JP5667423B2 - プラグインハイブリッド自動車の充電装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車に係り、より詳しくは、外部の電源をプラグイン（ｐｌｕｇ−ｉｎ）方式で接続してバッテリーの充電を提供するハイブリッド自動車の充電装置および制御方法に関する。

自動車に対する強化された排気ガスの規制を満足させ、且つ燃費向上を提供するためにハイブリッド自動車が開発されて運行されている。

ハイブリッド自動車は、減速時にモータを逆回転させる回生制動を通じて電気を生成してバッテリーを充電する。また、ハイブリッド自動車は、停車時にはエンジンを始動オフし、出発時にモータでエンジンを再始動させるＩＳＧ（Ｉｄｌｅ Ｓｔｏｐ ａｎｄ Ｇｏ）制御を通じて燃費向上および排気ガスの安定化を提供する。

図３は、従来のプラグインハイブリッド自動車の充電装置を概略的に示した図面である。

図３を参照すれば、従来のプラグインハイブリッド自動車の充電装置は、モータ１とバッテリー２との間にインバータ３が配置され、バッテリー２のＤＣリンクにプラグインを通じて外部ＡＣ電源４が連結される充電器５が並列に接続される。

前記充電器５は、複数のインバータ素子で構成されてオンボード（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）形態でハイブリッド自動車に搭載される。

したがって、外部ＡＣ電源４が充電器５に連結されると、充電器５はインバータ素子のスイッチングを通じてプラグインで供給されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換させてバッテリー２を充電する。

この時、バッテリー２とモータ１との間に設置されるインバーター３は、スイッチングオフ状態を維持する。

前記ハイブリッド自動車にオンボード形態で搭載される充電器は、大きな電流およびパワーの供給によりバッテリーの充電が短時間内に行われ得るようにするために高価および高容量で構成されるため、ハイブリッド自動車の製作による材料費用の上昇と燃費低下を発生させる欠点がある。

また、限定された空間に充電器を搭載しなければならないため、パッケージとして製作し難いという短所がある。［特許文献１］

例えば、オンボードで搭載される充電器の価格は、同一出力のインバータ価格のほぼ１０倍程度であるため、ハイブリッド自動車の製作に伴う材料費用を過大に上昇させて価格競争力を大きく低下させる問題が発生する。

特開２０１０−３６５９４号公報

本発明は前記のような問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、別途の充電器を備えることなく、ハイブリッド自動車に基本的に適用されているインバータを利用してプラグイン方式でバッテリーの充電を提供することにある。

前記の目的を実現するために、本発明のプラグインハイブリッド自動車の充電装置は、電動機または発電機として動作するモータ、直流電圧を貯蔵し、モータ駆動電源を供給するバッテリー、前記モータとバッテリーとの間に配置されるインバータ、プラグイン接続して電気エネルギーを供給する外部交流電源、前記インバータと、前記インバータとモータとを連結するパワーケーブルにプラグイン接続される前記交流電源との間に配置される単相インダクタ、前記パワーケーブルと前記インダクタとを連結するジャンクションのうちのいずれか一つのジャンクションと、前記モータとの間に電気的連結および分離を行なうスイッチ、前記外部交流電源が接続されないパワーケーブルに連結されて前記モータに供給される電流量を検出する電流センサー、およびプラグインで外部交流電源接続時に前記インダクタと前記モータとの間の電気的連結が分離されるように前記スイッチを制御し、前記インダクタと連結されないケーブルに電流が流れないようにインバータを制御する制御器を含むことを特徴とする。

前記制御器は、プラグインで単相の外部交流電源が接続されると、外部交流電源が接続されないパワーケーブルの電流を前記電流センサーで検出し、ＰＩ（比例積分）制御器を通じてモータに供給される当該電流が「ゼロ」となるように前記インバータを制御することを特徴とする。

前記制御器は、外部交流電源が連結されないパワーケーブルに対する電流指令と当該パワーケーブルに連結される電流センサーで検出される電流値とを比較して電流誤差を抽出する演算器、前記演算器で印加される電流誤差に応じて「ゼロ」電流維持補償値を抽出する比例積分器、および前記比例積分器の補償値でインバータの当該アームを制御し、外部交流電源が接続されないパワーケーブルの電流を「ゼロ」に維持し、インバータの他のパワーケーブルに連結されたアームを制御し、外部交流電源を直流電圧に変換させてバッテリー充電を行なわせるインバータ制御器を含むことを特徴とする。

また、本発明の他の実施例によるプラグインハイブリッド自動車の充電方法は、バッテリー充電のための単相の外部交流電源がプラグイン接続されるかを判断する過程、プラグイン接続が判断されると、外部交流電源とモータとが連結される二つのパワーケーブルのうちのいずれか一つのパワーケーブルを開放させて外部交流電源とモータとの間の電気的連結を分離する過程、前記外部交流電源が連結されないパワーケーブルでモータに流れる電流を検出した後、比例積分制御で補償値を抽出し、補償値に応じてインバータのスイッチングを制御し、外部交流電源が連結されるパワーケーブルでモータに流れる電流を「ゼロ」に維持してモータが駆動しないようにする過程、および外部交流電源と連結されたパワーケーブルのインターバースイッチングを制御して外部交流電源でバッテリー充電を行なう過程を含むことを特徴とする。

このように本実施例によれば、ハイブリッド自動車に存在するインバータを利用してバッテリーの充電を提供することによって、高価の充電器の搭載が不要となって価格競争力を提供することができる。

また、車両の空間を効率良く使用することができてパッケージ商品性を向上させ、ハイブリッド自動車の燃費向上を提供して車両の運行に信頼性および商品性を提供することができる。

本発明の実施例によるプラグインハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。 本発明の実施例によるプラグインハイブリッド自動車の充電制御を示したフローチャートである。 従来のプラグインハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。

本発明は多様な異なる形態で具現することができ、ここで説明する実施例に限定されず、図面で本発明を明確に説明するために説明上不要な部分は省略した。

図１は、本発明の実施例によるプラグインハイブリッド自動車の充電装置を概略的に示した図面である。

図１を参照すれば、本発明の実施例によるプラグインハイブリッド自動車の充電装置は、モータ１０とバッテリー２０、インバータ３０、インダクタ４０、制御器５０、スイッチＳ１、電流センサー６０を含む。

前記モータ１０は、車輪（図示せず）を駆動する３相電動機であって、前記インバータ３０で供給される３相電圧により駆動され、回生制動時に発電機として動作する。

前記モータ１０は、３相固定子コイルを含み、前記３相固定子コイルを形成するＵ、Ｖ、Ｗ相コイルはそれぞれの一側が互いに連結されて中性点を形成し、それぞれの他側は前記インバータ３０の対応するアームに連結される。

前記バッテリー２０は直流電源であり、例えばニッケル−水素、リチウム−イオン２次電池、大容量キャパシタのうちのいずれか一つで構成されても良く、前記モータ１０を駆動させるための電圧を貯蔵する。

前記バッテリー２０は、前記インバータ３０で昇圧あるいは減圧されて印加される商用電源である外部交流電源７０により充電される。

前記インバータ３０は、電力スイッチング素子が直列に連結されて構成され、Ｕ相アーム（Ｓａｕ、Ｓａｕ´）、Ｖ相アーム（Ｓａｖ、Ｓａｖ´）、Ｗ相アーム（Ｓａｗ、Ｓａｗ´）を含む。

前記電力スイッチング素子は、ＮＰＮ型トランジスター、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴのうちのいずれか一つで構成しても良い。

前記インバータ３０は、前記制御器５０でそれぞれのアームに印加されるインバータ制御器５３の信号、例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号に応じて前記バッテリー２０から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータ１０に駆動電圧として供給する。

前記インダクタ４０は、前記インバータ３０とプラグイン接続される外部電源である交流電源との間に設置されて電圧源間の直接的な並列連結を防止する。

前記インバータ３０と前記モータ１０は、パワーケーブル８２、８４、８６に連結され、前記インダクタ４０は、前記パワーケーブル８２、８４にプラグイン接続される前記交流電源７０と前記インバータ３０との間に配置される。

前記制御器５０は、プラグインで商用電源である前記外部交流電源７０が接続される場合、前記外部交流電源７０と前記モータ１０との間の絶縁と前記バッテリー２０の充電を制御する。

前記制御器５０は、プラグインで前記外部交流電源７０が接続されると、前記外部交流電源７０と接続する二つのパワーケーブルのうちのいずれか一つに連結されるスイッチＳ１を開放させて前記外部交流電源７０と前記モータ１０との間の絶縁を物理的に行なう。

前記インバータ３０、モータ１０および前記インダクタ４０を連結するパワーケーブル８２、８４には、２つのジャンクション（ａ、ｂ）が備えられ、前記ジャンクション（ａ、ｂ）は、例えばｕ、ｖ相電流が流れる。

そして、スイッチＳ１は、例えば、ｕ相の電流が流れるパワーケーブル８２上に備えられる。

また、前記制御器５０は、プラグインで前記外部交流電源７０が接続される場合、前記外部交流電源７０が接続されないパワーケーブル、例えば図面に符号８６で示されたパワーケーブル８６に備えられた前記電流センサー６０を通じて電流を検出した後、ＰＩ（比例積分）制御を通じて前記モータ１０に供給される当該電流が「ゼロ」となるように前記インバータ３０を制御し、前記外部交流電源７０と前記モータ１０との間の絶縁を維持させる。

前記外部交流電源７０が接続されないパワーケーブル８６に流れる電流はｗ相とする。

前記制御器５０は、演算器５１と比例積分器５２および前記インバータ制御器５３、例えばＰＷＭ発生器５３を含んでも良い。

演算器５１は、外部交流電源７０が連結されない相（例えば「ｗ」相）に対する「ゼロ」電流指令と当該相（例えば「ｗ」相）に連結される電流センサー６０で検出される電流値とを比較して電流誤差を抽出する。

比例積分器５２は、前記演算器５１で抽出して印加される電流誤差に応じて「ゼロ」電流を維持させるための補償値を抽出する。

ＰＷＭ発生器５３は、前記比例積分器５２の制御によりインバータ３０の当該相に対するアームをスイッチング制御し、外部交流電源７０が接続されない一つの相（例えば「ｗ」相）電流を「ゼロ」に維持し、インバータ３０の他の二つの相（例えば「ｕ」相と「ｖ」相）に連結されるアームをスイッチング制御し、交流状態の外部交流電源７０を高電圧の直流電圧に変換してバッテリー２０の充電を行なわせる。

前記外部交流電源７０は商用電源であり、プラグインで接続される単相電源である。

前記外部交流電源７０は、交流電源を適用することが好ましいが、直流電源の適用も本発明の範囲に含まれ得る。

スイッチＳ１は、前記外部交流電源７０が接続される二つのパワーケーブル８２、８４のうちのいずれか一つのパワーケーブル８２（例えば「ｕ」相電流が流れる）に構成され、前記バッテリー２０の充電のためのプラグイン接続が検出されると、前記制御器５０の制御により開放（Ｏｐｅｎ）されて、例えば「ｕ」相に対して前記外部交流電源７０と前記モータ１０の開放を維持する。

前記電流センサー６０は、インバータ３０とモータ１０を連結する、例えば「ｗ」相電流が流れるパワーケーブル８６に連結されて電流量を検出する。

次に、前述のような機能を含む本発明によるプラグインハイブリッド自動車の充電装置の充電制御について具体的に説明する。

図２は、本発明の実施例によるプラグインハイブリッド自動車の充電制御を示したフローチャートである。

本発明が適用されるプラグインハイブリッド自動車の充電装置に構成される前記制御器５０は、前記バッテリー２０の充電のためにプラグイン接続で外部交流電源７０が連結されるかを判断する（Ｓ１０１）。

前記Ｓ１０１で前記外部交流電源７０が連結されると、制御器５０は前記スイッチＳ１を開放し、例えば「ｕ」相電流が流れる前記パワーケーブル８２に対して前記外部交流電源７０と前記モータ１０との連結を開放状態に形成する（Ｓ１０２）。

そして、前記電流センサー６０を通じて前記インバータ３０から前記モータ１０に流れる、例えば「ｗ」相電流を検出した後（Ｓ１０３）、ＰＩ（比例積分）制御を通じて「ｗ」相電流が「ゼロ」となるように前記インバータ３０を制御する（Ｓ１０４）。

つまり、前記制御器５０を構成する前記演算器５１は、前記外部交流電源７０が連結されない「ｗ」相電流に対する「ゼロ」電流指令と「ｗ」相電流に連結される前記電流センサー６０で検出される電流値とを比較して電流誤差を抽出し、前記比例積分器５２に印加する。

前記比例積分器５２は、前記演算器５１で抽出されて印加される電流誤差に応じて「ゼロ」電流を維持させるための補償値を抽出した後、前記ＰＷＭ発生器５３に印加する。

したがって、前記ＰＷＭ発生器５３は、前記比例積分器５２で供給される補償値に応じて前記インバータ３０の「ｗ」相アームを制御し、「ｗ」相の電流を「ゼロ」に維持させて「ｖ」相も電流の流れが発生しないようにする。

したがって、「ｕ」相は開放状態であり、「ｗ」相は電流が「ゼロ」である状態であり、これによって、「ｖ」相も電流の流れが発生しなくなるため、外部交流電源７０とモータ１０との間の絶縁が維持される。

前記外部交流電源７０とモータ１０との絶縁が完了すると、前記制御器５０内のＰＷＭ発生器５３は前記インバータ３０内の「ｕ」相と「ｖ」相に連結されるアームをＰＷＭスイッチング制御し、交流状態の外部交流電源７０を高電圧の直流電圧に変換して前記バッテリー２０充電を行なわせる（Ｓ１０５）。

以上で説明した通り、本発明の実施例は、別途の充電器を備えない状態でプラグイン方式で外部交流電源を連結した場合、電流制御を通じて外部交流電源とモータとの絶縁を行ない、インバータを通じて直流電圧に変換させてバッテリーの充電を行わせることによって、ハイブリッド車両の性能向上を提供することができる。

以上で本発明の一実施例について説明したが、本発明の思想は本明細書に提示される実施例に制限されない。本発明の思想を理解する当業者は同一技術的範囲内において構成要素の付加、変更、追加、削除などにより他の実施例を容易に提案することができる。

本発明は、ハイブリッド自動車に関し、外部の電源をプラグイン方式で接続してバッテリーの充電を行わせるハイブリッド自動車の充電装置および制御方法の分野に適用できる。

１０ モータ
２０ バッテリー
３０ インバータ
４０ インダクタ
５０ 制御器
６０ 電流センサー

Claims (3)

1. 電動機または発電機として動作するモータと、
   直流電圧を貯蔵し、モータ駆動電源を供給するバッテリーと、
   前記モータとバッテリーとの間に配置されるインバータと、
   プラグイン接続して電気エネルギーを供給する外部交流電源と、
   前記インバータと、前記インバータとモータとを連結するパワーケーブルにプラグイン接続される前記外部交流電源との間に配置される単相インダクタと、
   前記パワーケーブルと前記単相インダクタとを連結するジャンクションのうちのいずれか一つのジャンクションと、前記モータとの間に電気的連結および分離を行なうスイッチと、
   前記外部交流電源が接続されないパワーケーブルに連結されて前記モータに供給される電流量を検出する電流センサーと、
   プラグインで外部交流電源接続時に前記インダクタと前記モータとの間の電気的連結が分離されるように前記スイッチを制御し、前記インダクタと連結されないケーブルに電流が流れないようにインバータを制御する制御器と、を含み、
   前記制御器は、プラグインで単相の外部交流電源が接続されると、外部交流電源が接続されないパワーケーブルの電流を前記電流センサーで検出し、ＰＩ（比例積分）制御器を通じてモータに供給される当該電流が「ゼロ」となるように前記インバータを制御することを特徴とするプラグインハイブリッド自動車の充電装置。
2. 前記制御器は、
   外部交流電源が連結されないパワーケーブルに対する電流指令と当該パワーケーブルに連結される電流センサーで検出される電流値とを比較して電流誤差を抽出する演算器と、
   前記演算器で印加される電流誤差に応じて「ゼロ」電流維持補償値を抽出する比例積分器と、
   前記比例積分器の補償値でインバータの当該アームを制御し、外部交流電源が接続されないパワーケーブルの電流を「ゼロ」に維持し、インバータの他のパワーケーブルに連結されたアームを制御し、外部交流電源を直流電圧に変換させてバッテリー充電を行なわせるインバータ制御器と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラグインハイブリッド自動車の充電装置。
3. 請求項１又は２に記載されたプラグインハイブリッド自動車の充電装置によって実行されるプラグインハイブリッド自動車の充電方法であって、
   バッテリー充電のための単相の外部交流電源がプラグイン接続されるかを判断する過程と、
   プラグイン接続が判断されると、外部交流電源とモータとが連結される二つのパワーケーブルのうちのいずれか一つのパワーケーブルを開放させて外部交流電源とモータとの間の電気的連結を分離する過程と、
   前記外部交流電源が連結されないパワーケーブルでモータに流れる電流を検出した後、比例積分制御で補償値を抽出し、補償値に応じてインバータのスイッチングを制御し、外部交流電源が連結されるパワーケーブルでモータに流れる電流を「ゼロ」に維持してモータが駆動しないようにする過程と、
   外部交流電源と連結されたパワーケーブルのインターバースイッチングを制御して外部交流電源でバッテリー充電を行なう過程と、を含むことを特徴とするプラグインハイブリッド自動車の充電方法。

Images