JP7264940B2 - コンバータ、コンバータの制御装置、およびコンバータの制御方法 - Google Patents

コンバータ、コンバータの制御装置、およびコンバータの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、コンバータ、コンバータの制御装置、およびコンバータの制御方法に関する。
ＬＬＣ共振型コンバータは、負荷の状況に応じて、電圧ゲインが変化したり、共振周波数が変化する。さらに、ＬＬＣ共振型コンバータは、出力電圧の制御範囲が狭く、通常は出力電圧の広範な制御を必要としない用途に使用される。このような問題に対処するために、例えば、特許文献１には、パルス生成器を用いて、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）やＰＰＭ（Pulse Phase shift Modulation）などの制御方式を切り替える技術が提案されている。
国際公開第２０１３－１８６９９１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、出力電圧の制御範囲を広くするために、制御方式に応じた複数の回路を用意する必要があり、回路が複雑化する場合があった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、回路の複雑化を回避しつつ、出力電圧の制御範囲を拡大させることができるコンバータ、コンバータの制御装置、およびコンバータの制御方法を提供することを目的の一つとする。
この発明に係るコンバータ、コンバータの制御装置、およびコンバータの制御方法は、以下の構成を採用した。
（１）：この発明の一態様に係るコンバータは、バッテリに接続される一次側スイッチング部と、モータに接続される二次側スイッチング部と、前記一次側スイッチング部と前記二次側スイッチング部との間に設けられるトランスと、所望の波形の出力波形プロファイルに沿った電圧が前記モータ側に出力されるように少なくとも前記二次側スイッチング部を制御する制御部と、を備えるものである。
（２）：上記（１）の態様において、前記コンバータは、前記トランスの巻数比を切り替える切替え機構を更に備えるものである。
（３）：前記制御部は、前記モータが回生動作を実行する際に、前記切替え機構を制御して、前記トランスの巻数比を切り替えさせるものである。
（４）：前記制御部は、前記モータが回生動作を実行する際に、前記切替え機構を制御して、前記第二次側スイッチング部から前記一次側スイッチング部への昇圧比を上昇させるものである。
（５）：前記コンバータは、ＬＬＣ共振型コンバータである上記（１）から（４）のうちいずれかの態様コンバータであって、前記制御部は、ＰＮＭ（Pulse Number Modulation）制御によって、前記出力波形プロファイルに沿った電圧を前記二次側スイッチング部に生成させるものである。
（６）：この発明の別の態様に係るコンバータの制御装置は、バッテリに接続される一次側スイッチング部と、モータに接続される二次側スイッチング部と、前記一次側スイッチング部と前記二次側スイッチング部との間に設けられるトランスと、前記トランスの巻数比を切り替える切替え機構と、を備えるコンバータの制御装置であって、前記制御装置は、所望の波形の出力波形プロファイルに沿った電圧が前記モータ側に出力されるように少なくとも前記二次側スイッチング部を制御する制御部と、を備えるものである。
（７）：この発明の別の態様に係るコンバータの制御方法は、バッテリに接続される一次側スイッチング部と、モータに接続される二次側スイッチング部と、前記一次側スイッチング部と前記二次側スイッチング部との間に設けられるトランスと、前記トランスの巻数比を切り替える切替え機構と、を備えるコンバータの制御方法であって、前記制御方法は、所望の波形の出力波形プロファイルに沿った電圧が出力されるように前記スイッチング素子を制御するものである。
（１）～（７）の態様によれば、回路の複雑化を回避しつつ、出力電圧の制御範囲を拡大させることができる。
実施形態に係るコンバータを備える電力変換装置が採用された車両の構成の一例を示す図である。 車両が備える電力変換装置の全体構成の一例を示す図である。 電力変換装置の構成の一例を示す図である。 電力変換装置において生成する電圧波形の一例を説明する図である。 電力変換装置が備えるコンバータの構成の一例を示す図である。 コンバータの一次側フルブリッジ回路と二次側フルブリッジ回路が出力する波形の一例を示す図である。 コンバータが備える制御部の機能構成の一例を示す図である。 コンバータが備える制御部によって実行されるＰＮＭ制御を説明するための図である。 コンバータが備える制御部によって実行されるＰＮＭ制御を説明するための別の図である。 コンバータによって生成される電圧波形と、ＰＮＭ制御によって出力されるパルス列との間の関係の一例を示す図である。 制御装置１００と制御部３０４との間の協働によって実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照し、本発明のコンバータ、コンバータの制御装置、およびコンバータの制御方法の実施形態について説明する。
［車両の構成］
図１は、実施形態に係る電力変換装置が採用された車両の構成の一例を示す図である。車両１は、走行用のバッテリ（二次電池）から供給される電力によって駆動される電動機（電動モータ）によって走行する電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）（以下、単に、「車両」という）である。本発明が適用される車両は、例えば、四輪の車両のみならず、鞍乗り型の二輪の車両や、三輪（前一輪かつ後二輪の他に、前二輪かつ後一輪の車両も含む）の車両、さらには、アシスト式の自転車など、走行用のバッテリから供給される電力によって駆動される電動モータによって走行する車両の全般であってもよい。車両１は、例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなど、燃料をエネルギー源とする内燃機関の稼働によって供給される電力をさらに組み合わせて走行するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）であってもよい。
車両１は、例えば、走行用モータ１０と、駆動輪１２と、ブレーキ装置１４と、減速機１６と、バッテリ２０と、バッテリセンサ２２と、電力変換装置３０と、電力センサ３５と、運転操作子５０と、車両センサ６０と、外部接続装置８０と、制御装置１００と、を備える。
走行用モータ１０は、車両１の走行用の回転電機である。走行用モータ１０は、例えば、三相交流電動機である。走行用モータ１０の回転子（ロータ）は、減速機１６に連結されている。走行用モータ１０は、バッテリ２０から電力変換装置３０を介して供給される電力によって駆動（回転）される。走行用モータ１０は、自身の回転動力を減速機１６に伝達させる。走行用モータ１０は、車両１の減速時の運動エネルギーを用いた回生ブレーキとして動作して発電してもよい。
駆動輪１２に配置されたブレーキ装置１４は、例えば、ブレーキキャリパーと、ブレーキキャリパーに油圧を伝達するシリンダと、シリンダに油圧を発生させる電動モータと、を備える。ブレーキ装置１４は、ブレーキペダル（不図示）に対する車両１の利用者（運転者）による操作によって発生した油圧を、マスターシリンダを介してシリンダに伝達する機構をバックアップとして備えてもよい。ブレーキ装置１４は、上記説明した構成に限らず、マスターシリンダの油圧をシリンダに伝達する電子制御式油圧ブレーキ装置であってもよい。
減速機１６は、例えば、デファレンシャルギアである。減速機１６は、駆動輪１２が連結された車軸に、走行用モータ１０が連結された軸の駆動力、つまり、走行用モータ１０の回転動力を伝達させる。減速機１６は、例えば、複数の歯車や軸が組み合わされ、変速比（ギア比）に応じて走行用モータ１０の回転速度を変速して車軸に伝達させる変速機構、いわゆる、トランスミッション機構を含んでもよい。減速機１６は、例えば、走行用モータ１０の回転動力を車軸に直接的に連結または分離するクラッチ機構を含んでもよい。
バッテリ２０は、例えば、リチウムイオン電池などのように、充電と放電とを繰り返すことができる二次電池を蓄電部として備えるバッテリである。バッテリ２０は、例えば、カセット式のバッテリパックなど、車両１に対して容易に着脱可能な構成であってもよいし、車両１に対する着脱が容易ではない据付式の構成であってもよい。バッテリ２０が備える二次電池は、例えば、リチウムイオン電池である。バッテリ２０が備える二次電池としては、例えば、鉛蓄電池、ニッケル・水素電池、ナトリウムイオン電池などの他、電気二重層キャパシタなどのキャパシタ、または二次電池とキャパシタとを組み合わせた複合電池なども考えられるが、二次電池の構成は、いかなるものであってもよい。バッテリ２０は、車両１の外部の充電器（不図示）から導入される電力を蓄え（充電し）、蓄えた電力を、車両１を走行させるために放電する。バッテリ２０は、電力変換装置３０を介して供給された、回生ブレーキとして動作した走行用モータ１０が発電した電力を蓄え（充電し）、蓄えた電力を車両１の走行（例えば、加速）のために放電する。
バッテリ２０には、バッテリセンサ２２が接続されている。バッテリセンサ２２は、バッテリ２０の電圧や、電流、温度などの物理量を検出する。バッテリセンサ２２は、例えば、電圧センサ、電流センサ、温度センサを備える。バッテリセンサ２２は、電圧センサによってバッテリ２０の電圧を検出し、電流センサによってバッテリ２０の電流を検出し、温度センサによってバッテリ２０の温度を検出する。バッテリセンサ２２は、検出したバッテリ２０の電圧値、電流値、温度などの情報（以下、「バッテリ情報」という）を制御装置１００に出力する。
電力変換装置３０は、バッテリ２０から供給（放電）された直流の電力（直流電力）を、走行用モータ１０に電力を供給する際の電圧に昇圧あるいは降圧し、さらに、走行用モータ１０を駆動するための交流の電力（交流電力）に変換して走行用モータ１０に出力する。電力変換装置３０は、回生ブレーキとして動作した走行用モータ１０により発電された交流電力を直流電力に変換し、さらに、バッテリ２０に充電させる際の電圧に昇圧あるいは降圧してバッテリ２０に出力して蓄電させる。つまり、電力変換装置３０は、例えば、ＤＣ―ＤＣコンバータとＡＣ―ＤＣコンバータとを合わせたものと同様の機能、あるいはインバータと同様の機能を実現する。電力変換装置３０は、バッテリ２０から供給（放電）された直流電力を、例えば、緊急時などにおいて家庭用の電化製品を稼働させるためや、売電などで電力系統に供給するための交流電力に変換して外部接続装置８０に出力することもできる。このとき、電力変換装置３０は、電力の出力先に合わせて昇圧あるいは降圧してから出力することができる。
［車両が備える電力変換装置の構成］
図２は、車両１が備える電力変換装置３０の全体構成の一例を示す図である。図２には、電力変換装置３０に関連するバッテリ２０および走行用モータ１０も併せて示している。走行用モータ１０が単相交流電動機である場合、一つの電力変換装置３０が出力する交流電力で走行用モータ１０を駆動することができるが、上述したように、走行用モータ１０が三相交流電動機である場合、三相交流のそれぞれの相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に交流電力を出力する必要がある。このため、車両１では、図２に示したように、三つの電力変換装置３０（電力変換装置３０Ｕ、電力変換装置３０Ｖ、および電力変換装置３０Ｗ）のそれぞれが出力する交流電力で走行用モータ１０を駆動する。電力変換装置３０Ｕと、電力変換装置３０Ｖと、電力変換装置３０Ｗとのそれぞれは、同じ構成であってもよいし、一部の構成要素が共通化された構成であってもよい。電力変換装置３０Ｕと、電力変換装置３０Ｖと、電力変換装置３０Ｗとのそれぞれは、同じ電圧波形の交流電力を出力する。このため、車両１では、例えば、それぞれの電力変換装置３０が出力した交流電力を差動合成することによって、同じ電圧波形で位相が異なる（位相が１２０°ずれている）交流電力に変換してから、走行用モータ１０に出力する。
図１に戻り、電力変換装置３０における走行用モータ１０側の電力配線には、電力センサ３５が取り付けられている。電力センサ３５は、例えば、電力計や、電圧計、電流計などの計測器を備え、これらの計測器の計測値に基づいて、電力変換装置３０が走行用モータ１０に出力している電力（以下、「出力電力」という）を計測する。電力センサ３５は、計測した電力変換装置３０の出力電力の情報（以下、「出力電力情報」という）を制御装置１００に出力する。
運転操作子５０は、例えば、アクセルペダル、ブレーキペダル、シフトレバー、ステアリングホイール、異形ステアリングホイール、ジョイスティック、その他の操作子を含む。運転操作子５０には、車両１の利用者（運転者）によるそれぞれの操作子に対する操作の有無、あるいは操作量を検出するセンサが取り付けられている。運転操作子５０は、センサの検出結果を、制御装置１００に出力する。例えば、アクセルペダルには、アクセル開度センサが取り付けられ、運転者によるアクセルペダルの操作量を検出し、検出した操作量をアクセル開度として制御装置１００に出力する。例えば、ブレーキペダルには、ブレーキ踏量センサが取り付けられ、運転者によるブレーキペダルの操作量を検出し、検出した操作量をブレーキ踏量として制御装置１００に出力する。アクセル開度は、車両１の走行において運転者が、バッテリ２０から走行用モータ１０への電力の供給を制御装置１００に指示（要求）するための情報である。言い換えれば、アクセル開度は、運転者によって要求された走行用モータ１０に供給させる電力量を表す情報である。
車両センサ６０は、車両１の走行状態を検出する。車両センサ６０は、例えば、車両１の速度を検出する車速センサや、車両１の加速度を検出する加速度センサを備える。車速センサは、車両１の速度を検出し、検出した車両１の車速の情報を制御装置１００に出力する。車速センサは、例えば、車両１のそれぞれの駆動輪１２に取り付けられた車輪速センサと速度計算機とを備え、車輪速センサにより検出された車輪速を統合することにより、車両１の速度（車速）を導出（検出）してもよい。加速度センサは、車両１の加速度を検出し、検出した車両１の加速度の情報を制御装置１００に出力する。車両センサ６０は、例えば、車両１の鉛直軸回りの角速度を検出するヨーレートセンサや、車両１の向きを検出する方位センサなどを備えてもよい。この場合、それぞれのセンサは、検出した検出結果を制御装置１００に出力する。
外部接続装置８０は、例えば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）端子やアクセサリソケット（いわゆる、シガーソケット）などの電源供給用のコネクタ、家庭用の電化製品やパーソナルコンピュータを動作させるための商用電源のコンセント、売電を行う際に電力系統に接続するためのコネクタなどである。
制御装置１００は、運転操作子５０が備えるそれぞれのセンサにより出力された検出結果、つまり、車両１の利用者（運転者）によるそれぞれの操作子に対する操作に応じて、電力変換装置３０の稼働や動作を制御する。例えば、制御装置１００は、アクセル開度センサが検出したアクセル開度に応じて、電力変換装置３０の稼働や動作を制御する。このとき、制御装置１００は、例えば、自身が制御している変速機構の変速比（ギア比）や、車両センサ６０により出力された走行状態情報に含まれる車速なども考慮して、電力変換装置３０の稼働や動作を制御する。言い換えれば、制御装置１００は、走行用モータ１０の駆動力を制御する。
制御装置１００は、さらに、車両１が走行する際に、バッテリ２０から走行用モータ１０に供給させる交流電力の供給量や、供給する交流電力の周波数（つまり、電圧波形）を制御する。このため、制御装置１００は、交流電力の供給量や電圧波形を変更するための情報を電力変換装置３０に出力する。より具体的には、制御装置１００は、交流電力の電圧値や、バッテリ２０から直流電力を出力させるタイミング、交流の電圧波形を生成するための出力波形プロファイル、出力波形プロファイルの切り替えタイミングなどの情報を電力変換装置３０に出力する。
［電力変換装置の構成］
図３は、第１実施形態に係る電力変換装置３０の構成の一例を示す図である。図３には、電力変換装置３０に関連するバッテリ２０および負荷ＬＤも併せて示している。図３に示した電力変換装置３０は、車両１が備える走行用モータ１０における三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか一つの相に対応する電力変換装置３０である。従って、負荷ＬＤは、車両１が備える走行用モータ１０におけるいずれかの相の誘導負荷（インダクティブロード）である。電力変換装置３０は、例えば、電圧波形生成部３０ＶＧと、単相変換器３０ＰＣと、を備える。
電圧波形生成部３０ＶＧは、バッテリ２０から供給（放電）された直流電力に基づいて、正弦波の半波の電圧波形を生成する。単相変換器３０ＰＣは、電圧波形生成部３０ＶＧが生成した電圧波形の電力を負荷ＬＤに供給する際に、偶数番目の半波を反転させることによって正弦波の電圧波形に変換する。電圧波形生成部３０ＶＧは、例えば、コンバータ３００と、コンバータ３１０－１と、スイッチング素子Ｓ５と、スイッチング素子Ｓ５Ｒと、を備える。単相変換器３０ＰＣは、例えば、四つのスイッチング素子（スイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４）を備える。
コンバータ３００と、スイッチング素子Ｓ５と、スイッチング素子Ｓ５Ｒは、バッテリ２０から供給（放電）された直流電力に基づいて、入力または設定された出力波形プロファイルに基づいた電圧波形の出力電力を出力する。出力波形プロファイルは、例えば、制御装置１００によって逐次入力あるいは設定される。出力波形プロファイルは、コンバータ３００が備える制御部が逐次切り替えてもよい。コンバータ３００の構成は、後述する。
スイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４のそれぞれは、半導体スイッチング素子である。スイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４のそれぞれによって、負荷ＬＤに電力を供給するスイッチング回路が構成されている。図３では、スイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４のそれぞれが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）である場合の一例を示している。スイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４のそれぞれは、例えば、制御装置１００による導通状態と非導通状態との制御に応じて、負荷ＬＤに供給される電力の方向（負荷ＬＤを流れる電流の方向）を切り替える。制御装置１００は、負荷ＬＤの第１端ａ側に接続されているスイッチング素子Ｓ１と負荷ＬＤの第２端ｂ側に接続されているスイッチング素子Ｓ４とを同じ組として制御し、負荷ＬＤの第１端ａ側に接続されているスイッチング素子Ｓ２と負荷ＬＤの第２端ｂ側に接続されているスイッチング素子Ｓ３とを同じ組として制御する。これにより、制御装置１００が、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ４とを導通状態にし、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ３とを非導通状態にした場合、負荷ＬＤには、第１端ａ側から第２端ｂ側に電流が流れる。逆に、制御装置１００が、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ３とを導通状態にし、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ４とを非導通状態にした場合、負荷ＬＤには、第２端ｂ側から第１端ａ側に電流が流れる。これにより、コンバータ３００から出力電力が出力されていない場合には、負荷ＬＤに供給される電力の電圧波形が、矩形波形となる。このとき、例えば、制御装置１００は、スイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４のそれぞれを導通状態と非導通状態とに制御するタイミングを、三相交流の他の相に対応する電力変換装置３０が備えるスイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４のそれぞれを導通状態と非導通状態とに制御するタイミングとずらすことによって、負荷ＬＤに供給される矩形波形の電力の位相を異ならせる（位相が１２０°ずらす）ようにしてもよい。
スイッチング素子Ｓ５は、コンバータ３００から出力される出力電力が供給される方向を制限する。図３では、スイッチング素子Ｓ５が、ダイオードとスイッチとで構成されている場合の一例を示している。スイッチング素子Ｓ５は、例えば、制御装置１００による制御に応じて、コンバータ３００から出力される出力電力が供給される方向を制限する。制御装置１００は、車両１の走行のために走行用モータ１０を駆動させる場合、スイッチング素子Ｓ５が備えるスイッチを非導通状態に制御する。これにより、スイッチング素子Ｓ５は、コンバータ３００から出力される出力電力が負荷ＬＤ側（つまり、走行用モータ１０）に供給されるのを許容し、コンバータ３００から出力される出力電力がバッテリ２０の正極側に供給されるのを阻止する。一方、制御装置１００は、走行用モータ１０が回生ブレーキとして動作して発電した電力をバッテリ２０に充電させる場合、スイッチング素子Ｓ５が備えるスイッチを導通状態に制御する。これにより、スイッチング素子Ｓ５は、負荷ＬＤから出力される出力電力がバッテリ２０の正極側に供給されるのを許容する。
スイッチング素子Ｓ５Ｒは、コンバータ３００と、コンバータ３１０－１との接続を切り替える。図４では、スイッチング素子Ｓ５Ｒが、ダイオードとスイッチとで構成されている場合の一例を示している。制御装置１００が、スイッチング素子Ｓ５Ｒが備えるスイッチを非導通状態に制御すると、スイッチング素子Ｓ５Ｒは、コンバータ３００と、コンバータ３１０－１とを接続（直列接続）させる。一方、制御装置１００が、スイッチング素子Ｓ２１Ｒが備えるスイッチを導通状態に制御すると、スイッチング素子Ｓ５Ｒは、コンバータ３００と、コンバータ３１０－１とを切断させる。
コンバータ３１０－１は、バッテリ２０から供給（放電）された直流電力に基づいて、矩形波形の電圧波形を生成する。
［電力変換装置が生成する電圧波形］
図４は、電力変換装置３０において生成する電圧波形の一例を説明する図である。図４には、スイッチング素子Ｓ５が電界効果トランジスタＦＥＴで構成されている場合の電力変換装置３０の一例を示している。図４には、関連するバッテリ２０および負荷ＬＤも併せて示した電力変換装置３０の構成図に、それぞれの箇所での電圧波形の一例を示している。
電力変換装置３０では、コンバータ３１０－１は、制御装置１００によるスイッチング回路（スイッチング素子Ｓ１～スイッチング素子Ｓ４）の制御に従って、図４の（ａ）に示したような電圧波形が矩形の電力Ｅ１を生成する。つまり、電力変換装置３０においてスイッチング回路は、制御装置１００からの制御に従って、負荷ＬＤである走行用モータ１０を駆動させる周波数の矩形波形の電力Ｅ１を生成して出力する。より具体的には、制御装置１００による所定の周期での制御に従って、オン保持期間Ｐｈにおいてバッテリ２０が放電する直流電力の電圧値（図４の（ａ）では２００［Ｖ］）を保持し、スイッチング期間Ｐｓ１およびスイッチング期間Ｐｓ２において電圧値が０［Ｖ］となるような矩形波形の電力Ｅ１を生成する。図４の（ａ）に示した矩形波形の電力Ｅ１は、コンバータ３１０－１から出力電力が出力されていない、つまり、制御装置１００が電力変換装置３０の動作を停止させている場合にスイッチング回路が生成する電圧波形である。図４の（ａ）に示した電力Ｅ１の電圧波形は、車両１を走行させる場合において負荷ＬＤに電力を供給する際に、電流経路Ｐ１を通って負荷ＬＤに電力が供給される場合の一例である。電流経路Ｐ２を通って負荷ＬＤに電力が供給される場合の電力Ｅ１の電圧波形は、図４の（ａ）に示した電力Ｅ１の電圧波形を反転させたものと等価である。
電力変換装置３０では、制御装置１００によりコンバータ３００の動作が開始されると、コンバータ３００は、制御装置１００により入力または設定された出力波形プロファイルに基づいて、図４の（ｂ）に示したような電圧波形の出力電力Ｅ２を生成して出力する。制御装置１００が入力または設定する出力波形プロファイルは、走行用モータ１０を駆動させる周波数の正弦波の半波から、スイッチング回路が出力する電力Ｅ１の電圧波形を減算した電圧波形を生成するためのものである。より具体的には、出力波形プロファイルは、第１～第５の五つの出力波形プロファイルにより構成される。第１出力波形プロファイルは、出力電力Ｅ２の電圧値が、バッテリ２０が放電する直流電力の電圧値（以下、「直流電圧値」という）よりも低いスイッチング期間Ｐｓ１の期間において、正弦波の半波に沿って出力電力Ｅ２の電圧値をゼロの状態から上昇させるプロファイルである。第２出力波形プロファイルは、出力電力Ｅ２の電圧値と直流電圧値とが等しくなったときに、出力電力Ｅ２の電圧値をゼロにさせるプロファイルである。第３出力波形プロファイルは、オン保持期間Ｐｈの期間において、出力電力Ｅ２の電圧値がゼロの状態から正弦波の半波と同様に上昇させ、出力電力Ｅ２の電圧値と直流電圧値とが等しくなったときから正弦波の半波と同様に下降させるプロファイルである。第４出力波形プロファイルは、出力電力Ｅ２の電圧値がゼロになったときに、出力電力Ｅ２の電圧値を直流電圧値と等しくさせるプロファイルである。第５出力波形プロファイルは、スイッチング期間Ｐｓ２の期間において、出力電力Ｅ２の電圧値が直流電圧値と等しい状態から正弦波の半波に沿って出力電力Ｅ２の電圧値をゼロの状態まで下降させるプロファイルである。制御装置１００は、スイッチング回路を制御するタイミングに合わせて、これらの五つの出力波形プロファイルをコンバータ３００に順次入力または設定することにより、図４の（ｂ）に示したような電圧波形の出力電力Ｅ２をコンバータ３００から出力させる。
電力変換装置３０では、スイッチング素子Ｓ５の負荷ＬＤ側で、電力Ｅ１とコンバータ３００が出力した出力電力Ｅ２とが合わされる。つまり、電力変換装置３０では、スイッチング素子Ｓ５の負荷ＬＤ側で、電力Ｅ１の電圧波形と出力電力Ｅ２の電圧波形とが波形合成される。これにより、図４の（ｃ）に示したように、バッテリ２０が放電する直流電圧値の２倍の電圧値（図４の（ｃ）では４００［Ｖ］）であり、電圧波形が、電圧値＝０［Ｖ］を基準とした正弦波の半波である電力が負荷ＬＤの端子に供給される。より具体的には、電流経路Ｐ１で負荷ＬＤに電力を供給する場合には第２端ｂ側に、電流経路Ｐ２で負荷ＬＤに電力を供給する場合には第１端ａ側に、直流電圧値の２倍の電圧値の電力が供給される。
ところで、電力変換装置３０では、図４の（ａ）に示したような矩形波形の電力Ｅ１を生成するために、制御装置１００がスイッチング回路を制御している。このため、負荷ＬＤに流れる電流の方向は、電流経路Ｐ１で負荷ＬＤに電力を供給する場合と、電流経路Ｐ２で負荷ＬＤに電力を供給する場合とで逆向きになる。これにより、負荷ＬＤには、図４の（ｄ）に示したように、電圧波形が走行用モータ１０を駆動させる周波数の正弦波（全波）の電力が供給される。これにより、走行用モータ１０は、供給された正弦波の電力によって駆動（回転）する。
［コンバータの構成］
図５は、電力変換装置３０が備えるコンバータ３００の構成の一例を示す図である。図５に示したコンバータ３００は、例えば、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２と、制御部３０４と、を備える。
ＬＬＣ共振型コンバータ３０２は、電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２、ＦＥＴ３、およびＦＥＴ４と、電界効果トランジスタＦＥＴ５、ＦＥＴ６、ＦＥＴ７、およびＦＥＴ８（以下、「電界効果トランジスタＦＥＴ」と総称する場合がある）とがブリッジ接続された一次側フルブリッジ回路と二次側フルブリッジ回路との間にトランスＴが接続され、かつ一次側フルブリッジ回路にコンデンサＣおよびインダクタＬが直列に接続された、ＬＬＣ方式の双方向絶縁型コンバータである。二次側フルブリッジ回路は、さらに、トランスの巻数比を切り替える切替え機構ＳＭを備え、切替え機構ＳＭでは、電界効果トランジスタＦＥＴ９およびＦＥＴ１０の組、電界効果トランジスタＦＥＴ１１およびＦＥＴ１２の組、および電界効果トランジスタＦＥＴ１３およびＦＥＴ１４の組がトランスＴに並列接続されている。通常は、電界効果トランジスタＦＥＴ９およびＦＥＴ１０の組がトランスと通電しているが、制御部３０４から出力されたゲート駆動信号に応じて、電界効果トランジスタＦＥＴ１１およびＦＥＴ１２の組と、電界効果トランジスタＦＥＴ１３およびＦＥＴ１４の組とのうちの１つをトランスＴに通電させることもできる。これにより、図５に示す通り、選択された電界効果トランジスタの組に応じて、トランスの巻数比が切り替えられる。電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２、ＦＥＴ３、およびＦＥＴ４を含む回路部ＳＷ１は、「一次側スイッチング部」の一例であり、電界効果トランジスタＦＥＴ５、ＦＥＴ６、ＦＥＴ７、およびＦＥＴ８を含む回路部ＳＷ２は、「二次側スイッチング部」の一例である。
後述する通り、制御部３０４は、ＰＮＭ（Pulse Number Modulation）制御によって電界効果トランジスタＦＥＴを制御するため、二次側フルブリッジ回路の電圧は一次側フルブリッジ回路の電圧よりも低く、トランスＴの巻数比がそのままである場合、二次側フルブリッジ回路の電圧を一次側フルブリッジ回路の電圧にまで昇圧することは困難である。一方、走行用モータ１０が回生動作を実行する際に出力される電圧は、バッテリ２０の電圧よりも低いため、回生動作の際には、二次側フルブリッジ回路から一次側フルブリッジ回路に出力される電圧を昇圧する必要がある。そのため、制御部３０４は、走行用モータ１０が回生動作を実行する際に、上記の切替え機構ＳＭを制御して、二次側フルブリッジ回路から一次側フルブリッジ回路への昇圧比を上昇させるように巻数比を切り替えさせる。より具体的には、制御部３０４は、電界効果トランジスタＦＥＴ９およびＦＥＴ１０の組から、電界効果トランジスタＦＥＴ１１およびＦＥＴ１２の組又は電界効果トランジスタＦＥＴ１３およびＦＥＴ１４の組に、トランスＴに接続する経路を切り換えることで、昇圧比を増加させる。これにより、回生動作の際に、二次側フルブリッジ回路の電圧をバッテリ２０の充電に必要な電圧にまで昇圧することができる。
図６は、コンバータ３００の一次側フルブリッジ回路と二次側フルブリッジ回路が出力する波形の一例を示す図である。図６の左図は、一次側フルブリッジ回路によって出力される共振電流波形を示し、図６の右図は、二次側フルブリッジ回路によって出力される共振電流波形を示す。図６の右図から分かる通り、二次側フルブリッジ回路によって出力される共振電流が非ゼロの値を取るときに電界効果トランジスタＦＥＴを切り替えると、損失が発生する。そのため、制御部３０４は、二次側フルブリッジ回路によって出力される共振電流がゼロクロスであるときに電界効果トランジスタＦＥＴを切り替える必要があり、制御が時間幅に依存しないＰＮＷを用いることになる。さらに、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２はトランスＴを備えているため、単一の制御パルスではトランスＴのコアが飽和する。この事態を回避するために、制御部３０４は、２つの制御パルス単位（最小分解能）で電界効果トランジスタＦＥＴのオン／オフを切り替える。
制御部３０４は、制御装置１００からの制御に応じて、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２が備えるそれぞれの電界効果トランジスタＦＥＴのオン状態およびオフ状態を制御する。制御部３０４は、それぞれの電界効果トランジスタＦＥＴのゲートを駆動するためのゲート駆動信号を生成する。さらに、前述した通り、制御部３０４は、電界効果トランジスタＦＥＴ９およびＦＥＴ１０の組、電界効果トランジスタＦＥＴ１１およびＦＥＴ１２の組、電界効果トランジスタＦＥＴ１３およびＦＥＴ１４の組のうちの１つを選択し、トランスＴと通電させるためのゲート駆動信号を出力する。
［制御部の構成］
図７は、コンバータ３００が備える制御部３０４の機能構成の一例を示す図である。以下の説明においては、制御部３０４は、例えば、乗算器３０４２と、フィードバック部３０４４と、比較部３０４６と、ゲート駆動信号生成部３０４８と、を備える。
乗算器３０４２は、制御装置１００により入力または設定された出力波形プロファイルの指令値と、制御装置１００により入力された振幅係数指令値とを乗算して、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２から出力させる電圧値を求める。図７には、（ａ）～（ｆ）に出力波形プロファイルの一例を示している。乗算器３０４２は、図７の（ａ）～（ｆ）に示したような出力波形プロファイルに応じた電圧波形となるような出力波形プロファイルの指令値と、サンプリングタイミングごとの振幅係数指令値とを乗算して、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２から出力させる電圧値を求める。振幅係数指令値は、コンバータ３００に出力させる出力電力の目標値である。
フィードバック部３０４４は、制御装置１００により入力された電圧フィードバック情報に基づいてフィードバック制御を行う。フィードバック部３０４４は、フィードバック制御によって、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２から出力されている現在の電圧値を、乗算器３０４２が求めた電圧値に近づけるための電圧制御パルスを生成する。フィードバック部３０４４におけるフィードバック制御は、例えば、Ｐ（比例：Proportional）、Ｉ（積分：Integral）、Ｄ（微分：Differential）のそれぞれの制御を組み合わせたＰＩＤ制御である。フィードバック部３０４４におけるフィードバック制御は、ＰＩＤ制御に限らず、他のフィードバック制御の方法であってもよい。
比較部３０４６は、制御装置１００により入力された変調波生成情報に応じた変調アルゴリズムで、フィードバック部３０４４が生成した電圧制御パルスを変調する。比較部３０４６は、例えば、ＰＮＭなどの変調アルゴリズムで、電圧制御パルスを変調する。変調波生成情報は、これらの変調アルゴリズムを指定する情報である。比較部３０４６は、電圧制御パルスを変調した変調信号を出力する。
ゲート駆動信号生成部３０４８は、比較部３０４６が変調した変調信号に基づいて、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２が備えるそれぞれの電界効果トランジスタＦＥＴのゲート端子に入力するゲート駆動信号を生成する。これにより、電力変換装置３０が備えるそれぞれの電界効果トランジスタＦＥＴは、入力されたゲート駆動信号に応じてオン状態またはオフ状態になり、ＬＬＣ共振型コンバータ３０２から、制御装置１００により入力または設定された出力波形プロファイルに応じた、走行用モータ１０を駆動させる周波数に対応する電圧波形（図４の（ｂ）参照）の出力電力が出力される。
図８は、制御部３０４によって実行されるＰＮＭ制御を説明するための図である。図８は、４ビットで１５段階の出力を表す例であり、上述した通り、２つの制御パルスが最小分解能となっている。制御部３０４は、要求出力電圧に応じて、１５段階のパルス列を生成し、電界効果トランジスタＦＥＴに出力することによって、電界効果トランジスタＦＥＴのオン／オフを切り替える。
図９は、コンバータ３００が備える制御部３０４によって実行されるＰＮＭ制御を説明するための別の図である。図９において、黒点は次にオンされるビット位置を示す。図９に示す通り、本実施形態では、パルス列におけるパルスが平均化されている例を示しているが、例えば、パルス列の特定箇所を優先的にオンすることによって重み付けを行い、さらに細かい制御を実現することもできる。したがって、図４の(ｄ)に示すような所望の出力周波数（例えばｆ０)に対し、ＬＣＣ共振周波数（例えばｆｒ)が十分に高い場合は、その比の１／２段階の制御分解能が得られる。
図１０は、コンバータによって生成される電圧波形と、ＰＮＭ制御によって出力されるパルス列との間の関係の一例を示す図である。図１０に示す通り、時点Ｐ１において、コンバータ３００は０Ｖを出力するが、直前に２００Ｖを出力していたため、測定された電圧Ｖ（２００Ｖ）と目標電圧Ｖ＊（０Ｖ）との差分ΔＶがマイナスの大きい値となる。このとき、フィードバック部３０４４は、例えば、Ｋを比例ゲインとする比例制御によって、Ｋ×ΔＶ＝Δｎを算出し、Δｎはマイナスの大きい値になるため、ｎ＝０、すなわち、パルス列のビットを全てオフにするように比較部３０４６に指令する。
次に、時点Ｐ２において、コンバータ３００は１００Ｖを出力するが、直前に０Ｖを出力していたため、測定された電圧Ｖ（０Ｖ）と目標電圧Ｖ＊（１００Ｖ）との差分ΔＶがプラスの値となる。このとき、フィードバック部３０４４は、再度、Ｋ×ΔＶ＝Δｎを算出し、Δｎがプラスの値になるため、例えば、ｎ＝７、すなわち、パルス列のうち７つのビットをオンにするように比較部３０４６に指令する。
次に、時点Ｐ３において、コンバータ３００は２００Ｖを出力するが、直前に１００Ｖを出力していたため、測定された電圧Ｖ（１００Ｖ）と目標電圧Ｖ＊（２００Ｖ）との差分ΔＶがプラスの値となる。このとき、フィードバック部３０４４は、再度、Ｋ×ΔＶ＝Δｎを算出し、Δｎがプラスの値になるため、例えば、ｎ＝１５、すなわち、パルス列のうち１５個のビットをオンにするように比較部３０４６に指令する。このように、制御部３０４は、要求出力電圧に応じたパルス列を出力して電界効果トランジスタＦＥＴの切り替えを制御することによって、正弦波のみならず、所望の出力波形を実現することができる。なお、制御部３０４は、上記のフィードバック制御による遅れを調整するため、ある程度の先読み制御を行ってもよい。
［処理の流れ］
図１１は、制御装置１００と制御部３０４との間の協働によって実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。本フローチャートの処理は、車両１が走行している間、繰り返し実行される。
制御装置１００は、まず、制御部３０４に出力する出力波形プロファイルを設定し、制御部３０４に通知する（ステップＳ１００）。制御部３０４は、通知された出力波形プロファイルに基づいて、電気角を読み込み算出する（ステップＳ１１０）。次に、制御部３０４は、波形プロファイルテーブルを読み出す（ステップＳ１２０）。次に、制御装置１００は、振幅係数指令値を設定して制御部３０４に通知し、制御部３０４は、出力電圧の目標値を算出する（ステップＳ１３０）。次に、制御部３０４は、ＰＩＤ演算を行い、電圧制御パルスを生成する（ステップＳ１４０）。次に、制御部３０４は、ＰＮＭなどの変調アルゴリズムで、電圧制御パルスを変調する（ステップＳ１５０）。次に、制御部３０４は、電界効果トランジスタＦＥＴのゲート端子に入力するゲート駆動信号を生成する（ステップＳ１６０）。これにより、本フローチャートの処理が終了する。
以上の通り説明した実施形態によれば、コンバータ３００は、所望の波形の出力波形プロファイルに沿った電圧が出力されるようにスイッチング素子を制御する。さらに、走行用モータ１０の回生時には、トランスに通電する電界効果トランジスタＦＥＴを切り替えて、二次側フルブリッジ回路から一次側フルブリッジ回路への昇圧比を上昇させることにより、回生によって発生した電力をバッテリ２０に蓄えることができる。これにより、回路の複雑化を回避しつつ、出力電圧の制御範囲を拡大させることができる。
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、本発明は、商用電力の系統に接続可能な電力変換機器やグリッドなどにも応用が可能である
１・・・車両
１０・・・走行用モータ
１２・・・駆動輪
１４・・・ブレーキ装置
１６・・・減速機
２０・・・バッテリ
２２・・・バッテリセンサ
３０，３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ・・・電力変換装置
３０ＶＧ・・・電圧波形生成部
３０ＰＣ・・・単相変換器
３５・・・電力センサ
５０・・・運転操作子
６０・・・車両センサ
８０・・・外部接続装置
１００・・・制御装置
３００，３１０－１・・・コンバータ
３０２・・・ＬＬＣ共振型コンバータ
３０４・・・制御部
３０４２・・・乗算器
３０４４・・・フィードバック部
３０４６・・・比較部
３０４８・・・ゲート駆動信号生成部
ＳＭ・・・切替え機構
ＳＷ１、ＳＷ２・・・回路部

Claims (6)

  1. バッテリに接続される一次側スイッチング部と、
    モータに接続される二次側スイッチング部と、
    前記一次側スイッチング部と前記二次側スイッチング部との間に設けられるトランスと、
    所望の波形の出力波形プロファイルに沿った電圧が前記モータ側に出力されるように少なくとも前記二次側スイッチング部を制御する制御部と、を備えるコンバータであって、
    前記コンバータは、ＬＬＣ共振型コンバータであり、
    前記制御部は、ＰＮＭ（Pulse Number Modulation）制御によって、前記出力波形プロファイルに沿った電圧を前記二次側スイッチング部に生成させる、
    コンバータ。
  2. 前記トランスの巻数比を切り替える切替え機構を更に備える、
    請求項１に記載のコンバータ。
  3. 前記制御部は、前記モータが回生動作を実行する際に、前記切替え機構を制御して、前記トランスの巻数比を切り替えさせる、
    請求項２に記載のコンバータ。
  4. 前記制御部は、前記モータが回生動作を実行する際に、前記切替え機構を制御して、前記二次側スイッチング部から前記一次側スイッチング部への昇圧比を上昇させる、
    請求項３に記載のコンバータ。
  5. バッテリに接続される一次側スイッチング部と、
    モータに接続される二次側スイッチング部と、
    前記一次側スイッチング部と前記二次側スイッチング部との間に設けられるトランスと、
    前記トランスの巻数比を切り替える切替え機構と、を備えるコンバータの制御装置であって、
    前記制御装置は、
    所望の波形の出力波形プロファイルに沿った電圧が前記モータ側に出力されるように少なくとも前記二次側スイッチング部を制御する制御部と、を備え、
    前記コンバータは、ＬＬＣ共振型コンバータであり、
    前記制御部は、ＰＮＭ（Pulse Number Modulation）制御によって、前記出力波形プロファイルに沿った電圧を前記二次側スイッチング部に生成させる、
    コンバータの制御装置。
  6. バッテリに接続される一次側スイッチング部と、
    モータに接続される二次側スイッチング部と、
    前記一次側スイッチング部と前記二次側スイッチング部との間に設けられるトランスと、
    前記トランスの巻数比を切り替える切替え機構と、を備えるコンバータの制御方法であって、
    前記コンバータは、ＬＬＣ共振型コンバータであり、
    前記制御方法は、
    所望の波形の出力波形プロファイルに沿った電圧が前記モータ側に出力されるように少なくとも前記二次側スイッチング部を制御し、
    ＰＮＭ（Pulse Number Modulation）制御によって、前記出力波形プロファイルに沿った電圧を前記二次側スイッチング部に生成させる、
    コンバータの制御方法。
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