト（ｂｕｃｋ−ｂｏｏｓｔ）動作によって入力される三相交流電力の力率を１近くに制御するためのインバータ−充電器統合装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、高圧バッテリに電力を急速に充電し、高圧バッテリに充電された電力を利用して低圧バッテリを充電させ、三相電動機を駆動するためのインバータ−充電器統合装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
本発明の実施例によるインバータ−充電器統合装置は、三相電動機と、バッテリの充電のための交流電力を整流して三相電動機に出力する整流部と、整流部と連結され、バッテリを充電する整流器−インバータ統合部と、バッテリの充電及び三相電動機の駆動を制御する制御部と、を含む。
また、整流部は、バッテリの充電速度に応じた、急速充電のための三相交流電力の整流のための第１整流部と、緩速充電のための単相交流電力を整流する第２整流部と、を含んでもよい。
また、第１整流部及び第２整流部は、充電モードに応じて、三相電動機をスイッチングするための少なくとも一つのスイッチを含むスイッチ部を更に含んでもよい。
また、スイッチ部は、三相電動機が既に充電された電力によって動作する運転モードにおいて、整流部とスイッチングされた三相電動機との連結状態を解除してもよい。
また、整流器−インバータ統合部は、整流部によって整流された交流電力に変換してバッテリを充電してもよい。
また、整流器−インバータ統合部は、充電が完了すると充電された電力で三相電動機を駆動する運転モードでの動作を行ってもよい。
本発明によるインバータ−充電器統合型装置の制御方法は、バッテリ充電モードでの動作の実行の際に交流電力を整流する段階と、整流された交流電力を直流電力に変換する段階と、直流電力でバッテリを充電する段階と、充電されたバッテリの電力で三相電動機を駆動して運転モードでの動作を行う段階と、を含む。
また、バッテリ充電モードでの動作は、バッテリ充電速度に応じて、急速充電モード又は緩速充電モードのうちいずれか一つの充電モードで行われてもよい。
また、バッテリ充電モードが急速充電モードである場合は、三相交流電力を整流してバッテリを充電してもよい。
また、充電モードのうち急速充電モードは、三相交流電力を整流してバッテリを充電してもよい。
また、充電モードが緩速充電モードである場合は、単相交流電力を整流してバッテリを充電してもよい。
本発明によれば、バッテリの充電のための三相整流器及び単相整流器をインバータと共に単一装置として製造することにより、配線、容積、重さ、費用上の利点を得ることができる。
また、急速充電機能を具備することで、インバータ−充電器統合型装置を介してバッテリの電力が不足する緊急状況の際、バッテリを迅速に充電することができるという効果が得られる。
本発明の第１実施例によるインバータ−充電器統合型装置のブロック構成図である。 本発明の第２実施例によるインバータ−充電器統合型装置のブロック構成図である。 本発明の第３実施例によるインバータ−充電器統合型装置のブロック構成図である。 本発明の実施例によるインバータ−充電器統合型装置の制御動作を示すフローチャートである。
本明細書及び特許請求の範囲で使用された用語や単語は、通常使用される意味または辞書に記載された意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜に定義することができるという原則に基づいて、本発明の技術的思想に符合する意味及び概念で解釈されなければならない。
従って、本明細書に記載された実施例と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施例に過ぎないものであって、本実施例の技術的思想の全てを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらを代替できる多様な均等物及び変形例が存在し得るということを理解しなければならない。
図１は、本発明の第１実施例によるインバータ−充電器統合型装置のブロック構成図である。図１を参照すると、第１実施例によるインバータ−充電器統合型装置１００は、単相整流部１１０、低圧整流部１２０、三相電動機（モータ）１３０、インバータ１４０及び制御部１５０を含む。
単相整流部１１０は、単相入力を整流する。単相整流部１１０は、単相交流電力を整流してバッテリを充電するための電力を提供する。単相整流部１１０には、一般的に家庭用２２０Ｖ単相交流電力が入力される。
低圧整流部１２０は、制御部１５０を含む負荷に低圧直流電力を供給する。低圧整流部１２０は、インバータ１４０によって整流された直流電力が入力されて電圧降下し、装置１００内の低電圧（例えば、１２Ｖ）直流電力が要求されるデバイスに提供する。
三相電動機１３０は、電気自動車を駆動する。充電モードでは、単相整流器によって整流された交流電力をインバータ１４０に出力する。また、三相電動機１３０には、運転モードでバッテリに充電された電力からインバータ１４０によって生成された交流電力が供給されて駆動される。
インバータ１４０は三相電動機１３０を駆動し、バッテリに充電電力を供給する。インバータ１４０は、充電モードで単相整流部１１０によって整流された交流電力が三相電動機１３０から入力され、直流電力に整流する。インバータ１４０は、運転モードでバッテリに充電された直流電力を三相交流電力に変換し、三相電動機１３０を駆動する。
制御機１５０は、単相整流部１１０、低圧整流部１２０及びインバータ１４０を制御する。制御機１５０は、運転モードで単相整流部１１０と三相電動機１３０との間の連結を解除するスイッチを制御する。
図２は、本発明の第２実施例によるインバータ−充電器統合型装置２００を示すブロック構成図である。図２を参照すると、本発明の第２実施例によるインバータ−充電器統合型装置２００は、整流部２１０、低圧整流部２２０、三相電動機（モータ）２３０、インバータ２５０及び制御部２６０を含む。
整流部２１０は、単相整流部２１１及び三相整流部２１２を含む。
単相整流部２１１は、単相交流電力を整流してバッテリを充電するための電力を提供する。単相整流部２１１は、一般的に家庭用２２０Ｖ単相交流電力が入力される。また、単相整流部２１１は、充電モードで緩速充電器であってもよい。一般家庭用単相交流電力を用いて電気自動車のバッテリを充電するための所要時間は、本出願時点では約６時間である。
三相整流部２１２は、三相交流電力を整流してバッテリを充電するための電力を提供する。三相整流部２１２には、三相交流電力が入力される。また、三相整流部２１２は、充電モードで急速充電器であってもよい。三相整流部２１２は、一般的に３８０Ｖの三相交流電力が供給される。電気自動車の急速充電のためには急速充電器が要求され、電気自動車の急速充電のための時間は本出願時点では約１時間である。
低圧整流部２２０は、低圧直流電力を出力する。インバータ２５０によって整流された直流電力が入力されて電圧降下し、装置２００内の低電圧（例えば、１２Ｖ）直流電力が要求されるデバイスに提供される。
三相電動機２３０は、電気自動車を駆動する。三相電動機２３０は、充電モードで単相整流部２１１によって整流された交流電力をインバータ２５０に出力する。また、三相電動機２３０は、運転モードでバッテリに充電された電力をインバータ２５０によってスイッチングして生成された交流電力が供給されて駆動される。
単相整流部２１１、三相整流部２１２及び三相電動機２３０の間にはスイッチ部２４０が具備される。スイッチ部２４０は、急速充電又は緩速充電によって単相整流部２１１及び三相整流部２１２の間をスイッチングする。スイッチ部２４０は、充電モードである場合、単相整流部２１１及び三相整流部２１２の間でスイッチングする。また、運転モードである場合、三相電動機と上記整流部２１０との間の連結を解除する。スイッチ部２４０は、複数のスイッチを含んでもよい。
インバータ２５０は、充電モードで単相整流部２１１又は三相整流部２１２によって整流された交流電力が三相電動機２３０から入力され、直流電力に整流する。インバータ２５０は、運転モードでバッテリに充電された直流電力を三相交流電力に変換し、三相電動機２３０を駆動する。
制御部２６０は、装置２００に含まれる構成を制御する。制御部２６０は、運転モードである場合、スイッチによって単相整流部２１１又は三相整流部２１２と三相電動機２３０との間に連結された状態を解除するよう、スイッチ部２４０を制御する。制御部２６０は、整流部２１０、低圧整流部２２０、三相電動機２３０、スイッチ部２４０及びインバータ２５０の動作を制御する。
図３は、本発明の第３実施例によるインバータ−充電器統合型装置３００を示すブロック構成図である。図３を参照すると、本発明の第３実施例によるインバータ−充電器統合型装置３００は、第１整流部３１０、第２整流部３２０、スイッチ部３３０、三相電動機３４０、整流器−インバータ統合部３５０、制御部３６０を含む。
第１整流部３１０は急速充電のために三相交流電力を整流し、整流された交流電力を三相電動機３４０の中性点に出力する。第２整流部３２０は緩速充電のために単相交流電力を整流し、整流された交流電力を三相電動機３４０の中性点に出力する。上記第１整流部３１０は急速充電器であってもよく、第２整流部３２０は緩速充電器であってもよい。
スイッチ部３３０は、充電モードの際、急速充電又は緩速充電によって第１整流部３１０と第２整流部３２０との間でスイッチングする。上記スイッチ部３３０は、複数個のスイッチで構成されてもよい。
整流器−インバータ統合部３５０は、充電モードの場合、三相電動機３４０を介して出力された交流電力信号をスイッチングしてバッテリ３７０を充電する。また、整流器−インバータ統合部３５０は、運転モードの場合、バッテリ３７０に充電された直流電力を三相電動機３４０に供給して三相電動機３４０を駆動する。
制御部３６０は、第１整流部３１０、第２整流部３２０、スイッチ部３３０、三相電動機３４０、整流器−インバータ統合部３５０の動作を制御する。
図４は、本発明の実施例による整流器−インバータ−充電器統合型装置の制御動作を示すフローチャートである。図４を参照すると、装置は充電モード又は運転モードのうちいずれか一つのモードを選択することができる。装置は運転モードを選択した場合、バッテリの状態を確認することができる。装置は、バッテリの状態によって運転モードから充電モードに転換することができる。
装置は、充電モードでの動作を行うように選択された場合、急速充電又は緩速充電のうちいずれか一つの充電モードが選択される。装置は、急速充電モードでバッテリを充電するように選択された場合、三相交流電力が供給されて上記三相交流電力を整流する（ステップ４０４ａ）。
一方、装置は緩速充電モードが選択された場合、単相交流電力が供給されて上記単相交流電力を整流する（ステップ４０４ｂ）。
装置は、充電モードによって整流された三相交流電力又は単相交流電力を直流電力に変換する（ステップ４０６）。
装置は、上記直流電力でバッテリを充電する（ステップ４０８）。
装置は、充電が終了したか否かを判断し（ステップ４１０）、充電が終了したら、整流部はインバータ又は整流器−インバータ統合部との連結を解除する（ステップ４１２）。上記連結解除はスイッチ部のスイッチング動作によって行われてもよく、上記スイッチ部に含まれるスイッチの個数は制限されない。
装置は、バッテリの充電が完了すると、上記充電された電力で三相電動機を駆動する運転モードでの動作を行うことができる。（ステップ４１４）
以上、本発明についてその好ましい実施例を中心に説明したが、これは単なる例示に過ぎないものであって本発明を限定するものではなく、本発明の属する技術分野の通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で上記に例示されていない様々な変形及び応用が可能であるということが分かるはずである。例えば、本発明の実施例に具体的に示した各構成要素は変形して実施してもよいものである。そして、このような変形及び応用に関する差は、添付した特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものとして解釈されるべきである。
１００ インバータ−充電器統合型装置
１１０ 単相整流部
１２０ 低圧整流部
１３０ 三相電動機
１４０ インバータ
１５０ 制御部
２００ インバータ−充電器統合型装置
２１０ 整流部
２１１ 単相整流部
２１２ 三相整流部
２２０ 低圧整流部
２３０ 三相電動機
２４０ スイッチ部
２５０ インバータ
２６０ 制御部
３００ インバータ−充電器統合型装置
３１０ 第１整流部
３２０ 第２整流部
３３０ スイッチ部
３４０ 三相電動機
３５０ 整流器−インバータ統合部
３６０ 制御部
３７０ バッテリ

Claims (11)

  1. インバータ−充電器統合型装置において、
    三相電動機と、
    バッテリの充電のための交流電力を整流して前記三相電動機に出力する整流部と、
    前記整流部と連結され、前記バッテリを充電する整流器−インバータ統合部と、
    前記バッテリの充電及び前記三相電動機の駆動を制御する制御部と、
    を含むことを特徴とするインバータ−充電器統合型装置。
  2. 前記整流部は、前記バッテリの充電速度に応じた、急速充電のための三相交流電力を整流するための第１整流部と、緩速充電のための単相交流電力を整流する第２整流部と、を含む、請求項１に記載のインバータ−充電器統合型装置。
  3. 前記第１整流部及び前記第２整流部は、充電モードに応じて、三相電動機をスイッチングするための少なくとも一つのスイッチを含むスイッチ部を更に含む、請求項２に記載のインバータ−充電器統合型装置。
  4. 前記スイッチ部は、前記充電モードでの動作が完了すると、前記整流部と前記のスイッチングされた三相電動機の連結状態を解除する、請求項３に記載のインバータ−充電器統合型装置。
  5. 前記スイッチ部は、前記三相電動機が既に充電された電力によって動作する運転モードにおいて、前記整流部と前記のスイッチングされた三相電動機との連結状態を解除する、請求項３に記載のインバータ−充電器統合型装置。
  6. 前記整流器−インバータ統合部は、前記整流部によって整流された交流電力を直流電力に変換して前記バッテリを充電する、請求項１に記載のインバータ−充電器統合型装置。
  7. 前記整流器−インバータ統合部は、充電が完了すると、前記充電された電力で前記三相電動機を駆動する運転モードでの動作を行う、請求項１に記載のインバータ−充電器統合型装置。
  8. インバータ−充電器統合型装置の制御方法において、
    バッテリ充電モードでの動作を行う際、交流電力を整流する段階と、
    前記の整流された交流電力を直流電力に変換する段階と、
    前記直流電力でバッテリを充電する段階と、
    前記の充電されたバッテリの電力で三相電動機を駆動して運転モードでの動作を行う段階と、
    を含むことを特徴とするインバータ−充電器統合型装置の制御方法。
  9. 前記バッテリ充電モードでの動作は、バッテリ充電速度に応じて、急速充電モード又は緩速充電モードのうちいずれか一つの充電モードで行われる、請求項８に記載のインバータ−充電器統合型装置の制御方法。
  10. 前記バッテリ充電モードが急速充電モードである場合は、三相交流電力を整流して前記バッテリを充電する、請求項８に記載のインバータ−充電器統合型装置の制御方法。
  11. 前記バッテリ充電モードが緩速充電モードである場合は、単相交流電力を整流して前記バッテリを充電する、請求項８に記載のインバータ−充電器統合型装置の制御方法。
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