JP4771172B2 - 車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源から給電される電力変換装置の入力平滑用の平滑コンデンサの残留電荷を放電するための車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置の改良に関する。

車両特にハイブリッド車やEVではモータ駆動用の三相インバータやＤＣ／ＤＣコンバータなどの大電力の電力変換装置を装備している。この種の電力変換装置では、電力変換装置への給電を遮断する際に平滑コンデンサの蓄電電荷を放電するために平滑コンデンサ放電回路としての大電力の放電抵抗器を平滑コンデンサと並列に接続している。

また、下記の特許文献１は、この放電抵抗器を２つの抵抗器を直列接続してなる抵抗分圧回路により構成し、この抵抗分圧回路を電力変換装置の電源電圧検出回路としても用いることを提案している。

けれども放電抵抗器は常時通電され、かつ、車両用大電力電力変換装置では消費電力も大きいため、その発熱が周囲の電子回路（通常は電力変換装置）に悪影響を与えるという問題があった。この問題は、車両用など大電力の放電抵抗器において特に大きいという問題があった。もちろん、電力変換装置を放電抵抗器の熱影響が無視できるまで空間的に引き離すことも可能であるが、車両用電力変換装置では空間的制約からこのような空間分離はほぼ不可能である。

その他、放電抵抗器と直列接続された放電制御スイッチを車両用電源から電力変換装置への給電をパワースイッチにより遮断する際にのみ放電制御スイッチをオンすることが、上記特許文献１に従来技術として記載されている。この場合には、イグニッションスイッチオフ後に放電制御スイッチを一定時間オフする放電制御スイッチ制御用の制御回路が必要となる。けれども、この技術を車両用電力変換装置に適用する場合には、この制御回路への低圧バッテリからの電源電力の給電がイグニッションスイッチオフにより遮断されるため、イグニションオフ後の放電制御スイッチ制御用の制御回路への電源電力給電機能を追加する必要があった。
特開２００３−３３３８５９号公報

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、平滑コンデンサ放電用の放電抵抗器の熱的悪影響を簡素な回路構成で抑止可能な車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する第１、第２発明は、車両用高電圧バッテリから電源スイッチを通じて給電される車載の電力変換装置と、前記電力変換装置と並列接続されて前記車両用高電圧バッテリから給電される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサと並列接続されて前記電源スイッチのオフ時に前記平滑コンデンサを放電する放電回路と、前記電力変換装置を制御するコントローラと、を備える車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置に適用される。放電回路が平滑コンデンサの蓄電電力を放電するこの種の車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置は公知技術となっている。

第１発明は特に、前記電力変換装置が、交流モータに交流電圧を印加するインバータ回路からなり、前記放電回路は、前記インバータ回路及び前記交流モータにより構成され、前記コントローラには、一対の電源入力端間に低電圧バッテリからイグニッションスイッチを介して電源電力を供給する電力供給用コンデンサが並列接続されており、前記コントローラは、前記イグニッションスイッチの遮断により前記電源スイッチがオフした後であって前記電力供給用コンデンサから蓄電電力が供給される所定時間、前記インバータ回路の制御を維持して、前記インバータ回路は、前記イグニッションスイッチの投入により前記電源スイッチがオンされて前記車両用高電圧バッテリから給電された前記平滑コンデンサの蓄電電力を、前記所定時間のみ前記交流モータに給電することにより、前記平滑コンデンサの放電を行うことを特徴としている。すなわち、この発明では、電源スイッチのオフ直後に電力変換装置を導通させることにより平滑コンデンサを放電する。更に説明すると、電力変換装置を制御するコントローラがイグニッションオフにより動作不能となる以前かつ電源スイッチがオフした後において、このコントローラは電力変換装置であるインバータを作動させる。これにより、平滑コンデンサの蓄電電力は電力変換装置又はそれに接続される電気負荷により急速に消費される。このようにすれば、放電抵抗器を省略できるので回路構成の簡素化と無駄な電力消費の低減を実現することができる。

第２発明は、特に、前記電力変換装置が、交流モータに交流電圧を印加するインバータ回路からなり、前記放電回路は、前記インバータ回路を含み、前記コントローラには、一対の電源入力端間に低電圧バッテリからイグニッションスイッチを介して電源電力を供給する電力供給用コンデンサが並列接続されており、前記コントローラは、前記イグニッションスイッチの遮断により前記電源スイッチがオフした後であって前記電力供給用コンデンサから蓄電電力が供給される所定時間、前記インバータ回路の制御を維持して、前記インバータ回路は、前記所定時間のみ前記インバータ回路を構成するスイッチング素子を全てオンすることにより、前記イグニッションスイッチの投入により前記電源スイッチがオンされて前記車両用高電圧バッテリから給電された前記平滑コンデンサの蓄電電力を放電することを特徴とする。この発明では、電力変換装置の半導体スイッチング素子の抵抗損により平滑コンデンサの蓄電電力を消費する。これにより負荷に影響を与えることなく平滑コンデンサの放電が可能となる。

第１発明において、前記電力変換装置は、交流モータに交流電圧を印加するインバータ回路からなり、前記インバータ回路は、前記イグニッションスイッチの投入により前記電源スイッチがオンされて前記車両用高電圧バッテリから給電された前記平滑コンデンサの蓄電電力を、前記所定時間のみ前記交流モータに給電する。これにより、インバータ回路の発熱負担を低減することができる。

好適な態様において、前記インバータ回路は、前記電源スイッチのオフ後に前記平滑コンデンサの蓄電電力を前記交流モータに静止磁界を形成するモードにて前記交流モータに給電する。これにより、交流モータの動作に悪影響を与えることなく平滑コンデンサの放電を実現することができる。

本発明の車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置の好適態様を具体的な実施形態により説明する。

（参考形態１）
ハイブリッド車に適用した参考形態１を図１の回路図を参照して説明する。

（全体構成）
１は高電圧バッテリ、２は図示しない走行動力発生用の発電電動機を駆動制御する三相インバータ（電力変換装置）、３は平滑コンデンサ、４は電源スイッチ、５は放電回路、６は放電回路５の一部をなす放電抵抗器、７は放電回路５の残部をなす感温スイッチ、８は三相インバータ２を制御するコントローラ、９は図略の低電圧バッテリからコントローラ８に電源電力を給電するイグニッションスイッチである。

高電圧バッテリ１の両端は、電源スイッチ４を通じて三相インバータ２の一対の直流入力端間に接続されている。平滑コンデンサ３の両端は三相インバータ２の一対の直流入力端間に接続されている。放電回路５は放電抵抗器６と感温スイッチ７とを直列接続して構成され、平滑コンデンサ３と並列に接続されている。コントローラ８は三相インバータ２の合計６つのＩＧＢＴをＰＷＭ制御して形成した三相交流電力を上記発電電動機に給電している。この種の三相インバータ２のＰＷＭ制御による発電電動機制御は良く知られているためこれ以上の説明は省略する。

コントローラ８は、イグニッションスイッチ９の投入によりスタートして電源スイッチ４をオンし、平滑コンデンサ３が充電される。その後、コントローラ８は三相インバータ２をＰＷＭ制御し、放電回路５は常時所定の大きさの電流を放電する。電源スイッチ４をオフすると、平滑コンデンサ３の蓄電電力は放電回路５を通じて放電される。

（放電回路５）
この参考形態では、感温スイッチ７はバイメタルスイッチにより構成されるが、感温リードリレーやＰＴＣなどを採用してもよい。感温スイッチ７は温度が所定値を超えると実質的に通電を遮断される。放電回路５の感温スイッチ７は、自己の抵抗損失による周囲温度からの温度上昇により自己の温度が所定しきい値に到達すると遮断される。その結果、この種の従来回路と同様、放電電流の平均値が規制される。

この参考形態の特徴は、放電回路５の感温スイッチ７を三相インバータ２に近接して、更に詳しく言えば三相インバータ２のＩＧＢＴに熱的に近接配置されている。このようにすると、三相インバータ２が大電力動作していてその温度上昇が大きい場合には感温スイッチ７はその平均通電電流を相対的に大きく制限するので、放電抵抗器６の通電発熱量が削減される。また、三相インバータ２が停止乃至小電力動作していてその温度上昇が小さいか無視できる場合には感温スイッチ７によるその平均通電電流の制限は実質的に緩和されるため、放電抵抗器６の通電発熱量は増大される。このため、電源スイッチ４をオフした場合には三相インバータ２の停止により、感温スイッチ７による放電抵抗器６の通電電流制限は緩和されるため、放電回路５は平滑コンデンサ３の残留電荷は必要速度で減衰させることができる。

更に、三相インバータ２の運転中には、三相インバータ２の温度上昇により少なくとも三相インバータ２の停止中よりも放電回路５の放電は抑制されため、放電回路５の無駄な電力損失も低減することができる。

（参考形態２）
参考形態２を図２の回路図を参照して説明する。

図２の回路は、図１の回路の感温スイッチ７を放電スイッチ５０に置換し、この放電スイッチ５０の制御のための制御回路５１を追加した点をその特徴としている。

制御回路５１は、互いに直列接続されて平滑コンデンサ３と並列に接続された抵抗素子５２及び感温性抵抗素子５３により構成され、両者の接続点は放電スイッチ５０をなすエミッタホロワトランジスタのベース電極に接続されている。感温性抵抗素子５３は小電流型ＰＴＣ素子により構成されている。三相インバータ２が低温の場合には三相インバータ２に近接配置された感温性抵抗素子５３の温度は低く、放電抵抗器６には十分な電圧が印加され、その放電電力の制限はほとんど無い。三相インバータ２が高温になると三相インバータ２に近接配置された感温性抵抗素子５３の温度上昇により、放電スイッチ５０のベース電位が低下し、放電抵抗器６に電圧が印加される電圧が低下し、その放電電力は大きく制限される。これにより、参考形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施形態１）
実施形態１を図３の回路図を参照して説明する。

図３の回路は、図１の放電回路５を省略し、その代わりに三相インバータ２に図１の放電回路５の機能を代用させた点をその特徴としている。１０は三相インバータ２により駆動制御される三相交流モータである。その他、この実施形態ではコントローラ８の一対の電源入力端間にコンデンサ１１を並列接続している。すなわち、この実施形態では、イグニッションスイッチ９を遮断しても、小容量のコンデンサ１１の蓄電電力によりわずかの時間（たとえば１秒程度）コントローラ８はその動作を維持可能となっている。

この装置の電源スイッチ４オフ前後におけるコントローラ８の制御動作を図４に示すフローチャートを参照して説明する。まず、コントローラ８はイグニッションオフなどの信号入力に基づいて電源スイッチ４をオフしたら（Ｓ１００）、三相インバータ２を平滑コンデンサ放電モードで運転する（Ｓ１０２）。この平滑コンデンサ放電モードを以下に説明する。

（モード１）
このモードでは、電源スイッチ４をオフした直後に三相インバータ２の合計６個のパワースイッチング素子（図４ではＭＯＳトランジスタ）をすべてオンする。これにより、平滑コンデンサ３の蓄電電力は三相インバータ２の各ハーフブリッジにより抵抗損失に変換される。なお、この実施形態のように、パワースイッチング素子をＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタのような絶縁ゲートタイプとし、かつ、これらパワースイッチング素子を駆動するコントローラ８の出力回路をＣＭＯＳインバータとする時、コントローラ８の電源電圧低下によりコントローラ８が動作停止してもハイレベル電位となったパワースイッチング素子のゲート電位の減衰は遅いため、各パワースイッチング素子がオン状態からオフ状態への遷移に時間がかかり、平滑コンデンサ３の蓄電電力は良好に各パワースイッチング素子により消費されることができる。

（モード２）
このモードでは、電源スイッチ４をオフした直後に三相インバータ２をＰＷＭ制御して平滑コンデンサ３の蓄電電力により三相インバータ２から三相交流モータ１０のステータコイルに通電する。ただし、この通電は三相交流モータ１０に回転磁界を形成しないようにすることが好適である。たとえば、三相インバータ２のＵ相上アームのパワースイッチング素子とＶ相及びＷ相の下アームのパワースイッチング素子が１００％デューテイオンされる。これにより、平滑コンデンサ３の蓄電電力は、三相インバータ２のこれらのパワースイッチング素子とステータコイル及び配線の抵抗損失により分散消費される。

このようにすれば、簡素な回路構成により電源スイッチ４のオフ後における平滑コンデンサ３の蓄電電力を消失させることができる。

本発明の参考形態１を示す回路図である。 本発明の参考形態２を示す回路図である。 本発明の実施形態１を示す回路図である。 実施形態１の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 高電圧バッテリ
２ 三相インバータ
３ 平滑コンデンサ
４ 電源スイッチ
５ 放電回路
６ 放電抵抗器
７ 感温スイッチ
８ コントローラ
９ イグニッションスイッチ
１０ 三相交流モータ
１１ コンデンサ
５０ 放電スイッチ
５１ 制御回路
５２ 抵抗素子
５３ 感温性抵抗素子

Claims (3)

1. 車両用高電圧バッテリから電源スイッチを通じて給電される車載の電力変換装置と、前記電力変換装置と並列接続されて前記車両用高電圧バッテリから給電される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサと並列接続されて前記電源スイッチのオフ時に前記平滑コンデンサを放電する放電回路と、前記電力変換装置を制御するコントローラと、を備える車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置において、
   前記電力変換装置は、交流モータに交流電圧を印加するインバータ回路からなり、
   前記放電回路は、前記インバータ回路及び前記交流モータにより構成され、
   前記コントローラには、一対の電源入力端間に低電圧バッテリからイグニッションスイッチを介して電源電力を供給する電力供給用コンデンサが並列接続されており、前記コントローラは、前記イグニッションスイッチの遮断により前記電源スイッチがオフした後であって前記電力供給用コンデンサから蓄電電力が供給される所定時間、前記インバータ回路の制御を維持して、
   前記インバータ回路は、前記イグニッションスイッチの投入により前記電源スイッチがオンされて前記車両用高電圧バッテリから給電された前記平滑コンデンサの蓄電電力を、前記所定時間のみ前記交流モータに給電することにより、前記平滑コンデンサの放電を行うことを特徴とする車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置。
2. 車両用高電圧バッテリから電源スイッチを通じて給電される車載の電力変換装置と、前記電力変換装置と並列接続されて前記車両用高電圧バッテリから給電される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサと並列接続されて前記電源スイッチのオフ時に前記平滑コンデンサを放電する放電回路と、前記電力変換装置を制御するコントローラと、を備える車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置において、
   前記電力変換装置は、交流モータに交流電圧を印加するインバータ回路からなり、
   前記放電回路は、前記インバータ回路を含み、
   前記コントローラには、一対の電源入力端間に低電圧バッテリからイグニッションスイッチを介して電源電力を供給する電力供給用コンデンサが並列接続されており、前記コントローラは、前記イグニッションスイッチの遮断により前記電源スイッチがオフした後であって前記電力供給用コンデンサから蓄電電力が供給される所定時間、前記インバータ回路の制御を維持して、
   前記インバータ回路は、前記所定時間のみ前記インバータ回路を構成するスイッチング素子を全てオンすることにより、前記イグニッションスイッチの投入により前記電源スイッチがオンされて前記車両用高電圧バッテリから給電された前記平滑コンデンサの蓄電電力を放電することを特徴とする車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置。
3. 請求項１記載の車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置において、
   前記インバータ回路は、前記電源スイッチのオフ後に前記交流モータを駆動しないモードにて前記平滑コンデンサの蓄電電力を前記交流モータに給電する車両用電力変換装置の平滑コンデンサ放電装置。
   

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