JP2022158675A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動モータからインバータを介して回生電力を強電ラインに供給する際に発生する過電圧を抑制する場合において、簡易な構成で強電ラインの電圧制御を容易にし、且つドライバーの不快感を軽減する電力変換装置を提供する。【解決手段】本発明の電力変換装置は、駆動モータと強電ラインとの間で電力の授受を行うモータ用インバータと、強電ラインに電力を供給する発電機と、強電ラインからの電力供給により駆動するとともにモータ用インバータを制御する第１制御部と、発電機を制御する第２制御部と、を備え、駆動モータが回転中に強電ラインのリレーが切断されたときに、第１制御部は、強電ライン平滑コンデンサからの電力供給を受けてモータ用インバータの内部回路を短絡させる短絡制御を実行し、第２制御部は、発電機の発電制御を間欠的に実行する。【選択図】図４

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

特許文献１は、強電ラインから電力供給を受けて駆動するインバータを介して強電ラインと三相モータとの電力の授受を行う電力変換装置において、駆動モータからインバータを介して回生電力を強電ラインに供給する際に過電圧が発生した場合、強電ライン内の強電バッテリを切断しインバータが強電ライン内の平滑コンデンサから電力供給を受けてインバータの内部回路を短絡させる短絡制御を実施し、その後平滑コンデンサの電圧が所定の電圧以下になると当該短絡制御を停止して前記回生電力をインバータ内の還流ダイオードを通じて平滑コンデンサに供給し、平滑コンデンサの電圧が回復すると当該短絡制御を再開し、以後このような動作を繰り返す技術を開示している。

特許文献１では、強電ラインに印加される過電圧を抑制するとともに短絡制御用の電力を回生電力により賄っている。

特許第５４３３６０８号公報

しかし、特許文献１の構成では、短絡制御をオンオフ制御するためのロジック回路が必要となり、コストが増加する。また、一般に、駆動モータの誘起電圧による回生電流は大電流であり、当該大電流で平滑コンデンサを充電するため強電ラインの電圧は急峻に立ち上がる。このため、電圧検出遅れや制御遅れを考慮すると回生電流を用いた強電ラインの電圧制御は困難である。さらに、電力変換装置が車両に搭載されている場合、短絡制御がオン状態のときの回生トルクは小さく、短絡制御がオフ状態のときの回生トルクは大きいので、車両の減速時の加速度が間欠的に変化し、ドライバーに不快感を与える。

本発明は、駆動モータからインバータを介して回生電力を強電ラインに供給する際に発生する過電圧を抑制する場合において、簡易な構成で強電ラインの電圧制御を容易にし、且つドライバーに対する不快感を低減する電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明による電力変換装置は、車両を駆動する駆動モータと、駆動モータに電力を供給する強電ラインと、駆動モータと強電ラインとの間で電力の授受を行うモータ用インバータと、強電ラインに電力を供給する発電機と、強電ラインからの電力供給により駆動するとともにモータ用インバータを制御する第１制御部と、発電機を制御する第２制御部と、を備える。強電ラインは、モータ用インバータとの間で電力の授受を行う強電バッテリと、強電バッテリとともにモータ用インバータに並列に接続された平滑コンデンサと、強電バッテリと前記モータ用インバータとの間に介装されたリレーと、を備える。そして、駆動モータが回転中にリレーが切断されたときに、第１制御部は、平滑コンデンサからの電力供給を受けてモータ用インバータの内部回路を短絡させる短絡制御を実行し、第２制御部は、発電機の発電制御を間欠的に実行する。

本発明によれば、モータ用インバータの内部回路を短絡させる短絡制御を実行することで平滑コンデンサ（強電ライン）の電圧が低下するが、発電機を間欠的に発電させて平滑コンデンサに電力を供給するので、強電ラインの電圧を所定の範囲内に維持することができる。これにより、当該短絡制御をするための電力を回生電力ではなく発電機の発電電力により確保できるので、車両を滑らかに減速させることができる。また、発電機による発電電力は、駆動モータにおける回生電力よりも小さく設定できるので、平滑コンデンサの電圧上昇を低速にすることができ、強電ラインの電圧制御を容易に行うことができる。さらに、回生電力を強電ライン（平滑コンデンサ）に供給することはないので、車両の減速時の加速度が間欠的に変化することはなく、車両を滑らかに減速できる。

図１は、第１実施形態の電力変換装置の回路図である。 図２は、駆動モータの回転数と駆動モータで発生する誘起電圧との関係を示す図である。 図３は、発電機の回転数と発電機で発生するフリクショントルクとの関係を示す図である。 図４は、第１実施形態の電力変換装置の制御のタイムチャートである。 図５は、比較例の電力変換装置の制御のタイムチャートである。 図６は、第２実施形態の電力変換装置の回路図である。 図７は、第２実施形態の電力変換装置の第１の制御のフロー図である。 図８は、第２実施形態の電力変換装置の第１の制御のタイムチャートである。 図９は、第２実施形態の電力変換装置の第２の制御のフロー図である。 図１０は、第２実施形態の電力変換装置の第２の制御のタイムチャートである。 図１１は、第２実施形態の電力変換装置の第３の制御のフロー図である。 図１２は、発電機の回転数と発電時間との関係を示すマップである。 図１３は、第２実施形態の電力変換装置の第３の制御のタイムチャートである。

[第１実施形態]
図１は、第１実施形態の電力変換装置１００の回路図である。第１実施形態の電力変換装置１００は、主に車両に搭載される。電力変換装置１００は、強電ライン２（強電バッテリ２１、平滑コンデンサ２２、リレー２３，２４）、駆動モータ３、第１インバータ１（モータ用インバータ）、発電機５、第２インバータ４（発電機用インバータ）、第１ゲート信号発生回路６（第１制御部）、第２ゲート信号発生回路７（第２制御部）等を備える。なお、第１ゲート信号発生回路６、第２ゲート信号発生回路７は、車両全体を制御する車両コントローラ９により制御される。

強電バッテリ２１は、車両の駆動時に第１インバータ１を介して電力を駆動モータ３に供給するものである。また、車両の制動時において、強電バッテリ２１には、駆動モータ３で発生した回生電流が第１インバータ１を介して供給され、これにより強電バッテリ２１が充電される。

平滑コンデンサ２２は、第１インバータ１から供給された回生電流を充電することで、強電ライン２の直流電圧を平滑化（リプル電圧を低減）して強電バッテリ２１に供給するものである。

リレー２３，２４は、強電バッテリ２１と第１インバータ１及び平滑コンデンサ２２との間の接続状態を切り替えるものである。通常、リレー２３，２４の接続状態は導通状態で強電バッテリ２１と第１インバータ１とを接続しているが、電力変換装置１００で後述の所定の異常が発生した場合には切断状態となり、強電バッテリ２１を第１インバータ１及び平滑コンデンサ２２から電気的に切り離す。この場合、平滑コンデンサ２２が第１ゲート信号発生回路６及び第２ゲート信号発生回路７に対して電力供給する。

駆動モータ３は、第１インバータ１から三相交流の電力供給を受けて回転することで車両を駆動し、また車両の制動時には回生電流を発生させて第１インバータ１に供給する。

図２は、駆動モータ３の回転数と駆動モータ３で発生する誘起電圧との関係を示す図である。駆動モータ３は永久磁石同期モータであり、回転数に応じて図２に示すような誘起電圧特性を有する。図２において、強電バッテリ２１の電圧及び電力変換装置１００の強電部品の耐圧限界を示す。駆動モータ３の回転数が、当該回転数に起因する誘起電圧が強電バッテリ２１の電圧よりも高くなる回転数域である場合、第１インバータ１の制御により駆動モータ３には磁石の磁束を弱める電流が流されるため誘起電圧が抑制され、駆動モータ３はトルク制御され、車両の回生トルクが抑制される。

一方、誘起電圧が耐圧限界を超える回転数域で駆動モータ３がトルク制御されているときに後述のように所定の故障が検出されＰＷＭ制御信号が停止すると、耐圧限界を超える誘起電圧が強電ライン２に印加され強電部品が破壊される虞がある。よって、この場合、第１インバータ１に対して後述の短絡制御を実行することで強電部品を保護している。

図１に戻って説明する。第１ゲート信号発生回路６は、車両コントローラ９からトルク指令値（駆動トルク及び回生トルクを含む）、駆動モータ３と第１インバータ１間のＵＶＷ相の電流測定値、駆動モータ３の回転角の情報等に基づいてＰＷＭ制御信号を第１インバータ１に出力する。また第１ゲート信号発生回路６は、車両コントローラ９から後述の短絡制御信号が入力されると第１インバータ１の内部回路を短絡させるハイ信号のゲート信号を第１インバータ１に出力する。

ここで、第１ゲート信号発生回路６は、強電ライン２又は弱電バッテリ６１を駆動源として駆動している。すなわち、第１ゲート信号発生回路６には、強電ライン２に接続された電圧変換器６４（ＤＣ／ＤＣコンバータ）とダイオード６５との直列回路と、弱電バッテリ６１と電圧変換器６２（ＤＣ／ＤＣコンバータ）とダイオード６３との直列回路が並列に接続されている。なお、弱電バッテリ６１（後述の弱電バッテリ７１も同様）は、強電ライン２よりも電圧の低いバッテリであり、車両の制御系の駆動源としても用いられる。

第１ゲート信号発生回路６は、通常、電圧変換器６２を駆動させて弱電バッテリ６１から電力供給を受けているが、弱電バッテリ６１が故障した場合、電圧変換器６２が駆動停止し、電圧変換器６４が駆動することで強電ライン２から電力供給を受ける。なお、弱電バッテリ６１を省略して、第１ゲート信号発生回路６が強電ライン２から電力供給を受けるのみの構成としてもよい。

第１インバータ１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子１１Ａ（ハイ側）と帰還ダイオード１２Ａとの並列回路と、半導体素子１１Ｂ（ロー側）と帰還ダイオード１２Ｂとの並列回路と、を直列に接続した直列回路（直列回路１Ｕ、直列回路１Ｖ、直列回路１Ｗ）が３個並列に接続された内部回路を備えるものである。ここで、半導体素子１１Ａ，１１Ｂのゲートにハイ信号（例えば５［Ｖ］）のゲート信号が印加されると半導体素子１１Ａ，１１Ｂは導通（短絡）し、ロー信号（例えば０［Ｖ］）のゲート信号が印加されると半導体素子１１Ａ，１１Ｂは不導通となる。

直列回路１Ｕの接続中点１ＵＭは駆動モータ３のステータのＵ相コイルに接続され、直列回路１Ｖの接続中点１ＶＭは駆動モータ３のステータのＶ相コイルに接続され、直列回路１Ｗの接続中点１ＷＭは駆動モータ３のステータのＷ相コイルに接続されている。

ここで直列回路１Ｕ，１Ｖ，１Ｗは、第１ゲート信号発生回路６から駆動用のＰＷＭ制御信号を受信すると、強電ライン２から供給される直流電流を三相の交流電流に変換して駆動モータ３に出力する。また、第１インバータ１は、駆動モータ３が回生電流を発生させると、第１ゲート信号発生回路６から回生電流抽出用のＰＷＭ制御信号を受信することで当該回生電流が入力され、これを単層の直流電流に変換して強電ライン２に出力する。

前記のように、第１インバータ１は、第１ゲート信号発生回路６からハイ信号のゲート信号が入力されると、ハイ側の３つの半導体素子１１Ａのゲート、又はロー側の３つの半導体素子１１Ｂのゲートにハイ信号のゲート信号が印加される。この場合、駆動モータ３において回生電流が発生しても、三相電流の総和がゼロになるので、強電ライン２側に電力を供給することはない。

また、全ての半導体素子１１Ａのゲートにロー信号のゲート信号が印加されると、第１インバータ１回路は、帰還ダイオード１２Ａ，１２Ｂによる全波整流器となる。よって、駆動モータ３において回生電流が発生すると当該全波整流器が回生電流を全波整流して直流電流を強電ライン２に供給することになる。

発電機５は、例えばエンジンを駆動源として回転し、当該回転力を電力に変換して強電ライン２に供給するものである。発電機５は、例えば強電バッテリ２１のＳＯＣ（充電量）に基づいて発電するものであるが、本実施形態では、後述の短絡制御を実行する際にも間欠的に発電する。

図３は、発電機５の回転数と発電機５で発生するフリクショントルクとの関係を示す図である。発電機５に対して発電制御が実行されない場合、発電機５は第２インバータ４を介して強電ライン２から電力供給を受けて発電機５のロータを回転させる回転制御を受けている。これにより、発電機５の発電制御の立ち上がりを向上させることができる。ところで、発電機５のロータが回転すると図３に示すようにフリクショントルクが発生する。フリクショントルクは発電機５のロータの回転数に比例して増加するが、いずれの回転数であっても回転数を維持するために力行運転が必要となる。このため、回転制御を行う際も、車両コントローラ９は、発電機５のロータの回転数に基づいて、第２ゲート信号発生回路７に対して回転制御用のトルク指令値（回転制御信号）を出力している。

なお、発電制御において、車両コントローラ９は、エンジンに燃料供給をしてイグニッションを起動し、エンジンに直結する発電機５のロータに回転駆動力を印加し、発電制御を停止する場合はイグニッションを停止する。

再び図１に戻って説明する。第２インバータ４は、第１インバータ１と同様の構造を有するものである。第２インバータ４は、第２ゲート信号発生回路７から発電制御用のＰＷＭ制御信号を受信することで発電機５が発電した三相交流電流を直流電流に変換して強電ライン２に出力する。また、第２インバータ４は、第２ゲート信号発生回路７から回転制御用のＰＷＭ制御信号を受信することで強電ライン２から供給される直流電流を三相の交流電流に変換して発電機５に出力する。

第２ゲート信号発生回路７は、車両コントローラ９からトルク指令値（発電制御用のトルク指令値（発電制御信号）又は回転制御用のトルク指令値（回転制御信号））が入力されると当該トルク指令値に対応するＰＷＭ制御信号を第２インバータ４に出力する。

第１ゲート信号発生回路６と同様に、第２ゲート信号発生回路７には、強電ライン２に接続された電圧変換器７４とダイオード７５との直列回路と、弱電バッテリ７１と電圧変換器７２とダイオード７３との直列回路が並列に接続されている。

第２ゲート信号発生回路７も、通常、電圧変換器７２を駆動させて弱電バッテリ７１から電力供給を受けているが、弱電バッテリ７１が故障した場合、電圧変換器７２が駆動停止し、電圧変換器７４が駆動することで強電ライン２から電力供給を受ける。なお、弱電バッテリ７１を省略して、第２ゲート信号発生回路７が強電ライン２から電力供給を受けるのみの構成としてもよい。

車両コントローラ９は、キー、シフトレバー、ブレーキペダル、アクセルペダルなどのドライバーによる操作情報の入力を受け付けると、それらの操作情報に応じてトルク指令値を第１ゲート信号発生回路６に出力する。また、車両コントローラ９は、強電バッテリ２１のＳＯＣ（充電量）に基づいて、発電制御信号を第２ゲート信号発生回路７に出力し、また発電制御を実行しない場合は前記の回転制御信号を第２ゲート信号発生回路７に出力する。

また、車両コントローラ９は、電力変換装置１００において所定の異常を検知した場合に第１ゲート信号発生回路６にトルク指令値に代わって短絡制御信号を出力するとともに、第２ゲート信号発生回路７に間欠的に発電制御信号を出力する。ここで、所定の異常とは、例えば第１ゲート信号発生回路６を構成するＣＰＵが停止した場合、第１ゲート信号発生回路６においてＰＷＭ制御信号が出力不能になった場合、駆動モータ３のＵＶＷ相の電流値を測定する電流センサや駆動モータ３の回転角を検出するレゾルバが故障した場合、回生電力発生時の駆動モータ３の回転数が所定の回転数を超えた場合等が挙げられる。

また車両コントローラ９は、電力変換装置１００において所定の異常を検知した場合にリレー２３，２４を導通状態から切断状態に切り替えることができる。さらに、車両コントローラ９は、弱電バッテリ６１，７１の故障を検知すると、弱電バッテリ６１，７１に接続された電圧変換器６２，７２を停止して、強電ライン２に接続された電圧変換器６４，７４を駆動する。

［第１実施形態の電力変換装置１００の動作］
図４は、第１実施形態の電力変換装置１００の制御のタイムチャートである。図４（以後の図においても同様）において時刻の表示としてｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・とあるが、数字が大きくなるほど後の時刻を表している。

初期状態において、車両は減速し駆動モータ３において回生電流が発生しており、当該回生電流をＰＷＭ制御により取り出して強電ライン２に供給している。また、リレー２３，２４は導通状態であり、車両コントローラ９は電力変換装置１００の異常を検知せず、短絡制御及び発電制御を実行していない。そして、車両コントローラ９は回転制御信号を第２ゲート信号発生回路７に出力して発電機５のロータの回転数を所定の回転数に維持している。さらに、車両コントローラ９は弱電バッテリ６１，７１の故障を既に検知しており、電圧変換器６４を駆動して強電ライン２から第１ゲート信号発生回路６に電力供給し、電圧変換器７４を駆動して強電ライン２から第２ゲート信号発生回路７に電力供給している。

時刻ｔ１において、車両コントローラ９が異常を検知して駆動用のトルク指令値の出力を停止することで、第１ゲート信号発生回路６のＰＷＭ制御信号の出力が停止する。これにより、第１ゲート信号発生回路６は第１インバータ１に対してロー信号のゲート信号を出力する形となる。よって、第１インバータ１は、帰還ダイオード１２Ａ，１２Ｂによる全波整流器となり、整流された回生電流が強電ライン２に入力されるが、強電バッテリ２１は未だに接続されているので、平滑コンデンサ２２（強電ライン２）の電圧上昇はほとんど発生していない。

時刻ｔ２において、車両コントローラ９はリレー２３，２４を導通状態から切断状態に切り替える。これにより、強電バッテリ２１は第１インバータ１から切り離されるので、強電バッテリ２１に比べて容量の小さい平滑コンデンサ２２に駆動モータ３からの回生電流が供給されるので、平滑コンデンサ２２の電圧が急激に上昇する。また、第１ゲート信号発生回路６及び第２ゲート信号発生回路７は、この段階で強電バッテリ２１が第１インバータ１から切断されているので、それぞれ平滑コンデンサ２２から電力供給を受けるが、回生電流に係る電力が第１ゲート信号発生回路６及び第２ゲート信号発生回路７の消費電力よりも大きいので平滑コンデンサ２２の電圧は引き続き上昇する。なお、電力変換装置１００で発生した異常が、第１ゲート信号発生回路６におけるＰＷＭ制御信号の出力停止である場合、車両コントローラ９はトルク指令値の出力を停止する。

時刻ｔ２の直後の時刻ｔ３において、車両コントローラ９は、第１ゲート信号発生回路６に対して短絡制御信号を出力する。これにより、第１ゲート信号発生回路６は短絡制御用のハイ信号のゲート信号を出力し、第１インバータ１の内部回路が短絡された状態となるので、回生電流に起因する直流電流が平滑コンデンサ２２に供給されることはない。

このとき、第１ゲート信号発生回路６は平滑コンデンサ２２から電力供給を受けて短絡制御用のハイ信号のゲート信号を第１インバータ１に出力している。同様に、第２ゲート信号発生回路７も平滑コンデンサ２２から電力供給を受けて回転制御用のＰＷＭ制御信号を第２インバータ４に出力している。以上より、平滑コンデンサ２２の電圧は第１ゲート信号発生回路６と第２ゲート信号発生回路７の電力消費に起因して低下していく。

時刻ｔ３から所定時間経過した時刻ｔ４において、車両コントローラ９は、第２ゲート信号発生回路７に対して発電制御信号を出力する。これにより、第２インバータ４を介して発電機５から平滑コンデンサ２２に電力が供給され平滑コンデンサ２２の電圧が上昇する。

時刻ｔ４から所定時間経過して時刻ｔ５において、車両コントローラ９は発電制御信号の出力を停止する。以後、時刻ｔ５（発電制御停止）、時刻ｔ６（平滑コンデンサ２２が所定電圧低下後に発電制御開始）、時刻ｔ７（発電制御停止）に示すように発電制御を間欠的に実行することで、強電ライン２（平滑コンデンサ２２）の電圧を所定の範囲に維持することが可能となる。

［比較例の電力変換装置１００の動作］
図５は、比較例の電力変換装置１００の制御のタイムチャートである。比較例の電力変換装置１００は、発電機５が無いことが第１実施形態の電力変換装置１００と異なっている。比較例の電力変換装置１００の初期状態は第１実施形態の電力変換装置１００と同様である。また、比較例の電力変換装置１００における図５の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３における動作は、それぞれ第１実施形態の電力変換装置１００の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３における動作と同じである。

時刻ｔ４において、車両コントローラ９は、短絡制御信号をオフにする。これにより、第１ゲート信号発生回路６はロー信号のゲート信号を第１インバータ１に出力する。よって、第１インバータ１は、全波整流器となり、回生電流が全波整流器で全波整流され、整流された回生電流が平滑コンデンサ２２に供給されることで、平滑コンデンサ２２の電圧が上昇する。

時刻ｔ４の直後の時刻ｔ５において、車両コントローラ９は、短絡制御信号をオンにする。これにより、第１ゲート信号発生回路６は短絡制御用のハイ信号のゲート信号を第１インバータ１に出力する。以後、時刻ｔ５（短絡制御開始）、時刻ｔ６（平滑コンデンサ２２が所定電圧低下後に短絡制御停止）、時刻ｔ７（短絡制御開始）に示すように短絡制御の停止を間欠的に実行することで、平滑コンデンサ２２の電圧を所定の範囲に維持することが可能となる。

比較例の電力変換装置１００では、短絡制御をオンオフ制御するためのロジック回路が必要となり、コストが増加する。また、一般に、駆動モータ３の誘起電圧による回生電流は大電流であり、当該大電流で平滑コンデンサ２２を充電するため強電ライン２の電圧は急峻に立ち上がる。このため、電圧検出遅れや制御遅れを考慮すると回生電流を用いた強電ライン２の電圧制御は困難である。さらに、電力変換装置１００が車両に搭載されている場合、短絡制御がオン状態（時刻ｔ３－ｔ４、時刻ｔ５－ｔ６）のときの回生トルクは小さく、短絡制御がオフ状態（時刻ｔ４－ｔ５、時刻ｔ６－ｔ７）のときの回生トルクは大きいので、車両の減速時の加速度が間欠的に変化し、ドライバーに不快感を与える。

これに対して、第１実施形態の電力変換装置１００によれば、第１インバータ１の内部回路を短絡させる短絡制御を実行することで平滑コンデンサ２２（強電ライン２）の電圧が低下するが、発電機５を間欠的に発電させて平滑コンデンサ２２に電力を供給するので、強電ライン２の電圧を所定の範囲内に維持することができる。これにより、当該短絡制御をするための電力を回生電力ではなく発電機５の発電電力により確保できるので、車両を滑らかに減速させることができる。また、発電機５による発電電力は、駆動モータ３における回生電力よりも小さく設定できるので、平滑コンデンサ２２の電圧上昇を低速にすることができ、強電ライン２の電圧制御を容易に行うことができる。さらに、回生電力を強電ライン２（平滑コンデンサ２２）に供給することはないので、車両の減速時の加速度が間欠的に変化することはなく、車両を滑らかに減速できる。

ここで、平滑コンデンサ２２（強電ライン２）の電圧を４００［Ｖ］、平滑コンデンサ２２の静電容量が２［ｍＦ］とし、駆動モータ３の回転数が１２０００［ｒｐｍ］のときに回生トルクが１６９．４［Ｎｍ］発生している場合を考える。このとき、駆動モータ３で発生する（強電ライン２に供給される）回生電力は２１２．９［ｋＷ］、回生電流は５３２．２［Ａ］、回生電力の電圧上昇率は２６６．１［Ｖ／ｍｓ］となる。よって、例えば、強電ライン２の下限が１００［Ｖ］、上限が５００［Ｖ］とすると、強電ライン２の電圧を回復させるために短絡制御を停止する時間は、（５００［Ｖ］－１００［Ｖ］）／２６６．１［Ｖ／ｍｓ］＝１．５［ｍｓ］となり、短いタイミングとなる。しかも、駆動モータ３の回転数及び回生トルクは安定的ではないので、短絡制御を停止する時間は不規則となり、強電ライン２の電圧を所定の範囲内に維持することは困難である。

一方、発電機５の出力を１０［ｋＷ］とすると、強電ライン２に印加する発電電流は２５［Ａ］となり、強電ライン２の電圧上昇率は１２．５［Ｖ／ｍｓ］となる。この場合、強電ライン２の電圧を回復させるために発電制御を実行する時間を上記同様に考えると、（５００［Ｖ］－１００［Ｖ］）／１２．５［Ｖ／ｍｓ］＝３２［ｍｓ］となり、長いタイミングとなる。しかも、発電機５の出力は安定的であるので、発電制御を実行する時間は規則的となり、強電ライン２の電圧を所定の範囲内に維持することが容易となる。

［第１実施形態の効果］
第１実施形態の電力変換装置１００によれば、車両を駆動する駆動モータ３と、駆動モータ３に電力を供給する強電ライン２と、駆動モータ３と強電ライン２との間で電力の授受を行うモータ用インバータ（第１インバータ１）と、強電ライン２に電力を供給する発電機５と、強電ライン２からの電力供給により駆動するとともにモータ用インバータ（第１インバータ１）を制御する第１制御部（第１ゲート信号発生回路６）と、発電機５を制御する第２制御部（第２ゲート信号発生回路７）と、を備え、強電ライン２は、モータ用インバータ（第１インバータ１）との間で電力の授受を行う強電バッテリ２１と、強電バッテリ２１とともにモータ用インバータ（第１インバータ１）に並列に接続された平滑コンデンサ２２と、強電バッテリ２１とモータ用インバータ（第１インバータ１）との間に介装されたリレー２３，２４と、を備え、駆動モータ３が回転中にリレー２３，２４が切断されたときに、第１制御部（第１ゲート信号発生回路６）は、平滑コンデンサ２２からの電力供給を受けてモータ用インバータ（第１インバータ１）の内部回路を短絡させる短絡制御を実行し、第２制御部（第２ゲート信号発生回路７）は、発電機５の発電制御を間欠的に実行する。

上記構成により、第１インバータ１の内部回路を短絡させる短絡制御を実行することで平滑コンデンサ２２（強電ライン２）の電圧が低下するが、発電機５を間欠的に発電させて平滑コンデンサ２２に電力を供給するので、強電ライン２の電圧を所定の範囲内に維持することができる。これにより、当該短絡制御をするための電力を回生電力ではなく発電機５の発電電力により確保できるので、車両を滑らかに減速させることができる。また、発電機５による発電電力は、駆動モータ３における回生電力よりも小さく設定できるので、平滑コンデンサ２２の電圧上昇を低速にすることができ、強電ライン２の電圧制御を容易に行うことができる。さらに、回生電力を強電ライン２（平滑コンデンサ２２）に供給することはないので、車両の減速時の加速度が間欠的に変化することはなく、車両を滑らかに減速できる。

第１実施形態において、第２制御部（第２ゲート信号発生回路７）は、強電ライン２からの電力供給により駆動するとともに発電機５を回転制御し、駆動モータ３が回転中にリレー２３，２４が切断されたときに、発電機５の回転制御と発電機５の発電制御を交互に実行する。これにより、電力変換装置１００において所定の異常が発生した場合でも発電機５を確実に制御することができる。

第１実施形態において、強電ライン２の電圧を降圧して第１制御部（第１ゲート信号発生回路６）に電力供給を行う電圧変換器６４と、電圧変換器６４とともにモータ用インバータ（第１インバータ１）に並列に接続され第１制御部（第１ゲート信号発生回路６）に電力供給を行う弱電バッテリ６１と、を備え、第１制御部（第１ゲート信号発生回路６）は、弱電バッテリ６１が故障した場合に、電圧変換器６４を介して強電ライン２から電力供給される。これにより、第１制御部（第１ゲート信号発生回路６）の駆動源に冗長性を持たせ、装置全体を安定化させることができる。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態の電力変換装置１００の回路図である。第２実施形態の電力変換装置１００は、第１実施形態の電力変換装置１００に電圧センサ８を追加したものである。電圧センサ８は、強電ライン２（特に平滑コンデンサ２２）の電圧Ｖｄｃを検出するものである。車両コントローラ９（又は第２ゲート信号発生回路７）は、強電ライン２の下限値Ｖｍｉｎと上限値Ｖｍａｘを設定し、前記の短絡制御中に下限値Ｖｍｉｎにまで下降すると発電制御を実行し、上限値Ｖｍａｘまで上昇すると発電制御を停止する制御を行う。ここで下限値Ｖｍｉｎは、例えば第１ゲート信号発生回路６及び第２ゲート信号発生回路７が動作可能な下限電圧（例えば５０［Ｖ］）に設定され、上限値Ｖｍａｘは電力変換装置１００の強電部品の耐圧電圧（例えば５００［Ｖ］）に設定される。

［第１の制御］
図７は、第２実施形態の電力変換装置１００の第１の制御のフロー図である。図８は、第２実施形態の電力変換装置１００の第１の制御のタイムチャートである。第２実施形態の電力変換装置１００の動作の初期状態は、第１実施形態と同様である。また、第２実施形態の電力変換装置１００は、第１実施形態の電力変換装置１００と同一の特性を有している。したがって、以後の説明において、第１実施形態の電力変換装置１００の動作と共通する事項についての説明を省略する。

図７に示すように、ステップＳ１０１において、車両コントローラ９は、電力変換装置１００において異常を検知した否か判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０２に移行し、ＮＯであればステップＳ１０１を維持する。

ステップＳ１０２において、車両コントローラ９は、第１ゲート信号発生回路６へのトルク指令値の出力を停止するとともにリレー２３，２４を切断状態にする。これにより、強電バッテリ２１は、第１インバータ１及び平滑コンデンサ２２から電気的に切断される。

また、トルク指令値の出力が停止されることで第１ゲート信号発生回路６はＰＷＭ制御信号の出力を停止し第１インバータ１に対してロー信号のゲート信号を出力する形となる。よって、第１インバータ１は、帰還ダイオード１２Ａ，１２Ｂによる全波整流器となり、整流された回生電流が平滑コンデンサ２２に供給される。なお、ステップＳ１０１における異常が第１ゲート信号発生回路６におけるＰＷＭ制御信号の停止の場合は、ステップＳ１０２のＰＷＭ制御の停止制御を省略する。

ステップＳ１０３において、車両コントローラ９は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｍａｘに到達したか否かを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０４に移行し、ＮＯであればステップＳ１０３を維持する。

ステップＳ１０４において、車両コントローラ９は、第１ゲート信号発生回路６を介して第１インバータ１の内部回路の短絡制御を実行する。これにより、駆動モータ３から平滑コンデンサ２２に供給される回生電流はゼロとなる。また、第１ゲート信号発生回路６は、この段階で強電バッテリ２１が第１インバータ１から切断されているので、平滑コンデンサ２２から電力供給を受ける。また、前記のように発電機５を回転制御しているので、第２ゲート信号発生回路７は平滑コンデンサ２２から電力供給を受ける。これにより、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃ（平滑コンデンサ２２の電圧）が時間経過とともに低下する。

ステップＳ１０５において、車両コントローラ９（又は第２ゲート信号発生回路７）は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｍｉｎまで減少したか否かを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０６に移行し、ＮＯであればステップＳ１０５を維持する。

ステップＳ１０６において、車両コントローラ９は、第２ゲート信号発生回路７を介して発電機５に対する発電制御を開始する。これにより、発電機５が発電を開始し、発電電力が第２インバータ４を介して平滑コンデンサ２２に供給され電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが上昇する。

ステップＳ１０７において、車両コントローラ９（又は第２ゲート信号発生回路７）は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｍａｘに到達したか否かを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０８に移行し、ＮＯであればステップＳ１０７を維持する。

ステップＳ１０８において、車両コントローラ９は、第２ゲート信号発生回路７を介して発電機５に対する発電制御を停止して回転制御を実行し、ステップＳ１０５に移行する。以後、ステップＳ１０５からステップＳ１０８のフローを繰り返す。

なお、ステップＳ１０５を第２ゲート信号発生回路７が実行する場合、ステップＳ１０６において、第２ゲート信号発生回路７は、第２インバータ４を介して発電機５に対する発電制御を開始する。

ステップＳ１０７において、第２ゲート信号発生回路７は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｍａｘに到達したか否かを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０８に移行し、ＮＯであればステップＳ１０７を維持する。

ステップＳ１０８において、第２ゲート信号発生回路７は前記の発電制御を停止して第２インバータ４を介して発電機５に対する回転制御を実行し、ステップＳ１０５に移行する。以後、ステップＳ１０５からステップＳ１０８のフローを繰り返す。

図８に示すように、時刻ｔ１において、車両コントローラ９が異常を検知して車両コントローラ９が駆動用のトルク指令値の出力を停止することで、第１ゲート信号発生回路６のＰＷＭ制御信号の出力が停止する。

時刻ｔ２において、車両コントローラ９はリレー２３，２４を切断状態に切り替える。

時刻ｔ２の直後の時刻ｔ３において、車両コントローラ９は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｍａｘに到達したことを検知し、第１ゲート信号発生回路６を介して第１インバータ１の内部回路の短絡制御を実行する。

時刻ｔ３から所定時間経過した時刻ｔ４において、車両コントローラ９は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｍｉｎにまで低下したことを検知し、第２ゲート信号発生回路７を介して第２インバータ４（発電機５）の発電制御を実行する。

時刻ｔ４から所定時間経過して時刻ｔ５において、車両コントローラ９は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが上限値Ｖｍａｘに到達したことを検知し、第２インバータ４（発電機５）の発電制御を停止する。以後、時刻ｔ５（発電制御停止）、時刻ｔ６（発電制御開始）、時刻ｔ７（発電制御停止）に示すように発電制御を間欠的に実行することで、強電ライン２（平滑コンデンサ２２）の電圧ＶｄｃをＶｍｉｎ≦Ｖｄｃ≦Ｖｍａｘの範囲に維持することが可能となる。

［第２の制御］
図９は、第２実施形態の電力変換装置１００の第２の制御のフロー図である。図１０は、第２実施形態の電力変換装置１００の第２の制御のタイムチャートである。第２実施形態の電力変換装置１００における第２の制御は第１の制御と同様であるが、リレー２３，２４を切断状態にする制御と、短絡制御を同時に実行している。第２の制御においては、第１の制御におけるステップＳ１０１、ステップＳ１０５－ステップＳ１０８を実行している。

ステップＳ１０１の結果がＹＥＳの場合、すなわち車両コントローラ９が異常を検知した場合、ステップＳ１０２ａにおいて車両コントローラ９は、ＰＷＭ制御用のトルク指令値の出力を停止し、リレー２３，２４をＯＦＦ状態にし、第１ゲート信号発生回路６を介した第１インバータ１の内部回路の短絡制御を開始する。ここで、ステップＳ１０１（結果がＹＥＳ、すなわち異常を検知する）とステップＳ１０２ａ（ＰＷＭ制御用のトルク指令値の出力停止）はほぼ同時に実行している。また、ステップＳ１０２ａにおいて、リレー２３，２４を切断状態にする制御（図１０の時刻ｔ２）と短絡制御（図１０の時刻ｔ２）を略同一のタイミングで実行するが、これらの制御を異常の検知（トルク指令値の出力停止）（図１０の時刻ｔ１）と略同時に行っても良い。車両コントローラ９は、ステップＳ１０２ａを実行するとステップＳ１０５に移行する。

図１０に示す第２の制御の時刻ｔ３以降のタイムチャートは、第１の制御の時刻ｔ４以降のタイムチャートと同様である。

時刻ｔ１において、車両コントローラ９が異常を検知するとＰＷＭ制御用のトルク指令値の出力を停止し、時刻ｔ２においてリレー２３，２４を切断状態する制御と、第１ゲート信号発生回路６を介した第１インバータ１の内部回路の短絡制御と、を略同時に実行する。このように、リレー２３，２４を切断状態する制御と短絡制御を略同時に実行するので、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃは時刻ｔ２から上昇することはなく、第１インバータ１の内部回路の短絡制御、及び第２ゲート信号発生回路７を介した発電機５の回転制御の電力消費により、強電ライン２（平滑コンデンサ２２）の電圧は低下する。

［第３の制御］
図１１は、第２実施形態の電力変換装置１００の第３の制御のフロー図である。図１２は、発電機５の回転数と発電時間との関係を示すマップである。図１３は、第２実施形態の電力変換装置１００の第３の制御のタイムチャートである。

第２実施形態の電力変換装置１００の第３の制御では、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｍｉｎまで低下すると発電制御を開始するが、その発電時間を設定することで、電圧Ｖｄｃが所定の電圧の範囲に維持されるようにしている。なお発電時間の設定は、車両コントローラ９又は第２ゲート信号発生回路７が行う。

図１１に示すように、ステップＳ３０１において、車両コントローラ９、電力変換装置１００において異常を検知した否か判断し、ＹＥＳであればステップＳ３０２に移行し、ＮＯであればステップＳ３０１を維持する。

ステップＳ３０２において、車両コントローラ９は、ＰＷＭ制御用のトルク指令値の出力を停止するとともにリレー２３，２４を切断状態にし、第１ゲート信号発生回路６を介した第１インバータ１の内部回路の短絡制御を実行する。

ステップＳ３０３において、車両コントローラ９は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｍｉｎまで減少したか否かを判断し、ＹＥＳであればステップＳ３０４に移行し、ＮＯであればステップＳ３０３を維持する。

ステップＳ３０４において、車両コントローラ９は、第２ゲート信号発生回路７を介した第２インバータ４（発電機５）の発電制御を開始するとともに発電時間を設定する。発電時間は、発電機５の回転数と、図１２に示すマップに基づき設定する。或いは発電時間は発電機５の回転数に関わらず任意の所定時間に設定することもできる。いずれにしても、発電制御における発電時間は、電圧センサ８の電圧Ｖｄｃが電力変換装置１００の強電部品の耐圧限界（図２参照）を超えないように設定される。

ステップＳ３０５において、車両コントローラ９は、発電制御による発電時間が所定の発電時間を経過した否か判断し、ＹＥＳであればステップＳ３０６に移行し、ＮＯであればステップＳ３０５を維持する。

ステップＳ３０６において、車両コントローラ９は、前記の発電制御を停止して第２ゲート信号発生回路７及び第２インバータ４を介した発電機５に対する回転制御を実行し、ステップＳ３０３に移行する。以後、ステップＳ３０３からステップＳ３０６のフローを繰り返す。

図１３に示すように、第３の制御の時刻ｔ１から時刻ｔ３の直前までの制御は、第２の制御と同様である。

時刻ｔ３において、車両コントローラ９は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが下限値Ｖｍｉｎにまで減少したことを検知し、第２ゲート信号発生回路７に対して発電制御信号を出力するとともに発電時間を設定する。

時刻ｔ３から所定の発電時間を経過した時刻ｔ４において、車両コントローラ９は発電制御信号の出力を停止する。以後、時刻ｔ５（発電制御停止）、時刻ｔ６（発電制御開始及び発電時間設定）、時刻ｔ７（発電制御停止）に示すように発電制御を間欠的に実行することで、強電ライン２（平滑コンデンサ２２）の電圧ＶｄｃをＶｍｉｎ≦Ｖｄｃ＜（強電部品の耐圧限界）の範囲に維持することが可能となる。

［第２実施形態の効果］
第２実施形態の電力変換装置１００によれば、第１制御部（第１ゲート信号発生回路６）は、第１インバータ１の内部回路の短絡制御をリレー２３，２４の切断と略同一のタイミングで実行する。これにより、回生電流が強電ライン２に供給されることはなく、システム全体を安定的に制御することができる。

第２実施形態において、制御部（第１ゲート信号発生回路６）は、電力変換装置１００における所定の異常を検知したときにリレー２３，２４の切断と短絡制御を略同一のタイミングで実行する。これにより、駆動モータ３の誘起電圧が電力変換装置１００の強電部品の耐圧限界を超える電圧となっている場合であっても、迅速に強電バッテリ２１を第１インバータ１から切断できるので、強電バッテリ２１を確実に保護できる。

第２実施形態において、強電ライン２の電圧を検知する電圧センサ８を備え、第２制御部（第２ゲート信号発生回路７）は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが所定の下限値Ｖｍｉｎまで低下した場合に、発電機５の発電制御を開始し、所定の上限値Ｖｍａｘに到達すると、発電機５の発電制御を停止することで発電機５の発電制御を間欠的に実行する。これにより、発電機５の間欠的な発電制御を確実に実行することができる。

第２実施形態において、強電ライン２の電圧を検知する電圧センサ８を備え、第２制御部（第２ゲート信号発生回路７）は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが所定の下限値Ｖｍｉｎまで低下した場合に、発電機５の発電制御を開始するとともに発電機５の回転数に基づいて発電時間を設定し、発電機５の発電制御を開始したのち当該発電時間の経過後に発電機５の発電制御を停止することで発電機５の発電制御を間欠的に実行する。これにおより、発電機５の回転数に基づいて発電機５の発電時間を設定するので、強電ライン２の電圧Ｖｄｃを所定の電圧の範囲に維持するとともに、発電機５の発電量を低減することができる。

第２実施形態において、強電ライン２の電圧を検知する電圧センサ８を備え、第２制御部（第２ゲート信号発生回路７）は、電圧センサ８が検知する電圧Ｖｄｃが所定の下限値Ｖｍｉｎまで低下した場合に、発電機５の発電制御を開始するとともに所定時間経過後に発電機５の発電制御を停止することで発電機５の発電制御を間欠的に実行する。これにより、簡易な構成で発電機５の間欠的な発電制御を実行することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 電力変換装置，１ 第１インバータ，２ 強電ライン，２１ 強電バッテリ，２２ 平滑コンデンサ，２３ リレー，２４ リレー，３ 駆動モータ，５ 発電機，６ 第１ゲート信号発生回路，７ 第２ゲート信号発生回路

Claims (8)

1. 車両を駆動する駆動モータと、
   前記駆動モータに電力を供給する強電ラインと、
   前記駆動モータと前記強電ラインとの間で電力の授受を行うモータ用インバータと、
   前記強電ラインに電力を供給する発電機と、
   前記強電ラインからの電力供給により駆動するとともに前記モータ用インバータを制御する第１制御部と、
   前記発電機を制御する第２制御部と、を備え、
   前記強電ラインは、
   前記モータ用インバータとの間で電力の授受を行う強電バッテリと、
   前記強電バッテリとともに前記モータ用インバータに並列に接続された平滑コンデンサと、
   前記強電バッテリと前記モータ用インバータとの間に介装されたリレーと、を備え、
   前記駆動モータが回転中に前記リレーが切断されたときに、
   前記第１制御部は、前記平滑コンデンサからの電力供給を受けて前記モータ用インバータの内部回路を短絡させる短絡制御を実行し、
   前記第２制御部は、前記発電機の発電制御を間欠的に実行する電力変換装置。
2. 前記第１制御部は、前記短絡制御を前記リレーの切断と略同一のタイミングで実行する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１制御部は、前記電力変換装置における所定の異常を検知したときに前記リレーの切断と前記短絡制御を略同一のタイミングで実行するする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第２制御部は、前記強電ラインからの電力供給により駆動するとともに前記発電機を回転制御し、
   前記駆動モータが回転中に前記リレーが切断されたときに、前記発電機の回転制御と前記発電機の発電制御を交互に実行する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記強電ラインの電圧を検知する電圧センサを備え、
   前記第２制御部は、前記電圧センサが検知する電圧が所定の下限値まで低下した場合に、前記発電機の発電制御を開始し、所定の上限値に到達すると、前記発電機の発電制御を停止することで前記発電機の発電制御を間欠的に実行する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記強電ラインの電圧を検知する電圧センサを備え、
   前記第２制御部は、
   前記電圧センサが検知する電圧が所定の下限値まで低下した場合に、前記発電機の発電制御を開始するとともに前記発電機の回転数に基づいて発電時間を設定し、
   前記発電機の発電制御を開始したのち前記発電時間の経過後に前記発電機の発電制御を停止することで前記発電機の発電制御を間欠的に実行する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記強電ラインの電圧を検知する電圧センサを備え、
   前記第２制御部は、前記電圧センサが検知する電圧が所定の下限値まで低下した場合に、前記発電機の発電制御を開始するとともに所定時間経過後に前記発電機の発電制御を停止することで前記発電機の発電制御を間欠的に実行する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記強電ラインの電圧を降圧して前記第１制御部に電力供給を行う電圧変換器と、
   前記電圧変換器とともに前記モータ用インバータに並列に接続され前記第１制御部に電力供給を行う弱電バッテリと、を備え、
   前記第１制御部は、前記弱電バッテリが故障した場合に、前記電圧変換器を介して前記強電ラインから電力供給される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

Images