JP2014161142A - 充電装置、充電方法及びモータ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁設計を簡素化することができる充電装置、絶縁設計が簡素化されたシステムにおける充電方法、又は、絶縁設計が簡素化されたシステムにおけるモータ駆動方法を提供する。
【解決手段】第１中性点を中心に結線された第１巻線と、第１巻線と磁気的に結合され、かつ、第２中性点を中心に結線された第２巻線とを有するモータ７と、バッテリ１と第１巻線との間に接続され、バッテリ１の電力を変換してモータ７に供給する第１インバータ回路と、第１中性点と第１インバータ回路との間に接続された第１ハーフブリッジ回路と、バッテリ１を充電する電源に接続される充電用入力端子８と、電源からの電力が入力される第２巻線の入力端子と充電用入力端子に接続されたスイッチ手段と、第１インバータ回路、ハーフブリッジ回路及びスイッチ手段を制御する制御手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、充電装置、充電方法及びモータ駆動方法に関するものである。

電気自動車の駆動系回路として、車両を駆動する駆動モータと二次電池の電力を三相交流に変換して駆動モータに供給するインバータを含み、さらに、２００Ｖ商用電源からの電力を二次電池に充電するために、２００Ｖ商用電源のコンセントに接続されるプラグの一方の端子がモータの中立点に接続され、他方の端子が二次電池の正極および負極に各々ダイオードを介して接続されている充電装置が開示されている（特許文献１）。

特開２０００−２３２７３７号公報

しかしながら、上記の充電装置は、２００Ｖ商用電源とバッテリを直流的に接続しており、当該バッテリを含むシステム全体を強化絶縁に対応させる必要があるため、例えば絶縁材料を用いることによりコストが高くなる、あるいは、絶縁距離を保つことによりシステムが大型なものになる、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、絶縁設計を簡素化することができる充電装置、絶縁設計が簡素化されたシステムにおける充電方法、又は、絶縁設計が簡素化されたシステムにおけるモータ駆動方法を提供することである。

本発明は、モータに含まれる、第１中性点を中心に結線された第１巻線と第２中性点を中心に結線された第２巻線とを磁気的に結合し、第１中性点とバッテリの電力を変換してモータに供給する第１インバータ回路との間に第１ハーフブリッジ回路を接続し、充電用入力端子を介して第２巻線の入力端子に接続されたスイッチ手段を接続し、当該ハーフブリッジ回路及び当該スイッチ部を制御することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、第１巻線と第２巻線が絶縁トランスとして機能するため、バッテリと電源との間で、直流的な絶縁性を確保することができ、その結果として、絶縁設計を簡素化することができ、または、絶縁設計を簡素化システムでバッテリを充電し、あるいはモータを駆動することができる。

本発明の実施形態に係る充電装置を含む充電システムのブロック図である。 外部電源によりバッテリを充電する場合の、図１の充電システムの等価回路である。 本発明の他の実施形態に係る充電装置を含む充電システムのブロック図である。 外部電源によりバッテリを充電する場合の、図３の充電システムの等価回路である。 本発明の他の実施形態に係る充電装置を含む充電システムのブロック図である。 外部電源によりバッテリを充電する場合の、図５の充電システムの等価回路である。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係る充電装置を含む充電システムのブロック図である。詳細な図示は省略するが、本例の電気自動車は、三相交流電力の永久磁石モータ３を走行駆動源として走行する車両であり、モータ７は電気自動車の車軸に結合されている。以下、電気自動車を例に説明するが、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）にも本発明を適用可能であり、車両以外の装置にも本発明を適用可能である。また電力変換装置は車両に搭載されている。

本例の充電システムは、バッテリ１と、リレースイッチ２１と、平滑コンデンサ３１、３２と、インバータ４１、４２と、ハーフブリッジ５１、５２と、インダクタ６１、６２と、モータ７と、充電用入力端子８と、交流電源９と、コントローラ１００を備えている。

バッテリ１は、リレー２１を介して、インバータ４１のＤＣ端子に接続されている。また、バッテリ１は、インバータ４２のＤＣ端子に接続されている。バッテリ１は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池により構成され、モータ７の動力源となる。バッテリ１は、モータ７の回生制御による電力、及び、外部の商用電源等の交流電源９からの電力により充電される。

リレースイッチ２１は、バッテリ１とインバータ４１との間に接続されている。リレースイッチ２１は、コントローラ１００の制御に基づいてオン及びオフを切り替え、バッテリ１とインバータ２１との間を電気的に導通し、遮断する。

リレースイッチ２１は、モータ７を駆動させる場合には、オンになる。リレースイッチ２１は、交流電源９でバッテリ１を充電する場合には、オフになる。なお、バッテリ１とインバータ４２との間には、リレースイッチ２１のようなスイッチは接続されていない。そのため、バッテリ１の直流電力は、インバータ４２に直接、入力される、

コンデンサ３１は、平滑コンデンサであり、バッテリ１とインバータ４１の入力側との間に接続されている。なお、コンデンサ３１は、インバータ４１に組み込んでもよい。

インバータ４１は、バッテリ１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ７に供給するＤＣ／ＡＣ変換回路であり、バッテリ１とモータ７の１次側巻線７１との間に接続されている。インバータ４１は、複数のスイッチング素子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ）Ｓ１１〜Ｓ１６と、各スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６に並列に接続されたダイオード（還流用の整流素子）Ｄ１１〜Ｄ１６とを有している。また、２つのスイッチング素子を直列に接続した３対の回路がバッテリ１に並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６及びダイオードＤ１１〜Ｄ１６は、互いに逆方向になるよう並列接続されている。

スイッチング素子Ｓ１１、１２及びダイオードＤ１１、１２がＵ相を形成し、スイッチング素子Ｓ１３、１４及びダイオードＤ１３、１４がＶ相を形成し、スイッチング素子Ｓ１５、１６及びダイオードＤ１５、１６がＷ相を形成している。そして、各対のスイッチング素子の接続点であるＡＣ端子が、モータ７の三相入力部である１次側巻線７１の入力端子に接続されている。スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６は、コントローラ１００から送信される駆動信号に基づきオン及びオフを切り替え、電力を変換する。

ハーフブリッジ５１は、モータ７の駆動時に、１次側巻線７１の中性点（Ｏ_１）の電位を制御する回路であり、充電用接続端子８及びインダクタ６１を介して、１次側巻線７１の中性点（Ｏ_１）に接続されている。ハーフブリッジ５１は、一対で直列に接続されたスイッチング素子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ）Ｓ１７、Ｓ１８と、一対のスイッチング素子Ｓ１７、Ｓ１８に対して並列に接続されたダイオードＤ１７、Ｄ１８とを有している。スイッチング素子Ｓ１７、Ｓ１８及びダイオードＤ１７、Ｄ１８は、互いに逆方向になるよう並列接続されている。

スイッチング素子Ｓ１７及びスイッチング素子Ｓ１８の接続点は、充電入力端子８及びインダクタ６１を介して、一次側巻線７１の中性点（Ｏ_１）に接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１７及びスイッチング素子Ｓ１８は、インバータ４１のＤＣライン間にそれぞれ接続されている。

上記のとおり、インバータ４１及びハーフブリッジ５１は、４セットの上アーム（アッパーアーム）と下アーム（ロアアーム）からなる４アームの回路である。そして、４アームのうちＵ、Ｖ、Ｗ相を形成する３アームのＡＣ端子（一対のスイッチング素子の接続点に相当）が、１次側巻線７１の各相のコイル７１ｕ、７１ｖ、７１ｗにそれぞれ接続され、残りの１アームは、インダクタ６１を介して、１次側巻線７１の中性点（Ｏ_１）に接続されている。

コンデンサ３２は、平滑コンデンサであり、バッテリ１とインバータ４２の入力側との間に接続されている。

インバータ４２は、バッテリ１から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ７に供給するＤＣ／ＡＣ変換回路であり、バッテリ１とモータ７の２次側巻線７２との間に接続されている。インバータ４２は、インバータ４１と同様に、複数のスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６と、各スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６に並列に接続されたダイオードＤ２１〜Ｄ２６とを有している。インバータ４２に含まれるスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６及びダイオードＤ２１〜Ｄ２６の接続は、インバータ４１と同様であるため省略する。

そして、インバータ４２の各対のスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６の接続点であるＡＣ端子が、モータ７の三相入力部である２次側巻線７２の入力端子に接続されている。スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６は、コントローラ１００の制御に基づいて、オン、オフを切り替える。

ハーフブリッジ５２は、モータ７の駆動時に、２次側巻線７２の中性点（Ｏ_２）の電位を制御する回路であり、インダクタ６２を介して、インバータ５１と２次側巻線７２の中性点（Ｏ_２）との間に接続されている。ハーフブリッジ５２は、スイッチング素子Ｓ２７、Ｓ２８及びダイオードＤ２７、Ｄ２８を有している。スイッチング素子Ｓ２７、Ｓ２８及びダイオードＤ２７、Ｄ２８の接続は、ハーフブリッジ５１と同様であるため、説明を省略する。

スイッチング素子Ｓ２７及びスイッチング素子２８の接続点は、インダクタ６２を介して、２次側巻線７２の中性点（Ｏ_２）に接続されている。また、スイッチング素子Ｓ２７及びスイッチング素子Ｓ２８は、インバータ４２のＤＣライン間にそれぞれ接続されている。

上記のとおり、インバータ４２及びハーフブリッジ５２は、４セットの上アーム（アッパーローム）と下アーム（ロアアーム）からなる４アームの回路である。そして、４アームのうちＵ、Ｖ、Ｗ相を形成する３アームのＡＣ端子（一対のスイッチング素子の接続点に相当）が、２次側巻線７２の各相のコイル７２ｕ、７２ｖ、７２ｗにそれぞれ接続され、残りの１アームは、インダクタ６２を介して、２次側巻線７２の中性点（Ｏ_２）に接続されている。

モータ７は、多重巻線を有する誘導モータまたは同期モータであって、インバータ３１、３２の交流側に接続されている。モータ７はバッテリ１からの電力で駆動する。モータ７は、インバータ４１に接続された１次側巻線７１と、インバータ４２に接続された２次側巻線７２とを有している。

１次側巻線７１は、３つのコイル７１ｕ、７１ｖ、７１ｗを有している。２次側巻線７１は、中性点（Ｏ_１）を中心に、複数のコイル７１ｕ、７１ｖ、７１ｗをスター結線することで構成されている。

２次側巻線７２は、３つのコイル７２ｕ、７２ｖ、７２ｗを有している。２次側巻線７２は、中性点（Ｏ_２）を中心に、複数のコイル７２ｕ、７２ｖ、７２ｍをスター結線することで構成されている。

コイル７１ｕとコイル７２ｕは磁気的に結合され、コイル７１ｖとコイル７２ｖは磁気的に結合され、コイル７１ｗとコイル７２ｗは磁気的に結合されている。これにより、１次側巻線と２次側巻線は、各相のコイル間を対向しつつ磁気的に結合し、絶縁トランスとして機能する。

充電用入力端子８は、充電ポート（図示しない）に含まれるコネクタである。そして、充電用のケーブル（図示しない）が、充電用入力端子８に接続されることで、充電用入力端子８と外部の交流電源９が電気的に接続される。

交流電源９は、外部電源であって、例えば家庭用の交流電源である。バッテリ１を車両の外部からの供給電力で充電する場合に、交流電源９は、充電用の電力源として機能する。

コントローラ１００は、リレースイッチ２１、インバータ４１、４２及びハーフブリッジ５１、５２を制御する制御部である。

次に、コントローラ１００の制御について説明する。まず、モータ７の駆動時の制御について説明する。

交流電源９が充電入力端子８に接続されておらず、車両が走行可能な状態である場合に、コントローラ１００は、リレースイッチ２１をオンにする。また、コントローラ１００は、充電入力端子８の間を短絡させることで、ハーフブリッジ５１のスイッチング素子Ｓ１７、Ｓ１８の接続点と、１次側巻線の中性点（Ｏ_１）とを導通させる。リレースイッチ２１がオンになると、バッテリ１とインバータ４１のＤＣ側が、導通状態となる。一方、交流電源９から１次側巻線７１への電力の入力は禁止される。

バッテリ１は、インバータ４１のＤＣ側と、インバータ４２のＤＣ側とそれぞれ導通しているため、バッテリ１の電力は２等分されて、インバータ４１、４２にそれぞれ入力される。これにより、電力が、バッテリ１からインバータ４１、４２を介してモータ７まで導通可能な状態となる。

コントローラ１００は、乗員の操作等に基づく要求トルクをモータ７から出力させるように、インバータ４１、４２を制御する。コントローラ１００は、インバータ４１及びインバータ４２を同期させて、ＰＷＭ制御することで、バッテリ１からの電力を変換し、インバータ４１、４２からモータ７への出力電圧を制御する。

また、コントローラ１００は、中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）にそれぞれ接続されたハーフブリッジ５１、５２を制御して、中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）の電位を制御する。コントローラ１００には、中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）の電位を制御するための回転数閾値が予め設定されている。そして、モータ７の回転数が回転数閾値より高くなった場合に、コントローラ１００は、ハーフブリッジ５１を制御する。なお、モータ７の回転数は、図示しない回転センサ（レゾルバなど）の検出値により検出される。

モータ７の回転数が高くなると、コイル７１ｕ〜７１ｗ、７２ｕ〜７２ｗの誘起電圧が上昇する。そのため、１次側巻線７１及び２次側巻線７２の３相間の線間電圧が、インバータ４１、４２のＤＣ側の電圧以下になるように、弱め界磁制御が、通常行われる。この時、本例では、中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）がハーフブリッジ５１、５２と接続されているため、コントローラ１００は、ハーフブリッジ５１、５２のスイッチング素子Ｓ１７、Ｓ１８及びスイッチング素子Ｓ２７、Ｓ２８のオン、オフを切り替えることで、中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）の電位を制御する。

これにより、コントローラ１００は、ハーフブリッジ５１、５２の制御により、１次側巻線７１及び２次側巻線７２の３相間の線間電圧を、インバータ４１、４２のＤＣ側の電圧以下に抑えることができる。

なお、上記のハーフブリッジ５１、５２の制御による中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）の電位制御は、モータ７の回生時に行ってもよい。

また、コントローラ１００は、上記のハーフブリッジ５１、５２の制御と、弱め界磁制御を同時に行ってもよい。これにより、中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）の電位が、ハーフブリッジ５１、５２の制御で調整される分、弱め界磁電流が低減されるため、モータ７及びインバータ４１、４２の駆動効率を高まることができる。

次に、図１及び図２を用いて、交流電源９の電力でバッテリ１を充電する時のコントローラ１００の制御について説明する。図２は、外部電源を用いてバッテリ１を充電する場合の、本例の充電システムの等価回路である。なお、図２では、説明を容易にするために、インバータ４１、４２の１相分の導通状態のみを示しているが、他の２相についても、同様に導通している。

交流電源９が充電入力端子８に接続され、バッテリ１が充電可能な状態になると、コントローラ１００は、充電入力端子８の間を短絡せず、充電入力端子８の間に交流電源９を接続した状態とし、リレースイッチ２１をオフにする。リレースイッチ２１がオフのため、バッテリ１とインバータ４１との間は遮断されている。一方。交流電源９は、インバータ４１の３アーム及びハーフブリッジ５１のアームに接続され、１次側巻線７１の中性点（Ｏ_１）に接続されている。そのため、交流電源９の電力が、インバータ４１及びハーフブリッジ５１を介して、１次側巻線７１に供給可能な状態となる。

コントローラ１００は、リレースイッチ２１をオフにした後、インバータ４１の上アームのスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１５をオフに、インバータ４１の下アームのスイッチング素子Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６をオンにする。また、コントローラ１００は、ハーフブリッジ５１のスイッチング素子Ｓ１７をオフに、スイッチング素子Ｓ１８をオンにする。

この時、インバータ４１及びハーフブリッジ５１の導通状態は、図２のようになる。交流電源９の電圧は、ハーフブリッジ５１のスイッチング素子Ｓ１７、Ｓ１８の接続点から、スイッチング素子Ｓ１８及びダイオードＤ１８と、インバータ４１の下アームのスイッチング素子Ｓ１２、１４、１６及びダイオードＤ１２、１４、１６を介して、１次側巻線７１の各相の入力に印加され、また、インダクタ６１を介して、１次側巻線７１の中性点（Ｏ_１）に印加される。これにより、交流電源９の電圧が、各相のコイル７１ｕ、７１ｖ、７１ｗに対して、ゼロ相で印加される。

そして、１次側巻線７１及び２次側巻線７２のトランス（相互誘導）の作用により、変圧されて、交流電源９が接続されている１次側（系統側）から、バッテリ１が接続されている２次側へと、電力が供給される。

コントローラ１００は、インバータ４２のスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６を、各相間で、同じタイミングでオン、オフを切り替えることで、インバータ４２を制御する。また、コントローラ１００は、ハーフブリッジ５２と、コイル７２ｕ、７２ｖ、７２ｗにそれぞれ接続されたインバータ４２のハーフブリッジとの間で構成されるフルブリッジでＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：力率改善）制御を行っている。これにより、２次側巻線７２から出力されて電力を、インバータ４２及びハーフブリッジ５２をお介して、バッテリ１に供給する。

具体的には、例えばＵ相のコイル７２ｕに対して正の電圧が印加される場合には、コントローラ１００はスイッチング素子Ｓ２２及びスイッチング素子Ｓ２７をオンにし、スイッチング素子Ｓ２１及びスイッチング素子Ｓ２８をオフにする。また、例えばＵ相のコイル７２ｕに対して負の電圧が印加された場合には、コントローラ１００はスイッチング素子Ｓ２１及びスイッチング素子Ｓ２８をオンにし、スイッチング素子Ｓ２２及びスイッチング素子Ｓ２７をオフにする。他のＶ相及びＷ相についても、コントローラ１００は同様に各スイッチング素子Ｓ２３〜Ｓ２８を制御する。これにより、インバータ４１の各相のハーフブリッジと、ハーフブリッジ５２が、各相のコイル７２ｕ、７２ｖ、７２ｗを介して、それぞれフルブリッジのＰＦＣ回路として動作するように、コントローラ１００は、インバータ４２及びハーフブリッジ５２を制御している。

コントローラ１００は、上記のＰＦＣ制御を行う際に、インバータ４２及びハーフブリッジ５２からバッテリ１に入力される直流電圧が、バッテリ１の直流電圧と同電圧になるように、各スイッチング素子Ｓ２１〜２８のスイッチング制御を行っている。また、コントローラ１００は、バッテリ１への入力電流、電圧をフィードバックさせて、１次側の交流電流（入力電流）を１次側の交流電圧と同期させるように、上記のＰＦＣ制御を行う。これにより、本例は、力率を１に近づけることができ、効率を高めることができる。なお、バッテリ１への入出力電流、電圧は、センサにより検出すればよい。

そして、コントローラ１００は、バッテリ１の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を管理しつつ、上記の制御を行う。バッテリの充電状態が目標の充電状態に達した場合には、インバータ１００は、インバータ４１、４２及びハーブリッジ５１、５２の各スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１８、Ｓ２１〜Ｓ２８をオフにして、バッテリ１の充電制御を終了する。

上記のように、本例は、１次側巻線７１と２次側巻線７２を磁気的に結合し、中性点（Ｏ_２）とインバータ４２との間にハーフブリッジ５２を接続し、１次側巻線７１の入力端子と充電入力端子８に、インバータ４１及びハーフブリッジ５１を接続する。これにより、１次側巻線７１と２次側巻線７２が絶縁トランスとして機能するため、バッテリ１と交流電源９との間で、直流的な絶縁性を確保することができる。その結果として、バッテリ１を含むシステム全体を、強化絶縁で設計しなくてもよいため、本例は、絶縁材料の増加によるコスト高を防ぐことができる。また、本例は、絶縁距離を確保することで生じるシステムの大型化を回避することができる。

また、本例は、絶縁設計を簡素化したシステムでバッテリを充電することができ、あるいは、モータ７を駆動することができる。

また、本例は、モータ７の駆動及びバッテリ１の充電時に、インバータ４１及びインバータ４２を利用することができるため、システムの小型化を実現することができる。

本例は、中性点（Ｏ_１）とインバータ４１との間に、ハーフブリッジ５１を接続する。また、本例は、中性点（Ｏ_２）とインバータ４２との間に、ハーフブリッジ５２を接続する。これにより、モータ７の駆動時に、中性点（Ｏ_１）及び中性点（Ｏ_２）の電位を制御することができるため、モータ７の駆動時に、電圧の利用率を向上させることができる。また、本例は、モータ７の作動電圧のレベルを、バッテリ１からの供給電圧に合わせて制御することができ、高効率でモータ７を駆動させることができる。

また、本例は、交流電源９からの電力でバッテリ１を充電する場合には、インバータ４１の上アームのスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１５及びハーフブリッジ５１の高電位側のスイッチング素子Ｓ１７をオフにし、かつ、インバータ４１の下アームのスイッチング素子Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６及びハーフブリッジ５１の低電位側のスイッチング素子Ｓ１８をオンにする。これにより、１次側巻線７１及び２次側巻線７２に対して、独立したインバータ４１、４２を電気的に接続するシステムにおいて、交流電源９の電力を、インバータ４１及びハーフブリッジ５１を介して、１次側巻線７１に供給し、バッテリ１を充電することができる。

また、本例において、ハーフブリッジ５２は、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ２７、Ｓ２８と、スイッチング素子Ｓ２７、Ｓ２８に対してそれぞれ並列に接続されたダイオードＤ２７、Ｄ２８を有している。これにより、本例は、ハーフブリッジ５２とインバータ４２の一相分のハーブリッジで、フルブリッジを形成することができ、交流電源９からの電力でバッテリ１を充電する際には、当該フルブリッジを利用することで、交流電源９の力率を改善することができる。その結果として、充電効率を高めることができる。

また、本例は、中性点（Ｏ_１）にインダクタ６１を接続し、中性点（Ｏ_２）にインダクタ６２を接続する。これにより、スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１８、Ｓ２１〜Ｓ２８のスイッチング動作時に、１次側巻線７１及び２次側巻線７２の電流に対して、インピーダンスを下げることができる。そのため、交流電源９の電力によるバッテリ１の充電時には、充電電流のリップルを低減させることができる。

また、本例は、交流電源９からの電力でバッテリ１を充電する場合には、ハーフブリッジ５２のスイッチング素子Ｓ１７、Ｓ１８及びインバータ４２の一相分のハーフブリッジのスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６で形成されるフルブリッジ回路を、フルブリッジのＰＦＣ回路（力率改善回路）として動作させることで、フルブリッジ回路を制御する。これにより、バッテリ１の充電時に、力率を改善することができる。

上記の１次側巻線７１が「第２巻線」に相当し、２次側巻線７２が「第１巻線」に相当し、インバータ４１が本発明の「第２インバータ回路」又は「スイッチ手段」に相当し、インバータ４２が本発明の「第１インバータ」に相当し、ハーフブリッジ５１が本発明の「第２ハーフブリッジ」又は「スイッチ手段」に相当し、ハーフブリッジ５２が本発明の「第１ハーフブリッジ」に、コントローラ１００が「制御手段」に、インダクタ６１が「第２インダクタ」に、インダクタ６２が「第１インダクタ」に相当する。

《第２実施形態》
図３は、発明の他の実施形態に係る充電装置を含む充電システムのブロック図である。本例では上述した第１実施形態に対して、１次側にハーフブリッジ５１を設けていない点及びリレースイッチ２２、２３を有する点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであるため、その記載を適宜、援用する。

一対の充電入力端子８のうち、一方の端子はインダクタ６１に接続され、他方の端子はインバータ４１の負極側の電源線Ｎに接続されている。

リレースイッチ２２は、中性点（Ｏ_１）とインダクタ６１との間に接続されている。リレースイッチ２３は、インダクタ６２と、ハーフブリッジ５２のスイッチング素子Ｓ２７、Ｓ２８の接続点との間に接続されている。

リレースイッチ２２、２３は、コントローラ１００により制御される。リレースイッチ２２、２３は、モータ７を駆動させる場合にはオフになり、交流電源９でバッテリ１を充電する場合にはオンになる。

次に、コントローラ１００の制御について説明する。まず、モータ７の駆動時の制御について説明する。

コントローラ１００は、リレースイッチ２１をオンに、リレースイッチ２２、２３をオフにする。リレースイッチ２１はオンになっているため、バッテリ１とインバータ４１のＤＣ側が、導通状態となる。一方、リレースイッチ２２、２３はオフになっているため、交流電源９から１次側巻線への電力の入力は禁止される。

バッテリ１の電力は２等分されて、インバータ４１、４２にそれぞれ入力され、インバータ４１、４２でそれぞれ電力変換されて、モータ７に供給される。インバータ４１、４２の制御は、第１実施形態に係るインバータ４１、４２の制御と同様であるため、説明を省略する。

上記のとおり、本例は、モータ７の駆動時に、リレースイッチ２２はオフになっているが、仮に、モータ７の駆動時に、１次側巻線７１の中性点（Ｏ_１）とインバータ４１が接続され、導通状態である場合について説明する。モータ７の駆動中に、中性点（Ｏ_１）の電位が変動すると、インバータ４１のダイオードＤ１１〜Ｄ１６を介して、インバータ４１の回路内で還流電流が流れてしまう。そして、この還流電流は、インバータ４１の効率を低下させる原因となる。

一方、本例は、モータ７の駆動時に、リレースイッチ２２はオフにして、インバータ４１と中性点（Ｏ_１）との間を遮断することで、不要な電流が、インダクタ６１を介して、インバータ４１内に流れないようにしている。

２次側では、リレースイッチ２３をオフにして、インバータ４２と中性点（Ｏ_２）との間を遮断することで、不要な電流が、インダクタ６２を介して、インバータ４２内に流れないようにしている。

次に、図３及び図４を用いて、交流電源９の電力でバッテリ１を充電する時のコントローラ１００の制御について説明する。図４は、外部電源を用いてバッテリ１を充電する場合の、本例の充電システムの等価回路である。なお、図４では、説明を容易にするために、インバータ４１、４２の１相分の導通状態のみを示しているが、他の２相についても、同様に導通している。

交流電源９が充電入力端子８に接続され、バッテリ１が充電可能な状態になると、コントローラ１００は、リレースイッチ２１をオフに、リレースイッチ２２、２３をオンにする。リレースイッチ２１がオフのため、バッテリ１とインバータ４１との間は遮断されている

コントローラ１００は、リレースイッチ２１〜２３を制御した後、インバータ４１の上アームのスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１５をオフに、インバータ４１の下アームのスイッチング素子Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６をオンにする。この時、インバータ４１及びハーフブリッジ５１の導通状態は、図４のようになる。

交流電源９の電力は、インバータ４１の下アーム及びインダクタ６１を介して、１次側巻線７１に供給される、１次側巻線７１と２次側巻線７２との間で変圧されて、２次側に電力が供給される。

インバータ４２及びハーフブリッジ５２の制御は、第１実施形態に係るインバータ４１及びハーフブリッジ５１の制御の制御と同様であるため、説明を省略する。これにより、２次側巻線７２から出力された電力を、インバータ４２及びハーフブリッジ５２を介してバッテリ１に供給し、バッテリ１が充電される。

上記のように、本例は、１次側巻線７１と２次側巻線７２を磁気的に結合し、中性点（Ｏ_２）とインバータ４２との間にハーフブリッジ５２を接続し、１次側巻線７１の入力端子と充電入力端子８にインバータ４１を接続する。これにより、１次側巻線７１と２次側巻線７２が絶縁トランスとして機能するため、バッテリ１と交流電源９との間で、直流的な絶縁性を確保することができる。その結果として、バッテリ１を含むシステム全体を、強化絶縁で設計しなくてもよいため、本例は、絶縁材料の増加によるコスト高を防ぐことができる。また、本例は、絶縁距離を確保することで生じるシステムの大型化を回避することができる。

また本例は、インバータ４１の負極側の電源線Ｎは、充電用入力端子８を介して１次側巻線７１に接続する。これにより、１次側のハーフブリッジの数と、モータ７の相数とを対応させることができるため、スイッチング素子及びダイオードの数を削減することができる。その結果として、コストを抑えたシステムを実現することができる。

また、本例は、交流電源９からの電力でバッテリ１を充電する場合には、インバータ４１の上アームのスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１５をオフにし、かつ、インバータ４１の下アームのスイッチング素子Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６をオンにする。これにより、１次側巻線７１及び２次側巻線７２に対して、独立したインバータ４１、４２を電気的に接続するシステムにおいて、交流電源９の電力を、インバータ４１を介して、１次側巻線７１に供給し、バッテリ１を充電することができる。

また本例は、インバータ４１と中性点（Ｏ_１）との間に、リレースイッチ２２を接続し、インバータ４２と中性点（Ｏ_２）との間に、リレースイッチ２３を接続し、交流電源９の電力でバッテリ１を充電する場合にはリレースイッチ２２、２３をオンにし、バッテリ１の電力でモータ７を駆動する場合にはリレースイッチ２２、２３をオフにする。これにより、モータ７の駆動中に中性点（Ｏ_１、Ｏ_２）の電位が変動した場合に、中性点（Ｏ_１、Ｏ_２）からインバータ４１、４２に電流が流れて、インバータ４１、４２内で還流電流が流れることを防ぐ。その結果として、モータ７を高効率で駆動させることができる。

上記のリレースイッチ２２が「第３スイッチ部」に相当する。

《第３実施形態》
図５は、発明の他の実施形態に係る充電装置を含む充電システムのブロック図である。本例では上述した第１実施形態に対して、リレースイッチ２１、１次側にインバータ４１及びハーフブリッジ５１を設けていないと、リレースイッチ２２〜２４を有する点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、第１実施形態及び第２実施形態の記載を適宜、援用する。

リレースイッチ２２、２３の接続は、第２実施形態に係るリレースイッチ２２、２３の接続と同様であるため、説明を省略する。

リレースイッチ２４は、インバータ４２と１次側巻線７１との間、及び、充電入力端子８と１次側巻線７１との間に接続されている。リレースイッチ２４は、スイッチ２４ｕ、２４ｖ、２４ｗを有している。スイッチ２４ｕ、２４ｖ、２４ｗは、インバータ４２及びモータ７の各相と対応しており、例えばスイッチ２４ｕは、ｕ相と対応している。

スイッチ２４ｕは、インバータ４２のｕ相からコイル７１ｕの入力端子への導通経路と、充電入力端子８からコイル７１ｕの入力端子への導通経路とを切り替えるスイッチである。スイッチ２４ｕは、３つの接点を有している。そして、３つの接点のうち、接点ａはコイル７１ｕの入力端子に接続されている。接点ｂは、スイッチング素子Ｓ２１とスイッチング素子Ｓ２２との接続点からコイル７２ｕに接続される配線（Ｕ相の配線）に接続されている。接点ｃは、充電入力端子８に接続されている。

スイッチ２４ｕは、コントローラ１００により制御される。そして、コントローラ１００は、スイッチ２４ｕを切り替え、接点ａと接点ｂの間を導通し、接点ａと接点ｃとの間を遮断することで、インバータ４１のｕ相からコイル７１ｕの入力端子への導通経路を選択する。また、コントローラ１００は、スイッチ２４ｕを切り替え、接点ａと接点ｂを遮断し、接点ａと接点ｃを導通することで、充電入力端子からコイル７１ｕの入力端子への導通経路を選択する。スイッチ２４ｖ及びスイッチ部２４ｗは、スイッチ２４ｕと同様の構成であり、説明を省略する。

次に、コントローラ１００の制御について説明する。まず、モータ７の駆動時の制御について説明する。

コントローラ１００は、リレースイッチ２２、２３をオフにする。また、コントローラ１００は、スイッチ２４を制御し、スイッチ２４ｕ、２４ｖ、２４ｗの接点ａと接点ｂの間をオンに、接点ａと接点ｃの間をオフにする。これにより、スイッチ２４が制御されて、交流電源９から１次側巻線への電力の入力は禁止される。

コントローラ１００は、インバータ４１をＰＷＭ制御し、インバータ４１から１次側巻線７１及び２次側巻線７２の各相のコイルに、電流を流す。これにより、モータ７が駆動される。

次に、図５及び図６を用いて、交流電源９の電力でバッテリ１を充電する時のコントローラ１００の制御について説明する。図６は、外部電源を用いてバッテリ１を充電する場合の、本例の充電システムの等価回路である。なお、図６では、説明を容易にするために、インバータ４２の１相分の導通状態のみを示しているが、他の２相についても、同様に導通している。

交流電源９が充電入力端子８に接続され、バッテリ１が充電可能な状態になると、コントローラ１００は、リレースイッチ２２、２３をオンにする。また、コントローラ１００は、スイッチ２４を制御し、スイッチ２４ｕ、２４ｖ、２４ｗの接点ａと接点ｂの間をオフに、接点ａと接点ｃの間をオンにする。

交流電源９の電力は、スイッチ２４及びインダクタ６１を介して、１次側巻線７１に供給される、１次側巻線７１と２次側巻線７２との間で変圧されて、２次側に電力が供給される。

インバータ４２及びハーフブリッジ５２の制御は、第１実施形態に係るインバータ４１及びハーフブリッジ５１の制御の制御と同様であるため、説明を省略する。これにより、２次側巻線７２から出力された電力を、インバータ４２及びハーフブリッジ５２を介してバッテリ１に供給し、バッテリ１が充電される。

上記のように、本例は、１次側巻線７１と２次側巻線７２を磁気的に結合し、中性点（Ｏ_２）とインバータ４２との間にハーフブリッジ５２を接続し、１次側巻線７１の入力端子と充電入力端子８にリレースイッチ２４を接続する。これにより、１次側巻線７１と２次側巻線７２が絶縁トランスとして機能するため、バッテリ１と交流電源９との間で、直流的な絶縁性を確保することができる。その結果として、バッテリ１を含むシステム全体を、強化絶縁で設計しなくてもよいため、本例は、絶縁材料の増加によるコスト高を防ぐことができる。また、本例は、絶縁距離を確保することで生じるシステムの大型化を回避することができる。

また、本例は、絶縁設計を簡素化したシステムでバッテリを充電することができ、あるいは、モータ７を駆動することができる。

また、本例は、交流電源９からの電力でバッテリ１を充電する場合には、スイッチ２４ｕ、２４ｖ、２４ｗの接点ａと接点ｂの間をオフに、接点ａと接点ｃの間をオンにし、バッテリ１の電力でモータ７を駆動する場合には、スイッチ２４ｕ、２４ｖ、２４ｗの接点ａと接点ｂの間をオンに、接点ａと接点ｃの間をオフにする。これにより、インバータ４２を１つだけで、本例のシステムを構成することができるため、システムのコストを抑制することができ、または、システムの小型化を実現することができる。

上記のリレースイッチ２４が本発明の「スイッチ手段」に相当し、接点ａ及び接点ｂのスイッチが本発明の「第１スイッチ部」に、接点ａ及び接点ｃのスイッチが本発明の「第２スイッチ部」に相当する。

１…バッテリ
７…モータ
８…充電用入力端子
９…交流電源
２１、２２、２３、２４…リレースイッチ
３１、３２…平滑コンデンサ
４１、４２…インバータ
５１、５２…ハーフブリッジ
６１、６２…インダクタ
７１…１次側巻線
７２…２次側巻線
７１ｕ、７１ｖ、７１ｗ…コイル
７２ｕ、７２ｖ、７２ｗ…コイル
Ｓ１１〜Ｓ１８、Ｓ２１〜Ｓ２８…スイッチング素子
Ｄ１１〜Ｄ１８、Ｄ２１〜Ｄ２８…ダイオード

Claims (13)

1. 第１中性点を中心に結線された第１巻線と、前記第１巻線と磁気的に結合され、かつ、第２中性点を中心に結線された第２巻線とを有するモータと、
   バッテリと前記第１巻線との間に接続され、前記バッテリの電力を変換して前記モータに供給する第１インバータ回路と、
   前記第１中性点と前記第１インバータ回路との間に接続された第１ハーフブリッジ回路と、
   前記バッテリを充電する電源に接続される充電用入力端子と、
   前記電源からの電力が入力される前記第２巻線の入力端子と前記充電用入力端子に接続されたスイッチ手段と、
   前記第１インバータ回路、前記ハーフブリッジ回路及び前記スイッチ手段を制御する制御手段とを備える
   ことを特徴とする充電装置。
2. 請求項１記載の充電装置であって、
   前記スイッチ手段は、
   前記バッテリと前記第２巻線との間に接続され、前記バッテリの電力を変換して前記モータに供給する第２インバータ回路を有する
   ことを特徴とする充電装置。
3. 請求項２記載の充電装置であって、
   前記第２インバータ回路の負極側の電源線は、前記充電用入力端子を介して前記第２中性点に接続されている
   ことを特徴とする充電装置。
4. 請求項２又は３記載の充電装置であって、
   前記第２インバータ回路の上アームと下アームとの接続点は、前記第２巻線の入力端子に接続され、
   前記制御手段は、
   前記電源からの電力で前記バッテリを充電する場合には、前記上アームのスイッチング素子をオフに前記下アームのスイッチング素子をオンにする
   ことを特徴とする充電装置。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の充電装置であって、
   前記スイッチ手段は、
   前記第２中性点と前記第２インバータ回路との間に接続された第２ハーフブリッジ回路を有する
   ことを特徴とする充電装置。
6. 請求項５記載の充電装置であって、
   前記第２ハーフブリッジ回路は、直列接続された複数の第２スイッチング素子を有し、
   前記複数の第２スイッチング素子の接続点は前記第２中性点に電気的に接続され、
   前記第２インバータ回路の上アームと下アームとの接続点は、前記第２巻線の入力端子に接続され、
   前記制御手段は、
   前記電源からの電力で前記バッテリを充電する場合には、前記上アームのスイッチング素子と前記複数の第２スイッチング素子のうち高電位側のスイッチング素子をオフにし、かつ、前記下アーム回路のスイッチング素子と前記複数の第２スイッチング素子のうち低電位側のスイッチング素子をオンにする
   ことを特徴とする充電装置。
7. 請求項１記載の充電装置であって、
   前記スイッチ手段は、
   前記第１インバータに接続され、かつ、前記第１インバータと前記第２巻線の入力端子との間を導通及び遮断させる第１スイッチ部と、前記充電用入力端子と前記第２巻線の入力端子との間を導通及び遮断させる第２スイッチ部とを有し、
   前記制御手段は、
   前記電源からの電力で前記バッテリを充電する場合には、前記第１スイッチ部をオフに前記第２スイッチ部をオンにし、
   前記バッテリの電力で前記モータを駆動する場合には、前記第１スイッチ部をオンに前記第２スイッチ部をオフにする
   ことを特徴とする充電装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の充電装置であって、
   前記第１ハーフブリッジ回路は、
   直列に接続された複数の第１スイッチング素子と、
   前記複数の第１スイッチング素子にそれぞれ並列に接続された複数のダイオードとを有する
   ことを特徴とする充電装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の充電装置であって、
   前記第１中性点に接続された第１インダクタと、
   前記第２中性点に接続された第２インダクタと備える
   ことを特徴とする充電装置。
10. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の充電装置であって
    前記第２インバータ回路と前記第２中性点との間に接続された第３スイッチ部を備え、
    前記制御手段は、
    前記電源の電力で前記バッテリを充電する場合には、前記第３スイッチ部をオンにし、
    前記バッテリの電力で前記モータを駆動する場合には、前記第３スイッチ部をオフにする
    ことを特徴とする充電装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の充電装置であって、
    前記制御手段は、
    前記電源からの電力で前記バッテリを充電する場合には、前記第１ハーフブリッジのスイッチング素子及び前記第１インバータのスイッチング素子で形成されるフルブリッジ回路を制御する
    ことを特徴とする充電装置。
12. 第１中性点を中心に結線された第１巻線と、前記第１巻線と磁気的に結合され、かつ、第２中性点を中心に結線された第２巻線とを有し、かつ、インバータ回路からの電力で駆動するモータを用いて、バッテリを充電する充電方法であって、
    充電用入力端子と前記第２巻線の入力端子に接続されたスイッチ手段を制御して、外部電源からの電力を、前記充電用入力端子から前記第２巻線の入力端子に供給する１次側の電力供給ステップと、
    前記第１巻線と前記第２巻線との間の相互誘導により、前記第１巻線と前記第２巻線との間で変圧する変圧ステップと、
    前記第２巻線から出力された電力を、前記インバータ回路及び前記第１中性点と前記インバータ回路との間に接続されたハーフブリッジ回路を介して、前記バッテリに供給する２次側の電力供給ステップとを含む
    ことを特徴とする充電方法。
13. 第１中性点を中心に結線された第１巻線と、前記第１巻線と磁気的に結合され、かつ、第２中性点を中心に結線された第２巻線とを有するモータの駆動方法であって、
    外部電源から前記第２巻線への電力の入力を禁止するステップと、
    充電用入力端子と前記第２巻線の入力端子に接続されたスイッチ手段を制御し、前記バッテリからの電力を、前記バッテリと前記第１巻線との間に接続されたインバータ回路で変換して前記モータに供給することで、前記モータを駆動させるステップと、
    前記第１中性点と前記インバータ回路との間に接続されたハーフブリッジ回路を制御して、前記第１中性点の電位を制御するステップとを含む
    ことを特徴とする駆動方法。

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