JP6117710B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動モードの切り替えによる電流の歪みを抑制可能な電力変換装置を提供することにある。
第1インバータ部は、巻線の各相に対応して設けられる第1スイッチング素子を有し、巻線の一端と第1電圧源との間に接続される。第2インバータ部は、巻線の各相に対応して設けられる第2スイッチング素子を有し、巻線の他端と第2電圧源との間に接続される。
駆動モード選択手段は、モータジェネレータの回転数およびトルクに応じ、第1電圧源が充放電される第1低電圧モード、第2電圧源が充放電される第2低電圧モード、または、第1電圧源および第2電圧源が共に充放電される高電圧モードのいずれかの駆動モードを選択する。
歪み低減手段は、第1低電圧モード、第2低電圧モード、または、前記高電圧モードのいずれかである切替前モードから、前記切替前モードとは異なる駆動モードである切替後モードに切り替える際、巻線に通電される電流の歪みを低減する歪み低減処理を行う。
歪み低減処理は、第1電圧源または第2電圧源の一方が充電され他方が放電される差電圧モードであって、第2電圧源の電圧値である第2電圧値が第1電圧源の電圧値である第1電圧値の2倍より大きい場合、歪み低減手段は、切替前モードおよび切替後モードの一方が、第1低電圧モードであり、他方が第2低電圧モードまたは高電圧モードである場合、切替前モードと切替後モードとの間に、所定時間の差電圧モードを行う。
(第1実施形態)
図1に示すように、本発明の第1実施形態による電力変換装置1は、モータジェネレータ(以下、「MG」という。)10の電力を変換するものである。
MG10は、例えば電気自動車やハイブリッド車両等の電動車両に適用され、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する。MG10は、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電する発電機としての機能を有する。
第1インバータ部20は、3相インバータであり、コイル11〜13への通電を切り替えるべく、6つのスイッチング素子であるU1上アーム素子21、V1上アーム素子22、W1上アーム素子23、U1下アーム素子24、V1下アーム素子25、および、W1下アーム素子26がブリッジ接続される。
第1インバータ部20は、コイル11〜13の一端111、121、131と、第1電圧源としての第1バッテリ41との間に接続される。具体的には、U1上アーム素子21とU1下アーム素子24との接続点27が、U相コイル11の一端111に接続される。また、V1上アーム素子22とV1下アーム素子25との接続点28が、V相コイル12の一端121に接続される。さらにまた、W1上アーム素子23とW1下アーム素子26との接続点29が、W相コイル13の一端131に接続される。
第2インバータ部30は、コイル11〜13の他端112、122、132と、第2電圧源としての第2バッテリ42との間に接続される。具体的には、U2上アーム素子31とU2下アーム素子34との接続点37が、U相コイル11の他端112に接続される。また、V2上アーム素子32とV2下アーム素子35との接続点38が、V相コイル12の他端122に接続される。さらにまた、W2上アーム素子33とW2下アーム素子36との接続点39が、W相コイル13の他端132に接続される。
本実施形態では、U1上アーム素子21、V1上アーム素子22、W1上アーム素子23、U1下アーム素子24、V1下アーム素子25、および、W1下アーム素子26が「第1スイッチング素子」に対応し、U2上アーム素子31、V2上アーム素子32、W2上アーム素子33、U2下アーム素子34、V2下アーム素子35、および、W2下アーム素子36が「第2スイッチング素子」に対応する。以下適宜、スイッチング素子を「SW素子」という。
本実施形態のSW素子21〜26、31〜36は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるが、例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いてもよい。
第2バッテリ42は、充放電可能な直流電源であって、第2インバータ部30に接続される。
なお、第1実施形態では、第1バッテリ41および第2バッテリ42を1つの直流電源として記載しているが、例えば複数の直流電源を並列或いは直列に接続して構成してもよいし、図示しない昇圧コンバータ等を含んで構成するようにしてもよい。
第2コンデンサ52は、第2バッテリ42と並列に接続され、第2バッテリ42からSW素子31〜36へ供給される電流、或いは、SW素子31〜36から第2バッテリ42へ供給される電流を平滑化する平滑コンデンサである。
制御部60は、第1制御信号生成部61、第2制御信号生成部62、および、切替制御部65を有する。
本実施形態では、第1インバータ部20側からコイル11〜13を経由して第2インバータ部30側へ流れる電流を正、第2インバータ部30側からコイル11〜13を経由して第1インバータ部20側へ流れる電流を負とする。
図4に示すように、低電圧モードでは、第1インバータ部20または第2インバータ部30の一方を中性点化し、中性点化していない第1インバータ部20または第2インバータ部30の他方による片側電源駆動とする。ここで、第2インバータ部30を中性点化し、第1インバータ部20をスイッチングする駆動モードを「第1低電圧モード」、第1インバータ部20を中性点化し、第2インバータ部30をスイッチングする駆動モードを「第2低電圧モード」とする。
また、第1インバータ部20は、電圧指令に基づく基本波と、三角波等であるキャリア波とに基づいてPWM制御される。ここで、PWM制御には、基本波の振幅がキャリア波の振幅以下である「正弦波PWM制御」および基本波の振幅がキャリア波の振幅より大きい「過変調PWM制御」を含む。
また、第2インバータ部30は、電圧指令に基づく基本波と、三角波等であるキャリア波とに基づいてPWM制御される。
これにより、特定の素子のオン状態が継続することによる発熱や、素子間の熱損失の偏りを低減可能である。
高電圧モードでは、第1インバータ部20および第2インバータ部30は、電圧指令に基づく基本波とキャリア波とに基づいてPWM制御される。
サージ電圧による絶縁破壊を回避するためには、駆動モードの切り替えに伴うサージ電圧に応じ、コイル11〜13の絶縁皮膜を厚くする必要がある。例えば、サージ電圧が3割増えると、絶縁皮膜の厚さを約2割増とする必要があり、体格が大型化する。
本実施形態では、切替制御部65にて、MG10の回転数およびトルクに基づいて駆動モードを選択する。そして、例えば第1低電圧モードから高電圧モードに駆動モードを切り替える際、図8中に2点鎖線にて示される切替許可タイミングにて駆動モードを切り替える。
これにより、低電圧モードから高電圧モードへの切り替えに伴う電流の歪みが低減可能であるので、サージ電圧の最大値を低減可能である。また、駆動モードの切り替えに伴うトルクリップルを低減可能である。
第1インバータ部20は、コイル11〜13の各相に対応して設けられるSW素子21〜26を有し、コイル11〜13の一端111、121、131と第1バッテリ41との間に接続される。
第2インバータ部30は、コイル11〜13の各相に対応して設けられるSW素子31〜36を有し、コイル11〜13の他端112、122、132と第2バッテリ42との間に接続される。
切替制御部65は、MG10の回転数およびトルクに応じ、第1バッテリ41が充放電される第1低電圧モード、第2バッテリ42が充放電される第2低電圧モード、または、第1バッテリ41および第2バッテリ42が共に充放電される高電圧モードのいずれかの駆動モードを選択する。
これにより、各相電流Iu、Iv、Iwのピークで駆動モードを切り替えた場合よりも、各相電流Iu、Iv、Iwのピーク値を抑制することができる。
本実施形態では、切替制御部65が「駆動モード選択手段」および「歪み低減手段」を構成する。
本発明の第2実施形態による電力変換装置を図10〜図17に基づいて説明する。
本実施形態の電力変換装置は、回路構成は第1実施形態と同様であるが、第1バッテリ41の電圧値である第1電圧値E1および第2バッテリ42の電圧値である第2電圧値E2が第1実施形態と異なる。本実施形態では、第2電圧値E2は、第1電圧値E1の2倍より大きい。すなわち、E2>2×E1である。
図11に示すように、第1低電圧モードでは、駆動電圧のパルスの高さは、第1電圧値E1となる。また、図12に示すように、第2低電圧モードでは、駆動電圧のパルスの高さは、第2電圧値E2となる。本実施形態では、第1電圧値E1と第2電圧値E2とが異なるので、コイル11〜13に印加される電圧は、第1低電圧モードと第2低電圧モードとで異なる。また、図13に示すように、高電圧モードでは、駆動電圧のパルスの高さは、第1電圧値E1および第2電圧値E2の和となる。
ここで、切替前の駆動モードにおいてコイル11〜13に印加可能な最大電圧と、切替後の駆動モードにおいてコイル11〜13に印加可能な最大電圧との差を切替電圧幅とし、切替電圧幅と各相電流Iu、Iv、Iwの歪みとの関係を図14に示す。図14では、相対的に切替電圧幅が小さい場合を実線で示し、切替電圧幅が大きい場合を破線で示した。
図14に示すように、駆動モードの切り替えに伴うU相電流Iuの歪みは、切替電圧幅が大きい場合と比較し、切替電圧幅が小さい場合に小さい。図14中では、U相電流Iuについて示しているが、V相電流IvおよびW相電流Iwについても同様である。
差電圧モードでは、第1インバータ部20および第2インバータ部30は、電圧指令に基づく基本波とキャリア波とに基づいてPWM制御される。
差電圧モードでは、第1インバータ部20の駆動に係る基本波と、第2インバータ部30の駆動に係る基本波とは、位相が等しい。すなわち、差電圧モードは、第1インバータ部20および第2インバータ部30の駆動に係る基本波が同位相である点が高電圧モードと異なっている。なお、MG10を駆動しつつ第2バッテリ42を充電可能な程度の位相のずれは許容されるものとする。
例えば、図15に示すように、第1インバータ部20において、U相の上アーム素子21がオン、V相およびW相の下アーム素子25、26がオンされ、第2インバータ部30において、U相の上アーム素子31がオン、V相およびW相の下アーム素子35、36がオンされる。本実施形態では、第2電圧値E2が第1電圧値E1より大きいので、図15中に矢印Y2で示す経路にて電流が流れ、第2電圧値E2と第1電圧値E1との差(すなわち(E2−E1))にてMG10が駆動される。図16に示すように、差電圧モードにおける駆動電圧のパルスの高さは、第2電圧値E2と第1電圧値E1との差である(E2−E1)となる。
S104では、駆動モードを差電圧モードに切り替える。また、駆動モードを差電圧モードに切り替えてからの時間を計時する。
S106では、駆動モードを第2低電圧モードに切り替える。
切替制御部65では、第1低電圧モードから第2低電圧モードに切り替える場合、第1低電圧モードと第2低電圧モードとの間に所定時間の差電圧モードを行う(図17中のS104)。これにより、第1低電圧モードから第2低電圧モードへ直接切り替える場合と比較し、切替電圧幅が小さくなるので、電流の歪みを低減することができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本実施形態では、S104の処理が「歪み低減手段」の機能としての処理に相当する。
本発明の第3実施形態による電力変換装置を図18および図19に示す。
図18に示すように、本実施形態の電力変換装置2は、上記実施形態の第1バッテリ41に替えて、第1電圧源としてのキャパシタ43が設けられる。キャパシタ43は、例えば電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の電圧源として使用可能な比較的蓄電量の大きいものとする。本実施形態では、一方のバッテリを内部抵抗および経時劣化の比較的小さいキャパシタ43に置き換え、充放電の一部をキャパシタ43にて行うことにより、効率が向上し、第2バッテリ42の長寿命化が可能である。
また、キャパシタ43の電圧は可変であるので、電力変換装置2には、キャパシタ43の電圧を検出する電圧検出部44が設けられる。本実施形態では、キャパシタ43の電圧値であるキャパシタ電圧値Ecが、第2バッテリ42の電圧値である第2電圧値E2よりも小さいものとする。本実施形態では、キャパシタ電圧値Ecが「第1電圧値」に対応する。
まず、回生時について言及しておく。キャパシタ43は、第2バッテリ42よりも内部抵抗および経時劣化が小さいので、回生時において、電力変換装置2のシステム全体としての耐圧やキャパシタ43の耐圧等に応じて設定される充電限界範囲内であれば、第2インバータ部30側を中性点化し、キャパシタ43側を優先して充電する。キャパシタ43の充電限界範囲を超えた場合、第1インバータ部20側を中性点化し、第2バッテリ42を充電する。
S202は、図16中のS101と同様であり、現在の駆動モードが第1低電圧モードか否かを判断する。現在の駆動モードが第1低電圧モードではないと判断された場合(S202:NO)、以下の処理を行わない。現在の駆動モードが第1低電圧モードであると判断された場合(S202:YES)、S203へ移行する。
S207およびS208は、図16中のS105およびS106と同様である。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本実施形態では、S206の処理が「歪み低減手段」の機能としての処理に相当する。
本発明の第4実施形態による電力変換装置を図20に基づいて説明する。
本実施形態の電力変換装置は、回路構成は第1実施形態と同様としてもよいし、第3実施形態と同様としてもよい。
図9にて説明したように、駆動モードを低電圧モードから高電圧モードに切り替えると、電流の歪みにより過電流が発生する虞がある。そこで本実施形態では、駆動モードの切り替えに伴う過電流を防止すべく、駆動モードを切り替える際、歪み低減処理として、一時的に全てのSW素子21〜26、31〜36をオフする全オフモードを実行する。
S303では、全てのSW素子21〜26、31〜36をオフにする停止モードとする。また、停止モードを開始してからの時間を計時する。
S305では、駆動モードを切り替える。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
駆動モードの切り替えに際し、歪み低減処理として実行される第2実施形態または第3実施形態の「差電圧モード」を行う所定時間と、本実施形態の「全オフモード」を行う所定時間とは、同じ時間であってもよいし、異なる時間であってもよい。
上記第1実施形態および第4実施形態では、切替前モードおよび切替後モードによらず、歪み低減処理を行う。第2実施形態にて説明したように、駆動電圧が小さくなる方向に駆動モードが変更される場合、電流が小さくなる方向に電流が歪むので、駆動モードに切り替えにより、過電流となることはない。そのため、他の実施形態では、切替前モードよりも切替後モードの方が巻線に印加可能な最大電圧が小さい場合、歪み低減処理を省略してもよい。
また、第2低電圧モードから第1低電圧モードに切り替えるとき、または、高電圧モードから第1低電圧モードに切り替えるとき、歪み低減処理として、所定時間の差電圧モードを行ってもよい。これにより、駆動電圧が小さくなる方向に駆動モードが変更される場合における電流の歪みが低減されるので、トルクリップルを低減することができる。
また、第3実施形態では、第1電圧源をキャパシタとし、第2電圧源をバッテリとした。他の実施形態では、第1電圧源をバッテリとし、第2電圧源をキャパシタにより構成してもよい。
同様に、第1実施形態と第4実施形態とを組み合わせ、切替前モードから全オフモードへ移行するときや、全オフモードから切替後モードへ移行するとき、各相電流のピークからずれたタイミングにて切り替えてもよい。
上記実施形態では、モータジェネレータは、電動車両の車両主機に適用される。他の実施形態では、モータジェネレータは、車両補機に適用してもよいし、他の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
10・・・モータジェネレータ
11〜13・・・コイル(巻線)
20・・・第1インバータ部
30・・・第2インバータ部
41・・・第1バッテリ(第1電圧源)
42・・・第2バッテリ(第2電圧源)
43・・・キャパシタ(第1電圧源)
60・・・制御部
65・・・切替制御部(駆動モード選択手段、歪み低減手段)
Claims (5)
- 巻線(11〜13)を有するモータジェネレータ(10)の電力を変換する電力変換装置(1)であって、
前記巻線の各相に対応して設けられる第1スイッチング素子(21〜26)を有し、前記巻線の一端(111、121、131)と第1電圧源(41、43)との間に接続される第1インバータ部(20)と、
前記巻線の各相に対応して設けられる第2スイッチング素子(31〜36)を有し、前記巻線の他端(112、122、132)と第2電圧源(42)との間に接続される第2インバータ部(30)と、
前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御する制御部(60)と、
を備え、
前記制御部は、
前記モータジェネレータの回転数およびトルクに応じ、前記第1電圧源が充放電される第1低電圧モード、前記第2電圧源が充放電される第2低電圧モード、または、前記第1電圧源および前記第2電圧源が共に充放電される高電圧モードのいずれかの駆動モードを選択する駆動モード選択手段(65)と、
前記第1低電圧モード、前記第2低電圧モード、または、前記高電圧モードのいずれかである切替前モードから、前記切替前モードとは異なる前記駆動モードである切替後モードに切り替える際、前記巻線に通電される電流の歪みを低減する歪み低減処理を行う歪み低減手段(65)と、
を有し、
前記歪み低減処理は、前記第1電圧源または前記第2電圧源の一方が充電され他方が放電される差電圧モードであって、
前記第2電圧源の電圧値である第2電圧値が前記第1電圧源の電圧値である第1電圧値の2倍より大きい場合、
前記歪み低減手段は、前記切替前モードおよび前記切替後モードの一方が、前記第1低電圧モードであり、他方が前記第2低電圧モードまたは前記高電圧モードである場合、前記切替前モードと前記切替後モードとの間に、所定時間の前記差電圧モードを行うことを特徴とする電力変換装置。 - 前記歪み低減処理は、切替タイミング調整処理であって、
前記歪み低減手段は、前記巻線の各相に通電される各相電流のピークからずれたタイミングである切替許可タイミングにて前記切替前モードから前記切替後モードに切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記切替許可タイミングは、隣接する前記ピークの中間タイミングであることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記歪み低減手段は、前記切替前モードよりも前記切替後モードの方が前記巻線に印加可能な最大電圧が大きい場合、前記歪み低減処理を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記第1電圧源または前記第2電圧源の一方がバッテリ(42)であり、他方がキャパシタ(43)であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置(2)。
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