JP2014239599A - 充電装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁性を確保するための重量の増加及び高コスト化を防ぐ充電装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】交流電力供給源からの電力でバッテリ１を充電する充電装置において、多重巻線を有するモータ５０と、第１インバータと、第２インバータと、入力される交流電力の力率を改善する回路部と、第１インバータ、第２インバータ及び回路部を制御する制御部とを有し、制御部は、バッテリ１の電力でモータを駆動させる場合には、回路部を用いてバッテリ１の電圧を昇圧して、回路部から第１インバータ又は第２インバータの少なくとも一方のインバータに電力を出力させ、交流電力供給源を用いて第１インバータからの出力電力でバッテリを充電する場合には、回路部を用いて交流電力供給源から供給される電力を平滑して、回路部から第２インバータに電力を出力させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、充電装置及び制御方法に関するものである。

バッテリとモータの間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータが介在し、インバータの直流端子間に複数のダイオードを直列接続し、車外の交流電源を接続するためのコネクタとの接続線を当該複数のダイオードに接続し、コネクタに車外の交流電源が接続された場合には、インバータの全てのトランジスタをオフにし、ＤＣ／ＤＣコンバータの複数のトランジスタのスイッチング動作を行うことで、バッテリ１を充電する充電装置が開示されている（特許文献１）。

特開平１０−１３６５７０号公報

しかしながら、上記の充電装置では、交流電源とバッテリとが直流的に接続されており、安全性を確保するためには、バッテリ、モータ、インバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータ及びコネクタの要素を、絶縁性の高いものにする必要がある。そのため、絶縁性を高くすることによる重量の増加及び高コストが問題となっていた。

本発明が解決しようとする課題は、絶縁性を確保するための重量の増加及び高コスト化を防ぐ充電装置及び制御方法を提供することである。

本発明は、モータの多重巻線のうち一方の巻線に接続された第１インバータ、多重巻線のうち他方の巻線に接続された第２インバータ、バッテリから出力される電力の力率を改善し、かつ、入力される交流電力の力率を改善する回路部を制御し、バッテリの電力でモータを駆動させる場合には、回路部を用いてバッテリの電圧を昇圧しつつ、回路部から第１インバータ又は第２インバータの少なくとも一方のインバータに電力を出力し、交流電力供給源を用いて第１インバータからの出力電力でバッテリを充電する場合には、回路部を用いて交流電力源から供給される電力を平滑して、回路部から第２インバータに電力を出力する、ことによって上記課題を解決する。

本発明は、交流電源供給源を用いてバッテリを充電する場合に、モータ及びインバータを絶縁型ＤＣＤＣコンバータとして動作させることにより、絶縁性を高めているので、絶縁性を確保するための重量の増加及び高コスト化を防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る充電システムのブロック図である。 バッテリ充電時における、図１の等価回路である。 モータ駆動時における、図１の等価回路である。 本発明の他の実施形態に係る充電システムのブロック図である。 バッテリの電圧に対するリレースイッチの接続状態とコンバータの動作状態の関係を説明するための図である。 バッテリ充電時における、図４の等価回路である。 バッテリ充電時における、図４の等価回路である。 バッテリ充電時における、図４の等価回路である。 本発明の実施形態に係る充電システムのブロック図である。 バッテリ充電時における、図９の等価回路である。 モータ駆動時における、図９の等価回路である。 本発明の他の実施形態に係る充電システムのブロック図である。 バッテリ充電時における、図１２の等価回路である。 バッテリ充電時における、図１２の等価回路である。 バッテリ充電時における、図１２の等価回路である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《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５０を走行駆動源として走行する車両であり、モータ５０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、電圧センサ２と、リレースイッチ１１、１２、１３と、インバータ３１、３２と、モータ５０と、コンバータ６０と、充電ポート７とを備えている。

バッテリ１は、リレースイッチ１１〜１３を介してインバータ３１、３２にそれぞれ接続されている。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５０の電力源となる。バッテリ１は、モータ５０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８からの電力により充電される。

電圧センサ２は、バッテリ１の端子間の電圧を検出するセンサであり、バッテリ１に接続されている。

リレースイッチ１１はバッテリ１とインバータ３１との間、及び、バッテリ１とコンバータ４との間に接続されている。バッテリ１の正極側に接続された電源線Ｐは、バッテリ１の入出力から分岐して、インバータ３１とコンバータ６０にそれぞれ接続されている。また、バッテリ１の負極側に接続された電源線Ｎは、バッテリ１の入出力から分岐し、インバータ３１とコンバータ６０にそれぞれ接続されている。そして、リレースイッチ１１は、一対のスイッチを、分岐した電源線Ｐのうちコンバータ６０に接続された配線と、分岐した電源線Ｎのうちコンバータ６０に接続された配線に、それぞれ接続することで構成されている。

リレースイッチ１２は、リレースイッチ１１とインバータ３１との間、及び、インバータ３１とコンバータ６０との間に接続されている。リレースイッチ１２は、ａ接点とｂ接点を有し、回路の切り替えを可能とするスイッチである。ａ接点はコンバータ６０とインバータ３１との間を接続する配線に設けられ、ｂ接点はバッテリ１とインバータ３１の間を接続する配線に設けられている。リレースイッチ１２は、コンバータ６０からインバータ３１への電流経路、インバータ３１からバッテリ１への電流経路を切り替えるためのスイッチである。

リレースイッチ１３は、コンバータ６０とインバータ３２との間に接続されている。リレースイッチ１３は、回路の切り替えを可能とするスイッチにより構成されている。コンバータ６０とインバータ３１、３２の間を接続する配線は、コンバータ６０からインバータ３２のみに接続する配線と、コンバータ６０からインバータ３１及びインバータ３２に接続する配線により構成されている。リレースイッチ１３はａ接点とｂ接点とを有している。ａ接点は、コンバータ６０とインバータ３１、３２とを接続する配線に設けられ、ｂ接点は、コンバータ６０とインバータ３２とを接続する配線に設けられている。リレースイッチ１３は、コンバータ６０からインバータ３２への電流経路と、インバータ３１からバッテリ１への電流経路を、交流電源８の電力によるバッテリ１の充電時と、バッテリ１の電力によるモータ５０の駆動時で、切り替えるためのスイッチである。

これにより、リレースイッチ１２、１３は、コンバータ６０とインバータ３２とを接続する配線の回路と、コンバータ６０とインバータ３１、３２とを接続する配線の回路とを切り替える。

リレースイッチ１１は、コントローラ１００の制御信号に基づいて、オン及びオフを切り替える。リレースイッチ１２、１３は、コントローラ１００の制御信号に基づいて、回路を切り替える。

インバータ３１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５に供給するＤＣ／ＡＣインバータであり、バッテリ１とモータ５との間及びコンバータ６０とモータ５０との間に接続されている。インバータ３１は、直流側に平滑用のコンデンサ３１１と、複数のスイッチング素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ）Ｑ１〜Ｑ６と、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に並列に接続され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の電流方向とは逆方向に電流が流れる整流素子（還流ダイオード）Ｄ１〜Ｄ６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対の回路が並列に接続され、各対のスイッチング素子間とモータ５の三相入力部とが接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６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。

インバータ３２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５に供給するＤＣ／ＡＣインバータであり、コンバータ６０とモータ５０との間に接続されている。またインバータ３２は、交流電源８の電力に基づき、コンバータ６０から出力される直流電力を交流電力に変換してモータ５０に供給するインバータである。インバータ３２は、直流側に平滑用のコンデンサ３２１と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、整流素子Ｄ１〜Ｄ６を有している。インバータ３２の構成は、インバータ３１の構成と同様であるため説明を省略する。

モータ５０は、例えば多重巻線を有する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５はバッテリ１からの電力で駆動する。モータ５は、インバータ３１に接続された巻線５１（第１巻線）と、インバータ３２に接続された巻線５２（第２巻線）とを備えている。第１巻線５１及び第２巻線５２は、３つのコイルをスター状に結線することで構成されている。第１巻線５１と第２巻線５２との間は、電気的には導通していないが、磁気的に結合されている。そのため、交流電流が第２巻線に流れると、第１巻線５１に誘導電流が発生し、誘導電流がインバータ３１の交流側に流れる。すなわち、モータ５０はトランスとして作用し、インバータ３１、３２は第１巻線５１及び第２巻線５２に対して独立したインバータになっている。これにより、本例は、第１巻線５１と第２巻線５２との間で、直流的な絶縁を確保している。

モータ５０は発電機としても駆動し、モータ５０の回生により発生する電力で、バッテリ１を充電することも可能である。なお、モータ５０は、多重巻線を有したモータであれば、誘導モータ等の他の種類のモータであってもよい。

コンバータ６０は、バッテリ１とインバータ３１、３２との間、及び、交流電源８とインバータ３２との間に接続されている。モータ５０がバッテリ１の電力で駆動する場合には、コンバータ６０は、バッテリ１の電圧を昇圧してインバータ３１、３２に出力する。また、バッテリ１が交流電源８の電力により充電される場合には、コンバータ６０は、入力される交流電力の力率を改善する力率改善回路として機能し、交流電源８の交流電力を整流してインバータ３２に出力する。

コンバータ６０は、平滑コンデンサ６１と、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０と、ダイオードＤ７〜Ｄ１０と、平滑リアクトル６２と、リレースイッチ６３、６４とを備えている。平滑コンデンサ６１は、コンバータ６０のバッテリ１側への入力で、電源線Ｐ、Ｎの間に接続されている。

スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０とダイオードＤ７〜Ｄ１０は、並列に接続され、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０の電流方向とダイオードＤ７〜Ｄ１０の電流方向が互いに逆向きになるように接続されている。スイッチング素子Ｑ７及びダイオードＤ７の並列回路とスイッチング素子Ｑ８及びダイオードＤ８の並列回路が、直列に接続され、スイッチング素子Ｑ９及びダイオードＤ９の並列回路とスイッチング素子Ｑ１０及びダイオードＤ１０の並列回路が直列に接続されている。これにより、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０及びダイオードＤ７〜Ｄ１０は、フルブリッジ回路を形成している。

平滑リアクトル６２は、一対のコイルで形成されている。一対のコイルは、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８の接続点とリレースイッチ６３とを接続する配線、及び、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０の接続点とリレースイッチ６３とを接続する配線に、それぞれ接続されている。

リレースイッチ６３は、回路の切り替えを可能とする一対のスイッチ６３１、６３２により構成され、平滑リアクトル６２と充電ポート７との間に接続されている。スイッチ６３１はａ接点とｂ接点を有し、スイッチ６３２はａ接点とｂ接点とを有している。スイッチ６３１は、平滑リアクトル６２を介して、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８の接続点に接続され、スイッチ６３２は、平滑リアクトル６２を介して、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０の接続点に接続されている。スイッチ６３１のａ接点とスイッチ６６２の接点ａとの間は、配線により繋がっている。一方、スイッチ６３１のｂ接点とスイッチ６３２のｂ接点との間は、配線で接続されていない。スイッチ６３１及びスイッチ６３２は連動して回路を切り替える。

スイッチ６３１、６３２のａ接点が閉じることで、平滑リアクトル６３の一対のコイル間が導通する。一方、スイッチ６３１、６３２のｂ接点が閉じることで、平滑リアクトル６３と一対のコイル間は遮断され、平滑リアクトル６３と充電ポート７との間が導通する。

リレースイッチ６４は、回路の切り替えを可能とするスイッチにより構成され、ａ接点とｂ接点を有している。ａ接点は、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０及びダイオードＤ７〜Ｄ１０のフルブリッジ回路の右側アーム回路とインバータ３１、３２
との際を接続する配線に設けられている。ｂ接点は、フルブリッジ回路の左側アーム回路と右側アーム回路とを接続する高電位側の配線に設けられている。

リレースイッチ６３、６４は、コンバータ６０を力率改善回路と、昇圧回路を切り替えるスイッチである。なお、リレースイッチ６３、６４の接点の切り替えと、コンバータ６０の動作回路との関係は、後述する。

充電ポート７は、コンバータ６０の交流電源側８の入力に対して接続されている。充電ポート７は、外部充電施設の充電ケーブルを接続するためのコネクタである。

交流電源８は、車両の外側に設けられた商用電源等の交流電力を供給する電源（交流電力供給源）であって、外部の電源となる。交流電源８は、バッテリ１を充電する際の電力源となる。

コントローラ１００は、モータ５の駆動制御及びバッテリ１の充電制御を行う制御部である。コントローラ１００はリレースイッチ１１のオン、オフを切り替え、リレースイッチ１２、１３、６３、６４の接点を切り替える。コントローラ１００は、電圧センサからの信号及び電流センサからの信号を読み込んで、インバータ３１、３２を制御する。

次に、コントローラ１００の制御を説明する。まず交流電源８の電力によるバッテリ１の充電制御について、図２を用いて説明する。図２は、交流電源８を用いて、バッテリ１を充電している場合の図１の等価回路である。

充電ケーブルが充電ポートに接続されることで、交流電源８によりバッテリ１の充電が可能な状態になると、コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオフにし、リレースイッチ１２、１３、６３、６４のｂ接点を閉じる。

リレースイッチ６３のｂ接点が閉じられることで、交流電源８からコンバータ６０に電流が流れる。電流は、充電ポート７から、リレースイッチ６３の接点ｂ及び平滑リアクトル６２を介して、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８の接続点とスイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０の接続点に、それぞれ流れる。

コントローラ１００は、スイッチング素子Ｑ７及びスイッチング素子Ｑ８のオン、オフを交互に切り替える。そして、このスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８のスイッチング動作と、ダイオードＤ７〜Ｄ１０のブリッジにより、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８の接続点とスイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０の接続点から印加された電圧が平滑される。これにより、コンバータ６０は、力率改善回路をとして機能し、交流電源８から入力される電力の力率を改善する。

リレースイッチ６４のｂ接点が閉じ、リレースイッチ１３のｂ接点が閉じ、リレースイッチ１１がオフになっている。そのため、コンバータ６０から出力される電力は、インバータ３２の直流側に供給される。

コントローラ１００は、インバータ３２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン及びオフを切り替える。インバータ３２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作により、コンバータ６０から入力される直流電力を交流電力に変換して、第２巻線５２に出力する。

第２巻線５２に電流が流れると、モータ５０がトランスとして作用し、第１巻線５１に誘導電流が流れる。第１巻線５１の誘導電流は、モータ５０からインバータ３１に流れる。

コントローラ１００は、インバータ３１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン及びオフを切り替える。インバータ３１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作により、モータ５０から入力される交流電力を直流電力に変換して、出力する。これにより、インバータ３１、３２及びモータ５０は、絶縁ＤＣＤＣコンバータとして作用する。

リレースイッチ１２のｂ接点が閉じ、リレースイッチ１１がオフになっている。そのため、インバータ３１から出力される直流電力は、バッテリ１に供給される。これにより、バッテリ１が充電される。

次に、バッテリ１の電力によるモータ５０の駆動制御について、図３を用いて説明する。図３は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動している場合の図１の回路の等価回路である。

車両を走行可能な状態にするためのメインスイッチがオンになると、コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオンにし、リレースイッチ１２、１３、６３、６４のａ接点を閉じる。

リレースイッチ１１がオンになっており、リレースイッチ１２のｂ接点が開くことで、バッテリ１からコンバータ６０に電流が流れる。

コントローラ１００は、スイッチング素子Ｑ７を常時オンに、スイッチング素子Ｑ８を常時オフにする。バッテリ１の電流は、スイッチング素子Ｑ７を導通して、平滑リアクトル６２に流れる。

リレースイッチ６３のａ接点が閉じられ、リレースイッチ６４のａ接点が閉じられている。またリレースイッチ１２、１３のａ接点が閉じられている。スイッチング素子Ｑ７を流れた電流は、平滑リアクトル６２の一方のコイルから、リレースイッチ６３、６４のａ接点間に流れ、平滑リアクトル６２の他方のコイルからスイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０の接続点に流れる。

スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０の接続点を流れる電流に対して、フルブリッジ回路の右側のアーム回路、リレースイッチ６４のａ接点、リレースイッチ１３のａ接点及びインバータ３２の平滑コンデンサ３２１を有する閉回路が形成される。また、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０の接続点を流れる電流に対して、フルブリッジ回路の右側のアーム回路、リレースイッチ６４のａ接点、リレースイッチ１２のａ接点及びインバータ３１の平滑コンデンサ３１１を有する閉回路が形成される。

そして、コントローラ１００は、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０のオン及びオフを交互に切り替える。そのため、平滑リアクトル６２のコイル、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０のスイッチング動作、及び平滑コンデンサ３１１、３２１により昇圧チョッパ回路が構成され、上記の閉回路が昇圧動作を行う。これにより、コンバータ６０は、バッテリ１の電圧を昇圧して、インバータ３１、３２に電力を出力する。

また、コントローラ１００は、電圧センサ２の電圧に応じて、スイッチング素子Ｑ９、Ｑ１０のスイッチング動作のデューティ比を調整することにより、昇圧比を設定する。

コントローラ１００は、コンバータ６０からインバータ３１、３２に入力される電力に対して、モータ５から要求トルクを出力させるように、インバータ３１、３２のＰＷＭ制御を行う。

コントローラ１００は、図示しない運転者によって操作されるアクセルの開度を検出するアクセルセンサの検出値等の車両情報に基づくトルク指令値、電圧センサ２１、２２の検出電圧、及び、モータ５の回転速度を検出するセンサ（図示しない）の検出値から電流指令値を算出する。そして、コントローラ１００は、電流センサ（図示しない）からの信号を読み込み、相電流の検出値を電流指令値と一致させる指令値を算出し、当該指令値からインバータ３１、３２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動させるＰＷＭ信号を生成して、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に出力する。これにより、インバータ３１、３２の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６において、スイッチング動作が行われバッテリ１の電力でモータ５０が駆動する。

上記のように、本例は、多重巻線を有するモータ５０の第１巻線５１にインバータ３１を、第２巻線５２にインバータ３２を接続し、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動させる場合には、コンバータ６０を用いてバッテリ１の電圧を昇圧して、コンバータ６０からインバータ３１、３２に電力を出力させ、交流電源５０を用いてインバータ３１からの出力電力でバッテリ１を充電する場合には、コンバータ６０を用いて交流電源８から供給される電力を平滑して、コンバータ６０からインバータ３２に電力を出力する。

これにより、交流電源８を用いてバッテリ１を充電する場合には、モータ５０及びインバータ３１、３２が絶縁型ＤＣＤＣコンバータとして動作するため、絶縁性を高めることができ、絶縁性を確保するための重量の増加及び高コスト化を防ぐことができる。

ところで、本例とは異なり、バッテリ１と交流電源８が直流的に絶縁されていない場合には、バッテリ１、インバータ３１、３２、モータ５０及びコンバータ６０を含んだ電動駆動要素と、これら電動駆動要素を収容する筐体との間で、絶縁性を強化した設計が必要となる。そして、車両用のバッテリ１は高出力であって、さらに絶縁性を確保するには、バッテリ１のサイズが大きくなってしまう、という問題もある。

しかしながら、本例は、上記のように、絶縁性の高いシステムであるため、バッテリ１を基礎絶縁相当の設計とすることができ、その結果として、バッテリ１のサイズを小さくすることができる。

また、本例において、コンバータ６０は、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０とダイオードＤ７〜Ｄ１０との並列回路を複数接続したフルブリッジ回路を有している。これにより、コンバータ６０に対して付加回路を設けることなく、交流電源８からインバータ３２に電力を供給することができる。その結果として、コンバータ６０の設計コストを抑制することができる。

なお、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動する場合に、コントローラ１００は、スイッチング素子Ｑ９のオン及びオフを切り替えたが、スイッチング素子Ｑ９を常時オフとして、ダイオードＤ９を用いて昇圧動作を行ってもよい。

また、本例は、平滑コンデンサ３１１、３２１を、コンバータ６０の昇圧チョッパ回路の一部として用いたが、コンバータ６０のインバータ３１、３２への出力側に、昇圧チョッパ回路用のコンデンサを別途、接続してもよい。

上記のインバータ３１が本発明の「第１インバータ」に相当し、インバータ３２が本発明の「第２インバータ」に相当し、コンバータ６０が本発明の「回路部」に相当し、コントローラ１００が本発明の「制御部」に相当する。

《第２実施形態》
図４は、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。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１２、１３の構成、リレースイッチ１４、及び回転数センサ９を追加した点、コントローラ１００の一部の制御が異なる。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。

本例の充電システムは、第１実施形態に係る充電システムに対して、回転数センサ９及びリレースイッチ１４をさらに備える。回転数センサ９はモータ５０の回転数を検出するレゾルバ等のセンサである。そして、コントローラ１００は、回転数センサ９の検出値に基づいて、リレースイッチ１２〜１４を制御する。

リレースイッチ１２は、スイッチ１２１とスイッチ１２２を有している。スイッチ１２１は、バッテリ１とインバータ３１とを接続する電源線Ｐに設けられている。スイッチ１２２は、コンバータ６０とインバータ３１との間を接続する高電位側の配線に設けられている。リレースイッチ１２は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動させる際に、バッテリ１からインバータ３１への電流経路の導通、遮断と、コンバータ６０からインバータ３１への電流経路の導通、遮断をそれぞれ切り替えるスイッチである。

リレースイッチ１３は、スイッチ１３１とスイッチ１３２を有している。スイッチ１３１は、コンバータ６０とインバータ３１、３２とを接続する配線に設けられ、スイッチ１３２は、コンバータ６０とインバータ３２とを接続する配線に設けられている。リレースイッチ１３は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動させる際に、バッテリ１からインバータ３２への電流経路の導通、遮断と、コンバータ６０からインバータ３２への電流経路の導通、遮断をそれぞれ切り替えるスイッチである。

リレースイッチ１４は、バッテリ１とインバータ３２とを接続する電源線Ｎに設けられている。リレースイッチ１４は、バッテリ１からインバータ３２への電流経路の導通、遮断を切り替えるスイッチである。また、リレースイッチ１４は、交流電源８の電力によりバッテリ１を充電する際に、コンバータ６０からインバータ３１及びバッテリ１への電流経路を遮断するスイッチである。

次に、コントローラ１００の制御を説明する。まず交流電源８の電力によるバッテリ１の充電制御について、図４を用いて説明する。

コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオフにし、リレースイッチ１２のスイッチ１２１をオンにスイッチ１２２をオフにし、リレースイッチ１３のスイッチ１３１をオフにスイッチ１３２をオンにし、スイッチ１４をオフにし、リレースイッチ６３、６４のｂ接点を閉じる。これにより、交流電源８から、コンバータ８、インバータ３２、モータ５０、インバータ３１及びバッテリ１の順で、電力を流す経路が形成される。バッテリ１の充電時のインバータ３１、３２及びコンバータ６０の制御は、第１実施形態に係るコントローラ１００の制御と同様であるため、説明を省略する。

次に、バッテリ１の電力によるモータ５０の駆動制御について、図５〜８を用いて説明する。図５は、バッテリ１の電圧に対するリレースイッチの接続状態とコンバータ６０の動作状態の関係を説明するための図である。図６〜８は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動している場合の図４の回路の等価回路である。

コントローラ１００は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動させる場合には、リレースイッチ１２のスイッチ１２２、リレースイッチ１３のスイッチ１３１、及びリレースイッチ１４を常時オンにする。また、コントローラ１００は、電圧センサ２の検出電圧に応じて、リレースイッチ１１のオンとオフ、スイッチ１２１のオンとオフ、スイッチ１３２のオンとオフをそれぞれ切り替え、リレースイッチ６３、６４のａ接点及びｂ接点の開閉をそれぞれ切り替える。

コントローラ１００には、コンバータ６０の動作状態を設定するための規定値Ａがバッテリ電圧に応じて設定され、また規定値Ｂがモータ回転数に応じて設定されている。コントローラ１００は、電圧センサ２の検出電圧と規定値Ａとを比較することで、バッテリ１の電圧に応じて、コンバータ６０の動作を設定している。また、コントローラ１００は、回転数センサ２の検出回転数と規定値Ｂとを比較することで、モータ５０の回転数に応じて、コンバータ６０の動作を設定している。

図５において、バッテリ電圧の「高」は、電圧センサ２の検出電圧が規定値Ａ以上である場合を示し、バッテリ電圧の「低」は、電圧センサ２の検出電圧が規定値Ａ未満である場合を示す。また、モータ回転数の「高」は、回転数センサ９の検出回転数が規定値Ｂ以上である場合を示し、モータ回転数の「低」は、回転数センサ９の検出回転数が規定値Ｂ未満である場合を示す。

図５に示すように、バッテリ１の電圧が規定値Ａ未満である場合には、コントローラ１００は、コンバータ６０を動作させず、バッテリ１の電力がコンバータ６０を介することなく、直接、インバータ３１、３２に入力されるように、リレースイッチ１１〜１３、６３、６４を制御する。このときのリレースイッチ１１〜１３、６３、６４の状態は図６に示されている。

コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオフにし、スイッチ１２１をオンにし、スイッチ１３２をオフにし、リレースイッチ６３、６４のａ接点およびｂ接点を開いた状態にする。バッテリ１の電流は、スイッチ１２１を介してインバータ３１の直流側に流れ、スイッチ１２１、１２２、１３１を介してバッテリ３２の直流側に流れる。

リレースイッチ６３、６４のａ接点およびｂ接点を開いた状態になっているため、コンバータ６０は動作しない。

バッテリ１の電圧が規定値Ａ未満である場合には、バッテリ１の過放電を防ぐために、モータ５０の回転数によらずに、コンバータ６０を動作させずに、バッテリ１の電圧を直接、インバータ３１、３２に入力することで、インバータ３１、３２の直流側に、電圧を入力することができる。そのため、コントローラ１００は、バッテリ１の電圧を、コンバータ６０を介さず、インバータ３１、３２に入力させている。

これにより、本例は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動中において、バッテリ１の電流がコンバータ６０に流れる時間を短くすることができ、コンバータ６０における損失を低減させることができる。

図５に示すように、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上であり、かつ、モータ５０の回転数が規定値Ｂ未満である場合には、コントローラ１００は、昇圧比を１にしてコンバータ６０を動作させて、バッテリ１の電力がコンバータ６０を介してインバータ３１、３２に入力されるよう、リレースイッチ１１〜１３、６３、６４を制御する。このときのリレースイッチ１１〜１３、６３、６４の状態は図７に示されている。

コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオンにし、スイッチ１２１をオンにし、スイッチ１３２をオンにし、リレースイッチ６３、６４のａ接点を閉じた状態にする。バッテリ１の電流は、スイッチ１２１を介してインバータ３１の直流側に流れ、スイッチ１２１、１２２、１３１及びスイッチ１１、１３２を介してインバータ３２の直流側に流れる。またバッテリ１の電流は、リレースイッチ１１を介してコンバータ６０に流れる。

リレースイッチ６３、６４のａ接点を閉じた状態になっているため、コンバータ６０は昇圧回路として動作する。このとき、コントローラ１００は、コンバータ６０の入力電圧とコンバータ６０の出力電圧が同じになるように、スイッチング素子Ｑ９及びスイッチＱ１０のスイッチング動作を行う。そして、コンバータ６０からの出力電流は、リレースイッチ６３の接点ａ及びスイッチ１２２を介してインバータ３１に流れ、リレースイッチ６３の接点ａ及びスイッチ１３１を介してインバータ３２に流れる。

バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上であり、かつ、モータ５０の回転数が規定値Ｂ未満である場合には、モータ回転数が規定値Ｂ以上に高くなる前に、コンバータ６０を動作させることで、モータ回転数が規定値Ｂ以上になった時に、迅速に、バッテリ１の電圧を昇圧させることできる。

そして、コンバータ６０の入力側には、平滑コンデンサ６１が接続されている。コンバータ６０の動作時に、平滑コンデンサ６１は電流の遅れ要素となる。そのため、コンバータ１０４の昇圧回路である昇圧チョッパ回路は、昇圧動作を開始して直ぐに昇圧することはなく、昇圧動作の開始から所望の電圧に昇圧するまでに時間を要する。そこで、コントローラ１００は、モータ５０の駆動中、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上になったときに、コンバータ６０の昇圧動作を開始する。また、モータ５０の回転数が規定値Ｂより低い場合には、バッテリ１の消費電力を抑えるために、コントローラ１００は、昇圧比を１にしてコンバータを動作させる。

図５に示すように、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上であり、かつ、モータ５０の回転数が規定値Ｂ以上である場合には、コントローラ１００は、昇圧比を１より高くしてコンバータ６０を動作させて、バッテリ１の電力がコンバータ６０を介してインバータ３１、３２に入力されるよう、リレースイッチ１１〜１３、６３、６４を制御する。このときのリレースイッチ１１〜１３、６３、６４の状態は図８に示されている。

コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオンにし、スイッチ１２１をオフにし、スイッチ１３２をオフにし、リレースイッチ６３、６４のａ接点を閉じた状態にする。バッテリ１の電流は、リレースイッチ１１を介してコンバータ６０に流れる。一方、バッテリ１の電流は、リレースイッチ１２を介してインバータ３１に流れず、リレースイッチ１２、１３を介してインバータ３２に流れない。

コントローラ１００は、コンバータ６０への入力電圧に対してコンバータ６０の出力電圧を、少なくとも１より大きい昇圧比で、昇圧させるように、スイッチング素子Ｑ９及びスイッチＱ１０のスイッチング動作を行う。そして、コンバータ６０からの出力電流は、リレースイッチ６３の接点ａ及びスイッチ１２２を介してインバータ３１に流れ、リレースイッチ６３の接点ａ及びスイッチ１３１を介してインバータ３２に流れる。

モータ回転数が規定値Ｂ以上である場合には、誘起電圧により相対的にバッテリの電圧が低くなる。そのため、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上であって、かつ、モータ回転数が規定値Ｂ以上である場合には、コントローラ１００はコンバータ６０を昇圧動作させて、バッテリ１の電圧を昇圧して、インバータ３１、３２に入力する。また、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上であれば、コンバータ６０の昇圧回路は既に動作している。そのため、コントローラ１００は、高い応答性でコンバータ６０を動作させて、１より高い昇圧比にすることができる。

上記のように、本例は、バッテリ１の電圧が規定値Ａより高い場合に、コンバータ６０を用いてバッテリ１の電圧を昇圧している。これにより、インバータ３１、３２への入力電圧の低下を抑制することができる。その結果として、インバータ３１、３２に共有する電圧が安定化し、バッテリ１の充電容量が低下した場合でも、走行性能の低減を抑制することができる。

また、本例は、バッテリ１の電圧が規定値Ａより高く、かつ、モータ５０の回転数が規定値Ｂより高い場合には、コンバータ６０を用いてバッテリの電圧を昇圧し、バッテリ１の電圧が規定値Ａより高く、かつ、モータ５０の回転数が規定値Ｂより低い場合には、コンバータ６０を昇圧比１で動作させる。これにより、コンバータ６０への電流の導通時間を短くすることができるため、コンバータ６０で生じる損失を抑えることができる。また、モータ５０の状態に応じて、コンバータ６０を動作させることができる。

なお、本例は、バッテリ１の電圧条件を省いて、モータ回転数が規定値Ｂより高い場合に、コンバータを用いて、昇圧比１以上でバッテリの電圧を昇圧させて、モータ回転数が規定値Ｂより低い場合に、コンバータ６０への電流の通電を止めるように、リレースイッチ１１、コンバータ６０等を制御してもよい。これにより、インバータ３１、３２に供給する電圧が安定し、バッテリ１の充電容量が低下した場合でも、走行性能の低減を抑制することができる。

上記の規定値Ａが本発明の「電圧閾値」に相当し、規定値Ｂが本発明の「回転数閾値」に相当する。

《第３実施形態》
図９は、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。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１２を設けていない点、コンバータ６０とインバータ３１との間を配線で接続していない点、及びリレースイッチ１３の構成が異なる。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。

第１実施形態では、配線がコンバータ６０の出力側から分岐して、インバータ３１及びインバータ３２の直流側に接続していたが、本例では、コンバータ６０の出力側から出る配線は、分岐することなく、インバータ３２の直流側のみに接続され、インバータ３１には接続されていない。

リレースイッチ１３は、スイッチ１３１とスイッチ１３２を有している。スイッチ１３１は、コンバータ６０とインバータ３２とを接続する配線に設けられ、スイッチ１３２は、リレースイッチ６４のｂ接点からインバータ３２の高電位側に接続される配線に設けられている。リレースイッチ１３は、リレースイッチ６３、６４の切り替えと対応して切り替わるスイッチである。そして、リレースイッチ１３は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動させる際に、昇圧回路として動作したコンバータ６０の出力電流をインバータ３２の直流側に入力させる電流経路と、交流電源８の電力でバッテリ１を充電する際に、力率改善回路として動作したコンバータ６０の出力電流をインバータ３２の直流側に入力させる電流経路とを切り替える。

次に、コントローラ１００の制御を説明する。まず交流電源８の電力によるバッテリ１の充電制御について、図１０を用いて説明する。図１０は、交流電源８を用いて、バッテリ１を充電している場合の図９の等価回路である。

コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオフにし、リレースイッチ１３のスイッチ１３１をオフにスイッチ１３２をオンにし、リレースイッチ６３、６４のｂ接点を閉じる。交流電源８から供給される電力は、コンバータ６０で整流されて、インバータ３１の直流側のみに、出力される。インバータ３１からバッテリ１までの電力フローは、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。これにより、バッテリ１が、交流電源８の電力で充電される。

次に、バッテリ１の電力によるモータ５０の駆動制御について、図１１を用いて説明する。図１１は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動している場合の図９の回路の等価回路である。

コントローラ１００は、リレースイッチ１１をオンにし、リレースイッチ１３のスイッチ１３１をオンにスイッチ１３２をオフにし、リレースイッチ６３、６４のａ接点を閉じる。バッテリ１の電力は、インバータ３１の直流側に出力される。また、バッテリ１の電力は、リレースイッチ１１を介してコンバータ６０に出力される。コンバータ６０に入力された電力は、コンバータ６０で昇圧されて、リレースイッチ１３を介して、インバータ３２のみに出力される。インバータ３１、３２からモータ５０までの電力フローは、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。これにより、モータ５０が、バッテリ１の電力で駆動する。

上記のように、本例は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動させる場合には、コンバータ６０からインバータ３２のみに電力を出力する。これにより、コンバータ６０からの出力容量（出力最大容量）が、インバータ３１及びインバータ３２に出力する場合の出力容量と比較して低減するため、コンバータ６０の回路素子の耐圧等を抑制することができ、その結果として、コンバータ６０のコストを抑制することができる。

《第４実施形態》
図１２は、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。本例では上述した第２実施形態に対して、コントローラ１００の一部の制御が異なる。これ以外の構成は上述した第２実施形態と同じであり、第１〜第３の実施形態の記載を適宜、援用する。

コントローラ１００は、バッテリ１の電圧及びモータ５０の回転数に応じて、リレースイッチ１１等を以下のように制御する。

バッテリ１の電力によるモータ５０の駆動制御について、図１３〜１５を用いて説明する。図１３〜１５は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動している場合の図１２の回路の等価回路である。

コントローラ１００は、バッテリ１の電力でモータ５０を駆動させる場合には、リレースイッチ１１を常時オンにする。また、コントローラ１００は、モータ５０の回転数に応じて、リレースイッチ１３、６３、６４のａ接点及びｂ接点の開閉をそれぞれ切り替える。

コントローラ１００には、第２実施形態と同様に、規定値Ａ、Ｂが予め設定されている。そして、コントローラ１００は、電圧センサ２の検出電圧と規定値Ａとを比較することで、バッテリ１の電圧に応じて、コンバータ６０の動作を設定している。また、コントローラ１００は、回転数センサ２の検出回転数と規定値Ｂとを比較することで、モータ５０の回転数に応じて、コンバータ６０の動作を設定している。

図５に示すように、バッテリ１の電圧が規定値Ａ未満である場合には、コントローラ１００は、コンバータ６０を動作させず、バッテリ１の電力がコンバータ６０を介することなく、直接、インバータ３１、３２に入力されるように、リレースイッチ１３、６３、６４を制御する。このときのリレースイッチ１１、１３、６３、６４の状態は図１３に示されている。

コントローラ１００は、リレースイッチ１３のスイッチ１３１をオフにスイッチ１３２をオンにし、リレースイッチ６３、６４のａ接点およびｂ接点を開いた状態として、インバータ３１、３２を制御する。

図１３に示すように、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上であり、かつ、モータ５０の回転数が規定値Ｂ未満である場合には、コントローラ１００は、昇圧比を１にしてコンバータ６０を動作させて、バッテリ１の電力がコンバータ６０を介してインバータ３２に入力されるよう、リレースイッチ１３、６３、６４を制御する。このときのリレースイッチ１１、１３、６３、６４の状態は図１４に示されている。

コントローラ１００は、リレースイッチ１３のスイッチ１３１、１３２をオンにし、リレースイッチ６３、６４のａ接点を閉じた状態にする。バッテリ１の電流は、リレースイッチ１１を介してインバータ３１の直流側に流れ、リレースイッチ１１及びスイッチ１３２を介してバッテリ３２の直流側に流れる。またバッテリ１の電流は、リレースイッチ１１を介してコンバータ６０に流れる。

リレースイッチ６３、６４のａ接点を閉じた状態になっているため、コンバータ６０は昇圧回路として動作する。このとき、コントローラ１００は、昇圧比を１とし、コンバータ６０の入力電圧とコンバータ６０の出力電圧が同じになるように、スイッチング素子Ｑ９及びスイッチＱ１０のスイッチング動作を行う。

第２実施形態で説明したように、コンバータ６０の昇圧回路は、電流の遅れ要素により、昇圧動作の開始から所望の電圧に昇圧するまでに時間を要する。例えば、モータ回転数が徐々に高くなった場合には、バッテリ１からインバータ３２への入力電圧が不足する可能性がある。そして、モータ回転数が規定値Ｂ以上になった時点で、コンバータ６０の昇圧動作を開始させた場合には、昇圧回路の動作遅れにより、インバータ３２の入力電圧が低下し、モータ回転数を高めることができないおそれがある。

そこで、本例において、コントローラ１００は、モータ５０の駆動中、モータ回転数が規定値Ｂ未満であっても、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上である場合には、昇圧比を１にしてコンバータを動作させる。

図５に示すように、バッテリ１の電圧が規定値Ａ以上であり、かつ、モータ５０の回転数が規定値Ｂ以上である場合には、コントローラ１００は、昇圧比を１より高くしてコンバータ６０を動作させて、バッテリ１の電力がコンバータ６０を介してインバータ３２に入力されるよう、リレースイッチ１３、６３、６４を制御する。このときのリレースイッチ１１、１３、６３、６４の状態は図１５に示されている。

コントローラ１００は、スイッチ１３１をオンにスイッチ１３２をオフにし、リレースイッチ６３、６４のａ接点を閉じた状態にする。バッテリ１の電流は、リレースイッチ１１を介してコンバータ６０に流れる。一方、バッテリ１の電流は、スイッチ１３２を介してインバータ３２に流れない。

コントローラ１００は、コンバータ６０への入力電圧に対してコンバータ６０の出力電圧を、少なくとも１より大きい昇圧比で、昇圧させるように、スイッチング素子Ｑ９及びスイッチＱ１０のスイッチング動作を行う。

１…バッテリ
２…電圧センサ
７…充電ポート
８…交流電源
１１〜１４…リレースイッチ
１２１、１２２、１３１、１３２…スイッチ
３１、３２…インバータ
３１１、３２１…平滑コンデンサ
５０…モータ
５１、５２…巻線
６０…コンバータ
６１…平滑コンデンサ
６２…平滑リアクトル
６３、６４…リレースイッチ
Ｑ１〜Ｑ１０…スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ１０…ダイオード
Ｐ、Ｎ…電源線

Claims (7)

1. 交流電力供給源からの電力でバッテリを充電する充電装置において、
   多重巻線を有するモータと、
   前記多重巻線のうち一方の巻線と前記バッテリとの間に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換し前記モータに出力する第１インバータと、
   前記多重巻線のうち他方の巻線と前記バッテリとの間に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換し前記モータに出力する第２インバータと、
   入力される交流電力の力率を改善する回路部と、
   前記第１インバータ、前記第２インバータ及び前記回路部を制御する制御部とを有し、
   前記制御部は、
   前記バッテリの電力で前記モータを駆動させる場合には、前記回路部を用いて前記バッテリの電圧を昇圧して、前記回路部から前記第１インバータ又は前記第２インバータの少なくとも一方のインバータに電力を出力させ、
   前記交流電力供給源を用いて前記第１インバータからの出力電力で前記バッテリを充電する場合には、前記回路部を用いて前記交流電力供給源から供給される電力を平滑して、前記回路部から前記第２インバータに電力を出力させる
   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、
   前記制御部は、
   前記バッテリの電圧が所定の電圧閾値より高い場合に、前記回路部を用いて前記バッテリの電圧を昇圧する
   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、
   前記制御部は、
   前記バッテリの電圧が所定の電圧閾値より高く、かつ、前記モータの回転数が所定の回転数閾値より高い場合に、前記回路部を用いて前記バッテリの電圧を昇圧し、
   前記バッテリの電圧が所定の電圧閾値より高く、かつ、前記モータの回転数が前記回転数閾値より低い場合に、前記回路部を昇圧比１で動作させることを特徴とする充電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の充電装置であって、
   前記制御部は、
   前記バッテリの電力で前記モータを駆動させる場合には、前記回路部から前記第２インバータのみに電力を出力する
   ことを特徴とする充電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の充電装置であって、
   前記制御部は、
   前記モータの回転数が所定の回転数閾値より高い場合に、前記回路部を用いて前記バッテリの電圧を昇圧する
   ことを特徴とする充電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の充電装置であって、
   前記回路部は、
   スイッチング素子とダイオードとの並列回路を複数接続したフルブリッジ回路を有する
   ことを特徴とする充電装置。
7. 交流電力供給源からの電力でバッテリを充電し、かつ、バッテリの電力でモータを駆動させる制御方法において、
   前記モータを構成する多重巻線のうち一方の巻線に接続された第１インバータ、前記多重巻線のうち他方の巻線に接続された第２インバータ、及び、入力される交流電力の力率を改善する回路部を制御する制御ステップを有し、
   前記制御ステップは、
   前記バッテリの電力で前記モータを駆動させる場合には、前記回路部を用いて前記バッテリの電圧を昇圧して、前記回路部から前記第１インバータ又は前記第２インバータの少なくとも一方のインバータに電力を出力するステップと、
   前記交流電力供給源を用いて前記第１インバータからの出力電力で前記バッテリを充電する場合には、前記回路部を用いて前記交流電力源から供給される電力を平滑して、前記回路部から前記第２インバータに電力を出力するステップを含む、
   ことを特徴とする制御方法。

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