JP2005086921A - 電源装置およびそれを搭載した自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流モータを駆動制御する電源装置について、コンパクトでありかつ安全性の高い車載用に適した構成を提供することである。
【解決手段】 交流モータＭＧを駆動制御する電源装置５は、直流電源１０と、インバータ２０と、トランスで構成された変圧部３０とを備える。直流電源１０は、二次電池で構成され、直流電圧Ｅ１を供給する。インバータ２０は、直流電源１０からの直流電圧Ｅ１を直接入力電圧として、直流−交流間の電力変換を行なう。変圧部３０は、インバータによって変換された交流電圧を昇圧して、昇圧された交流電圧ｅ２を交流モータＭＧへ印加する。これにより、昇圧された高電圧部分は、直流電源１０の負側から切離される。
【選択図】 図１

Description

この発明は電源装置に関し、より特定的には、交流モータを駆動制御する電源装置およびそれを搭載した自動車に関する。

交流モータを駆動制御する電源装置として、低電圧バッテリからの直流電圧を昇圧して高圧の交流電圧を発生するタイプのものが存在する。特に、このタイプの電源装置を車載用電動機の制御装置として適用する技術が開示されている（たとえば特許文献１）。

当該特許文献１に開示された技術では、低電圧バッテリ２１、双方向絶縁型昇降圧チョッパ回路４０および電動機駆動制御部（インバータ）３２によって、低圧の直流電圧と高圧の交流電圧との間での電力変換が行なわれる。

さらに、低電圧バッテリの負側を自動車の車体本体で接地（アース）する一方で、双方向絶縁型昇降圧チョッパ回路を用いることで低電圧側と高電圧側とを絶縁し、かつ、高電圧側の電源ラインを車体本体からフローティングさせる構成とすることによって、感電事故に対する安全性を確保している。
特開平７−２３５０５号公報 特開２００１−２８６１９６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、双方向絶縁型昇降圧チョッパ回路４０によって昇圧された直流電圧を安定化するために、大容量コンデンサ２２の配置が必要となる。これにより、電源装置が大型化してしまうので、車内の居住性や収納性の面からコンパクト化および配置の自由度が高いことへの要求が強い車載用としては不利となる。

さらに、インバータの入力側までは直流電圧を扱うため、電源装置内での直流部分の割合が高く、必然的に直流電圧を供給する配線長が長くなる。このため当該配線部分でのインダクタンスが大きくなり、インバータ等のスイッチング動作に伴うサージ電圧の増大や、スイッチング動作の高速化が阻害される可能性がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、交流モータを駆動制御する電源装置について、コンパクトでありかつ安全性の高い構成を提供することである。

この発明に従う電源装置は、交流モータを駆動制御する電源装置であって、直流電源と、インバータと、変圧部とを備える。直流電源は、直流電圧を供給する。インバータは、直流電圧および交流電圧の間での電力変換を行なう。変圧部は、インバータによって変換された交流電圧を昇圧して、昇圧された交流電圧を交流モータへ印加する。

好ましくは、変圧部は、インバータの出力電圧が印加されるように接続された一次巻線および交流モータの巻線と接続される二次巻線を有するトランスによって構成され、二次巻線は、一次巻線よりも巻数が多い。

あるいは好ましくは、直流電源は二次電池で構成され、交流モータの回生制動動作時において、交流モータによって発電された交流電圧は、変圧部によって降圧されてインバータへ与えられ、かつ、インバータは、降圧された交流電圧を二次電池の充電のための直流電圧に変換する。

この発明に従う自動車は、請求項１から３項のいずれかに記載の電源装置と、電源装置によって駆動制御される交流モータによって駆動可能な車輪とを備える。好ましくは、直流電源の負側は、自動車の車体によって接地される。

また好ましくは、電源装置は、直流電源とインバータの間を電気的に接続する第１の給電線と、インバータと変圧部との間を電気的に接続する第２の給電線と、変圧部と交流モータとの間を電気的に接続する第３の給電線とをさらに備え、第２の給電線の配線長の総和は、第１および第３の給電線の配線長の総和の合計よりも長い。

この発明の電源装置は、昇圧後の電圧を直流電源の負側と切離した上で、直流電源からの直流電圧を昇圧して得られた高圧の交流電圧によって交流モータ駆動制御できる。これにより、直流電源の接地に特別な機構を設けなくても、昇圧された高電圧による感電の危険性が回避される。

さらに直流電源からの供給電圧を直接インバータの入力電圧とできるので、インバータの入力側に平滑コンデンサを設ける必要がないので、装置の小型化を図ることができる。

さらに、直流電圧を扱う部分の割合を小さくできるので、配線部分でのインダクタンスによってインバータのスイッチング動作に生じる悪影響を抑制できる。

また、トランスによって、変圧部を簡易な構成で実現できる。

また、この発明によれば、交流モータの回生制動動作時に、交流モータによって発電された交流電圧によって、二次電池で構成された直流電源を充電できる。

したがって、この発明の自動車によれば、直流電源の負側を、特別な機構を設けることなく、車体により接地（ボディアース）しても、高電圧による感電の危険性を招くことがない。

さらに、インバータの入力側に平滑コンデンサを設ける必要がないので、電源装置が小型化される。したがって、この電源装置は、車内の居住性や収納性の面からコンパクト化および配置の自由度が高いことへの要求が強い車載用に適している。

また、この発明によれば、性能面および安全面から配線長が短いことが望ましい、直流部分の第１の給電線および高圧部分の第３の給電線を短くしても、低圧の交流電圧を供給する第２の給電線の配線長を長くとって電源装置の配置の自由度を確保できる。この面からも、この発明の電源装置は、自動車の給電システムを構成するための車載用として有利である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、この発明による電源装置の構成を示す図である。

図１を参照して、この発明による電源装置５は、低電圧バッテリ１０と、インバータ２０と、変圧部３０と、制御装置４０とを備える。

電源装置５は、低電圧バッテリ１０から供給される直流電力および交流電力の間での電力変換を行なって、交流モータＭＧを駆動制御する。図１の例では、交流モータＭＧは、三相モータである。交流モータＭＧには、その回転位置および回転速度に相当するモータ角度θおよびモータ角速度ωを検出可能な位置センサ４３が設けられている。

「直流電源」である低電圧バッテリ１０は、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池で構成される。低電圧バッテリ１０の正側は電源ライン１１と接続され、負側はアースライン１２と接続されて接地される。電源ライン１１およびアースライン１２は、低電圧バッテリ１０およびインバータ２０の間を電気的に接続する給電線４５によって構成される。

インバータ２０は、電源ライン２１およびアースライン２２との間に並列接続される、Ｕ相アーム２５、Ｖ相アーム２６と、Ｗ相アーム２７を含む。

一般にバッテリの出力電圧変動は小さいので、電源装置５では、インバータ２０の入力側に平滑用コンデンサの配置を省略することができる。このため、低電圧バッテリ１０によって供給される直流電圧Ｅ１が直接インバータ２０の入力電圧となる。すなわち、電源ライン１１および２１と、アースライン１２および２２とは、それぞれ共通の給電線で構成される。

Ｕ相アーム２５は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２から成る。スイッチング素子Ｑ１は電源ライン２１およびノードＮ１の間に接続され、スイッチング素子Ｑ２はノードＮ１およびアースライン２２の間に接続される。

同様に、Ｖ相アーム２６は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成る。スイッチング素子Ｑ３は電源ライン２１およびノードＮ２の間に接続され、スイッチング素子Ｑ４はノードＮ２およびアースライン２２の間に接続される。また、Ｗ相アーム２７は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成る。スイッチング素子Ｑ５は電源ライン２１およびノードＮ３の間に接続され、スイッチング素子Ｑ６はノードＮ３およびアースライン２２の間に接続される。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に代表されるパワー半導体素子が適用される。さらに、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すためのダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。

変圧部３０は、変圧器（トランス）のみで構成され、給電線４６によってインバータ２０と電気的に接続される一次巻線３１，３２，３３と、給電線４７によって交流モータＭＧと電気的に接続される二次巻線３５，３６，３７とを含む。

一次巻線３１、３２および３３の一端は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相アームのノードＮ１〜Ｎ３とそれぞれ電気的に接続される。一次巻線３１、３２および３３の他端は、共通のノードＮ４と接続される。

同様に、二次巻線３５、３６および３７の一端は、交流モータＭＧの各相コイルの各相端に接続されている。また、二次巻線３５、３６および３７の他端は、共通のノードＮ５と接続される。たとえば、交流モータＭＧは、高トルク出力および高速回転が可能な、３相の永久磁石式ブラシレスモータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。

一次側に対して二次側が昇圧されるように、二次巻線３５，３６，３７の巻数は、一次巻線３１，３２，３３の巻数よりも多い。また、各一次巻線３１，３２，３３および各二次巻線３５，３６，３７の巻数比は、低電圧バッテリ１０からの直流電圧Ｅ１と交流モータＭＧの駆動に用いられる交流電圧の振幅との比に応じた所定の昇圧比に従って設計される。

制御装置４０は、電源装置５の外からのトルク指令値Ｔｒｅｆ、電流センサ４１，４２からの相電流ｉｕ，ｉｗ、位置センサ４３からのモータ角度θおよびモータ角速度ωに基づいて、インバータ２０を駆動するための信号ＰＷＭＩ，ＰＷＭＣを生成する。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に対応して設けられたゲート駆動回路（図示せず）は、生成された信号ＰＭＷＩ，ＰＷＭＣに基づいて、対応のスイッチング素子のオン・オフを制御する。

インバータ２０は、低電圧バッテリ１０から直流電圧Ｅ１が供給されると制御装置４０からの信号ＰＷＭＩに基づいて直流電圧Ｅ１を交流電圧に変換する。インバータ２０は昇圧機能を有していないので、インバータ２０の出力電圧は、振幅がＥ１の１／２の交流電圧である。

この際における、インバータ２０の動作は、周知の３相電圧インバータと同様である。すなわち、インバータ２０のスイッチングパターンは、たとえば図２のように設定される。

図２を参照して、電気角３６０°（２π）を１周期として、所定の動作モードＩ〜ＶＩが周期的に繰り返される。それぞれの動作モードにおいては、図１に示した交流電圧ｅ１に相当する所定の相電圧がＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ発生するように、オン信号が与えられるスイッチング素子が予め定められている。これにより、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に１２０°ずつの位相差を有する相電流がそれぞれ生じる。また、各動作モードにおいて、上側アーム素子（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）のオン期間は、通常のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式に従って制御される。

インバータ２０によって一次巻線３１〜３３に発生された相電圧は、変圧部３０によって所定の昇圧比（ｅ２／ｅ１）で交流電圧ｅ２に昇圧されて、交流モータＭＧの各相コイルへ印加される。これにより、交流モータＭＧは、トルク指令値Ｔｒｅｆによって指定されたトルクを発生するように駆動される。

交流モータＭＧの回生制動時には、交流モータＭＧが発電した交流電圧は、変圧部３０によって降圧されて、一次巻線３１〜３３に印加される。制御装置４０は、交流モータＭＧが回生制動モードに入ったことを示す信号を外部から受けると、交流モータＭＧで発電された交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＣを生成してインバータ２０へ出力する。

インバータ２０は、一次巻線３１〜３３に印加された３相の交流電圧（降圧後）を制御装置４０からの信号ＰＷＭＣに基づいて直流電圧に変換する。この場合、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６は信号ＰＷＭＣによってスイッチング制御される。すなわち、交流モータＭＧのＵ相で発電されるときスイッチング素子Ｑ４，Ｑ６がオンされ、Ｖ相で発電されるときスイッチング素子Ｑ２，Ｑ６がオンされ、Ｗ相で発電されるときスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４がオンされる。インバータ２０によって変換された直流電圧によって、低電圧バッテリ１０は充電される。

このような構成とすることにより、昇圧後の電圧を低電圧バッテリ１０の負側と切離した上で、低電圧バッテリ１０からの直流電圧Ｅ１から高圧の交流電圧を生成して、交流モータＭＧを駆動制御できる。

ここで、比較のために、図１に示した電源装置と同様の機能を有し、変圧部（トランス）を設けることなく構成された電源装置の構成例を示す。

図３を参照して、比較例として示される電源装置５♯は、図１に示した電源装置５と比較して、インバータ２０の出力側に設けられた変圧部３０に代えて、インバータ２０の入力側に設けられた昇圧チョッパ５０を備える。なお、図３においては、インバータ２０および昇圧チョッパ５０の制御装置の図示を省略している。

昇圧チョッパ５０は、インダクタ５５と、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６と、ダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。インダクタ１１は、低電圧バッテリ１０の電源ライン１１とノードＮ６の間に接続される。スイッチング素子Ｑ５は電源ライン２１とノードＮ６との間に接続され、スイッチング素子Ｑ６はノードＮ６とアースライン２２との間に接続される。

スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６は、制御装置（図示せず）からの制御信号に基づいて、所定のデューティ比で周期的に交互にオン・オフされる。スイッチング素子Ｑ６のオン期間にインダクタ５５に蓄えられたエネルギーを、スイッチング素子Ｑ５のオン期間に電源ライン２１へ供給することによって、上記デューティ比に応じた昇圧が行なわれる。

昇圧チョッパ５０の出力電圧Ｅ２は、低電圧バッテリ１０の出力電圧Ｅ１よりも高く、電源装置５における二次巻線３５〜３７に生じる交流電圧の振幅に対応して設定される。すなわち、昇圧チョッパ５０の昇圧比（Ｅ２／Ｅ１）は、低電圧バッテリ１０の出力電圧Ｅ１と交流モータＭＧの駆動に用いられる交流電圧振幅との比に応じて定められる。

インバータ２０は、昇圧チョッパ５０で昇圧された直流電圧Ｅ２を入力電圧として、直流−交流間の電圧変換を行なう。交流モータＭＧの各相コイルは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相２５〜２７の中間ノードＮ１〜Ｎ３と接続され、インバータ２０の出力電圧を印加されて駆動制御される。

電源装置５♯では、出力電圧Ｅ２がスイッチング動作を伴って生成されるため、インバータ２０の出力電圧振幅を安定させるために、電源ライン２１およびアースライン２２の間に平滑コンデンサ６０の配置が必要となる。

また、低電圧バッテリ１０の負側は、昇圧後の高電圧部分のアースライン２２と共通に接続されるので、安全面から、低電圧バッテリ１０の接地に特別な機構を設ける必要が生じる。

さらに、低電圧バッテリ１０からインバータ２０の入力までが直流部分であり、かつ、インバータ２０の出力と交流モータＭＧとの間は高電圧が供給されるので、それぞれの配線長を短くすることが望ましいので、配置上の自由度が低くなる。

図１および図３の比較からも理解されるように、この発明に従う電源装置５では、昇圧後の電圧が低電圧バッテリ１０の負側と切離されているので、低電圧バッテリ１０の接地に特別な機構を設けなくても、感電の危険性が抑制される。

また、出力電圧変動の小さいバッテリからの供給電圧を直接インバータの入力電圧とできるので、平滑コンデンサを設ける必要がない。

さらに、電源装置５では、インダクタンス面から配線長を短くすることが望ましい直流電圧の供給線が給電線４５のみであり、直流部分が少ない。したがって、当該給電線でのインダクタンスによってインバータ２０のスイッチング動作に生じる悪影響を抑制できる。

また、インバータ２０の出力から変圧部３０までは低電圧の交流部分であるので、給電線４６の配線長を長くとっても問題がない。このため、配置上の自由度が高くなる。

この発明による電源装置は、ハイブリッド自動車、電気自動車または燃料電池自動車等の、交流モータによって車輪の少なくとも一部を駆動制御可能な自動車に搭載可能である。

図４は、この発明による電源装置が搭載された自動車の構成を示す概略ブロック図である。

図４を参照して、この発明の実施の形態による自動車１００は、バッテリ１１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、動力出力装置１３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）１４０と、前輪１５０Ｌ，１５０Ｒと、後輪１６０Ｌ，１６０Ｒと、フロントシート１７０Ｌ，１７０Ｒと、リアシート１８０とを備える。

バッテリ１１０は、図１での低電圧バッテリ１０に相当し、ＰＣＵ（Power Control Unit）１２０は、図１に示した電源装置５のうちのインバータ２０および制御装置４０を含む（図示せず）。

動力出力装置１３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータによる動力をＤＧ１４０を介して前輪１５０Ｌ，１５０Ｒに伝達して前輪１５０Ｌ，１５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置１３０は、前輪１５０Ｌ，１５０Ｒの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ１２０へ供給する。

ＰＣＵ１２０は、動力出力装置１３０と電気的に接続される。動力出力装置１３０は、ＤＧ１４０と連結される。ＤＧ１４０は、動力出力装置１３０からの動力を前輪１５０Ｌ，１５０Ｒに伝達するとともに、前輪１５０Ｌ，１５０Ｒの回転力を動力出力装置１３０へ伝達する。

動力出力装置１３０は、ダッシュボード１９０よりも前側のエンジンルームに配置され、図１に示した交流モータＭＧに相当するモータジェネレータ（図示せず）を含む。また、図１に示した電源装置５のうちの変圧部（トランス）３０は、安全面から高圧部分の配線長を短くするために、モータジェネレータに近接して配置される。

バッテリ１１０は、直流電圧をＰＣＵ１２０へ供給するとともに、ＰＣＵ１２０からの直流電圧によって充電される。

ＰＣＵ１２０は、バッテリ１１０からの直流電圧を交流電圧に変換する。動力出力装置１３０に含まれるモータジェネレータは、変圧部３０によって昇圧された交流電圧によって駆動制御される。特に、ＰＣＵ１２０では、バッテリ１１０からの供給電圧を直接インバータの入力電圧とできるので、平滑コンデンサを設ける必要がなく小型化可能である。

また、回生制動動作時には、動力出力装置１３０に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧は、変圧部３０によって降圧された後、ＰＣＵ１２０によって直流電圧に変換されて、バッテリ１１０を充電する。

バッテリ１１０およびＰＣＵ１２０を近接して配置することにより、直流部分の給電線（図１における給電線４５）の配線長を短くできる。また、モータジェネレータおよび変圧部３０を近接して配置することにより、高圧部分の給電線（図１における給電線４７）の配線長を短くできる。たとえば、直流部分の給電線の配線長の総和および高圧部分の給電線の配線長の総和の合計が、ＰＣＵ１２０および変圧部３０間の低圧部分の給電線（図１における給電線４６）よりも短いような配置とすることができる。これにより、低圧部分の給電線が長くなるが、この部分では低圧の交流電圧が伝達されるので、安全面および性能面の両方から問題を招くことがない。

さらに、バッテリ１１０の負側を、通常のバッテリ等と同様に、特別な機構を設けることなく、車体により接地（ボディアース）しても、感電の危険性を招くことがない。

このように、この発明による電源装置は、大容量の平滑コンデンサを必要とせずコンパクト化が図れる点、特別な接地機構を設けることなく高圧による感電の危険性を回避できる点、および、配置の自由度が高い点から、自動車の給電システムを構成するための車載用として有利である。

なお、本発明の実施の形態においては、三相モータを駆動制御する電源装置を代表的に示したが、本願発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。すなわち、本願発明は、負荷となる交流モータの種類を特に限定することなく、電源装置およびそれを備える自動車に適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明による電源装置の構成を示す図である。 図１に示したインバータの動作を説明する図である。 比較例として示される昇圧機能を有する電源装置の構成を示す図である。 この発明による電源装置が搭載された自動車の構成を示す概略ブロック図である。

符号の説明

５ 電源装置、１０ 低電圧バッテリ、１１，２１ 電源ライン、１２，２２ アースライン、２０ インバータ、３０ 変圧部（トランス）、４０ 制御装置、３１，３２，３３ 一次巻線、３５，３６，３７ 二次巻線、４５〜４７ 給電線、１１０ バッテリ、１２０ ＰＣＵ、１３０ 動力出力装置、１５０Ｌ，１５０Ｒ 前輪、１６０Ｌ，１６０Ｒ 後輪、１００ 自動車、ＭＧ 交流モータ、Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子。

Claims (6)

1. 交流モータを駆動制御する電源装置であって、
   直流電圧を供給する直流電源と、
   前記直流電圧および交流電圧の間での電力変換を行なうインバータと、
   前記インバータによって変換された前記交流電圧を昇圧して、昇圧された前記交流電圧を前記交流モータへ印加するための変圧部とを備える、電源装置。
2. 前記変圧部は、前記インバータの出力電圧が印加されるように接続された一次巻線および前記交流モータの巻線と接続される二次巻線を有するトランスによって構成され、
   前記二次巻線は、前記一次巻線よりも巻数が多い、請求項１記載の電源装置。
3. 前記直流電源は二次電池で構成され、
   前記交流モータの回生制動動作時において、前記交流モータによって発電された交流電圧は、前記変圧部によって降圧されて前記インバータへ与えられ、かつ、前記インバータは、降圧された交流電圧を前記二次電池の充電のための直流電圧に変換する、請求項１記載の電源装置。
4. 請求項１から３項のいずれかに記載の電源装置と、
   前記電源装置によって駆動制御される前記交流モータによって駆動可能な車輪とを備える、自動車。
5. 前記直流電源の負側は、前記自動車の車体によって接地される、請求項４記載の自動車。
6. 前記電源装置は、
   前記直流電源と前記インバータの間を電気的に接続する第１の給電線と、
   前記インバータと前記変圧部との間を電気的に接続する第２の給電線と、
   前記変圧部と前記交流モータとの間を電気的に接続する第３の給電線とをさらに備え、
   前記第２の給電線の配線長の総和は、前記第１および第３の給電線の配線長の総和の合計よりも長い、請求項４記載の自動車。

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