WO2020080024A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Definitions

  • This disclosure relates to power conversion devices.
  • inverters power converters
  • the inverter of Patent Document 1 has two sets of three-phase bridge circuits, the positive terminal and the negative terminal of one of the three-phase bridge circuits are connected to the positive terminal and the negative terminal of the power source, respectively, and the positive electrode of the other three-phase bridge circuit.
  • the terminal and the negative terminal are connected to the positive terminal and the negative terminal of the power source through the switch. Then, by switching the switch, the star connection operation and the delta connection operation are switched.
  • the first means converts the electric power from a DC power source and supplies the electric power to a rotating electric machine having a rotating shaft to which a crankshaft of an engine is connected, A power converter for driving an electric machine, wherein when the engine is requested to start, in the power converter for starting the drive of the rotary electric machine, the first of both ends of each phase winding constituting the rotary electric machine A first inverter circuit electrically connected to the end side and transmitting electric power to and from the DC power supply, and electrically connected to a second end side of both ends of each phase winding constituting the rotary electric machine.
  • the ISG 20 has a power generation function of generating power (regenerative power generation) by rotating the crankshaft 10a of the engine 10 and the axle 100, and a power running function of applying a driving force (rotational force) to the crankshaft 10a. Further, it has a function as an electric motor (starter) that applies an initial rotational force to the crankshaft 10a when the engine 10 is started.
  • the first inverter circuit 51 and the second inverter circuit 52 are each configured by a full bridge circuit having upper and lower arms in the same number as the number of phases of the three-phase winding 41.
  • the energization current is adjusted in each phase winding (U-phase winding 42U, V-phase winding 42V, and W-phase winding 42W) by turning on and off the switch (semiconductor switching element) provided in each arm.
  • the second end of the U-phase winding 42U is connected to the intermediate connection point between the upper arm switch Sp2 and the lower arm switch Sn2 in the U phase.
  • the second end of the V-phase winding 42V is connected to an intermediate connection point between the upper arm switch Sp2 and the lower arm switch Sn2 in the V phase.
  • a second end of the W-phase winding 42W is connected to an intermediate connection point between the upper arm switch Sp2 and the lower arm switch Sn2 in the W phase.
  • control device 60 is communicably connected to an engine ECU (not shown) that controls the engine 10. Then, when a request for power running drive (including a request for engine start) is issued from the engine ECU, the control device 60 outputs an operation signal for operating each switch, and outputs torque to the crankshaft 10a of the engine 10.
  • the ISG 20 is controlled so that In addition, when a request for power generation is made, the control device 60 outputs an operation signal for operating each switch, converts generated power, and controls the ISG 20 to charge the battery 30.
  • the starting time from the start of starting (request time) to the completion of starting (time of complete explosion) is as short as possible. Therefore, it is desirable that the output torque of the ISG 20 (motor 40) be as large as possible when the engine 10 is started.
  • the motor 40 tends to increase in size. Therefore, the motor 40 is increased in size and the output torque is improved in view of the accommodation space of the ISG 20, the weight, and the manufacturing cost. There was a limit.
  • the control device 60 acquires a power running drive or power generation request from the engine ECU or the like (step S101). Next, the control device 60 sets the drive mode according to the acquired request (step S102). For example, when the power running drive request (including the engine start request) is acquired, the power running drive mode is set. When the request for power generation is acquired, the regenerative drive mode is set. In addition, when neither the power running drive request nor the power generation request is acquired, the stop mode is set.
  • control device 60 determines whether or not the motor rotation speed is equal to or higher than a threshold value (step S105).
  • the threshold will be described later.
  • step S106 the control device 60 executes rectangular wave current control in which a rectangular wave current is passed through each phase winding. That is, when the motor rotation speed is low and a large torque is required (when the determination result of step S105 is negative), each switch (Sp1, Sn1) is caused to flow a current by superimposing a harmonic component on the fundamental wave. , Sp2, Sn2) are controlled. Specifically, the switches (Sp1, Sn1, Sp2, Sn2) are controlled so that the total sum of the currents flowing through the phase windings is other than "0 (zero)". This makes it possible to superimpose harmonic components.
  • the threshold value in step S105 will be described.
  • the motor rotation speed at which and are matched is set as the threshold value. That is, the torque (load torque) applied to the crankshaft 10a becomes smaller as the engine speed (that is, the rotation speed of the motor 40) becomes larger, as shown in FIG. Therefore, in the present embodiment, the motor rotation speed at which the maximum value of the load torque when a sine wave current is passed and the load torque when a rectangular wave current is passed are identified, and the motor rotation speed is set to a threshold value. Has been set as.
  • the torque applied to the crankshaft 10a can be said to be the torque required for the crankshaft 10a to rotate.
  • the control device 60 When an engine start request is made, the control device 60 causes a rectangular wave current to flow through each phase winding because the motor rotation speed is less than the threshold value (that is, zero). As shown in FIG. 6, the maximum value of the output torque (indicated by the solid line) when the rectangular wave current is passed is larger than the output torque (indicated by the broken line) when the sine wave current is passed.
  • the control device 60 stops the flow of the rectangular wave current and sends a sinusoidal wave current to each phase winding to control the drive of the motor 40. .
  • harmonic components are less likely to be superimposed on the current flowing through each phase winding, and torque ripple and eddy current loss are suppressed.
  • the threshold is a motor rotation speed at which the maximum value of the load torque when a sinusoidal current is applied to each phase winding and the load torque when a rectangular wave current is applied to each phase winding match. . Therefore, when the rectangular wave current control is switched to the sine wave current control, it is possible to prevent the load torque from suddenly changing.
  • the control device 60 when the motor 40 is stopped, the control device 60, based on the detection result of the angle detector such as the resolver, supplies a predetermined current to each phase winding when the motor 40 starts driving (first embodiment). Then, it may be stopped at a predetermined position where the output torque is maximized when a rectangular wave current) is passed. As a result, as shown in FIG. 8, the load torque at the start of driving the motor 40 (time T10) can be increased as compared with the case where the motor 40 is not stopped at the predetermined position.
  • the engine speed and the load torque when stopped at a predetermined position are shown by solid lines, and the engine speed and the load torque when stopped at positions other than the predetermined position are shown by broken lines.
  • the engine start time time T10 to time T13
  • the engine start time time T10 to time T14
  • the predetermined position where the output torque becomes maximum differs depending on the magnetic flux density distribution of the magnet and the waveform of the current flowing in each phase winding. Therefore, the predetermined position may be stored in advance by supplying a predetermined current when the motor 40 is stopped to specify the predetermined position. Further, it may be predicted by calculation based on the magnetic flux density distribution of the magnet and the current waveform flowing in each phase winding.

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Abstract

回転電機（４０）に対して、直流電源（３０）からの電力を変換して供給し、前記回転電機を駆動させる電力変換装置であって、エンジン始動要求時に、回転電機の駆動を開始させる電力変換装置（５０）は、回転電機の各相巻線（４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗ）の両端のうち第１端側に電気的に接続され、直流電源との間で電力を伝達する第１インバータ回路（５１）と、回転電機の各相巻線の両端のうち第２端側に電気的に接続され、直流電源との間で電力を伝達する第２インバータ回路（５２）と、第１インバータ回路及び第２インバータ回路を制御する制御部（６０）と、を備え、制御部は、回転電機の回転速度に応じて各相巻線に流れる電流の総和を変更する。

Description

電力変換装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１８年１０月１６日に出願された日本出願番号２０１８－１９５３９４号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　この開示は、電力変換装置に関するものである。
　従来、モータの電流制御を行うインバータ（電力変換装置）には、スター接続運転とデルタ接続運転とを切り替えて、モータを運転させるものがある。特許文献１のインバータでは、３相ブリッジ回路を２組有し、一方の３相ブリッジ回路の正極端子及び負極端子を電源の正極端子及び負極端子にそれぞれ接続し、他方の３相ブリッジ回路の正極端子及び負極端子を、スイッチを介して電源の正極端子及び負極端子に接続している。そして、スイッチを切り替えることにより、スター接続運転とデルタ接続運転とを切り替えるようにしている。このようなインバータでスターデルタ始動法を実施することにより、始動時における始動電流を抑制することができる。
特開昭６４－３４１９８号公報
　ところで、モータを、エンジン始動用のモータ（ＩＳＧ）として利用する場合、モータの始動時におけるトルクを大きくすることが望まれている。すなわち、エンジン始動時において、モータのトルク（つまり、クランク軸に付与されるトルク）が大きいほど、エンジンが始動するまでの時間を短くすることができるため、始動時におけるトルクを大きくすることが望まれている。しかしながら、上記インバータでは、始動電流と共に、始動時におけるトルクが小さくなってしまうという問題がある。
　本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、エンジン始動時においてモータのトルクを向上させることができる電力変換装置を提供することにある。
　上記課題を解決するための手段のうち、第１の手段は、エンジンのクランク軸が連結されている回転軸を有する回転電機に対して、直流電源からの電力を変換して供給し、前記回転電機を駆動させる電力変換装置であって、前記エンジンの始動が要求された場合、前記回転電機の駆動を開始させる電力変換装置において、前記回転電機を構成する各相巻線の両端のうち第１端側に電気的に接続され、前記直流電源との間で電力を伝達する第１インバータ回路と、前記回転電機を構成する各相巻線の両端のうち第２端側に電気的に接続され、前記直流電源との間で電力を伝達する第２インバータ回路と、前記第１インバータ回路及び前記第２インバータ回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記回転電機の回転速度に応じて各相巻線に流れる電流の総和を変更する。
　回転電機において、界磁磁石の磁束密度分布には、高調波成分を含む。このため、各相巻線に流れる電流の総和を変更して、高調波成分を重畳させることにより、出力トルクを向上させることができる。すなわち、始動時間を短縮可能となる。なお、回転速度によっては、高調波成分を重畳させることにより、トルクリプル等が大きくなる。そこで、回転速度に応じて、各相巻線に流れる電流の総和を調整することにより、高調波成分の大きさを適切に調整して、トルクリプルなどを抑制しつつ、エンジン始動時間を短縮することができる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、駆動システムの概念図であり、 図２は、ＩＳＧの電気的構成を示す回路図であり、 図３は、磁束密度分布を示す図であり、 図４は、モータ制御処理を示すフローチャートであり、 図５は、（ａ）～（ｄ）は、各相巻線に流れる電流の時間変化を示す図であり、 図６は、出力トルクの時間変化を示す図であり、 図７は、エンジン回転数と負荷トルクの時間変化を示す図であり、 図８は、別例におけるエンジン回転数と負荷トルクの時間変化を示す図である。
　以下、本開示に係る電力変換装置を、走行動力源としてエンジン及び回転電機を備える車両の駆動システムに適用した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
　図１に示すように、車両は、エンジン１０、ＩＳＧ２０、直流電源としてのバッテリ３０を備えている。本実施形態では、ＩＳＧ２０は、回転電機としてのモータ４０と、電力変換装置としてのインバータ５０と、制御部としての制御装置６０と、を有するモータ機能付き発電機であり、機電一体型のＩＳＧ（Integrated Starter Generator）として構成されている。
　モータ４０は、具体的には３相巻線を有する永久磁石型同期機である。なお、巻線界磁型同期機であってもよい。ＩＳＧ２０の回転軸２０ａ（つまり、モータ４０の回転軸２０ａ）は、内燃機関としてのエンジン１０のクランク軸１０ａに対して駆動力が伝達されるように、プーリなどの連結機構１０１を介して連結されている。また、エンジン１０のクランク軸１０ａは、変速機などの連結機構１０２を介して車軸１００に連結されている。ＩＳＧ２０は、エンジン１０のクランク軸１０ａや車軸１００の回転により発電（回生発電）を行う発電機能と、クランク軸１０ａに駆動力（回転力）を付与する力行機能とを備えている。また、エンジン１０の始動時に、クランク軸１０ａに対して初期回転力を付与する電動機（スタータ）としての機能を有している。
　バッテリ３０は、充放電可能な２次電池を用いており、具体的にはリチウムイオン蓄電池を用いている。
　続いて図２を用いて、駆動システムの電気的構成について説明する。
　図２では、モータ４０の固定子巻線として３相巻線４１が示されている。３相巻線４１はＵ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗよりなる。本実施形態において、Ｕ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗは、電気角で位相が１２０度ずつずらされて配置されている。
　インバータ５０は、第１インバータ回路５１、第２インバータ回路５２、及び平滑用のコンデンサ５３を備えている。本実施形態では、第１インバータ回路５１及び第２インバータ回路５２として、３相インバータを用いている。第１インバータ回路５１及び第２インバータ回路５２には、それぞれバッテリ３０とコンデンサ５３とが並列に接続されている。
　第１インバータ回路５１及び第２インバータ回路５２は、それぞれ３相巻線４１の相数と同数の上下アームを有するフルブリッジ回路により構成されている。各アームに設けられたスイッチ（半導体スイッチング素子）のオンオフにより、各相巻線（Ｕ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗ）において通電電流が調整される。
　詳しく説明すると、第１インバータ回路５１は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相において、上アームスイッチＳｐ１と下アームスイッチＳｎ１との直列接続体をそれぞれ備えている。本実施形態では、各相における上アームスイッチＳｐ１及び下アームスイッチＳｎ１として、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いており、具体的にはＩＧＢＴを用いている。なお、ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。各相における上アームスイッチＳｐ１及び下アームスイッチＳｎ１には、それぞれフリーホイールダイオード（還流ダイオード）Ｄｐ１，Ｄｎ１が逆並列に接続されている。
　各相の上アームスイッチＳｐ１の高電位側端子（コレクタ）はバッテリ３０の正極端子に接続されている。また、各相の下アームスイッチＳｎ１の低電位側端子（エミッタ）は、バッテリ３０の負極端子（グランド）に接続されている。各相の上アームスイッチＳｐ１と下アームスイッチＳｎ１との間の中間接続点には、それぞれＵ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗの第１端が接続されている。
　すなわち、Ｕ相における上アームスイッチＳｐ１と下アームスイッチＳｎ１との間の中間接続点には、Ｕ相巻線４２Ｕの第１端が接続されている。Ｖ相における上アームスイッチＳｐ１と下アームスイッチＳｎ１との間の中間接続点には、Ｖ相巻線４２Ｖの第１端が接続されている。Ｗ相における上アームスイッチＳｐ１と下アームスイッチＳｎ１との間の中間接続点には、Ｗ相巻線４２Ｗの第１端が接続されている。
　第２インバータ回路５２は、第１インバータ回路５１と同様の構成とされている。すなわち、第２インバータ回路５２は、各相巻線において上アームスイッチＳｐ２と下アームスイッチＳｎ２との直列接続体をそれぞれ備えている。各相における上アームスイッチＳｐ２及び下アームスイッチＳｎ２には、それぞれフリーホイールダイオードＤｐ２，Ｄｎ２が逆並列に接続されている。
　各相の上アームスイッチＳｐ２の高電位側端子（コレクタ）はバッテリ３０の正極端子に接続されている。また、各相の下アームスイッチＳｎ２の低電位側端子（エミッタ）は、バッテリ３０の負極端子（グランド）に接続されている。各相の上アームスイッチＳｐ２と下アームスイッチＳｎ２との間の中間接続点には、それぞれＵ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗの第２端が接続されている。
　すなわち、Ｕ相における上アームスイッチＳｐ２と下アームスイッチＳｎ２との間の中間接続点には、Ｕ相巻線４２Ｕの第２端が接続されている。Ｖ相における上アームスイッチＳｐ２と下アームスイッチＳｎ２との間の中間接続点には、Ｖ相巻線４２Ｖの第２端が接続されている。Ｗ相における上アームスイッチＳｐ２と下アームスイッチＳｎ２との間の中間接続点には、Ｗ相巻線４２Ｗの第２端が接続されている。
　制御装置６０は、ＣＰＵや各種メモリからなるマイコンを備えており、ＩＳＧ２０における各種の検出情報や、力行駆動及び発電の要求に基づいて、第１インバータ回路５１及び第２インバータ回路５２における各スイッチのオンオフにより通電制御を実施する。ＩＳＧ２０の検出情報には、例えば、モータ４０における回転子（回転軸２０ａ）の回転角度（電気角情報）や、電圧センサにより検出される電源電圧（インバータ入力電圧）、電流センサにより検出される各相の通電電流が含まれる。回転子の回転角度は、レゾルバ等の位置検出部としての角度検出器により検出される。制御装置６０は、第１インバータ回路５１及び第２インバータ回路５２の各スイッチを操作する操作信号を生成して出力する。なお、発電の要求は、回生駆動の要求である。
　また、制御装置６０は、図示しないエンジン１０を制御するエンジンＥＣＵと通信可能に接続されている。そして、制御装置６０は、エンジンＥＣＵから、力行駆動の要求（エンジン始動の要求を含む）がされた場合、各スイッチを操作する操作信号を出力して、エンジン１０のクランク軸１０ａに対してトルクを付与するようにＩＳＧ２０を制御する。また、制御装置６０は、発電の要求がされた場合、各スイッチを操作する操作信号を出力して、発電電力を変換し、バッテリ３０を充電するようにＩＳＧ２０を制御する。
　なお、エンジンＥＣＵは、車両の運転者によるイグニッションスイッチ（図示略）でのエンジン１０の始動操作や、アイドリングストップ状態の解除操作などに基づいて、エンジン始動の要求を行う。また、エンジンＥＣＵは、燃料の噴射や点火等を制御する。また、エンジンＥＣＵは、クランク角センサが出力する信号に基づく情報を制御装置６０に出力する。クランク角センサは、クランク軸１０ａの近傍に設けられている。クランク角センサは、クランク軸１０ａのクランク角を検出し、検出したクランク角に応じたエンジン回転速度信号をエンジンＥＣＵに出力する。つまり、エンジンＥＣＵは、エンジン１０の回転速度（エンジン回転数）に関する情報を制御装置６０に出力する。
　ところで、エンジン１０の始動を行う場合、始動開始（要求時点）から始動完了（完爆時点）までの始動時間は、極力短い方が良い。このため、エンジン１０の始動時において、ＩＳＧ２０（モータ４０）の出力トルクは、なるべく大きい方が望ましい。しかしながら、一般的に、出力トルクを大きくするには、モータ４０が大型化する傾向にあるため、ＩＳＧ２０の収容スペース、重量、及び製造コストの都合上、モータ４０を大型化して出力トルクを向上させるには限度があった。
　一方、モータ４０に備えられた界磁用の永久磁石の磁石密度分布は、図３に示すように、一般的に、基本波の他に高調波成分（３次高調波又は５次高調波等）を含んでいる。このため、各相巻線に流す電流においても高調波成分を重畳することにより、永久磁石の磁束密度分布における高調波成分を有効利用して、出力トルクを向上させることができると考えられる。ただし、各相巻線に流す電流に高調波成分を重畳する場合、トルクリプルや渦電流損が大きくなるため、始動開始から一定期間に限って高調波成分を重畳することが望ましい。そこで、エンジン始動時において、制御装置６０は、以下に説明するような制御を行うようにしている。図４に基づいて説明する。
　図４は、制御装置６０が実行するモータ制御処理を示すフローチャートである。モータ制御処理は、一定周期ごとに実行される。
　制御装置６０は、エンジンＥＣＵ等からの力行駆動又は発電の要求を取得する（ステップＳ１０１）。次に、制御装置６０は、取得した要求に応じて駆動モードを設定する（ステップＳ１０２）。例えば、力行駆動の要求（エンジン始動の要求を含む）を取得した場合には、力行駆動モードを設定する。発電の要求を取得した場合には、回生駆動モードを設定する。なお、力行駆動の要求及び発電の要求のいずれも取得しなかった場合には、停止モードを設定する。
　次に、制御装置６０は、力行駆動モードが設定されたか否かを判定する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３の判定結果が肯定の場合、制御装置６０は、モータ４０の回転速度（以下、モータ回転速度）を取得する（ステップＳ１０４）。モータ回転速度は、レゾルバ等の角度検出器により検出される回転軸２０ａの回転角度（電気角情報）に基づいて算出される。なお、モータ回転速度として、モータ４０の回転数（ｒｐｍ）を採用してもよい。また、回転軸２０ａと、クランク軸１０ａとは、連結されているため、エンジン回転数（エンジン回転速度）を取得して、代用してもよい。
　次に、制御装置６０は、モータ回転速度が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。閾値については後述する。
　ステップＳ１０５の判定結果が否定の場合、制御装置６０は、各相巻線に矩形波電流を流す矩形波電流制御を実行する（ステップＳ１０６）。つまり、モータ回転速度が遅く、大きなトルクが要求されている場合（ステップＳ１０５の判定結果が否定の場合）、基本波に高調波成分を重畳させて電流を流すように、各スイッチ（Ｓｐ１，Ｓｎ１，Ｓｐ２，Ｓｎ２）を制御する。具体的には、各相巻線に流れる電流の総和が「０（ゼロ）」以外となるように、各スイッチ（Ｓｐ１，Ｓｎ１，Ｓｐ２，Ｓｎ２）を制御する。これにより、高調波成分を重畳することができる。
　本実施形態では、ステップＳ１０６において、制御装置６０は、図５（ａ）～（ｃ）に示すように、Ｕ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗに対して矩形波電流を所定位相（１２０度）ずつずらして流すように、各スイッチ（Ｓｐ１，Ｓｎ１，Ｓｐ２，Ｓｎ２）を制御する。その際、各相巻線に流す矩形波電流は、ピーク値が等しく（波形が同じであり）、３相の周波数が等しく、互いの位相差が１２０度の関係にあるようにしている。なお、図５（ａ）は、Ｕ相巻線４２Ｕに流れる矩形波電流を示し、図５（ｂ）は、Ｖ相巻線４２Ｖに流れる矩形波電流を示し、図５（ｃ）は、Ｗ相巻線４２Ｗに流れる矩形波電流を示す。また、矩形波電流の電流値（ピーク値）は、後述する正弦波電流のピーク値とほぼ同じとなるように制御する。
　なお、高調波成分を重畳した場合、各相の電流の総和が「０（ゼロ）」でなくなる。また、Ｕ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗの第２端を中性点で接続するスター結線した場合には、電流の総和は常にゼロとなる。
　一方、ステップＳ１０５の判定結果が肯定の場合、制御装置６０は、各相に正弦波電流を流す正弦波電流制御を実行する（ステップＳ１０７）。つまり、モータ回転速度が速くなり、大きなトルクが要求されていない場合、基本波に高調波成分を重畳させないで電流を流すように、各スイッチ（Ｓｐ１，Ｓｎ１，Ｓｐ２，Ｓｎ２）を制御する。具体的には、各相巻線に流れる電流の総和が「０（ゼロ）」となるように、各スイッチ（Ｓｐ１，Ｓｎ１，Ｓｐ２，Ｓｎ２）を制御する。これにより、高調波成分を重畳させないようにすることができる。
　本実施形態では、ステップＳ１０７において、制御装置６０は、図５（ｄ）に示すように、Ｕ相巻線４２Ｕ、Ｖ相巻線４２Ｖ及びＷ相巻線４２Ｗに対して正弦波電流を所定位相（１２０度）ずつずらして流すように、各スイッチ（Ｓｐ１，Ｓｎ１，Ｓｐ２，Ｓｎ２）を制御する。つまり、各相巻線に対称３相交流を流す。対称３相交流とは、３相の起電力が等しく（波形が等しく）、３相の周波数が等しく、互いの位相差が１２０度の関係にある状態のことを示す。
　その際、正弦波電流のピーク値は、矩形波電流の電流値とほぼ同じとなるように制御する。図５（ｄ）において、Ｕ相巻線４２Ｕに流れる正弦波電流を、実線で示し、Ｖ相巻線４２Ｖに流れる正弦波電流を、破線で示し、Ｗ相巻線４２Ｗに流れる正弦波電流を、一点鎖線で示す。
　そして、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理後、モータ制御処理を終了する。また、ステップＳ１０３の判定結果が否定の場合、制御装置６０は、回生駆動モードが設定されているか否かを判定する（ステップＳ１０８）。この判定結果が肯定の場合、制御装置６０は、発電制御を実行する（ステップＳ１０９）。すなわち、モータ４０に回生駆動を実施させて、発電電力を変換し、バッテリ３０を充電する。一方、ステップＳ１０８の判定結果が否定の場合（停止モードの場合）、制御装置６０は、モータ制御処理を終了する。
　ここで、ステップＳ１０５における閾値について説明する。本実施形態では、各相巻線に正弦波電流を流した場合におけるクランク軸１０ａに付与されるトルク（負荷トルク）の最大値と、各相巻線に矩形波電流を流した場合における負荷トルクと、が一致するモータ回転速度を、閾値として設定している。つまり、クランク軸１０ａに付与されるトルク（負荷トルク）は、図７に示すように、エンジン回転数（つまり、モータ４０の回転速度）が大きくなるほど、小さくなっていく。そこで、本実施形態では、正弦波電流を流した場合における負荷トルクの最大値と、矩形波電流を流した場合における負荷トルクと、が一致するモータ回転速度を特定し、当該モータ回転速度を閾値として設定している。なお、クランク軸１０ａに付与されるトルクは、クランク軸１０ａが回転するために必要なトルクともいえる。
　次に、エンジン始動時における負荷トルク及びエンジン回転数について説明する。
　エンジン始動の要求がされると、制御装置６０は、モータ回転速度は閾値未満（すなわち、ゼロ）であるため、各相巻線に対して矩形波電流を流す。図６に示すように、矩形波電流を流した場合における出力トルク（実線で示す）は、正弦波電流を流した場合における出力トルク（破線で示す）に比較して、最大値が大きくなる。
　これにより、図７に示すように、各相巻線に対して矩形波電流を流した場合にクランク軸１０ａに付与されるトルク（負荷トルク）は、正弦波電流を流した場合におけるクランク軸１０ａに付与されるトルクに比較して大きくなる。このため、エンジン回転数が早期に大きくなる。なお、図７では、本実施形態において、クランク軸１０ａに付与されるトルク及びエンジン回転数を、実線で示す。一方、エンジン始動開始時から正弦波電流をずっと流した場合（比較例）におけるクランク軸１０ａに付与されるトルク、及びエンジン回転数を、破線で示す。
　図７に示すように、本実施形態におけるエンジン始動時間（時点Ｔ０～Ｔ３）は、正弦波電流のみを流した場合におけるエンジン始動時間（時点Ｔ０～時点Ｔ４）に比較して、短縮することができる。なお、時点Ｔ０は、エンジン１０の始動が要求された時点を示す。また、時点Ｔ３，Ｔ４は、エンジン回転数が所定の回転数Ｖ１に到達して、エンジン１０の始動が完了した時点を示す。
　ところで、モータ回転速度が小さい場合、トルクリプルもゆっくりと発生する（脈動周期もゆっくりとなる）。このため、モータ４０の駆動開始時からモータ回転速度が閾値未満である期間では、矩形波電流を流しても、トルクリプルは目立ちにくくなっている。また、渦電流損も小さい。その一方で、モータ回転速度が閾値以上となった場合において、矩形波電流を流すと、トルクリプルや渦電流損が大きくなることが予想される。
　そこで、モータ回転速度が閾値以上である場合（時点Ｔ１）、制御装置６０は、矩形波電流を流すことを停止し、各相巻線に正弦波電流を流して、モータ４０の駆動を制御する。これにより、各相巻線に流れる電流に高調波成分が重畳されにくくなり、トルクリプルや渦電流損が抑制される。
　また、閾値は、各相巻線に正弦波電流を流した場合における負荷トルクの最大値と、各相巻線に矩形波電流を流した場合における負荷トルクと、が一致するモータ回転速度としている。このため、矩形波電流制御から正弦波電流制御に切り替える場合に、負荷トルクが急に変動することが抑制される。
　本実施形態は、以下の優れた効果を有する。
　モータ４０において、磁石磁束密度分布には、高調波成分を含む。このため、各相巻線に流れる電流の総和を変更して、高調波成分を重畳させることにより、出力トルクを向上させることができる。すなわち、エンジン１０の始動時間を短縮することができる。なお、モータ回転速度によっては、高調波成分を重畳させることにより、トルクリプルや渦電流損が大きくなるおそれがある。そこで、モータ回転速度に応じて、各相巻線に流れる電流の総和を変更して、基本波に重畳する高調波成分の大きさを調整することとした。
　より詳しく説明すると、制御装置６０は、モータ回転速度が閾値未満である場合、各相巻線に流れる電流の総和をゼロ以外として、基本波に高調波成分を重畳させた。これにより、駆動開始からモータ回転速度が閾値に達するまで、出力トルクを向上させることができ、エンジン１０の始動時間を短縮することができる。そして、制御装置６０は、モータ回転速度が閾値以上である場合、各相巻線に流れる電流の総和をゼロとして、基本波に高調波成分を重畳させないようにした。これにより、モータ回転速度が閾値以上となった場合、トルクリプルや渦電流損を抑制することができる。以上により、エンジン１０を始動させる場合、トルクリプルなどを抑制しつつ、エンジン始動時間を短縮することができる。
　また、制御装置６０は、モータ回転速度が閾値未満である場合、各相巻線に矩形波電流を流すようにしている。矩形波電流は、のこぎり波や三角波と比較して、高調波成分をより大きくすることができるため、これらに比較して出力トルクを大きくすることができる。したがって、エンジン１０の始動時間を好適に短縮することができる。一方、制御装置６０は、モータ回転速度が閾値以上である場合、各相巻線に正弦波電流を流す。つまり、各相巻線に対称三相交流を流すことにより、高調波成分を少なくすることができるため、モータ回転速度が閾値以上である場合、トルクリプルなどを好適に抑制することができる。
　各相巻線に正弦波電流を流した場合における負荷トルクの最大値と、各相巻線に矩形波電流を流した場合における負荷トルクと、が一致するモータ回転速度を特定し、閾値として設定した。これにより、矩形波電流から正弦波電流に切り替える際に、負荷トルクが急変して、違和感を与えることを抑制できる。また、負荷トルクが、各相巻線に正弦波電流を流した場合における負荷トルク以上となる場合には、矩形波電流を流して出力トルクを大きくするため、最大限、エンジン１０の始動時間を短縮することができる。
　（他の実施形態）
　なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。なお、以下では、各実施形態で互いに同一又は均等である部分には同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
　・上記実施形態において、制御装置６０は、モータ４０を停止させる場合、レゾルバなどの角度検出器の検出結果に基づいて、モータ４０の駆動開始時に各相巻線に所定の電流（第１実施形態では、矩形波電流）を流した際の出力トルクが最大となる所定位置に停止させてもよい。これにより、図８に示すように、モータ４０の駆動開始時（時点Ｔ１０）における負荷トルクを、所定位置に停止させなかった場合に比較して、大きくすることができる。
　なお、図８では、所定位置に停止させた場合におけるエンジン回転数及び負荷トルクを実線で示し、所定位置以外の位置に停止させた場合におけるエンジン回転数及び負荷トルクを破線で示す。これにより、所定位置以外の位置に停止させた場合におけるエンジン始動時間（時点Ｔ１０～時点Ｔ１４）に比較して、エンジン始動時間（時点Ｔ１０～時点Ｔ１３）を短縮することができる。なお、出力トルクが最大となる所定位置は、磁石の磁束密度分布及び各相巻線に流す電流波形により異なる。このため、所定位置は、モータ４０の停止時に、所定の電流を流して所定位置を特定し、予め記憶しておけばよい。また、磁石の磁束密度分布及び各相巻線に流す電流波形に基づいて計算により予測してもよい。
　・上記実施形態において、矩形波電流としたが、基本波に高調波成分を含むのであれば、矩形波電流でなくてもよく、任意の電圧波形を採用してもよい。例えば、のこぎり波や三角波などの電流を流してもよい。
　・上記実施形態において、閾値を、任意に変更してもよい。例えば、正弦波電流を流した場合における負荷トルクの最大値よりも、矩形波電流を流した場合における負荷トルクが大きい場合におけるモータ回転速度を、閾値としてもよい。つまり、第１実施形態の閾値よりも小さい値を閾値としてもよい。これにより、トルクリプル等をより抑制することができる。
　・上記実施形態において、各相巻線に流れる電流の総和を任意に変更することができるのであれば、第１インバータ回路５１及び第２インバータ回路５２の回路構成を変更してもよい。つまり、高調波成分の重畳の有無を選択することが可能な回路構成であれば、第１インバータ回路５１及び第２インバータ回路５２の回路構成をそれぞれ変更してもよい。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (6)

  1. 　エンジン（１０）のクランク軸（１０ａ）が連結されている回転軸（２０ａ）を有する回転電機（４０）に対して、直流電源（３０）からの電力を変換して供給し、前記回転電機を駆動させる電力変換装置（５０）であって、
    　前記エンジンの始動が要求された場合、前記回転電機の駆動を開始させる電力変換装置において、
    　前記回転電機を構成する各相巻線（４２Ｕ，４２Ｖ，４２Ｗ）の両端のうち第１端側に電気的に接続され、前記直流電源との間で電力を伝達する第１インバータ回路（５１）と、
    　前記回転電機を構成する各相巻線の両端のうち第２端側に電気的に接続され、前記直流電源との間で電力を伝達する第２インバータ回路（５２）と、
    　前記第１インバータ回路及び前記第２インバータ回路を制御する制御部（６０）と、を備え、
    　前記制御部は、前記回転電機の回転速度に応じて各相巻線に流れる電流の総和を変更する電力変換装置。
  2. 　前記制御部は、前記回転電機の回転速度が閾値未満である場合、各相巻線に流れる電流の総和をゼロ以外とし、前記回転電機の回転速度が閾値以上である場合、各相巻線に流れる電流の総和をゼロとする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記制御部は、前記回転電機の回転速度が閾値未満である場合、各相巻線に矩形波電流を流し、前記回転電機の回転速度が閾値以上である場合、各相巻線に正弦波電流を流す請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記閾値は、各相巻線に正弦波電流を流した場合における負荷トルクの最大値と、各相巻線に矩形波電流を流した場合における負荷トルクと、が一致する回転速度である請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記制御部は、前記回転電機を停止させる場合、前記回転電機における回転軸の回転位置を検出する位置検出部の検出結果に基づいて、前記回転電機の駆動開始時に各相巻線に所定の電流を流した際の出力トルクが最大となる所定位置に停止させる請求項１～４のうちいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 　前記第１インバータ回路及び前記第２インバータ回路は、各相巻線に応じた上アームスイッチ（Ｓｐ１，Ｓｐ２）及び下アームスイッチ（Ｓｎ１，Ｓｎ２）の直列接続体をそれぞれ有し、前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのスイッチングにより、直流電源と各相巻線との間の電力の伝達を行う請求項１～５のうちいずれか１項に記載の電力変換装置。
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