JP2019170043A - モータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでありながら、簡易に電源を充電できるモータシステムを提供する。【解決手段】１つのモータ１０に対して２つの電池１８，２２および２つのインバータ１２，１４、を有するモータシステムは、さらに、第１電池１８に接続されるとともに外部電力を供給する充電器２５と、第１インバータ１２および第２インバータ１４の駆動を制御して、モータ１０を駆動する制御部２４と、を備え、制御部２４は、外部電力で第２電池２２を充電する際には、モータ１０を静止させた状態で、第１インバータ１２からの電力が、モータ１０および第２インバータ１４を介して、第２電池２２に送電されるように、第１インバータ１２および前記第２インバータ１４を駆動する。【選択図】図１

Description

本明細書では、２つの電源と、２つのインバータを有し、２つのインバータの出力で１つのモータを駆動するモータシステムを開示する。

特許文献１には、２つの電源と、２つのインバータを有し、２つのインバータの出力で１つのモータを駆動するモータシステムが開示されている。このシステムでは、スター結線のモータの各相について、直列接続した２つの巻線で構成し、一方のインバータを各相の巻線端に接続し、他方のインバータを巻線同士の中間点に接続する。従って、一方のインバータからの出力で、直列接続した２つの巻線（第１の駆動巻線）を使用してモータを駆動し、他方のインバータからの出力で中間点から内側の巻線（第２駆動巻線）を使用してモータを駆動することができる。

また、特許文献２には、電池と燃料電池の２つの電源と、これら電源にそれぞれ接続される２つのインバータを有し、１つのモータの３相のコイルの両端に２つのインバータの出力をそれぞれ接続するシステムが示されている。このシステムでは、電池と燃料電池の中点電圧を同一にしつつ、２つのインバータを独立して制御することで、電池の出力を変更して燃料電池の出力を変更することなくモータの出力を要求に見合ったものにしている。

特開２０００−３２４８７１号公報 特開２０００−１２５４１１号公報

ところで、上述したモータシステムに搭載される二次電池（電源）は、必要に応じて、外部電力で充電できることが望ましい。しかしながら、特許文献１，２では、こうした二次電池（電源）の外部電力での充電については、何ら検討されていなかった。

ここで、外部充電のため、２つの電源それぞれに充電器を接続することが考えられる。しかし、この場合、充電器や、商用電源の充電プラグを挿し込むための充電口を２つずつ設ける必要があり、コスト増加を招いていた。また、この場合、２つの電池を充電するためには、充電プラグを途中で、別の充電口に差し替える手間が必要であり、夜間に充電を完了できないといった、利便性の問題も発生する。

そこで、本明細書では、低コストでありながら、簡易に電源を充電できるモータシステムを開示する。

本明細書に開示のモータシステムは、モータと、第１電源と、第２電源と、前記第１電源の交流電力を直流電力に変換して前記モータに出力する第１インバータと、前記第２電源の交流電力を直流電力に変換して前記モータに出力する第２インバータと、前記第１電源に接続され、外部電力を供給する充電器と、前記第１インバータおよび前記第２インバータの駆動を制御して、前記モータを駆動する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外部電力で前記第２電源を充電する際には、前記モータを静止させた状態で、前記第１インバータからの電力が、前記モータおよび前記第２インバータを介して、前記第２電源に送電されるように、前記第１インバータおよび前記第２インバータを駆動する、ことを特徴とする。

かかる構成とすることで、１つの充電器および１つ充電口を設ければ、第１電源および第２電源の双方を充電できる。結果として、充電器および充電口を２つずつ設ける場合に比べて、低コストでありながら、利便性を向上できる。

前記制御部は、前記第２電源を充電する際、前記モータのｑ軸電流が０となるように、前記第１インバータおよび前記第２インバータの電圧ベクトルを算出してもよい。

かかる構成とすることで、モータの出力トルクを０にでき、モータを静止させることができる。

また、前記第２インバータは、上アームと下アームを直列接続してなる複数のレグが並列接続されており、各レグの両端は、前記第２電源に接続され、各レグの中間点が前記モータのコイルに接続されており、前記上アームおよび前記下アームは、いずれも、スイッチング素子と、前記スイッチング素子と並列接続されるとともに逆方向に電流を流す整流素子を有しており、前記制御部は、前記第２電源を充電する際、前記第１インバータを力行で駆動し、前記第２インバータをシャットダウンさせることで、前記第１インバータからの電力を、前記整流素子を介して前記第２電源に送電してもよい。

かかる構成とすることで、簡易な制御で、第２電源を充電させることができる。

また、前記制御部は、前記第２電源を充電する際、前記第１インバータを力行で駆動し、前記第２インバータを回生で駆動することで、前記第１インバータからの電力を前記第２電源に送電してもよい。

かかる構成とすることで、第２電源の電位が、送電側（第１電源または充電器）の電位よりも高くても、第２電源を充電できる。

本明細書に開示のモータシステムによれば、１つの充電器および１つ充電口を設ければ、第１電源および第２電源の双方を充電できる。結果として、充電器および充電口を２つずつ設ける場合に比べて、低コストでありながら、利便性を向上できる。

実施形態に係るモータシステムの全体構成を示す図である。 制御部２４の構成を示す図である。 第１インバータの上スイッチング素子のスイッチング波形（分配比５０：５０）を示す図である。 第２インバータの下スイッチング素子のスイッチング波形（分配比５０：５０）を示す図である。 モータの１相の印加電圧と対応する電流の波形を示す図である。 １インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶを説明する図である。 ２インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの分配例を示す図である。 ２インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの他の分配例を示す図である。 ２インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの他の分配例を示す図である。 ２インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの他の分配例を示す図である。 ２インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの他の分配例を示す図である。 シャットダウン方式で第２電源を外部充電した際の電流指令（２相表現）、モータ電流（３相表現）、インバータ電力を示す図である。 回生方式で第２電源を外部充電する際のモータ電圧ベクトルＶの分配の一例を示す図である。 回生方式で第２電源を外部充電した際の電流指令（２相表現）、モータ電流（３相表現）、インバータ電力を示す図である。

以下、モータシステムの構成について図面を参照して説明する。なお、本発明は、ここに記載される例に限定されるものではない。

「システム構成」
図１は、モータシステムの構成を示す図である。モータ１０は、動力を生成する電動機として機能するだけでなく、電力を生成する発電機としても機能する。モータ１０は３相のモータであり、３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗを有している。各コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗは、リアクトル成分、抵抗成分、誘起電力（逆起電力）成分からなるため、図においてはこれらを直列接続したものとして示している。なお、モータシステムは車両に搭載され、モータ１０は車両走行の駆動力を発生するモータ、あるいは、エンジン動力または制動トルクにより発電するジェネレータとして機能する。

３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの一端には、直流電力を交流電力に変換する第１インバータ１２が接続され、３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの他端には、第２インバータ１４が接続されている。また、第１インバータ１２には、第１コンデンサ１６および第１電池１８が並列接続され、第２インバータ１４には、第２コンデンサ２０および第２電池２２が並列接続されている。この例では、第１および第２電源として、第１および第２電池１８，２２を採用しているが、コンデンサなどの蓄電手段を採用してもよい。

第１インバータ１２および第２インバータ１４の構成は同一であり、いずれも、並列接続された三つのレグを有し、各レグは、直列接続された２つのアーム（上アームおよび下アーム）を有しており、各相のレグの中間点が対応する相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの端部にそれぞれ接続されている。そのため、力行の際には、第１電池１８からの電力が第１インバータ１２を介しモータ１０に供給され、回生（発電）の際にはモータ１０からの電力が第１インバータ１２を介し第１電池１８に供給される。また、第２インバータ１４、第２電池２２もモータ１０と同様の電力のやり取りを行う。

各アームは、スイッチング素子（例えばＩＧＢＴなどのトランジスタ）と、スイッチング素子と逆方向に電流を流す整流素子（例えば逆流ダイオード）が並列接続されて構成される。上側アームのスイッチング素子をオンすることで対応する相のコイルに向けて電流が流れ、下側アームのスイッチング素子をオンすることで対応する相のコイルから電流が引き抜かれる。

第１電池１８には、リレー２６を介して充電器２５が接続されている。充電器２５は、外部電源（例えば商用電源）の電力、すなわち、外部電力を、第１電池１８または第１インバータ１２に供給するもので、例えば、ＡＣ／ＤＣ変換器等を備えている。車両には、充電口（図示せず）が一つ設けられており、この充電口には、外部電源装置から延びる動力線の先端に付いた充電プラグが着脱自在に装着できる。そして、充電口に充電プラグが装着されることで、充電器２５が外部電源と電気的に接続される。リレー２６は、外部充電実行時にオンされ、それ以外では、オフされている。なお、充電プラグおよび充電口を利用した有線充電に替えて、外部電源装置および車両それぞれに設けられた共振コイルを利用した無線充電としてもよい。この場合、充電器２５は、車両に設けられた共振コイル（受電部）に接続される。いずれにしても、外部電力で充電（外部充電）する場合、車両、ひいては、モータ１０は、静止していることが望ましい。

制御部２４が電池情報、モータ情報、車両情報、充電情報などに基づき、第１インバータ１２、第２インバータ１４のスイッチング信号を作成し、これらのスイッチングを制御する。

「制御部の構成」
図２には、制御部２４の構成が示されている。車両制御部３０には、アクセルペダル、ブレーキペダルの操作量、車速など車両走行に関する車両情報、第１電池１８および第２電池２２の充電状態（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）、温度（Ｔ１，Ｔ２）などの電池情報、外部充電の指示状況や充電口と充電プラグの接続状況などの充電情報が供給される。なお、道路状況や、目的地などのナビゲーション情報なども車両制御部３０に供給されるとよい。

そして、車両制御部３０は、アクセルペダル、ブレーキペダルの操作量などから、モータ１０の出力要求（目標出力トルク）についてのトルク指令を算出する。また、外部充電が必要と判断した場合、車両制御部３０は、トルク指令に変えて、充電指令を出力する。

算出されたトルク指令または充電指令は、モータ制御部３２の電流指令生成部３４に供給される。電流指令生成部３４は、トルク指令または充電指令に基づいて、モータ１０のベクトル制御における目標となる電流指令であるｄ軸、ｑ軸電流ｉｄｃｏｍ，ｉｑｃｏｍを算出する。なお、外部充電を行なう場合の電流指令の算出形態については、後に詳説する。３相／２相変換部３６には、第１電池１８、第２電池２２の電池電圧ＶＢ１，ＶＢ２、モータ１０のロータ回転角θ、現在の各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。３相／２相変換部３６は、検出された各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸、ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑに変換する。電流指令生成部３４からの目標となる電流指令（ｄ軸、ｑ軸電流）ｉｄｃｏｍ，ｉｑｃｏｍと、３相／２相変換部３６からの現在のｄ軸、ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑは、ＰＩ制御部３８に供給され、電圧ベクトルＶ（ｄ軸励磁電圧指令ｖｄ、ｑ軸トルク電圧指令ｖｑ）が算出される。ＰＩ制御部３８は、Ｐ（比例）制御、Ｉ（積分）制御などのフィードバック制御により電圧指令（モータ電圧ベクトルＶ（ｖｄ、ｖｑ））を算出する。なお、予測制御などのフィードフォワード制御を組み合わせてもよい。

算出されたモータ電圧ベクトルＶ（電圧指令ｖｄ，ｖｑ）は、分配部４０に供給される。分配部４０は、モータ電圧ベクトルＶ（電圧指令ｖｄ，ｖｑ）を、第１インバータ１２用の第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）（電圧指令ｖｄ１，ｖｑ１）と、第２インバータ１４用の第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）（電圧指令ｖｄ２，ｖｑ２）に分配する。なお、分配部４０の分配については後述する。

分配部４０からの電圧指令ｖｄ１，ｖｑ１は２相／３相変換部４２に供給され、ここで第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に変換されて出力され、電圧指令ｖｄ２，ｖｑ２は、２相／３相変換部４４に供給され、ここで第２インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２に変換されて出力される。なお、電流指令生成部３４、３相／２相変換部３６、ＰＩ制御部３８、分配部４０、２相／３相変換部４２，４４がモータ制御部３２に含まれる。

２相／３相変換部４２からの第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１は第１インバータ制御部４６に供給され、第２インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２は、第２インバータ制御部４８に供給される。第１インバータ制御部４６には、ロータ回転角θ、第１インバータ入力電圧ＶＨ１が供給されており、ＰＷＭキャリア（三角波）と電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の比較によって第１インバータ１２におけるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ用のスイッチング信号を生成し、これを第１インバータ１２に供給する。第２インバータ制御部４８も同様にして、第２インバータ１４におけるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ用のスイッチング信号を生成し、これを第２インバータ１４に供給する。

このようにして、制御部２４からの信号によって、第１インバータ１２、第２インバータ１４のスイッチングが制御され、これらの出力が合計され、所望の電流がモータ１０に供給される。

「スイッチング波形」
図３Ａ、図３Ｂには、第１インバータ制御部４６、第２インバータ制御部４８におけるスイッチング信号の生成について示してある。この例で、図３Ａは、上側が第１インバータ１２のｕ相上スイッチング素子のための電圧指令Ｖｕ１（破線）と三角波（実線）の比較を示し、下側が比較結果によるスイッチング波形を示している。図３Ｂは、第２インバータ１４のｕ相下スイッチング素子についてのもので、図３Ａと同一の波形になっている。このようなスイッチングによって第１インバータ１２のｕ相上スイッチング素子から、モータ１０のｕ相コイル１０ｕを介し、第２インバータ１４のｕ相下スイッチング素子に電流が流れる。なお、第２インバータ１４のｕ相上スイッチング素子、第１インバータ１２のｕ相下スイッチング素子のスイッチング波形は、基本的に図３Ａ、図３Ｂと１８０°位相が異なっており、ｕ相コイル１０ｕに位相が１８０°異なり反対方向の電流が流れる。また、モータ１０のｕ相コイル１０ｕ、ｖ相コイル１０ｖ、ｗ相コイル１０ｗに互いに１２０°位相が異なる電流が流れるように、第１インバータ１２、第２インバータ１４のスイッチングが制御される。なお、この例は、電圧指令値が継続して三角波を上回る期間が存在し、過変調ＰＷＭ制御になっている。

「モータ電圧、電流」
図４の上段には、モータ１０の１相に対する印加電圧、下段には、モータ電流（相電流）を示してある。モータ１０の各相に印加される電圧は、モータ１０の作り出す誘起電圧（逆起電圧）、第１および第２インバータ１２，１４の出力電圧（スイッチング素子のオンオフにより出力される電圧）から形成される。すなわち、図３Ａおよび図３Ｂに示すようなスイッチング信号によって、第１インバータ１２、第２インバータ１４のスイッチング素子がオンオフされ、第１インバータ１２から第２インバータ１４に流れる電流のための一方向の電圧がモータ１０の１相に印加されるとともに、位相が反対の信号によって第２インバータ１４から第１インバータ１２に流れる電流のための他方向の電圧がモータ１０の１相に印加される。そして、相電流は、印加される電圧に依存するため、図４の上段に示すような電圧印加によって、モータ１０の１相において、図４の下段に示すような相電流が流れる。

「２つのインバータにおける出力の分配」
図２における分配部４０は、上位の制御部である車両制御部３０から供給される各種情報（分配用情報）や、第１および第２インバータ１２，１４の動作状態を示すインバータ情報などに基づいて、モータ電圧ベクトルＶ（ｖｄ，ｖｑ）を、第１および第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）に分配する。この分配は、モータ電圧ベクトルを維持しつつ、２つのインバータ電圧ベクトルに分配することで、大きさの変更、位相の変更、正負の変更を含む。

「出力の分配比率の変更」
このモータ電圧ベクトルＶの分配について図５〜図８を参照して説明する。図５は、１インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶを説明する図であり、図６〜図８は、２インバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの分配例を示す図である。図６〜図８において、太実線は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を、太破線は、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）を示している。また、図５〜図８では、ベクトルが重なる場合には、適宜ずらして、見やすくしている。

図５には、１つのインバータによる通常のモータ駆動の際の電圧、電流のベクトル制御について示してある。モータの出力要求に応じて、モータ電圧ベクトルＶ（ｄ軸電圧ｖｄ、ｑ軸電圧ｖｑ）、モータ電流ベクトルＩ（ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ）が決定される。そして、モータ電圧×モータ電流が出力（電力）になる。

ここで、本例のシステムでは、第１インバータ１２、第２インバータ１４の２つのインバータを有している。従って、２つのインバータからの出力を均等にしないこともできる。図６では、第１インバータ１２の出力についての電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）（第１インバータ電圧ベクトル）と、第２インバータの出力についての電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）（第２インバータ電圧ベクトル）について、その位相は変更せず、大きさを異ならせている。この場合、モータ１０の出力（電力）に変化はないが、第１インバータ１２と、第２インバータ１４におけるスイッチング信号の形状（波形）が変化する。なお、第１および第２インバータ１２，１４の出力のｄ軸成分をｖｄ（ＩＮＶ１），ｖｄ（ＩＮＶ２）とすると、ｄ軸成分ｖｄ＝ｖｄ（ＩＮＶ１）＋ｖｄ（ＩＮＶ２）であり、ｑ軸成分ｖｑ＝ｖｑ（ＩＮＶ１）＋ｖｑ（ＩＮＶ２）である。

図６に示すように、２つのインバータ出力である、電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）の位相を維持しつつ、分配の比率を変更することで、スイッチング信号の波形が変化する。従って、モータ１０への相電圧の形状が変化し、またスイッチング回数が増減しパルス幅も変化する。

また、第１および第２インバータ１２，１４における出力や、損失も変化し、第１および第２インバータ１２，１４において発生する熱も変化する。さらに、相電圧の形状が変化すると、相電流の形状も変化することになり、発生する音、電池電流も変化する。

このように、モータ電圧ベクトルについて、第１および第２インバータ１２，１４の電圧ベクトルに任意の比率で分配することで、システムに対する要求に応えることが可能となる。

ここで、モータ電圧ベクトルＶの分配態様は、必要に応じて、適宜、変更してもよい。例えば、力行状態（エネルギー消費状態）において、第１および第２インバータ１２，１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１），Ｖ（ＩＮＶ２）の位相を維持しつつその大きさを変更してもよい。この場合、図７Ａに示すように、第１および第２インバータ１２，１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１），Ｖ（ＩＮＶ２）の大きさを同一とし、等分に分配してもよい。この形態は、第１インバータ１２および第２インバータ１４の負担がほぼ等しくなる。したがって、これは、二つの電池１８，２２および二つのインバータ１２，１４の状態（ＳＯＣ，温度等）がほぼ同じ場合に適している。

また、一方の電圧ベクトルＶを、他方の電圧ベクトルＶよりも大きくしてもよい。例えば、図６に示すように、第１インバータ１２の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を大きく、第２インバータ１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）を小さくしてもよい。図６の例によれば、第１インバータ１２の負担が大きく、第２インバータ１４の負担が小さくなる。したがってこの形態は、二つの電池１８，２２およびインバータ１２，１４の状態（ＳＯＣ，温度差）に差があり、かつ、この差を解消したい場合に適している。

また、力行状態に限らず、回生状態（エネルギー回収状態）でも、同様に、モータ電圧ベクトルＶを分配する。図７Ｂには、回生状態（エネルギー回収状態）において、第１および第２インバータ１２，１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１），Ｖ（ＩＮＶ２）の位相を維持しつつ、その大きさを変更した場合が示してある。

また、モータ電圧ベクトルＶは変更せずに、第１および第２インバータ１２，１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）のいずれかの正負を変更することも可能である。例えば、図８Ａに示すように、電圧ベクトルＶに対し、第１インバータ１２の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を所定量大きくし、その分第２インバータ１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）を回生側にしてもよい。これによって、２つのインバータの一方では、エネルギー消費状態、他方ではエネルギーの流入状態となる。かかる形態とすることで、電圧ベクトルＶ（力行状態）は変更することなく、一方の電池の電力で、他方の電池を充電することができる。

また、第１インバータ１２の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）および第２インバータ１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）の位相を互いに異ならせてもよい。例えば、図８Ｂに示すように、第１インバータ１２の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）をｑ軸電圧のみ、第２インバータ１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）をｄ軸電圧のみとしてもよい。また、この例に限らず、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）と、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）の加算ベクトルが、モータ電圧ベクトルＶと一致するのであれば、両インバータ電圧ベクトルの位相は、自由に変更されてもよい。両インバータ電圧ベクトルの位相を異ならせることで、２つのインバータからの出力における力率が変更される。

「外部充電」
第１電池１８，第２電池２２は、充電器２５を介して供給される外部電力により充電可能となっている。モータ制御部３２は、図示しない上位制御装置から、第１電池１８の外部充電が指示された場合、第１インバータ１２および第２インバータ１４の双方をシャットダウン（全アームオフ）したうえで、充電器２５と第１電池１８の間に介在するリレー２６をオンする。これにより、充電器２５を介して、外部電力が、第１電池１８に送電され、第１電池１８が外部充電される。

一方、上位制御装置から、第２電池２２の外部充電が指示された場合、モータ制御部３２は、第１インバータ１２および第２インバータ１４を制御して、モータ１０を静止させた状態で、外部電力または外部電力で充電された第１電池１８の電力を、第１インバータ１２から出力し、さらに、この電力を前記モータ１０および前記第２インバータ１４を介して、前記第２電池２２に送電する。すなわち、第１インバータ１２、モータ１０のコイル、第２インバータ１４を介して、電力が第２電池２２に送電される。

このようにインバータ１２，１４、モータ１０を介して、第２電池２２に送電することで、１つの充電器２５で二つの電池１８，２２を充電できる。その結果、充電器２５およびこれに接続する充電口の個数を低減でき、コストを低減できる。なお、各電池１８，２２ごとに充電口および充電器２５を設けることも考えられるが、この場合、外部充電する電池１８，２２を切り替えるたびに、充電口に挿し込まれた充電プラグを、別の充電口に挿し替える必要があった。こうした充電プラグの挿し替えは、手間であり、また、夜間に充電を完了できないといった利便性の問題があった。一方、本例のように、１つの充電器２５で二つの電池１８，２２を充電できるようにすれば、こうした充電プラグの挿し替えが不要となり、利便性を向上できる。

ここで、第２電池２２の外部充電の方式としては、第２インバータ１４をシャットダウンさせるシャットダウン方式と、第２インバータ１４を回生駆動させる回生方式と、がある。はじめに、シャットダウン方式について説明する。

「シャットダウン方式での外部充電」
シャットダウン方式で第２電池２２を外部充電する場合には、第２インバータ１４は、全アームをオフにしたシャットダウン状態にする。また、第１インバータ１２は、モータ１０のｑ軸電流ｉｑがゼロ、ｄ軸電流ｉｄが一定値（ゼロ以外）となるように力行駆動される。

トルク電流であるｑ軸電流ｉｑがゼロとなることで、モータ１０の出力トルクもゼロとなり、モータ１０は、静止した状態を維持する。また、第１インバータ１２からの電流は、モータ１０のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗを経た後、第２インバータ１４の整流素子（例えば逆流ダイオード）を介して第２電池２２へ流れる。これにより、第１電池１８または充電器２５からの電力が、第２電池２２に送電され、第２電池２２が充電される。なお、このシャットダウン方式の外部充電は、電力供給側（第１電池１８または充電器２５）の電位が、受電側（第２電池２２）の電位よりも高くなければならない。

次に、図２を参照して、シャットダウン方式での外部充電の制御の流れをより具体的に説明する。電流指令生成部３４は、車両制御部から第２電池２２の外部充電を指示されると、モータ１０の電流指令として、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍ＝Ｉａ、ｑ軸電流ｉｑｃｏｍ＝ｉｑｃｏｍ＝０を出力する（なお、Ｉａ≠０）。なお、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍの値Ｉａは、第２電池２２の状態（例えば許容できる最大入力電力値、ＳＯＣなど）や、外部電力（外部電力装置の最大出力電力値など）の状態などに応じて設定すればよい。

電流指令生成部３４から電流指令が出力されると、ＰＩ制御部３８は、通常の制御と同様に、モータベクトル電圧Ｖ（ｖｄ，ｖｑ）を算出する。分配部４０は、このモータ電圧ベクトルＶを、第１、第２インバータ１２，１４に分配する。第２電池２２を外部充電するとき、第２インバータ１４は、シャットダウンするため、モータ電圧ベクトルＶは、第１インバータ１２が１００％、第２インバータ１４が０％となる比率で分配される。分配部４０は、この分配結果に応じた第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を２相／３相変換部４２に出力する。また、分配部４０は、第２インバータ１４のシャットダウンの指令を２相／３相変換部４４に出力する。

２相／３相変換部４２は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）に応じた電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を出力し、第１インバータ制御部４６は、この電圧指令に応じたスイッチング信号を生成し、第１インバータ１２を駆動させる。また、分配部４０から出力されたシャットダウン指令は、２相／３相変換部４４を経て、第２インバータ制御部４８に送られる。第２インバータ制御部４８は、このシャットダウン指令に従い、第２インバータ１４の全アームをオフにして、第２インバータ１４をシャットダウンさせる。こうした制御の結果、第２電池２２に電力が送られる。

図９は、シャットダウン式で第２電池２２を外部充電した際の電流指令（２相表現）、モータ電流（３相表現）、インバータ電力の一例を示す図である。図９の例では、電流指令は、ｑ軸電流ｉｑｃｏｍ＝０、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ＝Ｉａとなっている。これにより、モータ１０の発生トルクはゼロとなり、モータ１０の回転数もゼロとなる。回転数がゼロのため、モータ１０の各相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、ロック電流（直流）となる。

第１インバータ１２は、ｉｑｃｏｍ＝０、ｉｄｃｏｍ＝Ｉａを満たすように駆動されることで、出力電力が正の値をとる、力行状態（エネルギー消費状態）となる。一方、第２インバータ１４は、整流素子を通じて電流が流れ込むため、出力電力が負の値をとる、回生状態（エネルギー回収状態）となり、第２電池２２が充電される。

「回生方式での外部充電」
回生方式で第２電池を外部充電する場合には、モータ１０のｑ軸電流ｉｑがゼロ、ｄ軸電流ｉｄが一定値（ゼロ以外）となるように、第１インバータ１２を力行駆動し、第２インバータ１４を回生駆動する。具体的に説明すると、ｉｑ＝０、ｉｄ＝Ｉａの場合（なおＩａ≠０）、モータ電圧ベクトルＶは、ｖｑ＝０、ｖｄ＝Ｖａとなる（なおＶａ≠０）。分配部４０は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）と第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）の合成ベクトルが、モータ電圧ベクトルＶと等しく、かつ、第１インバータ１２の電力がプラス（力行）、第２インバータの電力がマイナス（回生）となるように、モータ電圧ベクトルＶを分配する。

図１０は、回生方式で第２電池２２を外部充電した際のモータ電圧ベクトルＶの分配の一例を示す図である。なお、図１０では、重なっているベクトルを、適宜ずらして、見やすくしている。上述したとおり、回生方式の外部充電では、電流ベクトルＩは、ｑ軸成分（ｑ軸電流）がゼロであり、ｄ軸成分（ｄ軸電流）が一定値となる。また、モータ電圧ベクトルＶも、ｑ軸成分（ｑ軸電圧）が、ゼロであり、ｄ軸成分（ｄ軸電圧）が、一定値となる。

第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）は、図１０に示す通り、モータ電圧ベクトルＶと、同一位相かつモータ電圧ベクトルＶよりも大きくする。第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）の位相と１８０度反転している。また、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）の大きさは、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）の大きさから、モータ電圧ベクトルＶの大きさを引いた値となっている。これにより、第１インバータ１２は、力行状態となり、第２インバータ１４は、回生状態となる。なお、この回生方式の場合、電力供給側（第１電池１８または充電器２５）の電位が、受電側（第２電池２２）の電位よりも低くても、充電が可能となる。

次に、図２を参照して、回生方式で第２電池２２を外部充電する際の制御の流れをより具体的に説明する。電流指令生成部３４は、車両制御部３０から第２電池２２の外部充電が指示されると、モータ１０の電流指令として、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍ＝Ｉａ、ｑ軸電流ｉｑｃｏｍ＝０を出力する（なお、Ｉａ≠０）。

電流指令生成部３４から電流指令が出力されると、ＰＩ制御部３８は、通常の制御と同様に、モータベクトル電圧Ｖ（ｖｄ，ｖｑ）を算出する。分配部４０は、このモータ電圧ベクトルＶを、第１、第２インバータ１２，１４に分配する。具体的には、第１インバータ１２が力行、第２インバータ１４が回生状態になるように、モータ電圧ベクトルＶを分配する。分配部４０は、この分配結果に応じた第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を２相／３相変換部４２に、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）を２相／３相変換部４４に、出力する。

各２相／３相変換部４２，４４は、インバータ電圧ベクトルに応じた電圧指令を、インバータ制御部４６，４８に出力する。各インバータ制御部４６，４８は、この電圧指令に応じたスイッチング信号を生成し、対応するインバータ１２，１４を駆動させる。

図１１は、回生方式で第２電池２２を外部充電した際の電流指令、電流指令（２相表現）、モータ電流（３相表現）、インバータ電力の一例を示す図である。図１１の例では、電流指令は、ｑ軸電流ｉｑｃｏｍ＝０、ｄ軸電流指令ｉｄｃｏｍ＝Ｉａとなっている。これにより、モータ１０の発生トルクはゼロとなり、モータ１０の回転数もゼロとなる。回転数がゼロのため、モータ１０の各相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは、ロック電流（直流）となる。

第１インバータ１２は、図１１の３段目に示す通り、その電力が正の値をとる、力行状態（エネルギー消費状態）で駆動される。第２インバータ１４は、図１１の最下段に示す通り、その電力が負の値をとる、回生状態（エネルギー回収状態）で駆動される。そして、これにより、第２電池２２が充電される。

なお、これまでの説明では、電流指令ｉｄｃｏｍ，ｉｑｃｏｍ等に基づいてＰＩ演算することで、モータ電圧ベクトルＶを算出し、さらに、このモータ電圧ベクトルＶを分配して、第１、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）を算出している。しかし、こうしたＰＩ演算を行なわず、直接、第１、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）を生成してもよい。例えば、外部充電時に第２電池２２に供給する電力（充電電力）と、第１、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１），Ｖ（ＩＮＶ２）との相関関係を記録したマップを記憶しておき、第２電池２２の充電が指示された場合は、このマップを参照して、第１、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）を直接、特定してもよい。

また、シャットダウン方式および回生方式のいずれで充電するかは、状況に応じて、適宜、切り替えてもよい。ただし、シャットダウン方式を採用したほうが、制御が容易であり、スイッチングロスを低減できるため、送電側（第１電池１８または充電器２５）の電位が、受電側（第２電池２２）の電位より高い場合には、原則、シャットダウン方式で充電するようにしてもよい。いずれにしても、本例のモータシステムによれば、１つの充電器２５で、二つの電池１８，２２を充電できる。そのため、充電器２５や充電口を複数設ける必要がないため、コストを低減できる。また、充電の途中で、充電プラグの差し替えなどが不要であるため、ユーザの利便性を向上できる。

「その他の構成」
なお、これまで説明した構成は、一例であり、モータ１０を静止させた状態で、第１インバータ１２からの電力を、第２インバータ１４を経て、第２電池に送るのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本例では、モータ１０を静止させるために、ｑ軸電流ｉｑをゼロとしているが、ｑ軸電流ｉｑは、モータ１０の静止トルク未満であれば、ゼロより大きくてもよい。また、ｑ軸電流ｉｑを制御するのではなく、モータ１０を、機械的なブレーキで静止させてもよい。

また、図２において、モータ制御部３２は、上位の制御部となる車両制御部３０と別の構成とした。しかし、車両制御部３０がモータ制御部３２の機能を実施してもよい。また、モータ制御部３２を下位のマイコンで構成してもよい。さらに、モータ制御部３２の一部または全部をハードで構成してもよい。

モータ制御部３２を複数のＣＰＵで構成することができ、この場合機能を各ＣＰＵに分けて実施するとよい。また、複数ＣＰＵで構成する場合、各ＣＰＵが処理全体を実施できるように構成してもよい。

２電源２インバータシステムで、トータル電圧に基づいて、２つのインバータを制御してもよいが、２電源２インバータシステムで、トータル電圧に基づいて、２つのＣＰＵを用いて、インバータを制御することも好適である。このような構成によれば、１つのＣＰＵが故障しても他のＣＰＵのみでモータ駆動が可能となる。

１０ モータ、１２ 第１インバータ、１４ 第２インバータ、１６，２０ コンデンサ、１８ 第１電池、２２ 第２電池、２４ 制御部、２５ 充電器、２６ リレー、３０ 車両制御部、３２ モータ制御部、３４ 電流指令生成部、３６ ３相／２相変換部、３８ ＰＩ制御部、４０ 分配部、４２，４４ ２相／３相変換部、４６ 第１インバータ制御部、４８ 第２インバータ制御部。

本明細書に開示のモータシステムは、モータと、第１電源と、第２電源と、前記第１電源の直流電力を交流電力に変換して前記モータに出力する第１インバータと、前記第２電源の直流電力を交流電力に変換して前記モータに出力する第２インバータと、前記第１電源に接続され、外部電力を供給する充電器と、前記第１インバータおよび前記第２インバータの駆動を制御して、前記モータを駆動する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外部電力で前記第２電源を充電する際には、前記モータを静止させた状態で、前記第１インバータからの電力が、前記モータおよび前記第２インバータを介して、前記第２電源に送電されるように、前記第１インバータおよび前記第２インバータを駆動する、ことを特徴とする。

Claims (4)

1. モータと、
   第１電源と、
   第２電源と、
   前記第１電源の交流電力を直流電力に変換して前記モータに出力する第１インバータと、
   前記第２電源の交流電力を直流電力に変換して前記モータに出力する第２インバータと、
   前記第１電源に接続され、外部電力を供給する充電器と、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータの駆動を制御して、前記モータを駆動する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記外部電力で前記第２電源を充電する際には、前記モータを静止させた状態で、前記第１インバータからの電力が、前記モータおよび前記第２インバータを介して、前記第２電源に送電されるように、前記第１インバータおよび前記第２インバータを駆動する、
   ことを特徴とするモータシステム。
2. 請求項１に記載のモータシステムであって、
   前記制御部は、前記第２電源を充電する際、前記モータのｑ軸電流が０となるように、前記第１インバータおよび前記第２インバータの電圧ベクトルを算出する、ことを特徴とするモータシステム。
3. 請求項１または２に記載のモータシステムであって、
   前記第２インバータは、上アームと下アームを直列接続してなる複数のレグが並列接続されており、各レグの両端は、前記第２電源に接続され、各レグの中間点が前記モータのコイルに接続されており、
   前記上アームおよび前記下アームは、いずれも、スイッチング素子と、前記スイッチング素子と並列接続されるとともに逆方向に電流を流す整流素子を有しており、
   前記制御部は、前記第２電源を充電する際、前記第１インバータを力行で駆動し、前記第２インバータをシャットダウンさせることで、前記第１インバータからの電力を、前記整流素子を介して前記第２電源に送電する、
   ことを特徴とするモータシステム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のモータシステムであって、
   前記制御部は、前記第２電源を充電する際、前記第１インバータを力行で駆動し、前記第２インバータを回生で駆動することで、前記第１インバータからの電力を前記第２電源に送電する、ことを特徴とするモータシステム。
   

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