JP2021005944A - 充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】オープン巻線に接続された２つの電圧源を適切に充電可能な充電システムを提供する。【解決手段】インバータ制御部７１は、第１スイッチング素子３１〜３６および第２スイッチング素子４１〜４６のオンオフ作動を制御する。記憶部７５は、直流電流により発生するトルクがゼロとみなせる範囲であるゼロトルク位置が、充電モード、通電相数および通電相を含む充電条件と関連付けられて記憶されている。バッテリ２１、２２は、コイル１１〜１３、第１インバータ３０および第２インバータ４０を通電経路として急速充電器１００から供給される直流電力により充電可能である。制御部７０は、ロータ１４がゼロトルク位置となるようにロータ位置を制御し、当該ゼロトルク位置と関連づけられた充電条件にて、第１バッテリ２１および第２バッテリ２２の少なくとも一方を急速充電器１００からの直流電力により充電する。【選択図】 図１

Description

本発明は、充電システムに関する。

従来、蓄電装置からの電力により走行する電動車両が知られている。例えば特許文献１では、電動機が第１巻線および第２巻線を有しており、充電時に第２巻線に印加される交流電圧によって発生するトルクを相殺するための逆トルクを発生させるような交流電圧を第１巻線に印加している。

特許第５６０１２７４号公報

しかしながら、例えば、オープン巻線化されたコイルの両側に、それぞれインバータおよび電源を有する構成において、逆トルクを発生させることができず、特許文献１の手法では、充電中のゼロトルクを担保することができない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オープン巻線に接続された２つの電圧源を適切に充電可能な充電システムを提供することにある。

本発明の充電システムは、回転電機（１０）と、角度センサ（１５）と、第１インバータ（３０）と、第２インバータ（４０）と、制御部（７０）と、を備える。回転電機は、複数相のコイル（１１、１２、１３）、および、コイルへの通電により回転するロータ（１４）を有する。角度センサは、ロータの回転位置であるロータ位置を検出する。

第１インバータは、第１スイッチング素子（３１〜３６）を有し、コイルの一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（２１）に接続される。第２インバータは、第２スイッチング素子（４１〜４６）を有し、コイルの他端（１１２、１２２、１３２）および第１電圧源とは絶縁されている第２電圧源（２２）に接続される。

制御部は、インバータ制御部（７１）、および、記憶部（７５）を有する。インバータ制御部は、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のオンオフ作動を制御する。記憶部は、直流電流により発生するトルクがゼロとみなせる範囲であるゼロトルク位置が、充電モード、通電相数および通電相を含む充電条件と関連付けて記憶されている。

第１電圧源および第２電圧源は、コイル、第１インバータおよび第２インバータを通電経路として外部充電器（１００）から供給される直流電力により充電可能である。制御部は、ロータがゼロトルク位置となるようにロータ位置を制御し、当該ゼロトルク位置と関連付けられた充電条件にて第１電圧源および第２電圧源の少なくとも一方を外部充電器からの直流電力により充電する。これにより、第１電圧源および第２電圧源を適切に充電することができる。

第１実施形態による充電システムを示す回路図である。 第１実施形態による並列充電を説明する説明図である。 第１実施形態による直列充電を説明する説明図である。 第１実施形態による第１バッテリの単独充電を説明する説明図である。 第１実施形態による第２バッテリの単独充電を説明する説明図である。 第１実施形態において、（ａ）が３相、（ｂ）がＵＷ相の２相、（ｃ）がＵ相の１相を用いて単独充電したときの電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態による３相単独充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態による３相単独充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態による並列充電時の相電流を説明するタイムチャートである。 第１実施形態による並列充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態による並列充電において、通電相を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態による２相充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態よる２相充電において、通電相を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態による１相充電での電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態よる１相充電において、通電相を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態において、通電相数を替えた場合の電気角とトルクとの関係を説明する説明図である。 第１実施形態による充電制御処理を説明するフローチャートである。 第１実施形態による充電制御処理を説明するフローチャートである。 第２実施形態によるバッテリ間の電位差による電流の通電経路を説明する説明図である。 第２実施形態による充電前事前処理を説明するフローチャートである。 第３実施形態による充電システムを示す回路図である。 第３実施形態によるバッテリ間の電位差による電流の通電経路を説明する説明図である。

以下、本発明による充電システムを図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態を図１〜図１８に示す。図１に示すように、充電システム１は、車両９８に搭載される。車両９８には、インレット５が設けられる。充電システム１は、インレット５を経由して外部充電器としての急速充電器１００と接続可能に設けられる。インレット５には、高電位側外部接続端子６、および、低電位側外部接続端子７が設けられる。急速充電器１００は、商用電源と比較して高電圧の直流充電器であって、車両９８の制御部７０と通信可能な外部制御部１０５を備える。

また、充電システム１は、インレット５および車載充電器８０を経由して、商用電源等である交流電源１０８と接続可能に設けられる。インレット５には、交流電源接続端子８、９が設けられる。車載充電器８０は、交流電源１０８から供給された交流電力を直流電力に変換する。

充電システム１は、回転電機としてのモータジェネレータ１０、第１電圧源としての第１バッテリ２１、第２電圧源としての第２バッテリ２２、第１インバータ３０、第２インバータ４０、急速充電用開閉器５１、５２、急速充電用給電線６１、６２、および、制御部７０等を備える。

モータジェネレータ１０は、例えば永久磁石式同期型の複数相（本実施形態では３相）の交流モータであって、図示しないステータに巻回されるＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３、ならびに、ロータ１４を有する。モータジェネレータ１０は、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する、いわゆる主機モータであり、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電する発電機としての機能を有する。以下適宜、モータジェネレータを「ＭＧ」と記載する。

ロータ１４は、コイル１１〜１３への通電により回転する。角度センサ１５は、ロータ１４の回転位置を検出する。本実施形態の角度センサ１５はレゾルバであるが、例えばロータリーエンコーダ等、レゾルバ以外のものを用いてもよい。角度センサ１５の検出値は、制御部７０に出力される。本実施形態では、角度センサ１５の検出値は、主に電気角に換算されて用いられる。

ＭＧ１０には、第１バッテリ２１および第２バッテリ２２から電力が供給される。第１バッテリ２１および第２バッテリ２２は、例えばニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充放電可能な蓄電装置である。二次電池に替えて、電気二重層キャパシタ等を用いてもよい。本実施形態では、第１バッテリ２１および第２バッテリ２２は、例えば定格電圧が３００［Ｖ］の同等の性能のものを用いるが、例えば一方に出力型のものを用い、他方に容量型のものを用いる、といった具合に、電池性能や種類が異なっていてもよい。第１バッテリ２１と第２バッテリ２２とは、絶縁されている。絶縁が確保されていれば、バッテリ２１、２２が１パッケージ化されていてもよい。第１バッテリ２１および第２バッテリ２２は、インレット５を経由して急速充電器１００および交流電源１０８により充電可能に設けられている。

第１バッテリ２１は、バッテリ記号として示す電池セルモジュール、高電位側メインリレー、および、低電位側メインリレーを有する。第２バッテリ２２は、バッテリ記号として示す電池セルモジュール、高電位側メインリレー、および、低電位側メインリレーを有する。以下適宜、メインリレーを「ＳＭＲ」とし、ＳＭＲが導通可能な状態を「ＳＭＲオン」、ＳＭＲが導通不能の状態を「ＳＭＲオフ」とする。

第１インバータ３０は、コイル１１〜１３の通電を切り替える３相インバータであって、スイッチング素子３１〜３６を有し、ＭＧ１０および第１バッテリ２１に接続される。第２インバータ４０は、コイル１１〜１３の通電を切り替える３相インバータであって、スイッチング素子４１〜４６を有し、ＭＧ１０および第２バッテリ２２に接続される。

スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６は、それぞれ、スイッチ部および還流ダイオードを有する。スイッチ部は、制御部７０によりオンオフ作動が制御される。本実施形態のスイッチ部はＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴ等、他の素子を用いてもよい。また、スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６で用いる素子が異なっていてもよい。還流ダイオードは、各スイッチ部と並列に接続され、低電位側から高電位側への通電を許容する。還流ダイオードは、例えばＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードのように内蔵されていてもよいし、外付けされたものであってもよい。また、還流できるように接続されたＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチであってもよい。

第１インバータ３０において、高電位側にスイッチング素子３１〜３３が接続され、低電位側にスイッチング素子３４〜３６が接続される。以下適宜、高電位側のスイッチング素子３１〜３３を「第１上アーム素子」、低電位側のスイッチング素子３４〜３６を「第１下アーム素子」とする。第１上アーム素子３１〜３３の高電位側を接続する第１高電位側配線３７が第１バッテリ２１の高電位側と接続され、第１下アーム素子３４〜３６の低電位側を接続する第１低電位側配線３８が第１バッテリ２１の低電位側と接続される。

Ｕ相のスイッチング素子３１、３４の接続点にはＵ相コイル１１の一端１１１が接続され、Ｖ相のスイッチング素子３２、３５の接続点にはＶ相コイル１２の一端１２１が接続され、Ｗ相のスイッチング素子３３、３６の接続点にはＷ相コイル１３の一端１３１が接続される。

第２インバータ４０において、高電位側にスイッチング素子４１〜４３が接続され、低電位側にスイッチング素子４４〜４６が接続される。以下適宜、高電位側のスイッチング素子４１〜４３を「第２上アーム素子」、低電位側のスイッチング素子４４〜４６を「第２下アーム素子」とする。第２上アーム素子４１〜４３の高電位側を接続する第２高電位側配線４７が第２バッテリ２２の高電位側と接続され、第２下アーム素子４４〜４６の低電位側を接続する第２低電位側配線４８が第２バッテリ２２の低電位側と接続される。

Ｕ相のスイッチング素子４１、４４の接続点にはＵ相コイル１１の他端１１２が接続され、Ｖ相のスイッチング素子４２、４５の接続点にはＶ相コイル１２の他端１２２が接続され、Ｗ相のスイッチング素子４３、４６の接続点にはＷ相コイル１３の他端１３２が接続される。

このように、本実施形態では、ＭＧ１０のコイル１１〜１３がオープン巻線化されており、第１インバータ３０および第２インバータ４０がコイル１１〜１３の両端に接続されている「２電源２インバータ」の電動機駆動システムとなっている。

第１コンデンサ３９は、高電位側配線３７と低電位側配線３８とに接続され、第１インバータ３０と並列に設けられる。第２コンデンサ４９は、高電位側配線４７と低電位側配線４８とに接続され、第２インバータ４０と並列に設けられる。コンデンサ３９、４９は、平滑コンデンサであり、インバータ３０、４０に印加される電圧を平滑化する。

高電位側の急速充電用開閉器５１が設けられる急速充電用給電線６１は、ＭＧ１０およびインバータ３０、４０を経由せず、第１バッテリ２１の高電位側と高電位側外部接続端子６とを直接的に接続する。また、低電位側の急速充電用開閉器５２が設けられる急速充電用給電線６２は、ＭＧ１０およびインバータ３０、４０を経由せず、第２バッテリ２２の低電位側と低電位側外部接続端子７とを直接的に接続する。開閉器５１、５２は、電流の導通および遮断を切替可能であればよく、例えば半導体リレーやメカリレー等が用いられる。

また、第１バッテリ２１は、接続線６３、６４にて車載充電器８０と接続され、第２バッテリ２２は、接続線６５、６６にて車載充電器８０と接続される。接続線６３、６５は、バッテリ２１、２２の高電位側、接続線６４、６６はバッテリ２１、２２の低電位側に接続される。接続線６３〜６６には、それぞれ、車載充電器８０とバッテリ２１、２２との断接を切り替え可能な開閉器５３〜５６が設けられる。本実施形態では、高電位側の接続線６５が車載充電器８０と開閉器５３との間にて接続線６３と接続され、低電位側の接続線６６が開閉器５４と第１バッテリ２１との間にて接続線６４と接続される。

制御部７０は、マイコン等を主体として構成され、内部にはいずれもＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部７０における各処理は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置（すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体）に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、例えばＦＰＧＡ（field-programmable gate array）のような電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

制御部７０は、インバータ制御部７１、リレー制御部７２、充電制御部７３、および、記憶部７５を有する。インバータ制御部７１は、スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６のオンオフ作動を制御する。第１インバータ３０の駆動制御に係る制御信号は、第１ドライブ回路７６を経由して第１インバータ３０に出力される。第２インバータ４０の駆動制御に係る制御信号は、第２ドライブ回路７７を経由して第２インバータ４０に出力される。インバータ３０、４０を制御するマイコンは、１つであってもよいし、インバータ３０、４０ごとに設けられていてもよい。

ここで、ＭＧ１０の駆動モードを説明する。駆動モードには、第１バッテリ２１または第２バッテリ２２の電力を用いる「片側駆動モード」、第１バッテリ２１および第２バッテリ２２の電力を用いる「両側駆動モード」が含まれ、動作点や運転条件等に応じ、片側駆動モードと両側駆動モードとを切り替える。その他の駆動モードを含んでもよい。

片側駆動モードでは、一方のインバータの上アーム素子の全相または下アーム素子の全相をオンにして中性点化し、他方のインバータを駆動要求に応じて、ＰＷＭ制御や矩形波制御等により制御する。両側駆動モードでは、ＰＷＭ制御における基本波の位相を第１インバータ３０と第２インバータ４０とで反転させる。変調率は、第１インバータ３０と第２インバータ４０とで異なっていてもよい。また、変調率を無限大と見なせば、矩形波制御であってもよい。これにより、バッテリ２１、２２が直列接続されている状態とみなすことができ、バッテリ２１、２２の電圧和に相当する電圧をＭＧ１０に印加することが可能であり、出力を高めることができる。

リレー制御部７２は、急速充電器１００を制御する外部制御部１０５からの指令に基づき、開閉器５１、５２を制御する。開閉器５１、５２は、充電開始タイミングで閉となり、充電終了タイミングで開となる。すなわち、外部接続端子６、７と直接的に接続される開閉器５１、５２は、急速充電器１００側からの指令で制御され、充電中は閉の状態が継続される。また、リレー制御部７２は、開閉器５３〜５６の開閉を制御する。

充電制御部７３は、第１バッテリ２１および第２バッテリ２２のＳＯＣ（State Of Charge）等の充電状態に係る情報を取得し、バッテリ２１、２２の充電状態を制御する。以下適宜、第１バッテリ２１のＳＯＣをＳＯＣ１、第２バッテリ２２のＳＯＣをＳＯＣ２とする。充電制御部７３は、別途のＥＣＵとして設けられていてもよい。記憶部７５には、後述するゼロトルク位置が充電条件と関連づけて記憶されている。

ところで、急速充電器１００には、例えば５００Ｖ規格のＣＨＡｄｅＭＯ（登録商標）や、１０００Ｖ規格のＣＣＳ（コンバインド・チャージング・システム）のように、複数の規格が存在する。また、バッテリ２１、２２の定格電圧を例えば３００Ｖとすると、急速充電器１００が５００Ｖ規格の場合、２電源の定格電圧の和が５００Ｖより大きく、２電源を直列で充電することができないため、並列で充電する必要がある。一方、急速充電器１００が１０００Ｖ規格であれば、２電源を直列充電可能である。また、ＳＯＣ差が大きい場合や一方のバッテリ２１、２２の充電が不要の場合、１つのバッテリ２１、２２の単独充電が必要である。本実施形態では、両側駆動モードによる高出力を実現すべく、一方のバッテリ２１、２２が枯渇するのを避け、両方のバッテリ２１、２２のＳＯＣが両側駆動可能な程度に維持されていることが望ましい。以下、急速充電器１００を用いた直流電流での充電について説明し、急速充電器１００での充電を単に「充電」という。

本実施形態では、ＭＧ１０およびインバータ３０、４０を充電電力の電力パスとして用いることで、別途の充電器等を設けることなく、単独充電、並列充電および直列充電を切り替える。これにより、バッテリ２１、２２を適切に充電可能である。なお本実施形態のＭＧ１０は主機モータであって、ＭＧ１０およびインバータ３０、４０は大出力に設計されており、輸送電力の大きい急速充電器１００による充電にも十分耐えられる。

並列充電を図２、直列充電を図３、単独充電を図４および図５に基づいて説明する。図２〜図５では、ＳＭＲ、ロータ１４および制御部７０等の一部の構成や符号の記載を省略した。充電中、開閉器５１、５２は閉であり、ＳＭＲがオンされているものとする。また、開閉器５３〜５６を開とする。

図２に示すように、並列充電を行う場合、少なくとも１相の第１上アーム素子をオン、第１上アーム素子をオンした相とは異なる少なくとも１相の第２下アーム素子をオンにする。図２の例では、Ｖ相とＷ相の第１上アーム素子３２、３３、および、Ｕ相の第２下アーム素子４４がオンされる。

破線の矢印で示すように、Ｕ相の第１下アーム素子３４の還流ダイオード、Ｕ相コイル１１、および、Ｕ相の第２下アーム素子４４のスイッチ部を電流が流れることで、第１バッテリ２１が充電される。また、一点鎖線の矢印で示すように、Ｖ相およびＷ相の第１上アーム素子３２、３３のスイッチ部、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３、ならびに、Ｖ相およびＷ相の第２上アーム素子４２、４３の還流ダイオードを電流が流れることで、第２バッテリ２２が充電される。これにより、バッテリ２１、２２を並列にて同時に充電可能である。

第２バッテリ２２の方が第１バッテリ２１より電位が低い場合、図２のように、第２バッテリ２２をＶ相およびＷ相の２相で充電し、第１バッテリ２１をＵ相の１相充電する。なお、第１バッテリ２１の方が第２バッテリ２２より電位が低い場合、第１バッテリ２１を２相、第２バッテリ２２を１相で充電する。通電相は、任意に選択可能である。

また、スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６がＭＯＳＦＥＴの場合、充電開始が確認された後、低電位側から高電位側への通電経路にあるＵ相の第１下アーム素子３４、Ｖ相の第２上アーム素子４２およびＷ相の第２上アーム素子４３をオンにして同期整流してもよい。直列充電および単独充電の場合も同様に、還流ダイオードが通電経路となるスイッチ部をオンにしてもよい。これにより、導通損を低減可能である。

図３に示すように、直列充電を行う場合、全素子３１〜３６、４１〜４６がオフの状態で、開閉器５１、５２を閉、ＳＭＲをオンにすると、破線の矢印で示すように、第１下アーム素子３４〜３６の還流ダイオード、コイル１１〜１３、および、第２上アーム素子４１〜４３の還流ダイオードを電流が流れる。これにより、バッテリ２１、２２を直列にて同時に充電可能である。

図４に示すように、第１バッテリ２１の単独充電を行う場合、第２下アーム素子４４〜４６をオンにすると、破線の矢印で示すように、第１下アーム素子３４〜３６の還流ダイオード、コイル１１〜１３、第２下アーム素子４４〜４６のスイッチ部を電流が流れる。これにより、第１バッテリ２１を単独充電することができる。

図５に示すように、第２バッテリ２２の単独充電を行う場合、第１上アーム素子３１〜３３をオンにすると、破線の矢印で示すように、第１上アーム素子３１〜３３のスイッチ部、コイル１１〜１３、および、第２上アーム素子４１〜４３の還流ダイオードを電流が流れる。これにより、第２バッテリ２２を単独充電することができる。図４および図５では、バッテリ２１、２２の単独充電を行う場合、高電位側から低電位側への通電となる３相のスイッチング素子をオンしているが、オンする相数は、１相または２相でもよい。

すなわち、バッテリ２１、２２の充電に際し、充電モードは、並列充電モード、直列充電モードまたは単独充電モードの３通りがあり、通電経路となる通電相数は、３相、２相または１相の３通りがある。詳細には、充電モードが並列充電モードのとき、通電相数として３相または２相を選択可能であり、単独充電モードのとき３相、２相または１相を選択可能である。なお、直列充電モードの通電相数は３相である。

本実施形態では、オープン巻線の２電源２インバータシステムにおいて、コイル１１〜１３およびインバータ３０、４０を通電経路として直流充電を行う。ここで、充電電流によりトルクが発生すると、モータジェネレータ１０が回転する虞がある。

発明者らは、オープン巻線の２電源２インバータシステムにおいて、充電モードおよび通電相数に応じ、充電電流値によらず、ある電気角にてトルクがゼロになることを見出した。以下、トルクがゼロになる電気角を「ゼロトルク点」とし、ゼロトルク点を含み、トルクゼロとみなせる角度範囲を「ゼロトルク位置」とする。ゼロトルク位置にロータ１４を止めた状態にて充電を行えば、発生するトルクはゼロになる。すなわち、ロータ位置をゼロトルク位置とし、電気角に応じて充電モード、通電相数および通電相を選択することで、モータジェネレータ１０を回転させることなく直流充電が可能となる。ゼロトルク位置は、充電モードおよび通電相数と関連付けて、制御部７０の記憶部７５に記憶されている。

以下、ゼロトルク位置の詳細を説明する。図６は、（ａ）が３相、（ｂ）がＵＷ相を用いた２相、（ｃ）がＵ相を用いた１相にて、第２バッテリ２２の単独充電を行う例であり、横軸を電気角、縦軸をトルクとする。図７等も同様である。図６では、急速充電器１００からの供給電流を一定（例えば４００［Ａ］）とする。

図６（ａ）に示すように、３相を用いた単独充電を行う場合、電気角１周期に１２箇所のゼロトルク位置が存在する。図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＵＷ相を用いた２相での単独充電を行う場合、および、Ｕ相を用いた１相での単独充電を行う場合、電気角１周期に２箇所のゼロトルク位置が存在する。なお、説明の都合上、縦軸の目盛りは通電相数によって変えており、実際に発生するトルクは、１相通電が最も大きく、次いで２相通電であり、３相通電が最も小さい。

図７では、３相での単独充電について、実線は相対的に電流値が大きい場合、破線は相対的に電流値が小さい場合を示している。電気角に応じたトルク変動波形を重ね合わせると、電流値に応じて概ね相似であって、電流値によらず、ゼロトルク位置は概ね固定の電気角に存在する。

図８は、３相での単独充電において、電流値を変化させた場合を示しており、上段は電流値が比較的大きいとき（例えば１相あたり１３３［Ａ］）、中段は電流値が中程度のとき（例えば１相辺り８２［Ａ］）、下段は電流値が比較的小さいとき（例えば１相あたり８［Ａ］）とする。なお、モータ視点でいえば、単独充電でも直列充電でも、発生するトルクは同じであるので、ここでは単独充電を例として説明する。

図８に示すように、ゼロトルク位置には、電流値によらない「固定ゼロトルク位置」、および、電流値によって位置が多少変動する「ゼロトルク収束領域」が含まれる。図中、固定ゼロトルク位置を実線の丸印、ゼロトルク収束領域を破線の丸印または長円印にて示す。

固定ゼロトルク位置は、モータジェネレータ１０の構造的に、必ず、電気角０、６０、１２０、１８０、２４０、３００［ｄｅｇ］の６点に存在する。なお、固定ゼロトルク位置は、上記の電気角を含み、トルクゼロとみなせる程度の範囲とする。ここで、実用上、充電中に車両９８が動かなければよいとすれば、車両９８の動き出しに要するトルク（例えば４０［Ｎｍ］）より小さい範囲を「ゼロトルク」とみなす。なお、ゼロトルク位置の設定に係る閾値は、モータジェネレータ１０の極数やコイル１１〜１３の巻数、および、車両重量等に応じ、車両９８の動き出しに要するトルクより小さい任意の値に設定可能である。また、通電相数に応じて、ゼロトルク位置に係る閾値を異なる値としてもよい。固定ゼロトルク位置の両側のトルクの向きは、ゼロトルク点から離れる向きである。

ゼロトルク収束領域は、固定ゼロトルク位置の間に存在し、電気角１周期に６箇所存在する。ゼロトルク収束領域におけるゼロトルク点は、電流値によって変動する。また、ゼロトルク収束領域は、ゼロトルク点の両側のトルクの向きは、ゼロトルク点に戻そうとする向きである。本実施形態では、電流値によらず、発生するトルクによりゼロトルク点に戻せる範囲をゼロトルク収束領域とする。

ゼロトルク収束領域は、電流値によって位置がずれるため、充電中の電流変動により位置がずれる可能性がある。一方で、ゼロトルク収束領域は電気角１周期中に６箇所存在しており、例えばモータジェネレータ１０が４極対、車両９８の図示しない車軸までの減速比が１０の場合、車軸の１回転にゼロトルク収束領域が２４０箇所存在する。とすれば、ゼロトルク収束領域はタイヤの回転角としては１．５［ｄｅｇ］間隔で存在し、その範囲内で多少ずれたとしても、ユーザには違和感を与えない蓋然性が高い。

次に、並列充電について説明する。ここでは、第１バッテリ２１を１相、第２バッテリ２２を２相で充電するものとして説明する。図９および図１０は、第１バッテリ２１をＷ相、第２バッテリ２２をＵ相およびＶ相で充電する例である。図９は、横軸を時間、縦軸を相電流とする。図９に示すように、Ｗ相には、Ｕ相およびＶ相の約２倍の電流が流れる。

図１０は、並列充電において、電流を計時変化させた場合を示しており、（ａ）は図９の時刻ｘ１、（ｂ）は時刻ｘ２、（ｃ）は時刻ｘ３、（ｄ）は時刻ｘ４、（ｅ）は時刻ｘ５のときの電気角に応じたトルクを示している。図１０に示すように、並列充電において、電流値によらず、ゼロトルク位置は電気角１周期に２箇所存在する。第１バッテリ２１をＷ相、第２バッテリ２２をＵ相およびＶ相で充電する場合、固定ゼロトルク位置は６０、２４０［ｄｅｇ］である。

図１１は、並列充電において、通電相を替えた場合の電気角に応じたトルクを示している。第１バッテリ２１をＷ相、第２バッテリ２２をＵ相およびＶ相で充電した場合を四角のプロット、第１バッテリ２１をＵ相、第２バッテリ２２をＶ相およびＷ相で充電した場合を三角のプロット、第１バッテリ２１をＶ相、第２バッテリ２２をＵ相およびＷ相で充電した場合を菱形のプロットで示した。また、単独または直列３相充電を丸のプロットおよび一点鎖線で示した。

並列充電において、通電相を替えた場合、位相はずれるものの、トルク特性波形は同様となる。ここでは、急速充電器１００からの供給電流が４００［Ａ］の場合を示しているが、供給電流が小さい場合であっても同様である。第１バッテリ２１をＵ相、第２バッテリ２２をＶ相およびＷ相で充電する場合、固定ゼロトルク位置は０、１８０［ｄｅｇ］となり、第１バッテリ２１をＶ相、第２バッテリ２２をＵ相およびＷ相で充電する場合、固定ゼロトルク位置は１２０、３００［ｄｅｇ］となる。すなわち、３相を用いて充電する場合、単独充電、直列充電および並列充電において、固定ゼロトルク位置は、電気角０、６０、１２０、１８０、２４０、３００［ｄｅｇ］の６箇所である。

２相を用いて単独充電または並列充電を行う場合を図１２および図１３に示す。なお、直列充電はダイオード通電となり、オンオフ制御ができないため、２相通電および１相通電を実施できない。以下、２相を用いた単独充電または並列充電を、単に「２相充電」とする。２相充電では、充電方式の単独または並列によらず、充電時に発生するトルクパターンは同じである。

図１２は、ＵＶ相を用いた２相充電において、電流値を変化させた例であって、電流値が相対的に大きい場合（例えば各相２００［Ａ］）を実線、電流値が中程度の場合（例えば各相１００［Ａ］）を一点鎖線、電流値が相対的に小さい場合（例えば各相５０［Ａ］）を二点鎖線で示す。図１２に示すように、ゼロトルク位置は、電流値によらず電気角１周期の２箇所の電気角に存在する。

図１３は、２相充電において、通電相を替えた場合の電気角に応じたトルクを示している。ここでは、ＵＶ相を用いて充電する場合を菱形のプロット、ＶＷ相を用いて充電する場合を四角のプロット、ＷＵ相を用いて充電する場合を三角のプロットで示した。２相充電では、電気角で０（＝３６０）、６０、１２０、１８０、２４０、３００［ｄｅｇ］の６箇所がゼロトルク点であり、この６点を含む６箇所が固定ゼロトルク位置となる。そのうち、０（＝３６０）、１２０、２４０を含む３つの範囲がゼロトルク収束領域である。２相充電におけるゼロトルク収束領域は、３相通電でのゼロトルク収束領域と比較して相対的に広い角度範囲に亘る。そのため、ゼロトルク位置範囲にロータ１４を停止させるための余裕度が３相通電よりも高い。

１相を用いて単独充電を行う場合を図１４および図１５に示す。１相での充電が可能な充電モードは単独充電であり、以下、１相を用いた単独充電を、単に「１相充電」という。図１４は、Ｕ相を用いた１相充電において、電流値を変化させた例であって、電流値が相対的に大きい場合（例えば４００［Ａ］）を実線、電流値が中程度の場合（例えば３００［Ａ］）を一点鎖線、電流値が相対的に小さい場合（例えば５０［Ａ］）を二点鎖線で示す。図１４に示すように、ゼロトルク位置は、電流値によらず電気角１周期の２箇所の電気角に存在する。

図１５は、１相充電において、通電相を替えた場合の電気角に応じたトルクを示している。ここでは、Ｕ相を用いて充電する場合を菱形のプロット、Ｖ相を用いて充電する場合を四角のプロット、Ｗ相を用いて充電する場合を三角のプロットで示した。１相充電では、電気角で０（＝３６０）、６０、１２０、１８０、２４０、３００［ｄｅｇ］の６箇所がゼロトルク点であり、この６点を含む６箇所が固定ゼロトルク位置となる。そのうち、６０、１８０、３００［ｄｅｇ］を含む３つの範囲がゼロトルク収束領域である。１相充電におけるゼロトルク収束領域は、２相充電でのゼロトルク収束領域よりも、さらに広い角度範囲に亘る。そのため、ゼロトルク位置範囲にロータ１４を停止させるための余裕度が高い。

図１６は、上段が３相での単独または直列充電、中段が２相充電、下段が１相充電のときのトルクを示している。なお、同一の電流を流したとき、発生するトルクは、１相＞２相＞３相であるが、ここでは説明のため、適宜比率を変更して記載した。ここで、３相での単独または直列充電におけるゼロトルク収束領域を、電気角が小さい側からＣ３１〜Ｃ３６、２相充電におけるゼロトルク収束領域を、電気角が小さい側からＣ２１〜Ｃ２３、１相充電におけるゼロトルク収束領域を、電気角が小さい側からＣ１１〜Ｃ１３とする。

図１６に示すように、３相単独または直列充電時のゼロトルク収束領域Ｃ３１〜Ｃ３６は、相対的に小さく、かつ、電気角１周期に不均等に分布している。詳細には、領域Ｃ３１と領域Ｃ３２との間、領域Ｃ３３と領域Ｃ３４との間、領域Ｃ３５と領域Ｃ３６との間が相対的に狭く、領域Ｃ３２と領域Ｃ３３との間、領域Ｃ３４と領域Ｃ３５との間、領域Ｃ３６と領域Ｃ３１との間が相対的に広い。

また、２相充電のゼロトルク収束領域Ｃ２１〜Ｃ２３は、３相単独または直列充電時において、相対的に間隔が広い領域Ｃ３２と領域Ｃ３３との間、領域Ｃ３４と領域Ｃ３５との間、領域Ｃ３６と領域Ｃ３１との間を補う電気角領域に存在している。さらにまた、１相充電でのゼロトルク収束領域Ｃ１１〜Ｃ１３は、角度範囲が広いため、制御の余裕度が高い。

そこで本実施形態では、上記にて説明したゼロトルク位置の特性を考慮して通電相および充電モードを選択し、ゼロトルク位置にてロータ１４を止めて充電することで、充電中にモータジェネレータ１０を回転させることなく、モータジェネレータ１０およびインバータ３０、４０を通電経路としてバッテリ２１、２２を充電する。

本実施形態の充電制御処理を図１７および図１８のフローチャートに基づいて説明する。この処理は、車両９８の停止中に制御部７０にて所定の周期で実行される。以下、ステップＳ１０１の「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」と記す。また、ここでは、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の少なくとも一方が充電上限値ＴＨ１より低く、充電が必要な状態であるものとして説明する。充電上限値ＴＨ１は、急速充電にて充電可能な上限値（例えば８０％）に設定される。

Ｓ１０１にて、シフトレンジがＰレンジとなる、または、パーキングブレーキが作動し、車両９８が充電可能状態になると、Ｓ１０２にて、制御部７０は、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の一方が充電上限値ＴＨ１より大きいか否か判断する。ＳＯＣ１およびＳＯＣ２がいずれも充電上限値ＴＨ１未満であると判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、すなわちバッテリ２１、２２の両方の充電が必要である場合、図１８中のＳ１１３へ移行する。ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の一方が充電上限値ＴＨ１より大きいと判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、Ｓ１０３へ移行する。Ｓ１０２にて肯定判断された場合、ＳＯＣが充電上限値ＴＨ１未満のバッテリの単独充電とする。ここでは、ＳＯＣ１が充電上限値ＴＨ１より大きく、ＳＯＣ２が充電上限値ＴＨ１未満であって、第２バッテリ２２を単独充電する場合を例として説明する。

Ｓ１０３では、制御部７０は、低い方のＳＯＣであるＳＯＣ２が大電流充電要求値ＴＨ２より小さいか否か判断する。大電流充電要求値ＴＨ２は、充電上限値ＴＨ１より小さい任意の値であって、充電による損失や発生する熱に応じて設定される。すなわち、ＳＯＣが大電流充電要求値ＴＨ２より小さい場合（例えばＳＯＣ＝１０％）、大電流での充電となるため、１相充電を選択不可とする。また、ＳＯＣが大電流充電要求値ＴＨ２以上の場合（例えばＳＯＣ＝７０％）、小電流での充電となるため、１相充電を選択可能とする。なお、大電流充電要求閾値を２つ設定し、３相を選択する場合、２相または３相を選択する場合、および、１〜３相のいずれかを選択する場合の３段階としてもよい。ＳＯＣ２が大電流充電要求値ＴＨ２より低いと判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、Ｓ１０４へ移行し、ＳＯＣ２が大電流充電要求値ＴＨ２以上であると判断された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、Ｓ１０７へ移行する。

Ｓ１０４では、制御部７０は、ロータ１４の現在位置を検出する。Ｓ１０５にて充電コネクタが接続されると、Ｓ１０６にて、制御部７０は、単独３相通電または単独２相通電のゼロトルク位置のうち、現在のロータ位置から最も近い箇所を選定し、目標ロータ位置とする。この段階で、単独充電での通電相数および充電に用いる通電相が確定する。

Ｓ１０７では、制御部７０は、ロータ１４の現在位置を検出する。Ｓ１０８にて充電コネクタが接続されると、Ｓ１０９にて、制御部７０は、単独３相、単独２相または単独１相のゼロトルク位置のうち、現在のロータ位置から最も近い箇所を選定し、目標ロータ位置とする。この段階で、単独充電での通電相数および充電に用いる通電相が確定する。なお、単独３相のゼロトルク位置は、単独３相のゼロトルク位置に含まれるため、単独３相が選択可能な場合は、優先的に単独３相を選択するようにしてもよい。

Ｓ１１０では、制御部７０は、Ｓ１０６またはＳ１０９にて設定された目標ロータ位置となるように、ロータ１４の位置を移動させる。Ｓ１１１では、制御部７０は、Ｓ１０６またはＳ１０９にて確定した通電相数および通電相となるように、スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６のオンオフ作動を制御し、第２バッテリ２２を充電する。

Ｓ１１２では、制御部７０は、第２バッテリ２２の充電が完了したか否か判断する。ここでは、ＳＯＣが充電上限値ＴＨ１に達した場合、充電が完了したと判定する。他の充電完了判定ステップについても同様である。第２バッテリ２２の充電が完了していないと判断された場合（Ｓ１１２：ＮＯ）、Ｓ１１１へ戻り、充電を継続する。第２バッテリ２２の充電が完了したと判断された場合（Ｓ１１２：ＹＥＳ）、充電を終了する。

バッテリ２１、２２の両方の充電が必要である場合に移行する図１８中のＳ１１３では、制御部７０は、ロータ１４の現在位置を検出する。Ｓ１１４では、充電コネクタが接続されると、直列充電が可能か否か判断する。直列充電が可能であると判断された場合（Ｓ１１４：ＹＥＳ）、Ｓ１１５へ移行し、直列充電ができないと判断された場合（Ｓ１１４：ＮＯ）、Ｓ１２２へ移行する。接続された急速充電器１００の電圧に応じて直列充電可能か否かが決まるが、例えば、急速充電器１００がＣＣＳであれば肯定判断し、ＣＨＡｄｅＭＯであれば否定判断する、といった具合に、接続された急速充電器１００の規格により判断してもよい。Ｓ１１４で肯定判断された場合、直列充電にて２電源を同時充電し、Ｓ１１４で否定判断された場合、並列充電にて２電源を同時充電する。

Ｓ１１５では、制御部７０は、直列３相通電のゼロトルク位置のうち、現在のロータ位置から最も近い箇所を選定し、目標ロータ位置とする。Ｓ１１６では、制御部７０は、設定された目標ロータ位置となるように、ロータ１４の位置を移動させる。Ｓ１１７では、制御部７０は、バッテリ２１、２２を直列充電する。

Ｓ１１８では、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の一方が充電上限値ＴＨ１以上になったか否かを判断する。なお、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２が同時に充電上限値ＴＨ１以上となった場合は充電完了とし、Ｓ１１９〜Ｓ１２１の処理は行わなくてよい。ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の両方が充電上限値ＴＨ１未満であると判断された場合（Ｓ１１８：ＮＯ）、Ｓ１１７へ戻り、３相での直列充電を継続する。ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の一方が充電上限値ＴＨ１以上になったと判断された場合（Ｓ１１８：ＹＥＳ）、Ｓ１１９へ移行し、充電を停止する。

Ｓ１２０では、制御部７０は、ＳＯＣが充電上限値ＴＨ１に達していない方のバッテリを３相通電にて単独充電すべく、スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６のオンオフ作動を制御する。ここでは、Ｓ１１７にて３相直列にて充電していたため、同じゼロトルク位置となる３相通電での単独充電とすることで、ロータ位置を動かすことなく単独充電が可能である。

Ｓ１２１では、制御部７０は、単独充電を行っているバッテリの充電が完了したか否か判断する。充電が完了していないと判断された場合（Ｓ１２１：ＮＯ）、Ｓ１２０へ戻り、充電を継続する。充電が完了したと判断された場合（Ｓ１２１：ＹＥＳ）、充電を終了する。

並列充電にて２電源を同時充電する場合に移行するＳ１２２では、制御部７０は、２相通電または３相通電での並列充電におけるゼロトルク位置のうち、現在のロータ位置から最も近い箇所を選定し、目標ロータ位置とする。この段階で、並列充電での通電相数および充電に用いる通電相が確定する。

Ｓ１２３では、制御部７０は、設定された目標ロータ位置となるように、ロータ１４の位置を移動させる。Ｓ１２４では、制御部７０は、Ｓ１２２にて確定した通電相数および通電相となるように、スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６のオンオフ作動を制御し、バッテリ２１、２２を並列充電する。

Ｓ１２５では、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の一方が充電上限値ＴＨ１以上になったか否かを判断する。なお、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２が同時に充電上限値ＴＨ１以上となった場合は充電完了とし、Ｓ１２６〜Ｓ１２８の処理は行わなくてよい。ＳＯＣ１、ＳＣＯ２の両方が充電上限値ＴＨ１未満であると判断された場合（Ｓ１２５：ＮＯ）、Ｓ１２４へ戻り、並列充電を継続する。ＳＯＣ１、ＳＯＣ２の一方が充電上限値ＴＨ１以上になったと判断された場合（Ｓ１２５：ＹＥＳ）、Ｓ１２６へ移行し、充電を停止する。

Ｓ１２７では、制御部７０は、ＳＯＣが充電上限値ＴＨ１に達していない方のバッテリを単独充電すべく、スイッチング素子３１〜３６、４１〜４６のオンオフ作動を制御する。ここでは、Ｓ１２４にて２相での並列充電をしていた場合は並列充電と同じ２相での単独充電とし、Ｓ１２４にて３相での並列充電をしていた場合は３相での単独充電とする。

Ｓ１２８では、制御部７０は、単独充電を行っているバッテリの充電が完了したか否か判断する。充電が完了していないと判断された場合（Ｓ１２８：ＮＯ）、Ｓ１２７へ戻り、充電を継続する。充電が完了したと判断された場合（Ｓ１２８：ＹＥＳ）、充電を終了する。

以上説明したように、本実施形態の充電システム１において、制御部７０は、インバータ制御部７１、および、記憶部７５を有する。インバータ制御部７１は、第１スイッチング素子３１〜３６および第２スイッチング素子４１〜４６のオンオフ作動を制御する。記憶部７５は、直流電流により発生するトルクがゼロとみなせる範囲であるゼロトルク位置が、充電モード、通電相数および通電相を含む充電条件と関連付けられて記憶されている。

バッテリ２１、２２は、コイル１１〜１３、第１インバータ３０および第２インバータ４０を通電経路として急速充電器１００から供給される直流電力により充電可能である。制御部７０は、ロータ１４がゼロトルク位置となるようにロータ位置を制御し、当該ゼロトルク位置と関連づけられた充電条件にて、第１バッテリ２１および第２バッテリ２２の少なくとも一方を急速充電器１００からの直流電力により充電する。

オープン巻線の２電源２インバータの構成であるモータジェネレータ１０に直流電流を流すと、ロータ１４が動く虞がある。ただし、直流電流の場合、交流電流のように回転磁界は発生しないため、ロータ１４が回転することはない。直流電流による磁界は一定であるので、この磁界に対してロータ１４の磁石とステータコアとが釣り合う位置であるゼロトルク位置にロータ１４が移動すると、トルクは発生しない。そこで本実施形態では、ロータ１４がゼロトルク位置にある状態にて充電を行うので、充電中にトルクが発生しない。したがって、コイル１１〜１３、第１インバータ３０および第２インバータ４０を通電経路としても、ロータ１４を動かすことなく、バッテリ２１、２２を適切に充電することができる。これにより、追加部品等を用いることなく、充電中にロータ１４が動くことにより振動や異音の発生を抑制することができる。

電気角１周期中には、複数のゼロトルク位置が存在しており、制御部７０は、複数のゼロトルク位置のうち、トルクがゼロとなるゼロトルク点の両側にて当該ゼロトルク点に向かう方向にトルクが発生するゼロトルク収束領域となるように、ロータ位置を制御する。ロータ位置がゼロトルク収束領域内であれば、ロータ位置がゼロトルク点に戻るようにトルクが発生するため、位置制御が容易である。

電気角１周期中には、複数のゼロトルク位置が存在しており、制御部７０は、複数のゼロトルク位置のうち、電流値によらず位置が固定である固定ゼロトルク位置となるように、ロータ位置を制御する。これにより、充電時に電流が変動したとしても、ロータ１４が動くことなく充電を行うことができる。なお、補足として、上述の通り、ゼロトルク収束領域は、電流値によって多少は変動するものの、車両９８を動かすほどの変動ではないため、充電中に車両９８が動くことはない。

制御部７０は、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２に応じて充電モードおよび通電相数を選択し、選択された充電モードおよび通電相数に関連づけられているゼロトルク位置のうち、充電開始前のロータ１４の停止位置から最も近いゼロトルク位置を選択してロータ位置を制御し、選択されたゼロトルク位置に対応する通電相を用いて、バッテリ２１、２２の少なくとも一方を充電する。これにより、ＳＯＣ１、ＳＯＣ２に応じた適切な充電モードにてバッテリ２１、２２を充電することができる。

第１バッテリ２１または第２バッテリ２２を単独充電する場合、充電するバッテリ２１、２２のＳＯＣに応じて通電相数を選択し、ロータ位置に応じて通電相を選択する。また、バッテリ２１、２２が並列接続しているとみなせる状態にて同時充電する場合、バッテリ２１、２２のＳＯＣおよびロータ位置の少なくとも一方に応じて通電相数を選択し、ロータ位置に応じて通電相を選択する。並列充電の場合、２相以上を選択可能である。

通電相数が多いほど相間でトルクを打ち消す成分が大きくなるため、発生するトルクが小さくなる。また、大電流での充電を行う場合、通電相数が多い方が熱や損失面で有利である。一方、通電相数が少ないほど、ゼロトルク収束領域が広くなるため、ロータ位置制御の余裕度が高まる。したがって、充電効率および制御性を考慮し、ＳＯＣに応じて適切な充電モードを選択することができる。

バッテリ２１、２２が直列接続しているとみなせる状態にて同時充電する場合、通電相数を全相とする。バッテリ２１、２２を直列充電する場合、ダイオード通電となるので、通電相数は全相となる。直列充電とすることで、高効率にバッテリ２１、２２を充電することができる。また本実施形態では、コイル１１〜１３およびインバータ３０、４０を通電経路として用いることで、バッテリ２１、２２および急速充電器１００の定格電圧に応じ、直列充電と並列充電とを切り替えることができる。

制御部７０は、バッテリ２１、２２の同時充電を行った後、バッテリ２１、２２の一方の充電が完了した場合、充電を一旦停止し、充電停止前の同時充電時と同じ通電相を用いてバッテリ２１、２２の他方を単独充電する。これにより、ロータ１４を動かすことなく同時充電から単独充電に切り替え、バッテリ２１、２２を適切に充電することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態を図１９および図２０に示す。上記実施形態では、充電開始時にロータ位置をゼロトルク位置に移動させる。本実施形態では、充電準備指示があったとき、その後の充電条件に応じたロータ位置にてロータ１４を停止させる充電前事前処理を行う。本実施形態では、特に、ゼロトルク収束領域にてロータ１４を停止させるものとして説明する。ここで、充電準備指示とは、ブレーキによる車両停止に加え、シフトレンジがＰレンジとなる、または、パーキングブレーキが作動していることで、充電準備指示があったとみなす。また、充電コネクタが接続されたとき、充電準備指示があったとするようにしてもよい。この場合、実際の充電電流が流れる前であって、車両９８の制御部７０と急速充電器１００の外部制御部１０５との通信期間を充電準備指示期間とする。

図１に示す２電源２インバータの構成において、通常の使い方をしているとすれば、バッテリ２１、２２が同電位になることはほとんどない。すなわち、２電源間に電位差がある場合がほとんどである。そこで本実施形態では、充電準備指示があったとき、充電前事前処理として、２電源間の電位差を用いて直流電流を流すことで、ロータ１４をゼロトルク位置に移動させる。このとき、図１９に示すように、開閉器５６を閉とし、接続線６６を戻り線として活用する。なお、普通充電用の開閉器５３〜５６は、車両側にて自由に開閉制御可能である。図１９および後述の図２２では、ＳＭＲ、ロータ１４および制御部７０等の一部の構成や符号の記載を省略した。

詳細には、充電準備指示があり、その後の充電処理にて３相通電での充電を行う場合であって、第１バッテリ２１の電位Ｖ１が第２バッテリ２２の電位Ｖ２より高い場合、充電前事前処理として、第１上アーム素子３１〜３３をオン、開閉器５６を閉とすることで、２電源間の電位差を用いて直流電流を流し、ロータ１４をゼロトルク位置に移動させる。第１バッテリ２１の電位Ｖ１が第２バッテリ２２の電位Ｖ２より高い場合、通電経路は図１９中にて破線の矢印で示す如くであって、第２インバータ４０側はダイオード通電となるので、第２上アーム素子４１〜４３をオンしなくてよい。

また、充電準備指示があり、その後の充電処理にて３相通電での充電を行う場合であって、第２バッテリ２２の電位Ｖ２が第１バッテリ２１の電位Ｖ１より高い場合、充電前事前処理として、第２上アーム素子４１〜４３をオン、開閉器５６を閉とすることで、２電源間の電位差を用いて直流電源を流し、ロータ１４をゼロトルク位置に移動させる。第２バッテリ２２の電位Ｖ２が第１バッテリ２１の電位Ｖ１より高い場合、通電経路は図１９中にて破線の矢印と同じ経路で逆向きとなり、第１インバータ３０側はダイオード通電となるので、第１上アーム素子３１〜３３をオンしなくてよい。充電前事前処理にて流れる電流値は、２電源の電位差に変わる。

また、その後の充電処理にて２相通電または１相通電での充電を行う場合、最も近いゼロトルク位置となる通電相を選定し、選定された通電相が通電経路となるように、オンにする上アーム素子３１〜３３、４１〜４３を選択する。

ここで、ゼロトルク収束領域にてロータ１４を停止させる際のロータ１４の挙動について説明する。例えば図１６の上段に示すゼロトルク収束領域Ｃ３１にてロータ１４を停止させる場合を説明する。ゼロトルク収束領域Ｃ３１のゼロトルク点は、電気角で概ね４０［ｄｅｇ］に位置する。ゼロトルク収束領域Ｃ３１におけるゼロトルク点の両側にロータ１４が位置しているとき、ゼロトルク点に向かう方向にトルクが発生する。例えばロータ１４が電気角３０［ｄｅｇ］の位置にある場合、正方向にトルクが発生し、ロータ１４を正方向に回転させるので、ゼロトルク点に向かってロータ１４が回転する、また、ロータ１４がゼロトルク点に近づくに従い、ゼロトルク点に向かうトルクは小さくなり、結果としてロータ１４はゼロトルク点にて停止する。仮に慣性で行きすぎたとしても、今度は逆向きのトルクが発生し、ロータ１４を負方向に回転させるので、ロータ１４は再びゼロトルク位置に向かい、最終的に、ロータ１４はゼロトルク点にて停止する。

また上記実施形態にて説明したように、３相通電の場合、ゼロトルク収束領域は、電流値によって多少ずれる。ここで、例えばモータジェネレータ１０が４極対、車軸までの減速比が１０の場合、電気角１０［ｄｅｇ］のずれは、タイヤ回転角として０．２５［ｄｅｇ］に相当する（式（１）参照）。これは、ギアのバックラッシュ等で吸収可能な値であり、車両としては動かない蓋然性が高い。したがって、車両挙動の面から、ゼロトルク収束領域は、電流値によらず同じとみなす。

タイヤ回転角＝電気角÷極数÷減速比 ・・・（１）
＝１０÷４÷１０
＝０．２５［ｄｅｇ］

例えば、充電のためにユーザが車両９８を停止させたとき、ロータ位置が成り行きで電気角３０［ｄｅｇ］の位置であった場合、充電開始前の事前処理として、図１９のように電流を流すことでトルクを発生させると、発生したトルクによりロータ１４は正方向に回転し、電気角約４０［ｄｅｇ］の位置にあるゼロトルク点まで回転して止まる。ここで、図５に示す３相直列または３相単独にて充電を行う場合、モータジェネレータ１０には、図１９と同様の経路の電流が流れるため、ゼロトルク位置も略同じとなる。したがって、充電中に車両９８が動くことはない。なお、第１実施形態にて説明した通り、電流値が変わっても、ゼロトルク収束領域は変わらないとみなせる。したがって、充電時に流れる電流値が、充電前事前処理の電流値と異なっていても差し支えない。

また、図１６にて説明したように、２相通電でのゼロトルク収束領域は、３相通電でのゼロトルク収束領域の間隔の広いところを補うように存在している。そのため、充電のためにユーザが車両９８を停止させたとき、成り行きで停止したロータ位置が、３相通電でのゼロトルク収束領域よりも２相通電でのゼロトルク収束領域に近い、或いは、２相通電でのゼロトルク収束領域内である場合、２相通電にて充電前事前処理を行えば、充電前事前処理におけるロータ１４の移動量は少なくてすむ。この場合、充電前事前処理と同じ２相を用いてその後の充電を行う。

なお、例えばバッテリ２１、２２のＳＯＣが低い場合、大電流での充電が予想される。ここで、通電経路となるインバータ３０、４０およびモータジェネレータ１０の熱成立性と導通損失を考慮して３相での充電を選択する場合、成り行きで停止したロータ位置が２相通電でのゼロトルク収束領域内であったとしても、充電前事前処理を３相にて行い、３相のゼロトルク収束領域にロータ１４を移動させてもよい。

また、１相通電でのゼロトルク収束領域は、２相通電および３相通電と比較して広い。そのため、充電前事前処理にてできるだけロータ１４を動かしたくない場合、１相通電にて充電前事前処理を行う。そして、充電前事前処理と同じ１相を用いてその後の充電処理を行う。なお、２相通電と同様、熱成立性や導通損失を考慮して、２相または３相での充電を選択する場合、または、バッテリ２１、２２の同時充電が必要な場合、成り行きで停止したロータ位置が１相通電でのゼロトルク収束領域内であったとしても、充電前事前処理を２相または３相にて行い、その後の充電を２相または３相にて行うようにしてもよい。

本実施形態の充電前事前処理を図２０のフローチャートに基づいて説明する。この処理は、車両９８の停止時に所定の周期で実行される。Ｓ２０１では、制御部７０は、充電準備指示状態か否か判断する。本実施形態では、シフトレンジがＰレンジ、かつ、パーキングブレーキが作動しているとき、充電準備指示状態と判定する。また、充電コネクタが接続された場合に充電準備指示状態と判定するようにしてもよい。充電準備指示状態ではないと判断された場合（Ｓ２０１：ＮＯ）、Ｓ２０２以降の処理を行わない。充電準備指示状態であると判断された場合（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、Ｓ２０２へ移行する。

制御部７０は、Ｓ２０２にてロータ１４の現在位置を検出し、Ｓ２０３にてバッテリ２１、２２のＳＯＣをチェックする。Ｓ２０２、Ｓ２０３の処理は、処理順を入れ替えてもよい。Ｓ２０４では、制御部７０は、ロータ１４の現在位置、および、ＳＯＣの状態に応じ、その後の充電における充電モード、通電相数および通電相を決定する。充電モード、通電相数および通電相の選択方法は、第１実施形態にて説明した通りである。

Ｓ２０５では、リレー制御部７２は、開閉器５６を閉とする。Ｓ２０６では、インバータ制御部７１は、第２バッテリ２２より第１バッテリ２１の電位が高い場合、通電相となる第１上アーム素子３１〜３３をオン、第１バッテリ２１より第２バッテリ２２の電位が高い場合、通電相となる第２上アーム素子４１〜４３をオンにする。

Ｓ２０７では、ロータ１４がゼロトルク位置に移動完了したか否か判断する、ロータ１４がゼロトルク位置に移動完了していないと判断された場合（Ｓ２０７：ＮＯ）、この判断処理を繰り返す。ロータ１４がゼロトルク位置に移動完了したと判断された場合（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、Ｓ２０８へ移行する。インバータ制御部７１は、Ｓ２０８にてオンされているスイッチング素子をオフにし、リレー制御部７２は、Ｓ２０９にて開閉器５６を開にする。これにより、充電準備完了とし、充電前事前処理を終了する。

充電システム１は、インバータ３０、４０およびコイル１１〜１３を経由せずにバッテリ２１、２２の低電位側を接続する接続線６６と、接続線６６に設けられる開閉器５６と、をさらに備える。制御部７０は、バッテリ２１、２２の少なくとも一方の直流電力での充電開始前、開閉器５６を閉、バッテリ２１、２２のうち電位が高い側と接続される第１上アーム素子３１〜３３または第２上アーム素子４１〜４３の少なくとも１つをオンにし、バッテリ２１、２２の電位差で流れる直流電流により、ロータ１４をゼロトルク位置に移動させる充電前事前処理を行う。これにより、通常のＭＧ制御にてロータ１４を停止させる場合と比較し、ロータ１４を精度よくゼロトルク位置に停止させることができる。

制御部７０は、その後の充電実施時と通電経路が同じとなるように、充電前事前処理にてオンするスイッチング素子を決定する。実際の充電時と同じ条件で充電前事前処理を行ってロータ１４を停止させることで、ロータ１４を動かすことなく充電を開始することができる。

制御部７０は、充電準備指示状態である場合、充電前事前処理を行う。充電準備指示状態とは、例えば、シフトレンジがＰレンジである、パーキングブレーキが作動している、または、充電コネクタが接続されている等である。これにより、例えば信号での車両停止時等、一般走行シーンでの車両停止時には充電前事前処理を行わないようにすることで、充電前事前処理にて生じる虞がある振動や音の発生を防ぐことができる。また上記実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
第３実施形態を図２１および図２２に示す。図２１に示す充電システム２では、接続線６５が開閉器５３と第１バッテリ２１との間にて接続線６３と接続され、接続線６６が車載充電器８０と開閉器５４との間に接続される。充電システム２を第１実施形態に適用してもよい。

第２実施形態にて説明した充電前事前処理を行う場合、充電システム２では、接続線６５を戻り線として活用する。充電システム２において、充電準備指示があり、その後の充電処理にて３相通電での充電を行う場合であって、第１バッテリ２１の電位Ｖ１が第２バッテリ２２の電位Ｖ２より高い場合、充電前事前処理として、第１下アーム素子３４〜３６をオン、開閉器５５を閉とすることで、２電源の電位差を用いて直流電流を流し、ロータ１４をゼロトルク位置に移動させる。第１バッテリ２１の電位Ｖ１が第２バッテリ２２の電位Ｖ２より高い場合、通電経路は図２２中にて破線の矢印で示す如くであって、第２インバータ４０側はダイオード通電となるので、第２下アーム素子４４〜４６をオンしなくてよい。

また、充電準備指示があり、その後の充電処理にて３相通電での充電を行う場合であって、第２バッテリ２２の電位Ｖ２が第１バッテリ２１の電位Ｖ１より高い場合、充電前事前処理として、第２下アーム素子４４〜４６をオン、開閉器５５を閉とすることで、２電源の電位差を用いて直流電流を流し、ロータ１４をゼロトルク位置に移動させる。第２バッテリ２２の電位Ｖ２が第１バッテリ２１の電位Ｖ１より高い場合、通電経路は図２２にて破線の矢印と同じ経路で逆向きとなり、第１インバータ３０側はダイオード通電となるので、第１下アーム素子３４〜３６をオンしなくてよい。

その後の充電処理にて２相通電または１相通電での充電を行う場合、最も近いゼロトルク位置となる通電相を選定し、選定された通電相が通電経路となるように、オンにする下アーム素子３４〜３６、４４〜４６を選択する。

充電システム２は、インバータ３０、４０およびコイル１１〜１３を経由せずにバッテリ２１、２２の高電位側を接続する接続線６５と、接続線６５に設けられる開閉器５５と、をさらに備える。制御部７０は、バッテリ２１、２２の少なくとも一方の直流電力での充電開始前、開閉器５５を閉、バッテリ２１、２２のうち電位が高い側と接続される第１下アーム素子３４〜３６または第２下アーム素子４４〜４６の少なくとも１つをオンにし、バッテリ２１、２２の電位差で流れる直流電流により、ロータ１４をゼロトルク位置に移動させる充電前事前処理を行う。これにより、通常のＭＧ制御にてロータ１４を停止させる場合と比較し、ロータ１４を精度よくゼロトルク位置に停止させることができる。また上記実施形態と同様の効果を奏する。

上記実施形態では、モータジェネレータ１０が「回転電機」、第１バッテリ２１が「第１電圧源」、第２バッテリ２２が「第２電圧源」、急速充電器１００が「外部充電器」、ＳＯＣが「充電残量」、接続線６６が「低電位側接続線」、開閉器５６が「低電位側開閉器」、接続線６５が「高電位側接続線」、開閉器５５が「高電位側開閉器」に対応する。

（他の実施形態）
上記実施形態では、車両停止後にロータをゼロトルク位置に移動させる。他の実施形態では、車両が停止する直前のロータ位置に応じ、ロータ位置がゼロトルク位置となるようにして車両を停止させるようにしてもよい。また、図２０中のＳ２０１を省略し、車両が停止する都度、充電前事前処理を行うようにしてもよい。これにより、速やかに充電を開始することができる。

上記実施形態の回転電機のコイルは３相である。他の実施形態では、回転電機のコイルは４相以上としてもよい。上記実施形態では、回転電機は電動車両の主機モータとして用いられている。他の実施形態では、回転電機は、主機モータに限らず、例えばスタータ機能とオルタネータ機能とを併せ持つ、所謂ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）や、補機モータであってもよい。また、充電システムを車両以外の装置に適用してもよい。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０・・・モータジェネレータ（回転電機）
１１、１２、１３・・・コイル
１４・・・ロータ １５・・・角度センサ
２１・・・第１バッテリ（第１電圧源） ２２・・・第２バッテリ（第２電圧源）
３０・・・第１インバータ ３１〜３６・・・第１スイッチング素子
４０・・・第２インバータ ４１〜４６・・・第２スイッチング素子
７０・・・制御部
７１・・・インバータ制御部 ７５・・・記憶部
１００・・・急速充電器（外部充電器）

Claims (12)

1. 複数相のコイル（１１、１２、１３）、および、前記コイルへの通電により回転するロータ（１４）を有する回転電機（１０）と、
   前記ロータの回転位置であるロータ位置を検出する角度センサ（１５）と、
   第１スイッチング素子（３１〜３６）を有し、前記コイルの一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（２１）に接続される第１インバータ（３０）と、
   第２スイッチング素子（４１〜４６）を有し、前記コイルの他端（１１２、１２２、１３２）および前記第１電圧源とは絶縁されている第２電圧源（２２）に接続される第２インバータ（４０）と、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のオンオフ作動を制御するインバータ制御部（７１）、ならびに、直流電流により発生するトルクがゼロとみなせる範囲であるゼロトルク位置が、充電モード、通電相数および通電相を含む充電条件と関連付けて記憶されている記憶部（７５）を有する制御部（７０）と、
   を備え、
   前記第１電圧源および前記第２電圧源は、前記コイル、前記第１インバータおよび前記第２インバータを通電経路として外部充電器（１００）から供給される直流電力により充電可能であって、
   前記制御部は、前記ロータが前記ゼロトルク位置となるように前記ロータ位置を制御し、当該ゼロトルク位置と関連づけられた前記充電条件にて前記第１電圧源および前記第２電圧源の少なくとも一方を前記外部充電器からの直流電力により充電する充電システム。
2. 電気角１周期中には、複数の前記ゼロトルク位置が存在しており、
   前記制御部は、複数の前記ゼロトルク位置のうち、トルクがゼロとなるゼロトルク点の両側にて当該ゼロトルク点に向かう方向にトルクが発生するゼロトルク収束領域となるように前記ロータ位置を制御する請求項１に記載の充電システム。
3. 電気角１周期中には、複数の前記ゼロトルク位置が存在しており、
   前記制御部は、複数の前記ゼロトルク位置のうち、電流値によらず位置が固定である固定ゼロトルク位置となるように前記ロータ位置を制御する請求項１に記載の充電システム。
4. 前記制御部は、前記第１電圧源および前記第２電圧源の充電残量に応じて前記充電モードおよび前記通電相数を選択し、選択された前記充電モードおよび前記通電相数に関連づけられている前記ゼロトルク位置のうち、充電開始前の前記ロータの停止位置から最も近い前記ゼロトルク位置を選択して前記ロータ位置を制御し、選択された前記ゼロトルク位置に対応する前記通電相を用いて前記第１電圧源および前記第２電圧源の少なくとも一方を充電する請求項１〜３のいずれか一項に記載の充電システム。
5. 前記第１電圧源または前記第２電圧源を単独充電する場合、充電する前記第１電圧源または前記第２電圧源の充電残量に応じて前記通電相数を選択し、前記ロータ位置に応じて前記通電相を選択する請求項４に記載の充電システム。
6. 前記第１電圧源および前記第２電圧源が並列接続しているとみなせる状態にて同時充電する場合、前記第１電圧源および前記第２電圧源の充電残量および前記ロータ位置の少なくとも一方に応じて前記通電相数を選択し、前記ロータ位置に応じて前記通電相を選択する請求項４に記載の充電システム。
7. 前記第１電圧源および前記第２電圧源が直列接続しているとみなせる状態にて同時充電する場合、前記通電相数を全相とする請求項４に記載の充電システム。
8. 前記制御部は、前記第１電圧源および前記第２電圧源の同時充電を行った後、前記第１電圧源または前記第２電圧源の一方の充電が完了した場合、充電を一旦停止し、充電停止前の同時充電時と同じ前記通電相を用いて前記第１電圧源または前記第２電圧源の他方を単独充電する請求項６または７に記載の充電システム。
9. 前記第１電圧源の低電位側と前記第２電圧源の低電位側とを接続する低電位側接続線（６６）と、
   前記低電位側接続線に設けられる低電位側開閉器（５６）と、
   をさらに備え、
   前記第１インバータにおいて、高電位側に接続される前記第１スイッチング素子を第１上アーム素子（３１〜３３）、低電位側に接続される前記第１スイッチング素子を第１下アーム素子（３４〜４６）、
   前記第２インバータにおいて、高電位側に接続される前記第２スイッチング素子を第２上アーム素子（４１〜４３）、低電位側に接続される前記第２スイッチング素子を第２下アーム素子（４４〜４６）とすると、
   前記制御部は、前記第１電圧源および前記第２電圧源の少なくとも一方の直流電力での充電開始前、前記低電位側開閉器を閉、前記第１電圧源または前記第２電圧源のうち電位が高い側と接続される前記第１上アーム素子または前記第２上アーム素子の少なくとも１つをオンにし、前記第１電圧源と前記第２電圧源との電位差で流れる直流電流により、前記ロータを前記ゼロトルク位置に移動させる充電前事前処理を行う請求項１〜８のいずれか一項に記載の充電システム。
10. 前記第１電圧源の高電位側と前記第２電圧源の高電位側とを接続する高電位側接続線（６５）と、
    前記高電位側接続線に設けられる高電位側開閉器（５５）と、
    をさらに備え、
    前記第１インバータにおいて、高電位側に接続される前記第１スイッチング素子を第１上アーム素子（３１〜３３）、低電位側に接続される前記第１スイッチング素子を第１下アーム素子（３４〜４６）、
    前記第２インバータにおいて、高電位側に接続される前記第２スイッチング素子を第２上アーム素子（４１〜４３）、低電位側に接続される前記第２スイッチング素子を第２下アーム素子（４４〜４６）とすると、
    前記制御部は、前記第１電圧源および前記第２電圧源の少なくとも一方の直流電力での充電開始前、前記高電位側開閉器を閉、前記第１電圧源または前記第２電圧源のうち電位が高い方と接続される前記第１下アーム素子または前記第２下アーム素子の少なくとも１つをオンにし、前記第１電圧源と前記第２電圧源との電位差で流れる直流電流により、前記ロータを前記ゼロトルク位置に移動させる充電前事前処理を行う請求項１〜８のいずれか一項に記載の充電システム。
11. 前記制御部は、その後の充電実施時と通電経路が同じとなるように、前記充電前事前処理にてオンするスイッチング素子を決定する請求項９または１０に記載の充電システム。
12. 前記制御部は、充電準備指示状態である場合、前記充電前事前処理を行う請求項９〜１１のいずれか一項に記載の充電システム。

Images