JP6174498B2 - 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、効率を向上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、巻線の他端と接続される。
制御部は、信号生成手段を有する。信号生成手段は、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子のオンオフ作動に係る制御信号を生成する。
信号生成手段は、バッテリの電圧およびキャパシタ電圧に応じ、キャパシタが充放電されるキャパシタ側駆動モード、バッテリが充放電されるバッテリ側駆動モード、キャパシタおよびバッテリが充放電される両側駆動モード、および、バッテリの電力によりキャパシタを充電するキャパシタ充電モードを選択し、選択された駆動モードに応じて制御信号を生成する。
キャパシタ側駆動モードは、第1インバータ部を中性点化する片側電源駆動である。バッテリ側駆動モードは、第2インバータ部を中性点化する片側電源駆動である。両側駆動モードでは、位相が反転された基本波に基づいて第1インバータおよび第2インバータを制御する。キャパシタ充電モードは、同位相の基本波に基づいて第1インバータおよび第2インバータを制御する。
また、キャパシタは、バッテリと比較し、充放電の繰り返しによる劣化が小さい。そのため、充放電の繰り返しの一部をキャパシタにて行うことにより、バッテリの寿命を延ばすことができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による電力変換装置を図1〜図13に基づいて説明する。図1に示すように、本実施形態の電力変換装置1は、モータジェネレータ(以下、「MG」という。)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電圧源であるバッテリ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電圧源であるキャパシタ45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。
コンデンサ42は、バッテリ41と並列に接続され、バッテリ41からSW素子21〜26へ供給される電流、或いは、SW素子21〜26からバッテリ41へ供給される電流を平滑化する平滑コンデンサである。
電圧検出部48は、キャパシタ45と並列に接続され、キャパシタ45の両端電圧であるキャパシタ電圧Vcを検出する。キャパシタ電圧Vcは、キャパシタ45の充電状態により変動する。本実施形態では、キャパシタ電圧Vcは、バッテリ電圧Vbより小さいものとする。
制御部60は、信号生成部61、および、信号変換部62を有する。制御部60は、電圧検出部48から、キャパシタ電圧Vcを取得する。
信号変換部62は、キャパシタ電圧Vcに基づき、第2制御信号を変換する。変換された第2制御信号は、SW素子31〜36へ出力される。
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3に示すように、キャパシタ側駆動モードでは、第1インバータ部20を中性点化し、キャパシタ45の電力によりMG10を駆動する片側電源駆動とする。図3に示す例では、第1インバータ部20の上アーム素子21〜23を3相同時にオンし、下アーム素子24〜26を3相同時にオフしている。これにより、バッテリ41側が中性点化される。
図3は、SW素子31、35、36がオンされている例であり、矢印YAで示す経路にて電流が流れる。
図5に示すように、バッテリ側駆動モードでは、第2インバータ部30を中性点化し、バッテリ41の電力によりMG10を駆動する片側電源駆動とする。図5に示す例では、第2インバータ部30の上アーム素子31〜33を3相同時にオンし、下アーム素子34〜36を3相同時にオフしている。これにより、キャパシタ45側が中性点化される。
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。図5は、SW素子21、25、26がオンされている例であり、矢印YBで示す経路にて電流が流れる。
また、キャパシタ側駆動モードにおいて、第1インバータ部20の上アーム素子21〜23を3相同時にオンし、下アーム素子24〜26を3相同時にオフすることにより中性点化する例を説明したが、上アーム素子21〜23を3相同時にオフし、下アーム素子24〜26を3相同時にオンすることによっても中性点化できる。また、上アーム素子21〜23がオン、下アーム素子24〜26がオフである状態と、上アーム素子21〜23がオフ、下アーム素子24〜26がオンである状態とを適宜切り替えてもよい。
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。
両側駆動モードは、バッテリ41およびキャパシタ45による両電源駆動であり、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。
両側駆動モードでは、第1インバータ部20の駆動に係る基本波である第1基本波と、第2インバータ部30の駆動に係る基本波である第2基本波とは、位相が反転されている。換言すると、第1基本波と第2基本波とは、位相が略180[°]ずれている。なお、第1基本波と第2基本波との位相差は、バッテリ41とキャパシタ45とを直列接続した状態に対応する電圧をMG10に印加可能であれば、180[°]からの多少のずれは許容されるものとし、「基本波の位相が反転されている」の概念に含まれるものとする。基本波位相を反転することにより、各相にてオンされるSW素子は、第1インバータ部20と第2インバータ部30とで上下反対となる。
キャパシタ45は、充電状態によりキャパシタ電圧Vcが大きく変動する。そのため、キャパシタ電圧Vcが低下すると、両側駆動モードにおいて必要な電圧が得られない虞がある。そこで、キャパシタ充電モードでは、バッテリ41の電力によりキャパシタ45を充電する。
キャパシタ充電モードでは、第1基本波と第2基本波とは、同位相である。なお、MG10を駆動しつつキャパシタ45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。第1基本波と第2基本波の位相を同位相とすることにより、各相にてオンされるSW素子は、第1インバータ部20と第2インバータ部30とで上下同じになる。
最初のステップS101(以下、「ステップ」を省略し、単に記号「S」で示す。)では、キャパシタ電圧Vcを電圧検出部48から取得する。
第2マップでは、バッテリ電圧Vbとキャパシタ電圧Vcとの差にてMG10を駆動する場合の駆動限界を実線T21で示す。実線T12、T13は、第1マップと同様である。
キャパシタ45は、バッテリ41と比較し、充放電の繰り返しによる劣化が小さい。そこで、キャパシタ45の耐圧やシステム全体としての耐圧を考慮し、キャパシタ45を充電可能な範囲においては、キャパシタ側駆動モードとし、回生電力をキャパシタ45に優先的に供給してキャパシタ45を充電する。耐圧等によりキャパシタ45の充電余力がなくなった場合、バッテリ側駆動モードとし、回生電力によりバッテリ41を充電する。
これにより、充放電の繰り返しによるバッテリ41の劣化を抑制することができる。
なお、キャパシタ45やシステム全体としての耐圧、MG10の回転数やトルクによっては、両側駆動モードとし、回生電力によりバッテリ41およびキャパシタ45が共に充電されるようにしても、もちろんよい。
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と接続される。
制御部60は、信号生成部61、および、信号変換部62を有する。信号生成部61は、SW素子21〜26、31〜36のオンオフ作動に係る制御信号を生成する。信号変換部62は、制御信号をキャパシタ電圧Vcに応じて変換する。
また、キャパシタ45は、バッテリ41と比較し、充放電の繰り返しによる劣化が小さい。そのため、充放電の繰り返しの一部をキャパシタ45にて行うことにより、バッテリ41の寿命を延ばすことができる。
本実施形態では、信号生成部61が「信号生成手段」を構成し、信号変換部62が「信号変換手段」を構成する。
本発明の第2実施形態を図14に示す。
図14は、駆動モードの決定に係る第1マップを示している。
本実施形態の第1マップは、実線T12と実線T13との間の領域Cが、破線T31および破線T32により、3つの領域に分けられている点が上記実施形態と異なる。
本実施形態では、MG10の回転数およびトルクが破線T31と実線T13との領域C1である場合、両側PWM制御モードとする。両側PWM制御モードでは、第1インバータ部20および第2インバータ部30は、キャリア波および位相が反転された基本波に基づき、PWM制御される。
すなわち、本実施形態では、MG10の回転数およびトルクが領域C2および領域C3である場合、矩形波制御併用モードとする。
また、図14では、第1マップについて説明したが、第2マップについても同様である。
高回転数、高トルクを出力する矩形波制御併用モードにおいて、第1インバータ部20および第2インバータ部30の少なくとも一方を矩形波制御としている。これにより、第1インバータ部20および第2インバータ部30を共にPWM制御する場合と比較し、矩形波制御される側のインバータ部を構成するSW素子のスイッチング回数が少なくなるので、スイッチング損失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。
本発明の第3実施形態を図15および図16に基づいて説明する。
図15に示すように、本実施形態の電力変換装置2は、2つのキャパシタ46、47を備える。キャパシタ46、47は、上記実施形態のキャパシタ45と同等のものとする。
キャパシタ46とキャパシタ47との間には、スイッチ部70が設けられ、キャパシタ46、47の直並列を切り替え可能に構成される。本実施形態では、キャパシタ46、47およびスイッチ部70がキャパシタ部50を構成する。
開閉器71、73をオン、開閉器72をオフすると、キャパシタ46、47は、並列接続される。また、開閉器72をオン、開閉器71、73をオフすると、キャパシタ46、47は、直列接続される。
キャパシタ電圧Vc1、Vc2は、制御部60へ出力される。
ここで、信号生成部61にて実行される駆動モード制御処理を図16に基づいて説明する。この処理は、例えば、イグニッション電源がオンされているときに、所定の間隔で実行される。
S202では、キャパシタ電圧Vc1、Vc2が所定値Vref以上か否かを判断する。キャパシタ電圧Vc1、Vc2が所定値Vref以上であると判断された場合(S202:YES)、S203へ移行する。キャパシタ電圧Vc1、Vc2が所定値Vref未満であると判断された場合(S202:NO)、S205へ移行する。
S204では、キャパシタ46、47は並列接続されているので、キャパシタ電圧Vc1またはキャパシタ電圧Vc2を、キャパシタ部50としての電圧であって上記実施形態のキャパシタ電圧Vcとみなし、図11中のS103と同様、第1マップを参照し、駆動モードを選択する。
S206では、開閉器72をオン、開閉器71、73をオフし、キャパシタ46、47を直列接続し、S207へ移行する。
なお、S206およびS207では、両側駆動モードは、第2実施形態のように、矩形波制御併用モードを含むようにしてもよい。
本実施形態では、複数のキャパシタ46、47を有するので、回生時の電力を高効率にキャパシタ46、47側に蓄えることができる。
また、信号生成部61は、キャパシタ電圧Vc1、Vc2に基づき、開閉器71、72、73の開閉状態を制御する。
これにより、キャパシタ電圧Vc1、Vc2が低下し、駆動に必要な電圧が得られない場合、キャパシタ46、47を直列接続状態に切り替えることにより、キャパシタ部50側から印加可能な電圧を高めることができる。
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、信号生成部61が「開閉制御手段」を構成する。
本発明の第4実施形態による電力変換装置を図17に示す。
本実施形態の電力変換装置3のキャパシタ部51において、開閉器71と直列にインダクタ76が接続される。同様に、開閉器72と直列にインダクタ77が接続され、開閉器73と直列にインダクタ78が接続される。
キャパシタ部51は、インダクタ76〜78が設けられる点を除き、第3実施形態のキャパシタ部50と同様である。
電力変換装置3は、開閉器71、72、73と直列に接続されるインダクタ76、77、78を備える。インダクタ76〜78を設けることにより、開閉器71〜73のオンオフの切り替えに伴うサージ電圧を平滑化することができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第5実施形態による電力変換装置を図18に示す。
本実施形態の電力変換装置4は、第1実施形態の電力変換装置1の構成に加え、第3インバータ部300を備える。
第3インバータ部300は、3相インバータであり、MG10とは別途に設けられるモータ210のコイル211、212、213への通電を切り替えるべく、6つのスイッチング素子301〜306がブリッジ接続される。
モータ210は、車両主機および車両補機の駆動に係るどのようなモータであってもよい。瞬間的な大電流を供給可能なキャパシタ45の特性を考慮すると、モータ210には、例えばスタータモータ等が好適に適用される。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
上記第3実施形態および第4実施形態では、キャパシタは2つである。他の実施形態では、キャパシタをn(nは2以上の自然数)個とし、スイッチを(n+1)個以上とし、キャパシタが直列に接続される状態と並列に接続される状態とを切り替えるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、キャパシタは、バッテリまたはMGの回生により充電される。他の実施形態では、キャパシタは、外部電源から充電可能に構成してもよい。
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
20:第1インバータ部
21〜26:SW素子(第1スイッチング素子)
30:第2インバータ部
31〜36:SW素子(第2スイッチング素子)
41:バッテリ
45、46、47:キャパシタ
48、49:電圧検出部
60:制御部
Claims (6)
- 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、2、3、4)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)と接続される第2インバータ部(30)と、
前記第1インバータ部を経由して前記モータジェネレータと電力を授受可能に設けられるバッテリ(41)と、
前記第2インバータ部を経由して前記モータジェネレータと電力を授受可能に設けられるキャパシタ(45、46、47)と、
前記キャパシタの両端電圧であるキャパシタ電圧を検出する電圧検出部(48、49)と、
前記第1スイッチング素子および第2スイッチング素子のオンオフ作動に係る制御信号を生成する信号生成手段(61)を有する制御部(60)と、
を備え、
前記信号生成手段は、前記バッテリの電圧および前記キャパシタ電圧に応じ、前記キャパシタが充放電されるキャパシタ側駆動モード、前記バッテリが充放電されるバッテリ側駆動モード、前記キャパシタおよび前記バッテリが充放電される両側駆動モード、および、前記バッテリの電力により前記キャパシタを充電するキャパシタ充電モードを選択し、選択された駆動モードに応じて前記制御信号を生成し、
前記キャパシタ側駆動モードは、前記第1インバータ部を中性点化する片側電源駆動であり、
前記バッテリ側駆動モードは、前記第2インバータ部を中性点化する片側電源駆動であり、
前記両側駆動モードでは、位相が反転された基本波に基づいて前記第1インバータおよび前記第2インバータを制御し、
前記キャパシタ充電モードは、同位相の基本波に基づいて前記第1インバータおよび前記第2インバータを制御することを特徴とする電力変換装置。 - n(nは2以上の自然数)個の前記キャパシタ(46、47)に対し、前記キャパシタが直列に接続される状態と並列に接続される状態とを切り替え可能に設けられる(n+1)個以上の開閉器(71、72、73)を備えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置(2、3)。
- 前記開閉器と直列に接続されるインダクタ(76、77、78)を備えることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置(3)。
- 前記制御部は、前記キャパシタ電圧に基づき、前記開閉器の開閉状態を制御する開閉制御手段(61)を有することを特徴とする請求項2または3に記載の電力変換装置。
- 前記両側駆動モードは、
前記第1インバータ部および前記第2インバータ部をともにPWM制御する両側PWM制御モード、および、前記第1インバータ部および前記第2インバータ部の少なくとも一方を矩形波制御する矩形波制御併用モードから構成され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。 - 前記キャパシタに対して並列に接続され、前記モータジェネレータとは別のモータ(210)へ供給される電力を切り替える第3インバータ部(300)を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の電力変換装置(4)。
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