JP2023160230A - 低電圧バッテリ充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】使い勝手に優れた低電圧バッテリ充電システム備えたモータ駆動回路を提供する。【解決手段】モータ駆動回路が有する３つのHブリッジからなる３相インバータ２は、互いに独立の３つのダブルエンデッド相コイル３Ｕ、３Ｖ、３Ｗをもつ車載３相モータを駆動する。３つのダブルエンデッド相コイルのうちの一部の相コイルだけが、整流器４及び充電スイッチ５を通じて低電圧バッテリ６にフリーホィーリング電流を供給する。これにより、複雑な回路構成を必要とすることなく、かつ、低電圧バッテリの充電時間を十分に確保することができる。また、モータトルクが要求されない条件下では、インバータは、モータトルクを発生しないようにステータコイルに電流を供給する。これにより、ステータコイルは、単なるインダクタンス負荷として作動し、低電圧バッテリを充電しつつフリーホィーリング電流を流す。【選択図】図１

Description

本発明は低電圧バッテリ充電システムに関し、特に電動車用の低電圧バッテリ充電システムに関する。

バッテリ電気自動車や電動モータバイクなどは、トラクションモータ給電用の高電圧バッテリと、制御電力などの低電圧負荷に給電用の低電圧バッテリとをもつ。給電ステーションの固定式充電器は高電圧バッテリを充電することができる。一般に、低電圧バッテリは、DCDCコンバータを通じて高電圧バッテリにより充電される。しかし、このDCDCコンバータはコスト及び重量の増加を招く。

本出願人により出願された特許文献１は、トラクションモータ駆動用の３相PWMインバータを利用する低電圧バッテリ充電システムを提案する。一般に、３相PWMインバータはPWMサイクル周期毎にフリーホィーリング期間をもつ。このフリーホィーリング期間において、フリーホィーリング電流が、３相モータのステータコイルとインバータとの間の循環する。この低電圧バッテリ充電システムは、このフリーホィーリング電流を３相整流器及び充電スイッチを通じて低電圧バッテリに供給する。

特許文献１の低電圧バッテリ充電システムは、低電圧バッテリの充電が許可される充電スイッチのオン期間において、高電圧バッテリの高電圧が整流器及び充電スイッチを通じて低電圧バッテリに印加されることを禁止する必要がある。このため、充電スイッチは、３相インバータの各レグがフリーホィーリング電流を流す期間にオンされる必要がある。

言い換えれば、特許文献１において、充電スイッチがオンされる期間である充電許可期間は、３相インバータのすべてのレグがフリーホィーリング電流を流している期間内に配置される必要がある。しかしながら、３相インバータの各レグのフリーホィール期間の長さはそれぞれ異なる。特に、３相インバータの３つのレグがステータコイルの３つの相コイルに供給する３つの相電流の一つは常に他の２つよりも大きい振幅をもつ。これは、フリーホィーリング期間が相対的に短いことを意味する。結局、３つのレグのフリーホィール期間を一致させるタイミング制御を実行しても、低電圧バッテリ充電時間を確保することが簡単ではなかった。

この問題を解決するために、モータ駆動よりも低電圧バッテリの充電を優先する制御も可能である。しかし、このような制御はモータの正常な運転を妨害する。

さらに、この低電圧バッテリ充電システムは、モータに３相交流電流が供給されない電気自動車の停車時などにおいて、低電圧バッテリを充電できないという問題もあった。

本出願人により出願された特許文献２は、互いに接続されない３つの相コイルに個別に接続された３つのHブリッジからなるデュアルインバータを提案している。

特願２０１９ー５６５６５２ 特願２０２０ー５２５２５８

本発明は、使い勝手に優れた低電圧バッテリ充電システムを提供することをその目的としている。

本発明の１つの様相によれば、互いに独立する３つのダブルエンデッド相コイルからなるステータコイルをもつ３相モータが採用される。３相インバータは、３つのダブルエンデッド相コイルに別々に接続された３つのHブリッジからなる。この３相インバータはデュアルインバータと呼ばれる。一つのダブルエンデッド相コイルのフリーホィーリング電流は単相整流器により整流された後、充電スイッチを通じて低電圧バッテリに供給される。

この低電圧バッテリ充電システムによれば、単相整流器は一つの相コイルにだけ接続されるため、他の２つの相コイルに印加される高電圧バッテリの電圧の影響を受けない。言い換えれば、このシステムによれば、一つの相コイルにフリーホィーリング電流が流れる期間のすべてを、低電圧バッテリの充電が可能な期間として利用することができる。通常の車載３相モータのPWM法による運転において、一般的にほぼ正弦波電流が一つの相コイルに流れる。この正弦波電流は、給電期間に供給される電源電流と、フリーホィーリング期間に供給されるフリーホィーリング電流との和である。

本発明のもう１つの様相によれば、車載３相モータによるモータトルク発生が要求されない条件下において、低電圧バッテリの充電が要求されるケースが想定される。このケースにおいて、３相インバータは、定常的なモータトルクを発生しない電流を車載モータへ供給する。これにより、車載モータが停止している期間においても、低電圧バッテリを充電することができる。

この定常的なモータトルクを発生しない電流としては、たとえばモータ内にロータの回転に適した回転磁界を形成しない電流とされる。その他、ステータコイルの一つの相コイルのフリーホィーリング電流だけを低電圧バッテリの充電に用いる場合、高電圧バッテリはこの一つの相コイルだけを励磁する単相電流をこの一つの相コイルに供給することができる。

図１は本発明の低電圧バッテリ充電システムの一例を示す配線図である。 図２は図１に示されるデュアルインバータの上アーム導通PWM法を示すタイミングチャートである。 図３はU相PWM電圧の基本波成分とU相電流との波形を示す波形図である。 図４は図１に示されるU相Hレグ及び充電スイッチの動作を示すタイミングチャートである。 図５は、位相期間P１の電流供給期間TXにおける電流の流れを示す回路図である。 図６は、位相期間P１のフリーホィーリング期間TFにおける電流の流れを示す回路図である。 図７は、位相期間P２の電流供給期間TXにおける電流の流れを示す回路図である。 図８は、位相期間P２のフリーホィーリング期間TFにおける電流の流れを示す回路図である。 図９は、位相期間P３の電流供給期間TXにおける電流の流れを示す回路図である。 図１０は、位相期間P３のフリーホィーリング期間TFにおける電流の流れを示す回路図である。 図１１は、位相期間P４の電流供給期間TXにおける電流の流れを示す回路図である。 図１２は、位相期間P４のフリーホィーリング期間TFにおける電流の流れを示す回路図である。 図１３は、コントローラによる低電圧バッテリ充電制御の一例を示すフローチャートである。

本発明のバッテリ充電システムの好適な実施形態が図面を参照して説明される。図１はこのバッテリ充電システムを採用する電気自動車のトラクションモータ駆動回路を示す配線図である。このモータ駆動回路は、高電圧バッテリ１、３相インバータ２、整流器４、充電スイッチ５、低電圧バッテリ６、及びコントローラ７を有する。

３相インバータ２は、高電圧バッテリ１から供給された直流電力を３相交流電力に変換し、それを３相モータのステータコイルに供給する。このステータコイルはU相コイル２U、V相コイル２V、及びW相コイル２Wからなる。３つの相コイル２U、２V及び３Wは、互いに独立するダブルエンデッドコイルである。３相インバータ２は、３つの相コイル３U、３V及び３Wに別々に接続される３つのHブリッジからなる。３つのHブリッジからなるこのデュアルインバータは公知であり、更なる説明は省略される。

U相のHブリッジは、U相コイル３Uに接続されるレグ１U及び２Uからなる。V相のHブリッジは、V相コイル３Vに接続されるレグ１V及び２Vからなる。W相のHブリッジは、W相コイル３Wに接続されるレグ１W及び２Wからなる。各Hブリッジの２つのレグは各相コイルの両端に別々に接続されている。

レグ１Uは、直列接続された上アームスイッチ１１及び下アームスイッチ１２からなる。レグ２Uは、直列接続された上アームスイッチ２１及び下アームスイッチ２２からなる。レグ１Vは、直列接続された上アームスイッチ１３及び下アームスイッチ１４からなる。レグ２Vは、直列接続された上アームスイッチ２３及び下アームスイッチ２４からなる。レグ１Wは、直列接続された上アームスイッチ１５及び下アームスイッチ１６からなる。レグ２Wは、直列接続された上アームスイッチ２５及び下アームスイッチ２６からなる。

U相コイル３Uの一端３１は上アームスイッチ１１と下アームスイッチ１２との接続点に接続されている。U相コイル３Uの他端３２は上アームスイッチ２１と下アームスイッチ２２との接続点に接続されている。各アームスイッチはたとえばIGBTと逆並列ダイオードとからなる。

U相コイル３Uの両端３１、３２は、単相ダイオードブリッジである整流器４の交流入力端に別々に接続されている。これにより、整流器４はU相コイル３Uの電圧であるU相電圧を整流する。整流器４は、充電スイッチ５を通じて低電圧バッテリ６に充電電流ICを供給する。充電スイッチ５は、MOSトランジスタ５１、５２からなる。コントローラ７は、インバータ２及び充電スイッチ５を制御する。

インバータ２による３相モータの一つの駆動制御例が図２を参照して説明される。上アーム導通PWM法と呼ばれるこの駆動制御例によれば、３相インバータ２の３つのHブリッジはそれぞれ電位固定レグとPWMレグとをもつ。電位固定レグは、上アームスイッチが定常的にオンされているレグを意味する。したがって、電位固定レグの上アームは定常的にオンされ、その下アームスイッチは定常的にオフされている。PWMレグは、その上アームスイッチおよび下アームスイッチが相補的にPWM制御されるレグを意味する。３つのHブリッジの電位固定レグ及びPWMレグは電気角１８０度毎に交代される。各Hブリッジの交代タイミングは互いに電気角１２０度だけシフトしている。

図２において、U相Hブリッジのレグ１Uは、電気角０度～１８０度において電位固定レグとなり、電気角１８０度～０度においてPWMレグとなる。U相Hブリッジのレグ２Uは、電気角０度～１８０度においてPWMレグとなり、電気角１８０度～０度において電位固定レグとなる。V相Hブリッジのレグ１Vは、電気角１２０度～３００度において電位固定レグとなり、電気角３００度～１２０度においてPWMレグとなる。V相Hブリッジのレグ２Vは、電気角１２０度～３００度においてPWMレグとなり、電気角３００度～１２０度において電位固定レグとなる。W相Hブリッジのレグ１Wは、電気角２４０度～６０度において電位固定レグとなり、電気角６０度～２４０度においてPWMレグとなる。U相Hブリッジのレグ２Wは、電気角２４０度～６０度においてPWMレグとなり、電気角６０度～２４０度において電位固定レグとなる。

この上アーム導通PWM法により、PWM電圧であるU相電圧がU相コイル３Uに印加され、U相電流IUがU相コイル３Uに供給される。同様に、PWM電圧であるV相電圧がV相コイル３Vに印加され、V相電流IVがV相コイル３Vに供給される。PWM電圧であるW相電圧がW相コイル３Wに印加され、W相電流IWがW相コイル３Wに供給される。

図３は、U相電圧の基本波成分VU及びU相電流IUの波形を示す。U相電圧の基本波成分VUがゼロとなる時点からU相電流IUがゼロとなる時点までの位相期間P1及び位相期間P３において、U相電流IUはU相電圧の基本波成分VUと逆方向に流れ、回生電流として高電圧バッテリ１を充電する。この上アーム導通PWM法は種々の利点をもつが、その説明は省略される。

図４は、上アーム導通PWM法の１サイクル期間TCにおけるU相Hブリッジ及び充電スイッチ５の状態を示すタイミングチャートである。図４において、レグ１Uは電位固定レグであり、レグ２UはPWMレグとして働いている。PWMキャリヤ周波数は１０kHzであり、１サイクル周期TCは、１００マイクロ秒である。サイクル周期TCの開始時点t０から所定時点t１までの位相期間TXにおいて、レグ２Uの下アームスイッチ２２はオンされる。したがって、相補動作している上アームスイッチ２１はオフされる。これにより、高電圧バッテリ１は上アームスイッチ１１及び下アームスイッチ２２を通じてU相コイル３UにU相電流IUを供給する。このため、位相期間TXは電流供給期間と呼ばれる。

時点t１から次の１サイクル周期TCの開始時点t０までの位相期間TFにおいて、レグ２Uの下アームスイッチ２２はオフされる。したがって、相補動作している上アームスイッチ２１はオンされる。これにより、高電圧バッテリ１からU相コイル３Uに供給されるU相電流IUは遮断される。U相コイル３Uのインダクタンスは、フリーホィーリング電流Ifを上アームスイッチ１１及び上アームスイッチ２１を通じて循環させる。このため、位相期間TFはフリーホィーリング期間と呼ばれる。

次に、低電圧バッテリ６の充電動作が図４を参照して説明される。フリーホィーリング期間TF内の所定期間（t２～t９）において、充電スイッチ５１、５２がオンされる。しかし、U相フリーホィーリング電流Ifは上アームスイッチ１１、２１を通じて循環しているため、充電スイッチ５１、５２を流れることはない。

次に、充電スイッチ５１、５２がオンしている期間（t２～t９）内に設定された充電期間（t３～t４）及び充電期間（t７～t８）において、上アームスイッチ１１及び２１がオフされる。これにより、フリーホィーリング電流Ifは、上アームスイッチ１１及び２１を通じて循環することができなくなる。その結果、フリーホィーリング電流Ifは、整流器４及び充電スイッチ５１、５２を通じて低電圧バッテリ６に流れ込み、低電圧バッテリ６を充電する。

結局、充電スイッチ５のオン期間（t２～t９）内に配置された充電期間（t３～t４、t７～t８）において、U相コイル３Uのフリーホィーリング電流Ifは整流器４及び充電スイッチ５を通じて低電圧バッテリ６を充電する。上アームスイッチ１１、２１がオフされる充電期間の数及び長さは、充電スイッチ５のオン期間（t２～t９）内に設けられる限り、適宜決定することができる。

U相電圧の基本波成分VUとU相電流IUの状態が図５～図１２を参照して説明される。PWM制御されるU相Hブリッジの１サイクル期間TCは、図３に示されるように４つの位相期間P１、P2、P３、P４に分割される。これら４つの位相期間（P1～P4）において、各サイクル期間TCはそれぞれ電流供給期間TXとフリーホィーリング期間TFとをもつことが普通である。

図５は、位相期間P１における電流供給期間TXを示す。U相コイル３Uのインダクタンスに蓄積された磁気エネルギー及びU相コイル３Uに誘起される逆起電力Vaは高電圧バッテリ１に回生電流IRを流す。この回生電流IRは負の電源電流である。

図６は、位相期間P１におけるフリーホィーリング期間TFを示す。U相コイル３Uのインダクタンスに蓄積された磁気エネルギー及びU相コイル３Uに誘起される逆起電力Vaは上アームスイッチ１１、２１を通じて循環する。したがって、上アームスイッチ１１、２１がオフされる時、フリーホィーリング電流Ifは低電圧バッテリ６に流れ込む。

図７は、位相期間P２における電流供給期間TXを示す。電位固定レグ１Uの上アームスイッチ１１は常時オンしており、PWMレグ２Uの下アームスイッチ２２がオンされる。高電圧バッテリ１は上アームスイッチ１１及び下アームスイッチ２２を通じてU相コイル２Uに電源電流IPを流す。

図８は、位相期間P２におけるフリーホィーリング期間TFを示す。フリーホィーリング電流Ifが上アームスイッチ１１、２１を通じて循環する。したがって、上アームスイッチ１１、２１がオフされる時、フリーホィーリング電流Ifは低電圧バッテリ６に流れ込む。

図９は、位相期間P３における電流供給期間TXを示す。U相コイル３Uのインダクタンスに蓄積された磁気エネルギー及びU相コイル３Uに誘起される逆起電力Vaは高電圧バッテリ１に回生電流IRを流す。

図１０は、位相期間P３におけるフリーホィーリング期間TFを示す。U相コイル３Uのインダクタンスに蓄積された磁気エネルギー及びU相コイル３Uに誘起される逆起電力Vaは上アームスイッチ１１、２１を通じて循環する。したがって、上アームスイッチ１１、２１がオフされる時、フリーホィーリング電流Ifは低電圧バッテリ６に流れ込む。

図１１は、位相期間P４における電流供給期間TXを示す。電位固定レグ２Uの上アームスイッチ２１は常時オンしており、PWMレグ１Uの下アームスイッチ１２がオンされる。高電圧バッテリ１は上アームスイッチ２１及び下アームスイッチ１２を通じてU相コイル２Uに電源電流IPを流す。

図１２は、位相期間P４におけるフリーホィーリング期間TFを示す。フリーホィーリング電流Ifが上アームスイッチ１１、２１を通じて循環する。したがって、上アームスイッチ１１、２１がオフされる時、フリーホィーリング電流Ifは低電圧バッテリ６に流れ込む。

コントローラ７により実行される充電制御例が図１３参照して説明される。最初に、インバータ２がトラクションモータにトルク電流を供給している期間であるドライブ期間中か否かが判定される（S１００）。

このドライブ期間において、インバータ２はトラクションモータの３つの相コイル３U、３V、３Wからなるステータコイルに３相電流を供給する。ドライブ期間であれば、ステップS１０４に進む。ドライブ期間でなければ、インバータ２はトラクションモータのステータコイルに電流を供給していないため、ステップS１０２にてシングルモードを実行する。このシングルモードによれば、レグ１U、２UからなるU相HブリッジがPWM制御される。これにより、PWM電圧がU相コイル３Uに印加され、U相HブリッジはU相コイル３Uに電流を供給する。この電流はたとえば単相交流電流である。他の２つのHブリッジは休止される。

たとえば、このPWM電圧の基本波成分VUは図３に示される波形をもつ。これにより、U相電流IUがU相コイル３Uに流れる。トラクションモータはこのシングルモードにおいてモータトルクを発生しない。次に、たとえば図４に示されるフリーホィーリング期間TFに充電スイッチ５がオンされる。次に、上アームスイッチ１１、２１がオフされる。その結果、U相Hブリッジを通じて循環するフリーホィーリング電流Ifが遮断される。これにより、フリーホィーリング電流Ifは低電圧バッテリ６へバイパスされる。

結局、シングルモード（S１０２）において、U相Hブリッジはトラクションモータがモータトルクを発生しないモータ停止期間においてU相コイル３UにU相PWM電圧を印加し、U相電流IUをU相コイル３Uに供給する。これにより、U相電流IUのフリーホィーリング電流Ifを低電圧バッテリ６の充電に使用することができる。

U相Hブリッジだけを運転する運転モードであるシングルモード（S１０２）が実行される時、U相PWM電圧の基本波形VUは正弦波形でなくてもよい。フリーホィーリング電流Ifを調整することにより、シングルモードにおける低電圧バッテリ６の充電電流ICを適切な値に維持することができる。

しかし、トラクションモータがトルクを発生するドライブ期間においては、U相フリーホィーリング電流Ifの振幅はトラクションモータの要求トルクに応じて制御されねばならない。その結果、低電圧バッテリ６の充電電流ICはその要求値から外れる場合が生じる。

たとえば、図３に示される正弦波形のU相電流IUの頂点付近などのように、U相電流IUが低電圧バッテリ６の要求電流値よりも過大となるケースも考えられる。この問題を回避するために、U相電流IUが所定値よりも過大となる期間において、フリーホィーリング電流Ifによる低電圧バッテリ６の充電を禁止することが好ましい。又は、U相電流IUが過大となる期間において、フリーホィーリング電流Ifが低電圧バッテリ６に流入する期間である充電時間（t３～t４、t７～t８）を短縮することが好適である。これにより、低電圧バッテリ６に流入する充電電流ICの平均値を低減することができる。

他の変形態様が説明される。上記実施例では、トラクションモータのステータコイルを流れるフリーホィーリング電流が低電圧バッテリ６の充電に使用される。トラクションモータを駆動するデュアルインバータ２の代わりに、車両空調用のコンプレッサを駆動するための３相モータを駆動するデュアルインバータを利用することもできる。ほとんどの電気自動車に搭載されるこのコンプレッサ駆動モータ及びそれを駆動するデュアルインバータは、車両走行の有無と関係なく、低電圧バッテリ６を充電することができる。

U相コイルを流れるフリーホィーリング電流に加えて、V相コイル３Vを流れるフリーホィーリング電流やW相コイル３Wを流れるフリーホィーリング電流を低電圧バッテリ６にバイパスすることも可能である。一例において、それぞれダイオードブリッジからなる３つの単相整流器４が採用される。３つの単相整流器４はU相コイル３U、V相コイル３V及びW相コイル３Wに個別に接続される。３つの単相整流器４はそれぞれ異なる充電スイッチを介して低電圧バッテリ６に接続される。これにより、インバータ２をなす３つのHブリッジはそれぞれ独立に充電期間（t３～t４、t７～t８）を決定することができる。その結果、３つの相コイル３U、３V及び３Wのフリーホィーリング電流は個別に低電圧バッテリ６を充電することができる。

シングルモード（S１０２）は、車載３相モータによるモータトルク発生が要求されない条件下において低電圧バッテリ６の充電が要求されるケースにおいて、実施される。たとえば、U相コイル３Uにだけ直流電流又は単相交流電流が供給される場合には、モータ内に回転磁界が形成されないため、モータはトルクを発生せず、単にインダクタンス負荷として機能する。

その他、高電圧バッテリから車載モータのステータコイルに供給される電流が少ないため、ステータコイルから低電圧バッテリに供給されるフリーホィーリング電流が要求レベルに達しない場合も考えられる。このような場合には、車載モータのトルクが増加しないようにステータコイルの電流を増加することができる。

たとえば、同期モータではロータ回転と同期しない電流はトルクを発生しない。また、ロータ回転と同期する電流成分のうちロータとの間において所定の位相角関係をもつ電流はトルクを発生しない。このようなトルク非発生電流をステータコイルに追加することにより、フリーホィーリング電流の必要な増大を実現することができる。

Claims (3)

1. 車載３相モータのステータコイルに３相交流電流を供給する３相インバータと、この３相インバータに高電圧を印加する高電圧バッテリと、前記ステータコイルから供給されるフリーホィーリング電流を整流する整流器と、前記整流器により整流された前記フリーホィーリング電流により充電される低電圧バッテリと、前記低電圧バッテリへの前記フリーホィーリング電流の供給を遮断する充電スイッチと、前記３相インバータ及び前記充電スイッチを制御するコントローラとを備える低電圧バッテリ充電システムにおいて、
   前記ステータコイルは、互いに独立する３つのダブルエンデッド相コイルからなり、
   前記３相インバータは、前記３つのダブルエンデッド相コイルに別々に接続された３つのHブリッジからなり、
   前記整流器は、前記３つのダブルエンデッド相コイルうちの一つから供給された所定相のフリーホィーリング電流だけを整流する単相整流器を有し、
   前記充電スイッチは、前記単相整流器から前記低電圧バッテリに供給される充電電流を遮断することを特徴とする低電圧バッテリ充電システム。
2. 前記３相インバータは、前記車載３相モータによるモータトルク発生が要求されない条件下において、定常的なモータトルクを発生しない電流を前記車載モータへ供給する請求項１記載の低電圧バッテリ充電システム。
3. 車載３相モータのステータコイルに３相交流電流を供給する３相インバータと、この３相インバータに高電圧を印加する高電圧バッテリと、前記ステータコイルから供給されるフリーホィーリング電流を整流する整流器と、前記整流器により整流された前記フリーホィーリング電流により充電される低電圧バッテリと、前記低電圧バッテリへの前記フリーホィーリング電流の供給を遮断する充電スイッチと、前記３相インバータ及び前記充電スイッチを制御するコントローラとを備える低電圧バッテリ充電システムにおいて、
   前記３相インバータは、前記車載３相モータによるモータトルク発生が要求されない条件下において、定常的なモータトルクを発生しない電流を前記車載モータへ供給する請求項１記載の低電圧バッテリ充電システム。