JP2017221093A - オンボード充電器（以下ｏｂｃ）及びインバータの統合モジュール並びにその制御方法 - Google Patents

オンボード充電器（以下ｏｂｃ）及びインバータの統合モジュール並びにその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】インバータスイッチのボディダイオードを高容量ＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）の整流ダイオードとして用いることにより統合されるＯＢＣ及びインバータの統合モジュール並びにその制御方法を提供する。【解決手段】 本発明のＯＢＣ及びインバータの統合モジュールは、充電所の３相交流電圧の伝達を受けると、各相電圧を形態及びレベル変換して２次側に伝達するＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）１次側回路と複数のトランスフォーマー、及び車両の高容量バッテリーを充電する充電モードでオフ（ＯＦＦ）され、各トランスフォーマーの２次側出力電圧を、インバーティング（Ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）機能のための各スイッチング素子に含まれているボディダイオードによって整流するインバータスイッチを含むことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、ＯＢＣ及びインバータの統合モジュール並びにその制御方法に係り、より詳しくは、構成サイズを節減することができるＯＢＣ及びインバータの統合モジュール並びにその制御方法に関する。
北米及び欧州の環境規制による環境に優しい車（ＰＨＥＶ／ＥＶ）の必要性の増大に伴い、プラグインハイブリッド車（以下、ＰＨＥＶ）と電気車（以下、ＥＶ）に耳目が集中されている。
このような環境に優しい車に対する消費者の最も大きい関心事は、長距離走行のための１充電での走行距離にある。
走行距離を増やすためには高電圧バッテリーの容量の増大が必要であるが、これと共に高電圧バッテリーの容量の増大以後にも増大以前の充電時間をある程度維持するため、高電圧バッテリーの容量と共に緩速充電用コンバータ（ＯＢＣ、Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）の容量の増大も考慮される必要がある。なぜならば、消費者は１充電の走行距離を増やすために充電時間がさらに長くなることを容易に受け入れないためである。
ところが、ＯＢＣ容量が２〜４倍に増加すれば、それに比例してサイズの増加とコストの上昇が避けられない問題が発生する。
韓国登録特許第１０−１４０９０２８号公報
本発明は、前記技術的背景に基づきなされたものであって、インバータスイッチのボディダイオードを高容量ＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）の整流ダイオードとして用いることにより統合されるＯＢＣ及びインバータの統合モジュール並びにその制御方法を提供することに目的がある。
本発明のＯＢＣ及びインバータの統合モジュールは、充電所の３相交流電圧の伝達を受けると、各相電圧を形態及びレベル変換して２次側に伝達するＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）１次側回路と複数のトランスフォーマー、及び車両の高容量バッテリーを充電する充電モードでオフ（ＯＦＦ）され、各トランスフォーマーの２次側出力電圧を、インバーティング（Ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）機能のための各スイッチング素子に含まれているボディダイオードによって整流するインバータスイッチを含むことを特徴とする。
前記インバータスイッチは、車両走行時の運転モードでオン／オフ制御され、前記車両の高容量バッテリーからの直流電圧を交流電圧に変換して車両駆動用モータに供給することを特徴とする。
前記インバータスイッチの出力と前記車両駆動用モータとの間に備えられ、前記運転モードで短絡制御され、前記充電モードで開放制御される複数の第２スイッチをさらに含むことを特徴とする。
前記複数のトランスフォーマーの２次側出力の伝達を受ける前記インバータスイッチの複数のノードと前記複数のトランスフォーマーの２次側出力との間に備えられ、前記充電モードで短絡制御されて、車両の走行する運転モードで開放制御される複数の第１スイッチをさらに含むことを特徴とする。
また、本発明は少なくとも一つのプロセッサーによるインバータスイッチのボディダイオードを高容量ＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）の整流ダイオードとして用いる充電器とインバータの統合モジュールを制御する方法であって、駆動モードが車両走行状況である運転モードか、それとも車両の高容量バッテリーを充電する充電モードかを確認する段階、及び前記運転モードであれば、インバータスイッチが前記高容量バッテリーの出力を交流に変換して車両駆動用モータに供給する経路を設定する段階を含むことを特徴とする。
本発明によれば、
インバータスイッチとＯＢＣ整流回路を統合して構成し、スイッチシーケンスを調整することにより、コストの節減、単品重量の減少及び作業性向上を計ることができる。
また、整流効率を向上させることにより、発熱を減らすことができ、重量の減少によって走行距離を伸ばすことにも役立つ。
さらに、ＯＢＣ容量を増加させて充電時間を短縮できるとともに、インバータとの統合により装置の面積を減らして生産コストを節減することができる。
併せて、車両製作時にインバータ及びＯＢＣを組み立てる作業者の作業性を向上させることができる。
一般的な高容量充電器を示した図である。 一般的な高容量充電器を示した図である。 一般的なインバータ回路を示した図である。 本発明に係る高容量ＯＢＣ及びインバータの統合モジュールの回路図である。 本発明に係る高容量ＯＢＣ及びインバータの統合モジュールの概念図である。
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。図１及び図２は、一般的な高容量充電器を示した図であり、図３は一般的なインバータ回路を示した図である。
一般的な高容量ＯＢＣの基本回路は、図１に示す通り、ハーフブリッジ（Ｈａｌｆ Ｂｒｉｄｇｅ）ＬＬＣ共振型コンバータである。しかし、高容量高速充電を実現するため、実際の回路は、図２に示す通り、３相回路からなる。
一方、図３に示す通り、インバータは３相回路が基本であり、ボディダイオードが内蔵されているＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がスイッチで駆動され、直流（ＤＣ）を交流（ＡＣ）に変換する。インバータは、高容量バッテリーからの電圧を交流に変換して車両のモータに供給する。 しかし、前述したＯＢＣモジュールとインバータは、それぞれ車両の走行状態と車両の停車状態で駆動されるので、二つのモジュールが同時に駆動される場合はない。よって、本発明では、図２と図３のＯＢＣモジュールとインバータ回路を統合して構成し、サイズ及びコストを節減することができる。
以下、図４及び図５を参照しながら、本発明の実施形態に係る高容量ＯＢＣ及びインバータの統合モジュールについて説明する。図４は、本発明の実施形態に係る高容量ＯＢＣ及びインバータの統合モジュールの回路図であり、図５は、概念図である。
図４に示す通り、高容量ＯＢＣ及びインバータの統合モジュール２０は、ＯＢＣ回路２１０、第１及び第２スイッチ部２３０、２４０、制御部２５０及びインバータスイッチ２２０を含む。
ＯＢＣ回路２１０は、図２の３相高容量ＯＢＣ回路の１次側回路とトランスフォーマーを含む。高容量バッテリー（ＢＡＴ）を充電する充電モードにおいて、トランスフォーマーの１次側ＯＢＣスイッチ部２１１はオン／オフされ、これは制御部２５０によって制御される。
インバータスイッチ２２０は、高容量バッテリー（ＢＡＴ）の充電モードではオフされ、運転モードではオン／オフ制御される。インバータスイッチ２２０は制御部２５０によって制御される。
ここで、インバータスイッチ２２０は、一般的なインバータに適用されるボディダイオードを含むＩＧＢＴ（図３の点線四角を参照）でよい。または、インバータスイッチ２２０は、他の高電圧入出力を保証することができる他のスイッチング素子でもよい。
このようなインバータスイッチ２２０は、制御部２５０によってオン／オフ制御されない場合、デフォルト（Ｄｅｆａｕｌｔ）開放状態である。
第１スイッチ部２３０は、充電所から印加される３相交流電圧に対応する第１から第３トランスフォーマーの出力（ＯＢＣ回路に含まれている三つのトランスフォーマー）とインバータスイッチ２２０の３相出力との間にそれぞれ連結されている三つのスイッチング素子を含み、制御部２５０によってオン／オフ制御される。
このような第１スイッチ部２３０は回路保護用リレー素子であって、ＯＢＣ回路２１０の構成上、ＯＢＣ回路２１０の未駆動時にノードの開放が不要な場合、第１スイッチ部２３０は省略されてよい。
第２スイッチ部２４０は、インバータスイッチ２２０の３相出力と車両駆動用３相モータ（Ｍｏｔｏｒ）との間にそれぞれ連結されている三つのスイッチング素子を含み、制御部２５０によってオン／オフ制御される。
このような第２スイッチ部２４０は回路保護用リレー素子であって、モータ回路の構成上、モータの未駆動時にノードの開放が不要な場合、第２スイッチ部２４０は省略されてよい。
例えば、モータ内部のインダクター成分がインバータスイッチ２２０のオフ時にもモータへ電流が流れることを防止することができるほどに十分に大きければ、第２スイッチ部２４０は省略されてよい。
制御部２５０は駆動モードを確認し、確認された駆動モード（充電モードまたは運転モード）に対応するよう、ＯＢＣ回路２１０のＯＢＣスイッチ部２１１、インバータスイッチ２２０、第１スイッチ部２３０及び第２スイッチ部２４０のオン／オフまたは短絡／開放を制御する。
具体的に、制御部２５０は、充電モードで第１スイッチ部２３０を短絡制御し、インバータスイッチ２２０をオン／オフ制御せず、交流−直流の変換のためＯＢＣスイッチ部２１１のオン／オフを制御する。
それに伴い、図５に示す通り、充電所から印加された３相交流電源は、ＯＢＣ回路２１０を介してレベル変換されたあと、インバータスイッチ２２０のボディダイオードによって整流されるに伴い高容量バッテリー（ＢＡＴ）を充電することができる。このように、本発明では、ＯＢＣの整流ダイオード（図２の点線四角を参照）で一般的なインバータに適用されるスイッチング素子のボディダイオードを用いることによって整流効率を向上させることができ、発熱を減らすことができる。
さらに、制御部２５０は、運転モードで第１スイッチ部２３０を開放制御して第２スイッチ部２４０を短絡制御し、直流−交流の変換のためインバータスイッチ２２０をオン／オフ制御する。
それに伴い、図５に示す通り、高容量バッテリー（ＢＡＴ）からの直流電圧は、インバータスイッチ２２０によって交流電圧に変換され、モータの駆動に利用される。
一方、制御部２５０が駆動モードを確認する過程は、従来のインバータ制御またはＯＢＣ制御と同様または類似していてもよい。
例えば、制御部２５０は、ＯＢＣ回路２１０の一ノードからの信号を検出して充電所からの電源が伝達されるかを確認することにより、駆動モードを充電モードに切り換えることができる。さらに詳しくは、制御部２５０は、第１から第３トランスフォーマーの２次側出力電圧を感知することによって駆動モードを充電モードに切り換えることができる。 または、制御部２５０は、車両イグニッションオンを確認すると、駆動モードを運転モードに切り換えることができる。
このとき、制御部２５０は、車両ネットワーク通信を介して車両イグニッションオンを確認することができる。
このような制御部２５０は、一般的なＯＢＣモジュールの制御部やインバータの制御部であってよく、または他の制御部であってもよい。ここで、制御部２５０は、少なくとも一つのプロセッサー、メモリを含むことができる。
一方、前述した実施形態における制御部２５０は、駆動モードが充電モードでも運転モードでもない場合は、第１及び第２スイッチ部２３０、２４０を二つとも開放制御することができる。このとき、制御部２５０は、ＯＢＣスイッチ部２１１とインバータスイッチ２２０をオフ状態に制御することができる。
このように、本発明の実施形態は、インバータスイッチとＯＢＣ整流回路を統合して構成し、スイッチシーケンスを調整することにより、コストの節減、単品重量の減少及び作業性向上の効果を提供することができる。
そのほか、本発明の実施形態は、整流効率を向上させることができ、発熱を減らすことができ、重量の減少によって走行距離の増加にも役立つ。
さらに進んで、本発明の実施形態は、ＯＢＣ容量を増加させて充電時間を短縮することができるとともに、インバータとの統合を介し具現の面積を減らして生産コストを節減することができる。
併せて、本発明の実施形態は、車両の製作時にインバータ及びＯＢＣを組み立てる作業者の作業性を向上させることができる。
以上、本発明に関する好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲でのすべての変更が含まれる。
２０ ＯＢＣ及びインバータの統合モジュール
２１０ ＯＢＣ回路
２１１ ＯＢＣスイッチ部
２２０ インバータスイッチ
２３０ 第１スイッチ部
２４０ 第２スイッチ部
２５０ 制御部
ＢＡＴ 高容量バッテリー
Ｍｏｔｏｒ モータ

Claims (10)

  1. 充電所の３相交流電圧の伝達を受けると、各相電圧を形態及びレベル変換して２次側に伝達するＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）の１次側回路と複数のトランスフォーマー、及び
    車両の高容量バッテリーを充電する充電モードでオフ（ＯＦＦ）され、各トランスフォーマーの２次側出力電圧を、インバーティング（Ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ）機能のための各スイッチング素子に含まれているボディダイオードによって整流するインバータスイッチ、
    を含むことを特徴とするＯＢＣ及びインバータの統合モジュール。
  2. 前記インバータスイッチは、
    車両が走行する運転モードでオン／オフ制御され、前記車両の高容量バッテリーからの直流電圧を交流電圧に変換して車両駆動用モータに供給することを特徴とする請求項１に記載のＯＢＣ及びインバータの統合モジュール。
  3. 前記インバータスイッチの出力と前記車両駆動用モータとの間に備えられ、前記運転モードで短絡制御され、前記充電モードで開放制御される複数の第２スイッチをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のＯＢＣ及びインバータの統合モジュール。
  4. 前記複数のトランスフォーマーの２次側出力の伝達を受ける前記インバータスイッチの複数のノードと前記複数のトランスフォーマーの２次側出力との間に備えられ、前記充電モードで短絡制御されて、車両の走行する運転モードで開放制御される複数の第１スイッチをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＯＢＣ及びインバータの統合モジュール。
  5. 前記ＯＢＣの１次側回路に含まれている複数のスイッチング素子と前記インバータスイッチとのオン／オフを制御する制御部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＯＢＣ及びインバータの統合モジュール。
  6. 少なくとも一つのプロセッサーによるインバータスイッチのボディダイオードを高容量ＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）の整流ダイオードとして用いる充電器とインバータの統合モジュールを制御する方法であって、
    駆動モードが車両走行状況である運転モードか、それとも車両の高容量バッテリーを充電する充電モードかを確認する段階、及び
    前記運転モードであれば、インバータスイッチが前記高容量バッテリーの出力を交流に変換して車両駆動用モータに供給する経路を設定する段階、
    を含むことを特徴とするＯＢＣ及びインバータの統合モジュールの制御方法。
  7. 前記充電モードであれば、充電所からの３相交流電圧が高容量ＯＢＣの１次側回路と複数のトランスフォーマーを経て前記整流ダイオードにより整流されるよう、前記インバータスイッチをオン／オフ制御する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のＯＢＣ及びインバータの統合モジュールの制御方法。
  8. 前記充電モードで、前記複数のトランスフォーマーの２次側出力の印加を受ける前記インバータスイッチの複数のノードと前記複数のトランスフォーマーの２次側出力との間に備えられている第１スイッチを短絡制御する段階、及び
    前記運転モードで、前記インバータスイッチの出力と前記車両駆動用モータとの間に備えられている第２スイッチを短絡制御する段階、
    をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のＯＢＣ及びインバータの統合モジュールの制御方法。
  9. 前記充電モードで、前記複数のトランスフォーマーの２次側出力の印加を受ける前記インバータスイッチの複数のノードと前記複数のトランスフォーマーの２次側出力との間に備えられている第１スイッチを開放制御する段階、及び
    前記運転モードで、前記インバータスイッチの出力と前記車両駆動用モータとの間に備えられている第２スイッチを開放制御する段、
    をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のＯＢＣ及びインバータの統合モジュールの制御方法。
  10. 前記駆動モードが運転モードか、それとも充電モードかを確認する段階は、
    車両イグニッションオン（Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ＯＮ）を確認すれば、前記駆動モードが前記運転モードであると判断する段階、及び
    前記高容量ＯＢＣに充電所からの３相交流電圧が印加されることを感知すれば、前記充電モードであると判断する段階、
    を含むものであることを特徴とする請求項６に記載の充電器及びインバータの統合モジュールの制御方法。
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