JP2016073097A - 駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷への電力供給が可能であるとともに、回転電機の出力を高めることができる駆動装置を提供することにある。
第1インバータは、高電位側に配置される第1上アーム素子および低電位側に配置される第1下アーム素子を有し、巻線の一端、第1電源、および、第1負荷と接続される。
第2インバータは、高電位側に配置される第2上アーム素子および低電位側に配置される第2下アーム素子を有し、巻線の他端、および、第2電源と接続される。
第1制御部は、第1インバータの駆動を制御する。
第2制御部は、第2インバータの駆動を制御する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による駆動装置を図1〜図12に基づいて説明する。
図1に示すように、本実施形態の駆動装置1は、図示しない車両に搭載される補機駆動システム5に適用される。補機駆動システム5は、駆動装置1、第1電源41、第2電源42、および、第1負荷としての負荷51等を備える。
モータジェネレータ10は、3相交流の回転機である。本実施形態のモータジェネレータ10は、エンジン8と接続され、第1電源41および第2電源42の電力によって駆動されることでエンジン8を始動させるスタータとしての機能、および、エンジン8から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電するオルタネータとしての機能を併せ持つISG(Integrated Starter Generator)である。
第1インバータ20は、コイル11〜13の一端111、121、131と接続される。具体的には、U相の第1上アーム素子21と第1下アーム素子24との接続点27が、U相コイル11の一端111に接続される。V相の第1上アーム素子22と第1下アーム素子25との接続点28が、V相コイル12の一端121に接続される。W相の第1上アーム素子23と第1下アーム素子26との接続点29が、W相コイル13の一端131に接続される。
また、第1インバータ20は、第1電源41および負荷51と接続される。
第2インバータ30は、コイル11〜13の他端112、122、132と接続される。具体的には、U相の第2上アーム素子31と第2下アーム素子34との接続点37が、U相コイル11の他端112に接続される。V相の第2上アーム素子32と第2下アーム素子35との接続点38が、V相コイル12の他端122に接続される。W相の第2上アーム素子33と第2下アーム素子36との接続点39が、W相コイル13の他端132に接続される。
また、第2インバータ30は、第2電源42と接続される。
以下適宜、第1上アーム素子21〜23、第1下アーム素子24〜26、第2上アーム素子31〜33、および、第2下アーム素子34〜36を、スイッチング素子21〜26、31〜36という。また、「U1上アーム素子21」といった具合に、対応する相とインバータを併記する。
本実施形態のスイッチング素子21〜26、31〜36は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるが、例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いてもよい。
第2電源42は、充放電可能な直流電源であり、第2インバータ30と接続され、第2インバータ30を経由してモータジェネレータ10と電力を授受可能に設けられる。本実施形態の第2電源42は、48[V]のリチウム蓄電池とする。
本実施形態では、第1電源41の電圧を第1電源電圧V1とし、第2電源42の電圧を第2電源電圧V2とする。また、本実施形態では、第1電源41は、第2電源42より高容量であり、第2電源42は、第1電源41より高出力である。
第2コンデンサ44は、第2電源42から第2インバータ30側への電流、または、第2インバータ30側から第2電源42側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。
第1制御部61は、モータジェネレータ10の駆動要求、第1電源41および第2電源42の充電状態、ならびに、負荷51の給電要求である電力要求に基づき、第1インバータ20の駆動を制御する。詳細には、第1制御部61は、電力要求に応じた駆動動作となるように、第1インバータ20のスイッチング素子21〜26のオンオフ作動を制御する第1制御信号を生成し、スイッチング素子21〜26のゲートに出力する。
第1系統101および第2系統102が、共にボディアースにより接地されると、第1系統101と第2系統102との間にて車体を経由して電流が流れ、モータジェネレータ10を駆動できなくなる。本実施形態では、負荷51の少なくとも一部が接地されることで第1系統101側が接地されるため、第2系統102側を接地しない。
まず、第1インバータ20および第2インバータ30の駆動動作について、第1電源41および第2電源42の少なくとも一方の電力を用いてモータジェネレータ10を駆動する場合を説明する。
第1電源41の電力によりモータジェネレータ10を駆動する場合、第1インバータ20および第2インバータ30を第1片側駆動動作とする。第1片側駆動動作では、図2に示すように、第2上アーム素子31〜33の全相、または、第2下アーム素子34〜36の一方をオン、他方をオフすることにより、第2インバータ30を中性点化する。なお、熱損失の偏りを低減すべく、第2上アーム素子31〜33がオンされる状態と、第2下アーム素子34〜36がオンされる状態とを適宜切り替えるようにしてもよい。
また、電力要求に応じ、第1インバータ20を制御する。
また、矢印YL1で示すように、負荷51には第1電源41から電力が供給される。後述する第2片側駆動動作、および、反転駆動動作においても同様である。
図3に示すように、電力要求に応じた第1基本波F1とキャリア波との比較によるPWM制御等により第1インバータ20をスイッチングし、第2インバータ30を中性点化することにより、モータジェネレータ10には、パルスの高さが第1電源電圧V1の駆動電圧が印加される。
第2電源42の電力によりモータジェネレータ10を駆動する場合、第1インバータ20および第2インバータ30を第2片側駆動動作とする。第2片側駆動動作では、図4に示すように、第1上アーム素子21〜23の全相、または、第1下アーム素子24〜26の全相の一方をオン、他方をオフすることにより、第1インバータ20を中性点化する。なお、熱損失の偏りを低減すべく、第1上アーム素子21〜23がオンされる状態と、第1下アーム素子24〜26がオンされる状態とを適宜切り替えるようにしてもよい。
また、電力要求に応じ、第2インバータ30を制御する。
図5に示すように、第1インバータ20を中性点化し、電力要求に応じた第2基本波F2とキャリア波との比較によるPWM制御等により第2インバータ30をスイッチングすることにより、モータジェネレータ10には、パルスの高さが第2電源電圧V2である駆動電圧が印加される。
第1電源41および第2電源42の電力によりモータジェネレータ10を駆動する場合、第1インバータ20および第2インバータ30を反転駆動動作とする。反転駆動動作では、電力要求に応じた第1基本波F1に基づいて第1インバータ20の駆動を制御し、電力要求に応じた第2基本波F2に基づいて第2インバータ30の駆動を制御する。
なお、第1基本波F1および第2基本波F2は、振幅が等しくてもよいし、異なっていてもよい。また、第1基本波F1および第2基本波F2は、いずれも正弦波である場合のように同様の波形であってもよいし、例えば第1インバータ20または第2インバータ30の一方を正弦波PWM制御し、他方を過変調PWM制御するといった場合のように、波形が異なっていてもよい。後述する同相駆動動作の場合も同様である。
なお、反転駆動動作にて、振幅や波形が異なる場合、各相にてオンされる素子は、第1インバータ20と第2インバータ30とで、必ずしも上下反対にならない。
同相駆動動作において、第1基本波F1と第2基本波F2とは、同位相とし、位相差は0[°]であるが、第1電源電圧V1と第2電源電圧V2との差に相当する電圧をモータジェネレータ10に印加可能な程度のずれは許容される。
第1基本波F1の振幅と第2基本波F2の振幅とが等しい場合、各相にてオンされる素子が第1インバータ20と第2インバータ30とで上下同じとなる。図9に示す例では、U1上アーム素子21、V1下アーム素子25、W1下アーム素子26、U2上アーム素子31、V2下アーム素子35、および、W2下アーム素子36がオンされることにより、矢印Y14で示す経路の電流が流れる。
また、図9中に矢印YL2で示すように、負荷51には、第2電源42から電力が供給される。
同相駆動動作は、第1電源41の充電を伴うため、第1電源41のSOCが上限値に近く、第1電源41を充電できない場合には実行されない。
なお、第1電源電圧V1と第2電源電圧V2とが等しい場合、第1片側駆動動作にてモータジェネレータ10に印加される駆動電圧と、第2片側駆動動作にてモータジェネレータ10に印加される駆動電圧とは等しい。この場合、例えばスイッチング素子21〜26、31〜36の熱損失等に応じ、第1片側駆動動作と第2片側駆動動作とを適宜切り替えるようにしてもよい。
第1インバータ20および第2インバータ30を第1片側駆動動作とし、第2インバータ30を中性点化し、第1インバータ20をモータジェネレータ10の発電電力に基づいて回生動作させる。これにより、図2の矢印Y11と反対方向の電流が流れ、モータジェネレータ10の発電電力により第1電源41が充電されるとともに、モータジェネレータ10の発電電力が負荷51に給電される。
続いて、モータジェネレータ10を停止した状態にて、第2電源42の電力を第1電源41および負荷51側へ給電する給電動作について図11および図12に基づいて説明する。図12では、(a)がU相電流Iu、(b)がU1上アーム素子21のオンオフ状態、(c)がV1下アーム素子25のオンオフ状態、(d)がU2上アーム素子31のオンオフ状態、(e)がV2下アーム素子35のオンオフ状態を示す。
すなわち、図11および図12の例では、第1相がU相、第2相がV相としたが、第1相は、U相、V相またはW相のいずれであってもよく、第2相は、第1相以外の2相のうちのいずれであってもよい。
モータジェネレータ10は、コイル11〜13を有する。
第1インバータ20は、高電位側に配置される第1上アーム素子21〜23および低電位側に配置される第1下アーム素子24〜26を有し、コイル11〜13の一端111、121、131、第1電源41、および、負荷51と接続される。
第2インバータ30は、高電位側に配置される第2上アーム素子31〜33および低電位側に配置される第2下アーム素子34〜36を有し、コイル11〜13の他端112、122、132、および、第2電源42と接続される。
第1制御部61は、第1インバータ20の駆動を制御する。
第2制御部62は、第2インバータ30の駆動を制御する。
これにより、モータジェネレータ10を適切に駆動することができる。
第1電源41は、第2電源42より高容量であり、第2電源42は、第1電源41より高出力である。これにより、第1電源41から安定して負荷51に給電可能である。また、モータジェネレータ10の出力を高めたい場合には、第2電源42側からの給電を行うことにより、モータジェネレータ10の高出力化が可能である。
第1インバータ20および第2インバータ30の駆動動作を切り替えることにより、モータジェネレータ10の駆動、第1電源41および第2電源42の充電、ならびに、負荷51への給電を適切に制御することができる。
第1片側駆動動作では、第2インバータ30を中性点化し、第1インバータ20を電力要求に基づいて制御する。
反転動作は、電力要求に応じた第1基本波F1に基づいて第1インバータ20を駆動し、電力要求に応じた第2基本波F2に基づいて第2インバータ30を駆動する動作であって、第1基本波F1の位相と第2基本波F2の位相とが反転されている。
これにより、第1インバータ20および第2インバータ30を適切に反転駆動動作させることができる。
また、第2インバータ30をキャリア波および第2基本波F2に基づいてパルス幅変調制御し、第1インバータ20を第1基本波F1の半周期ごとにスイッチング素子21〜26のオンオフを切り替える矩形波制御としてもよい。
矩形波制御される第1インバータ20または第2インバータ30において、スイッチング回数を低減することができるので、スイッチング損失を低減することができる。なお、電圧が大きいほどスイッチング損失が大きいため、高電圧が印加される側のインバータを矩形波制御するほうが、スイッチング損失低減効果が大きい。
同相駆動動作は、第1基本波F1に基づいて第1インバータ20を駆動し、第2基本波F2に基づいて第2インバータ30を駆動する動作であって、第1基本波F1の位相と第2基本波F2の位相とが同位相である。
これにより、例えば第2電源電圧V2が第1電源電圧V1より大きい場合、第2電源42の電力により、モータジェネレータ10を駆動しつつ、第1電源41を充電することができる。
給電動作では、電圧が低い方の電源と接続される第1インバータ20または第2インバータ30の第1相の上アーム素子および第2相の下アーム素子をオンする。また、電圧が高い方の電源と接続される第1相の上アーム素子または第2相の下アーム素子の一方をオン、他方を所定のデューティでオンオフを切り替える。
これにより、第1相および第2相に直流電流が流れるので、モータジェネレータ10を駆動することなく、高電圧側から低電圧側への給電を行うことができる。
スタータ機能、オルタネータ機能、および、負荷51への給電が1つの駆動装置1にて実現されるため、システムを簡素化することができる。また、アイドルストップからの復帰時等、モータジェネレータ10をスタータとして用いる場合、反転駆動動作とすることで高電圧にてモータジェネレータ10を動作させることができるので、電流増加を抑えることができる。これにより、補機駆動システム5を小型化することができる。
本発明の第2実施形態による駆動システムを図13に示す。
図13に示すように、補機駆動システム6では、第2電源42の電力が供給される定電圧負荷である負荷52が設けられる。第2電源42は48[V]の電源であるので、負荷52としては、例えばポンプやモータ等、比較的大電力を要するものが好適である。
本実施形態では、第2インバータ30、第2電源42、第2コンデンサ44、負荷52、および、第2制御部62が第2系統103を構成し、負荷52が「第2負荷」に対応する。
本実施形態の駆動動作については、上記実施形態と同様とする。
例えば第1電源電圧V1と第2電源電圧V2とが異なる場合、適切な電圧の電力を負荷51、52に給電することができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
上記実施形態では、第1電源が12[V]電源であり、第2電源が48[V]電源である。他の実施形態では、第1電源および第2電源の電圧は、12[V]および48[V]に限らず、いくつであってもよい。上記実施形態では、第1電源電圧よりも第2電源電圧が大きい。他の実施形態では、第1電源電圧が第2電源電圧以上であってもよい。
また、第1インバータおよび第2インバータを、PWM制御以外の制御方法にて制御してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
10・・・モータジェネレータ(回転電機)
20・・・第1インバータ
30・・・第2インバータ
41・・・第1電源
42・・・第2電源
51・・・負荷(第1負荷)
52・・・負荷(第2負荷)
61・・・第1制御部
62・・・第2制御部
Claims (11)
- 巻線(11、12、13)を有する回転電機(10)と、
高電位側に配置される第1上アーム素子(21〜23)および低電位側に配置される第1下アーム素子(24〜26)を有し、前記巻線の一端(111、121、131)、第1電源(41)、および、第1負荷(51)と接続される第1インバータ(20)と、
高電位側に配置される第2上アーム素子(31〜33)および低電位側に配置される第2下アーム素子(34〜36)を有し、前記巻線の他端(112、122、132)、および、第2電源(41)と接続される第2インバータ(30)と、
前記第1インバータの駆動を制御する第1制御部(61)と、
前記第2インバータの駆動を制御する第2制御部(62)と、
を備えることを特徴とする駆動装置(1)。 - 前記第1電源の電圧は、前記第2電源の電圧以下であって、
前記第1負荷は、接地され、
前記第2電源および前記第2制御部は、非接地であることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。 - 前記第1電源は、前記第2電源より高容量であり、
前記第2電源は、前記第1電源より高出力であることを特徴とする請求項1または2に記載の駆動装置。 - 前記第1制御部および前記第2制御部は、前記回転電機の駆動要求、前記第1電源および前記第2電源の充電状態、ならびに、前記第1負荷の給電要求の少なくとも1つである電力要求に応じ、前記第1インバータおよび前記第2インバータの駆動動作を切り替えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の駆動装置。
- 前記駆動動作には、
前記第2インバータを中性点化し、前記第1インバータを前記電力要求に基づいて制御する第1片側駆動動作、
前記第1インバータを中性点化し、前記第2インバータを前記電力要求に基づいて制御する第2片側駆動動作、
および、前記電力要求に応じた第1基本波に基づいて前記第1インバータを駆動し、前記電力要求に応じた第2基本波に基づいて前記第2インバータを駆動する動作であって、前記第1基本波の位相と前記第2基本波の位相とが反転されている反転駆動動作が含まれることを特徴とする請求項4に記載の駆動装置。 - 前記反転駆動動作において、
前記第1インバータは、キャリア波および前記第1基本波に基づいてパルス幅変調制御され、
前記第2インバータは、前記キャリア波および前記第2基本波に基づいてパルス幅変調制御されることを特徴とする請求項5に記載の駆動装置。 - 前記反転駆動動作において、
前記第1インバータまたは前記第2インバータの一方は、キャリア波および対応する前記第1基本波または前記第2基本波に基づいてパルス幅変調制御され、
前記第1インバータまたは前記第2インバータの他方は、対応する前記第1基本波または前記第2基本波の半周期ごとにスイッチング素子のオンオフを切り替える矩形波制御されることを特徴とする請求項5に記載の駆動装置。 - 前記第1電源の電圧と前記第2電源の電圧とが異なる場合、
前記駆動動作には、
前記第1基本波に基づいて前記第1インバータを駆動し、前記第2基本波に基づいて前記第2インバータを駆動する動作であって、前記第1基本波の位相と前記第2基本波の位相とが同位相である同相駆動動作が含まれることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記第1電源の電圧と前記第2電源の電圧とが異なる場合、
前記駆動動作には、
電圧が低い方の電源と接続される前記第1インバータまたは前記第2インバータの第1相の上アーム素子および第2相の下アーム素子をオンし、
電圧が高い方の電源と接続される前記第1インバータまたは前記第2インバータの前記第1相の上アーム素子または前記第2相の下アーム素子の一方をオン、他方を所定のデューティでオンオフを切り替える給電動作が含まれることを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記第2インバータは、第2負荷(52)と接続され、
前記第2負荷は、非接地であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の駆動装置。 - 前記回転電機は、エンジン(5)と接続され、前記第1電源および前記第2電源の少なくとも一方の電力により駆動されて前記エンジンを始動するスタータ機能、および、前記エンジンにより駆動されて発電するオルタネータ機能を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の駆動装置。
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