JP7021930B2

JP7021930B2 - 回転電機の駆動装置

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Publication number: JP7021930B2
Application number: JP2017243047A
Authority: JP
Inventors: 悠二伊藤; 素嘉八田; 宏治川崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: JP2019110697A

Description

本発明は、回転電機の駆動装置に関し、特に、スイッチング素子を含むインバータを備えた駆動装置に関する。

従来、回転電機を駆動力源として用いる電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両が知られている。このような電動車両には、回転電機を駆動するための駆動装置が搭載される。駆動装置は、バッテリと、スイッチング素子を含むインバータとを含んで構成される。スイッチング素子がスイッチング動作することにより、インバータにおいて直流と交流との間で電力が変換される。これにより、バッテリからの直流電流を交流電流に変換して回転電機に供給すると共に、回転電機からの交流電流を直流電流に変換してバッテリに供給することができる。

インバータに含まれるスイッチング素子がスイッチング動作することにより、直流電流に電流リプルが生じる。電流リプルは、スイッチング素子のスイッチング周波数に応じた周波数を有する脈動である。バッテリとインバータとの間に昇圧コンバータを持たない駆動装置においては、インバータからの電流リプルが直接バッテリに印加され、これによりバッテリの劣化などの問題が生じ得る。

通常、インバータの直流側の正極と負極との間には、電流リプルを抑制するための平滑コンデンサが設けられている。しかしながら、近年、スイッチング損失の低減あるいは発熱量の低減などの観点から、インバータのスイッチング周波数を低下させられる場合があり、インバータのスイッチング周波数の低下に伴って電流リプルの周波数が低下し、それにより平滑コンデンサでは電流リプルを抑制しきれない場合があった。

従来、インバータにおいて生じる電流リプルを抑制するための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、平滑コンデンサの静電容量と、バッテリ内部のインダクタンスあるいはバッテリとインバータ間の配線が有するインダクタンスとの共振が、電流リプルを増幅させる主要因であることを挙げ、電流リプル周波数が当該共振の共振周波数と重ならないように、インバータのスイッチング周波数を設定する技術が開示されている。

特許第６００４０８６号公報

電流リプルを抑制するためにインバータのスイッチング周波数を増加させた場合、インバータにおける発熱量が増加するという問題が生じる。これにより、インバータを冷却すべくラジエータなどの冷却回路が必要になり、コストが増加することになる。また、スイッチング周波数の増加により、スイッチング損失が増加するという問題も指摘できる。

一方、電流リプルをより抑制するために、平滑コンデンサの静電容量を増加させるという方法がある。しかしながら、平滑コンデンサは、スペースが限られたエンジンルームに設けられることが一般的であり、平滑コンデンサの静電容量を増加させると平滑コンデンサの体格が大きくなることから、平滑コンデンサの静電容量を増加させることは困難であるという事情がある。

本発明の目的は、平滑コンデンサの静電容量及びインバータのスイッチング周波数を増加させることなく、バッテリに入力される電流リプルを抑制することにある。

本発明は、回転電機の駆動装置であって、バッテリと、前記バッテリの内部に配線されたバスバと、前記バッテリと前記回転電機との間に設けられ、スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって直流と交流との間で電力を変換するインバータと、前記インバータの直流側の正極と負極との間に接続された平滑コンデンサと、前記バッテリに取り付けられるとともに、電気的に少なくとも前記バスバよりも前記平滑コンデンサ側に設けられ、前記バッテリの正極と負極との間に接続されたバッテリ側コンデンサと、を備えることを特徴とする回転電機の駆動装置である。
また、本発明は、回転電機の駆動装置であって、バッテリと、前記バッテリの内部に設けられたシステムメインリレーと、前記バッテリと前記回転電機との間に設けられ、スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって直流と交流との間で電力を変換するインバータと、前記インバータの直流側の正極と負極との間に接続された平滑コンデンサと、前記バッテリに取り付けられるとともに、前記システムメインリレーよりも電気的に前記インバータ側に設けられ、前記バッテリの正極と負極との間に接続されたバッテリ側コンデンサと、を備えることを特徴とする回転電機の駆動装置である。
また、前記平滑コンデンサに比して、前記バッテリ側コンデンサの静電容量が大きいとよい。

上記構成によれば、バッテリに印加されるインバータからの電流リプルは、バッテリ側コンデンサの平滑効果あるいは分流効果によって抑制される。

本発明によれば、平滑コンデンサの静電容量及びインバータのスイッチング周波数を増加させることなく、バッテリに入力される電流リプルを抑制することができる。

本実施形態に係る回転電機の駆動装置の構成概略図である。電流リプルが抑制される様子を示す図である。電流リプルの周波数と増幅率との関係を示すグラフである。バッテリの内部抵抗と内部インピーダンスを詳細に示した図である。バッテリ内部にシステムメインリレーが設けられた場合における駆動装置の構成概略図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１には、回転電機ＭＧと、回転電機ＭＧを駆動するための本実施形態に係る駆動装置との構成概略図が示されている。本実施形態においては、回転電機ＭＧ及び駆動装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車などの電動車両に設けられる。

電動車両の駆動力源である回転電機ＭＧは、複数相（本実施形態では３相）の交流により動作する交流回転電機であり、電動機としても発電機としても機能することができる。本実施形態における回転電機ＭＧは、エンジンルーム内に配置される。

駆動装置は、バッテリ１０、インバータ１２、正極電力線Ｐ、負極電力線Ｎ、制御装置１４、ドライブ回路１６、平滑コンデンサ１８、及びバッテリ側コンデンサ２０を含んで構成される。

バッテリ１０は、直流電流を出力する二次電池であり、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などである。バッテリ１０は、複数の電池セル２２、バッテリ１０内部の配線であるバスバ、正極側出力端子１０ｐ、及び負極側出力端子１０ｎを含んで構成されている。バッテリ１０は、２００～４００［Ｖ］程度の高電圧を出力可能となっている。また、バッテリ１０は、電動車両の航続距離を伸ばすべく、バッテリ容量が大容量となっている。

バッテリ１０には、内部抵抗（抵抗成分）２４や内部インダクタンス（誘導成分）２６を含む内部インピーダンスが存在する。内部抵抗２４には、電池セル２２に起因して生じる抵抗と、バスバに起因して生じる抵抗がある。電池セル２２に起因する抵抗としては、例えば複数の電池セル２２を直列に接続したことにより生じる抵抗（電池セル２２間の接触抵抗）などがある。バスバに起因して生じる抵抗とは、例えばバスバ自体の電気抵抗がある。内部インダクタンス２６も、内部抵抗２４と同様に、電池セル２２に起因して生じるインダクタンスと、バスバに起因して生じるインダクタンスがある。図１では、これらをまとめて内部抵抗２４及び内部インダクタンス２６として示している。

本実施形態においては、バッテリ１０は、電動車両の前後方向中央（例えばフロア下）あるいは後方（後部座席の下やラゲッジルームの下）に配置される。

正極電力線Ｐは、バッテリ１０の正極側出力端子１０ｐとインバータ１２の正極とを接続するラインである。また、負極電力線Ｎは、バッテリ１０の負極側出力端子１０ｎとインバータ１２の負極とを接続するラインである。正極電力線Ｐ及び負極電力線Ｎは、電力線抵抗２８及び電力線インダクタンス３０を有している。なお、図１においては、電力線抵抗２８が、正極電力線Ｐの抵抗と負極電力線Ｎの抵抗の双方を表し、電力線インダクタンス３０が、正極電力線Ｐのインダクタンスと負極電力線Ｎのインダクタンスの双方を表している。

本実施形態では、バッテリ１０が大容量であるために、バッテリ１０のバスバが複雑化あるいは大規模化している。これにより、バッテリ１０の内部抵抗２４は電力線抵抗２８よりも大きくなり、内部インダクタンス２６も電力線インダクタンス３０よりも大きくなっている。特に、内部インダクタンス２６は電力線インダクタンス３０の数倍となっている。

インバータ１２は、バッテリ１０と回転電機ＭＧとの間に設けられる。インバータ１２は、複数のスイッチング素子３２を含んで構成される。スイッチング素子３２としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのパワー半導体素子が用いられる。複数のスイッチング素子３２により、回転電機ＭＧの各相に対応する複数のアームが構成される。図１に示すように、直流側の正極である正極電力線Ｐと、直流側の負極である負極電力線Ｎとの間に２つのスイッチング素子３２が直列に接続されて１つのアームが構成され、そのようなアームが３つ構成される。なお、各スイッチング素子３２に対してはフリーホイールダイオード（回生ダイオード）３４が並列に接続される。

複数のスイッチング素子３２がスイッチング動作することによって、バッテリ１０からの直流電流が３相の交流電流に変換されて回転電機ＭＧに供給される。また、複数のスイッチング素子３２がスイッチング動作することによって、回転電機ＭＧが発電した交流電流が直流電流に変換されてバッテリ１０に供給される。

インバータ１２は、回転電機ＭＧと共に電動車両のエンジンルームに配置される。

制御装置１４は、マイクロコンピュータなどから構築されたＥＣＵ（Electronic Control Unit）を含んで構成されている。制御装置１４は、複数のスイッチング素子３２をオンあるいはオフさせるための制御信号を生成してインバータ１２に供給することで複数のスイッチング素子３２のスイッチング制御を行う。制御装置１４は、上位の制御部（不図示）からの要求信号(例えば回転電機ＭＧの動作指示)とキャリア信号（例えば三角波）とに基づいて、制御信号を生成する。ちなみに、複数のスイッチング素子３２のスイッチング周波数は、キャリア信号の周波数に応じて決定される。

ドライブ回路１６は、例えば増幅回路、及びフォトカプラあるいはトランスなどの絶縁素子を含んで構成される。ドライブ回路１６は、低電圧系の制御装置１４からの制御信号を高電圧系の制御信号に変換して各スイッチング素子３２に供給する。

複数のスイッチング素子３２がスイッチング動作することで、正極電力線Ｐに電流リプルが発生する。電流リプルは、スイッチング素子３２のスイッチング周波数に応じた周波数を有する脈動である。

平滑コンデンサ１８は、インバータ１２の直流側の正極（すなわち正極電力線Ｐ）と、負極（すなわち負極電力線Ｎ）との間に接続される。平滑コンデンサ１８は複数のスイッチング素子３２のスイッチング動作により生じた電流リプルを抑制する効果を発揮する。しかしながら、特に、複数のスイッチング素子３２のスイッチング周波数が低い場合には、インバータ１２により生じた電流リプルは平滑コンデンサ１８では吸収しきれずバッテリ１０側へ伝播する場合がある。

平滑コンデンサ１８は、回転電機ＭＧ及びインバータ１２と共に、電動車両のエンジンルームに配置される。

平滑コンデンサ１８が設けられたことで、電池セル２２の負極→負極電力線Ｎ→平滑コンデンサ１８→正極電力線Ｐ→電池セル２２の正極の直列回路Ｃが形成される。直列回路Ｃは、平滑コンデンサ１８、内部インダクタンス２６、及び電力線インダクタンス３０を有していることから、電流リプルの周波数によっては、直列回路Ｃは直列共振回路となり得る。上述の通り、内部インダクタンス２６の大きさは電力線インダクタンス３０の大きさよりも数倍大きくなっているために、直列回路Ｃにおける平滑コンデンサ１８との共振の主要因は内部インダクタンス２６となる。つまり、電流リプルの周波数が平滑コンデンサ１８と内部インダクタンス２６との共振周波数に近い場合、共振によって電流リプルが増幅されてしまい、増幅された電流リプルがバッテリ１０（特に電池セル２２）に印加されることになる。

バッテリ１０に印加されるインバータ１２からの電流リプルを抑制するために、バッテリ側コンデンサ２０が設けられる。バッテリ側コンデンサ２０は、バッテリ１０に取り付けられ、バッテリ１０の正極と負極との間に接続される。詳しくは後述するように、好適には、バッテリ側コンデンサ２０は正極側出力端子１０ｐと負極側出力端子１０ｎに接続される。

図２には、バッテリ１０に印加されるインバータ１２からの電流リプルが抑制される様子が示されている。図２においては、インバータ１２からバッテリ１０側へ流れる電流に重畳した電流リプルがＩｉｎｖで示され、その波形４０が示されている。また、バッテリ１０を流れる電流に重畳した電流リプルがＩｂａｔで示され、その波形４２が示されている。

バッテリ側コンデンサ２０が設けられることにより、Ｉｉｎｖの少なくとも一部がバッテリ側コンデンサ２０に吸収される。図２には、バッテリ側コンデンサ２０に吸収された電流リプルがＩｃａｐで示され、その波形４４が示されている。これにより、バッテリ１０に流れる電流に重畳するＩｂａｔが抑制される。このように、バッテリ側コンデンサ２０の平滑効果あるいは分流効果によって、バッテリ１０に印加されるインバータ１２からの電流リプルＩｂａｔが抑制される。

バッテリ側コンデンサ２０は、上述の通りバッテリ１０に取り付けられることから、バッテリ１０と共に、電動車両の前後方向中央あるいは後方に配置される。これらの位置は、平滑コンデンサ１８が配置されるエンジンルームに比してスペースに余裕がある。したがって、平滑コンデンサ１８に比して、バッテリ側コンデンサ２０は、その静電容量を大きくする場合にスペース的な制約が少ないといえる。バッテリ側コンデンサ２０の静電容量をより大きくすることによってＩｂａｔがより低減される。また、スペース的に制約が少ないことから、静電容量が小さい小容量コンデンサを並列に接続したものをバッテリ側コンデンサ２０として利用することができる。この場合、小容量コンデンサの量産効果によってバッテリ側コンデンサ２０のコストを低減することができる。

図３には、バッテリ側コンデンサ２０を設けた場合とそうでない場合との間で、電流リプルの増幅率（Ｉｂａｔ／Ｉｉｎｖ）を比較したシミュレーション結果が示されている。図３のグラフは横軸が電流リプルの周波数を示し、縦軸が電流リプルの増幅率を示している。電流リプルの増幅率は、グラフの縦方向中央が１となっており、すなわちＩｂａｔ＝Ｉｉｎｖを意味している。それよりも上側はＩｂａｔがＩｉｎｖに対して増幅していることを意味し、それよりも下側はＩｂａｔがＩｉｎｖに対して減衰していることを意味する。特に、電流リプルの周波数が直列回路Ｃ（図１参照）の共振周波数に近い周波数である場合には、電流リプルの増幅率が大きくなっている。

図３に示される通り、バッテリ側コンデンサ２０を設けたことにより、電流リプルの増幅率が低減されている。すなわち、バッテリ１０に印加される電流リプルが抑制されている。

図４には、バッテリ１０の内部抵抗２４及び内部インダクタンス２６（共に図１参照）の詳細が示された図である。具体的には、内部抵抗２４は、電池セル２２に起因して生じる抵抗である電池セル抵抗２４ａとバスバに起因して生じる抵抗であるバスバ抵抗２４ｂに分けて表現されている。同様に、内部インダクタンス２６は、電池セル２２に起因して生じるインダクタンスである電池セルインダクタンス２６ａとバスバに起因して生じるインダクタンスであるバスバインダクタンス２６ｂに分けて表現されている。

仮に、電池セル２２の正極端子２２ｐと負極端子２２ｎとの間にバッテリ側コンデンサ２０（図４においてはバッテリ側コンデンサ２０ａで示されている）を接続したと考えると、バッテリ側コンデンサ２０ａよりもインバータ１２側にバスバインダクタンス２６ｂと平滑コンデンサ１８が位置することになる。これにより、インバータ１２からの電流リプルは、バッテリ側コンデンサ２０ａにより低減される前に、平滑コンデンサ１８とバスバインダクタンス２６ｂとによる共振により増幅されることになる。すなわち、バッテリ側コンデンサ２０ａと平滑コンデンサ１８との間にインダクタンスが存在すると、当該インダクタンスと平滑コンデンサ１８の共振により電流リプルが増幅されてしまうことになる。

したがって、平滑コンデンサ１８とバッテリ側コンデンサ２０との間のインダクタンスをより小さくするために、バッテリ側コンデンサ２０は、電気的に見てできるだけ平滑コンデンサ１８側（インバータ１２側）に設けられるのが好ましい。一方で、物理的に見れば、バッテリ側コンデンサ２０の静電容量をより大きくするために、バッテリ側コンデンサ２０は、電動車両の中央あるいは後方にバッテリ１０と共に配置するのが好ましい。この両者の観点から、バッテリ側コンデンサ２０は、バッテリ１０に取り付けられ、電気的に見て少なくともバスバよりも平滑コンデンサ１８側（インバータ１２側）に設けられるのが好ましい。より好適には、図１に示すように、バッテリ側コンデンサ２０は、正極側出力端子１０ｐと負極側出力端子１０ｎに接続される。

図５には、バッテリがシステムメインリレーを含む場合の回転電機ＭＧの駆動装置の構成外略図が示されている。図５の例では、バッテリ１０－２は、システムメインリレー５０を有している。また、バッテリ１０－２は、システムメインリレー５０と並列に接続されたプリチャージリレー５２及びプリチャージ抵抗５４を有している。プリチャージリレー５２及びプリチャージ抵抗５４は、平滑コンデンサ１８及びバッテリ側コンデンサ２０をプリチャージするためのものである。

バッテリ１０－２がシステムメインリレー５０を有する場合、バッテリ側コンデンサ２０は、システムメインリレー５０よりも電気的にインバータ１２側に設けられるのが好ましい。これにより、システムメインリレー５０がオフとなった場合に、バッテリ側コンデンサ２０に蓄えられた電力を正極電力線Ｐ及び負極電力線Ｎを介して速やかに放電することができ、電動車両の安全を確保することができる。

上述のように、本実施形態においては、バッテリ側コンデンサ２０によって、バッテリ１０に印加されるインバータ１２からの電流リプルが抑制される。すなわち、本実施形態によれば、平滑コンデンサ１８の静電容量を増加させることなく、あるいは、複数のスイッチング素子３２のスイッチング周波数を増加させることなく、バッテリ１０に印加されるインバータ１２からの電流リプルを抑制することができる。

以上、本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

１０，１０－２バッテリ、１０ｐ正極側出力端子、１０ｎ負極側出力端子、１２インバータ、１４制御装置、１６ドライブ回路、１８平滑コンデンサ、２０バッテリ側コンデンサ、２２電池セル、２２ｐ正極端子、２２ｎ負極端子、２４内部抵抗、２４ａ電池セル抵抗、２４ｂバスバ抵抗、２６内部インダクタンス、２６ａ電池セルインダクタンス、２６ｂバスバインダクタンス、２８電力線抵抗、３０電力線インダクタンス、３２スイッチング素子、３４フリーホイールダイオード、４０，４２，４４波形、ＭＧ回転電機、Ｐ正極電力線、Ｎ負極電力線。

Claims

回転電機の駆動装置であって、
バッテリと、
前記バッテリの内部に配線されたバスバと、
前記バッテリと前記回転電機との間に設けられ、スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって直流と交流との間で電力を変換するインバータと、
前記インバータの直流側の正極と負極との間に接続された平滑コンデンサと、
前記バッテリに取り付けられるとともに、電気的に少なくとも前記バスバよりも前記平滑コンデンサ側に設けられ、
前記バッテリの正極と負極との間に接続されたバッテリ側コンデンサと、
を備えることを特徴とする回転電機の駆動装置。
回転電機の駆動装置であって、
バッテリと、
前記バッテリの内部に設けられたシステムメインリレーと、
前記バッテリと前記回転電機との間に設けられ、スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって直流と交流との間で電力を変換するインバータと、
前記インバータの直流側の正極と負極との間に接続された平滑コンデンサと、
前記バッテリに取り付けられるとともに、前記システムメインリレーよりも電気的に前記インバータ側に設けられ、前記バッテリの正極と負極との間に接続されたバッテリ側コンデンサと、
を備えることを特徴とする回転電機の駆動装置。
前記平滑コンデンサに比して、前記バッテリ側コンデンサの静電容量が大きい、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の駆動装置。