JP4655611B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

バッテリ電圧をＤＣＤＣコンバータにより昇圧し、この出力電圧をインバータで電力変換することでモータに印加する交流電圧を生成する従来技術（図１）が、例えば、特開２００３-１８９５９９号公報（特許文献１を参照されたい。）に示されている。バッテリ電圧を昇圧コンバータで昇圧した電圧をインバータで変換する構成とすることで、低い電圧のバッテリを使いながら大きなモータ出力を得ることができる。
特開２００３-１８９５９９号公報（段落0017-0019、図１）

しかしながら、このような従来技術には以下のような問題点があった。
１）低回転域での損失
昇圧が不要な低回転域のような動作領域であってもバッテリからインバータへ供給される電力はＤＣＤＣコンバータを通って供給されるため、バッテリに直接インバータが接続された構成と比べ昇圧コンバータでの損失分だけ損失が大きい。
２）昇圧コンバータのサイズ
インバータに供給する電力と同等以上の変換能力を備えた昇圧コンバータが必要となるため、昇圧コンバータのサイズが大きくなってしまう。
以上の点を鑑みて、本発明は、バッテリ電圧から負荷（モータなど）への印加電圧を生成する電力変換装置トータルの損失を低減するとともに、そのサイズを低減する電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による電力変換装置は、
直流電圧源と、
直流電圧源から出力された電圧を昇圧して出力する昇圧手段と、
前記直流電圧源から出力された電圧と前記昇圧手段の出力電圧とが、それぞれの一方の端子が共通電位にされて３レベルの電圧として入力され、この３レベル電圧からパルス状の交流電圧を生成し出力する電力変換器と、
をそなえ、
前記電力変換器が、
前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧以下である場合には、前記直流電圧源から直接入力した電圧で前記交流電圧を生成し、
前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧を超える場合には、前記昇圧手段によって昇圧された電圧を使って前記交流電圧を生成する、
ことを特徴とする。

また、第２の発明による電力変換装置は、
直流電圧源と、
前記直流電圧源から出力された電圧を昇圧して出力する昇圧手段と、
前記直流電圧源から出力された電圧と前記昇圧手段の出力電圧とが、それぞれの一方の端子が共通電位にされて３レベルの電圧として入力され、この３レベルの電圧からパルス状の交流電圧（交流出力電圧）を生成し出力する複数の電力変換器と、
をそなえ、
前記電力変換器が、
前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧以下である場合には、前記直流電圧源から直接入力した電圧で前記交流電圧を生成し、
前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧を超える場合には、前記昇圧手段によって昇圧された電圧を使って前記交流電圧を生成する、
ことを特徴とする。

さらにまた、第３の発明による電力変換装置は、前記直流電圧源がバッテリである、ことを特徴とする。
さらにまた、第４の発明による電力変換装置は、前記直流電圧源は燃料電池であり、前記昇圧手段の出力端子間にはバッテリが接続されている、ことを特徴とする。
さらにまた、第５の発明による電力変換装置は、前記昇圧手段がＤＣＤＣコンバータである、ことを特徴とする。

上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現され得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
例えば、第１の発明を方法として実現させると、電力変換方法は、
直流電圧源から出力された電圧を昇圧手段を使って昇圧して出力する昇圧ステップと、
前記直流電圧源から出力された電圧と前記昇圧手段の出力電圧とが、それぞれの一方の端子が共通電位にされて３レベルの電圧として入力され、この３レベル電圧からパルス状の交流電圧を電力変換器を使って生成し出力する電力変換ステップと、
を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、直流電圧源の電圧から直接モータ印加電圧を生成したり、直流電圧源の電圧と昇圧手段の電圧それぞれの電力を任意の割合となるようにモータ印加電圧を生成したりできる。そのため、昇圧手段を通過する電力を減らすことができ、損失の低減と昇圧手段の小型化が可能である。
また、第２の発明によれば、モータを２つ駆動するシステムにおいても、昇圧手段の損失低減と、小型化が可能である。

また、第３の発明によれば、昇圧手段の出力電力量を低減することができるので、昇圧手段の損失低減と小型化が可能である。
また、第４の発明によれば、ＨＥＶやＥＶなどの電動駆動車両にはエネルギー保存手段としてバッテリが用いられるが、バッテリの電圧変動を考慮した場合、昇圧機能を備えながら昇圧手段の損失・サイズを低減できる。
また、第５の発明によれば、燃料電池と昇圧手段とバッテリとがカスケードに接続される構成においても、昇圧手段の損失とサイズを低減することが可能である。
また、第６の発明によれば、昇圧機能で必要な電力変換量を低減できるので、昇圧を実現するためにコイルが必要なＤＣＤＣコンバータでは、サイズ低減効果が大きい。

以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。

本発明の第１の実施例（第１、３、４、６の発明に相当）の構成を図２、４、５に示す。本実施例は、直流電圧源であるバッテリ10と、このバッテリ電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータ20と、バッテリ10とＤＣＤＣコンバータ20の合計４つの出力端子の低電位側を共通電位とすることで作成された３レベル電位電圧（Vdc_h,Vdc_l,GND）を入力し、これらの電圧からモータに印加するパルス状電圧を生成する電力変換器30と、この電力変換器で駆動される負荷であるモータ40とＤＣＤＣコンバータ20と電力変換器30を使ってモータを制御する制御装置50とで構成される。モータ40は３相交流モータである。このモータは、後ほど説明する電力変換器３から出力されるパルス状交流電圧により駆動される。電力変換器30は、バッテリ10とＤＣＤＣコンバータ20の３つの出力電位電圧をもとに、モータに印加する電圧を生成する直流-交流電力変換器（図４）である。この電力変換器は各相同じスイッチ群から成るスイッチ手段で構成されている。Ｕ相のスイッチ手段30Uについて説明する。このスイッチは、モータ４0のＵ相に出力する電圧を生成するスイッチ手段である。ＧＮＤ電圧、ＤＣＤＣコンバータの出力電位電圧Ｖdc_h、バッテリの出力電位電圧Ｖdc_lのなかから択一的に接続するスイッチであり、各電位電圧に接続する時間の割合を変化させることで、モータに必要な電圧を生成・供給する。Ｖ相のスイッチ手段30V、Ｗ相のスイッチ手段30Wも同様である。

以下、図５を用いて説明する。制御装置50は、トルク指令値とモータ回転速度とからＤＣＤＣコンバータの出力電圧Ｖdc_hの目標値Ｖdc_h*を求め、この目標値に追従するようにＶdc_hを制御するＤＣＤＣコンバータ制御手段5Aと、トルク指令にモータ出力トルクを追従させる制御を行うモータ制御手段5Bとから構成されている。モータ制御手段5Bについて説明する。51は、外部より与えられるトルク指令とモータの回転速度とからモータのｄ軸電流の指令値ｉd*とｑ軸電流の指令値ｉq*とを演算するトルク制御手段である。52は、ｄｑ軸電流指令値ｉd*、ｉq*とｄｑ軸電流値ｉd、ｉqとから、これらを一致させるための電圧指令値ｖd*、ｖq*を演算する電流制御手段である。ｉd、ｉqは３相／ｄｑ変換手段58により３相電流ｉu、ｉｖから求められる。53は、ｄｑ軸電圧指令値ｖd*、ｖq*を３相電圧指令ｖu*、ｖq*、ｖw*に変換するｄｑ／３相電圧変換手段である。54は、３相電圧指令を、バッテリ１から供給する電力Ｐdc_lと、ＤＣＤＣコンバータ２から供給する電力Ｐdc_hの分配目標値（それぞれrto_pl、rto_ph）に応じて、それぞれの電源の電圧から生成するＵ相電圧指令ｖu_l*、ｖu_h*、Ｖ相電圧指令ｖv_l*、ｖv_h*、Ｗ相電圧指令ｖw_l*、ｖw_h*を生成する電圧分配手段である（以下、バッテリから生成する電圧の指令を電源ｌ分電圧指令、ＤＣＤＣコンバータから生成する電圧の指令を電源ｈ分電圧指令と記す）。

55は、バッテリの電圧Ｖdc_ｌ、ＤＣＤＣコンバータの電圧Ｖdc_hを入力し、ｖu_l*、ｖu_h*、ｖv_l*、ｖv_h*、ｖw_l*、ｖw_h*を各々対応する直流電圧で正規格化した電圧指令である瞬時変調率指令ｍu_l*、ｍu_h*、ｍv_l*、ｍv_h*、ｍw_l*、ｍw_h*を生成する変調率演算手段である。56は、瞬時変調率指令にＰＷＭを行う前の処理を行い最終的な瞬時変調率指令ｍu_l_c*、ｍu_h_c *、ｍv_l_c *、ｍv_h_c *、ｍw_l_c *、ｍw_h_c *を生成する変調率補正手段である。57は、最終的な瞬時変調率指令に基づいて電力変換器３の各スイッチをオン／オフするＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス生成手段である。以上の構成により、電力分配目標値rto_pl（=1-rto_ph）に従ってバッテリ１から直接供給される電力Ｐdc_lとバッテリ電圧がＤＣＤＣコンバータ20で昇圧処理後供給された電力Ｐdc_hとの割合が制御される。なお、ＤＣＤＣコンバータ制御手段5Aは、電圧指令生成手段59aと電圧制御手段59bとをそなえる。

次に作用を説明する。本実施例では、以下の処理が行われる。
(１)モータを駆動するためのパルス状電圧をバッテリ電圧以下の電圧から生成可能な場合には、バッテリ電圧を使って直接パルス状電圧を生成しモータを駆動する。
(2)モータを駆動するためのパルス状電圧を生成するにはバッテリ電圧を超える電圧が必要な場合には、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧も使ってパルス状電圧を生成する。
(１)の場合には、従来例の構成では存在していたＤＣＤＣコンバータの損失を０にすることができ、(2)の場合には、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧とバッテリの出力電圧とからパルス状電圧を生成するので、ＤＣＤＣコンバータの定格・損失を小さくすることができる。

図６に、モータの動作範囲と、その動作範囲内においてバッテリ電圧からモータ印加電圧を生成する領域（領域１）、バッテリ電圧とＤＣＤＣコンバータ出力電圧とからモータ印加電圧を生成する領域（領域２）を示した。領域１は、モータ印加電圧が小さくモータ印加電圧を、バッテリ電圧を昇圧することなく生成可能な領域である。この領域では、図８に示すような等価相電圧になっている。すなわち、バッテリ電圧Ｖdc_lがモータ印加相電圧の指令値であるｖu*の振幅より大きい。このような領域では、図５のモータ制御装置5Aにおいて、バッテリ電圧から供給する電力の比率rto_plを１すなわち、モータに供給する電力を１００％バッテリから供給するものとする。このようにすることで、図７に示すように、ＤＣＤＣコンバータにつながる３つのスイッチＳＷ２、ＳＷ５、ＳＷ８は常時オフ状態で、残りのスイッチでＰＷＭを行う。モータに供給される全ての電力がバッテリ供給される電力Ｐdc_lである。
以上のような動作をするため、ＤＣＤＣコンバータ20を通過する電力を０とすることができるため、従来例で発生していたＤＣＤＣコンバータの損失を０にすることができる。

領域２は、モータ印加電圧が大きく、バッテリ電圧を昇圧しないと十分なモータ印加電圧が生成不可能な領域である。この領域では、図１０に示すような等価相電圧になっている。すなわち、バッテリ電圧Ｖdc_lがモータ印加相電圧の指令値であるｖu*の振幅より小さい。このような領域では、図５のモータ制御装置5Bで昇圧コンバータの出力電圧Ｖdc_hをモータ印加相電圧の振幅より大きい値に制御する。また、モータ制御装置5Aにおいて、バッテリ電圧から供給する電力の比率rto_plを１より小さい値にする。すなわち、モータに供給する電力は、バッテリから直接生成されるのの割合を減らし、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧から生成されるものの割合を増やす。このようにすることで、図９に示すように、モータに供給される電力は、バッテリから供給される電力Ｐdc_lとＤＣＤＣコンバータから供される電力Ｐdc_hとで構成されるようになる。以上のような動作をするため、モータに供給する電力の一部はバッテリから直接供給しているため、大きな電圧が必要な領域においても従来例と比べ、ＤＣＤＣコンバータの損失を減らすことができるとともに、その定格容量も低減することができる。

図１２に、モータの出力トルクを一定に保った場合のモータ回転速度とＤＣＤＣコンバータの損失の関係を示す。モータ回転数がN1以下は、ＤＣＤＣコンバータによる昇圧が不要な領域である。この領域では、従来の構成ではＤＣＤＣコンバータの損失が発生していたが、本発明では全てバッテリから直接、直流交流変換を行いＤＣＤＣコンバータを使用しないので、損失は０である。モータ回転数がN1を超えた場合、ＤＣＤＣコンバータによる昇圧が必要になるが、本発明ではＤＣＤＣコンバータで昇圧した電圧とバッテリの出力電圧の両方を使って電力変換するため、従来例と比べＤＣＤＣコンバータを通過する電力が減り、損失も低減する。

本発明の第2の実施例（第1〜４、６の発明に相当）の構成を図11に示す。本実施例は、１つのバッテリの電力を使って２つのモータ(40a,40b)を駆動するシステムである。第１の実施例と構成上異なる点は、それぞれのモータに印加する電圧を生成するため電力変換器(30a,30b)が２個になっている点である。動作において異なる点は、ＤＣＤＣコンバータ20の出力電圧を、２つのモータの印加電圧の指令値の大きい方の値に基づいて計算することである。本構成によって、実施例１と同様にＤＣＤＣコンバータの損失を低減しながら２つのモータを駆動することができる。

本発明の第３の実施例（クレーム1、３、４〜６の発明に相当）の構成を図３に示す。本実施例は、燃料電池車両の電力変換システムの例である。直流電圧源である燃料電池10fcと、この燃料電池の出力電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータ20と、この出力電力をチャージするバッテリ60と、燃料電池10fcの出力電圧とバッテリ60の出力電圧（＝ＤＣＤＣコンバータ20の出力電圧）の合計４つの出力端子の低電位側を共通電位とすることで作成された３レベル電位電圧を入力し、これらの電圧からモータを駆動するパルス状電圧を生成する電力変換器30と、この電力変換器で駆動されるモータ40と、ＤＣＤＣコンバータ20と電力変換器30を使ってモータを制御する制御装置50とで構成される。このような構成にすることで、モータ印加相電圧が燃料電池10fcの電圧以下である時には燃料電池の電圧を直接変換してモータ印加電圧を生成し、それ以外の場合には不足する電圧分をバッテリ電圧から変換することができる。以上により、ＤＣＤＣコンバータの損失を小さくすることができ、その定格も小さくすることができる。言い換えれば、電力変換システム全体の発熱量を低減できることになるので、システムの冷却システムの小型化が可能となる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

従来のモータ駆動システムの構成を示す図である。 第１の実施例であるモータ駆動システムの構成を示す図である。 第３の実施例であるモータ駆動システムの構成を示す図である。 本発明の一部である電力変換器の構成を示す図である。 第１の実施例の制御装置の詳細構成を示す図である。 モータの動作範囲と電力変換に用いる電圧の関係を示す図である。 モータ印加電圧が小さい場合の電力の流れを示す図である。 モータ印加相電圧指令とバッテリ電圧の関係を示す図である。 モータ印加電圧が大きい場合の電力の流れを示す図である。 モータ印加相電圧指令とバッテリ電圧・ＤＣＤＣコンバータ出力電圧の関係を示す図である。 第２の実施例であるモータ駆動システムの構成を示す図である。 モータ回転速度とＤＣＤＣコンバータの損失の関係を示す図である。

符号の説明

10 バッテリ
10fc 燃料電池
20 ＤＣＤＣコンバータ
30 電力変換器
30U,30V,30W Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチ手段
40 モータ
50 制御装置
5A ＤＣＤＣコンバータ制御手段
5A モータ制御手段
51 トルク制御手段
52 電流制御手段
53 ｄｑ／３相電圧変換手段
54 電圧分配手段
55 変調率演算手段
56 変調率補正手段
57 ＰＷＭパルス生成手段
58 ３相／ｄｑ変換手段
59a 電圧指令生成手段
59b 電圧制御手段

Claims (5)

1. 直流電圧源と、
   直流電圧源から出力された電圧を昇圧して出力する昇圧手段と、
   前記直流電圧源から出力された電圧と前記昇圧手段の出力電圧とが、それぞれの一方の端子が共通電位にされて３レベルの電圧として入力され、この３レベル電圧からパルス状の交流電圧を生成し出力する電力変換器と、
   をそなえ、
   前記電力変換器が、
   前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧以下である場合には、前記直流電圧源から直接入力した電圧で前記交流電圧を生成し、
   前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧を超える場合には、前記昇圧手段によって昇圧された電圧を使って前記交流電圧を生成する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電圧源と、
   前記直流電圧源から出力された電圧を昇圧して出力する昇圧手段と、
   前記直流電圧源から出力された電圧と前記昇圧手段の出力電圧とが、それぞれの一方の端子が共通電位にされて３レベルの電圧として入力され、この３レベルの電圧からパルス状の交流電圧を生成し出力する複数の電力変換器と、
   をそなえ、
   前記電力変換器が、
   前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧以下である場合には、前記直流電圧源から直接入力した電圧で前記交流電圧を生成し、
   前記交流電圧のピーク値が前記直流電圧源の出力電圧を超える場合には、前記昇圧手段によって昇圧された電圧を使って前記交流電圧を生成する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記直流電圧源がバッテリである、
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記直流電圧源は燃料電池であり、前記昇圧手段の出力端子間にはバッテリが接続されている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記昇圧手段がＤＣＤＣコンバータである、
   ことを特徴とする電力変換装置。

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