JP5282360B2

JP5282360B2 - 回転電機駆動用電源装置

Info

Publication number: JP5282360B2
Application number: JP2007035942A
Authority: JP
Inventors: 康寛玉井; 章弘小高; 政和鷁頭
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: US7888895B2; US20080211437A1; JP2008206212A

Description

この発明は、回転電機駆動用電源装置、特に自動車用として用いて好適な回転電機駆動用電源装置に関する。

図１０に、非特許文献１に示される従来例を示す。

これは、内燃機関と電気の両方を自動車の動力源として兼ね備えたハイブリッド自動車の例で、エンジンＥＮＧ、ギヤＧ、動力分割機構ＰＧ、発電機ＭＧ１、電動機ＭＧ２、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２、バッテリー電圧昇圧コンバータＣＨＰ、バッテリーＢＴおよび車輪Ｔなどから構成されている。

図１０では、エンジンＥＮＧにより動力分割機構ＰＧを介して駆動される発電機ＭＧ１にて発電された３相交流は、インバータＩＮＶ１により一旦直流に変換される。一方、インバータＩＮＶ２は変換された直流を任意の電圧，周波数の３相交流に変換し、電動機ＭＧ２を駆動することで車輪Ｔを駆動する。また、バッテリーＢＴからも車輪Ｔを駆動するための電力供給を行なうため、バッテリー電圧昇圧コンバータＣＨＰによりバッテリー電圧を昇圧している。

以上により、発電機ＭＧ１よりの電力供給に加えてバッテリーＢＴからも電力供給ができるため、各構成要素の電気的容量が低減でき、システムの小型化を図ることができる。
さらに、昇圧コンバータＣＨＰにより昇圧される直流電圧を任意の電圧値に調節することで、電気エネルギー伝達部全体の高効率化を図ることができる。以下において、電気エネルギー伝達部分を単にシステムともいう。

図１１は特許文献１，２に示される従来例を示す。

これもハイブリッド自動車の例で、図１０と異なる点は、（１）インバータＩＮＶ１をマトリックスコンバータＭＣに置き換えた点、（２）図１０ではインバータＩＮＶ１の直流出力部が昇圧コンバータＣＨＰの昇圧部に接続されていたのに対し、図１１ではマトリックスコンバータＭＣの３相交流出力部がインバータＩＮＶ２の３相交流出力部と並列に接続されている点である。この場合、発電機ＭＧ１で発電した電力は、図１０の場合のようにインバータＩＮＶ２を介することなく、直接電動機ＭＧ２へと供給される。

なお、マトリックスコンバータは双方向スイッチをパルス幅変調（ＰＷＭ）することで、３相交流電源を任意の電圧，周波数に直接変換する回路として広く知られているので、説明は省略する。
トヨタ・テクニカル・レビュー Vol.54,No.1,Aug2005,pp.200 特開２００５−３１８７３１号公報特開２００６−３４０４７０号公報

図１０の構成では、電動機ＭＧ２，発電機ＭＧ１およびバッテリーＢＴは、インバータＩＮＶ１，インバータＩＮＶ２および昇圧コンバータＣＨＰにより電圧変換され、メインコンデンサＣで接続されている。メインコンデンサＣの電圧は、電動機ＭＧ２および発電機ＭＧ１の動作状態に応じて可変にされ、これによりシステム損失を低減させ、モータ効率を向上させている。

しかし、図１０のような構成では、発電機ＭＧ１から電動機ＭＧ２へ電力変換する際、インバータＩＮＶ１→メインコンデンサＣ→インバータＩＮＶ２のように、２台のインバータに電流を流すため、インバータでの発生損失が大きくなるという問題が発生する。

一方、図１１の構成では、図１０の不具合を改良するため、マトリックスコンバータＭＣによる直接変換により、インバータでの発生損失を低減している。また、バッテリーＢＴは昇圧コンバータＣＨＰ＋インバータＩＮＶ２の構成とし、マトリックスコンバータＭＣと並列に接続されている。

マトリックスコンバータＭＣの出力とインバータＩＮＶ２の出力は共に電圧源であり、図１１の接続構成では出力に僅かな電位差が生じた場合、マトリックスコンバータＭＣの出力電流とインバータＩＮＶ２の出力電流はバランスしなくなる。このため、実用的にはマトリックスコンバータＭＣとインバータＩＮＶ２の双方を、同時に利用することはできないことになる。

その対策としては、出力端子間にリアクトルなどのインピーダンス素子を挿入することで、出力電流をバランスさせることができる。しかし、マトリックスコンバータＭＣとインバータＩＮＶ２とは並列接続され、またマトリックスコンバータＭＣは発電機ＭＧ１からの発生電圧を昇圧することができないため、発電機ＭＧ１，電動機ＭＧ２およびバッテリーＢＴの電気的仕様が図１０と同じである限り、図１０について指摘されている高電圧化によるシステム損失低減や、モータ出力の向上が図れないという問題がある。

したがって、この発明の課題は、マトリックスコンバータを適用しても電力損失の低減およびモータ出力の向上を図られるようにすることにある。

動力により第１の交流電力を発電する第１の回転電機と、その第１の交流電力を第２の交流電力として出力する交流交流直接変換器とを有し、前記第２の交流電力により第２の回転電機を駆動する構成とするとともに、前記交流交流直接変換器と第２の回転電機との間にバッテリーから得られる直流電圧を交流電圧に変換するインバータと変圧器とから構成した交流電圧源を接続し、かつ、前記変圧器とインバータとの間、およびインバータと前記第１の回転電機と接続されている側の交流交流直接変換器の主回路端子との間を、それぞれスイッチを介して接続したことを特徴とする。

この請求項１の発明においては、前記バッテリーとインバータとの間にバッテリー電圧昇圧コンバータを接続することができる（請求項２の発明）。

この発明によれば、マトリックスコンバータを用いた場合の電力損失の低減と、高電圧化によるシステム損失低減およびモータ出力の向上などを、同時に実現することが可能になる利点が得られる。

すなわち、請求項１の発明によれば、第２の回転電機へ高電圧を印加することが可能になり、交流電圧源を接続する変圧器を小型にでき、任意の交流電圧を出力できる交流電源を小形の変圧器を介して直列接続することができとともに、運転に応じた最適な電力の遣り取りが可能となる。また、請求項２の発明によれば、第２の回転電機へ印加できる電圧範囲が広がる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。

ハイブリッド自動車では、エンジンＥＮＧの回転により発生するエネルギーを、動力分割機構ＰＧを介して、その一部を車輪Ｔの駆動に直接用い、残りのエネルギーで発電機ＭＧ１を回転させ、発電を行なうために用いる。発電機ＭＧ１により発電された交流電力は交流交流直接変換器ＭＣにより所望の交流電力に変換され、電動機ＭＧ２を駆動する。例えば、交流交流直接変換器ＭＣは、図示しない制御回路からの指令を受けて、電動機ＭＧ２を駆動するために入力の交流電力から周波数を変換して出力する。この他、制御回路からの電動機ＭＧ２の駆動に要求される速度指令・トルク指令に応じて、交流電力の大きさについても、入力交流電力を変換して出力する。電動機ＭＧ２から出力されるエネルギーと、前記動力分割機構ＰＧを介して伝達されるエンジンＥＮＧから直接与えるエネルギーとを、ギヤＧにて結合して車輪Ｔを駆動する。このとき、電動機ＭＧ２から供給するエネルギーの割合を適宜調整することにより、車輪駆動のための効率を最大化することができる。

すなわち、図１では電動機ＭＧ２を駆動するための電力変換器として、交流交流直接変換器を用いる点が特徴である。交流交流直接変換器は入力の交流電圧から任意の交流電圧を出力できる変換器であり、このような変換器としてマトリックスコンバータがある。以下では、マトリックスコンバータを用いた例で説明するが、その他の交流交流直接変換器でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

電動機ＭＧ２を駆動するための電力変換器の他の構成としては、整流器などにより発電機ＭＧ１からの交流電力を一度直流に変換し、その直流電力をインバータにより電動機ＭＧ２を駆動するための交流電力を得る方式が考えられる。しかし、このようにすると、２度の電力変換を行なうため、その損失により効率が低下する。そこで、この発明のようにマトリックスコンバータを用いれば、電力変換は一度行なうだけで良く、システム全体の高効率化が可能となる。

図２に図１の変形例を示す。これは、マトリックスコンバータＭＣと電動機ＭＧ２との間に、交流電源ＶＳを直列に挿入した点が特徴である。ハイブリッド自動車には通常、バッテリーが内蔵されており、このバッテリーの直流電力を交流電力に変換して交流電源ＶＳを構成することを想定している。この構成では、発電機ＭＧ１の出力をマトリックスコンバータで変換した交流電源と交流電源ＶＳとの２つの交流電源が直列に接続された構成となる。マトリックスコンバータＭＣと交流電源ＶＳの同時運転が可能となる。さらに、マトリックスコンバータの出力電圧に交流電源ＶＳの電圧を重畳することで、電動機ＭＧ２への印加電圧を、２つの交流電源のいずれか一方から印加する場合に比べて高くすることが可能となる。電動機ＭＧ２を高電圧で駆動すると電動機の駆動系の損失低減も可能となる。

従来技術では、交流電源とマトリックスコンバータが並列に接続された構成のため、同時運転は実用的には困難であり、常に単独で電動機に電力を供給する必要がある。例えば、坂道発進時などの急加速時においてはエネルギーを最も多く必要とする。このような場合に、従来技術では電動機に十分に電力を供給できなかった。この発明ではマトリックスコンバータＭＣと交流電源ＶＳが直列に接続された構成となっているため、同時運転が容易に実現可能であり、双方から電動機ＭＧ２への電力供給が可能となる。その結果、マトリックスコンバータＭＣの容量を最小限に抑えることができる。一方、通常走行時においては交流電源ＶＳの運転を停止し、マトリックスコンバータＭＣ単独で電動機ＭＧ２へ電力を供給すれば良い。

また、マトリックスコンバータの最大出力電圧は入力電圧の０．８６６倍であり、出力電圧の範囲に制約が生じる。しかし、システム全体の効率を最大にするために、電動機ＭＧ２の高電圧での駆動が要求される場合がある。従来の構成では、電動機ＭＧ２への印加電圧はマトリックスコンバータの最大出力電圧により制限されてしまう。これに対し、この発明では、交流電源ＶＳが直列に接続されているので、例えばマトリックスコンバータＭＣと交流電源ＶＳの出力電圧の位相を一致させるように制御すれば、電動機ＭＧ２へ印加する交流電圧を増加させることができる。

このように、交流電源ＶＳの制御により、マトリックスコンバータＭＣの出力電圧を等価的に増加することができ、従来技術の課題を解決することができる。また、交流電源ＶＳ以外に追加要素はないため、システムを小型化できる。

図３は、図２における交流電源ＶＳの具体的回路構成を示す構成図である。

図３において、Ｓ１〜Ｓ４はブリッジ接続されるスイッチング素子であり、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の直列回路の両端，ならびにスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４の直列回路の両端は、直流電源Ｅに接続されている。スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の直列接続中点，ならびにスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４の直列接続中点から交流電力を出力する単相インバータである。スイッチ素子Ｓ１とＳ２との直接接続中点はマトリックスコンバータＭＣに接続され、スイッチ素子Ｓ３とＳ４との直接接続中点は電動機ＭＧ２に接続される。なお、リアクトルLとコンデンサCはフィルタを構成している。そして、上記の構成を１相分として、各相について同様の構成とする。

このように構成することで、マトリックスコンバータＭＣの出力に交流電源ＶＳとしての単相インバータ出力が直列に接続されて電動機ＭＧ２に接続される。

なお、交流電源ＶＳから電力を供給しない場合は、例えば半導体スイッチＳ１，Ｓ３を常時オンさせることにより、マトリックスコンバータＭＣ単体で電動機ＭＧ２を駆動できる。しかし、交流電源ＶＳからは電動機ＭＧ２に電力を供給しないにもかかわらず、常にＳ１，Ｓ３に電流が流れ、導通損失が発生し効率が低下することになる。

図４にこの発明の別の実施形態を示す。これは、変圧器ＴＲを介して、マトリックスコンバータＭＣと電動機ＭＧ２との間に交流電源ＶＳを直列に挿入したものである。図２，３のように、変圧器ＴＲを用いずに交流電源ＶＳを直接接続すると、交流電源ＶＳを構成する半導体素子に常時電流が流れるため、その損失が問題となる。

これに対し、図４のように変圧器ＴＲを用いると、交流電源ＶＳから電力を供給する場合にのみ上記半導体素子に電流が流れるため、交流電源ＶＳの損失低減が可能となる。なお、交流電源ＶＳは、大きなエネルギーが必要な場合にのみ運転する補助的な電源であり、マトリックスコンバータＭＣに対する容量は小さく、変圧器ＴＲは小型であるため、変圧器ＴＲの挿入によるシステムの体積増加は最小限に抑えることができる。

図５は、図４における交流電源の具体的構成例を示す構成図である。

図５において、Ｓ５〜Ｓ１０はブリッジ接続されるスイッチ素子であって、スイッチ素子Ｓ５とＳ６、スイッチ素子Ｓ７とＳ８、スイッチ素子Ｓ９とＳ１０はそれぞれ直列接続されている。各直列回路の両端直流電源Ｅに接続されている。スイッチ素子Ｓ５，Ｓ6の直列接続中点、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ８の直列接続中点、ならびにスイッチ素子Ｓ９，Ｓ１０の直列接続中点から交流電力を出力する三相インバータである。

マトリックスコンバータＭＣの出力は変圧器の一次巻線の一端に接続され、変圧器ＴＲの一次巻線の他端は電動機ＭＧ２に接続される。スイッチ素子Ｓ5とＳ6との直接接続中点は変圧器ＴＲの二次巻線の一端に接続される。同様に、スイッチ素子Ｓ7とＳ8との直接接続中点，ならびにスイッチ素子Ｓ９とＳ１０との直接接続中点も、変圧器ＴＲの二次巻線の一端に接続される。変圧器ＴＲの各二次巻線の他端は相互に接続される。なお、リアクトルＬとコンデンサＣはフィルタ構成している。

このように構成することで、マトリックスコンバータＭＣの出力に交流電源ＶＳとしてのインバータ出力が直列に接続されて電動機ＭＧ２に接続される。

図６は、図３に示したような単相インバータを交流電源ＶＳとし、その出力を変圧器ＴＲを介して、マトリックスコンバータＭＣに直列接続する構成を示す構成図である。

変圧器ＴＲとしては単相のものを用い、各変圧器ＴＲの一次巻線の一端はそれぞれマトリックスコンバータＭＣに接続され、各変圧器ＴＲの一次巻線の他端は、それぞれ電動機ＭＧ２に接続されている。また、各変圧器の二次巻線には、交流電源ＶＳとしての単相インバータが接続されている。

すなわち、上記図５，６のような構成では、マトリックスコンバータＭＣ単体で電動機ＭＧ２を駆動する場合、交流電源ＶＳを構成する全ての半導体スイッチＳ５〜Ｓ１０やＳ１〜Ｓ４を常時オフすればよいため、交流電源ＶＳでの損失は発生しない。

図７に図４の変形例を示す。これは、図４の交流電源ＶＳの代わりに、バッテリーＢＴとインバータＩＮＶを用いたものである。すなわち、ハイブリッド自動車には通常、バッテリーＢＴが内蔵されているが、このバッテリーＢＴに蓄積されている電力は直流なので、インバータＩＮＶを用いて交流電圧を出力できるようにしたものである。この場合、インバータＩＮＶの出力電圧範囲を広げて高電圧化するには、変圧器ＴＲの巻数を調整する必要があるが、変圧器ＴＲの損失低減・小型化の観点からは好ましくない。そこで、高電圧化を行なうには、次の例に示すように昇圧コンバータＣＨＰを用いるのが望ましい。

図８は、バッテリーＢＴとインバータＩＮＶとの間に、昇圧コンバータＣＨＰを接続した構成となっている。この電圧昇圧コンバータＣＨＰにより、バッテリーＢＴの電圧を昇圧することで、インバータＩＮＶの出力電圧を増加させるようにしている。その結果、電動機ＭＧ２へ印加できる電圧の範囲が広がり、システム全体の効率を改善できる。
図９に図８の変形例を示す。図示のように、図８に示すものに対し発電機ＭＧ１とマトリックスコンバータＭＣとの間、およびインバータＩＮＶの交流出力端子にそれぞれスイッチＳＷ２，ＳＷ１を介して接続した点が特徴である。スイッチの開閉状態は表１に示すように、自動車の運転状態に応じて制御する。その結果、発電機ＭＧ１，ＭＧ２，バッテリーＢＴの間で、運転状態に最適な電力のやり取りが可能となる。

システムを起動する場合、通常は発電機ＭＧ１を介してバッテリーＢＴからエンジンに電力を供給して起動を行なう。この場合、スイッチＳＷ１をオンとし、マトリックスコンバータＭＣの運転を停止することにより、バッテリーＢＴと発電機ＭＧ１を接続する経路ができ、エンジンへの電力供給が可能になる。

またこの動作モードでは、バッテリーＢＴの蓄電量が低下した場合に、発電機ＭＧ１を介してエンジンから電力を供給することにより、バッテリーＢＴの充電も可能となる。なお、スイッチＳＷ２はインバータＩＮＶと電動機ＭＧ２の接続を切り離すためのものであり、発電機ＭＧ１とバッテリーＢＴの間でエネルギーをやり取りする場合は、常時オフとする。

また、走行中に減速する場合、電動機ＭＧ２からの回生エネルギーによりバッテリーＢＴを充電できる。バッテリーＢＴを充電するためには、スイッチＳＷ１をオフした場合でも、スイッチＳＷ２をオンとしてインバータＩＮＶを制御することにより、バッテリーＢＴの充電が可能である。しかし、この方式では変圧器ＴＲの容量による制約から回生できるエネルギーの量には上限がある。

そこで、図９ではスイッチＳＷ１をオン、スイッチＳＷ２をオフとすることにより、マトリックスコンバータＭＣを介して、電動機ＭＧ２からの回生エネルギーをバッテリーＢＴに伝達できるようにしている。この場合、回生エネルギーの経路には変圧器ＴＲを含まないため、変圧器ＴＲによる回生エネルギー量の制約はなく、より大きな回生エネルギーをバッテリーＢＴに伝達することができる。なお、通常走行時には、スイッチＳＷ１は常時オフ、スイッチＳＷ２を常時オンとすれば良い。

図９ではスイッチＳＷ１，ＳＷ２を使用しているが、図７の場合も図９と同様にして用いることができる。

この発明の実施の形態を示す構成図図１の変形例を示す構成図図２における交流電源の具体例を示す構成図この発明の他の実施の形態を示す構成図図４における交流電源の第１の具体例を示す構成図図４における交流電源の第２の具体例を示す構成図図４の変形例を示す構成図この発明のさらに他の実施の形態を示す構成図図１の変形例を示す構成図第１の従来例を示す構成図第２の従来例を示す構成図

ＥＮＧ…エンジン、Ｇ…ギヤ、ＰＧ…動力分割機構、ＭＧ１…発電機、ＭＧ２…電動機、ＩＮＶ，ＩＮＶ１，ＩＮＶ２…インバータ、ＣＨＰ…バッテリー電圧昇圧コンバータ、ＢＴ…バッテリー、ＶＳ…交流電源、ＴＲ…変圧器、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ、Ｔ…車輪、Ｃ…コンデンサ。

Claims

動力により第１の交流電力を発電する第１の回転電機と、その第１の交流電力を第２の交流電力として出力する交流交流直接変換器とを有し、前記第２の交流電力により第２の回転電機を駆動する構成とするとともに、前記交流交流直接変換器と第２の回転電機との間にバッテリーから得られる直流電圧を交流電圧に変換するインバータと変圧器とから構成した交流電圧源を接続し、かつ、前記変圧器とインバータとの間、およびインバータと前記第１の回転電機と接続されている側の交流交流直接変換器の主回路端子との間を、それぞれスイッチを介して接続したことを特徴とする回転電機駆動用電源装置。
前記バッテリーとインバータとの間にバッテリー電圧昇圧コンバータを接続したことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用電源装置。