JP4134509B2

JP4134509B2 - 充電装置および電動車輌

Info

Publication number: JP4134509B2
Application number: JP2000359439A
Authority: JP
Inventors: 正一佐々木; 良二沖
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2020-11-27
Also published as: JP2002165370A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電装置に関し、詳しくはスイッチング素子のスイッチングにより電源からの電力を多相モータに供給する電力制御回路を備えた充電装置、およびこれを搭載した電動車輌に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、二次電池を電源とし、インバータを用いて多相モータを回転するモータ駆動回路が、電動自動車を初め、様々な機器で用いられている。こうした機器において、二次電池を充電したいという要求は当然存在するため、専用の充電器を用意していた（例えば、特開平５−２０７６６４号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の充電装置では、交流の位相に応じてスイッチング素子をオンオフする必要があり、制御が煩雑になるという問題があった。また、充電電流の制御に使用する大型のリアクトルを設けなければならないという問題もあった。このリアクトルとして多相モータの界磁コイルを利用する提案もなされているが、シンク側のスイッチング素子をターンオンして界磁コイルに短絡電流を流した後、スイッチング素子をオフしてこの電流を充電電流として取り出すという構成になっており（上記公報図５参照）、例えばスイッチング素子がオン故障すると、短絡電流が流れたままになるといった不具合が指摘されていた。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされ、多相モータを駆動する電力制御回路を利用した充電装置の構成を簡略にすることを目的としてなされた。また、この電源装置を組み込んだ電動車輌の成を簡明なものすることも目的の一つとしている。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するためになされた本発明の充電装置は、
二次電池への充電を行なう充電装置であって、
界磁コイルが星形結線された多相モータと正負の電源ラインとの間に、該多相モータの相数に対応してスイッチング素子を介装すると共に、該スイッチング素子のスイッチングにより前記電源ラインに供給される電力を前記多相モータに多相交流として供給する電力制御回路と、
前記正負の電源ラインに、出力側が接続されたダイオードブリッジと、
前記電源ライン間に接続されたコンデンサと、
前記二次電池充電用の外部の電源を接続するためのコネクタと
を備え、
充電時には、
前記外部の電源を前記コネクタに接続することで、該外部の電源から前記ダイオードブリッジの入力側への接続を構成し、
充電しようとする前記二次電池の一方の端子を、前記多相モータの前記星形結線の交点に接続すると共に、該二次電池の他方の端子を、前記電源ラインの一方に接続する回路を構成し、
走行時には、前記二次電池の出力を前記電源ラインに接続する回路を構成する
を要旨としている。
【０００６】
かかる充電装置では、電源として交流または直流電源を用意すると、この電源からダイオードブリッジを介して得られる直流電圧により、電源ライン間に接続されたコンデンサの充電が行なわれる。この状態で、スイッチング素子をオンオフすると、コンデンサに蓄積された電荷は、電源ライン−ターンオンされたスイッチング素子−多相モータの界磁コイル−星形結線の交点−二次電池−電源ラインという回路を流れて、二次電池を充電する。
【０００７】
また、こうした充電装置において、電力制御回路は、直列接続された二つのスイッチング素子を一組として、前記相数に対応した組数だけ、前記電源ライン間に介装し、前記二次電池への充電時に、前記各組のスイッチング素子のうち、前記二次電池の他方の端子が接続された側の電源ラインとは反対側の電源ラインに接続されたスイッチング素子を、導通状態とする構成とすることも可能である。かかる構成を採用すれば、多相モータの駆動回路をそのまま充電用の電力制御回路として利用可能である。
【０００８】
かかる回路構成において、スイッチング素子の各々に、保護用のダイオードを併設することも、電力制御回路では、しばしば行なわれている。この場合には、スイッチング素子をターンオフした際、多相モータの界磁コイルに流れていた電流は、シンク側のスイッチング素子に併設された保護用のダイオードを介して流れ続け、二次電池を充電する。
【０００９】
こうした充電装置は、電動車両に備えることができる。電動車両であって、動力源としての二次電池の充電が必要なものが存在するが、こうした電動車両の二次電池を充電する装置として、簡便なものを提供することができる。かかる装置は、ダイオードブリッジを備えるので、商用交流用のような交流電源も、燃料電池や太陽電池と言った直流電源でも接続することができ、汎用性に富むという利点が得られる。また、こうした充電装置は、車両に搭載して、電動車両として一体化しても良いし、別体にも受けても良い。また、車両に限らず、星形結線を有する多相モータと二次電池とを有する機器の充電装置として用いることができる。なお、充電用の電源としては、商用交流や燃料電池、太陽電池の他、直流電源として、他のバッテリまたは大容量キャパシタを用いることもできる。
【００１０】
充電される二次電池は、化学変化を利用して電気エネルギを蓄積するものであり、鉛蓄電池、ニッケル水素バッテリ、ニッケルカドミウムバッテリ、リチウムイオンバッテリ、リチウムポリマバッテリなど、従来から用いられている各種の二次電池を採用可能である。
【００１１】
【発明の他の態様】
本発明の電源装置は上記態様に限られるものではなく、次の様な態様も包含するものである。まず充電される二次電池は、２以上であっても差し支えない。この場合、二つのバッテリを並列または直列に接続して一度に充電を行なっても良いし、切り換え用の接点を設けて一つずつ、充電するものとしても良い。また、星形結線の交点に接続される二つの二次電池の極性を逆にし、各二次電池の反対側の端子を、正負の電源ラインのそれぞれに接続して、一つの二次電池を、ソース側のスイッチング素子のオンオフで充電し、他方の二次電池を、シンク側のスイッチング素子のオンオフで充電する構成も可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の実施例としての充電装置を組み込んだ電気自動車の概略構成図である。この充電装置は、電気自動車１０に一体に組み込まれていることから、まず電気自動車１０としての構成について説明する。
【００１３】
図１に示したように、この電気自動車１０は、電源としてのリチウムイオンタイプの二次電池であるバッテリ２０を搭載し、この直流電源をインバータ４０により、三相交流に変換して、三相モータ５０に出力する構成を採用している。三相モータ５０は、回転子に永久磁石を備える永久磁石型（ＰＭ型）同期電動機である。インバータ４０は、コントローラ３０により制御される。このコントローラ３０は、アクセルペダル３２や車速センサ３４、あるいはバッテリ２０の電圧を監視する電圧センサ３６などのセンサからの入力を監視し、インバータ４０を構成するスイッチング素子をオン・オフ制御する。スイッチング素子のオン・オフのデューティと周波数を制御することにより、モータ５０の各相に流れる電流、ひいてはモータ５０のトルクと回転数を制御することができる。モータ５０の回転軸の回転は、ディファレンシャルギヤ５５を介して、左右の車輪５１，５２に伝達され、車両を走行させる。
【００１４】
通常の電気自動車の基本的な構成と比べると、本実施例の電気自動車１０では、バッテリ２０とインバータ４０との間が直接接続されておらず、コネクタＣＮ１，ダイオードブリッジＤ１，コンデンサＣ１等が介装されている。これらの接続関係を図１を参照しつつ、詳しく説明する。バッテリ２０の負側電源ラインは、コネクタＣＮ１の０番端子に接続されている。また、バッテリ２０の正側電源ラインは、コネクタＣＮ１の２番端子に接続されている。このコネクタＣＮ１の３番端子は、ダイオードブリッジＤ１の入力側のもう一方の端子に接続されており、コネクタＣＮ１の４番端子は、ダイオードブリッジＤ１の出力側（インバータ４０の正側電源ライン）に接続されている。更に、コネクタＣＮ１の５番端子は、三相モータ５０のＵＶＷのコイルが星形結線されているその交点に接続されている。コネクタＣＮ１の０番端子は、ダイオードブリッジＤ１の出力側（インバータ４０の正側電源ライン）に接続されている。また、コンデンサＣ１は、ダイオードブリッジＤ１の出力端子とインバータ４０とをつなぐ電源ライン間に介装されている。
【００１５】
このコネクタＣＮ１には、車両走行時には、走行用コネクタＣＮ２が装着されている。走行用コネクタＣＮ２の０番端子と１番端子、および２番端子と４番端子は、それぞれ短絡されている。この結果、図１に示すように、走行用コネクタＣＮ２が、コネクタＣＮ１に正しく装着されていれば、バッテリ２０の正負の端子は、ダイオードブリッジＤ１を介することなく、インバータ４０の電源ラインに接続された状態となる。この結果、走行時においては、バッテリ２０とインバータ４０とは直接接続されて状態となり、バッテリ２０の電力によりモータ５０を駆動して、車両を走行させたり、制動時などにモータ５０により電力を回生し、これをバッテリ２０に充電するといった処理が可能となる。
【００１６】
この場合のバッテリ２０から三相モータ５０までの接続を等価回路で表わしたものが図２である。インバータ４０内のスイッチング素子は、図２では、ソース側のスイッチＳＷ１ないし３およびシンク側のスイッチＳＷ１１ないし１３として表わしている。ダイオードブリッジＤ１は、回路には介装されていない状態となっており、何らの作用もきたしていない。コンデンサＣ１は、電荷を蓄えており、電源ラインの見かけのインピーダンスを下げる働きをしている。
【００１７】
この状態で、コントローラ３０からの制御信号により、スイッチング素子を順次ターンオンして、Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに順次電流を流すと、各相コイルを順次流れる電流により回転磁界が形成され、回転子に設けられた永久磁石による磁界との相互作用により、三相モータ５０は回転する。なお、三相モータ５０により回生が行なわれる場合は、これとは逆に各相コイルに回生電流が流れ、インバータ４０を介して、バッテリ２０が充電されることになる。
【００１８】
なお、図１の回路では、コネクタＣＮ１の０番端子と４番端子を利用して、ダイオードブリッジＤ１を介装しない回路を構成して、三相モータ５０による回生を可能としたが、図３に示すように、三相モータ５０の星形結線の交点（中性点）からバッテリ２０の正側端子に戻るラインを形成し、三相モータ５０の中性点を通って各相コイルに電流を流して、三相モータ５０を駆動する回路構成でも、バッテリ２０による三相モータ５０の駆動と、三相モータ５０からの回生によるバッテリ２０の充電とが可能である。この場合には、端子２と端子５を接続して用いるが、その動作を以下に説明する。図３に示した回路構成を用いた場合には、スイッチング素子ＳＷ１１をまずターンオンして、一つのコイル（例えばコイルＵ）に電流ｉｕを流す。このときの電流ｉｕは、バッテリ２０を電源として、バッテリ２０→三相モータの中性点→Ｕ相コイル→スイッチング素子ＳＷ１１→ダイオードブリッジＤ１の一つのダイオード（省略可能）→バッテリ２０、というように流れ、三相モータ５０のコイルにエネルギを蓄える。
【００１９】
次に、スイッチング素子ＳＷ１１をターンオフすると、スイッチング素子ＳＷ１１とＳＷ１との接続点の電位ＶＬは上昇し、保護用のダイオードＤＰ１を介して、コイルに蓄えられた電荷により、電流が流れる（図３、破線矢印）。この電流は、ダイオードＤＰ１→他の相のスイッチング素子ＳＷ２（ＳＷ３）→Ｖ（Ｗ）相コイル→三相モータ５０の中性点、というように流れる。この結果、かかる回路構成を採用すると、スイッチング素子ＳＷ１１（ＳＷ１２，ＳＷ１３でも可）を制御することにより、インバータの電圧Ｖｃを調整することができる。即ち、バッテリ２０の電圧が低下している場合でも、これを用いてインバータ４０に対して十分な動作電圧を確保することができる。かかる回路構成を採用した場合でも、後述する充電回路により、バッテリ２０の充電を行なうことができる。
【００２０】
そこで、次に、電気自動車１０のバッテリ２０に充電を行なう場合の接続と制御について説明する。図４は、充電時の接続関係を示す回路図である。商用交流を用いて充電を行なう場合には、走行用コネクタＣＮ２を外して、電源ケーブルが接続された充電用コネクタＣＮ３を、コネクタＣＮ１に装着する。この充電用コネクタＣＮ３は、図示するように、商用交流に接続するコンセント６０からの電源ラインが１番と３番の端子にそれぞれ接続されており、２番端子と５番端子とが短絡されている。この結果、等価回路である図５に示したように、商用交流であるＡＣ１００ボルトがダイオードブリッジＤ１を介してインバータ４０に接続され、バッテリ２０は、三相モータ５０の星形結線された交点（中性点）と負側の電源ライン間に接続された状態となる。
【００２１】
ダイオードブリッジＤ１により、交流は全波整流され、コンデンサＣ１に蓄えられる。全波整流により、コンデンサＣ１の両端の電圧ＶＣは、商用交流であれば１４１ボルト、即ち交流の実効電圧Ｖｒｍｓに対して、
ＶＣ＝Ｖｒｍｓ・√２
となる。コントローラ３０は、充電時には、スイッチング素子のうち、シンク側の全素子（等価回路ではスイッチＳＷ１ないしＳＷ３）を同時にオン・オフする。シンク側のスイッチング素子がオン状態になると、図５に示したように、コンデンサＣ１に蓄積されていた電荷は、シンク側のスイッチング素子を介してＵＶＷの各相コイルに流れ、星形結線された交点で合流して、バッテリ２０に流れ込み、バッテリ２０を充電する。バッテリ２０の充電電流ｉを得るためには、各相コイルに流れる電流は、それぞれｉ／３となる。そこで、コントローラ３０は、平均電流がｉ／３となるよう、スイッチング素子のオン時間（デューティ）を制御する。なお、かかる充電制御において、三相モータ５０の各相コイルには等しい電流が同時に流れることから、モータ５０が回転することはない。
【００２２】
図６に、コントローラ３０が行なう充電制御のフローチャートを示す。図示するように、コントローラ３０は、充電制御を開始すると、まずバッテリ２０の電圧を計測し（ステップＳ１００）、計測した電圧に応じて、充電電流ｉを決定する処理を行なう（ステップＳ１１０）。次にこの充電電流ｉに応じて、スイッチング素子のオンデューティを決定し（ステップＳ１２０）、そのデューティでインバータ４０のソース側の全スイッチング素子をオン・オフ制御する（ステップＳ１３０）。その後、バッテリ２０が満充電状態になったかを判断し（ステップＳ１４０）、満充電状態となるまでは、ステップＳ１００に戻って、上記の処理を繰り返す。
【００２３】
なお、通常の半導体型インバータ４０では、図７に示したように、スイッチング素子Ｔｒ１ないしＴｒ３およびＴｒ１１ないしＴｒ１３のコレクタ−エミッタ間には、保護用のダイオードＤｐ１ないしＤｐ３およびＤｐ１１ないしＤｐ１３が設けられている。この場合、ソース側のスイッチング素子Ｔｒ１ないＴｒ３を、オフにすると、三相コイルを介して流れていた電流は、そのまま流れ続けようとすることから、シンク側のスイッチング素子Ｔｒ１１ないしＴｒ１３に併設された保護用のダイオードＤｐ１１ないしＤｐ１３を介して電流が還流することになる。従って、スイッチング素子に保護用のダイオードが併設されている場合には、スイッチング素子をオフにした場合の電力損失は殆ど生じない。図７では、理解の便を図って、Ｗ相コイルに流れる電流のみを示したが、他の相の電流についても同様である。
【００２４】
以上説明した本実施例によれば、電気自動車の基本的な構成であるバッテリ２０−インバータ４０−三相モータ５０という回路に、ダイオードブリッジＤ１とコンデンサＣ１を追加しただけで、容易に、外部の交流電源または直流電源を用いてバッテリ２０を充電する充電装置を構成することができる。走行状態と充電状態とでは、バッテリ２０の端子の接続を切り換えているだけであり、しかもその切換は、走行用コネクタＣＮ２を、充電用コネクタＣＮ３に取り替えることにより自動的に行なわれる。この結果、電気自動車１０を充電スタンドまで走行させ、走行用コネクタＣＮ２を外し、商用交流などの電源に接続した充電用コネクタＣＮ３に取り替えるだけで、直ちに充電可能な状態となる。ダイオードブリッジＤ１を採用していることから、直流電源でも交流電源でも区別することなく接続でき、例えば通常は充電スタンドで商用交流を用いて充電を行なっており、自宅に太陽電池式の発電装置と二次電源装置があれば、これに接続して充電を行なうといったことも可能である。また、燃料電池に接続して充電するものとすることもできる。
【００２５】
上記実施例では、バッテリ２０は、そのまま三相交流の星形結線の交点とマイナス側電源ラインとの間に接続して充電を行なうものとしたが、例えば二次電池の仕様が２００ボルトのように商用交流の電圧を超えている場合には、二次電池を複数の組に予め分割しておき、車両走行時には、これらを全て直列に接続して走行用の電源とし、充電時には、複数の二次電池を並列に接続して充電するものとしても良い。この場合、一度に複数の二次電池を充電しても良いし、接点などで切り換えることにより、一つずつ充電を行なうものとしても良い。
【００２６】
また、例えばバッテリ２０を等分に分割して、第１のバッテリ２０Ａと第２のバッテリ２０Ｂから構成し、走行時には両者２０Ａ，２０Ｂを直列に接続して走行用の電源とし、充電時には、図８に示すように、両バッテリ２０Ａ，２０Ｂの中点と三相モータ５０の星形結線の交点とを接続し、インバータ４０のソース側スイッチング素子のオン・オフにより第１のバッテリ２０Ａを、シンク側スイッチング素子のオン・オフにより第２のバッテリ２０Ｂを、それぞれ独立して充電するものとしても良い。この場合には、図９に示したように、ソース側のスイッチング素子とシンク側のスイッチング素子が一度に導通状態とならないよう、ターンオンのタイミングを調整する。
【００２７】
なお、三相モータ５０に温度上昇を測定するセンサが設けられている場合には、温度上昇が所定の許容温度以下となるように、充電を制御することも容易である。充電は、通常連続して行なわれることから、各相コイルに流れる電流自体は走行時の最大電流より小さくても、連続通電により三相モータ５０の温度は相当に上昇することがあり得るが、コイルの温度上昇をモニタしつつ充電を行なえば、充電処理の信頼性を更に高くすることができる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、例えば、実施例の充電装置を電気自動車とは完全に別体に構成しても良いし、電気自動車以外の機器、例えば船舶，航空機などの交通手段やその他各種産業機械などに組み込んだ態様など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。また、実施例では、全波整流用のダイオードブリッジを用いたが、充電用の電源電圧とバッテリの電圧との関係によっては、半波整流用のダイオードブリッジを用いることも可能である。半波整流用のダイオードブリッジを用いた場合には、コネクタＣＮ１の端子０からインバータのマイナス側電源ラインへの結線を省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としての電気自動車１０に組み込んだ充電装置の構成を示す回路図である。
【図２】実施例における等価回路図である。
【図３】実施例の充電回路を適用可能な他の駆動回路例を示す回路図である。
【図４】実施例の充電時の接続関係を示す回路図である。
【図５】充電時の等価回路図である。
【図６】コントローラ３０が行なう処理の概要を示すフローチャートである。
【図７】インバータ４０の実際の構成と還流の様子を例示する説明図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す回路図である。
【図９】他の実施例におけるスイッチング素子のオンタイミングを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０…電気自動車
２０…バッテリ
２０Ａ…第１のバッテリ
２０Ｂ…第２のバッテリ
３０…コントローラ
３２…アクセルペダル
３４…車速センサ
３６…電圧センサ
４０…インバータ
５０…三相モータ
５１，５２…車輪
５５…ディファレンシャルギヤ
６０…コンセント
Ｃ１…コンデンサ
ＣＮ１…コネクタ
ＣＮ２…走行用コネクタ
ＣＮ３…充電用コネクタ
Ｄ１…ダイオードブリッジ
Ｄｐ１〜Ｄｐ１１…ダイオード
ＳＷ１〜ＳＷ１１…スイッチ
Ｔｒ１〜Ｔｒ１１…スイッチング素子

Claims

二次電池への充電を行なう充電装置であって、
界磁コイルが星形結線された多相モータと正負の電源ラインとの間に、該多相モータの相数に対応してスイッチング素子を介装すると共に、該スイッチング素子のスイッチングにより前記電源ラインに供給される電力を前記多相モータに多相交流として供給する電力制御回路と、
前記正負の電源ラインに、出力側が接続されたダイオードブリッジと、
前記電源ライン間に接続されたコンデンサと、
前記二次電池充電用の外部の電源を接続するためのコネクタと
を備え、
充電時には、
前記外部の電源を前記コネクタに接続することで、該外部の電源から前記ダイオードブリッジの入力側への接続を構成し、
充電しようとする前記二次電池の一方の端子を、前記多相モータの前記星形結線の交点に接続すると共に、該二次電池の他方の端子を、前記電源ラインの一方に接続する回路を構成し、
走行時には、前記二次電池の出力を前記電源ラインに接続する回路を構成する
充電装置。
請求項１記載の充電装置であって、
前記電力制御回路は、直列接続された二つのスイッチング素子を一組として、前記相数に対応した組数だけ、前記電源ライン間に介装し、前記二次電池への充電時に、前記各組のスイッチング素子のうち、前記二次電池の他方の端子が接続された側の電源ラインとは反対側の電源ラインに接続されたスイッチング素子を、導通状態とする
充電装置。
前記スイッチング素子の各々には、保護用のダイオードが併設されている請求項２記載の充電装置。
請求項１ないし３のいずれか記載の充電装置を備えた電動車両。