JP4852644B2 - 発電電動機駆動装置および発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法 - Google Patents

発電電動機駆動装置および発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法 Download PDF

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Description

本発明は、発電電動機と主蓄電装置であるキャパシタとを備えた発電電動機駆動装置および発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法に関する。
駆動源としてエンジンおよび発電電動機が搭載されたハイブリッド車両では、主蓄電装置として電気二重層キャパシタに代表される大容量のキャパシタが適用されることが多い。このようなキャパシタは、大容量であることに加えて高寿命であるという特性を有しているが、その一方で、満充電状態またはそれに近い状態が継続すると劣化しやすいという性質も有している。このため、従来より、キャパシタの劣化を防止するために、動作終了時などにおいて、キャパシタに蓄えられた電荷の一部を充電制御手段によって補助蓄電装置に移動させる技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００５−２１８２８５号公報
ところで、キャパシタやキャパシタ周辺機器のメインテナンス時には、安全性を確保するためにキャパシタの電荷の放電が行われており、このようなメインテナンス時のキャパシタの電荷の放電を行う際に、上述した従来技術を適用することも考えられる。
しかしながら、上述した従来技術では、キャパシタに蓄えられた全ての電荷を放電することが想定されていないため、その従来技術を適用することによってキャパシタの電荷の放電を速やかに行うことが可能な構成を実現するには、充電制御手段を大がかりなものとせざるを得ず、現実的ではなかった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、メインテナンス時のキャパシタの電荷の放電を速やかに行うことができる発電電動機駆動装置および発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る発電電動機駆動装置は、発電電動機と、前記発電電動機に駆動軸が連結されたエンジンと、前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電源を供給するキャパシタと、前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動する一方、前記発電電動機が発電した電力が供給されるドライバと、前記キャパシタおよび前記ドライバに並列接続され、前記キャパシタのキャパシタ電圧を昇圧して前記ドライバへ出力する昇圧器と、前記エンジンによって駆動されている前記発電電動機に対して前記キャパシタから電源を供給し、前記エンジンを負荷として前記発電電動機を駆動させ、前記キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、前記キャパシタ電圧が前記第１の電圧に低下した後、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して前記ドライバへの昇圧器出力電圧が前記キャパシタ電圧と所定の比率を保つ電圧制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る発電電動機駆動装置は、上記発明において、前記第２の電圧は、前記昇圧器出力電圧が前記発電電動機の逆起電力または当該逆起電力の近傍の所定電圧であるときの前記キャパシタ電圧であり、前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧まで低下した場合、前記発電電動機を流れる電流を減らす制御を行うとともに、前記昇圧器出力電圧を前記逆起電力または当該逆起電力の近傍の所定電圧に固定する制御を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る発電電動機駆動装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧よりも低い第３の電圧まで低下した場合、前記第３の電圧に低下した時点で行っている制御を所定の継続時間だけ継続して行うことを特徴とする。
また、本発明に係る発電電動機駆動装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧よりも低い第３の電圧まで低下した時点で制御を停止し、当該制御を停止してから所定の待機時間経過後の前記キャパシタ電圧が、前記第２の電圧より低くかつ前記第３の電圧より高い電圧である第４の電圧よりも高い場合には、前記発電電動機を流れる電流を減らす制御を行うとともに、前記昇圧器出力電圧を前記逆起電力または当該逆起電力の近傍の所定電圧に固定する制御を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る発電電動機駆動装置は、上記発明において、前記発電電動機はＳＲモータであり、前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧まで低下した場合、前記第２の電圧まで低下した時点での制御を所定の継続時間だけ継続して行うことを特徴とする。
また、本発明に係る発電電動機駆動装置は、上記発明において、前記昇圧器は、直流端子が加極性に直列接続される二つの電圧形インバータおよび前記二つの電圧形インバータの交流端子をＡＣ結合し、所定の漏れインダクタンスを有するトランスを含み、前記二つの電圧形インバータの一方が前記キャパシタに並列接続され、前記キャパシタのキャパシタ電圧を昇圧した直流電圧を前記インバータへ出力するＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする。
また、本発明に係る発電電動機駆動装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が前記第１の電圧に低下した後、前記第２の電圧に低下するまでの間、前記昇圧器に対して前記昇圧器出力電圧が前記キャパシタ電圧の２倍となる電圧制御を行うことを特徴とする。
本発明に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法は、発電電動機と、前記発電電動機に駆動軸が連結されたエンジンと、前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電源を供給するキャパシタと、前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動する一方、前記発電電動機が発電した電力が供給されるドライバと、前記ドライバに並列接続され、前記キャパシタのキャパシタ電圧を昇圧して前記ドライバへ出力する昇圧器と、を備えた発電電動機駆動装置が、前記キャパシタの電荷を放電する発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法であって、前記エンジンによって駆動されている前記発電電動機に対して前記キャパシタから電源を供給し、前記エンジンを負荷として前記発電電動機を駆動し、前記キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、前記キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、前記キャパシタ電圧が前記第１の電圧に低下した後、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して前記ドライバへの昇圧器出力電圧が前記キャパシタ電圧と所定の比率を保つ電圧制御を行うことを特徴とする。
本発明によれば、エンジンによって駆動されている発電電動機に対してキャパシタから電源を供給することにより、エンジンを負荷として駆動させ、キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、キャパシタ電圧が第１の電圧に低下した後、その第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまでの間、発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器に対してドライバへの昇圧器出力電圧がキャパシタ電圧と所定の比率を保つ電圧制御を行うため、キャパシタの電荷を放電するための手段を新たに取り付ける必要がなく、メインテナンス時のキャパシタの電荷の放電を速やかに行うことが可能となる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る発電電動機駆動装置の構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法の処理の概要を示すフローチャートである。 図３は、本発明の実施の形態１に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器出力電圧とキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１の変形例に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法の処理の概要を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態１の変形例に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器出力電圧とキャパシタ電圧の時間変化の例（第１例）を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態１の変形例に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器出力電圧とキャパシタ電圧の時間変化の例（第２例）を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る発電電動機駆動装置の構成を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る発電電動機駆動装置が備える昇圧器の構成を示す図である。 図９は、キャパシタ電圧に応じた昇圧器の出力と損失との関係を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法の処理の概要を示すフローチャートである。 図１１は、本発明の実施の形態２に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器出力電圧とキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。
符号の説明
１，１１ 発電電動機駆動装置
２，１２ 発電電動機
３ エンジン
４ キャパシタ
５，１３ ドライバ
６，１４ 昇圧器
７ ドライバ用コンデンサ
８ コンタクタ
９，１５ コントローラ
１６ 励磁電源
１７ ダイオード
１８ リレー
２１ ＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２ 下側インバータ
２３ 上側インバータ
２４ トランス
２４ａ，２４ｂ コイル
２５，２６ コンデンサ
２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄ，２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ，２３１ｄ ＩＧＢＴ
２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄ，２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄ ダイオード
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る発電電動機駆動装置の構成を示す図である。同図に示す発電電動機駆動装置１は、発電電動機２と、駆動軸が発電電動機２の駆動軸に連結されたエンジン３と、発電電動機２が発電した電力を蓄電する一方、発電電動機２に対して電源を供給する大容量のキャパシタ４と、発電電動機２に接続され、発電電動機２を駆動するドライバ５と、キャパシタ４に並列接続され、キャパシタ４の電圧を昇圧してドライバ５へ出力する昇圧器６と、ドライバ５および昇圧器６に並列接続され、波形整形やサージ吸収を行うドライバ用コンデンサ７と、キャパシタ４と昇圧器６との間に直列接続されたコンタクタ８と、発電電動機駆動装置１の動作制御を行う制御手段の少なくとも一部を構成するコントローラ９と、を備える。
発電電動機２は、例えばＰＭ（Permanent Magnetic）モータによって実現される。また、発電電動機２と電力の授受を行うキャパシタ４は、電気二重層キャパシタである。
コントローラ９は、発電電動機２とドライバ５との間の電流、ドライバ用コンデンサ７の電圧、エンジン３の回転速度、キャパシタ４のキャパシタ電圧などに基づいて、エンジン３のエンジン回転数指令、発電電動機２のトルク指令、昇圧器６の電圧指令、コンタクタ８のオンオフ指令などを生成、出力する。このうち、発電電動機２のトルク指令は、ドライバ５に出力される。
図２は、本実施の形態１に係る発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法（以下、単に「キャパシタの電荷の放電方法」と称する）の処理の概要を示すフローチャートである。また、図３は、本実施の形態１に係るキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器６の出力電圧Ｖcnvの時間変化（曲線Ｌ１）およびキャパシタ４のキャパシタ電圧Ｖcapの時間変化（曲線Ｌ２）の概要を示す図である。以下、これらの図を参照して、本実施の形態１に係るキャパシタの電荷の放電方法を説明する。
以下の説明においては、エンジン３によって駆動されている発電電動機２に対してキャパシタ４からドライバ５を介して電源を供給し、エンジン３を負荷として発電電動機２を駆動させる力行モードで使用するものとする。なお、発電電動機２における力行モードと回生モード（発電によってキャパシタ４へ電荷を供給するモード）との切替は、コントローラ９の制御のもと、ドライバ５内のスイッチング回路の位相を調整することによって行われる。
まず、コントローラ９は、発電電動機２に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器６に対して定格定電圧制御を行う（ステップＳ１）。コントローラ９は、キャパシタ電圧Ｖcapが第１の電圧Ｖ１よりも高い間（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、ステップＳ１の制御を継続する。第１の電圧Ｖ１の値は、キャパシタ４の標準的な動作時における電圧変動範囲の最小値として設定されるのが好ましい。
コントローラ９が、ステップＳ１の制御を継続して行っていると、やがてキャパシタ電圧Ｖcapは、初期値Ｖcap0から減少し始める（図３の時間ｔ１）。これに対して、昇圧器出力電圧Ｖcnvは、定格定電圧制御がなされている間、初期値Ｖcnv0のままである。
その後、キャパシタ電圧Ｖcapが第１の電圧Ｖ１まで低下した場合（ステップＳ２，Ｎｏ）、コントローラ９は、制御内容を変更する。具体的には、コントローラ９は、発電電動機２に対して定格定電流制御を行う一方、昇圧器６に対しては、昇圧器出力電圧Ｖcnvがキャパシタ電圧Ｖcapと所定の比率を保つ電圧制御を行う（ステップＳ３）。図３では、時間ｔ２においてキャパシタ電圧が第１の電圧Ｖ１に達している。この時間ｔ２以降、昇圧器出力電圧Ｖcnvは、キャパシタ電圧Ｖcapとの比率（Ｖcnv／Ｖcap）を一定に保ちながら徐々に低下していく。この比率は、例えば昇圧器６内部のインダクタが飽和せず、かつ昇圧器６の損失が最小となるような値として定められる。
本実施の形態１では、発電電動機２としてＰＭモータを適用しているため、昇圧器出力電圧Ｖcnvの値がＰＭモータに発生する逆起電力Ｖeの値を下回らないようにしなければならない。そこで、コントローラ９は、キャパシタ電圧ＶcapがＰＭモータの逆起電力Ｖeに対応する第２の電圧Ｖ２よりも高い間（ステップＳ４，Ｙｅｓ）、ステップＳ３の制御を継続する。図３に示す場合には、時間ｔ３において、キャパシタ電圧Ｖcapが第２の電圧Ｖ２に達している。なお、第２の電圧Ｖ２の値を、ＰＭモータの逆起電力Ｖeに対応した値とする代わりに、ＰＭモータの逆起電力Ｖeよりも若干高い所定電圧Ｖe'に対応した値としてもよい。
ステップＳ４において、キャパシタ電圧ＶcapがＶ２まで低下した場合（ステップＳ４，Ｎｏ）、コントローラ９は、発電電動機２に対して発電電動機２を流れる電流を減らす制御（電流ディレーティング）を行うとともに、昇圧器６に対して昇圧器出力電圧Ｖcnvを発電電動機２の逆起電力Ｖe（または前述したＶe'）に固定する制御を行う（ステップＳ５）。この制御により、発電電動機出力電圧Ｖcnvは一定値Ｖe（またはＶe'）をとる一方、キャパシタ電圧Ｖcapは徐々に減少していく。コントローラ９は、キャパシタ電圧Ｖcapが、第２の電圧Ｖ２よりも低い第３の電圧Ｖ３に達するまで（ステップＳ６，Ｙｅｓ）、ステップＳ５の制御を継続する。図３では、キャパシタ電圧Ｖcapが、時間ｔ４において第３の電圧Ｖ３に達する場合を示している。この第３の電圧Ｖ３は、キャパシタ４の電荷の値が略ゼロであって放電が完了したと見なしうる値であれば好ましいが、メインテナンス作業時の電圧として十分に安全と見なしうる値や、法令で定められる危険電圧より低い値として設定することも可能である。
キャパシタ電圧Ｖcapが第３の電圧Ｖ３まで低下した場合（ステップＳ６，Ｎｏ）、コントローラ９は、所定の継続時間だけステップＳ５の制御を継続（ステップＳ７）した後、制御を停止する（ステップＳ８）。ステップＳ７でコントローラ９が所定の継続時間（図３のｔ５−ｔ４）だけ制御を継続するのは、キャパシタ４の電荷が略ゼロとなった直後にコントローラ９が制御を停止すると、キャパシタ４の電荷が急激に増加してしまうことがあるためである。この意味で、ステップＳ７で処理を継続する継続時間は、コントローラ９による制御停止後に、キャパシタ４の電荷が急激に増加してしまうことがないような時間として設定すればよい。
以上説明した本発明の実施の形態１によれば、エンジンによって駆動されている発電電動機に対してキャパシタから電源を供給することにより、エンジンを負荷として駆動させ、キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、キャパシタ電圧が第１の電圧に低下した後、その第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまでの間、発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器に対してドライバへの昇圧器出力電圧がキャパシタ電圧と所定の比率を保つ電圧制御を行うため、キャパシタの電荷を放電するための手段を新たに取り付ける必要がなく、メインテナンス時のキャパシタの電荷の放電を速やかに行うことが可能となる。
また、本実施の形態１によれば、キャパシタ電圧が放電完了と見なしうる値まで低下した後も所定の継続時間だけ制御を継続して行うことにより、制御終了後にキャパシタの電荷が急激に増加してしまうのを防止することができる。
さらに、本実施の形態１によれば、キャパシタ電圧の減少に応じて制御内容を変化させているため、キャパシタ電圧の減少に伴う発熱量の増加に起因した昇圧器内部のパワー素子のサージ電圧による耐圧オーバや、インダクタの電流飽和による過電流破壊が発生するのを防止することができ、発電電動機駆動装置の耐久性を向上させることができる。
（実施の形態１の変形例）
図４は、本実施の形態１の一変形例に係るキャパシタの電荷の放電方法の処理の概要を示すフローチャートである。図４において、ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理は、上記実施の形態１に係るキャパシタの電荷の放電方法のステップＳ１〜Ｓ６の処理と同じである。ただし、本変形例では第１、第２の電圧をそれぞれＶ１１、Ｖ１２としている。以下の説明では、ステップＳ１６以降の処理を説明する。
ステップＳ１６において、キャパシタ電圧Ｖcapが第３の電圧Ｖ１３に達した場合（ステップＳ１６，Ｎｏ）、コントローラ９は制御を停止する（ステップＳ１７）。
その後、コントローラ９は、所定の待機時間経過するまで待機する（ステップＳ１８，Ｎｏ）。制御を停止してから待機時間経過した後（ステップＳ１８，Ｙｅｓ）、キャパシタ電圧Ｖcapが、第２の電圧Ｖ１２より低くかつ第３の電圧Ｖ１３より高い電圧である第４の電圧Ｖ１４よりもさらに高くなっていれば（ステップＳ１９，Ｙｅｓ）、コントローラ９は、発電電動機２に対して電流ディレーティングを行うとともに、昇圧器６に対して発電電動機２の逆起電力Ｖeに出力を固定する制御（ステップＳ１５）を再度行い、ステップＳ１６以降の処理を繰り返す。
一方、コントローラ９が制御を停止してから待機時間経過した後（ステップＳ１８，Ｙｅｓ）、キャパシタ電圧Ｖcapが第４の電圧Ｖ１４以下であれば（ステップＳ１９，Ｎｏ）、コントローラ９はキャパシタの電荷の放電処理を終了する。この意味で、本変形例においては、第４の電圧Ｖ１４の値が、キャパシタ４の電荷の放電が完了したと見なしうる値である。
図５は、本変形例に係るキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器６の出力電圧Ｖcnvの時間変化（曲線Ｌ３）およびキャパシタ４のキャパシタ電圧Ｖcapの時間変化（曲線Ｌ４）の例（第１例）を示す図である。なお、図５では、図３との差異を明確にするため、曲線Ｌ３およびＬ４の時間ｔ１４までの時間変化は、図３に示す曲線Ｌ１およびＬ２の時間ｔ４までの時間変化とそれぞれ同様であるとし、時間ｔ１１〜ｔ１４は図３の時間ｔ１〜ｔ４にそれぞれ対応しているものとする。
図５の曲線Ｌ３において、キャパシタ電圧Ｖcapは、時間ｔ１４以降上昇しているが、時間ｔ１４から所定の待機時間経過した後の時間ｔ１５におけるキャパシタ電圧Ｖcapは第４の電圧Ｖ１４よりも小さい（上記ステップＳ１９でＮｏの場合に対応）。したがって、発電電動機駆動装置１は、時間ｔ１５にキャパシタの電荷の放電処理を終了する。
図６は、本変形例に係るキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器６の出力電圧Ｖcnvの時間変化（曲線Ｌ５）およびキャパシタ４のキャパシタ電圧Ｖcapの時間変化（曲線Ｌ６）の別な例（第２例）を示す図である。図６においても、曲線Ｌ５およびＬ６の時間ｔ１４までの時間変化は、図３に示す曲線Ｌ１およびＬ２の時間ｔ４までの時間変化とそれぞれ同様であるとし、時間ｔ１１〜ｔ１４は図３の時間ｔ１〜ｔ４にそれぞれ対応しているものとする。
図６の曲線Ｌ６において、キャパシタ電圧Ｖcapは時間ｔ１４以降上昇し、時間ｔ１４から所定の待機時間経過した後の時間ｔ１５におけるキャパシタ電圧Ｖcapは第４の電圧Ｖ１４より大きい（上記ステップＳ１９でＹｅｓの場合に対応）。このため、発電電動機駆動装置１は、上記ステップＳ１５に戻って処理を繰り返す。すなわち、時間ｔ１５以降、昇圧器６の出力電圧Ｖcnvは一定値Ｖeをとる一方、キャパシタ電圧Ｖcapは徐々に低下していく。その後、キャパシタ電圧Ｖcapが第３の電圧Ｖ１３まで低下した時（時間ｔ１６）、コントローラ９は制御を停止する。曲線Ｌ６において、時間ｔ１６から待機時間経過した後の時間ｔ１７（ｔ１７−ｔ１６＝ｔ１５−ｔ１４）におけるキャパシタ電圧Ｖcapは、第４の電圧Ｖ１４よりも小さい（上記ステップＳ１９でＮｏに対応）。したがって、発電電動機駆動装置１は、時間ｔ１７にキャパシタの電荷の放電処理を終了する。なお、時間ｔ１７におけるキャパシタ電圧Ｖcapが第４の電圧Ｖ１４より高い場合には、再び上記ステップＳ１５に戻って処理を繰り返す。
以上説明した本実施の形態１の一変形例においても、上記実施の形態１と同様に、制御終了後のキャパシタの電荷の急激な増加を防止することができる。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る発電電動機駆動装置の構成を示す図である。同図に示す発電電動機駆動装置１１は、ＳＲ（Switched Reluctance）モータから成る発電電動機１２と、駆動軸が発電電動機１２の駆動軸に連結されたエンジン３と、キャパシタ４と、発電電動機１２に接続され、発電電動機１２を駆動するドライバ１３と、キャパシタ４に並列接続され、キャパシタ４の電圧を昇圧してドライバ１３へ出力する昇圧器１４と、ドライバ１３および昇圧器１４に並列接続された波形整形用のドライバ用コンデンサ７と、キャパシタ４と昇圧器１４との間に直列接続されたコンタクタ８と、発電電動機駆動装置１１の動作制御を行う制御手段の少なくとも一部を構成するコントローラ１５と、昇圧器１４に直列接続され、発電電動機１２を励磁する励磁電源１６と、励磁電源１６とドライバ１３との間に直列接続されるダイオード１７およびリレー１８と、を備える。
図８は、昇圧器１４の構成を示す図である。昇圧器１４は、二つの電圧形インバータをＡＣ結合した加極性のＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１を用いて実現される。ＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、二つの電圧形インバータである下側インバータ２２および上側インバータ２３を有するとともに、下側インバータ２２および上側インバータ２３の交流側をＡＣ結合するトランス２４を有する。
下側インバータ２２は、通電切り替え用のスイッチング素子として、上下アームに２個ずつの計４個のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄがブリッジ接続されて成る。ＩＧＢＴ２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃ，２２１ｄには、通電切り替え時に発生する還流電流を流すダイオード２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｃ，２２２ｄがそれぞれ並列接続されている。他方、上側インバータ２３は、スイッチング素子として４個のＩＧＢＴ２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ，２３１ｄを有する。ＩＧＢＴ２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ，２３１ｄには、ダイオード２３２ａ，２３２ｂ，２３２ｃ，２３２ｄがそれぞれ並列に接続されている。
下側インバータ２２と上側インバータ２３は、下側インバータ２２の正極直流端子と上側インバータ２３の負極直流端子とが加極性に直列接続されている。ＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１に外部から印加される電圧は、下側インバータ２２と上側インバータ２３とによって分圧される。
下側インバータ２２には、サージ吸収を主な目的とするコンデンサ２５が並列接続されている。このコンデンサ２５の容量は、キャパシタ４の容量と比較して顕著に小さい。上側インバータ２３にも、下側インバータ２２と同様に、サージ吸収用の小容量のコンデンサ２６が並列に接続されている。コンデンサ２５の容量はコンデンサ２６の容量より大きい方が好ましい。これは、昇圧器１４の外側に出る配線に接続する側のコンデンサ２５に発生するサージの量が、コンデンサ２６に発生するサージの量よりも大きいからである。また、コンデンサ２６の容量を抑えることによってコンデンサ２６の容積を必要以上に大きくしないで済むため、省スペース化を図ることができるという利点も有している。
下側インバータ２２は、トランス２４のコイル２４ａに接続される一方、上側インバータ２３は、トランス２４のコイル２４ｂに接続される。下側インバータ２２および上側インバータ２３の直流電圧の定格電圧がほぼ等しい場合には、コイル２４ａとコイル２４ｂの巻き線比を１対１とするのが好ましい。このため、本実施の形態２では、コイル２４ａとコイル２４ｂとの巻き線比を１対１とするが、巻き線比は適宜変更可能である。
トランス２４は、一定の漏れインダクタンス（Ｌとする）を有している。昇圧器１４では、漏れインダクタンスが、コイル２４ａ側にＬ／２、コイル２４ｂ側にＬ／２となるように等分割されている。トランス２４は、漏れインダクタンスに一時的に蓄積させた電力を、下側インバータ２２や上側インバータ２３の高速スイッチング制御によってキャパシタ４などへ伝送する。一般に、トランスは一次コイルと二次コイルとの間隙が広がると漏れインダクタンスが増加することが知られている。このため、トランスを形成する際には、一次コイルと二次コイルを密着させて形成することが多い。これに対して、本実施の形態２においては、一次コイルと二次コイルとの間隙すなわちコイル２４ａとコイル２４ｂとの間隙を調整することにより、所望の漏れインダクタンスを積極的に作り出している。なお、トランス２４の外部にインダクタンスを付加することも可能である。
以上の構成を有する昇圧器１４のコンデンサ２５はキャパシタ４に並列接続されており、キャパシタ４とコンデンサ２５との間には、コンタクタ８が直列に接続されている。コントローラ１５の制御によりコンタクタ８を接続すると、昇圧器１４は、キャパシタ４の電圧（一次側電圧）を昇圧し、この昇圧した電圧（二次側電圧）をドライバ１３へ供給する。
昇圧器１４は、二次側で発電電動機１２を励磁する励磁電源１６に接続されている。ここで、発電電動機駆動装置１１に励磁電源１６を設ける理由を説明する。一般に、ＳＲモータは、電気エネルギーを供給すると大きな回生エネルギーを生成する特性を有しており、内部の回転子が単に回転駆動されただけでは発電電動機として動作しない。このような特性を有するＳＲモータを発電電動機として動作させるためには、ＳＲモータ内のコイルを予め励磁する必要がある。ところが、エンジン３の始動時に、ドライバ用コンデンサ７の電荷はゼロである上、エンジン３の始動時にコンタクタ８をオンしてキャパシタ４によって発電電動機１２を励磁することはできない。そこで、本実施の形態２では、エンジン３の始動時に発電電動機１２を励磁するために励磁電源１６が設けられている。
図９は、ＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２１を用いて昇圧器１４を構成し、発電電動機１２の定格電力が５５０（Ｖ）である場合のキャパシタ４のキャパシタ電圧Ｖcapに応じた昇圧器１４の出力とデバイス総損失との関係を示す図である。ここでいう「デバイス総損失」は、各ＩＧＢＴの導通損失、トランス２４の抵抗（直流抵抗、表皮効果、渦電流損等の交流抵抗を含む）を含むものであり、トランス２４を流れる電流の大きさに比例する。図９において、同じ出力で比較したとき、キャパシタ電圧Ｖcapが２７５（＝５５０／２）（Ｖ）のときにデバイス総損失が最も小さくなっている。これは、直流電圧Ｖ0がＶ0＝２Ｖcapである場合には、Ｖ0≠２Ｖcapである場合よりもトランス２４を流れる電流が小さく、デバイス総損失が小さくなるからである（発電電動機１２とキャパシタ４との電力授受が行われていない場合、トランス２４を流れる電流は理想的にはゼロとなる）。なお、本実施の形態２では、昇圧器１４が有するトランス２４のコイル２４ａと２４ｂの巻き線比を１対１としたため、Ｖcnv＝２Ｖcapが最もデバイス総損失の少ない電圧比となっているが、デバイス総損失が最小となる電圧比は巻き線比に応じて異なる。
ここで、発電電動機駆動装置１１に励磁電源１６を設ける理由を説明する。一般に、ＳＲモータは、電気エネルギーを供給すると大きな回生エネルギーを生成する特性を有しており、内部の回転子が単に回転駆動されただけでは発電電動機として動作しない。このような特性を有するＳＲモータを発電電動機として動作させるためには、ＳＲモータ内のコイルを予め励磁する必要がある。ところが、エンジン３の始動時に、ドライバ用コンデンサ７の電荷はほぼゼロである。また、エンジン３の始動時に、コンタクタ８をオンし、キャパシタ４によってＳＲモータを励磁することはできない。そこで、本実施の形態２では、エンジン３の始動時にＳＲモータを励磁するために、励磁電源１６が設けられている。この励磁電源１６は、ドライバ用コンデンサ７の電圧が励磁電源１６の電圧よりも大きくなった時、遮断されるようになっている。
図１０は、本実施の形態２に係るキャパシタの電荷の放電方法の概要を示すフローチャートである。また、図１１は、本実施の形態２に係るキャパシタの電荷の放電方法における昇圧器１４の出力電圧Ｖcnv（曲線Ｌ７）の時間変化およびキャパシタ電圧Ｖcap（曲線Ｌ８）の時間変化の概要を示す図である。以下、これらの図を参照して、本実施の形態２に係るキャパシタの電荷の放電方法を説明する。
以下の説明においては、エンジン３によって駆動されている発電電動機１２に対してキャパシタ４からドライバ１３を介して電源を供給し、エンジン３を負荷として発電電動機１２を駆動させる力行モードで使用するものとする。なお、発電電動機１２における力行モードと回生モードとの切替は、コントローラ１５の制御のもと、ドライバ１３内のスイッチング回路の位相を調整することによって行われる。
まず、コントローラ１５は、発電電動機１２に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器１４に対して定格定電圧制御を行う（ステップＳ２１）。コントローラ１５は、キャパシタ電圧Ｖcapが第１の電圧Ｖ１'よりも高い間（ステップＳ２２，Ｙｅｓ）、ステップＳ２１の制御を継続する。第１の電圧Ｖ１'の値は、上記実施の形態１における第１の電圧Ｖ１と同様、キャパシタ４の標準的な動作時における電圧変動範囲の最小値として設定されるのが好ましい。
コントローラ１５が、ステップＳ２１の制御を継続して行っていると、やがてキャパシタ電圧Ｖcapは、初期値Ｖcap0'から減少し始める（図１１の時間ｔ１'）。これに対して、昇圧器出力電圧Ｖcnvは、定格定電圧制御がなされている間、初期値Ｖcnv0'のままである。
その後、キャパシタ電圧Ｖcapが第１の電圧Ｖ１'まで低下した場合（ステップＳ２２，Ｎｏ）、コントローラ１５は、制御内容を変更する。具体的には、コントローラ１５は、発電電動機１２に対して定格定電流制御を行う一方、昇圧器１４に対しては、昇圧器出力電圧Ｖcnvがキャパシタ電圧Ｖcapの２倍（Ｖcnv＝２Ｖcap）となる電圧制御を行う（ステップＳ２３）。図１１では、時間ｔ２'においてキャパシタ電圧が第１の電圧Ｖ１'に達している。この時間ｔ２'以降、昇圧器出力電圧Ｖcnvは、Ｖcnv＝２Ｖcapを満たしながら徐々に低下していく。
ところで、本実施の形態２では、発電電動機１２としてＳＲモータを適用している。ＳＲモータは逆起電力を発生することがないため、コントローラ１５は、昇圧器出力電圧Ｖcnvの値が発電電動機の逆起電力を下回らないように固定する制御を行う必要がない。
この後、コントローラ１５は、キャパシタ電圧Ｖcapが第２の電圧Ｖ２'よりも高い間（ステップＳ２４，Ｙｅｓ）、ステップＳ２３の制御を継続する。図１１に示す場合には、時間ｔ３'において、キャパシタ電圧Ｖcapが第２の電圧Ｖ２'に達している。この第２の電圧Ｖ２'は、キャパシタ４の電荷が略ゼロと見なせる値であれば好ましいが、メインテナンス作業時の電圧として十分に安全と見なしうる値や、法令で定められる危険電圧より低い値として設定することも可能である。
キャパシタ電圧Ｖcapが第２の電圧Ｖ２'まで低下した場合（ステップＳ２４，Ｎｏ）、コントローラ１５は、所定の継続時間だけステップＳ２３の制御を継続（ステップＳ２５）した後、制御を停止する（ステップＳ２６）。これにより、コントローラ１５の制御停止後にキャパシタ４の電荷が急激に増加するのを防止することができる。この意味で、ステップＳ２５で処理の継続時間（図１１のｔ４'−ｔ３'）は、コントローラ１５による制御停止後に、キャパシタ４の電荷が急激に増加してしまうことがないような時間として設定すればよい。
以上説明した本発明の実施の形態２によれば、エンジンによって駆動されている発電電動機に対してキャパシタから電源を供給することにより、エンジンを負荷として駆動させ、キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、キャパシタ電圧が第１の電圧に低下した後、その第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまでの間、発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、昇圧器に対してドライバへの昇圧器出力電圧がキャパシタ電圧と所定の比率を保つ電圧制御を行うため、キャパシタの電荷を放電するための手段を新たに取り付ける必要がなく、メインテナンス時のキャパシタの電荷の放電を速やかに行うことが可能となる。
また、本実施の形態２によれば、昇圧器としてＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを適用し、キャパシタ電圧が第１の電圧まで低下した後、昇圧器のデバイス総損失が最小となるような制御（上述した昇圧器の場合には、昇圧器出力電圧がキャパシタ電圧の２倍となるような制御）を行っているので、昇圧器内部の温度上昇を抑え、温度が上昇することによって起こり得る昇圧器内部のパワー素子（ＩＧＢＴ）のサージ電圧による耐圧オーバやインダクタの電流飽和による過電流破壊などを防止し、内部部品を保護することができる。
さらに、本実施の形態２によれば、発電電動機としてＳＲモータを適用しているため、昇圧器出力電圧を逆起電力に固定する制御を行う必要がなく、制御が簡単である。
（その他の実施の形態）
ここまで、本発明を実施するための最良の形態として、実施の形態１，２を詳述してきたが、本発明はそれらの実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。例えば、発電電動機としてＳＲモータを適用する場合には、発電電動機駆動装置に昇圧器を設けなくてもよい。この場合には、発電電動機を力行モードで駆動させ、目標電圧をゼロとする電圧制御を行えばよい。これにより、キャパシタには発電電動機リミット電流が放電方向に流れ、キャパシタに蓄積されていた電荷が徐々に抜けていき、最終的にゼロとなる。
また、実施の形態２で適用した昇圧器１４を実施の形態１の昇圧器として適用してもよい。この場合、図２のステップＳ３において、コントローラ９は、昇圧器出力電圧Ｖcnvが２Ｖcapを満たすような電圧制御を行えばよい。
本発明に係る発電電動機駆動装置は、ハイブリッド車両の動力源として好適であり、特にハイブリッド型の建設機械へ搭載するのに適している。例えば、本発明を油圧ショベルに搭載する場合には、上述した構成に加えて、作業機旋回用のモータを設けるとともに、このモータを駆動するインバータをキャパシタに並列接続すればよい。
このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
以上のように、本発明に係る発電電動機駆動装置および発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法は、駆動源としてエンジンおよび発電電動機が搭載されたハイブリッド車両に有用であり、特にハイブリッド建設機械に適している。

Claims (8)

  1. 発電電動機と、
    前記発電電動機に駆動軸が連結されたエンジンと、
    前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電源を供給するキャパシタと、
    前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動する一方、前記発電電動機が発電した電力が供給されるドライバと、
    前記キャパシタおよび前記ドライバに並列接続され、前記キャパシタのキャパシタ電圧を昇圧して前記ドライバへ出力する昇圧器と、
    前記エンジンによって駆動されている前記発電電動機に対して前記キャパシタから電源を供給し、前記エンジンを負荷として前記発電電動機を駆動させ、前記キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、前記キャパシタ電圧が前記第１の電圧に低下した後、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して前記ドライバへの昇圧器出力電圧が前記キャパシタ電圧と所定の比率を保つ電圧制御を行う制御手段と、
    を備えたことを特徴とする発電電動機駆動装置。
  2. 前記第２の電圧は、前記昇圧器出力電圧が前記発電電動機の逆起電力または当該逆起電力の近傍の所定電圧であるときの前記キャパシタ電圧であり、
    前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧まで低下した場合、前記発電電動機を流れる電流を減らす制御を行うとともに、前記昇圧器出力電圧を前記逆起電力または当該逆起電力の近傍の所定電圧に固定する制御を行うことを特徴とする請求項１記載の発電電動機駆動装置。
  3. 前記制御手段は、
    前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧よりも低い第３の電圧まで低下した場合、前記第３の電圧に低下した時点で行っている制御を所定の継続時間だけ継続して行うことを特徴とする請求項２記載の発電電動機駆動装置。
  4. 前記制御手段は、
    前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧よりも低い第３の電圧まで低下した時点で制御を停止し、
    当該制御を停止してから所定の待機時間経過後の前記キャパシタ電圧が、前記第２の電圧より低くかつ前記第３の電圧より高い電圧である第４の電圧よりも高い場合には、前記発電電動機を流れる電流を減らす制御を行うとともに、前記昇圧器出力電圧を前記逆起電力または当該逆起電力の近傍の所定電圧に固定する制御を行うこと
    を特徴とする請求項２記載の発電電動機駆動装置。
  5. 前記発電電動機はＳＲモータであり、
    前記制御手段は、前記キャパシタ電圧が前記第２の電圧まで低下した場合、前記第２の電圧まで低下した時点での制御を所定の継続時間だけ継続して行うことを特徴とする請求項１記載の発電電動機駆動装置。
  6. 前記昇圧器は、
    直流端子が加極性に直列接続される二つの電圧形インバータおよび前記二つの電圧形インバータの交流端子をＡＣ結合し、所定の漏れインダクタンスを有するトランスを含み、前記二つの電圧形インバータの一方が前記キャパシタに並列接続され、前記キャパシタのキャパシタ電圧を昇圧した直流電圧を前記インバータへ出力するＡＣ結合双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の発電電動機駆動装置。
  7. 前記制御手段は、
    前記キャパシタ電圧が前記第１の電圧に低下した後、前記第２の電圧に低下するまでの間、前記昇圧器に対して前記昇圧器出力電圧が前記キャパシタ電圧の２倍となる電圧制御を行うことを特徴とする請求項６記載の発電電動機駆動装置。
  8. 発電電動機と、前記発電電動機に駆動軸が連結されたエンジンと、前記発電電動機が発電した電力を蓄電する一方、前記発電電動機に電源を供給するキャパシタと、前記発電電動機に接続され、前記発電電動機を駆動する一方、前記発電電動機が発電した電力が供給されるドライバと、前記ドライバに並列接続され、前記キャパシタのキャパシタ電圧を昇圧して前記ドライバへ出力する昇圧器と、を備えた発電電動機駆動装置が、前記キャパシタの電荷を放電する発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法であって、
    前記エンジンによって駆動されている前記発電電動機に対して前記キャパシタから電源を供給し、前記エンジンを負荷として前記発電電動機を駆動し、
    前記キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、
    前記キャパシタ電圧が第１の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して定格定電圧制御を行い、
    前記キャパシタ電圧が前記第１の電圧に低下した後、前記第１の電圧よりも低い第２の電圧に低下するまでの間、前記発電電動機に対して定格定電流制御を行うとともに、前記昇圧器に対して前記ドライバへの昇圧器出力電圧が前記キャパシタ電圧と所定の比率を保つ電圧制御を行うこと
    を特徴とする発電電動機駆動装置のキャパシタの電荷の放電方法。
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