JP6723410B1 - 電力変換装置およびこれを用いた電動化車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】余剰電力を消費させる消費動作において、電力変換装置の電流指令手段の効率に応じた電流指令値の設定が不要で、工数が多くならない電力変換装置及びこれを用いた電動化車両を提供する。【解決手段】三相交流回転機２と直流電源３との間に接続され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置１において、電力変換装置の電流指令手段に入力される直流電源の直流電圧値を効率指標に基づいて補正し、この補正された直流電圧値とトルク指令値に基づいて電流指令手段が出力する電流指令値を変化させることにより、電力変換装置と三相交流回転機の効率を制御する。【選択図】図１

Description

本願は、電力変換装置およびこれを用いた電動化車両に関するものである。
三相交流回転機（以下、この項においては、交流モータと称す）を駆動力源とする電気自動車、またはハイブリッド自動車などの電動化車両が知られている。この電動化車両では、走行時に交流モータを力行運転して走行駆動トルクを発生させ、制動時に回生運転して回生制動トルクを発生させている。
ここで、電動化車両の駆動システムは、リチウムイオンバッテリ等の二次電池からなる直流電源と、直流電源に接続される電力変換装置と、電力変換装置に負荷として接続された交流モータとから構成される。
電力変換装置は、コンデンサと複数の半導体スイッチと半導体スイッチを制御する制御手段とからなる。複数の半導体スイッチを所定のスイッチング周波数でオンまたはオフすることにより、直流電源の直流電力を交流電力に変換して、交流モータのトルクおよび回転数を調節する。また、交流モータは、動作状況によっては発電機として動作し、発電によって生じる回生電力を直流電源に充電する。
交流モータからの回生電力を電力変換装置で直流電圧に変換して直流電源の充電に用いる際、直流電源側で受け入れ可能な電力を超えて交流モータが発電することにより余剰電力が発生し、過大な回生電力によりモータ駆動システム内部に過電圧が発生してしまう可能性がある。従って必要に応じて交流モータでの回生エネルギーの消費を増大させて、直流電源側への回生電力を抑制する必要がある。この場合に、同一のトルク指令値に対し、効率が高い電流指令値と効率が低い電流指令値を設定し、余剰電力を消費させる消費動作を任意に設定することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１５１３３６号公報
特許文献１で提案された電力変換装置では、電流指令手段に効率に応じた電流指令値の設定が必要である。その場合、同じトルク指令値に基づいて、効率が高い場合の電流指令値と効率が低い場合の電流指令値を電流指令手段に設定する必要があり、工数が多くなり、設定に時間がかかる欠点がある。
本願は、電流指令手段に、効率に応じた電流指令値のあらかじめの設定が不要で、工数を抑制しつつ、電力変換装置と三相交流回転機の効率を低下させ、損失を増加させることを目的とする。
本願に開示される電力変換装置は、
三相交流回転機と直流電源との間に接続され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
直流電源の直流電圧値を第１の直流電圧値として出力する直流電圧値取得手段と、
第１の直流電圧値と効率指標に基づいて、第２の直流電圧値を出力する直流電圧値補正手段と、
第２の直流電圧値とトルク指令値に基づいて、電流指令値を出力する電流指令手段と、
電流指令値と前記三相交流回転機の相電流値に基づいて、相電圧指令値を出力する電流制御手段と、
相電圧指令値に基づいて、直流電源の直流電力を交流電力に変換して、三相交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備え、
直流電圧値補正手段は、効率指標に基づいて電圧補正値を出力する第１の演算部と、第１の直流電圧値と電圧補正値に基づいて、第２の直流電圧値を出力する第２の演算部とを有し、
効率指標は、オンまたはオフの信号であり、電圧補正値は固定値であり、オンまたはオフの切り替えの際、固定値に基づいて、第１の直流電圧値を補正することを特徴とするものである。
また、本願に開示される電力装置は、
三相交流回転機と直流電源との間に接続され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
直流電源の直流電圧値を第１の直流電圧値として出力する直流電圧値取得手段と、
第１の直流電圧値と効率指標に基づいて、第２の直流電圧値を出力する直流電圧値補正手段と、
第２の直流電圧値とトルク指令値に基づいて、電流指令値を出力する電流指令手段と、
電流指令値と前記三相交流回転機の相電流値に基づいて、相電圧指令値を出力する電流制御手段と、
相電圧指令値に基づいて、直流電源の直流電力を交流電力に変換して、三相交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備え、
直流電圧値補正手段は、効率指標に基づいて電圧補正値を出力する第１の演算部と、第１の直流電圧値と電圧補正値に基づいて、第２の直流電圧値を出力する第２の演算部とを有し、
効率指標は、電力変換装置と三相交流回転機を合わせたシステム効率を示す指令値であり、第１の演算部は、この指令値に応じた電圧補正値を出力することを特徴とするものである。
本願に開示される電力変換装置によれば、電流指令手段に効率指標に応じた電流指令値の設定をすることなく、トルク指令値と効率指標に基づいて、電流指令値を変化させ、電力変換装置と三相交流回転機の効率を制御することができる。
実施の形態１による電力変換装置と三相交流回転機の概略構成図である。 実施の形態１による直流電圧値補正手段の概略構成図である。 実施の形態１による第２の演算部の概略構成図である。 実施の形態１による電力変換装置のハードウエア構成図である。 実施の形態１による第１の直流電圧値の電圧制限楕円と第２の直流電圧値の電圧制限楕円に基づいた等トルク線上の電流動作点の遷移を説明する図である。 実施の形態２による電力変換装置と三相交流回転機の概略構成図である。 実施の形態３による電動化車両の概略構成図である。
以下、本願に係る電力制御装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施の形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１と、電力変換装置１に接続された三相交流回転機２、および直流電源３の概略構成図である。
電力変換装置１は、直流電源３の直流電圧値を生成する直流電圧値生成手段４、直流電圧値生成手段４より、直流電圧値を取得し、第１の直流電圧値５１を出力する直流電圧値取得手段５、外部からの効率指標１００に基づいて第１の直流電圧値５１を第２の直流電圧値６１に補正する直流電圧値補正手段６、外部からのトルク指令値２００に基づいて電流指令値７１を出力する電流指令手段7、電流指令手段７から出力された電流指令値７１と三相交流回転機２に入力される相電流値９１に応じて相電圧指令値８１を出力する電流制御手段８、外部の直流電源３の直流電圧値３１を、スイッチング素子を制御することにより交流電圧に変換し、三相交流回転機２に印加する電圧印加手段９、によって構成される。
このように構成された電力変換装置１においては、直流電圧値３１とトルク指令値２００において、電力変換装置１と三相交流回転機２が最も効率が高くなる電流指令値７１のみを電流指令手段７に設定し、効率指標１００に応じて電流指令手段７に入力される第２の直流電圧値６１のみを補正し、同じトルク指令値２００に基づいて、電流指令値７１を変化させる。
図１の構成により、効率指標に応じた電流指令手段７の電流指令値をあらかじめ設定することなく、直流電圧値補正手段６によって、効率指標１００に基づいて第１の直流電圧値５１を第２の直流電圧値６１に補正でき、電流指令手段７が出力する電流指令値７１を変化させることで、電力変換装置１と三相交流回転機２の効率を操作することができる。
また、図２は直流電圧値補正手段６の概略構成図である。直流電圧値補正手段６は、効率指標１００に基づいて電圧補正値６０を出力する第１の演算部６０１と、第１の直流電圧値５１と電圧補正値６０に基づいて第２の直流電圧値６１を出力する第２の演算部６０２によって構成される。
図２のように構成された直流電圧値補正手段６においては、効率指標１００に基づいて、第１の演算部６０１が電圧補正値６０を出力し、電圧補正値６０と第１の直流電圧値５１に基づいて第２の演算部６０２が第２の直流電圧値６１を出力する。したがって、図２の構成により、効率指標１００に基づいて、容易に第１の直流電圧値５１を第２の直流電圧値６１に補正することができる。
また、図３は第２の演算部６０２の概略構成図である。第２の演算部６０２は第１の直流電圧値５１と電圧補正値６０の減算を実施し、第２の直流電圧値を出力する減算部６２１によって構成される。
電力変換装置のハードウエアの一例を図４に示す。プロセッサ３００と記憶装置４００から構成され、図示していないが、記憶装置はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ３００は、記憶装置４００から入力されたプログラムを実行することにより電流指令値７１を変化させ、電圧印加手段９のスイッチング素子を制御する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ３００にプログラムが入力される。また、プロセッサ３００は、演算結果等のデータを記憶装置４００の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。また、効率指標１００、トルク指令値２００は、外部から入力されてもよいし、記憶装置４００に記憶されていてもよい。また、後述するが、効率指標１００が２値など、切替える値が少ない場合は、直流電圧値補正手段６などの一部の手段をアナログ回路または論理回路で構成してもよい。
図５は直流電圧値取得手段５が出力した第１の直流電圧値５１の電圧制限楕円から直流電圧値補正手段６が出力した第２の直流電圧値６１の電圧制限楕円に補正した場合の等トルク曲線状の電流動作点の遷移図である。第２の直流電圧値６１とトルク指令値２００に応じて、電力変換装置１と三相交流回転機２が最も効率が高くなる電流指令値を電流指令手段７に設定する。しかし、図２および図３のように構成された第２の演算部６０２においては、減算部６２１により、第１の直流電圧値５１を効率指標１００に基づいて第２の直流電圧値６１に減少させる。このため、図５に示す通り、第１の直流電圧値５１の電圧制限楕円より、第２の直流電圧値６１の電圧制限楕円のほうが小さくなり、等トルク曲線状の電流動作点は取り得る範囲は小さくなり遷移する。よって、同じトルク指令値において、電流指令手段７に設定する電流指令値は増加する。
ここで、効率指標１００は オン、オフの切り替え、もしくは効率指令値のどちらで与えてもよい。また、第１の演算部６０１は、固定値を設定しても、テーブルにより値を設定してもよい。
効率指標１００をオン、オフの切り替えで与える場合を以下に説明する。効率指標１００の出力がオフの場合、第１の演算部６０１は電圧補正値＝０を出力し、第１の直流電圧値５１と第２の直流電圧値６１は等しくなる。一方で効率指標１００の出力がオンの場合、第１の演算部６０１は電圧補正値≠０を出力し、図５に示すように、第２の直流電圧値６１は第１の直流電圧値５１より小さくなるため、電流指令手段７が出力する電流指令値７１は同じトルク指令値２００、すなわち等トルク線上において遷移する。これにより、電流指令値を可変とする。
効率指標１００を効率指令値で与える場合、この効率指令値は、電力変換装置１と三相交流回転機２を合わせたシステム効率（％）を示す。この効率指令値に応じて第１の演算部６０１が電流指令手段７に入力する直流電圧値を操作することで、図５に示す第２の直流電圧値６１の電圧制限楕円を変化させる。これにより、効率指標１００が効率指令値の場合も図５に示すように、電流指令手段７が出力する電流指令値７１は同じトルク指令値２００、すなわち等トルク線上において遷移する。これにより、電流指令値を可変とする。
したがって、図１から図４の構成により、効率に応じた電流指令値のあらかじめの設定をすることなく、電流指令手段７に入力する直流電圧値を操作する簡単な構成で、トルク指令値と効率指標に基づいて、電流指令値を変化させ、電力変換装置１と三相交流回転機２の効率を操作することができる。すなわち、効率指標に基づいて、電流指令手段７に入力される第１の直流電圧値を減少させ、電流指令手段７が出力する電流指令値を増加させることにより、電力変換装置１と三相交流回転機２で、効率を低下させ、損失を増加させることができる。なお、上述した効率指標１００をオン、オフの２値で与える方が工数が減り、構成も簡単であるが、効率指標を、２値以上の効率指令値で与える方がきめ細かい制御が可能となる。
実施の形態２
なお、上記実施の形態１では、直流電源３の直流電圧を直接、電圧印加手段９に印加するように構成したが、直流電源３の直流電圧を、昇圧手段１１を介して電圧印加手段９に印加するように構成してもよい。
図６は、実施の形態２の電力変換装置１ａと三相交流回転機２と直流電源３の概略構成図である。電力変換装置１ａは直流電源３の直流電圧値を生成する直流電圧値生成手段４と、第１の直流電圧値を取得し出力する直流電圧値取得手段５と、効率指標１００に基づいて第１の直流電圧値５１を第２の直流電圧値６１に補正する直流電圧値補正手段６と、トルク指令値２００に基づいて電流指令値７１を出力する電流指令手段７と、電流指令値７１と相電流値９１に基づいて相電圧指令値８１を出力する電流制御手段８と、直流電源３の直流電圧値３１を交流電圧に変換し三相交流回転機２に交流電圧を印加する電圧印加手段９と、効率指標１００に基づいてスイッチング周波数を出力するスイッチング周波数演算手段１０と、スイッチング周波数に基づいて直流電源３の直流電圧値３１を昇圧し、電圧印加手段９に印加する昇圧手段１１によって、構成される。
図６のように構成された電力変換装置１ａにおいては、実施の形態１で説明した電流指令値７１を増加させるだけでなく、昇圧手段１１のスイッチング周波数も増加させる。これにより、単位時間あたりの昇圧手段１１のスイッチングの回数が増加するため、昇圧手段１１のスイッチング損失は増加する。
したがって、図６の構成により、スイッチング周波数を増加させることにより昇圧手段１１の効率を低下させることができる。これにより、損失を増加させることができることから、上記実施の形態１の電流指令値増加に加え、それ以上の損失を増加させることができる。なお、効率指標１００に基づいてスイッチング周波数を演算し、昇圧手段１１を制御するための構成は、実施の形態１の図４で示したのと同様、プロセッサ３００が、記憶装置４００から入力されたプログラムを実行することにより行ってもよい。なお、昇圧手段１１は、特許文献１に記載の昇降圧コンバータのようにリアクトルとスイッチング素子から構成されていてもよい。
このように、昇圧手段でも効率指標に基づいて、損失を増加させることが可能で、電力変換装置の損失をさらに増加させることができる。
実施の形態３
図７は電動化車両１２の概略構成図である。電動化車両１２は、駆動輪１３と、実施の形態１で説明した電力変換装置１または実施の形態２で説明した電力変換装置１ａと、三相交流回転機２と、直流電源３によって構成される。
図７のように構成された電動化車両１２においては、電力変換装置１と三相交流回転機２または電力変換装置１ａと三相交流回転機２の効率を低下させ、損失を増加させる。したがって、図７の構成により、三相交流回転機２の回生エネルギー消費必要時、三相交流回転機と電力変換装置の損失を増加させ、三相交流回転機２の回転速度増加を防ぎ、電動化車両乗員への不快感を低減することができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１、１ａ：電力変換装置、２：三相交流回転機、３：直流電源、４：直流電圧値生成手段、５：直流電圧値取得手段、６：直流電圧値補正手段、７：電流指令手段、８：電流制御手段、９：電圧印加手段、１０：スイッチング周波数演算手段、１１：昇圧手段、１２：電動化車両、１３：駆動輪、３００：プロセッサ、４００：記憶装置、６０１：第１の演算部、６０２：第２の演算部

Claims (5)

  1. 三相交流回転機と直流電源との間に接続され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
    前記直流電源の直流電圧値を第１の直流電圧値として出力する直流電圧値取得手段と、
    前記第１の直流電圧値と効率指標に基づいて、第２の直流電圧値を出力する直流電圧値補正手段と、
    前記第２の直流電圧値とトルク指令値に基づいて、電流指令値を出力する電流指令手段と、
    前記電流指令値と前記三相交流回転機の相電流値に基づいて、相電圧指令値を出力する電流制御手段と、
    前記相電圧指令値に基づいて、前記直流電源の直流電力を交流電力に変換して、前記三相交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
    を備え、
    前記直流電圧値補正手段は、前記効率指標に基づいて電圧補正値を出力する第１の演算部と、前記第１の直流電圧値と前記電圧補正値に基づいて、前記第２の直流電圧値を出力する第２の演算部とを有し、
    前記効率指標は、オンまたはオフの信号であり、前記電圧補正値は固定値であり、オンまたはオフの切り替えの際、前記固定値に基づいて、前記第１の直流電圧値を補正することを特徴とする電力変換装置。
  2. 三相交流回転機と直流電源との間に接続され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であって、
    前記直流電源の直流電圧値を第１の直流電圧値として出力する直流電圧値取得手段と、
    前記第１の直流電圧値と効率指標に基づいて、第２の直流電圧値を出力する直流電圧値補正手段と、
    前記第２の直流電圧値とトルク指令値に基づいて、電流指令値を出力する電流指令手段と、
    前記電流指令値と前記三相交流回転機の相電流値に基づいて、相電圧指令値を出力する電流制御手段と、
    前記相電圧指令値に基づいて、前記直流電源の直流電力を交流電力に変換して、前記三相交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、
    を備え、
    前記直流電圧値補正手段は、前記効率指標に基づいて電圧補正値を出力する第１の演算部と、前記第１の直流電圧値と前記電圧補正値に基づいて、前記第２の直流電圧値を出力する第２の演算部とを有し、
    前記効率指標は、前記電力変換装置と前記三相交流回転機を合わせたシステム効率を示す指令値であり、前記第１の演算部は、この指令値に応じた電圧補正値を出力することを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記第２の演算部は前記第１の直流電圧値と前記電圧補正値の差を出力する減算部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記効率指標に基づいて、スイッチング周波数を出力するスイッチング周波数演算手段と、前記スイッチング周波数に応じて前記直流電源の直流電圧を昇圧し、前記電圧印加手段に直流電力を給電する昇圧手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置と、
    前記三相交流回転機の出力に基づいて駆動する駆動輪と、
    を備えた電動化車両。
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