JP5735782B2 - ハイブリッド自動車の充電装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ハイブリッド自動車の充電装置及び方法に係り、より詳しくは、二つのモータが適用されるハイブリッド自動車において、二つモータの中性点を利用してバッテリの充電を実行するハイブリッド自動車の充電装置及び方法に関する。
自動車に対する強化された排気ガス規制を充足させて、燃費向上を計るために、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により電気を生成して、バッテリに充電する。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アイドルストップアンドゴー(Idle Stop and Go)制御を通じて、燃費向上及び排気ガスの低減化を提供する。
また、ハイブリッド自動車は、外部の商用電源(commercial electricity)を利用してバッテリを充電するプラグイン(Plug in)充電方式が適用できる。
プラグイン充電を提供するために、商用電源を整流して緩速充電を提供する充電器がオンボード(On Board)形態に搭載される。
ハイブリッド車両に搭載される充電器は、高価で且つ高重量の部品であり、ハイブリッド自動車の材料費上昇を招き、重量の増加により燃費が低下し、部品が占める体積の増加によりパッケージの商品性が低下する。
特に、充電器の価格は、ほぼ10倍容量のインバータの価格と同程度で、ハイブリッド自動車の製作における材料費を過多に上昇させるため、価格競争力を大きく低下させる問題点がある。
また、短時間内にバッテリの充電を実行するためには、別途の急速充電装置を備え、商用電源を急速充電ポットに接続して充電を実行しなければならない。
急速充電装置は、バッテリの過充電防止などバッテリ保護のために、バッテリ制御器とリアルタイムで高速通信を行わなければならず、このためには別途の通信チャネルが必要となる。
しかし、ハイブリッド自動車内部の制御器と外部システムの通信チャネルとが接続する場合、制御器の信頼性確保がその分だけ難しくなる短所が発生する。
特開2008−289121号公報 特開2009−184570号公報 特表2009−508763号公報
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ハイブリッド自動車に高価な充電器を別途に備えない状態で、外部電源からバッテリに充電する充電装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明のハイブリッド自動車の充電装置ば、直流電圧を出力または貯蔵するバッテリ、電動機または発電機として動作する第1モータ及び第2モータ、第1モータ及び第2モータをそれぞれ駆動させる第1インバータ及び第2インバータ、バッテリからの直流電圧を第1インバータ及び第2インバータに昇圧または減圧して供給し、第1インバータ及び第2インバータからの直流電圧をバッテリ側に減圧または昇圧して供給し、DCリンクを含む電圧変換器、第1インバータ及び第2インバータの負極端子に接続するアノード端子と、商用電源に接続され、第1モータ及び第2モータそれぞれの第1中性点及び第2中性点とそれぞれ並列に接続する第1ダイオード及び第2ダイオード、及び、第1及び第2モータの第1及び第2中性点に供給される商用電源の交流電圧の位相、電圧変換器と第1及び第2インバータを接続するDCリンクキャパシタの電圧、バッテリの電圧、バッテリの両端間に接続する平滑キャパシタの電圧、バッテリの電流または電圧変換器からバッテリに流れる電流を測定してバッテリの充電モードを決定し、バッテリの充電モードにより電圧変換器をPWMデューティ制御して、DCリンクキャパシタの電圧を減圧または昇圧してバッテリに供給されるようにする充電制御器を含むことを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明によるハイブリッド自動車の充電装置は、直流電圧を出力または貯蔵するバッテリ、電動機または発電機として動作する第1モータ及び第2モータ、第1モータ及び第2モータをそれぞれ駆動させる第1インバータ及び第2インバータ、バッテリからの直流電圧を第1インバータ及び第2インバータに昇圧または減圧して供給し、第1インバータ及び第2インバータからの直流電圧をバッテリ側に減圧または昇圧して供給し、DCリンクを含む電圧変換器、第1インバータ及び第2インバータの負極端子に接続するアノード端子と、商用電源に接続され、第1及び第2モータそれぞれの第1及び第2中性点とそれぞれ並列に接続する第1ダイオード及び第2ダイオード、第1及び第2モータの第1及び第2中性点に供給される商用電力の位相、電圧変換器と第1及び第2インバータとを接続するDCリンクキャパシタの電圧、バッテリの電圧、バッテリの両端間に接続する平滑キャパシタの電圧、バッテリの電流または電圧変換器からバッテリに流れる電流を測定してバッテリの充電モードを決定し、バッテリの充電モードによって電圧変換器をPWMデューティ制御して、DCリンクキャパシタ電圧を減圧または昇圧してバッテリに供給されるようにする充電制御器、バッテリの両端に連結され、バッテリに入力又はバッテリから出力される電圧及び電流を電圧変換器との間で接続又は遮断するメインリレー、車両外部の商用電源と電圧変換器を連結する充電ポット、商用電源の接続を検出する接続検出器、及び充電ポットと第1及び第2モータとの間に設置されて、充電制御器の制御によって商用電源を第1及び第2モータの第1及び第2中性点に選択的に連結する入力端リレーを含むことを特徴とする。
上記目的を達成するために本発明のハイブリッド自動車の充電方法ば、外部交流電源(商用電源)を測定する段階で、外部交流電源の交流電圧の位相が正の値であれば、第1インバータの上側IGBTをオンさせ、第1インバータの下側IGBT及び第2インバータの全てのIGBTをオフさせて、交流電源からの電流が第1インバータの上側IGBTと電圧変換器内のDCリンク、第1及び第2インバータの負極端子に接続されるダイオードを通じて交流電源に接続するループを形成する段階を経て、または、外部交流電源を測定する段階で、交流電源の交流電圧の位相が負の値であれば、第2インバータの上側IGBTをオンさせ、第2インバータの下側IGBT及び第1インバータの全てのIGBTをオフさせて、交流電源からの電流が第2インバータの上側IGBTと電圧変換器内のDCリンク、第1及び第2インバータの負極端子に接続されるダイオードを通じて交流電源に接続されるループを形成する段階を経て、DCリンクキャパシタに(+)の電圧が蓄積されるようにするインバータスイッチを制御することを特徴とする。
本発明によれば、ハイブリッド自動車に設けられるモータ及びインバータを利用してバッテリを充電することにより、充電器の搭載が不要となり、車両の材料費を低減させることから競争力を向上させることができる。
また、ハイブリッド自動車の重量の減少により燃費が向上し、充電機が占めたであろう空間の活性を高めて、パッケージ商品性を向上させることができる。
さらに、ハイブリッド自動車に既に設けられる大容量のモータ及びインバータを活用して急速充電を提供するので、急速充電のための別途の部品や外部の充電装置を備える必要がなく、商品性を向上させることができる。
本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。 本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車の充電方法を示したフローチャートである。 本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置で位相による電流の流れを示した図面である。 本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置で位相による電流の流れを示した図面である。 本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。 本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の充電方法を示したフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の充電方法(図6の続き)を示したフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の初期充電方法を示したフローチャートである。 本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。 本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の初期充電方法を示したフローチャートである。 本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の充電方法を示したフローチャートである。 本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の充電完了制御を示したフローチャートである。 本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。 本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車の初期充電方法を示したフローチャートである。 本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車の充電方法を示したフローチャートである。 本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車の充電完了制御を示したフローチャートである。
第1実施形態
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい第1実施形態について詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。図面において、本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略した。
図1に示すように、本発明の第1実施形態は、第1モータ101、第2モータ102、第1インバータ103、第2インバータ104、電圧変換器105、バッテリ106、ダイオード107(第1ダイオード:D1、第2ダイオード:D2を含む)、及び充電制御器200を含む。
第1モータ101は3相交流電動機で、エンジン(図示せず)を始動できる電動機として動作する一方で、選択的にエンジンによって駆動される発電機として動作する。
第1モータ101は、エンジンを始動させるために、第1インバータ103を通じて供給される3相交流電圧によって駆動し、また、エンジンの駆動によって3相交流電圧を発電させて第1インバータ103に出力する。
第2モータ102は、駆動車輪(図示せず)を駆動する3相交流電動機で、第2インバータ104から供給される3相交流電圧によって駆動トルクを発生させる。
また、第2モータ102は、車両の回生制動時に発電機として動作し、3相交流電圧を発生させて第2インバータ104に出力する。
第1モータ101は、固定子コイルとしてY結線型(Y−type wiring)の3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第1中性点(N1)を形成し、それぞれの他の一側は第1インバータ103の対応するそれぞれのアームに連結される。
第1モータ101の第1中性点(N1)には、外部から入力される商用電源300の一側が連結される。
第2モータ102は、固定子コイルとしてY結線型の3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第2中性点(N2)を形成し、それぞれの他の一側は第2インバータ104の対応するそれぞれのアームに連結される。
第2モータ102の第2中性点(N2)には、外部から入力される商用電源300の他側が連結される。
第1インバータ103は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換して、第1モータ101に駆動電圧として供給する。
第1インバータ103は、第1モータ101の第1中性点(N1)を通じて供給される外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が正の値(Vs>0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンク(Vdcが印加された部分)とダイオード107の第2ダイオード(D2)に接続される循環経路を形成させる。
第2インバータ104は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって、電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換し、第2モータ102に駆動電圧として供給する。
第2インバータ104は、第2モータ102の第2中性点(N2)を通じて供給される外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が負の値(Vs<0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンクとダイオード107の第1ダイオード(D1)に連結される循環経路を形成させる。
第1インバータ103は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sau、Sau’)、V相アーム(Sav、Sav’)、及びW相アーム(Saw、Saw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びMOSFETのいずれか一つで構成される。
第2インバータ104は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sbu、Sbu’)、V相アーム(Sbv、Sbv’)、及びW相アーム(Sbw、Sbw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFETのうちのいずれか一つで構成される。
電圧変換器105はDC/DCコンバータで、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によって、バッテリ106から供給される直流電圧を設定されたレベルの電圧に昇圧または減圧して、第1インバータ103または第2インバータ104に出力する。
また、電圧変換器105は、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によって、第1インバータ103または第2インバータ104から印加される直流電圧を昇圧及び減圧してバッテリ106に充電電圧として供給する。
電圧変換器105は、バッテリ106の両端に連結され、DCリンクキャパシタ(Cdc)と直列に接続する第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)、及びバッテリ106の両端間電圧変動を平滑(smoothing)する平滑キャパシタ(Cbc)を含む。
電圧変換器105は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続される外部の商用電源300の電力が、第1インバータ103と第2インバータ104を通じて循環経路が形成されるDCリンクに供給される場合、充電制御器200から印加される制御信号によって第1電力スイッチング素子(S1)及び第2電力スイッチング素子(S2)がスイッチオンまたはオフされて、バッテリ106の充電を実行させる。
バッテリ106は直流電源で、例えば、ニッケル−水素、リチウム−イオン2次電池、及び大容量キャパシタのいずれか一つで構成でき、充電された直流電圧を電圧変換器105を通じて昇圧または減圧させて、第1モータ101または第2モータ102に供給する。
また、バッテリ106は、電圧変換器105で昇圧または減圧されて印加される外部の商用電源300によって充電される。
ダイオード107は、第1ダイオード(D1)と第2ダイオード(D2)で構成され、一側端子、例えば、アノード端子が第1及び第2インバータ(103、104)の負極端子に接続され、カソード端子は外部の商用電源300と第1及び第2モータ(101、102)の第1及び第2中性点(N1、N2)に接続される。
商用電源300は、プラグ接続やコネクタ接続のいずれか一つでシステムに連結される。
商用電源300は、交流電源を適用するのが好ましいが、直流電源の適用も本発明の範囲に含まれる。
充電制御器200は、商用電源300の接続により、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に供給される交流電圧の位相(Vs)、循環ループが形成されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)、バッテリ106の電圧(Vb)、バッテリ106の両端間に接続する平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)、インダクタの電流(I)、及び充電電流(Ib)を測定して充電モードを決定する。
そして、充電制御器200は、決定された充電モードによって充電制御値を決定し、PWMデューティ制御を通じて電圧変換器105の第1電力スイッチング素子(S1)及び第2電力スイッチング素子(S2)をスイッチオンまたはオフさせて、バッテリ106の充電を実行する。
充電制御器は、第1インバータ103及び第2インバータ104のIGBTに代表されるスイッチを常にオフ状態に維持して、インバータスイッチを別途に制御せず、第1インバータ103及び第2インバータ104のIGBTのフリーホイーリングダイオードと第1、第2モータの中性点(N1、N2)と並列に接続する第1ダイオード(D1)及び第2ダイオード(D2)を通じてAC電源が正常に切り替わって、DCリンクキャパシタ(Cdc)に(+)の電圧が蓄積されるようにすることがよい。
本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車において、バッテリの電圧で第1モータを駆動させてエンジンを始動させる動作、エンジンの駆動力で発電する電圧を充電する動作、バッテリの電圧で第2モータを駆動させてハイブリッド自動車を駆動させる動作、回生制動時にバッテリを充電する動作は、通常のハイブリッド自動車と同様の制御方法で実行されるので、これに対する具体的な説明は省略する。
本発明の第1実施形態は、別個の充電装置を設置しない状態で、外部の商用電源を第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続して外部電力をバッテリ106に充電させる技術であるので、これについて具体的に説明する。
図2は、本発明の第1実施形態に係るハイブリッド自動車の充電方法を示したフローチャートである。
図2に示すとおり、本発明の第1実施形態が適用されるハイブリッド自動車の充電制御器200が待機する状態で(S101)、プラグの接続やコネクタの接続によって商用電源300が接続されたかを判断する(S102)。
バッテリ106の充電のために商用電源300が接続されると、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に商用電源300から電力が供給される(S103)。
この時、商用電源の交流電圧の位相(Vs)が正の値(Vs>0)を有する状態であれば、図3に示した電源ループを形成し、商用電源の交流電圧の位相(Vs)が負の値(Vs<0)を有する状態であれば、図4に示した電源ループを形成する(S104)。
したがって、電圧変換器105に含まれるDCリンクキャパシタ(Cdc)に電圧が充電される。
図3に示すとおり、商用電源の交流電圧の位相(Vs)が正の値(Vs>0)を有する状態での電源ループは、次の通り形成される。
商用電源300の電圧は、第1モータ101の第1中性点(N1)に供給されて、第1インバータ103を構成する電力スイッチング素子の上側のU相アーム(Sau)、V相アーム(Sav)、W相アーム(Saw)を導通させる。
この時、上側の各相別アームは、それに並列に接続されるバイパスダイオードを通じて導通できる。
したがって、商用電源300の電流は、第1インバータ103の上側のU相アーム(Sau)、V相アーム(Sav)、W相アーム(Saw)を通じて電圧変換器105内のDCリンクキャパシタ(Cdc)を循環し、第1及び第2インバータ(103、104)の負極端子に接続されるダイオード107の第2ダイオード(D2)を経て商用電源300に戻る。
図4に示すとおり、商用電源の交流電圧の位相(Vs)が負の値(Vs<0)を有する状態での電源ループは、次の通り形成される。
商用電源300の電圧は、第2モータ102の第2中性点(N2)に供給されて、第2インバータ104を構成する電力スイッチング素子の上側のU相アーム(Sbu)、V相アーム(Sbv)、W相アーム(Sbw)を導通させる。
この時、上側の各相別アームは、それに並列に接続されるバイパスダイオードを通じて導通できる。
したがって、商用電源300の電流は、第2インバータ104の上側のU相アーム(Sbu)、V相アーム(Sbv)、W相アーム(Sbw)を通じて電圧変換器105内のDCリンクキャパシタ(Cdc)を循環し、第1及び第2インバータ(103、104)の負極端子に接続するダイオード107の第1ダイオード(D1)を経て商用電源300に戻る。
したがって、電圧変換器105内のDCリンクキャパシタ(Cdc)に電圧の充電が行われる。
この時、充電制御器200は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に供給される交流電圧の位相(Vs)、電圧充電が実行されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)、バッテリ106の電圧(Vb)、バッテリ106の両端間に接続する平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)、インダクタの電流(I)、及び充電電流(Ib)を測定し(S105)、これに基づいて充電モードを決定する(S106)。
特に、充電制御器200は、充電モードがバッテリ106の電圧が設定された基準電圧(例えば、最大電圧の80%)以上を維持する電流制御モードであるかを判断する(S107)。
S107段階で充電モードが電流制御モードでないと判定されれば、バッテリ106の両端間に接続される平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)が一定の電圧を維持するようにする電圧指令値を決定する(S108)。
その後、S108段階で決定された電圧指令値に基づいて、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、バッテリ106の充電を実行させる(S109)。
一方、S107段階で充電モードが電流制御モードであれば、測定値の誤差を考慮して電流指令値を決定する(S110)。
その後、決定された電流指令値に基づいて、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、バッテリ106の充電電流量が電流指令値を追求するようにする(S111)。
上記充電によってバッテリ106が完全に充電されたかを判断する(S112)。S112段階でバッテリ106が完全に充電されなければ、充電制御器200はS110段階にリターンして、S110段階乃至S112段階を繰り返す。万一、S112段階でバッテリ106が完全に充電されれば、バッテリ106の過充電を防止するためにバッテリ106の充電を終了する(S113)。
上記説明のとおり、本発明の第1実施形態は、ダブルモータシステムを有するハイブリッド自動車において、第1モータの第1中性点と第2モータの第2中性点に外部の商用電源を接続してDCリンクキャパシタを充電させ、電圧変換器の電力スイッチング素子をPWM制御して、バッテリに安定した充電を提供することができる。高価で且つ高重量の充電装置を必要としないため、価格競争力が向上し、また、燃費を向上させることができる。
第2実施形態
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい第2実施形態について詳細に説明する。図5は、本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。
図5に示すように、本発明の第2実施形態は、第1モータ101、第2モータ102、第1インバータ103、第2インバータ104、電圧変換器105、バッテリ106、ダイオード107(第1ダイオード:D1、第ダイオード:D2を含む)、充電ポット108、コネクタ接続検出器109、メインリレー(SR1、SR2)、及び充電制御器200を含む。
第1モータ101は3相交流電動機で、エンジン(図示せず)を始動できる電動機として動作する一方で、選択的にエンジンによって駆動される発電機として動作する。
第1モータ101は、エンジンを始動させるために、第1インバータ103を通じて供給される3相交流電圧によって駆動し、また、エンジンの駆動によって3相交流電圧を発電させて第1インバータ103に出力する。
第2モータ102は、駆動車輪(図示せず)を駆動する3相交流電動機で、第2インバータ104に供給される3相交流電圧によって駆動トルクを発生させる。
また、第2モータ102は、車両の回生制動時に発電機として動作し、3相交流電圧を発生させて第2インバータ104に出力する。
第1モータ101は、固定子コイルとしてY結線型3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第1中性点(N1)を形成し、それぞれの他の一側は第1インバータ103の対応するそれぞれのアームに連結される。
第1モータ101の第1中性点(N1)には、外部から入力される商用電源300の一側が連結される。
第2モータ102は、固定子コイルとしてY結線型の3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第2中性点(N2)を形成し、それぞれの他の一側は第2インバータ104の対応するそれぞれのアームに連結される。
第2モータ102の第2中性点(N2)には、外部から入力される商用電源300の他側が連結される。
第1インバータ103は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって、電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換し、第1モータ101に駆動電圧として供給する。
第1インバータ103は、第1モータ101の第1中性点(N1)を通じて供給される外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が正の値(Vs>0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンクとダイオード107の第2ダイオード(D2)に接続される循環経路を形成させる。
第2インバータ104は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって、電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換し、第2モータ102に駆動電圧として供給する。
第2インバータ104は、第2モータ102の第2中性点(N2)を通じて供給される外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が負の値(Vs<0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンクとダイオード107の第1ダイオード(D1)に接続される循環経路を形成させる。
第1インバータ103は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sau、Sau’)、V相アーム(Sav、Sav’)、及びW相アーム(Saw、Saw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びMOSFETのいずれか一つで構成される。
第2インバータ104は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sbu、Sbu’)、V相アーム(Sbv、Sbv’)、及びW相アーム(Sbw、Sbw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びMOSFETのいずれか一つで構成される。
電圧変換器105はDC/DCコンバータで、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によって、バッテリ106から供給される直流電圧を設定されたレベルの電圧に昇圧または減圧して、第1インバータ103または第2インバータ104に出力する。
また、電圧変換器105は、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によって、第1インバータ103または第2インバータ104から印加される直流電圧を昇圧及び減圧して、バッテリ106に充電電圧として供給する。
電圧変換器105は、バッテリ106の両端に連結され、DCリンクキャパシタ(Cdc)と直列に接続する第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)、及びバッテリ106の両端間電圧変動を平滑する平滑キャパシタ(Cbc)を含む。
電圧変換器105は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続される外部の商用電源300が、第1インバータ103と第2インバータ104を通じて循環経路が形成されるDCリンクに電力を供給する場合、充電制御器200から印加される制御信号によって第1電力スイッチング素子(S1)及び第2電力スイッチング素子(S2)がスイッチオンたまたはオフされて、バッテリ106の充電を実行させる。
バッテリ106は直流電源で、例えば、ニッケル−水素、リチウム−イオン2次電池、及び大容量キャパシタのいずれか一つで構成でき、充電された直流電圧を電圧変換器105を通じて昇圧または減圧させて第1モータ101または第2モータ102に供給する。
また、バッテリ106は、電圧変換器105で昇圧または減圧されて印加される外部の商用電源300によって充電される。
ダイオード107は、第1ダイオード(D1)と第2ダイオード(D2)で構成され、一側端子、例えば、アノード端子が第1及び第2インバータ(103、104)の負極端子に接続され、カソード端子は外部の商用電源300と第1及び第2モータ(101、102)の第1及び第2中性点(N1、N2)に接続される。
充電ポット108は、外部の商用電源300の充電ポット310と接続され、バッテリ106を充電するための電力の供給を受ける。
コネクタ接続検出器109は、充電ポット108に商用電源300が接続されたか否かを検出し、それに対する情報を充電制御器200に提供する。
コネクタ接続検出器109は、充電ポットのカバーが開くことを感知するカバー開放検出器で適用できる。
また、充電ポット108への商用電源300の接続は、商用電力を供給する充電用スタンドと充電ポット108との通信で検出できる。
充電用スタンドと充電ポット108との通信は、多様な形態の有線または無線通信によって接続される。
カバー開放検出器は、商用電源300が第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に電気的に接続する前に充電しようとする意図を充電制御器200に伝達することができる。
メインリレー(SR1、SR2)は、バッテリ105の両端に連結され、バッテリ105に入力または出力される電圧及び電流を接続または遮断する。
商用電源300は、充電ポット310を通じてシステムに選択的に接続される。
商用電源300は、交流電源を適用するのが好ましいが、直流電源の適用も本発明の範囲に含まれる。
充電制御器200は、コネクタ接続信号または充電ポットのカバー開放が検出されて、バッテリ106の充電意図が認識されると、システムの安定化のために外部の商用電源300から電力が供給される前に初期活性化を先に実行する。
充電制御器200の初期活性化が実行されると、充電制御器200は、外部の商用電源300の電力供給によってDCリンクキャパシタ(Cdc)に突入電流(inrush current)が供給されてシステムを破損させることを防止するために、メインリレー(SR1、SR2)をオンさせてバッテリ106の電圧でDCリンクキャパシタ(Cdc)を設定されたレベルの電圧に初期充電させた後、外部の商用電源300から電力を受給するようにする。
バッテリ106の充電が完了して、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に外部の商用電源300から電力供給がされないか、または充電中にコネクタ(充電スタンド)の接続が停止される場合、充電制御器200は電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)を制御して、DCリンクキャパシタ(Cdc)に残っている残余電圧をバッテリ106に供給して、バッテリ106を最大充電状態に維持し、DCリンクキャパシタ(Cdc)を基準電圧以下に放電させた後、メインリレー(SR1、SR2)をオフさせて、システムを安定化する。
初期活性化とDCリンクキャパシタの初期充電が実行された状態で、充電制御器200は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に供給される交流電圧の位相(Vs)、循環ループが形成されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)、バッテリ106の電圧(Vb)、バッテリ106の両端間に接続される平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)、インダクタの電流(I)、及び充電電流(Ib)を検出して、充電モードを決定する。
そして、充電制御器200は、決定された充電モードによって充電制御値を決定して、PWMデューティ制御を通じて電圧変換器105の第1電力スイッチング素子(S1)及び第2電力スイッチング素子(S2)をスイッチオンまたはオフさせて、バッテリ106の充電を実行する。
本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置は、外部AC電源供給装置(商用電源の充電ポット310)とのコネクタ接続信号を発生する接続検出器109を含み、接続検出信号を利用してAC電源が第1モータ101または第2モータ102に電気的に接続する前に充電制御器200を含む制御器を活性化し、電圧変換器105のIGBTをPWMデューティ制御して、DCリンクキャパシタ電圧をバッテリ106に減圧または昇圧してバッテリ充電電流または充電電圧を制御する充電制御器200を含む。
コネクタ接続信号を利用して、AC電源が第1モータ101または第2モータ102に電気的に接続する前に充電制御器200を含む制御器を活性化することが好ましい。
コネクタ接続検出器109は、AC電源と第1及び第2モータ101、102の電気的接続よりコネクタ接続を事前に検出することができるように、AC電源ピンの長さまたは形態及びコネクタ接続検出ピンの長さまたは形態を二元化した構造を有する検出器を適用することがよい。
コネクタ接続検出器109は、充電ポット108のカバーが開くことを感知して、AC電源と第1及び第2モータ101、102の電気的接続よりコネクタ接続意図を事前に検出できる、カバー開放検出器で適用することができる。
コネクタ接続検出器109は、商用電源から電力供給する充電スタンド(商用電源の充電ポット310)と、有線または無線通信を通じてAC電源と第1及び第2モータ101、102の電気的接続より接続意図を事前に検出して、AC電源が第1モータ101または第2モータ102に電気的に接続する前に、充電制御器200を含む制御器を活性化することが好ましい。
本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車において、バッテリの電圧で第1モータを駆動させてエンジンを始動させる動作、エンジンの駆動力で発電する電圧を充電する動作、バッテリの電圧で第2モータを駆動させてハイブリッド自動車を駆動させる動作、回生制動時にバッテリを充電する動作は、通常のハイブリッド自動車と同様の制御方法で実行されるので、これに対する具体的な説明は省略する。
本発明の第2実施形態は、充電ポットに商用電源の接続が検出されると、バッテリの充電意図と判定して充電制御器の初期化を実行し、DCリンクキャパシタを初期充電させる。また、本発明の第2実施形態は、別途の充電装置を備えない状態で、外部の商用電源を第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続してバッテリ106を充電させる技術であるので、これについて具体的に説明する。
図6及び図7は、本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の充電方法を示したフローチャートである。
図6及び図7に示すとおり、本発明の第2実施形態が適用されるハイブリッド自動車の充電制御器200が待機する状態で(S201)、充電制御器200はコネクタ接続検出器109から外部の商用電源300が接続したかを判断する(S202)。
外部の商用電源300の接続有無の検出は、充電ポットのカバー開放やコネクタの接続信号、または充電用スタンドとの通信によって行える。
S202段階で外部の商用電源300の接続が検出されると、充電制御器200の全ての部分を初期活性化する(S203)。
ちなみに、デジタル機器の充電制御器200が正常に作動するためには、電力が供給されてから、初期活性化に数十μs〜数百msの時間が必要である。充電制御器200が初期活性化されない状態で電力が供給された場合は、正常な制御信号を出力できなくなる。
例えば、高電圧が第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)を通じて第1インバータ103と第2インバータ104、及び電圧変換器105に印加されると、電力スイッチング素子の駆動部、例えば、ゲートドライブに制御電源を正常に印加できない状態であるため、ノイズによって電力スイッチング素子が誤動作して、過電流を供給したり、部品の焼損を誘発したりする危険がある。
上記のように、充電制御器200の初期活性化が実行された状態で、充電ポット108に充電スタンドまたはコネクタの接続によって外部の商用電源300が接続されると、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に商用電源300から電力が供給される(S204)。
この時、商用電源の交流電圧の位相(Vs)が正の値(Vs>0)を有する状態であれば、図3に示した電源ループを形成し、商用電源の交流電圧の位相(Vs)が負の値(Vs<0)を有する状態であれば、図4に示した電源ループを形成する(S205)。
したがって、電圧変換器105に含まれるDCリンクキャパシタ(Cdc)に電圧が充電される。
商用電力の位相(Vs)による電源ループは本発明の第1実施形態と同様に形成されるので、これに対する具体的な説明は省略する。
この時、充電制御器200は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に供給される商用電圧の位相(Vs)、電圧充電が実行されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)、バッテリ106の電圧(Vb)、バッテリ106の両端間に接続する平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)、インダクタの電流(I)、及び充電電流(Ib)を測定し(S206)、これに基づいて充電モードを決定する(S207)。
特に、充電制御器200は、充電モードがバッテリ106の電圧が設定された基準電圧(例えば、最大電圧の80%)以下を維持する電圧制御モードであるかを判断する(S208)。
上記S208段階で充電モードが電圧制御モードであれば、バッテリ106の両端間に接続される平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)が一定の電圧を維持する電圧指令値を決定する(S209)。
その後、上記S209段階で決定された電圧指令値に基づいて、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、バッテリ106の急速充電を実行させる(S210)。
上記S208段階で充電モードが電圧制御モードでなければ、充電制御器200は電流制御モードに進入したことと判断し、測定値の誤差を適用して電流指令値を決定する(S211)。
その後、決定された電流指令値に基づいて、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、バッテリ106の充電電流量が電流指令値を追求するようにする(S212)。
上記過程によってバッテリ106が完全に充電されたかを判断する(S213)。もし、S213段階でバッテリ106が完全に充電されなければ、充電制御器200は上記S211段階にリターンして、S211乃至S213段階を繰り返す。もし、S213段階でバッテリ106が完全に充電されれば、バッテリ106の過充電を防止するために充電動作を終了する。
その後、充電制御器200は、外部の商用電源300の接続を検出し(S214)、コネクタ(充電スタンド)がシステムから分離されて外部の商用電源300の接続が停止されたかを判断する(S215)。
上記S215段階で外部の商用電源300の接続が停止されたら、充電制御器200は電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)をPWMデューティ制御して、DCリンクキャパシタ(Cdc)に残っている残余電圧をバッテリ106に供給して、バッテリ106を最大充電状態に維持し、DCリンクキャパシタ(Cdc)を基準電圧以下に放電させる(S216)。
その後、充電制御器200は、DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)を測定し、この電圧(Vdc)が基準電圧以下の状態に放電されたかを判断する(S217)。
上記S217段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電されなければ、充電制御器200は上記S216段階にリターンする。
しかし、上記S217段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電されたら、充電制御器200は、バッテリ106の両端間に設置されてバッテリ106の入力または出力電圧を遮断するメインリレー(SR1、SR2)をスイッチオフして、システムが安定するように維持し(S218)、充電を完了する(S219)。
本明細書においては、本発明の第2実施形態が、充電が完了した後にコネクタ(充電スタンド)の接続停止が検出される場合に適用されることを説明したが、本発明の第2実施形態は、バッテリ106が充電中の状態で外部の商用電源300と接続するコネクタ(充電スタンド)の強制接続停止が検出される場合にも同一に適用できる。即ち、バッテリの充電中にコネクタが強制接続停止された場合にも、充電制御器200はDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧を基準電圧以下に放電させる。
図8は、本発明の第2実施形態に係るハイブリッド自動車の初期充電方法を示したフローチャートである。
図8に示すとおり、本発明の第2実施形態が適用されるハイブリッド自動車の充電制御器200が待機する状態で(S301)、充電制御器200はコネクタ接続検出器109を通じて外部の商用電源300の接続が検出されたかを判断する(S302)。
外部の商用電源300の接続は、充電ポットのカバー開放、コネクタの接続信号、及び充電用スタンドとの通信によって検出できる。
上記S302段階で外部の商用電源300の接続が検出されると、充電制御器200の全ての部分に対する初期活性化を実行させる(S303)。
一般に、外部の商用電源300の電力供給によってバッテリ106の充電を始める場合、DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が0Vを維持している状態で、高電圧の商用電源300から電力供給されると、突入電流が発生する。
このような突入電流は、第1インバータ103、第2インバータ104、及び電圧変換器105を構成する電力スイッチング素子に致命的な損傷を招くようになる。
したがって、充電制御器200の初期活性化が実行されると、メインリレー(SR1、SR2)をオンさせてバッテリ106の電源をDCリンクに出力させる(S304)。
この時、充電制御器200は、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)をPWMデューティ制御して、DCリンクキャパシタ(Cdc)を初期充電させる(S305)。
その後、充電制御器200は、DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧が設定された一定電圧以上に充電されたかを判断する(S306)。万一、S306段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧が一定電圧に到達しない状態であれば、充電制御器200は上記S305段階にリターンしてDCリンクキャパシタ(Cdc)を初期充電させる。
これとは異なり、S306段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧が一定電圧以上に充電されたら、充電制御器200は、図6及び図7に示したフローチャートに沿って外部の商用電源300を利用したバッテリ106の充電を実行する(S307)。
上記に説明したとおり、本発明の第2実施形態は、ダブルモータシステムを有するハイブリッド自動車において、バッテリ充電のための外部の商用電源の接続が検出されると、充電制御器の初期活性化を実行してシステムの安定化を提供し、バッテリの電圧でDCリンクキャパシタを初期充電させて、突入電流の発生を防止する。
そして、第1モータの第1中性点と第2モータの第2中性点に外部の商用電源を接続し、電圧変換器の電力スイッチング素子をPWM制御して、バッテリの安定した充電を行なうことができる、高価で高重量の充電装置を必要としないため、価格競争力が向上し、燃費が向上したハイブリッド車を提供することができる。
また、バッテリが完全に充電されるか、または充電中に外部の商用電源と接続されるコネクトまたは充電スタンドの接続停止が検出されれば、DCリンクキャパシタの充電状態を基準電圧以下に維持して、システムの安定化及びバッテリの最大充電を提供する。
第3実施形態
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい第3実施形態について詳細に説明する。図9は、本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。
図9に示すとおり、本発明の第3実施形態は、第1モータ101、第2モータ102、第1インバータ103、第2インバータ104、電圧変換器105、バッテリ106、ダイオード107(第1ダイオード:D1、第2ダイオード:D2を含む)、充電ポット108、コネクタ接続検出器109、メインリレー(SR1、SR2)、入力端リレー110、及び充電制御器200を含む。
第1モータ101は3相交流電動機で、エンジン(図示せず)を始動できる電動機として動作する一方で、選択的にエンジンによって駆動される発電機として動作する。
第1モータ101は、エンジンを始動させるために、第1インバータ103を通じて供給される3相交流電圧によって駆動され、エンジンの駆動によって3相交流電圧を発電させて第1インバータ103に出力する。
第2モータ102は、駆動車輪(図示せず)を駆動する3相交流電動機で、第2インバータ104に供給される3相交流電圧によって駆動トルクを発生させる。
また、第2モータ102は、車両の回生制動時に発電機として動作して3相交流電圧を発生させ、第2インバータ104に出力する。
第1モータ101は、固定子コイルとしてY結線型3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第1中性点(N1)を形成し、それぞれの他の一側は第1インバータ103の対応するそれぞれのアームに連結される。
第1モータ101の第1中性点(N1)には、外部から入力される商用電源300の一側が連結される。
第2モータ102は、固定子コイルとしてY結線型の3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第2中性点(N2)を形成し、それぞれの他の一側は第2インバータ104の対応するそれぞれのアームに連結される。
第2モータ102の第2中性点(N2)には、外部から入力される商用電源300の他側が連結される。
第1インバータ103は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換し、第1モータ101に駆動電圧として供給する。
第1インバータ103は、第1モータ101の第1中性点(N1)を通じて電力供給される外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が正の値(Vs>0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンクとダイオード107の第2ダイオード(D2)に接続される循環経路を形成させる。
第2インバータ104は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換し、第2モータ102に駆動電圧として供給する。
第2インバータ104は、第2モータ102の中性点(N2)を通じて電力供給する外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が負の値(Vs<0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンクとダイオード107の第1ダイオード(D1)に接続される循環経路を形成させる。
第1インバータ103は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sau、Sau’)、V相アーム(Sav、Sav’)、及びW相アーム(Saw、Saw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFETのいずれか一つで構成される。
第2インバータ104は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sbu、Sbu’)、V相アーム(Sbv、Sbv’)、及びW相アーム(Sbw、Sbw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びMOSFETのいずれか一つで構成される。
電圧変換器105はDC/DCコンバータで、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によってバッテリ106から供給される直流電圧を設定されたレベルの電圧に昇圧または減圧し、第1インバータ103または第2インバータ104に出力する。
また、電圧変換器105は、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によって第1インバータ103または第2インバータ104に印加される直流電圧を昇圧及び減圧し、バッテリ106に充電電圧として供給する。
電圧変換器105は、バッテリ106の両端に連結され、DCリンクキャパシタ(Cdc)と直列に接続する第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)、及びバッテリ106の両端間電圧変動を平滑する平滑キャパシタ(Cbc)を含む。
電圧変換器105は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続される外部の商用電源300が、第1インバータ103と第2インバータ104を通じて循環経路が形成されるDCリンクに電力供給する場合、充電制御器200から印加される制御信号によって第1電力スイッチング素子(S1)及び第2電力スイッチング素子(S2)がスイッチオンまたはオフされて、バッテリ106の充電を実行させる。
バッテリ106は直流電源で、例えば、ニッケル−水素、リチウム−イオン2次電池、及び大容量キャパシタのいずれか一つで構成され、充電された直流電圧を電圧変換器105を通じて昇圧または減圧させて、第1モータ101または第2モータ102に供給する。
また、バッテリ106は、電圧変換器105で昇圧または減圧されて印加される外部の商用電源300によって充電される。
ダイオード107は、第1ダイオード(D1)と第2ダイオード(D2)で構成され、一側端子、例えば、アノード端子が第1及び第2インバータ(103、104)の負極端子に接続され、カソード端子は第1及び第2モータ(101、102)の第1及び第2中性点(N1、N2)と入力端リレー110にそれぞれ連結される。
充電ポット108は外部の商用電源300の充電ポット310と接続される。
コネクタ接続検出器109は、充電ポット108に商用電源300が接続されたか否かを検出し、それに対する情報を充電制御器200に提供する。
コネクタ接続検出器109は、充電ポットのカバーが開くことを感知するカバー開放検出器で適用される。
また、充電ポット108への商用電源300の接続は、商用電力を供給する充電用スタンドと充電ポット108との通信によって検出できる。
充電用スタンドと充電ポット108との通信は多様な形態、例えば、CAN通信、ブルートゥース通信などを含む有線または無線通信によって接続される。
カバー開放検出器は、商用電源300が第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に電気的に接続する前に充電しようとする意図を充電制御器200に伝達できる。
メインリレー(SR1、SR2)はバッテリ105の両端に連結されて、バッテリ105に入力または出力される電圧及び電流を接続または遮断する。
入力端リレー110は、充電ポット108を通じて第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続される外部の商用電源300を接続または遮断する。
入力端リレー110は、第1ダイオード(D1)と第1モータ101の第1中性点(N1)に連結される第1リレー(SR3)、及び、第2ダイオード(D2)と第2モータ102の第2中性点(N2)に連結される第2リレー(SR4)を含む。
入力端リレー110は、充電制御器200の制御によってスイッチオン/オフ作動する。
したがって、入力端リレー110は、外部の商用電源300の接続が検出される場合、充電制御器200の初期活性化を実行し、バッテリ106の電圧でDCリンクキャパシタ(Cdc)が設定された電圧以上に充電されるまで、外部の商用電源300からの電力が内部に供給されることを遮断して、システムの安定性を確保する。
商用電源300は、充電ポット310を通じてシステムに選択的に接続される。
商用電源300は、交流電源を適用するのが好ましいが、直流電源の適用も本発明の範囲に含まれる。
充電制御器200は、コネクタの接続信号または充電ポットのカバー開放が検出されて、バッテリ106の充電意図が認識されると、システムの安定化のために入力端リレー110をオフ状態に維持して、外部の商用電源300からの電力が供給されないようにし、この過程で初期活性化を実行する。
充電制御器200の初期活性化が実行されると、充電制御器200は、外部の商用電源300の電力供給によりDCリンクキャパシタ(Cdc)に突入電流が供給されてシステムを破損させることを防止するために、メインリレー(SR1、SR2)をオンさせて、バッテリ106の電圧でDCリンクキャパシタ(Cdc)を設定されたレベルの電圧に初期充電させた後、外部の商用電源300からの電力が供給されるようにする。
バッテリ106の充電が完了して、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に外部の商用電源300から電力供給されないか、または充電中にコネクタ(充電スタンド)の接続が停止される場合、充電制御器200は電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)を制御して、DCリンクキャパシタ(Cdc)に残っている残余電圧をバッテリ106に供給してバッテリ106を最大充電状態に維持し、DCリンクキャパシタ(Cdc)を基準電圧以下に放電させた後、メインリレー(SR1、SR2)をオフさせて、システムを安定化させる。
初期活性化とDCリンクキャパシタの初期充電が実行されると、充電制御器200は入力端リレー110をオンさせて、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に外部の商用電源300を接続する。
そして、充電制御器200は、商用電源の交流電圧の位相(Vs)、循環ループが形成されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)、バッテリ106の電圧(Vb)、バッテリ106の両端間に接続する平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)、インダクタの電流(I)、及び充電電流(Ib)を検出して、充電モードを決定する。
そして、充電制御器200は、決定された充電モードによって充電制御値を決定して、PWMデューティ制御を通じて電圧変換器105の第1電力スイッチング素子(S1)及び第2電力スイッチング素子(S2)をスイッチオンまたはオフさせて、バッテリ106の充電を実行する。
本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置は、外部AC電源供給装置とのコネクタ接続信号を発生する接続検出器109、並びに充電ポット108と第1及び第2モータ101、102との間に設置されて、充電制御器200の制御によって第1及び第2モータの中性点(N1、N2)に供給される商用電力を遮断する入力端リレー(110:入力端スイッチ)を含み、コネクタ接続検出信号を利用して、AC電源が第1モータ101または第2モータ102に電気的に接続する前に充電制御器200を含む制御器を活性化し、第1及び第2インバータ103、104のDCリンクキャパシタ(Cdc)の初期充電を行い、初期充電が完了した後に、充電ポット108と第1モータ101及び第2モータ102の中性点(N1、N2)を遮断する入力端リレー110をスイッチオンして、AC電源をモータの中性点に電気的に接続する。
入力端リレー110は、第1ダイオード(D1)と第1モータの中性点(N1)に連結される第1リレー(SR3)、及び第2ダイオード(D2)と第2モータ102の中性点(N2)に連結される第2リレー(SR4)を含むことが好ましい。
充電制御器200は、コネクタ接続信号が検出されて制御器が初期化された以後、充電ポット108と第1モータ及び第2モータの中性点(N1、N2)を遮断する入力端リレー110をスイッチオンする前に電圧変換器105とIGBTを制御して、バッテリ106から第1及び第2インバータのDCリンクキャパシタ(Cdc)に電気的エネルギーを伝達してDCリンクキャパシタ(Cdc)の初期充電を行うことがよい。
充電制御器200は、バッテリ充電完了またはコネクタ接続検出器109からコネクタの接続停止を確認して、充電ポット108と第1モータ及び第2モータの中性点(N1、N2)を遮断する入力端リレー110をスイッチオフして電気的接続を遮断し、電圧変換器105とIGBTを制御して第1及び第2インバータのDCリンクキャパシタ(Cdc)からバッテリ106に電気的エネルギーを伝達してDCリンクキャパシタ(Cdc)を放電させることができる。
本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車において、バッテリの電力で第1モータを駆動させてエンジンを始動させる動作、エンジンの駆動力で発電する電圧を充電する動作、バッテリの電力で第2モータを駆動させてハイブリッド自動車を駆動させる動作、及び回生制動時にバッテリを充電する動作は、通常のハイブリッド自動車と同様の制御方法で実行されるので、これに対する具体的な説明は省略する。
本発明の第3実施形態は、バッテリの充電意図が検出される場合、入力端リレーをオフさせて商用電源がシステムに電力供給しない状態で、充電制御器の初期化を実行し、DCリンクキャパシタを初期充電させる。また、DCリンクキャパシタが初期充電されると、入力端リレーをオンさせて外部の商用電源を第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続してバッテリ106を充電させる技術であるので、これについて具体的に説明する。
図10は、本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の初期充電方法を示したフローチャートである。
図10に示すとおり、本発明の第3実施形態が適用されるハイブリッド自動車の充電制御器200が待機する状態で(S401)、充電制御器200はコネクタの接続検出器109の信号を分析して、充電ポット108にバッテリ106の充電のための外部の商用電源300が接続されたかを判断する(S402)。
外部の商用電源300の接続は、充電ポットのカバー開放、コネクタの接続信号、及び充電用スタンドとの有線または無線通信によって検出することができる。
S402段階で外部の商用電源300の接続が検出されると、充電制御器200は入力端リレー110をオフに維持した状態で初期活性化を実行する(S403)。
そして、充電制御器200は、メインリレー(SR1、SR2)をオンさせて、バッテリ106の電圧を電圧変換器105内に供給し(S404)、同時に電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)を作動させて、バッテリ106の電力をDCリンクキャパシタ(Cdc)に供給し、DCリンクキャパシタ(Cdc)を初期充電させる(S405)。
その後、充電制御器200は、初期充電されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の充電電圧を検出し、充電電圧が設定された一定電圧以上に充電されたかを判断する(S406)。
S406段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)が設定された一定電圧以上に充電されたら、充電制御器200はオフ状態を維持している入力端リレー110をオンさせ(S107)、充電ポット108に接続された外部の商用電源300が第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に電力供給するようにする(S408)。
このことにより、商用電源の交流電圧の位相(Vs)により、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)、第1インバータ103と第2インバータ104、DCリンクキャパシタ(Cdc)、ダイオード107内の第1ダイオード(D1)及び第2ダイオード(D2)を経由する電源ループが形成される。
したがって、電圧変換器105に含まれるDCリンクキャパシタ(Cdc)に電気が充電されるので、充電制御器200は、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)をPWM制御して、バッテリ106の充電を実行する(S409)。
商用電源の交流電圧の位相(Vs)による電源ループは本発明の第1実施形態と同様に形成されるので、これに対する具体的な説明は省略する。
図11は、本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車における充電方法を示したフローチャートである。
上記のように、入力端リレー110がスイッチオンされて、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に外部の商用電源300が接続されると(S501)、商用電源の交流電圧の位相(Vs)によって図3及び図4に示すような電源ループが形成される(S502)。
充電制御器200は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続される商用電源の交流電圧の位相(Vs)、電圧充電が実行されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)、バッテリ106の電圧(Vb)、バッテリ106の両端間に接続する平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)、インダクタの電流(I)、充電電流(Ib)を測定し(S503)、これに基づいて充電モードを決定する(S504)。
特に、充電制御器200は、充電モードがバッテリ106の電圧が設定された基準電圧(例えば、最大電圧の80%)以上を維持する電流制御モードであるかを判断する(S505)。
上記S505段階で充電モードが電流制御モードでなければ、充電制御器200は電圧制御モードに進入したことと判断して、バッテリ106の両端間に接続される平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)を一定電圧に維持する電圧指令値を決定する(S506)。
その後、上記S506段階で決定された電圧指令値に基づいて、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、急速充電を実行させる(S507)。
上記S505段階で充電モードが電流制御モードであれば、測定値の誤差を適用して電流指令値を決定する(S508)。
その後、決定された電流指令値に基づいて電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、バッテリ106の充電電流量が電流指令値を追求するようにする(S509)。
上記過程によってバッテリ106が完全に充電されたかを判断する(S510)。万一、S510段階でバッテリ106が完全に充電されなければ、充電制御器200は上記S508段階にリターンして、S508乃至S510段階を繰り返す。もし、S510段階でバッテリ106が完全に充電されれば、バッテリ106の過充電を防止するために充電動作を終了する(S511)。
図12は、本発明の第3実施形態に係るハイブリッド自動車の充電完了制御を示したフローチャートである。
充電制御器200は、バッテリ106が完全に充電されたか、または充電コネクタ(充電スタンド)がシステムから接続停止されたかを判断する(S601)。
上記S601段階でバッテリ106が完全に充電されるか、または充電コネクタ(充電スタンド)がシステムから接続停止されれば、充電制御器200は入力端リレー110をオフさせて、充電ポット108と第1モータ101の第1中性点(N1)及び第2モータ102の第2中性点(N2)間の接続を遮断する(S602)。
その後、充電制御器200は、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)をPWMデューティ制御して、DCリンクキャパシタ(Cdc)に残っている残余電圧をバッテリ106に供給して、バッテリ106を最大充電状態に維持し、DCリンクキャパシタ(Cdc)を基準電圧以下に放電させる(S603)。
充電制御器200は、DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)を測定し(S604)、DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電されたかを判断する(S605)。
上記S605段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電されなければ、充電制御器200は上記S603段階にリターンされて、DCリンクキャパシタ(Cdc)を続けて放電させる。
上記S605段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電されれば、充電制御器200は、バッテリ106の両端間に設置されて、バッテリ106の入力または出力電圧を遮断するメインリレー(SR1、SR2)をオフして、システムを安定的に維持し、充電動作を完了する(S606)。
以上で説明した通り、本発明の第3実施形態は、ダブルモータシステムを有するハイブリッド自動車において、バッテリ充電のための商用電源が接続されると、入力端リレーを制御して、充電制御器の初期活性化とDCリンクキャパシタの初期充電が行われるまで商用電源からの電力がシステム内に供給されることを遮断して、システムの安定化を提供する。
第4実施形態
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい第4実施形態について詳細に説明する。図13は、本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車の充電装置を示した図面である。
図13に示したように、本発明の第4実施形態は、第1モータ101、第2モータ102、第1インバータ103、第2インバータ104、電圧変換器105、バッテリ106、ダイオード107(第1ダイオード:D1及び第2ダイオード:D2を含む)、充電ポット108、コネクタ接続検出器109、メインリレー(SR1、SR2)、入力端リレー110、及び充電制御器200を含む。
第1モータ101は3相交流電動機で、エンジン(図示せず)を始動できる電動機として動作する一方で、選択的にエンジンによって駆動される発電機として動作する。
第1モータ101は、エンジンを始動させるために、第1インバータ103を通じて供給される3相交流電圧によって駆動され、エンジンの駆動によって3相交流電圧を発電させて第1インバータ103に出力する。
第2モータ102は、駆動車輪(図示せず)を駆動する3相交流電動機で、第2インバータ104に供給される3相交流電圧によって駆動トルクを発生させる。
また、第2モータ102は、車両の回生制動時に発電機として動作して3相交流電気を発生させ、第2インバータ104に出力する。
第1モータ101は、固定子コイルとしてY結線型の3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第1中性点(N1)を形成し、それぞれの他の一側は第1インバータ103の対応するそれぞれのアームに連結される。
第1モータ101の第1中性点(N1)には、外部から入力される商用電源300の一側が接続される。
第2モータ102は、固定子コイルとしてY結線型の3相コイルを含み、3相コイルを形成するU、V、W相コイルは、それぞれの一側が互いに連結されて第2中性点(N2)を形成し、それぞれの他の一側は第2インバータ104の対応するそれぞれのアームに連結される。
第2モータ102の第2中性点(N2)には、外部から入力される商用電源300の他側が連結される。
第1インバータ103は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって、電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換し、第1モータ101に駆動電圧として供給する。
第1インバータ103は、第1モータ101の第1中性点(N1)を通じて供給される外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が正の値(Vs>0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンクとダイオード107の第2ダイオード(D2)に接続される循環経路を形成させる。
第2インバータ104は、充電制御器200から印加されるPWM信号によって、電圧変換器105を通じて供給されるバッテリ106の直流電圧を3相交流電圧に変換し、第2モータ102に駆動電圧として供給する。
第2インバータ104は、第2モータ102の第2中性点(N2)を通じて供給される外部の商用電源300の交流電圧の位相(Vs)が負の値(Vs<0)を有する場合、電圧変換器105のDCリンクとダイオード107の第1ダイオード(D1)に接続される循環経路を形成させる。
第1インバータ103は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sau、Sau’)、V相アーム(Sav、Sav’)、W相アーム(Saw、Saw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFETのいずれか一つで構成される。
第2インバータ104は、電力スイッチング素子が直列に接続されて構成され、U相アーム(Sbu、Sbu’)、V相アーム(Sbv、Sbv’)、及びW相アーム(Sbw、Sbw’)を含む。
電力スイッチング素子は、NPN型トランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びMOSFETのいずれか一つで構成される。
電圧変換器105はDC/DCコンバータで、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によって、バッテリ106から供給される直流電圧を設定されたレベルの電圧に昇圧または減圧して、第1インバータ103または第2インバータ104に出力する。
また、電圧変換器105は、充電制御器200から印加されるPWMデューティ制御信号によって、第1インバータ103または第2インバータ104に印加される直流電圧を昇圧及び減圧して、バッテリ106に充電電圧として供給する。
電圧変換器105は、バッテリ106の両端に連結され、DCリンクキャパシタ(Cdc)と直列に接続する第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)、及びバッテリ106の両端間電圧変動を平滑する平滑キャパシタ(Cbc)を含む。
電圧変換器105は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続される外部の商用電源300が、第1インバータ103と第2インバータ104を通じて循環経路が形成されるDCリンクに電力供給する場合、充電制御器200から印加される制御信号によって第1電力スイッチング素子(S1)及び第2電力スイッチング素子(S2)がスイッチオンまたはオフされて、バッテリ106の充電を実行させる。
バッテリ106は直流電源で、例えば、ニッケル−水素、リチウム−イオン2次電池、及び大容量キャパシタのうちのいずれか一つで構成でき、充電された直流電圧を電圧変換器105を通じて昇圧または減圧させて、第1モータ101または第2モータ102に供給する。
また、バッテリ106は、電圧変換器105で昇圧または減圧されて印加される外部の商用電源300によって充電される。
ダイオード107は、第1ダイオード(D1)と第2ダイオード(D2)で構成され、一側端子、例えば、アノード端子が第1及び第2インバータ(103、104)の負極端子に接続され、カソード端子は第1及び第2モータ(101、102)の第1及び第2中性点(N1、N2)と入力端リレー110にそれぞれ接続される。
充電ポット108は、外部の商用電源300の充電ポット310と接続される。
コネクタ接続検出器109は、充電ポット108に商用電源300が接続されたか否かを検出して、それに対する情報を充電制御器200に提供する。
コネクタ接続検出器109は、充電ポットのカバーが開くことを感知するカバー開放検出器で適用できる。
また、充電ポット108への商用電源300の接続は、商用電力を供給する充電用スタンドと充電ポット108との通信によって検出できる。
充電用スタンドと充電ポット108との通信は多様な形態、例えば、CAN通信、ブルートゥース通信などを含む有線または無線通信によって接続される。
カバー開放検出器は、商用電源300が第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に電気的に接続する前に充電しようとする意図を充電制御器200に伝達できる。
メインリレー(SR1、SR2)はバッテリ105の両端に連結されて、バッテリ105に入力または出力される電圧及び電流を制御する。
入力端リレー110は、充電ポット108を通じて第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続される外部の商用電源300を接続または遮断する。
入力端リレー110は、第1ダイオード(D1)と第1モータ101の第1中性点(N1)に連結される第1リレー(SR3)、第2ダイオード(D2)と第2モータ102の第2中性点(N2)に連結される第2リレー(SR4)、及び第1リレー(SR3)と並列に接続され、抵抗(R1)が直列に接続される第3リレー(SR5)を含む。
また、第2リレー(SR4)に並列に接続され、抵抗(図示せず)が直列に接続される第4リレー(図示せず)をさらに含むことができる。
入力端リレー110は、充電制御器200の制御によってスイッチオン/オフ作動する。
したがって、入力端リレー110は、外部の商用電源300の接続が検出される場合、充電制御器200の制御によって直列抵抗(R1)が接続される第3リレー(SR5)と第2リレー(SR4)をスイッチオンして、外部の商用電源300を低電圧状態にする。その後、入力端リレー110は低電圧状態の商用電源300からの電力をDCリンクキャパシタ(Cdc)に供給して初期充電を実行する。入力端リレー110は、DCリンクキャパシタ(Cdc)が設定された電圧以上に充電されれば、第3リレー(SR5)をスイッチオフし、第1リレー(SR3)と第2リレー(SR4)をスイッチオンさせて、商用電源300からの電力供給でバッテリ106の充電を実行する。
入力端リレー110は、第1ダイオード(D1)と第1モータの中性点(N1)と連結される第1リレー(SR3)、第2ダイオード(D2)と第2モータの中性点(N2)と連結される第2リレー(SR4)、第1リレー(SR3)と並列に接続され、直列抵抗と連結される第3リレー(SR5)、及び第2リレー(SR4)と並列に接続され、直列抵抗と接続される第4リレー(SR6)を含み、コネクタ接続信号が検出されて制御器が初期化された以後、第3リレー(SR5)及び第4リレー(SR6)をオンして、直列抵抗、第3リレー(SR5)、第4リレー(SR6)、第1インバータ103、第2インバータ104、第1ダイオード(D1)、及び第2ダイオード(D2)を通じてインバータのDCリンクキャパシタ(Cdc)の初期充電を行うことが好ましい。
入力端リレー110は、第1ダイオード(D1)と第1モータの中性点(N1)と連結される第1リレー(SR3)、第2ダイオード(D2)と第2モータの中性点(N2)と連結される第2リレー(SR4)、及び第1リレー(SR3)と並列に接続され、直列抵抗と連結される第3リレー(SR5)を含み、コネクタ接続信号が検出されて制御器が初期化された以後、第2リレー(SR4)及び第3リレー(SR5)をオンして、直列抵抗、第3リレー(SR5)、第2リレー(SR4)、第1インバータ103、第2インバータ104、第1ダイオード(D1)、及び第2ダイオード(D2)を通じてインバータのDCリンクキャパシタ(Cdc)の初期充電を行うことが好ましい。
商用電源300は、充電ポット310を通じてシステムに選択的に接続される。
商用電源300は、交流電源を適用するのが好ましいが、直流電源の適用も本発明の範囲に含まれる。
充電制御器200は、コネクタ接続信号または充電ポットのカバー開放が検出されて、バッテリ106の充電意図が認識されると、システムの安定化のために、入力端リレー110をオフ状態に維持した状態で初期活性化を実行する。
充電制御器200の初期活性化が実行されると、充電制御器200は入力端リレー110で直列抵抗(R1)が接続される第3リレー(SR5)と第2リレー(SR4)をスイッチオンして、外部の商用電源300を低電圧状態にし、この低電圧の商用電源300をDCリンクキャパシタ(Cdc)に供給して初期充電を実行する。また、充電制御器200は、DCリンクキャパシタ(Cdc)が設定された電圧以上に充電されれば、第3リレー(SR5)をオフして、第1リレー(SR3)と第2リレー(SR4)をオンさせて、商用電源300からの電力供給によりバッテリの充電を実行する。
バッテリ106の充電が完了して、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に外部の商用電源300から電力供給されないか、または充電中にコネクタ(充電スタンド)の接続が停止される場合、充電制御器200は、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)を制御して、DCリンクキャパシタ(Cdc)に残っている残余電圧をバッテリ106に供給してバッテリ106を最大充電状態に維持し、DCリンクキャパシタ(Cdc)を基準電圧以下に放電させた後、メインリレー(SR1、SR2)をオフさせて、システムを安定化させる。
本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車において、バッテリの電圧で第1モータを駆動させてエンジンを始動させる動作、エンジンの駆動力で発電する電圧を充電する動作、バッテリの電圧で第2モータを駆動させてハイブリッド自動車を駆動させる動作、及び回生制動時にバッテリを充電する動作は、通常のハイブリッド自動車と同様の制御方法で実行されるので、これに対する具体的な説明は省略する。
本発明の第4実施形態によれば、商用電源が接続されると、低電圧の電力を供給してDCリンクキャパシタを初期充電させ、DCリンクキャパシタの初期充電が完了すると、商用電源を第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に接続して電力を供給してバッテリ106を充電させる技術である。以下、これについて具体的に説明する。
図14は、本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車の初期充電方法を示したフローチャートである。
図14に示すとおり、本発明の第4実施形態が適用されるハイブリッド自動車の充電制御器200が待機する状態で(S701)、充電制御器200は、コネクタ接続検出器109の信号を分析して、充電ポット108にバッテリ106の充電のための外部の商用電源300が接続されたかを判断する(S702)。
外部の商用電源300の接続は、充電ポットのカバー開放、コネクタの接続信号、及び充電用スタンドとの有線または無線通信によって検出できる。
上記S702段階で外部の商用電源300の接続が検出されると、充電制御器200は入力端リレー110を全てオフに維持した状態で、初期活性化を実行する(S703)。
その後、充電制御器200は、メインリレー(SR1、SR2)をオフ状態に維持し(S704)、入力端リレー110で第2リレー(SR4)と、抵抗(R1)が直列に接続され、第1リレー(SR5)に並列に接続される第3リレー(SR3)とをスイッチオンさせて、商用電源300を抵抗(R1)に接続して低電圧電力を生成する(S705)。その後、充電制御器200は、商用電源300からの低電圧の電力をDCリンクキャパシタ(Cdc)に供給することによって、DCリンクキャパシタ(Cdc)を初期充電させる(S706)。
充電制御器200は、DCリンクキャパシタ(Cdc)の充電電圧を検出して、設定された一定電圧以上に充電されたかを判断する(S707)。
上記S707段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)が設定された一定電圧以上に充電されれば、入力端リレー110の第3リレー(SR5)をスイッチオフさせ、第1リレー(SR3)と第2リレー(SR4)をスイッチオンさせて、充電ポット108に接続された外部の商用電源300が第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に通常電圧で供給されるようにする(S708)。
したがって、商用電源の交流電圧の位相(Vs)により、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)、第1インバータ103と第2インバータ104、DCリンクキャパシタ(Cdc)、ダイオード107内の第1ダイオード(D1)及び第2ダイオード(D2)を経由する電源ループが形成される。
電圧変換器105に含まれるDCリンクキャパシタ(Cdc)に電圧が充電されるので、充電制御器200はメインリレー(SR1、SR2)をスイッチオンし(S709)、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)をPWM制御して、バッテリ106の充電を実行する(S710)。
商用電力の位相(Vs)による電源ループの形成は、本発明の第1実施形態と同様に形成されるので、これに対する具体的な説明は省略する。
図15は、本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車における充電方法を示したフローチャートである。
上述の通り、入力端リレー110がスイッチオンされて第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に外部の商用電源が接続されると(S801)、商用電源の交流電圧の位相(Vs)によって図3及び図4に示すような電源ループが形成される(S802)。
充電制御器200は、第1モータ101の第1中性点(N1)と第2モータ102の第2中性点(N2)に供給される商用電源の交流電圧の位相(Vs)、電圧充電が実行されるDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)、バッテリ106の電圧(Vb)、バッテリ106の両端間に接続する平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)、インダクタの電流(I)、及び充電電流(Ib)を測定して(S803)、これに基づいて充電モードを決定する(S804)。
特に、充電制御器200は、充電モードがバッテリ106の電圧が設定された基準電圧(例えば、最大電圧の80%)以上を維持する電流制御モードであるかを判断する(S805)。
上記S805段階で充電モードが電流制御モードでなければ、充電制御器200は電圧制御モードに進入したことと判断して、バッテリ106の両端間に接続される平滑キャパシタ(Cbc)の電圧(Vbc)を一定の電圧に維持する電圧指令値を決定する(S806)。
その後、S806段階で決定された電圧指令値に基づいて、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、急速充電を実行させる(S807)。
上記S805段階で充電モードが電流制御モードであれば、測定値の誤差を適用して電流指令値を決定する(S808)。
その後、決定された電流指令値に基づいて、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)の動作をPWMデューティ制御して、バッテリ106の充電電流量が電流指令値を追求するようにする(S809)。
上記過程によってバッテリ106が完全に充電されたかを判断する(S810)。万一、S810段階でバッテリ106が完全に充電されなければ、充電制御器200は上記S808段階にリターンして、S808乃至S810段階を繰り返す。万一、S810段階でバッテリ106が完全に充電されれば、バッテリ106の過充電を防止するために充電動作を終了する(S811)。
図16は、本発明の第4実施形態に係るハイブリッド自動車の充電完了制御を示したフローチャートである。
充電制御器200は、バッテリ106が完全に充電されたか、または充電コネクタ(充電スタンド)がシステムから接続停止されたかを判断する(S901)。
上記S901段階でバッテリ106が完全に充電されるか、または充電コネクタ(充電スタンド)がシステムから接続停止されると、充電制御器200は入力端リレー110をオフさせて、充電ポット108と第1モータ101の第1中性点(N1)及び第2モータ102の第2中性点(N2)間の連結を遮断する(S902)。
その後、充電制御器200は、電圧変換器105内の第1電力スイッチング素子(S1)と第2電力スイッチング素子(S2)をPWMデューティ制御して、DCリンクキャパシタ(Cdc)に残っている残余電圧をバッテリ106に供給してバッテリ106を最大充電状態に維持し、DCリンクキャパシタ(Cdc)を基準電圧以下に放電させる(S903)。
充電制御器200は、DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)を測定し(S904)、DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電されたかを判断する(S905)。
上記S905段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電されなければ、充電制御器200は上記S903段階にリターンされて、DCリンクキャパシタ(Cdc)を続けて放電させる。
上記S905段階でDCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧(Vdc)が基準電圧以下に放電すれば、充電制御器200は、バッテリ106の両端間に設置されて、バッテリ106の入力または出力電圧を遮断するメインリレー(SR1、SR2)をオフして、システムを安定的に維持し、充電動作を完了する(S906)。
以上で説明した通り、本発明の第4実施形態は、ダブルモータシステムを有するハイブリッド自動車において、バッテリ充電のための商用電源が接続されると、入力端リレーを通じて低電圧状態の電力を供給してDCリンクキャパシタの初期充電を実行することにより、突入電流によるシステム破損を防止して、システムの安定化を提供する。
このような本発明は、ハイブリッド自動車に設けられるモータとインバータを利用してバッテリを充電させることにより、充電器の搭載が不要となるため、車両製造時の材料費及び組立て工数が低減され、而してハイブリッド車販売の競争力を向上させる。
また、ハイブリッド自動車の重量の減少により、燃費の向上を提供し、空間の活性を高めて、パッケージ商品性を向上させる。
さらに、ハイブリッド自動車に設けられる大容量のモータ及びインバータを活用して急速充電を提供するので、急速充電のための別途の構造及び外部の充電装置を備える必要がなく、商品性を向上させる。
以上、本発明に関する望ましい実施例を説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内で多様な形態への変更実施が可能である。本発明には、本発明の属する技術的範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
Cbc 平滑キャパシタ
Cdc DCリンクキャパシタ、
D1 第1ダイオード
D2 第2ダイオード
Ib 充電電流
インダクタの電流
N1 第1中性点
N2 第2中性点
PWM PWMデューティ制御信号
R1 抵抗、直列抵抗
S1 第1電力スイッチング素子
S2 第2電力スイッチング素子
Sau、Sau’ U相アーム
Sav、Sav’ V相アーム
Saw、Saw’ W相アーム
SR1、SR2 メインリレー
SR3 第1リレー
SR4 第2リレー
SR5 第3リレー
SR6 第4リレー
Vb バッテリの電圧
Vbc バッテリの両端間に接続する平滑キャパシタ(Cbc)の電圧
Vdc DCリンクキャパシタ(Cdc)の電圧
Vs 交流電圧の位相
U U相コイル
V V相コイル
W W相コイル
101 第1モータ
102 第2モータ
103 第1インバータ
104 第2インバータ
105 電圧変換器
106 バッテリ
107 ダイオード
108 充電ポット
109 コネクタ接続検出器
110 入力端リレー
200 充電制御器
300 商用電源
310 商用電源の充電ポット

Claims (17)

  1. 直流電圧を出力または貯蔵するバッテリと、
    電動機または発電機として動作する第1モータ及び第2モータと、
    前記第1モータ及び第2モータをそれぞれ駆動させる第1インバータ及び第2インバータと、
    前記バッテリからの直流電圧を前記第1インバータ及び前記第2インバータに昇圧または減圧して供給し、前記第1インバータ及び前記第2インバータからの直流電圧を前記バッテリ側に減圧または昇圧して供給し、DCリンクキャパシタを含む電圧変換器と、
    前記第1インバータ及び前記第2インバータの負極端子に接続するアノード端子と、商用電源に接続され、前記第1モータ及び前記第2モータそれぞれの第1中性点及び第2中性点とそれぞれ並列に接続する第1ダイオード及び第2ダイオードと、
    前記第1及び第2モータの第1及び第2中性点に供給される前記商用電源の交流電圧の位相、前記電圧変換器と前記第1及び第2インバータを接続する前記DCリンクキャパシタの電圧、前記バッテリの電圧、前記バッテリの両端間に接続する平滑キャパシタの電圧、前記バッテリの電流または前記電圧変換器から前記バッテリに流れる電流を測定して前記バッテリの充電モードを決定し、前記バッテリの充電モードにより前記電圧変換器をPWMデューティ制御して、前記DCリンクキャパシタの電圧を減圧または昇圧して前記バッテリに供給されるようにする充電制御器と、
    前記バッテリの両端に連結され、バッテリに入力又はバッテリから出力される電圧及び電流を前記電圧変換器との間で接続又は遮断するメインリレーと、
    車両外部の商用電源と電圧変換器を連結する充電ポットと、
    前記商用電源の接続を検出する接続検出器と、を含むことを特徴とするハイブリッド自動車の充電装置。
  2. 前記接続検出器が前記商用電源の接続を検出すれば、前記充電制御器を活性化し、前記メインリレーをスイッチオンすることによって、前記バッテリの電圧で前記DCリンクを初期充電させることを特徴とする請求項に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  3. 前記DCリンクの初期充電が完了すると、前記充電制御器は前記充電モードによって前記バッテリの充電を制御することを特徴とする請求項に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  4. 前記充電制御器は、前記バッテリの充電モードが電流制御モードであれば、電流指令値を決定し、前記バッテリの充電電流量が電流指令値を追求するように制御することを特徴とする請求項1またはに記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  5. 前記充電制御器は、前記バッテリの充電モードが電流制御モードでなければ、前記平滑キャパシタの電圧を一定の電圧に維持する電圧指令値を決定し、前記電圧指令値に基づいて前記電圧変換器をPWMデューティ制御して前記バッテリを充電させることを特徴とする請求項1またはに記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  6. 前記充電制御器は、充電中または充電が完了した後に前記商用電源の接続停止が検出される場合、前記DCリンクキャパシタの電圧を基準電圧以下になるまで前記バッテリに放出することを特徴とする請求項に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  7. 直流電圧を出力または貯蔵するバッテリと、
    電動機または発電機として動作する第1モータ及び第2モータと、
    前記第1モータ及び第2モータをそれぞれ駆動させる第1インバータ及び第2インバータと、
    前記バッテリからの直流電圧を前記第1インバータ及び前記第2インバータに昇圧または減圧して供給し、前記第1インバータ及び前記第2インバータからの直流電圧を前記バッテリ側に減圧または昇圧して供給し、DCリンクキャパシタを含む電圧変換器と、
    前記第1インバータ及び前記第2インバータの負極端子に接続するアノード端子と、商用電源に接続され、前記第1及び第2モータそれぞれの第1及び第2中性点とそれぞれ並列に接続する第1ダイオード及び第2ダイオードと、
    前記第1及び第2モータの第1及び第2中性点に供給される商用電力の位相、前記電圧変換器と前記第1及び第2インバータとを接続するDCリンクキャパシタの電圧、前記バッテリの電圧、前記バッテリの両端間に接続する平滑キャパシタの電圧、前記バッテリの電流または前記電圧変換器から前記バッテリに流れる電流を測定して前記バッテリの充電モードを決定し、前記バッテリの充電モードによって前記電圧変換器をPWMデューティ制御して、前記DCリンクキャパシタ電圧を減圧または昇圧して前記バッテリに供給されるようにする充電制御器と、
    前記バッテリの両端に連結され、バッテリに入力又はバッテリから出力される電圧及び電流を前記電圧変換器との間で接続又は遮断するメインリレーと、
    車両外部の商用電源と電圧変換器を連結する充電ポットと、
    前記商用電源の接続を検出する接続検出器と、
    前記充電ポットと前記第1及び第2モータとの間に設置されて、前記充電制御器の制御によって前記商用電源を前記第1及び第2モータの第1及び第2中性点に選択的に連結する入力端リレーと、を含むことを特徴とするハイブリッド自動車の充電装置。
  8. 前記入力端リレーは、前記第1ダイオードと前記第1モータの第1中性点に連結される第1リレー
    前記第2ダイオードと前記第2モータの第2中性点に連結される第2リレー
    を含むことを特徴とする請求項に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  9. 前記接続検出器が前記商用電源の接続を検出すれば、前記充電制御器を活性化し、前記メインリレーをスイッチオンし、前記入力端リレーをスイッチオフすることによって、前記バッテリの電圧で前記DCリンクを初期充電させることを特徴とする請求項に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  10. 前記DCリンクの初期充電が完了すると、前記充電制御器は、前記入力端リレーをスイッチオンし、前記充電モードによって前記バッテリの充電を制御することを特徴とする請求項に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  11. 前記充電制御器は、前記バッテリの充電モードが電流制御モードであれば、電流指令値を決定し、前記バッテリの充電電流量が電流指令値を追求するように制御することを特徴とする請求項10に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  12. 前記充電制御器は、前記バッテリの充電モードが電流制御モードでなければ、前記平滑キャパシタの電圧を一定の電圧に維持する電圧指令値を決定し、電圧指令値に基づいて前記電圧変換器をPWMデューティ制御して前記バッテリを充電させることを特徴とする請求項10に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  13. 前記入力端リレーは、前記第1ダイオードと前記第1モータの第1中性点に連結される第1リレー
    前記第2ダイオードと前記第2モータの第2中性点に連結される第2リレー
    前記第1リレーと並列に接続され、抵抗が直列に接続される第3リレー、を含むことを特徴とする請求項に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  14. 前記接続検出器が前記商用電源の接続を検出すれば、前記充電制御器を活性化し、前記入力端リレーの第2及び第3リレーをスイッチオンすることによって低電流ループを形成し、低電流ループの電源を利用して前記DCリンクを初期充電させることを特徴とする請求項13に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  15. 前記DCリンクの初期充電が完了すると、前記充電制御器は、前記第3リレーをスイッチオフし、前記第1リレーをスイッチオンし、前記メインリレーをスイッチオンすることによって、前記商用電源を利用して前記バッテリの充電を制御することを特徴とする請求項14に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  16. 前記充電制御器は、充電中または充電が完了した後に前記商用電源の接続停止が検出される場合、前記DCリンクキャパシタの電圧を基準電圧以下になるまで前記バッテリに放出することを特徴とする請求項15に記載のハイブリッド自動車の充電装置。
  17. 請求項1乃至16のいずれかに記載のハイブリッド自動車の充電装置において、
    商用電源である外部交流電源を測定する段階で、
    前記交流電源の交流電圧の位相が正の値であれば、第1インバータの上側IGBTをオンさせ、前記第1インバータの下側IGBT及び第2インバータの全てのIGBTをオフさせて、前記交流電源からの電流が前記第1インバータの前記上側IGBTと電圧変換器内のDCリンク、前記第1及び第2インバータの負極端子に接続されるダイオードを通じて前記交流電源に接続するループを形成する段階を経て、または、
    商用電源である前記外部交流電源を測定する段階で、
    前記交流電源の交流電圧の位相が負の値であれば、前記第2インバータの前記上側IGBTをオンさせ、前記第2インバータの下側IGBT及び前記第1インバータの全てのIGBTをオフさせて、前記交流電源からの電流が前記第2インバータの上側IGBTと前記電圧変換器内の前記DCリンク、前記第1及び第2インバータの前記負極端子に接続される前記ダイオードを通じて前記交流電源に接続されるループを形成する段階を経て、
    DCリンクキャパシタに(+)の電圧が蓄積されるようにするインバータスイッチを制御することを特徴とするハイブリッド自動車の充電方法。
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