JP7187870B2 - モータシステム - Google Patents

Description

本明細書では、２つの電源と、２つのインバータを有し、２つのインバータの出力で１つのモータを駆動するモータシステムを開示する。

従来から、２つの電源と、２つのインバータとを含み、２つのインバータの出力で１つのモータを駆動するモータシステムが知られている（特許文献１参照）。このシステムでは、スター結線のモータの各相を、直列接続した２つの巻線で構成し、一方のインバータを各相の巻線端に接続し、他方のインバータを巻線同士の中間点に接続する。これにより、一方のインバータからの出力で、直列接続した２つの巻線（第１の駆動巻線）を使用してモータが駆動され、他方のインバータからの出力で中間点から内側の巻線（第２駆動巻線）を使用してモータが駆動される。

特開２０００－３２４８７１号公報

ところで、上記のシステムでは、２つの電源として２つの二次電池を備える場合に、必要に応じてそれぞれの二次電池が外部電力で充電できることが望ましい。また、２つの二次電池を充電するために、２つの二次電池のそれぞれに充電器を接続して、両方の充電器から２つの二次電池に充電することはコスト増大の原因となる。また、２つの充電器に順番に充電ケーブルを接続して、２つの二次電池に順番に充電することは利便性の問題が発生する。さらに、外部電力での二次電池の充電時に、２つのインバータを構成するスイッチング素子に大電流が流れ続けることを抑制することは、素子の劣化を抑制し、寿命を延ばす面から望ましい。特許文献１には、上記のモータシステムで二次電池に外部電力で充電することは開示されていない。

そこで、本明細書では、低コストでありながら、二次電池としての２つの電源を外部電力で充電する場合の利便性を向上でき、かつ、使用相を偏らせないために、素子の劣化を抑制し、寿命を延ばすことが可能なモータシステムを開示する。

本明細書に開示のモータシステムは、モータと、二次電池である第１電源と、二次電池である第２電源と、３相のそれぞれで正極側、負極側に分かれて接続された第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子に並列に電流が逆方向に流れるように接続された第１整流素子とを有し、前記第１電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに出力する第１インバータと、３相のそれぞれで正極側、負極側に分かれて接続された第２のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に電流が逆方向に流れるように接続された第２整流素子とを有し、前記第２電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに出力する第２インバータと、前記第１電源及び前記第１インバータに接続され、外部電力を供給する充電器と、前記第１インバータ及び前記第２インバータの駆動を制御して、前記モータを駆動する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記外部電力で前記第２電源を充電する際には、前記モータを静止させた状態で、前記第１インバータからの電力が、前記モータ及び前記第２インバータを介して前記第２電源に送電されるように、前記第１インバータを制御し、かつ、前記第２インバータの全部の第２スイッチング素子をオフするように制御し、前記外部電力で前記第２電源を充電し、かつ前記外部電力による前回の前記第２電源の充電時と前記第１インバータの制御で用いるｄ軸電流の正負を同じとした際における、前記第１インバータの複数の前記第１スイッチング素子のそれぞれの通電状態から、前回の前記第２電源の充電時と同一相の前記第１スイッチング素子における、３相の前記第１スイッチング素子間での最大電流での使用を確認する同一相使用確認部と、同一相の前記第１スイッチング素子の前記最大電流での使用が確認された場合に前記第１インバータの制御で用いる前記ｄ軸電流の正負を変更するｄ軸電流調整部と、を含む。
なお、本明細書において、「同一相の使用」とは、継続した使用も、所定の複数回毎に同一相の使用がある場合も、両方の意味を含んでいる。また、第１インバータについて、同一相のスイッチング素子とは、単に第１インバータの同じ相に位置するだけではなく、第１電源の同じ極の側に接続されているスイッチング素子を意味する。

かかる構成とすることで、１つの充電器及び１つの充電口を設ければ、第１電源及び第２電源の双方を充電できる。結果として、充電器及び充電口を２つずつ設ける場合に比べて、低コストでありながら、利便性を向上できる。さらに、外部電力で第１インバータ、モータ、及び第２インバータを介して第２電源を充電する際に、第１インバータで前回の第２電源の充電時と同一相の第１スイッチング素子における、３相の第１スイッチング素子間での最大電流での使用が確認された場合に、第１インバータの制御で用いるｄ軸電流の正負が変更される。これにより、第１インバータで大電流での同一のスイッチング素子の使用を抑制できるので、第１インバータにおける素子の劣化を抑制し、寿命を延ばすことができる。

本明細書に開示のモータシステムによれば、１つの充電器及び１つの充電口を設ければ、第１電源及び第２電源の双方を充電できる。結果として、充電器及び充電口を２つずつ設ける場合に比べて、低コストでありながら、利便性を向上できる。さらに、第１インバータにおける素子の劣化を抑制し、寿命を延ばすことができる。

実施形態に係るモータシステムの全体構成を示す図である。 制御装置の構成を示す図である。 １つのインバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶを説明する図である。 ２つのインバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの分配例を示す図である。 実施形態において、第１インバータの制御に用いるｄ軸電流の変更方法を示すフローチャートである。 前回の第２電源を充電した際におけるｄ軸電流、モータ電流（３相表現）、ロータの角度位置を示す図である。 図６Ａの場合に、第１インバータのスイッチング素子の通電状態を示す図である。 今回の第２電源の充電の際にｄ軸電流の正負を変更した場合において、ｄ軸電流、モータ電流（３相表現）、ロータの角度位置を示す図である。 図７Ａの場合に、第１インバータのスイッチング素子の通電状態を示す図である。 今回の第２電源の充電の際にｄ軸電流の正負が維持された場合において、ｄ軸電流、モータ電流（３相表現）、ロータの角度位置を示す図である。 図８Ａの場合に、第１インバータのスイッチング素子の通電状態を示す図である。 回生方式で第２電源を外部充電する際のモータ電圧ベクトルＶの分配の一例を示す図である。

以下、モータシステムの構成について図面を参照して説明する。以下では全ての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。なお、本開示は、ここに記載される例に限定されるものではない。

「システム構成」
図１は、モータシステムの構成を示す図である。モータ１０は、動力を生成する電動機として機能するだけでなく、電力を生成する発電機としても機能する。モータ１０はＵ，Ｖ，Ｗ相の３相のモータであり、３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗを有している。モータは、３相以外の多相としてもよい。

各コイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗは、リアクトル成分、抵抗成分、誘起電力（逆起電力）成分からなるため、図においてはこれらを直列接続したものとして示している。なお、モータシステムは車両に搭載され、モータ１０は車両走行の駆動力を発生する電動機、あるいは、エンジン動力または制動トルクにより発電する発電機として機能する。

３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの一端には、直流電力を交流電力に変換する第１インバータ１２が接続され、３相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの他端には、直流電力を交流電力に変換する第２インバータ１４が接続されている。第１インバータ１２には、第１コンデンサ１６及び第１電池１８が並列接続され、第２インバータ１４には、第２コンデンサ２０及び第２電池２２が並列接続されている。この例では、第１及び第２電源として、それぞれ二次電池である第１及び第２電池１８，２２を使用しているが、それぞれコンデンサなどの別の蓄電手段としてもよい。

第１インバータ１２及び第２インバータ１４の構成は同一であり、いずれも、並列接続された三つのレグを有し、各レグは、直列接続された２つのアーム（正極アーム及び負極アーム）を有しており、各相のレグの中間点が対応する相のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗの端部にそれぞれ接続されている。そのため、力行の際には、第１電池１８からの直流電力が第１インバータ１２で交流電力に変換されてモータ１０に出力され、回生（発電）の際にはモータ１０からの電力が第１インバータ１２を介し第１電池１８に供給される。また、第２インバータ１４、第２電池２２もモータ１０と同様の電力のやり取りを行う。

各アームは、スイッチング素子ｕ１～ｕ４、ｖ１～ｖ４、ｗ１～ｗ４と、スイッチング素子と逆方向に電流を流す整流素子（例えば逆流ダイオード）が並列接続されて構成される。スイッチング素子ｕ１～ｕ４、ｖ１～ｖ４、ｗ１～ｗ４は、例えばＩＧＢＴなどのトランジスタである。正極側（図１の上側）である正極アームのスイッチング素子ｕ１、ｕ３、ｖ１、ｖ３、ｗ１、ｗ３をオンすることで対応する相のコイルに向けて電流が流れる。負極側（図１の下側）である負極アームのスイッチング素子ｕ２、ｕ４、ｖ２、ｖ４、ｗ２、ｗ４をオンすることで対応する相のコイルから電流が引き抜かれる。正極アームは、正極相であり、負極アームは負極相である。本例では、第１インバータ１２、第２インバータ１４のそれぞれが３つずつの正極相及び負極相のスイッチング素子を含む場合を説明するが、各インバータは複数のスイッチング素子を含む構成であればよく、上記の例に限定されない。

第１電池１８及び第１インバータ１２のそれぞれの正極側及び負極側には、リレー２６を介して充電器２５が接続されている。充電器２５は、外部電源（例えば商用電源）の電力、すなわち、外部電力を、第１電池１８または第１インバータ１２に供給するもので、例えば、ＡＣ／ＤＣ変換器を備えている。車両には、充電口（図示せず）が一つ設けられており、この充電口には、外部電源装置から延びる充電ケーブルの先端に付いた充電プラグが着脱自在に装着可能である。そして、充電口に充電プラグが装着されることで、充電器２５が外部電源と電気的に接続される。リレー２６は、外部充電実行時にオンされ、それ以外では、オフされている。なお、充電プラグ及び充電口を利用した有線充電に替えて、外部電源装置及び車両それぞれに設けられた共振コイルを利用した無線充電としてもよい。この場合、充電器２５は、車両に設けられた共振コイル（受電部）に接続される。いずれにしても、外部電力で充電（外部充電）する場合、車両、ひいては、モータ１０は、静止させる。

制御装置２４が電池情報、モータ情報、車両情報、充電情報などに基づき、第１インバータ１２、及び第２インバータ１４のスイッチング信号を作成し、これらのスイッチングを制御する。

「制御装置の構成」
図２には、制御装置２４の構成が示されている。車両制御部３０には、アクセルペダル、ブレーキペダルの操作量、車速など車両走行に関する車両情報、第１電池１８及び第２電池２２の充電状態（ＳＯＣ１，ＳＯＣ２）、温度（Ｔ１，Ｔ２）などの電池情報、外部充電の指示状況や充電口と充電プラグの接続状況などの充電情報が供給される。

そして、車両制御部３０は、アクセルペダル、ブレーキペダルの操作量などから、モータ１０の出力要求（目標出力トルク）についてのトルク指令を算出する。また、車両制御部３０は、外部充電が必要と判断した場合、トルク指令に変えて、充電指令を出力する。

算出されたトルク指令または充電指令は、モータ制御部３２の電流指令生成部３４に供給される。電流指令生成部３４は、トルク指令または充電指令に基づいて、モータ１０のベクトル制御における目標となる電流指令であるｄ軸、ｑ軸電流ｉｄｃｏｍ，ｉｑｃｏｍを算出する。電流指令生成部３４は、ｄ軸電流調整部に相当する。なお、外部充電を行なう場合の電流指令の算出形態については、後に詳説する。

３相／２相変換部３６には、第１電池１８、第２電池２２の電池電圧ＶＢ１，ＶＢ２、モータ１０のロータ回転角θ、現在の各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが供給される。３相／２相変換部３６は、検出された各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをｄ軸、ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑに変換する。

電流指令生成部３４は、後述のように、外部電力で第２電池２２を充電する際に、同一相使用確認部４３からの出力を受けて、ｄ軸電流の正負を変更するか、または維持する処理も行う。同一相使用確認部４３は、外部電力で第２電池２２を充電した際における、第１インバータ１２の複数のスイッチング素子のそれぞれの通電状態から、同一相のスイッチング素子の使用を確認する。電流指令生成部３４は、この確認がされた場合にｄ軸電流の正負を変更する。これにより、第１インバータ１２について、大電流での同一相のスイッチング素子の使用を抑制できるので、素子の劣化を抑制できる。

電流指令生成部３４からの目標となる電流指令（ｄ軸、ｑ軸電流）ｉｄｃｏｍ，ｉｑｃｏｍと、３相／２相変換部３６からの現在のｄ軸、ｑ軸電流ｉｄ，ｉｑは、ＰＩ制御部３８に供給され、電圧ベクトルＶ（ｄ軸励磁電圧指令ｖｄ、ｑ軸トルク電圧指令ｖｑ）が算出される。ＰＩ制御部３８は、Ｐ（比例）制御、Ｉ（積分）制御などのフィードバック制御により電圧指令（モータ電圧ベクトルＶ（ｖｄ、ｖｑ））を算出する。なお、予測制御などのフィードフォワード制御を組み合わせてもよい。

算出されたモータ電圧ベクトルＶ（電圧指令ｖｄ，ｖｑ）は、分配部４０に供給される。分配部４０は、モータ電圧ベクトルＶ（電圧指令ｖｄ，ｖｑ）を、第１インバータ１２用の第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）（電圧指令ｖｄ１，ｖｑ１）と、第２インバータ１４用の第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）（電圧指令ｖｄ２，ｖｑ２）に分配する。分配部４０の分配については後述する。

分配部４０からの電圧指令ｖｄ１，ｖｑ１は２相／３相変換部４２に供給され、ここで第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に変換されて出力され、電圧指令ｖｄ２，ｖｑ２は、２相／３相変換部４４に供給され、ここで第２インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２に変換されて出力される。電流指令生成部３４、３相／２相変換部３６、ＰＩ制御部３８、分配部４０、２相／３相変換部４２，４４は、モータ制御部３２に含まれる。

２相／３相変換部４２からの第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１は第１インバータ制御部４６に供給され、第２インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２は、第２インバータ制御部４８に供給される。

２相／３相変換部４２からの第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１は、同一相使用確認部４３にも、供給される。同一相使用確認部４３は、車両制御部３０からモータ制御部３２に充電指令が供給された場合にのみ動作する。同一相使用確認部４３の機能は、後述の外部充電で説明する。

第１インバータ制御部４６には、ロータ回転角θ、第１インバータ入力電圧ＶＨ１が供給されており、ＰＷＭキャリア（三角波）と電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の比較によって第１インバータ１２におけるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ用のスイッチング信号を生成し、これを第１インバータ１２に供給する。第２インバータ制御部４８も同様にして、第２インバータ１４におけるスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ用のスイッチング信号を生成し、これを第２インバータ１４に供給する。

このようにして、制御装置２４からの信号によって、第１インバータ１２、第２インバータ１４のスイッチングが制御され、これらの出力が合計され、所望の電流がモータ１０に供給される。

「２つのインバータにおける出力の分配」
図２における分配部４０は、上位の制御部である車両制御部３０から供給される各種情報（分配用情報）や、第１及び第２インバータ１２，１４の動作状態を示すインバータ情報などに基づいて、モータ電圧ベクトルＶ（ｖｄ，ｖｑ）を、第１及び第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）に分配する。この分配は、モータ電圧ベクトルを維持しつつ、２つのインバータ電圧ベクトルに分配することで、大きさの変更、位相の変更、正負の変更を含む。

「出力の分配比率の変更」
このモータ電圧ベクトルＶの分配について図３～図４を参照して説明する。図３は、１つのインバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶを説明する図であり、図４は、２つのインバータの場合におけるモータ電圧ベクトルＶの分配例を示す図である。図４において、太実線は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を、太破線は、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）を示している。図３、図４では、ベクトルが重なる場合に、適宜ずらして、見やすくしている。

図３には、１つのインバータによる通常のモータ駆動の際の電圧、電流のベクトル制御について示してある。モータの出力要求に応じて、モータ電圧ベクトルＶ（ｄ軸電圧ｖｄ、ｑ軸電圧ｖｑ）、モータ電流ベクトルＩ（ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ）が決定される。そして、モータ電圧×モータ電流が出力（電力）になる。

ここで、本例のシステムでは、第１インバータ１２、第２インバータ１４の２つのインバータを有している。従って、２つのインバータからの出力を均等にしないこともできる。図４では、第１インバータ１２の出力についての電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）（第１インバータ電圧ベクトル）と、第２インバータの出力についての電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）（第２インバータ電圧ベクトル）について、その位相は変更せず、大きさを異ならせている。この場合、モータ１０の出力（電力）に変化はないが、第１インバータ１２と、第２インバータ１４におけるスイッチング信号の形状（波形）が変化する。なお、第１及び第２インバータ１２，１４の出力のｄ軸成分をｖｄ（ＩＮＶ１），ｖｄ（ＩＮＶ２）とすると、ｄ軸成分ｖｄ＝ｖｄ（ＩＮＶ１）＋ｖｄ（ＩＮＶ２）であり、ｑ軸成分ｖｑ＝ｖｑ（ＩＮＶ１）＋ｖｑ（ＩＮＶ２）である。

図４に示すように、２つのインバータ出力である、電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）、Ｖ（ＩＮＶ２）の位相を維持しつつ、分配の比率を変更することで、スイッチング信号の波形が変化する。従って、モータ１０への相電圧の形状が変化するとともに、スイッチング回数が増減しパルス幅も変化する。第１インバータ１２の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）及び第２インバータ１４の電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）は、互いに位相を異ならせることもできる。

「外部充電」
第１電池１８，第２電池２２は、充電器２５を介して供給される外部電力により充電可能となっている。モータ制御部３２は、図示しない上位制御装置から、第１電池１８の外部充電が指示された場合、第１インバータ１２及び第２インバータ１４の双方をシャットダウン（全アームオフ）した上で、充電器２５と第１電池１８の間に介在するリレー２６をオンする。これにより、充電器２５を介して、外部電力が、第１電池１８に送電され、第１電池１８が外部充電される。

一方、上位制御装置から、第２電池２２の外部充電が指示された場合、モータ制御部３２は、第１インバータ１２及び第２インバータ１４を制御して、モータ１０を静止させた状態で、外部電力を、第１インバータ１２から出力し、さらに、この電力をモータ１０及び第２インバータ１４を介して、第２電池２２に送電する。すなわち、第１インバータ１２、モータ１０のコイル、第２インバータ１４を介して、電力が第２電池２２に送電される。

このようにインバータ１２，１４、モータ１０を介して、第２電池２２に送電することができるので、１つの充電器２５で二つの電池１８，２２を充電できる。その結果、充電器２５及びこれに接続する充電口の個数を低減でき、コストを低減できる。なお、各電池１８，２２の側に充電口及び充電器２５を設けることも考えられるが、この場合、外部充電する電池１８，２２を切り替えるたびに、充電口に挿し込まれた充電プラグを、別の充電口に挿し替えることで、２つの充電器に順番に充電ケーブルを接続して、２つの電池１８，２２に順番に充電する必要がある。こうした充電プラグの挿し替えは、手間であり、利便性の問題があった。一方、本例のように、１つの充電器２５で二つの電池１８，２２を充電できるようにすれば、こうした充電プラグの挿し替えが不要となり、利便性を向上できる。

ここで、第２電池２２の外部充電の方式としては、第２インバータ１４をシャットダウンさせるシャットダウン方式と、第２インバータ１４を回生駆動させる回生方式と、がある。本例は、シャットダウン方式によって外部電力で第２電池２２を充電する。

シャットダウン方式で第２電池２２を外部充電する場合には、第２インバータ１４は、全アームをオフにしたシャットダウン状態にする。また、第１インバータ１２は、モータ１０のｑ軸電流ｉｑがゼロ、ｄ軸電流ｉｄが一定値（ゼロ以外）となるように力行駆動される。

トルク電流であるｑ軸電流ｉｑがゼロとなることで、モータ１０の出力トルクもゼロとなり、モータ１０は、静止した状態を維持する。また、第１インバータ１２からの電流は、モータ１０のコイル１０ｕ，１０ｖ，１０ｗを経た後、第２インバータ１４の整流素子（例えば逆流ダイオード）を介して第２電池２２へ流れる。これにより、充電器２５からの電力が、第２電池２２に送電され、第２電池２２が充電される。なお、このシャットダウン方式の外部充電は、電力供給側（充電器２５）の電位が、受電側（第２電池２２）の電位よりも高くなければならない。

次に、図２を参照して、外部充電の制御の流れをより具体的に説明する。電流指令生成部３４は、車両制御部３０から第２電池２２の外部充電を指示されると、モータ１０の電流指令として、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍ＝Ｉａ、ｑ軸電流ｉｑｃｏｍ＝０を出力する（なお、Ｉａ≠０）。なお、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍの値Ｉａは、第２電池２２の状態（例えば許容できる最大入力電力値、ＳＯＣなど）や、外部電力（外部電力装置の最大出力電力値など）の状態などに応じて設定する。さらに、電流指令生成部３４は、後述の同一相使用確認部４３からｄ軸電流の変更指令が供給された場合に、生成したｄ軸電流ｉｄｃｏｍの値Ｉａの正負を変更して出力する。

電流指令生成部３４から電流指令が出力されると、ＰＩ制御部３８は、通常の制御と同様に、モータベクトル電圧Ｖ（ｖｄ，ｖｑ）を算出する。分配部４０は、このモータ電圧ベクトルＶを、第１、第２インバータ１２，１４に分配する。第２電池２２を外部充電するとき、第２インバータ１４は、シャットダウンするため、モータ電圧ベクトルＶは、第１インバータ１２が１００％、第２インバータ１４が０％となる比率で分配される。分配部４０は、この分配結果に応じた第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を２相／３相変換部４２に出力する。また、分配部４０は、第２インバータ１４のシャットダウンの指令を２相／３相変換部４４に出力する。

２相／３相変換部４２は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）に応じた電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を出力し、第１インバータ制御部４６は、この電圧指令に応じたスイッチング信号を生成し、第１インバータ１２を駆動させる。また、分配部４０から出力されたシャットダウン指令は、２相／３相変換部４４を経て、第２インバータ制御部４８に送られる。第２インバータ制御部４８は、このシャットダウン指令に従い、第２インバータ１４の全アームをオフにして、第２インバータ１４をシャットダウンさせる。こうした制御の結果、第２電池２２に電力が送られる。

さらに、本例の場合、第１インバータ１２でスイッチング素子に継続して大電流が流れるように使用されることを抑制するために、制御装置２４が同一相使用確認部４３を含んでいる。同一相使用確認部４３は、車両制御部３０からモータ制御部３２に充電指令が供給された場合に動作する。同一相使用確認部４３は、記憶部としてのＥＥＰＲＯＭを含んでいる。記憶部は、ＲＡＭまたはＲＯＭであってもよい。同一相使用確認部４３には、ロータ回転角θ、第１インバータ入力電圧ＶＨ１、第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１である情報が供給される。同一相使用確認部４３は、これらの情報から、第１インバータ１２の各スイッチング素子の通電状態を確認する。具体的には、同一相使用確認部４３は、第１インバータ１２の各スイッチング素子のオンオフ状態と、オンされるスイッチング素子のうち、最大電流が流れるスイッチング素子と、を確認し、ＥＥＰＲＯＭに記憶する。また、同一相使用確認部４３は、今回の充電で最大電流が流れるスイッチング素子と、前回充電時に最大電流が流れるとして記憶されたスイッチング素子とが同一であること、すなわち、最大電流での同一相の使用があることを確認する。

最大電流での同一相の使用が確認されると、同一相使用確認部４３から電流指令生成部３４に、ｄ軸電流の正負の変更指令が供給される。そして、電流指令生成部３４が、生成したｄ軸電流の正負を変更し、それに応じて、第１インバータ用の３相の電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１が第１インバータ制御部４６に供給される。これにより、電圧指令Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の正負も変更されるので、第１インバータ１２のＵ，Ｖ，Ｗの各相で、使用されるスイッチング素子の正極側と、負極側とが逆になる。このため、大電流での同一のスイッチング素子の使用を抑制できるので、素子温度の上昇を抑制できる。

図５は、実施形態において、第１インバータ１２の制御に用いるｄ軸電流の変更方法を示すフローチャートである。図５に示す処理は、モータ制御部３２（図２）で実行される。ステップＳ１１において、車両制御部３０からの充電指令がモータ制御部３２に供給されることで外部電力での充電動作があるか否かが判定される。ステップＳ１１の判定が肯定（ＹＥＳ）の場合には、同一相使用確認部４３がＥＥＰＲＯＭから前回充電時における、第１インバータ１２で使用されたスイッチング素子（使用素子）の情報を読み取り、ステップＳ１３に移行する。一方、ステップＳ１１の判定が否定（ＮＯ）の場合には、ステップＳ１２～Ｓ１７の処理が行われることなく、ｄ軸電流の変更についての処理が終了する。

ステップＳ１３では、同一相使用確認部４３が、前回充電での使用素子を確認し、ステップＳ１４では、同一相使用確認部４３が今回充電での使用素子を確認する。その後、ステップＳ１５において、同一相使用確認部４３が、前回と今回のそれぞれでの最大電流での同一相のスイッチング素子の使用があるか否かを判定する。

ステップＳ１５の判定が肯定（ＹＥＳ）の場合には、電流指令生成部３４でｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負を変更し、第１インバータ１２と第２インバータ１４とを使用して、外部電力で第２電池２２が充電され、処理が終了する。このとき、第２インバータ１４では全アームがシャットダウンされているので、整流素子が使用されて、第２電池２２が充電される。一方、ステップＳ１５の判定が否定（ＮＯ）の場合には、電流指令生成部３４でｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負を維持し、第１インバータと第２インバータ１４の整流素子とを使用して第２電池２２が充電され、処理が終了する。

図６Ａは、前回の第２電池２２を充電した際におけるｄ軸電流ｉｄｃｏｍ、モータ電流（３相表現）、ロータの角度位置Ｐｒの１例を示す図である。図６Ｂは、図６Ａの場合に、第１インバータ１２のスイッチング素子の通電状態を示す図である。

図６Ａに示すように、前回の充電ではｄ軸電流ｉｄｃｏｍは負の値となっており、それに応じてモータ１０のＵ相電流ｉｕが負となり、コイル１０ｕ（図６Ｂ）には、第２インバータ１４から第１インバータ１２に向かって電流が流れる。また、図６Ａに示すように、モータ１０のＶ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗが正であり、コイル１０ｖ、１０ｗ（図６Ｂ）には、第１インバータ１２から第２インバータ１４に向かって電流が流れる。このとき、図６Ａに示すように、モータ１０のロータの角度位置Ｐｒは０度である。また、図示は省略するが、充電時にｑ軸電流ｉｑｃｏｍ＝０となっている。これにより、モータ１０の発生トルクはゼロとなり、モータ１０は静止される。

図６Ｂでは、第１インバータ１２において、電流が流れる、すなわち使用されるスイッチング素子の左側には、矢印で電流の向きを示している。また、太線の矢印が、細線の矢印より電流が多く流れることを示している。さらに、図６Ｂでは、第２インバータ１４において、破線矢印により、電流が整流素子を矢印で示す向きに流れることを示している。

図６Ｂに示すように、第１インバータ１２では、Ｕ相の負極相のスイッチング素子ｕ２に最大電流が流れている。この理由は、正極側で使用されるスイッチング素子が、Ｖ相、Ｗ相のスイッチング素子ｖ１、ｗ１の２つであるのに対し、負極側で使用されるスイッチング素子が、Ｕ相のスイッチング素子ｕ２の１つだけであり、正極側と負極側との電流がトータル０になるためである。本例の構成によれば、Ｕ相の負極相のスイッチング素子ｕ２に、今回の充電でも最大電流が流れる場合には、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負が、次の図７Ａ、図７Ｂのように変更される。

図７Ａは、今回の第２電池２２の充電の際にｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負を変更した場合において、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍ、モータ電流（３相表現）、ロータの角度位置Ｐｒを示す図である。図７Ｂは、図７Ａの場合に、第１インバータ１２のスイッチング素子の通電状態を示す図である。

図７Ａと図６Ａとのｄ軸電流ｉｄｃｏｍを比較して分かるように、今回の充電では、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍの値が負から正に変更されている。これに伴って、モータ電流のＵ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗは、前回の充電の場合に対しそれぞれ正負が逆になる。このため、図７Ｂに示すように、第１インバータ１２の各相では、使用されるスイッチング素子の正極側、負極側が、図６Ｂの場合とは逆になっている。これにより、大電流での同一のスイッチング素子の使用を抑制できるので、素子の劣化を抑制できる。

一方、図８Ａは、今回の第２電池２２の充電の際にｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負が維持された場合において、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍ、モータ電流（３相表現）、ロータの角度位置Ｐｒを示す図である。図８Ｂは、図８Ａの場合に、第１インバータ１２のスイッチング素子の通電状態を示す図である。

図８Ａの場合には、図６Ａとのロータ角度位置Ｐｒを比較して分かるように、ロータの角度位置Ｐｒが図６Ａの場合とは異なっている。これに伴って、図８Ｂに示すように、第１インバータ１２のスイッチング素子の通電状態が、図６Ｂの場合とは異なっている。具体的には、図６Ｂでは、第１インバータ１２で最大電流がＵ相の負極相のスイッチング素子ｕ２を流れていたのに対し、図８Ｂでは、最大電流がＷ相の負極相のスイッチング素子ｗ２を流れている。このとき、Ｕ相、Ｖ相のそれぞれの正極相のスイッチング素子ｕ１、ｖ１には、Ｗ相の負極相のスイッチング素子ｗ２より小さい電流が流れている。

上記のように今回の充電と前回の充電と、で最大電流が流れるスイッチング素子（図６Ｂのｕ２、図８のｗ２）が異なるので、同一相使用確認部４３から電流指令生成部３４に、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負を変更する指令は供給されない。これによって、電流指令生成部３４で生成されたｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負が維持される。

本例のように、第１インバータ１２の複数のスイッチング素子において、最大電流での同一相のスイッチング素子の使用があると確認された場合にｄ軸電流の正負を変更するので、ロータの角度位置Ｐｒには無関係に最大電流での同一のスイッチング素子の使用を抑制できる。

また、シャットダウン方式で第２電池２２を外部電力で充電しているので、第２インバータ１４の全てのスイッチング素子がシャットダウンされる。これにより充電の際に、第２インバータ１４の素子温度の上昇が問題となることはない。

実施形態の別例として、同一相使用確認部４３が、前回の充電と今回の充電とで、最大電流を確認することなく、第１インバータ１２の同一相のスイッチング素子の使用があることを確認するように構成することもできる。この構成によっても、例えば、図６Ａと図７Ａの場合のように、ロータの角度位置Ｐｒが同じであれば、第１インバータ１２のＵ，Ｖ，Ｗの各相で使用するスイッチング素子の正極側と負極側とが逆になる。これにより、最大電流が流れるスイッチング素子の正極側と負極側との関係も逆になるので、同じスイッチング素子に大電流が継続して流れることを防止できる。

一方、上記の図８Ａ、図８Ｂのように今回のロータの角度位置Ｐｒが前回とは異なる場合に、第１インバータ１２では、Ｖ相の正極相のスイッチング素子ｖ１のように、図６Ａ、図６Ｂの場合と同一の素子が使用される場合がある。この場合に、上記の別例の構成では、このスイッチング素子には最大電流は流れていないが、同一相使用確認部４３で同一相の素子の使用が確認されることによって、ｄ軸電流の正負が変更される。このとき、図８Ｂで第１インバータ１２において使用される素子の正極側と負極側とが逆になる。これにより、図６Ｂで最大電流が流れるスイッチング素子（Ｕ相の負極相のスイッチング素子ｕ２）が再使用されることとなる。これにより、素子の温度上昇抑制の面からは、図１～図５に示した構成のように、同一相使用確認部４３が、前回の充電と今回の充電とで、最大電流での同一素子の使用を確認する方が有利である。

なお、図示を省略するが、実施形態の別例において、図５のステップＳ１３の代わりに、同一相使用確認部４３が、前の連続した予め設定された所定回（Ｎ回）の第２電池２２の充電での使用素子を確認する構成としてもよい。例えば、同一相使用確認部４３は、前回と、その前の連続する３回の合計４回の充電での使用素子を確認する。そして、それぞれの回の充電での最大電流が流れる使用素子を確認する。そして、図５のステップＳ１５では、それぞれの回の最大電流での使用素子のいずれかと、今回の最大電流での使用素子とが同一であるか、すなわち最大電流での同一相の素子の使用があるか否かを判定する。

このような別例の構成によっても、図１～図５の構成と同様に、素子の劣化を抑制できる。

また、上記の各例ではシャットダウン方式で第２電池２２を充電する場合を説明したが、充電の方法としては、上記の回生方式もある。回生方式で第２電池２２を外部充電する場合には、モータ１０のｑ軸電流ｉｑがゼロ、ｄ軸電流ｉｄが一定値（ゼロ以外）となるように、第１インバータ１２を力行駆動し、第２インバータ１４を回生駆動する。具体的に説明すると、ｉｑ＝０、ｉｄ＝Ｉａの場合（なおＩａ≠０）、モータ電圧ベクトルＶは、ｖｑ＝０、ｖｄ＝Ｖａとなる（なおＶａ≠０）。分配部４０は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）と第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）の合成ベクトルが、モータ電圧ベクトルＶと等しく、かつ、第１インバータ１２の電力がプラス（力行）、第２インバータの電力がマイナス（回生）となるように、モータ電圧ベクトルＶを分配する。

図９は、回生方式で第２電池２２を外部充電した際のモータ電圧ベクトルＶの分配の一例を示す図である。なお、図９では、重なっているベクトルを、適宜ずらして、見やすくしている。上述したとおり、回生方式の外部充電では、電流ベクトルＩは、ｑ軸成分（ｑ軸電流）がゼロであり、ｄ軸成分（ｄ軸電流）が一定値となる。また、モータ電圧ベクトルＶも、ｑ軸成分（ｑ軸電圧）が、ゼロであり、ｄ軸成分（ｄ軸電圧）が、一定値となる。

第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）は、図９に示す通り、モータ電圧ベクトルＶと、同一位相かつモータ電圧ベクトルＶよりも大きくする。第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）は、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）の位相と１８０度反転している。また、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）の大きさは、第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）の大きさから、モータ電圧ベクトルＶの大きさを引いた値となっている。これにより、第１インバータ１２は、力行状態となり、第２インバータ１４は、回生状態となる。なお、この回生方式の場合、電力供給側（第１電池１８または充電器２５）の電位が、受電側（第２電池２２）の電位よりも低くても、充電が可能となる。

このような回生方式では、図２を参照して、第２電池２２を外部充電する際に、電流指令生成部３４は、車両制御部３０から第２電池２２の外部充電が指示されると、モータ１０の電流指令として、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍ＝Ｉａ、ｑ軸電流ｉｑｃｏｍ＝０を出力する（なお、Ｉａ≠０）。

電流指令生成部３４から電流指令が出力されると、ＰＩ制御部３８は、通常の制御と同様に、モータベクトル電圧Ｖ（ｖｄ，ｖｑ）を算出する。分配部４０は、このモータ電圧ベクトルＶを、第１、第２インバータ１２，１４に分配する。具体的には、第１インバータ１２が力行、第２インバータ１４が回生状態になるように、モータ電圧ベクトルＶを分配する。分配部４０は、この分配結果に応じた第１インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ１）を２相／３相変換部４２に、第２インバータ電圧ベクトルＶ（ＩＮＶ２）を２相／３相変換部４４に、出力する。

各２相／３相変換部４２，４４は、インバータ電圧ベクトルに応じた電圧指令を、インバータ制御部４６，４８に出力する。各インバータ制御部４６，４８は、この電圧指令に応じたスイッチング信号を生成し、対応するインバータ１２，１４を駆動させる。

この回生方式の外部充電では、第１インバータ１２は、出力電力が正の値をとるように、力行状態（エネルギ消費状態）で駆動される。第２インバータ１４は、出力電力が負の値をとるように、回生状態（エネルギー回収状態）で駆動される。これによって、第２電池２２が充電される。このような回生方式の外部充電を行う場合でも、第１インバータ１２の制御において、図１～図５の構成と同様に、同一相使用確認部４３で同一相の素子の使用を確認した場合にｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負を変更することにより、第１インバータ１２の素子温度の上昇を抑制できる。一方、第２インバータ１４では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相で、正極側、負極側のいずれかのスイッチング素子が使用される。このとき、第１インバータ１２で同一相の素子の使用が確認され、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負が変更された場合には、第２インバータ１４のＵ，Ｖ，Ｗの各相では、使用素子の正極側と負極側と、が逆になる。これによって、第２インバータ１４の素子温度の上昇も抑制できる可能性がある。

シャットダウン方式及び回生方式のいずれで充電するかは、状況に応じて、適宜、切り替えてもよい。ただし、シャットダウン方式を採用したほうが、制御が容易であり、スイッチングロスを低減できるため、送電側（第１電池１８または充電器２５）の電位が、受電側（第２電池２２）の電位より高い場合には、原則、シャットダウン方式で充電するようにしてもよい。いずれにしても、本例のモータシステムによれば、１つの充電器２５で、二つの電池１８，２２を充電できる。そのため、充電器２５や充電口を複数設ける必要がないため、コストを低減できる。また、充電の途中で、充電プラグの差し替えなどが不要であるため、ユーザの利便性を向上できる。さらに、第１インバータ１２で同一相の素子の使用が確認された場合に、ｄ軸電流の正負が変更されるので、素子の劣化を抑制できる。

上記の各例では、図２に示した電流指令生成部３４がｄ軸電流調整部である場合を説明したが、ｄ軸電流調整部は、電流指令生成部３４からｄ軸電流ｉｄｃｏｍ、ｑ軸電流ｉｑｃｏｍを供給され、同一相使用確認部４３からｄ軸電流の正負の変更指令を受けるものであってもよい。ｄ軸電流調整部は、変更指令を受けた場合に、ｄ軸電流ｉｄｃｏｍの正負を変更して、ＰＩ制御部３８（図２）に出力する。

なお、これまで説明した構成は、一例であり、モータ１０を静止させた状態で、第１インバータ１２からの電力を、第２インバータ１４を経て、第２電池に送るのであれば、その他の構成は、適宜、変更されてもよい。例えば、本例では、モータ１０を静止させるために、ｑ軸電流ｉｑをゼロとしているが、ｑ軸電流ｉｑは、モータ１０の静止トルク未満であれば、ゼロより大きくてもよい。また、ｑ軸電流ｉｑを制御するのではなく、モータ１０を、機械的なブレーキで静止させてもよい。

また、図２において、モータ制御部３２は、上位の制御部となる車両制御部３０と別の構成とした。しかし、車両制御部３０がモータ制御部３２の機能を実施してもよい。また、モータ制御部３２を下位のマイコンで構成してもよい。さらに、モータ制御部３２の一部または全部をハードで構成してもよい。

１０ モータ、１２ 第１インバータ、１４ 第２インバータ、１６，２０ コンデンサ、１８ 第１電池（第１電源）、２２ 第２電池（第２電源）、２４ 制御装置、２５ 充電器、２６ リレー、３０ 車両制御部、３２ モータ制御部、３４ 電流指令生成部、３６ ３相／２相変換部、３８ ＰＩ制御部、４０ 分配部、４２，４４ ２相／３相変換部、４３ 同一相使用確認部、４６ 第１インバータ制御部、４８ 第２インバータ制御部。

Claims (1)

1. モータと、
   二次電池である第１電源と、
   二次電池である第２電源と、
   ３相のそれぞれで正極側、負極側に分かれて接続された第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子に並列に電流が逆方向に流れるように接続された第１整流素子とを有し、前記第１電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに出力する第１インバータと、
   ３相のそれぞれで正極側、負極側に分かれて接続された第２のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子に並列に電流が逆方向に流れるように接続された第２整流素子とを有し、前記第２電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに出力する第２インバータと、
   前記第１電源及び前記第１インバータに接続され、外部電力を供給する充電器と、
   前記第１インバータ及び前記第２インバータの駆動を制御して、前記モータを駆動する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記外部電力で前記第２電源を充電する際には、前記モータを静止させた状態で、前記第１インバータからの電力が、前記モータ及び前記第２インバータを介して前記第２電源に送電されるように、前記第１インバータを制御し、かつ、前記第２インバータの全部の第２スイッチング素子をオフするように制御し、
   前記外部電力で前記第２電源を充電し、かつ前記外部電力による前回の前記第２電源の充電時と前記第１インバータの制御で用いるｄ軸電流の正負を同じとした際における、前記第１インバータの複数の前記第１スイッチング素子のそれぞれの通電状態から、前回の前記第２電源の充電時と同一相の前記第１スイッチング素子における、３相の前記第１スイッチング素子間での最大電流での使用を確認する同一相使用確認部と、
   同一相の前記第１スイッチング素子の前記最大電流での使用が確認された場合に前記第１インバータの制御で用いる前記ｄ軸電流の正負を変更するｄ軸電流調整部と、を含む、
   モータシステム。

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