JP2009077492A - 電力変換システム及び電気駆動車 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を減らして装置全体の重量やコストを低減させた電力変換システム及び電気駆動車を提供する。
【解決手段】直列接続された複数のスイッチング素子からなるブリッジを備えたインバータ２と、その直流側に接続された直流電圧部１と、前記スイッチング素子同士の接続点に接続された電動機３と、直流電圧部１に直流側が接続されたダイオードブリッジ６と、直流電圧部の例えば負電位点に負極がそれぞれ接続され、かつ、正電位点が電動機３の中性点に直接、またはスイッチ部もしくは受動素子を介して接続されるバッテリー５と、を有する電力変換システムにおいて、ダイオードブリッジ６の交流側に交流電源を接続し、インバータ２のスイッチング素子のスイッチング動作により、電動機３に流れる電流を実質的にゼロ相電流のみとしてバッテリー５を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリー及び電力変換器を備えた電力変換システム、並びに、この電力変換システムが搭載された電気自動車等の電気駆動車に関し、簡単な構成によってバッテリーを充電可能にした技術に関するものである。

図６は、バッテリー及びその充電ユニットを備えた電気自動車の駆動システムの回路図であり、例えば特許文献１にはこれとほぼ同一の回路が記載されている。
図６において、１０は三相交流電源（図示せず）に接続されたスイッチ、２０は充電ユニット、２１はスイッチ１０に一次側が接続された変圧器、２２は変圧器２１の二次側に接続されたダイオードブリッジ、３０はダイオードブリッジ２２の直流出力端子間に接続されたバッテリー、４０はインバータユニット、４１はバッテリー３０の正極に一端が接続されたスイッチ、４２はスイッチ４１の他端とバッテリー３０の負極との間に接続された平滑コンデンサ、４３は平滑コンデンサ４２の両端に直流入力側が接続されたインバータ部、５０はインバータ部４３の交流出力側に接続された車両走行用の交流電動機である。

ここで、充電ユニット２０を構成する変圧器２１の変圧比は、三相交流電源の電圧とバッテリー３０の電圧とを整合させるように適切に設定されている。

特開２０００−５９９１９号公報（段落［００１２］，図１等）

図６に示した従来技術は、充電ユニット２０が変圧器２１を備えているため、システム全体の重量やコストが増加するという問題がある。また、変圧器２１を不要にするためには、バッテリー３０の充電電圧の調整手段として、例えばスイッチ類とリアクトルとからなるチョッパ回路が必要となり、やはり重量やコストの問題が生じる。
そこで、本発明の解決課題は、部品点数を減らして装置全体の重量やコストを低減させた電力変換システム及び電気駆動車を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した電力変換システムは、直列接続された複数のスイッチング素子からなるブリッジを備えた電力変換器と、前記電力変換器の直流側に接続された直流電圧部と、前記スイッチング素子同士の接続点に接続された電動機と、前記直流電圧部に直流側が接続されたダイオードブリッジと、前記直流電圧部の正電位点または負電位点の何れか一方に、正電位点の場合には正極が、負電位点の場合には負極がそれぞれ接続され、かつ、他方の極が、前記電動機の複数の巻線同士の接続点に直接、またはスイッチング素子もしくは受動素子を介して接続されるバッテリーと、を有する電力変換システムにおいて、
前記ダイオードブリッジの交流側に交流電源を接続し、前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング動作により、前記バッテリーを充電するモードを有するものである。

請求項２に記載した電力変換システムは、請求項１に記載した電力変換システムにおいて、前記ダイオードブリッジの交流側に前記交流電源が接続されている場合に、前記電動機に流れる電流を実質的にゼロ相電流のみとするものである。

請求項３に記載した電力変換システムは、請求項１または２に記載した電力変換システムにおいて、前記直流電圧部の直流電圧を、前記バッテリーの電圧以上であって前記電力変換器のスイッチング素子の耐圧以下の値にしたものである。

請求項４に記載した電気駆動車は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換システムを搭載したことを特徴とする。

請求項５に記載した電気駆動車は、請求項４に記載した電気駆動車において、前記ダイオードブリッジの交流側に前記交流電源が接続されている場合に、前記電動機により駆動するべき機械負荷を機械的なブレーキ手段によって制動するものである。

本発明によれば、従来のように電圧調整のための変圧器や、これに代わるチョッパ回路等を用いることなくバッテリーを充電することができるため、システム全体の構成を簡略化して重量及びコストを低減することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１（ａ）において、１は電圧平滑用のコンデンサ１ａからなる直流電圧部、２は、コンデンサ１ａの両端に接続され、かつ、逆並列ダイオードをそれぞれ備えた半導体スイッチング素子２ａ〜２ｆをブリッジ接続してなる三相の電圧形インバータ、３はインバータ２の各相上下アームのスイッチング素子同士の接続点（交流出力端子）に接続された交流電動機、４は電動機３の固定子巻線同士の接続点、例えば中性点ｎとバッテリー５との間に接続されたスイッチ部である。
図１（ａ）では、バッテリー５が、図示する極性でスイッチ部４と直流電圧部１の負電位点との間に接続されているが、バッテリー５の正極を直流電圧部１の正電位点に接続し、バッテリー５の負極を、スイッチ部４の非中性点側に接続しても良い。

更に、前記コンデンサ１ａの両端は、ダイオード６ａ〜６ｆからなるダイオードブリッジ６を介して三相交流電源（図示せず）に接続されている。ここで、上記ダイオードブリッジを単相ブリッジとしてその交流側に単相交流電源を接続し、その直流側にコンデンサ１ａを接続しても良い。

なお、図１（ａ）の構成からダイオードブリッジ６を除いた部分については、本発明者による特願２００６−３１８０７５号（発明の名称：電力システム）に記載されている。
また、上記スイッチ部４としては、例えば図１（ｂ）に示すように、半導体スイッチング素子４ａとダイオード４ｂとを図示の極性で逆並列に接続したものが考えられるが、図１（ｃ）に示すように、電動機３の中性点ｎとバッテリー５とを直接接続したり、あるいは適宜なインピーダンスの受動素子（図示せず）を介して電動機３の中性点ｎとバッテリー５とを接続しても良い。
ここで、図１（ｃ）の如く電動機３の中性点ｎとバッテリー５とを直接接続する構成は、特開平１０−３３７０４７号公報（発明の名称：多相出力電力変換回路）の図１０にも記載されている。

次に、この第１実施形態の動作を説明する。
まず、説明の便宜上、図１（ａ）における電動機３の中性点ｎとバッテリー５とを直接接続した場合（すなわち図１（ｃ）の構成とした場合）の電力の授受動作について述べることとする。

いま、インバータ２の上アームのすべてのスイッチング素子２ａ，２ｃ，２ｅ、または下アームのすべてのスイッチング素子２ｂ，２ｄ，２ｆを同時にオン・オフさせる場合（上下アームの同時オンを除く）、インバータ２は、図２に示すように、上アームの１個のスイッチング素子２０１と下アームの１個のスイッチング素子２０２とからなるゼロ相等価回路として表すことができる。
図２において、３０１は電動機３の漏れインダクタンス、５０１はバッテリー５の内部抵抗、５０２は内部抵抗を除いた理想直流電源であり、Ｖ_ｎは直流電圧部１の負電位点に対する電動機３の中性点電位平均値、Ｉ_ｄｃｓはバッテリー５に流れる電流平均値、Ｒ_ｄｃｓは内部抵抗５０１の抵抗値、Ｖ_ｄｃｓはバッテリー５の開放電圧である。

このとき、インバータ２の出力電圧は、いわゆるゼロ相（またはコモンモード）電圧であり、バッテリー５を流れる電流は、電動機３にとっていわゆるゼロ相電流と見なすことができるため、電動機３の発生トルクには原理的に影響を与えない。従って、インバータ２の上アームのすべてのスイッチング素子２ａ，２ｃ，２ｅ、または下アームのすべてのスイッチング素子２ｂ，２ｄ，２ｆを同時にオン・オフするタイミングを制御することにより、電動機３の発生トルクに影響を与えずに、直流電圧部１とバッテリー５との間で電力を授受してバッテリー５を充放電し、バッテリー５及び直流電圧部１の電圧を制御することができる。

図３（ａ）は直流電圧部１と電動機３及びバッテリー５との間のパワーフローを示した図であり、上述したインバータ２によるゼロ相電圧の調整により、直流電圧部１とバッテリー５との間で授受する電力を制御する。このときのパワーフローをＡとして示す。
また、電動機３にトルクを発生させる通常運転モードでは、インバータ２のスイッチング素子２ａ〜２ｆによる周知のスイッチング動作により、直流電圧部１と電動機３との間で授受する電力を制御して電動機３を力行または回生動作させる。このときのパワーフローをＢとして示す。
従って、インバータ２のスイッチングパターンを適切に選択することにより、パワーフローＡ，Ｂを併存させることが可能であり、言い換えれば、バッテリー５の充放電制御と電動機３の制御とを干渉させずに行うことができる。

次に、図３（ｂ）は、本実施形態の特徴としてダイオードブリッジ６の交流側に三相（または単相）交流電源を接続し、この交流電圧をダイオードブリッジ６により整流して得た直流電力を用いてバッテリー５を充電する場合のパワーフローを示している。
図３（ｂ）において、Ｃは交流電源からダイオードブリッジ６を介して直流電圧部１に電力を供給するパワーフローであり、また、Ｄは、前述したインバータ２のゼロ相電圧により、直流電圧部１からバッテリー５に電力を供給してバッテリー５を充電する際のパワーフローである。この場合、インバータ２はいわゆる降圧チョッパとして動作することになり、バッテリー５に流入する電流を制御しながら充電動作を行うことができる。

なお、この実施形態の変形例として、図４に示す如く、バッテリー５を図示の極性で直流電圧部１の正電位点と電動機３の中性点ｎとの間に接続しても良い。

さて、図１（ｃ）や図４のように電動機３の中性点ｎとバッテリー５とを直結すると、インバータ２から電動機３に最大電圧を印加した場合、電動機３の中性点電位平均値Ｖ_ｎはほぼ直流電圧部１の電圧Ｅ_ｄｃの１／２（＝Ｅ_ｄｃ／２）に固定されてしまい、Ｖ_ｎの調整幅はほとんどなくなる。このような場合、図２に示したバッテリー５の内部抵抗値Ｒ_ｄｃｓが一般に小さいことを考え併せると、バッテリー５の電圧もほぼＥ_ｄｃ／２に固定され、バッテリー５の電力を調整することができない。
従って、インバータ２の出力を最大限に利用することが困難になってシステムの設計自由度が低下し、実用化の妨げともなる。

これに対し、図１（ａ）のように、図１（ｂ）のスイッチ部４を電動機３の中性点ｎとバッテリー５との間に接続し、スイッチ部４内のスイッチング素子４ａをオン・オフさせることにより、バッテリー５の電流平均値Ｉ_ｄｃｓを調整してバッテリー５の電圧、電力を所定値に制御することができる。

ここで、図１（ｂ）における電流平均値Ｉ_ｄｃｓは、数式１によって表すことができる。
［数式１］
Ｉ_ｄｃｓ＝（Ｋ_ｃ×Ｖ_ｎ−Ｖ_ｄｃｓ）／Ｒ_ｄｃｓ
なお、
Ｋ_ｃ：スイッチング素子４ａのオン・オフによって調整される係数，
Ｖ_ｎ：直流電圧部１の負極に対する電動機３の中性点電位平均値，
Ｖ_ｄｃｓ：バッテリー５の開放電圧，
Ｒ_ｄｃｓ：バッテリー５の内部抵抗
である。
すなわち、係数Ｋ_ｃをスイッチング素子４ａのスイッチングによって調整することにより、目的とするＩ_ｄｃｓを維持することができ、バッテリー５の充放電の少なくとも一方を自在に調整することができる。

以下、インバータ２のスイッチング素子２ａ〜２ｆ及びスイッチ部４のスイッチング素子４ａの状態に応じたバッテリー５の充放電動作を説明する。
なお、前提として、直流電圧部１の電圧は、バッテリー５の電圧よりも高いものとする。

図１（ａ）において、インバータ２の下アームのスイッチング素子２ｂ，２ｄ，２ｆがすべてオンし、スイッチ部４のスイッチング素子４ａがオンの状態では、バッテリー５の両極は電動機３の内部インピーダンスのゼロ相分（漏れインダクタンス及び抵抗）を介して短絡されるので、バッテリー５は放電状態となる。
また、インバータ２の上アームのスイッチング素子２ａ，２ｃ，２ｅがすべてオンし、スイッチ部４のスイッチング素子４ａがオンの状態では、バッテリー５には電動機３の内部インピーダンスのゼロ相分を介して直流電圧部１の電圧が印加されるため、バッテリー５は充電状態となる。

更に、インバータ２の下アームのスイッチング素子２ｂ，２ｄ，２ｆがすべてオンし、スイッチ部４のスイッチング素子４ａがオフの状態では、スイッチング素子４ａの逆並列ダイオードの作用によってバッテリー５は放電状態となる。
また、インバータ２の上アームのスイッチング素子２ａ，２ｃ，２ｅがすべてオンし、スイッチ部４のスイッチング素子４ａがオフの状態では、スイッチング素子４ａの逆並列ダイオードの作用により、バッテリー５に充電電流は流れず、バッテリー５が放電状態であればその放電電流はやがてゼロになる。

なお、インバータ２の上アームのスイッチング素子２ａ，２ｃ，２ｅがすべてオン以外、あるいは、下アームのスイッチング素子２ｂ，２ｄ，２ｆがすべてオン以外の状態では、バッテリー５の電流は、電動機３の中性点ｎの電位及びスイッチング素子４ａの状態（オンまたはオフ）によって増減する。
ただし、一般にこの状態において、電動機３の中性点電位の平均値Ｖ_ｎは、電動機３が定常状態であればほぼ一定となり、その前提に立てば、バッテリー５の電流は前述の数式１に示したように制御可能である。特に、バッテリー５の開放電圧Ｖ_ｄｃｓがＥ_ｄｃ／２よりも低い場合には、Ｖ_ｎが一般にＥ_ｄｃ／２となることから、Ｖ_ｎ＞Ｖ_ｄｃｓの状態でスイッチング素子４ａをオン・オフすればバッテリー５の電流平均値を制御することができる。

以上のように、インバータ２のスイッチング素子２ａ〜２ｆ及びスイッチ部４のスイッチング素子４ａのオン・オフ状態に応じてバッテリー５の電流を正負両方向に増大させるモードが存在するため、これらのモードを適切に切り替えることにより、バッテリー５の平均電流、すなわち充放電を制御してバッテリー５の電圧、電力を任意に調整することが可能になる。
また、バッテリー５を放電させ、その電力をインバータ２を介して直流電圧部１に蓄積すれば、直流電圧部１の電力を用いてインバータ２により電動機３を駆動することができる。逆に、電動機３を発電機として動作させ、その電力をバッテリー５に充電することも可能である。

上記のように、図１に示した第１実施形態によれば、図６との比較から明らかなように、バッテリー５を充電するために電圧調整を行う変圧器や、これに代わるチョッパ回路等が不要であるため、システム全体の構成を簡略化して重量やコストを低減することができる。

なお、図３（ｂ）に示したように、ダイオードブリッジ６に交流電源を接続してバッテリー５を充電している期間に電動機３が駆動されるのを回避したい場合には、前述した如く、電動機３にゼロ相電圧を与えても一般にトルクは発生しないため、インバータ２が発生する電圧をゼロ相成分のみとすれば良い。
この場合、交流電源が接続されていることを検出する方法としては、その接続部に電圧検出器を設ける、直流電圧部１の電圧の変化を観測する等、様々な方法が考えられる。

本発明に係る電力変換システムは様々な応用が可能であるが、例えば電動機を動力源とする電気駆動車に用いれば好適である。すなわち、車両の通常走行時には交流電源を切り離し、バッテリー５と電動機３との間で電力授受を行い、充電時にはダイオードブリッジ６に交流電源を接続してバッテリ−５の充電動作を行えば良い。
また、交流電源を接続してバッテリー５を充電する際には、通常、車両が停止していることが必要になるため、充電中には電動機３にゼロ相電圧のみを与えてトルクが生じないようにすれば良い。

なお、一般的には、前述したように電動機にゼロ相電圧を与えてもトルクを生じないが、実際には僅かにトルクが発生することが考えられる。また、インバータのスイッチングタイミングが何らかの要因で誤差を持ち、電動機に通常運転用のノーマルモード電圧を与えてしまうと、電動機がトルクを発生してしまう。
このような場合でも、電動機に接続された機械負荷が動いてしまうのを防止するためには、電動機あるいはその負荷に機械的なブレーキを設け、バッテリー５の充電中はこのブレーキを作用させて機械負荷を制動することが有効である。このようにすれば、安全な状態でバッテリー５を充電することができる。

また、バッテリー５の充電時には、交流電源からダイオードブリッジ６を介して電力を得るために、直流電圧部１の電圧は交流電源の線間電圧のピーク値程度の値となる。一方、電動機３の運転時においては、直流電圧部１の電圧は、バッテリーの電圧以上、かつインバータ２のスイッチング素子２ａ〜２ｆの耐圧以下の範囲で調整可能である。
例えば、電動機３の運転時に、安全のために直流電圧部１の電圧を充電時よりも低くしたり、逆に電動機３の高速・高出力化のために充電時よりも高くしたりすることが可能である。もちろん、充電時と同じ電圧値とすることも可能である。
このような手段を講じることで、目的に応じたシステムの最適化を図ることができる。

なお、図１（ｂ）に示したようにバッテリ−５と直列にスイッチング素子４ａを接続する場合には、このスイッチング素子４ａのスイッチング動作に伴って高電圧が瞬間的に発生し、この高電圧によってスイッチング素子４ａが破損するおそれがある。
しかし、この問題は、図５に示す第２実施形態のように、電動機３とスイッチング素子４ａとの接続点と直流電圧部１との間に、直流電圧部１の直流電圧を阻止する極性でスナバダイオード７を接続することにより解決可能である。このスナバダイオード７は、図１（ｂ）のようなスイッチ部４に対しては、電動機３の中性点ｎ側をアノードとしてそのカソードを直流電圧部１の正電位点に接続すれば良い。

ここで、図５に示すスイッチ部４’のスイッチング素子４ａ及びダイオード４ｂの極性は、図１（ｂ）の例と逆になっているが、図５の実施形態では、スイッチング素子４ａがオフの状態でインバータ２の上アームのスイッチング素子２ａ，２ｃ，２ｅがすべてオンするとバッテリー５が充電され、また、スイッチング素子４ａがオンしている状態で、前記スイッチング素子２ａ，２ｃ，２ｅがすべてオンの状態とそれ以外の状態とを時間比率を変えて繰り返すことにより、バッテリー５の充放電を制御することができる。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。 第１実施形態における主要部の等価回路図である。 第１実施形態の動作を示すパワーフローの説明図である。 第１実施形態の変形例を示す回路図である。 本発明の第２実施形態を示す回路図である。 従来技術を示す回路図である。

符号の説明

１：直流電圧部
１ａ：コンデンサ
２：インバータ
２ａ〜２ｆ：半導体スイッチング素子
３：電動機
４：スイッチ部
４ａ：半導体スイッチング素子
４ｂ：ダイオード
５：バッテリー
６：ダイオードブリッジ
６ａ〜６ｆ：ダイオード
７：ダイオード

Claims (5)

1. 直列接続された複数のスイッチング素子からなるブリッジを備えた電力変換器と、前記電力変換器の直流側に接続された直流電圧部と、前記スイッチング素子同士の接続点に接続された電動機と、前記直流電圧部に直流側が接続されたダイオードブリッジと、前記直流電圧部の正電位点または負電位点の何れか一方に、正電位点の場合には正極が、負電位点の場合には負極がそれぞれ接続され、かつ、他方の極が、前記電動機の複数の巻線同士の接続点に直接、またはスイッチング素子もしくは受動素子を介して接続されるバッテリーと、を有する電力変換システムにおいて、
   前記ダイオードブリッジの交流側に交流電源を接続し、前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング動作により、前記バッテリーを充電するモードを有することを特徴とする電力変換システム。
2. 請求項１に記載した電力変換システムにおいて、
   前記ダイオードブリッジの交流側に前記交流電源が接続されている場合に、前記電動機に流れる電流を実質的にゼロ相電流のみとすることを特徴とする電力変換システム。
3. 請求項１または２に記載した電力変換システムにおいて、
   前記直流電圧部の直流電圧を、前記バッテリーの電圧以上であって前記電力変換器のスイッチング素子の耐圧以下の値にしたことを特徴とする電力変換システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換システムを搭載したことを特徴とする電気駆動車。
5. 請求項４に記載した電気駆動車において、
   前記ダイオードブリッジの交流側に前記交流電源が接続されている場合に、前記電動機により駆動するべき機械負荷を機械的なブレーキ手段によって制動することを特徴とする電気駆動車。

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