JP4814975B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流発電電動機と直流電源との間に接続される車両用電力変換装置に関するものである。

自動車に搭載されて、エンジンを始動するために駆動され、さらにエンジン駆動後には発電を行う車載用発電電動機には、直流電力と交流電力の変換を行う車両用電力変換装置が使用される。

一般的に、このような車両用電力変換装置は、発電電動機とバッテリの間に接続され、複数のスイッチング素子と各スイッチング素子と並列に接続されたダイオード素子(例えば、スイッチング素子に付随している寄生ダイオード)とにより構成されている。発電電動機が電動機として動作している場合には、スイッチング素子のオン・オフを制御することによりバッテリからの直流電力を交流電力に変換し、一方で発電電動機が発電機として動作している場合には、発電電動機が発電した交流電力をダイオードにより整流し直流電力に変換するようになされている。

しかし近年では、ダイオード整流よりも効率がよく、素子の発熱も少ないことから、スイッチング素子による同期整流が用いられるようになってきた。この同期整流とは夫々のダイオードの導通状態に同期して前記夫々のダイオードに対応するスイッチング素子を導通させるものである。例えば、特許文献１に記載の車両用電力変換器では、ダイオードに通電が行われているタイミングに同期して、スイッチング素子のオン・オフを制御する同期整流を行っている。

特開２００８−２２８４５０号公報

通常この種制御方式では、発電電動機による発電電流が小さい時は、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードによってダイオード整流が行われ、その後、発電電流が増加すると、ダイオード整流から同期整流へと移行させるように制御する。

特許文献１では、同期整流を実現するための手段について詳しく記載されているが、ダイオード整流から同期整流への移行、同期整流からダイオード整流への移行のための遷移条件については記載されていない。そのため、特許文献１の手法において、低回転低負荷時にダイオード整流から同期整流へ遷移した場合、同期整流を行うことで誘起電圧が低くなることにより、誘起電圧と正極側端子Ｐの電圧Vｐとを比較して生成するダイオードのオンタイミングおよびオフタイミングを正確に演算することができず、同期整流を失敗する可能性があるという課題があった。

また発電電圧値が高ければ高いほどダイオード整流から同期整流へ遷移するためには、より大きな発電電流(負荷電流)が必要になることから、発電電圧が高いときには同期整流可能な運転領域が狭くなるという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、直流電力と交流電力を変換する車両用電力変換装置において、ダイオード整流から同期整流、同期整流からダイオード整流への遷移条件を設定し、さらに発電電圧に応じて遷移条件を可変とすることにより、低負荷時においても同期整流を実施可能であり、効率の良い同期整流の運転領域を拡大することが可能な車両用電力変換装置を提供することにある。

この発明に係わる車両用電力変換装置は、それぞれ並列接続されたダイオードを有し多相ブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子と、前記夫々のダイオードの導通状態に同期して当該ダイオードに対応する前記スイッチング素子を導通させて同期整流を行う制御装置とを有し、外部から駆動されて多相交流電力を発生する発電電動機と直流機器との間に接続された車両用電力変換装置において、前記制御装置には前記多相交流電力の発生時に前記発電電動機の負荷状態を検出し、その出力に応じてダイオード整流から同期整流へまたは同期整流からダイオード整流に遷移させる負荷状態検出手段を備え、前記負荷状態検出手段は、発電電動機の回転速度と界磁電流をパラメータとして上記同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値を決定すると共に、前記同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値とを所定の間隔を置いて設定して前記ダイオード整流から同期整流への遷移または同期整流からダイオード整流への遷移に所定のヒステリシス幅を設けたことを特徴とするものである。

この発明に係る発電電動機の制御装置によれば、ダイオード整流から同期整流、同期整流からダイオード整流へ遷移する条件として負荷条件を用いることにより、遷移時に同期整流の失敗を防ぐことが可能となり、また遷移条件に発電電圧を加えることにより、発電電圧が変化しても広範囲で同期整流することが可能となり、高効率な車両用電力変換装置を提供することができる。

この発明に係る車両用電力変換装置を用いた車両システムの全体構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置を備えた発電電動機の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置の制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係わる発電電動機の制御装置の動作を表すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係わる発電電動機の制御装置のダイオード整流および同期整流の遷移を表す図である。 この発明の実施の形態１に係わる発電電動機の制御装置における負荷状態検出手段の構成を表す図である。 図６に示した負荷状態検出手段の動作を表すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係わる同期整流許可しきい値及び同期整流禁止しきい値を表す図である。 この発明の実施の形態２に係わる発電電動機の制御装置における負荷状態検出手段の構成を表す図である。 図９に示した負荷状態検出手段の動作を表すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係わる同期整流許可しきい値及び同期整流禁止しきい値を表す図である。 この発明の実施の形態２に係わる発電電動機の運転状態を表す図である。 この発明の実施の形態３に係わる発電電動機の制御装置における負荷状態検出手段の構成を表す図である。 図１３に示した負荷状態検出手段の動作を表すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係わる同期整流許可しきい値及び同期整流禁止しきい値を表す図である。 この発明の形態の形態３に係わる発電電動機が発生する誘起電圧のダイオード電圧降下が占める割合を表した図である。 この発明の実施の形態４に係わる発電電動機の制御装置における負荷状態検出手段の構成を表す図である。 図１７に示した負荷状態検出手段の動作を表すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置について詳細に説明する。
図１は、回転電機として発電電動機を用いた車両システムの説明図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用電力変換装置を備えた発電電動機の構成を示す構成図、図３はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、内燃機関101が発電電動機102に、例えばベルト等の動力伝達手段104を介して接続され、内燃機関101が運転中にバッテリ103に対して発電電動機102により交直変換されて電気エネルギーを充電する。

図２において、発電電動機装置102は、電力変換装置110とモータジェネレータ部200により構成されており、電力変換装置110は、電力変換部220とスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御装置210とからなる。

電力変換部220は、界磁電流をPWM制御するための界磁スイッチング素子221と、このスイッチング素子221に直列接続されたフリーホイールダイオード222、寄生ダイオードを内蔵した三相上アームスイッチング素子223a-c、及び同じく寄生ダイオードを内蔵した三相下アームスイッチング素子224a-cから構成されている。また、上記三相上アームスイッチング素子223a-cはバッテリ103からのプラス電源入力のＰ端子が接続され、上記モータジェネレータ部200の三相巻線201の各U、V、W相端子が、上記三相下アームスイッチング素子224a-cはバッテリ103からのアース入力であるＮ端子と、三相巻線201の各U、V、W相端子が接続されている。

なお、図２は、モータジェネレータ部200を三相巻線201と界磁巻線202をもった三相界磁巻線方式発電電動機としているが、相数や界磁方式（例えば、永久磁石等）が異なっていてもよい。さらに、電力変換装置110とモータジェネレータ部200が一体となった一体構造式発電電動機装置102としているが、電力変換装置110と発電電動機200が物理的に分割された別体構造式発電電動装置102であっても構わない。

次に、制御装置210の内部構成を示す図３について説明する。制御装置210は同期整流許可手段（H/W回路）301、同期整流制御装置302、通称ゲートドライバと言われる同期整流手段303及び負荷状態検出手段305とからなり、同期整流制御装置302はマイコン304にて構成されている。制御装置210およびマイコン304は、図３に記載以外にも車両用電力変換器のさまざまな機能を有するが、ここでは本発明に関係する部分のみ記載する。

同期整流許可手段301では、電力変換部220の負極側端子Nの電位を基準に、正極側端子Ｐの電圧Vp、三相の各端子U、V、Wの電圧Vu、Vv、Vwを入力し、スイッチング素子をオンにしない状態で寄生ダイオードに順方向電流が流れるかどうかを電圧Vｐと三相の各端子電圧Vu、Vv、Vwから検出する。この検出の出力は、寄生ダイオードに順方向電流が流れるオン状態をHiレベル、順方向電流が流れないオフ状態をLowレベルとして全相上下アームそれぞれからオンタイミング角度を出力する。

同期整流許可手段301のダイオードのオン・オフ状態の検出には、公知の技術を用いて構成すればよく、例えば特許文献1の手法を用いて同期整流許可手段301の出力を生成することが可能である。その他公知の技術を用いて寄生ダイオードのオン・オフ状態を検出してもよく、以下の実施の形態においても同様である。なお、ここでは、オンタイミング角度がHiレベルの時はオン状態、Lowレベルの時はオフ状態としているが、逆の状態であってもよい。また、エッジ検出によりアップエッジが入力されたときオン状態、ダウンエッジが入力されたときはオフ状態としてもよく、とにかくオン・オフ状態が区別できるような入力であればよい。

同期整流制御手段302では、同期整流許可手段301の出力であるオンタイミングに基づいて全相上下アームのスイッチング素子のオン・オフタイミングを演算し、負荷状態検出手段305の出力がHiレベル（同期整流許可）時にオン・オフタイミングを同期整流手段303に出力する。同期整流手段303では、同期整流制御手段302の出力に基づき車両用電力変換器220のスイッチング素子UH223aと、VH223bと、WH223cと、UL224aと、VL224bと、WL224cのゲート指令のオン・オフ信号を生成し、これらのスイッチング素子のゲートに入力する。

図４は図３で説明した制御装置210の同期整流実施時の動作を表すフローチャートである。
ステップS101では、電力変換装置110のスイッチング素子の寄生ダイオードのオンタイミングをマイコンにて取得を行う。ステップS102では、ダイオードのオンタイミングより、全相上下アームのスイッチング素子223の同期整流ゲートオンタイミング指令を演算する。ステップS103では負荷状態検出手段305の出力を取得し、出力がHiレベルなら同期整流許可、出力がLowレベルなら同期整流禁止と判定する。ステップS104では、負荷状態検出手段305の出力に基づき、同期整流許可であればステップS105へ進み、ステップS105では、同期整流手段303に同期整流ゲートオンタイミング指令を出力する。ステップS104で同期整流禁止と判定すればステップS106に進み、ステップS106では同期整流手段303にゲートオフ指令を出力する。

ここで、負荷状態検出手段305について説明する。図５は、実施の形態１の負荷状態に応じてダイオード整流と同期整流の遷移を表した図である。発電電動機装置102の負荷状態が同期整流許可しきい値より大きくなれば、ダイオード整流を行っていた場合、同期整流に遷移する(例えば電圧一定として発電電流が大きくなれば図５の(1)に遷移)。また、同期整流禁止しきい値より小さくなれば、同期整流を行っていた場合、ダイオード整流に遷移する（例えば電圧を一定として発電電流が小さくなれば図５の(2)部に遷移）。図５の(3)で表す部分は、ダイオード整流及び同期整流がともに存在するヒステリシス部である。このように遷移条件にヒステリシスを設けることでダイオード整流から同期整流へ遷移したときに負荷状態が減少しても同期整流を継続して実施することが可能となる。

図６は負荷状態検出手段305の機能構成を表したものである。負荷状態検出手段305は、発電電動機装置102の界磁電流Ifと回転速度Nrngを入力として、以下に詳細に説明するように発電電動機の負荷状態を検出している。

図７は負荷状態検出手段305の動作を表すフローチャートである。ステップS201では、発電電動機102の界磁電流Ifを入力する。ステップS202では、発電電動機102の回転速度Nrngを入力する。ステップS203 では、発電電動機の回転速度Nrngより、界磁電流Ifで表した同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値を予め実験等により得た値を保存したマップ(図８)より読み込む。ステップS204では、ステップS203で読み込んだ同期整流許可しきい値と界磁電流とを比較し、界磁電流が同期整流許可しきい値より大きければ、ステップS205へ進み、負荷状態検出手段305は同期整流許可を示すHiレベル(1)を出力する。ステップS204にて界磁電流が同期整流許可しきい値より小さければ、ステップS206へ進み、ステップS203で読み込んだ同期整流禁止しきい値と界磁電流とを比較し、界磁電流が同期整流禁止しきい値より小さければ、ステップS207へ進み、負荷状態検出手段305は同期整流禁止を示すLowレベル(0)を出力する。ステップS206にて界磁電流が同期整流禁止しきい値より大きければ、無処理でENDへ進む。

以上のように実施の形態1によれば、同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値にヒステリシスを設けることで、ダイオード整流から同期整流へ遷移したときには、ダイオードでの電圧降下による損失がなくなり、発電電圧が増加し、発電電圧を一定に保つ電圧制御により界磁電流が減少しても、界磁電流が同期整流禁止しきい値以下とならないため、同期整流を継続して実施することが可能となる。

実施の形態２．
以下、この発明の第２の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態２による発電電動機の制御装置を実現する負荷状態検出手段305の構成を図９に示す。実施の形態１との差異は、負荷状態検出手段305に発電電動機装置102の発電電圧Vbを入力することである。

実施の形態1では、同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値は回転速度に応じた値となっているものの、発電電圧はパラメータとしていない。実際には発電電圧が低いとダイオード整流から同期整流へ遷移する発電電流は小さくできるが、発電電圧が大きくなるとダイオード整流から同期整流へ遷移する発電電流も大きくなるため、仮に発電電圧が低いときの同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値を採用すると、発電電圧が高いときに十分な発電を行っていない状態で同期整流を実施しようとするため、同期整流を失敗してしまう。

そのため発電電圧が高いときの同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値を用いざるを得なくなり、発電電圧が低いときに同期整流可能な領域であっても同期整流に遷移することができなかった。そこで、実施の形態２では、発電電圧に応じて負荷状態検出手段の出力を変更し、同期整流可能な運転領域を拡大し、ダイオード整流から同期整流へ遷移する発電電流が一定となるようにしたものである。

図１０は実施の形態２の負荷状態検出手段305の動作を表すフローチャートである。図においてステップS301では、発電電動機の界磁電流Ifを入力する。ステップS302では、発電電動機の回転速度Nrngを入力する。ステップS303では、発電電動機の発電電圧Vbを入力する。ステップS304 では、発電電動機の回転速度および発電電圧より、界磁電流で表した同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値を予め実験等により得た値を保存したマップ(図１１)より読み込む。

ステップS305では、ステップS304で読み込んだ同期整流許可しきい値と界磁電流とを比較し、界磁電流が同期整流許可しきい値より大きければ、ステップS306へ進み、負荷状態検出手段305は同期整流許可を示すHiレベル(1)を出力する。ステップS305にて界磁電流が同期整流許可しきい値より小さければ、ステップS307へ進み、ステップS304で読み込んだ同期整流禁止しきい値と界磁電流とを比較し、界磁電流が同期整流禁止しきい値より小さければ、ステップS308へ進み、負荷状態検出手段305は同期整流禁止を示すLowレベル(0)を出力する。ステップS307にて界磁電流が同期整流禁止しきい値より大きければ、無処理でENDへ進む。

実施の形態２では、負荷状態検出手段305に発電電圧を入力し、これを同期整流許可しきい値、同期整流禁止しきい値のパラメータとすることで、図１２に示すように発電電圧が異なっても一定の発電電流でダイオード整流から同期整流へ遷移することが可能であり、発電効率の高い同期整流の動作範囲を拡大することが可能である。

実施の形態３．
以下、この発明の第３の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態３による発電電動機の制御装置を実現する負荷状態検出手段の構成を図１３に示す。実施の形態１および２との差異は、負荷状態検出手段305にダイオードのオンタイミング角度θonと発電電圧Vbを入力することである。オンタイミング角度の取得は、発電電動機の回転位置を表す回転位置センサ（レゾルバやエンコーダ）などから回転位置(角度)を取得すればよい。ここでダイオードのオンタイミング角度とは、ダイオードがオンしている通電角度（180deg以下）を意味する。

実施の形態１では、回転速度と界磁電流、実施の形態２では発電電圧と回転速度と界磁電流を負荷状態検出手段305の入力としていたが、実施の形態３では、寄生ダイオードのオンタイミング角度を入力としている。ここで、寄生ダイオードのオンタイミング角度は、特許文献１の技術を用いればよく電力変換部220の負極側端子Nの電位を基準に、正極側端子の電圧Vp、三相（U、V、W）の各端子電圧Vu、Vv、Vwより求められる。この他に公知の技術を用いてオンタイミング角度を取得しても良い。ここでオンタイミング角度は、誘起電圧Vu、Vv、Vｗと電圧Vpより検出されており、誘起電圧は発電電動機に流す界磁電流と回転速度に依存するため、実施の形態２と同様であり、オンタイミング角度は発電電動機の負荷状態を表す。

図１４は、実施の形態３の動作を表すフローチャートである。ステップS401では、オンタイミング角度θonを取得する。次にステップS402では発電電圧Vbを取得する。次にステップS403では、同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値を予め実験等により得た値を保管してあるマップから読み込む。次にステップS404では、ステップS401で取得したオンタイミング角度とステップ403で読み込んだ同期整流許可しきい値とを比較し、オンタイミング角度が同期整流許可しきい値より大きければ、ステップS405に進み、負荷状態検出手段305はHiレベルを出力し、同期整流を許可する。ステップS404でオンタイミング角度が同期整流許可しきい値より小さければ、ステップS406へ進み でオンタイミング角度と同期整流禁止しきい値を比較する。オンタイミング角度が同期整流禁止しきい値より小さければ、ステップS407へ進み、負荷状態検出手段はLowレベルを出力し、同期整流を禁止する。オンタイミング角度が同期整流禁止しきい値より大きければ、無処理でENDへ進む。

図１５は、オンタイミング角度で同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値を表した図である。ダイオード整流中はダイオードの電圧降下分だけ高い誘起電圧が必要であるため同期整流中より界磁電流を多く流している。つまり、一定の電圧を保つために同期整流遷移後には界磁電流が減少するので、ダイオード整流時より発生する誘起電圧が小さくなり、誘起電圧Vu、Vv、Vｗと電圧Vpから演算されるオンタイミング角度は、ダイオード整流時に比べて同期整流遷移後は小さくなる。よって、同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値のヒステリシスの幅としてはオンタイミング角度が減少する角度より大きくすればよく、同期整流許可しきい値を同期整流禁止しきい値より大きくすればよい。

図１６はこの場合の発電電動機が発生する誘起電圧のダイオード電圧降下が占める割合を表した図である。同一条件の負荷であれば、図に示すように発電電圧が低いとき(V1)は、発電電圧が高いとき（V2）と比べて発電電動機に発生する誘起電圧が相対的に小さい。誘起電圧に対して、ダイオード整流から同期整流へ遷移したときダイオードにより生じる電圧降下の割合(=B1/A1)に比べ、発電電圧が高いときの割合（=B2/A2）の方が小さくなるため、発電電圧が低いときのオンタイミング角度の減少より、発電電圧の高いときのオンタイミング角度の減少のほうが小さくなるので、図１５のように発電電圧が低いときには、ヒステリシス幅を大きく、発電電圧が高いときにはヒステリシス幅を小さくすればよい。

このように同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値のヒステリシス幅を発電電圧に応じて設定することにより、発電電圧が異なってもほぼ同様の発電電流でダイオード整流から同期整流へ遷移させることが可能となり、効率の良い同期整流の運転領域を拡大することができる。
実施の形態３では、オンタイミング角度を回転位置(角度)により演算しているが、オンタイミング角度の入力をトリガーとしてマイコンのタイマ機能によりオンタイミング角度の時間を計測してオンタイミング時間と回転速度よりオンタイミングの角度に換算しても良い。

実施の形態４．
以下、この発明の第４の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態４による発電電動機の制御装置を実現する負荷状態検出手段の構成を図１７に示す。実施の形態１および２との差異は、負荷状態検出手段305は、発電電流Idcのみを入力することである。

図１８は、実施の形態４の動作を表すフローチャートである。ステップS501では、発電電動機の発電電流を取得する。次にステップS502では、同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値を予め実験等により得た値を保管してあるマップから読み込む。次にステップS503では、ステップS501で取得した発電電流とステップ502で読み込んだ同期整流許可しきい値とを比較し、発電電流値が同期整流許可しきい値より大きければ、ステップS504に進み、負荷状態検出手段305はHiレベルを出力し、同期整流を許可する。ステップS503で発電電流が同期整流許可しきい値より小さければ、ステップS505へ進み で発電電流と同期整流禁止しきい値を比較する。発電電流が同期整流禁止しきい値より小さければ、ステップS506へ進み、負荷状態検出手段はLowレベルを出力し、同期整流を禁止する。オンタイミング角度が同期整流禁止しきい値より大きければ、無処理でENDへ進む。

このように実施の形態４では、発電電動機の発電電流を計測して、同期整流許可しきい値および同期整流禁止しきい値と比較することにより、発電電圧に関係なく同様の負荷電流でダイオード整流から同期整流へ遷移させることが可能となり、効率の良い同期整流の運転領域を拡大することができる。

１０２ 発電電動機装置、 １０３ バッテリ、１１０ 電力変換装置、
２００ モータジェネレータ部、 ２０１ 三相巻線、
２０２ 界磁巻線、 ２１０ 制御装置、 ２２０ 電力変換部、
２２１ 界磁スイッチング素子、 ２２３、２２４ スイッチング素子、
３０１ 同期整流許可手段、 ３０２ 同期整流制御手段、
３０３ 同期整流手段、 ３０５ 負荷状態検出手段。

Claims (4)

1. それぞれ並列接続されたダイオードを有し多相ブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子と、前記夫々のダイオードの導通状態に同期して当該ダイオードに対応する前記スイッチング素子を導通させて同期整流を行う制御装置とを有し、外部から駆動されて多相交流電力を発生する発電電動機と直流機器との間に接続された車両用電力変換装置において、前記制御装置には前記多相交流電力の発生時に前記発電電動機の負荷状態を検出し、その出力に応じてダイオード整流から同期整流へまたは同期整流からダイオード整流に遷移させる負荷状態検出手段を備え、前記負荷状態検出手段は、発電電動機の回転速度と界磁電流をパラメータとして上記同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値を決定すると共に、前記同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値とを所定の間隔を置いて設定して前記ダイオード整流から同期整流への遷移または同期整流からダイオード整流への遷移に所定のヒステリシス幅を設けたことを特徴とする車両用電力変換装置。
2. 負荷状態検出手段は、発電電動機の回転速度と界磁電流と発電電圧とをパラメータとして上記同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値を決定することを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置。
3. 前記同期整流許可しきい値と同期整流禁止しきい値は、それぞれのパラメータから予め実験により得た値をマップ化したものを利用することを特徴とする請求項１に記載の車両用電力変換装置。
4. 負荷状態検出手段は、マップから読み込んだ前記同期整流許可しきい値あるいは同期整流禁止しきい値と前記パラメータを比較することにより許可信号の発生あるいは禁止をすることを特徴とする請求項２に記載の車両用電力変換装置。