JP2023172011A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電力変換装置の電流センサのセンサ電源の故障に対応してリンプホーム機能を確保しつつ、センサ電源の数を最小化した電力変換装置を得ることを目的とする。
【解決手段】内燃機関と結合された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換する第一の電力変換器、直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器、バッテリの電圧を変更する直流電力変換器、第一の電力変換器と第一の回転電機との間の電流を計測する第一の電流センサ、第二の電力変換器と第二の回転電機との間の電流を計測する第二の電流センサ、バッテリと直流電力変換器との間の電流を計測する直流電力変換器用電流センサ、第一の電流センサと直流電力変換器用電流センサに電源を供給する第一のセンサ電源、および、第二の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源を備えた、電力変換装置。
【選択図】図1
【解決手段】内燃機関と結合された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換する第一の電力変換器、直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器、バッテリの電圧を変更する直流電力変換器、第一の電力変換器と第一の回転電機との間の電流を計測する第一の電流センサ、第二の電力変換器と第二の回転電機との間の電流を計測する第二の電流センサ、バッテリと直流電力変換器との間の電流を計測する直流電力変換器用電流センサ、第一の電流センサと直流電力変換器用電流センサに電源を供給する第一のセンサ電源、および、第二の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源を備えた、電力変換装置。
【選択図】図1
Description
本願は、電力変換装置に関する。
内燃機関によって発電機を駆動して発電し、発電した電力によって電動機を駆動して駆動輪に動力を与えるハイブリッド車が実用化されている。ハイブリッド車はバッテリを有し、内燃機関の停止時はバッテリから電力を供給して車両の駆動輪に動力を与える。内燃機関の運転時には、内燃機関によって駆動された発電機の電力によってバッテリを充電する。また、内燃機関の運転中であっても必要時には発電機による発電電力とともに、バッテリから供給する電力を加えて電動機をより強力に駆動することができる。
ハイブリッド車の駆動用電動機としては、三相ブラシレスモータに代表される交流電動機が用いられる場合が多い。発電機によって発電した電流は直流電流に変換して直流電源とし、バッテリの充電に供する。そして、この直流電源から直流交流変換器(電力変換器)によって交流電流を生成し交流電動機を駆動する。
このようなハイブリッド車について、目標とする駆動出力を発生するように電動機の一次電流を直流交流変換器によってベクトル制御する。そして、直流交流変換器の出力に必要な電力を発生させるように内燃機関の出力を制御する。このとき、発電機の出力電流と、バッテリからの供給電流を電流センサによって計測して正確に供給電流を制御する技術が提案されている(例えば特許文献1)。
ハイブリッド車の駆動出力をより精度良く制御するためには、駆動輪を駆動する電動機に電力を供給する直流交流変換器の出力電流を計測する電流センサを用いることができる。発電機の出力電流を計測する電流センサ、バッテリからの供給電流を計測する電流センサとともに電動機を駆動する直流交流変換器の出力電流を計測する電流センサは重要なセンサである。これらのセンサが動作するための電源をすべて共通とした場合、センサ電源が失われるとすべての電流センサが使用不能となり、電流制御が困難となる。この結果、ハイブリッド車の走行が困難となってしまう。この問題に対する対応策について、特許文献1には記載されていない。
車両においては一部の部品が故障した場合に、性能が制限された状態であっても緊急避難のための走行を可能とすることが求められる。このような機能をリンプホームと称する。リンプホームは低速走行であっても自宅にたどり着けるという趣旨の機能である。
各種の電流センサのセンサ電源について、すべて独立したセンサ電源を確保すれば、いずれかのセンサ電源が故障した場合であっても、その他のセンサ電源によって他のセンサの利用を継続することができる。しかし、すべてのセンサ電源を独立に設けた場合、センサ電源の増加、センサ電源の供給配線の増加によって、電力変換装置の大型化、重量増加、コスト上昇を招くこととなる。車両に搭載する機器は、軽量化、小型化、低コスト化が求められている。したがって、故障耐性向上と軽量化、小型化、低コスト化推進との最適なバランスが求められる。
本願は、電力変換装置における前述の課題を解決するためになされたものであり、各種電流センサのセンサ電源の故障に対応してリンプホーム機能を確保しつつ、センサ電源の数を最小化した電力変換装置を得ることを目的とする。
本願に開示される電力変換装置は、
内燃機関の出力軸と結合された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して直流端子から出力する第一の電力変換器、
直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器、
バッテリと直流端子との間に接続され電圧を変更する直流電力変換器、
第一の電力変換器と第一の回転電機との間に流れる電流を計測する第一の電流センサ、
第二の電力変換器と第二の回転電機との間に流れる電流を計測する第二の電流センサ、
バッテリと直流電力変換器との間に流れる電流を計測する直流電力変換器用電流センサ、
第一の電流センサと直流電力変換器用電流センサに電源を供給する第一のセンサ電源、および、
第二の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源、を備えたものである。
内燃機関の出力軸と結合された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して直流端子から出力する第一の電力変換器、
直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器、
バッテリと直流端子との間に接続され電圧を変更する直流電力変換器、
第一の電力変換器と第一の回転電機との間に流れる電流を計測する第一の電流センサ、
第二の電力変換器と第二の回転電機との間に流れる電流を計測する第二の電流センサ、
バッテリと直流電力変換器との間に流れる電流を計測する直流電力変換器用電流センサ、
第一の電流センサと直流電力変換器用電流センサに電源を供給する第一のセンサ電源、および、
第二の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源、を備えたものである。
本願に係る電力変換装置によれば、内燃機関に駆動された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換する第一の電力変換器の電流センサと、バッテリ電圧を昇圧する直流電力変換器の電流を計測する電流センサとに電源を供給する第一のセンサ電源と、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源を設けたので、センサ電源の故障に対応してリンプホーム機能を確保しつつ、センサ電源の数を最小化した電力変換装置を得ることができる。これによって、電力変換装置のセンサ電源の数を削減して小型化、軽量化、低コスト化を進めることができる。
以下、本願に係る電力変換装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
1.実施の形態1
<電力変換装置の構成>
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置10の構成図である。電力変換装置10は、車両1のバッテリ2、内燃機関6の出力軸と力学的に結合された第一の回転電機8a、駆動輪17と力学的に結合された第二の回転電機8bと電気的に接続されている。ここで、力学的結合は、主軸の直接結合、減速装置およびクラッチを介した結合、ベルトによる回転伝達機構を介した結合であってもよい。図1では、内燃機関6はENG、第一の回転電機8aはM1、第二の回転電機8bはM2として示されている。
<電力変換装置の構成>
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置10の構成図である。電力変換装置10は、車両1のバッテリ2、内燃機関6の出力軸と力学的に結合された第一の回転電機8a、駆動輪17と力学的に結合された第二の回転電機8bと電気的に接続されている。ここで、力学的結合は、主軸の直接結合、減速装置およびクラッチを介した結合、ベルトによる回転伝達機構を介した結合であってもよい。図1では、内燃機関6はENG、第一の回転電機8aはM1、第二の回転電機8bはM2として示されている。
第一の回転電機8a、第二の回転電機8bは、U相巻線、V相巻線、W相巻線を備えた三相交流回転電機であってもよい。第一の回転電機8a、第二の回転電機8bは、負荷を回転駆動するとともに、負荷の回転エネルギーを電気エネルギーとして回生可能であってもよい。第一の回転電機8a、第二の回転電機8bには、ロータに永久磁石を備えた電動機、ロータに電磁石を備えた電動機、ブラシ式電動機、ブラシレス電動機などを用いることができる。
電力変換装置10は、第一の電力変換器13a、第二の電力変換器13b、直流電力変換器12、制御装置14、センサ電源15、第一の電流センサ4、第二の電流センサ5、直流電力変換器用電流センサ3を備えている。車両1に搭載された内燃機関6の出力によって第一の回転電機8aが駆動されて発電し、第一の電力変換器13aによって発電された交流電流が直流に変換されて正極側直流端子23a、負極側直流端子23bから出力される。
正極側直流端子23a、負極側直流端子23bから直流電流を供給された第二の電力変換器13bは直流電流を交流電流に変換して第二の回転電機8bを回転させて駆動輪17を駆動する。直流電力変換器12は、車両1に搭載されたバッテリ2の電圧を変更して、正極側直流端子23a、負極側直流端子23bと直流電流を送受する。必要に応じて、バッテリ2から正極側直流端子23a、負極側直流端子23bに電流を供給し、バッテリ2を充電する場合は正極側直流端子23a、負極側直流端子23bから電流を受け取る。
第一の電力変換器13a、第二の電力変換器13b、直流電力変換器12を通過する電流は、第一の電流センサ4、第二の電流センサ5、直流電力変換器用電流センサ3によって検出される。第一の電流センサ4および直流電力変換器用電流センサ3は、第一のセンサ電源15aから第一のセンサ電源線9aを介して電源を供給される。第二の電流センサ5は、第二のセンサ電源15bから第二のセンサ電源線9bを介して電源を供給される。図1では、第一のセンサ電源15aと第二のセンサ電源15bは、センサ電源15に内蔵されている。しかし第一のセンサ電源15aと第二のセンサ電源15bは、異なる場所に独立して設置してもよい。
制御装置14は、第一の電流センサ4の検出信号を入力端子I1から、第二の電流センサ5の検出信号を入力端子I2から、直流電力変換器用電流センサ3の検出信号を入力端子ICから入力する。制御装置14は制御端子C2から、第二の電力変換器13bを制御する。これによって、制御装置14は車両1の必要とされる駆動力に応じて第二の回転電機8bを駆動する電流量を制御することができる。
制御装置14は制御端子C1から、第一の電力変換器13aを制御する。これによって、制御装置14は、車両1の必要とされる電力に応じて第一の回転電機8aによって発電され供給される電流量を制御することができる。制御装置14は、制御端子CEからの信号によって内燃機関6の出力を調整することができる。制御装置14は、内燃機関6の出力を調整し内燃機関6の回転数を制御することで、第一の回転電機8aによる発電電流を制御することができる。
直流電力変換器12は、バッテリ2の電圧を正極側直流端子23a、負極側直流端子23bの電圧まで昇圧する。バッテリ2からの供給電流またはバッテリ2への充電電流が、直流電力変換器用電流センサ3の信号として制御装置14の入力端子ICに伝達される。
<制御装置のハードウェア構成>
図2は、実施の形態1に係る制御装置14のハードウェア構成図である。制御装置14の各機能は、制御装置14が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置14は、図2に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)などの演算処理装置90(プロセッサとも称する)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93などのインターフェースを備えている。
図2は、実施の形態1に係る制御装置14のハードウェア構成図である。制御装置14の各機能は、制御装置14が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置14は、図2に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)などの演算処理装置90(プロセッサとも称する)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93などのインターフェースを備えている。
演算処理装置90として、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、IC(Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路などが備えられてもよい。また、演算処理装置90として、同じ種類のものまたは異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。
制御装置14には、記憶装置91として、演算処理装置90からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたRAM(Random Access Memory)、演算処理装置90からデータを読み出し可能に構成されたROM(Read Only Memory)などが備えられている。記憶装置91は、演算処理装置90に内蔵されていてもよい。入力回路92は、入力信号、センサ、スイッチが接続され、これら入力信号、センサ、スイッチの信号を演算処理装置90に入力するA/D変換器などを備えている。具体的には第一の電流センサ4、第二の電流センサ5、直流電力変換器用電流センサ3の信号などが入力される。出力回路93は、スイッチング素子をオンオフ駆動するゲート駆動回路などの電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置90から制御信号を出力する駆動回路などを備えている。具体的には第一の電力変換器13a、第二の電力変換器13b、直流電力変換器12のスイッチング素子を駆動する出力信号などが出力される。
制御装置14が備える各機能は、演算処理装置90が、ROMなどの記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行し、記憶装置91、入力回路92、及び出力回路93などの制御装置14の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、制御装置14が用いる閾値、判定値などの設定データは、ソフトウェア(プログラム)の一部として、ROMなどの記憶装置91に記憶されている。制御装置14の有する各機能は、それぞれソフトウェアのモジュールで構成されるものであってもよいが、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって構成されるものであってもよい。
<直流電力変換器>
図1の直流電力変換器12は、バッテリ2の電圧と正極側直流端子23a、負極側直流端子23bの間の電圧を変換する電圧変換装置としての機能を有する。直流電力変換器12は、DC-DCコンバータとも称される。直流電力変換器12は、リアクトル7、正極側スイッチング素子16b、負極側スイッチング素子16a、およびリアクトル電流を検知する直流電力変換器用電流センサ3を備えている。
図1の直流電力変換器12は、バッテリ2の電圧と正極側直流端子23a、負極側直流端子23bの間の電圧を変換する電圧変換装置としての機能を有する。直流電力変換器12は、DC-DCコンバータとも称される。直流電力変換器12は、リアクトル7、正極側スイッチング素子16b、負極側スイッチング素子16a、およびリアクトル電流を検知する直流電力変換器用電流センサ3を備えている。
直流電力変換器12は、低圧側電圧を平滑させる低圧側平滑コンデンサ21、および、高圧側電圧を平滑させる高圧側平滑コンデンサ22に接続されている。そして、制御装置14によって正極側スイッチング素子16b、負極側スイッチング素子16aが制御される。
正極側スイッチング素子16bと、負極側スイッチング素子16aは互いに直列に接続されており、直流電力変換器12におけるスイッチング回路を構成している。負極側スイッチング素子16aは並列に複数のスイッチング素子が接続され構成される場合がある。正極側スイッチング素子16bも並列に複数のスイッチング素子が接続され構成される場合がある。
正極側スイッチング素子16bと負極側スイッチング素子16aは、制御装置14の制御端子G1、G2からのゲート信号によりスイッチング制御される。正極側スイッチング素子16bと負極側スイッチング素子16aは、例えば、それぞれフリーホイールダイオードが逆並列接続されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)により構成される。スイッチング素子としては、この他、逆並列接続された寄生ダイオードを有するFET(Field Effect Transistor)を用いることもできる。また、スイッチング素子としては、逆接続されたダイオードを有する通常のバイポーラトランジスタを用いてもよい。
直流電力変換器12は、バッテリ2が出力する直流電力の電圧を昇圧して第一の電力変換器13a、第二の電力変換器13bに供給する。また、第一の回転電機8aが発電した交流電流を第一の電力変換器13aで直流電流に変換し、この時の電圧を直流電力変換器12で降圧してバッテリ2を充電する場合もある。即ち、直流電力変換器12は、昇圧用変換器もしくは降圧用変換器として機能する。
<第一の電力変換器>
図3は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第一の電力変換器13aの回路図である。第一の電力変換器13aは、第一の回転電機8aの出力する三相交流電流を直流電流に変換する交流直流変換器として機能する。
図3は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第一の電力変換器13aの回路図である。第一の電力変換器13aは、第一の回転電機8aの出力する三相交流電流を直流電流に変換する交流直流変換器として機能する。
第一の電力変換器13aは、正極側直流端子23aに接続されたU相、V相、W相の正極側スイッチング素子16d、16f、16hと、負極側直流端子23bに接続されたU相、V相、W相の負極側スイッチング素子16c、16e、16gを有する。これらのスイッチング素子は、直流電力変換器12の正極側スイッチング素子16b、負極側スイッチング素子16aと同様にIGBTなどにより構成され逆並列接続された還流ダイオードを備える。相ごとの正極側スイッチング素子は上側アーム、負極側スイッチング素子は下側アームと呼ばれ、各相の上側アームと下側アームは直列に接続され、それぞれの接続点からU相、V相、W相の三相交流電流を受け渡しする。
各相の接続点はそれぞれ、第一の回転電機8aの巻線に接続され、各相の通過電流が相ごとの第一の電流センサ4a、4b、4cによって検出される。図1では、第一の電流センサ4の検出電流は制御装置14の入力端子I1から入力されるとして説明した。実際にはU相の第一の電流センサ4a、V相の第一の電流センサ4b、V相の第一の電流センサ4cの検出値が入力される3つの入力端子の総称を入力端子I1で示している。
第一の電力変換器13aの各スイッチング素子は、制御装置14の制御端子C11からC16によって制御される。図1では制御端子C11からC16の総称を制御端子C1として示している。制御装置14は、出力電流を計測する第一の電流センサ4の計測値をモニタしながら、第一の電力変換器13aの出力電流が目標値となるように各スイッチング素子、および内燃機関6の出力を制御する。即ち、第一の電流センサ4は、制御装置14が第一の電力変換器13aの出力をフィードバック制御するために備えられている。
第一の電力変換器13aに供給された三相交流電流は、スイッチング素子によって整流されて直流電流に変換され、正極側直流端子23a、負極側直流端子23bに供給される。第一の回転電機8aは、発電機として機能して電流を供給する場合と、電流を供給されて電動機として機能する場合とがある。第一の電力変換器13aは交流直流変換器として機能する場合と、直流交流変換器として機能する場合がある。内燃機関の停止時に、第一の電力変換器13aはバッテリ2から直流電力変換器12によって電圧が変換された直流電流を交流電流に変換して第一の回転電機8aを駆動し、内燃機関6を始動する。
<第二の電力変換器>
図4は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第二の電力変換器13bの回路図である。第二の電力変換器13bは、正極側直流端子23aと負極側直流端子23bから供給された直流電流を、第二の回転電機8bを駆動する三相交流電流に変換する直流交流変換器として機能する。
図4は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第二の電力変換器13bの回路図である。第二の電力変換器13bは、正極側直流端子23aと負極側直流端子23bから供給された直流電流を、第二の回転電機8bを駆動する三相交流電流に変換する直流交流変換器として機能する。
第二の電力変換器13bは、正極側直流端子23aに接続されたU相、V相、W相の正極側スイッチング素子16j、16l、16nと、負極側直流端子23bに接続されたU相、V相、W相の負極側スイッチング素子16i、16k、16mを有する。これらのスイッチング素子は、直流電力変換器12および第一の電力変換器13aの正極側スイッチング素子16b、16d、16f、16h、負極側スイッチング素子16a、16c、16e、16gと同様にIGBTなどにより構成され逆並列接続された還流ダイオードを備える。相ごとの正極側スイッチング素子は上側アーム、負極側スイッチング素子は下側アームと呼ばれ、各相の上側アームと下側アームは直列に接続され、それぞれの接続点からU相、V相、W相の三相交流電流を受け渡しする。
各相の接続点はそれぞれ、第二の回転電機8bの巻線に接続され、各相の通過電流が相ごとの第二の電流センサ5a、5b、5cによって検出される。図1では、第二の電流センサ5の検出電流は制御装置の入力端子I2から入力されるとして説明したが、実際にはU相の第二の電流センサ5a、V相の第二の電流センサ5b、V相の第二の電流センサ5cの検出値が入力される3つの端子の総称を入力端子I2として示している。
第二の電力変換器13bの各スイッチング素子は、制御装置14の制御端子C21からC26によって制御される。図1では制御端子C21からC26の総称を制御端子C2として示している。制御装置14は、出力電流を計測する第二の電流センサ5の計測値をモニタしながら、第二の電力変換器13bの出力電流が目標値となるように各スイッチング素子を制御する。即ち、第二の電流センサ5は、制御装置14が第二の電力変換器13bの出力をフィードバック制御するために備えられている。
第二の電力変換器13bに供給された直流電流は、スイッチング素子によってデューティ制御されて三相交流電流に変換され、第二の回転電機8bのU相、V相、W相のコイルに供給される。第二の回転電機8bは、電動機として機能して電流が供給されて駆動される場合と、発電機として機能して電流を供給する場合とがある。第二の電力変換器13bは直流交流変換器として機能する場合と、交流直流変換器として機能する場合がある。車両1が減速する場合に第二の回転電機8bは駆動輪17に駆動されて発電機として機能し、第二の電力変換器13bは回生電力を交流直流変換してバッテリ2を充電する。
<センサ電源>
第一の電流センサ4、第二の電流センサ5、直流電力変換器用電流センサ3はセンサ電源15からセンサ電源の供給を受ける。車載機器は小型化、軽量化、低コスト化が求められる。このため、センサ電源についても、電源の設置、センサへの配線について共有化して最小化することが望まれる。
第一の電流センサ4、第二の電流センサ5、直流電力変換器用電流センサ3はセンサ電源15からセンサ電源の供給を受ける。車載機器は小型化、軽量化、低コスト化が求められる。このため、センサ電源についても、電源の設置、センサへの配線について共有化して最小化することが望まれる。
図1に示すように、実施の形態1に係る電力変換装置10では、第一の電流センサ4、第二の電流センサ5、直流電力変換器用電流センサ3の3個の電流センサが備えられている。これらのセンサの動作用の電源を第一のセンサ電源15a、第二のセンサ電源15bの二台とし、電源を供給するための配線を、第一のセンサ電源線9a、第二のセンサ電源線9bの二本として故障耐性の向上を図りながら、小型化、軽量化、低コスト化を進めている。なお、電流を計測する複数のセンサの素子は同じものでもよいが異なるセンサの素子を用いてもよい。
<センサ電源正常時の電流の流れ>
図5は、実施の形態1に係る電力変換装置のセンサ電源正常時の電力供給を示す図である。内燃機関6によって駆動される第一の回転電機8aに与えられる動力の伝達が白矢印で示されている。第一の回転電機8aよって発電された交流電流が第一の電力変換器13aで直流電流に変換される。
図5は、実施の形態1に係る電力変換装置のセンサ電源正常時の電力供給を示す図である。内燃機関6によって駆動される第一の回転電機8aに与えられる動力の伝達が白矢印で示されている。第一の回転電機8aよって発電された交流電流が第一の電力変換器13aで直流電流に変換される。
そして、変換された直流電流が第二の電力変換器13bによって交流電流に変換され、第二の回転電機8bを駆動する。この一連の電流の流れが矢印で示されている。第二の回転電機8bによって駆動される駆動輪17に与えられる動力の伝達が白矢印で示されている。図5では、第一の電流センサ4によって検出される電流がI1、第二の電流センサ5によって検出される電流がI2、直流電力変換器用電流センサ3によって検出される電流がICとして示されている。
バッテリ2は直流電流を直流電力変換器12と交換し、直流電力変換器12は第一の電力変換器13a、第二の電力変換器13bと直流電流を交換する。図5には、第一のセンサ電源15aによって動作する電流センサを使用してフィードバック制御される変換器群が範囲20aで示されている。第二のセンサ電源15bによって動作する電流センサを使用してフィードバック制御される変換器が範囲20bで示されている。
<第一のセンサ電源故障時の電流の流れ>
図6は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第一のセンサ電源15a故障時の電力供給を示す第一の図である。第一のセンサ電源15aまたは第一のセンサ電源線9aが失陥すると、第一の電流センサ4と直流電力変換器用電流センサ3はセンサ動作用の電源を失い電流を検出できなくなる。
図6は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第一のセンサ電源15a故障時の電力供給を示す第一の図である。第一のセンサ電源15aまたは第一のセンサ電源線9aが失陥すると、第一の電流センサ4と直流電力変換器用電流センサ3はセンサ動作用の電源を失い電流を検出できなくなる。
この場合、制御装置14が第一の電力変換器13aと直流電力変換器12に対して電流フィードバック制御をすることができなくなる。そして、第一の電力変換器13aは通常通り駆動できず、直流電力変換器12は昇圧動作および降圧動作ができないことを意味する。
直流電力変換器12は直流電力変換器用電流センサ3を使用できなくなるので昇圧動作、降圧動作が困難となる。この場合、制御装置14は、制御端子G1、G2から出力するゲート信号によって正極側スイッチング素子16bを継続的にオン、負極側スイッチング素子16aを継続してオフすることによって、直流端子をバッテリ2と直結することができる。
このときの直流電力変換器の駆動状態を直結駆動と称する。直結駆動とすることで、バッテリ2から第二の電力変換器13bへの電流の供給が可能となる。その時の電流の流れが矢印で示されている。この場合、第二のセンサ電源15bが正常の場合は、第二の電力変換器13bの出力電流は第二の電流センサによって検出可能である。よって第二の回転電機8bを電流フィードバック制御することができる。
図7は、実施の形態1に係る電力変換装置の第一のセンサ電源故障時の電力供給を示す第二の図である。第一の電力変換器13aは通常駆動は不可能であり、駆動を停止する。しかし、第一の電力変換器13aは駆動停止中であっても、各スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードにより三相全波整流回路として機能することができる。
このとき、制御装置14からの指令によって、内燃機関6の回転数を上昇させることができる。そうすることによって、第一の回転電機8aの発生する誘起電圧をバッテリ2の電圧より大きくなるように制御することができる。それにより、内燃機関6によって駆動した第一の回転電機8aが発電した電流を三相全波整流により、第二の電力変換器13bおよびバッテリ2へ供給することが可能となる。この時の電流の流れを図7に矢印で示している。
バッテリ2の電圧は例えば14.7Vとして、第一の回転電機8aの誘起電圧がこの電圧を上回る内燃機関6の回転数をあらかじめ計測して規定しておくことができる。制御装置14はこの回転数以上となるように内燃機関6を制御することとしてもよい。また、バッテリ2の電圧を検出するバッテリ電圧センサを設けることもできる。このバッテリ電圧センサ検出値を上回る誘起電圧を発生する回転数となるように、制御装置14が内燃機関6を制御することとしてもよい。
さらに、第一の回転電機8aの出力電圧を検出する第一の回転電機電圧センサを設けて、第一の回転電機8aの発生する誘起電圧を検出することとしてもよい。制御装置14は第一のセンサ電源15aの異常を検出した場合に、第一の回転電機電圧センサによって検出した誘起電圧がバッテリ電圧センサによって検出されたバッテリ電圧よりも大きくなるように内燃機関の回転数を調整する。それにより、内燃機関6によって駆動した第一の回転電機8aが発電した電流を三相全波整流により、第二の電力変換器13bおよびバッテリ2へ供給することがより確実となる。
第一のセンサ電源15a故障時であっても、第二の電力変換器13bは通常駆動が可能である。第二の電流センサ5は第二のセンサ電源15bからセンサ電源の供給を受けて動作するので、制御装置14は、第二の電力変換器13bをフィードバック制御することができる。直流電力変換器12を直結駆動にすることで供給されるバッテリ2からの電流、および第一の電力変換器13aによる三相全波供給による電流によって、第二の電力変換器13bは第二の回転電機8bを精度よく駆動することが可能である。
このように、第一のセンサ電源15a故障時であっても車両1は第二の回転電機8bを制御可能である。直流電力変換器12の直結制御によって直流端子の電圧は低下し、第二の電力変換器13bによる第二の回転電機8bの駆動電流は制限される。しかし、駆動輪17の駆動による車両1の走行は可能でありリンプホーム機能を確保することができる。さらに、内燃機関6の回転数を上昇させることで、第一の回転電機8aによる発電電流によってバッテリ2を充電することも可能となる。それによって、バッテリ2のその時点での充電量による車両1の走行可能時間、および走行可能距離を延長することが可能となる。
<第二のセンサ電源故障時の電流の流れ>
図8は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第二のセンサ電源15b故障時の電力供給を示す図である。第二のセンサ電源15bまたは第二のセンサ電源線9bが失陥すると、第二の電流センサ5はセンサ動作用の電源を失い電流を検出できなくなる。
図8は、実施の形態1に係る電力変換装置10の第二のセンサ電源15b故障時の電力供給を示す図である。第二のセンサ電源15bまたは第二のセンサ電源線9bが失陥すると、第二の電流センサ5はセンサ動作用の電源を失い電流を検出できなくなる。
この場合、制御装置14が第二の電力変換器13bに対して電流フィードバック制御をすることができなくなる。しかし、制御装置14は、第二の回転電機8bの必要な駆動電流に対し、第二の電力変換器13bのスイッチング素子を必要な電流に対応してあらかじめ定めておいたパルス幅にPWM(Pulse Width Modulation)制御することで、第二の回転電機8bを見込駆動することができる。これにより、第二の電流センサ5を用いた出力電流の精度の高いフィードバック制御はできないが、リンプホーム機能を確保することができる。
第一の電力変換器13aの第一の電流センサ4と、直流電力変換器用電流センサ3とに電源を供給する第一のセンサ電源15aと、第二の電力変換器13bの第二の電流センサ5に電源を供給する第二のセンサ電源15bを設けたので、センサ電源の故障に対応してリンプホーム機能を確保しつつ、センサ電源の数を最小化した電力変換装置10を得ることができる。これによって、電力変換装置10のセンサ電源の数を削減して小型化、軽量化、低コスト化を進めることができる。
2.実施の形態2
図9は、実施の形態2に係る電力変換装置10aの第二のセンサ電源15b故障時の電力供給を示す図である。実施の形態2に係る電力変換装置10aの構成は、実施の形態1に係る電力変換装置10の構成に対し、第三の電力変換器13cを追加した点が異なる。制御装置14aは、第一の電力変換器13a、直流電力変換器12に加えて、第三の電力変換器13cのスイッチング素子を制御する(制御装置14aは不図示)。
図9は、実施の形態2に係る電力変換装置10aの第二のセンサ電源15b故障時の電力供給を示す図である。実施の形態2に係る電力変換装置10aの構成は、実施の形態1に係る電力変換装置10の構成に対し、第三の電力変換器13cを追加した点が異なる。制御装置14aは、第一の電力変換器13a、直流電力変換器12に加えて、第三の電力変換器13cのスイッチング素子を制御する(制御装置14aは不図示)。
実施の形態2に係る電力変換装置10aを搭載した車両1aは、第三の回転電機8cを備えている。図1では、第三の回転電機8cはM3と示されている。第三の回転電機8cは、後輪17aを駆動する走行用のリア電動機として用いられる。第三の回転電機8cが駆動する対象は駆動輪17であってもよい。第三の回転電機8cは第三の電力変換器13cによって電流が供給されて駆動される。上記以外の点は実施の形態2に係る電力変換装置10aは、実施の形態1に係る電力変換装置10と同様である。
<第二のセンサ電源故障時の電流の流れ>
第二のセンサ電源15bまたは第二のセンサ電源線9bが失陥すると、第二の電流センサ5はセンサ動作用の電源を失い電流を検出できなくなる。この場合、制御装置14aが第二の電力変換器13bに対して電流フィードバック制御をすることができなくなる。
第二のセンサ電源15bまたは第二のセンサ電源線9bが失陥すると、第二の電流センサ5はセンサ動作用の電源を失い電流を検出できなくなる。この場合、制御装置14aが第二の電力変換器13bに対して電流フィードバック制御をすることができなくなる。
この場合であっても、第三の電力変換器13cは通常通り駆動可能である。バッテリ2の電力を直流電力変換器12によって電圧変換して直流端子に供給した電流、および第一の回転電機8aの発電電力を第一の電力変換器によって直流端子に供給した電流を第三の電力変換器13cへ供給することができる。よって、制御装置14aが第三の電力変換器13cを制御して第三の回転電機8cに電流を供給させ、後輪17aを駆動して走行することが可能となる。
このとき、第二の電力変換器13bは駆動を停止する。第二の回転電機8bは駆動輪17によって引きずられて回転する。第二の回転電機8bが回転させられて逆起電力が発生する。第二の回転電機8bが発電機として機能し、駆動停止中の第二の電力変換器13bのスイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードによる整流作用によって直流電流が発生する。この電流が第三の電力変換器13cの制御に干渉する。駆動輪17の回転速度が上昇するにしたがって、第二の回転電機8bの誘起電圧が上昇する。このため、第二の回転電機8bの誘起電圧を抑制するために、リンプホーム時の走行速度を所定速度以上に上昇させることができない。
しかし、この場合であっても制御装置14aが直流電力変換器12を昇圧動作させることで、第二の回転電機8bの誘起電圧による外乱を抑制することができる。このために直流電力変換器12の通常の場合の昇圧電圧よりも高い、妥当な昇圧電圧を予め定めておくことができる。そして、制御装置14aが直流電力変換器12を予め定めた昇圧電圧まで昇圧動作させる。または、直流電力変換器12の定格最大電圧まで昇圧することとしてもよい。
第三の電力変換器13cによる第三の回転電機8cの駆動に際して、第三の電力変換器13cの出力電流を検出する第三の電流センサを設けて、精度の高い電流フィードバック制御を実施してもよい。この場合、第三の電流センサのセンサ電源を第一のセンサ電源15aから供給を受けることとすることができる。このようにすれば、第二のセンサ電源15bまたは第二のセンサ電源線9bが失陥した場合であっても、制御装置14aから第三の電力変換器13cを精度よく電流フィードバック制御することができる。図9では、第三の電流センサによって検出される電流がI3として示されている。
実施の形態2において、第一のセンサ電源15aまたは第一のセンサ電源線9aが失陥した場合は、制御装置14aによって第一の電力変換器13aを駆動停止し、直流電力変換器12を直結制御する。この場合、実施の形態1と同様に対応でき、リンプホーム機能を確保できるので説明を省略する。
以上のように、実施の形態2に係る電力変換装置10aによれば、センサ電源の故障に対応して充実したリンプホーム機能を確保しつつ、センサ電源の数を最小化した電力変換装置10aを得ることができる。これによって、電力変換装置10aのセンサ電源の数を削減して小型化、軽量化、低コスト化を進めることができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)
内燃機関の出力軸と結合された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して直流端子から出力する第一の電力変換器、
前記直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器、
バッテリと前記直流端子との間に接続され電圧を変更する直流電力変換器、
前記第一の電力変換器と前記第一の回転電機との間に流れる電流を計測する第一の電流センサ、
前記第二の電力変換器と前記第二の回転電機との間に流れる電流を計測する第二の電流センサ、
前記バッテリと前記直流電力変換器との間に流れる電流を計測する直流電力変換器用電流センサ、
前記第一の電流センサと前記直流電力変換器用電流センサに電源を供給する第一のセンサ電源、および、
前記第二の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源を備えた電力変換装置。
(付記2)
前記直流電力変換器を制御する制御装置を備え、
前記直流電力変換器は、正極側スイッチング素子と、負極側スイッチング素子と、リアクトルと、を有し、
前記制御装置は前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記直流電力変換器を直結駆動する付記1に記載の電力変換装置。
(付記3)
前記制御装置は前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記正極側スイッチング素子をオンし前記負極側スイッチング素子をオフする付記2に記載の電力変換装置。
(付記4)
前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧センサ、および、
前記第一の回転電機の出力電圧を検出する第一の回転電機電圧センサを備え、
前記制御装置は前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記第一の回転電機電圧センサによって検出した誘起電圧が前記バッテリ電圧センサによって検出されたバッテリ電圧よりも大きくなるように内燃機関の回転数を調整する付記2または3に記載の電力変換装置。
(付記5)
前記制御装置は前記第一のセンサ電源および前記第二のセンサ電源が正常な場合は、前記第一の電流センサによって検出された電流値に基づいて前記第一の電力変換器を制御し、前記第二の電流センサによって検出された電流値に基づいて前記第二の電力変換器を制御し、前記直流電力変換器用電流センサによって検出された電流値に基づいて前記直流電力変換器を制御するとともに、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記第二の電力変換器を前記第二の電流センサによって検出された電流値を用いずに前記第二の電力変換器を制御する付記2から4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
(付記6)
前記直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第三の回転電機に交流電流を供給する第三の電力変換器を備え、
前記制御装置は前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記第二の電力変換器の駆動を停止し、前記第一の電力変換器と、前記第三の電力変換器と、前記直流電力変換器を制御する付記2から5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
(付記7)
前記第三の電力変換器と前記第三の回転電機との間に流れる電流を計測する第三の電流センサを備え、
前記第三の電流センサは、前記第一のセンサ電源から電源の供給を受ける付記6に記載の電力変換装置。
(付記8)
前記制御装置は、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記直流電力変換器によって前記直流端子の電圧を、前記第二のセンサ電源が正常な場合の通常電圧よりも高いあらかじめ定められた電圧に昇圧する付記6または7に記載の電力変換装置。
(付記9)
前記制御装置は、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記直流電力変換器によって前記直流端子の電圧を定格最大電圧に昇圧する付記8に記載の電力変換装置。
(付記10)
前記第一の電力変換器は、前記内燃機関の始動時には前記直流端子から与えられた直流電流を交流電流に変換して前記第一の回転電機を駆動し、
前記第二の電力変換器は、電力回生時には前記第二の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して前記直流端子に出力する付記1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
内燃機関の出力軸と結合された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して直流端子から出力する第一の電力変換器、
前記直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器、
バッテリと前記直流端子との間に接続され電圧を変更する直流電力変換器、
前記第一の電力変換器と前記第一の回転電機との間に流れる電流を計測する第一の電流センサ、
前記第二の電力変換器と前記第二の回転電機との間に流れる電流を計測する第二の電流センサ、
前記バッテリと前記直流電力変換器との間に流れる電流を計測する直流電力変換器用電流センサ、
前記第一の電流センサと前記直流電力変換器用電流センサに電源を供給する第一のセンサ電源、および、
前記第二の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源を備えた電力変換装置。
(付記2)
前記直流電力変換器を制御する制御装置を備え、
前記直流電力変換器は、正極側スイッチング素子と、負極側スイッチング素子と、リアクトルと、を有し、
前記制御装置は前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記直流電力変換器を直結駆動する付記1に記載の電力変換装置。
(付記3)
前記制御装置は前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記正極側スイッチング素子をオンし前記負極側スイッチング素子をオフする付記2に記載の電力変換装置。
(付記4)
前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧センサ、および、
前記第一の回転電機の出力電圧を検出する第一の回転電機電圧センサを備え、
前記制御装置は前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記第一の回転電機電圧センサによって検出した誘起電圧が前記バッテリ電圧センサによって検出されたバッテリ電圧よりも大きくなるように内燃機関の回転数を調整する付記2または3に記載の電力変換装置。
(付記5)
前記制御装置は前記第一のセンサ電源および前記第二のセンサ電源が正常な場合は、前記第一の電流センサによって検出された電流値に基づいて前記第一の電力変換器を制御し、前記第二の電流センサによって検出された電流値に基づいて前記第二の電力変換器を制御し、前記直流電力変換器用電流センサによって検出された電流値に基づいて前記直流電力変換器を制御するとともに、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記第二の電力変換器を前記第二の電流センサによって検出された電流値を用いずに前記第二の電力変換器を制御する付記2から4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
(付記6)
前記直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第三の回転電機に交流電流を供給する第三の電力変換器を備え、
前記制御装置は前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記第二の電力変換器の駆動を停止し、前記第一の電力変換器と、前記第三の電力変換器と、前記直流電力変換器を制御する付記2から5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
(付記7)
前記第三の電力変換器と前記第三の回転電機との間に流れる電流を計測する第三の電流センサを備え、
前記第三の電流センサは、前記第一のセンサ電源から電源の供給を受ける付記6に記載の電力変換装置。
(付記8)
前記制御装置は、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記直流電力変換器によって前記直流端子の電圧を、前記第二のセンサ電源が正常な場合の通常電圧よりも高いあらかじめ定められた電圧に昇圧する付記6または7に記載の電力変換装置。
(付記9)
前記制御装置は、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記直流電力変換器によって前記直流端子の電圧を定格最大電圧に昇圧する付記8に記載の電力変換装置。
(付記10)
前記第一の電力変換器は、前記内燃機関の始動時には前記直流端子から与えられた直流電流を交流電流に変換して前記第一の回転電機を駆動し、
前記第二の電力変換器は、電力回生時には前記第二の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して前記直流端子に出力する付記1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
2 バッテリ、3 直流電力変換器用電流センサ、4 第一の電流センサ、5 第二の電流センサ、6 内燃機関、8a 第一の回転電機、8b 第二の回転電機、8c 第三の回転電機、10、10a 電力変換装置、12 直流電力変換器、13a 第一の電力変換器、13b 第二の電力変換器、13c 第三の電力変換器、14、14a 制御装置、15a 第一のセンサ電源、15b 第二のセンサ電源、16a 負極側スイッチング素子、16b 正極側スイッチング素子、17 駆動輪、17a 後輪、
Claims (10)
- 内燃機関の出力軸と結合された第一の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して直流端子から出力する第一の電力変換器、
前記直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第二の回転電機に交流電流を供給する第二の電力変換器、
バッテリと前記直流端子との間に接続され電圧を変更する直流電力変換器、
前記第一の電力変換器と前記第一の回転電機との間に流れる電流を計測する第一の電流センサ、
前記第二の電力変換器と前記第二の回転電機との間に流れる電流を計測する第二の電流センサ、
前記バッテリと前記直流電力変換器との間に流れる電流を計測する直流電力変換器用電流センサ、
前記第一の電流センサと前記直流電力変換器用電流センサに電源を供給する第一のセンサ電源、および、
前記第二の電流センサに電源を供給する第二のセンサ電源を備えた電力変換装置。 - 前記直流電力変換器を制御する制御装置を備え、
前記直流電力変換器は、正極側スイッチング素子と、負極側スイッチング素子と、リアクトルと、を有し、
前記制御装置は、前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記直流電力変換器を直結駆動する請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記正極側スイッチング素子をオンし前記負極側スイッチング素子をオフする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧センサ、および、
前記第一の回転電機の出力電圧を検出する第一の回転電機電圧センサを備え、
前記制御装置は、前記第一のセンサ電源の異常を検出した場合に、前記第一の回転電機電圧センサによって検出した誘起電圧が前記バッテリ電圧センサによって検出されたバッテリ電圧よりも大きくなるように内燃機関の回転数を調整する請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記第一のセンサ電源および前記第二のセンサ電源が正常な場合は、前記第一の電流センサによって検出された電流値に基づいて前記第一の電力変換器を制御し、前記第二の電流センサによって検出された電流値に基づいて前記第二の電力変換器を制御し、前記直流電力変換器用電流センサによって検出された電流値に基づいて前記直流電力変換器を制御し、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合は、前記第二の電力変換器を前記第二の電流センサによって検出された電流値を用いずに前記第二の電力変換器を制御する請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記直流端子に接続され直流電流を交流電流に変換し、駆動輪と結合された第三の回転電機に交流電流を供給する第三の電力変換器を備え、
前記制御装置は、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記第二の電力変換器の駆動を停止し、前記第一の電力変換器と、前記第三の電力変換器と、前記直流電力変換器を制御する請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記第三の電力変換器と前記第三の回転電機との間に流れる電流を計測する第三の電流センサを備え、
前記第三の電流センサは、前記第一のセンサ電源から電源の供給を受ける請求項6に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記直流電力変換器によって前記直流端子の電圧を、前記第二のセンサ電源が正常な場合の通常電圧よりも高いあらかじめ定められた電圧に昇圧する請求項6に記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、前記第二のセンサ電源の異常を検出した場合に前記直流電力変換器によって前記直流端子の電圧を定格最大電圧に昇圧する請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記第一の電力変換器は、前記内燃機関の始動時には前記直流端子から与えられた直流電流を交流電流に変換して前記第一の回転電機を駆動し、
前記第二の電力変換器は、電力回生時には前記第二の回転電機が発生した交流電流を直流電流に変換して前記直流端子に出力する請求項1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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