JP2012210085A - 電源制御装置およびそれを備えたモータ駆動システムならびに電動制御装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な回路構成によって、電源投入時の突入電流を抑制可能な電源制御装置およびそれを備えたモータ駆動システムならびに電源制御装置の制御方法を提供する。
【解決手段】電源制御装置は、直流電源Ｂと、直流電源Ｂの正極と電力線６との間に接続されるリレーＳＭＲ１と、直流電源Ｂの負極と接地線５との間に接続されるリレーＳＭＲ２と、電力線６および接地線５の間に直列接続されるリレーＳＭＲＣおよび平滑コンデンサＣ１と、電力線６と電力線７とをリアクトルＬ１を介して電気的に接続することにより、電力線６および接地線５と電力線７および接地線５の間で電圧変換を行なうコンバータ１２と、電力線７および接地線５の間に接続される平滑コンデンサＣ２とを備える。制御装置３０は、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲＣのオンオフおよびコンバータ１２の動作を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電源制御装置およびそれを備えたモータ駆動システムに関し、より特定的には、電源投入時の突入電流を抑制するための構成に関する。

この種の電源制御装置として、たとえば特開２００９−４４９１４号公報（特許文献１）には、電源の正極と正母線との間に接続された第１のリレーと、電源の負極と負母線との間に接続された第２のリレーと、第１のリレーに並列に接続された半導体スイッチング素子とを含んだ構成が開示される。この特許文献１に記載の電源制御装置においては、電源から負荷への電力供給開始後の所定期間において、半導体スイッチング素子をオンさせる一方で、第１のリレーをオフすることにより、電源起動時における負荷への突入電流（代表的には、コンデンサのプリチャージ電流）を、半導体スイッチング素子のオン時の電気抵抗によって制限する。

特開２００９−４４９１４号公報 特開２００７−２９５６９９号公報 特開２０００−２５３５７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電源制御装置では、ターンオンされた半導体スイッチング素子のオン抵抗によって突入電流を制限することによって、電流制限抵抗の配置を省略できるものの、コンデンサのプリチャージ完了後は、正母線上に介挿接続された半導体スイッチング素子が電力損失を生じさせるために、半導体スイッチング素子をオフするとともに、第１のリレーをオンする必要がある。そのため、電流制限抵抗に代えて半導体スイッチング素子を配置したことにより、半導体スイッチング素子を制御するための構成が必要となり、回路構成が複雑化することとなる。

それゆえ、この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な回路構成によって、電源投入時の突入電流を抑制可能な電源制御装置およびそれを備えたモータ駆動システムならびに電源制御装置の制御方法を提供することである。

この発明のある局面では、電源制御装置は、直流電源と、直流電源の正極と第１の電力線との間に接続される第１のリレーと、直流電源の負極と接地線との間に接続される第２のリレーと、第１の電力線および接地線の間に直列接続される第３のリレーおよび第１のコンデンサと、第１の電力線と第２の電力線とをリアクトルを介して電気的に接続することにより、第１の電力線および接地線と第２の電力線および接地線の間で電圧変換を行なうコンバータと、第２の電力線および接地線の間に接続される第２のコンデンサと、第１から第３のリレーのオンオフおよびコンバータの電圧変換を制御するための制御装置とを備える。

好ましくは、制御装置は、第１および第２のリレーをオンし、第３のリレーをオフしたときには、直流電源から出力された直流電圧をリアクトルを経由して第２のコンデンサへ供給するように、コンバータを制御するための第１の制御手段と、第１の制御手段の実行後であって、第１および第２のリレーをオフし、第３のリレーをオンしたときには、第２のコンデンサから返還される直流電圧をリアクトルを経由して第１のコンデンサへ供給するように、コンバータを制御するための第２の制御手段とを含む。

好ましくは、コンバータは、リアクトルとの接続点を介して第２の電力線および接地線の間に直列接続される第１および第２のスイッチング素子を含む。第１の制御手段は、直流電源から出力された直流電圧を昇圧して第２のコンデンサへ供給するように、第２のスイッチング素子のオンオフを制御する。第２の制御手段は、第１のスイッチング素子をオンするとともに、第２のスイッチング素子をオフすることにより、第１の電力線および第２の電力線を電気的に接続する。

好ましくは、第１の制御手段は、第２の制御手段の実行後に、第１の電力線および接地線間の直流電圧並びに第２の電力線および接地線間の直流電圧が、直流電源の直流電圧に等しくなるように、第２の電力線および接地線間の直流電圧の電圧目標値を設定する。

好ましくは、制御装置は、第２の制御手段の実行時に、第１の電力線および接地線間の直流電圧が直流電源の直流電圧に到達したときには、第１および第２のリレーをオンするための第３の制御手段をさらに含む。

この発明の別の局面では、モータ駆動システムは、直流電源と、直流電源の正極と第１の電力線との間に接続される第１のリレーと、直流電源の負極と接地線との間に接続される第２のリレーと、第１の電力線および接地線の間に直列接続される第３のリレーおよび第１のコンデンサと、第１の電力線と第２の電力線とをリアクトルを介して電気的に接続することにより、第１の電力線および接地線と第２の電力線および接地線の間で電圧変換を行なうコンバータと、第２の電力線および接地線の間に接続される第２のコンデンサと、第２のコンデンサから供給された直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、第１から第３のリレーのオンオフおよびコンバータの電圧変換を制御するための制御装置とを備える。

この発明の別の局面では、電源制御装置の制御方法であって、電源制御装置は、直流電源と、直流電源の正極と第１の電力線との間に接続される第１のリレーと、直流電源の負極と接地線との間に接続される第２のリレーと、第１の電力線および接地線の間に直列接続される第３のリレーおよび第１のコンデンサと、第１の電力線と第２の電力線とをリアクトルを介して電気的に接続することにより、第１の電力線および接地線と第２の電力線および接地線の間で電圧変換を行なうコンバータと、第２の電力線および接地線の間に接続される第２のコンデンサとを含む。制御方法は、第１および第２のリレーをオンし、第３のリレーをオフしたときには、直流電源から出力された直流電圧をリアクトルを経由して第２のコンデンサへ供給するように、コンバータを制御するためのステップと、第１および第２のリレーをオフし、第３のリレーをオンしたときには、第２のコンデンサから返還される直流電圧をリアクトルを経由して第１のコンデンサへ供給するように、コンバータを制御するためのステップとを備える。

この発明によれば、直流電源からの電力供給開始時における突入電流（代表的には、コンデンサのプリチャージ電流）を、電流経路上に配されたコンバータのリアクトルによって制限することができる。その結果、電流制限用の抵抗を配置することなく、簡易な構成によって電源投入時の突入電流を抑制することができる。

本発明の実施の形態による電源制御装置が適用されるモータ駆動システムの構成を示す回路図である。 図１における直流電圧発生部の動作を説明するための図である。 制御装置で実行される平滑コンデンサのプリチャージに関する処理を説明するためのフローチャートである。 システム起動時におけるＳＭＲおよびコンバータの動作を説明するためのタイミングチャートである。 従来の電源制御装置の構成を説明するための図である。 従来の電源制御装置における一般的なリレーのオンオフ制御を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明が繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態による電源制御装置が適用されるモータ駆動システムの構成を示す回路図である。

図１を参照して、モータ駆動システム１００は、直流電圧発生部１０♯と、平滑コンデンサＣ２と、インバータ１４と、交流電動機Ｍ１と、制御装置３０とを備える。

交流電動機Ｍ１は、たとえば、電動車両（ハイブリッド自動車、電気自動車や燃料電池車両等の電気エネルギによって車両駆動力を発生する自動車をいうものとする）の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための走行用電動機である。あるいは、この交流電動機Ｍ１は、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよく、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。さらに、交流電動機Ｍ１は、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。すなわち、本実施の形態において、「交流電動機」は、交流駆動の電動機、発電機および電動発電機（モータジェネレータ）を含むものである。

直流電圧発生部１０♯は、直流電源Ｂと、システムメインリレー（System Main Relay：ＳＭＲ）１０と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１２とを含む。

直流電源Ｂは、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の再充電可能な蓄電装置により構成される。直流電源Ｂが出力する直流電圧（バッテリ電圧）Ｖｂおよび直流電源Ｂに入出力される直流電流（充放電電流）Ｉｂは、電圧センサ８および電流センサ９によってそれぞれ検出される。

ＳＭＲ１０は、複数のリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲＣを含む。リレーＳＭＲ１は、直流電源Ｂの正極端子および電力線６の間に接続される。リレーＳＭＲ２は、直流電源Ｂの負極端子および接地線５の間に接続される。リレーＳＭＲＣおよび平滑コンデンサＣ１は、電力線６および接地線５の間に直列接続される。ＳＭＲ１０に含まれるリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲＣは、制御装置３０からの制御信号ＳＥ１，ＳＥ２，ＳＥＣによりオンオフされる。

平滑コンデンサＣ１は、リレーＳＭＲＣがオンされたときに、電力線６および接地線５の間に接続され、電力線６および接地線５間の電圧変動を減少させる。電圧センサ１１は、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわち直流電圧ＶＬを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。

コンバータ１２は、制御装置３０からのスイッチング制御信号ＳＧ１およびＳＧ２に基づいて、電力線６および接地線５と電力線７および接地線５との間で電圧変換を行なう。

具体的には、コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、電力線７および接地線５の間に直列に接続される。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオンオフは、スイッチング制御信号ＳＧ１およびＳＧ２によって制御される。

この発明の実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する）としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置されている。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードと電力線６との間に接続される。

コンバータ１２は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１およびＱ２を相補的かつ交互にオンオフするように制御される。コンバータ１２は、昇圧動作時には、直流電源Ｂから平滑コンデンサＣ１を介して供給された直流電圧ＶＬを直流電圧ＶＨへ昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１および逆並列ダイオードＤ１を介して、電力線７へ供給することにより行なわれる。

また、コンバータ１２は、降圧動作時には、直流電圧ＶＨを直流電圧ＶＬに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２および逆並列ダイオードＤ２を介して、電力線６へ供給することにより行なわれる。これらの昇圧動作および降圧動作における電圧変換比（ＶＨおよびＶＬの比）は、上記スイッチング周期に対するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間比（デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２をオンおよびオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝ＶＬ(電圧変換比＝１．０）とすることもできる。

平滑コンデンサＣ２は、コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４へ供給する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、直流電圧ＶＨを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。

インバータ１４は、電力線７および接地線５の間に並列に設けられる、Ｕ相上下アーム１５と、Ｖ相上下アーム１６と、Ｗ相上下アーム１７とから成る。各相上下アームは、電力線７および接地線５の間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、Ｕ相上下アーム１５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成り、Ｖ相上下アーム１６は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成り、Ｗ相上下アーム１７は、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８から成る。また、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８に対して、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のオンオフ制御は、制御装置３０からのスイッチング制御信号ＳＧ３〜ＳＧ８によって制御される。

代表的には、交流電動機Ｍ１は、３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続されて構成される。さらに、各相コイルの他端は、各相上下アーム１５〜１７のスイッチング素子の中間点と接続されている。

インバータ１４は、交流電動機Ｍ１のトルク指令値が正（Ｔｒｑｃｏｍ＞０）の場合には、平滑コンデンサＣ２から直流電圧が供給されると、制御装置３０からのスイッチング制御信号ＳＧ３〜ＳＧ８に応答したスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流電動機Ｍ１を駆動する。また、インバータ１４は、交流電動機Ｍ１のトルク指令値が零の場合（Ｔｒｑｃｏｍ＝０）には、スイッチング制御信号ＳＧ３〜ＳＧ８に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流電動機Ｍ１を駆動する。これにより、交流電動機Ｍ１は、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。

さらに、モータ駆動システム１００が搭載された電動車両の回生制動時には、交流電動機Ｍ１のトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍは負に設定される（Ｔｒｑｃｏｍ＜０）。この場合には、インバータ１４は、スイッチング制御信号ＳＧ３〜ＳＧ８に応答したスイッチング動作により、交流電動機Ｍ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧ＶＨを平滑コンデンサＣ２を介してコンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、電動車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電させながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

電流センサ２４は、交流電動機Ｍ１に流れる相電流を検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。なお、三相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの瞬時値の和は零であるので、図１に示すように２相分の電流（たとえば、Ｕ相電流ＩｕおよびＷ相電流Ｉｗ）を検出するように配置してもよい。すなわち、残りの１相の電流については演算（たとえば、Ｖ相電流Ｉｖ＝−（Ｉｕ＋Ｉｗ）によって求めてもよい。

回転角センサ（レゾルバ）２５は、交流電動機Ｍ１のロータ回転角θを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。制御装置３０では、回転角θに基づき交流電動機Ｍ１の回転速度および回転加速度を算出できる。

制御装置３０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）で実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、モータ駆動システム１００の動作を制御する。

代表的な機能として、制御装置３０は、イグニッションキー（図示せず）から信号ＩＧを受ける。信号ＩＧは、イグニッションキーのオン期間にはＨ（論理ハイ）レベルに設定され、イグニッションキーのオフ期間にはＬ（論理ロー）レベルに設定される。制御装置３０は、イグニッションキーがオフからオンへ操作されることにより信号ＩＧがＨレベルに立ち上がると、ＳＭＲ１０に含まれるリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲＣのオンオフを制御する。

制御装置３０は、信号ＩＧのＨレベル期間において、トルク指令値Ｔｒｑｃｏｍ、電圧センサ１１によって検出された直流電圧ＶＬ、電流センサ９によって検出された直流電流Ｉｂ、電圧センサ１３によって検出された直流電圧ＶＨおよび電流センサ２４によって検出されるモータ電流（相電流Ｉｕ，Ｉｗ）、回転角センサ２５からの回転角θ等に基づいて、交流電動機Ｍ１がトルク指令値Ｔｒｑｃｏｍに従ったトルクを出力するように、コンバータ１２およびインバータ１４の動作を制御する。すなわち、コンバータ１２およびインバータ１４を制御するためのスイッチング制御信号ＳＧ１〜ＳＧ８を生成して、コンバータ１２およびインバータ１４へ出力する。

コンバータ１２の昇圧動作時には、制御装置３０は、直流電圧ＶＨをフィードバック制御し、直流電圧ＶＨが電圧指令値に一致するようにスイッチング制御信号ＳＧ１，ＳＧ２を生成する。

また、制御装置３０は、交流電動機Ｍ１が回生制動モードで動作するときには、交流電動機Ｍ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換するようにスイッチング制御信号ＳＧ３〜ＳＧ８を生成してインバータ１４へ出力する。これにより、インバータ１４は、交流電動機Ｍ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ１２へ供給する。さらに、制御装置３０は、インバータ１４から供給された直流電圧を降圧するようにスイッチング制御信号ＳＧ１，ＳＧ２を生成し、コンバータ１２へ出力する。これにより、交流電動機Ｍ１で発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されて直流電源Ｂに供給される。

本発明の実施の形態によるモータ駆動システム１００において、イグニッションキーがオンに操作されることによってシステム起動が要求されたときには、以下に説明する図２〜図４に従ってＳＭＲ１０に含まれるリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲＣのオンオフ制御をすることにより、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の初期充電（プリチャージ）制御を実行する。

図２は、図１における直流電圧発生部１０♯の動作を説明するための図である。
図２を参照して、ＳＭＲ１０に含まれるリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲＣは、制御装置３０からの制御信号ＳＥ１，ＳＥ２，ＳＥＣに基づいてそれぞれオンオフされる。また、コンバータ１２は、制御装置３０からのスイッチング制御信号ＳＧ１，ＳＧ２に基づいて、電力線６および接地線５と電力線７および接地線５との間で電圧変換を行なう。

イグニッションキーのオフ期間（信号ＩＧのＬレベル期間）には、制御装置３０は、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２をオフする。すなわち、直流電源Ｂから電力線６および接地線５への電力供給は遮断されている。制御装置３０はさらに、リレーＳＭＲＣをオフする。すなわち、平滑コンデンサＣ１は、電力線６から切り離されている。

そして、イグニッションキーがオフからオンへ操作されることにより信号ＩＧがＬレベルからＨレベルに立上がると、これに応答して、モータ駆動システム１００において電源が投入され、直流電源Ｂから電力線６および接地線５への電力供給が開始される。

制御装置３０は、信号ＩＧがＬレベルからＨレベルへ立上がると、制御信号ＳＥ１をＨレベルに設定してリレーＳＭＲ１をオンするとともに、制御信号ＳＥ２をＨレベルに設定してリレーＳＭＲ２をオンする。そして、制御装置３０は、図３に示す処理フローに従って、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲＣのオンオフおよびコンバータ１２の動作を制御することにより、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２のプリチャージを行なう。

図３は、制御装置３０で実行される平滑コンデンサＣ１，Ｃ２のプリチャージに関する処理を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間毎または所定の条件が成立する毎に呼び出されて実行される。また、図３のフローチャートの各ステップは、制御装置３０によるソフトウェア処理（格納プログラムのＣＰＵによる実行）あるいはハードウェア処理（専用電子回路の作動）によって実現されるものとする。

図３を参照して、制御装置３０は、ステップＳ０１では、イグニッションキーからの信号ＩＧに基づき、イグニッションキーがオンされたか否かを判定する。制御装置３０は、イグニッションキーがオンされていないと判定すると（ステップＳ０１のＮＯ判定時）、以降の一連の処理を行なうことなく処理を終了する。

一方、イグニッションキーがオンされたと判定されると（ステップＳ０１のＹＥＳ判定時）、制御装置３０は、制御信号ＳＥ１およびＳＥ２をＨレベルに活性化することにより、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２をオンする。これにより、直流電源Ｂから電力線６および接地線５への電力供給が開始される。

次に、制御装置３０は、ステップＳ０３により、直流電源Ｂから供給された直流電圧（バッテリ電圧Ｖｂ）をリアクトルＬ１を経由して平滑コンデンサＣ２へ供給するように、コンバータ１２の動作を制御する。コンバータ１２は、バッテリ電圧Ｖｂを直流電圧ＶＨへ昇圧する。具体的には、制御装置３０は、直流電圧ＶＨをフィードバック制御し、直流電圧ＶＨが予め設定された電圧Ｖｔｈ１に一致するようにスイッチング制御信号ＳＧ１，ＳＧ２を生成し、コンバータ１２へ出力する。

この昇圧動作時には、上記のように、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギがスイッチング素子Ｑ１および逆並列ダイオードＤ１を介して電力線７へ供給されることにより、平滑コンデンサＣ２が充電される。すなわち、平滑コンデンサＣ２は、電圧Ｖｔｈ１まで充電される。

そして、直流電圧ＶＨが電圧Ｖｔ１に到達すると、制御装置３０は、ステップＳ０４により、制御信号ＳＥ１およびＳＥ２をＬレベルに非活性化することにより、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２をオフする。これにより、直流電源Ｂは電力線６および接地線５から遮断される。

次に、制御装置３０は、ステップＳ０５により、制御信号ＳＥＣをＨレベルに活性化してリレーＳＭＲＣをオンする。リレーＳＭＲＣをオンすることによって平滑コンデンサＣ１が電力線６および接地線５の間に接続されると、制御装置３０は、ステップＳ０６により、平滑コンデンサＣ２から供給される直流電圧ＶＨをリアクトルＬ１を経由して平滑コンデンサＣ１へ供給するように、コンバータ１２を制御する。

具体的には、制御装置３０は、スイッチング素子Ｑ１をオンに固定し、かつスイッチング素子Ｑ２をオフに固定するように、スイッチング制御信号ＳＧ１，ＳＧ２を生成し、コンバータ１２へ出力する。コンバータ１２では、スイッチング素子Ｑ１がオンされることにより、電力線６および電力線７がリアクトルＬ１を介して電気的に接続される。そして、このリアクトルＬ１を経由して平滑コンデンサＣ２から平滑コンデンサＣ１へ直流電圧が供給されることにより、平滑コンデンサＣ１が充電される。

そして、直流電圧ＶＨおよびＶＬが予め設定された電圧Ｖｔｈ２に到達すると、制御装置３０は、ステップＳ０７により、コンバータ１２の動作を停止させる。さらに、制御装置３０は、ステップＳ０８により、制御信号ＳＥ１およびＳＥ２を再びＨレベルに活性化させることにより、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２をオンする。これにより、直流電源Ｂから電力線６および接地線５への電力供給が再開される。

ここで、ステップＳ０６における電圧Ｖｔｈ２は、平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＬがバッテリ電圧Ｖｂに略等しくなるまで、平滑コンデンサＣ１が充電されたか否かを判定するためのものである。この電圧Ｖｔｈ２としては、バッテリ電圧Ｖｂとの差の絶対値が所定の閾値以下となる範囲内の値を用いることができる。制御装置３０は、平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＬが電圧Ｖｔｈ２に到達したときには、平滑コンデンサＣ１の充電完了条件が成立したものと判断して、ステップＳ０７により、コンバータ１２の動作を停止させる。

このように平滑コンデンサＣ１をバッテリ電圧Ｖｂに略等しくなるまで充電することによって、ステップＳ０８にてリレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２をオンしても、平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＬとバッテリ電圧Ｖｂとの電圧差が小さいため、突入電流が発生することはない。

なお、平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＬとバッテリ電圧Ｖｂとの電圧差が大きいと、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２の接点でアーク放電が発生することにより、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２を劣化させる虞がある。本実施の形態によれば、電圧ＶＬとバッテリ電圧Ｖｂとの電圧差が小さいため、このような不具合を回避してリレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２を長寿命化できる。

また、ステップＳ０３における電圧Ｖｔｈ１は、ステップＳ０６における平滑コンデンサＣ１の充電完了条件の成立時において、平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＬおよび平滑コンデンサＣ２の電力ＶＨがともにバッテリ電圧Ｖｂに略等しくなるように、平滑コンデンサＣ２が充電されているか否かを判定するためのものである。この電圧Ｖｔｈ１としては、たとえば、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の特性などに基づいて、以下の手順に従って予め算出された値を用いることができる。

具体的には、図２に示す構成において、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の容量をそれぞれＣ１，Ｃ２とすると、平滑コンデンサＣ２を電圧Ｖｔｈ１まで充電したときに平滑コンデンサＣ１に蓄えられるエネルギＥは、式（１）で表わされる。

また、平滑コンデンサＣ１を電圧Ｖｔｈ２まで充電したときに平滑コンデンサＣ１に蓄えられるエネルギＥ１は、式（２）で表わされる。このとき、平滑コンデンサＣ２は電圧Ｖｔｈ２まで放電されているため、平滑コンデンサＣ２に蓄えられるエネルギＥ２は、式（３）で表わされる。

そして、平滑コンデンサＣ１は、平滑コンデンサＣ２から供給された電力により充電されることから、エネルギＥ，Ｅ１，Ｅ２の間には、下記式（４）の関係が成立する。

この式（４）に上記式（１）〜（３）を代入することによって、電圧Ｖｔｈ１として式（５）が得られる。

したがって、上記のように、電圧Ｖｔｈ２をバッテリ電圧Ｖｂに略等しくするためには、電圧Ｖｔｈ１は、式（６）で与えられる電圧に設定すればよい。

以上により電圧Ｖｔｈ１が設定されると、制御装置３０は、直流電圧ＶＨをフィードバック制御し、直流電圧ＶＨが上記式（６）で与えられる電圧Ｖｔｈ１に一致するようにスイッチング制御信号ＳＧ１，ＳＧ２を生成し、コンバータ１２へ出力する（図３のステップＳ０３）。これにより、ステップＳ０６にて平滑コンデンサＣ２を充電したときに、平滑コンデンサＣ１およびＣ２の電圧ＶＬおよびＶＨをバッテリ電圧Ｖｂに略等しい電圧とすることができる。

図４は、システム起動時におけるＳＭＲ１０およびコンバータ１２の動作を説明するためのタイミングチャートである。

図４を参照して、時刻ｔ０においてイグニッションキーがオンされると、時刻ｔ１において、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２がオンされるとともに、コンバータ１２が駆動される。コンバータ１２が、直流電源Ｂから供給される直流電圧ＶｂをリアクトルＬ１を経由して平滑コンデンサＣ２へ供給することにより、平滑コンデンサＣ２の充電が開始される。このとき、直流電源Ｂから出力される直流電流Ｉｂは、平滑コンデンサＣ２の充電が開始される時刻ｔ１において上昇すると、その後、直流電圧ＶＨが増加するに従って徐々に減少する。

時刻ｔ２において直流電圧ＶＨが電圧Ｖｔｈ１に到達すると、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２がオフされるとともに、リレーＳＭＲＣがオンされる。コンバータ１２が平滑コンデンサＣ２の直流電圧ＶＨをリアクトルＬ１を経由して平滑コンデンサＣ１へ供給することにより、平滑コンデンサＣ２の放電および平滑コンデンサＣ１の充電が開始される。これにより、時刻ｔ２以降では、直流電圧ＶＨが電圧Ｖｔｈ１から低下する一方で、直流電圧ＶＬが上昇する。なお、このとき、直流電源Ｂは電力線６および接地線５から遮断されているため、直流電流Ｉｂは零である。

時刻ｔ３において直流電圧ＶＬが電圧Ｖｔｈ２に到達すると、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２が再びオンされるとともに、コンバータ１２が停止される。なお、直流電圧ＶＨも、電圧Ｖｔｈ２に到達している。

以上のように、本発明の実施の形態によれば、システム起動時において直流電源Ｂから電力線６および接地線５への電力供給が開始されると、最初に、平滑コンデンサＣ１を電力線６から遮断した状態で、直流電源Ｂから供給された直流電圧をコンバータ１２のリアクトルＬ１を経由して平滑コンデンサＣ２へ供給することにより、平滑コンデンサＣ２を充電する。このとき、電流経路上に設けられたリアクトルＬ１が平滑コンデンサＣ２のプリチャージ電流Ｉｃ２（図２参照）を制限するため、電源投入時における突入電流を抑制できる。

そして、平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＨが電圧Ｖｔｈ１に到達すると、直流電源Ｂからの電力供給を遮断するとともに、平滑コンデンサＣ１を電力線６に接続した状態で、平滑コンデンサＣ２から供給された直流電圧ＶＨをリアクトルＬ１を経由して平滑コンデンサＣ１へ供給することにより、平滑コンデンサＣ１を充電する。このとき、電流経路上に設けられたリアクトルＬ１が平滑コンデンサＣ１のプリチャージ電流Ｉｃ１（図２参照）を制限するため、平滑コンデンサＣ１への突入電流を抑制できる。

以上のように、平滑コンデンサＣ２および平滑コンデンサＣ１はいずれも、コンバータ１２のリアクトルＬ１を経由して供給される直流電圧によって充電される。すなわち、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２のプリチャージ電流をリアクトルＬ１によって制限することができる。そして、コンバータ１２のリアクトルＬ１が電流制限要素として機能することによって、本実施の形態によれば、従来の電源制御装置において設置されていた電流制限要素としての抵抗素子が不要となる。この結果、ＳＭＲの構成を簡素化することができる。

以下に、図５および図６を用いて、従来の電源制御装置に適用されていたＳＭＲの構成および平滑コンデンサＣ１のプリチャージに関する処理を説明する。

図５を参照して、直流電圧発生部１０♯に含まれるＳＭＲ４０は、複数のリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２，ＳＭＲ３と、抵抗Ｒ１とを含む。リレーＳＭＲ１は、直流電源Ｂの正極端子および電力線６の間に接続される。リレーＳＭＲ２は、直流電源Ｂの負極端子および接地線５の間に接続される。直列接続されたリレーＳＭＲ３および抵抗Ｒ１は、リレーＳＭＲ２に並列に接続される。リレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、図示しない制御装置からの制御信号ＳＥ１〜ＳＥ３に基づいて制御される。

図６は、システム起動時におけるＳＭＲ４０の一般的なオンオフ制御を説明するためのタイミングチャートである。図６を参照して、時刻ｔ０においてイグニッションキーがオンされると、時刻ｔ１において、リレーＳＭＲ１およびＳＭＲ３をオンさせて、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２のプリチャージを行なう。平滑コンデンサＣ１，Ｃ２のプリチャージ時にリレーＳＭＲ１およびＳＭＲ３をオンすることで、接地線５に流れる電流が抵抗Ｒ１により制限されるとともに、電力線６および７に流れる電流も制限される。

次に、時刻ｔ１２において直流電圧ＶＬ，ＶＨがバッテリ電圧Ｖｂ１に到達すると、リレーＳＭＲ２がオンされるとともに、リレーＳＭＲ３がオフされる。

以上のように、従来の電源制御装置では、システム起動時には、接地線５上に抵抗Ｒ１を介挿接続することによって、直流電源Ｂからの電力供給開始時の突入電流を制限している。その一方で、システム起動完了後は、抵抗Ｒ１が電力損失を生じさせることから、リレーＳＭＲ３をオフして抵抗Ｒ１から接地線５から切離すとともに、リレーＳＭＲ２をオンすることによって、抵抗Ｒ１を介さずに直流電源Ｂから電力供給を行なう構成としている。そのため、ＳＭＲの構成が複雑化することになる。

これに対して、本実施の形態に係る電源制御装置では、コンバータ１２のリアクトルＬ１が平滑コンデンサＣ１，Ｃ２のプリチャージ電流を制限する電流制限要素として機能することにより、電源投入時における突入電流を抑制することができる。したがって、図５に示される電流制限用の抵抗Ｒ１の設置が不要となるため、ＳＭＲの構成を簡素化することができる。

なお、この発明の実施の形態と本願発明との対応関係については、リレーＳＭＲ１が「第１のリレー」に相当し、リレーＳＭＲ２が「第２のリレー」に相当し、リレーＳＭＲＣが「第３のリレー」に相当する。また、平滑コンデンサＣ１が「第１のコンデンサ」に相当し、平滑コンデンサＣ２が「第２のコンデンサ」に相当する。そして、制御装置３０は、これらのリレーのオンオフ制御およびコンバータ１２の動作を制御するための「制御装置」を構成する。

なお、電源制御装置の負荷については特に限定されるものではなく、図１の構成は例示に過ぎないことを確認的に記載する。また、モータ駆動システム１００についても、ハイブリッド自動車または電気自動車等の電動車両以外の電動機を駆動制御する構成のものであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５ 接地線、６，７ 電力線、８，１１，１３ 電圧センサ、９，２４ 電流センサ、１０♯ 直流電圧発生部、１２ コンバータ、１４ インバータ、１５ Ｕ相上下アーム、１６ Ｖ相上下アーム、１７ Ｗ相上下アーム、２５ 回転角センサ、３０ 制御装置、１００ モータ駆動システム、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ 逆並列ダイオード、Ｑ１〜Ｑ８ スイッチング素子、ＳＭＲ１〜ＳＭＲ３，ＳＭＲＣ リレー。

Claims (7)

1. 直流電源と、
   前記直流電源の正極と第１の電力線との間に接続される第１のリレーと、
   前記直流電源の負極と接地線との間に接続される第２のリレーと、
   前記第１の電力線および前記接地線の間に直列接続される第３のリレーおよび第１のコンデンサと、
   前記第１の電力線と第２の電力線とをリアクトルを介して電気的に接続することにより、前記第１の電力線および前記接地線と前記第２の電力線および前記接地線の間で電圧変換を行なうコンバータと、
   前記第２の電力線および前記接地線の間に接続される第２のコンデンサと、
   前記第１から前記第３のリレーのオンオフおよび前記コンバータの電圧変換を制御するための制御装置とを備える、電源制御装置。
2. 前記制御装置は、
   前記第１および前記第２のリレーをオンし、前記第３のリレーをオフしたときには、前記直流電源から出力された直流電圧を前記リアクトルを経由して前記第２のコンデンサへ供給するように、前記コンバータを制御するための第１の制御手段と、
   前記第１の制御手段の実行後であって、前記第１および前記第２のリレーをオフし、前記第３のリレーをオンしたときには、前記第２のコンデンサから返還される直流電圧を前記リアクトルを経由して前記第１のコンデンサへ供給するように、前記コンバータを制御するための第２の制御手段とを含む、請求項１に記載の電源制御装置。
3. 前記コンバータは、前記リアクトルとの接続点を介して前記第２の電力線および前記接地線の間に直列接続される第１および第２のスイッチング素子を含み、
   前記第１の制御手段は、前記直流電源から出力された直流電圧を昇圧して前記第２のコンデンサへ供給するように、前記第２のスイッチング素子のオンオフを制御し、
   前記第２の制御手段は、前記第１のスイッチング素子をオンするとともに、前記第２のスイッチング素子をオフすることにより、前記第１の電力線および前記第２の電力線を電気的に接続する、請求項２に記載の電源制御装置。
4. 前記第１の制御手段は、前記第２の制御手段の実行後に、前記第１の電力線および前記接地線間の直流電圧並びに前記第２の電力線および前記接地線間の直流電圧が、前記直流電源の直流電圧に等しくなるように、前記第２の電力線および前記接地線間の直流電圧の電圧目標値を設定する、請求項２または３に記載の電源制御装置。
5. 前記制御装置は、
   前記第２の制御手段の実行時に、前記第１の電力線および前記接地線間の直流電圧が前記直流電源の直流電圧に到達したときには、前記第１および前記第２のリレーをオンするための第３の制御手段をさらに含む、請求項２に記載の電源制御装置。
6. 直流電源と、
   前記直流電源の正極と第１の電力線との間に接続される第１のリレーと、
   前記直流電源の負極と接地線との間に接続される第２のリレーと、
   前記第１の電力線および前記接地線の間に直列接続される第３のリレーおよび第１のコンデンサと、
   前記第１の電力線と第２の電力線とをリアクトルを介して電気的に接続することにより、前記第１の電力線および前記接地線と前記第２の電力線および前記接地線の間で電圧変換を行なうコンバータと、
   前記第２の電力線および前記接地線の間に接続される第２のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサから供給された直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、
   前記第１から前記第３のリレーのオンオフおよび前記コンバータの電圧変換を制御するための制御装置とを備える、モータ駆動システム。
7. 電源制御装置の制御方法であって、
   前記電源制御装置は、
   直流電源と、
   前記直流電源の正極と第１の電力線との間に接続される第１のリレーと、
   前記直流電源の負極と接地線との間に接続される第２のリレーと、
   前記第１の電力線および前記接地線の間に直列接続される第３のリレーおよび第１のコンデンサと、
   前記第１の電力線と第２の電力線とをリアクトルを介して電気的に接続することにより、前記第１の電力線および前記接地線と前記第２の電力線および前記接地線の間で電圧変換を行なうコンバータと、
   前記第２の電力線および前記接地線の間に接続される第２のコンデンサと、
   とを含み、
   前記第１および前記第２のリレーをオンし、前記第３のリレーをオフしたときには、前記直流電源から出力された直流電圧を前記リアクトルを経由して前記第２のコンデンサへ供給するように、前記コンバータを制御するためのステップと、
   前記第１および前記第２のリレーをオフし、前記第３のリレーをオンしたときには、前記第２のコンデンサから返還される直流電圧を前記リアクトルを経由して前記第１のコンデンサへ供給するように、前記コンバータを制御するためのステップとを備える、電源制御装置の制御方法。

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