JP5867442B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電力制御装置に関し、特に外部電源と車両に搭載された直流電源（バッテリ）との間で電力を授受する技術に関する。

従来より、車両外部の交流電源と車両に搭載されたバッテリとの間で電力を授受可能なモータ駆動装置が提案されている。

図１３に、この種の電力制御装置の構成ブロック図を示す。バッテリを直流電源とする各々のインバータで制御される２個のモータの中性点に商用電源を接続し、インバータで零相電圧を発生させてモータの中性点間電圧を制御し、商用電源からバッテリに充電する構成である。

図において、直流電源としてのバッテリ１０にはコンバータ（昇圧コンバータ）１２を介して２つのインバータ１４，１５が接続される。インバータ１４には三相モータ（機能的にはモータ／ジェネレータであるが簡略化してモータと称する）１６が接続され、インバータ１５には三相モータ（機能的にはモータ／ジェネレータであるが簡略化してモータと称する）１７が接続される。インバータ１４でモータ１６の動作を制御し、インバータ１５でモータ１７の動作を制御する。モータ１６とモータ１７の固定子巻線中性点間に外部電源１８が接続される。

しかしながら、このようにモータ中性点を利用してバッテリ１０を充電する方式では、モータ１６，１７とインバータ１４，１５とで損失が発生してしまい、充電効率が低い問題がある。また、モータ１６，１７からの騒音や、インバータ１４，１５の多数の素子がスイッチングすることによる高周波の漏洩電流が実用化の妨げとなる。

下記の特許文献１には、蓄電池と、インバータと、誘導電動機と、制御ユニットを備える装置が開示されている。誘導電動機は、Ｙ結線された巻線をそれぞれ含み、巻線の中性点にＥＭＩフィルタを介して入力／出力ポートが接続される。２個のインバータは、それぞれ誘導電動機に対応して設けられ、それぞれ巻線に接続される。２個のインバータは、蓄電池に並列に接続される。再充電モードにおいて、入力／出力ポートに接続される単相電源から巻線の中性点間に正弦波の調整された交流電力を発生し、発生した交流電力を入力／出力ポートに接続される外部装置へ出力する。

一方、特許文献２には、昇圧コンバータを利用してバッテリを充電する構成が提案されている。図１４に、この構成を示す。バッテリ１０とコンバータ１２との間に接点ａ、ｂ間で切替可能なスイッチ２２が設けられる。また、インバータ１４，１５の端子間にダイオードＤ３，Ｄ４が互いに直列接続され、スイッチ２２の接点ａ側とダイオードＤ３，Ｄ４の中間点との間にコネクタ２０が接続される。コネクタ２０を介して外部電源１８が接続される。充電する際には、スイッチ２２の接点をｂ側に切替え、コンバータ１２を動作させて電力変換してバッテリ１０を充電する。

特許第２６９５０８３号 特開平１０−１３６５７０号公報

しかしながら、図１４に示すコンバータ（昇圧コンバータ）１２を用いた技術では、バッテリ電圧は外部交流電源１８の最大値以上であれば外部電源電流をコンバータ１２のスイッチング素子で制御できるが、バッテリ電圧が外部電源電圧の最大値以下であれば、外部電源電流がダイオードを介してバッテリ１０に流入するため、スイッチング素子で制御できず、電流波形の歪みの原因や、電力が指令値通りに充電できない問題がある。

図１５に、バッテリ電圧＞外部交流電源電圧最大値の場合の電流・電圧波形を示し、図１６に、バッテリ電圧＜外部交流電源電圧最大値の場合の電流・電圧波形を示す。図１６では、外部交流電源電流（ＡＣ電源電流）に歪みが生じている。

本発明の目的は、車両外部の電源を用いて車両に搭載されたバッテリを高い充電効率で充電することができる電力制御装置を提供することにある。

本発明は、バッテリと、前記バッテリの正極側に第１スイッチを介してその正極側とリアクトルが選択的に接続され、前記バッテリの負極側にその負極側が接続されたコンバータと、前記コンバータに接続されたインバータと、前記インバータに接続されたモータとを有し、前記コンバータに充電回路を介して外部交流電源を接続し、前記外部交流電源から前記バッテリに充電する電力制御装置であって、前記コンバータは、互いに直列接続された正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子と、前記正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子にそれぞれ逆並列接続されたダイオードと、前記正極側及び負極側のスイッチング素子の接続点にその一端が接続された前記リアクトルとを有し、前記充電回路は、前記外部交流電源が接続されるダイオード整流器を含み、前記ダイオード整流器の正極側は第２スイッチを介して前記コンバータの前記リアクトルの他端に接続され、前記ダイオード整流器の負極側は前記バッテリの負極側に接続され、非充電時には前記第２スイッチをオフ制御して前記充電回路を前記コンバータから切り離すとともに前記第１スイッチを前記リアクトルに接続し、充電時には前記第１スイッチを前記コンバータの正極側に接続し、前記第２スイッチをオン制御するとともに前記コンバータの前記正極側及び負極側のスイッチング素子をオンオフ制御することで前記外部交流電源から前記充電回路を介して前記バッテリを充電することを特徴とする。

本発明によれば、インバータを用いることなくコンバータを利用して外部交流電源あるいは外部直流電源からバッテリに高効率で充電することができる。

第１実施形態の構成図である。 充電制御ブロック図である。 充電時の電圧電流波形説明図である。 第２実施形態の構成図である。 第３実施形態の構成図である。 第４実施形態の構成図である。 第５実施形態の構成図である。 第６実施形態の構成図である。 第７実施形態の構成図である。 第８実施形態の構成図である。 第８実施形態の等価回路図である。 第８実施形態の充電時の電圧電流波形説明図である。 従来装置の構成図である。 他の従来装置の構成時である。 外部交流電源電圧最大値＜バッテリ電圧のときの電圧電流波形説明図である。 外部交流電源電圧最大値＞バッテリ電圧のときの電圧電流波形説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。バッテリ（車載バッテリ）１０にコンバータ（昇圧コンバータ）１２が接続され、コンバータ１２には２個のインバータ１４，１５が並列に接続される。インバータ１４にはモータ（モータ／ジェネレータ）１６が接続され、インバータ１５にはモータ（モータ／ジェネレータ）１７が接続される。コンバータ１２は、インバータ１４，１５の直流端子間に順方向接続されている一対のスイッチングトランジスタ（スイッチング素子）、各スイッチングトランジスタに逆並列接続されるダイオード、スイッチングトランジスタ同士の接続点に接続される昇圧リアクトルＬを有する。また、コンバータ１２とインバータ１４，１５との間には平滑コンデンサＣが接続される。バッテリ１０からの電力をコンバータ１２で昇圧し、インバータ１４，１５でそれぞれモータ１６，１７を駆動する構成である。

このような基本構成において、さらに、バッテリ１０の正極側とコンバータ１２の正極側との間に充電回路２４が接続され、この充電回路２４にコネクタ２０及び外部交流電源１８が接続される。充電回路２４は、コンデンサとダイオード整流器からなり、外部交流電源１８からの交流電力を整流する。コンバータ１２の正極側のスイッチングトランジスタをオンすると、昇圧リアクトルＬに整流電圧が印加され、リアクトル電流が増加する。その後、コンバータ１２の正極側のスイッチングトランジスタをオフすると、昇圧リアクトルＬに流れていた電流がバッテリ１０とコンバータ１２の負極側スイッチングトランジスタに逆並列されたダイオードを経由して流れるため、昇圧リアクトルＬに蓄えられたエネルギがバッテリ１０に供給されて充電される。

図２に、充電時の制御ブロック図を示す。外部交流電源１８側の電流が力率１で高調波歪みの少ない正弦波とするため、電源電圧Ｖｉｎの実効値Ｖｓと充電電力ＰＢから正弦波の電流指令値Ｉｒを演算する。コンバータ１２の正極側スイッチングトランジスタを用いて交流側電源電流Ｉｓを電流指令値Ｉｒに追従させるため、電流指令値Ｉｒの絶対値と交流電源電流Ｉｓの絶対値をそれぞれ演算し、その偏差を演算する。演算された偏差を解消するようにＰＩ制御でコンバータ１２の正極側スイッチングトランジスタをオンオフするＰＷＭ変調率を算出する。

図３に、交流電源１００Ｖ、スイッチング周波数２０ｋＨｚ、１．５ｋＷ充電時の動作波形を示す。図３（ａ）は電源電圧と電源電流の波形であり、図３（ｂ）はバッテリ電圧とバッテリ電流（充電電流）の動作波形である。

このように、本実施形態では、コンバータ（昇圧コンバータ）１２を用いて外部交流電源からバッテリ１０を充電するので、インバータ１４，１５やモータ１６，１７を動作させる必要が無く、インバータ１４，１５やモータ１６，１７での損失がないため充電効率が向上する。また、コンバータ（昇圧コンバータ）１２を利用して昇降圧型のコンバータを構成して充電するため、バッテリ電圧が外部交流電源１８より高くても低くても充電可能である。

＜第２実施形態＞
図４に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。バッテリ（車載バッテリ）１０にコンバータ（昇圧コンバータ）１２が接続され、コンバータ１２には２個のインバータ１４，１５が並列に接続される。インバータ１４にはモータ（モータ／ジェネレータ）１６が接続され、インバータ１５にはモータ（モータ／ジェネレータ）１７が接続される。コンバータ１２は、インバータ１４，１５の直流端子間に順方向接続されている一対のスイッチングトランジスタ（スイッチング素子）、各スイッチングトランジスタに逆並列接続されるダイオード、スイッチングトランジスタ同士の接続点に接続される昇圧リアクトルＬを有する。また、コンバータ１２とインバータ１４，１５との間には平滑コンデンサＣが接続される。バッテリ１０からの電力をコンバータ１２で昇圧し、インバータ１４，１５でそれぞれモータ１６，１７を駆動する構成である。

このような基本構成において、さらに、バッテリ１０の正極側とコンバータ１２の正極側との間に充電回路２４が接続され、この充電回路２４に非接触給電装置２６が接続される。本実施形態でも、充電回路２４は、ダイオード整流器を含み、非接触給電装置２６からの交流電力を整流する。コンバータ１２の正極側のスイッチングトランジスタをオンすると、昇圧リアクトルＬに整流電圧が印加され、リアクトル電流が増加する。その後、コンバータ１２の正極側のスイッチングトランジスタをオフすると、昇圧リアクトルＬに流れていた電流がバッテリ１０とコンバータ１２の負極側スイッチングトランジスタに逆並列されたダイオードを経由して流れるため、昇圧リアクトルＬに蓄えられたエネルギがバッテリ１０に供給されて充電される。

＜第３実施形態＞
図５に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。基本構成は上記の実施形態と同様である。

基本構成に加え、さらに、バッテリ１０の正極側とコンバータ１２の正極側との間に外部直流電源２８が接続される。外部電源が直流である場合、整流する必要がないため、ダイオード整流器を用いることなく直接外部電源を接続できる。

＜第４実施形態＞
図６に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。基本構成は上記の実施形態と同様である。

基本構成に加え、バッテリ１０の負極側とコンバータ１２の正極側との間に充電回路２４が接続され、この充電回路２４にコネクタ２０及び外部交流電源１８が接続される。充電回路２４は、コンデンサとダイオード整流器からなり、外部交流電源１８からの交流電力を整流する。コンバータ１２の正極側のスイッチングトランジスタをオンすると、整流電流がバッテリ１０に流れるためバッテリ１０が充電される。コンバータ１２を利用して降圧して充電するものであり、バッテリ電圧が外部交流電源１８よりも低い場合に充電できる。

＜第５実施形態＞
図７に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。基本構成は上記の実施形態と同様である。

基本構成に加え、バッテリ１０の負極側とコンバータ１２の正極側との間に充電回路２４が接続され、この充電回路２４に非接触給電装置２６が接続される。図６と同様に、コンバータ１２を利用して降圧して充電するものであり、バッテリ電圧が外部交流電源１８よりも低い場合に充電できる。

＜第６実施形態＞
図８に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。図６の外部交流電源１８の代わりに、直流電源２８を接続した構成である。直流電源２８であるため、ダイオード整流器を含む充電回路２４は不要である。直流電源２８として、車載ソーラーパネルを用いることができる。

＜第７実施形態＞
図９に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。バッテリ（車載バッテリ）１０の正極側に第１スイッチ３０を介してコンバータ（昇圧コンバータ）１２の正極側が接続され、バッテリ１０の負極側にコンバータ１２の負極側が接続され、コンバータ１２にインバータ１４，１５が並列に接続される。インバータ１４にはモータ（モータ／ジェネレータ）１６が接続され、インバータ１５にはモータ（モータ／ジェネレータ）１７が接続される。また、バッテリ１０の負極側とインバータ１２との間に、第２スイッチ３２を介して充電回路２４が接続され、充電回路２４にコネクタ２０を介して外部交流電源１８が接続される。

非充電時には、第２スイッチ３２をオフにして充電回路２４をコンバータ１２から切り離す。一方、充電時には、図示のように第１スイッチ３０を接点ａ側から接点ｂ側に切り替えてコンバータ１２の正極側とバッテリ１０の正極側とを接続し、第２スイッチ３２をオンにして充電回路２４のダイオード整流器の直流正極側をコンバータ１２のスイッチングトランジスタに接続されていない側の昇圧リアクトルＬ端子に接続し、ダイオード整流器の負極側をバッテリ１０の負極側に接続する。コンバータ１２の負極側のスイッチングトランジスタをオンすると第２スイッチ３２を介して昇圧リアクトルＬに整流電圧が印加され、リアクトル電流が増加する。その後、負極側のスイッチングトランジスタをオフすると昇圧リアクトルＬに流れていた電流が第１スイッチ３０を介してコンバータ１２の正極側スイッチングトランジスタに逆並列されたダイオードとバッテリ１０を経由して流れるため、昇圧リアクトルＬに蓄積されたエネルギがバッテリ１０に充電される。

＜第８実施形態＞
図１０に、本実施形態における電力制御装置の構成を示す。バッテリ（車載バッテリ）１０にスイッチ３０を介してコンバータ（昇圧コンバータ）１２が接続され、コンバータ１２にインバータ１４，１５が並列に接続される。インバータ１４にはモータ（モータ／ジェネレータ）１６が接続され、インバータ１５にはモータ（モータ／ジェネレータ）１７が接続される。また、コンバータ１２とインバータ１４，１５との間に、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２が互いに直列接続される。また、スイッチ３２を介してコネクタ２０の一方の端子がインバータ１２の昇圧リアクトルＬに接続され、コネクタ２０の他方の端子が平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の中点に接続される。コネクタ２０を介して外部交流電源１８が接続される。

非充電時には、スイッチ３２をオフにしてコネクタ２０をインバータ１２から切り離す。一方、充電時、あるいはバッテリ１０から外部に発電する時には、スイッチ３０を図示のように接点ｂ側に切り替えてコンバータ１２の正極側とバッテリ１０の正極側とを接続し、スイッチ３２をオンにする。この状態でコンバータ１２のスイッチングトランジスタをオンオフさせると、ハーフブリッジコンバータと等価となり、外部交流電源１８からバッテリ１０への充電、あるいはバッテリ１０から外部への発電が可能となる。なお、本実施形態の構成では、バッテリ電圧が外部交流電源電圧最大値の２倍以上必要であるが、ダイオード整流器が不要となるため、小型、低コスト化が可能である。

図１１に、図１０の等価回路を示す。また、図１２に、図１０の構成における動作波形を示す。図１２（ａ）は電源電圧と電源電流の波形であり、図１２（ｂ）はバッテリ電圧とバッテリ電流（充電電流）の動作波形である。交流電源１００Ｖ、スイッチング周波数２０ｋＨｚ、１．５ｋＷ充電時である。

以上説明したように、本実施形態では、バッテリ１０に接続されたコンバータ（昇圧コンバータ）１２を用いて外部電源からバッテリ１０を充電できるため、インバータ１４等での損失がなく、かつ、インバータ１４の動作に伴う騒音等も生じることなく高効率で充電できる。特に、図１、図４、図５の構成では、外部電源電圧とバッテリ１０の電圧との大小関係によらず、コンバータ１２で昇降圧して外部電源からバッテリ１０を充電することができる。

１０ バッテリ（車載バッテリ）、１２ コンバータ（昇圧コンバータ）、１４，１５ インバータ、１６，１７ モータ（モータ／ジェネレータ）、１８ 外部交流電源、２０ コネクタ、２４ 充電回路、２８ 外部直流電源。

Claims (2)

1. バッテリと、
   前記バッテリの正極側に第１スイッチを介してその正極側とリアクトルが選択的に接続され、前記バッテリの負極側にその負極側が接続されたコンバータと、
   前記コンバータに接続されたインバータと、
   前記インバータに接続されたモータと、
   を有し、前記コンバータに充電回路を介して外部交流電源を接続し、前記外部交流電源から前記バッテリに充電する電力制御装置であって、
   前記コンバータは、互いに直列接続された正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子と、前記正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子にそれぞれ逆並列接続されたダイオードと、前記正極側及び負極側のスイッチング素子の接続点にその一端が接続された前記リアクトルとを有し、
   前記充電回路は、前記外部交流電源が接続されるダイオード整流器を含み、前記ダイオード整流器の正極側は第２スイッチを介して前記コンバータの前記リアクトルの他端に接続され、前記ダイオード整流器の負極側は前記バッテリの負極側に接続され、
   非充電時には前記第２スイッチをオフ制御して前記充電回路を前記コンバータから切り離すとともに前記第１スイッチを前記リアクトルに接続し、充電時には前記第１スイッチを前記コンバータの正極側に接続し、前記第２スイッチをオン制御するとともに前記コンバータの前記正極側及び負極側のスイッチング素子をオンオフ制御することで前記外部交流電源から前記充電回路を介して前記バッテリを充電することを特徴とする電力制御装置。
2. 請求項１記載の電力制御装置において、
   前記外部交流電源は、非接触で前記充電回路に電気的に接続されることを特徴とする電力制御装置。

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