JP4798072B2 - 車両用充電器の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両用バッテリ、インバータおよび駆動用モータを備える車両において、外部電源、駆動用モータおよびインバータから構成され、外部電源の正側を駆動用モータの中性点に接続して駆動用モータのコイルを昇圧器として用いた充電器を用いて、車両用バッテリを充電する際の車両用充電器の制御方法に関するものである。

従来、例えば電気自動車におけるバッテリの充電方法として、商用の交流電源からの充電を可能にしながら専用の充電装置を不要にし、また装置構成を簡単にする充電方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、特許文献１の図６において、車両用バッテリ、インバータおよび駆動用モータを備える車両において、外部電源、駆動用モータおよびインバータから構成され、外部電源の正側を駆動用モータの中性点に接続して駆動用モータのコイルを昇圧器として用いた充電器を用いて、車両用バッテリを充電する方法が開示されている。

特開平５−２０７６６４号公報

上述した従来の充電方法のように、駆動用モータとインバータとを用いて車両用バッテリを充電する充電器において、駆動用モータのステータに対するロータ位置は、モータ停止時に特定の位置になることはない。ここで、一般に駆動用モータの各相コイルのインダクタンスは、ロータ位置により正弦波状に変化することが知られている。したがって、駆動用モータのコイルを昇圧器のインダクタとして利用する場合、一般の充電器に使用されるインダクタより非常に小さいので、バッテリ充電電流が大幅に変化し、平均充電電流が少ないという問題点があった。また、充電電流を大きくするため通電時間を長くした場合、充電ピーク電流が大幅に増大する。そのため、平均充電電流は増大するが充電損失も大幅に増大し、充電効率も低下するという問題点があった。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、平均充電電流を可能な限り多くすることができ、充電損失を大幅に減少でき、しかも、充電効率を高く維持することができる車両用充電器の制御方法を提供しようとするものである。

本発明の車両用充電器の制御方法は、車両用バッテリ、インバータおよび駆動用モータを備える車両において、外部電源、駆動用モータおよびインバータから構成され、外部電源の正側を駆動用モータの中性点に接続して駆動用モータのコイルを昇圧器として用いた充電器を用いて、車両用バッテリを充電する際の車両用充電器の制御方法であって、停止した駆動用モータのステータに対するロータの位置により変化する各相コイルのインダクタンスに応じて、充電用インダクタとして使用する駆動用モータのコイルを少なくとも１つ選択して用いることを特徴とするものである。

上述した本発明の車両用充電器の制御方法では、停止した駆動用モータのステータに対するロータの位置により変化する各相コイルのインダクタンスに応じて、充電用インダクタとして使用する駆動用モータのコイルを少なくとも１つ選択して用いることで、より具体的には、駆動用モータの各相のコイルのうち、インダクタンスの最も大きいコイルを、充電用インダクタとして駆動用モータのコイルを用いることで、平均充電電流を可能な限り多くすることができ、充電損失を大幅に減少でき、しかも、充電効率を高く維持することができる車両用充電器の制御方法を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の車両用充電器の制御方法の実施態様を説明する。

本発明の車両用充電器の制御方法は、車両用バッテリ、インバータおよび駆動用モータを備える車両において、外部電源、駆動用モータおよびインバータから構成され、外部電源の正側を駆動用モータの中性点に接続して駆動用モータのコイルのインダクタンスを昇圧器として用いた充電器を用いて、車両用バッテリを充電する用途であれば、どのような車両にも適用できる。その中でも、特許文献１に開示されているような電気自動車に、特に好適に用いることができる。

本発明の車両用充電器の制御方法の最大の特徴は、停止した駆動用モータのステータに対するロータの位置により変化する各相コイルのインダクタンスに応じて、充電用インダクタンスとして使用する駆動用モータのコイルを少なくとも１つ選択して用いること、より具体的には、駆動用モータの各相のコイルのうち、インダクタンスの最も大きいコイルを、充電用インダクタンスとして使用する駆動用モータのコイルとして用いること、にある。なお、選択するコイルは１つが好適であるが、それに限定されるものではない。ただ、本発明は最適なコイルを選択する点が特徴であるため、充電のために使用するコイルとして、全相のコイルを選択することはない。

そして、コイルの選択方法としては、１．マップによりコイルを選択する方法、２．各コイルを１相ずつ通電することにより、コイルを選択する方法、３．全コイルに同時に交流を通電することにより、コイルを選択する方法がある。また、各コイルを１相ずつ通電する際には、一定時間通電する方法、および、電流制限値一定として通電する方法、が好適に用いられる。さらに、全コイルに同時に交流を通電する方法としては、一定電流通電する方法、および、一定電圧印加して通電する方法、が好適に用いられる。

以下、実際の例について説明する。

＜第１実施例：コイルの選択をマップのルックアップにより行う例＞
図１は本発明の車両用充電器の制御方法に係る第１実施例の構成を示す図である。図１に示す例において、１１は充電の対象となる車両用バッテリ、１２はインバータ、１３は３相のコイルからなるロータ１４とステータ１５とからなる駆動用リラクタンスモータ、１６は外部電源（直流）、１７はステータ１５に対するロータ１４の位置を検出するためのステータ１５と一体に設けられたレゾルバ、１８はレゾルバ１７の測定結果に基づいてロータ位置を検出するロータ位置検出器、１９は制御器である。図１に示す例において、外部電源１６は、モータ１３が停止している充電時に外部から装着され、その正側をモータ１３の中性点に接続し、その負側をグラウンドに接続している。また、充電器を、外部電源１７、駆動用リラクタンスモータ１３およびインバータ１２から構成し、駆動用リラクタンスモータ１３の３つのコイルのうち、自己インダクタンスが最大と判断され選択されたコイルを昇圧器として用いている。

図２−１〜２−３は、それぞれ、駆動用リラクタンスモータ１３とインバータ１２とを用いた図１に示すバッテリ充電器において、モータ１３の選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートである。図２−１〜２−３に示す例においては、充電対象がバッテリなので、過電圧充電を防止するためにピーク電流を制限する方式を選択している。以下、図２−１〜２−３に従って、本発明の第１実施例における充電動作について説明する。

コイルの自己インダクタンスの導出およびコイルの選択
まず、図２−１に示すように、レゾルバ１７（もしくはエンコーダ等）を用いるロータ位置検出器１８によりロータ位置θを検出する。つづいて測定したロータ位置θ’に対する各コイルの自己インダクタンスデータを、予めロータ位置と各コイルの自己インダクタンスデータとの関係を測定して求めて構成したマップをルックアップすることにより、各コイル（ここでは、三相モータなので、Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の自己インダクタンスを導出する。次に各相コイルの自己インダクタンスの大小を判定し、最も自己インダクタンスの大きなコイルを判定する。例えば、Ｕ相コイルの自己インダクタンスがもっとも大きい場合には、通電に使用するコイルとして、Ｕ相コイルが選択される。

充電動作説明
次に、実際に充電動作を行うのであるが、まず、充電動作を行うための初期値の設定を行う。具体的には、図２−１に示すように、充電周期Ｔｐ、下アームオン時間Ｔｏｎ、目標バッテリ充電電圧Ｖｒｅｆ、充電電流制御値Ｉｌｉｍが設定される。

図２−２に従って、充電電流のピーク電流による制限を実施した場合の充電動作について説明すると、まず、インバータゲート信号を出力可能に設定し、前述と同様に通電コイルをＵ相コイルとした場合、図１におけるインバータ１２のＩＧＢＴ： Ｑ１（以後Ｑ１とする）を下アームオン時間Ｔｏｎの間、ＯＮする。これにより、Ｕ相コイルに外部直流電圧Ｅｍが印加され電流Ｉｕが流れる。つづいて電流Ｉｕをインバータ１２に備わった電流センサにより検出し、充電電流制御値Ｉｌｉｍと比較する。コイル電流Ｉｕが充電電流制御値Ｉｌｉｍより小さい場合には、下アームオン時間Ｔｏｎ経過後、Ｑ１をＯＦＦにする。これにより、Ｕ相コイルに誘起電圧ＬＵｄｉ１／ｄｔが発生しダイオードＤ２を介してバッテリに電流Ｉｕが充電されることとなる。つづいて、バッテリ電圧を電圧センサを用いて検出し、目標バッテリ電圧Ｖｒｅｆと比較する。ここで、検出したバッテリ電圧が目標バッテリ電圧より小さい場合には、再び充電動作を実施するためＱ１をＯＮする。

図２−２に示すように、前記動作を繰り返すことにより、バッテリ電圧が上昇し目標バッテリ電圧Ｖｒｅｆに到達すると充電動作を停止する。また、コイル電流Ｉｕと充電電流制限値Ｉｌｉｍと比較し、コイル電流Ｉｕが充電電流制限値Ｉｌｉｍより大きい場合には、図２−３に示すように、直ちにＱ１をＯＦＦにし、再び充電動作を実施するために、充電周期Ｔｐ、下アームオン時間Ｔｏｎを再計算し、前記動作を繰り返すこととなる。

効果の説明
図３に、第１実施例において、ピーク電流を一定とした場合のロータ位置θに対するバッテリ平均充電電流特性を示す。一般にモータのロータを構成する各コイルの自己インダクタンスは、モータのステータに対するロータ位置θに関して正弦波状の増減を繰り返す。ここで、ロータ角度θは、ロータ磁極突極部中心が巻線ステータ中心と重なる位置θをゼロとし、時計回りに進むものとする。

ピーク充電電流を一定とした場合、自己インダクタンスが大きいほど充電周期が長くなるため、自己インダクタンスの最小値または平均値を用いて決定される。ただし、自己インダクタンスの平均値を用いた場合、その充電周期に達する前にピーク充電電流に至るため、平均充電電流は相対的に減少する。

ここで、図３からロータ位置θにおいて、最も大きな自己インダクタンスを有するコイルを選択することにより、充電電流をもっとも大きくすることが可能であり、充電効率向上に非常に有効であることがわかる。

無作為にモータが停止した場合、ステータに対するロータ位置θは特定できず、選択したコイルの自己インダクタンスも特定できないため、平均自己インダクタンスで充電されると考えられる。したがって、この場合、バッテリは平均充電電流で充電されることになる。一方、本発明の充電方法では、例えばロータ位置θが９０度であった場合、Ｕ相の自己インダクタンスが最も大きいので、充電コイルとしてＵ相コイルを選択する。この場合、充電器は、従来の平均充電電流の約１．７倍の充電電流で充電することが可能となる。

＜第２実施例：コイルの選択を各コイル１相ずつ通電することにより行う例＞
図４は本発明の車両用充電器の制御方法に係る第２実施例の構成を示す図である。図４に示す第２実施例において、図１に示す第１実施例と同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。図４に示す第２実施例において、図１に示す第１実施例と異なる点は、駆動用リラクタンスモータ１３の代わりにＩＰＭモータ２１を用いた点である。

図５−１〜５−８は、それぞれ、駆動用ＩＰＭモータ２１とインバータ１２とを用いた図４に示すバッテリ充電器において、モータ２１の選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートである。図５−１〜５−８に示す例においては、一定充電時間の充電電流値で自己インダクタンスの大小を判定しており、各相コイルを通電してコイル電流最大値を測定し、コイル電流最大値の最も小さいコイルをインダクタンスの最も大きいコイルとして選択している。以下、図５−１〜５−８に従って、本発明の第２実施例における充電動作について説明する。

通電コイルの選択
まず、図５−１に示すように、各モータコイルに通電する下アーム通電時間Ｔｏｎを設定し、通電電流制御値Ｉｌｉｍを読み込む。電流制限フラグ及び通電カウンタをゼロに初期化する。つづいて通電コイルを選択し、コイルの接続されている下アームのゲート信号を通電可能な状態にする。ここで、図５−８に示すフローチャートに従ってタイマ割込みルーチンが実行される。ここで、図５−１に示すように、例として三相モータなのでｕ相コイルが通電される。以後、この操作をモータ相数分繰り返す（図５−２、５−３）。上記ルーチンを実施することにより、各相コイル通電時間Ｔｐを一定とした場合の各相コイルのコイル電流最大値が測定され、Ｉｕｍａｘ、Ｉｖｍａｘ、Ｉｗｍａｘに記憶される。この結果より、最大通電電流の最も小さなコイルが、最も大きな自己インダクタンスを有するコイルと判定される（図５−４）。

充電動作の実行
つづいて、充電動作が実行されるが、充電動作を行う前に最大通電電流Ｉｍａｘより、コイルの自己インダクタンスＬを算出し、そのＬを基に充電周期Ｔｐ、下アームオン時間Ｔｏｎを算出する（図５−５）。以下、実施例１の充電動作で示したものと同様の操作が実施される（図５−６、５−７）。

なお、上述した第２実施例では、コイルを選択するにあたり、各コイルを１相ずつ通電して自己インダクタンスを求める際の通電方法として、一定時間通電する方法をとっていたが、電流制限値を一定として通電する方法を用いることもできる。

＜第３実施例：コイルの選択を全コイル１に同時に通電することにより行う例＞
図６は本発明の車両用充電器の制御方法に係る第３実施例の構成を示す図である。図６に示す第３実施例において、図１に示す第１実施例と同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。図６に示す第３実施例において、図１に示す第１実施例と異なる点は、駆動用リラクタンスモータ１３の代わりにＩＰＭモータ２１を用いた点である。そのため、構成は図４に示す第２実施例と同じである。

図７−１〜７−６は、それぞれ、駆動用ＩＰＭモータ２１とインバータ１２とを用いた図６に示すバッテリ充電器において、モータ２１の選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートである。図７−１〜７−６に示す例においては、全相のコイルに同時に交流を通電することによりモータを一定電圧にて励磁しており、各相コイルの電流最大値を計算し、コイル電流最大値の最も小さいコイルを、インダクタンスの最も大きいコイルとして選択している。以下、図７−１〜７−６に従って、本発明の第３実施例における充電動作について説明する。

通電コイルの選択
まず、図７−１に示すように、各相コイルに通電するために、メインルーチンにて各相コイルの平均インダクタンスＬａｖｅ、励磁スイッチング周期Ｔｓｗ、励磁周波数ｆｅｘ、励磁電圧振幅Ｖｅｘを読み込み、励磁電気角ωｅｘ、通電時間ｔｓｕｍをゼロに初期化する。つづいて、インバータのすべてのゲート信号を通電可能な状態にする。ここで、図３−６に示すフローチャートに従ってタイマ割込みルーチンが実行される。上記ルーチンを実施することにより、励磁電圧振幅を一定とした場合に各相コイルに流れるコイル電流が計測され、最大値Ｉｕｍａｘ、Ｉｖｍａｘ、Ｉｗｍａｘに記憶される。この結果より、最大通電電流の最も小さなコイルが、最も大きな自己インダクタンスを有するコイルと判定される（図７−２）。

充電動作の実行
つづいて、充電動作が実行されるが、充電動作を行う前に最大通電電流Ｉｍａｘにより、コイルの自己インダクタンスＬを算出し、そのＬを基に充電周期Ｔｐ、下アームオン時間Ｔｏｎを算出する（図７−３）。以下は、実施例１の充電動作で示したものと同様の操作が実施される（図７−４、７−５）。

なお、上述した第３実施例では、コイルを選択するにあたり、全コイルに同時に交流を通電して自己インダクタンスを求める際の通電方法として、一定電圧を印加して通電する方法をとっていたが、一定電流を通電する方法を用いることもできる。

本発明の車両用充電器の制御方法によれば、停止した駆動用モータのステータに対するロータの位置により変化する各相コイルのインダクタンスに応じて、充電用インダクタとして使用する駆動用モータのコイルを少なくとも１つ選択して用いることで、より具体的には、駆動用モータの各相のコイルのうち、インダクタンスの最も大きいコイルを、充電用インダクタとして駆動用モータを用いることで、平均充電電流を可能な限り多くすることができ、充電損失を大幅に減少でき、しかも、充電効率を高く維持することができ、車両用バッテリ、インバータおよび駆動用モータを備える車両において、外部電源、駆動用モータおよびインバータから構成され、外部電源の正側を駆動用モータの中性点に接続して駆動用モータのコイルのインダクタンスを昇圧器として用いた充電器を用いて、車両用バッテリを充電する用途であれば、どのような車両にも適用できる。

本発明の車両用充電器の制御方法に係る第１実施例の構成を示す図である。 第１実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第１実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第１実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第１実施例において、ピーク電流を一定とした場合のロータ位置θに対するバッテリ平均充電電流特性を示すグラフである。 本発明の車両用充電器の制御方法に係る第２実施例の構成を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第２実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 本発明の車両用充電器の制御方法に係る第３実施例の構成を示す図である。 第３実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第３実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第３実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第３実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第３実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。 第３実施例において、選択されたコイルの自己インダクタンスを利用して充電器を構成する場合について説明するためのフローチャートの一部を示す図である。

符号の説明

１１ 車両用バッテリ
１２ インバータ
１３ 駆動用リラクタンスモータ
１４ ロータ
１５ ステータ
１６ 外部電源
１７ レゾルバ
１８ ロータ位置検出器
１９ 制御器
２１ 駆動用ＩＰＭモータ

Claims (9)

1. 車両用バッテリ、インバータおよび駆動用モータを備える車両において、外部電源、駆動用モータおよびインバータから構成され、外部電源の正側を駆動用モータの中性点に接続して駆動用モータのコイルを昇圧器として用いた充電器を用いて、車両用バッテリを充電する際の車両用充電器の制御方法であって、停止した駆動用モータのステータに対するロータの位置により変化する各相コイルのインダクタンスに応じて、充電用インダクタとして使用する駆動用モータのコイルを少なくとも１つ選択して用いることを特徴とする車両用充電器の制御方法。
2. 駆動用モータの各相のコイルのうち、インダクタンスの最も大きいコイルを選択して、充電用インダクタとして駆動用モータのコイルを用いることを特徴とする請求項１に記載の車両用充電器の制御方法。
3. 駆動用モータの各相のコイルにおいて、ロータの位置とインダクタンスとの関係を予めマップとして求めておき、マップによりインダクタンスの最も大きいコイルを選択することを特徴とする請求項２に記載の車両用充電器の制御方法。
4. 駆動用モータの各相のコイルにおいて、各コイルを１相ずつ通電することにより、各相コイルのコイル電流最大値を測定し、コイル電流最大値の最も小さいコイルをインダクタンスの最も大きいコイルとして選択することを特徴とする請求項２に記載の車両用充電器の制御方法。
5. 通電にあたり、一定時間通電することを特徴とする請求項４に記載の車両用充電器の制御方法。
6. 通電にあたり、一定電流を通電することを特徴とする請求項４に記載の車両用充電器の制御方法。
7. 駆動用モータの各相のコイルにおいて、全相のコイルに同時に交流を通電することにより、各相コイルの電流最大値を測定し、コイル電流最大値の最も小さいコイルを、インダクタンスの最も大きいコイルとして選択することを特徴とする請求項２に記載の車両用充電器の制御方法。
8. 通電にあたり、一定電圧を通電することを特徴とする請求項７に記載の車両用充電器の制御方法。
9. 通電にあたり、一定電流を印加して通電することを特徴とする請求項７に記載の車両用充電器の制御方法。

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