JP2014079048A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電源２と交流回転電機２２の間に配置される電力変換装置８は、直流電源２と電力変換装置８の間を流れる直流電流を計測するための直流計測センサ４と、電力変換装置８と交流回転電機２２の各相の間を流れる交流電流を計測するための相別計測センサ１８ｕ，１８ｖ、１８ｗ等を備えている。計測センサ４，１８ｕ，１８ｖ、１８ｗ等を近接して配置して小型化すると、計測センサ４を流れる直流電流が計測センサ１８ｕ，１８ｖ、１８ｗの計測結果に誤差をもたらす。
【解決手段】相別計測センサ１８ｕ，１８ｖ、１８ｗの出力値を補正する補正装置を付加する。補正装置は、直流計測センサ４の出力値に対応付けて、相別計測センサの出力値に施す補正量を記憶している。
【選択図】図１

Description

本明細書では、バッテリ等の直流電源と、モータ兼ジェネレータ等の交流回転電機の間にあって、電力を変換する装置を開示する。

電気自動車やハイブリッド自動車等は、直流電源で交流回転電機を駆動して走行する。あるいは交流回転電機が発電した電力で直流電源を充電する。そのために、直流電源と交流回転電機の間に、直流・交流変換する電力変換装置を必要とする。

電気自動車やハイブリッド自動車等の中には、直流電源から供給される電圧を昇圧し、昇圧された直流を交流に変換して交流回転電機を回転させるものがある。このタイプの電力変換装置は、直流・交流変換回路に加えて電圧変換回路を備えている。交流回転電機が発電した電力で直流電源を充電する場合には、電圧変換回路で降圧して直流電源を充電する。特許文献１に、電圧変換回路と、直流・交流変換回路を備えている電力変換装置が開示されている。

上記の電力変換装置を制御するためには、直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流を計測する必要がある。また電力変換装置と交流回転電機の間を流れる交流電流を計測する必要がある。交流回転電機は複数の相を備えている。例えば三相交流モータは、ｕ相とｖ相とｗ相を備えている。三相交流モータ用の電力変換装置は、電力変換装置とモータのｕ相を接続するｕ相通電路を流れる電流と、電力変換装置とモータのｖ相を接続するｖ相通電路を流れる電流と、電力変換装置とモータのｗ相を接続するｗ相通電路を流れる電流を計測する必要がある。特許文献１に、直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流を計測する直流計測センサと、ｕ相通電路を流れるｕ相電流を計測するｕ相計測センサと、ｖ相通電路を流れるｖ相電流を計測するｖ相計測センサと、ｗ相通電路を流れるｗ相電流を計測するｗ相計測センサを備えた電力変換装置が開示されている。

通電路を流れる通電電流の大きさを計測するために、通電電流が作り出す磁束の大きさを計測する技術が知られている。この技術では、感磁素子の存在位置に大きな磁束密度が生じるように、通電路の周囲に通電路を一巡するコアを配置する。コアは透磁率の高い材料で形成されており、通電路の周りに発達する磁束をコアに集中させる。コアには間隙が形成されており、その間隙に感磁素子が配置されている。

電力変換装置の小型化が要請されており、直流計測センサとｕ相計測センサとｖ相計測センサとｗ相計測センサ全体の体格を小型化する必要がある。
特許文献２に、ｖ相計測センサとｗ相計測センサを一体化して合計体格を小型化する技術が開示されている。三相交流の場合、２相の通電電流が計測されれば、残りの１相の通電電流を計算できることから、特許文献２の技術では、ｕ相計測センサを省略している。本明細書で開示する技術は、特許文献１のように、すべての相の通電電流を計測する方式にも適用することができるし、特許文献２のように、他の相の通電電流から残りの相の通電電流を計算する方式にも適用できる。

特許文献２は、２台の三相交流回転電機のための電力変換装置を開示している。そのために、第１の回転電機のためのｖ相計測センサと、第１の回転電機のためのｗ相計測センサと、第２の回転電機のためのｖ相計測センサと、第２の回転電機のためのｗ相計測センサを一体化することで、電流計測センサ全体の体格を小型化している。本明細書で開示する技術は、１台の交流回転電機のための電力変換装置に適用することもできるし、複数台の交流回転電機のための電力変換装置に適用することもできる。

特開２００６−３２５３２２号公報 特開２０１１−２０９１５９号公報

例えば三相交流用の電力変換装置の場合、最低でも、直流計測センサと２相分の相別計測センサが必要とされる（２相の通電電流を計測して残りの１相の通電電流を計算する方式による場合）。２台の三相交流回転電機のための電力変換装置の場合、直流計測センサと、３相分の相別計測センサの組を２組必要とする（３相とも計測する方式による場合）。この場合、合計７個の計測センサが必要となる。特許文献２に開示されているように、複数個の計測センサをまとめて全体の体格を小型化する手法が必要となる。

しかしながら、複数個の計測センサをまとめて全体体格を小型化する場合、隣接する通電路の間隔が狭くなり、隣接するコアの間隔が狭くなり、隣接する感磁素子の間隔が狭くなる。
通電電流が通電路の周囲に形成する磁束の密度を計測する場合、隣接する通電路の間隔が狭くなり、隣接する感磁素子の間隔が狭くなると、隣接する通電路の周囲に形成される磁束まで計測してしまい、それが検出誤差をもたらすことがある。例えば、直流通電路の通電電流が作り出す磁束が、ｕ相計測センサに影響を与え、それがｕ相通電電流値の計測結果に誤差をもたらすことがある。
複数個の計測センサをまとめて全体体格を小型化すると、各計測センサの計測精度が低下するという問題に晒されている。
本明細書では、上記の問題に対処する技術を開示する。

本明細書では、直流電源と交流回転電機の間に配置される電力変換装置を開示する。その電力変換装置は、直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流を計測するための直流計測センサと、電力変換装置と交流回転電機の各相の間を流れる交流電流を計測するための相別計測センサを備えている。相別計測センサは、少なくとも２個存在する。
直流計測センサと相別計測センサの各々は、通電路を一巡するコアと、コアの間隙に配置されている感磁素子を備えている。各々の相別計測センサは、直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流が作り出す磁束が通過する位置に配置されている。各々の相別計測センサの出力に、直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流が影響を与えてしまう。
本明細書で開示する電力変換装置は、相別計測センサの出力値を補正する補正装置を備えている。その補正装置は、直流計測センサの出力値に対応付けて、相別計測センサの出力値に施す補正量を記憶している。

上記の構成によると、直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流が作り出す磁束が通過する位置に相別計測センサを配置することを許容することから、直流計測センサと相別計測センサを集約化することができる。直流計測センサと相別計測センサの全体体格を小型化することができる。
直流電流が作り出す磁束が通過する位置に相別計測センサを配置すると、相別計測センサの出力に直流電流が影響を与えてしまう。相別計測センサの出力に誤差が混入してしまう。
上記の構成では、補正することで誤差の影響を排除する。その際に、直流計測センサの出力値に対応付けて記憶されている補正量だけ補正する。実験によって、直流電流が相別計測センサの出力に与える影響を計測しておくことができる。例えば、直流電流がｕ相計測センサの出力に与える影響を計測しておくことができ、直流電流がｖ相計測センサの出力に与える影響を計測しておくことができる。直流通電路とｕ相計測センサの位置関係と直流通電路とｖ相計測センサの位置関係は同一でないことから、直流電流がｕ相計測センサの出力に与える影響と、直流電流がｖ相計測センサの出力に与える影響は相違する。本技術では、各々の相別計測センサに対して補正量を記憶している。また直流電流が相別計測センサの出力に与える影響は直流電流の大きさに依存して変化する。本技術では、直流電流の大きさに関連付けて補正量を記憶しておく。
上記の補正装置を利用すると、直流電流が相別計測センサの出力に与える影響を除去することが可能となる。直流計測センサと相別計測センサの全体体格を小型化しながら、相別計測センサの計測精度が低下するのを防止することができる。

本技術では、直流計測センサの出力に基づいて相別計測センサの出力を補正する。厳密にいうと、直流計測センサの出力には相別電流の大きさが影響しており、直流計測センサの出力に基づいて相別計測センサの出力を補正するという論理には欠落がある。単純に考えても、相別電流の大きさが影響している直流計測センサの出力については補正しないわけであるから、上記技術は論理的には当然なものでない。
しかしながら、直流電流を計測する目的とそれに必要とされる計測精度、ならびに相別電流を計測する目的とそれに必要とされる計測精度に対しては、直流計測センサの出力に基づいて相別計測センサの出力を補正することによって、十分に実用的な結果を得ることができる。

電力変換装置は、直流と交流の間で変換するインバータに加えて、電圧変換回路を備えていてもよい。その場合、直流電源と電圧変換回路を接続する通電路に直流計測センサが配置され、インバータと三相回転電機のｕ相を接続する通電路にｕ相計測センサが配置され、インバータと三相回転電機のｖ相を接続する通電路にｖ相計測センサが配置され、インバータと三相回転電機のｗ相を接続する通電路にｗ相計測センサが配置される。
直流計測センサの感磁素子とｕ相計測センサの感磁素子とｖ相計測センサの感磁素子とｗ相計測センサの感磁素子が同一基板に実装すると、直流計測センサとｕ相計測センサとｖ相計測センサとｗ相計測センサの全体がコンパクトにまとめられ、全体体格が小型化される。本明細書で開示する技術は、上記条件下で用いる場合に効果的である。

本技術が適用可能な電力変換装置の第１実施例を示す。 本技術が適用可能な電力変換装置の第２実施例を示す。 本技術が適用可能な電力変換装置の第３実施例を示す。 複数個の電流計測センサが集約化された様子を示す。 補正装置の構成を示す。 補正装置で用いるマップを示す。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。
（特徴１）電力変換装置は、２台の三相回転電機のためのものであり、ｕ相計測センサとｖ相計測センサとｗ相計測センサの２組と、直流計測センサを備えている。

（第１実施例）
図３の（２）は、直流電源（実際にはバッテリ）２と、２台の交流回転電機（実際には三相交流のモータ兼ジェネレータ）２２，２４の間にあって、電力を変換する装置８のシステム構成を示している。電力変換装置８は、回転電機２２のための電圧変換回路１０とインバータ１４と、回転電機２４のための電圧変換回路１２とインバータ１６を備えている。電圧変換回路１０，１２とインバータ１４、１６の詳細は、特許文献１に開示されており、重複記載を省略する。
交流回転電機２２をモータとして駆動する場合には、電圧変換回路１０で昇圧し、昇圧した直流をインバータ１４で三相交流に変換し、変換された三相交流を交流回転電機２２のｕ相とｖ相とｗ相に通電する。交流回転電機２２がジュネレータとなって発電する場合には、インバータ１４で直流に変換し、電圧変換回路１０で降圧し、直流電源２を充電する。
交流回転電機２４をモータとして駆動する場合には、電圧変換回路１２で昇圧し、昇圧した直流をインバータ１６で三相交流に変換し、変換された三相交流を交流回転電機２４のｕ相とｖ相とｗ相に通電する。交流回転電機２４がジュネレータとなって発電する場合には、インバータ１６で直流に変換し、電圧変換回路１２で降圧し、直流電源２を充電する。

直流電源２の正端子と電圧変換回路１０を接続する配線に直流計測センサ４が配置されている。回転電機２２のｕ相とインバータ１４を接続する配線にｕ相計測センサ１８ｕが配置されている。回転電機２２のｖ相とインバータ１４を接続する配線にｖ相計測センサ１８ｖが配置されている。回転電機２２のｗ相とインバータ１４を接続する配線にｗ相計測センサ１８ｗが配置されている。
直流電源２の正端子と電圧変換回路１２を接続する配線に直流計測センサ６が配置されている。回転電機２４のｕ相とインバータ１６を接続する配線にｕ相計測センサ２０ｕが配置されている。回転電機２４のｖ相とインバータ１６を接続する配線にｖ相計測センサ２０ｖが配置されている。回転電機２４のｗ相とインバータ１６を接続する配線にｗ相計測センサ２０ｗが配置されている。

図４の（２）に示されているように、直流計測センサ４とｕ相計測センサ１８ｕとｖ相計測センサ１８ｖとｗ相計測センサ１８ｗと直流計測センサ６とｕ相計測センサ２０ｕとｖ相計測センサ２０ｖとｗ相計測センサ２０ｗは近接して配置されている。図４の（１）にｖ相計測センサ１８ｖについて例示するように、各計測センサは、通電路２８を一巡するコア３０と、コア３０に形成されている間隙Ｇに配置されている感磁素子３２を備えている。参照番号は付していないが、直流計測センサ４とｕ相計測センサ１８ｕとｗ相計測センサ１８ｗと直流計測センサ６とｕ相計測センサ２０ｕとｖ相計測センサ２０ｖとｗ相計測センサ２０ｗも、同一の構成を備えている。
計測センサ４，１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの感磁素子３２は、共通基板３４に実装されている。また、図示されてはいないが、計測センサ４，１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗのコア３０は、同一部材によって位置決めされている。計測センサ４，１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗは、相互に近接した位置関係で、コンパクトに収容されている。

計測センサ４を通過している通電路に直流が通電すると、その直流が通電路の周囲に磁束を発生させる。感磁素子３２は、その磁束密度の強度に比例する電圧を出力する。その電圧を処理すると、通電している直流電流の大きさを計測することができる。
ただし、計測センサ４の直流通電路の周囲に発達する磁束は、計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの存在位置にも漏れ出る。例えば、計測センサ１８ｕは、ｕ相通電電流による磁束密度に加えて直流電流による磁束密度まで計測してしまうことから、誤差を含んでいる。他の計測センサ１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗについても同様である。ただし、例えば計測センサ１８ｕは計測センサ４の直流通電路に近いのに対し、計測センサ２０ｗは計測センサ４の直流通電路から遠いので、計測センサ１８ｕに含まれる直流電流による誤差は、計測センサ２０ｗに含まれる直流電流による誤差より大きい。
同様に、計測センサ６の直流通電路の周囲に発達する磁束は、計測センサ４、１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの存在位置にも漏れ出る。例えば、計測センサ２０ｕは、ｕ相通電電流による磁束密度に加えて直流電流による磁束密度まで計測してしまうことから、誤差を含んでいる。他の計測センサ４，１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｖ，２０ｗについても同様である。ただし、例えば計測センサ２０ｕは計測センサ６の直流通電路に近いのに対し、計測センサ１８ｗは計測センサ６の直流通電路から遠いので、計測センサ２０ｕに含まれる直流電流による誤差は、計測センサ１８ｗに含まれる直流電流による誤差より大きい。

計測センサ４、１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの出力は、図５に示すように、補正装置２６に入力される。
補正装置２６は、図６に示すマップを記憶している。図６の（１）のマップは、計測センサ４の出力に対応づけて、計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各々に施す補正量を記憶している。図６の（２）のマップは、計測センサ６の出力に対応づけて、計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの各々に施す補正量を記憶している。マップ内の補正量はあらかじめ計測して求められている。

補正量を決定してマップを完成する段階では、図４（２）の直流計測センサ４の通電路にのみ通電して他のセンサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの通電路には電流が流れない状態を設定する。その状態で、他のセンサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗで計測される電圧を計測する。これが、直流計測センサ４の通電電流に起因して他の計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに重畳する誤差となる。直流計測センサ４の通電電流を大小に変化させて計測することで、図６（１）のマップが完成する。ついで、直流計測センサ６の通電路にのみ通電して他のセンサ４、１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの通電路には電流が流れない状態を設定する。その状態で、他のセンサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗで計測される電圧を計測する。これが、直流計測センサ６の通電電流に起因して他の計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに重畳する誤差となる。直流計測センサ６の通電電流を大小に変化させて計測することで、図６（２）のマップが完成する。

図５の補正装置２６では、例えば計測センサ４，６，１８ｕの出力電圧を入力し、計測センサ１８ｕの出力電圧を、計測センサ４の出力と図６（１）のマップによって補正し、さらに計測センサ６の出力と図６（２）のマップによって補正する。補正した結果を、出力端子１８Ｕに出力する。他の計測センサ１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗについても同様の補正をし、補正結果を端子１８Ｖ，１８Ｗ，２０Ｕ，２０Ｖ，２０Ｗに出力する。

上記の補正処理は、当然なものでない。例えば計測センサ１８ｕの出力には、他の計測センサ４，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの通電電流による影響の全部が重畳し、計測センサ４，６の通電電流のみを考慮して補正することは論理的でない。また計測センサ４の出力には、他の計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，６，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの全部が重畳し、その影響を補正しない計測センサ４の出力に基づいて補正することも論理的でない。当然に、計測センサ４の出力については補正しないという処理も論理的でない。
しかしながら、直流計測センサ４，６に要求される精度と、相別計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗに要求される計測精度に対しては、図５、図６の補正方式で十分に実用的な結果が得られる。

上記では、２個の直流計測センサと６個の相別計測センサを備えている場合を説明したが、その個数は特に限定されない。
図１（１）は、１個の直流計測センサ４と２個の相別計測センサ１８ｕ，１８ｖを備えている電力変換回路を例示している。三相交流の場合、ｕ相通電電流とｖ相通電電流からｗ相通電電流を計算することができる。図１の（１）は、この方式でｗ相通電電流を計測する電力変換装置を示している。図４の（１）は、計測センサ４，１８ｕ，１８ｖが近接して配置されており、他の通電路を流れる通電電流によって計測センサの出力に誤差が混入することがわかる。図１（１）の電力変換装置にも、本補正技術を適用することができる。

図１（２）は、１個の直流計測センサ４と３個の相別計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗを備えている電力変換回路を例示している。
図２（１）は、２台の三相回転電機２２，２４に対して共通の電圧変換回路１０を用い、ｕ相通電電流とｖ相通電電流からｗ相通電電流を計算する方式の電圧変換回路を示しており、１個の直流計測センサ４と４個の相別計測センサ１８ｕ，１８ｖ，２０ｕ，２０ｖを備えている。
図２（２）は、２台の三相回転電機２２，２４に対して共通の電圧変換回路１０を用いる電圧変換回路を示しており、１個の直流計測センサ４と６個の相別計測センサ１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ，２０ｕ，２０ｖ，２０ｗを備えている。
図３（１）は、図３（２）に対して、ｕ相通電電流とｖ相通電電流からｗ相通電電流を計算する方式の電圧変換回路を示しており、２個の直流計測センサ４，６と４個の相別計測センサ１８ｕ，１８ｖ，２０ｕ，２０ｖを備えている。
図１（１）、図１（２）、図２（１）、図２（２）、図３（１）の電力変換装置にも、本明細書で開示する補正技術を適用することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：直流電源
４：第１直流計測センサ
６：第２直流計測センサ
８：電力変換装置
１０：第１電圧変換回路
１２：第２電圧変換回路
１４：第１インバータ
１６：第２インバータ
１８ｕ：第１ｕ相計測センサ
１８ｖ：第１ｖ相計測センサ
１８ｗ：第１ｗ相計測センサ
２０ｕ：第２ｕ相計測センサ
２０ｖ：第２ｖ相計測センサ
２０ｗ：第２ｗ相計測センサ
２２：第１回転電機
２４：第２回転電機
２６：補正装置

Claims (2)

1. 直流電源と交流回転電機の間に配置される電力変換装置において、
   直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流を計測するための直流計測センサと、
   電力変換装置と交流回転電機の各相の間を流れる交流電流を計測するための相別計測センサと、
   相別計測センサの出力値を補正する補正装置を備えており、
   直流計測センサと相別計測センサの各々は、通電路を一巡するコアと、コアの間隙に配置されている感磁素子を備えており、
   相別計測センサの各々は、直流電源と電力変換装置の間を流れる直流電流が作り出す磁束が通過する位置に配置されており、
   補正装置は、直流計測センサの出力値に対応付けて、各々の相別計測センサの出力値に施す補正量を記憶していることを特徴とする電力変換装置。
2. 電力変換装置は、電圧変換回路とインバータを備えており、
   直流計測センサは、直流電源と電圧変換回路を接続する通電路に配置されており、
   相別計測センサは、インバータと交流回転電機のｕ相を接続する通電路に配置されているｕ相計測センサと、インバータと交流回転電機のｖ相を接続する通電路に配置されているｖ相計測センサと、インバータと交流回転電機のｗ相を接続する通電路に配置されているｗ相計測センサを備えており、
   直流計測センサの感磁素子とｕ相計測センサの感磁素子とｖ相計測センサの感磁素子とｗ相計測センサの感磁素子が同一基板に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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