JP5358309B2 - Multifunctional converter for vehicles - Google Patents
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Description
本発明は、車両用多機能コンバータに係り、特に車両用駆動回路と蓄電装置との間の直流電圧調整に用いられ、また、外部の交流電源または交流負荷と電力のやり取りを行う車両用多機能コンバータに関する。 The present invention relates to a multi-function converter for a vehicle, and more particularly to a multi-function for a vehicle that is used for adjusting a DC voltage between a drive circuit for a vehicle and a power storage device, and exchanges power with an external AC power supply or AC load. Concerning the converter.
ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等の電気駆動系を有する車両は、2次電池の蓄電量が少なくなると外部から充電することが必要な場合が生じる。そのために、車両に搭載される電気回路と別に、外部コンセント部を用いて充放電できるような付加回路が用いられる。この付加回路としては、例えば、ダイオードブリッジと平滑コンデンサを用いる交直変換回路に力率改善回路(Power Factor Correction:PFC回路)を追加した構成が知られている。また、インバータ等の交直変換回路とDC/DCコンバータ回路とを組み合わせた構成も用いられる。これらの付加回路は多くの電子部品等を要するので、これを減らす工夫も提案されている。 A vehicle having an electric drive system such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, or a fuel cell vehicle may need to be charged from the outside when the amount of charge of the secondary battery decreases. Therefore, an additional circuit that can be charged and discharged using an external outlet is used separately from an electric circuit mounted on the vehicle. As this additional circuit, for example, a configuration in which a power factor correction circuit (power factor correction: PFC circuit) is added to an AC / DC conversion circuit using a diode bridge and a smoothing capacitor is known. Moreover, the structure which combined AC / DC conversion circuits, such as an inverter, and a DC / DC converter circuit is also used. Since these additional circuits require a large number of electronic components, a device for reducing this has been proposed.
例えば、特許文献1には、電気自動車用バッテリーの充電回路として、直列接続した2つのダイオードをインバータに並列に接続し、その結合点とインバータの交流出力の任意相との間にリアクトルを介して充電電源を接続する構成が開示されている。ここで、充電電源が直流の場合は、リアクトルにその正極側を接続し、任意相上側アームスイッチング回路のみをオンオフさせ、ほかのスイッチング回路をすべてオフとしてバッテリーを充電し、充電電源が交流の場合は、リアクトル側が正電圧の期間は任意相上側アームスイッチング回路のみをオンオフさせ、ほかのスイッチング回路をすべてオフとし、極性がこれと逆のときは任意相下側アームスイッチング回路のみをオンオフさせ、ほかのスイッチング回路をすべてオフとしてバッテリーを充電することが述べられている。
For example, in
従来技術における付加回路は、上記のように多くの電子部品等を必要とするので、コスト高になる。また、特許文献1の方法によれば追加部品数が少なくてすむが、大きなリアクトルを用いる必要がある。また、一般的に、車両用インバータは回転電機を介して車体に電気的に接続されていることから、充電動作によって回転電機のコイルに高周波漏洩電流が流れることが生じ、その対策が必要になる等の問題がある。
The additional circuit in the prior art requires many electronic parts and the like as described above, resulting in high cost. Further, according to the method of
本発明の目的は、外部の交流電源あるいは交流負荷と接続されるコンセント部と車両に搭載される蓄電装置との間で充放電することができる車両用多機能コンバータを提供することである。また、他の目的は、外部の交流電源あるいは交流負荷と接続されるコンセント部と車両に搭載される蓄電装置との間で充放電する際に必要なリアクトルを小さくできる車両用多機能コンバータを提供することである。 The objective of this invention is providing the multifunctional converter for vehicles which can be charged / discharged between the electrical outlet apparatus connected to an external alternating current power supply or alternating current load, and the electrical storage apparatus mounted in a vehicle. Another object is to provide a multi-function converter for a vehicle that can reduce a reactor required when charging / discharging between an outlet unit connected to an external AC power supply or an AC load and a power storage device mounted on the vehicle. It is to be.
本発明に係る車両用多機能コンバータは、車両用駆動回路と蓄電装置との間の直流電圧調整に用いられる車両用電圧コンバータであって、上アームスイッチング素子と上アームダイオードが並列に接続され一方端が車両用駆動回路の正極母線に接続される上アーム部と、下アームスイッチング素子と下アームダイオードとが並列に接続され他方端が車両用駆動回路の負極母線に接続される下アーム部と、上アーム部の他方端と下アーム部の一方端との接続点と蓄電装置の正極母線との間に設けられるコンバータコイルとを含む昇降圧コンバータを1相分として、これを複数相分並列に接続したマルチフェーズコンバータ部と、マルチフェーズコンバータ部の複数のコンバータコイルと磁気結合して交流電力をやりとりできる磁気結合コイル部と、磁気結合コイル部と、交流電源または交流負荷と接続される外部コンセント部との間に設けられるAC/AC変換回路と、を備えることを特徴とする。 A multi-function converter for a vehicle according to the present invention is a voltage converter for a vehicle used for adjusting a DC voltage between a drive circuit for a vehicle and a power storage device, wherein an upper arm switching element and an upper arm diode are connected in parallel. An upper arm portion whose end is connected to the positive bus of the vehicle drive circuit, and a lower arm portion whose lower arm switching element and lower arm diode are connected in parallel and whose other end is connected to the negative bus of the vehicle drive circuit; A step-up / down converter including a converter coil provided between a connection point between the other end of the upper arm portion and one end of the lower arm portion and a positive electrode bus of the power storage device is taken as one phase, and this is paralleled for a plurality of phases. Multi-phase converter unit connected to and magnetic coupling coil unit that can exchange AC power by magnetic coupling with multiple converter coils of multi-phase converter unit , Characterized in that it comprises a magnetic coupling coil unit, and a AC / AC conversion circuit provided between the outer outlet section to be connected to an AC power supply or an AC load.
また、本発明に係る車両用多機能コンバータにおいて、蓄電装置の正極母線は、マルチフェーズコンバータの複数のコンバータコイルとリレーを介して接続されることが好ましい。 In the multi-function converter for a vehicle according to the present invention, the positive electrode bus of the power storage device is preferably connected to a plurality of converter coils of the multi-phase converter via a relay.
また、本発明に係る車両用多機能コンバータにおいて、AC/AC変換回路は、入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列したマトリクスコンバータであることが好ましい。 In the multi-function converter for a vehicle according to the present invention, the AC / AC conversion circuit is a matrix converter in which bidirectional switches are arranged at all the contacts between the plurality of wires on the input side and the plurality of wires on the output side. Preferably there is.
上記構成により、車両用多機能コンバータは、昇降圧コンバータを複数相分並列に接続したマルチフェーズコンバータ部の複数のコンバータコイルと磁気結合して交流電力をやりとりできる磁気結合コイル部が設けられる。そして、磁気結合コイル部と、交流電源または交流負荷と接続される外部コンセント部との間にAC/AC変換回路が設けられる。 With the above configuration, the multi-function converter for a vehicle is provided with a magnetic coupling coil unit that can exchange AC power by magnetically coupling with a plurality of converter coils of a multi-phase converter unit in which a step-up / step-down converter is connected in parallel for a plurality of phases. An AC / AC conversion circuit is provided between the magnetic coupling coil unit and the external outlet unit connected to the AC power supply or AC load.
これによって、外部交流電源または外部交流負荷と、マルチフェーズコンバータに接続される蓄電装置との間で充放電するためのトランスにおいて、蓄電装置側のコイルとしてマルチフェーズコンバータのコンバータコイルをそのまま用いることができる。したがって、付加すべきコイルとしては、外部コンセント部側のコイルだけですみ、充放電のために付加するコイル、すなわち付加するリアクトルが小さくてすむ。 Thus, in a transformer for charging / discharging between an external AC power supply or an external AC load and a power storage device connected to the multiphase converter, the converter coil of the multiphase converter can be used as it is as a coil on the power storage device side. it can. Therefore, the coil to be added is only the coil on the external outlet side, and the coil added for charging / discharging, that is, the reactor to be added, can be small.
また、車両用多機能コンバータにおいて、蓄電装置の正極母線は、マルチフェーズコンバータの複数のコンバータコイルとリレーを介して接続されるので、充放電によって車両に搭載されるインバータと回転電機に流れる高周波漏洩電流を抑制できる。これによって、例えば、高周波漏洩電流防止のためのフィルタ等を小さくできる。 Moreover, in the multifunctional converter for vehicles, since the positive electrode bus of the power storage device is connected via a plurality of converter coils and relays of the multiphase converter, high-frequency leakage flowing in the inverter and the rotating electrical machine mounted on the vehicle by charging and discharging. Current can be suppressed. Thereby, for example, a filter for preventing high-frequency leakage current can be reduced.
また、車両用多機能コンバータにおいて、AC/AC変換回路は、入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列したマトリクスコンバータである。マトリクスコンバータの構成によれば、入力ACをこれと異なる電圧、異なる周波数の出力ACに直接変換でき、一旦ACをDCに変換しコンデンサに蓄電してから再びACに変換しなくてすむ。すなわち、中間のコンデンサを省略することが可能となる。 In the multi-function converter for a vehicle, the AC / AC conversion circuit is a matrix converter in which bidirectional switches are arranged at all the contacts between the plurality of wires on the input side and the plurality of wires on the output side. According to the configuration of the matrix converter, the input AC can be directly converted into an output AC having a different voltage and a different frequency, and it is not necessary to convert AC to DC once, store it in a capacitor, and then convert it again to AC. That is, an intermediate capacitor can be omitted.
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、マルチフェーズコンバータとして、3相コンバータを説明するが、複数相コンバータであればよく、3相以外であってもよい。また、外部コンセント部に接続されるのは、蓄電装置を充電するための外部交流電源として説明するが、外部交流負荷であってもよい。この場合には、蓄電装置の電力が交流に変換されて外部交流負荷に放電されることになる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, a three-phase converter will be described as a multi-phase converter, but it may be a multi-phase converter and may be other than three phases. In addition, although it is described as an external AC power source for charging the power storage device that is connected to the external outlet unit, an external AC load may be used. In this case, the electric power of the power storage device is converted into alternating current and discharged to the external alternating current load.
また、多機能マルチフェーズコンバータは、ハイブリッド車両に搭載される回転電機に接続されるインバータのための電源回路として説明するが、回転電機が搭載されるのはハイブリッド車両以外の車両、例えば、電気自動車、燃料自動車等の車両であってもよい。また、回転電機以外の車両搭載電気機器のための電源回路であってもよい。例えば、車両搭載用補機のための電源回路であってもよい。また、車両に搭載される回転電機として、主に走行駆動用の電動機として作用する回転電機と、主に蓄電装置を充電するための発電機として作用する回転電機の2台が搭載されるものとして説明するが、回転電機の数は2台以外であってもよい。例えば、1台で電動機と発電機として機能するものを1台搭載されるものとしてもよい。場合によっては、3台以上の回転電機であってもよい。 The multi-function multi-phase converter is described as a power supply circuit for an inverter connected to a rotating electrical machine mounted on a hybrid vehicle. However, the rotating electrical machine is mounted on a vehicle other than the hybrid vehicle, for example, an electric vehicle. It may be a vehicle such as a fuel vehicle. Moreover, the power supply circuit for vehicle-mounted electrical equipment other than a rotary electric machine may be sufficient. For example, a power supply circuit for a vehicle-mounted auxiliary machine may be used. In addition, as a rotating electrical machine mounted on a vehicle, two rotating electrical machines that mainly function as a motor for driving and a rotating electrical machine that mainly functions as a generator for charging a power storage device are mounted. As will be described, the number of rotating electrical machines may be other than two. For example, one unit that functions as an electric motor and a generator may be mounted. In some cases, three or more rotating electrical machines may be used.
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。 Below, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In the description in the text, the symbols described before are used as necessary.
図1は、車両用多機能コンバータ50が含まれる車両用回転電機駆動システム10の構成を示す図である。車両用多機能コンバータ50は、負荷12と蓄電装置20との間に配置される電圧変換器であり、特に、マルチフェーズコンバータ部51を中核とし、これに外部交流電源と接続可能な外部コンセント部32とフィルタ部34とAC/AC変換回路40と磁気結合コイル部35とを含むことで、蓄電装置20を充電できる機能も併せ持つ回路である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a vehicular rotating electrical
なお、車両用回転電機駆動システム10の動作は、図示されていない制御部の機能によって制御される。車両用多機能コンバータ50の動作も、この図示されていない制御部によって制御される。
In addition, operation | movement of the rotary electric
図1では、負荷12として、車両用回転電機駆動回路であるインバータ14と、これに接続される2台の回転電機16,18が示されている。
In FIG. 1, as a
2台の回転電機16,18は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ(MG)であって、電力が供給されるときは電動機として機能し、制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。特に、回転電機(MG1)16は、図示されていないエンジンと接続され、主として発電機として機能し、回転電機(MG2)18は、図示されていない車両の車軸と接続され、主としてこれを駆動する電動機として機能する。
The two rotating
インバータ14は、高圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機16,18に供給する機能と、逆に回転電機16,18からの交流三相回生電力を高圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。インバータ14は、図1では1つのブロックで示されているが、実際には回転電機(MG1)16用のMG1インバータと、回転電機(MG2)18用のMG2インバータとが並列に接続されて構成される。
The
インバータ14は、周知のように、上アームスイッチング素子と上アームダイオードが並列に接続され一方端が正極母線13に接続される上アーム部と、下アームスイッチング素子と下アームダイオードとが並列に接続され他方端が負極母線15に接続される下アーム部として、これを1相分とし、例えば、回転電機(MG2)18のU相、V相、W相に対応して3相分並列に接続した回路である。なお、後述するように、マルチフェーズコンバータ部51における上アーム部58、下アーム部64の構成は、このインバータ14における上アーム部、下アーム部の構成と同じである。
As is well known, in the
インバータ14に含まれるMG1用インバータは、回転電機(MG1)16が発電機として機能するとき、回転電機16側からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、MG2用インバータは、車両が力行のとき、蓄電装置側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機(MG2)18に駆動電力として供給する直交変換機能と、車両が制動のとき、逆に回転電機(MG2)18からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置側に充電電流として供給する交直変換機能とを有する。ここで蓄電装置側とは、車両用多機能コンバータ50の側である。
When the rotating electrical machine (MG1) 16 functions as a generator, the inverter for MG1 included in the
図1において、蓄電装置20は、充放電可能な2次電池である。蓄電装置20としては、例えば、約200Vから約300Vの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。
In FIG. 1, the
蓄電装置20と車両用多機能コンバータ50との間に設けられる平滑コンデンサ22は、蓄電装置20側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。同様に、車両用多機能コンバータ50とインバータ14との間に設けられる平滑コンデンサ30は、インバータ14側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。
The smoothing
蓄電装置20と車両用多機能コンバータ50との間に設けられるリレー24と、車両用多機能コンバータ50とインバータ14との間に設けられるリレー26,28は、車両用多機能コンバータ50の2つの機能であるマルチフェーズコンバータの機能と、外部交流電源との間の充電機能とを切り替えるための切替手段である。
The
具体的には、マルチフェーズコンバータの機能とするときは、リレー24,26,28はいずれも接続状態とされ、充電機能とするときは、リレー24,26,28はいずれも開放状態、すなわち、遮断状態とされる。なお、この遮断状態によって、充電機能を実行するときに、車両用多機能コンバータ50とインバータ14、回転電機16,18とが切断され、充電の際の高周波漏電電流が回転電機16,18のコイルに発生することを防止できる。
Specifically, when the function of the multi-phase converter is used, all of the
車両用多機能コンバータ50は、上記のように、マルチフェーズコンバータ部51を中核とし、これに外部交流電源と接続可能な外部コンセント部32とフィルタ部34とAC/AC変換回路40と磁気結合コイル部35とを含んで構成される。
As described above, the
マルチフェーズコンバータ部51は、リアクトルと、複数のスイッチング素子を含んで構成される昇降圧回路であって、蓄電装置20の両端子間電圧と、インバータ14のシステム電圧との間の直流電圧調整を行う機能を有する。マルチフェーズというのは、1つのリアクトルと、2つのスイッチング素子と2つのダイオードで構成される昇降圧回路を1相分として、これを複数相並列に接続して用いるためである。複数相の昇降圧回路を並列接続することで、昇降圧される電力の大きさに応じて相数を変更することができ、昇降圧回路における損失を低減することが可能となる。
The
図1の例では、3相コンバータの構成が示されている。すなわち、上アームスイッチング素子60と上アームダイオード62が並列に接続され一方端が車両用駆動回路であるインバータ14の正極母線13に接続される上アーム部58と、下アームスイッチング素子66と下アームダイオード68とが並列に接続され他方端がインバータ14の負極母線15に接続される下アーム部64と、上アーム部58の他方端と下アーム部64の一方端との接続点と蓄電装置20の正極母線19との間に設けられるコンバータコイル52とを含む昇降圧コンバータを1相分として、これを3相分並列に接続して構成されている。なお、蓄電装置20の負極母線21は、インバータ14の負極母線15と接続される。
In the example of FIG. 1, the configuration of a three-phase converter is shown. That is, the upper
上記では、1相分の昇降圧コンバータを構成する素子を説明したが、他の2相分の各昇降圧コンバータも同様の構成である。図1では、他の2相分の各昇降圧コンバータのコンバータコイル54,56に符号が付されているが、スイッチング素子、ダイオードには、図面が複雑になるので符号を付していない。なお、図3では、この他の2相分の各昇降圧コンバータをそれぞれ構成するスイッチング素子として、上アームスイッチング素子70,78、上アームダイオード72,80、下アームスイッチング素子74,82、下アームダイオード76,84がそれぞれ符号を付して示されている。
Although the element which comprises the buck-boost converter for 1 phase was demonstrated above, each buck-boost converter for other 2 phases is also the same structure. In FIG. 1, reference numerals are assigned to the converter coils 54 and 56 of the other two-phase buck-boost converters, but the switching elements and the diodes are not attached because the drawing becomes complicated. In FIG. 3, upper
マルチフェーズコンバータ部51は、蓄電装置20側の約200Vから約300V程度の低電圧を、リアクトルであるコンバータコイル52,54,56のエネルギ蓄積作用を利用して、インバータ14側の例えば約600Vの高電圧に昇圧する機能を有する回路で、昇圧コンバータとも呼ばれる。また、マルチフェーズコンバータ部51は双方向機能を有し、インバータ14側からの電力を蓄電装置20側に充電電力として供給するときには、インバータ14の側の高電圧を蓄電装置20に適した低電圧に降圧する作用も有する。
The
磁気結合コイル部35は、マルチフェーズコンバータ部51の複数のコンバータコイルと磁気結合し、協働してトランス作用を行って交流電力をやりとりできる複数のコイルである。図1の場合には単相交流電力をやり取りする構成が示されており、マルチフェーズコンバータ部51の3つのコンバータコイル52,54,56の中の2つのコンバータコイル54,56と磁気結合し、協働してトランス作用を行って交流電力をやりとりできる2つのコイル36,38が磁気結合コイル部35となる。
The magnetic
磁気結合コイル部35を構成する複数のコイルの接続状態は、やり取りする電力の相数によって異なる。図1の単相交流電力のやり取りの場合は、コイル36とコイル38とが直列に接続され、その両端子がAC/AC変換回路40の出力側の2端子に接続される。3相交流電力のやり取りの場合には、磁気結合コイル部35は3つのコイルで構成されるが、その場合には、3つのコイルのそれぞれの一方端が共通接続されるY結線となる。なお、後述する図12では、3相交流電力をやり取りする構成が示され、そこでは、磁気結合コイル部を構成する3つのコイルがY結線で相互に接続されている様子が図示されている。
The connection state of the plurality of coils constituting the magnetic
外部コンセント部32は、外部の交流電源と接続できる接続手段で、例えば、充電スタンド、あるいは家庭において50Hzあるいは60Hzの商用交流電力が取り出せる電源コンセントに嵌め込むことができるプラグ等で構成することができる。フィルタ部34は、外部コンセント部32から供給される電力信号のノイズ成分を抑制するための素子で、例えばリアクトル等で構成できる。
The
AC/AC変換回路40は、交流電力を振幅あるいは周波数の異なる状態の交流電力に変換する回路である。例えば、50Hzあるいは60Hzの商用交流電力を、10kHzから300kHzの交流電力に変換する機能を有する。
The AC /
このようにして構成される車両用多機能コンバータ50の作用について図2から図4を用いて説明する。図2は、車両用多機能コンバータ50がマルチフェーズコンバータとして機能するときの様子を示し、図3は、外部コンセント部32が外部電源と接続され、その外部電源電力によって、平滑コンデンサ30を充電するときの様子を示す図であり、図4は、平滑コンデンサ30の充電電力が蓄電装置20に伝送されて蓄電装置20を充電するときの様子を示す図である。
The operation of the vehicular
図2においては、外部コンセント部32は外部電源等から完全に切り離され、例えば、車両のトランク等に格納され、電気的に全く作用していない。そして、リレー24,26,28はすべて接続状態とされる。したがって、このときのマルチフェーズコンバータ部51は、本来の3相コンバータとして機能する。
In FIG. 2, the
すなわち、上アームスイッチング素子をOFFとし下アームスイッチング素子をONすることでコンバータコイルに磁気エネルギを蓄積し、次に上アームスイッチング素子をONし下アームスイッチング素子をOFFし手蓄積されたエネルギを平滑コンデンサ30に移して昇圧し、これを通過電力に応じて必要な相数作動させることでマルチフェーズコンバータ部51の昇圧動作が行われる。同様に降圧動作も各スイッチング素子のONとOFFを制御することで必要な相数について行うことができる。かかる制御は、図示されていない制御部によって行われる。
That is, the upper arm switching element is turned off and the lower arm switching element is turned on to accumulate magnetic energy in the converter coil, and then the upper arm switching element is turned on and the lower arm switching element is turned off to smooth the manually accumulated energy. The voltage is transferred to the
図3においては、リレー24,26,28のすべてが開放状態、つまり遮断状態とされ、その上で、外部コンセント部32が車両の外に引き出され、充電スタンド等の電力供給口に差し込まれ、外部交流電源90と接続される。そして、AC/AC変換回路40の制御によって、外部交流電源90の周波数が適当な高周波に変換される。上記の例では、外部交流電源として商用交流電源を用いるものとして、50Hzまたは60Hzが、10kHzから300kHzの間の適当な周波数に変換される。
In FIG. 3, all of the
そして、磁気結合コイル部35を構成する2つのコイル36,38がトランスの1次側コイルとして働き、マルチフェーズコンバータ部51において対応する2つのコンバータコイル54,56がトランスの2次側コイルとして働き、交流電力のやり取りをする。すなわち、2つのコイル36,38に交流電力が供給されることで、これと磁気結合する2つのコンバータコイル54,56に誘起電力が発生し、これによって外部交流電源90の電力がマルチフェーズコンバータ部51に移される。
The two
次に、コンバータコイル54,56に接続される上アームスイッチング素子70,78、下アームスイッチング素子74,82がOFFされる。これによって、上アームダイオード72,80、下アームダイオード76,84によってダイオードブリッジが構成され、これによって交流電力が直流電力に整流される。このようにして交直変換された電力は一旦平滑コンデンサ30に蓄積される。図3では、このような電力の流れを白抜き矢印で示されている。
Next, the upper
ここで、リレー24が遮断状態であるので、磁気結合コイル部35からの交流電力が蓄電装置20の方には流れない。また、マルチフェーズコンバータ部51におけるもう1つのコンバータコイル52は磁気結合コイル部35を構成していないので、これに対応する上アームスイッチング素子60、下アームスイッチング素子66はOFFとされる。これによって、この段階では平滑コンデンサ30の直流電力が蓄電装置20に流れない。また、リレー26,28の遮断によって平滑コンデンサ30と負荷12とは完全に分離されているので、インバータ14を介して回転電機16,18に高周波漏洩電流が生じることもない。
Here, since the
図4は、図3に引き続き、平滑コンデンサ30の直流電力を用いて蓄電装置20を充電するときの様子を説明する図である。ここでは、磁気結合コイル部35を構成していない残りのコンバータコイル52が用いられる。すなわち、このコンバータコイル52に接続される上アームスイッチング素子60と、下アームスイッチング素子66とをONすることで、平滑コンデンサ30の直流電力がコンバータコイル52を介して蓄電装置20に移される。
FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which the
このようにして、磁気結合コイル部35を構成するコイル36,38をトランスの1次側コイルとして用い、2次側コイルには、マルチフェーズコンバータ部51のコンバータコイル54,56をそのまま利用し、各スイッチング素子の動作を制御することで、外部交流電源の交流電力を直流電力に変換し蓄電装置20に充電をすることができる。これが、車両用多機能コンバータ50の充電機能である。
Thus, the
上記のように、充電時において負荷12と車両用多機能コンバータ50とを分離するために、リレー26,28がインバータ14の正極母線13と負極母線15にそれぞれ設けられている。図5は、蓄電装置20の正極母線19と負極母線21に複合リレー88を設ける例を示す図である。ここでは、複合リレー88の正極母線19側は2つのリレーが並列に設けられ、一方のリレーは図1のリレー24と同じように磁気結合コイル部35を構成するコンバータコイル54,56の一方端に接続されるが、他方のリレーは磁気結合コイル部35を構成しないコンバータコイル52の一方端に接続される。
As described above, the
ここで、図3で説明した平滑コンデンサ30への充電が行われる第1段階では、複合リレー88の負極母線側のリレーも正極母線19側の2つのリレーもともに遮断される。そして、図4で説明した平滑コンデンサ30から蓄電装置20への充電が行われる第2段階では、コンバータコイル52に接続されるリレーのみが接続される。この構造では、平滑コンデンサ30の両端子は負荷12の正極母線13、負極母線15とそれぞれ接続されているが、充電によってインバータ14を介して回転電機16,18に現れる高周波漏電電流がかなり抑制されることが分かった。
Here, in the first stage where the smoothing
図5における複合リレー88の構成とその配置は、一般的な車両用インバータに接続される電源回路に設けられるシステムメインリレーとほぼ同じ構成であるので、マルチフェーズコンバータ部51をシステムメインリレーで蓄電装置20に接続する周知の構成をほとんどそのまま利用することができる。そして、その場合でも、上記のように、インバータ14を介して回転電機16,18に現れる高周波漏電電流がかなり抑制できるので、高周波漏電電流防止用のインダクタ等を小さくすることができる。
The configuration and arrangement of the
図7は、参考のために、従来技術の充電回路の構成例を示す図である。ここでは、充電回路として、単相インバータ92と、コンデンサ94と、トランス型DC/DCコンバータ96とを接続した構成が示されている。ここで、外部コンセント部32はフィルタ部34を介して単相インバータ92に接続され、単相インバータ92はコンデンサ94を介してトランス型DC/DCコンバータ96に接続され、蓄電装置20は平滑コンデンサ22を介してトランス型DC/DCコンバータ96に接続される。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional charging circuit for reference. Here, a configuration in which a single-
この構成において、外部コンセント部32が外部交流電源90に接続されると、フィルタ部34を介した後、単相インバータ92によって交直変換が行われ、変換された直流電力がコンデンサ94に一旦蓄積される。そして、蓄積された直流電力はトランス型DC/DCコンバータ96の1次側単相インバータによって直交変換が行われ再び交流電力に戻され、トランスによって2次側単相インバータに交流電力が移される。2次側単相インバータでは交直変換が行われ、変換された直流電力が平滑コンデンサ22を介して蓄電装置20供給されて充電が行われる。
In this configuration, when the
このように、従来技術では、3つの単相インバータと、1つのコンデンサと、1次側コイルと2次側コイルとを有するトランスを要する。これを図6と比較すると、図6の構成は、AC/AC変換回路40として2つの単相インバータと1つのコンデンサとを要するが、トランスの2次側コイルがマルチフェーズコンバータ部51のコンバータコイル54,56を利用するので、トランスについては1次側コイルに相当する磁気結合コイル部35で足りる。また、単相インバータを1つ省略できる。このように、図6の構成は従来技術に比較し簡素なものとなる。
Thus, the conventional technique requires a transformer having three single-phase inverters, one capacitor, a primary side coil, and a secondary side coil. Compared with FIG. 6, the configuration of FIG. 6 requires two single-phase inverters and one capacitor as the AC /
図6で説明したAC/AC変換回路40は、単相コンバータを用いて交流電力を一旦直流電力に変換し、これを適当な振幅と周波数の交流電力に再び変換する間接的交流変換を行っているので、2つの単相インバータとその間にコンデンサを必要とする。
The AC /
交流電力を一旦直流電力に変換することをせず、直接的に適当な振幅と周波数の交流電力に変換する技術として、マトリクスコンバータが知られている。マトリクスコンバータは、入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列した回路である。マトリクスコンバータをAC/AC変換回路として用いることで、中間的な直流電力を蓄積するためのコンデンサを省略することができる。 A matrix converter is known as a technique for directly converting AC power into DC power having an appropriate amplitude and frequency without once converting it into DC power. The matrix converter is a circuit in which bidirectional switches are arranged at all contacts between a plurality of wirings on the input side and a plurality of wirings on the output side. By using the matrix converter as an AC / AC conversion circuit, a capacitor for storing intermediate DC power can be omitted.
図8は、2入力2出力のマトリクスコンバータの模式図である。ここでは、2入力としてX1,X2が示され、2出力としてY1,Y2が示されている。そして、2入力であるX1,X2のそれぞれの配線と、2出力であるY1,Y2のそれぞれの配線とを格子状、つまりマトリクス状に配置したときに生じる4つの接点にそれぞれ双方向スイッチS1,S2,S3,S4が1つずつ配置される。図8の例では、双方向スイッチS1はX1とY1との接点位置に、双方向スイッチS2はX1とY2との接点位置に、双方向スイッチS3はX2とY1との接点位置に、双方向スイッチS4はX2とY2の接点位置にそれぞれ配置されている。 FIG. 8 is a schematic diagram of a 2-input 2-output matrix converter. Here, X1 and X2 are shown as two inputs, and Y1 and Y2 are shown as two outputs. Then, the bidirectional switches S1 and 4 are respectively connected to four contacts generated when the wirings of X1 and X2 which are two inputs and the wirings of Y1 and Y2 which are two outputs are arranged in a grid, that is, a matrix. S2, S3 and S4 are arranged one by one. In the example of FIG. 8, the bidirectional switch S1 is in the contact position between X1 and Y1, the bidirectional switch S2 is in the contact position between X1 and Y2, and the bidirectional switch S3 is in the contact position between X2 and Y1. The switch S4 is disposed at the contact position between X2 and Y2.
図8では2入力2出力の2×2マトリクスコンバータの場合を説明したが、これは、単相交流を入力として、これとは異なる振幅あるいは周波数の単相交流を出力するAC/AC変換回路として用いることができる。 Although the case of a 2 × 2 matrix converter with two inputs and two outputs has been described with reference to FIG. 8, this is an AC / AC conversion circuit that outputs a single-phase alternating current having a different amplitude or frequency from a single-phase alternating current as an input. Can be used.
同様に3相交流を入力として、これとは異なる振幅あるいは周波数の3相交流を出力するAC/AC変換回路として、3×3マトリクスコンバータを用いることができる。この場合には、3入力のそれぞれと3出力のそれぞれとの接点である9つの各接点に双方向スイッチが設けられる。また、3相交流を入力として、これとは異なる振幅あるいは周波数の単相交流を出力するAC/AC変換回路としては、3×2マトリクスコンバータを用いることができる。 Similarly, a 3 × 3 matrix converter can be used as an AC / AC conversion circuit that receives a three-phase alternating current as an input and outputs a three-phase alternating current with a different amplitude or frequency. In this case, a bidirectional switch is provided at each of the nine contacts that are the contacts of each of the three inputs and each of the three outputs. A 3 × 2 matrix converter can be used as an AC / AC conversion circuit that receives a three-phase alternating current as an input and outputs a single-phase alternating current with a different amplitude or frequency.
マトリクスコンバータに用いられる双方向スイッチとしては、ダイオードブリッジとIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の組合せ、IGBTを相互に逆方向に並列接続した逆阻止IGBT、IGBTとダイオードを組み合わせた逆導通IGBTを2つ直列に用いたものが知られている。 As a bidirectional switch used in the matrix converter, there are two combinations of a diode bridge and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a reverse blocking IGBT in which IGBTs are connected in parallel in opposite directions, and a reverse conducting IGBT in which an IGBT and a diode are combined. Those used in series are known.
図9は、図8の2×2マトリクスコンバータを構成する4つの双方向スイッチS1,S2,S3,S4のそれぞれに、IGBTとダイオードを組み合わせた逆導通IGBTを2つ直列に用いて構成したAC/AC変換回路41の様子を示す図である。なお、図9における逆導通IGBTの代わりにMOSFETを用いてもよい。
FIG. 9 shows an AC circuit constructed by using two reverse conducting IGBTs in combination with IGBTs and diodes in series in each of the four bidirectional switches S1, S2, S3 and S4 constituting the 2 × 2 matrix converter of FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a state of the /
図10は、図9の2×2マトリクスコンバータをAC/AC変換回路41として用いたときの車両用多機能コンバータ50の動作を説明するための回路図である。ここでは、外部交流電源90として、単相50Hz200Vを用い、車両用多機能コンバータ50を用いて平滑コンデンサ30に充電し、模擬的な負荷11として平滑コンデンサ30に並列に抵抗素子を接続するものとした。なお、外部交流電源90に接続される外部コンセント部32を省略してある。
FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the operation of the vehicular
ここで、AC/AC変換回路41は4つの双方向スイッチS1,S2,S3,S4で構成される2×2のマトリクスコンバータである。なお、4つの双方向スイッチS1,S2,S3,S4は模式的記号で示してある。このマトリクスコンバータは、外部交流電源90の単相50Hz200Vをトランス用の高周波に変換する。トランスは、上記のように、磁気結合コイル部35とマルチフェーズコンバータ部51のコンバータコイルに相当する。このトランスによってマルチフェーズコンバータ部51に伝達された交流電力は、3相のマルチフェーズコンバータ部51の中の2相分の4つのダイオードD1,D2,D3,D4によって構成されるダイオードブリッジによって直流に整流され、平滑コンデンサ30に蓄積され、抵抗素子で模擬された負荷11を駆動する。
Here, the AC /
図11は、図10の回路の動作をシミュレーション計算した結果を示す図である。図9の横軸は時間、縦軸は電圧あるいは電流である。ここでは、外部交流電源90の入力電圧100と、フィルタ部34を構成する2つのリアクトルのそれぞれに流れる電流102と、負荷11の両端電圧である出力電圧104とが示されている。図11から、単相50Hz200Vに対応する入力振幅約280Vの交流電力が、マトリクスコンバータと磁気結合コイル部35とマルチフェーズコンバータ部51を用いて、約200Vの出力直流電力に変換されていることが分かる。
FIG. 11 is a diagram showing the result of simulation calculation of the operation of the circuit of FIG. In FIG. 9, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents voltage or current. Here, the
このように、AC/AC変換回路としてマトリクスコンバータを用いることで、中間部のコンデンサを省略して、入力交流電力を直接出力交流電力に変換できる。 In this way, by using a matrix converter as the AC / AC conversion circuit, it is possible to directly convert input AC power to output AC power by omitting an intermediate capacitor.
図12は、3相の外部交流電源を用いて蓄電装置20を充電する場合の構成例を示す図である。ここでは、AC/AC変換回路43として3×3マトリクスコンバータが用いられ、磁気結合コイル部37にはY結線された3つのコイルが用いられ、マルチフェーズコンバータ部51として、Y結線された3つのコンバータコイルと3相インバータで構成される3相コンバータが用いられる。なお、リレー25は、充電時に負荷等と分離するために用いられ、リレー27は、充電時に蓄電装置と接続するために用いられる。このようにして、3相の外部交流電源を用いて蓄電装置20を充電することができる。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example when the
本発明に係る車両用多機能コンバータは、外部交流電源から充電可能、あるいは外部交流負荷に放電可能な機能を有する電源回路に利用できる。例えば、車両に搭載される回転電機の駆動回路に接続される電源回路に利用できる。 The multi-function converter for a vehicle according to the present invention can be used for a power supply circuit having a function capable of being charged from an external AC power supply or discharged to an external AC load. For example, it can be used for a power supply circuit connected to a drive circuit of a rotating electrical machine mounted on a vehicle.
10 車両用回転電機駆動システム、11,12 負荷、13、19 正極母線、14 インバータ、15、21 負極母線、16,18 回転電機、20 蓄電装置、22,30 平滑コンデンサ、24,25,26,27,28 リレー、32 外部コンセント部、34 フィルタ部、35,37 磁気結合コイル部、36,38 コイル、40,41,43 AC/AC変換回路、50 車両用多機能コンバータ、51 マルチフェーズコンバータ部、52,54,56 コンバータコイル、58 上アーム部、60,70,78 上アームスイッチング素子、62,72,80 上アームダイオード、64 下アーム部、66,74,82 下アームスイッチング素子、68,76,84 下アームダイオード、88 複合リレー、90 外部交流電源、92 単相インバータ、94 コンデンサ、96 DC/DCコンバータ、100 入力電圧、102 電流、104 出力電圧。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上アームスイッチング素子と上アームダイオードが並列に接続され一方端が車両用駆動回路の正極母線に接続される上アーム部と、下アームスイッチング素子と下アームダイオードとが並列に接続され他方端が車両用駆動回路の負極母線に接続される下アーム部と、上アーム部の他方端と下アーム部の一方端との接続点と蓄電装置の正極母線との間に設けられるコンバータコイルとを含む昇降圧コンバータを1相分として、これを複数相分並列に接続したマルチフェーズコンバータ部と、
マルチフェーズコンバータ部の複数のコンバータコイルと磁気結合して交流電力をやりとりできる磁気結合コイル部と、
磁気結合コイル部と、交流電源または交流負荷と接続される外部コンセント部との間に設けられるAC/AC変換回路と、
を備えることを特徴とする車両用多機能コンバータ。 A vehicle voltage converter used to adjust a DC voltage between a vehicle drive circuit and a power storage device,
The upper arm switching element and the upper arm diode are connected in parallel and one end is connected to the positive bus of the vehicle drive circuit, the lower arm switching element and the lower arm diode are connected in parallel, and the other end is connected to the vehicle. Elevating and lowering including a lower arm portion connected to the negative electrode bus of the driving circuit, and a converter coil provided between a connection point between the other end of the upper arm portion and one end of the lower arm portion and the positive electrode bus of the power storage device A multi-phase converter unit in which a pressure converter is used for one phase and connected in parallel for a plurality of phases;
A magnetic coupling coil unit capable of exchanging AC power by magnetic coupling with a plurality of converter coils of the multi-phase converter unit;
An AC / AC conversion circuit provided between the magnetic coupling coil unit and an external outlet connected to an AC power source or an AC load;
A multifunctional converter for a vehicle, comprising:
蓄電装置の正極母線は、マルチフェーズコンバータの複数のコンバータコイルとリレーを介して接続されることを特徴とする車両用多機能コンバータ。 In the multi-function converter for vehicles according to claim 1,
A multi-function converter for a vehicle, wherein the positive electrode bus of the power storage device is connected to a plurality of converter coils of the multi-phase converter via a relay.
AC/AC変換回路は、
入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列したマトリクスコンバータであることを特徴とする車両用多機能コンバータ。 In the multi-function converter for vehicles according to claim 1 or 2,
The AC / AC conversion circuit
A multi-function converter for a vehicle, which is a matrix converter in which bidirectional switches are arranged at all contacts between a plurality of wires on the input side and a plurality of wires on the output side.
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