JP4493701B2

JP4493701B2 - 車両用電動発電装置

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Publication number: JP4493701B2
Application number: JP2008134521A
Authority: JP
Inventors: 勝也辻本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: JP2009284670A; FR2931596B1; FR2931596A1

Description

この発明は、電動機及び発電機として機能する車両用電動発電装置に関し、特に、高い発電効率を要求されるものに係わる。

車両用発電装置では、一般的に、ダイオードによる３相ブリッジ回路（電力変換回路）を用いて整流を行い、バッテリに充電するが、ダイオードによる整流は損失が多いので、発電効率向上による車両燃費向上を目的として、特許文献１のように、スイッチング素子を使った高効率で能動的な整流方式が提案されている。

特許文献１によれば、バッテリに充電する充電回路は、各スイッチング要素をMOS型ＦＥＴで構成した整流ブリッジ回路と、該ＦＥＴのいずれかに前記バッテリの両端電圧よりも高い逆ドレイン・ソース電圧が印加されたときに、該ＦＥＴに、ソース端子に対してプラスとなるゲート電圧を印加し、前記バッテリの両端電圧よりも高い逆ドレイン・ソース電圧が印加されていない時には該ＦＥＴに、ソース端子に対してマイナスとなるゲート電圧を印加する制御装置とを備えたものである。

特許第２９５９６４０号公報

前記充電回路によれば、バッテリの両端電圧とＦＥＴ(スイッチング素子)の逆ドレイン・ソース電圧を検出比較し、比較結果に応じてゲート電圧を制御しＦＥＴのオン／オフ制御を行うが、車両用電動発電装置のように力行時に大電流が流れるようなものでは、電力変換回路の各スイッチング要素がＦＥＴを複数個並列接続して構成され、小さなオン抵抗となるよう設計されているために、バッテリの両端電圧と複数個並列のＦＥＴの逆ドレイン・ソース電圧の電位差が小さくなり、検出比較時にノイズなどの影響により誤判定を行い、誤制御することがあるという問題点があった。

この発明は、前記のような問題点を解消するためになされたもので、小さなオン抵抗となるようにスイッチング素子を複数個並列接続したスイッチング要素で構成される電力変換回路において、ノイズなどの影響で誤制御されることを抑制し、高効率な発電を行う車両用電動発電装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる車両用電動発電装置は、電動機及び発電機として機能し各相の電機子巻線を有する回転電機、前記回転電機に電力を供給し、且つ、前記回転電機の出力により充電されるバッテリ、直列接続された各相のスイッチング要素間の接続点と各相の前記電機子巻線とがそれぞれ接続され、前記回転電機が電動機として機能するときは前記バッテリの電力を電力変換して前記回転電機に供給し、前記回転電機が発電機として機能するときは前記回転電機で発電された電力を整流し前記バッテリに充電する電力変換回路、及び、前記電力変換回路を制御する制御装置を備え、前記電力変化回路の直列接続された各相の前記スイッチング要素をそれぞれ並列接続された複数のスイッチング素子で構成し、前記回転電機が発電機として機能する場合に、前記制御装置が、前記各スイッチング要素の並列接続された前記スイッチング素子両端の電位差を検出して、その検出電位差が設定閾電圧より低下したときに、並列接続された前記スイッチング素子のうちのオン制御する個数を減らし、前記回転電機が電動機として機能する場合には、前記制御装置が前記各スイッチング要素の並列接続されたスイッチング素子をすべて同時にオン又はオフ制御するようにしたものである。

この発明の車両用電動発電装置によれば、電力変化回路の直列接続された各相のスイッチング要素をそれぞれ並列接続された複数のスイッチング素子で構成し、回転電機が発電機として機能する場合に、制御装置が、前記各スイッチング要素の並列接続された前記スイッチング素子両端の電位差を検出して、その検出電位差が設定閾電圧より低下したときに、並列接続された前記スイッチング素子のうちのオン制御する個数を減らし、前記回転電機が電動機として機能する場合には、前記制御装置が前記各スイッチング要素の並列接続されたスイッチング素子をすべて同時にオン又はオフ制御するようにしたので、発電中は発電電流が大きな領域では全てのスイッチング素子をオン制御することでオン抵抗を小さくし、効率の良い発電を行うようにし、スイッチング要素の両端電圧差が閾値電圧より低くなると、オンしているスイッチング素子の個数を減少させることで、スイッチング要素のオン抵抗を大きくし、少ない電流であってもスイッチング要素の両端電位差を大きくすることが可能となり、スイッチングオフするタイミングを誤検出することが抑制でき、効率の良い発電を行うことが可能となる。さらに、回転電機が電動機として機能する場合には、制御装置が各スイッチング要素の並列接続されたスイッチング素子をすべて同時にオン又はオフ制御するため、各スイッチング要素のオン抵抗を小さくでき、効率よく大電流駆動を行うことができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である車両用電動発電装置の構成を示すブロック図である。図において、交流の回転電機１は、三相（Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相）の電機子巻線２と界磁巻線３を有している。界磁巻線３は自動車のエンジン（図示せず）に接続されて回転駆動されると共に、一端が界磁駆動回路４を介して車載用バッテリ５の正極に接続され、他端がバッテリ５の負極（接地端）に接続されている。制御装置６により界磁駆動回路４を制御して界磁巻線３の電流量を調整することにより、回転電機１が電動機として機能している力行中はトルク等を制御し、回転電機１が発電機として機能している発電中は発電電力量を制御する。回転電機１が発電機として機能している発電中は、三相の電機子巻線２は、界磁巻線３の回転により誘導されて三相交流電流を電力変換回路７に出力する。

電力変換回路７はバッテリ５と回転電機１間に接続され、制御装置６で制御される。電力変換回路７は６つの同様特性のスイッチング要素８ａ〜８ｆを有する。図２は実施の形態１による電力変換回路７のスイッチング要素８ａと制御装置６の一部６ａを示すブロック図である。電力変換回路７の各スイッチング要素８ａ〜８ｆは、それぞれ、並列接続された複数のスイッチング素子１５、この例では４個のＮ型パワーＭＯＳ型ＦＥＴ（ Field
Effect Transistor ）から構成され、４つのソース端子（Ｓ）は共にソース端子９ａに接続され、４つのドレイン端子（Ｄ）は共にドレイン端子１０ａに接続されている。４つのＦＥＴのうちの１つのゲート端子には制御装置６ａのゲート制御端子１（ＧＡＴＥ１）が接続され、残りの３個のＦＥＴのゲート端子には制御装置６ａのゲート制御端子２（ＧＡＴＥ２）が接続されている。なお、Ｎ型ＭＯＳ型ＦＥＴに変えて、Ｐ型ＭＯＳ型ＦＥＴやＣ−ＭＯＳ型ＦＥＴも使用可能である。

制御装置６ａは制御装置６の一部で、スイッチング要素８ａに対応する制御部である。１１ａはスイッチング制御回路で、ゲート制御端子１とゲート制御端子２によりスイッチング要素８ａの各ＦＥＴのオン／オフを制御する。ソース端子に対してゲート端子をプラスにすることによりＦＥＴがオンし、ソース端子に対してゲート端子をマイナスにすることによりＦＥＴがオフされる。１２ａはドレイン・ソース間電位差検出回路で、スイッチング要素８ａのソース端子９ａに対するドレイン端子１０ａの電位差を検出する。

図１に示すように、電力変換回路７はスイッチング要素８ａ〜８ｆ（ＵＨ〜ＷＬ）が各相２個ずつ直列接続され（一方のＦＥＴのソース端子と他方のＦＥＴのドレイン端子が接続される）、その直列接続された３組のスイッチング要素８ａ―８ｂ,８ｃ―８ｄ,８ｅ―８ｆがそのドレイン端子、ソース端子をそれぞれ共通端子とするように並列接続されて構成される。共通ドレイン端子１３はバッテリ５の正極に接続され、共通ソース端子１４は負極（接地端）に接続される。直列接続された３組（Ｕ相，Ｖ相、Ｗ相）のスイッチング要素８ａ―８ｂ,８ｃ―８ｄ,８ｅ―８ｆの各接続点に３相（Ｕ相，Ｖ相、Ｗ相）の電機子巻線２の各相巻線端がそれぞれ接続される。スイッチング要素８ａ〜８ｆのソース端子Ｓとドレイン端子Ｄとの間に表示されるダイオードはＦＥＴの寄生ダイオード（等価回路）を示すものである。

制御装置６は、入・出力回路,記憶手段,タイマー,中央演算処理装置等から構成される。その入力回路はバッテリ５の正極と負極（接地端）並びに電機子巻線２の各相巻線端に接続され、バッテリ５の正極と負極の電圧信号並びにスイッチング要素８ａ―８ｂ,８ｃ―８ｄ,８ｅ―８ｆの各接続点の電圧信号が制御装置６に供給される。これらにより、各スイッチング要素８ａ〜８ｆのドレイン・ソース間電位差を検出する。制御装置６の出力回路はスイッチング要素８ａ〜８ｆの各ゲート端子並びに界磁駆動回路４に接続され、制御装置６からの各制御信号が各スイッチング要素８ａ〜８ｆ並びに界磁駆動回路４に供給される。これらにより、各スイッチング要素８ａ〜８ｆの各ＦＥＴのオン／オフを制御すると共に、界磁駆動回路４の制御で界磁巻線３の電流量を調整する。

回転電機１が電動機として機能しているとき、つまり、力行動作の際、界磁巻線３を有する回転子の位置検出に応じたスイッチングパターンで、スイッチング要素８ａ〜８ｆ（ＵＨ〜ＷＬ）の通電状態が制御され、各相の電機子巻線２に通電されるが、各スイッチング要素８ａ〜８ｆに流れる電流は、電機子巻線仕様、界磁巻線による磁界の大きさ、回転子の回転スピードなどにより変化するが、例えば２００Ａ[ｒｍｓ]以上である(但しｒｍｓ：root-mean-squareである)。

通常１つのスイッチング素子（ＦＥＴ）で、２００Ａ[ｒｍｓ]の電流をスイッチングできるものがないため、複数のスイッチング素子を並列接続することで電流定格をあげている。と共に、各スイッチング要素８ａ〜８ｆ自体の損失を低減するため、各スイッチング要素８ａ〜８ｆ自体のオン抵抗を小さくしており、例えばＲｏｎ４＝１ｍΩ以下（１素子Ｒｏｎ１＝４ｍΩのものを４並列にしたもの）となるように設計する。

スイッチング素子１５には、通常寄生ダイオードが内在しており、回転電機１が発電機として機能しているとき、この寄生ダイオードに発電電流が流れことで整流動作が行なわれ、バッテリ５に充電を行うことができる。発電時にスイッチング要素８ａ（例えば８ａであり、以下同様である。）に流れる発電電流は、バッテリ５の充電状況、車両負荷の大きさなどにより変るが、例えば５０Ａ[ｒｍｓ]程度である。

スイッチング要素の寄生ダイオードの順方向電圧ＶＦが、例えば０．８Ｖであり、発電電流をｓｉｎ波形(Ｉｍａｘ＝５０×√２Ａ)、ダイオードがオンしている期間をｔ、ダイオードがオンする周期をＴとすると、発電時のスイッチング要素での損失Ｐ１は

で示され、この条件下では、各スイッチング要素毎に約３６Ｗ程度になり、車両用発電装置として発熱損となり発電効率を落とすことになる。

このため、寄生ダイオードに電流が流れる際に、スイッチング要素をオン制御すること
で、スイッチング要素での損失を低減することができる。単純にダイオードに電流が流れている際に、スイッチング要素(全てのスイッチング素子)をオン制御状態にすることで、損失Ｐ２（Ｗ）は、オン抵抗をＲｏｎ（Ω）、発電電流をＩ（Ａ）[ｒｍｓ]とすると

であらわすことができる。スイッチング要素をオン制御する際に全てのスイッチング素子をオン制御したとすると、ＲｏｎがＲｏｎ４＝１ｍΩ であるため、各スイッチング要素毎に損失は約２．５Ｗ程度になる。

しかし、実際としては回転子の回転数や負荷変動など様々な影響により、ダイオードオフタイミングが変化するため、電流が減衰している状態で−ＶＤＳ｛（逆ドレイン・ソース間電圧）で、ＶＤＳはソースを基準としたドレイン電圧である。｝が閾値ＶＴＨ１に達した際にスイッチング要素をオフ制御する(スイッチング要素の全てのスイッチング素子をオフ制御する)。スイッチング要素をオフ制御する−ＶＤＳの閾値は、検出回路１２ａのノイズマージン等の条件を考慮し、例えば３０ｍＶとしたとすると、瞬時電流が３０Ａ以下に立ち下がった場合に、スイッチング素子をオフ制御し寄生ダイオードによる整流に切り替えるため、損失Ｐ３は

で表せ、各スイッチング要素毎に約４Ｗ程度となる。

この発明では、電流が減衰している状態（電流が減衰している状態であるかは、ＶＤＳの値を検出回路１２ａで検出して判定する）で、−ＶＤＳが閾値ＶＴＨ１になったことを検出回路１２ａで検出すると、スイッチング要素８ａの並列接続している複数のスイッチング素子１５（例えば４個）のうち、全てのスイッチング素子をオフ制御するのでなく、一部のスイッチング素子（例えば１個）はオン制御状態のままとし、残りのスイッチング素子（例えば３個）はオフ制御し、さらに−ＶＤＳが閾値ＶＴＨ２になったことを検出することでオン制御されていたスイッチング素子（例えば１個）をオフ制御するようにすることで、検出精度を向上でき、損失を低減することが可能となる。

つまり、スイッチング要素の全てのスイッチング素子がオン制御されているときは、Ｒｏｎ４＝１ｍΩであり、スイッチング要素のうちの１つのスイッチング素子がオン制御されているときは、Ｒｏｎ１＝４ｍΩであり、電流が例え、１／４に減少しても、同等の検出精度で検出できる。

図３は実施の形態１におけるスイッチング要素の状態遷移を示す図であり、回転電機が発電機として機能するときの、スイッチング要素８ａのオン／オフ制御の状態遷移を示す（各スイッチング要素８ｂ〜８ｆについても同様である）。図３では、先ず寄生ダイオードによる整流のみで整流を行う期間を確認するため、状態１（図に表記のとおりで、以下各状態２〜９は図３に示すとおり）から−ＶＤＳ≧ＶＦとなることを検出することで状態２に遷移し、ＴＩＭＥＲのカウントを開始する。−ＶＤＳ＜ＶＦである場合は、状態１を継続する。図では半円で示す条件が成立するときは、その状態を継続することを表記し、以下同様である。

状態２から−ＶＤＳ＜ＶＦとなることを検出することで状態３に遷移し、ＴＩＭＥＲの
カウントを終了し、そのときのタイマー値をダイオード通電時間としてＴＩＭＥＲ1に記憶させることにより、スイッチング素子をオン制御して整流することが可能となる。状態３は再び状態１に戻る。これにより寄生ダイオードによる整流のみで整流を行う期間が確認できた。

次に、スイッチング素子による整流は、状態１からＴＩＭＥＲ１≠０でなく、−ＶＤＳ≧ＶＦとなることを検出することで状態４に遷移し、全てのスイッチング素子をオン制御し、ＴＩＭＥＲカウントを開始する。状態４に遷移したときは、発電電流が立ち上がろうとしている状態であるため、発電電流とスイッチング要素のオン抵抗の積がＶＴＨ１以上と十分電流が立ち上がるまでの期間、例えば図３の場合はＴＩＭＥＲ＜ＴＩＭＥＲ１／４の間、状態４を保持した後に、状態５に遷移する。なお、ＴＩＭＥＲ＜ＴＩＭＥＲ１／４で−ＶＤＳ＞ＶＴＨ３（但しＶＴＨ３＜ＶＴＨ１）である場合は、状態４を継続する。また、状態４では、ＴＩＭＥＲカウントアップ中に何らかの理由により発電電流が低下し、−ＶＤＳ≦ＶＴＨ３を検出すると、フェールセーフとして状態６に遷移する。

状態５では、発電電流の立ち下りを検出するため、ＴＩＭＥＲ＜ＴＩＭＥＲ1-α(但しαはスイッチング素子のターンオフ遅れ時間にマージンを加算した値)で、−ＶＤＳ＜ＶＴＨ１（例えば３０ｍＶ）となることで、状態６に遷移する。なお状態５ではフェールセーフのため、ＴＩＭＥＲ≧ＴＩＭＥＲ1-αとなることで状態７に遷移する。

状態６では、オン制御するスイッチング素子を間引いて（図２では、ＧＡＴＥ１でオン制御を継続し、ＧＡＴＥ２でオフ制御し、結果として、４個並列オン制御状態から１個オン状態に移行）整流し、−ＶＤＳ＜ＶＴＨ２（例えば３０ｍＶ）となることで状態７に遷移する。この場合はＶＴＨ２≒ＶＴＨ１としている。なお状態６でもフェールセーフのため、ＴＩＭＥＲ≧ＴＩＭＥＲ1-αとなることで状態７に遷移する。

状態７では、スイッチング要素の全てのスイッチング素子をオフ制御することで、再度ダイオード整流とし、ＴＩＭＥＲ＜ＴＩＭＥＲ1+β(例えば、βはＴＩＭＥＲ１／４)で、−ＶＤＳ＜ＶＦとなることで状態８に遷移し、状態８ではＴＩＭＥＲのカウントを終了し、そのときのタイマー値をダイオード通電時間としてＴＩＭＥＲ1に新たに記憶させ、状態１に戻りスイッチング素子をオン制御可能として整流動作を継続する。なお、状態７ではフェールセーフとして、ＴＩＭＥＲのオーバーラン監視を行うため、ＴＩＭＥＲ≧ＴＩＭＥＲ1+βを検出すると、状態９に遷移し、状態９ではＴＩＭＥＲのカウントを終了し、さらにＴＩＭＥＲ1もゼロクリアする。状態９では、−ＶＤＳ＜ＶＦで状態１に移行する。

この発明のように、各スイッチング要素を制御し整流することで、損失Ｐ４は

で表せ、各スイッチング要素毎に約２．７Ｗ程度となり、ダイオード通電区間を全てスイッチング要素の全てのスイッチング素子がオンしている理想的な整流状態である損失Ｐ２とほぼ同様の損失となる。

このように、回転電機が電動機として機能しているとき、つまり、力行時に大電流が流れるような車両用電動発電装置では、スイッチング要素を並列接続した複数のスイッチン
グ素子で構成し、並列接続した複数のスイッチング素子を同時にオン／オフ制御するため、スイッチング要素のオン抵抗を小さくでき、効率よく大電流駆動を行うことができる。回転電機が発電機として機能しているとき、発電電流が大きな領域ではスイッチング要素の全てのスイッチング素子をオン制御することで、オン抵抗を小さくし、効率の良い発電（整流）を行うことができる。スイッチング要素の両端電位差が、ノイズマージンを考慮した閾電圧(例えば、数十ｍＶ程度)より低くなると、オン制御しているスイッチング素子の個数を減少させることで、スイッチング要素のオン抵抗を大きくし、少ない電流であってもスイッチング要素の両端電位差を大きくすることが可能となり、スイッチングオフ制御するタイミングを誤検出することが抑制でき、効率の良い発電を行うことが可能となる。

この発明の実施の形態１である車両用電動発電装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１による電力変換回路のスイッチング要素と制御装置の一部を示すブロック図である。実施の形態１におけるスイッチング要素の状態遷移を示す図である。

符号の説明

１回転電機２電機子巻線
３界磁巻線４界磁駆動回路
５バッテリ６制御装置
７電力変換回路８スイッチング要素
９ａソース端子１０ａドレイン端子
１１ａスイッチング制御回路
１２ａドレイン・ソース間電位差検出回路
１３共通ドレイン端子１４共通ソース端子
１５スイッチング素子

Claims

電動機及び発電機として機能し各相の電機子巻線を有する回転電機、
前記回転電機に電力を供給し、且つ、前記回転電機の出力により充電されるバッテリ、
直列接続された各相のスイッチング要素間の接続点と各相の前記電機子巻線とがそれぞれ接続され、前記回転電機が電動機として機能するときは前記バッテリの電力を電力変換して前記回転電機に供給し、前記回転電機が発電機として機能するときは前記回転電機で発電された電力を整流し前記バッテリに充電する電力変換回路、及び、
前記電力変換回路を制御する制御装置を備え、
前記電力変化回路の直列接続された各相の前記スイッチング要素をそれぞれ並列接続された複数のスイッチング素子で構成し、
前記回転電機が発電機として機能する場合に、前記制御装置が、前記各スイッチング要素の並列接続された前記スイッチング素子両端の電位差を検出して、その検出電位差が設定閾電圧より低下したときに、並列接続された前記スイッチング素子のうちのオン制御する個数を減らし、
前記回転電機が電動機として機能する場合には、前記制御装置が前記各スイッチング要素の並列接続されたスイッチング素子をすべて同時にオン又はオフ制御する
ようにした車両用電動発電装置。
電動機及び発電機として機能し各相の電機子巻線を有する回転電機、
前記回転電機に電力を供給し、且つ、前記回転電機の出力により充電されるバッテリ、
直列接続された各相のスイッチング要素間の接続点と各相の前記電機子巻線とがそれぞれ接続され、前記回転電機が電動機として機能するときは前記バッテリの電力を電力変換して前記回転電機に供給し、前記回転電機が発電機として機能するときは前記回転電機で発電された電力を整流し前記バッテリに充電する電力変換回路、及び、
前記電力変換回路を制御する制御装置を備え、
前記電力変化回路の直列接続された各相の前記スイッチング要素をそれぞれ並列接続された複数のスイッチング素子で構成し、
前記回転電機が発電機として機能する場合に、前記制御装置が、前記各スイッチング要素の並列接続された前記スイッチング素子両端の電位差を検出して、その検出電位差が設定閾電圧より低下したときに、並列接続された前記スイッチング素子のうちの一部をオン制
御のままとし、残りをオフ制御して、前記スイッチング素子両端の電位差の検出精度を上げ、
前記回転電機が電動機として機能する場合には、前記制御装置が前記各スイッチング要素の並列接続されたスイッチング素子をすべて同時にオン又はオフ制御する
ようにした車両用電動発電装置。